計(jì)算機(jī)軟件及應(yīng)用數(shù)據(jù)采集

1電子式多路開關(guān)根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為三種：雙極型晶體管開關(guān)：工作速度快、導(dǎo)通電阻大，屬于電流控制器件；功耗大、集成度低，只能一個(gè)方向傳遞信號(hào)電流。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)：從兩個(gè)方向?qū)π盘?hào)進(jìn)行開關(guān)控制，接通時(shí)間可做到10-100ns，導(dǎo)通電阻5-100歐；結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為分立器件，需要專門的電平轉(zhuǎn)換電路來驅(qū)動(dòng)，使用時(shí)不方便。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)：最常用的是CMOS場(chǎng)效應(yīng)管，其導(dǎo)通電阻Ron隨信號(hào)電壓變化波動(dòng)小，一般小于100歐，開關(guān)接通時(shí)間短，小于100ns。與驅(qū)動(dòng)電路集成容易。集成電路開關(guān)：將場(chǎng)效應(yīng)多路開關(guān)、地址計(jì)數(shù)器、譯碼器及控制電路等集成在一塊芯片上而構(gòu)成的器件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要使用電子式多路開關(guān)。2二、多路開關(guān)的工作原理雙極型晶體管開關(guān)工作原理示意圖如下所示。當(dāng)Uc1=0時(shí)，晶體管截止，晶體管導(dǎo)通，輸出信號(hào)其它同理?？刂菩盘?hào)Uc1–Uc8不能同時(shí)有兩個(gè)以上為零。3場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)工作原理示意圖如下所示。P溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管。當(dāng)Uc1=1，開關(guān)控制管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，U0=Ui1；其它原理相同。4集成多路開關(guān)工作原理如下。由計(jì)算機(jī)送出四位二進(jìn)制數(shù)，例如選擇第2路輸入信號(hào)，計(jì)數(shù)器置成0001，四-十六譯碼器譯碼，第

2條輸出線高電平，場(chǎng)效應(yīng)管T1導(dǎo)通，U0=

Ui1，選中第1路。如果要連續(xù)選通第1路-第3路信號(hào)，可在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)端加脈沖，來一次脈沖+1，依次輸出0001、0010、0011。5三、多路開關(guān)的主要指標(biāo)1）RON：導(dǎo)通電阻；2）RONVS：導(dǎo)通電阻溫度漂移；3）IC：開關(guān)接通電流；4）IS：開關(guān)斷開時(shí)的泄漏電流；5）CS：開關(guān)斷開時(shí)，開關(guān)對(duì)地電容；6）COUT：開關(guān)斷開時(shí)，輸出端對(duì)地電容；7）tON：選通信號(hào)EN達(dá)到50%到開關(guān)接通的延遲時(shí)間；8）tOFF：選通信號(hào)EN達(dá)到50%到開關(guān)斷開的延遲時(shí)間；9）tOPEN：開關(guān)切換時(shí)間。兩通道均為斷開時(shí)，從一個(gè)通道接通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道接通狀態(tài)，并達(dá)到穩(wěn)定所用的時(shí)間。6四、多路開關(guān)集成芯片在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常用的模擬多路開關(guān)集成芯片有AD公司的AD7501、AD7503，RCA公司的CD4051，MOTOLOLA公司的MC14051等。1、AD7501AD7501采用16腳雙列直插式封裝，8通道單刀式結(jié)構(gòu)，引腳14、15分別接±15V電源，腳2接地。AD7501是有8個(gè)輸入通道（S1-S8）；1個(gè)輸出通道（OUT）的CMOS多路開關(guān)。由三個(gè)地址線(A2、1、0)和EN進(jìn)行1/8選擇。7AD7501真值表A2A1A0EN導(dǎo)通0001100112010130111410015101161101711118×××0無注：片上所有邏輯輸入與TTL及CMOS電路兼容；單向多到一。82、CD4501（自學(xué)）（◎▲◎）CD4501采用16腳雙列直插式封裝，8通道單刀式結(jié)構(gòu)，允許雙向使用，可用于多到一、一到多的雙向輸出切換。由三根地址線A、B、C及控制線INH的狀態(tài)來選擇8路中的1路，INH=0芯片使能；雙向使用。9CD4501真值表INHCBA接通通道0000S00001S10010S20011S30100S40101S50110S60111S71×××無103、CD4502CD4502芯片采用16腳雙列直插式封裝，4通道雙刀結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)通道，允許雙向使用，用于多到一、一到多切換。其中，有2根地址線A、B，控制線INH=0時(shí)，芯片使能。11CD4502真值表輸入接通通道INHABXY000000011101022011331××不通不通12五、多路開關(guān)的選用模擬多路開關(guān)的作用主要是信號(hào)切換，例如在一某時(shí)刻接通某一路，讓該路信號(hào)輸入而讓其它路斷開。選擇時(shí)，需要考慮：通道數(shù)量：通道數(shù)量對(duì)傳輸信號(hào)的精度和切換速度有直接影響。通道數(shù)目越大，寄生電容和泄漏電流越大，通道間干擾也越多。泄漏電流：如果信號(hào)源內(nèi)阻很大，并且傳輸?shù)氖请娏?，就要更多考慮多路開關(guān)的泄漏電流，泄漏電流越小越好。切換速度：傳輸高速信號(hào)的場(chǎng)合，多路開關(guān)的切換速度要高，并且兼顧采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換的速度等。開關(guān)電阻：理想狀態(tài)的多路開關(guān)導(dǎo)通電阻為零、斷開電阻為無窮大，但很難做到。一般應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻足夠低的多路開關(guān)。另外，也需要考慮多路開關(guān)的漂移性和每路電阻的一致性等。13六、多路開關(guān)的配置模擬多路開關(guān)將多路輸入信號(hào)切換到公共采樣/保持器或A/D轉(zhuǎn)換器的方法有兩種。1、單端法單端法是把所有輸入信號(hào)的一端接至同一個(gè)信號(hào)地，再將信號(hào)地與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬地相接；輸入信號(hào)的另一端接至多路開關(guān)輸入端。接法1：可保證系統(tǒng)的共模抑制能力，通道數(shù)不變。但僅適用于所有輸入信號(hào)均參考一個(gè)公共電位、信號(hào)源均置于同樣的噪聲環(huán)境，否則會(huì)引入附加的差模干擾。應(yīng)用范圍較窄。14接法2：應(yīng)用在所有輸入信號(hào)相對(duì)于系統(tǒng)模擬地的測(cè)量上，而且信號(hào)電平顯著大于在系統(tǒng)中的共模電壓Ucm，此時(shí)系統(tǒng)的共模抑制能力基本沒有發(fā)揮，但系統(tǒng)可得到最大的通道數(shù)。注：上述兩種接法為單端接法。其中，接法1的信號(hào)地與模擬地共點(diǎn)，而接法2的信號(hào)地與模擬地不共點(diǎn)。152、雙端法雙端法是把所有輸入信號(hào)的兩端各自分別接至多路開關(guān)的輸入端，如下圖所示。當(dāng)信號(hào)源的信噪比較小時(shí)，必須使用這種接法，抗共模干擾能力強(qiáng)，適用于采集低電平信號(hào)，但實(shí)際通道減少一半.16注意：多路開關(guān)從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道時(shí)，會(huì)發(fā)生瞬變現(xiàn)象，輸出產(chǎn)生尖峰電壓，假如此時(shí)采集該信號(hào)，會(huì)引入誤差。為了消除誤差，可用軟件延時(shí)或進(jìn)行濾波。例：設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集傳輸通道，要求單端接法時(shí)能提供32個(gè)通道，雙端接法時(shí)能提供16個(gè)通道。解：用4個(gè)多路開關(guān)U1-U4（CD4501）組成32個(gè)單端通路（CH0-CH31）。CPU輸出一個(gè)字節(jié)控制字存入D寄存器（74LS273），其中D0-D2作為地址線分別與A、B、C相連，D3-D6作為U1-U4的控制信號(hào)INH。171）如果選單端輸入，可短接KA的1-2、3-4和KB的2-3、5-6，則可提供32路輸入通道CH0-31。2）如果選雙端輸入，可輸入16路信號(hào)，每路占2個(gè)端子開關(guān)，CH0-15為信號(hào)正端，CH16-31為信號(hào)負(fù)端，短接KA的2-3，再短接KB的1-2、4-5。此時(shí)D3為芯片U1、3的控制信號(hào)INH，D4為芯片U2、4的控制信號(hào)INH。18§9.4測(cè)量放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被監(jiān)測(cè)的物理量經(jīng)過傳感器變換成模擬信號(hào)，往往是很微弱的，需要用放大器放大。市場(chǎng)上可以購買到各種放大器，如通用運(yùn)算放大器、測(cè)量放大器等。通用運(yùn)算放大器一般存在失調(diào)電壓和溫漂，不能直接用于信號(hào)放大；而測(cè)量放大器則能較好地實(shí)現(xiàn)放大功能。測(cè)量放大器是一種帶有精密差動(dòng)電壓增益的器件，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、抗共模干擾能力強(qiáng)、溫漂低、失調(diào)電壓低和穩(wěn)定增益高等特點(diǎn)，在微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中被廣泛用作前置放大器。19一、測(cè)量放大器的電路原理測(cè)量放大器由三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成，如下圖所示。其中，A1、A2構(gòu)成兩個(gè)同相比例放大器，為第一級(jí)，具有高輸入阻抗，由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可抑制零點(diǎn)漂移；

A3構(gòu)成差動(dòng)放大器，為第二級(jí)，把雙端輸入變成對(duì)地的單端輸出。201、測(cè)量放大器的增益測(cè)量放大器采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取R1=R2，R3=R4，R5=R6,由于R1=R2，RG的中點(diǎn)是地.同理差模輸入電阻→∞兩個(gè)輸入電流

=

0U+-U-=U0/Au0≈0Au0→∞，U+=U-21對(duì)于二級(jí)，運(yùn)放的兩個(gè)輸入端都有輸入，則為差動(dòng)輸入。22可見，只要改變RG的值，就可以改變測(cè)量放大器的放大倍數(shù)K。同時(shí)，為了提高測(cè)量精度，測(cè)量放大器必須具有很高的共模抑制比，并且要求使用高精度的電阻元件。所以，可得到測(cè)量放大器增益：差模干擾是一個(gè)信號(hào)輸入端相對(duì)于另一個(gè)信號(hào)輸入端的電位差發(fā)生變化而產(chǎn)生的干擾，干擾信號(hào)與有用信號(hào)疊加后作用于輸入端，直接影響測(cè)量結(jié)果。共模干擾是相對(duì)于公共電位基點(diǎn)—接地點(diǎn)，兩個(gè)輸入端上同時(shí)出現(xiàn)的干擾，該干擾不直接影響測(cè)量結(jié)果，但若信號(hào)輸入電路參數(shù)不對(duì)稱，會(huì)轉(zhuǎn)化為差模干擾。232、抗共模干擾能力對(duì)于直流共模信號(hào)，由于IG=0，當(dāng)R3=R4=R5=R6時(shí)，U0=0，所以測(cè)量放大器對(duì)直流共模信號(hào)的抑制比為無窮大。對(duì)于交流共模信號(hào)，輸入信號(hào)的傳輸線存在線阻Ri1、Ri2和分布電容C1、C2，顯然Ri1C1和Ri2C2分別對(duì)地構(gòu)成回路，Ri1C1≠Ri2C2時(shí)，交流共模信號(hào)在運(yùn)放兩輸入端產(chǎn)生分壓Ui1和Ui2，Ui1≠Ui2，所以IG≠0，對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生干擾。24要抑制交流共模信號(hào)干擾，可以在輸入端加一個(gè)輸入保護(hù)電路，并把信號(hào)線屏蔽起來，稱為“輸入保護(hù)”。當(dāng)時(shí)，由于屏蔽層和信號(hào)線間對(duì)交流信號(hào)是等電位的，C1、C2的分壓作用就不存在，從而降低了共模交流信號(hào)的影響（在正常使用情況下，C1>>C2）。25二、測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)1）非線性度：實(shí)際輸出-輸入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，則當(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位以下的轉(zhuǎn)換器，如果測(cè)量系統(tǒng)采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，一定要選擇非線性度偏差小于0.025%的測(cè)量放大器。2）溫漂：測(cè)量放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的程度。通常測(cè)量放大器的輸出電壓會(huì)隨溫度變化而發(fā)生1-50μV/℃，這也與測(cè)量放大器的增益有關(guān)。例如，溫漂為2μV/℃，當(dāng)增益為1000時(shí)，測(cè)量放大器輸出電壓產(chǎn)生約20mV的變化。3）建立時(shí)間：從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間到測(cè)量放大器輸出電壓達(dá)到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需時(shí)間。它影響速度。264）恢復(fù)時(shí)間：放大器撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間到放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需時(shí)間，它直接影響數(shù)據(jù)采樣速度。5）電源引起的失調(diào)：電源電壓每變化

1%，引起放大器的漂移電壓值。測(cè)量放大器一般作為數(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)是設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。6）共模抑制比：放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Aud

與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Auc

之比，稱為共模抑制比（CommonModeRejectionRatio，CMRR）。差模信號(hào)電壓放大倍數(shù)越大，共模信號(hào)電壓放大倍數(shù)越小，則CMRR越大，此時(shí)差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)，放大器的性能越好。當(dāng)差動(dòng)放大電路完全對(duì)稱時(shí)，共模信號(hào)電壓放大倍數(shù)Auc=0，共模抑制比CCMR→∞（理想情況），實(shí)際上電路不可能完全對(duì)稱，共模抑制比也不可能趨于無窮大。

27三、測(cè)量放大器集成芯片集成放大器芯片種類較多，其中，美國(guó)AnalogDevices公司的AD521和AD522是按照上述原理設(shè)計(jì)的集成測(cè)量放大器。其它測(cè)量放大器雖然電路有差別，但外部性能基本是一樣的。1、AD521AD521是集成測(cè)量放大器，14引腳雙列直插式封裝，如下圖。引腳功能基本連接方法28OFFSET（4，6）：用于調(diào)整放大器零點(diǎn)，方法是芯片4、6端接10kΩ電位器的兩個(gè)固定端，電位器滑動(dòng)端接負(fù)電源U-（5）;RG（2，14）：外接電阻RG

，用于調(diào)整放大倍數(shù)。放大倍數(shù)計(jì)算公式為其放大倍數(shù)可在1-1000的范圍內(nèi)調(diào)整。RS（10，13）：外接電阻RS，用于對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行微調(diào)。選用RS=100kΩ±15%時(shí)，可得到比較穩(wěn)定的放大倍數(shù)。29AD521（J為例）的技術(shù)規(guī)范增益G=RS

/RG溫度穩(wěn)定度1~1000±(3±0.05G)×10-6/℃工作溫度范圍-25℃

~

+85℃小信號(hào)帶寬G=1G=10G=100G=1000上升率＞2MHz300kHz200kHz40kHz10V/μs共模抑制比G=1G=10G=100G=100074dB94dB104dB110dB失調(diào)電壓溫漂系數(shù)電源引起的失調(diào)2mV7μV/℃3μV/%偏置電流80nA差模輸入阻抗共模輸入阻抗3×109Ω6×109Ω電源±(5~18)V302、AD522（自學(xué)）（◎▲◎）AD522是集成精密測(cè)量放大器，在G=100時(shí)，其非線性度為0.005%，在0.1Hz~100Hz頻帶內(nèi)，噪聲的峰-峰值為1.5mV,其共模抑制比CMRR＞100dB(G=100)。AD522采用14腳雙列直插式封裝。4、6用于調(diào)整放大器零點(diǎn)，線路同AD521；2、14連接調(diào)整放大倍數(shù)的電阻RG，13腳連接信號(hào)傳輸線的屏蔽網(wǎng)，以減少干擾。31四、測(cè)量放大器的使用在使用測(cè)量放大器時(shí)，要特別注意為偏置電流提供回路，否則偏置電流會(huì)對(duì)雜散電容充電，使輸出電壓漂移而得不到控制。以下以AD521芯片為例，討論測(cè)量放大器的實(shí)際應(yīng)用。AD521與熱電偶、變壓器、交流耦合信號(hào)的連接如下圖所示。(a)與熱電偶直接相連（b）與變壓器相連32當(dāng)用測(cè)量放大器，例如AD521，處理來自熱電偶、變壓器或交流耦合源的輸入信號(hào)時(shí)，必須使輸入端對(duì)地有一條通路。上例中，AD521輸入端（1或3）直接或通過電阻與電源的地線構(gòu)成回路。（c）與交流信號(hào)通過電容相連33五、隔離放大器隔離放大器多用于共模抑制比要求較高的模擬信號(hào)的傳輸過程中，例如對(duì)微弱模擬信號(hào)采集，現(xiàn)場(chǎng)干擾比較大，對(duì)信號(hào)的傳遞精度要求又高，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。1、隔離放大器的結(jié)構(gòu)隔離放大器是一種既有一般普通運(yùn)放的特性，又在其輸入端和輸出端無直接耦合通路的放大器，其信息傳輸是通過磁路來實(shí)現(xiàn)的。隔離放大器一般由五部分組成：高性能輸入運(yùn)算放大器，調(diào)制器和解調(diào)器，信號(hào)耦合變壓器，輸出運(yùn)算放大器，電源。34下圖為美國(guó)AD公司生產(chǎn)的Model277隔離放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。Model277就含有上述五個(gè)部分，且分為兩個(gè)各自屏蔽的模塊。兩個(gè)模塊分別是輸入模塊和輸出模塊，祥見下頁介紹。35輸入模塊 輸入模塊由運(yùn)放、調(diào)制器、電源組成。其中，運(yùn)算放大器A1和調(diào)制器將輸入的模擬直流信號(hào)放大后，再變成頻率一定的交流信號(hào)。電源由DC/AC逆變器提供高頻交流電壓，交流電壓用于調(diào)制器，整流后的直流電壓一方面供給輸入運(yùn)算放大器，另一方面還可對(duì)外輸出±15V的直流電(經(jīng)1、9、5)，最大電流可到15mA。6、7、8腳為運(yùn)放A1的調(diào)零端。輸出模塊 輸出模塊由運(yùn)算放大器A2、解調(diào)器、逆變器組成。其中，解調(diào)器將來自耦合變壓器的次級(jí)交流信號(hào)變成直流信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器A2放大輸出；逆變器將來自15、16腳的直流電源變成高頻電源后，一方面送解調(diào)器，保證解調(diào)器與調(diào)制器同步工作，另一方面經(jīng)耦合變壓器向輸入端電源提供高頻交流電壓。13腳為調(diào)零端，如果不用就接地；12、10之間接入不同電阻，可得不同閉環(huán)增益，直接相連增益為1。11腳通常直接或經(jīng)電阻接地，與16腳形成通路。36進(jìn)一步解釋（自學(xué)）（◎▲◎）277是美國(guó)AD公司的一種通用隔離放大器，其前后級(jí)各由高性能的運(yùn)算放大器A1、A2構(gòu)成，前級(jí)由浮置電源供電，并輸出浮置電壓（±15V），可供傳感器等使用。A1的3、4端為差動(dòng)輸入端，6、7、8端為調(diào)零端，2是A1的輸出端，用于構(gòu)成各種反饋放大。輸出級(jí)A2的反相端接有100k歐的電阻，在增益調(diào)整引腳12與輸出引腳10之間外接不同阻值電阻，可得到不同的閉環(huán)增