模拟量输入通道

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第2章 模拟量输入通道,学习目标:,1.了解模拟量输入通道常用器件的功能作用 与结构组成。,2.掌握8位A/D转换器ADC0809的原理组成、功能特性及与AT89C52的接口电路。,3.了解12位A/D转换器AD574A的功能特性及与AT89C52的接口电路。,4.了解双积分式A/D转换器MC14433的功能特性及与AT89C52的接口电路。,返回总目录,本章主要内容,引言,2.1信号调理电路,2.2多路模拟开关,2.3前置放大器,2.4采样保持器,2.5A/D转换器,2.6接口电路,本章小结,思考题,引言,在微机控制系统中，输入信号多是模拟量。那么一个数字计算机是如何通过输入通道采集模拟信号的呢？,模拟量输入通道的任务是把被控对象的模拟量信号如温度、压力、流量、液位、重量等转换成计算机可以接收的数字量信号。如图2-1所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器或ADC，通常把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。,2.1 信号调理电路,在模拟量输入通道中，对现场可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施以保证模/数转换的精度，所以首先要在通道之前设置输入信号调理电路。,根据通道需要，可以采取不同的信号调理技术，如信号滤波、光电隔离、电平转换、过电压保护、反电压保护、电流/电压变换等。本节主要介绍模拟量输入通道中常用的电流/电压变换技术，其余部分参见4.2.1与9.2有关内容。,在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的现场变送器，它们的输出一般为0 10 mA或4 20 mA的统一电流信号，对此需采用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号，以下是两种变换电路。,1.无源I/V变换电路,无源I/V变换电路,是利用无源器件电阻来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如图2-2（a）所示，其中R2为精密电阻。对于0 10 mA输入信号，可取R1=100，R2=500，这样当输入电流在0 10 mA量程变化时，输出的电压就为0 5 V范围；而对于4 20 mA输入信号，可取R1=100，R2=250，这样当输入电流为4 20 mA时，输出的电压为1 5 V。,2.,有源,I/V,变换,有源,I/V,变换是利用有源器件,运算放大器和电阻电容组成，如图,2-2,（,b,）所示。利用同相放大电路，把电阻,R,1,上的输入电压变成标准输出电压。,该同相,放大电路的放大倍数为,(2-1),若取,R1=200,，,R3=100k,，,R4=150k,，则输入电流,I,的,0 10 mA,就对应电压输出,V,的,0 5 V,；若取,R1=200,，,R3=100k,，,R4=25k,，则,4 20 mA,的输入电流对应于,1 5 V,的电压输出。,2.2 多路模拟开关,由于微机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台微机系统可供几十个检测回路使用，但微机在某一时刻只能接收一个通道的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。,目前，微机控制系统使用的多路开关种类很多，如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。,2.2.1结构原理,现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原理如图2-3所示。CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成，引脚中的禁止端很重要。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0S7端与Sm端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0S7中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、A=001时，通道S1选通；当C、B、A=111时，通道S7选通。其真值表如表2-1所示。,表2-1 CD4051的真值表,注：表中 表示1或0都可以,2.2.2 扩展电路,当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。,例题2-1 试用两个CD4051扩展成一个1,16路的模拟开关。,例题分析：图2-4给出了两个CD4051扩展为16路模拟开关的电路。数据总线D3D0作为通道选择信号，D3用来控制两个多路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通上面的S0S7通道；当D3=1时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通下面的S8=15通道。如此，组成一个16路的模拟开关。,2.3 前置放大器,前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内，如05V DC。对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如图2-5所示，信号源的一端若接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的放大倍数,G,=1+R2/R1；若信号源的一端接放大器的负端为反相放大，反相放大电路的放大倍数,G,=R2/R1。当然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。,2.3.1 测量放大器,但来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图2-6(a)所示。,经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端,V,IN,和,V,IN,分别是两个运放A1、A2的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。,图中,R,G,是外接电阻，专用来调整放大器增益的。因此，放大器的增益,G,与这个外,接电阻,R,G,有着密切的关系。增益公式为,目前这种测量放大器的集成电路芯片有,多种，如,AD521/522,、,INA102,等。,(2-2),2.3.2 可变增益放大器,在A/D转换通道中，多路被测信号共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器，如图2-6(b)所示。,把图（a）中的外接电阻,RG,换成一组精密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为2、4、8、16、32、64、128、256倍。显然，这一组开关如果用多路模拟开关(类似CD4051)就可方便地进行增益可变的计算机数字程序控制。,此类集成电路芯片有AD612/614等。,2.4 采样保持器,当某一通道进行A/D转换时，由于A/D 转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器。,2.4.1 数据采样定理,把连续变化的量变成离散量后再进行处理的微机控制系统，称为离散系统或采样数据系统。离散系统的采样形式有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样，如图2-7所示，周期采样就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号,y,(,t,)，按一定的时间间隔,T,转变为在瞬时0，,T,，2,T,，的一连串脉冲序列信号,y,*(,t,)。执行采样动作的装置叫采样器或采样开关，采样开关每次闭合的时间称为采样时间或采样宽度,，采样开关每次通断的时间间隔称为采样周期,T,。在实际系统中，,T,，也就是说，可以近似地认为采样信号,y,*(,t,)是,y,(,t,)在采样开关闭合时的瞬时值。,由经验可知，采样频率越高，采样信号,y*,(,t,)越接近原信号,y,(,t,)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号,y,*(,t,)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号,y*,(,t,)能完全复现原信号,y,(,t,)，采样频率,f,至少要为原信号最高有效频率,f,max的2倍，即,f,2f,max。,采样定理给出了,y*,(,t,)唯一地复现,y,(,t,)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取,f,（5 10）,f,max。,2.4.2采样保持器,采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。采样保持器的组成原理电路与工作波性如图2-8(a)、(b)所示。采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容,C,H等组成。采样期间，开关S闭合，输入电压,V,IN通过A1对,C,H快速充电，输出电压,V,OUT跟随,V,IN变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容将保持,C,H电压,VC,不变，因而输出电压,V,OUT,VC,也保持恒定。,在A/D通道中，采样保持器的采样与保持状态应与后级的A/D转换相配合：保持器的采样期间，不启动A/D转换器，一旦进入保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证A/D 转换时的模拟输入电压恒定，保证A/D转换的精度。,实际上保持期间的电容电压,VC,是会渐渐下降的，因此电容容量的大小决定采样保持器的精度。一般选用容量为5101000pF的聚四氟乙烯等电容器。,常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582、AD583等。,2.5 A/D转换器,A/D转换器能把输入的模拟电压变成与它成正比的数字量，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。,2.5.1 工作原理与性能指标,A/D转换器从原理上可分为多种，常用的主要有逐位逼近式和双积分式两种。,1逐位逼近式A/D转换原理,一个,n,位A/D转换器是由,n,位寄存器、,n,位D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例，说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。,如图2-9所示，当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器的最高位D3,1，其余为0，此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即,V,O,8，送到比较器输入端与被转换的模拟量,V,IN=9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当,V,IN,V,O，则保留D3=1；再对下一位D2进行比较，同样先使D2,1，与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器，转换为,V,O,12再进入比较器，与,V,IN,9比较，因,V,IN,V,O，则使D2,0；再下一位D1位也是如此，D1,1即1010，经D/A转换为,V,O=10，再与,V,IN,9比较，因,V,IN,V,O，则使D1,0；最后一位D0,1即1001经D/A转换为,V,O,9，再与,V,IN,9比较，因,V,IN,V,O，保留D0,1。比较完毕，寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。,一个,n,位,A/D,转换器的模数转换表达式是,式中,n,n,位,A/D,转换器；,V,R+,、,V,R,基准电压源的正、负输入；,V,IN,要转换的输入模拟量；,B,转换后的输出数字量。,即当基准电压源确定之后，,n,位,A/D,转换器的输出数字量,B,与要转换的输入模拟量,V,IN,呈正比。,（,2-3,）,例题2-2：一个8位A/D转换器，设,V,R+=5.02 V，,V,R,=0 V，计算当,V,IN分别为0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量。,解：把已知数代入公式（,2-3,）,：,0 V,、,2.5 V,、,5