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1、传感器原理与应用-第11 章电子课件（高教版）第11章 传感器与微机接口技术11.1 概述11.2 多路模拟开关和采样保持器11.3 A/D转换接口11.4 传感器接口（输入通道）的建立第11章 传感器与微机接口技术在检测系统中，各种被测信号如温度、压力等经传感器转化成电量后通常还需要经过一定的通道输入微机进行进一步的处理，这一通道就称为传感器接口或输入通道，也称前向通道。经微机处理后的数据经过一定的通道输出给控制或显示分析设备，这一通道又称为控制接口或输出通道，也称后向通道。本章将详细讲述输入通道的基本知识、模拟输入通道的建立及输入通道所用到的主要器件，如A/D 转换器、模拟开关、采样保持器
2、等。第11章 传感器与微机接口技术11.1 概述传感器接口是传感器与微机的接口和桥梁。传感器接口的主要作用是将传感器输出的模拟量转化成微机所需要的数字量。11.1.1 传感器接口的结构和类型传感器接口的类型主要由传感器输出信号的类型和大小所决定。当传感器输出信号为模拟电压，且数值足够大，能满足A/D 转换的输入要求时，则可直接送入A/D 转换器，然后进入微机，也可以通过U/F 转换变为频率量送入微机。后一种方法抗干扰能力强，但测量响应速度慢，适用于远距离非快速过程参数的测量。若传感器输出的模拟电压信号较小，则应先经过放大。当传感器输出信号为电流时，首先应经过I/V 变换，将电流信号转换为电压信
3、号，然后按上述电压信号处理。最简单的I/V 变换器是一个精密电阻，当电流信号通过精密电阻时，其端电压与电流成正比关系。对于频率信号，若符合TTL 电平，可直接输入微机；若信号电平较低，则要经过放大和整形后再进入微机。对于开关信号，若符合TTL 电平，可直接输入微机；若不符合TTL 电平，则要经过放大、变换和整形后再进入微机。第11章 传感器与微机接口技术按照图11-1 所示的输入通道的结构类型情况，可以把输入通道分为模拟量输入通道和数字量输入通道两大类，本书只讨论模拟量输入通道的情况。图11-1 表示的是单个输入信号的输入通道结构类型。图11-1 输入通道的结构类型第11章 传感器与微机接口技
4、术11.1.2 输入通道的特点（1）输入通道的结构类型取决于传感器送来的信号数量、类型和电平。由于被测量和信号转换的差异，输入通道会有不同的类型。（2）输入通道的主要技术指标是信号转换精度和实际性，后者为实时检测和控制系统的特殊要求。对输入通道技术指标的要求是选择通道中有关器件的依据。（3）输入通道是一个模拟、数字信号混合的电路，其功耗小，一般没有功率驱动要求。（4）被测信号所在的现场可能存在各种电磁干扰。这些干扰会与被测信号一起从输入通道进入微机，影响测量和控制精度，甚至使微机无法正常工作，因此在输入通道中必须采取抗干扰措施。第11章 传感器与微机接口技术11.1.3 输出通道的结构和类型
5、输出通道连接微机与各种被控装置。被控装置要求的控制信号有数字量（包括开关量和频率量）和模拟量两类信号，而微机输出的是数字信号。根据微机输出信号形式和被控装置的特点，输出通道的结构和类型如图11-2 所示。图11-2 输出通道的结构和类型第11章 传感器与微机接口技术11.1.4 输出通道的特点（1）通道的结构取决于系统要求，其中的信号有数字量和模拟量两大类，要用到的转换器件是D/A 转换器。（2）微机输出信号的电平和功率都很小，而被控装置所要求的信号电平和功率往往比较大，因此在输出通道中要有功率放大，即输出驱动环节。（3）输出通道连接被控装置的执行机构，各种电磁干扰会经通道进入被控装置，因此必
6、须在输出通道中采取抗干扰措施。第11章 传感器与微机接口技术11.2 多路模拟开关和采样保持器多路模拟开关（简称多路开关）和采样保持器是微机系统输入通道中的两种常用器件。本节将简单介绍它们的结构原理和常用芯片。11.2.1 多路模拟开关在微机检测和控制系统中，可能有几个、几十个甚至更多的被测模拟量。当对它们进行巡回检测时，为了节省A/D 转换器和I/O 接口，通常需要使用换接开关。多路模拟开关可分为两大类，第1 类是机械触点式开关，如电磁继电器、干簧管继电器等。这类开关的优点是触点接通电阻小，断开电阻大，驱动部分与开关元件分离；缺点是动作速度慢，触点通断时产生抖动，寿命较短。第2 类是电子式开
7、关，包括晶体管、场效应管、光电耦合器和集成电路等模拟开关。其优点是开关速度快，体积小，功耗低；缺点是有一定导通电阻，驱动部分与开关元件不完全分离。在速度要求较高的多路转换场合，应采用电子式开关。COMS型集成电路开关元件就是一种多路模拟开关。第11章 传感器与微机接口技术1结构和工作原理图11-3 所示为一个8 通道多路开关的结构示意图。图中S1S8端可接8 路输入信号，OUT 为公共输出线，EN 为允许端，A2A0为地址线。当EN-1，A2A1A0-000 111 时，经过译码和驱动电路，使开关S1S8其中之一相应接通。由于片内有电平转换电路，所以逻辑输入端的信号电平与TTL 和CMOS电平
8、兼容。图11-3 多路开关结构示意图第11章 传感器与微机接口技术2常用芯片 多路开关有8 选1、16 选1、双8 选1、双4 选1 等类型，有的多路开关还具有双向导通功能。下面介绍几种常用芯片。（1）AD7501：是8 通道多路开关，图11-4 为其引脚图。电源端VCC，VSS 接15V。EN 为输出允许端，高电平有效，A2A1A0 为通道选择端。图11-4 AD7501 引脚图第11章 传感器与微机接口技术表11-1 是AD7501 的功能表。AD7501 的导通电阻为（170 300），开关断开的漏电流为（0.2 2）A。AD7503 也是8 通道多路开关，与AD7501 的区别只是EN
9、 为低电平有效。AD7502 是双4 通道多路开关。这些都是单向开关，导通方向只能从多路到1 路。第11章 传感器与微机接口技术（2）CD4051：是8 通道双向多路开关，国产型号为CC4051 或5G4051。图11-5 所示为CD4051 引脚图。使用时，VCC 接+5V，VSS 接地。VEE 作电平位移用，当VEE=-5V 时，可传送-5V+5V 的模拟信号；当只传送正电压信号时，VEE 接地。传送的模拟信号峰-峰最大值为15V。INH 为禁止端，当INH=0 时，允许开关选通工作；当INH=1 时，开关均断开。INH 的信号允许幅值为（3 15）V。A，B，C 为地址选通线（A 为低位
10、），也是通过3/8 译码来选通某一路。其功能表与表11-1 相似。CD4051 的导通电阻为（180 400）W，漏电流为（0.01 100）nA。它的主要特点是具有双向传送功能，即信号可以从8 路（IN/OUT 端）到1路（OUT/IN）传送，也可以从1 路到8 路传送。图11-5 CD4051 引脚图第11章 传感器与微机接口技术（3）CD4066：是四路双向开关，其引脚图如图11-6（a）所示。这些引脚除电源以外，共分为4 组。在每一组中，A 和B 是开关的两端，C 是控制端，图11-6（b）为开关示意图。当端为高电平时，开关双向导通；当端为低电平时，开关呈高阻状态。图11-6 CD40
11、66 双向开关引脚及示意图双向开关在功能上不同于上面所述的多路开关，它的各个开关是相互分离的。CD4066 能作为4 个相互独立的单刀单掷开关使用，而两个单刀单掷开关能接成一个单刀双掷开关。第11章 传感器与微机接口技术11.2.2 采样保持器1工作原理A/D 转换芯片完成一次转换需要一定的时间。当被测量变化很快时，为了使A/D 芯片的输入信号在转换期间保持不变，需要应用采样保持器。采样保持器工作示意图如图11-7 所示，图中每一采样值被保持到下一次采样为止。图11-8 所示为采样保持器结构图，它由输入输出缓冲放大器A1和A2、保持电容器CH 以及受模式控制信号控制的开关S 等组成。图11-7
12、 采样保持器工作示意图 图11-8 采样保持器结构图采样保持器有采样模式和保持模式两种运行模式，由模式控制信号控制。第11章 传感器与微机接口技术2主要技术参数（1）获得时间：采样保持器从开始采样到输出达到精度指标之间的时间，称为获得时间（或捕捉时间），如图11-9 所示。它与保持电容器的充电时间常数、放大器的响应时间和保持电压的变化幅度有关。保持电容CH 或保持电压变化的幅度越大，获得时间也越长。（2）孔径时间：在采样保持器中，模式控制开关有一定的动作时间。从发出保持命令到开关完全断开所经过的时间称为孔径时间。由于孔径时间的存在，使得实际保持电压与希望保持电压之间产生一定误差，这一误差称为孔
13、径误差。孔径误差大小与孔径时间以及模拟信号变化率有关。（3）保持电压的衰减率：在保持期内，由于保持电容器的漏电流以及其他杂散漏电流的存在，使保持电压稍有下降，用衰减率作为其衡量指标。（4）馈送：由于输入端与输出端之间分布电容的作用，在保持模式下输入电压的变化可能引起输出电压的微小变化。图11-9 采样保持器的获得时间第11章 传感器与微机接口技术3常用芯片采样保持器集成芯片分为通用、高速、高分辨率三种类型，下面介绍一种常用的通用型采样器LF398。LF398 是美国国家半导体公司生产的一种廉价采样保持器芯片，也是我国国产总线模块式测控计算机的输入、输出功能模块中使用最多的一种采样保持器。LF3
14、98 结构框图如图11-10 所示。保持电容CH 外接，参考电压端一般接地。当逻辑输入为高电平（脚接地，脚电平高于1.4V）时，LF398 工作于采样模式。当逻辑输入为低电平（脚接地）时，LF398 工作于保持模式，图11-10 中有交直流调零电路。图11-10 LF398 结构框图第11章 传感器与微机接口技术保持电容CH 应选用涤沦电容，以减小电容漏电流。确定CH 的大小应综合考虑各种因素，当CH 减小时，能减小获得时间，但会增加输出电压衰减率。LF398 应能接入直流调零和交流调零环节，典型接线图如图11-11 所示。直流调零方法是先使（R+RP1）上通过的电流为0.6mA 左右，当Ui
15、=0时调节RP1 滑动点，Uo=0 交流调节（即保持阶跃调零）利用RP1，调节此电位器滑动点，使在5V 逻辑信号作用下（CH=0.01 F），保持信号阶跃小于2.5mV（允许最大值）。图11-11 典型接线图 第11章 传感器与微机接口技术LF398 的主要技术特点：（1）电源电压范围为5 18V；（2）逻辑输入电平与TTL，CMOS兼容；（3）输出电压下降率5mV/min（CH=1 F）；（4）孔径时间为（150 200）ns；（5）馈送衰减比为90dB（输入信号频率1kHz，CH=0.01 F）；（6）电源电压抑制比为110dB（Uo=0 时）。在采样保持器的实际使用中，还应注意印制电路板
16、布线，力求减小保持电容器与逻辑信号或输入信号之间的寄生电容，减小信号的漏电影响。第11章 传感器与微机接口技术11.3 A/D 转换接口 通常所说的A/D 转换器是指将模拟信号进行量化、编码，转换为n 位二进制数字量信号的集成电路。实际上，量化、编码是在转换过程中同时完成的，并无明显界线。根据A/D 转换原理和特点的不同，可把它分成两大类：直接A/D 转换（直接ADC）和间接A/D 转换（间接ADC）。直接ADC 是将模拟电压直接转换成数字代码，较常用的有逐次逼近式ADC、计数式ADC 和并行转换式ADC 等。间接ADC 是将模拟电压先变成中间变量，如脉冲周期T、脉冲频率f、脉冲宽度 等，再将
17、中间变量变成数字代码，较常见的有单积分式、双积分式ADC，U/F 转换式ADC 等。上述各种ADC 各有优点，以计数式ADC 最简单，但转换速度慢。并行转换式ADC 速度最快，但成本最高。逐次逼近式ADC 转换速度和精度都比较高，且比较简单，价格不高，所以在微型机应用系统中最常用。积分式特别是双积分式ADC 转换精度高，抗干扰能力强，但转换速度慢，一般应用在要求精度高而速度不高的场合，例如测量仪表等。U/F 转换式ADC 在转换线性度、精度、抗干扰能力和积分输入特性等方面有独特的优点，且接口简单，占用计算机资源少，缺点也是转换速度低，目前在一些输出信号动态范围较大或传输距离较远的低速模拟输入通
18、道中，获得了越来越多的应用。第11章 传感器与微机接口技术11.3.1 逐次逼近式ADC 的工作原理 逐次逼近式ADC 工作原理的基本特点是：二分搜索，反馈比较，逐次逼近。它的基本原理与生活中的天平称重极为相似。利用一套标准的“电压砝码”，这些“电压砝码”的大小相互间成二进制关系。把这些已知的“电压砝码”由大到小接连与未知的被转换电压相比较，并将比较结果以数字形式送到逻辑控制电路予以鉴别，以便决定“电压砝码”的去留，直至全部“电压砝码”都试过为止。最后，所有留下的“电压砝码”加在一起，便是被转换电压的结果。逐次逼近式ADC 的工作原理可用图11-12 表示。它由电压比较器AV、D/A 转换器、
19、逐次逼近寄存器、控制逻辑和输出缓冲锁存器等部分组成。当出现启动脉冲时，逐次逼近寄存器和输出缓冲器清零，故D/A 转换器输出也为零。当第一个时钟脉冲到来时，寄存器最高位置1，这时D/A 输入为1000，其转换输出电压Uf为其满刻度值的一半。它与输入电压进行比较，若UfUi，则该位的1 被保留，否则被清除。然后寄存器下一位再置1，再比较，决定去留直到最低位完成同一过程，便发出转换结束信号。此时，寄存器从最高位到最低位都试探过一遍的最终值便是A/D 转换器的输出结果。第11章 传感器与微机接口技术图11-12 逐次逼近式ADC 工作原理第11章 传感器与微机接口技术上述工作过程可用图11-13 逐次
20、逼近原理形象地表示出来（以三位ADC 为例）。由图11-13 可见，三位ADC 转换一个数需要4 拍，即4 个时钟脉冲。一般说来，n位ADC 转换一个数需要n+1 个时钟脉冲。如果知道时钟脉冲频率，就不难求出这种转换器的转换时间。要说明的是，若把将转换结果送入输出缓冲锁存器的这个节拍也算在内，则需要n+2 个时钟脉冲。图11-13 逐次逼近原理第11章 传感器与微机接口技术11.3.2 ADC 的性能参数 ADC 最主要的性能参数有四项：分辨率、转换精度、转换时间和温度系数。1 分辨率分辨率是ADC 对输入模拟电压微小变化响应能力的度量。对于ADC 来说，它是数字输出的最小有效单位（LSB）所
21、对应的模拟输入电压值或者是相邻两个量化电平的间隔，即量化当量q=Ufs，Ufs是输入电压的满刻度值，n是A/D 转换器的位数。例如，10位转换器的分辨率为满刻度值的1/1024，若Ufs=10V，则分辨率为 由于分辨率与A/D 转换器输出的二进制位数或BCD 码位数n有直接关系，所以习惯上也常以位数来表示。第11章 传感器与微机接口技术2 转换精度转换精度是指实际A/D 转换器与理想A/D 转换器的接近程度，通常用误差来表示。（1）绝对精度：是指对于一个给定的数字量输出，其实际上输入的模拟电压值与理论上应输入的模拟电压值之差。如理论上应输入5V 电压才能转换成数字量800H，但实际上输入4.9
22、97V 4.999V 都将转换成数字量800H，因此绝对误差应是(4.997+4.999)/2-5=-2（mV）（2）相对精度：是指在整个转换范围内，任一个数所对应的实际模拟输入电压与理论模拟输入电压的差。相对精度也称线性度，线性度曲线如图11-14 所示，它与传感器的线性度相同。图11-14 线性度曲线 第11章 传感器与微机接口技术图11-15 给出了3 位A/D 转换器的理想转换曲线，它是一个匀称的阶梯函数。除0V 之外，有7 个量化电平，它们的间隔都是一个最小有效单位1LSB。图11-15 3 位A/D 理想转换曲线ADC 的转换误差来源于两个方面：数字误差和模拟误差。数字误差基本上就是量化误差，主要由分辨率决定，即由ADC 的位数决定，是一种原理性误差，只能减小，无法消除。模拟误差又称为设备误差。量化引起的原理性误差可以通过增多位数来减小，但当量化误差减小到一定程度时，转换器精度主要由设备引起的模拟误差所决定。到了这时，再增加位数，减小量化误差，对于提高精度已没有意义了，反而只会增加电路的复杂性和延长完成转换的时间。