模拟量输入通道ppt课件
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对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同相 放大或单端反相放大。如下图所示，信号源的一端若接放大
器的正端为同相放大，同相放大电路的放大倍数G
=1+R2/R1； 若信号源的一端接放大器的负端为反相放大，反相放大
电路的放大倍数G =－R2/R1。当然，这两种电路都是单端
放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。
11
4.2 多路模拟开关
２. 结构原理
S0
S1
译
电
S2
码
平
S3
驱
转
S4
动
换
S5
S6
S7
图2 -3 CD4051结构原理图
Sm A B C INH
12
4.2 多路模拟开关
２. 结构原理
13
4.2 多路模拟开关
3. 扩展电路 当采样通道多至16路时，可直接选用16
路模拟开关的芯片，也可以将2个8路4051并 联起来，组成1个单端的16路开关。
２. 结构原理
现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构 原理如下图所示。CD4051由电平转换、译码驱动 及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后 级通道断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通；当为 “0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端 C、B、A的数值，就可选通8个通道S0~S7中的一路。 比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；……当C、 B、A = 111时,通道S7选通。其真值表如下表.
17
4.3 前置放大器
R2
VI
R1
VO
VI
Us ～
R2
VO
Us ～
R1
(a)同相放大
图 2-5 放大电路
放大电路
(b)反相放大
18
4.3 前置放大器
2. 测量放大器
在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大 的共模干扰， 而单个运放电路的差动输入端难以起到很好 的抑制作用。 因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一 组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如下图(a)所 示。
1. 无源I/V变换 2. 有源I/V变换
5
4.1 信号调理电路
1. 无源I/V变换
无源I/V变换电路是利用无源器件—电阻来实现， 加上RC滤波和二极管限幅等保护，如下左图所示， 其中R2为精密电阻。对于0- 10 mA输入信号，可取 R1=100Ω，R2=500Ω，这样当输入电流在0 -10 mA 量程变化时，输出的电压就为0 -5 V范围;而对于4 20 mA输入信号,可取R1=100Ω, R2=250Ω，这样当 输入电流为4 -20 mA时，输出的电压为1 - 5 V。
总
数
送
理
拟
大
持
换
辑
线
器
开
器
器
器Biblioteka Baidu
电
关
路
显然,该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器, 通常把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。
4
4.1 信号调理电路
在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种 类型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA 或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压法 把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下是 两种变换电路。
结构组成如下图所示，来自于工业现场传感器或 变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理， 然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放 大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字 量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回 检测任务。
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引言
过
传
信
多
前
采
接
程
感
号
路
置
样
A/D
口
PC
参
变
调
模
放
保
转
逻
G V 1 R4
IR1
R3
若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，则输入电流
I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出V的0 ~ 5 V；若取R1=200Ω，
R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4 ~ 20 mA的输入电流对应于1 ~
5 V的电压输出。
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4.2 多路模拟开关
１. 引言
由于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， 但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所 以，必须通过多路模拟开关实现多选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开关种类很多，
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、
9
4.2 多路模拟开关
１. 引言
4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。所谓双向， 就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成 一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。 双端是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。
10
4.2 多路模拟开关
15
4.2 多路模拟开关
Sm
S0 S1 S2
译 码
A
电 平
B
S3 S4
驱
转
C
动
换
INH
S5
S6
S7
Sm
S8
A
S9 S10 S11
译
电
B
码 驱
平 转
C
S12
动
换
INH
S13
S14
S15
D3 D2 D1 D0
16 图2-4 多路模拟开关的扩展电路
4.3 前置放大器
1. 引言
前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换 的量程范围之内，如0-5VDC;
例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个 1×16路的模拟开关。
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4.2 多路模拟开关
3. 扩展电路
例题分析：下图给出了两个CD4051扩展为1×16路 模拟开关的电路。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，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、 D0从000变为111，则依次选通S0~S7通道；当D3=1 时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关， 此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通 S8~S15通道。如此，组成一个16路的模拟开关。
计算机控制技术
吴国辉
1
第四章 模拟量输入通道
❖ 引言 ❖ 4.1 信号调理电路 ❖ 4.2 多路模拟开关 ❖ 4.3 前置放大器 ❖ 4.4 采样保持器 ❖ 4.5 A/D转换器 ❖ 本章小结 ❖ 思考题
2
引言
模拟量输入通道的任务是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。
6
4.1 信号调理电路
D
+5V
R1
+
I
C R2 V
-
(a) 无源I/V变换电路
R2
I
+ R1
C
R3
+ A
-
R5 V
R4
(b) 有源I/V变换电路
图 2-2 电流/电压变换电路
7
4.1 信号调理电路
２. 有源I/V变换
有源I/V变换是利用有源器件—运放和电阻电容组成， 如上图（b）所示。利用同相放大电路，把电阻R1上的输入 电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为
器的正端为同相放大，同相放大电路的放大倍数G
=1+R2/R1； 若信号源的一端接放大器的负端为反相放大，反相放大
电路的放大倍数G =－R2/R1。当然，这两种电路都是单端
放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。
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4.2 多路模拟开关
２. 结构原理
S0
S1
译
电
S2
码
平
S3
驱
转
S4
动
换
S5
S6
S7
图2 -3 CD4051结构原理图
Sm A B C INH
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4.2 多路模拟开关
２. 结构原理
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4.2 多路模拟开关
3. 扩展电路 当采样通道多至16路时，可直接选用16
路模拟开关的芯片，也可以将2个8路4051并 联起来，组成1个单端的16路开关。
２. 结构原理
现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构 原理如下图所示。CD4051由电平转换、译码驱动 及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后 级通道断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通；当为 “0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端 C、B、A的数值，就可选通8个通道S0~S7中的一路。 比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；……当C、 B、A = 111时,通道S7选通。其真值表如下表.
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4.3 前置放大器
R2
VI
R1
VO
VI
Us ～
R2
VO
Us ～
R1
(a)同相放大
图 2-5 放大电路
放大电路
(b)反相放大
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4.3 前置放大器
2. 测量放大器
在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大 的共模干扰， 而单个运放电路的差动输入端难以起到很好 的抑制作用。 因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一 组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如下图(a)所 示。
1. 无源I/V变换 2. 有源I/V变换
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4.1 信号调理电路
1. 无源I/V变换
无源I/V变换电路是利用无源器件—电阻来实现， 加上RC滤波和二极管限幅等保护，如下左图所示， 其中R2为精密电阻。对于0- 10 mA输入信号，可取 R1=100Ω，R2=500Ω，这样当输入电流在0 -10 mA 量程变化时，输出的电压就为0 -5 V范围;而对于4 20 mA输入信号,可取R1=100Ω, R2=250Ω，这样当 输入电流为4 -20 mA时，输出的电压为1 - 5 V。
总
数
送
理
拟
大
持
换
辑
线
器
开
器
器
器Biblioteka Baidu
电
关
路
显然,该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器, 通常把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。
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4.1 信号调理电路
在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种 类型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA 或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压法 把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下是 两种变换电路。
结构组成如下图所示，来自于工业现场传感器或 变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理， 然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放 大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字 量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回 检测任务。
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引言
过
传
信
多
前
采
接
程
感
号
路
置
样
A/D
口
PC
参
变
调
模
放
保
转
逻
G V 1 R4
IR1
R3
若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，则输入电流
I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出V的0 ~ 5 V；若取R1=200Ω，
R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4 ~ 20 mA的输入电流对应于1 ~
5 V的电压输出。
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4.2 多路模拟开关
１. 引言
由于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， 但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所 以，必须通过多路模拟开关实现多选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开关种类很多，
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、
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4.2 多路模拟开关
１. 引言
4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。所谓双向， 就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成 一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。 双端是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。
10
4.2 多路模拟开关
15
4.2 多路模拟开关
Sm
S0 S1 S2
译 码
A
电 平
B
S3 S4
驱
转
C
动
换
INH
S5
S6
S7
Sm
S8
A
S9 S10 S11
译
电
B
码 驱
平 转
C
S12
动
换
INH
S13
S14
S15
D3 D2 D1 D0
16 图2-4 多路模拟开关的扩展电路
4.3 前置放大器
1. 引言
前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换 的量程范围之内，如0-5VDC;
例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个 1×16路的模拟开关。
14
4.2 多路模拟开关
3. 扩展电路
例题分析：下图给出了两个CD4051扩展为1×16路 模拟开关的电路。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，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、 D0从000变为111，则依次选通S0~S7通道；当D3=1 时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关， 此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通 S8~S15通道。如此，组成一个16路的模拟开关。
计算机控制技术
吴国辉
1
第四章 模拟量输入通道
❖ 引言 ❖ 4.1 信号调理电路 ❖ 4.2 多路模拟开关 ❖ 4.3 前置放大器 ❖ 4.4 采样保持器 ❖ 4.5 A/D转换器 ❖ 本章小结 ❖ 思考题
2
引言
模拟量输入通道的任务是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。
6
4.1 信号调理电路
D
+5V
R1
+
I
C R2 V
-
(a) 无源I/V变换电路
R2
I
+ R1
C
R3
+ A
-
R5 V
R4
(b) 有源I/V变换电路
图 2-2 电流/电压变换电路
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4.1 信号调理电路
２. 有源I/V变换
有源I/V变换是利用有源器件—运放和电阻电容组成， 如上图（b）所示。利用同相放大电路，把电阻R1上的输入 电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为