【文章內(nèi)容簡介】 A/D 轉(zhuǎn)換器等組成過程圖 44 模擬量輸入結(jié)構(gòu)框圖其中信號處理根據(jù)需要可包括信號放大、信號濾波、信號衰減、阻抗匹配、電平交換、非線性補(bǔ)償、電流/電壓轉(zhuǎn)換等功能。放大器是用來把傳感器送來的信號從毫伏電平按比例放大到典型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入電平（如慢刻度為 10V） ，可選用一個(gè)具有適當(dāng)閉環(huán)增益的運(yùn)算放大器。如果各種信號源的信號幅值相差懸殊，可采用增益可控的可編程放大器，它的閉環(huán)增多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換開關(guān)I/O接口電路CPU過程參數(shù)檢測信號處理信號處理多路轉(zhuǎn)換開關(guān)放大器A/D轉(zhuǎn)換I/O接口電路采樣保持器控制 CPU益由計(jì)算機(jī)控制。當(dāng)信號源和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間因兩點(diǎn)接地而存在地電位差，給系統(tǒng)帶來干擾，這是，需要采用儀表放大器或隔離放大器。儀表反復(fù)打起的特點(diǎn)是：共模抑制力強(qiáng)、輸入阻抗高、低漂移、增益可調(diào)。隔離放大器的主要作用是：隔離放大器測量高共模電壓下的低電平信號、消除各種干擾引起的誤差、避免幾聲失去、保護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)電路。控制部分是接受 CPU 的命令向通道中各部件發(fā)送控制信號的控制接口。他的作用是：向多路轉(zhuǎn)換器發(fā)送通道選通控制信號、控制放大器的增益，使采樣保持器能處在采樣或保持工作狀態(tài)、啟動 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換等 。 過程通道的其他主要部件過程通道中涉及到的部件很多，除了 A/D 轉(zhuǎn)換器和 D/A 轉(zhuǎn)換器之外，還有信號處理裝置、多路開關(guān)、放大器、采樣保持器以及大功率輸出接口部件?，F(xiàn)分述如下： 信號處理裝置在生產(chǎn)現(xiàn)場，由于各種干擾信號的存在，必須采用濾波器電路來抑制信號通道中的干擾。選擇濾波器類型時(shí)，要考慮所測信號的頻率和特性，以及干擾信號的頻率和所要求的抑制程度。有時(shí)因環(huán)境引起的噪音干擾，可采用線路補(bǔ)償或采用頻蔽的措施盡量減少對有用信號的影響。有些被測參數(shù)與轉(zhuǎn)換后的電信號之間成非線性關(guān)系，為提高測量轉(zhuǎn)換的靈敏度和便于控制的運(yùn)算，需要進(jìn)行線性化處理，這可采用折線近似法或采用非線性的反饋放大達(dá)到線性化的目的。 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)又稱為多路采樣器或多路模擬開關(guān)，當(dāng)有多個(gè)信號需要檢測時(shí)，利用多路開關(guān)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)可將各個(gè)輸入信號一次的或隨機(jī)的連續(xù)接到公用放大器或 A/D 轉(zhuǎn)換器上實(shí)現(xiàn)對各個(gè)輸入通道的分時(shí)控制，多路開關(guān)是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件，為了 參數(shù)的測量精度，對它應(yīng)提出較高的要求，理想的多倫路開關(guān)，其開路電阻無窮大、接通時(shí)的導(dǎo)通電阻應(yīng)為零，此外，還要求切換速度快、噪聲低、壽命長和工作可靠，控制開關(guān)動作所需要消耗的功率要小等等。目前的危機(jī)系統(tǒng)多采用集成的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、噪聲低、壽命長和工作可靠，控制開關(guān)動作所需要消耗的功率要小等等。目前的微機(jī)系統(tǒng)多采用集成的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。典型的集成多路揩干可分為 4 選雙 4 選 8 選 16 選 1 等 5 種類型。4 選 1 的芯片有 74LS155,8 選 雙 8選 16 選 1 等五種類型。4 選 1 的芯片有 74LS155,8 選 1 的芯片有CD40574LS151 、AD7503 等，16 選 1 的芯片有 74LS150、AD7506 等等。現(xiàn)主要介紹 8 選 1 的芯片 CD4051.CD4051 是單端的 8 通道開關(guān)，其原理圖如下：C、B、A 為開關(guān)的控制輸入端，INH 為禁止（高電平禁止）輸入端，INH 禁止（高電平禁止）輸入端，片內(nèi)有電平轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制譯碼器。當(dāng) INH 為低電平時(shí)，改變 C、 B、A 的數(shù)值（從 0~111）通過譯碼器可以溢出 8 種狀態(tài)，在 8 個(gè)通道中（X0~X7）選中其中的一個(gè)通道使輸入和輸出接通。而當(dāng) INH 為高電平時(shí)，不論C、B、A 為何值 8 個(gè)通道均不同，改變輸入輸出的傳遞方向，則可用做多路開關(guān)或反向開關(guān)。CD4051 有很寬的數(shù)字和模擬信號電平，數(shù)字信號為 3——15 伏模擬信號峰值為 15Vpp。當(dāng) VDDVEE=10V 時(shí)其斷開時(shí)的漏電流為177。10Pa,靜態(tài)功率耗為1μW。選擇多路開關(guān)主要應(yīng)考慮如下因素：要多少通路？是單端還是差動？電平高低如何？采用什么方式對各通路尋址？精度及切換速率等。 采樣保持器A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換過程所需的時(shí)間成為轉(zhuǎn)換時(shí)間。對變化較快的模擬信號來說，轉(zhuǎn)換期間將引起轉(zhuǎn)換誤差。設(shè)置一個(gè)幅值為 Um 頻率為 F 的正弦信號 U=則其隨時(shí)間的變化率為 Du/ DT =UM2πf，它的最大值出現(xiàn)在信號過零時(shí)，所以，最大的轉(zhuǎn)換誤差為：Δu≈U2πfΔt式中 Δt 為 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間。由此可知，若轉(zhuǎn)換時(shí)間一定，則轉(zhuǎn)換誤差與信號的頻率成正比。為了滿足轉(zhuǎn)換精度的條件下允許有較高的輸入信號的頻率范圍，以適應(yīng)某些隨時(shí)間變化較快的信號的要求用采樣保持器解決。采樣保持器基本組成電路如圖所示。它由模擬開關(guān)、保持電容和運(yùn)算放大器組成。其工作原理如下： U0 Ui圖 46 采樣保持器表 41 真值表輸入狀態(tài) 接通信號 輸入狀態(tài) 接通信號INH C B A CD4051 INH C B A CD40510 0 0 0 0 1 0 0 40 0 0 1 1 0 1 0 1 50 1 1 0 2 0 1 1 0 60 0 1 1 3 0 1 1 1 7當(dāng)控制開信號為高電平（即采樣階段） ，模擬開關(guān) K 閉合，輸入信號通過放大器 Al 向電容 C 充電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在這階段，希望電容電壓維持穩(wěn)定的時(shí)間越長越好。圖中運(yùn)算放大器 AA2 都接成跟隨形式，A1 的輸出阻抗很低，A2 的輸入阻抗很高，故它接近理想的采樣保持器。在模擬量輸入通道內(nèi)，經(jīng)常采用集成化的采樣保持器。如LF19LF29LF398 等。該系列的電路結(jié)構(gòu)完全一樣，僅某些電氣參數(shù)有些不同，其特點(diǎn)是：采樣速度高，保持電壓下降速度慢，精度高等，下圖中，CH 為外接保持電容，其值的選擇取決于維持時(shí)間的長短。控制輸入端用于控制采樣或保持，當(dāng)控制輸入為高電平時(shí)，采樣保持器處于跟隨狀態(tài)，為低電平時(shí)處于保持狀態(tài)，邏輯電平基準(zhǔn)輸入端 LR 能控制信號與各種邏輯電平兼容， LR 接地時(shí)，控制電平與TTL 兼容。 OFFSET 用于零位調(diào)整。除上述系列的采樣保持器外，其他的通用芯片還有 SHAAD58AD583K/S等，高分辨率芯片有 SHA114ADC1130 等。 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器由 A/D 和 D/A 關(guān)系到系統(tǒng)的精度，而精度是恒應(yīng)力水泥壓力機(jī)得生命。因此，A/D 和 D/A 的選擇非常重要，很有必要做詳細(xì)介紹。 A/D 轉(zhuǎn)換器1） 、A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)無論是分析或設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換器（簡稱 ADC）接口電路，還是面對課題項(xiàng)目ADC 芯片，都會涉及到有關(guān) ADC 的技術(shù)指標(biāo)及術(shù)語。因材，弄起清一些常出現(xiàn)的ADC 主要性能指標(biāo)術(shù)語的確切含義以及有關(guān)的基本概念是非常必要的（1） 分辨率對于 ADC 來說，分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所輸入模擬電壓的變化量。轉(zhuǎn)化器的分辨率定義為滿刻度電壓與 2n 之比值，其中 n 為 ADC 的位數(shù)，例如：具有 12 位分辨率的 ADC 能偶分辨出滿刻度的 1/212 或滿刻度的 %。分辨率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化 1 的最小模擬輸入量。（2） 量程量程是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。如 3V、5V、10V 等。（3） 量化誤差量化誤差是由 ADC 的有限分辨率而引起的誤差。在不計(jì)其它誤差的情況下，一個(gè)分辨率有限的 ADC 的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與具有無限分辨率的 ADC 轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差，稱之為量化誤差。分辨率高的 ADC 具有較小的量化誤差。（4） 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)化精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對實(shí)際值的準(zhǔn)確度。有絕對精度和相對精度兩種不同的而表示方法。在一個(gè)轉(zhuǎn)化器中，任何數(shù)碼所對應(yīng)的實(shí)際模擬電壓與其理想的電壓值之差并不是一個(gè)常數(shù)，把這個(gè)差的最大值定義為絕對精度。對于 ADC 而言，可以在每個(gè)階梯的水平中心點(diǎn)進(jìn)行測量它包括所有的誤差，也包括量化誤差。絕對精度常用數(shù)字量得位數(shù)表示，如絕對精度為177。1/21SB相對精度與絕對精度想色，所不同的是把這個(gè)最大偏差表示為慢刻度模擬電壓的百分?jǐn)?shù)，或用二進(jìn)制分?jǐn)?shù)來表示相對應(yīng)的數(shù)字量。它通常不包括能被用戶消除的刻度誤差。相對誤差是用于滿量程的百分比表示。如滿量程為 10V 的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其絕對精度為 1/210/28=177。 ，而 8 位 A/D 的相對精度為1/28100%≈% 。精度和分辨率不能混淆，即使分辨率很高，但溫度漂移、線性不良等原因可能造成精度并不是很高。（5） 轉(zhuǎn)化時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指 A/D 到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需要的時(shí)間。不同型號、不同分辨率的器件、轉(zhuǎn)換時(shí)間相差很大。一般幾 us——幾百 ms，逐次逼近時(shí) A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1—200us。再設(shè)計(jì)模擬量輸入通道時(shí)，應(yīng)按實(shí)際應(yīng)用的需要和成本來確定這一項(xiàng)參數(shù)的選擇。（6） 轉(zhuǎn)換速率ADC 的轉(zhuǎn)化速率就是能偶重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。而完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間（b 包括穩(wěn)定時(shí)間）即轉(zhuǎn)換時(shí)間，則是它的倒數(shù)。（7） 工作溫度范圍較好的 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作溫度為40—85。 。 C 較差的為 0——70 。 C 。應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用要求查器件手冊，選擇使用的型號，超過工作溫度范圍，將不能保證達(dá)到額定精度指標(biāo)。2）A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使集成 A/D 轉(zhuǎn)換器的發(fā)展速度驚人。品種繁多、性能各異的滿足不同要求的集成 A/D 轉(zhuǎn)換器不斷涌現(xiàn)。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系太難過、測控系統(tǒng)和智能儀器儀表時(shí)，首先碰到的就是如何選擇合適的 A/D 轉(zhuǎn)換器以滿足應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的問題。下面從不同角度介紹選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的要點(diǎn)（1） 如何確定 A/D 轉(zhuǎn)化器的位數(shù)A/D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定與整個(gè)測量系統(tǒng)所要測量控制的范圍和精度有關(guān)，但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度。因?yàn)橄到y(tǒng)精度設(shè)計(jì)的還擊較多，包括傳感器變換精度、信號預(yù)處理電路精度和 A/D 轉(zhuǎn)換器及輸出電路、伺服機(jī)構(gòu)精度，甚至還包括傳感器變換精度、信號預(yù)處理電路精度和 A/D 轉(zhuǎn)換器及輸出電路、伺服機(jī)構(gòu)精度，甚至還包括軟件控制算法。然而估計(jì)時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率率高一位（雖然分辨率與轉(zhuǎn)換精度是不同的概念，但沒有基本的分辨率就談不上轉(zhuǎn)換精度，精度是在分辨率的基礎(chǔ)上反映的） 。實(shí)際選取的 A/D 轉(zhuǎn)化器的位數(shù)應(yīng)與其它還擊所能達(dá)到的精度相適應(yīng)。只要不低于它們就行，選的太高既沒有意義，而且價(jià)格還有高很多。因?yàn)?，我們這次課題的精度要求是 1/2022，用 8 位的 A/D 轉(zhuǎn)化器的精度是 1/28=1/256,精度不夠，而 y 用 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度是 12/212，精度剛好過了 1/2022。這樣即達(dá)到了要求也沒有太浪費(fèi)，所以我們這次就選擇 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器。（2） 如何確定 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率A/D 轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時(shí)間，這就是 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間；其倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。用不同的原理實(shí)現(xiàn)的 A/D 轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換時(shí)間是大不相同的?？偟膩碚f，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較性 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度較慢，轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾毫秒到幾十毫秒不等，只能構(gòu)成低速 A/D 轉(zhuǎn)換器，一般適用于對溫度、壓力、流量等，緩變參量的檢測和控制。逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間可從幾 us 到 100us 左右，屬于中速A/D 轉(zhuǎn)換器，常用于工業(yè)多通道單片機(jī)控制系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)換時(shí)間最短的高速 A/D 轉(zhuǎn)化器是用那些用雙極型或 CMOS 工藝進(jìn)程的全并行、串并行和電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)型的 A/D 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時(shí)間僅 20——100ns 即轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 1050MSPS。高速 A/D 轉(zhuǎn)換器適用于雷達(dá)、數(shù)字通訊、實(shí)時(shí)光譜分析、實(shí)時(shí)瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。根據(jù)我們所選擇的課題要死 u 可以確定我們要用中速 A/D 轉(zhuǎn)換器。根據(jù)上面一系列的分析，再結(jié)合我們課題的要求以及應(yīng)用的廣泛性和價(jià)格的合理性我們選擇 A/D574 為這次課題中的 A/D 轉(zhuǎn)換器。3)AD574 的介紹AD574A 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的 12 位主次逼近型快速 A/D 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度最大為 35us，轉(zhuǎn)換精度≦%，是目前我國市場應(yīng)用最廣泛、價(jià)格適中的A/D 轉(zhuǎn)換器。AD574A 片內(nèi)配有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的 8 位或 16 位的微處理器相連，而無須附加邏輯接口電路，這使它在不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號的情況下完成一切 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。 AD574 是由兩個(gè)大規(guī)模集成電路組成的，每一部分都設(shè)有模擬數(shù)字電路，因而以最低的成本而獲得最高的性能和適應(yīng)性。分辨率為 12 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間 15—35us。AD574 有六個(gè)等級，其中AD574AJ、AD574AK、AD574AL，適用于 0——+ 溫度范圍內(nèi)工作：AD574AS、AD574AT 和 AD574AV 可用在55——+ 溫度范圍內(nèi)工作。（1） AD574 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能AD574 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，它由模擬芯片和數(shù)字芯片二片混