采樣保持器課件

模擬量輸入通道

本講要點(diǎn)

1．模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成。2．多路開(kāi)關(guān)，前置放大、采樣保持等各環(huán)節(jié)的功能作用。

模擬量輸入通道本講要點(diǎn)1

引言

1信號(hào)調(diào)理電路

2多路模擬開(kāi)關(guān)

3前置放大器

4采樣保持器

本講小結(jié)

思考題

本講主要內(nèi)容引言本講主要內(nèi)容2引言

模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對(duì)象的過(guò)程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號(hào)。結(jié)構(gòu)組成如圖3-1所示，來(lái)自于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器或變送器的多個(gè)模擬量信號(hào)首先需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)，分時(shí)切換到后級(jí)進(jìn)行前置放大、采樣保持和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)接口電路以數(shù)字量信號(hào)進(jìn)入主機(jī)系統(tǒng)，從而完成對(duì)過(guò)程參數(shù)的巡回檢測(cè)任務(wù)。引言模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對(duì)象的過(guò)程參3

顯然，該通道的核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，通常把模擬量輸入通道稱為A/D通道或AI通道。顯然，該通道的核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，通常41信號(hào)調(diào)理電路

在控制系統(tǒng)中，對(duì)被控量的檢測(cè)往往采用各種類型的測(cè)量變送器，當(dāng)它們的輸出信號(hào)為0-10mA或4-20mA的電流信號(hào)時(shí)，一般是采用電阻分壓法把現(xiàn)場(chǎng)傳送來(lái)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以下是兩種變換電路。

1.無(wú)源I/V變換

2.有源I/V變換

1信號(hào)調(diào)理電路在控制系統(tǒng)中，對(duì)被控量的檢測(cè)往往5無(wú)源I/V變換

無(wú)源I/V變換電路是利用無(wú)源器件—電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，加上RC濾波和二極管限幅等保護(hù)，如圖3-2（a）所示，其中R2為精密電阻。對(duì)于0-10mA輸入信號(hào)，可取R1=100Ω，R2=500Ω，這樣當(dāng)輸入電流在0-10mA量程變化時(shí)，輸出的電壓就為0-5V范圍；而對(duì)于4-20mA輸入信號(hào)，可取R1=100Ω，R2=250Ω，這樣當(dāng)輸入電流為4-20mA時(shí)，輸出的電壓為1-5V。無(wú)源I/V變換無(wú)源I/V變換電路是利6

圖3-2電流/電壓變換電路

采樣保持器課件7有源I/V變換

有源I/V變換是利用有源器件——運(yùn)算放大器和電阻電容組成，如圖3-2（b）所示。利用同相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為

(3-1)

若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，則輸入電流I的0~10mA就對(duì)應(yīng)電壓輸出V的0~5V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，則4~20mA的輸入電流對(duì)應(yīng)于1~5V的電壓輸出。

有源I/V變換有源I/V變換是利用有源器件82多路模擬開(kāi)關(guān)主要知識(shí)點(diǎn)

引言1結(jié)構(gòu)原理2擴(kuò)展電路2多路模擬開(kāi)關(guān)主要知識(shí)點(diǎn)引言9引言

由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻只能接收一個(gè)回路的信號(hào)。所以，必須通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多選1的操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開(kāi)關(guān)種類很多，并具有不同的功能和用途。如集成電路芯片CD4051(雙向、單端、8路)、CD4052(單向、雙端、4路)、AD7506(單向、單端、16路)等。所謂雙向，就是該芯片既可以實(shí)現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換；而單向則只能完成多到一的切換。雙端是指芯片內(nèi)的一對(duì)開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信號(hào)的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。引言由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變10結(jié)構(gòu)原理

現(xiàn)以常用的CD4051為例，8路模擬開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖3-3所示。CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動(dòng)及開(kāi)關(guān)電路三部分組成。當(dāng)禁止端為“1”時(shí)，前后級(jí)通道斷開(kāi)，即S0~S7端與Sm端不可能接通；當(dāng)為“0”時(shí)，則通道可以被接通，通過(guò)改變控制輸入端C、B、A的數(shù)值，就可選通8個(gè)通道S0~S7中的一路。比如：當(dāng)C、B、A=000時(shí)，通道S0選通；當(dāng)C、B、A=001時(shí)，通道S通；……當(dāng)C、B、A=111時(shí)，通道S7選通。其真值表如表3-1所示。結(jié)構(gòu)原理現(xiàn)以常用的CD4051為例，8路模11圖3-3CD4051結(jié)構(gòu)原理圖

鏈接動(dòng)畫(huà)圖3-3CD4051結(jié)構(gòu)原理圖鏈接動(dòng)畫(huà)12采樣保持器課件13擴(kuò)展電路

當(dāng)采樣通道多至16路時(shí)，可直接選用16路模擬開(kāi)關(guān)的芯片，也可以將2個(gè)8路4051并聯(lián)起來(lái)，組成1個(gè)單端的16路開(kāi)關(guān)。

例題3-1試用兩個(gè)CD4051擴(kuò)展成一個(gè)1×16路的模擬開(kāi)關(guān)。

例題分析：圖3-4給出了兩個(gè)CD4051擴(kuò)展為1×16路模擬開(kāi)關(guān)的電路。數(shù)據(jù)總線D3~D0作為通道選擇信號(hào)，D3用來(lái)控制兩個(gè)多路開(kāi)關(guān)的禁止端。當(dāng)D3=0時(shí)，選中上面的多路開(kāi)關(guān)，此時(shí)當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S0~S7通道；當(dāng)D3=1時(shí)，經(jīng)反相器變成低電平，選中下面的多路開(kāi)關(guān)，此時(shí)當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S8~S15通道。如此，組成一個(gè)16路的模擬開(kāi)關(guān)。擴(kuò)展電路當(dāng)采樣通道多至16路時(shí)，可直接選用114圖3-4多路模擬開(kāi)關(guān)的擴(kuò)展電路鏈接動(dòng)畫(huà)圖3-4多路模擬開(kāi)關(guān)的擴(kuò)展電路鏈接動(dòng)畫(huà)15前置放大器主要知識(shí)點(diǎn)引言測(cè)量放大器

可變?cè)鲆娣糯笃?/p>

前置放大器主要知識(shí)點(diǎn)引言16引言

前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;

對(duì)單純的微弱信號(hào)，可用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行單端同相放大或單端反相放大。如圖3-5所示，信號(hào)源的一端若接放大器的正端為同相放大，同相放大電路的放大倍數(shù)G=1+R2/R1；

若信號(hào)源的一端接放大器的負(fù)端為反相放大，反相放大電路的放大倍數(shù)G=－R2/R1。當(dāng)然，這兩種電路都是單端放大，所以信號(hào)源的另一端是與放大器的另一個(gè)輸入端共地。引言前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到A/17

圖3-5放大電路

鏈接動(dòng)畫(huà)圖3-5放大電路鏈18測(cè)量放大器

在實(shí)際工程中,來(lái)自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)往往帶有較大的共模干擾，而單個(gè)運(yùn)放電路的差動(dòng)輸入端難以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一組運(yùn)放構(gòu)成的測(cè)量放大器，也稱儀表放大器，如圖3-6(a)所示。

經(jīng)典的測(cè)量放大器是由三個(gè)運(yùn)放組成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，測(cè)量放大器的差動(dòng)輸入端VIN

和VIN

分別是兩個(gè)運(yùn)放A1、A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對(duì)稱地直接與被測(cè)信號(hào)相連，因而有著極強(qiáng)的抑制共模干擾能力。測(cè)量放大器在實(shí)際工程中,來(lái)自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)19-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負(fù)載(外接)外接地TUOV(外接)(a)經(jīng)典的前置放大器圖3-6前置放大器

鏈接動(dòng)畫(huà)-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+20

圖中RG是外接電阻，專用來(lái)調(diào)整放大器增益的。因此，放大器的增益G與這個(gè)外接電阻RG有著密切的關(guān)系。增益公式為(3-2)

目前這種測(cè)量放大器的集成電路芯片有多種，如AD521/522、INA102等。圖中RG是外接電阻，專用來(lái)調(diào)整放大器增益的21可變?cè)鲆娣糯笃?/p>

在A/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測(cè)信號(hào)常常共用一個(gè)測(cè)量放大器，而各路的輸入信號(hào)大小往往不同，但都要放大到A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對(duì)應(yīng)于各路不同大小的輸入信號(hào)，測(cè)量放大器的增益也應(yīng)不同。具有這種性能的放大器稱為可變?cè)鲆娣糯笃骰蚩删幊谭糯笃?，如圖3-6(b)所示?？勺?cè)鲆娣糯笃髟贏/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測(cè)223A2A-NIN負(fù)載(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314Ω630Ω-+1AIV+(b)可變?cè)鲆娣糯笃鲌D3-6前置放大器鏈接動(dòng)畫(huà)3A2A-NIN負(fù)載(外接)外接地TUOV16K16K16K23

把圖3-6（a）中的外接電阻RG換成一組精密的電阻網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)電阻支路上有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)支路開(kāi)關(guān)依次通斷就可改變放大器的增益，根據(jù)開(kāi)關(guān)支路上的電阻值與增益公式，就可算得支路開(kāi)關(guān)自上而下閉合時(shí)的放大器增益分別為2、4、8、16、32、64、128、256倍。顯然，這一組開(kāi)關(guān)如果用多路模擬開(kāi)關(guān)(類似CD4051)就可方便地進(jìn)行增益可變的計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制。此類集成電路芯片有AD612/614等。把圖3-6（a）中的外接電阻RG換成一組精密244采樣保持器

當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化較快，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器。

數(shù)據(jù)采樣定理采樣保持器4采樣保持器當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由25數(shù)據(jù)采樣定理離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)--把連續(xù)變化的量變成離散量后再進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的采樣形式--有周期采樣、多階采樣和隨機(jī)采樣。應(yīng)用最多的是周期采樣。周期采樣--就是以相同的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，即把一個(gè)連續(xù)變化的模擬信號(hào)y(t)，按一定的時(shí)間間隔T轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r(shí)0，T，2T，…的一連串脈沖序列信號(hào)y*(t)，如圖3-7所示。數(shù)據(jù)采樣定理離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)--把連續(xù)變化的量變成離26采樣器的常用術(shù)語(yǔ)：采樣器或采樣開(kāi)關(guān)--執(zhí)行采樣動(dòng)作的裝置，采樣時(shí)間或采樣寬度τ--采樣開(kāi)關(guān)每次閉合的時(shí)間采樣周期T--采樣開(kāi)關(guān)每次通斷的時(shí)間間隔在實(shí)際系統(tǒng)中，《T

，也就是說(shuō)，可以近似地認(rèn)為采樣信號(hào)y*(t)是y(t)在采樣開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的瞬時(shí)值。圖3-7信號(hào)的采樣過(guò)程鏈接動(dòng)畫(huà)采樣器的常用術(shù)語(yǔ)：圖3-7信號(hào)的采樣過(guò)程鏈接動(dòng)畫(huà)27

由經(jīng)驗(yàn)可知，采樣頻率越高，采樣信號(hào)y*(t)越接近原信號(hào)y(t)，但若采樣頻率過(guò)高，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中將會(huì)把許多寶貴的時(shí)間用在采樣上，從而失去了實(shí)時(shí)控制的機(jī)會(huì)。為了使采樣信號(hào)y*(t)既不失真，又不會(huì)因頻率太高而浪費(fèi)時(shí)間，我們可依據(jù)香農(nóng)采樣定理。香農(nóng)定理指出：為了使采樣信號(hào)y*(t)能完全復(fù)現(xiàn)原信號(hào)y(t)，采樣頻率f至少要為原信號(hào)最高有效頻率fmax的2倍，即f

2fmax。采樣定理給出了y*(t)唯一地復(fù)現(xiàn)y(t)所必需的最低采樣頻率。實(shí)際應(yīng)用中，常取f

（5~10）fmax。由經(jīng)驗(yàn)可知，采樣頻率越高，采樣信號(hào)y*(28采樣保持器1、零階采樣保持器--零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時(shí)間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個(gè)采樣時(shí)刻。它的組成原理電路與工作波性如圖3-8(a)、(b)所示。采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器A1、A2和采樣開(kāi)關(guān)S、保持電容CH等組成。采樣期間，開(kāi)關(guān)S閉合，輸入電壓VIN通過(guò)A1對(duì)CH快速充電，輸出電壓VOUT跟隨VIN變化；保持期間，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下電容CH將保持電壓VC不變，因而輸出電壓VOUT=VC也保持恒定。采樣保持器1、零階采樣保持器--零階采樣保持器是在兩次29

圖3-8采樣保持器鏈接動(dòng)畫(huà)圖3-8采樣保持器鏈接動(dòng)畫(huà)30

顯然，保持電容CH的作用十分重要。實(shí)際上保持期間的電容保持電壓VC在緩慢下降，這是由于保持電容的漏電流所致。保持電壓VC的變化率為

(3-3)式中：ID--為保持期間電容的總泄漏電流，它包括放大器的輸入電流、開(kāi)關(guān)截止時(shí)的漏電流與電容內(nèi)部的漏電流等。電容CH值--增大電容CH值可以減小電壓變化率，但同時(shí)又會(huì)增加充電即采樣時(shí)間，因此保持電容的容量大小與采樣精度成正比而與采樣頻率成反比。一般情況下，保持電容CH是外接的，所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高質(zhì)量的電容器，容量為510~1000pF。顯然，保持電容CH的作用十分重要。實(shí)際上312、零階集成采樣保持器--常用的零階集成采樣保持器有AD582、LF198/298/398等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖3-9(a)、(b)所示。這里，用TTL邏輯電平控制采樣和保持狀態(tài)，如AD582的采樣電平為“0”，保持電平為“1”，而LF198的則相反。圖3－9集成采樣保持器

2、零階集成采樣保持器--常用的零階集成采樣保持器有AD5832

在A/D通道中，采樣保持器的采樣和保持電平應(yīng)與后級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換相配合，該電平信號(hào)既可以由其它