第二章輸入輸出通道及接口技術(shù)

第二章輸入輸出通道及接口技術(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)傳感器的選擇及信號(hào)放大電路信號(hào)濾波電路A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)開(kāi)關(guān)量輸入通道模擬量輸出通道

開(kāi)關(guān)量輸出通道

智能儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DAS（DataAcquisitionSystem），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。除數(shù)字傳感器外，大多數(shù)傳感器都是將模擬非電量轉(zhuǎn)換為模擬電量，而且這些模擬電量通常不宜直接用數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，還需進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理。本章將就上述內(nèi)容展開(kāi)討論。2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

一般說(shuō)來(lái)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路三部分組成，如下圖所示。傳感器模擬信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集電路微機(jī)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般需要同時(shí)測(cè)量多種物理量（多參數(shù)測(cè)量）或同一種物理量的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)（多點(diǎn)巡回測(cè)量）。因此，多路模擬輸入通道更具有普遍性。按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是否各路共用一個(gè)還是每路各用一個(gè)A/D，多路模擬輸人通道可分為共享A/D采集式和獨(dú)立A/D采集式兩大類型。2.1.1共享A/D采集式共享A/D采集式多路模擬輸人通道的典型結(jié)構(gòu)有分時(shí)采集型和同步采集型兩種，如圖所示。（A）多路分時(shí)采集分時(shí)輸入結(jié)構(gòu)（B）多路同步采集分時(shí)輸入結(jié)構(gòu)2.1.2獨(dú)立A/D采集式獨(dú)立采集式的特點(diǎn)是每一路信號(hào)一般都有一個(gè)S/H和A/D，因而也不再需要模擬多路切換器(MUX),如下圖所示。2.1.3分布采集式2.2傳感器的選擇及信號(hào)調(diào)理電路

在一般測(cè)量系統(tǒng)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)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)理相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理電路。典型調(diào)理電路的組成框圖

前置放大器濾波器至采集電路傳感器

在智能儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，許多原來(lái)依靠硬件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)調(diào)理任務(wù)都可通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中信號(hào)輸入通道的結(jié)構(gòu)。信號(hào)輸入通道中的信號(hào)調(diào)理重點(diǎn)為小信號(hào)放大、信號(hào)濾波等。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)通道中的去噪處理一般通過(guò)軟件來(lái)解決，故本章主要針對(duì)傳感器和前置放大兩部分加以闡述。2.2.1傳感器及其選擇傳感器是信號(hào)輸人通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)需要什么樣的傳感器——系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)要求；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高的傳感器。

傳感器的選擇應(yīng)滿足以下主要技術(shù)要求：

①具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為方便后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范圍相一致；②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)，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機(jī)要求。(一般應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度的十倍左右)；③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。；④能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求。

可供選用的傳感器類型

對(duì)于一種被測(cè)量，常常有多種傳感器可以測(cè)量，例如測(cè)量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等。在都能滿足測(cè)量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，主要應(yīng)考慮成、相配電路是否簡(jiǎn)單等因素，盡可能選擇性能價(jià)格比高的傳感器。

因此應(yīng)根據(jù)以上要求，傳感器的選用主要從以下幾方面進(jìn)行。

1）類型的選擇要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)榧词故菧y(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮，具體包括：量程的大小；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方式是有線還是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源是國(guó)產(chǎn)、進(jìn)口還是自行研制；價(jià)格能否承受等。2）精度的選擇精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，精度的選擇是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格也越昂貴。因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求即可，不必選得過(guò)高，這樣就可以在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果測(cè)量的目的是為了進(jìn)行定性分析，則選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的傳感器；如果測(cè)量的目的是為了進(jìn)行定量分析，則必須獲得精確的測(cè)量值，因此需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器3）靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)的處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，外界噪聲也容易混入，影響測(cè)量精度。因此，同時(shí)要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。

4）頻率響應(yīng)特性的選擇傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許的頻率范圍內(nèi)保持不失真地測(cè)量。實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。一般情況下，如果傳感器的固有頻率高，頻帶寬，則可測(cè)量的信號(hào)頻率范圍就寬。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)保證傳感器對(duì)被測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性滿足要求，以免產(chǎn)生過(guò)大的誤差。

5）線性范圍的確定

傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。從理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后，首先要看其量程是否滿足要求。

但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求的測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看做線性的，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。

6）穩(wěn)定性的選擇

傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器穩(wěn)定性的因素除了傳感器本身的結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，必須使傳感器有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，超過(guò)使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長(zhǎng)期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合，所選用的傳感器的穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。

6）穩(wěn)定性的選擇

傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器穩(wěn)定性的因素除了傳感器本身的結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，必須使傳感器有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，超過(guò)使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長(zhǎng)期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合，所選用的傳感器的穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。2.2.2信號(hào)的前置放器

多數(shù)傳感器輸出信號(hào)都比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。判斷傳感器信號(hào)“大”還是“小”和要不要進(jìn)行放大的依據(jù)又是什么？放大器為什么要“前置”,即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？VIN前置放大器K0后級(jí)電路KVISVIN0VOSVON前置放大器的作用

由于電路內(nèi)部有這樣或那樣的噪聲存在，使得電路在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端仍存在一定幅度的波動(dòng)電壓，這就是電路的輸出噪聲。VON：后級(jí)輸出噪聲（有效值）VIN：后級(jí)等效輸入噪聲VIS：輸入信號(hào)VIN0：等效輸入噪聲總輸出噪聲：總等效輸入噪聲：

假設(shè)不設(shè)置前置放大器，輸入信號(hào)剛好被電路噪聲淹沒(méi)，即VIS=VIN

，加入前置放大器后，為使輸入信號(hào)VIS不再被電路噪聲淹沒(méi)，即，就必須即：解得：

可見(jiàn)，為使小信號(hào)不被后續(xù)電路的噪聲所淹沒(méi)，在后續(xù)電路前端必須加入放大倍數(shù)K0>1的放大器，而且加入的放大器必須是低噪聲的，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。兩種調(diào)理電路的對(duì)比

在信號(hào)調(diào)理電路中為了減小噪聲，去除不需要的信號(hào)，提高調(diào)理電路的信噪比，一般還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。

由于K＞1,所以，，這就是說(shuō)，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。

濾波器后置的等效輸入噪聲

濾波器前置的等效輸入噪聲2.2.3信號(hào)調(diào)理通道中的常用放大器

智能儀器的信號(hào)調(diào)理通道中，針對(duì)被放大信號(hào)的特點(diǎn)，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路的現(xiàn)場(chǎng)要求，目前使用較多的放大器有通用集成運(yùn)算放大器、儀表放大器、程控增益放大器以及隔離放大器等。1）通用集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器一般由偏置電路、差動(dòng)輸入電路、中間放大級(jí)、輸出級(jí)（輸出及過(guò)載保護(hù)）電路組成。輸入級(jí)：作用是提供與輸出端成同相或反相關(guān)系的兩個(gè)輸入端。偏置電路：向各級(jí)提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流。中間級(jí)主要完成電壓放大任務(wù)。輸出級(jí)：向負(fù)載提供一定的功率,屬于功率放大。常用的通用集成運(yùn)算放大器有：LM741、LM358、LM324、LF356、LF358、LF347、OP07、OP37。（1）主要集成運(yùn)算放大器技術(shù)指標(biāo)開(kāi)環(huán)增益Av

在標(biāo)準(zhǔn)的電源電壓和規(guī)定的負(fù)載電阻條件下，放大器開(kāi)環(huán)時(shí)輸出電壓增量與輸入電壓增量之比，定義為開(kāi)環(huán)增益Av：

Av＝ΔVo/ΔVi

或 Av＝20lgΔVo/ΔVi(dB)

一股希望其值越大越好，目前常用的集成電路開(kāi)環(huán)增益一般應(yīng)大于80dB。

輸入失調(diào)電壓Vos

在室溫(25℃)及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，而在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫輸入失調(diào)電壓，這個(gè)值是越小越好，一般Vos約為0.5～5mV。輸入偏置電流IB和輸入失調(diào)電流Ios

當(dāng)輸出電壓為零時(shí),流入放大器兩個(gè)輸入端的電流平均值即為輸入偏置電流IB

，這是—項(xiàng)重要指標(biāo)，一般希望IB越小越好，這樣可以減少由十信號(hào)源內(nèi)阻變化而引起輸出電壓的變化，其值—般為1nA～100uA。輸入失調(diào)電流則是指在上述情況下二個(gè)輸入端電流的差值。由于信號(hào)源內(nèi)阻存在，Ios會(huì)引入一輸入電壓，破壞放大器平衡，因此希望Ios也是越小越好。

溫度漂移放大器的溫漂主要由輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流引起，輸入失調(diào)電壓溫漂是對(duì)集成運(yùn)放電壓漂移待性的量度，一般在1～50uA／℃，高質(zhì)量低溫漂運(yùn)放可到小于0.5uA／℃。輸入失調(diào)電流溫漂是對(duì)放大器電流漂移的量度，高質(zhì)量的運(yùn)放每度只有幾個(gè)PA。

最大差模輸入電壓Vidmax

放大器的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓位。超過(guò)這個(gè)電壓，將可能導(dǎo)致三極管擊穿而使運(yùn)放性能惡化或永久性損壞。

最大共模輸入電壓Vicmax

超過(guò)Vicmax值，將導(dǎo)致運(yùn)放共模抑制比顯著下降時(shí)，其值—般是指使運(yùn)放在作電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生1％跟隨誤差的共模輸入電壓值。共模抑制比CMRR

在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，運(yùn)放的差模電壓增益Avd與共模電壓增益Avc之比稱共模抑制比:CMRR＝Avd／Avc。它表示運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，其值應(yīng)越大越好，一般在60～130dB。差模輸入電阻Rid

運(yùn)放開(kāi)環(huán)時(shí)，二個(gè)輸入端差模電壓的變化量ΔVi與由它所引起的電流變化量ΔIi之比，稱為差模輸入電阻Rid，其值一肢在幾十千歐到幾兆歐左右。

開(kāi)環(huán)輸出電阻Ro

運(yùn)放開(kāi)環(huán)時(shí)，其輸出級(jí)輸出電阻，用Ro表示。Ro的大小表示了運(yùn)放的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。上升速率SR

運(yùn)放在大幅度信號(hào)的作用下，輸出電壓隨時(shí)間的最大變化率稱上升速率或轉(zhuǎn)換速率：SR＝dVo／dt｜rmax(V／us)

一般常用運(yùn)放速率在0.1～100mV／us，高速運(yùn)放則可達(dá)500一1000V／us。

是運(yùn)放輸出最大不失真正弦電壓振幅。實(shí)際上限制了運(yùn)放電路在大信號(hào)工作時(shí)的最高輸出正弦信號(hào)的頻率。

全功率帶寬在正弦電壓作用下，如運(yùn)放接成單位增益，且處于全功率輸出狀態(tài)，這時(shí)繼續(xù)增加正弦電壓頻率，當(dāng)輸出信號(hào)失真達(dá)到規(guī)定值時(shí)對(duì)應(yīng)的正弦頻率為全功率帶度，用fp表示。（2）基本電路

反向放大器、同向放大器、差動(dòng)放大器及跟隨器。

（3）基本調(diào)零電路

2.2.4儀用放大器（測(cè)量放大器）儀用放大器的基本結(jié)構(gòu)

儀用放大器上下對(duì)稱，即圖中R1=R2，R4=R6，R5＝R7。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：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。

儀用放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

1）非線性度

它是指放大器實(shí)際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。當(dāng)增益為1時(shí)，如果一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器有0.025%的非線性偏差，當(dāng)增益為500時(shí)，非線性偏差可達(dá)0.1%，相當(dāng)于把12位A/D轉(zhuǎn)換器變成10位以下轉(zhuǎn)換器，故一定要選擇非線性偏差小于0.024%的儀用放大器。

2）溫漂

溫漂是指儀用放大器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)。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)則是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一6）共模抑制比當(dāng)放大器兩個(gè)輸入端具有等量電壓變化值UI時(shí)，在放大器輸出端測(cè)量出電壓變化值UCM，則共模抑制比CMRR可用下式計(jì)算：

CMRR也是放大器增益的函數(shù)，它隨增益的增加而增大，這是因?yàn)闇y(cè)量放大器具有一個(gè)不放大共模的前端結(jié)構(gòu)，這個(gè)前端結(jié)構(gòu)對(duì)差動(dòng)信號(hào)有增益，對(duì)共模信號(hào)沒(méi)有增益。但CMRR的計(jì)算卻是折合到放大器輸出端，這樣就使CMRR隨增益的增加而增大。常用的儀用放大器

AD公司的AD521、AD522等。AD521是美國(guó)模擬器件公司(AnatosDevkes)開(kāi)發(fā)的第二代測(cè)量放大器，具有高輸入阻抗，低失調(diào)電流、高共模抑制比等特點(diǎn)，其增益可在0.1～1000之間調(diào)整，增益的調(diào)整不需要精密的外接電阻，各種增益參數(shù)已進(jìn)行了內(nèi)部補(bǔ)償，具有輸入輸出保護(hù)功能，有較強(qiáng)的過(guò)載能力。其使用溫度可在－25～+85℃，一般常用于0～70℃。AD521的主要參數(shù)：(1)電源電壓為土(5～18)V。(2)小信號(hào)帶寬：在增益G＝1時(shí),為2MHz以上,在最大增益G＝1000時(shí)，可達(dá)40kHz，其增益帶寬為40MHz。(3)差動(dòng)輸入阻抗Rid＝3×10Ω，共模輸入阻抗

Ric＝6×1010Ω。(4)失調(diào)電壓一段為2mV，最大為3mV，溫漂系數(shù)典型值為7uV／℃，最大為15uV／℃，偏置電流不超過(guò)80nA，輸入失調(diào)電流最大為20nA。(5)共模抑制比：增益G＝1時(shí)為74dB，在最大增益G＝1000時(shí)，至少可達(dá)110dB。(6)輸出電流為25mA。(7)電壓漂移最大為2uV／℃AD521典型接線圖

使用浮離式傳感器的接地回路2.2.5程控增益放大器

程控放大器是智能儀器的常用部件之一，在許多實(shí)際應(yīng)用中，特別是在通用測(cè)量?jī)x器中，為了在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力，常采用可變?cè)鲆娣糯笃?。在智能儀器中，可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆嬗蓛x器內(nèi)置計(jì)算機(jī)的程序控制。這種由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。

程控放大器原理框圖

405l組成的程控增益放大電路

AD521構(gòu)成的程控增益放大器常用的有AD524、AD624、PGA202、PGA203等。㈠PGA202/2031)PGA202/203的性能數(shù)字可編程控制增益：PGA202的增益倍數(shù)為1，10，100，1000；PGA203的增益倍數(shù)為1，2，4，8。增益誤差：G<1000

0.05％～0.15％；G=10000.08％～0.1％，詳見(jiàn)表1。非線性失真：G=10000.02％～0.06％。快速建立時(shí)間：2μs。快速壓擺率：20V/μs。共模抑制比：80～94dB。頻率響應(yīng)：G<10001MHz;G=1000250kHz。電源供電范圍：±6～±18V。PGA202/203的增益控制輸入端與TTL、CMOS電平兼容

PGA202/203內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖所示

2.2.6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。

由于隔離放大器采用了浮離式設(shè)計(jì)，消除了輸入、輸出端之間的耦合，因此具有以下特點(diǎn)：1）能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對(duì)低壓信號(hào)系統(tǒng)的損壞。2）泄漏電流低，對(duì)于測(cè)量放大器的輸入端無(wú)須提供偏流返回通路。3）共模抑制比高，能對(duì)直流和低頻信號(hào)（電壓或電流）進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測(cè)量。常用的有AD202、AD204及GF289等AD202/AD204的主要特點(diǎn)：低功耗：35mW(AD204)線性度：±0.025%非線性度(K級(jí))共模抑制比：130dB帶寬：1KHz/5KHz(滿功率AD202/AD204)共模隔離電壓：±2000VPK1）工作原理

AD202/AD204是模擬器件公司的典型產(chǎn)品，其功能框圖如下圖所示。從圖中看出，該芯片由放大器、調(diào)制器、解調(diào)器、整流和濾波、電源變換器等組成。工作時(shí)，＋15V電源連到電源輸入引腳31，使片內(nèi)(AD202)振蕩器工作，從而產(chǎn)生頻率為

25kHz的載波信號(hào)，通過(guò)變壓器耦合，經(jīng)整流和濾波，在隔離輸出部分形成電流2mA的±7.5V隔離電壓。該電壓除供給片內(nèi)電源外，還可作為外圍電路(如傳感器、浮地信號(hào)調(diào)節(jié)、前置放大器)的電源。AD204電源是從33引腳用輸入時(shí)鐘提供。在輸入電路中，片內(nèi)獨(dú)立放大器能夠作為AD202/AD204輸入信號(hào)的緩沖或放大。

放大后的信號(hào)經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后能把該信號(hào)變換成載波信號(hào)，經(jīng)變壓器送入同步解調(diào)器，以致在輸出端重現(xiàn)輸入信號(hào)。由于解調(diào)信號(hào)要經(jīng)三階濾波器濾波，從而使得輸出信號(hào)中的噪聲和紋波達(dá)到最小，為后級(jí)應(yīng)用電路提供良好的激勵(lì)源。(應(yīng)用AD204時(shí)要使用AD246為其供電)。單位增益緩沖器

2）應(yīng)用電路

增益G>1的前置放大器

GF289集成隔離放大器GF289典型接法

2.3濾波器2.3.1濾波器的分類按濾波器是否使用有源器件(放大器)來(lái)分1）無(wú)源濾波器：無(wú)源濾波器是指用無(wú)源器件如電感(L)、電容(c)和電阻(R)組成的濾波電路，如最簡(jiǎn)單的RC低通濾波器電路。2）有源擄按器：有源濾波器是指利用放大器、電阻和電容等組成的濾波電路。

根據(jù)濾波器的選頻特性分1）低通濾波器

通頻帶為0-fC2，fC2-∞為阻帶。2）高通濾波器

通頻帶為fC1-∞，f0-fC1為阻帶。3）帶通濾波器

通頻帶為fC1-fC2，其它頻率為阻帶。4）帶阻濾波器

阻帶為fC1-fC2，其它頻率為通帶。2.3.2二階有源低通濾波器1—1020—11K—10K104—10310—1001—0.110K—100K1000—100100—1K0.1—0.01100K—1M100—101)一般根據(jù)截止頻率，選取C2的數(shù)值，再取C1=C22)R=0.1125/(f0*C2)R1=R2=R，RF=2R,Rf=∞2.3.3二階有源高通濾波器一般根據(jù)截止頻率，選取C的數(shù)值,取C1=C2=C2.3.4開(kāi)關(guān)電容濾波器

開(kāi)關(guān)電容電路由受時(shí)鐘脈沖信號(hào)控制的模擬開(kāi)關(guān)、電容器和運(yùn)算放大電路組成。開(kāi)關(guān)電容電路應(yīng)用MOS工藝，故尺寸小、功耗低，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，易于制成大規(guī)模集成電路。開(kāi)關(guān)電容電路應(yīng)用：濾波器、振蕩器、平衡調(diào)制器和自適應(yīng)均衡器等各種模擬信號(hào)處理電路之中?；鹃_(kāi)關(guān)電容單元下圖所示為基本開(kāi)關(guān)電容單元電路，當(dāng) ；當(dāng)，它們分別控制電子開(kāi)關(guān)。當(dāng)S1閉合，S2斷開(kāi)，U1對(duì)C充電，充電電荷Q1=CU1；當(dāng)S1斷開(kāi)，S2閉合，U2對(duì)C放電，放電電荷Q2=CU2

。設(shè)開(kāi)關(guān)的周期為Tc，節(jié)點(diǎn)從左到右傳輸?shù)目傠姾蔀椋?/p>

ΔQ=CΔU=C(U1-U2)等效電流:I=ΔQ/Tc=C(U1-U2)/Tc

(2)開(kāi)關(guān)電容濾波電路

下圖所示開(kāi)關(guān)電容低通濾波器及其原型電路。電路正常工作的條件是和的頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓Ui的頻率

,因而開(kāi)關(guān)電容單元可等效成電阻R，且R=Tc/C1，電路的通帶截止頻率f0決定于時(shí)間常數(shù)：

如果時(shí)鐘脈沖的頻率足夠高，以至于可以認(rèn)為在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)兩個(gè)端口的電壓基本不變，則基本開(kāi)關(guān)電容單元就可以等效為電阻，其值為：(2)開(kāi)關(guān)電容濾波電路

下圖所示開(kāi)關(guān)電容低通濾波器及其原型電路。電路正常工作的條件是和的頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓Ui的頻率

,因而開(kāi)關(guān)電容單元可等效成電阻R，且R=Tc/C1，電路的通帶截止頻率f0決定于時(shí)間常數(shù)：

實(shí)際開(kāi)關(guān)電容低通濾波器電路

由于是時(shí)鐘脈沖，頻率相當(dāng)穩(wěn)定；而且是兩個(gè)電容的電容量之比，在集成電路制作時(shí)易于做到準(zhǔn)確和穩(wěn)定，所以開(kāi)關(guān)電容電路容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的時(shí)間常數(shù)，從而使濾波器的截止頻率穩(wěn)定。

MAX29X八階低通開(kāi)關(guān)電容濾波器

主要特點(diǎn)1)時(shí)鐘可調(diào)轉(zhuǎn)角頻率范圍:0.1Hz到25KHz(MAX293/294)，0.1Hz到50KHz(MAX297)2)時(shí)鐘對(duì)轉(zhuǎn)角頻率比：

100：1(MAX293/294)，50：1(MAX297)；3)不需要另接外部電路（電阻及電容）；4)內(nèi)部或外部時(shí)鐘；5)有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器可用于其它應(yīng)用目的;6)可用單+5V電源供電也可用±5V雙電源供電；7)8腳DIP或16腳寬SO封裝。管腳說(shuō)明管腳說(shuō)明：

①CLK時(shí)鐘輸入；②V-雙電源：-2.375～-5.5V；單電源：V-=0V；③OPOUT獨(dú)立運(yùn)放的輸出端；④