任務二模擬量輸入通道【教學內容】基本內容：模擬量輸入通道的組成結構、傳感器、信號調理、多路轉換器。重點：模擬量輸入通道的結構、信號調理、多路轉換器。難點：信號調理、多路轉換器。【教學目的、要求】掌握模擬量輸入通道的組成部分及其作用；掌握信號調理電路、多路轉換器電路；能夠擴展多路轉換器電路；了解常用的傳感器類型。

模擬量輸入通道的任務：把被控對象的過程參數如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號轉換成計算機可以接收的數字量信號。

模擬量輸入通道根據不同的應用要求，可以有不同的結構形式，最簡單的就是單路模擬量輸入通道。多路模擬量輸入通道結構組成如圖所示。

一、模擬量輸入通道的結構

來自于工業現場傳感器或變送器的多個模擬量信號首先需要進行信號調理，然后經多路選擇開關，分時切換到后級進行放大、采樣保持和A/D轉換，通過接口電路以數字量信號進入主機系統，從而完成對過程參數的巡回檢測任務。模擬量輸入接口：主要部分是A／D轉換器及其與計算機的數字量接口，從廣義上講，采樣保持器、多路轉換器是配合A/D轉換器工作的，也可以算作模擬量接口的一部分。目前一些A/D芯片內包含采樣保持器、多路轉換器。對模擬量輸入信號進行調理以適合A／D轉換器對輸入電壓要求的相關電路。1、傳感器

定義：GB7665-87規定：能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。作用：把被控對象的各種非電物理量檢測出來，并轉換成電信號。如熱電偶能把溫度轉換成熱電動勢、應變橋式荷重傳感器能把受力的大小轉換為電信號等。

傳感器有以下幾部分組成：（1）敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的物理量。（2）轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，轉換成電路參量。（3）轉換電路：將上述參數轉換成電量輸出。敏感元件轉換元件轉換電路被測量電量耐磨熱電偶長距離漫反射型光電傳感器BA2M-DDT系列測力計壓力計

將應變片粘貼于被測構件上測定構件的應力或應變。當被測物體產生位移時，懸臂梁隨之產生于位移相等的撓度，因而應變片產生相應的應變。在小撓度情況下，撓度與應變情況成正比。將應變片接入橋路，輸出與位移成正比的電壓信號。2、信號調理電路很多變送器的輸出信號為0～10mA或4～20mA，由于A/D轉換器的輸入信號只能是電壓信號，所以如果模擬信號是電流時，必須先把電流變成電壓才能進行A/D轉換。這樣就需要I/V變換電路。兩種變換電路。

1.無源I/V變換2.有源I/V變換無源I/V變換利用無源器件—電阻來實現，加上RC濾波和二極管限幅等保護。對于0-10mA輸入信號，R1=100Ω，R2=500Ω，輸出的電壓就為0-5V范圍；對于4-20mA輸入信號，R1=100Ω，R2=250Ω，輸出的電壓為1-5V。有源I/V變換利用有源器件——運算放大器和電阻電容組成。

利用同相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標準輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數為若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，則輸入電流I的0~10mA就對應電壓輸出V的0~5V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，則4~20mA的輸入電流對應于1~5V的電壓輸出。

計算機的工作速度遠遠快于被測參數的變化，因此一臺計算機系統可供幾十個檢測回路使用，通過多路轉換器實現多選1的操作，將多路輸入信號依次地切換到后級。目前，計算機控制系統使用的多路轉換器種類很多，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)等。3、多路轉換器15既可以實現多到一的切換，也可以完成一到多的切換。指芯片內的一對開關同時動作，從而完成差動輸入信號的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。結構原理

現以常用的CD4051為例，8路模擬開關。由電平轉換、譯碼驅動及開關電路三部分組成。

當采樣通道為16路時，可直接選用16路模擬開關的芯片，也可以將2個8路4051并聯起來。

例試用兩個CD4051擴展成一個1×16路的模擬開關。分析：數據總線D3~D0作為通道選擇信號，D3用來控制兩個多路開關的禁止端。當D3=0時，選中其中一個多路開關，D2、D1、D0的組合選通S0~S7通道；當D3=1時，經反相器變成低電平，選中另外一個多路開關，D2、D1、D0的組合選通S8~S15通道。如此，組成一個16路的模擬開關。擴展電路18多路模擬開關的擴展電路

作用：把從傳感器來的低電平信號按比例地放大到A/D轉換器輸入電壓。

如果從多個傳感器來的信號幅值相差懸殊，若采用一個公用放大器時，怎么辦？可采用編控放大器，由計算機控制它的閉環增益，對不同幅值的信號進行不同比例的放大。4放大器當然也可以每個傳感器都有自己的放大器。

是否必須使用放大器？在實際系統中，如果變送器的輸出均為標準信號（如0~5V，4~20mA），通道中可以不設放大器。問題：模擬信號進行A/D轉換時，從啟動轉換到轉換結束輸出數字量，需要一定的轉換時間，當輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉換誤差。解決方法：采用一種器件，在A/D轉換時保持住輸入信號電平，在A/D轉換結束后跟蹤輸入信號的變化。這種功能的器件就是采樣/保持器。5采樣保持器采樣/保持器的工作原理采樣／保持器的一般結構形式如圖所示。

模擬信號UiK驅動信號ACH模擬地UO組成采樣開關K保持電容CH緩沖放大器A：高輸入阻抗，作用是把CH和負載隔離，否則保持階段在CH上的電荷會通過負載放掉，無法實現保持功能。t控制信號t模擬輸入At采樣輸出跟蹤t1A2t2A1t3保持A3t4A在t1時刻前，控制電路的驅動信號為高電平時，采樣開關K

閉合，輸入信號Ui

通過K對電容CH快速充電，使得CH端電壓UC

跟隨Ui變化而變化。工作原理如下：模擬信號UiK驅動信號ACH模擬地UOt控制信號t模擬輸入At采樣輸出跟蹤t1A2t2A1t3保持A3t4A在t1時刻，驅動信號為低電平，采樣開關K斷開，此時電容CH

上的電壓UC

保持模擬開關斷開瞬間的Ui

值不變并等待A／D轉換器轉換。模擬信號UiK驅動信號ACH模擬地UOt控制信號t模擬輸入At采樣輸出跟蹤t1A2t2A1t3保持A3t4A在t2時刻，保持結束，新一個跟蹤時刻到來，此時驅動信號又為高電平，K

重新閉合，

CH

端電壓UC又跟隨Ui變化而變化；模擬信號UiK驅動信號ACH模擬地UOt3時刻，驅動信號為低電平時，K斷開，......。從以上討論可知：采樣保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態的器件。具有兩個穩定的工作狀態：跟蹤狀態

在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號，并精確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令止。保持狀態

對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進行保持。

A1和A2分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提高采樣保持器的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以便與信號源和負載連接。

K是模擬開關，由控制信號電壓UK控制其斷開或閉合。CH是保持電容器。

Ui

-+A1KUK

-+A2CH模擬地UO串聯型采樣保持器關注的指標獲取時間：從發出采樣指令到采樣保持器輸出與輸入相等所需的時間。縮短獲取時間可以提高采樣速率。輸出電壓衰減率：在保持期的采樣保持器輸出電壓的下降率。較大的下降率會影響A/D轉換結果的精度。增加保持電容的容量能降低下降率，但又會延長獲取時間，所以保持電容要綜合考慮。

答案：NO。如果輸入的連續信號變化緩慢，同時A/D轉換器有足夠快的轉換速度時，可以省去采樣保持器。必須采用采樣保持器么？A/D轉換器是模擬輸入通道的核心關鍵部件。選擇的正確與否對提高模擬輸入通道性價比和滿足控制系統對模擬信號轉換的要求，具有重要作用。實際中主要從下面幾個方面考慮。

位數與轉換信號的分辨率有關。轉換位數越高，對模擬信號變化的反應就越靈敏。分辨率通常用數字量的二進制位數來表示。比如8位、10位等。8位A/D，表示能對滿量程的1/28=1/256的增量做出反應。6A/D轉換器1）A/D轉換器的位數m位的A/D轉換器可用2-m表示它的相對分辨率。例如10位A/D轉換器相對分辨率為0.0977%，若它的滿量程是10V，那么絕對分辨率是9.778mv。選擇A/D轉換器位數首先要看分辨率的要求。

又是分辨率較高，但由于溫度漂移、線性不良等原因使芯片的轉換值與實際值相差超過分辨率。

精度：信號轉換后所得結果相對于實際值的準確度。精度跟分辨率不是一個概念。

數據采集電路的總誤差由多路轉換器、采樣保持器和A/D轉換器組成。選擇元件精度的一般原則：每個元器件的精度指標應優于系統精度的10倍左右。A/D轉換器的動態范圍LI：轉換模擬電壓范圍上限與下限之比的分貝數。LI=20lg(UImax/UImin)怎么確定所使用的A/D轉換器的位數呢？1.根據系統精度指標δ，由下式確定位數n：10/(2n+1)≤δ例如，要求系統誤差不大于0.1%，n應為多少？2.根據A/D轉換器的動態范圍LI，由下式確定位數n：n≥LI/6。

轉換時間：從啟動轉換開始到轉換結束輸出穩定的數字量所需要的時間（記為tc）

。轉換速度：單位時間內所能完成的轉換次數。與轉換時間成反比。2）A/D轉換器的轉換速度低速A/D轉換器：轉換時間從幾毫秒到幾十毫秒不等，一般運用于對溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測和控制。中速A/D轉換器：轉換時間可從幾μS到100μS左右，常用于工業多通道單片機控制系統和聲頻數字轉換系統等。高速A/D轉換器：轉換時間20~100ns，適用于雷達、數字通訊、實時光譜分析、實時瞬態記錄、視頻數字轉換系統等。A/D轉換器的轉換速度能否說明通道的轉換速度?否。還有一個從轉換結束到下一次再啟動轉換所需要的準備時間（記為t0）。通道的轉換速度=1/(tc+t0)。通道的轉換周期TA/D=tc+t0包括：使A/D轉換器內部電路復原時間，CPU讀取A/D轉換結果、存放結