任务二 模拟量输入通道

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Sm A 译 码 驱 动 电 平 转 换 B C INH S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
• 图2 单击此处编辑母版副标题样式 -3 CD4051结构原理图
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单击此处编辑母版标题样式 扩展电路
当采样通道为16路时，可直接选用16路模拟开
• 单击此处编辑母版副标题样式 电流 I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出V的0 ~ 5 V；
mA的输入电流对应于1 ~ 5 V的电压输出。
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若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4 ~ 20
单击此处编辑母版标题样式 3、多路转换器
计算机的工作速度远远快于被测参数的变化， 因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，通 过多路转换器实现多选1的操作，将多路输入信号 依次地切换到后级。 目前，计算机控制系统使用的多路转换器种类 既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换。 • 单击此处编辑母版副标题样式 很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片 CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、 4路)等。 指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信 号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。 15
能够扩展多路转换器电路；
• 单击此处编辑母版副标题样式 了解常用的传感器类型。
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一、模拟量输入通道的结构 模拟量输入通道的任务：把被控对象的过程参 数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转 换成计算机可以接收的数字量信号。 模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不 • 单击此处编辑母版副标题样式 同的结构形式，最简单的就是单路模拟量输入通道。 多路模拟量输入通道结构组成如图所示。
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获取时间：从发出采样指令到采样 单击此处编辑母版标题样式 缩短获取时间可以提高采样速率。 关注的 指标 输出电压衰减率：在保持期的采样
保持器输出与输入相等所需的时间。
• 单击此处编辑母版副标题样式
保持器输出电压的下降率。较大的 下降率会影响A/D转换结果的精度。
增加保持电容的容量能降低下降率，但又会延长获取
时间，所以保持电容要综合考虑。
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必须采用采样保持器么？
答案：NO。如果输入
• 单击此处编辑母版副标题样式 的连续信号变化缓慢，同
时A/D转换器有足够快的
转换速度时，可以省去采 样保持器。
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单击此处编辑母版标题样式 6 A/D转换器
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单击此处编辑母版标题样式 采样保持器
模拟信号进行 A/D 转换时，从启动转换到转
问题： 换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当
输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。
解决方法： 采用一种器件，在A/D转换时保持住输入信 • 单击此处编辑母版副标题样式
号电平，在A/D转换结束后跟踪输入信号的
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可采用编控放大器，由计算机控制它的闭环增
益，对不同幅值的信号进行不同比例的放大。
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当然也可以每个传感器都有自己的放大器。
是否必须使用放大器？
在实际系统中，如果变送器的输出均为标准信 • 单击此处编辑母版副标题样式 号（如0~5V，4~20mA），通道中可以不设放大器。
模拟信号 Ui
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K A UO CH 模拟地
Hale Waihona Puke 驱动信号工作原理如下： 在t1时刻前，控制电路
控 制 信 号 A 模 拟 输 入
跟踪 保持
t
的驱动信号为高电平时，
采样开关K 闭合，输入
信号 U 通过 K 对电容 C i H • 单击此处编辑母版副标题样式 t 快速充电，使得CH端电 压UC 跟随Ui 变化而变 化。
关的芯片，也可以将2个8路4051并联起来。
例 试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。
分析：数据总线D3~D0作为通道选择信号，D3用来
控制两个多路开关的禁止端。当D3=0时，选中其中一
• 单击此处编辑母版副标题样式
个多路开关，D2、D1、D0的组合选通S0~S7通道；当
D3=1时，经反相器变成低电平，选中另外一个多路开
关， D2、D1、D0的组合选通S8~S15通道。如此，组 成一个16路的模拟开关。 2015/10/20
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Sm S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 译 码 驱 动 电 平 转 换 A B C INH
Sm
S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15
A/D 转换器是模拟输入通道的核心关键部件。选
择的正确与否对提高模拟输入通道性价比和满足控制
系统对模拟信号转换的要求，具有重要作用。实际中
主要从下面几个方面考虑。
1） A/D转换器的位数
位数与转换信号的分辨率有关。转换位数越高，
对模拟信号变化的反应就越灵敏。分辨率通常用数字 量的二进制位数来表示。比如8位、10位等。8位A/D， 表示能对满量程的1/28=1/256的增量做出反应。
时驱动信号又为高电平，K
重新闭合， CH 端电压UC
• 单击此处编辑母版副标题样式 又跟随Ui 变化而变 化；
t
采 A 样 A2 3 输 出
A A1
t3时刻，驱动信号为低电 平时，K断开，......。
t2 t3 t4 t
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从以上讨论可知：
采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。
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模拟量输入接口：主要部分是 A／D转换器及其与计 对模拟量输入信号进行调 • 单击此处编辑母版副标题样式
算机的数字量接口，从广义上讲，采样保持器、多 理以适合A／D转换器对输
路转换器是配合 A/D转换器工作的，也可以算作模拟 入电压要求的相关电路。
量接口的一部分。目前一些A/D芯片内包含采样保持
具有两个稳定的工作状态：
跟踪状态 在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确
• 单击此处编辑母版副标题样式 地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令止。
保持状态 对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保 持。
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单击此处编辑母版标题样式 串联型采样保持器
UK
Ui +
t
C
采 A 样 A2 3 输 出
A A1
断开瞬间的Ui 值不变并
等待A／D转换器转换。
t2 t3 t4 t
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模拟信号 Ui
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K A UO CH 模拟地
驱动信号
控 制 信 号 A 模 拟 输 入
在t2时刻，保持结束，
跟踪 保持
新一个跟踪时刻到来，此
t
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单击此处编辑母版标题样式 结构原理
现以常用的CD4051为例，8路模拟开关。由电平转
换、译码驱动及开关电路三部分组成。
Sm A B C INH
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S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
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• 单击此处编辑母版副标题样式 译 电
码 驱 动 平 转 换
• 单击此处编辑母版副标题样式 A
译 码 驱 动 电 平 转 换 B C INH
D3 D2 D1 D0
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多路模拟开关的扩展电路
图2-4 多路模拟开关的扩展电路
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单击此处编辑母版标题样式 4 放大器
作用：把从传感器来的低电平信号按比例地
放大到A/D转换器输入电压。 如果从多个传感器来的信号幅值相差悬殊， 若采用一个公用放大器时，怎么办？
由于A/D转换器的输入信号只能是电压信号，所以如
果模拟信号是电流时，必须先把电流变成电压才能
进行A/D I/V变换电路。 • 转换。这样就需要 单击此处编辑母版副标题样式 两种变换电路。 1. 无源I/V变换 2. 有源I/V变换
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无源I/V变换 单击此处编辑母版标题样式 利用无源器件—电阻来实现，加上RC滤波和二极
变化。
这种功能的器件就是采样/保持器。
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单击此处编辑母版标题样式 采样/保持器的工作原理
采样／保持器的一般结构形式如图所示。
K
模拟信号 Ui
驱动信号
A
CH
UO
模拟地 • 单击此处编辑母版副标题样式 采样开关K
组 成
保持电容CH
缓冲放大器A：高输入阻抗，作用是把CH和负载 隔离，否则保持阶段在CH上的电荷会通过负载放 掉，无法实现保持功能。 2015/10/20 23
管限幅等保护。 对于0-10 mA输入信号，
R1=100Ω，R2=500Ω，输出的
•0 单击此处编辑母版副标题样式 电压就为 -5 V范围；
对于4-20 mA输入信号，
R1=100Ω，R2=250Ω，输出的
电压为1-5 V。
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单击此处编辑母版标题样式 有源I/V变换
利用有源器件——运算放大器和电阻电容组成。
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【教学内容】 基本内容：模拟量输入通道的组成结构、传感器、 信号调理、多路转换器。