第二章过程输入输出通道
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在采样期间，不启动A/D转换器，一旦进入保持期间，立即启动A/D 转换器，从而保证A/D转换的模拟输入电压恒定，提高了A/D转换的精 度。
（2）常用的采样/保持器
常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、 THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，介绍集成电路S/H的 工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。
变送器输出的信号包括： ① 电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA（0~500Ω负
载）。 ② 电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。
对于较小的电压信号: 需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标 准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再 经滤波后才能送入A/D转换器。 而对于电流信号:
LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与 LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采 样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10μs，输入阻抗 为1010，保持电容为1μF时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源 范围宽，可以从±5V到±18V，并可与TTL、PMOS和CMOS兼容。
（1）采样/保持器的工作原理
S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成。
当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过 电阻R向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。
当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，由于电容C此 时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。
1．数字量输出信号的连接
A/D转换器数字量输出引脚和8位单片微型计算机的连接方法与其内 部结构有关。
如果转换器的数据输出寄存器具有三态锁存功能，则A／D转换器的 数字量输出引脚可直接接到CPU的数据总线上，转换结束，CPU可以直 接读入数据。
对于10位以上的A／D转换器，输出数据寄存器增加了读数控制逻辑 电路，把10位以上的数据分时读出。
对于内部不包含读数据控制逻辑电路的A／D转换器，应增设三态门 对转换后数据进行锁存，以便控制10位以上的数据分两次进行读取。
CD4051--单端、双向8路模拟开关
选中通道
INH C B A
号
00 0 0
0
00 0 1
1
00 1 0
2
00 1 1
3
01 0 0
4
VDD为正电源，VEE为负电源，
VSS为地，要求VDD+|VEE|≤18V。 0 1 0 1
5
01 1 0
6
01 1 1
7
1×××
无
两个CD4051扩展成16通道的多路模拟开关
tAC=CH/40
式中，CH为保持电容的容量，单位为μF；tAC为采样时间，单位为s。
2.2.2 A/D转换器接口逻辑设计要点
A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，是模拟量输入通道必 不可少的器件。常用的A／D转换器从转换原理上可分为逐次逼近型、计数 比较型和双积分型。从分辨率上可分为8位、12位、16位等；
模拟量输入通道的一般组成框图
1．信号调理电路
信号调理电路主要对来自现场的多路模拟信号进行小信号放大、 滤波、隔离、电平转换、阻抗匹配、非线性补偿和电流/电压转换等。
传感器输出的信号包括： ① 电压信号：一般为mV或μV信号。 ② 电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。 ③ 电流信号：一般为mA或μA信号。
16通道的多路模拟开关真值表：
A3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
输入状态
A2
A1 A0
0
0
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1
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选中通道号
0 1 2 wenku.baidu.com 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
4．采样/保持器
A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此 在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转 换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样/保持器S/H （Sample Hold）。
如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间 较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D 转换精度内，不必再选用采样/保持器。
LF398引脚排列图
• V+、V-：正负电源电压输入引脚，输
入范围为±5V到±18V。 • OFFSET ADJ：偏置调整引脚。可用 外接电阻调整采样-保持器的偏差。 • VIN：输入引脚。 • VOUT：输出引脚。 • CH：保持电容引脚。用来外接保持电 容。 • LOGIC REF：参考逻辑电平。 • LOGIC：输入控制逻辑。
应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转 换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。
无源I/V（电流/电压）变换电路 有源I/V（电流/电压）变换电路
2．多路模拟开关
当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次 地或随机地连接到公用放大器或A／D转换器上，实现对各个输入通道的分 时控制。 ➢ 目前采用CMOS工艺的多路开关应用最为广泛。 ➢ 多路模拟开关参数：通道数、开关电阻、漏电流、输入电压等 ➢ 它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组 成及工作原理基本相同。
LF398典型的电源和信号的接法
CH的数值直接影响采样时间及保持精 度，为了提高精度，就需要增加保持电 容CH的容量，但CH增大时又会使其采 样时间加长。 因此，当精度要求不高（±1%）而速 度要求较高时， CH可小至100Pf。当精 度要求高（±0.01%）时，应取CH =1000pF。当CH ≥400pF时，采样时间 tAC与CH有经验公式
第2章 过程输入输出通道
▪2.1 信号的采样与恢复 ▪2.2 模拟量输入通道 ▪2.3 模拟量输出通道 ▪2.4 数字量输入输出通道
计算机控制系统的基本组成
2.2 模拟量输入通道
▪2.2.1 模拟量输入通道的一般组成 ▪2.2.2 模拟量输入通道 ▪2.2.3 典型A／D转换器与微机的接口设计
2.2.1 模拟量输入通道的一般组成
（2）常用的采样/保持器
常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、 THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，介绍集成电路S/H的 工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。
变送器输出的信号包括： ① 电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA（0~500Ω负
载）。 ② 电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。
对于较小的电压信号: 需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标 准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再 经滤波后才能送入A/D转换器。 而对于电流信号:
LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与 LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采 样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10μs，输入阻抗 为1010，保持电容为1μF时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源 范围宽，可以从±5V到±18V，并可与TTL、PMOS和CMOS兼容。
（1）采样/保持器的工作原理
S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成。
当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过 电阻R向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。
当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，由于电容C此 时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。
1．数字量输出信号的连接
A/D转换器数字量输出引脚和8位单片微型计算机的连接方法与其内 部结构有关。
如果转换器的数据输出寄存器具有三态锁存功能，则A／D转换器的 数字量输出引脚可直接接到CPU的数据总线上，转换结束，CPU可以直 接读入数据。
对于10位以上的A／D转换器，输出数据寄存器增加了读数控制逻辑 电路，把10位以上的数据分时读出。
对于内部不包含读数据控制逻辑电路的A／D转换器，应增设三态门 对转换后数据进行锁存，以便控制10位以上的数据分两次进行读取。
CD4051--单端、双向8路模拟开关
选中通道
INH C B A
号
00 0 0
0
00 0 1
1
00 1 0
2
00 1 1
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4
VDD为正电源，VEE为负电源，
VSS为地，要求VDD+|VEE|≤18V。 0 1 0 1
5
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7
1×××
无
两个CD4051扩展成16通道的多路模拟开关
tAC=CH/40
式中，CH为保持电容的容量，单位为μF；tAC为采样时间，单位为s。
2.2.2 A/D转换器接口逻辑设计要点
A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，是模拟量输入通道必 不可少的器件。常用的A／D转换器从转换原理上可分为逐次逼近型、计数 比较型和双积分型。从分辨率上可分为8位、12位、16位等；
模拟量输入通道的一般组成框图
1．信号调理电路
信号调理电路主要对来自现场的多路模拟信号进行小信号放大、 滤波、隔离、电平转换、阻抗匹配、非线性补偿和电流/电压转换等。
传感器输出的信号包括： ① 电压信号：一般为mV或μV信号。 ② 电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。 ③ 电流信号：一般为mA或μA信号。
16通道的多路模拟开关真值表：
A3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
输入状态
A2
A1 A0
0
0
0
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4．采样/保持器
A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此 在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转 换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样/保持器S/H （Sample Hold）。
如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间 较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D 转换精度内，不必再选用采样/保持器。
LF398引脚排列图
• V+、V-：正负电源电压输入引脚，输
入范围为±5V到±18V。 • OFFSET ADJ：偏置调整引脚。可用 外接电阻调整采样-保持器的偏差。 • VIN：输入引脚。 • VOUT：输出引脚。 • CH：保持电容引脚。用来外接保持电 容。 • LOGIC REF：参考逻辑电平。 • LOGIC：输入控制逻辑。
应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转 换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。
无源I/V（电流/电压）变换电路 有源I/V（电流/电压）变换电路
2．多路模拟开关
当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次 地或随机地连接到公用放大器或A／D转换器上，实现对各个输入通道的分 时控制。 ➢ 目前采用CMOS工艺的多路开关应用最为广泛。 ➢ 多路模拟开关参数：通道数、开关电阻、漏电流、输入电压等 ➢ 它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组 成及工作原理基本相同。
LF398典型的电源和信号的接法
CH的数值直接影响采样时间及保持精 度，为了提高精度，就需要增加保持电 容CH的容量，但CH增大时又会使其采 样时间加长。 因此，当精度要求不高（±1%）而速 度要求较高时， CH可小至100Pf。当精 度要求高（±0.01%）时，应取CH =1000pF。当CH ≥400pF时，采样时间 tAC与CH有经验公式
第2章 过程输入输出通道
▪2.1 信号的采样与恢复 ▪2.2 模拟量输入通道 ▪2.3 模拟量输出通道 ▪2.4 数字量输入输出通道
计算机控制系统的基本组成
2.2 模拟量输入通道
▪2.2.1 模拟量输入通道的一般组成 ▪2.2.2 模拟量输入通道 ▪2.2.3 典型A／D转换器与微机的接口设计
2.2.1 模拟量输入通道的一般组成