模擬輸入通道設(shè)計(jì)(修訂1)

1、模擬輸入通道設(shè)計(jì)成繼勛2008年12月2010年07月技術(shù)要求分析技術(shù)要求分析 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)輸入范圍（測(cè)量范圍）與量程輸入范圍（測(cè)量范圍）與量程最大允許誤差（基本誤差限）最大允許誤差（基本誤差限）分辨率分辨率 動(dòng)態(tài)特性：頻帶寬度，響應(yīng)速度（建立時(shí)間）動(dòng)態(tài)特性：頻帶寬度，響應(yīng)速度（建立時(shí)間） 溫度漂移溫度漂移 時(shí)間漂移（穩(wěn)定性）時(shí)間漂移（穩(wěn)定性） 其它技術(shù)性能其它技術(shù)性能 過范圍保護(hù)過范圍保護(hù) 功耗功耗 可靠性可靠性 可制造性（生產(chǎn)調(diào)試簡(jiǎn)單等）可制造性（生產(chǎn)調(diào)試簡(jiǎn)單等） 性能性能/價(jià)格比價(jià)格比 輸入通道的構(gòu)成輸入通道的構(gòu)成 輸入電路（信號(hào)轉(zhuǎn)換、濾波等）輸入電路（信號(hào)轉(zhuǎn)換、濾波等） 放

2、大器放大器 ADC或或V/F電路電路 隔離電路（可選）隔離電路（可選） 參考電源參考電源 自校準(zhǔn)電路（可選）自校準(zhǔn)電路（可選） 過量程保護(hù)（可和靜電保護(hù)結(jié)合）過量程保護(hù)（可和靜電保護(hù)結(jié)合）輸入通道元器件的選型輸入通道元器件的選型 幾種構(gòu)成方案幾種構(gòu)成方案 模擬開關(guān)（選）模擬開關(guān)（選）+運(yùn)放運(yùn)放+ADC（或（或VFC）+ P+REF 模擬開關(guān)（選）模擬開關(guān)（選）+儀放儀放+ADC（或（或VFC）+ P+REF 模擬開關(guān)（選）模擬開關(guān)（選）+儀放儀放+ P with ADC+REF 信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理ADC（模擬前端）（模擬前端）+ P信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理ADC如如AD77xx、CS1160/80等（帶

3、等（帶自校準(zhǔn)）自校準(zhǔn)） 微轉(zhuǎn)換器微轉(zhuǎn)換器:集成了集成了PGA、ADC、DAC、REF等等如如ADI的的ADuC8xx系列、系列、ADuC7xxx系列、系列、TI的的MSC12xx系列、系列、Silicon Laboratories公公司的司的C8051F0 xx/1xx、C8051F35x等系列。等系列。輸入通道元器件的選型輸入通道元器件的選型 隔離方案隔離方案 脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制+變壓器變壓器 線性光耦線性光耦 隔離放大器隔離放大器 串行串行ADC+光耦或磁耦光耦或磁耦 VFC +光耦或磁耦光耦或磁耦 推薦方案推薦方案 不需隔離時(shí)，采用微轉(zhuǎn)換器方案不需隔離時(shí)，采用微轉(zhuǎn)換器方案 或信號(hào)調(diào)理或信號(hào)

4、調(diào)理ADC（模擬前端）（模擬前端）+ P方案方案 需隔離時(shí)，采用信號(hào)調(diào)理需隔離時(shí)，采用信號(hào)調(diào)理ADC（模擬前端）（模擬前端）+ P方案方案 或模擬開關(guān)（選）或模擬開關(guān)（選）+儀放儀放+ADC（或（或VFC）+ P+REF方案方案 需低功耗時(shí)，可采用信號(hào)調(diào)理需低功耗時(shí)，可采用信號(hào)調(diào)理ADC（模擬前端）（模擬前端）+ 低功耗低功耗 P方案方案* 高集成度可提高抗干擾能力、可靠性等指標(biāo)，要考慮性價(jià)比，高集成度可提高抗干擾能力、可靠性等指標(biāo)，要考慮性價(jià)比，不要光考慮成本不要光考慮成本輸入通道元器件的選型輸入通道元器件的選型 運(yùn)算放大器選型 電源：雙電源，單電源，電源電壓電源：雙電源，單電源，電源電壓

5、雙極性輸入信號(hào)要用雙電源；用單電源時(shí)要采用地電平移動(dòng)措施。 雙電源運(yùn)放使用單電源時(shí)，輸入小信號(hào)時(shí)嚴(yán)重非線性。 失調(diào)電壓失調(diào)電壓Vos，VmV級(jí)，無調(diào)零電路（建議不用）且無軟件調(diào)零時(shí)，要根據(jù)誤差要求來選擇。 輸入偏置電流輸入偏置電流Iib，pAnA級(jí)，輸入端電阻不對(duì)稱，有大的信號(hào)源內(nèi)阻或前面有大的濾波電阻、且無調(diào)零電路或軟件調(diào)零時(shí)，要根據(jù)誤差要求來核算。 失調(diào)電流失調(diào)電流Ios，pAnA級(jí)，有大的信號(hào)源內(nèi)阻或前面有大的濾波電阻、且無調(diào)零電路或軟件調(diào)零時(shí)，要根據(jù)誤差要求來核算。 失調(diào)電壓溫漂失調(diào)電壓溫漂Vos/T，nVV級(jí)/，要根據(jù)儀表的誤差和溫漂要求來選擇。 失調(diào)電流溫漂失調(diào)電流溫漂Ios/T，

6、pA級(jí) / ，一般能滿足要求，但有大的信號(hào)源內(nèi)阻或前面有大的濾波電阻時(shí)要核算。 大信號(hào)電壓增益大信號(hào)電壓增益Avo，2010000V/mV(86140dB)，當(dāng)要求單級(jí)放大器有的電壓放大倍數(shù)時(shí)，要選高增益的，否則非線性增大。輸入通道元器件的選型輸入通道元器件的選型 運(yùn)算放大器選型 CMRR，60130dB，輸入端有高的共模電壓且變化較大時(shí)要注意。 電源電壓抑制比電源電壓抑制比PSRR，60130dB，高精度應(yīng)用時(shí)要核算 增益帶寬積或單位增益帶寬增益帶寬積或單位增益帶寬GBW（GWP），通用運(yùn)放為1 數(shù)十MHz。 輸出電壓擺率輸出電壓擺率SR，通用運(yùn)放為0.3數(shù)十V/S， SR 與GBW相關(guān) 放

7、大交流信號(hào)或快變信號(hào)時(shí)要估算通頻帶。 輸入電阻輸入電阻，數(shù)百K 數(shù)十M(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入型達(dá)1012)，相關(guān)參數(shù)有輸入偏置電流。一般都能滿足需要。前面有大的信號(hào)源內(nèi)阻(包括模擬開關(guān)等)或前面有大的濾波電阻時(shí)注意核算。 電壓噪聲密度，電流噪聲密度電壓噪聲密度，電流噪聲密度。小信號(hào)應(yīng)用時(shí)要考察。 靜態(tài)電流（電源電流），靜態(tài)電流（電源電流），1A幾mA。低功耗應(yīng)用時(shí)注意。 * 小信號(hào)高精度應(yīng)用時(shí)，幾乎所有參數(shù)都要關(guān)注！小信號(hào)高精度應(yīng)用時(shí)，幾乎所有參數(shù)都要關(guān)注！例：例：LM258/358,TL081,LF411,LF442/4,OP07/27, TLE2141/2（高電壓）（高電壓）,AD8603/7

8、/9(低漂低電流低漂低電流)， AD8638/9、 AD8571/2/4（零漂移運(yùn)放）（零漂移運(yùn)放）例例(失調(diào)和溫漂失調(diào)和溫漂)：LM358VosM=7mV；IosM=50nAVos/T=7V/Ios/T=10pA /IibM=500nA設(shè)設(shè)R1+Rs=200K，R2=100K，R3=10K折算到輸入端的最大輸出零點(diǎn)折算到輸入端的最大輸出零點(diǎn)7mV+500nA200K=7mV+10mV=17mV 當(dāng)當(dāng)(R1+Rs)=R2/R3時(shí)，折算到輸入端時(shí)，折算到輸入端的最大輸出零點(diǎn)的最大輸出零點(diǎn)7mV+50nA200K=7mV+1mV=8mV040溫漂溫漂V=7V40+10pA200K40 =28V+2

9、V=30V顯然不適合做顯然不適合做V放大器，如熱電勢(shì)放放大器，如熱電勢(shì)放大器。大器。 VIN R3 R2 R1 C1 VO RS 輸入通道元器件的選型輸入通道元器件的選型 ADC選型選型 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 （有效）分辨率（有效）分辨率 非線性誤差（精度）非線性誤差（精度） 接口類型接口類型 是否內(nèi)部參考電壓是否內(nèi)部參考電壓 電源電壓，電流電源電壓，電流 有放大器的有放大器的ADC有增益倍數(shù)及與運(yùn)放相關(guān)的參數(shù)有增益倍數(shù)及與運(yùn)放相關(guān)的參數(shù)例：例：TLC1514，TLV1504，MAX1240/1,AD7705，AD7714、 AD8638/9 AD7190、ADS1246/7/8等等輸入通道元器件

10、的選型輸入通道元器件的選型 參考電源選型參考電源選型 參考電壓，和輸入電壓相關(guān)，一般參考電壓，和輸入電壓相關(guān)，一般ADC轉(zhuǎn)換的輸入電壓上線等于轉(zhuǎn)換的輸入電壓上線等于參考電壓，應(yīng)留參考電壓，應(yīng)留110%的余量（采用的余量（采用VFC的除外）。的除外）。 降低參考電壓可以提高分辨率，也降低了輸入電壓范圍。放大器降低參考電壓可以提高分辨率，也降低了輸入電壓范圍。放大器增益不夠時(shí)，可適當(dāng)降低參考電壓。但參考電壓太低時(shí)，噪聲影增益不夠時(shí)，可適當(dāng)降低參考電壓。但參考電壓太低時(shí)，噪聲影響增大（數(shù)據(jù)不穩(wěn)，濾波會(huì)有所改善）響增大（數(shù)據(jù)不穩(wěn)，濾波會(huì)有所改善） 精度（容差），精度（容差），0.03%2% 需要外部標(biāo)

11、定（校準(zhǔn)）的儀表不必考慮；無外部標(biāo)定的儀表按精需要外部標(biāo)定（校準(zhǔn)）的儀表不必考慮；無外部標(biāo)定的儀表按精度要求考慮。度要求考慮。 溫漂（和時(shí)漂），溫漂（和時(shí)漂），1150ppm/。應(yīng)滿足儀表的溫度影響系數(shù)的。應(yīng)滿足儀表的溫度影響系數(shù)的要求。要求。 靜態(tài)電流靜態(tài)電流 負(fù)載能力（負(fù)載調(diào)整率），是否有灌電流能力負(fù)載能力（負(fù)載調(diào)整率），是否有灌電流能力 不隔離輸入的測(cè)溫電橋可采用橋壓（普通穩(wěn)壓電源）分壓后做參不隔離輸入的測(cè)溫電橋可采用橋壓（普通穩(wěn)壓電源）分壓后做參考源（可相互補(bǔ)償）考源（可相互補(bǔ)償）例：例：LM285/385,MC1403(A),MC1404,REF32xx,ADR5041,ADR03,

12、AD780,LM399等等模擬開關(guān)的選型模擬開關(guān)的選型 通道結(jié)構(gòu)：通道結(jié)構(gòu)：SPST，SPDT，DPDT，4選選1，8選選1等等 電源電壓范圍電源電壓范圍 通態(tài)電阻：數(shù)通態(tài)電阻：數(shù)1K 漏電流，通道隔離度漏電流，通道隔離度 頻率響應(yīng)（開關(guān)時(shí)間），低頻應(yīng)用時(shí)不必考慮頻率響應(yīng)（開關(guān)時(shí)間），低頻應(yīng)用時(shí)不必考慮 是否靜電保護(hù)（輸入保護(hù)）是否靜電保護(hù)（輸入保護(hù)） 例：例：CD4051/2/3,M74HC4051/2/3,DG301307,MAX4051/2/3,MAX45xx注意：通道輸入電壓超過電源電壓注意：通道輸入電壓超過電源電壓0.5V（+或或-）時(shí)，通道之）時(shí)，通道之間漏電增大，超過間漏電增大，

13、超過0.7V即可能永久損壞。單電源供電時(shí)不即可能永久損壞。單電源供電時(shí)不能輸入雙向信號(hào)。能輸入雙向信號(hào)。 使用使用CD4051/2/3,M74HC4051/2/3,DG301307 等系等系列必須加輸入嵌位二極管。列必須加輸入嵌位二極管。MAX4051/2/3,MAX45xx 等有等有內(nèi)部嵌位。內(nèi)部嵌位。 不平衡電橋不平衡電橋 采用不平衡電橋的目的采用不平衡電橋的目的 平衡（抵消）輸入?yún)?shù)的不變分量以提高分辨率平衡（抵消）輸入?yún)?shù)的不變分量以提高分辨率 例：測(cè)溫電橋，例：測(cè)溫電橋，Pt100從從0100的電阻值為的電阻值為100138.5,用用10位位ADC， 不用電橋時(shí)：不用電橋時(shí)：0.13

14、5/LSB(0.35 /LSB); 用電橋時(shí)用電橋時(shí): 0.0376/LSB(0.096 /LSB) 改變輸入信號(hào)的零點(diǎn)改變輸入信號(hào)的零點(diǎn) 引入?yún)⒈仍a(bǔ)償測(cè)量電源電壓以及環(huán)境因素（溫度、引入?yún)⒈仍a(bǔ)償測(cè)量電源電壓以及環(huán)境因素（溫度、濕度、成分、風(fēng)速等）變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響）濕度、成分、風(fēng)速等）變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響） 例：應(yīng)變電橋、載體催化元件、光敏二極管、紅外吸例：應(yīng)變電橋、載體催化元件、光敏二極管、紅外吸收式成分分析儀器收式成分分析儀器 非線性補(bǔ)償（差動(dòng)電橋）非線性補(bǔ)償（差動(dòng)電橋） 例：應(yīng)變電橋例：應(yīng)變電橋不平衡電橋的工作特性不平衡電橋的工作特性1 單臂電橋：具有單臂電橋：具有1個(gè)測(cè)量元

15、件的電橋個(gè)測(cè)量元件的電橋 設(shè)設(shè)R1為輸入元件為輸入元件R1R1+R 注意，這里可以注意，這里可以1.1 電橋靈敏度電橋靈敏度 R1 E R2 R4 R3 UO ) 1 (114331211433211ERRRERRRRRRERRRRRRRRUo)2(11) 1 (433121成為為橋臂比，令CoCVEDUVERRRDRRRR，也可以不相等2143RRRR)4()11)(1 ()1 (0)3()11)(1 ()1 (202DDEDDEKDDDEDDEddUKO時(shí)，初始靈敏度令EKRRDdDdKo41, 10max210此時(shí)即度條件為，可求得最大初始靈敏令)5(11COlVEDU)6(1DUUUO

16、lOOll1.2 非線性非線性 當(dāng)（當(dāng)（2）式中分母）式中分母為為0時(shí)，輸出時(shí)，輸出-輸入為線性關(guān)系輸入為線性關(guān)系由（由（2）和（）和（5）式去掉不變分量）式去掉不變分量Vc，得，得 OlOUU和定義非線性系數(shù)定義非線性系數(shù)1.3 單臂電橋非線性的改善單臂電橋非線性的改善 1) 增大橋臂比增大橋臂比D（為保證一定的靈敏度，可能要提高橋壓）（為保證一定的靈敏度，可能要提高橋壓） 2）恒流源供電（要考慮恒流源本身的誤差）恒流源供電（要考慮恒流源本身的誤差） 事實(shí)上，恒流源供電時(shí)，完全線性事實(shí)上，恒流源供電時(shí)，完全線性UO=IR1 ，完全線性，完全線性3）有處理器的儀表用折線法查表補(bǔ)償）有處理器的儀

17、表用折線法查表補(bǔ)償4）解析線性化方法）解析線性化方法 解傳輸方程解傳輸方程xOCxxORUVERRRU求得由22 差動(dòng)電橋差動(dòng)電橋 被測(cè)元件處于相鄰兩臂，且其被測(cè)參數(shù)變化大小相等、方向相反的電橋。被測(cè)元件處于相鄰兩臂，且其被測(cè)參數(shù)變化大小相等、方向相反的電橋。 半差動(dòng)電橋：兩個(gè)被測(cè)元件臂半差動(dòng)電橋：兩個(gè)被測(cè)元件臂 全差動(dòng)電橋：全差動(dòng)電橋：4個(gè)被測(cè)元件臂個(gè)被測(cè)元件臂 2.1 半差動(dòng)電橋的工作特性半差動(dòng)電橋的工作特性DDDRRRRRRRRRREURRRRRRRRRRRRRRRREUOO221111211111342314333321111)11)(1 (2,)7(則設(shè)熱電阻線性化也可用這種方法熱電

18、阻線性化也可用這種方法)11()1 ()10(211)9()11)(1 (2)8()11)(1 (2220max02DUUUEKDDDEKDDDEKOlOOll非線性系數(shù)時(shí)初始靈敏度靈敏度2.1 全差動(dòng)電橋的工作特性全差動(dòng)電橋的工作特性0,43214321443333221111非線性系數(shù)為為常數(shù)即得由EKEUEURRRRRRRRRRRRRRRRRRRREUOOO3 比較比較靈敏度靈敏度非線性非線性單臂電單臂電橋橋半差動(dòng)半差動(dòng)電橋電橋全差動(dòng)全差動(dòng)電橋電橋Dl1DDDEK2)11)(1 (222)1 (DlEK )11)(1 (DDDEK0lEKo41maxEKo21max電橋的三線接法電橋的三線接法 R1 E R3 R4 R2 UO r r r )()11)(1 (1,)()11)(1 (1)()11)(1 (1,)()(33114231443322114433221112423124343342212112433211RRRRDDURRrRRRRRRRRRRDDURdRRdRRdRRdRDDdUDRRRRRRRRdRRdRRRRdRRdRRdUERRRRRRUoOOOO為固定電阻（常數(shù)）、包括接線電阻、這里或者令電