过程通道——模拟量输入通道

AD521、AD522、INA101等。
§2.5.2 信号处理
3、程控放大器 在模拟信号送到模数变换系统时，为减少转
换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能大。
如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变 换等。 较容易想到的办法就是通过模拟开关改变反 馈电阻阻值，如下图所示。
§2.5.2 信号处理
在也有许多集成的程控放大器，如AD524、AD624、 PGA200等。
§2.5.2 信号处理
三、I/V变换
在模拟输入通道中AD一般只能将电压信号转换成 数字信号，故若传感器输出的是电流信号就必须采用 I/V转换电路进行变换。
无源I/V变换 有源I/V变换
§2.5.2 信号处理
无源I/V变换
最简单的无源I/V变换？
令电流通过一个精密电阻R，则电阻上的电压(V＝ I×R)就是所要转换的电压。 对于0～10mA输入 信号，可取R1=100Ω， R2=500Ω，且R2为精密 电阻，这样当输入的电 流为0～10mA电流时， 输出的电压为0～5V
§2.5.5 A/D转换技术
1、逐次逼近式
A/D转换芯片中包括逐次逼近寄存器SAR、D/A转 换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成如图所示。 转换过程如下： ①时序及控制逻辑给SAR最高位为“1”，其余为“0”， 经D/A转换为模拟电压Vf ，然后与输入电压Vx 比较，确 定该位； ②当Vx ≥Vf ，此位为“1”，置下位为“1”； ③当Vx < Vf ，此位为“0”，置下位为“1”。 ④按上述方法依次类推，逐位比较判断，直至确定SAR 的最低位为止。
§2.5.5 A/D转换技术
模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度 τ 一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持 所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之 后须加保持电路。
取样保持电路及输出波形
①在采样脉冲S(t)到来的时间τ 内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假 定充电时间常数远小于τ ，则有：UOC为保持电容，运算放大器为跟 场效应管VT为采样门，电容 (t)＝US(t)＝UI(t)。－－采样
§2.5.5 A/D转换技术
一、A/D转换原理 计算机控制系统中常采用低、中速的大规模 集成A/D转换芯片。这类芯片常用的转换方法包 括计数-比较式、双斜率积分式和逐次逼近式等。 计数-比较式器件简单、转换速度慢，目前 较少采用； 双斜率积分式精度高但速度较慢； 逐次逼近式兼顾速度和精度，因此在16位以 下的A/D转换器得到了广泛的应用。
§2.5.2 信号处理
4、隔离放大器 在有强电或强电磁干扰等环境中，为了防止电 网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道常采 用隔离技术；在生物医疗仪器上，为防止漏电流、 高电压等对人体的意外伤害，也常采用隔离放大技 术，以确保患者安全；此外，在许多其他场合也常 需要采用隔离放大技术。能完成这种任务，具有这 种功能的放大器称为隔离放大器。 一般来讲，隔离放大器是指对输入、输出和电 源三者彼此相互隔离的测量放大器。 目前，隔离放大器中采用的方式主要有两种： 变压器耦合和光电耦合。常用的有AD204、ISO100 等
§2.5.1 模拟量输入通道的结构
对于高速系统．特别是需要同时得到描述系统性能 各项数据的系统，可采用下图所示并行转换结构。其特 点是速度快、工作可靠，即使某一通路有故障，也不会 影响其他通路正常工作。
信 号 处 理
采 样 保 持
AD 转 换 器
接 口 电 路
CPU
...
...
并行转换结构
...
§2.5.1 模拟量输入通道的结构
将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过 程称为量化。指定的离散电平称为量化电平Uq 。用二进制数码 来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值 称为量化单位Δ ，位数越多，量化等级越细，Δ 就越小。取样保 持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为 量化误差ε ，即ε =Uo-Uq。
X=X0 X=X1 X=X2 X=X3 X=X4 X=X5 X=X6 X=X7
§2.5.5 A/D转换技术
一、A/D转换原理 二、A/D转换器技术指标
三、A/D实现技术
§2.5.5 A/D转换技术
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通 过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。 模拟量输入
§2.5.2 信号处理
有源I/V变换
R
I
Vo
Vo I R
§2.5.3 采样保持
AD转换器将模拟信号转换为数字量需要一定 的时间，对于随时间变化的模拟信号来说，转换 时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。 AD转换延迟所引 起的可能误差是△U。 对于一定的转换时间， 最大可能的误差发生在 信号过零的时刻，因为 此时dU／dt最大，转换 时间一定，所以△U最 大。
§2.5.5 A/D转换技术
1、逐次逼近式
§2.5.5 A/D转换技术
1、逐次逼近式 实例：以4位AD为例，其中内部DA基准电压为5V，设
输入电压为2.4V
序号 1 2
逐次逼近寄 DA输出（V） 存器的值 1000 0100 2.67 1.33
比较结果 0 1
3
4
0110
0111
2.00
2.33
误差的百分数为
U 100 2ft A / D 100 Um
实例：一个10位的AD转换器，若要求转换精度为
0.1%，转换时间为10μ s，则允许转换的正弦波模 拟信号的最大频率为
0.1 f 16 Hz 6 2 2 10 10 10
§2.5.3 采样保持
采样/保持器一般由模拟开关、储能元件 （电容）、输入和输出缓冲放大器组成。 采样保持电路有两个工作状态， 一是采样 状态．二是保持状态。
2、仪表放大器
VR1
VR 2 VP
Vo Rf R (1 Rf 1 Rf 2 Rw )(V2 V1 )
§2.5.2 信号处理
2、仪表放大器
在某些只需简单放大的情况下，采用一般运放
组成的测量放大器作为传感器的输出信号放大是 可行的，但为了保证精度常需采用精密匹配的外 接电阻，才能保证最大的共模抑制比，否则增益 的非线性也比较大；此外还需考虑放大器的输入 电路与传感器的输出阻抗的匹配问题，因此，在 要求较高的场合，常采用集成测量放大器。例如：
信 号 处 理
多 路 转 换
采 样 保 持
AD 转 换 器
接 口 电 路
CPU
...
多路通道共享采样保持或模数转换(A／D)电路
...
§2.5.2 信号处理
一、信号处理形式 二、常用的放大电路 三、I/V变换
§2.5.2 信号处理
一、信号处理形式
1、传感器输出为大信号模拟电压
2、传感器输出为小信号模拟电压
§2.5.5 A/D转换技术
2、双斜率积分式
这种A/D转换器具有很多优点。 • 转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由于斜波电 压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围 内变化，而不影响转换结果。 • 由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1， 而T2 正比于输入信号在T1 内的平均值，这对于叠加在 输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。 • 这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要 求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。 这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要 求不高的仪器中。
1
1
§2.5.5 A/D转换技术
2、双斜率积分式
固定斜率积分， 过零结束
固定时间积分， 到时结束
§2.5.5 A/D转换技术
2、双斜率积分式
转换过程：在转换开始信号控制下，转换开关K接 到输入模拟电压端Ui，在固定时间T内对C充电，时间到 C 时控制逻辑将K打到基准电源（与Ui极性相反），开始 K UI R 使C放电，放电期间计数器计脉冲多少反映了放电时间 A T1、T2的长短，从而决定模拟输入电压的大小。vO -VREF + 比较器判定放电完毕，控制计数器停止计数，并由 控制逻辑发出转换结束信号。计数器计数值的大小反映 了输入电压Ui在固定积分时间T内的平均值。也即是转换 完的数字量。
§2.5.3 采样保持
选择采样/保持器时，应考虑如下因素：
① 采样保持器的孔径时间tAP：保持命令发出后K完全 断开所需时间； ② 采样保持器的捕捉时间tAC：由保持到采样时输出U， 从原保持值过渡到跟踪信号的时间；
D 。其中，ID是输入C或流 ③ 保持电压变化率： dt C 出C总的漏电流。 dU I
（3）跟随器
§2.5.2 信号处理
2、仪表放大器 在许多检测技术应用场合，传感器输出的信
号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁
耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大 电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声 和高输入阻抗，习惯上将具有这种特点的放大器 称为测量放大器或仪表放大器。
§2.5.2 信号处理
§2.5 模拟量输入通道
模拟量输入通道的含义
在计算机控制系统中模拟量输入通道的任务是把从系统 中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送 入计算机。一般模拟信号如；温度，压力，流量，液面， 电流，转速的检测是通过传感器在经过变送器及模/数转 换送入计算机。因此，模拟量输入通道是完成非电量信 号向电量信号的变换，在将模拟的电量向数字量转换送 入计算机。 模拟量输入通道的关键是：保证实时性及测量精度的同 时完成信号的传感，变换，输入。
§2.5.4 多路转换器
多路转换器又称多路开关是用来切换模拟电 压信号的关键元件。利用多路开关可将各个输入 信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转 换器上 。
INH A B C X0 X1