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模拟量输入通道之模拟量输入通道的组成与结构

2011-04-20 22:44阅读：

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2.2.3.1模拟量输入通道的组成
如图2-1所示，是模拟量输入通道的组成与结构框图，可以看出模拟量输入通道常由信号变换器、前置滤波器、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器、接口和控制电路等部分组成。
模拟量输入通道之模拟量输入通道的组成与结构
 考虑到信号在传送及类型转换的过程中，可能会受到干扰的影响，因此，在模拟量输入通道中，需要时可能会加入一些用于抗干扰的隔离电路。
由于A/D转换器是模拟量输入通道中的核心器件，也是必不可少的部件，所以模拟量输入通道，有时又被称为
A/D通道。
2.2.3.2模拟量输入通道各组成部分的功能和作用
如图2-1所示，模拟量输入通道各组成部分的功能和作用分述如下。
1）信号变换器
信号变换器的功能，是把各种非电模拟信号变换为A/D转换器能够接受的电信号，如电流信号、电压信号等，还可以根据需要对这些输出信号值的变化范围进行规范化，以便A/D转换器处理。例如，电流信号幅度的标准变化范围可以是0~10mA、4~20mA等；电压信号幅度的标准变化范围可以是0~40mA、0~5V、-5~5V、-10~10V等。
2）前置滤波器
考虑到通道输入信号本身可能含有噪声，或者在传输过程中受到了干扰的影响，可在模拟量输入通道采样及A/D转换前加前置硬件滤波电路，以滤除输入模拟信号中可能混有的高频干扰。
由图2-1可以看出，信号变换器及前置滤波器两个环节，可以根据每一路模拟信号的实际情况灵活设置。
3）多路模拟开关
构成多回路控制系统，是计算机控制系统较之于模拟控制系统的独特优点。在计算机控制系统中，往往是十几路或几十路模拟信号共用一只A/D转换器，可以降低通道及系统的成本，提高A/D转换器的利用率，这种情况下，必须利用多路模拟开关轮流切换各路被测控的模拟信号。
常用的多路模拟开关CD4051，是一种集成电路芯片，其结构及逻辑框图如图2-2所示，该芯片最多可以进行8路模拟信号的分时切换。
模拟量输入通道之模拟量输入通道的组成与结构
CD4051是具有16个引脚的集成电路芯片，如图2-2所示，S7~S0是8路模拟信号的输入引脚，Sm是1路模拟信号的输出引脚，/EN是芯片选择信号输入引脚，只有向其输入低电平时，整个芯片才能工作，C、B、A接收3路地址信号，用以选择8路模拟信号中的1路，芯片有2个电源引脚VDD和VEE，分别接+15V和-15V电源，还有一个接地引脚GND。
需要特别注意的是，CD4051是允许双向使用的，即既可用于选择8路模拟信号中的1路输入，也可以为1路模拟信号，从8个输出通路中选择1路输出，一次，它也可以应用在模拟量输出通道中。
4）前置放大器
用于计算机控制系统中的放大器，与一般测量系统中的放大器相比，在高增益、高稳定性极强共模抑制比等方面的性能要求，没有什么差别，所不同是的是，由于一般情况下，前置放大器可能会多路输入共用，所以希望放大器的增益，可由计算机通过编程设置或改变，以适应各路信号变化范围的要求，如图2-3所示.
模拟量输入通道之模拟量输入通道的组成与结构
在系统工作过程中，只要根据输入信号所来自的不同回路，通过程序控制，改变图中外接电阻RG的阻值，就可以改变放大器的增益。
5）采样保持器
模拟量输入通道的核心功能，就是对输入的模拟量进行A/D转换。在输入模拟量值确定的情况下，A/D转换器输出的数字量也是确定的，但当A/D转换器接收的模拟量随时间变化，称为模拟输入信号，且变化很快时，则在A/D转换的过程中，被转换的信号量值就是不确定的，这种不确定性，会引起一定的孔径误差，为了减小孔径误差的影响，可在A/D转换之前，利用采样保持电路构成采样保持器对输入模拟信号进行采样、保持操作。
采样保持器通常由保持电容、采样开关及输入、输出缓冲放大器组成，保持电容上Ch上的电压，即为采样保持器的输出电压，输入、输出缓冲放大器的共同特点是，输入电阻很大而输出电阻很小。例如，LF398是常用的单片采样保持器集成电路芯片，其原理如图2-4所示。
LF398的保持电容是外接的；待转换的输入模拟信号由输入缓冲放大器的同端（3）引入，模拟量值的变化范围为5~18V和-18~-5V；芯片的输出由输出缓冲放大器的输出端（5）引出；另外，LF398采样保持器芯片还有两个控制端，
模拟量输入通道之模拟量输入通道的组成与结构
采样保持器所要完成的功能，可以分为两个方面，即采样和保持。如图2-5所示，是采样保持器的等效电路图，其中Ri是输出缓冲放大器的输入电阻，R0是输入缓冲放大器的输出电阻，Ch是外接保持电容。
模拟量输入通道之模拟量输入通道的组成与结构
模拟量输入通道之模拟量输入通道的组成与结构
根据相关的电路理论我们知道，从采样的角度来看，外接保持电容Ch越小越好；但从保持的角度来看，保持电容Ch却越打越好。因此，在选择确定Ch时，需综合考虑这两方面的因素，通常应选用介质损耗较低的聚苯乙烯电容或聚四氟乙烯电容来作为采样保持器的外接保持电容。
另外，由于采样保持器中采样开关的前后，各有一个缓冲放大器，它们的输入电阻很大而输出电阻很小，因此整个采样保持器的输入电阻很大，而输出电阻却很小，所以采样保持器还具有阻抗变换功能。
采样开关弹开后，采样保持器处于保持状态，在此期间，输出缓冲放大器的输入电阻 Ri与外接电容 Ch构成放电回路，其等效电路如图2-5（b）所示。由于输出缓冲放大器的输入电阻 Ri非常大，由其与外接电容 Ch构成的放大回路，放电时间常数 RiCh非常大，外接电容 Ch上的电压衰减很慢，几乎不变，结果在采样开关断开后的很长时间内，采样保持器输出信号的幅度，仍然保持了采样瞬间输入信号的幅度值，这就是保持功能。
根据相关的电路理论我们知道，从采样的角度来看，外接保持电容 Ch越小越好，但从保持的角度来看，保持电容 Ch却越大越好。因此，在选择确定 Ch时，需综合考虑这两方面的因素，通常应选用介质损耗较低的聚苯乙烯电容或聚四氟乙烯电容来作为采样保持器的外接电容。
另外，由于采样保持器中的采样开关的前后，各有一个缓冲放大器，它们的输入电阻很大而输出电阻很小，因此整个采样保持器的输入电阻很大，而输出电阻却很小，所以采样保持器还具有阻抗变换的功能。
6）A/D转换器
A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，也是必不可少的部件，有关A/D转换的原理及转换器芯片，我们将在下面的内容中作进一步介绍。
A/D转换器的字长n及转换时间 Tc，是它的两个重要性能参数。其中，A/D转换器字长n与其转换精度直接相关；转换时间 Tc与其转换速度直接相关，如何根据模拟量输入通道的精度及转换速度要求，来确定A/D转换器的字长n及转换时间

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