计算机软件及应用数据采集.pptx

单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,电子式多路开关根据结构可分为三种：,双极型晶体管开关：,工作速度快、导通电阻大，属于电流控制器件；功耗大、集成度低，只能一个方向传递信号电流。,结型场效应晶体管开关：,从两个方向对信号进行开关控制，接通时间可做到,10-100ns,，导通电阻,5-100,欧；结型场效应管为分立器件，需要专门的电平转换电路来驱动，使用时不方便。,绝缘栅场效应晶体管开关：,最常用的是,CMOS,场效应管，其导通电阻,R,on,随信号电压变化波动小，一般小于,100,欧，开关接通时间短，小于,100ns,。与驱动电路集成容易。,集成电路开关：,将场效应多路开关、地址计数器、译码器及控制电路等集成在一块芯片上而构成的器件。,数据采集系统主要使用电子式多路开关。,2,二、多路开关的工作原理,双极型晶体管开关工作原理示意图如下所示。,当,U,c1,=0,时，晶体管 截止，晶体管 导通，输出信号 其它同理。控制信号,U,c1,U,c8,不能同时有两个以上为零。,3,场效应管开关工作原理示意图如下所示。,P,沟道绝缘栅场效应开关管。当,U,c1,=1,，开关控制管 导通，场效应管导通，,U,0,=U,i1,；其它原理相同。,4,集成多路开关工作原理如下。,由计算机送出四位二进制数，例如选择第,2,路输入信号，计数器置成,0001,，四,-,十六译码器译码，第,2,条输出线高电平，场效应管,T,1,导通，,U,0,=,U,i1,，选中第,1,路。,如果要连续选通第,1,路,-,第,3,路信号，可在计数器计数端加脉冲，来一次脉冲,+1,，依次输出,0001,、,0010,、,0011,。,5,三、多路开关的主要指标,1,）,R,ON,：导通电阻；,2,）,R,ONVS,：导通电阻温度漂移；,3,）,I,C,：开关接通电流；,4,）,I,S,：开关断开时的泄漏电流；,5,）,C,S,：开关断开时，开关对地电容；,6,）,C,OUT开关断开时，输出端对地电容；,7,）,t,ON,：选通信号,EN,达到,50%,到开关接通的延迟时间；,8,）,t,OFF,：选通信号,EN,达到,50%,到开关断开的延迟时间；,9,）,t,OPEN,：开关切换时间。两通道均为断开时，从一个通道接通状态转换到另一个通道接通状态，并达到稳定所用的时间。,6,四、多路开关集成芯片,在数据采集系统中常用的模拟多路开关集成芯片有,AD,公司的,AD7501,、,AD7503,，,RCA,公司的,CD4051,，,MOTOLOLA,公司的,MC14051,等。,1,、,AD7501,AD7501,采用,16,脚双列直插式封装，,8,通道单刀式结构，引脚,14,、,15,分别接,15V,电源，脚,2,接地。,AD7501,是有,8,个输入通道（,S,1,-S,8,）；,1,个输出通道（,OUT,）的,CMOS,多路开关。由三个地址线,(A,2,、,1,、,0,),和,EN,进行,1/8,选择。,7,AD7501,真值表,A2,A1,A0,EN,导通,0,0,0,1,1,0,0,1,1,2,0,1,0,1,3,0,1,1,1,4,1,0,0,1,5,1,0,1,1,6,1,1,0,1,7,1,1,1,1,8,0,无,注：片上所有逻辑输入与,TTL,及,CMOS,电路兼容；单向多到一。,8,2,、,CD4501,（自学）,（,）,CD4501采用,16,脚双列直插式封装，,8,通道单刀式结构，允许双向使用，可用于多到一、一到多的双向输出切换。,由三根地址线,A,、,B,、,C,及控制线,INH,的状态来选择,8,路中的,1,路，,INH=0,芯片使能；双向使用。,9,CD4501,真值表,INH,C,B,A,接通通道,0,0,0,0,S,0,0,0,0,1,S,1,0,0,1,0,S,2,0,0,1,1,S,3,0,1,0,0,S,4,0,1,0,1,S,5,0,1,1,0,S,6,0,1,1,1,S,7,1,无,10,3,、,CD4502,CD4502,芯片采用,16,脚双列直插式封装，,4,通道双刀结构，可以同时驱动,2,个通道,，,允许双向使用,，,用于多到一,、,一到多切换。,其中，有,2,根地址线,A,、,B,，控制线,INH=0,时，芯片使能。,11,CD4502,真值表,输入,接通通道,INH,A,B,X,Y,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,0,1,0,2,2,0,1,1,3,3,1,不通,不通,12,五、多路开关的选用,模拟多路开关的作用主要是信号切换，例如在一某时刻接通某一路，让该路信号输入而让其它路断开。选择时，需要考虑：,通道数量：,通道数量对传输信号的精度和切换速度有直接影响。通道数目越大，寄生电容和泄漏电流越大，通道间干扰也越多。,泄漏电流：,如果信号源内阻很大，并且传输的是电流，就要更多考虑多路开关的泄漏电流，泄漏电流越小越好。,切换速度：,传输高速信号的场合，多路开关的切换速度要高，并且兼顾采样,/,保持、,A/D,转换的速度等。,开关电阻：,理想状态的多路开关导通电阻为零、断开电阻为无穷大，但很难做到。一般应选择导通电阻足够低的多路开关。,另外，也需要考虑多路开关的漂移性和每路电阻的一致性等。,13,六、多路开关的配置,模拟多路开关将多路输入信号切换到公共采样,/,保持器或,A/D,转换器的方法有两种。,1,、单端法,单端法是把所有输入信号的一端接至同一个信号地，再将信号地与,A/D,转换器的模拟地相接；输入信号的另一端接至多路开关输入端。,接法,1,：,可保证系统的共模抑制能力，通道数不变。但仅适用于所有输入信号均参考一个公共电位、信号源均置于同样的噪声环境，否则会引入附加的差模干扰。应用范围较窄。,14,接法,2,：,应用在所有输入信号相对于系统模拟地的测量上,，,而且信号电平显著大于在系统中的共模电压,U,cm,，此时系统的共模抑制能力基本没有发挥，但系统可得到最大的通道数。,注：上述两种接法为单端接法。其中，接法,1,的信号地与模拟地共点，而接法,2,的信号地与模拟地不共点。,15,2,、双端法,双端法是把所有输入信号的两端各自分别接至多路开关的输入端，如下图所示。,当信号源的信噪比较小时，必须使用这种接法，抗共模干扰能力强，适用于采集低电平信号但实际通道减少一半,.,16,注意：多路开关从一个通道切换到另一个通道时，会发生,瞬变,现象，输出产生尖峰电压，假如此时采集该信号，会引入误差。为了消除误差，可用软件延时或进行滤波。,例：设计一个数据采集传输通道，要求单端接法时能提供,32,个通道，双端接法时能提供,16,个通道。,解,：,用,4,个多路开关,U,1,-U,4,（,CD4501,）组成,32,个单端通路（,CH,0,-CH,31,）。,CPU,输出一个字节控制字存入,D,寄存器（,74LS273,），其中,D,0,-D,2,作为地址线分别与,A,、,B,、,C,相连，,D,3,-D,6,作为,U,1,-U,4,的控制信号,INH,。,17,1,）如果,选单端输入，,可短接,KA,的,1-2,、,3-4,和,KB,的,2-3,、,5-6,，则可提供,32,路输入通道,CH,0-31,。,2,）如果,选双端输入，,可输入,16,路信号，每路占,2,个端子开关，,CH,0-15,为信号正端，,CH,16-31,为信号负端，短接,KA,的,2-3,，再短接,KB,的,1-2,、,4-5,。此时,D,3,为芯片,U,1,、,3,的控制信号,INH,，,D,4,为芯片,U,2,、,4,的控制信号,INH,。,18,9.4,测量放大器,在数据采集系统中，被监测的物理量经过传感器变换成模拟信号，往往是很微弱的，需要用放大器放大。市场上可以购买到各种放大器,，,如通用运算放大器,、,测量放大器等。通用运算放大器一般存在失调电压和温漂，不能直接用于信号放大；而测量放大器则能较好地实现放大功能。,测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件，具有输入阻抗高、输出阻抗低、抗共模干扰能力强、温漂低、失调电压低和稳定增益高等特点，在微弱信号监测系统中被广泛用作前置放大器。,19,一、测量放大器的电路原理,测量放大器由三个运放构成，如下图所示。其中，,A,1,、,A,2,构成两个同相比例放大器，为第一级，具有高输入阻抗，由于电路结构对称，可抑制零点漂移；,A,3,构成差动放大器，为第二级，把双端输入变成对地的单端输出。,20,1,、测量放大器的增益,测量放大器采用对称结构，取,R,1,=,R,2,，,R,3,=,R,4,，,R,5,=,R,6,由于,R,1,=,R,2,，,R,G,的中点是,地,.,同理,差模输入电阻,两个输入电流,=,0,U,+,-U,-,=U,0,/A,u0,0,A,u0,，,U,+,=U-,21,对于二级，运放的两个输入端都有输入，则为差动输入。,22,可见，只要改变,R,G,的值，就可以改变测量放大器的放大倍数,K,。同时，为了提高测量精度，测量放大器必须具有很高的共模抑制比，并且要求使用高精度的电阻元件。,所以，可得到测量放大器增益：,差模干扰,是一个信号输入端相对于另一个信号输入端的电位差发生变化而产生的干扰，干扰信号与有用信号叠加后作用于输入端，直接影响测量结果。,共模干扰,是相对于公共电位基点,接地点，两个输入端上同时出现的干扰，该干扰不直接影响测量结果，但若信号输入电路参数不对称，会转化为差模干扰,。,23,2,、抗共模干扰能力,对于直流共模信号，由于,I,G,=0,，当,R,3,=R,4,=R,5,=R,6,时，,U,0,=0,，所以测量放大器对直流共模信号的抑制比为无穷大。,对于交流共模信号，输入信号的传输线存在线阻,R,i1,、,R,i2,和分布电容,C,1,、,C,2,，显然,R,i1,C,1,和,R,i2,C,2,分别对地构成回路，,R,i1,C,1,R,i2,C,2,时，交流共模信号在运放两输入端产生分压,U,i1,和,U,i2,，,U,i1,U,i2,，,所以,I,G,0,，对输入信号产生干扰。,24,要抑制交流共模信号干扰，可以在输入端加一个输入保护电路，并把信号线屏蔽起来，称为“输入保护”。当 时，由于屏蔽层和信号线间对交流信号是等电位的，,C,1,、,C,2,的分压作用就不存在，从而降低了共模交流信号的影响（在正常使用情况下，,C,1,C,2,）。,25,二、测量放大器的主要技术指标,1,）非线性度：实际输出,-,输入曲线与理想直线的偏差,。,当增益为,1,时,，,如果一个,12,位,A/D,转换器有,0.025%,的非线性偏差,，,则当增益为500,时，非线性偏差可达,0.1%,，相当于把,12,位,A/D,转换器变成,10,位以下的转换器，如果测量系统采用,12,位,A/D,转换器，一定要选择非线性度偏差小于,0.025%,的测量放大器。,2,）温漂：测量放大器输出电压随温度变化而变化的程度。通常测量放大器的输出电压会随温度变化而发生,1-50,V/,，这也与测量放大器的增益有关。例如，温漂为,2,V/,，当,增益为,1000,时，测量放大器输出电压产生约,20mV,的变化。,3,）建立时间：从阶跃信号驱动瞬间到测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需时间。它影响速度。,26,4,）恢复时间：放大器撤除驱动信号瞬间到放大器由饱和状态恢复到最终值所需时间，它直接影响数据采样速度。,5,）电源引起的失调：电源电压每变化,1%,，引起放大器的漂移电压值。测量放大器一般作为数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标是设计稳压电源的主要依据之一。,6,）共模抑制比：放大器对差模信号的电压放大倍数,A,ud,与对共模信号的电压放大倍数,A,uc,之比，称为共模抑制比（,Common Mode Rejection Ratio,，,CMRR,）。差模信号电压放大倍数越大，共模信号电压放大倍数越小,，,则,CMRR,越大,，,此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强,，,放大器的性能越好,。,当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数,A,uc,=0,，共模抑制比,CCMR,（理想情况）,，,实际上电路不可能完全对称,，,共模抑制比也不可能趋于无穷大。,27,三、测量放大器集成芯片,集成放大器芯片种类较多,，,其中，美国,Analog Devices,公司的,AD521,和,AD522,是按照上述原理设计的集成测量放大器,。,其它测量放大器虽然电路有差别，但外部性能基本是一样的。,1,、,AD521,AD521,是集成测量放大器，,14,引脚双列直插式封装，如下图。,引脚功能,基本连接方法,28,OFFSET,（,4,，,6,）：,用于调整放大器零点，方法是芯片,4,、,6,端接,10k,电位器的两个固定端，电位器滑动端接负电源,U,-,（,5,）,;,R,G,（,2,，,14,）：,外接电阻,R,G,，用于调整放大倍数。放大倍数计算公式为,其放大倍数可在,1-1000,的范围内调整。,R,S,（,10,，,13,）：,外接电阻,R,S,，,用于对放大倍数进行微调。选用,R,S,=100k,15%,时，可得到比较稳定的放大倍数。,29,AD521,（,J,为例）的技术规范,增益,G,=R,S,/R,G,温度稳定度,1,1000,(30.05G)10,-6,/,工作温度范围,-25,+85,小信号带宽,G=1,G=10,G=100,G=1000,上升率,2MHz,300kHz,200kHz,40kHz,10V/,s,共模抑制比,G=1,G=10,G=100,G=1000,74dB,94dB,104dB,110dB,失调电压,温漂系数,电源引起的失调,2mV,7,V/,3,V/%,偏置电流,80nA,差模输入阻抗,共模输入阻抗,310,9,610,9,电源,(5 18)V,30,2,、,AD522,（自学）,（,）,AD522,是集成精密测量放大器，在,G=100,时，其非线性度为,0.005%,，在,0.1Hz 100Hz,频带内，噪声的峰,-,峰值为,1.5mV,其共模抑制比,CMRR,100dB(G=100),。,AD522,采用,14,脚双列直插式封装。,4,、,6,用于调整放大器零点，线路同,AD521,；,2,、,14,连接调整放大倍数的电阻,R,G,，,13,脚连接信号传输线的屏蔽网，以减少干扰。,31,四、测量放大器的使用,在使用测量放大器时，要特别注意为偏置电流提供回路，否则偏置电流会对杂散电容充电，使输出电压漂移而得不到控制。以下以,AD521,芯片为例，讨论测量放大器的实际应用。,AD521,与热电偶、变压器、交流耦合信号的连接如下图所示。,(a),与,热电偶直接相连,（,b,）,与变压器相连,32,当用测量放大器，例如,AD521,，处理来自热电偶、变压器或交流耦合源的输入信号时，必须使输入端对地有一条通路。上例中，,AD521,输入端（,1,或,3直接或通过电阻与电源的地线构成回路。,（,c,）与交流信号通过电容相连,33,五、隔离放大器,隔离放大器多用于共模抑制比要求较高的模拟信号的传输过程中，例如对微弱模拟信号采集，现场干扰比较大，对信号的传递精度要求又高，可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。,1,、隔离放大器的结构,隔离放大器是一种既有一般普通运放的特性，又在其输入端和输出端无直接耦合通路的放大器，其信息传输是通过磁路来实现的。,隔离放大器一般由五部分组成：高性能输入运算放大器，调制器和解调器，信号耦合变压器，输出运算放大器，电源。,34,下图为美国,AD,公司生产的,Model 277,隔离放大器的内部结构框图。,Model 277,就含有上述五个部分，且分为两个各自屏蔽的模块。,两个模块分别是输入模块和输出模块，祥见下页介绍。,35,输入模块,输入模块由运放、调制器、电源组成。其中，运算放大器,A,1,和调制器将输入的模拟,直流,信号放大后，再变成频率一定的交流信号。电源由,DC/AC,逆变器提供高频交流电压，交流电压用于调制器，整流后的直流电压一方面供给输入运算放大器，另一方面还可对外输出,15V,的直流电,(,经,1,、,9,、,5,),，最大电流可到,15mA,。,6,、,7,、,8,脚为运放,A,1,的调零端。,输出模块,输出模块由运算放大器,A,2,、解调器、逆变器组成。其中，解调器将来自耦合变压器的次级交流信号变成直流信号，经运算放大器,A,2,放大输出；逆变器将来自,15,、,16,脚的直流电源变成高频电源后，一方面送解调器，保证解调器与调制器同步工作，另一方面经耦合变压器向输入端电源提供高频交流电压。,13,脚为调零端，如果不用就接地；,12,、,10,之间接入不同电阻，可得不同闭环增益，直接相连增益为,1,。,11,脚通常直接或经电阻接地，与,16,脚形成通路。,36,进一步解释,（自学）,（,）,277,是美国,AD,公司的一种通用隔离放大器，其前后级各由高性能的运算放大器,A,1,、,A,2,构成，前级由浮置电源供电,，,并输出浮置电压（,15V,），,可供传感器等使用。,A,1,的,3,、,4,端为差动输入端，,6,、,7,、,8,端为调零端，,2,是,A,1,的输出端,，,用于构成各种反馈放大。输出级,A,2,的反相端接有,100k,欧的电阻，在增益调整引脚,12,与输出引脚,10,之间外接不同阻值电阻,，,可得到不同的闭环增益。,13,端的,1,兆欧电阻用于调整零点误差，如不调零，应将,13,引脚接地以减小干扰的影响。,14,、,15,和,16,引脚为外加正负直流稳压电源端，其中,16,引脚是公共端,，,且与,A,2,的同向端,11,引脚相连接，构成输出级的地。,277,隔离放大器的输入与输出级靠变压器耦合。,37,2,、,Model 277,隔离放大器的主要参数,输入回路,开环增益：,106dB,失调电压：,1.5,V,温漂系数：,3,V/,偏置电流：,60nA,差动输入阻抗：,4M,共模输入阻抗：,100M,输出回路,隔离电阻：,10,12,小信号带宽：,2.5kHz,满功率带宽：,1.5kHz,供电电源电压：,14V 16V,供电电源电流：,+35mA,，,-5mA,工作温度范围：,-25 +85,38,3,、隔离放大器的应用,Model 277,芯片用作同相比例放大器的电路如下图所示。该隔离放大器增益,K,约等于输出回路增益,K,2,和输入回路增益,K,1,的乘积，。,6,、,7,、,8,接,20k,电阻用于,A,1,调零,13,、,14,、,15,所接,电阻用于,A,2,调零,39,第九章作业（,2,）,1,、模拟多路开关的作用是什么？,2,、为什么在数据采集系统中要使用测量放大器？,3,、某数据采集系统具有,8,个模拟通道，各通道输入信号频率可达,5kHz,，要求至少以每个采样周期,10,个采样点的速度进行采样。问：,1,）多路开关的切换速率是多少？,2,）可选用什么类型的多路开关？,