1、 智能儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱智能儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱DASDAS（Data Data Acquisition SystemAcquisition System），是指將溫度、壓力、），是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采集、量化轉(zhuǎn)換成流量、位移等模擬量進(jìn)行采集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計算機進(jìn)行存儲、處理、數(shù)字量后，以便由計算機進(jìn)行存儲、處理、顯示或打印的裝置。顯示或打印的裝置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計2數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成信號處理信號處理控制輸出控制輸出信號調(diào)理信號調(diào)理傳感器傳感器輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道3 多路模擬輸入通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多路模擬輸入通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2、同時測量多種物理量或同一種物理同時測量多種物理量或同一種物理量的多個測量點。量的多個測量點。 多路模擬輸入通道可分為多路模擬輸入通道可分為兩大類型兩大類型： 集中式采集集中式采集 分布式采集分布式采集4一、多路模擬信號集中采集式一、多路模擬信號集中采集式1. 1. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之一集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之一傳感器傳感器1傳感器傳感器2傳感器傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理模模擬擬多多路路開開關(guān)關(guān)A/ /D計計算算機機控制邏輯控制邏輯S/HS/H多路共用采集電路分時采集多路共用采集電路分時采集52. 2. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之二集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之二傳感

3、器傳感器1傳感器傳感器2傳感器傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理S/HS/H模模擬擬多多路路開開關(guān)關(guān)S/HA/ /D計計算算機機控制邏輯控制邏輯多路同步取樣共用多路同步取樣共用A/DA/D分時采集分時采集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理、ADC、DAC和微機和微機等組成。等組成。 非電信號非電信號非電信號非電信號歸歸一一化化(n)K(n)F(n)MUXSHAADCI/O接接口口微微機機I/O接接口口打打印印機機控控 制制 邏邏 輯輯DAC信信號號調(diào)調(diào)理理數(shù)數(shù)字字控控制制被被控控對對象象V (t)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集/ /控制系

4、統(tǒng)典型示意圖控制系統(tǒng)典型示意圖 歸一化:用各種傳感器將各種現(xiàn)場的物理信號轉(zhuǎn)換成電信號(模擬電壓或電流)放大器:將傳感器輸出的信號放大到ADC所需的量程范圍濾波器:將不需要的噪聲濾除，提高信噪比。模擬開關(guān)：將多個現(xiàn)場信號分時送ADC采樣保持器:對需轉(zhuǎn)換的模擬信號進(jìn)行采樣，保證A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號期間，保證被采樣模擬信號的幅值不變.ADC將SHA輸出的采樣值量化為計算機可識別的數(shù)字信號DAC:將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬的電壓或電流信號信號調(diào)理:將DAC輸出的電壓幅值進(jìn)行放大,滿足被控對象的需要。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要指標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要指標(biāo)系統(tǒng)分辨率：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分辨率是指可分辨信號的最

5、小變化系統(tǒng)分辨率：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分辨率是指可分辨信號的最小變化量，它和傳感器靈敏度，放大器的線性度和動態(tài)范圍、調(diào)理電路信量，它和傳感器靈敏度，放大器的線性度和動態(tài)范圍、調(diào)理電路信噪比，以及噪比，以及ADC和和DAC的二進(jìn)制位數(shù)有關(guān)。的二進(jìn)制位數(shù)有關(guān)。. 系統(tǒng)精度：系統(tǒng)精度是系統(tǒng)實際輸出值和理論值之差。它和系統(tǒng)精度：系統(tǒng)精度是系統(tǒng)實際輸出值和理論值之差。它和ADC、DAC的轉(zhuǎn)換精度，傳感器誤差，放大器的線性度和漂移，的轉(zhuǎn)換精度，傳感器誤差，放大器的線性度和漂移，直流電源的紋波，取樣保持電容和多路模擬開關(guān)（直流電源的紋波，取樣保持電容和多路模擬開關(guān)（MUX）的漏電流，）的漏電流，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。以

6、及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般一般ADC和和DAC的單元精度均高于系統(tǒng)其它單元電路的精度。的單元精度均高于系統(tǒng)其它單元電路的精度。 . 系統(tǒng)采樣速率：系統(tǒng)采樣速率是指在保證系統(tǒng)各項指標(biāo)的情系統(tǒng)采樣速率：系統(tǒng)采樣速率是指在保證系統(tǒng)各項指標(biāo)的情況下，每秒鐘采集信號的次數(shù)。它和放大器的轉(zhuǎn)換速率況下，每秒鐘采集信號的次數(shù)。它和放大器的轉(zhuǎn)換速率(V/S)和建和建立時間，立時間，MUX的通道切換時間、取樣保持電路的捕捉時間、數(shù)據(jù)存的通道切換時間、取樣保持電路的捕捉時間、數(shù)據(jù)存儲和讀取時間，以及信號源的響應(yīng)時間有關(guān)。儲和讀取時間，以及信號源的響應(yīng)時間有關(guān)。 . 系統(tǒng)動態(tài)范圍：系統(tǒng)動態(tài)范圍是指系統(tǒng)允許信號輸入最大幅系統(tǒng)

7、動態(tài)范圍：系統(tǒng)動態(tài)范圍是指系統(tǒng)允許信號輸入最大幅值和最小幅值之比。值和最小幅值之比。 A = 20 lg (g (Vmax / / Vmin) ) 模擬信號調(diào)理模擬信號調(diào)理 在一般測量系統(tǒng)中信號調(diào)理的任務(wù)較復(fù)在一般測量系統(tǒng)中信號調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實現(xiàn)物理信號向電信號的轉(zhuǎn)換、小雜，除了實現(xiàn)物理信號向電信號的轉(zhuǎn)換、小信號放大、濾波外，還有諸如零點校正、線信號放大、濾波外，還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號調(diào)理（等，這些操作統(tǒng)稱為信號調(diào)理（SignalConditioning），相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號），相應(yīng)的

8、執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。調(diào)理電路。9傳感傳感器器前置前置放大放大濾濾波波程控程控放大放大濾濾波波采集采集電路電路 典型模擬調(diào)理電路的組成框圖典型模擬調(diào)理電路的組成框圖傳感器是信號輸人通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定傳感器是信號輸人通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感整個測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計的測試系統(tǒng)器，首先要明確所設(shè)計的測試系統(tǒng)需要什么樣的傳感需要什么樣的傳感器器系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求；其次是要了解現(xiàn)有；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器

9、，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價格進(jìn)行對比，從中挑選合乎要求的性能價格指標(biāo)和價格進(jìn)行對比，從中挑選合乎要求的性能價格比最高的傳感器。比最高的傳感器。傳感器的選用傳感器的選用11將被測量將被測量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換后續(xù)電路可用電量后續(xù)電路可用電量：1.1.轉(zhuǎn)換范圍：轉(zhuǎn)換范圍：與被測量實際變化范圍相一致。與被測量實際變化范圍相一致。2.2.轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度：符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)；而分配給傳感器的精度指標(biāo)；3.3.轉(zhuǎn)換速度（帶寬）：轉(zhuǎn)換速度（帶寬）：符合整機要求；符合整機要求；4.4.能能滿足滿足被測介質(zhì)和使用被測介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求環(huán)境的特殊要求，如

10、耐，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等；、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等；5.5.能滿足用戶對能滿足用戶對可靠性和可維護(hù)性可靠性和可維護(hù)性的要求。的要求。( (一一) ) 對傳感器的主要技術(shù)要求對傳感器的主要技術(shù)要求1.大信號輸出傳感器大信號輸出傳感器:為了與為了與A/D輸入要求相適應(yīng)，輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家開始設(shè)計、制造一些專門與傳感器廠家開始設(shè)計、制造一些專門與A/D相配套相配套的大信號輸出傳感器。的大信號輸出傳感器。傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器小信號放大小信號放大信號修正與變換信號修正與

11、變換濾波濾波A/D微機微機微機微機I/V轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換V/F光電耦合光電耦合小電流小電流小電壓小電壓大電壓大電壓大電流大電流大信號輸出傳感器的使用大信號輸出傳感器的使用傳感器放大整形光電隔離計算機傳感器整形光電隔離計算機頻率量輸出開關(guān)量輸出頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用14放大器為什么要放大器為什么要“前置前置”, ,即設(shè)置在調(diào)理即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？電路的最前端？前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？二、運用前置放大器的依據(jù)二、運用前置放大器的依據(jù)當(dāng)傳感器輸出信號比較小，必須選用前當(dāng)傳感器輸出信號比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。置放大器進(jìn)

12、行放大。15KVVONIN/2200)()(KVKKVVININONVINVOS前置放大器前置放大器K0后級電路后級電路KVISVIN0VON放大器噪聲分析放大器噪聲分析 總的等效輸出噪聲：總的等效輸出噪聲：總的等效輸入噪聲：總的等效輸入噪聲：20200)(KVVKKVVININONIN162020)(KVVVINININ20011KVVININ假定不設(shè)前放時，輸入信號被電路噪聲淹沒，即：假定不設(shè)前放時，輸入信號被電路噪聲淹沒，即：VISVIN，加入前放后，加入前放后，希望希望VISVIN，就必須使，就必須使VINVIN，為使小信號不被電路噪聲所淹沒，在電路前端為使小信號不被電路噪聲所淹沒，在

13、電路前端加入的電路必須是放大器，加入的電路必須是放大器，即即K K0 01 1，而且必須而且必須是低噪聲的，即該放大器本身的等效輸入噪聲是低噪聲的，即該放大器本身的等效輸入噪聲必須比其后級電路的等效輸入噪聲低。因此，必須比其后級電路的等效輸入噪聲低。因此，調(diào)理電路前端電路必須是低噪聲前置放大器。調(diào)理電路前端電路必須是低噪聲前置放大器。17兩種調(diào)理電路的對比兩種調(diào)理電路的對比21202120)()(KVVKVKVVINININININ21202021)()(INININININVVKKVKVV（a）（b）由于由于K1,所以，所以， ，調(diào)理電路中放大器設(shè)置在，調(diào)理電路中放大器設(shè)置在濾波器前面有利于

14、減少電路的等效輸入噪聲。濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲。ININVV信號調(diào)理通道中的常用放大器信號調(diào)理通道中的常用放大器 在智能儀器的信號調(diào)理通道中，針對被在智能儀器的信號調(diào)理通道中，針對被放大信號的特點，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路的現(xiàn)放大信號的特點，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路的現(xiàn)場要求，目前使用較多的放大器有場要求，目前使用較多的放大器有儀用放大儀用放大器器、程控增益放大器程控增益放大器以及以及隔離放大器隔離放大器等。等。(一一)儀用放大器儀用放大器儀用放大器的基本結(jié)構(gòu)儀用放大器的基本結(jié)構(gòu)儀用放大器上下對稱，即圖中儀用放大器上下對稱，即圖中R1=R2，R4R6，R5R7。則放大器閉環(huán)增益為：。則放大

15、器閉環(huán)增益為：假設(shè)假設(shè)R4=R5，即第二級運算放大器增益為，即第二級運算放大器增益為1，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：由上式可知，通過調(diào)節(jié)電阻由上式可知，通過調(diào)節(jié)電阻RG，可以很方，可以很方便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當(dāng)采用便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當(dāng)采用集成儀用放大器時，集成儀用放大器時，RG一般為外接電阻。一般為外接電阻。451/)/21 (RRRRAGf)/21 (1GfRRA1.非線性度非線性度 它是指放大器實際輸出輸入關(guān)系曲線它是指放大器實際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。與理想直線的偏差。當(dāng)增益為當(dāng)增益為1時，如果時，如果一個一個12位位

16、A/D轉(zhuǎn)換器有轉(zhuǎn)換器有0.025%的非線性的非線性偏差，當(dāng)增益為偏差，當(dāng)增益為500時，非線性偏差可達(dá)時，非線性偏差可達(dá)0.1%，相當(dāng)于把，相當(dāng)于把12位位A/D轉(zhuǎn)換器變成轉(zhuǎn)換器變成10位以下轉(zhuǎn)換器，故一定要選擇非線性偏位以下轉(zhuǎn)換器，故一定要選擇非線性偏差小于差小于0.024%的儀用放大器。的儀用放大器。2.溫漂溫漂 溫漂是指儀用放大器輸出電壓隨溫溫漂是指儀用放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的程度。通常儀用放大器度變化而變化的程度。通常儀用放大器的輸出電壓會隨溫度的變化而發(fā)生的輸出電壓會隨溫度的變化而發(fā)生(150) V/變化，這與儀用放大器的增變化，這與儀用放大器的增益有關(guān)。益有關(guān)。3.建立時間

17、建立時間建立時間是指從階躍信號驅(qū)動瞬間至儀建立時間是指從階躍信號驅(qū)動瞬間至儀用放大器輸出電壓達(dá)到并保持在給定誤差用放大器輸出電壓達(dá)到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時間。范圍內(nèi)所需的時間。4.恢復(fù)時間恢復(fù)時間恢復(fù)時間是指放大器撤除驅(qū)動信號瞬間恢復(fù)時間是指放大器撤除驅(qū)動信號瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時間。顯然，放大器的建立時間和恢復(fù)時時間。顯然，放大器的建立時間和恢復(fù)時間直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。間直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。5.電源引起的失調(diào)電源引起的失調(diào)電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化1%，引起放大器的漂

18、移電壓值。儀用放大，引起放大器的漂移電壓值。儀用放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器，對于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計系，對于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。6.共模抑制比共模抑制比當(dāng)放大器兩個輸入端具有等量電壓變化值當(dāng)放大器兩個輸入端具有等量電壓變化值UI時時，在放大器輸出端測量出電壓變化值，在放大器輸出端測量出電壓變化值UCM，則，則共模抑制比共模抑制比CMRR可用下式計算：可用下式計算：CMRR也是放大器增益的函數(shù)，它隨增益的也是放大器增益的函數(shù)，它隨增益的增加而增大，這是因為測量放大器具有一個不增加而增大

19、，這是因為測量放大器具有一個不放大共模的前端結(jié)構(gòu)，這個前端結(jié)構(gòu)對差動信放大共模的前端結(jié)構(gòu)，這個前端結(jié)構(gòu)對差動信號有增益，對共模信號沒有增益。但號有增益，對共模信號沒有增益。但CMRR的的計算卻是折合到放大器輸出端，這樣就使計算卻是折合到放大器輸出端，這樣就使CMRR隨增益的增加而增大。隨增益的增加而增大。ICMUUCMRRlg20 儀表放大器儀表放大器 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，所采集的信號源許多均由傳感器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，所采集的信號源許多均由傳感器提供，由于傳感器無法實現(xiàn)零輸出阻抗，輸出又均為小信提供，由于傳感器無法實現(xiàn)零輸出阻抗，輸出又均為小信號，以及傳感器工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，號，以及傳感器工作

20、現(xiàn)場的惡劣環(huán)境， 因此在高質(zhì)量數(shù)因此在高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，應(yīng)選具有：據(jù)采集系統(tǒng)中，應(yīng)選具有： 高共模抑制高共模抑制 高輸入阻抗高輸入阻抗 低噪聲低噪聲 低線性誤差低線性誤差 低溫漂低溫漂 增益設(shè)置靈活的儀表放大器。增益設(shè)置靈活的儀表放大器。(二二)程控增益放大器程控增益放大器 程控放大器是智能儀器的常用部件之程控放大器是智能儀器的常用部件之一，在許多實際應(yīng)用中，特別是在通用測一，在許多實際應(yīng)用中，特別是在通用測量儀器中，為了在整個測量范圍內(nèi)獲取合量儀器中，為了在整個測量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力，常采用可變增益放大器。在適的分辨力，常采用可變增益放大器。在智能儀器中，可變增益放大器的增益由儀智能

21、儀器中，可變增益放大器的增益由儀器內(nèi)置計算機的程序控制。這種由程序控器內(nèi)置計算機的程序控制。這種由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。制增益的放大器，稱為程控放大器。程控放大器原理框圖程控放大器原理框圖(三）隔離放大器實際應(yīng)用中，經(jīng)常遇到信號源(傳感器)和系統(tǒng)間不允許有直接的電信號連接。 隔離放大器是利用光、電容和變壓器的耦合技術(shù)，實現(xiàn)放大器輸入和輸出的歐姆隔離。 原因之三是傳感器和系統(tǒng)必須電隔離，如心電圖、腦電圖等，此類儀器必須杜絕因漏電流可能對病人的電擊。 原因之二是避免意外的高壓浪涌通過地對儀表放大器造成損壞。 原因之一是因為被測量信號為弱信號，實際現(xiàn)場干擾非常大，又存在很高的共模電壓

22、。 三端口隔離放大器，實現(xiàn)輸入/ 輸出和電源相互間的歐姆隔離。 二端口隔離放大器，實際是放大器輸入 / 輸出間的歐姆隔離。 300VMAX2000VMAX三端口隔離放大器示意圖 2)光隔離放大器 線性光隔離放大器ISO100 ，具有響應(yīng)速度快，持續(xù)隔離電壓大于750V，擊穿電壓大于2500V，漏電流為0.3A，直流隔離模抑制比可達(dá)140dB，交流隔離模抑制比可達(dá)120dB，非線性小于0.02%，隔離電容為2-3pF，隔離電阻為1000G。 A1A2I1I2LEDD1D2輸入電路由A1運算放大器和I恒流源組成，輸出電路由A2運算放大器和I恒流源組成，輸入和輸出通過線性LED和D2實現(xiàn)隔離，輸入放

23、大器A1通過線性LED和D1實現(xiàn)的負(fù)反饋，提高了放大器的精度、線性度和溫漂的穩(wěn)定性。 3). 電容隔離放大器 電容隔離放大器輸入和輸出間通過高電壓小容量的電容實現(xiàn)隔離。放大器輸入電路的主要功能是對輸入的模擬信號進(jìn)行調(diào)制，通過隔離電容耦合到輸出電路。放大器輸出電路是對已被調(diào)制的信號進(jìn)行解調(diào)制，使放大器輸出和輸入的信號完全相同。 電容耦合隔離放大器的隔離電壓一般為5000V(隔離電壓隨信號頻率的增加而減小)，直流隔離模抑制比為160dB，工頻隔離抑制比為130dB，漏電流為左右，溫漂為200V/，隔離阻抗可高達(dá)101，壓擺率為2V/(當(dāng)壓擺率較大時，輸出放大器存在因漏電流增大而過載，此時放大器的恢

24、復(fù)時間也隨之增加)，非線性一般為(0.010.005)%，放大器帶寬100KHz。33特點：特點：1. 1. 能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害， 防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞。防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞。2. 2. 泄漏電流低，對于測量放大器的輸入端無須泄漏電流低，對于測量放大器的輸入端無須 提供偏流返回通路。提供偏流返回通路。3. 3. 共模抑制比高，能對直流和低頻信號進(jìn)行準(zhǔn)共模抑制比高，能對直流和低頻信號進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測量。確、安全的測量。34模擬多路開關(guān)及接口模擬多路開關(guān)及接口 v多路開關(guān)多路開關(guān):把模擬信號分時地送入把模擬信號分時地送入A/D轉(zhuǎn)

25、換器轉(zhuǎn)換器,完完成多到一的轉(zhuǎn)換。成多到一的轉(zhuǎn)換。v多路分配器多路分配器:將經(jīng)計算機處理的數(shù)據(jù)由將經(jīng)計算機處理的數(shù)據(jù)由D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成模擬信號成模擬信號,按一定的順序輸出到不同的控制回按一定的順序輸出到不同的控制回路中去路中去,完成一到多的轉(zhuǎn)換。完成一到多的轉(zhuǎn)換。vCD4051(雙向雙向8路路),圖圖2-32,真值表真值表2-5；v電平轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)實現(xiàn)CMOS到到TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換；邏輯電平的轉(zhuǎn)換；v數(shù)字量數(shù)字量:320V,模擬量模擬量:峰值達(dá)峰值達(dá)20V；v改變改變IN/OUT及及OUT/IN的傳遞方向的傳遞方向,可用作多路可用作多路開關(guān)和多路分配器。開關(guān)和多路分配器。35模擬開關(guān)的要求

26、：模擬開關(guān)的要求：v靜態(tài)特性：開關(guān)接通電阻要小，斷開電阻要靜態(tài)特性：開關(guān)接通電阻要小，斷開電阻要大大v動態(tài)特性：從加上驅(qū)動信號到開關(guān)元件動作動態(tài)特性：從加上驅(qū)動信號到開關(guān)元件動作間的延遲時間要小，開關(guān)元件通斷時無過渡間的延遲時間要小，開關(guān)元件通斷時無過渡現(xiàn)象現(xiàn)象v寄生特性：偏移電壓、溫差電勢、尖峰電壓寄生特性：偏移電壓、溫差電勢、尖峰電壓等要小，輸入信號和驅(qū)動信號間無相互干擾等要小，輸入信號和驅(qū)動信號間無相互干擾1機械觸點式MUX 機械觸點式開關(guān)，當(dāng)繼電器中的線圈通過電流時， 磁場使繼電器中的簧片觸點吸合。當(dāng)線圈中沒有電流時，磁場消失簧片借助自身彈力使觸點釋放。 V=-L (di/dt)tVV

27、C設(shè)： L=10mH，di=100mA，dt=10S當(dāng)三極管導(dǎo)通時，此時繼電器線圈產(chǎn)生的瞬時電壓為： V = = 100V10-2 10-110 10-6VC2電子式模擬MUX目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常用的電子式MUX，有： 雙極型晶體管開關(guān)，工作頻率可大于1MHz、導(dǎo)通電 阻小，但存在殘余電壓，因此主要用于電流開關(guān)，電 壓開關(guān)已幾乎不用。 結(jié)型場效應(yīng)管開關(guān)導(dǎo)通電阻為5100，斷開電阻 在10M以上，沒有殘余電壓，由截止變導(dǎo)通轉(zhuǎn)換時 間一般為10nS100nS。 絕緣柵場效應(yīng)管開關(guān)，分為PMOS、NMOS和CMOS 三種類型。目前常用的是CMOS場效應(yīng)管開關(guān)，具有 功耗小，通道切換速度快，其導(dǎo)通電阻

28、與信號電壓、 電源電壓和環(huán)境溫度變化有關(guān)。1)利用MUX對多路信號源進(jìn)行切換傳輸時，必須在當(dāng)前導(dǎo)通通道的開關(guān)完全截止后，才允許另一通道的開關(guān)閉合，以免MUX的兩個通道在導(dǎo)通/截止轉(zhuǎn)換的過程中，因兩個通道的同時導(dǎo)通造成信號源的損壞。3電子模擬開關(guān)使用注意事項2)在程控放大器應(yīng)用中，當(dāng)需改變放大器增益時，為避免放大器工作在開環(huán)狀態(tài)下，MUX的n+1通道開關(guān)在導(dǎo)通穩(wěn)定后(tn+1時刻n+1和n兩個通道開關(guān)同時閉合），原tn時刻導(dǎo)通的n通道的開關(guān)才能由閉合轉(zhuǎn)為截止。3)當(dāng)MUX導(dǎo)通電阻Ron較大時，這時要考慮到由于Ron對信號的分壓，造成系統(tǒng)精度的降低，為此要求同MUX連接的下一級電路應(yīng)具有較高的輸入

29、阻抗。4). 對對CMOS輸入信號電壓動態(tài)范圍必須在輸入信號電壓動態(tài)范圍必須在VDD和和VSS之之間，否則將導(dǎo)致開關(guān)截止電阻值的減小，同時使導(dǎo)通電間，否則將導(dǎo)致開關(guān)截止電阻值的減小，同時使導(dǎo)通電阻值加大。對使用阻值加大。對使用+VDD和和-VEE的模擬開關(guān)，輸入信號應(yīng)滿的模擬開關(guān)，輸入信號應(yīng)滿足：足： VDD +VINMAX -VEE -VINMAX5). 當(dāng)MUX從一個通道轉(zhuǎn)換到另一個通道時，輸出端可能要產(chǎn)生一個尖峰電壓，若ADC立即對轉(zhuǎn)換通道的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則要產(chǎn)生誤差。因此應(yīng)在MUX輸出端接一個采樣保持器，或利用軟件產(chǎn)生時延后ADC再對MUX輸出的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。40圖圖2-32 CD40

30、51內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 41 采樣采樣v 待采樣的模擬信號是連續(xù)的，可看成無限待采樣的模擬信號是連續(xù)的，可看成無限多個瞬時值組成，而多個瞬時值組成，而A/DA/D轉(zhuǎn)換以及計算機處理轉(zhuǎn)換以及計算機處理需要一定的時間，不可能把每一個瞬時值都轉(zhuǎn)需要一定的時間，不可能把每一個瞬時值都轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。必須在連續(xù)變化的模擬量上按周換成數(shù)字量。必須在連續(xù)變化的模擬量上按周期取樣的規(guī)律取出某一些瞬時值來代表這個模期取樣的規(guī)律取出某一些瞬時值來代表這個模擬量，這個過程就是采樣。擬量，這個過程就是采樣。v 采樣是通過采樣保持電路實現(xiàn)的，采樣器采樣是通過采樣保持電路實現(xiàn)的，采樣器（電子模擬開關(guān)）在控制脈沖（電子模擬

31、開關(guān)）在控制脈沖s(t)s(t)的控制下，的控制下，周期性地把隨時間連續(xù)變化的模擬信號周期性地把隨時間連續(xù)變化的模擬信號f(t)f(t)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間上的離散的模擬信號變?yōu)闀r間上的離散的模擬信號f fs s(t)(t)。42v僅在采樣瞬間僅在采樣瞬間允許輸入信號允許輸入信號f(t)通過采樣器，其它時通過采樣器，其它時間斷開。采樣器的輸出間斷開。采樣器的輸出fS(t)是一串窄脈沖，脈沖的包絡(luò)線是一串窄脈沖，脈沖的包絡(luò)線是與輸入信號相同的。是與輸入信號相同的。采樣器輸入輸出波形 43如何知道輸入信號如何知道輸入信號f(t)f(t)的頻率，的頻率，特別是它的最高頻率特別是它的最高頻率fm fm ？v

32、信號信號“最高頻率最高頻率”指的是輸入信號經(jīng)頻譜指的是輸入信號經(jīng)頻譜分析后得到的最高頻率分量。分析后得到的最高頻率分量?！盎謴?fù)恢復(fù)”指的是指的是樣品序列樣品序列f fS S(t)(t)通過截止頻率為通過截止頻率為f fm m的理想低通濾的理想低通濾波器后，能得到的原始信號波器后，能得到的原始信號f(t)f(t)。v 在應(yīng)用中，一般取采樣頻率在應(yīng)用中，一般取采樣頻率f fs s為最高頻率為最高頻率f fm m 的的4 48 8倍倍。 v 簡單模擬信號的頻譜范圍是已知的，如溫簡單模擬信號的頻譜范圍是已知的，如溫度低于度低于1Hz1Hz，聲音為，聲音為20Hz20Hz20000Hz20000Hz。復(fù)雜信號。復(fù)雜信號要用傅立葉變換算出，或用頻譜分析儀測得，要用傅立葉變換算出，或用頻譜分析儀測得，也可用試驗的方法選取最合適的也可用試驗的方法選取最合適的f fs s 。44采樣采樣/ /保持器保持器 v在在A/D轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)換