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1、2.0 数据通道概述数据通道概述 2.1 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 2.2 信号调理信号调理2.2.1 传感器的选用传感器的选用2.2.2 运用前置放大器的依据运用前置放大器的依据2.2.3 信号调理通道中的常用放大器信号调理通道中的常用放大器 2.2.4 V/I和和I/V转换电路转换电路第二章第二章(1)(1)计算机控制系统的数计算机控制系统的数据采集技术据采集技术(前向通道前向通道)12.3 多路模拟开关多路模拟开关2.3.1 结构原理结构原理2.3.2 扩展电路扩展电路2.4 采样采样/保持器保持器 2.4.1 概述概述2.4.2 采样采样/保持器的工作原理保持器的工
2、作原理2.4.3 系统采集速度与采样系统采集速度与采样/保持保持2.4.4 采样保持器采样保持器22.5 A/D(Analog/Digital)转换器及接口技术转换器及接口技术2.5.1 A/D转换器的作用转换器的作用 2.5.2 ADC的转换原理的转换原理2.6 常用常用ADC集成芯片及其与微处理器的接口集成芯片及其与微处理器的接口2.6.1 典型芯片典型芯片ADC0809介绍介绍2.6.2 AD574A及其与微处理器的接口及其与微处理器的接口2.6.3 CS5360及其与微处理器的接口及其与微处理器的接口2.7 A/D转换模板转换模板2.8 A/D转换器的选择转换器的选择2.9 数字量输入
3、通道数字量输入通道 2.9.1 开关输入电路开关输入电路 2.9.2 脉冲计数电路脉冲计数电路32.0 2.0 数据通道概述数据通道概述 人人人人-机界面机界面机界面机界面工业系统机机机机-机界面机界面机界面机界面数据通道数据通道数据通道数据通道人通过键盘、鼠标等向计算机输入信息；计算机通过显示器输出信息4数据通道数据通道数据通道数据通道工业系统工业系统工业系统工业系统数据通道的数据通道的分类分类 开关量:某个开关通、断的状态.只有两种状态模拟量:时间上连续；量值在一定范围内连续模拟量输入到计算机,需要将模拟量转换为数字量即模数转换,因此该通道也称为A/D通道5实例实例1:1:研华研华PCL-
4、724PCL-724数据采集卡数据采集卡6数据采数据采集卡集卡 接口接口20芯扁平线芯扁平线7电源线电源线8实例实例2:2:智能模块智能模块泓格泓格I7017 模拟量输入模拟量输入9泓格泓格I7014 模拟量输出模拟量输出10 模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号模拟量信号转换成计算机转换成计算机可以接收的可以接收的数字量信号数字量信号.结构组成如图结构组成如图2 2-1所示所示,来自于工业现场传感器或变送来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行器的多个模拟
5、量信号首先需要进行信号调理信号调理,然后经然后经多路多路模拟开关模拟开关,分时切换到后级进行分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模前置放大、采样保持和模/数转换数转换,通过接口电路以数字量信号进入主机系统通过接口电路以数字量信号进入主机系统,从而完从而完成对过程参数的巡回检测任务成对过程参数的巡回检测任务.2.1 2.1 数据采集系统的数据采集系统的组成结构组成结构 11 显然显然,该通道的核心是模该通道的核心是模/数转换器即数转换器即A/DA/D转换器转换器,通常把模拟量输入通常把模拟量输入通道称为通道称为A/DA/D通道或通道或AIAI通道通道.传感变送器信号调理多路模拟开关前置放大器采
6、样保持器转换器接口逻辑电路过程参数PC总线图 2-1 模拟量输入通道的结构组成A/D12 实际的数据采集系统往往需要实际的数据采集系统往往需要同时测量同时测量多种物理量多种物理量或或同一种物理量的多个测量点同一种物理量的多个测量点.因此因此,多路模拟输人通道多路模拟输人通道更具有更具有普遍性普遍性.按照按照系统中数据采集电路是系统中数据采集电路是各路共用一个各路共用一个还是还是每每路各用一个路各用一个,多路模拟输人通道可分为多路模拟输人通道可分为集中集中采集式和分散采集式采集式和分散采集式两大类型两大类型.13一、一、集中集中采集式采集式 图图2-2 2-2 集中式数据采集系统的典型结构集中式
7、数据采集系统的典型结构 14二、二、分散分散采集式采集式(分布式分布式)(a)(a)分布式分布式单机单机数据采集结构数据采集结构 15通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1 1数据数据采集站采集站2 2数据数据采集站采集站3 3数据数据采集站采集站N N模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号(b)(b)网络式网络式数据采集结构数据采集结构图图2-3 2-3 分布式数据采集系统的典型结构分布式数据采集系统的典型结构上位机、下位机的概念上位机、下位机的概念162.2 2.2 信号调理信号调理(Signal Conditioning)(Signal Conditioning)所谓所谓信号调
8、理信号调理,就是将传感器或者变送器所输出的电信号就是将传感器或者变送器所输出的电信号进行进行放大、隔离、滤波放大、隔离、滤波,以便数据采集板实现数据的采集以便数据采集板实现数据的采集.传感器传感器/数电数电/模电知识模电知识传感传感器器前置前置放大放大低低通通滤滤波波高高通通至至采集电路采集电路图图2-4 2-4 典型调理电路的组成框图典型调理电路的组成框图 172.2.1 2.2.1 传感器传感器的选用的选用(复习复习)传传感感器器是是信信号号输输人人通通道道的的第第一一道道环环节节,也也是是决决定定整整个个测测试试系系统统性性能能的的关关键键环环节节之之一一.要要正正确确选选用用传传感感器
9、器,首首先先要要明明确确所所设设计计的的测测试试系系统统需需要要什什么么样样的的传传感感器器系统对传感器的技术要求；系统对传感器的技术要求；其其次次是是要要了了解解现现有有传传感感器器厂厂家家有有哪哪些些可可供供选选择择的的传传感感器器,把把同同类类产产品品的的指指标标和和价价格格进进行行对对比比,从从中中挑挑选选合合乎乎要求的要求的性价比性价比最高的传感器最高的传感器.18传感器传感器:用于将被测物理信号转化为电信号的器件用于将被测物理信号转化为电信号的器件.常用传感器举例常用传感器举例:温度测量温度测量:热电阻热电阻(0(0200200度度)热电偶热电偶(20020015001500度度)
10、压力测量压力测量:弹簧位移、压敏器件弹簧位移、压敏器件流量测量流量测量:压力差原理压力差原理位移位移测量测量:电位器、电容式、电位器、电容式、光栅光栅(调速系统中介绍调速系统中介绍)速度测量速度测量:电磁感应、离心位移电磁感应、离心位移 19变送器变送器(复习复习)用于将用于将传感器信号进行初步处理传感器信号进行初步处理.包括包括:1.1.信号滤波信号滤波:实现一个低通滤波器实现一个低通滤波器,滤除常见滤除常见高频干扰高频干扰2.2.小信号放大小信号放大:小信号易受干扰小信号易受干扰,不易传输不易传输,要进行放大要进行放大.3.3.I/VI/V变换变换:将电压将电压/电流信号统一变换为规定电流
11、信号统一变换为规定标准信号标准信号,以利于传输使用以利于传输使用.常见标准常见标准:计算机接口标准计算机接口标准:范围范围0 05V5V DDZ-DDZ-型仪表标准型仪表标准:范围范围0 010mA10mA DDZ-DDZ-型仪表标准型仪表标准:范围范围4 420mA20mA4.4.非线性补偿非线性补偿:对实际对实际物理信号与电信号成非线性关系的情况进行补偿操物理信号与电信号成非线性关系的情况进行补偿操作作,使其成为线性关系使其成为线性关系,这部分工作亦可这部分工作亦可由计算机软件完成由计算机软件完成.如如:热电偶热电偶中中,热电势热电势e e与温度与温度T T的关系一般为的关系一般为:T=a
12、 T=a1 1e e4 4+a+a2 2e e3 3+a+a3 3e e2 2+a+a4 4e+ae+a5 5 (a1 (a1a5a5为常数为常数)补偿后补偿后,变送器的输出电压变送器的输出电压V V与温度与温度T T的关系可转化为线性关系的关系可转化为线性关系,即即:V=:V=aT+baT+b 20(一一)对传感器的主要对传感器的主要技术要求技术要求1.1.具具有有将将被被测测量量转转换换为为后后续续电电路路可可用用电电量量的的功功能能,转转换换范围与被测量实际变化范围范围与被测量实际变化范围相一致相一致.2.2.转转换换精精度度符符合合整整个个测测试试系系统统根根据据总总精精度度要要求求而
13、而分分配配给给传感器的精度指标传感器的精度指标,转换速度转换速度应符合整机要求应符合整机要求.3.3.能能满满足足被被测测介介质质和和使使用用环环境境的的特特殊殊要要求求,如如耐耐高高温温、耐耐高高压压、防防腐腐、抗抗振振、防防爆爆、抗抗电电磁磁干干扰扰、体体积积小小、质质量量轻和不耗电或耗电少等轻和不耗电或耗电少等.4.4.能满足用户对能满足用户对可靠性和可维护性可靠性和可维护性的要求的要求.21(二二)可供选用的传感器可供选用的传感器类型类型 温度的传感器温度的传感器就有就有:热电偶、热电阻、热敏热电偶、热电阻、热敏电阻电阻、半导体、半导体PNPN结、结、ICIC温度传感器、光纤温度温度传
14、感器、光纤温度传感器等好多种传感器等好多种.在都能满足测量范围、精度、在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下速度、使用条件等情况下,应侧重考虑成本低、应侧重考虑成本低、适配电路是否简单等因素进行取舍适配电路是否简单等因素进行取舍,尽可能选择尽可能选择性价比高性价比高的传感器的传感器.221.1.大信号输出传感器大信号输出传感器 :为了与为了与A/DA/D输入要求相适应输入要求相适应,传感器厂家开始设计、制造一些传感器厂家开始设计、制造一些专门与专门与A/DA/D相配套的相配套的大信号输出传感器大信号输出传感器.传感器传感器传感器传感器传感器传感器小信号放大小信号放大信号修正与变换信号
15、修正与变换滤波滤波A/DA/D微机微机微机微机I/VI/V转换转换V/FV/F光电耦合光电耦合小电流小电流小电压小电压大电压大电压大电流大电流图图2-5 2-5 大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用 电流电流/电压转换电压转换电压电压/频率转换频率转换232.2.数字式数字式传感器传感器:数字式传感器一般是采用数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件频率敏感效应器件构成构成,也可以是由敏感参数也可以是由敏感参数R R、L L、C C构成的振荡器构成的振荡器,或模拟电或模拟电压输入经压输入经V/FV/F转换转换等等,因此因此,数字量传感器一般都是数字量传感器一般都是输出输出频率参量频率参量
16、,具有具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送离传送等优点等优点.24传感器传感器放大整形放大整形光电隔离光电隔离计算机计算机传感器传感器整形整形光电隔离光电隔离计算机计算机频率量频率量输出输出开关量开关量输出输出图图2.6 2.6 频率量及开关量频率量及开关量输出传感器的使用输出传感器的使用 253.3.集成传感器集成传感器:(DS18B20:(DS18B20 温度传感器温度传感器)集成传感器是将集成传感器是将传感器与信号调理电路做传感器与信号调理电路做成一体成一体.例如例如,将将应变片应变片、应变电桥、线性化处、应变电桥、线性化处理、理、电桥电桥放大等
17、做成一体放大等做成一体,构成构成集成压力传感器集成压力传感器.采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务任务,简化通道结构简化通道结构.264.4.光纤光纤传感器传感器:这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过过光导纤维光导纤维实现的实现的,避免了电路系统的电磁干扰避免了电路系统的电磁干扰.在信号输入通道中采用光纤传感器可以从在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上根本上解决解决由现场通过传感器引入的干扰由现场通过传感器引入的干扰.272.2.2 2.2.2 运用运用前置放大器前置放大器的依据的依据 多多数数传传
18、感感器器输输出出信信号号都都比比较较小小,必必须须选选用用前前置置放放大大器器进行放大进行放大.判判断断传传感感器器信信号号“大大”还还是是“小小”和和要要不不要要进进行行放放大大的的依据又是什么？依据又是什么？放放大大器器为为什什么么要要“前前置置”,即即设设置置在在调调理理电电路路的的最最前前端端？前置放大器的前置放大器的放大倍数应该多大放大倍数应该多大？282.2.3 2.2.3 信号调理通道中的信号调理通道中的常用放大器常用放大器(难点难点)在智能仪器的信号调理通道中在智能仪器的信号调理通道中,针对被放大信号的特点针对被放大信号的特点,并结合并结合数据采集电路的现场要求数据采集电路的现
19、场要求,目前使用较多的放大器有目前使用较多的放大器有测量放大器、测量放大器、程控增益放大器以及隔离放大器程控增益放大器以及隔离放大器等等.前置放大器的任务是将前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到模拟输入小信号放大到A/DA/D转换的量程范转换的量程范围之内围之内,如如0-5VDC0-5VDC;对单纯的微弱信号对单纯的微弱信号,可用一个运算放大器进行可用一个运算放大器进行单端同相放大或单单端同相放大或单端反相放大端反相放大.如图如图2-52-5所示所示,信号源的信号源的一端若接放大器的正端为同相一端若接放大器的正端为同相放大放大,同相放大电路的放大倍数同相放大电路的放大倍数G=1+R2/R1
20、G=1+R2/R1；若信号源的若信号源的一端接放大器的负端为反相放大一端接放大器的负端为反相放大,反相放大电路的放反相放大电路的放大倍数大倍数G=G=R2/R1R2/R1.当然当然,这两种电路都是单端放大这两种电路都是单端放大,所以所以信号源的另信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地一端是与放大器的另一个输入端共地.(.(电路电路/模电模电)29 图图2-5 2-5 放大电路放大电路30OP07OP0731(一)测量放大器 在实际工程中在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模共模干扰干扰,而而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作
21、用单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用.因此因此,A/D,A/D通道中的前置放大器常采用由通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器一组运放构成的测量放大器,也称也称仪表放大器仪表放大器,如图如图2-6(a)2-6(a)所示所示.经典经典的测量放大器是由的测量放大器是由三个运放组成的对称结构三个运放组成的对称结构,测量放大器的测量放大器的差动输入端差动输入端VinVin 和和VinVin 分别是两个运放分别是两个运放A1A1、A2A2的同相输入端的同相输入端,输入输入阻抗很高阻抗很高,而且完全对称地直接与被测信号相连而且完全对称地直接与被测信号相连,因而有着因而有着极强的抑制
22、极强的抑制共模干扰能力共模干扰能力.32-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV(外接外接)图图2-6 2-6 测量放大器测量放大器 33 仪仪用用放放大大器器上上下下对对称称,即即图图中中R1=R2,R4=R6,R5=R7.R1=R2,R4=R6,R5=R7.则则放放大大器器闭环增益闭环增益为为:假假设设R4=R5,R4=R5,即即第第二二级级运运算算放放大大器器增增益益为为1,1,则则可可以以推推出出仪仪用用放放大器闭环增益为大器闭环增益为:由上式可知由上式可知,通过通过调节电阻调节电阻R RG G,可以很方便地改变仪用放大器可以
23、很方便地改变仪用放大器的的闭环增益闭环增益.当采用集成仪用放大器时当采用集成仪用放大器时,R RG G一般为外接电阻一般为外接电阻.34 测量放大器的特点测量放大器的特点:具有具有高共模抑制比、高速度、高精度、高共模抑制比、高速度、高精度、宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等等.测量放大器的工作原理测量放大器的工作原理 a.a.结构结构:由由三个运算放大器三个运算放大器构成构成,其内部基本电路如图所示其内部基本电路如图所示.b.b.工作原理工作原理:A1A1、A2A2二个同相放大器二个同相放大器组成组成差动式放大电路差动式放大电路,
24、输入输入信号加在信号加在A1A1、A2A2的同相输入端的同相输入端,从而具有从而具有高抑制共模干扰的能力高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗和高输入阻抗.功率放大器功率放大器A3A3为后级为后级,它不仅切断共模干扰的传它不仅切断共模干扰的传输输,还将还将双端输入双端输入方式变换成方式变换成单端输出方式单端输出方式,以满足负载的需要以满足负载的需要.35 测量放大器测量放大器集成芯片集成芯片 常用的有常用的有AD521S、AD522B、AD612、AD605、ZF605、INA102等等.a.AD521采用标准采用标准DIP-14双列直插式封装双列直插式封装,其管脚功能如图其管脚功能如图a与基本与基
25、本接法如图接法如图b所示所示.在使用在使用AD521(或其他测量放大器或其他测量放大器)时时,要特别注意为要特别注意为偏置电流提供回路偏置电流提供回路.为此为此,输入输入(引脚引脚l或引脚或引脚3)端必须与电源的地线端必须与电源的地线相连构成回路相连构成回路.b.AD522也是单芯片集成精密测量放大器也是单芯片集成精密测量放大器.36AD521AD521的管脚功能及基本接法的管脚功能及基本接法 37 在实际的设计过程中在实际的设计过程中,可根据模拟信号调理通道的设计要求可根据模拟信号调理通道的设计要求,并结并结合仪用放大器的合仪用放大器的以下主要性能指标以下主要性能指标确定具体的放大电路确定具
26、体的放大电路(了解了解).).1.1.非线性度非线性度 它是指放大器它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差.当当增益增益为为1 1时时,如果一个如果一个1212位位A/DA/D转换器有转换器有0.025%0.025%的非线性偏差的非线性偏差,当当增益为增益为500500时时,非线性偏差可达非线性偏差可达0.1%,0.1%,相当于把相当于把1212位位A/DA/D转换器变成转换器变成1010位以下转换位以下转换器器,故一定要选择故一定要选择非线性偏差小于非线性偏差小于0.024%0.024%的仪用放大器的仪用放大器.382.2.温漂温漂 温漂是指仪用
27、放大器温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度输出电压随温度变化而变化的程度.通通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生(1(150)50)V/V/变变化化,这与仪用放大器的增益有关这与仪用放大器的增益有关3.3.恢复时间恢复时间 恢恢复复时时间间是是指指放放大大器器撤撤除除驱驱动动信信号号瞬瞬间间至至放放大大器器由由饱饱和和状状态态恢恢复复到到最最终终值值所所需需的的时时间间.显显然然,放放大大器器的的建建立立时时间间和和恢恢复复时时间间直直接影响数据采集系统的接影响数据采集系统的采样速率采样速率.394.建立时间建立时间 建立时间是指建
28、立时间是指从阶跃信号从阶跃信号驱动瞬间驱动瞬间至仪用放大器输出电压至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间达到并保持在给定误差范围内所需的时间5.5.电源引起的电源引起的失调失调 电源引起的失调是指电源引起的失调是指电源电压每变化电源电压每变化1%,1%,引起放大器的漂引起放大器的漂移电压值移电压值.仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器,对于共电源系统对于共电源系统,该指标则是该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之设计系统稳压电源的主要依据之一一.406.6.共模抑制比共模抑制比(CMRR-(CMRR-Common Mode Re
29、jection Ratio)Common Mode Rejection Ratio)当当放放大大器器两两个个输输入入端端具具有有等等量量电电压压变变化化值值U UI I时时,在在放放大大器器输输出出端端测测量量出出电电压压变变化化值值U UCMCM,则则共共模模抑抑制制比比CMRRCMRR可用下式计算可用下式计算:CMRRCMRR也也是是放放大大器器增增益益的的函函数数,它它随随增增益益的的增增加加而而增增大大,这这是是因因为为测测量量放放大大器器具具有有一一个个不不放放大大共共模模的的前前端端结结构构,这这个个前前端端结结构构对对差差动动信信号号有有增增益益,对对共共模模信信号号没没有有增增
30、益益.但但CMRRCMRR的的计计算算却却是是折折合合到到放放大大器器输输出出端端,这这样样就就使使CMRRCMRR随增益的增加而增大随增益的增加而增大.41(二二)程控增益放大器程控增益放大器(PGA-Programmable Gain Amplifier)(PGA-Programmable Gain Amplifier)了解了解 程控放大器是智能仪器的常用部件之一程控放大器是智能仪器的常用部件之一,在许多实际应用中在许多实际应用中,特别是在通用测量仪器中特别是在通用测量仪器中,为了在整个测量范围内获取合适的分为了在整个测量范围内获取合适的分辨力辨力,常采用常采用可变增益放大器可变增益放大器
31、.在智能仪器中在智能仪器中,可变增益放大器的可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的增益由仪器内置计算机的程序控制程序控制.这种由程序控制增益的放大这种由程序控制增益的放大器器,称为称为程控放大器程控放大器.在在A/DA/D转换通道中转换通道中,多路被测信号常常共用一个测量放大器多路被测信号常常共用一个测量放大器,而而各路的输入信号大小往往不同各路的输入信号大小往往不同,但都要放大到但都要放大到A/DA/D转换器的转换器的同一量同一量程范围程范围.因此因此,对应于各路不同大小的输入信号对应于各路不同大小的输入信号,测量放大器的测量放大器的增增益也应不同益也应不同.具有这种性能的放大器称为具有这种
32、性能的放大器称为可变增益放大器或可编可变增益放大器或可编程放大器程放大器,如图如图2-6(b)2-6(b)所示所示.423A2A-NIN负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+图图2-6 2-6 前置放大器前置放大器 (b)(b)可变增益放大器可变增益放大器43 把图把图2-6(b)2-6(b)中的中的外接电阻外接电阻RgRg换成一组换成一组精密的电阻网络精密的电阻网络,每个每个电阻支路上有一个开关电阻支路上有一个开关,通过支路开关依次通断就可改变放大器通
33、过支路开关依次通断就可改变放大器的增益的增益,根据开关支路上的电阻值与增益公式根据开关支路上的电阻值与增益公式,就可算得支路开关就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为自上而下闭合时的放大器增益分别为2 2、4 4、8 8、1616、3232、6464、128128、256256倍倍.显然显然,这一组开关如果用多路模拟开关这一组开关如果用多路模拟开关(类似类似CD4051)CD4051)就可就可方便地进行方便地进行增益可变增益可变的的计算机数字程序控制计算机数字程序控制.此类此类集成电路芯片集成电路芯片有有AD612/614AD612/614等等.可编程增益放大器的可编程增益放大器的特
34、点特点:硬件设备少硬件设备少,放大倍数可根据需要通放大倍数可根据需要通过编程进行控制过编程进行控制,使使A/DA/D转换器满量程信号达到均一化转换器满量程信号达到均一化,提高了测提高了测量精度量精度.可编程增益放大器可编程增益放大器结构结构:它是它是测量放大器电路的扩展测量放大器电路的扩展,增加了增增加了增益模拟开关和驱动电路益模拟开关和驱动电路.可编程增益放大器的可编程增益放大器的应用应用:可编程增益放大器可编程增益放大器PGAPGA的优越性之一的优越性之一就是能进行就是能进行量程自动切换量程自动切换.44例例:数字电压表数字电压表的的量程自动切换量程自动切换 分析分析:CPU:CPU首先对
35、被测参数进行首先对被测参数进行A/DA/D转转换换,判断判断被测值是否大于当前量程被测值是否大于当前量程,若大于若大于,再判断再判断PGAPGA的增益是否为的增益是否为最低档最低档,如果是如果是,就转入超量程处就转入超量程处理理,否则否则,将将PGAPGA增益降低一档并重增益降低一档并重复前面的处理过程；如果复前面的处理过程；如果被测值被测值小于当前量程再判断最高位是否小于当前量程再判断最高位是否为零为零.如果是零如果是零,就进一步判断增就进一步判断增益是否为最高一档益是否为最高一档,若不是最高档若不是最高档,将增益升高一级再进行将增益升高一级再进行A AD D转换转换及判断；如不为零或及判断
36、；如不为零或PGAPGA已经升到已经升到最高档最高档,则说明量程已经切换到最则说明量程已经切换到最合适档合适档,此时微处理器对所测得的此时微处理器对所测得的数据再进一步处理数据再进一步处理.自动量程切换流程图 45 PGA102PGA102是一种独立、是一种独立、高速、高精度的数字式可高速、高精度的数字式可程序设置增益的仪器放大程序设置增益的仪器放大器器,由由COMS/TTLCOMS/TTL电平来选电平来选择增益为择增益为1 1、1010或或100100,其其内部结构如图所示内部结构如图所示.改变改变X10X10、X100X100两管两管脚的电平脚的电平,即可选择即可选择V VIN1IN1,V
37、 VIN2IN2和和V VIN3IN3.由于三种输入由于三种输入的反馈电阻不同的反馈电阻不同,因而可因而可得到不同的增益得到不同的增益.PGA102PGA102原理结构图原理结构图 常用的可编程增益放大器芯片有常用的可编程增益放大器芯片有AD526、AD625、AD620B-B公司的公司的PGA100、PGA102、LH0084等等.46(三三)隔离放大器隔离放大器(变压器耦合变压器耦合,光耦合光耦合)隔离放大器主要用于要求隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信共模抑制比高的模拟信号号的传输过程中的传输过程中,例如输入数据采集系统的信号是例如输入数据采集系统的信号是微弱微弱的模拟信号的模拟
38、信号,而测试现场的而测试现场的干扰比较大干扰比较大对信号的传递精对信号的传递精度要求又高度要求又高,这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离隔离放大器进行隔离,以保证系统的可靠性以保证系统的可靠性.47 由由于于隔隔离离放放大大器器采采用用了了浮浮离离式式设设计计,消消除除了了输输入入、输输出出端之间的耦合端之间的耦合,因此具有以下因此具有以下特点特点:1.1.能能保保护护系系统统元元件件不不受受高高共共模模电电压压的的损损害害,防防止止高高压压对对低低压压信号系统的损坏信号系统的损坏.2.2.泄泄漏漏电电流流低低,对对于于测测量量放放大大器器
39、的的输输入入端端无无须须提提供供偏偏流流返返回回通路通路.3.3.共共模模抑抑制制比比高高,能能对对直直流流和和低低频频信信号号(电电压压或或电电流流)进进行行准准确、安全的测量确、安全的测量,避免各种干扰对系统的影响避免各种干扰对系统的影响.48隔离放大器隔离放大器应用场合应用场合:测量处于测量处于高共模电压下的低电平信号高共模电压下的低电平信号；消除消除信号源地网络干扰信号源地网络干扰(如大电流的跳变如大电流的跳变)所引起的测量误差；所引起的测量误差；避免与地构成回路及其避免与地构成回路及其寄生拾取寄生拾取问题；问题；保护系统电路不致因输入端或输出端的保护系统电路不致因输入端或输出端的高共
40、模电压造成损坏高共模电压造成损坏；用于用于医疗仪器医疗仪器为病人提供安全接口等为病人提供安全接口等.变压器耦合变压器耦合隔离放大器隔离放大器组成组成:由由输入级、输出级和电源振荡器输入级、输出级和电源振荡器三个基本部分三个基本部分.典型的隔离典型的隔离放大器原理图如下图所示放大器原理图如下图所示.49图图2.12 2.12 GF289GF289集成隔离放大器集成隔离放大器50图图2-14 GF2892-14 GF289典型接法典型接法 51工作原理工作原理:将将传感器送来的信号传感器送来的信号滤波和放大滤波和放大,并并调制调制成成交流信交流信号号,通过通过隔离变压器耦合隔离变压器耦合到输出级到
41、输出级.在输出级把交流信号在输出级把交流信号解解调调变成变成直流信号直流信号,再经滤波和放大再经滤波和放大,最后输出最后输出0 010V10V的直的直流电压流电压.由于放大器的两个输入端都是浮空的由于放大器的两个输入端都是浮空的,所以所以,它能它能够有效地起测量放大器的作用够有效地起测量放大器的作用,又因采用又因采用变压器耦合变压器耦合,所以所以输入部分和输出部分是隔离的输入部分和输出部分是隔离的.增益计算增益计算:G GININ输入部分电压增益；输入部分电压增益；G GOUTOUT输出部分电压增益输出部分电压增益.52 光耦合光耦合隔离放大器隔离放大器 光耦合隔离放大器是通过光耦合隔离放大器
42、是通过输入极激励发光管输入极激励发光管,由光电管将光由光电管将光信号耦合到输出极信号耦合到输出极,实现信号的传输实现信号的传输,同时保证了输入和输出间同时保证了输入和输出间的电气隔离的电气隔离.隔离放大器集成芯片隔离放大器集成芯片 常用常用变压器耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器有有Model277Model277、Model278Model278、AD293AD293、AD294 AD294 GF289GF289等等,光耦合隔离放大器光耦合隔离放大器有有ISO100ISO100等等.53 AD293AD293应用电路应用电路如图所示如图所示,信号信号V VININ的输入端可接地也可悬空的输入
43、端可接地也可悬空.电阻电阻R RG G是增益调是增益调整电阻整电阻,输入级增益为输入级增益为 W1W1是输入级调零电位器是输入级调零电位器,如果需如果需调零调零,W1,W1的滑动点与引脚的滑动点与引脚2 2相连相连.如果不调零如果不调零,W1,W1可不接可不接.引脚引脚3333还可输出还可输出13V(13V(相对引脚相对引脚2),2),以供其它外电路使用以供其它外电路使用,电容电容C2C2用用于对于对13V13V滤波滤波.R R1 1输入级内部反馈电阻输入级内部反馈电阻 542.2.4 V/I2.2.4 V/I和和I/VI/V转换电路转换电路 控制系统中控制系统中,对被控量的检测往往采用各种类
44、型的测量变送器对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器,当它们的输出信号为当它们的输出信号为0-10 mA或或4-20 mA的电流信号时的电流信号时,一般是采用一般是采用电阻分压法电阻分压法把现场传送来的把现场传送来的电流信号转换为电压信号电流信号转换为电压信号1.V/I1.V/I转换电路转换电路(1)(1)0 010V10V4 420mA20mA转换电路转换电路 电流信号传输的优点电流信号传输的优点:以消除电缆衰减以消除电缆衰减,抗工业现场干扰抗工业现场干扰.55常用精密常用精密0 010/410/420mA20mA转换电路如图所示转换电路如图所示.图中图中REF10REF10为为+10V
45、+10V精密电压基准精密电压基准,提供一个提供一个+10+10标准的稳压电标准的稳压电源源,此标准电源与此标准电源与0 0l0l0输入信号输入信号一起加到由一起加到由超低噪声精密运算放超低噪声精密运算放大器大器OPA27OPA27所组成的所组成的反相比例求和电路反相比例求和电路.工作原理工作原理:当输入信号在当输入信号在0 010V10V间变化时间变化时,OPA27,OPA27的输出范围为的输出范围为-0.2V0.2V1V,1V,该输出加到由该输出加到由精密单位增益差动放大器精密单位增益差动放大器INA105INA105组成的组成的V/IV/I变换电路变换电路的输入端的输入端,可以推出当输入电
46、压为可以推出当输入电压为-0.2-0.2-1-1时时,流过负载流过负载电阻电阻R RLOADLOAD的电流为的电流为4 420mA20mA,而与而与R RLOADLOAD的大小无关的大小无关.56(2)(2)隔离型隔离型V/IV/I转换电路转换电路 采用采用ISO100ISO100光电隔离放大器光电隔离放大器组成的组成的V/I 4V/I 420mA20mA变换电路变换电路,原原理如图所示理如图所示.572.I/V2.I/V转换电路转换电路(1)(1)无源无源I/VI/V变换变换无源无源I/VI/V变换电路是利用变换电路是利用无源器件无源器件-电阻电阻来实现来实现,加上加上RCRC滤波滤波和二极
47、管限幅和二极管限幅等保护等保护,如图如图2-15(a)2-15(a)所示所示,其中其中R2R2为精密电阻为精密电阻.对于对于0 010mA10mA输入信号输入信号,可取可取R1=100,R1=100,R2=500R2=500,这样当这样当输入电流在输入电流在0 010mA10mA量程变化时量程变化时,输出的电压输出的电压就为就为0 05V5V范围范围;对于对于4 420mA20mA输入信号输入信号,可取可取R1=100,R1=100,R2=250R2=250,这样当这样当输入电流为输入电流为4 420mA20mA时时,输出的电压为输出的电压为1 15V5V.58 图图2-15 2-15 电流电
48、流/电压变换电路电压变换电路 R1=100,R2=50059(2)(2)有源有源I/VI/V变换变换 有源有源I/VI/V变换是利用变换是利用有源器件有源器件运算放大器和电阻电容运算放大器和电阻电容组成组成,如图如图2-15(b)2-15(b)所示所示.利用利用同相放大电路同相放大电路,把电阻把电阻R R1 1上的输上的输入电压变成标准输出电压入电压变成标准输出电压.该同相放大电路的放大倍数为该同相放大电路的放大倍数为 若取若取R1=200,R3=100k,R4=150kR1=200,R3=100k,R4=150k,则输入电流则输入电流I I的的0 010mA10mA就对应电压输出就对应电压输
49、出V V的的0 05V5V；若取若取R1=200,R3=100k,R4=25kR1=200,R3=100k,R4=25k,则则4 420mA20mA的输入电的输入电流对应于流对应于1 15V5V的电压输出的电压输出.60RCV420RCV420是一种精密的是一种精密的电流电流/电压变换器电压变换器,它能将它能将4 420mA20mA的电流信号转换成的电流信号转换成0 05V5V的电压信号的电压信号.其典型应用电路如图所示其典型应用电路如图所示.61 多路开关的主要用途是把多路开关的主要用途是把多个模拟量参数分时的接通并送入多个模拟量参数分时的接通并送入A/DA/D转换转换器器,即完成即完成多到
50、一的转换多到一的转换;或者把经计算机处理或者把经计算机处理,且由且由D/AD/A转换器转换成的模拟信号转换器转换成的模拟信号按一定的顺按一定的顺序输出到不同的控制回路序输出到不同的控制回路(或外部设备或外部设备)中中,即完成即完成一到多一到多的转换的转换.前者称为前者称为多路开关多路开关(Multiplexer)(Multiplexer),后者叫做后者叫做反多路开关反多路开关 (De-(De-MultiPlexerMultiPlexer)或者叫做多路分配器或者叫做多路分配器.这类器件中有的只能做一种用途这类器件中有的只能做一种用途,称为称为单向多路开关单向多路开关,如如AD7501(8AD75