第3章 智能儀器的輸入輸出通道

1、第第3 3章章 智能儀器的智能儀器的輸入輸出通道輸入輸出通道第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道主要內(nèi)容主要內(nèi)容 信號輸入輸出通道是智能儀器的重要組成部信號輸入輸出通道是智能儀器的重要組成部分，本章闡述模擬量輸入輸出通道功能部件分，本章闡述模擬量輸入輸出通道功能部件（測量放大器、（測量放大器、ADCADC、DACDAC、S/HS/H、MUXMUX等）等）的結(jié)構(gòu)、性能及其與微機(jī)的接口原理；的結(jié)構(gòu)、性能及其與微機(jī)的接口原理； 集成集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及高速數(shù)據(jù)緩存技術(shù)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及高速數(shù)據(jù)緩存技術(shù)； 開關(guān)量開關(guān)量輸入輸出通道信號調(diào)理及開關(guān)量輸出信號的輸入輸出通道信號調(diào)理及開關(guān)量輸

2、出信號的驅(qū)動(dòng)方法。驅(qū)動(dòng)方法。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.1模擬量輸入通道模擬量輸入通道 工程中的被測量多數(shù)為由傳感器轉(zhuǎn)換的模工程中的被測量多數(shù)為由傳感器轉(zhuǎn)換的模擬量，而智能儀器中微處理器處理的是數(shù)字?jǐn)M量，而智能儀器中微處理器處理的是數(shù)字量，因此，應(yīng)把被測模擬信號經(jīng)過放大、濾量，因此，應(yīng)把被測模擬信號經(jīng)過放大、濾波、采樣波、采樣/保持、保持、A/D轉(zhuǎn)換之后，輸入微處理轉(zhuǎn)換之后，輸入微處理器進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)這些功能的電路稱為模擬器進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)這些功能的電路稱為模擬量輸入通道。量輸入通道。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.1.1模擬量輸入通道

3、的結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu) 模擬量輸入通道有多種形式，按照被采集模擬量輸入通道有多種形式，按照被采集信號路數(shù)的不同，分為單通道模擬量輸入通信號路數(shù)的不同，分為單通道模擬量輸入通道和多通道模擬量輸入通道。道和多通道模擬量輸入通道。 單通道模擬量輸入通道的基本結(jié)構(gòu)如圖單通道模擬量輸入通道的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。由信號調(diào)理電路（放大器、濾波器所示。由信號調(diào)理電路（放大器、濾波器等）、采樣等）、采樣/保持器（保持器（S/H）及）及A/D轉(zhuǎn)換器等組轉(zhuǎn)換器等組成。成。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-1 單通道模擬量輸入通道單通道模擬量輸入通道第第3章章 智能儀器的輸入輸出

4、通道智能儀器的輸入輸出通道 多通道模擬量輸入通道按照對多路信多通道模擬量輸入通道按照對多路信號采集的同步性及速度的不同，分為多號采集的同步性及速度的不同，分為多通道一般型，多通道同步型，多通道并通道一般型，多通道同步型，多通道并行，如圖行，如圖3-2所示。所示。圖圖3-2(a) 多通道一般型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道一般型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-2(b) 多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-2 多通道模擬量輸入通道多通道模擬量輸入通道圖圖3-2(c) 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

5、多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 多通道一般型結(jié)構(gòu)它的優(yōu)點(diǎn)是多路信號多通道一般型結(jié)構(gòu)它的優(yōu)點(diǎn)是多路信號共用一個(gè)共用一個(gè)S/H和和ADC電路，電路結(jié)構(gòu)簡單、電路，電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低。成本低。 缺點(diǎn)是由于多路信號是分時(shí)進(jìn)行采集和缺點(diǎn)是由于多路信號是分時(shí)進(jìn)行采集和A/D轉(zhuǎn)換的，因此，采集速度低。對于要求轉(zhuǎn)換的，因此，采集速度低。對于要求多路信號嚴(yán)格同步采集的系統(tǒng)是不適用的。多路信號嚴(yán)格同步采集的系統(tǒng)是不適用的。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 多通道同步型結(jié)構(gòu)中，由于各通道有多通道同步型結(jié)構(gòu)中，由于各通道有獨(dú)立的獨(dú)立的S/H電路

6、，因此，可以實(shí)現(xiàn)同步采電路，因此，可以實(shí)現(xiàn)同步采集分時(shí)集分時(shí)A/D轉(zhuǎn)換。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是由于多路信號的多路信號的A/D轉(zhuǎn)換仍然是分時(shí)進(jìn)行的，轉(zhuǎn)換仍然是分時(shí)進(jìn)行的，工作速度仍然較低。工作速度仍然較低。 多通道并行結(jié)構(gòu)中，每一通道有獨(dú)立多通道并行結(jié)構(gòu)中，每一通道有獨(dú)立的的S/H、ADC電路，可以實(shí)現(xiàn)同步采集和電路，可以實(shí)現(xiàn)同步采集和高速采集。高速采集。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 模擬量輸入通道的放大器、濾波器、多路模擬量輸入通道的放大器、濾波器、多路模擬開關(guān)、模擬開關(guān)、S/H、ADC，在實(shí)際系統(tǒng)中并非，在實(shí)際系統(tǒng)中并非都需要。例如，如果輸入信

7、號電平較高，就都需要。例如，如果輸入信號電平較高，就可以省去放大器；可以省去放大器； 如果輸入信號的變化速率如果輸入信號的變化速率比比ADC轉(zhuǎn)換速率低得多，就不必使用轉(zhuǎn)換速率低得多，就不必使用S/H。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.23.2測量放大器與程控增益放大器測量放大器與程控增益放大器 智能儀器對物理量進(jìn)行測量時(shí)，首先需要將智能儀器對物理量進(jìn)行測量時(shí)，首先需要將物理量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號。一般傳感物理量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號。一般傳感器輸出信號很微弱，不能直接進(jìn)行器輸出信號很微弱，不能直接進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過放大器放大到需要經(jīng)過放大器放大到A

8、/DA/D轉(zhuǎn)換器要求的幅轉(zhuǎn)換器要求的幅度。由于通用運(yùn)算放大器一般都具有毫伏級度。由于通用運(yùn)算放大器一般都具有毫伏級的失調(diào)電壓及數(shù)微伏的失調(diào)電壓及數(shù)微伏/的溫度漂移，因此，的溫度漂移，因此，它不能用于對微弱信號的放大。它不能用于對微弱信號的放大。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 特別是當(dāng)傳感器工作環(huán)境較惡劣時(shí)，其特別是當(dāng)傳感器工作環(huán)境較惡劣時(shí)，其輸出兩條線上經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生較大的干擾信輸出兩條線上經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生較大的干擾信號，有時(shí)是完全相同的干擾，即共模干號，有時(shí)是完全相同的干擾，即共模干擾，而通用運(yùn)算放大器抑制共模干擾能擾，而通用運(yùn)算放大器抑制共模干擾能力有限，在這種情況下很難滿

9、足要求。力有限，在這種情況下很難滿足要求。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.2.13.2.1測量放大器原理測量放大器原理 測量放大器又稱儀用放大器，是一種具有精測量放大器又稱儀用放大器，是一種具有精密差動(dòng)電壓增益的器件。由于其具有高共模密差動(dòng)電壓增益的器件。由于其具有高共模抑制比、高穩(wěn)定增益、高輸入阻抗、低輸出抑制比、高穩(wěn)定增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低溫漂、低失調(diào)電壓等優(yōu)點(diǎn)，因此，阻抗、低溫漂、低失調(diào)電壓等優(yōu)點(diǎn)，因此，非常適合于對微弱信號的放大，以及有較大非常適合于對微弱信號的放大，以及有較大共模干擾的場合。共模干擾的場合。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀

10、器的輸入輸出通道 測量放大器的原理電路如圖測量放大器的原理電路如圖3-13-1所示，所示，它是一個(gè)由三個(gè)放大器組成的兩級電路，它是一個(gè)由三個(gè)放大器組成的兩級電路，第一級由兩個(gè)對稱的同相放大器組成，第一級由兩個(gè)對稱的同相放大器組成，第二級為差動(dòng)放大器。為了提高電路的第二級為差動(dòng)放大器。為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，電抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，電路采用上、下對稱結(jié)構(gòu)，即取路采用上、下對稱結(jié)構(gòu)，即取R R1 1=R=R2 2、R R3 3=R=R4 4、R R5 5=R=R6 6。電路閉環(huán)增益分析，有。電路閉環(huán)增益分析，有第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道

11、圖3-1 測量放大器原理電路第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道Uo1=Ui1+IgR1 （3-1）Uo2=Ui2-IgR2 （3-2） （3-3）由上述3式得g2i1 igRUUI第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （3-4） （3-5） （3-6） （3-7）2i1 io2o1UUUUg1gg212i1 i2o1ou1RR21RRRRUUUUA655oo2o14633RRRUU 1UR +RRR（）35o12oRRUU）（352o1oou2RRUUUA第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道電路總增益電路總增益 （3-8）v 顯然改

12、變顯然改變R g的值，可以改變的值，可以改變Au的大的大小在集成測量放大器中，小在集成測量放大器中，R g為外接電阻。為外接電阻。35g1u21uuRR)R2R(1AAA第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.2.23.2.2測量放大器的使用測量放大器的使用1. 1. 差動(dòng)輸入端的連接方法差動(dòng)輸入端的連接方法 測量放大器不論是三運(yùn)放結(jié)構(gòu)還是單片集成電測量放大器不論是三運(yùn)放結(jié)構(gòu)還是單片集成電路，它的兩個(gè)輸入端都是有偏置電流的，使用時(shí)要路，它的兩個(gè)輸入端都是有偏置電流的，使用時(shí)要注意為偏置電流提供回路。如果沒有回路，則這些注意為偏置電流提供回路。如果沒有回路，則這些電流將對分布

13、電容充電，造成輸出電壓不可控制的電流將對分布電容充電，造成輸出電壓不可控制的漂移或飽和。因此，對于浮置的信號源，如變壓器漂移或飽和。因此，對于浮置的信號源，如變壓器耦合、熱電偶以及交流電容耦合信號源，必須對測耦合、熱電偶以及交流電容耦合信號源，必須對測量放大器每個(gè)輸入端構(gòu)成到電源地的直流通路，連量放大器每個(gè)輸入端構(gòu)成到電源地的直流通路，連接方法如圖接方法如圖3-2所示。所示。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-2 測量放大器輸入端連接方法第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道2. 增加防護(hù)端增加防護(hù)端 在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止空間電磁干擾，在實(shí)際應(yīng)用中

14、，為了防止空間電磁干擾，信號源往往通過電纜與測量放大器連接。如信號源往往通過電纜與測量放大器連接。如果電纜的屏蔽層接地，則對交流共模干擾果電纜的屏蔽層接地，則對交流共模干擾U cm就不能有效地抑制。因?yàn)殡娎|的信號傳輸就不能有效地抑制。因?yàn)殡娎|的信號傳輸線與屏蔽層之間存在分布電容線與屏蔽層之間存在分布電容C1、C2，如圖，如圖3-3所示。分布電容所示。分布電容C1、C2與傳輸線電阻與傳輸線電阻Ri1、Ri2分別構(gòu)成的兩個(gè)低通濾波器的時(shí)間常數(shù)分別構(gòu)成的兩個(gè)低通濾波器的時(shí)間常數(shù)Ri1C1、Ri2C2不可能完全相等。不可能完全相等。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 這樣就使共模

15、信號通過兩低通濾波器后這樣就使共模信號通過兩低通濾波器后產(chǎn)生不同的衰減，使共模干擾變成差模干產(chǎn)生不同的衰減，使共模干擾變成差模干擾，進(jìn)而產(chǎn)生測量誤差。為此，在測量放擾，進(jìn)而產(chǎn)生測量誤差。為此，在測量放大器中增加兩個(gè)等值電阻大器中增加兩個(gè)等值電阻R R7 7，如圖，如圖3-43-4所所示，并將兩個(gè)示，并將兩個(gè)R R7 7的中點(diǎn)引出，稱為防護(hù)端，的中點(diǎn)引出，稱為防護(hù)端，經(jīng)過跟隨器后接至電纜的屏蔽層。由于經(jīng)過跟隨器后接至電纜的屏蔽層。由于U U0101=U=U0202=U=U cm cm，因此防護(hù)端的電位為共，因此防護(hù)端的電位為共模電壓模電壓U U cm cm，屏蔽層的電位也就為，屏蔽層的電位也就為

16、U U cmcm，這樣這樣C C1 1、C C2 2上沒有共模電壓降，有效地清上沒有共模電壓降，有效地清除了它們對共模干擾的影響。除了它們對共模干擾的影響。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-3 3-3 電纜屏蔽層接地的影響電纜屏蔽層接地的影響第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-4 3-4 抑制交流共模干擾方法示意圖抑制交流共模干擾方法示意圖第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3. 增加敏感端增加敏感端S，參考端，參考端R 測量放大器通常設(shè)有敏感（測量放大器通常設(shè)有敏感（sense）端和）端和參考（參考（referen

17、ce）端，一般情況下，）端，一般情況下，R端接電端接電源地，源地，S端接輸出端，如圖端接輸出端，如圖3-4所示。在測量所示。在測量放大器接遠(yuǎn)距離負(fù)載時(shí)，由于輸出端與負(fù)載放大器接遠(yuǎn)距離負(fù)載時(shí)，由于輸出端與負(fù)載連線上會(huì)產(chǎn)生明顯的壓降，導(dǎo)致負(fù)載上的壓連線上會(huì)產(chǎn)生明顯的壓降，導(dǎo)致負(fù)載上的壓降減少，如果將降減少，如果將S端與負(fù)載端相連，可以消除端與負(fù)載端相連，可以消除這一影響。這一影響。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 在后接跟隨器時(shí)，也要將在后接跟隨器時(shí)，也要將S S端與負(fù)載端端與負(fù)載端相連，以減少跟隨器漂移的影響，如圖相連，以減少跟隨器漂移的影響，如圖3-53-5所示。所示。

18、R R端用于對輸出電平進(jìn)行偏移，端用于對輸出電平進(jìn)行偏移，產(chǎn)生偏移的參考電壓產(chǎn)生偏移的參考電壓V V r r應(yīng)經(jīng)跟隨器接到應(yīng)經(jīng)跟隨器接到R R端，以隔離參考源內(nèi)阻，防止其破壞測端，以隔離參考源內(nèi)阻，防止其破壞測量放大器末級電阻的上、下對稱性而導(dǎo)量放大器末級電阻的上、下對稱性而導(dǎo)致共模抑制比降低。致共模抑制比降低。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-5 3-5 敏感端及參考端的連接方法敏感端及參考端的連接方法第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.2.3程控增益放大器程控增益放大器 在智能儀器中輸入信號的變化幅度在不同的場在智能儀器中輸入信號的變化

19、幅度在不同的場合可能有不同的值，可以從微伏級到伏級。而合可能有不同的值，可以從微伏級到伏級。而A/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入滿刻度值是確定的，例如）的輸入滿刻度值是確定的，例如5V或或10V，如果直接將被測信號電壓作為，如果直接將被測信號電壓作為ADC的的輸入，就會(huì)造成輸入，就會(huì)造成ADC的精度沒有充分利用，或造成的精度沒有充分利用，或造成被測信號銷頂，出現(xiàn)較大的測量誤差。因此，必須被測信號銷頂，出現(xiàn)較大的測量誤差。因此，必須根據(jù)被測信號的幅度改變放大器的增益，使放大器根據(jù)被測信號的幅度改變放大器的增益，使放大器的輸出與的輸出與ADC輸入滿刻度值相匹配。智能儀器中通輸入滿刻度值相匹配。智

20、能儀器中通常使用程控增益放大器（常使用程控增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）實(shí)現(xiàn)這一功能。）實(shí)現(xiàn)這一功能。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道1. 1.基本程控增益放大器基本程控增益放大器 基本程控增益放大器由運(yùn)放及模擬開關(guān)控基本程控增益放大器由運(yùn)放及模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成，模擬開關(guān)的地址由硬件制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成，模擬開關(guān)的地址由硬件電路或微機(jī)控制。基本程控增益放大器分為電路或微機(jī)控制?；境炭卦鲆娣糯笃鞣譃榉聪喑炭卦鲆娣糯笃骱屯喑炭卦鲆娣糯笃鳌７聪喑炭卦鲆娣糯笃骱屯喑炭卦鲆娣糯笃?。圖圖3-9所示的是一個(gè)反相程控增益放大器實(shí)例

21、所示的是一個(gè)反相程控增益放大器實(shí)例電路，模擬開關(guān)為一個(gè)選模擬開關(guān)電路，模擬開關(guān)為一個(gè)選模擬開關(guān)CD4051。CD4051某一路（如第某一路（如第j路，路，j=0，1，7）接通時(shí)電路增益為）接通時(shí)電路增益為 jOji1G RUUR第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-9 反向程控增益放大器第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 電路的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，輸入電阻不隨電路的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，輸入電阻不隨增益的變化而變化。缺點(diǎn)是模擬開關(guān)的增益的變化而變化。缺點(diǎn)是模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻及其漂移會(huì)影響增益的精度。導(dǎo)通電阻及其漂移會(huì)影響增益的精度。 上述電路是在運(yùn)放的反饋電

22、路中接入電上述電路是在運(yùn)放的反饋電路中接入電阻網(wǎng)絡(luò)，通過改變反饋電阻值來改變增阻網(wǎng)絡(luò)，通過改變反饋電阻值來改變增益。也可以使反饋支路為固定電阻，而益。也可以使反饋支路為固定電阻，而將輸入電阻將輸入電阻R R1 1改變?yōu)殡娮杈W(wǎng)絡(luò)，同樣可改變?yōu)殡娮杈W(wǎng)絡(luò)，同樣可以得到不同的增益，但這種情況下增益以得到不同的增益，但這種情況下增益表達(dá)式是式（表達(dá)式是式（3-93-9）的倒數(shù)。）的倒數(shù)。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 圖圖3-10所示為同相程控增益放大器的所示為同相程控增益放大器的實(shí)例電路。信號從同相端輸入，電阻網(wǎng)實(shí)例電路。信號從同相端輸入，電阻網(wǎng)絡(luò)接在運(yùn)放反相端與輸出端之間，

23、當(dāng)絡(luò)接在運(yùn)放反相端與輸出端之間，當(dāng)CD4051的的Io端接通時(shí)，電路是一個(gè)跟隨端接通時(shí)，電路是一個(gè)跟隨器，當(dāng)器，當(dāng)CD4051的其他端（如第的其他端（如第j端）接通端）接通時(shí)，電路增益為時(shí)，電路增益為 （3-10） Njkk710iojRRRRUUG第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-10 同相程控增益放大器第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道2.2.應(yīng)用測量放大器實(shí)現(xiàn)的程控增益放大器應(yīng)用測量放大器實(shí)現(xiàn)的程控增益放大器 基本程控增益放大器測量精度較低，對基本程控增益放大器測量精度較低，對于精度要求較高的場合，可以通過多路模擬于精度要求較高的場合，可

24、以通過多路模擬開關(guān)切換測量放大器的增益電阻，實(shí)現(xiàn)增益開關(guān)切換測量放大器的增益電阻，實(shí)現(xiàn)增益的控制。圖的控制。圖3-11是用單片集成測量放大器是用單片集成測量放大器AD521實(shí)現(xiàn)的一種程控增益放大器。由實(shí)現(xiàn)的一種程控增益放大器。由AD521、鎖存器及模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)、鎖存器及模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)等組成。等組成。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-11 應(yīng)用測量放大器實(shí)現(xiàn)的程控增益放大器第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.集成程控增益放大器集成程控增益放大器 目前，市場上已有集成程控增益放大器芯目前，市場上已有集成程控增益放大器芯片提供，如

25、片提供，如AD公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的LH0084芯片。芯片。LH0084的原理電路如圖的原理電路如圖3-12所示，由可變增所示，由可變增益電壓跟隨輸入級（益電壓跟隨輸入級（A1、A2）及差動(dòng)輸出級）及差動(dòng)輸出級（A3）組成。輸入級包括匹配的高速場效應(yīng)）組成。輸入級包括匹配的高速場效應(yīng)管（管（FET）運(yùn)放）運(yùn)放A1和和A2、高穩(wěn)定度溫度補(bǔ)償、高穩(wěn)定度溫度補(bǔ)償電阻網(wǎng)絡(luò)及開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成。其中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由電阻網(wǎng)絡(luò)及開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成。其中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由譯碼譯碼驅(qū)動(dòng)器及雙四通道模擬開關(guān)組成。驅(qū)動(dòng)器及雙四通道模擬開關(guān)組成。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-12 LH0084程控放大器原理圖第第

26、3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 對應(yīng)控制數(shù)碼對應(yīng)控制數(shù)碼D1D0的一組取值（如的一組取值（如01），有一組模擬開關(guān)（），有一組模擬開關(guān)（S2、S2）接通，）接通，運(yùn)放運(yùn)放A1、A2有一個(gè)相同的反饋電阻。改有一個(gè)相同的反饋電阻。改變變D1D0的取值，則改變了的取值，則改變了A1、A2的反饋的反饋電阻，使第一級具有不同的增益。該電電阻，使第一級具有不同的增益。該電路還可以通過改變輸出端的接線方法來路還可以通過改變輸出端的接線方法來改變第二級改變第二級A3的增益，當(dāng)輸出端（的增益，當(dāng)輸出端（10腳）腳）分別與分別與6、7、8腳相連，腳相連，13、12、11腳分腳分別接地時(shí)，第二

27、級別接地時(shí)，第二級A3的增益分別為的增益分別為1、4、10。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道LH0084的總增益為的總增益為 增益大小與控制數(shù)碼增益大小與控制數(shù)碼D1D0及輸出級引腳連及輸出級引腳連接的關(guān)系見表接的關(guān)系見表3-1。 )2()1(12)()(12)()(uuoiiiiouAAUUUUUUUUUUA第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3 3.3 多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān) 模擬開關(guān)分為兩類：模擬開關(guān)分為兩類： 第一類是機(jī)械觸點(diǎn)式開關(guān)，第一類是機(jī)械觸點(diǎn)式開關(guān)，包括干簧繼電器、水銀繼電

28、器和機(jī)械振子繼電器。包括干簧繼電器、水銀繼電器和機(jī)械振子繼電器。這類開關(guān)具有接通電阻小這類開關(guān)具有接通電阻小(10150)、斷開電阻大、斷開電阻大(1012)、驅(qū)動(dòng)部分和開關(guān)元件隔開等優(yōu)點(diǎn)，但開關(guān)、驅(qū)動(dòng)部分和開關(guān)元件隔開等優(yōu)點(diǎn)，但開關(guān)速度慢（速度慢（200500次次/s）；）； 第二類是電子式開關(guān)，包第二類是電子式開關(guān)，包括晶體管、場效應(yīng)管、光電耦合元件以及集成電路括晶體管、場效應(yīng)管、光電耦合元件以及集成電路開關(guān)等。這類開關(guān)的特點(diǎn)是速度快、體積小但導(dǎo)通開關(guān)等。這類開關(guān)的特點(diǎn)是速度快、體積小但導(dǎo)通電阻大。電阻大。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 常用的常用的CMOSCMO

29、S多路開關(guān)有：多路開關(guān)有： CD4051CD4051（雙向單（雙向單8 8選選1 1）、）、CD4052CD4052（雙向雙（雙向雙4 4選選1 1）、）、CD4067CD4067（雙向單（雙向單1616選選1 1）、）、AD7501AD7501（單向單選）、（單向單選）、AD7502AD7502（單向雙（單向雙4 4選選1 1）、）、AD7506AD7506（單向單（單向單1616選選1 1）。）。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3.13.3.1模擬多路開關(guān)的功能模擬多路開關(guān)的功能 v 對來自這些傳感器的模擬信號進(jìn)行模數(shù)對來自這些傳感器的模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，常

30、常使用公共的轉(zhuǎn)換時(shí)，常常使用公共的ADC，即采用分時(shí)，即采用分時(shí)方式占用方式占用ADC，也就是利用模擬多路開關(guān)輪，也就是利用模擬多路開關(guān)輪流切換每個(gè)被采集的傳感器信號與流切換每個(gè)被采集的傳感器信號與ADC的通的通路。路。 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3.2 模擬多路開關(guān)的配置模擬多路開關(guān)的配置 v 單端式單端式：此種方式應(yīng)用在所有輸入信號相：此種方式應(yīng)用在所有輸入信號相對于系統(tǒng)模擬公共地測量上，而且信號電平對于系統(tǒng)模擬公共地測量上，而且信號電平顯著大于出現(xiàn)在系統(tǒng)中的共模電壓顯著大于出現(xiàn)在系統(tǒng)中的共模電壓V VCMCM。此。此時(shí)，測量放大器的共模抑制能力尚未發(fā)揮，

31、時(shí)，測量放大器的共模抑制能力尚未發(fā)揮，但系統(tǒng)可以得到最多的通道數(shù)。但系統(tǒng)可以得到最多的通道數(shù)。 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（a） 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道v 模擬多路開關(guān)模擬多路開關(guān)MUXMUX的的差動(dòng)配置差動(dòng)配置 ：此種方式此種方式應(yīng)用在應(yīng)用在n n個(gè)輸入信號有各自獨(dú)立的參考電位，個(gè)輸入信號有各自獨(dú)立的參考電位，或者是應(yīng)用在信號長線傳輸引起嚴(yán)重的共?；蛘呤菓?yīng)用在信號長線傳輸引起嚴(yán)重的共模干擾時(shí)。這種配置可以充分發(fā)揮測量放大器干擾時(shí)。這種配置可以充分發(fā)揮測量放大器共模抑制的能力，用以采集低電平信號，但共模抑制的能力，用以采集低電平信

32、號，但通道數(shù)減半。通道數(shù)減半。 3.3.2 3.3.2 模擬多路開關(guān)的配置模擬多路開關(guān)的配置 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（b） 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道v 模擬多路開關(guān)模擬多路開關(guān)MUX的的偽差動(dòng)配置偽差動(dòng)配置 ：它可：它可保證系統(tǒng)的共模抑制能力，而無需減少一半保證系統(tǒng)的共模抑制能力，而無需減少一半通道數(shù)。這種方式僅適用于所有輸入信號均通道數(shù)。這種方式僅適用于所有輸入信號均參考一個(gè)公共電位的系統(tǒng)，而且各信號源均參考一個(gè)公共電位的系統(tǒng)，而且各信號源均置于同樣的噪聲環(huán)境。置于同樣的噪聲環(huán)境。3.3.2 3.3.2 模擬多路開關(guān)的配置模擬

33、多路開關(guān)的配置 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（c）圖圖3-12 模擬多路開關(guān)的配置模擬多路開關(guān)的配置第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3.3器件實(shí)例器件實(shí)例 v AD7501、AD7503、AD7502為美國為美國AD公司公司CMOS電路，它們有電路，它們有8個(gè)輸入端和個(gè)輸入端和1個(gè)公個(gè)公共輸出端。共輸出端。 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-13 AD7501（AD7503）、）、AD7502的功能框圖的功能框圖第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道表表3-3 通道選擇真值表通道選擇真值表第

34、第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3.3 器件實(shí)例器件實(shí)例 v AD7506是集成是集成CMOS電路電路16通道的模擬通道的模擬多路開關(guān)。多路開關(guān)。AD7507與與AD7506基本相同，但基本相同，但AD7507為雙路為雙路8通道，適于差分輸入的情況。通道，適于差分輸入的情況。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-14 AD7506及及AD7507框圖框圖第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道表表3-4 通道選擇真值表通道選擇真值表第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3.4多級使用多級使用 v 下圖為模

35、擬多路開關(guān)多級使用例子。第下圖為模擬多路開關(guān)多級使用例子。第一級由一級由4個(gè)個(gè)16通道的通道的AMUX16組成，第二級由組成，第二級由1個(gè)個(gè)4通道的通道的AMUX4組成。組成。圖圖3-15 多級使用多級使用 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 圖圖3-15中共有中共有63個(gè)截止通道，若每個(gè)通道的個(gè)截止通道，若每個(gè)通道的CT為為5pF，共計(jì)，共計(jì)635315（pF）。圖）。圖3-16中中AMUX16只有只有16個(gè)通道，其中一個(gè)通道導(dǎo)通，因此個(gè)通道，其中一個(gè)通道導(dǎo)通，因此截止通道對導(dǎo)通通道的電容負(fù)載為截止通道對導(dǎo)通通道的電容負(fù)載為 15575（pF）?？梢姡?。可見兩級多路模擬

36、開關(guān)電路的電容負(fù)載兩級多路模擬開關(guān)電路的電容負(fù)載降低了降低了。這里第二級起一個(gè)緩沖器的作用，負(fù)載電。這里第二級起一個(gè)緩沖器的作用，負(fù)載電容的降低有利于開關(guān)速度的提高。容的降低有利于開關(guān)速度的提高。 (1) 降低了截止通道的負(fù)載影響降低了截止通道的負(fù)載影響 圖圖3-16 單級單級多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān) 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道(2) 提高了開關(guān)速度及效率提高了開關(guān)速度及效率 如圖所示，第一級由開關(guān)速度較低的電路構(gòu)成。第如圖所示，第一級由開關(guān)速度較低的電路構(gòu)成。第二級由開關(guān)速度較高的電路構(gòu)成。設(shè)第一級的相鄰二級由開關(guān)速度較高的電路構(gòu)成。設(shè)第一級的相鄰2個(gè)個(gè)通道的通

37、道的tON及及tOFF是重疊的，是重疊的，tONtOFF2 ，而第二級，而第二級的的tON tOFF 20ns。 ss第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道(2) 提高了開關(guān)速度及效率提高了開關(guān)速度及效率 若若AMUX16組成單級多路通道開關(guān)，組成單級多路通道開關(guān)，tsample=4 ，tdiff=2 ，則，則E=67%。組成兩級多路通道開關(guān)時(shí)，。組成兩級多路通道開關(guān)時(shí)，若若AMUX2的的tdiff=20ns，則，則E=99.5%?？梢?，多級多?？梢?，多級多路通道開關(guān)的效率取決于第二級的效率。路通道開關(guān)的效率取決于第二級的效率。ss多路模擬開關(guān)的效率多路模擬開關(guān)的效率E為：為

38、：samlpediffsampletE100%tt s第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道(3)降低了通道串?dāng)_降低了通道串?dāng)_ s 圖圖3-20給出了圖給出了圖3-17中某一個(gè)截止通道的等中某一個(gè)截止通道的等效電路。效電路。CT1、RDSON1、Rg1、CA1為第一級的等效為第一級的等效參數(shù)；參數(shù)；CT2、RDSON2、CA2為第二級的等效參數(shù)。為第二級的等效參數(shù)。 由于截止通道的輸入信號由于截止通道的輸入信號Vi要經(jīng)過兩級耦合要經(jīng)過兩級耦合電路傳到輸出端，因此比起一級耦合電路通道串電路傳到輸出端，因此比起一級耦合電路通道串?dāng)_要小。擾要小。 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道

39、智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-20 截止通道的等效電路截止通道的等效電路第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道2. 2. 采樣采樣/ /保持（保持（S/HS/H）電路）電路 采樣采樣/ /保持電路的作用是在某個(gè)規(guī)定的時(shí)刻接保持電路的作用是在某個(gè)規(guī)定的時(shí)刻接收輸入電壓并在輸出端保持該電壓值，直至下次收輸入電壓并在輸出端保持該電壓值，直至下次采樣為止。采樣為止。 采樣采樣/ /保持電路的原理圖如圖保持電路的原理圖如圖3-323-32所示。包括所示。包括輸入、輸出緩沖放大器輸入、輸出緩沖放大器A A1 1、A A2 2，保持電容，保持電容C C，模擬，模擬開關(guān)開關(guān)S S，驅(qū)動(dòng)器等。

40、其工作過程為，在采樣階段，驅(qū)動(dòng)器等。其工作過程為，在采樣階段，驅(qū)動(dòng)器使開關(guān)驅(qū)動(dòng)器使開關(guān)S S閉合，保持電容閉合，保持電容C C迅速充電達(dá)到輸迅速充電達(dá)到輸入電壓入電壓V Vi i的幅度，并對的幅度，并對ViVi進(jìn)行跟蹤。在保持階段，進(jìn)行跟蹤。在保持階段，驅(qū)動(dòng)器使開關(guān)驅(qū)動(dòng)器使開關(guān)S S斷開，由于保持電容斷開，由于保持電容C C的漏電流極的漏電流極小，其上的電壓基本保持不變，所以，輸出電壓小，其上的電壓基本保持不變，所以，輸出電壓也保持不變，輸出保持了采樣結(jié)束前的輸入電壓也保持不變，輸出保持了采樣結(jié)束前的輸入電壓幅值。幅值。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-32 采樣/

41、保持電路原理圖第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-33 采樣/保持電路工作波形第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道采樣/保持器的主要性能參數(shù)：（1） 捕獲時(shí)間t AC 捕獲時(shí)間t AC指從采樣命令發(fā)出至輸出電壓按照一定的誤差（捕獲誤差）逼近輸入值所需要的時(shí)間。它與保持電容的電容值、放大器的響應(yīng)時(shí)間及輸入信號的變化幅度等有關(guān)。一般，采樣保持器在0.01%捕獲誤差下的捕獲時(shí)間為30ns15s。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（2） 孔徑時(shí)間t AP 孔徑時(shí)間t AP指從保持命令發(fā)出到開關(guān)S完全斷開的一段時(shí)間，孔徑時(shí)間一般為102

42、0ns。在孔徑時(shí)間內(nèi)輸出仍跟蹤輸入信號的變化。由于孔徑時(shí)間的存在，使保持命令發(fā)出的輸出值與孔徑時(shí)間結(jié)束時(shí)的輸出值產(chǎn)生一個(gè)誤差，稱為孔徑誤差。 如果采樣保持器具有恒定的孔徑時(shí)間，可以采取措施消除其影響，把保持命令比預(yù)定時(shí)刻提前t AP時(shí)間發(fā)出，則電路的實(shí)際輸出值就是預(yù)定時(shí)刻的輸入值。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （3） 孔徑抖動(dòng)時(shí)間t AJ 孔徑抖動(dòng)也稱孔徑不確定度。由于開關(guān)的截止時(shí)間在連續(xù)多次切換時(shí)存在某種漲落現(xiàn)象，以及電路中各種因素的影響，使t AP存在一定的不確定性，這種現(xiàn)象稱為孔徑抖動(dòng)。孔徑抖動(dòng)時(shí)間t AJ等于多次采樣中，孔徑時(shí)間t AP的最大值與最小值之差。

43、t AJ約為2%10%tAP。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（4） 保持建立時(shí)間t HS 保持建立時(shí)間指孔徑時(shí)間之后，輸出按照一定的誤差（保持建立誤差）達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間，一般t HS約為1s左右。為了測量方便，有人把t AP包括在t HS之內(nèi)。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （5） 保持電壓下降率 在保持階段，由于保持電容漏電流及其他雜散漏電流的存在，使保持電壓出現(xiàn)了下降。下降速率為0.11V/s。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （6） 饋通誤差 在保持模式下，由于跨接在開關(guān)兩端的分布電容及其他因素的影響，使輸出隨

44、輸入變化出現(xiàn)微小變化，這種現(xiàn)象稱為饋通，所產(chǎn)生的誤差稱為饋通誤差。 對于一個(gè)單通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，其最小的采樣周期T smin應(yīng)為t AC、t AP、t HS及ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間t C之和。一般t AP很小可以忽略，因此T smin =t AC+t HS+t C （3-15）第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大采集速率為f smax=1/Tsmin（3-16）對于N通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如果多路模擬開關(guān)每次的轉(zhuǎn)換時(shí)間為t max，則其最大采集速率為第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （3-17） 應(yīng)用采樣保持器后，ADC輸入信號的頻率得到

45、提高，分析如下： 為了保證ADC的轉(zhuǎn)換精度（如轉(zhuǎn)換誤差為1/2LSB），在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，輸入信號的變化量不應(yīng)超過1/2LSB，設(shè)輸入信號為正弦信號，即 Vi=V msinit （3-18）)tttt (N1fCHSACmaxsmax第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道則應(yīng)有 （3-19）式中： tC為ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間； VFS為ADC的輸入滿量程值； n為ADC的位數(shù)。將式（3-18）代入式（3-19）得nFSCmaxi2V21t)dtdV(第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （3-20） 若V m=VFS，則 （3-21） 例如ADC0809，n=8，

46、t C=100s，則有fi3.1Hz。 可見，如果不用采樣/保持器，ADC在保證轉(zhuǎn)換精度的條件下，可以直接轉(zhuǎn)換的輸入信號頻率很低。Cm2nFSitV2VfC2nit21f第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 使用采樣保持器后，ADC在保持命令到來后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于在保持模式下，S/H僅在孔徑時(shí)間t AP內(nèi)，輸出仍跟蹤輸入信號變化，因此只要在t AP內(nèi)輸入信號的變化量不超過1/2LSB，就能夠保證ADC的轉(zhuǎn)換精度。所以將式（3-21）中的t C換為t AP，就可以得到輸入信號的最高頻率 （3-22） 由于t APVVR R時(shí)，輸出低電平。時(shí)，輸出低電平。vDSDS1 1DSDS

47、4 4： 多路選通脈沖輸出端。當(dāng)多路選通脈沖輸出端。當(dāng)DSDS1 1DSDS4 4分時(shí)順序輸出正脈沖時(shí)，分時(shí)順序輸出正脈沖時(shí)，Q Q3 3Q Q0 0分時(shí)輸出轉(zhuǎn)換分時(shí)輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的千、百、十、個(gè)位結(jié)果的千、百、十、個(gè)位BCDBCD碼。每個(gè)選通脈碼。每個(gè)選通脈沖的寬度為沖的寬度為1818個(gè)時(shí)鐘周期，相鄰兩個(gè)脈沖的間個(gè)時(shí)鐘周期，相鄰兩個(gè)脈沖的間隔為隔為2 2個(gè)時(shí)鐘周期。個(gè)時(shí)鐘周期。OR第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道vQ Q3 3Q Q0 0： 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。采用轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。采用BCDBCD碼輸出，碼輸出，Q Q0 0為最低位。在為最低位。在DSDS2 2、DSDS3

48、 3、DSDS4 4選通期間分時(shí)輸選通期間分時(shí)輸出三個(gè)完整的出三個(gè)完整的BCDBCD碼，分別代表百位、十位、碼，分別代表百位、十位、個(gè)位的信息，但在個(gè)位的信息，但在DSDS1 1選通期間，輸出端選通期間，輸出端Q Q3 3Q Q0 0除表示千位信息外，還有超欠量程及極性標(biāo)志除表示千位信息外，還有超欠量程及極性標(biāo)志信號，具體規(guī)定為：信號，具體規(guī)定為： Q Q3 3表示千位數(shù)，低表示表示千位數(shù)，低表示千位為千位為1 1，高表示千位為，高表示千位為0 0； Q Q2 2表示被測電壓表示被測電壓的極性，高表示正極性，低表示負(fù)極性；的極性，高表示正極性，低表示負(fù)極性； Q Q0 0為超欠量程標(biāo)志，高表示

49、超或欠量程，其中為超欠量程標(biāo)志，高表示超或欠量程，其中Q Q3 3低時(shí)為超量程，低時(shí)為超量程，Q Q3 3高時(shí)為欠量程。高時(shí)為欠量程。 MC14433MC14433的輸出時(shí)序如下圖所示。的輸出時(shí)序如下圖所示。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 MC14433 MC14433輸出時(shí)序圖輸出時(shí)序圖第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道2. MC144332. MC14433與與80C5180C51單片機(jī)的接口單片機(jī)的接口 MC14433 MC14433與與80C5180C51的接口電路如圖的接口電路如圖3-243-24所所示。轉(zhuǎn)換器的輸出端連至示。轉(zhuǎn)換器的輸

50、出端連至80C5180C51的的P0P0口。轉(zhuǎn)換口。轉(zhuǎn)換器的器的EOCEOC信號反相后，作為中斷請求信號信號反相后，作為中斷請求信號INT1INT1。EOCEOC與與DUDU端相連，使每次轉(zhuǎn)換結(jié)果的端相連，使每次轉(zhuǎn)換結(jié)果的BCDBCD碼按碼按照選通信號照選通信號DSDS1 1DSDS4 4的順序輸出。設(shè)外部中的順序輸出。設(shè)外部中斷為邊沿觸發(fā)方式，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在斷為邊沿觸發(fā)方式，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在20H20H、21H21H中，存儲(chǔ)格式如下：中，存儲(chǔ)格式如下：第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-38 MC144333-38 MC14433與與80C5180C51的接口的接口

51、第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的程序如下：轉(zhuǎn)換的程序如下：主程序：主程序：MAIN: SETB IT1 ；置外部中斷；置外部中斷1為邊沿觸發(fā)方式為邊沿觸發(fā)方式 SETB EA SETB EX1 ；開放；開放CPU中斷，外部中斷中斷，外部中斷1允許允許第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道； 中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序AINT:MOV A，P1 JNB ACC.4，PINT1 ;等待等待DS1選通信號選通信號 JNB ACC.0，PER ;若超、欠量程，轉(zhuǎn)若超、欠量程，轉(zhuǎn)AER JNB ACC.2，PL1 ;若極性為正，轉(zhuǎn)若極性為正，轉(zhuǎn)

52、PL1 SETB 07H ;極性為負(fù)，極性為負(fù)，20H單元單元D7置置1第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 AJMP PL2PL1:CLR 07H ;極性為正，極性為正，20H單元單元D7置置0PL2:JB ACC.3，PL3 ;千位為零轉(zhuǎn)千位為零轉(zhuǎn)PL3 SETB 04H ;千位為千位為1，20H單元單元D4置置1 AJMP PL4PL3:CLR 04H ;千位為千位為0，20H單元單元D4置置0第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道PL4:MOV A，P0 JNB ACC.5，PL4 ;等待等待DS2選通信號選通信號 MOV R0，#20H XCHD

53、 A，R0 ;百位數(shù)送百位數(shù)送20H低四位低四位PL5:MOV A，P1 JNB ACC.6，PL5 ;等待等待DS3選通信號選通信號第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 SWAP A ;高低四位交換高低四位交換 INC R0 MOV R0，A ;十位數(shù)送十位數(shù)送21H的高的高4位位PL6:MOV A，P1 JNB ACC.7，PL6 ;等待等待DS4選通信號選通信號 XCHD A，R0 ;個(gè)位數(shù)送個(gè)位數(shù)送21H的低的低4位位第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 RETI PER:SETB 10H ;置超欠量程標(biāo)志置超欠量程標(biāo)志 RETI第第3章章 智能

54、儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.5.4-3.5.4-型型ADCADC及其與微機(jī)的接口及其與微機(jī)的接口 近年來，近年來，-型型ADCADC以其分辨率高、線以其分辨率高、線性度好、成本低等特點(diǎn)，得到越來越廣泛的性度好、成本低等特點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用，特別是在既有模擬又有數(shù)字信號處理應(yīng)用，特別是在既有模擬又有數(shù)字信號處理場合更是如此。場合更是如此。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道1. -型型ADC的原理的原理 -型型ADC首先以很低的采樣分辨率（首先以很低的采樣分辨率（1位）和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，位）和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，通過使用過采樣

55、、噪聲整形和數(shù)字濾波等方通過使用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率，然后對法增加有效分辨率，然后對A/D轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行采樣抽取處理以降低有效采樣速率，實(shí)進(jìn)行采樣抽取處理以降低有效采樣速率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（1 1） 過采樣過采樣 ADC是一種數(shù)字輸出與模擬輸入成正比是一種數(shù)字輸出與模擬輸入成正比的電路。一個(gè)理想的的電路。一個(gè)理想的ADC，第一位的變遷發(fā)，第一位的變遷發(fā)生在生在1/2LSB的模擬電壓上，以后每隔的模擬電壓上，以后每隔1LSB都都發(fā)生一次變遷，直至距離滿刻度的發(fā)生一次變遷，直至距離滿刻度的 LSB

56、。由于由于ADC模擬量輸入可以是任何值，但數(shù)字模擬量輸入可以是任何值，但數(shù)字量輸出是量化的，所以實(shí)際的模擬輸入與數(shù)量輸出是量化的，所以實(shí)際的模擬輸入與數(shù)字輸出之間存在字輸出之間存在1/2LSB的量化誤差。在交的量化誤差。在交流采樣中，這種量化誤差會(huì)產(chǎn)生量化噪聲。流采樣中，這種量化誤差會(huì)產(chǎn)生量化噪聲。211第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 如果對理想如果對理想ADC加一個(gè)恒定直流電壓，那么加一個(gè)恒定直流電壓，那么多次采樣得到的數(shù)字輸出值總是相同的，而且分多次采樣得到的數(shù)字輸出值總是相同的，而且分辨率受量化誤差的限制。如果在這個(gè)直流信號上辨率受量化誤差的限制。如果在這個(gè)直流

57、信號上疊加一個(gè)交流信號，并用比交流信號頻率高得多疊加一個(gè)交流信號，并用比交流信號頻率高得多的采樣頻率進(jìn)行采樣，得到的數(shù)字輸出值將是變的采樣頻率進(jìn)行采樣，得到的數(shù)字輸出值將是變化的，用這些采樣結(jié)果的平均值表示化的，用這些采樣結(jié)果的平均值表示ADC轉(zhuǎn)換結(jié)轉(zhuǎn)換結(jié)果，能得到比用同樣果，能得到比用同樣ADC高得多的采樣分辨率，高得多的采樣分辨率，這種方法稱作過采樣這種方法稱作過采樣(over sampling)。如果模擬。如果模擬輸入電壓本身就是交流信號，則不必另疊加一個(gè)輸入電壓本身就是交流信號，則不必另疊加一個(gè)交流信號，采用過采樣方法（采樣頻率遠(yuǎn)高于輸交流信號，采用過采樣方法（采樣頻率遠(yuǎn)高于輸入信號頻

58、率）也同樣可提高入信號頻率）也同樣可提高ADC的分辨率。的分辨率。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 由信號采樣理論可知，若輸入信號的由信號采樣理論可知，若輸入信號的最小幅度大于量化器的量化階梯最小幅度大于量化器的量化階梯q，并且，并且輸入信號的幅度隨機(jī)分布，則量化噪聲輸入信號的幅度隨機(jī)分布，則量化噪聲的總功率為一常數(shù)，的總功率為一常數(shù)， ，均勻地分，均勻地分布在布在0fs/2（f s為采樣頻率）的頻帶范圍，為采樣頻率）的頻帶范圍，噪聲功率譜密度為噪聲功率譜密度為 。提高采樣頻。提高采樣頻率率f s，可以降低量化噪聲功率譜密度，提，可以降低量化噪聲功率譜密度，提高了信噪比

59、。圖高了信噪比。圖3-39所示為以所示為以f s及及kf s進(jìn)進(jìn)行采樣時(shí)的量化噪聲分布示意圖。行采樣時(shí)的量化噪聲分布示意圖。1222qqs2Nf6q)f (P第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-39 不同采樣頻率時(shí)的量化噪聲分布不同采樣頻率時(shí)的量化噪聲分布第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 如果采樣量化后接一個(gè)低通濾波器，濾除如果采樣量化后接一個(gè)低通濾波器，濾除基帶外的高頻量化噪聲，則由于采樣頻率提高基帶外的高頻量化噪聲，則由于采樣頻率提高后基帶內(nèi)的量化噪聲功率減小，使得輸出的信后基帶內(nèi)的量化噪聲功率減小，使得輸出的信噪比增加，等效于提高了量化

60、精度或采樣分辨噪比增加，等效于提高了量化精度或采樣分辨率。由信號采樣理論可知，通過普通的過采樣率。由信號采樣理論可知，通過普通的過采樣技術(shù)欲使采樣分辨率提高技術(shù)欲使采樣分辨率提高N位，必須進(jìn)行位，必須進(jìn)行k=22N倍過采樣。由于實(shí)際條件的限制，不能無限制倍過采樣。由于實(shí)際條件的限制，不能無限制地增加采樣頻率。為此，考慮對量化噪聲的頻地增加采樣頻率。為此，考慮對量化噪聲的頻譜進(jìn)行整形，使得大部分噪聲位于譜進(jìn)行整形，使得大部分噪聲位于fs/2至至kfs/2之之間，僅僅一小部分留在直流至間，僅僅一小部分留在直流至f s內(nèi)，過采樣內(nèi)，過采樣-調(diào)制正好能解決這一問題。調(diào)制正好能解決這一問題。第第3章章