【正文】 一般是： ① 對信號幅度放大； ② 增大輸入阻抗，起到 隔離和緩沖前后級單元； ③ 抑制噪聲，提高信噪比； ④ 其他作用，如電壓、電流變換 、 量程切換、極性自動變換 等。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 信號調(diào)理 31 儀表 放大器的原理結構 GF RRG /21 ??6543 RRRR ???FRRR ?? 21167。 34 AD620儀表 放大器在 差分屏蔽驅動接法中的應用 在許多應用場合，常采用屏蔽電纜方法來減小輸入端的噪聲干擾。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 信號調(diào)理 36 3. 隔離放大器 在有強電或強電磁的干擾環(huán)境線，為了防止電網(wǎng)電壓等對測量回路的損壞，其信號輸入通道通常采用隔離技術，隔離放大器作用 是在輸入信號與輸出信號之間保持電氣隔離的同時實現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓的線性傳輸 。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 信號調(diào)理 38 167。 % 39 167。 % 40 167。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 信號調(diào)理 42 (1)無源 I／ V變換 無源 IIV變換主要是利用無源器件電阻來實現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護措施， 對于 0～ 10mA輸入信號，可取R1=100?， R2=500 ? ，且 R2為精密電阻 ， 這樣當輸入的 I為 0～ 10mA電流時，輸出的 V為 0～ 5V； 對于 4～ 20mA輸入信號，可取R1=100 ?及 R2=250 ?，且 R2為精密電阻，這樣當輸入的 I為 4～ 20mA時，輸出的 V為 1～ 5V。 該同相放大電路的放大倍數(shù)為 A=1+R5/R3 若取 R3=100k?及 R5=150k? ， R1=200 ?，則 0～ 10mA輸入對應于 0～ 5V的電壓輸出。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 信號調(diào)理 46 調(diào)理模塊的選擇 傳感器和信號 ? 熱電偶 ? RTDs ? 熱敏電阻 ? 應變儀 ? 電壓信號 微伏，毫伏，伏 ? 電流信號 4 — 20 mA, 0 — 20 mA ? 數(shù)字信號 信號調(diào)理 多路復用 放大 隔離 濾波 傳感器激勵 冷端補償 167。 理想的 多路開關其 開路電阻為無窮大 ，其 接通時的導通電阻為零 。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 多路轉換器 48 常用的多路開關有 CD405 CD405 CD406 AD4097等。通道選擇表如表 。 10pA；靜態(tài)功耗為 1μ W。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 多路轉換器 53 167。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 可 編程增益放大器 四、 可編程增益放大器 在計算機測控系統(tǒng)的模擬輸入通道中，由于被測量所處的 環(huán)境和時間不同 ，可能會造成其 變化范圍不同 ，因此希望能自動改變放大器的增益，使信號通過放大器后，具有合適的動態(tài)范圍，即實現(xiàn) 自動里程切換 ，以便于 A/D轉換。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 可 編程增益放大器 基于上述原理的器件有 LH0084，通過控制信號 DlD0通過控制邏輯驅動模擬開關切換運算放大器的反饋電阻。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 采樣保持器 58 假定 A/D轉換器之前無采樣／保持器，在坐標的原點上，正弦信號的最大變化率為 2 mu fUt ?? ??取 Δt=tA/D ， 則得原點處轉換的不確定電壓為 A /D2 mU fU t???誤差百分數(shù) A / D100% 2 1 0 0 %mU ftU????? ? ?167。解決的方法就是在 A/D轉換之前 加采樣 /保持器 。所以要求輸入到 A/D轉換器的模擬量在整個轉換過程中 保持不變 。 一個理想的采樣 /保持器工作原理 下圖 所示，采樣／保持的輸出， 在采樣周期內(nèi)跟蹤電壓輸入，并在保持周期內(nèi)把它保持在最后跟蹤的模擬電壓值。 167。 167。 167。 值得注意的是 采樣保持器的孔徑時間 TAP與 A/D轉換器的孔徑時間 TA/D完全不同 ② 孔徑時間不確定性 Δ TAP 。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 采樣保持器 ③ 轉換速率：指輸出變化的最大速率，以 V/s為單位 。 增大電容 可減少保持電壓的下降率，提高精度 ，但會增多捕捉時間。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 采樣保持器 68 因此，通常采取的辦法 是努力減小泄漏電流，采用 高輸入阻抗的運放作為緩沖放大器，選擇優(yōu)質電容如 聚四氟乙烯電容作為保持電容 ，選用 漏電流小的模擬開關等。 18V； 采樣時間： ≤ 10181。 9～ 177。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 采樣保持器 71 A/D轉換器 是將 模擬電壓或電流轉換成數(shù)字量 的器件或裝置，它是一個模擬系統(tǒng)和計算機之間的接口，它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，得到了廣泛的應用。 AD574A—— 12位 ADC1210—— 12位無輸出鎖存器 六、 A/D轉換器 167。s 167。 167。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 A/D轉換器 ③ 轉換精度 它是指轉換后所得結果相對于實際值的準確度。 線性誤差常用 LSB的分數(shù)表示，如 1/2LSB或 177。 絕對精度 常用數(shù)字量的位數(shù)表示法，如絕對精度為 177。故在設計時，應考慮 是否要外接精密基準電源 。 77 各廠家的 A/D轉換器芯片不僅型號五花八門，性能各異，而且功能相同的引腳命名也各不相同，沒有統(tǒng)一的名稱，但從使用的角度來看，任何一種 A/D轉換器芯片一般具有以下輸出信號線。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 A/D轉換器 78 （ 3） 模擬信號輸入線 來自被轉換的對象，有 單通道輸入與多通道輸入 之分 。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 A/D轉換器 79 輸入輸出線對于不同類型的 A/D轉換器又有差異，因此，在選擇和使用 A／ D轉換器芯片時，除了要滿足用戶的轉換速度和分辨率要求之外，還要注意 A/D轉換器的 連接特性 ，一般有以下幾點。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 A/D轉換器 80 ② A/D轉換器芯片內(nèi) 是否帶有三態(tài)門輸出鎖存器 來輸出數(shù)字量。 167。 BIPOFF——雙極性偏置 167。 ⑨ STS： 轉換 結束輸出信號線 。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 A/D轉換器 85 （ 11） CE： 使能信號 輸入線，高電平有效 （ 12） CS： 片選信號 輸入線，低電平有效。 167。 167。 當 IOW=1時 ， R/C=1， DIR=1 ，系統(tǒng)通過 74LS245讀 AD574轉換結果 。 167。 ADPORT+1為奇地址 IN AL， DX ；從數(shù)據(jù)總線 D4～ D7位讀入低 4位 167。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 A/D轉換器 94 ∑Δ A/ D轉換器的基本思路：用 X(t) 代替 X(t) ， 必須 Δt和 Δ U充分小 ，才能保證一定的精度，每個離散值由其 相應的階梯高度 —— 電壓分段單元的總和 來表示，這張表如同一張 離散數(shù)據(jù)表 ，有了這張表，我們就可以 根據(jù)采樣率 的要求，在確定的時間 (t)，從表中讀取相應的離散值 unii???0167。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 A/D轉換器 調(diào)制器 延時存儲器 數(shù)字濾波器 采樣抽取 模擬輸入 時鐘脈沖 320kHz 串行輸出 1位 寫地址 讀地址 并行輸出 串行輸出 DSP 讀 /寫操作 96 ∑ ΔA / D轉換器的中調(diào)制器的工作原理 注意：這里的 Uref 數(shù)值很小 ! 167。 167。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 A/D轉換器 99 167。 4LSB，典型有效值噪聲 ； ?片內(nèi)自校準系統(tǒng)； ?低通濾波器的轉折頻率為 ～ 10Hz； ?數(shù)據(jù)傳輸率為 4kHz； ?靈活的串行接口； ? 工作溫度范圍： A、 B、 C級為 40～ +85℃ ， S級為 55～ +125℃ ； ?超低功耗：正常工作為 40 mw，睡眠狀態(tài)為 10 μW。 接數(shù)字地 時工作于 同步外部時鐘 通信方式， 接 +5V時工作于 同步內(nèi)部時鐘 通信方式； （２） CLKIN和 CLKOUT（ 2腳） —— 在使用內(nèi)部時鐘時，此兩腳接晶振，使用外部時鐘時則由 CLKIN端引入； （３） SC SC2（ 17腳） —— 校準選擇端 ，決定校準類型； （４） DGND、 AGND（ 8腳） —— 數(shù)字地和模擬地 （５） DVss、 AVss（ 7腳） —— 數(shù)字、模擬負電源， 接 5V； （６） AIN（ 9腳） —— 模擬輸入信號的輸入端。在輸出數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)準備好時為低電平，完后為高電平 104 167。 采用哪種方式由 MODE腳所加的電平?jīng)Q定。 從時序圖可看出，在 CS下降沿串行數(shù)據(jù)的 MSB首先有效發(fā)送 ，其后的 19位數(shù)據(jù)在外部時鐘 SCLK的下降沿更新，上升沿才穩(wěn)定有效發(fā)送。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 模擬量采集板設計舉例 七、模擬量采集板設計舉例 108 167。 109 167。設主過程已對 8255A初始化，且已裝填 DS、 ES（兩者段基值同）， 8255A的地址為 2C0H～2C3H。指向 PC口 OUT DX， AL OR AL， 40H ； CE=1 (PC6) OUT DX， AL 112 167。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 模擬量輸入通道結構改進 4）給數(shù)據(jù)采集通道的設計帶來的極大的 靈活性 ，也豐富了模擬量數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的 多樣化 ，人們可以不但可以設計出不同接口形式的采集模塊，還可以根據(jù)被采集信號類型、性能要求 設計出不同類型和規(guī)格的專用或通用產(chǎn)品； 5）有利于 采集專用芯片 的開發(fā) 。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 模擬量采集專用集成芯片 九、模擬量采集專用集成芯片 (自學） 歸納起來分為兩大類： 一類是包含 信號調(diào)理、多路轉換開關、程控放大和A/D轉換器 的集成芯片。 AD7714DIP封裝 引腳圖 119 AD7714的主要性能： ? 24位 分辨率； ? 最大非線性誤差為 %； ? 片內(nèi)可編程放大器，其放大倍數(shù) 1~128； ? 具有 3個差分 模擬輸入或 5個準差分 模擬輸入及差分基準輸入 ； ? 片內(nèi)一個 三階數(shù)字濾波器處理，其一次陷波頻率可編程控制 ； ? 低噪聲（＜ 150nV， RMS） ? 片內(nèi) 自校準系統(tǒng) ； ? 靈活的串行接口，數(shù)據(jù)傳輸率為 4kHz； ? 工作電壓： ~ ~； ? 工作溫度范圍： 40~85℃ /105 ℃ ； ? 超低功耗：正常工作電流 226μA，睡眠狀態(tài)工作電流為 4 μA。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 模擬量采集專用集成芯片 122 167。 第二章 輸入輸出接口與過程通道技術 模擬量采集專用集成芯片 126 ADS1232/4 ∑ ΔA / D轉換器的應用 167。 Emulation Features 167。 20mmV)，則 2 5 6 0 24 ??即 每上升 1