第十七讲传感器与A/D转换器的连接通道 教学课题：传感器与A/D转换器的连接通道 教学目的： 1、复习放大与滤波环节； 2、多路模拟开关环节的工作原理； 3、采样保持环节。 4、A/D模数转换 教学重点：自动化检测系统 教学难点：自动化检测系统 教学时间：2课时 教学过程及内容： 数字化自动检测系统框图 被测的物理量首先经过传感器变换成电信号、经信号调理电路（调制与解调或通过电桥参数转换、放大、滤波）后，由多路开关选择某一路的模拟信号送到采样保持器，再经过模/数转换器将模拟量转换城数字量送到计算机进行必要的运算和处理。下图为数字自动化检测系统框图。 一、放大与滤波环节 目前使用较多的放大器是集成运算放大器。因为它的漂移和噪声很低，增益和共模抑制比很高，出入阻抗高，而且输出阻抗低。 常用的放大电路见下图，该电路输入阻抗高、输出阻抗低，失调及零漂很小，放大倍数精确可调，具有差动输入、单端输出，共模抑制比很高。 测量信号中含干扰噪声较大，若不抑制，高增益放大器接收到这样的信号，会导致仪器不能正常工作，故常将滤波器置于放大器之前，RC滤波电路中的电阻，不仅消耗希望抑制的信号能量，也消耗希望通过的信号能量。为了克服这一缺点，可采用RC网络和集成运算放大器组成的有源滤波器，该电路除滤波外，还可将信号放大。 二、多路模拟开关环节 为减少检测通道的设备，而使多个信号的采样共同使用一个模/数转换器，将经过多路传感器变换后的信号采用分时法切换到模/数转换器上，这一过程称为多路切换。 多路模拟开关的结构 主要有4选1、8选1、双4选1、双8选1和16选1等几种，多路模拟开关由地址译码器和多路双向模拟开关组成。它通过外部地址输入，经电路内部的地址译码器译码后，接与地址码相对应的其中一个开关。以实现任一路信号的传送。 单八路模拟开关CD4051CD4051引脚功能见图2。CD4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表1。“INH”是禁止端,当“INH”=1时,各通道均不接通。 图CD4051引脚功能双四路模拟开关CD4052CD4052的引脚功能见图3。CD4052相当于一个双刀四掷开关,具体接通哪一通道,由输入地址码AB来决定。其真值表见表2。 图CD4052的引脚功能表2 CD4052真值表 a（t）取样，得到对应的离散时间信号的过程， 如图所示。 其中，t1、t2为各采样时刻, d1、d2为各时刻的采样值, 两次采样之间的时间间隔称为采样周期TS。 图中虚线表示再现原来的连续时间信号。可以看出， 采样周期越短，误差越小；采样周期越长，失真越大。为了尽可能保持被采样信号的真实性， 采样周期不宜过长。 连续时间信号的取样 作用：在采样期间，其输出能跟随输入的变换而变化，而在保持状态能使其输出值保持不变。 S合：采样；S开: 保持。采样开关被接通的时间称为采样时间，采样开关断开的时间为保持时间。 下图所示为一个实际的采样保持电路LF198的电路结构图，图中A1、A2是两个运算放大器，S是模拟开关，L是控制S状态的逻辑单元电路。采样时令uL=1，S随之闭合。A1、A2接成单位增益的电压跟随器，故。同时u’o通过R2对外电容Ch充电使uch=ui。，因电压跟随器的输出电阻十分小，故对Ch充电很快结束。采样结束时，uL=0V，S断开，由于uch无放电通路，其上电压值基本不变，故使uo值得以保持，即将采样结果保持下来。 图中还有一个由二极管D1、D2组成的保护电路。在没有D1和D2的情况下，如果在S再次接通以前ui变化了，则的变化可能很大，以致于使A1的输出进入饱和状态，与ui不再保持线性关系。接入D1和D2以后，当比所保持的电压高出一个二极管的正向压降时，D2将导通，被钳位于+ UD2。这里的UD2表示二极管D2的正向导通压降。当比低一个二极管的压降时，D1导通，将钳位于-UD1。UD1为D1的正向压降。在S接通的情况下，因为，所以D1和D2都不导通，保护电路不起作用。 图 采样保持电路 四、模/数转换环节 采样保持器的输出信号被送到模/数转换器的输入端，由模/数转换器将模拟信号转换成数字信号，再送入微机等设备进行处理和显示。 AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下： 分辨率：12位 非线性误差：小于±1/2LBS或±1LBS转换速率：25us 模拟电压输入范围：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种 电源电压：±15V和5V数据输出格式：12位/8位 芯片工作模式：全AD574A的引脚说明： [1]. Pin1(+V)——+5V电源输入端。 [2]. Pin2( )——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。 [3]. Pin3( )——片选端。 [4]. Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。与 端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是， 端TTL电平不能直接+5V或0V连接。 [5]. Pin5( )——读转换数据控制端。[6]. Pin6(CE)——使能端。[7]. Pin7(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。 [8]. Pin8(REF OUT)——10V基准电源电压输出端。 [9]. Pin9(AGND)——模拟地端。[10]. Pin10(REF IN)——基准电源电压输入端。[11]. Pin(V-)——负电源输入端，输入-15V电源。[12]. Pin1(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。[13]. Pin13(10V IN)——10V量程模拟电压输入端。[14]. Pin14(20V IN)——20V量程模拟电压输入端。[15]. Pin15(DGND)——数字地端。[16]. Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12条数据总线。通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。[17]. Pin28(STS)——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。 光典型的数据采集系统由传感器（T）、放大器（IA）、 模拟多路开关（MUX）、 采样保持器（SHA）、 A/D转换器、 计算机（MPS）或数字逻辑电路组成。 根据它们在电路中的位置可分为同时采集、 高速采集、 分时采集和差动结构四种配置， 图 数据采集系统的配置 （a） 同时采集； （b） 高速采集； （c） 分时采集； （d） 差动结构 （1） 同时采集系统： 图12-27（a）为同时采集系统配置方案，可对各通道传感器输出量进行同时采集和保持，然后分时转换和存储，可保证获得各采样点同一时刻的模拟量。 （2） 高速采集系统： 图12-27（b）为高速采集配置方案， 在时实控
第18讲 传感器与AD转换器的连接通道.doc
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