计算机测控技术第3章.ppt
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1、第三章 模拟量输入通道,3.1 模拟多路转换器 3.2 程控放大器 3.3 量程自动转换技术 3.4 采样保持电路 3.5 A/D转换器,图31 模拟量输入通道的组成,(1)模拟信号多路转换器(Multiplexer)。当多个信号源分时使用模拟量输入通道时,必须采用多路转换器。(2)数据放大器(Data Amplifier)将传感器送来的电信号放大处理,以满足A/D转换器规定的量程输入。它对速度和精度都有较高要求,其闭环增益可通过程序进行调节。(3)采样/保持器(Sample and Holder)简称S/H,用以存储变化的模拟信号,使其在A/D转换期间保持不变。(4)A/D转换器(Analo
2、g to Digital Converter)量化部件用于将模拟量转换为计算机可识别的数字量。(5)输入/输出接口(Input and Output Port)用来锁存A/D转换后的数字量。,3.1 模拟多路转换器,模拟多路开关的种类 模拟多路开关有机械式、电磁式和电子式三大类。纯机械式开关在现代计算机测控系统中已很少使用。电磁式多路开关主要是指各种继电器、干簧管等,其中干簧继电器体积小,切换速度快,噪声小,寿命长,最适合在模拟量输入通道中使用。,干簧继电器(Reed Relay)由密封在玻璃管内的两个具有高导磁率和低矫顽力的合金簧片组成,簧片的末端为金属触点,两簧片中间有一定的间隙且相互间有
3、一段重叠,内充有氮气以防触点氧化;当管外的线路中通以一定的激励电流,将产生沿轴向的磁场,簧片被磁化而相互吸合;当电流断开时,磁场消失,簧片本身的弹性使其断开。,干簧继电器的工作频率一般可达1040 Hz,断开电阻大于1 M,接触电阻小于50 m,寿命可达1010次,吸合和释放时间约1 ms,不受环境温度的影响,而且输入电压、电流容量大,动态范围宽。其缺点是体积大(与电子开关相比),工作频率低,在通断时存在抖动现象,适用于低速高精度测试系统。与电磁式模拟开关相比,模拟电子开关具有切换速度高、无抖动、易于集成等特点,但其导通电阻一般较大,输入电压、电流容量较小,动态范围有限,常用于高速且要求系统体
4、积小的场合。常用的模拟电子开关有4种。,(1)晶体管开关。晶体管开关的特点是速度快,工作频率高(1 MHz以上,尤其在采用双极型晶体管开关时),导通电阻小(最小到1),其缺点是存在残余电压,且控制电流要流入信号通道,不能隔离。,(2)光电耦合开关。将发光二极管与光敏晶体管或光敏电阻封在一起即可构成光电耦合开关,又叫最佳隔离开关。这种开关由于采用光电转换方式进行开关信号传送,故速度和工作频率属中等,但其控制端与信号通道的隔离较好,耐压高。由于其利用晶体管的导通和截止来实现开关的通和断,因此也存在残留失调电压和单向导电情况。如果以光敏电阻代替光敏三极管,则可实现双向传送,但光敏电阻的阻值分散性大,
5、反应速度也较低,因此这类开关多用于要求隔离情况良好但传输精度不高的场合,也常用于输出通道中需通道隔离的场合。,(3)结型场效应管开关。这是一种使用较普遍的开关。由于场效应管是一种电压控制电流型器件,一般无失调电压,导通电阻约为5100,断开电阻一般为10 M以上,且具有双向导通的功能,但这种场效应管一般不易集成。,图 32MOS开关管导通电阻特性,(4)绝缘栅场效应管开关。绝缘栅场效应管分为PMOS、NMOS和CMOS三种类型,最常用的是CMOS场效应管,其导通电阻Ron随信号电压波动小,如图32所示。CMOS场效应管开关是一种应用最普遍的模拟开关,它能克服单沟道场效应管开启电阻随输入电压变化
6、而变化的缺点。CMOS场效应管开关具有较其它电子开关明显的特性好、成本低等优点,目前常用的集成模拟开关大多采用了CMOS工艺。以上介绍的模拟开关是用来传输电压信号的,故称做电压开关。模拟开关也可以用来传输电流信号,这类模拟开关叫做电流开关。,3.1.2多路开关的工作原理1.双极型晶体管开关 图33所示为双极型晶体管开关电路。它可以实现8路模拟信号切换,其工作原理如下。如果要选择第一路模拟信号,则令通道控制信号Uc1=0(低电平),晶体管V1截止,集电极输出为高电平,晶体管V#-1导通,输入信号电压Ui1被选中。如果忽略V1的饱和管压降,则Uo=Ui1。同理,当令通道控制信号Uc20时,则选中第
7、二路模拟信号,UoUi2。注意,在控制信号Uc1Uc8中不能同时有两个或两个以上为零。,双极型晶体管的开关速度快,但它的漏电流大,开路电流小,而导通电阻大。另外,双极型晶体管为电流控制器件,基极控制电流会注入信号源。如果信号源的内阻比较大,就会使信号电压发生变化,从而影响转换精度。,图 33双极型晶体管开关电路,图34结型场效应管多路开关,2.场效应管开关(1)结型场效应晶体管开关。图34所示为8路P沟道结型场效应管多路开关,其中V1,V2,V8是开关控制管,V1,V2,,V8是场效应开关晶体管。它的工作原理如下。当控制信号Uc1=1(高)时,开关控制管V1导通,集电极输出低电平,场效应管V1
8、导通,Uo=Ui1,选中第一路信号。当Uc1=0(低)时,V1截止,V1也截止,第一路输入信号被切断,其它各路与第一路相同。,(2)绝缘栅场效应管开关。图35为8路P沟道绝缘栅场效应管多路开关,它的工作原理与结型场效应管多路开关类似,在此不再赘述。在使用绝缘栅场效应晶体管时,应注意衬底不能开路,要加一定的保护电压,P沟道加正电压,N沟道加负电压。,3.集成多路开关,图36为一个16路的集成多路开关,模拟量输入部分由16个漏极连在一起的场效应管开关所组成,开关驱动部分包括一个四位计数器和一个四十六线译码器,其工作原理如下。由计算机送出四位二进制数,如要选择第一路输入信号,则把计数器置成0001状
9、态,经四十六线译码器后,第一根线输出高电平,场效应管V#-1导通,Uo=Ui1,选中第一路信号。如果要连续选中第一到第三路的信号,可以在计数器加入计数脉冲,每加大一个脉冲,计数器加1,状态依次变为0001,0010,0011。,图 35绝缘栅场效应管多路开关,图36集成电路多路开关,多路开关的主要技术指标 多路开关的主要技术指标可综述如下。Ron:导通电阻;Ronvs:导通电阻温度漂移;Ic:开关接通电流;Is:开关断开时的泄漏电流;Cs:开关断开时的开关对地电容;Cout:开关断开时,输出端对地电容;ton:选通信号EN达到50%这一点时到开关接通时的延迟时间;toff:选通信号EN达到50
10、%这一点时到开关断开时的延迟时间;topen:开关切换时间,即当两个通道均为断开时,开关从一个通道的接通状态转到另一个通道的接通状态并达到稳定所用的时间。,3.1.4多路开关的选用 在多路开关选择时,常要考虑下列参数:(1)通道数量。通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响。通道数目越多,寄生电容和泄漏电流也越大,尤其是在使用集成模拟开关时,尽管只有其中一路导通,但由于其它模拟开关断开(处于高阻状态),仍存在漏电流对导通的那一路产生影响;通道越多,漏电流越大,通道间的干扰也越多。(2)泄漏电流。如果信号源内阻很大,传输的是个电流量,此时就更要考虑多路开关的泄漏电流。一般希望泄
11、漏电流越小越好。,(3)切换速度。对于需传输快速变化信号的场合,就要求多路开关的切换速度高。当然也要考虑后一段采样保持和A/D的速度,从而以最优的性能价格比来选取多路开关的切换速度。(4)开关电阻。理想状态的多路开关其导通电阻为零,而断开电阻为无穷大,但实际的模拟开关无法达到这个要求,因此需考虑其开关电阻,尤其当与开关串联的负载为低阻抗时,应选择导通电阻足够低的多路开关。(5)多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作考虑。尤其是进行精密数据测量时,更要特别注意漂移性和一致性。,3.2程 控 放 大 器,程控放大器是测控系统输入通道的常用部件之一,在许多实际应用中,为了在整个测量范围内获取合
12、适的分辨力,常采用可变增益放大器。在计算机测控系统中,可变增益放大器的增益由计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器,称为程控放大器。,图 37程控放大器原理图,程控同相放大器同相放大器具有较高的输入阻抗。由于引入共模电压,因而需要使用高共模抑制比的运算放大器才能保证精度。同相放大器一般用于需要高输入阻抗的场合,其原理线路如图38所示。同相放大器的理想增益为,(3-1),显然,改变Rf与R的比值,即可改变闭环增益。,图 38同相放大器原理图,1.多挡程控同相放大器多挡程控放大器是指各挡闭环增益固定的程控放大器,多用于增益分挡数量不多,且所需增益预知的场合。为减小运算放大器偏置电流的影响,通
13、常用改变阻值较大的Rf来实现增益控制。图39所示的程控同相放大器使用四选一模拟开关来切换反馈电阻Rf,实现四种不同的闭环增益。不同的控制信号所对应的闭环增益如表 3.1 所示。,图39多挡程控同相放大器,表3.1 程控增益表,2.增益线性变化的程控同相放大器利用串联权电阻网络来替代反馈电阻Rf,可得到与控制信号二进制码同步递增的闭环增益,如图310所示。,图 310串联权电阻网络程控同相放大器,放大器共使用n1个独立的模拟开关,n+1为增益控制信号的二进制位数。每个模拟开关受控于一位控制信号。当控制信号为“1”时,开关断开;控制信号为“0”时,开关导通。若以CnC0来表示控制信号的二进制值“0
14、”或“1”,则接入反馈回路的电阻Rf的阻值为,按式(32),放大器的闭环增益是,闭环增益是控制二进制编码加1,即,其中Nc是控制信号的二进制数值。,在此放大器中,闭环增益的准确度不仅与全部反馈回路电阻匹配的准确度有关,还在很大程度上受模拟开关导通电阻的限制。特别是在全部模拟开关导通,闭环增益为1时,由导通电阻产生的增益误差为最大。若以ri表示各开关的导通电阻,则增益的相对误差为,3.T型反馈电阻网络程控同相放大器T型电阻网络具有节点等效电阻恒定的特点,利用这个特点组成的程控放大器,不会在增益改变时引起零位偏差的变化。其闭环增益按2的幂级数变化。T型反馈电阻网络程控放大器的原理图如图311所示。
15、,图 311T型反馈电阻网络程控同相放大器,T型电阻网络有以下特点:(1)网络各节点的等效电阻。任一个节点的等效电路都可简化为图312所示的电路。由图312可以看出,三个支路的电阻均为2R,节点i的等效电阻Rcq为,(33),因此,无论多路模拟开关切向哪个节点,运算放大器反相输入端的对地电阻为恒值。,图 312T型反馈电阻网络节点等效电路,(2)网络各节点反馈电压。网络的输入电压为运放输出电压,在此电压作用下,网络节点的反馈电压等效电路如图313(a)所示。显然,节点0的反馈电压Uf0为,参考图313(b),可得节点1的反馈电压为,图 313节点反馈电压等效电路,根据节点电路的一致性,依次类推
16、,可得任意节点i的反馈电压为,因此,放大器的闭环增益可表示为,Afi32i,(3-4),用T型反馈电阻网络实现的程控同相放大器失调偏差波动小,闭环增益准确度与模拟开关导通电阻无关,仅与网络电阻的匹配精度相关。,程控反相放大器反相放大器的基本电路如图314所示。在理想状态下,反相放大器是一个比例放大器,闭环增益为,(35),与同相放大器相同,改变Rf与R的比值,即可改变放大器的闭环增益。程控同相放大器中所采用的三种程控增益电路,在程控反相放大器中都可应用。利用反相放大器所具备的特征,还可以组成程控衰减放大器、增益除法放大器等多种程控放大器。,图314反相放大器原理路,1.程控衰减反相放大器程控衰
17、减反相放大器使用T型或反T型电阻网络来代替反相放大器的输入端电阻R。图315所示为采用反T型电阻网络实现的程控衰减放大器。整个电路共使用n+1个双向模拟开关和n+1位控制信号。当控制信号Ci=0时,双向模拟开关接通于地端;当Ci=1时,双向模拟开关接通于运算放大器反相输入端(虚地)。所以,反T型网络的等效电路如图316所示。,图 315反T型网络程控衰减放大器,图316反T型网络等效电路,对输入信号而言,它的负载是电阻网络,其等效负载为R,因此输入信号提供的电流是IUi/R。此电流流进网络后在各个节点按两个支路等分,每经过一个节点,分流一次,故各支路电流按2-1的等比级数衰减。各支路电流在双向
18、模拟开关的导向下,不是流向运算放大器反相输入端,就是流向地。即当控制信号Ci=1时,支路电流Ii流向反相输入端,并对放大器的输出发挥作用。当Ci=0时,支路电流Ii流入地,对放大器的输出不起作用。全部流向反相输入端的电流I是,若令Nc表示控制信号的二进制数值,并在上式右侧乘以2n+1/2n+1,则有,因为运算放大器输入电阻极大,流入反相输入端的电流几乎为零,故有I-Uo/Rf,所以放大器的闭环增益Af是,表3.2 衰减放大器程控增益表(RRf),程控衰减反相放大器的衰减网络对地等效电阻也可以用T型网络实现,但两者之间在性能上有所差异,主要表现在以下几方面:(1)放大器输入阻抗:反T型输入阻抗恒
19、定;T型输入阻抗则随增益而变,对信号源内阻要求高。(2)运算放大器对地等效电阻:反T型网络对地等效电阻随增益而变,改变增益时,偏置电流将会使放大器零位输出发生变化;T型网络则无此现象。(3)反T型网络各支路电流是恒定的,不随控制代码的改变而变化,因此大大减小了网络电阻的寄生电抗对模拟开关动态性能的影响,可以提高切换的速度。,2.程控比例反相放大器程控比例反相放大器使用双DAC(D/A转换器)作为程控放大器的两个可变电阻,具有增益控制灵活,增益变化范围大的优点。图317给出了这种放大器的实现原理,其中DAC1作为输入可变电阻,DAC2作为反馈可变电阻。若DAC1的控制码为Nc1,DAC2的控制码
20、为Nc2,则,因Ii-If,则可得闭环增益,若Nc1,Nc21,则可变增益范围是1/2n+12n+1,但增益变化呈非线性。,图 317双DAC程控反相放大器,仪用放大器 仪用放大器的原理如图318所示,其对称性结构使整个放大器具有很高的共模抑制能力,特别适用于长距离测量,也是最常用的测量放大器。,图 318仪用放大器原理图,通常为保证放大器的共模抑制能力,应使电路参数对称,即R1R2;R3R4;R5R6。此时,放大器的闭环增益为,显然,为保证电路的对称性,改变放大器增益最合理、最简单的办法是改变RG的阻值。程控仪用放大器的增益控制,在使用中通常采用控制RG阻值的方法来实现。,1.集成程控仪用放
21、大器美国Analog Devices公司生产的AD612、AD614仪用放大器内部集成有使用激光自动修订工艺制造的高精度薄膜电阻,具有较高的增益精度。AD612、AD614仪用放大器内部电路如图319所示。,图 319AD612、AD614内部电路,AD612、AD614的增益控制可以使用外部或内部电阻两种方法。使用外部电阻时只需在引脚1和2之间外接电阻RG,此时增益为,内置电阻的阻值从引脚3至10,分别满足闭环增益为2128时的要求,其值为,若需29的闭环增益,则请将引脚10、11和引脚1相连。若要求闭环增益为210,则可将引脚10、11、12都和引脚1相连。应该指出,闭环增益为29和210
22、时的连接方法所得到的并联电阻值(按其标称值计算)与闭环增益所需的阻值存在差值,但这个差值所造成的增益衰减已小于该集成放大器给出的增益衰减指标。此外,该集成放大器的引脚15为“驱动屏蔽”保护端,将该端经驱动后连接于输入电缆的屏蔽层,可提高共模抑制比,降低输入噪声。,2.线性程控增益仪用放大器在仪用放大器中,前级共模增益与电阻R1、R2、RG无关(参见图318)。因此,可利用这一特点,通过改变R1和R2的阻值来改变整个放大器的闭环增益,获得增益与控制代码成线性关系的程控仪用放大器。图320给出了其原理电路。,图 320线性程控增益仪用放大器,在此电路中分别以N个等值电阻R的串联网络代替反馈电阻R1
23、和R2。两组n选1多路开关受控于同一个控制信号,同步切换于两组串联电阻的串接端。若控制信号代码所选通的开关与此开关串接入反馈回路电阻R的个数相同,则此时的闭环增益为,在图320中,R3R4;R5R6。显然,通过选择R与RG、R5与R6的比值,可以得到所需的线性增益。如RG2R,R5R3,则,Nc为控制信号的二进制数值。,在实际应用中,R1和R2的串联电阻网络及多路开关,通常使用数字电位器来代替,其电路实际极为方便。图321给出了使用美国Xicor公司X9221双非易失性数控电位器实现的线性增益程控仪用放大器的电路实例。,图 321线性程控增益仪用放大器实例,实例中选用X9221,VH端与VL端
24、电阻为50 k,滑动端VW步进电阻差值为794。取RG7.94 k,则放大器的程控增益为,其中,Nc为滑动端位置,0Nc63。最小增益为1,最大增益为12.7。增益步进值为0.2。放大器使用计算机的I/O端口作为X9221的串行总线时钟和通信线,全部控制均由软件实现。,3.3量程自动转换技术,一般要求,1.尽可能高的测量速度自动量程转换的测量速度,是指根据被测参量的大小自动选择合适量程并完成一次测量的速度。在计算机测控系统中,由于引入了微型计算机,其量程的自动选择速度有了极大的提高。一般来说,当读数的十进制位数大于等于量程挡数时,应该只需经过一次中间测量,就可找到正确的量程。,例如,当某一量程
25、测量时,发现被测量已超过该量程的满刻度值(升量程阈值),则立刻回到最高量程进行一次测量,将测量结果与各量程的降量程阈值相比较,寻找合适的量程。因而在发生超量程时,只需经过一次最高量程的测量,即可找到正确的量程。而在降量程(读数小于正在测量的量程的降量程阈值)时,只需将读数直接同较小量程的降量程阈值进行比较,就可找到正确的量程,而无需逐个量程进行测量。此外,在大多数情况下,被测量并不一定会经常发生大幅度变化。所以,一旦选定合适的量程,应该在该量程继续测量下去,直到发现过载或被测量低于降量程阈值。,2.确定性自动量程转换的确定性是指在升、降量程时,不应该发生在两个相邻量程间反复选择的现象。这种情况
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