智能儀器原理及應(yīng)用課件

1、主講：陳北辰智能儀器原理及應(yīng)用課程簡(jiǎn)介課程性質(zhì)：考試課課程安排：理論課（32學(xué)時(shí)） 獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課（12學(xué)時(shí)）考核方式：平時(shí)成績(jī)（20%）+期末考試成績(jī)（80%）考試內(nèi)容：以教材及課件中內(nèi)容為主，適當(dāng)增加相關(guān)知識(shí)的考查。第一章 概述 儀器儀表是信息獲取的手段、是認(rèn)識(shí)世界的工具，是一個(gè)系統(tǒng)或裝置。它的最基本作用是延伸擴(kuò)展補(bǔ)充或代替人的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等器官的功能。 智能儀器是微機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，隨著新技術(shù)、新器件應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，智能儀器已經(jīng)成為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的主流。 智能儀器的特征是數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化。甚高溫量熱計(jì)（SETARAM）智能終端第一節(jié) 儀器儀表概述按儀器測(cè)量物

2、理量不同可劃分為如下八種計(jì)量?jī)x器： (1) 幾何量計(jì)量?jī)x器 (2) 熱工量計(jì)量?jī)x器 (3) 機(jī)械量計(jì)量?jī)x器 (4) 時(shí)間頻率計(jì)量?jī)x器 (5) 電磁計(jì)量?jī)x器 (6) 無(wú)線電參數(shù)測(cè)量?jī)x器 (7) 光學(xué)與聲學(xué)參數(shù)測(cè)量?jī)x器 (8) 電離輻射計(jì)量?jī)x器超聲波測(cè)距儀熱敏電阻、熱電偶示波器儀器儀表的發(fā)展過(guò)程1、第一代儀器儀表（模擬式儀器儀表） 磁電式模擬儀器儀表 ：伏特表、安培表、功率表和測(cè)溫表等。 電子式模擬儀器 ：記錄儀、電子示波器、信號(hào)發(fā)生器等。2、第二代儀器儀表（數(shù)字式儀器儀表） 數(shù)字式儀器儀表 ：數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表、數(shù)字頻率計(jì)和記憶示波器等。3、第三代儀器儀表（智能儀器儀表） 內(nèi)含微處理器的第三

3、代儀器儀表，智能儀器儀表。4、第四代儀器儀表（虛擬儀器儀表和網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表）（1）虛擬儀器儀表 這一類儀器是以通過(guò)計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，加上特定的硬件接口設(shè)備和為實(shí)現(xiàn)特定功能而編制的軟件而形成的一種新型儀器。（2）網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表（隨著internet的出現(xiàn)形成的） 虛擬儀器儀表第二節(jié) 智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)智能儀器的細(xì)致分類 （1）聰敏儀器類是以電子、傳感、測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ) （2）初級(jí)智能儀器除應(yīng)用了電子、傳感、測(cè)量技術(shù)外，主要特點(diǎn)是應(yīng)用了計(jì)算機(jī)及信號(hào)處理技術(shù)，更嚴(yán)格些講，應(yīng)包括測(cè)量數(shù)學(xué)。 （3）模型化儀器是在初級(jí)智能儀器基礎(chǔ)上又應(yīng)用了建模技術(shù)和方法，它是以建模的數(shù)學(xué)方法及系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)作為支持的

4、。 （4）高級(jí)智能儀器是智能儀器的最高級(jí)類別。人工智能的應(yīng)用是這類儀器的顯著特征。這類儀器可能是自主測(cè)量?jī)x器(Autonomous Measurement Machine)。 智能儀器的組成微機(jī)內(nèi)嵌式農(nóng)藥殘留毒素快速檢測(cè)儀空氣現(xiàn)場(chǎng)甲醛、氨快速檢測(cè)儀甲醛快速檢測(cè)儀微機(jī)擴(kuò)展式智能儀器的主要特點(diǎn)1測(cè)量過(guò)程的軟件控制 簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，縮小了體積及功耗，提高了可靠性，增加了靈活性，而且使儀器的自動(dòng)化程度更高。這就是人們常說(shuō)的“以軟件代硬件”的效果。 隨著微型計(jì)算機(jī)時(shí)鐘頻率的大幅度提高，與全硬件實(shí)時(shí)控制的差距越來(lái)越小。2數(shù)據(jù)處理 主要體現(xiàn)在誤差剔除、精度補(bǔ)償、函數(shù)運(yùn)算、對(duì)在線信號(hào)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、顯示和分析

5、、數(shù)值濾波、時(shí)域分析、頻域分析。在生物醫(yī)療、語(yǔ)音分析、模式識(shí)別和故障診斷等方面都有廣泛的應(yīng)用。一臺(tái)智能儀器也是信號(hào)分析儀器。3多功能化 智能儀器的測(cè)量過(guò)程、軟件控制及數(shù)據(jù)處理功能一機(jī)多用的多功能化易于實(shí)現(xiàn)，從而多功能化成為這類儀器的又一特點(diǎn)。智能流量計(jì) 體積流量、質(zhì)量流量、密度、打印輸出、歷史記錄、信號(hào)遠(yuǎn)傳、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警、本地控制智能儀器的研制步驟第三節(jié) 推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)一、傳感器技術(shù) 傳感器技術(shù)經(jīng)歷了聾啞傳感器(Dumb Sensor)、智能傳感器(Smart Sensor)、網(wǎng)絡(luò)化傳感器(Networked Sensor)的發(fā)展歷程。二、A/D等新器件的發(fā)展將顯著增強(qiáng)儀器的功能

6、與測(cè) 量范圍 A/D器件不但在向高速發(fā)展，還在向低功耗、高分辨率、高性能的方向發(fā)展。 單片機(jī)和DSP的廣泛應(yīng)用 MCS-51系列單片機(jī)是單片機(jī)的主流機(jī)型，技術(shù)性能及開(kāi)發(fā)手段都較成熟，并且在我國(guó)應(yīng)用較普遍，因而MCS-51系列單片機(jī)在一般的智能儀器設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。 比較常見(jiàn)的單片機(jī)有以下幾種，其它廠家也推出了各自的產(chǎn)品。Intel系列內(nèi)核的單片機(jī)芯片8031、8032、80C31； 基于51內(nèi)核其他單片機(jī) 89C51 (ATMEL)、89C2051 (ATMEL)、C8051FXXX (CYGNAL)；PIC系列單片機(jī)；ARM系列處理器等。單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程1、機(jī)器周期所含振蕩器周期數(shù)的改變

7、2、集成了大容量的片上Flash存儲(chǔ)器，集成密度高并實(shí)現(xiàn)了ISP(在系統(tǒng)燒錄程序)和IAP(在應(yīng)用燒錄程序)。 3、采用了數(shù)字模擬混合集成技術(shù)，將A/D、D/A、鎖相環(huán)以及USB、CAN總線接口等都集成到單片機(jī)中等技術(shù)的應(yīng)用。數(shù)字處理芯片DSP在智能儀器的設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到下列計(jì)算問(wèn)題: a .數(shù)值濾波 b .快速傅立葉變換FFT c .相關(guān) d .卷積分 e .數(shù)字音視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和處理典型產(chǎn)品: TI公司的TMS320（32位處理器）嵌入式系統(tǒng)和片上系統(tǒng)（SOC） 嵌入式系統(tǒng)則是指把微處理器、單片機(jī)(微控制器)、DSP芯片等作為“控制與處理部件”，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中。 SOC的核心思想就是要

8、把整個(gè)應(yīng)用電子系統(tǒng)(除無(wú)法集成的電路)全部集成在一個(gè)芯片中，避免了大量PCB板的設(shè)計(jì)及板級(jí)調(diào)試工作； SOC是以功能IP (Intellectual Property)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)固件和電路綜合技術(shù)。 ASIC、FPGA/CPLD技術(shù)的應(yīng)用ASIC（專用集成電路）Application Specific Integrated Circuits FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）Field Programmable Gates ArrayCPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）Complex Programmable Logic Device專用集成電路ASIC概念：相對(duì)于使用專用芯片如CPU、存儲(chǔ)器、通訊接

9、口、邏輯門電路等去搭建特定系統(tǒng)來(lái)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，采用專用芯片的思想是把待解決的具體問(wèn)題設(shè)計(jì)到芯片級(jí)。根據(jù)任務(wù)的不同對(duì)硬件環(huán) 節(jié)進(jìn)行取舍選擇。設(shè)計(jì)過(guò)程： 提出原理圖 制作晶元 流片條件：要有較大批量；設(shè)計(jì)費(fèi)用逐步降低。LabView等圖形化軟件技術(shù)概念：個(gè)人計(jì)算機(jī)+數(shù)據(jù)采集+軟件=虛擬儀器例如：可以把CRT當(dāng)作儀表顯示窗口,可做示波器、臺(tái)式萬(wàn)用表、心電圖儀、頻譜分析儀、掃描儀、邏輯分析儀等等。網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 智能儀器要上網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制與故障診斷等；構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)，將分散的各種不同測(cè)試設(shè)備掛接在網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源、信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)。 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化

10、測(cè)試系統(tǒng)需考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題： 系統(tǒng)要具有開(kāi)放性和互操作性； 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和時(shí)間的確定性； 系統(tǒng)的成本盡可能低，通用性好； 基本功能單元必須是智能化的，帶有本地微處理 器和存儲(chǔ)器，具有網(wǎng)絡(luò)化接口。第一章 課后習(xí)題1-4 簡(jiǎn)述推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)。1-6 智能儀器有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？對(duì)其作簡(jiǎn)要描述。1-8 為什么說(shuō)嵌入式系統(tǒng)和片上系統(tǒng)（SOC）將智能儀器的設(shè)計(jì)提升到一個(gè)新階段？第二章 數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概念 簡(jiǎn)稱DAS (Data Acquisition System)，是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的裝置。

11、 第一節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作方式通常分為兩種多路模擬輸入通道的類型按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個(gè)還是每路各用一個(gè)分為兩種 集中采集式（集中式） 集中式多路模擬輸入通道的典型結(jié)構(gòu)有分時(shí)采集型和同步采集型按采樣保持電路及A/D轉(zhuǎn)換電路是各路共用還是各路均有劃分 分時(shí)采集型模擬量輸入通道多路信號(hào)共同使用一個(gè)S/H和A/D電路，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了成本。對(duì)信號(hào)的采集產(chǎn)生了時(shí)間偏斜誤差。對(duì)于多數(shù)中速和低速測(cè)試系統(tǒng)。同步采集型模擬量輸入通道各通道有各自的采樣保持器，可消除分時(shí)結(jié)構(gòu)的時(shí)間偏斜誤差， 能滿足同步采集的要求，又比較簡(jiǎn)單。被測(cè)信號(hào)路數(shù)多的情況

12、，同步采得的信號(hào)在保持器中有一些泄漏，使信號(hào)有所衰減，由于各路信號(hào)保持時(shí)間不同，致使各個(gè)保持信號(hào)的衰減量不同，不能獲得真正的同步輸入。 分散采集式（分布式） 分散采集式特點(diǎn) 每一路信號(hào)一般都有一個(gè)SH和AD，因而也不再需要模擬多路切換器MUX。 分散采集工作過(guò)程 每一個(gè)SH和AD只對(duì)本路模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換即數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)按一定順序或隨機(jī)地輸入計(jì)算機(jī)。 分散式采集系統(tǒng)分類 根據(jù)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)的差異可以分為分布式單機(jī)采集系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)式采集系統(tǒng)，如圖2-3a、b所示。 分布式單機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 工作過(guò)程 分布式單機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由單CPU單元實(shí)現(xiàn)無(wú)相差并行數(shù)據(jù)采集控制。特點(diǎn) 實(shí)時(shí)響應(yīng)性好，能

13、夠滿足中、小規(guī)模并行數(shù)據(jù)采集的要求。 在稍大規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件要求較高。 網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 由若干個(gè)“數(shù)據(jù)采集站”和一臺(tái)上位機(jī)及通信線路成組。第二節(jié) 模擬信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理概念： 在傳統(tǒng)的儀器中，信號(hào)調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、小信號(hào)的放大、濾波外，還有諸如零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理(Signal Conditioning)，相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理電路。 典型的信號(hào)調(diào)理電路組成框圖如下圖所示 對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求（選擇傳感器的依據(jù)）具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范

14、圍相一致。轉(zhuǎn)換精度符合整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)(一般應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度的10倍左右)，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機(jī)要求。能滿足被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等。能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求。 傳感器的選用 新型傳感器 大信號(hào)輸出傳感器 為了與AD轉(zhuǎn)換的輸入要求相適應(yīng)，把放大電路與傳感器做成一體，使傳感器能直接輸出0-5V、0-10V或4-20mA的信號(hào)。數(shù)字式傳感器 數(shù)字式傳感器一般是采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)。其他

15、新型傳感器集成傳感器傳感器+信號(hào)調(diào)理電路光纖傳感器無(wú)電磁干擾，避免現(xiàn)場(chǎng)引入干擾運(yùn)用前置放大器的依據(jù) 1、電路內(nèi)部的噪聲源存在 電路在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端仍存在一定幅度波動(dòng)電壓，這就是電路的輸出噪聲。把電路輸出端測(cè)得的噪聲有效值折算為該電路的等效輸入噪聲，即 如輸入信號(hào)的幅度VISVIN，則有用信號(hào)會(huì)為電路等效噪聲所“淹沒(méi)”。所以需要在此電路前對(duì)VIS進(jìn)行有效的放大，使VISVIN，最好VISVIN。注：圖中前置放大器噪聲與后級(jí)電路噪聲不相關(guān)圖中電路總輸出噪聲為： 總輸出噪聲折算到前置放大器輸入端，即總的等效輸入噪聲為A 無(wú)前置放大器，輸入信號(hào)剛好被電路噪聲淹沒(méi)，則有VIS=VINB 加入前置

16、放大器，輸入信號(hào)VIS不再被電路噪聲所淹沒(méi)，即需 要VISVIN，就必須使VIN1，且必須是低噪聲的，即該放大器本身的等效輸入噪聲必須比其后級(jí)電路的等效輸入噪聲低。因此，調(diào)理電路前端電路必須是低噪聲前置放大器。1、RC有源濾波器引入的噪聲 電阻元件是電路噪聲的主要根源，因此RC濾波器產(chǎn)生的電路噪聲比較大。（a）（b） 由于 K1,所以， ，調(diào)理電路中放大器設(shè)置在濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲。信號(hào)調(diào)理通道中的常用放大器(一) 儀用放大器儀用放大器上下對(duì)稱，即圖中R1=R2，R4R6，R5R7。則放大器閉環(huán)增益為：假設(shè)R4=R5，即第二級(jí)運(yùn)算放大器增益為1，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為

17、：由上式可知，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻RG，可以很方便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當(dāng)采用集成儀用放大器時(shí)，RG一般為外接電阻。 實(shí)際設(shè)計(jì)儀用放大電路過(guò)程中，重點(diǎn)考慮以下主要性能指標(biāo)： 1. 非線性度 2. 溫漂 3. 建立時(shí)間 4. 恢復(fù)時(shí)間 5. 電源引起的失調(diào) 6. 共模抑制比 (二) 程控增益放大器反饋電阻網(wǎng)絡(luò) : 通過(guò)改變反饋系數(shù),改變放大器閉環(huán)增益電阻網(wǎng)絡(luò)形式 : T、反T、權(quán)電阻放大器電路設(shè)計(jì) （1）理想放大器理想狀態(tài)下輸入阻抗=輸出阻抗=0開(kāi)環(huán)增益= 無(wú)漂移 無(wú)失調(diào) 虛地 同相放大器 增益： A=Vo/Vi=1+Rf/R1特點(diǎn)： 輸入阻抗較高 放大器增益不小于1 輸入、輸出信號(hào)同極性 反向放

18、大器 增益： A=Vo/Vi=-Rf/R1 Va=Vb=0 I=Vi/R1 Vo=-I*Rf=-Rf*Vi/R1特點(diǎn)： 輸入阻抗較低 放大器增益可小于1（可做衰減器） 輸入、輸出信號(hào)極性相反差動(dòng)放大器增益： A=(V2-V1)*Rf/R1(R1= Rq, Rf = Rf )特點(diǎn)： 對(duì)地懸浮輸入信號(hào)運(yùn)算共模抑制能力強(qiáng) 儀用放大器增益：A=(V2-V1)(1+2R1/Rw)*(Rf/R1)反向器輸出：Vo=-Vi（R1=R2）電壓跟隨器 電壓跟隨器可用做有源阻抗變換,降低信號(hào)在輸入阻抗上的損失作用：提高輸入阻抗 絕對(duì)值電路 對(duì)光電轉(zhuǎn)換類傳感器,經(jīng)常需要把有極性信號(hào)轉(zhuǎn)換成為無(wú)極性的單邊信號(hào) 輸入、出

19、關(guān)系:Vo=|Vi|運(yùn)算放大器主要指標(biāo) 失調(diào)電壓 輸入為0,輸出不為0 的最小值零點(diǎn)漂移 主要是溫漂, v/共模抑制比 CMRR= 20log(Ad/Ac)db功率消耗 毫瓦帶寬 上限頻率Hz非線性度 %開(kāi)環(huán)增益 n(如100)輸入阻抗 M (1) 非線性度。非線性度是指放大器的實(shí)際輸出-輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。在選擇儀用放大器時(shí)，一定要選擇非線性偏差盡量小的儀用放大器。 (2) 溫漂。溫漂是指儀用放大器的輸出電壓隨溫度變化而變化的程度。通常儀用放大器的輸出電壓會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生(1-50)V變化，這與儀用放大器的增益有關(guān)。例如，一個(gè)溫漂為2V的儀用放大器，當(dāng)其增益為1000時(shí)，儀用放

20、大器的輸出電壓產(chǎn)生約20mV的變化。這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于l2位AD轉(zhuǎn)換器在滿量程為10V的8個(gè)LSB值。所以在選擇儀用放大器時(shí)，要根據(jù)所選AD轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)精度盡量選擇溫漂小的儀用放大器。 (3) 建立時(shí)間。建立時(shí)間是指從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間至儀用放大器輸出電壓達(dá)到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時(shí)間。 (4) 恢復(fù)時(shí)間。恢復(fù)時(shí)間是指放大器撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時(shí)間。顯然，放大器的建立時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。 (5) 電源引起的失調(diào)。電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化1，引起放大器的漂移電壓值。儀用放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器，對(duì)于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)

21、則是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。 (6) 共模抑制比。放大器的差模電壓增益與共模電壓增益之比叫共模抑制比。 國(guó)產(chǎn)放大器的共模抑制比在60120dB之間。 運(yùn)算放大器供電方法 雙電源對(duì)稱供電 5V 15V 雙電源非對(duì)稱供電 單電源供電: V=5-30V 運(yùn)算放大器種類和常用芯片 （1）放大器數(shù)量分: 單運(yùn)放、 雙運(yùn)放、 4運(yùn)放 例如： A741 LM358 LM324（2）按功能特點(diǎn)分: 普通運(yùn)放如: a741、LM351、LM324 低飄移運(yùn)放：OP07、OP37、AD111 儀用放大器：AD620、AD623、INA111 斬波自穩(wěn)零運(yùn)放：AD7650 音頻放大器：AD386、LM282

22、2 視頻放大器：AD818 集成放大器：AD521使用放大器需注意問(wèn)題 （1） 供電制度（2） 輸出飽和問(wèn)題（3） 泄放回路（4） 前級(jí)的箝位保護(hù)（5） 測(cè)量放大器的參數(shù)對(duì)稱性及調(diào)整（6） 周邊電阻參數(shù)的選取(除比值外還考慮功耗)（7） 多級(jí)放大器的增益分配(高共模抑制者增益大)（8） 設(shè)計(jì)PCB板時(shí)注意屏蔽和設(shè)置去耦電容實(shí)例 將0-200mV的電壓信號(hào)放大到0-5V 解:要求放大倍數(shù)為25倍,設(shè)計(jì)圖如下:設(shè)計(jì) 1.250V 基準(zhǔn)電壓源 題目說(shuō)明:在儀表系統(tǒng)中常需要各種等級(jí)的電壓源,可利用放大器自行制備.見(jiàn)下圖: 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換及零點(diǎn)遷移 1、程控放大器(可變?cè)鲆娣糯笃? 用途: A. 寬范圍參

23、數(shù)測(cè)量時(shí)自動(dòng)換擋 B. 信號(hào)幅值低時(shí)不損失分辨率 方法: 將與增益有關(guān)的電阻支路設(shè)計(jì)成可選擇的電阻網(wǎng)絡(luò)(通常利用反饋電阻改變實(shí)現(xiàn)) 串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò),增益線性變化 輸入電阻的R-2R T型電阻網(wǎng)絡(luò) 推導(dǎo)過(guò)程如下：If=(C3*2-1+C2*2-2+C1*2-3+C0*2-4)*Vi/R= C3 C2 C1 C0 *Vi / (R*24)式中C3 C2 C1 C0 表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)排列又因?yàn)镮=-V0/Rf 所以整理可得:增益A=V0/Vi=-(Rf)*C3 C2 C1 C0 /(R*24)若Rf=R,最大衰減比為1:16若C3 C2 C1 C0 =0000,則放大器輸出為0 集成儀用放大器實(shí)例 BU

24、RR-BROWN 公司的INA111(高速FET輸入儀用放大器)性能:高速 Ts=4s（G=100，0.01%）低失調(diào)電壓 500 v（max）低溫度漂移 5v/ 高共模抑制比 106db（min）輸入電壓范圍 -0.7V - +15V輸入電流 10pA輸入阻抗 1012供電范圍 18V內(nèi)部結(jié)構(gòu)典型應(yīng)用方式應(yīng)用示例輸入保護(hù)前置濾波器用法（低通） 如果濾波電容C1、C2不匹配會(huì)導(dǎo)致共模信號(hào)轉(zhuǎn)化成差模信號(hào)，影響共模抑制比。反之會(huì)提高共模抑制能力。前置濾波器用法（高通）壓控電流源可編程增益放大器PGA103 性能參數(shù)： 增益范圍 1,10,100 低增益誤差 0.05%（max，G=10) 低溫漂

25、2v/ 低靜態(tài)電流 2.6mA 低功耗 CMOS/TTL電平兼容(控制信號(hào))增益變化真值表典型應(yīng)用程控增益增益擴(kuò)展高輸入范圍程控可編程儀用放大器PGA202（203） 數(shù)字可編程增益控制 PGA202 G= 1，10，100，1000 PGA203 G= 1，2，4，8快速 Ts=2s（0.01%）低非線性誤差 0.012%（max）高共模抑制比 80dB（min）低功耗內(nèi)部結(jié)構(gòu)濾波器增益擴(kuò)展可變?cè)鲆娌顒?dòng)輸入/出放大器零點(diǎn)遷移 問(wèn)題的引出:用PN結(jié)進(jìn)行溫度測(cè)量。PN結(jié)的溫度-信號(hào)特性為 -2mV/,且 Vi(T=0)= 700mV。特性曲線如下:分析:為什么要進(jìn)行零點(diǎn)遷移 （1）如果要測(cè)量的溫

26、度范圍為0-100,則由PN結(jié)特性可知信號(hào)范圍是:500mV-700mV.動(dòng)態(tài)范圍是200mV。（2）這個(gè)信號(hào)幅度需要進(jìn)行放大,但由于起點(diǎn)不是0,所以放大后的信號(hào)中有無(wú)效部分。（3）這樣的結(jié)果是:后續(xù)電路的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)中只有一小部分有意義,白白浪費(fèi)了A/D轉(zhuǎn)換的分辨率。（4）降低了測(cè)量的速率。（5）系統(tǒng)校零不方便。用差動(dòng)放大器電路來(lái)進(jìn)行零點(diǎn)遷移 半導(dǎo)體點(diǎn)溫計(jì)AD590的設(shè)計(jì) 特性： 電流輸出型，輸出特性1A/K 供電范圍 4V - 30V 正向耐壓 44V 反向耐壓 20V 測(cè)溫范圍 -55 - 150 精度 0.3 分為I，J，K，L，M五檔，M最好使用AD590測(cè)量室溫 AD581 是高

27、精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V，輸出10V。圖中最終使輸出對(duì)應(yīng)1攝氏度1個(gè)毫伏。溫差測(cè)量電路 零點(diǎn)遷移電路設(shè)計(jì)如下圖,可測(cè)量環(huán)境溫度,可作為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償隔離放大器 隔離放大器主要用于要求共模抑制比高的模擬信號(hào)的傳輸過(guò)程中，例如輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)是微弱的模擬信號(hào)，而測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的干擾比較大，對(duì)信號(hào)的傳遞精度要求又高，這時(shí)可以考慮在模擬信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)之前用隔離放大器進(jìn)行隔離，以保證系統(tǒng)的可靠性。在有強(qiáng)電或強(qiáng)電磁干擾等環(huán)境中，為了防止電網(wǎng)電壓等對(duì)測(cè)量回路的損壞，其信號(hào)輸入通道常采用隔離技術(shù)；在生物醫(yī)療儀器上，為防止漏電流、高電壓等對(duì)人體的意外傷害，也常采用隔離放大技術(shù)，以確?；颊甙踩?；此

28、外，在許多其他場(chǎng)合也常需要采用隔離放大技術(shù)。能完成這種任務(wù)，具有這種功能的放大器稱為隔離放大器。儀用放大器使用技巧電源旁路、解耦和穩(wěn)定性問(wèn)題 通常，旁路電容器（典型值為 0.1 F）連接在 每個(gè) IC 的電源引腳和地之間。盡管通常情況適合， 但是這在實(shí)際應(yīng)用中可能無(wú)效或甚至產(chǎn)生比根本沒(méi) 有旁路電容器更壞的瞬態(tài)電壓。 因此考慮電路中的 電流在何處產(chǎn)生，從何處返回和通過(guò)什么路徑返回 是很重要的問(wèn)題。一旦確定，應(yīng)當(dāng)在地周圍和其它 信號(hào)路徑周圍旁路這些電流。 像運(yùn)算放大器一樣，大多數(shù)單片儀表放 大器都有其以電源的一端或兩端為參考端的積分器 并且應(yīng)當(dāng)相對(duì)輸出參考端解耦。這意味著對(duì)于每顆 芯片在每個(gè)電源引

29、腳與儀表放大器的參考端在 PCB 上的連接點(diǎn)之間應(yīng)連接一個(gè)旁路電容器，如下圖 所示。 輸入接地返回的重要性 當(dāng)使用儀表放大器電路時(shí)出現(xiàn)的一個(gè)最常見(jiàn)的 應(yīng)用問(wèn)題是缺乏為儀表放大器的輸入偏置電流提供 一個(gè) DC 返回路徑。這通常發(fā)生在當(dāng)儀表放大器的 輸入是容性耦合時(shí)。下圖示出這樣一個(gè)電路。這 里，輸入偏置電流快速對(duì)電容器 C1 和 C2 充電直到 儀表放大器的輸出“極端”，達(dá)到電源電壓或地電位。 解決上述問(wèn)題的方法是在每個(gè)輸入端和地之間 添加一個(gè)高阻值電阻器（R1，R2），如下圖所示。 輸入偏置電流現(xiàn)在可以自由流入地并且不會(huì)像以前那樣產(chǎn)生大輸入失調(diào)。阻容元件匹配由于 R1 和R2 之間的任何不匹配

30、都將引起輸入失調(diào)不平 衡（IB1IB2），產(chǎn)生輸入失調(diào)電壓誤差。 規(guī)則是保持IBR 10 mV輸入保護(hù)AD623、AD620系類等儀用放大器等內(nèi)部自帶有輸入電流保護(hù)電路，典型值為AD620系列為6mA，AD623為10mA。也可采用外接二極管進(jìn)行保護(hù)。但大多數(shù)普通二極管（肖特基二極管， 硅二極管等）都具有很高的泄漏電流，從而會(huì)在儀 表放大器的輸出端產(chǎn)生很大的失調(diào)誤差；這種漏電 流與溫度呈指數(shù)關(guān)系增加。這樣勢(shì)必導(dǎo)致在采用具 有高阻抗源的儀表放大器的應(yīng)用中取消外部二極管 的使用。雖然現(xiàn)在有了漏電流降低很多的特殊二極管， 但是通常很難找到而且也很貴。對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用， 限流電阻器是唯一能夠?qū)τ?ES

31、D （瞬間過(guò)載）和較長(zhǎng)時(shí)間輸入 瞬態(tài)過(guò)載提供充分保護(hù)的方案。減低儀用放大器的RFI（射頻干擾）考慮信號(hào)傳輸線路長(zhǎng)并且信號(hào)強(qiáng)度低的情況 即使最好的儀表放大器在20 kHz以上的頻率條件下事實(shí)上沒(méi)有CMR能力。很強(qiáng)的RF信號(hào)首先被儀表放大器的輸入級(jí)整流，然后表現(xiàn)為DC失調(diào)誤差。一旦被整流，其輸出端的低通濾波怎么也不能去除這個(gè)誤差。如果RFI是斷續(xù)性的，這會(huì)導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)的測(cè)量誤差 最實(shí)用解決方案是通過(guò)使用一個(gè)差分低通濾波器在儀表放大器前提供RF衰減濾波器。該濾波器需要完成三項(xiàng)工作： 盡可能多地從輸入端去除RF能量 保持每個(gè)輸入端和地之間的AC信號(hào)平衡 在測(cè)量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗以避免降低對(duì)輸入

32、信號(hào)源的帶載能力。 AD620系列儀表放大器的RFI抑制電路 采用圖中所示的元件值，該電路的3 dB 帶寬大約為 400 Hz；通過(guò)將電阻器 R1 和 R2 的 電阻值減至 2.2 k，帶寬可增加到 760 Hz。應(yīng)當(dāng)注 意，不要輕易地增加帶寬。它要求前面所述的儀表 放大器電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)較低阻抗的負(fù)載，從而導(dǎo)致輸 入過(guò)載保護(hù)能力會(huì)有些降低。 AD623 儀表放大器的 RFI 濾波器 使用圖示的元件值，該濾波器的帶寬大 約為 400 Hz。在增益為 100 的條件下，1 V p-p 輸入 信號(hào)的 RTI 最大 DC 失調(diào)電壓小于 1 V。在相同增 益條件下，該電路的 RF 信號(hào)抑制能力優(yōu)于 74

33、dB。 單電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 電橋電路用一個(gè)5 V電源激勵(lì)。 因此，電橋滿度輸出電壓（10 mV）有一個(gè) 2.5 V 的共模電壓。AD623 去掉這個(gè)共模電壓成分并且把 輸入信號(hào)放大了 100 倍（RG = 1.02 k）。這導(dǎo)致輸 出信號(hào)為1 V。 為了防止該信號(hào)進(jìn)入 AD623 的接地端，REF 引腳的電壓至少必須升高到 1 V。 在本例中，ADC AD7776 的 2 V 參考電壓用于把 AD623 的輸出電壓 偏置到 2 V1 V。這正符合該 ADC 的輸入范圍。 傳感器接口的應(yīng)用 儀表放大器很久以來(lái)一直在傳感器應(yīng)用中用作 前置放大器。高質(zhì)量傳感器通常提供一個(gè)高線性度 輸出，但是其信號(hào)幅

34、度非常低并且具有高輸出阻抗 的特性。這就要求使用一個(gè)高增益緩沖器或前置放 大器，并且要求它們自身任何可辨別的噪聲不會(huì)對(duì) 被放大的信號(hào)有影響。另外，典型傳感器的高輸出 阻抗可能要求儀表放大器具有低輸入偏置電流。 醫(yī)用心電圖儀的應(yīng)用 心電圖儀（EKG）是一種富有挑戰(zhàn)性的真實(shí)世 界應(yīng)用，因?yàn)橐粋€(gè) 5 mV的小信號(hào)必須從存在遠(yuǎn)大于 60 Hz噪聲和很大的DC共模失調(diào)電壓變化的環(huán)境中 提取出來(lái)。下圖 為典型EKG監(jiān)測(cè)電路框圖。選 擇適當(dāng)?shù)碾娙萜鰿X的值以保持右腿驅(qū)動(dòng)環(huán)的穩(wěn)定 性。 盡管可以有更多的輸出，這里僅顯示了來(lái)自病 人的三個(gè)輸出。輸出緩沖放大器應(yīng)該為低噪聲、低 輸入偏置電流的 FET 運(yùn)算放大器，

35、因?yàn)椴∪藗鞲衅?通常具有很高的阻抗所以信號(hào)幅度可能相當(dāng)?shù)汀?mA - 20mA單電源接收器 4 mA20 mA 傳感器的信號(hào)是單端的。 只需要一只簡(jiǎn)單的分流電阻器以便 把電流轉(zhuǎn)換成電壓加到 ADC 的高阻抗模擬輸入端。 然而，回路（到傳感器）中的任何線路電阻都會(huì)增 加與電流相關(guān)的失調(diào)誤差。因此，必須差分地檢測(cè) 該電流。 例中，一只 24.9 的分流電阻器在 AD627 的輸入端產(chǎn)生介于 100 mV（對(duì)應(yīng) 4 mA輸入） 與 500 mV（對(duì)應(yīng) 20 mA 輸入）之間的最大差分輸 入電壓。在不存在增益電阻器的情況下，AD627 把 該 500 mV 輸入電壓放大 5 倍達(dá)到 2.5 V，即 A

36、DC 的滿度輸入電壓?jiǎn)坞娫礋犭娕挤糯笃?J 型熱 電偶的一端接地。在200到200溫度范圍內(nèi)， J 型熱電偶提供的電壓范圍為7.890 mV10.777 mV。 將AD627 的增益設(shè)置為 100（RG = 2.1 k）并 且將AD627 的 REF引腳的電壓接成 2 V，致使 AD627 對(duì)地輸出電壓范圍為 1.110 V3.077 V。 第二節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)一、概述 A/D轉(zhuǎn)換器(也稱“ADC”)是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個(gè)模擬量泛指電壓、電阻、電流、時(shí)間等參量，但一般情況下，模擬量是指電壓而言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般用一個(gè)稱為量子Q的基本單位來(lái)度量。一個(gè)n位

37、的二進(jìn)制數(shù)，共有N=2n個(gè)離散值，定義Q=輸入滿量程/N A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程就是計(jì)算輸入模擬量中有多少個(gè)Q，并使用2n個(gè)離散量中最接近的值去表示模擬量的大小量化特性及量化誤差量化過(guò)程的輸出特性曲線呈階梯狀，每個(gè)臺(tái)階的寬度稱為量化帶。理想情況下，量化帶等于一個(gè)量子Q。輸入模擬量的幅度在nQ與(n+1)Q之間時(shí)，輸出都以 nQ表示。 顯然，這是以有限的量化值代替無(wú)限數(shù)目的模擬量的過(guò)程，因此，必然存在量化誤差。 由右圖所示，量化誤差的絕對(duì)值|于一個(gè)量子Q。量化特性及量化誤差通常把圖a的特性調(diào)整左移(1/2)Q，如圖c所示。其相應(yīng)的量化誤差下降為-(1/2)Q2)由上式可見(jiàn)，對(duì)高頻(或高速)測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)

38、該采取以下措施： （1） 減少通道數(shù)N，最好采用分散采集方式，即N=1。 （2） 減少截頻系數(shù)C，增大抗混疊低通濾波器陡度。 （3） 選用轉(zhuǎn)換時(shí)間tC短的A/D轉(zhuǎn)換器芯片。 （4） 將CPU讀取數(shù)據(jù)改為直接存儲(chǔ)器存取(DMA)技術(shù)，縮短休止時(shí)間t0。 則采樣保持器SH的選擇(一) 采樣保持器的主要參數(shù) tAC（捕捉時(shí)間）：控制信號(hào)由“保持”電平跳變?yōu)椤安蓸印彪娖街?，S/H的輸出電壓VO從原來(lái)的保持值過(guò)渡到跟蹤輸入信號(hào)Vi值所需時(shí)間。 包括導(dǎo)通延遲和跟蹤建立時(shí)間 反映系統(tǒng)速度，限制最小采樣時(shí)間 tAP（孔徑時(shí)間）：從發(fā)出保持指令即控制信號(hào)從“采樣”電平跳變?yōu)椤氨３帧彪娖介_(kāi)始到模擬開(kāi)關(guān)完全斷開(kāi)所

39、經(jīng)歷的時(shí)間。 tS（建立時(shí)間）：從發(fā)出保持指令開(kāi)始到采樣/保持器輸出達(dá)到保持終值(在確定的精度范圍內(nèi))所需時(shí)間。建立時(shí)間包括了孔徑時(shí)間改進(jìn)方法：選用導(dǎo)通電阻小、切換快的模擬開(kāi)關(guān) 使用頻帶寬、壓擺率低的放大器做輸入/出換從放大器孔徑誤差：孔徑時(shí)間的存在，延遲了采樣時(shí)間。使采樣值非采樣指令下達(dá)時(shí)刻的對(duì)應(yīng)值。因此帶來(lái)孔徑誤差。 最大孔徑誤差等于tAP時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)的最大時(shí)間變化率與tAP的乘積，即 如果具有恒定的孔徑時(shí)間，可采取措施消除其影響：若把保持指令比預(yù)定時(shí)刻提前tAP時(shí)間發(fā)出，則電路的實(shí)際輸出值就是預(yù)定時(shí)刻輸入信號(hào)的瞬時(shí)值。 由于開(kāi)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

40、因素的影響，使tAP存在一定的不確定性，這種現(xiàn)象稱孔徑抖動(dòng)或稱孔徑時(shí)間不定性。設(shè)置采樣保持器原則 A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，被轉(zhuǎn)換的模擬量應(yīng)基本維持不變。 假設(shè)待轉(zhuǎn)換的信號(hào)為Ui=Umcost，這一信號(hào)的最大變化率為 假設(shè)信號(hào)的正負(fù)峰值正好達(dá)到ADC的正負(fù)滿量程，而ADC的位數(shù)為m，則ADC最低有效位LSB代表的量化電平(量化單位)q為 如果ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間為tC，為保證1LSB的轉(zhuǎn)換精度，在轉(zhuǎn)換時(shí)間tC內(nèi)，被轉(zhuǎn)化信號(hào)的最大變化量不應(yīng)超過(guò)一個(gè)量化單位q，即 則不加采樣保持器時(shí)，待轉(zhuǎn)換信號(hào)允許的最高頻率為 由此可見(jiàn)，除了被轉(zhuǎn)換信號(hào)是直流電壓或變化極其緩

41、慢即滿足上式，可以用ADC直接轉(zhuǎn)換不必在ADC前加設(shè)S/H外，凡是頻率不低于由上式確定的fmax的被轉(zhuǎn)換信號(hào)，都必須設(shè)置采樣保持器把采樣幅值保持下來(lái)。 在ADC之前加設(shè)S/H后，沒(méi)有因A/D轉(zhuǎn)換期間被轉(zhuǎn)換信號(hào)變化而出現(xiàn)誤差，由于孔徑時(shí)間tAP的存在，會(huì)出現(xiàn)孔徑誤差，最大孔徑誤差為 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，要求最大孔徑誤差不超過(guò)q，則由此限定的被轉(zhuǎn)換信號(hào)的最高頻率為 由于S/H的孔徑時(shí)間tAP遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間tC，因此在ADC前加設(shè)S/H后大大擴(kuò)展了被轉(zhuǎn)換信號(hào)頻率的允許范圍。多路測(cè)量通道的串音問(wèn)題 多通道測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)使用多選一開(kāi)關(guān)或多路采樣開(kāi)關(guān)。負(fù)載上不只出現(xiàn)被接通的那一道信號(hào)，其他被關(guān)斷

42、的各路信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)在負(fù)載上。對(duì)本來(lái)是惟一被接通的信號(hào)形成干擾，這種干擾稱為道間串音干擾，簡(jiǎn)稱串音。 道間串音干擾的產(chǎn)生主要是由于模擬開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)電阻Roff不是無(wú)窮大和多路模擬開(kāi)關(guān)中存在寄生電容的緣故。 上圖中假設(shè)各信號(hào)源內(nèi)阻Ri及電壓Vi均相同，各開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電阻Roff均相同，其余(N-1)道被關(guān)斷的信號(hào)因Roff而在負(fù)載RL上產(chǎn)生的泄漏電壓總和為一般簡(jiǎn)化為為減小串音干擾，應(yīng)采取如下措施： (1)減小Ri，為此前級(jí)應(yīng)采用電壓跟隨器。 (2)選用Ron極小、Roff極大的開(kāi)關(guān)管。 (3)減少輸出端并聯(lián)的開(kāi)關(guān)數(shù)N。若N=1，則VN=0。 除Roff引起串音外，當(dāng)切換多路高頻信號(hào)時(shí)，截止通道的高頻信號(hào)

43、還會(huì)通過(guò)通道之間的寄生電容Cx和開(kāi)關(guān)源、漏極之間的寄生電容CDS在負(fù)載端產(chǎn)生泄漏電壓，如圖2-43b所示。寄生電容Cx和CDS的數(shù)值越大，信號(hào)頻率越高，泄漏電壓就越大，串音干擾也就越嚴(yán)重。因此，為減小串音應(yīng)選用寄生電容小的MUX。 主放大器的放置 1、主放大器使用依據(jù) 我們知道，若AD轉(zhuǎn)換器滿度輸入電壓為E，滿度輸出數(shù)字為DFS，則A/D的量化絕對(duì)誤差為q(截?cái)嗔炕?或q/2(舍入量化)，即 如果模擬多路切換器輸出的第i道信號(hào)的第j次采樣電壓為Vij，那么這個(gè)采樣電壓的量化相對(duì)誤差便為 由上式可見(jiàn)，采樣電壓越小，相對(duì)誤差越大，轉(zhuǎn)換精度越低。為了避免弱信號(hào)采樣電壓在AD轉(zhuǎn)換時(shí)達(dá)不到要求的轉(zhuǎn)換精度

44、，就必須將它放大K倍后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，這樣量化精度便可提高K倍，滿足轉(zhuǎn)換精度的要求，即 由上式可見(jiàn)，K越大，放大后的AD轉(zhuǎn)換相對(duì)誤差越小，精度越高，但是K也不能太大，以致產(chǎn)生AD溢出。因此，主放大器的增益K應(yīng)滿足兩個(gè)條件：既不能使AD溢出，又要滿足轉(zhuǎn)換精度的要求，即 將式(2-33)代入上兩式得，所需主放大器增益K為 主放大器使用方法 多路模擬信號(hào)都是恒定或緩變信號(hào)，而且各路信號(hào)的幅度也相差不大，就沒(méi)必要在采集電路中放主放大器。 多路模擬信號(hào)都是恒定或緩變信號(hào)，但各路信號(hào)的幅度相差很大，就應(yīng)在采集電路中設(shè)置程控增益放大器作為主放大器。 多路模擬信號(hào)是時(shí)變信號(hào)，且同一時(shí)刻各路信號(hào)的幅度也不一樣。

45、就應(yīng)在采集電路中設(shè)置瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器作為主放大器。 瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器的特點(diǎn)是在采樣期間，及時(shí)地根據(jù)采樣幅值選定一個(gè)最佳增益。由于該放大器的增益是隨采樣幅值變化調(diào)整的，故稱浮點(diǎn)放大器，因?yàn)榉糯笃髟鲆嬲{(diào)整必須在采樣電壓存在的那一瞬間完成，所以又稱瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例 SMAPLE： MOV R0， #20H ；存放采樣數(shù)據(jù)的內(nèi)部RAM的起始地址 MOV B， #10H ；起始通道號(hào)START： MOV A， B； NOP NOP NOP NOP CLR P1.4 ；采樣保持器開(kāi)始保持 MOV DPTR， #7F00H ； MOVX DPTR，A ；啟動(dòng)AD進(jìn)行l(wèi)2位轉(zhuǎn)換WAIT： JB P

46、3.3 WAIT ；等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束 MOV DPTR， #7F02H ；讀高8位數(shù)據(jù)的地址 MOVX A， DPTR ；讀高8位數(shù)據(jù) MOV P1， A ；切換通道，啟動(dòng)采樣 MOV R0， A ；存放 INC DPTR ；讀低4位數(shù)據(jù)的地址 INC R0 ； MOVX A， DPTR ；讀低4位數(shù)據(jù) MOV R0， A ；存放 INC R0 INC B ；通道地址加1 CJNE B， #20H START ；16通道是否采集完畢 ADC0809應(yīng)用示例 不需要進(jìn)行零點(diǎn)校正及滿量程校正帶有地址邏輯控制的8通道模擬開(kāi)關(guān)單電源5V供電時(shí)，輸入范圍0到5V輸出特性符合TTL電平分辨率 8位失調(diào)誤差

47、 0.5LSB或1LSB低功率 15mW轉(zhuǎn)換時(shí)間 100s逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器無(wú)內(nèi)部時(shí)鐘，需要外接時(shí)鐘信號(hào)，通常為500k ADC0809引腳及特性說(shuō) 明： IN0-IN7: 8個(gè)輸入通道,在實(shí)驗(yàn)中只接IN0,用電位器來(lái)給出輸入模擬電壓,可調(diào)節(jié)。 D0-D7: 器件的轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出,可接單片機(jī)P0口。 EOC: End Of Convert, 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志,高有效,這里加非門,是連接到外部中斷/INT。 CLOCK:外部提供的時(shí)鐘,應(yīng)在650K左右。由芯片4013提供。 ADDA-C:通道選擇信號(hào),可接系統(tǒng)地址線。 ALE/START: 通道選擇信號(hào)鎖存和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào),由系統(tǒng)譯碼信號(hào)與讀寫(xiě)信號(hào)配

48、合產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明： ADC0809的8位模擬開(kāi)關(guān)譯碼地址為：IN0= #2030H IN1= #2031H IN2= #2032H IN3= #2033HIN4= #2034H IN5= #2035H IN6= #2036H IN7= #2037H 單片機(jī)的ALE信號(hào)為主頻的1/6,可利用來(lái)作為一種較低頻率的時(shí)鐘源。 軟件控制方法有3種: 查詢法：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換后不斷檢查EOC是否變?yōu)椤?”; 中斷法：把EOC反向后連接到單片機(jī)的/INT1; 延時(shí)等待法：?jiǎn)?dòng)后軟件延時(shí)足夠時(shí)間,然后讀結(jié)果。實(shí)驗(yàn)程序 1）延時(shí)等待法 ORG0000H ;復(fù)位入口地址 LJMPMAIN ;短跳轉(zhuǎn)MAIN: MOV DP

49、TR,#2003H ;指向8255命令口 MOV A,#80H ;置A口為輸出 MOVX DPTR,A ;送命令CONVER: MOVDPTR,#2030H ;指向0809通道0 MOVA,#00H ;任意數(shù)值 MOVXDPTR,A ;啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 MOVR0,#200 ;計(jì)數(shù)常數(shù)LOOP: NOP ;空語(yǔ)句,配時(shí)間 DJNZR0,LOOP ;延時(shí)等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 MOVXA,DPTR ;讀出A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果 MOVDPTR,#2000H ;指向8255A口地址 MOVXDPTR,A ;把結(jié)果送8255A口WAIT: NOP ;可在此加入斷點(diǎn)查看轉(zhuǎn)換結(jié)果 NOP JMPCONVER ;絕對(duì)跳轉(zhuǎn),構(gòu)成循

50、環(huán) END 查詢法（程序片段） MOVR7, #0AH ; 計(jì)劃采集10次 MOVR0, #40H ; 準(zhǔn)備從40H開(kāi)始 MOVDPTR, #2030H ;指向通道0LOOP: MOVXDPTR,A ;啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 NOP ;空操作WAIT: JB P1.2, NEXT ;查詢是否轉(zhuǎn)換結(jié)束 AJMP WAIT ;若未結(jié)束則循環(huán)等待NEXT: MOVXA, DPTR ;讀取結(jié)果數(shù)字量 MOVR0, A ;存結(jié)果 INCR0 ;修改存放地址指針 DJNZR7, LOOP ;判斷是否到10次.V/F型ADC簡(jiǎn)介L(zhǎng)M331特性： 單5V供電 非線性 最大0.01% 提供脈沖輸出，適合于各種邏輯操作 極佳的

51、溫度穩(wěn)定性 最大50ppm/ 低功耗，5V工作時(shí)僅為15mW動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 ，10KHz下最小100db頻率范圍1Hz至100KHz典型應(yīng)用高精度V/F轉(zhuǎn)換器，量程范圍100KHz典型應(yīng)用簡(jiǎn)易F/V轉(zhuǎn)換器，量程范圍10KHz典型應(yīng)用光強(qiáng)度-頻率轉(zhuǎn)換器 原理圖如上，LM331要實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換必須與計(jì)數(shù)器相配合使用。上圖中LM331的輸出端FOUT與單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0相連，使用T0來(lái)對(duì)LM331的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器T1用于定時(shí)，由公式f=D/T可得到AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果。D為T0的計(jì)數(shù)值，T為計(jì)數(shù)時(shí)間，由T1確定。 此例中假定每次采樣的時(shí)間為20ms，求得定時(shí)時(shí)間常數(shù)為xxyyH，簡(jiǎn)要程序片段如下： A

52、CALL INIT ;調(diào)用初始化子程序 ACALL SAMP ;調(diào)用采樣子程序INIT: MOVSMOD, #01010001B ;置方式 RETSAMP: MOVTH1, #00H ;裝載常數(shù) MOVTL1, #00H MOVTH0, #xxH MOVTL0, #yyH SETBTR0 ;啟動(dòng)T0和T1 SETB TR1 ASK: JBCTF0, OVER ；檢查計(jì)數(shù)過(guò)程是否結(jié)束 AJMPASKOVER: CLRTR1 CLRTR0 MOVA, TL1 MOV R1, A MOV A, TH1 MOV R2, A RET從這個(gè)子程序返回后,轉(zhuǎn)換結(jié)果在R1R2中,R2高位V/F型ADC -AD

53、654簡(jiǎn)介 AD654是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的一種低成本，8腳封裝的電壓頻率(V/F)轉(zhuǎn)換器。它由低漂移輸入放大器、精密振蕩器系統(tǒng)和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)組成，使用時(shí)只需一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，即可構(gòu)成應(yīng)用電路。 AD654既可以使用單電源供電，也可使用雙電源供電，且工作電壓范圍很寬。輸出為頻率受控于輸入電壓的方波?？捎糜谛盘?hào)源、信號(hào)調(diào)制、解調(diào)和A/D變換等。 單電源供電電壓：4.536V 雙電源供電電壓： 5 18V 輸出頻率范圍：0500kHz 線性誤差：0.06%（250kHz時(shí)） 輸入阻抗：250M 輸入電壓范圍：?jiǎn)坞娫?0Vs-4V 雙電源 -VsVs-4V 靜態(tài)電流：2.0mA(Vs=30V時(shí)) AD6

54、54典型應(yīng)用 精密參考電壓基準(zhǔn)TL431 TL431是精密電壓基準(zhǔn)集成電路，有兩種封裝形式：一種為TO-92封裝，它的外型和小功率塑封三極管一模一樣；另一種為雙列直插8腳塑封結(jié)構(gòu)。TL431有三個(gè)引出腳，分別用K、R、A表示，其中K為控制端，R為取樣端，A為接地端，有些電路圖中用1、2、3分別代表R、A、K。TL431損壞后，如無(wú)同型號(hào)的進(jìn)行更換，可用KA431、A431、LM431、YL431、S431、TA76431S、PC10931J等直接代換。TL341典型應(yīng)用 下圖是一個(gè)用TL431為核心部件的實(shí)用的可調(diào)三端穩(wěn)壓電源，它是利用TL431精密穩(wěn)壓源和大功率高反壓達(dá)林頓三極管D768擴(kuò)流

55、組合而成。D768的電流為5A，功率為50W，正向最小工作電壓為1.5V。若輸入電壓與輸出電壓之差大于10V時(shí)，則需更換R1（R1為1K2K）。在輸入電壓為5V33V時(shí)，輸出電壓為5V30V連續(xù)可調(diào)。在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)功率大小為D768配備散熱片。 多通道技術(shù) 1、多路切換方法（1）繼電器: 接近理想開(kāi)關(guān),速度慢,壽命短,有噪音。（2）模擬電子開(kāi)關(guān):速度快,容易控制,無(wú)觸點(diǎn),壽命長(zhǎng),有開(kāi)路漏電流和導(dǎo)通電阻,功率有限.(典型情況下只能通過(guò)約5mA電流,電壓不能超過(guò)芯片供電電壓。)2、繼電器種類(1)干簧繼電器 無(wú)源干簧繼電器 有源干簧繼電器（2）電磁繼電器（單路單觸點(diǎn)、單路雙觸點(diǎn)、雙路雙觸點(diǎn)等）（3

56、）固態(tài)繼電器（SSR）（無(wú)動(dòng)點(diǎn)，功率大，較昂貴。）觸點(diǎn)容量 觸點(diǎn)容量包括: 導(dǎo)通電流: 如2A、5A、10A等； 開(kāi)路電壓：如24VDC、220VAC、500VAC 吸合線圈參數(shù) 電壓等級(jí)：如5V、12V、24V等; 直流阻抗(間接參數(shù),需測(cè)量):如470. 根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)可推算吸合電流,并進(jìn)而設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)三極管電路(留有一定電流余量) 單片機(jī)控制220V交流電氣設(shè)備用繼電器組成4選1切換電路CD4051（8選1模擬電子開(kāi)關(guān)） 單片使用,構(gòu)成單端8選1切換電路2片同時(shí)用,可分兩種情況: (a)構(gòu)成單輸入16路選1切換開(kāi)關(guān) 設(shè)CPU對(duì)2片開(kāi)關(guān)的控制連接為: /INH INH C B A /P1

57、.3 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 選中 通道碼則有 1 0 0 0 0 通道0 00H 1 0 0 0 1 通道1 01H 1 1 1 通道7 07H 0 1 0 0 0 通道8 08H 0 1 0 0 1 通道9 09H 1 1 1 通道15 0FH(b)構(gòu)成雙輸入8選1切換開(kāi)關(guān)CD4067（16選1多路模擬開(kāi)關(guān)） CD4052（雙組控制多路模擬開(kāi)關(guān)） CD4053（三組二路雙向模擬開(kāi)關(guān)） CD4066（4獨(dú)立通道模擬開(kāi)關(guān)） 多通道數(shù)據(jù)采集示例8點(diǎn)PN結(jié)溫度傳感器輸入電路 使用8選1多路模擬開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示例8通道溫度信號(hào)巡檢系統(tǒng)示例課后習(xí)題2、3、4、5、6、7、9、10、

58、11第三章 人機(jī)對(duì)話與數(shù)據(jù)通信一、人機(jī)對(duì)話 1、鍵盤(pán) 琴鍵、自鎖鍵、扳鈕、撥碼開(kāi)關(guān)、薄膜開(kāi)關(guān)、觸摸屏 2、顯示器 LED（發(fā)光二極管、七段數(shù)碼管、14段數(shù)碼管、發(fā)光二極管陣列） LCD （段碼顯示器、字符式顯示器及圖形式顯示器 ） CRT視頻顯示器 TFT視頻顯示屏3、打印機(jī) 帶有微處理器控制裝置的微型點(diǎn)陣式打印機(jī)（GP-16、TP-UP 16、Laser -pp40、Sharp-515P、EPSON-1600K、Brother-1724 ）二、數(shù)據(jù)通信 1、有線方式 串行通信接口（RS-232、RS-422/485）、I2C總線接口、USB總線接口、 HART協(xié)議（高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器通信協(xié)

59、議，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議）、并行通信接口（IE-488） 、GPIB等。2、無(wú)線方式 PTR2000無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、紅外、BlueTooth、以太網(wǎng)、ZigBee（紫峰，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)） 等。琴鍵：按下閉合,自動(dòng)彈起,最常用 自鎖鍵：每按一次改變一次狀態(tài)扳鈕：按位置確定狀態(tài),如電源開(kāi)關(guān)撥碼開(kāi)關(guān)：用于產(chǎn)生地址信息、設(shè)定狀態(tài)等薄膜按鍵：美觀，便于安裝，壽命短觸摸屏：電阻屏、電容屏、超聲波屏、紅外屏發(fā)光二極管：最簡(jiǎn)單的獨(dú)立發(fā)光體七段數(shù)碼管：可顯示0-9數(shù)字和少量字符14段數(shù)碼管：可顯示數(shù)字和英文字母等發(fā)光二極管陣列：可組成大型顯示屏幕大型發(fā)光二極管陣列液晶顯示屏：有字符式和點(diǎn)陣圖形式CRT顯示器（清晰圖形

60、、文字顯示）TFT顯示屏（移動(dòng)設(shè)備）微型打印機(jī)第一節(jié) 鍵盤(pán)鍵盤(pán)是由若干個(gè)按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣。1、按照其閉合鍵的識(shí)別方式可分為： 編碼鍵盤(pán)： 閉合鍵的識(shí)別是由專用硬件實(shí)現(xiàn) 非編碼鍵盤(pán)：閉合鍵的識(shí)別靠軟件實(shí)現(xiàn) 2、鍵盤(pán)工作方式 （1）編碼鍵盤(pán)：每按一次鍵，鍵盤(pán)自動(dòng)提供被按鍵的讀數(shù)，同時(shí)產(chǎn)生選通脈沖通知微處理器。這種鍵盤(pán)處理軟件簡(jiǎn)單，但硬件較復(fù)雜。 （2）非編碼鍵盤(pán)：按鍵的識(shí)別、鍵盤(pán)去抖動(dòng)等均靠軟件來(lái)完成，故這種鍵盤(pán)的處理軟件較復(fù)雜，但硬件簡(jiǎn)單。鍵盤(pán)的接口必須解決的問(wèn)題 （1）決定是否有鍵按下。（2）如果有鍵按下，決定是哪一個(gè)鍵被按下。（3）確定被按鍵的讀數(shù)。（4）不管一次按鍵持續(xù)的時(shí)間多長(zhǎng)，僅采樣