測控系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)21_輸入

1、傳感器調(diào)理電路采集電路微機(jī) 在測控系統(tǒng)中，一臺微機(jī)往往要同時(shí)測量在測控系統(tǒng)中，一臺微機(jī)往往要同時(shí)測量幾個(gè)被測量，因而測控系統(tǒng)的輸入通道常常是幾個(gè)被測量，因而測控系統(tǒng)的輸入通道常常是多路的。多路的。按照各路輸入通道是共用一個(gè)采集通按照各路輸入通道是共用一個(gè)采集通道還是每個(gè)通道各用一個(gè)，輸入通道可分為道還是每個(gè)通道各用一個(gè)，輸入通道可分為集集中采集式中采集式和和分散采集式分散采集式。模擬多路切換開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器控制邏輯微機(jī)傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路采集電路采集電路電路簡單，成本低，電路簡單，成本低，但不能獲得各路信號但不能獲得各路信號同一時(shí)刻的值，適于同一時(shí)刻的值，適于

2、中、低速采樣系統(tǒng)中。中、低速采樣系統(tǒng)中。模擬多路切換開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器控制邏輯微機(jī)傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路采樣/保持器采樣/保持器采樣/保持器采集電路采集電路電路較復(fù)雜，時(shí)間偏電路較復(fù)雜，時(shí)間偏斜誤差小于分時(shí)采樣斜誤差小于分時(shí)采樣系統(tǒng)。適于中、低速系統(tǒng)。適于中、低速采樣系統(tǒng)中。采樣系統(tǒng)中。傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路采樣/保持器采樣/保持器采樣/保持器 A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器控制邏輯計(jì)算機(jī)采集電路采集電路電路較復(fù)雜，成本較電路較復(fù)雜，成本較高。適于對速度要求高。適于對速度要求較高的采樣系統(tǒng)中。較高的采樣系統(tǒng)中。傳感器小信號放大修正與變

3、換微機(jī)傳感器V/F光電耦合微機(jī)傳感器I/V濾波A/D小電壓小電流大電壓大電流 傳感器放大整形光電隔離計(jì)算機(jī)傳感器整形光電隔離計(jì)算機(jī)頻率量輸出開關(guān)量輸出3 3）. . 集成傳感器：集成傳感器：集成傳感器是將傳集成傳感器是將傳感器與信號調(diào)理電路做成一體。例如，感器與信號調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。采用集成傳感器可以減輕輸人通道器。采用集成傳感器可以減輕輸人通道的信號調(diào)理任務(wù)，簡化通道結(jié)構(gòu)。的信號調(diào)理任務(wù)，簡化通道結(jié)構(gòu)。 4 4）. . 光纖傳感器：光纖傳感器：這種

4、傳感器其信號拾這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信號輸入通道中采用光纖傳感器可以從根號輸入通道中采用光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。 前置放大低通陷波高通至采集電路傳感器信號硬件完成，信號調(diào)理電路的重點(diǎn)硬件完成，信號調(diào)理電路的重點(diǎn)軟件完成軟件完成典型信號調(diào)理電路的組成前置放大器Ko后級電路KVISVIN0VINV0SV0N 在無輸入信號時(shí)，電路的輸出為噪聲。設(shè)電路的放在無輸入信號時(shí)，電路的輸出為噪聲。設(shè)電路的放大倍數(shù)為大

5、倍數(shù)為K K，則噪聲折算到輸入端即為等效輸入噪聲則噪聲折算到輸入端即為等效輸入噪聲V VININ電路噪聲等效電路噪聲信號輸出信號輸入VONVIN=K22()()000VVONINVVININK KK 若沒有前置放大器時(shí)信號剛好被噪聲淹若沒有前置放大器時(shí)信號剛好被噪聲淹沒（沒（ VIS=VIN ），為使輸入信號不被噪聲），為使輸入信號不被噪聲淹沒，應(yīng)淹沒，應(yīng)VISVIN，即即VI NVIN22()00VINVVININK解得：解得：11020VVININK10K即前置電路必須是放大器VINI放大器 K濾波器 1VIN0V0NVIN0濾波器 1放大器 KVINIV0N22()(1)01221()0

6、VKVVINININVVININKK22221001()()INININININV KV KVVVK 放大器前置時(shí)，電放大器前置時(shí)，電路的等效輸入噪聲為：路的等效輸入噪聲為： 放大器后置時(shí)，電路放大器后置時(shí)，電路的等效輸入噪聲為：的等效輸入噪聲為：1K ININVV放大器前置有放大器前置有利于減少噪聲！利于減少噪聲！0142 210.085INVV10.085INVV29INVV30INVV47INVV5177INVV120,80,320K 2351KKK042K 142 圖中五個(gè)部件的噪聲可以視做采集電路內(nèi)部五個(gè)不相關(guān)的噪聲源，它們本身的等效輸入噪聲分別為：、(可忽略不計(jì))、五個(gè)部件的放大倍

7、數(shù)分別為：（三檔）； 22222234511411114ONININININININVVVVVVVK KKKKK K因數(shù)字地震儀的等效輸入噪聲反映地震儀接收最弱信號的能力，而在接收最弱信號時(shí)浮點(diǎn)放大器取最大增益，故應(yīng)取計(jì)算等效輸入噪聲。將五個(gè)部件的本身的等效輸入噪聲值、（三檔）和代入上式計(jì)算得總等效輸入噪聲： 1442K 120,80,320K 前置放大器增益地震儀的等效輸入噪聲200.5880 0.166320 0.092 放大器放大器(Amplifier)是信號調(diào)理電路中的重要元件，是信號調(diào)理電路中的重要元件，合理選擇使用放大器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。智能儀器常合理選擇使用放大器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

8、。智能儀器常工作于惡劣環(huán)境中，要求放大電路兼有高輸入阻抗、工作于惡劣環(huán)境中，要求放大電路兼有高輸入阻抗、高共模抑制比、低功耗等特性。程控放大器、測量放高共模抑制比、低功耗等特性。程控放大器、測量放大器、隔離放大器等是智能儀器中常用的放大器。大器、隔離放大器等是智能儀器中常用的放大器。 在通用測量儀器中，為了適應(yīng)不同的工作條件，在通用測量儀器中，為了適應(yīng)不同的工作條件，在整個(gè)測量范圍內(nèi)獲得合適的分辨率，提高測量精度，在整個(gè)測量范圍內(nèi)獲得合適的分辨率，提高測量精度，常采用可變增益放大器。智能儀器含有微處理器，用常采用可變增益放大器。智能儀器含有微處理器，用儀器內(nèi)置的程序控制放大器的增益稱為程控增益

9、放大儀器內(nèi)置的程序控制放大器的增益稱為程控增益放大器（器（Programmable-Gain Amplifer），簡稱程控放），簡稱程控放大器大器( PGA ）。）。下 頁上 頁返 回放大器放大器l分類分類（1）程控反相放大器）程控反相放大器 由理想運(yùn)放條件，有由理想運(yùn)放條件，有 1fii1fii1fii10RRvvkfi2.4 反相放大電路反相放大電路 下 頁上 頁返 回 2.5 反相程控放大電路反相程控放大電路 如圖如圖2.5所示，虛線框?yàn)槟M開關(guān)，模擬開關(guān)的閉合所示，虛線框?yàn)槟M開關(guān)，模擬開關(guān)的閉合位置受控制信號位置受控制信號C1、C2的控制，反饋電阻又隨開關(guān)位的控制，反饋電阻又隨開關(guān)位

10、置而變，從而實(shí)現(xiàn)放大器的增益由程序控制。當(dāng)放大置而變，從而實(shí)現(xiàn)放大器的增益由程序控制。當(dāng)放大倍數(shù)小于倍數(shù)小于1時(shí)，程控反相放大器構(gòu)成程控衰減器。時(shí)，程控反相放大器構(gòu)成程控衰減器。 下 頁上 頁返 回(2)程控同相放大器程控同相放大器 2.6 同相放大電路同相放大電路 圖圖2.6為一般同相放大器的基本原理，類似的可為一般同相放大器的基本原理，類似的可導(dǎo)出同相放大器的增益導(dǎo)出同相放大器的增益 。 改變改變Rf或或R1，同樣可改變放大器的增益，但同相，同樣可改變放大器的增益，但同相放大器只能構(gòu)成增益放大器，不能構(gòu)成衰減放大器。放大器只能構(gòu)成增益放大器，不能構(gòu)成衰減放大器。11RRkf下 頁上 頁返

11、回 2.7 程控同相放大電路程控同相放大電路 下圖下圖2.7為利用為利用8選選1集成模擬開關(guān)集成模擬開關(guān)CD4051構(gòu)成程構(gòu)成程控同相放大器的原理電路，圖中，控同相放大器的原理電路，圖中，C、B、A為通道選為通道選擇輸入端，其狀態(tài)由程序（擇輸入端，其狀態(tài)由程序（D2、D1、D0的狀態(tài)）控的狀態(tài)）控制，制，C、B、A不同的編碼組合決定開關(guān)與哪一通道接不同的編碼組合決定開關(guān)與哪一通道接通，從而選擇通，從而選擇R0R7之間的某個(gè)電阻接入電路。實(shí)之間的某個(gè)電阻接入電路。實(shí)現(xiàn)程控增益的功能。現(xiàn)程控增益的功能。下 頁上 頁返 回3集成程控放大器集成程控放大器 集成程控放大器種類繁多，如單端輸入的集成程控放

12、大器種類繁多，如單端輸入的PGA103 PGA100；差分輸入的；差分輸入的PGA204、PGA205等。本節(jié)介等。本節(jié)介紹紹BURRBROWN公司的公司的PGA202/203程控放大器，程控放大器，它應(yīng)用靈活方便，又無需外圍芯片，而且它應(yīng)用靈活方便，又無需外圍芯片，而且PGA202與與PGA203級聯(lián)使用可組成從級聯(lián)使用可組成從18000倍的倍的16種程控增益。種程控增益。（1）性能特點(diǎn)）性能特點(diǎn)數(shù)字可編程控制增益：數(shù)字可編程控制增益：PGA202的增益倍數(shù)為的增益倍數(shù)為 1，10，100，1000；PGA203的增益倍數(shù)為的增益倍數(shù)為1，2，4，8 返 回下 頁上 頁增益誤差：增益誤差：G

13、10000.050.15， G=1000 0.080.1； 非線性失真：非線性失真：G=1000 0.020.06。 快速建立時(shí)間：快速建立時(shí)間：2s。 快速壓擺率：快速壓擺率：20V/s 共模抑制比：共模抑制比：8094dB。 頻率響應(yīng)：頻率響應(yīng)：G1000 1MHz；G=1000 250kHz。 電源供電范圍：電源供電范圍：618V。 下 頁上 頁返 回（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)）內(nèi)部結(jié)構(gòu) GA202/203采用雙列直插封裝，根據(jù)使用溫度范采用雙列直插封裝，根據(jù)使用溫度范圍的不同，分為陶瓷封裝圍的不同，分為陶瓷封裝(2585)和塑料封和塑料封裝裝(070)兩種。引腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖兩種。引腳排列和內(nèi)

14、部結(jié)構(gòu)如圖2.8所示：所示： 圖2.8 PGA202/203引腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖下 頁上 頁返 回 其中，其中，A0、A1為增益數(shù)字選擇輸入端，與為增益數(shù)字選擇輸入端，與TTL、CMOS電平兼容，可以和任何單片機(jī)的電平兼容，可以和任何單片機(jī)的I/O口直接相口直接相連，其增益選擇及增益誤差見表連，其增益選擇及增益誤差見表2.1。 表表2.1增益選擇及誤差增益選擇及誤差 除表中提供的幾種增益外，除表中提供的幾種增益外，PGA202/203外接如外接如圖圖2.9所示的緩沖器及衰減電阻，改變電阻所示的緩沖器及衰減電阻，改變電阻R1與與R2的比值，可獲得更多不同的增益，增益與電阻的關(guān)的比值，可獲得更多不

15、同的增益，增益與電阻的關(guān)系為系為12RR1 增益圖圖2.9 改變外接電阻改變外接電阻獲得可變增益圖獲得可變增益圖 下 頁上 頁返 回（3）PGA202基本用法基本用法 PGA202不需任何外部調(diào)整元件就能可靠工作。不需任何外部調(diào)整元件就能可靠工作。但為了保證效果更好，在正、負(fù)電源端分別連接一個(gè)但為了保證效果更好，在正、負(fù)電源端分別連接一個(gè)1F的旁路鉭電容到模擬地，且盡可能靠近放大器的的旁路鉭電容到模擬地，且盡可能靠近放大器的電源引腳，如圖電源引腳，如圖2.10所示，由于所示，由于11腳、腳、4腳上的連線腳上的連線電阻都會引起增益誤差，因此電阻都會引起增益誤差，因此11、4腳連線應(yīng)盡可能腳連線應(yīng)

16、盡可能短。短。圖圖2.10 PGA202的基本用法的基本用法 下 頁上 頁返 回 PGA202/203與比較器、二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器連接與比較器、二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器連接可構(gòu)成自動(dòng)增益控制電路，如圖可構(gòu)成自動(dòng)增益控制電路，如圖2.11所示。所示。 圖圖2.11 利用利用PGA202自動(dòng)增益控制電路自動(dòng)增益控制電路 下 頁上 頁返 回 將將PGA202和和PGA203兩片級聯(lián)，如圖兩片級聯(lián)，如圖2.12所示，所示，A3、A2、A1、A0組合可有組合可有16種狀態(tài)，可在種狀態(tài)，可在18000范圍內(nèi)選擇范圍內(nèi)選擇16種增益種增益 。圖圖2.12 PGA202/203級級聯(lián)電路聯(lián)電路下 頁上 頁返 回4.儀用

17、放大器儀用放大器 在智能儀器中，常常需要精確放大帶有一定共模在智能儀器中，常常需要精確放大帶有一定共模干擾的微弱的差模信號，要求放大電路輸入阻抗和共干擾的微弱的差模信號，要求放大電路輸入阻抗和共模抑制比高、誤差小、穩(wěn)定性好。這種用來放大傳感模抑制比高、誤差小、穩(wěn)定性好。這種用來放大傳感器輸出的微弱電壓或電流信號的放大電路稱為儀用放器輸出的微弱電壓或電流信號的放大電路稱為儀用放大電路（測量放大電路）。大電路（測量放大電路）。1 1儀用放大器原理儀用放大器原理 儀用放大器儀用放大器(Instrumentation Amplifier)由由3個(gè)個(gè)運(yùn)算放大器組成，它由三個(gè)通用運(yùn)算放大器構(gòu)成，運(yùn)算放大器

18、組成，它由三個(gè)通用運(yùn)算放大器構(gòu)成，第一級為兩個(gè)對稱的同相放大器，第二級是一個(gè)差第一級為兩個(gè)對稱的同相放大器，第二級是一個(gè)差動(dòng)放大器。動(dòng)放大器。如下圖如下圖2.13所示所示下 頁上 頁返 回圖圖2.13 儀用放大器原理儀用放大器原理儀用放大器上下對稱，即圖中R1=R2，R4=R6，R5=R7。可以推導(dǎo)出儀用放大器的閉環(huán)增益為由上圖得到運(yùn)放的放大倍數(shù), 35G12i1 i0RR)RR21 (VVVG上 頁返 回下 頁 將前述的可編程增益放大器將前述的可編程增益放大器PGA202/203的輸入端的輸入端接上運(yùn)放（如接上運(yùn)放（如OPA27）及電阻網(wǎng)絡(luò)，可組成低噪聲的）及電阻網(wǎng)絡(luò)，可組成低噪聲的差分儀用

19、放大器，如圖差分儀用放大器，如圖2.14所示。圖中使用所示。圖中使用PGA203由于電阻網(wǎng)絡(luò)的存在，所得到的放大倍數(shù)分別是由于電阻網(wǎng)絡(luò)的存在，所得到的放大倍數(shù)分別是100、200、400、800，即在原，即在原PGA203增益的基礎(chǔ)上增加增益的基礎(chǔ)上增加了了100倍。適當(dāng)改變倍。適當(dāng)改變200的電阻，還可得到其他放大的電阻，還可得到其他放大倍數(shù)。倍數(shù)。圖圖2.14由由OPA27及及PGA203構(gòu)成的構(gòu)成的可變增益儀用放大器可變增益儀用放大器下 頁返 回上 頁2 .集成儀用放大器集成儀用放大器集成儀用放大器有美國集成儀用放大器有美國Analog Device 公司的公司的522、 AD512、A

20、D620、AD623 、AD8221，BB公司的公司的INA114、118；MAXIM公司的公司的MAX4195、4196、4197等。其中，等。其中，INA114是一種通用儀用放大器，尺是一種通用儀用放大器，尺寸小、精度高、價(jià)格低。主要性能如下：寸小、精度高、價(jià)格低。主要性能如下：失調(diào)電壓低（失調(diào)電壓低（50V）漂移小（漂移?。?.25V/）輸入偏置電流低（輸入偏置電流低（2nA）共模抑制比高（共模抑制比高（G=1000時(shí)時(shí)115dB）下 頁返 回上 頁工作溫度工作溫度 -40+125靜態(tài)電流?。o態(tài)電流?。?mA）內(nèi)部輸入保護(hù)能夠長期耐受內(nèi)部輸入保護(hù)能夠長期耐受40V電壓電壓工作電壓范圍寬

21、工作電壓范圍寬 （2.25V18V），可），可 使用電池（組）或使用電池（組）或5V單電源供電系統(tǒng)，單電源供電系統(tǒng)， 只需一個(gè)外部電阻就可以設(shè)置只需一個(gè)外部電阻就可以設(shè)置1至至10000之之 間的任意增益值間的任意增益值 INA114的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.16所示，基本連接所示，基本連接方法如下圖方法如下圖2.17所示。所示。下 頁返 回上 頁圖圖2.16 INA114內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖圖2.17 INA114的基本連接方法的基本連接方法下 頁上 頁返 回內(nèi)部設(shè)有過壓保護(hù)電路，采用內(nèi)部設(shè)有過壓保護(hù)電路，采用A1A1、A2A2及及A3A3三個(gè)運(yùn)放三個(gè)運(yùn)放組合結(jié)構(gòu)。圖組合結(jié)構(gòu)。圖11

22、11（b)b)為其基本接法。增益為其基本接法。增益A A通過外通過外接電阻接電阻R RG G來調(diào)控，并由式確定。來調(diào)控，并由式確定。INA115INA115的電路結(jié)構(gòu)、的電路結(jié)構(gòu)、基本接法與基本接法與INA114INA114基本相同?；鞠嗤Ｔ诳拷娫匆_處連在靠近電源引腳處連接的去耦合電容主要用于噪聲或高阻電源場合，其接的去耦合電容主要用于噪聲或高阻電源場合，其輸出輸出 其中其中G為增益為增益GRKG501“50k”是兩個(gè)內(nèi)部反饋電阻之和，這兩個(gè)電阻為金是兩個(gè)內(nèi)部反饋電阻之和，這兩個(gè)電阻為金屬膜電阻，已用激光調(diào)整到精確的值。增益的精確度屬膜電阻，已用激光調(diào)整到精確的值。增益的精確度和漂移額

23、定值中包含了這兩個(gè)電阻的精確度和溫度系和漂移額定值中包含了這兩個(gè)電阻的精確度和溫度系數(shù)；為外部電阻，其穩(wěn)定性和溫漂也對增益有影響。數(shù)；為外部電阻，其穩(wěn)定性和溫漂也對增益有影響。從（式從（式2-7）可見，增益越高，需要的阻值越低，所）可見，增益越高，需要的阻值越低，所以接線電阻也很重要，線路上增加的插座會使增益誤以接線電阻也很重要，線路上增加的插座會使增益誤差額外地增加，并且很可能是不穩(wěn)定的誤差。差額外地增加，并且很可能是不穩(wěn)定的誤差。返 回上 頁下 頁)(0VVGV5. 隔離放大器隔離放大器 隔離放大器隔離放大器(Isolation Amplifier)輸出端和輸輸出端和輸入端各自具有不同的電

24、位參考點(diǎn)、即輸入端和輸出入端各自具有不同的電位參考點(diǎn)、即輸入端和輸出端沒有直接的電耦合，而是通過光、變壓器或電容端沒有直接的電耦合，而是通過光、變壓器或電容等耦合元件耦合。輸入端和輸出端的絕緣電壓一般等耦合元件耦合。輸入端和輸出端的絕緣電壓一般達(dá)達(dá)1000V以上，絕緣電阻達(dá)數(shù)十以上，絕緣電阻達(dá)數(shù)十。因此輸入端。因此輸入端的干擾不會直接到達(dá)輸出端，多路通道使用隔離放的干擾不會直接到達(dá)輸出端，多路通道使用隔離放大器時(shí)相互之間不會影響。當(dāng)儀器工作環(huán)境噪聲較大器時(shí)相互之間不會影響。當(dāng)儀器工作環(huán)境噪聲較大而信號較小時(shí)，采用隔離放大器可保護(hù)電子儀器大而信號較小時(shí)，采用隔離放大器可保護(hù)電子儀器設(shè)備和人身安全

25、，提高共模抑制比，獲得較精確的設(shè)備和人身安全，提高共模抑制比，獲得較精確的測量結(jié)果。測量結(jié)果。返 回上 頁下 頁隔離放大器的符號如圖隔離放大器的符號如圖2.18所示所示 圖圖2.18 隔離放大器的符號隔離放大器的符號按耦合器件的不同，可分為按耦合器件的不同，可分為光電耦合、變壓器耦光電耦合、變壓器耦合和電容耦合合和電容耦合三種。三種。 1、光電耦合隔離放大器、光電耦合隔離放大器 光電耦合隔離放大器以光為耦合媒介，輸入與光電耦合隔離放大器以光為耦合媒介，輸入與輸出在電氣上完全隔離，通過光信號的傳遞實(shí)現(xiàn)電輸出在電氣上完全隔離，通過光信號的傳遞實(shí)現(xiàn)電信號的傳遞。信號的傳遞。 返 回上 頁下 頁圖圖2

26、.19為光電隔離放大器基本原理，輸入級激勵(lì)發(fā)為光電隔離放大器基本原理，輸入級激勵(lì)發(fā)光管，由光電管將光信號耦合到輸出級，實(shí)現(xiàn)信號光管，由光電管將光信號耦合到輸出級，實(shí)現(xiàn)信號的傳輸，保證了輸入和輸出間的電氣隔離。其輸入、的傳輸，保證了輸入和輸出間的電氣隔離。其輸入、輸出級之間不能有電的連接，即前、后級不能共用輸出級之間不能有電的連接，即前、后級不能共用電源和地線。電源和地線。圖圖2.19 光電隔離放大光電隔離放大器基本原理器基本原理返 回上 頁下 頁 采用光電耦合原理的隔離放大器有采用光電耦合原理的隔離放大器有BURR-BROWN公公司（以下簡稱司（以下簡稱BB公司）的公司）的ISO100、ISO

27、130、3650、3652、惠普公司、惠普公司(HP)的的HCPL7800/7800A/7800B等。等。為簡化電路、節(jié)省空間、降低成本、提高性能，有一為簡化電路、節(jié)省空間、降低成本、提高性能，有一些隔離放大器提供了內(nèi)置些隔離放大器提供了內(nèi)置DC/DC變換器，給使用者提變換器，給使用者提供更大的靈活性，如供更大的靈活性，如BB公司的公司的 IS0212、ISO213、Analog Devices公司公司(以下簡稱以下簡稱AD公司公司)的的AD202，AD204、AD210、AD215等。本節(jié)介紹等。本節(jié)介紹BB公司生產(chǎn)公司生產(chǎn)的光電隔離放大器的光電隔離放大器3650，其電路原理如下圖，其電路原

28、理如下圖2.20所示所示 返 回上 頁下 頁圖圖2.20 光電隔離放大器光電隔離放大器3650的電路原理圖的電路原理圖 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器A1和光電二極管、發(fā)光二極管構(gòu)成和光電二極管、發(fā)光二極管構(gòu)成負(fù)反饋回路，用于減小非線性和時(shí)間溫度的不穩(wěn)定負(fù)反饋回路，用于減小非線性和時(shí)間溫度的不穩(wěn)定性。由理想運(yùn)放特性知；性。由理想運(yùn)放特性知；VD1、VD3分別為輸入端分別為輸入端和輸出端的兩個(gè)性能匹配的光電二極管，它們從發(fā)和輸出端的兩個(gè)性能匹配的光電二極管，它們從發(fā)光二極管光二極管 返 回上 頁下 頁VD2接收到的光量相等，即，接收到的光量相等，即， 有，有， 則則 2112iigii2Rvii輸

29、出回路中，放大器輸出回路中，放大器A2與內(nèi)置電阻與內(nèi)置電阻 （ ）構(gòu)）構(gòu)成成I/V轉(zhuǎn)換電路，有轉(zhuǎn)換電路，有 iGkkGkkoutvRRRRvRiRiv123可見，輸出與輸入成線性關(guān)系。只要可見，輸出與輸入成線性關(guān)系。只要CR1、 CR3一一致性得到保證，信號的耦合就不會受光電器件的影響。致性得到保證，信號的耦合就不會受光電器件的影響。kR M1Rk返 回上 頁下 頁2、變壓器耦合隔離放大器、變壓器耦合隔離放大器 變壓器耦合隔離放大器的輸入部分和輸出部分采變壓器耦合隔離放大器的輸入部分和輸出部分采用變壓器耦合，信息傳送通過磁路實(shí)現(xiàn)。典型的隔離用變壓器耦合，信息傳送通過磁路實(shí)現(xiàn)。典型的隔離放大器原

30、理如圖放大器原理如圖2.21所示所示 圖圖2.21隔離放大器原理圖隔離放大器原理圖返 回上 頁下 頁 輸入級將傳感器送來的信號濾波和放大，并調(diào)制成輸入級將傳感器送來的信號濾波和放大，并調(diào)制成交交 流信號，通過隔離變壓器耦合到輸出級；輸出級流信號，通過隔離變壓器耦合到輸出級；輸出級把把 交流信號解調(diào)成直流信號，再經(jīng)濾波和放大，輸出交流信號解調(diào)成直流信號，再經(jīng)濾波和放大，輸出直流電壓。放大器的兩個(gè)輸入端浮空，能夠有效地直流電壓。放大器的兩個(gè)輸入端浮空，能夠有效地 起起測量放大器的作用。測量放大器的作用。 變壓器耦合的隔離放大器有變壓器耦合的隔離放大器有BB公司的公司的ISO212、3656，AD公

31、司的公司的AD202、AD204、AD210、AD215等。其中等。其中AD202/AD204是一種微型封裝的精密隔離是一種微型封裝的精密隔離放大器，具有精度高、功耗低、共模性能好、體積小放大器，具有精度高、功耗低、共模性能好、體積小和價(jià)格低等特點(diǎn)。和價(jià)格低等特點(diǎn)。返 回上 頁下 頁AD202功能框圖如圖功能框圖如圖2.22所示，芯片由放大器、調(diào)所示，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。制器、解調(diào)器、整流和濾波、電源變換器等組成。 圖圖2.22 AD202內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖返 回上 頁下 頁表表2.2 AD202引腳功能引腳功能返 回上 頁下 頁3、電容耦合隔離放大器

32、、電容耦合隔離放大器 采用電容耦合的隔離放大器如采用電容耦合的隔離放大器如BB公司的公司的ISO102、ISO103、ISO106、ISO107、ISO113、ISO120、ISO121、ISO122等。其中，等。其中，1SO122采用常規(guī)的雙采用常規(guī)的雙列式封裝，價(jià)格便宜、使用方便。主要技術(shù)指標(biāo)如下：列式封裝，價(jià)格便宜、使用方便。主要技術(shù)指標(biāo)如下：額定隔離電壓額定隔離電壓1500V（交流（交流60Hz連續(xù)）連續(xù)） 隔離阻抗隔離阻抗輸入電壓范圍輸入電壓范圍12. 5V輸入電阻輸入電阻200kpF2/1014輸出電源范圍輸出電源范圍12. 5V返 回上 頁下 頁 ISO122的原理框圖如圖的原理

33、框圖如圖2.23所示。輸入和輸所示。輸入和輸出電路對稱，由基本積分電路（分別由出電路對稱，由基本積分電路（分別由A1、A2組組成）、檢測放大器、滯回比較器及電流開關(guān)成）、檢測放大器、滯回比較器及電流開關(guān)K1、K2組成。輸入和輸出部分通過兩個(gè)匹配的組成。輸入和輸出部分通過兩個(gè)匹配的1pF電容電容耦合形成模擬信號的電氣隔離。耦合形成模擬信號的電氣隔離。 圖圖2.23 ISO122的原理框圖的原理框圖返 回上 頁下 頁 當(dāng)檢測放大器控制開關(guān)當(dāng)檢測放大器控制開關(guān)K1接通時(shí)，恒流源電流流接通時(shí)，恒流源電流流入入A1反相輸入端節(jié)點(diǎn)，恒流源電流流出該節(jié)點(diǎn)。使反相輸入端節(jié)點(diǎn)，恒流源電流流出該節(jié)點(diǎn)。使通過通過1

34、50pF積分電容的電流為積分電容的電流為 1000200kv10002000200kvININ 當(dāng)檢測放大器當(dāng)檢測放大器A3控制開關(guān)控制開關(guān)K1斷開時(shí)，電流不流斷開時(shí)，電流不流入入A1反相輸入端節(jié)點(diǎn)，只有電流流出該節(jié)點(diǎn)，積分反相輸入端節(jié)點(diǎn)，只有電流流出該節(jié)點(diǎn)，積分電流為電流為A100200kvIN（式（式2-8） （式（式2-9） 由（式由（式2-8）和（式）和（式2-9）可知，當(dāng)）可知，當(dāng) 時(shí)，積分時(shí)，積分器器A1 對（或?qū)Γɑ?）電流積分，輸出）電流積分，輸出 （ 或）恒或）恒流對流對150pF電容充電所形成的線性斜坡電壓信號，當(dāng)電容充電所形成的線性斜坡電壓信號，當(dāng)信號達(dá)到滯回比較器的閾值

35、電壓時(shí)信號達(dá)到滯回比較器的閾值電壓時(shí) ，滯回比較器輸，滯回比較器輸出出 0vINA100A100A100A100上 頁下 頁返 回滯回比較器輸出翻轉(zhuǎn)，通過兩個(gè)匹配的滯回比較器輸出翻轉(zhuǎn)，通過兩個(gè)匹配的1pF電容耦合電容耦合至檢測放大器至檢測放大器A3輸入端，輸入端，A3輸出控制電流開關(guān)輸出控制電流開關(guān)K1斷斷（或通），從而將送入積分器（或通），從而將送入積分器A1的電流由的電流由 改變改變?yōu)闉?（或由（或由 改變?yōu)楦淖優(yōu)?）。重復(fù)上述過程。）。重復(fù)上述過程。A1將將輸出對稱的三角波，滯回比較器輸出對稱的三角波，滯回比較器(振蕩頻率由內(nèi)部振振蕩頻率由內(nèi)部振蕩器控制為蕩器控制為500kHz)和檢測放

36、大器輸出占空比為和檢測放大器輸出占空比為0.5的對稱方波，使電流開關(guān)的通、斷時(shí)間完全相等。的對稱方波，使電流開關(guān)的通、斷時(shí)間完全相等。A100A100A100A100當(dāng)當(dāng) 時(shí)，除去恒流外，還有與時(shí)，除去恒流外，還有與 成比例的電流注成比例的電流注入積分電容，入積分電容，A1輸出波形的上升和下降速率不同，使輸出波形的上升和下降速率不同，使滯回比較器輸出波形的占空比不再為滯回比較器輸出波形的占空比不再為0.5，電流開關(guān)的，電流開關(guān)的通、斷時(shí)間相應(yīng)變化。這時(shí)，比較器輸出的是占空比通、斷時(shí)間相應(yīng)變化。這時(shí)，比較器輸出的是占空比與輸入信號的大小和極性成比例的脈沖調(diào)寬信號，即與輸入信號的大小和極性成比例的

37、脈沖調(diào)寬信號，即將輸入模擬量調(diào)制成脈沖調(diào)寬的數(shù)字信號。將輸入模擬量調(diào)制成脈沖調(diào)寬的數(shù)字信號。 0vININv下 頁上 頁返 回調(diào)理電路+采集電路電壓跟隨器隔直電容A12LifR C 隔直電容與電壓跟隨器的等效電阻組成隔直電容與電壓跟隨器的等效電阻組成一個(gè)高通濾波器，其截止頻率為：一個(gè)高通濾波器，其截止頻率為： 測控系統(tǒng)中根據(jù)需要還可能設(shè)置其他的濾波測控系統(tǒng)中根據(jù)需要還可能設(shè)置其他的濾波器，此時(shí)電路的截止頻率由所有的濾波電路決定器，此時(shí)電路的截止頻率由所有的濾波電路決定。(1）“混淆”產(chǎn)生的原因被采樣頻譜中含有高于折迭頻率fs2的頻率分量 (2）“混淆”的危害被采樣頻譜中高于fs2的頻率分量采樣

38、后會沿fs2折迭到(fs-fc)fs/2頻段對信號形成干擾。（3）“混淆”的消除在采樣之前先用一個(gè)低通濾波器把高于fs2的頻率分量濾掉。該低通濾波器稱為“去混淆濾波器”被測信號隨時(shí)間變化被測信號隨道間變化適用的集中式采集電路方案否否(a)否是(b)是否(c)是是(d) 模擬多路開關(guān)模擬多路開關(guān)(Analog switches)也稱多路轉(zhuǎn)換也稱多路轉(zhuǎn)換器器(Multiplexer)，主要用于信號的切換，是輸入通道，主要用于信號的切換，是輸入通道的重要元件之一。當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)變化較為緩慢的模的重要元件之一。當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)變化較為緩慢的模擬量輸入時(shí)，常常利用模擬多路開關(guān)將各路模擬量分?jǐn)M量輸入時(shí)，常常

39、利用模擬多路開關(guān)將各路模擬量分時(shí)與放大器、時(shí)與放大器、AD轉(zhuǎn)換器等接通，利用一片轉(zhuǎn)換器等接通，利用一片AD轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器可完成多個(gè)模擬輸入信號的依次轉(zhuǎn)換，提高硬件換器可完成多個(gè)模擬輸入信號的依次轉(zhuǎn)換，提高硬件電路的利用率，節(jié)省成本。電路的利用率，節(jié)省成本。 l分類分類為機(jī)械觸點(diǎn)式和集成模擬電子開關(guān)為機(jī)械觸點(diǎn)式和集成模擬電子開關(guān) 下 頁上 頁返 回一、模擬多路開關(guān)一、模擬多路開關(guān)（一）、模擬多路開關(guān)的性能（一）、模擬多路開關(guān)的性能指標(biāo)指標(biāo)1、通道數(shù)量。、通道數(shù)量。集成模擬開關(guān)通常包括多個(gè)通道，通集成模擬開關(guān)通常包括多個(gè)通道，通道數(shù)量對傳輸信號的精度和開關(guān)切換速率有直接的道數(shù)量對傳輸信號的精度和開關(guān)切換

40、速率有直接的影響，通道數(shù)量越多，寄生電容和泄漏電流越大影響，通道數(shù)量越多，寄生電容和泄漏電流越大。2、泄漏電流。、泄漏電流。指開關(guān)斷開時(shí)流過模擬開關(guān)的電流。一指開關(guān)斷開時(shí)流過模擬開關(guān)的電流。一個(gè)理想的開關(guān)要求導(dǎo)通時(shí)電阻為零，斷開時(shí)電阻趨于個(gè)理想的開關(guān)要求導(dǎo)通時(shí)電阻為零，斷開時(shí)電阻趨于無限大，漏電流為零。但由于實(shí)際開關(guān)斷開時(shí)電阻不無限大，漏電流為零。但由于實(shí)際開關(guān)斷開時(shí)電阻不為無限大，導(dǎo)致泄漏電流不為零。一般希望泄漏電流為無限大，導(dǎo)致泄漏電流不為零。一般希望泄漏電流越小越好。越小越好。3、導(dǎo)通電阻。、導(dǎo)通電阻。指開關(guān)閉合時(shí)的電阻。導(dǎo)通電阻會損指開關(guān)閉合時(shí)的電阻。導(dǎo)通電阻會損失信號，使精度降低，尤

41、其是當(dāng)開關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低失信號，使精度降低，尤其是當(dāng)開關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低阻抗時(shí)損失會更大。因此，導(dǎo)通電阻的一致性越好，阻抗時(shí)損失會更大。因此，導(dǎo)通電阻的一致性越好，系統(tǒng)在采集各路信號時(shí)由開關(guān)引起的誤差越小。系統(tǒng)在采集各路信號時(shí)由開關(guān)引起的誤差越小。下 頁上 頁返 回4、開關(guān)速度。、開關(guān)速度。指開關(guān)接通或斷開的速度。對于頻率指開關(guān)接通或斷開的速度。對于頻率 較高的信號，要求模擬開關(guān)的切換速度快，同時(shí)還應(yīng)較高的信號，要求模擬開關(guān)的切換速度快，同時(shí)還應(yīng)考慮與后級采樣保持器、考慮與后級采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器的速度相適應(yīng)，轉(zhuǎn)換器的速度相適應(yīng)，從而以最優(yōu)的性能價(jià)格比選擇器件。從而以最優(yōu)的性能價(jià)格比選擇器件

42、。 除上述指標(biāo)外除上述指標(biāo)外，芯片的電源電壓范圍也是一個(gè)重芯片的電源電壓范圍也是一個(gè)重要參數(shù)，它與開關(guān)的導(dǎo)通電阻和切換速度等有直接關(guān)要參數(shù)，它與開關(guān)的導(dǎo)通電阻和切換速度等有直接關(guān)系。電源電壓越高，切換速度越快，導(dǎo)通電阻越小。系。電源電壓越高，切換速度越快，導(dǎo)通電阻越小。反之，導(dǎo)通電阻越大。反之，導(dǎo)通電阻越大。 （二）集成模擬多路開關(guān)（二）集成模擬多路開關(guān) 目前已有多種型號的集成模擬多路開關(guān)，如目前已有多種型號的集成模擬多路開關(guān)，如CD4051（雙向、（雙向、8路）、路）、CD4052（單向、差動(dòng)（單向、差動(dòng)4路）、路）、AD7501（單向、（單向、8路）、路）、AD7506（單向、（單向、16

43、路）等。它們功能路）等。它們功能 相似，僅在某些參數(shù)和性能指標(biāo)上有所差異。相似，僅在某些參數(shù)和性能指標(biāo)上有所差異。 下 頁上 頁返 回1、八通道單向模擬多路開關(guān)、八通道單向模擬多路開關(guān)AD7501AD7501是一種是一種8路輸入、一路輸出的路輸入、一路輸出的CMOS集成芯集成芯片，導(dǎo)通電阻為片，導(dǎo)通電阻為170300，漏電流為，漏電流為0.22nA，導(dǎo)通截止時(shí)間典型值為導(dǎo)通截止時(shí)間典型值為0.8s，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖圖2.25所示所示 圖圖2.25 AD7501內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖下 頁上 頁返 回 為通道選擇輸入端，其狀態(tài)的組合決定為通道選擇輸入端，其狀態(tài)的

44、組合決定輸出端輸出端OUT與八路模擬輸入信號與八路模擬輸入信號S1S8中的哪一路中的哪一路接通，真值表見表接通，真值表見表2.3。 表表2.3 AD7501真值表真值表210A A A下 頁上 頁返 回2、八通道雙向模擬多路開關(guān)、八通道雙向模擬多路開關(guān)CD4051 CD4051為為8 通道單刀結(jié)構(gòu)形式，允許雙向使用，通道單刀結(jié)構(gòu)形式，允許雙向使用，可用于多到一的切換輸出，也可用于一到多的切換輸可用于多到一的切換輸出，也可用于一到多的切換輸出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.26所示。所示。圖圖2.26 CD4051內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖下 頁上 頁返 回輸入狀態(tài)接通通道INHCB

45、A0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1均不接通表表2.4 CD4051真值表真值表下 頁上 頁返 回 其中其中VEE是負(fù)電源端，用于電平移位。當(dāng)是負(fù)電源端，用于電平移位。當(dāng)VSS=0V時(shí)，使得在單組電源供電條件下工作的時(shí)，使得在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所電路所提供的數(shù)字信號能直接控制開關(guān)，切換幅度在提供的數(shù)字信號能直接控制開關(guān)，切換幅度在VEE到到VDD之間的模擬信號，最大峰之間的模擬信號，最大峰峰值達(dá)峰值達(dá)15V。典型電。典型電平移位連接方法如圖平移位連接方法如圖2.27所示所示 圖圖2.27 典型電平

46、移位連接圖典型電平移位連接圖下 頁上 頁返 回3、雙四路模擬開關(guān)、雙四路模擬開關(guān)CD4052 CD4052相當(dāng)于一個(gè)雙刀四擲開關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相當(dāng)于一個(gè)雙刀四擲開關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能如圖引腳功能如圖2.28所示。所示。 圖圖2.28 CD4052內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖 下 頁上 頁返 回輸入狀態(tài)接通通道INHBA000“0”X、“0”Y001“1”X、“1”Y010“2”X、“2”Y011“3”X、“3”Y1均不接通表表2.5 CD4052真值表真值表下 頁上 頁返 回（三）模擬開關(guān)的通道擴(kuò)展（三）模擬開關(guān)的通道擴(kuò)展 實(shí)際使用中，有時(shí)輸入模擬信號數(shù)量較多，一片模實(shí)際使用中，有時(shí)輸入模

47、擬信號數(shù)量較多，一片模擬開關(guān)不夠用，需要使用多個(gè)集成模擬開關(guān)進(jìn)行通道擬開關(guān)不夠用，需要使用多個(gè)集成模擬開關(guān)進(jìn)行通道擴(kuò)展，以滿足使用要求。圖擴(kuò)展，以滿足使用要求。圖2.29為利用兩片為利用兩片CD4051將將8路開關(guān)擴(kuò)展成路開關(guān)擴(kuò)展成16路開關(guān)的原理圖。路開關(guān)的原理圖。 圖圖2.29 模擬開關(guān)通道擴(kuò)展連接圖模擬開關(guān)通道擴(kuò)展連接圖下 頁上 頁返 回 （一）采樣保持器原理（一）采樣保持器原理采樣是對模擬信號周期性的抽取樣值，使模擬采樣是對模擬信號周期性的抽取樣值，使模擬信號變成時(shí)間上離散的脈沖串，采樣值的大小信號變成時(shí)間上離散的脈沖串，采樣值的大小取決于采樣時(shí)間內(nèi)輸入模擬信號的大小。取決于采樣時(shí)間內(nèi)

48、輸入模擬信號的大小。采樣定義：采樣定義：下 頁上 頁返 回 二、采二、采 樣樣 保保 持持 器器1.1.采樣采樣- -保持電路工作過程保持電路工作過程當(dāng)當(dāng)VLVL為高電平（為高電平（VL=1VL=1）時(shí)：）時(shí)： 開關(guān)開關(guān)S S導(dǎo)通，輸入模擬信號導(dǎo)通，輸入模擬信號ViVi對保持電容對保持電容CHCH充電充電, ,當(dāng)當(dāng)VL=1VL=1的持續(xù)時(shí)間的持續(xù)時(shí)間twtw遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容CHCH的充電時(shí)間常數(shù)時(shí)，在的充電時(shí)間常數(shù)時(shí)，在twtw時(shí)時(shí)間內(nèi)間內(nèi),CH,CH上的電壓上的電壓VcVc跟隨輸入電壓跟隨輸入電壓ViVi的變化，使輸出電壓的變化，使輸出電壓Vo=Vc=ViVo=Vc=Vi，這段時(shí)間為

49、采樣時(shí)間。，這段時(shí)間為采樣時(shí)間。當(dāng)當(dāng)VLVL為低電平（為低電平（VL=0VL=0）時(shí)：）時(shí)： 開關(guān)開關(guān)S S斷開，由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，存斷開，由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，存 儲在上儲在上CHCH的電荷不會泄露，的電荷不會泄露，CHCH上的電壓上的電壓VcVc保持不變，保持不變， 使輸出電壓使輸出電壓VoVo能保持采樣結(jié)束瞬時(shí)的電壓值，這段時(shí)能保持采樣結(jié)束瞬時(shí)的電壓值，這段時(shí) 間為保持時(shí)間。間為保持時(shí)間。當(dāng)VL為低電平（VL=0）時(shí)： 開關(guān)S斷開，由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，存儲在上CH的電荷不會泄露，CH上的電壓Vc保持不變,使輸出電壓Vo能保持采樣結(jié)束瞬時(shí)的電壓值，這段時(shí)間為保

50、持時(shí)間。采樣和保持電路輸出隨輸入變化波形采樣和保持電路輸出隨輸入變化波形采樣保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件，它具有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：(1)跟蹤狀態(tài)。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為止。(2)保持狀態(tài)。對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進(jìn)行保持。m ax1.212mmCtqfUft有 ：1max12fmtAP2、設(shè)置采樣保持器的必要性 （1）不設(shè)置采樣保持器時(shí)，待轉(zhuǎn)換信號允許的最高頻率很低，由下式?jīng)Q定 （2）設(shè)置采樣保持器后，待轉(zhuǎn)換信號允許的最高頻率大大提高，由下式?jīng)Q定 結(jié)論：若被轉(zhuǎn)換信號是直流電壓或變化極其緩慢，可以不

51、在ADC前加設(shè)S/H。否則，就要在ADC前加設(shè)S/H。S/H把采樣幅值保持下來，ADC在S/H保持期間把保持的采樣幅值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)碼 2,1LSBmfU余弦信號最大變化率為保證的轉(zhuǎn)換精度下 頁上 頁返 回將采樣保持電路的元器件集成在一片芯片將采樣保持電路的元器件集成在一片芯片上可構(gòu)成集成采樣保持器上可構(gòu)成集成采樣保持器(Sample and (Sample and Holder)Holder)。集成采樣保持器種類很多，常用的集成芯集成采樣保持器種類很多，常用的集成芯片有片有LF198/298/398LF198/298/398、AD582AD582等。其中等。其中LF198/298/398LF

52、198/298/398這三種芯片工作原理相這三種芯片工作原理相同，僅參數(shù)有所差異。同，僅參數(shù)有所差異。（二）（二） 集成采樣保持器集成采樣保持器LF398LF398內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩個(gè)運(yùn)算放大器，接成單位增益的電壓跟隨器，兩個(gè)運(yùn)算放大器，接成單位增益的電壓跟隨器，S S是模擬開關(guān)，是模擬開關(guān)，是比較器，當(dāng)邏輯控制端是比較器，當(dāng)邏輯控制端ININ（+ +）為）為“1”1”時(shí)時(shí)S S閉合，輸出跟隨輸閉合，輸出跟隨輸入變化，處于采樣狀態(tài)；當(dāng)入變化，處于采樣狀態(tài)；當(dāng)ININ（+ +）為）為“0”0”時(shí)，時(shí)，S S斷開，輸出不斷開，輸出不隨輸入而變化，呈保持狀態(tài)。隨輸入而變化，呈保持狀態(tài)。LF398LF

53、398的典型連接方法的典型連接方法2 2腳接腳接1k1k電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓；電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓；7 7腳接地，腳接地，8 8腳接控制信號。腳接控制信號。當(dāng)控制信號大于當(dāng)控制信號大于1.4V1.4V時(shí)，時(shí)，LF398LF398處于采樣狀態(tài)；處于采樣狀態(tài)；當(dāng)控制信號為低電平時(shí)，處于保持狀態(tài)。當(dāng)控制信號為低電平時(shí)，處于保持狀態(tài)。6腳外接保持電容保持電容可選用漏電流小的聚苯乙烯電容、云母電容或聚四氟乙烯電容，其數(shù)值直接影響采樣時(shí)間及保持精度。增加保持電容CH的容量可提高精度，但會使采樣時(shí)間加長。當(dāng)精度要求不高（1%）而速度要求較高時(shí)，CH可小至100pF。當(dāng)精度要求高（0.01%），如與12位

54、A/D相配合時(shí)，為減小下降誤差和干擾，應(yīng)取CH1000pF。下 頁上 頁返 回（三）（三） 采樣保持器主要性能指標(biāo)采樣保持器主要性能指標(biāo)當(dāng)采樣保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)時(shí)，采當(dāng)采樣保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)時(shí)，采樣保持器的輸出從保持狀態(tài)的值變到當(dāng)前的輸樣保持器的輸出從保持狀態(tài)的值變到當(dāng)前的輸入值所需的時(shí)間。如圖入值所需的時(shí)間。如圖2.342.34所示。所示。捕捉時(shí)間捕捉時(shí)間tAC（Acquisition Time）保持指令發(fā)出瞬間到模擬開關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時(shí)保持指令發(fā)出瞬間到模擬開關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時(shí)間。是由模擬開關(guān)從閉合到完全斷開需要一定的時(shí)間。是由模擬開關(guān)從閉合到完全斷開需要一定的時(shí)間

55、，當(dāng)接到保持指令時(shí)，采樣間，當(dāng)接到保持指令時(shí)，采樣/ /保持器的輸出并不保持器的輸出并不保持在指令發(fā)出瞬時(shí)的輸入值上，而會跟著輸入變保持在指令發(fā)出瞬時(shí)的輸入值上，而會跟著輸入變化一段時(shí)間。化一段時(shí)間。 孔徑時(shí)間孔徑時(shí)間tAP（Aperture Time）下 頁上 頁返 回孔徑時(shí)間的變化范圍，即孔徑時(shí)間不是恒定的，而孔徑時(shí)間的變化范圍，即孔徑時(shí)間不是恒定的，而是在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化的。開關(guān)斷開時(shí)，是在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化的。開關(guān)斷開時(shí)，C CH H上的上的值不穩(wěn)定，在值不穩(wěn)定，在t tAPAP后，輸出還有一段波動(dòng)，經(jīng)過一段后，輸出還有一段波動(dòng)，經(jīng)過一段穩(wěn)定時(shí)間（穩(wěn)定時(shí)間（t tSTST）后才保持穩(wěn)

56、定。為了量化的準(zhǔn)確，）后才保持穩(wěn)定。為了量化的準(zhǔn)確，應(yīng)在發(fā)出保持指令后延遲一段時(shí)間（延遲時(shí)間應(yīng)應(yīng)在發(fā)出保持指令后延遲一段時(shí)間（延遲時(shí)間應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間），再啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間），再啟動(dòng)A ADD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換?？讖讲欢〞r(shí)間孔徑不定時(shí)間tAP（Aperture Jitter）孔徑誤差孔徑誤差采樣保持器實(shí)際保持的輸出值與理想輸出值之差采樣保持器實(shí)際保持的輸出值與理想輸出值之差下 頁上 頁返 回在保持狀態(tài)下，由于保持電容器上電荷在保持狀態(tài)下，由于保持電容器上電荷的泄漏而使保持電壓下降，在集成芯片的泄漏而使保持電壓下降，在集成芯片中，通常用泄漏電流來表示；也可用電中，通常用泄漏電流來表示；也可用電壓下降率來表示，保持

57、電壓的下降率計(jì)壓下降率來表示，保持電壓的下降率計(jì)算公式為：算公式為：)S/V(CItVHS保持電壓下降率保持電壓下降率下 頁上 頁返 回 采樣保持器性能指標(biāo)采樣保持器性能指標(biāo) Hz780102521t21f6212c2nx.* AP2nxt21f KHz87538105021t21f12212AP2nx.* A/D轉(zhuǎn)換器常用以下幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來評轉(zhuǎn)換器常用以下幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來評價(jià)其質(zhì)量水平。價(jià)其質(zhì)量水平。 (1) 分辨率分辨率 ADC的分辨率定義為的分辨率定義為ADC所能分辨的輸所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。入模擬量的最小變化量。8 8位的分辨率為位的分辨率為 (2) 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 A/D

58、轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間定義轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間定義為為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間。 8128510.190.221LSBv (3) 精度精度 絕對精度絕對精度 絕對精度定義為：對應(yīng)于產(chǎn)生一個(gè)給定的輸絕對精度定義為：對應(yīng)于產(chǎn)生一個(gè)給定的輸出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實(shí)際模擬輸入出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實(shí)際模擬輸入電壓的差值。電壓的差值。 絕對精度由增益誤差、偏移誤差、非線性誤絕對精度由增益誤差、偏移誤差、非線性誤差以及噪聲等組成。差以及噪聲等組成。 相對精度相對精度相對精度定義為在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字相對精度定義為在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字輸出碼所對應(yīng)的模擬輸入實(shí)際值與理想值

59、之差輸出碼所對應(yīng)的模擬輸入實(shí)際值與理想值之差與模擬滿量程值之比。與模擬滿量程值之比。 偏移誤差。偏移誤差。ADC的偏移誤差定義為使的偏移誤差定義為使ADC的輸出最低位的輸出最低位為為1，施加到，施加到ADC模擬輸入端的實(shí)際電壓與理模擬輸入端的實(shí)際電壓與理論值論值1/2(Vr2n)(即即0.5LSB所對應(yīng)的電壓值所對應(yīng)的電壓值)之之差（又稱為偏移電壓）。差（又稱為偏移電壓）。 增益誤差增益誤差增益誤差是指增益誤差是指ADC輸出達(dá)到滿量程時(shí)，實(shí)際模輸出達(dá)到滿量程時(shí)，實(shí)際模擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸入滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。入滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。 線

60、性度誤差線性度誤差A(yù)DC的線性度誤差包括積分線性度誤差和微分的線性度誤差包括積分線性度誤差和微分線性度誤差兩種。線性度誤差兩種。a積分線性度誤差積分線性度誤差積分線性度誤差定義為偏移誤差和增益誤差均積分線性度誤差定義為偏移誤差和增益誤差均已調(diào)零后的實(shí)際傳輸特性與通過零點(diǎn)和滿量程已調(diào)零后的實(shí)際傳輸特性與通過零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)的直線之間的最大偏離值，有時(shí)也稱為線性點(diǎn)的直線之間的最大偏離值，有時(shí)也稱為線性度誤差。度誤差。 b微分線性度誤差微分線性度誤差積分線性度誤差是從總體上來看積分線性度誤差是從總體上來看ADC的數(shù)的數(shù)字輸出，表明其誤差最大值。但是，在很字輸出，表明其誤差最大值。但是，在很多情況下往往