模拟量输入通道优秀课件
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主要知识点
引言 3.3.1 测量放大器 3.3.2 可变增益放大器
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;
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。如图3-5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
1. 无源I/V变换
2. 有源I/V变换
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 图3-2（a）所示，其中R2为精密电阻。对于010 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。
Sm
S0
A
S1
译
电
S2
码
平
B
S3
驱
转
S4
动
换
C
S5
S6
S7
INH
图3-3图C2 D-43 05C1D4结05构1结原构理原图理 图 链接动画
3.2.2 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。 例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。 例题分析：图3-4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。
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。
R2
VI
R1
VO
VI
Us ～
R2
VO
Us ～
R1
(a)同相放大
图 2-5 放大电路
图3-5 放大电路
(b)反相放大
模拟量输入通道
本章主要内容
❖
引言
❖ 3.1 信号调理电路
❖ 3.2 多路模拟开关
❖ 3.3 前置放大器
❖ 3.4 采样保持器
❖ 3.5 A/D转换器
❖ 3.6 A/D转换模板
❖ 本章小结
❖ 思考题
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。
3.2 多路模拟开关
主要知识点
引言 3.2.1 结构原理 3.2.2 扩展电路
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、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。
送
理
拟Leabharlann Baidu
大
持
换
辑
线
器
开
器
器
器
电
关
路
图 3-1 模拟量输入通道的结构组成
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。
3.1 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。
链接动画
3.3.1 测量放大器
Sm
S0 S1 S2
译
A 电
码
平
B
S3 S4
驱
转
C
动
换
IN H
S5
S6
S7
Sm
S8
A
S9 S 10 S 11
译
电
B
码 驱
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C
S 12
动
换
IN H
S 13
S 14
S 15
D3D2D1D0
图3-4 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 链接动画
3.3 前置放大器
输出电压。该同相放大电路的放大倍数为
G V 1 R4
IR1
R3
(3-1)
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。
结构组成如图3-1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。
过
传
信
多
前
采
接
程
感
号
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置
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调
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D
+5V
R1
+
I
C R2 V
-
R2
I
+ R1
C
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+ A
-
R5 V
R4
(a) 无源I/V变换电路
(b) 有源I/V变换电路
图图2-23电-2流电/电流压/电变换压电变路换电路
2. 有源I/V变换
有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器
和电阻电容组成，如图3-2（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
3.2.1结构原理
现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原 理如图3-3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=001时，通道S通；……当C、B、A = 111时，通 道S7选通。其真值表如表3-1所示。
引言 3.3.1 测量放大器 3.3.2 可变增益放大器
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;
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。如图3-5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
1. 无源I/V变换
2. 有源I/V变换
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 图3-2（a）所示，其中R2为精密电阻。对于010 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。
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图3-3图C2 D-43 05C1D4结05构1结原构理原图理 图 链接动画
3.2.2 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。 例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。 例题分析：图3-4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。
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。
R2
VI
R1
VO
VI
Us ～
R2
VO
Us ～
R1
(a)同相放大
图 2-5 放大电路
图3-5 放大电路
(b)反相放大
模拟量输入通道
本章主要内容
❖
引言
❖ 3.1 信号调理电路
❖ 3.2 多路模拟开关
❖ 3.3 前置放大器
❖ 3.4 采样保持器
❖ 3.5 A/D转换器
❖ 3.6 A/D转换模板
❖ 本章小结
❖ 思考题
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。
3.2 多路模拟开关
主要知识点
引言 3.2.1 结构原理 3.2.2 扩展电路
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、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。
送
理
拟Leabharlann Baidu
大
持
换
辑
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器
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图 3-1 模拟量输入通道的结构组成
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。
3.1 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。
链接动画
3.3.1 测量放大器
Sm
S0 S1 S2
译
A 电
码
平
B
S3 S4
驱
转
C
动
换
IN H
S5
S6
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译
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S 14
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图3-4 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 链接动画
3.3 前置放大器
输出电压。该同相放大电路的放大倍数为
G V 1 R4
IR1
R3
(3-1)
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。
结构组成如图3-1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。
过
传
信
多
前
采
接
程
感
号
路
置
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A/D
口
PC
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逻
总
数
D
+5V
R1
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I
C R2 V
-
R2
I
+ R1
C
R3
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R5 V
R4
(a) 无源I/V变换电路
(b) 有源I/V变换电路
图图2-23电-2流电/电流压/电变换压电变路换电路
2. 有源I/V变换
有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器
和电阻电容组成，如图3-2（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
3.2.1结构原理
现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原 理如图3-3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=001时，通道S通；……当C、B、A = 111时，通 道S7选通。其真值表如表3-1所示。