【文章內(nèi)容簡介】 4~20 m A OUT 10V OPA27 2 3 1 6 5 2 6 REF10 4 R L OA D Ω Ω 常用精密 0～ 10Ⅴ/4 ～ 20mA轉(zhuǎn)換電路如圖所示 . 圖中 REF10為 +10V精密電壓基準(zhǔn) ,提供一個(gè) +10Ⅴ 標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓電源 ,此標(biāo)準(zhǔn)電源與 0～ l0Ⅴ 輸入信號 一起加到由 超低噪聲精密運(yùn)算放大器 OPA27所組成的 反相比例求和電路 . 工作原理 :當(dāng)輸入信號在 0～ 10V間變化時(shí) ,OPA27的輸出范圍為 ～ 1V,該輸出加到由 精密單位增益差動放大器 INA105組成的 V/I變換電路 的輸入端 ,可以推出當(dāng)輸入電壓為 ～ 1Ⅴ 時(shí) ,流過負(fù)載電阻 RLOAD的電流為 4～ 20mA,而與 RLOAD的大小無關(guān) . 57 (2)隔離型 V/I轉(zhuǎn)換電路 采用 ISO100光電隔離放大器 組成的 V/I 4～ 20mA變換電路 ,原理如圖所示 . 58 (1)無源 I/V變換 無源 I/V變換電路是利用 無源器件 電阻 來實(shí)現(xiàn) ,加上 RC濾波和二極管限幅 等保護(hù) ,如圖 215(a)所示 ,其中 R2為精密電阻 . 對于 0～ 10mA輸入信號 ,可取 R1=100Ω, R2=500Ω ,這樣當(dāng)輸入電流在 0～ 10mA量程變化時(shí) ,輸出的電壓 就為 0～ 5V范圍 。 對于 4～ 20mA輸入信號 ,可取 R1=100Ω, R2=250Ω ,這樣當(dāng)輸入電流為 4～ 20mA時(shí) ,輸出的電壓為 1～ 5V. 59 圖 215 電流 /電壓變換電路 +A2R1RVI(a) 無源I/V變換電路 (b) 有源I/V變換電路圖 22 電流/電壓變 換電路+3R5R4R2R1RIDCCV++ 5 VR1=100Ω,R2=500Ω 60 (2)有源 I/V變換 有源 I/V變換是利用 有源器件 —— 運(yùn)算放大器和電阻電容 組成 ,如圖 215(b)所示 .利用 同相放大電路 ,把電阻 R1上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓 .該同相放大電路的放大倍數(shù)為 若取 R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=150kΩ ,則輸入電流 I的 0～10mA就對應(yīng)電壓輸出 V的 0～ 5V； 若取 R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=25kΩ ,則 4～ 20mA的輸入電流對應(yīng)于 1～ 5V的電壓輸出 . 341 RR1IRVG ??? 61 RCV420是一種精密的 電流 /電壓變換器 ,它能將 4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換成 0～ 5V的電壓信號 . 其典型應(yīng)用電路如圖所示 . I IN 4~ 20mA + i n 3 Cr 2 in 1 + + 1 μ F 公共 公共 Rcv Rcv Ref 噪聲抑制 16 4 13 7 5 8 Ref 調(diào)整 10 Ref f A 11 R c v O u t （ 0 ~ 5V ） 1 5 R e f f B 1 2 R e f in 14 RCV4 2 0 +10 V R ef er en co RS RS RS=75 Ω V 0 1 μ F 62 多路開關(guān)的主要用途是把 多個(gè)模擬量參數(shù)分時(shí)的接通并送入 A/D轉(zhuǎn)換器 ,即完成 多到一的轉(zhuǎn)換 。 或者把經(jīng)計(jì)算機(jī)處理 ,且由 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號 按一定的順序輸出到不同的控制回路 (或外部設(shè)備 )中 ,即完成 一到多 的轉(zhuǎn)換 . 前者稱為 多路開關(guān) (Multiplexer),后者叫做 反多路開關(guān) (DeMultiPlexer)或者叫做多路分配器 . 這類器件中有的只能做一種用途 ,稱為 單向多路開關(guān) ,如 AD7501 (8路 )、 AD7506 (16路 )。有些則既能做 多路開關(guān) ,又能當(dāng) 反多路開關(guān) ,稱為 雙向多路開關(guān) ,如 CD4051. 從輸入信號的連接方式來分 ,有的是 單端輸入 ,有的則允許 雙端輸入(或者差動輸入 ) 多路模擬開關(guān) Multiplexer(重點(diǎn) ) 63 64 介紹 : 現(xiàn)以常用的 CD4051(datasheet)為例 ,學(xué)生看書 : : 8路模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖 216所示 .CD4051由 電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路 三部分組成 . 當(dāng) 禁止端 INH (Inhibit)為 “ 1”時(shí) ,前后級通道斷開 ,即 S0S7端與 Sm端不可接通 ； 當(dāng)為 “ 0”時(shí) ,則通道可以被接通 ,通過改變控制輸入端 C、 B、 A的數(shù)值 ,就可選通 8個(gè)通道 S0S7中的一路 . 比如 :當(dāng) C、 B、 A=000時(shí) ,通道 S0選通；當(dāng) C、 B、 A=001時(shí) ,通道 S1通 ； …… 當(dāng) C、 B、 A=111時(shí) ,通道 S7選通 .其真值表如表 31所示 (138). 65 The CD4051B is a single 8Channel multiplexer having three binary control inputs, A, B, and C, and an inhibit input. The three binary signals select 1 of 8 channels to be turned on, and connect one of the 8 inputs to the output. When these devices are used as demultiplexers, the“CHANNEL IN/OUT” terminals are the outputs and the “COMMON OUT/IN” terminals are the inputs. 66 67 圖 216 CD4051結(jié)構(gòu)原理圖 68 采樣 /保持器 概述 模擬信號進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換時(shí) ,從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量 ,需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間 .在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi) ,模擬信號要基本保持不變 .如果輸入信號變化 較快 (頻率較高 ),就會引起較大的轉(zhuǎn)換 誤差 .要防止這種誤差的產(chǎn)生 ,必須在 A/D轉(zhuǎn)換 開始時(shí) 將 輸入信號的電平保持住 ,而在 A/D轉(zhuǎn)換 結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化 .能完成這種功能的器件叫 采樣 /保持器 (S/HSample/Hold).采樣 /保持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè) “ 模擬信號存儲器 ” . 69 數(shù)據(jù)采樣定理 (復(fù)習(xí) ) 離散系統(tǒng) 或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng) 把 連續(xù)變化 的量變成 離散量后 再進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) . 離散系統(tǒng)的采樣形式 有周期采樣、多階采樣和 隨機(jī)采樣 .應(yīng)用最多的是周期采樣 . 周期采樣 就是以 相同的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣 ,即把一個(gè)連續(xù)變化的 模擬信號 y(t),按一定的 時(shí)間間隔 T轉(zhuǎn)變?yōu)樵?瞬時(shí) 0,T,2T,… 的一連串脈沖序列信號 y*(t),如圖 218所示 . 70 0 t 0 T 2T 3T t采樣器y ( t )*y ( t )*y( t )y ( t ) ?T圖 2 7 信號 的采樣過程采樣器的常用術(shù)語 : 采樣開關(guān) 執(zhí)行采樣動作的裝置 , 采樣寬度 τ 采樣開關(guān)每次閉合的時(shí)間 T采樣開關(guān)每次通斷的時(shí)間間隔 在實(shí)際系統(tǒng)中 ,?T ,也就是說 ,可以近似地認(rèn)為采樣信號 y*(t)是 y(t)在采樣開關(guān)閉合時(shí)的瞬時(shí)值 . 圖 218 信號的采樣過程 71 由經(jīng)驗(yàn)可知 ,采樣頻率越高 ,采樣信號 y*(t)越接近原信號 y(t),但若采樣頻率過高 ,在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中將會把許多寶貴的時(shí)間用在采樣上 ,從而失去了實(shí)時(shí)控制的機(jī)會 .為了使 采樣信號 y*(t)既不失真 ,又不會因頻率太高而浪費(fèi)時(shí)間 ,我們可依據(jù) 香農(nóng)采樣定理 . 香農(nóng)采樣定理 (Shannon)指出 :為了使采樣信號 y*(t)能完全復(fù)現(xiàn)原信號 y(t),采樣頻率 f至少要為原信號最高有效頻率 fmax的 2倍 ,即 f?2fmax. 采樣定理給出了 y*(t)唯一地復(fù)現(xiàn) y(t)所必需的最低采樣頻率 .實(shí)際應(yīng)用中 ,常取 f ?(5～ 10)fmax. 72 采樣 /保持器的 工作原理 采樣 /保持器是一種具有信號輸入、信號輸出以及由外部指令控制的模擬門電路 .它主要由 模擬開關(guān) K、電容 Ch 和緩沖放大器 A組成 ,它的一般結(jié)構(gòu)形式如圖所示 .圖中 K為模擬開關(guān) ,Vc為模擬開關(guān) K的控制信號 ,Ch為保持電容 . 當(dāng)控制信號 Vc為采樣電平時(shí) ,開關(guān) S導(dǎo)通 ,模擬信號通過開關(guān) S向保持電容 Ch充電 ,這時(shí)輸出電壓 Uo跟蹤輸入電壓 Ui的變化 . 當(dāng) 控制信號 Vc為保持電平時(shí) ,開關(guān) K斷開 ,此時(shí)輸出電壓 Uo保持模擬開關(guān)S斷開時(shí)的瞬時(shí)值 . 73 采樣保持器 零階采樣保持器是 在兩次采樣的間隔時(shí)間內(nèi) ,一直保持采樣值不變直到下一個(gè)采樣時(shí)刻 .它的組成原理電路與工作波性如圖 219(a)、 (b)所示 .采樣保持器由 輸入輸出緩沖放大器 A A2和采樣開關(guān) S、保持電容 Ch等組成 . 采樣期間 ,開關(guān) S閉合 ,輸入電壓 Vin通過 A1對 Ch快速充電 ,輸出電壓 Vout跟隨 Vin變化 ； 保持期間 ,開關(guān) S斷開 ,由于 A2的輸入阻抗很高 ,理想情況下電容 Ch將保持電壓 Vc不變 ,因而輸出電壓 Vout=Vc也保持恒定 . 74 INV1A 2A－＋HCOUTVSOUTVINVtt圖 2 8 采樣保持器 路電理原)a( 性波作工)b(采樣 保持圖 219 采樣保持器 75 零階保持器的功能 主要特點(diǎn) : ,含有高頻分量 半個(gè)采樣周期的純滯后 76 零階保持器的 脈沖響應(yīng)函數(shù) )Tt(1)t(1)t(g h ???se1)]Tt(1)t(1[L)s(G Tsh??????77 零階集成采樣保持器 常用的零階集成采樣保持器有 AD58LF398/198/298/ (220 b)等 ,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖所示 .這里 ,用TTL邏輯電平控制采樣和保持狀態(tài) ,如 LF398的采樣電平為 “ 1”,保持電平為 “ 0”,而 AD582的則相反 . (datasheet) 圖 220 集成采樣保持器 AD582 LF398 78 LF398內(nèi)部由三部分組成 :輸入電路 A輸出電路 A2及邏輯控制電路 A3和開關(guān) A1和 A2均接成電壓跟隨器形式 . 當(dāng) 控制邏輯 IN+為 高 電平 ,通過 A3控制開關(guān) S閉合 ,使輸入電壓經(jīng)過 A1進(jìn)入 A2,A2的輸出跟隨輸入電壓變化 ,同時(shí)向保持電容 (接引腳 6)充電 . 當(dāng) 控制邏輯 IN+為 低 電平時(shí) ,開關(guān) S斷開 ,保持電容上的電壓不變 ,維持 A2輸出不變 .IN一般接地 . LF398典型的接線方法 如圖所示 . Logic input＝ 1時(shí) ,為采樣狀態(tài) ,此時(shí)輸出跟隨輸入變化； Logic input＝ 0時(shí) ,為保持狀態(tài) ,此時(shí)輸出保持不變 . 79 在 A/D通道中 ,采樣保持器的采樣和保持電平應(yīng)與后級的 A/D轉(zhuǎn)換相配合 ,該電平信號既可以由其它控制電路產(chǎn)生 ,也可以由 A/D