第3章 智能儀器的輸入輸出通道

1、第第3 3章章 智能儀器的智能儀器的輸入輸出通道輸入輸出通道第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道主要內(nèi)容主要內(nèi)容 信號輸入輸出通道是智能儀器的重要組成部信號輸入輸出通道是智能儀器的重要組成部分，本章闡述模擬量輸入輸出通道功能部件分，本章闡述模擬量輸入輸出通道功能部件（測量放大器、（測量放大器、ADCADC、DACDAC、S/HS/H、MUXMUX等）等）的結構、性能及其與微機的接口原理；的結構、性能及其與微機的接口原理； 集成集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及高速數(shù)據(jù)緩存技術；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及高速數(shù)據(jù)緩存技術； 開關量開關量輸入輸出通道信號調(diào)理及開關量輸出信號的輸入輸出通道信號調(diào)理及開關量輸

2、出信號的驅(qū)動方法。驅(qū)動方法。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.1模擬量輸入通道模擬量輸入通道 工程中的被測量多數(shù)為由傳感器轉(zhuǎn)換的模工程中的被測量多數(shù)為由傳感器轉(zhuǎn)換的模擬量，而智能儀器中微處理器處理的是數(shù)字擬量，而智能儀器中微處理器處理的是數(shù)字量，因此，應把被測模擬信號經(jīng)過放大、濾量，因此，應把被測模擬信號經(jīng)過放大、濾波、采樣波、采樣/保持、保持、A/D轉(zhuǎn)換之后，輸入微處理轉(zhuǎn)換之后，輸入微處理器進行處理。實現(xiàn)這些功能的電路稱為模擬器進行處理。實現(xiàn)這些功能的電路稱為模擬量輸入通道。量輸入通道。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.1.1模擬量輸入通道

3、的結構模擬量輸入通道的結構 模擬量輸入通道有多種形式，按照被采集模擬量輸入通道有多種形式，按照被采集信號路數(shù)的不同，分為單通道模擬量輸入通信號路數(shù)的不同，分為單通道模擬量輸入通道和多通道模擬量輸入通道。道和多通道模擬量輸入通道。 單通道模擬量輸入通道的基本結構如圖單通道模擬量輸入通道的基本結構如圖3-1所示。由信號調(diào)理電路（放大器、濾波器所示。由信號調(diào)理電路（放大器、濾波器等）、采樣等）、采樣/保持器（保持器（S/H）及）及A/D轉(zhuǎn)換器等組轉(zhuǎn)換器等組成。成。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-1 單通道模擬量輸入通道單通道模擬量輸入通道第第3章章 智能儀器的輸入輸出

4、通道智能儀器的輸入輸出通道 多通道模擬量輸入通道按照對多路信多通道模擬量輸入通道按照對多路信號采集的同步性及速度的不同，分為多號采集的同步性及速度的不同，分為多通道一般型，多通道同步型，多通道并通道一般型，多通道同步型，多通道并行，如圖行，如圖3-2所示。所示。圖圖3-2(a) 多通道一般型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道一般型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-2(b) 多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-2 多通道模擬量輸入通道多通道模擬量輸入通道圖圖3-2(c) 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

5、多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 多通道一般型結構它的優(yōu)點是多路信號多通道一般型結構它的優(yōu)點是多路信號共用一個共用一個S/H和和ADC電路，電路結構簡單、電路，電路結構簡單、成本低。成本低。 缺點是由于多路信號是分時進行采集和缺點是由于多路信號是分時進行采集和A/D轉(zhuǎn)換的，因此，采集速度低。對于要求轉(zhuǎn)換的，因此，采集速度低。對于要求多路信號嚴格同步采集的系統(tǒng)是不適用的。多路信號嚴格同步采集的系統(tǒng)是不適用的。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 多通道同步型結構中，由于各通道有多通道同步型結構中，由于各通道有獨立的獨立的S/H電路

6、，因此，可以實現(xiàn)同步采電路，因此，可以實現(xiàn)同步采集分時集分時A/D轉(zhuǎn)換。這種結構的缺點是由于轉(zhuǎn)換。這種結構的缺點是由于多路信號的多路信號的A/D轉(zhuǎn)換仍然是分時進行的，轉(zhuǎn)換仍然是分時進行的，工作速度仍然較低。工作速度仍然較低。 多通道并行結構中，每一通道有獨立多通道并行結構中，每一通道有獨立的的S/H、ADC電路，可以實現(xiàn)同步采集和電路，可以實現(xiàn)同步采集和高速采集。高速采集。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 模擬量輸入通道的放大器、濾波器、多路模擬量輸入通道的放大器、濾波器、多路模擬開關、模擬開關、S/H、ADC，在實際系統(tǒng)中并非，在實際系統(tǒng)中并非都需要。例如，如果輸入信

7、號電平較高，就都需要。例如，如果輸入信號電平較高，就可以省去放大器；可以省去放大器； 如果輸入信號的變化速率如果輸入信號的變化速率比比ADC轉(zhuǎn)換速率低得多，就不必使用轉(zhuǎn)換速率低得多，就不必使用S/H。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.23.2測量放大器與程控增益放大器測量放大器與程控增益放大器 智能儀器對物理量進行測量時，首先需要將智能儀器對物理量進行測量時，首先需要將物理量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號。一般傳感物理量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號。一般傳感器輸出信號很微弱，不能直接進行器輸出信號很微弱，不能直接進行A/DA/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過放大器放大到需要經(jīng)過放大器放大到A

8、/DA/D轉(zhuǎn)換器要求的幅轉(zhuǎn)換器要求的幅度。由于通用運算放大器一般都具有毫伏級度。由于通用運算放大器一般都具有毫伏級的失調(diào)電壓及數(shù)微伏的失調(diào)電壓及數(shù)微伏/的溫度漂移，因此，的溫度漂移，因此，它不能用于對微弱信號的放大。它不能用于對微弱信號的放大。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 特別是當傳感器工作環(huán)境較惡劣時，其特別是當傳感器工作環(huán)境較惡劣時，其輸出兩條線上經(jīng)常會產(chǎn)生較大的干擾信輸出兩條線上經(jīng)常會產(chǎn)生較大的干擾信號，有時是完全相同的干擾，即共模干號，有時是完全相同的干擾，即共模干擾，而通用運算放大器抑制共模干擾能擾，而通用運算放大器抑制共模干擾能力有限，在這種情況下很難滿

9、足要求。力有限，在這種情況下很難滿足要求。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.2.13.2.1測量放大器原理測量放大器原理 測量放大器又稱儀用放大器，是一種具有精測量放大器又稱儀用放大器，是一種具有精密差動電壓增益的器件。由于其具有高共模密差動電壓增益的器件。由于其具有高共模抑制比、高穩(wěn)定增益、高輸入阻抗、低輸出抑制比、高穩(wěn)定增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低溫漂、低失調(diào)電壓等優(yōu)點，因此，阻抗、低溫漂、低失調(diào)電壓等優(yōu)點，因此，非常適合于對微弱信號的放大，以及有較大非常適合于對微弱信號的放大，以及有較大共模干擾的場合。共模干擾的場合。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀

10、器的輸入輸出通道 測量放大器的原理電路如圖測量放大器的原理電路如圖3-13-1所示，所示，它是一個由三個放大器組成的兩級電路，它是一個由三個放大器組成的兩級電路，第一級由兩個對稱的同相放大器組成，第一級由兩個對稱的同相放大器組成，第二級為差動放大器。為了提高電路的第二級為差動放大器。為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，電抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，電路采用上、下對稱結構，即取路采用上、下對稱結構，即取R R1 1=R=R2 2、R R3 3=R=R4 4、R R5 5=R=R6 6。電路閉環(huán)增益分析，有。電路閉環(huán)增益分析，有第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道

11、圖3-1 測量放大器原理電路第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道Uo1=Ui1+IgR1 （3-1）Uo2=Ui2-IgR2 （3-2） （3-3）由上述3式得g2i1 igRUUI第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （3-4） （3-5） （3-6） （3-7）2i1 io2o1UUUUg1gg212i1 i2o1ou1RR21RRRRUUUUA655oo2o14633RRRUU 1UR +RRR（）35o12oRRUU）（352o1oou2RRUUUA第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道電路總增益電路總增益 （3-8）v 顯然改

12、變顯然改變R g的值，可以改變的值，可以改變Au的大的大小在集成測量放大器中，小在集成測量放大器中，R g為外接電阻。為外接電阻。35g1u21uuRR)R2R(1AAA第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.2.23.2.2測量放大器的使用測量放大器的使用1. 1. 差動輸入端的連接方法差動輸入端的連接方法 測量放大器不論是三運放結構還是單片集成電測量放大器不論是三運放結構還是單片集成電路，它的兩個輸入端都是有偏置電流的，使用時要路，它的兩個輸入端都是有偏置電流的，使用時要注意為偏置電流提供回路。如果沒有回路，則這些注意為偏置電流提供回路。如果沒有回路，則這些電流將對分布

13、電容充電，造成輸出電壓不可控制的電流將對分布電容充電，造成輸出電壓不可控制的漂移或飽和。因此，對于浮置的信號源，如變壓器漂移或飽和。因此，對于浮置的信號源，如變壓器耦合、熱電偶以及交流電容耦合信號源，必須對測耦合、熱電偶以及交流電容耦合信號源，必須對測量放大器每個輸入端構成到電源地的直流通路，連量放大器每個輸入端構成到電源地的直流通路，連接方法如圖接方法如圖3-2所示。所示。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-2 測量放大器輸入端連接方法第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道2. 增加防護端增加防護端 在實際應用中，為了防止空間電磁干擾，在實際應用中

14、，為了防止空間電磁干擾，信號源往往通過電纜與測量放大器連接。如信號源往往通過電纜與測量放大器連接。如果電纜的屏蔽層接地，則對交流共模干擾果電纜的屏蔽層接地，則對交流共模干擾U cm就不能有效地抑制。因為電纜的信號傳輸就不能有效地抑制。因為電纜的信號傳輸線與屏蔽層之間存在分布電容線與屏蔽層之間存在分布電容C1、C2，如圖，如圖3-3所示。分布電容所示。分布電容C1、C2與傳輸線電阻與傳輸線電阻Ri1、Ri2分別構成的兩個低通濾波器的時間常數(shù)分別構成的兩個低通濾波器的時間常數(shù)Ri1C1、Ri2C2不可能完全相等。不可能完全相等。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 這樣就使共模

15、信號通過兩低通濾波器后這樣就使共模信號通過兩低通濾波器后產(chǎn)生不同的衰減，使共模干擾變成差模干產(chǎn)生不同的衰減，使共模干擾變成差模干擾，進而產(chǎn)生測量誤差。為此，在測量放擾，進而產(chǎn)生測量誤差。為此，在測量放大器中增加兩個等值電阻大器中增加兩個等值電阻R R7 7，如圖，如圖3-43-4所所示，并將兩個示，并將兩個R R7 7的中點引出，稱為防護端，的中點引出，稱為防護端，經(jīng)過跟隨器后接至電纜的屏蔽層。由于經(jīng)過跟隨器后接至電纜的屏蔽層。由于U U0101=U=U0202=U=U cm cm，因此防護端的電位為共，因此防護端的電位為共模電壓模電壓U U cm cm，屏蔽層的電位也就為，屏蔽層的電位也就為

16、U U cmcm，這樣這樣C C1 1、C C2 2上沒有共模電壓降，有效地清上沒有共模電壓降，有效地清除了它們對共模干擾的影響。除了它們對共模干擾的影響。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-3 3-3 電纜屏蔽層接地的影響電纜屏蔽層接地的影響第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-4 3-4 抑制交流共模干擾方法示意圖抑制交流共模干擾方法示意圖第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3. 增加敏感端增加敏感端S，參考端，參考端R 測量放大器通常設有敏感（測量放大器通常設有敏感（sense）端和）端和參考（參考（referen

17、ce）端，一般情況下，）端，一般情況下，R端接電端接電源地，源地，S端接輸出端，如圖端接輸出端，如圖3-4所示。在測量所示。在測量放大器接遠距離負載時，由于輸出端與負載放大器接遠距離負載時，由于輸出端與負載連線上會產(chǎn)生明顯的壓降，導致負載上的壓連線上會產(chǎn)生明顯的壓降，導致負載上的壓降減少，如果將降減少，如果將S端與負載端相連，可以消除端與負載端相連，可以消除這一影響。這一影響。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 在后接跟隨器時，也要將在后接跟隨器時，也要將S S端與負載端端與負載端相連，以減少跟隨器漂移的影響，如圖相連，以減少跟隨器漂移的影響，如圖3-53-5所示。所示。

18、R R端用于對輸出電平進行偏移，端用于對輸出電平進行偏移，產(chǎn)生偏移的參考電壓產(chǎn)生偏移的參考電壓V V r r應經(jīng)跟隨器接到應經(jīng)跟隨器接到R R端，以隔離參考源內(nèi)阻，防止其破壞測端，以隔離參考源內(nèi)阻，防止其破壞測量放大器末級電阻的上、下對稱性而導量放大器末級電阻的上、下對稱性而導致共模抑制比降低。致共模抑制比降低。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-5 3-5 敏感端及參考端的連接方法敏感端及參考端的連接方法第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.2.3程控增益放大器程控增益放大器 在智能儀器中輸入信號的變化幅度在不同的場在智能儀器中輸入信號的變化

19、幅度在不同的場合可能有不同的值，可以從微伏級到伏級。而合可能有不同的值，可以從微伏級到伏級。而A/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入滿刻度值是確定的，例如）的輸入滿刻度值是確定的，例如5V或或10V，如果直接將被測信號電壓作為，如果直接將被測信號電壓作為ADC的的輸入，就會造成輸入，就會造成ADC的精度沒有充分利用，或造成的精度沒有充分利用，或造成被測信號銷頂，出現(xiàn)較大的測量誤差。因此，必須被測信號銷頂，出現(xiàn)較大的測量誤差。因此，必須根據(jù)被測信號的幅度改變放大器的增益，使放大器根據(jù)被測信號的幅度改變放大器的增益，使放大器的輸出與的輸出與ADC輸入滿刻度值相匹配。智能儀器中通輸入滿刻度值相匹配。智

20、能儀器中通常使用程控增益放大器（常使用程控增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）實現(xiàn)這一功能。）實現(xiàn)這一功能。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道1. 1.基本程控增益放大器基本程控增益放大器 基本程控增益放大器由運放及模擬開關控基本程控增益放大器由運放及模擬開關控制的電阻網(wǎng)絡組成，模擬開關的地址由硬件制的電阻網(wǎng)絡組成，模擬開關的地址由硬件電路或微機控制?；境炭卦鲆娣糯笃鞣譃殡娐坊蛭C控制?；境炭卦鲆娣糯笃鞣譃榉聪喑炭卦鲆娣糯笃骱屯喑炭卦鲆娣糯笃?。反相程控增益放大器和同相程控增益放大器。圖圖3-9所示的是一個反相程控增益放大器實例

21、所示的是一個反相程控增益放大器實例電路，模擬開關為一個選模擬開關電路，模擬開關為一個選模擬開關CD4051。CD4051某一路（如第某一路（如第j路，路，j=0，1，7）接通時電路增益為）接通時電路增益為 jOji1G RUUR第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-9 反向程控增益放大器第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 電路的特點是結構簡單，輸入電阻不隨電路的特點是結構簡單，輸入電阻不隨增益的變化而變化。缺點是模擬開關的增益的變化而變化。缺點是模擬開關的導通電阻及其漂移會影響增益的精度。導通電阻及其漂移會影響增益的精度。 上述電路是在運放的反饋電

22、路中接入電上述電路是在運放的反饋電路中接入電阻網(wǎng)絡，通過改變反饋電阻值來改變增阻網(wǎng)絡，通過改變反饋電阻值來改變增益。也可以使反饋支路為固定電阻，而益。也可以使反饋支路為固定電阻，而將輸入電阻將輸入電阻R R1 1改變?yōu)殡娮杈W(wǎng)絡，同樣可改變?yōu)殡娮杈W(wǎng)絡，同樣可以得到不同的增益，但這種情況下增益以得到不同的增益，但這種情況下增益表達式是式（表達式是式（3-93-9）的倒數(shù)。）的倒數(shù)。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 圖圖3-10所示為同相程控增益放大器的所示為同相程控增益放大器的實例電路。信號從同相端輸入，電阻網(wǎng)實例電路。信號從同相端輸入，電阻網(wǎng)絡接在運放反相端與輸出端之間，

23、當絡接在運放反相端與輸出端之間，當CD4051的的Io端接通時，電路是一個跟隨端接通時，電路是一個跟隨器，當器，當CD4051的其他端（如第的其他端（如第j端）接通端）接通時，電路增益為時，電路增益為 （3-10） Njkk710iojRRRRUUG第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-10 同相程控增益放大器第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道2.2.應用測量放大器實現(xiàn)的程控增益放大器應用測量放大器實現(xiàn)的程控增益放大器 基本程控增益放大器測量精度較低，對基本程控增益放大器測量精度較低，對于精度要求較高的場合，可以通過多路模擬于精度要求較高的場合，可

24、以通過多路模擬開關切換測量放大器的增益電阻，實現(xiàn)增益開關切換測量放大器的增益電阻，實現(xiàn)增益的控制。圖的控制。圖3-11是用單片集成測量放大器是用單片集成測量放大器AD521實現(xiàn)的一種程控增益放大器。由實現(xiàn)的一種程控增益放大器。由AD521、鎖存器及模擬開關控制的電阻網(wǎng)絡、鎖存器及模擬開關控制的電阻網(wǎng)絡等組成。等組成。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-11 應用測量放大器實現(xiàn)的程控增益放大器第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.集成程控增益放大器集成程控增益放大器 目前，市場上已有集成程控增益放大器芯目前，市場上已有集成程控增益放大器芯片提供，如

25、片提供，如AD公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的LH0084芯片。芯片。LH0084的原理電路如圖的原理電路如圖3-12所示，由可變增所示，由可變增益電壓跟隨輸入級（益電壓跟隨輸入級（A1、A2）及差動輸出級）及差動輸出級（A3）組成。輸入級包括匹配的高速場效應）組成。輸入級包括匹配的高速場效應管（管（FET）運放）運放A1和和A2、高穩(wěn)定度溫度補償、高穩(wěn)定度溫度補償電阻網(wǎng)絡及開關網(wǎng)絡組成。其中開關網(wǎng)絡由電阻網(wǎng)絡及開關網(wǎng)絡組成。其中開關網(wǎng)絡由譯碼譯碼驅(qū)動器及雙四通道模擬開關組成。驅(qū)動器及雙四通道模擬開關組成。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-12 LH0084程控放大器原理圖第第

26、3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 對應控制數(shù)碼對應控制數(shù)碼D1D0的一組取值（如的一組取值（如01），有一組模擬開關（），有一組模擬開關（S2、S2）接通，）接通，運放運放A1、A2有一個相同的反饋電阻。改有一個相同的反饋電阻。改變變D1D0的取值，則改變了的取值，則改變了A1、A2的反饋的反饋電阻，使第一級具有不同的增益。該電電阻，使第一級具有不同的增益。該電路還可以通過改變輸出端的接線方法來路還可以通過改變輸出端的接線方法來改變第二級改變第二級A3的增益，當輸出端（的增益，當輸出端（10腳）腳）分別與分別與6、7、8腳相連，腳相連，13、12、11腳分腳分別接地時，第二

27、級別接地時，第二級A3的增益分別為的增益分別為1、4、10。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道LH0084的總增益為的總增益為 增益大小與控制數(shù)碼增益大小與控制數(shù)碼D1D0及輸出級引腳連及輸出級引腳連接的關系見表接的關系見表3-1。 )2()1(12)()(12)()(uuoiiiiouAAUUUUUUUUUUA第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3 3.3 多路模擬開關多路模擬開關 模擬開關分為兩類：模擬開關分為兩類： 第一類是機械觸點式開關，第一類是機械觸點式開關，包括干簧繼電器、水銀繼電

28、器和機械振子繼電器。包括干簧繼電器、水銀繼電器和機械振子繼電器。這類開關具有接通電阻小這類開關具有接通電阻小(10150)、斷開電阻大、斷開電阻大(1012)、驅(qū)動部分和開關元件隔開等優(yōu)點，但開關、驅(qū)動部分和開關元件隔開等優(yōu)點，但開關速度慢（速度慢（200500次次/s）；）； 第二類是電子式開關，包第二類是電子式開關，包括晶體管、場效應管、光電耦合元件以及集成電路括晶體管、場效應管、光電耦合元件以及集成電路開關等。這類開關的特點是速度快、體積小但導通開關等。這類開關的特點是速度快、體積小但導通電阻大。電阻大。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 常用的常用的CMOSCMO

29、S多路開關有：多路開關有： CD4051CD4051（雙向單（雙向單8 8選選1 1）、）、CD4052CD4052（雙向雙（雙向雙4 4選選1 1）、）、CD4067CD4067（雙向單（雙向單1616選選1 1）、）、AD7501AD7501（單向單選）、（單向單選）、AD7502AD7502（單向雙（單向雙4 4選選1 1）、）、AD7506AD7506（單向單（單向單1616選選1 1）。）。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3.13.3.1模擬多路開關的功能模擬多路開關的功能 v 對來自這些傳感器的模擬信號進行模數(shù)對來自這些傳感器的模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，常

30、常使用公共的轉(zhuǎn)換時，常常使用公共的ADC，即采用分時，即采用分時方式占用方式占用ADC，也就是利用模擬多路開關輪，也就是利用模擬多路開關輪流切換每個被采集的傳感器信號與流切換每個被采集的傳感器信號與ADC的通的通路。路。 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3.2 模擬多路開關的配置模擬多路開關的配置 v 單端式單端式：此種方式應用在所有輸入信號相：此種方式應用在所有輸入信號相對于系統(tǒng)模擬公共地測量上，而且信號電平對于系統(tǒng)模擬公共地測量上，而且信號電平顯著大于出現(xiàn)在系統(tǒng)中的共模電壓顯著大于出現(xiàn)在系統(tǒng)中的共模電壓V VCMCM。此。此時，測量放大器的共模抑制能力尚未發(fā)揮，

31、時，測量放大器的共模抑制能力尚未發(fā)揮，但系統(tǒng)可以得到最多的通道數(shù)。但系統(tǒng)可以得到最多的通道數(shù)。 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（a） 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道v 模擬多路開關模擬多路開關MUXMUX的的差動配置差動配置 ：此種方式此種方式應用在應用在n n個輸入信號有各自獨立的參考電位，個輸入信號有各自獨立的參考電位，或者是應用在信號長線傳輸引起嚴重的共?；蛘呤菓迷谛盘栭L線傳輸引起嚴重的共模干擾時。這種配置可以充分發(fā)揮測量放大器干擾時。這種配置可以充分發(fā)揮測量放大器共模抑制的能力，用以采集低電平信號，但共模抑制的能力，用以采集低電平信

32、號，但通道數(shù)減半。通道數(shù)減半。 3.3.2 3.3.2 模擬多路開關的配置模擬多路開關的配置 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（b） 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道v 模擬多路開關模擬多路開關MUX的的偽差動配置偽差動配置 ：它可：它可保證系統(tǒng)的共模抑制能力，而無需減少一半保證系統(tǒng)的共模抑制能力，而無需減少一半通道數(shù)。這種方式僅適用于所有輸入信號均通道數(shù)。這種方式僅適用于所有輸入信號均參考一個公共電位的系統(tǒng)，而且各信號源均參考一個公共電位的系統(tǒng)，而且各信號源均置于同樣的噪聲環(huán)境。置于同樣的噪聲環(huán)境。3.3.2 3.3.2 模擬多路開關的配置模擬

33、多路開關的配置 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（c）圖圖3-12 模擬多路開關的配置模擬多路開關的配置第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3.3器件實例器件實例 v AD7501、AD7503、AD7502為美國為美國AD公司公司CMOS電路，它們有電路，它們有8個輸入端和個輸入端和1個公個公共輸出端。共輸出端。 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-13 AD7501（AD7503）、）、AD7502的功能框圖的功能框圖第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道表表3-3 通道選擇真值表通道選擇真值表第

34、第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3.3 器件實例器件實例 v AD7506是集成是集成CMOS電路電路16通道的模擬通道的模擬多路開關。多路開關。AD7507與與AD7506基本相同，但基本相同，但AD7507為雙路為雙路8通道，適于差分輸入的情況。通道，適于差分輸入的情況。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-14 AD7506及及AD7507框圖框圖第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道表表3-4 通道選擇真值表通道選擇真值表第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.3.4多級使用多級使用 v 下圖為模

35、擬多路開關多級使用例子。第下圖為模擬多路開關多級使用例子。第一級由一級由4個個16通道的通道的AMUX16組成，第二級由組成，第二級由1個個4通道的通道的AMUX4組成。組成。圖圖3-15 多級使用多級使用 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 圖圖3-15中共有中共有63個截止通道，若每個通道的個截止通道，若每個通道的CT為為5pF，共計，共計635315（pF）。圖）。圖3-16中中AMUX16只有只有16個通道，其中一個通道導通，因此個通道，其中一個通道導通，因此截止通道對導通通道的電容負載為截止通道對導通通道的電容負載為 15575（pF）?？梢姡??？梢妰杉壎嗦纺M

36、開關電路的電容負載兩級多路模擬開關電路的電容負載降低了降低了。這里第二級起一個緩沖器的作用，負載電。這里第二級起一個緩沖器的作用，負載電容的降低有利于開關速度的提高。容的降低有利于開關速度的提高。 (1) 降低了截止通道的負載影響降低了截止通道的負載影響 圖圖3-16 單級單級多路模擬開關多路模擬開關 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道(2) 提高了開關速度及效率提高了開關速度及效率 如圖所示，第一級由開關速度較低的電路構成。第如圖所示，第一級由開關速度較低的電路構成。第二級由開關速度較高的電路構成。設第一級的相鄰二級由開關速度較高的電路構成。設第一級的相鄰2個個通道的通

37、道的tON及及tOFF是重疊的，是重疊的，tONtOFF2 ，而第二級，而第二級的的tON tOFF 20ns。 ss第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道(2) 提高了開關速度及效率提高了開關速度及效率 若若AMUX16組成單級多路通道開關，組成單級多路通道開關，tsample=4 ，tdiff=2 ，則，則E=67%。組成兩級多路通道開關時，。組成兩級多路通道開關時，若若AMUX2的的tdiff=20ns，則，則E=99.5%。可見，多級多?？梢?，多級多路通道開關的效率取決于第二級的效率。路通道開關的效率取決于第二級的效率。ss多路模擬開關的效率多路模擬開關的效率E為：為

38、：samlpediffsampletE100%tt s第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道(3)降低了通道串擾降低了通道串擾 s 圖圖3-20給出了圖給出了圖3-17中某一個截止通道的等中某一個截止通道的等效電路。效電路。CT1、RDSON1、Rg1、CA1為第一級的等效為第一級的等效參數(shù)；參數(shù)；CT2、RDSON2、CA2為第二級的等效參數(shù)。為第二級的等效參數(shù)。 由于截止通道的輸入信號由于截止通道的輸入信號Vi要經(jīng)過兩級耦合要經(jīng)過兩級耦合電路傳到輸出端，因此比起一級耦合電路通道串電路傳到輸出端，因此比起一級耦合電路通道串擾要小。擾要小。 第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道

39、智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-20 截止通道的等效電路截止通道的等效電路第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道2. 2. 采樣采樣/ /保持（保持（S/HS/H）電路）電路 采樣采樣/ /保持電路的作用是在某個規(guī)定的時刻接保持電路的作用是在某個規(guī)定的時刻接收輸入電壓并在輸出端保持該電壓值，直至下次收輸入電壓并在輸出端保持該電壓值，直至下次采樣為止。采樣為止。 采樣采樣/ /保持電路的原理圖如圖保持電路的原理圖如圖3-323-32所示。包括所示。包括輸入、輸出緩沖放大器輸入、輸出緩沖放大器A A1 1、A A2 2，保持電容，保持電容C C，模擬，模擬開關開關S S，驅(qū)動器等。

40、其工作過程為，在采樣階段，驅(qū)動器等。其工作過程為，在采樣階段，驅(qū)動器使開關驅(qū)動器使開關S S閉合，保持電容閉合，保持電容C C迅速充電達到輸迅速充電達到輸入電壓入電壓V Vi i的幅度，并對的幅度，并對ViVi進行跟蹤。在保持階段，進行跟蹤。在保持階段，驅(qū)動器使開關驅(qū)動器使開關S S斷開，由于保持電容斷開，由于保持電容C C的漏電流極的漏電流極小，其上的電壓基本保持不變，所以，輸出電壓小，其上的電壓基本保持不變，所以，輸出電壓也保持不變，輸出保持了采樣結束前的輸入電壓也保持不變，輸出保持了采樣結束前的輸入電壓幅值。幅值。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-32 采樣/

41、保持電路原理圖第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖3-33 采樣/保持電路工作波形第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道采樣/保持器的主要性能參數(shù)：（1） 捕獲時間t AC 捕獲時間t AC指從采樣命令發(fā)出至輸出電壓按照一定的誤差（捕獲誤差）逼近輸入值所需要的時間。它與保持電容的電容值、放大器的響應時間及輸入信號的變化幅度等有關。一般，采樣保持器在0.01%捕獲誤差下的捕獲時間為30ns15s。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（2） 孔徑時間t AP 孔徑時間t AP指從保持命令發(fā)出到開關S完全斷開的一段時間，孔徑時間一般為102

42、0ns。在孔徑時間內(nèi)輸出仍跟蹤輸入信號的變化。由于孔徑時間的存在，使保持命令發(fā)出的輸出值與孔徑時間結束時的輸出值產(chǎn)生一個誤差，稱為孔徑誤差。 如果采樣保持器具有恒定的孔徑時間，可以采取措施消除其影響，把保持命令比預定時刻提前t AP時間發(fā)出，則電路的實際輸出值就是預定時刻的輸入值。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （3） 孔徑抖動時間t AJ 孔徑抖動也稱孔徑不確定度。由于開關的截止時間在連續(xù)多次切換時存在某種漲落現(xiàn)象，以及電路中各種因素的影響，使t AP存在一定的不確定性，這種現(xiàn)象稱為孔徑抖動?？讖蕉秳訒r間t AJ等于多次采樣中，孔徑時間t AP的最大值與最小值之差。

43、t AJ約為2%10%tAP。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（4） 保持建立時間t HS 保持建立時間指孔徑時間之后，輸出按照一定的誤差（保持建立誤差）達到穩(wěn)定所需的時間，一般t HS約為1s左右。為了測量方便，有人把t AP包括在t HS之內(nèi)。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （5） 保持電壓下降率 在保持階段，由于保持電容漏電流及其他雜散漏電流的存在，使保持電壓出現(xiàn)了下降。下降速率為0.11V/s。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （6） 饋通誤差 在保持模式下，由于跨接在開關兩端的分布電容及其他因素的影響，使輸出隨

44、輸入變化出現(xiàn)微小變化，這種現(xiàn)象稱為饋通，所產(chǎn)生的誤差稱為饋通誤差。 對于一個單通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，其最小的采樣周期T smin應為t AC、t AP、t HS及ADC轉(zhuǎn)換時間t C之和。一般t AP很小可以忽略，因此T smin =t AC+t HS+t C （3-15）第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大采集速率為f smax=1/Tsmin（3-16）對于N通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如果多路模擬開關每次的轉(zhuǎn)換時間為t max，則其最大采集速率為第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （3-17） 應用采樣保持器后，ADC輸入信號的頻率得到

45、提高，分析如下： 為了保證ADC的轉(zhuǎn)換精度（如轉(zhuǎn)換誤差為1/2LSB），在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，輸入信號的變化量不應超過1/2LSB，設輸入信號為正弦信號，即 Vi=V msinit （3-18）)tttt (N1fCHSACmaxsmax第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道則應有 （3-19）式中： tC為ADC的轉(zhuǎn)換時間； VFS為ADC的輸入滿量程值； n為ADC的位數(shù)。將式（3-18）代入式（3-19）得nFSCmaxi2V21t)dtdV(第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 （3-20） 若V m=VFS，則 （3-21） 例如ADC0809，n=8，

46、t C=100s，則有fi3.1Hz。 可見，如果不用采樣/保持器，ADC在保證轉(zhuǎn)換精度的條件下，可以直接轉(zhuǎn)換的輸入信號頻率很低。Cm2nFSitV2VfC2nit21f第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 使用采樣保持器后，ADC在保持命令到來后進行轉(zhuǎn)換。由于在保持模式下，S/H僅在孔徑時間t AP內(nèi)，輸出仍跟蹤輸入信號變化，因此只要在t AP內(nèi)輸入信號的變化量不超過1/2LSB，就能夠保證ADC的轉(zhuǎn)換精度。所以將式（3-21）中的t C換為t AP，就可以得到輸入信號的最高頻率 （3-22） 由于t APVVR R時，輸出低電平。時，輸出低電平。vDSDS1 1DSDS

47、4 4： 多路選通脈沖輸出端。當多路選通脈沖輸出端。當DSDS1 1DSDS4 4分時順序輸出正脈沖時，分時順序輸出正脈沖時，Q Q3 3Q Q0 0分時輸出轉(zhuǎn)換分時輸出轉(zhuǎn)換結果的千、百、十、個位結果的千、百、十、個位BCDBCD碼。每個選通脈碼。每個選通脈沖的寬度為沖的寬度為1818個時鐘周期，相鄰兩個脈沖的間個時鐘周期，相鄰兩個脈沖的間隔為隔為2 2個時鐘周期。個時鐘周期。OR第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道vQ Q3 3Q Q0 0： 轉(zhuǎn)換結果輸出端。采用轉(zhuǎn)換結果輸出端。采用BCDBCD碼輸出，碼輸出，Q Q0 0為最低位。在為最低位。在DSDS2 2、DSDS3

48、 3、DSDS4 4選通期間分時輸選通期間分時輸出三個完整的出三個完整的BCDBCD碼，分別代表百位、十位、碼，分別代表百位、十位、個位的信息，但在個位的信息，但在DSDS1 1選通期間，輸出端選通期間，輸出端Q Q3 3Q Q0 0除表示千位信息外，還有超欠量程及極性標志除表示千位信息外，還有超欠量程及極性標志信號，具體規(guī)定為：信號，具體規(guī)定為： Q Q3 3表示千位數(shù)，低表示表示千位數(shù)，低表示千位為千位為1 1，高表示千位為，高表示千位為0 0； Q Q2 2表示被測電壓表示被測電壓的極性，高表示正極性，低表示負極性；的極性，高表示正極性，低表示負極性； Q Q0 0為超欠量程標志，高表示

49、超或欠量程，其中為超欠量程標志，高表示超或欠量程，其中Q Q3 3低時為超量程，低時為超量程，Q Q3 3高時為欠量程。高時為欠量程。 MC14433MC14433的輸出時序如下圖所示。的輸出時序如下圖所示。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 MC14433 MC14433輸出時序圖輸出時序圖第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道2. MC144332. MC14433與與80C5180C51單片機的接口單片機的接口 MC14433 MC14433與與80C5180C51的接口電路如圖的接口電路如圖3-243-24所所示。轉(zhuǎn)換器的輸出端連至示。轉(zhuǎn)換器的輸

50、出端連至80C5180C51的的P0P0口。轉(zhuǎn)換口。轉(zhuǎn)換器的器的EOCEOC信號反相后，作為中斷請求信號信號反相后，作為中斷請求信號INT1INT1。EOCEOC與與DUDU端相連，使每次轉(zhuǎn)換結果的端相連，使每次轉(zhuǎn)換結果的BCDBCD碼按碼按照選通信號照選通信號DSDS1 1DSDS4 4的順序輸出。設外部中的順序輸出。設外部中斷為邊沿觸發(fā)方式，轉(zhuǎn)換結果存儲在斷為邊沿觸發(fā)方式，轉(zhuǎn)換結果存儲在20H20H、21H21H中，存儲格式如下：中，存儲格式如下：第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-38 MC144333-38 MC14433與與80C5180C51的接口的接口

51、第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道實現(xiàn)實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的程序如下：轉(zhuǎn)換的程序如下：主程序：主程序：MAIN: SETB IT1 ；置外部中斷；置外部中斷1為邊沿觸發(fā)方式為邊沿觸發(fā)方式 SETB EA SETB EX1 ；開放；開放CPU中斷，外部中斷中斷，外部中斷1允許允許第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道； 中斷服務程序中斷服務程序AINT:MOV A，P1 JNB ACC.4，PINT1 ;等待等待DS1選通信號選通信號 JNB ACC.0，PER ;若超、欠量程，轉(zhuǎn)若超、欠量程，轉(zhuǎn)AER JNB ACC.2，PL1 ;若極性為正，轉(zhuǎn)若極性為正，轉(zhuǎn)

52、PL1 SETB 07H ;極性為負，極性為負，20H單元單元D7置置1第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 AJMP PL2PL1:CLR 07H ;極性為正，極性為正，20H單元單元D7置置0PL2:JB ACC.3，PL3 ;千位為零轉(zhuǎn)千位為零轉(zhuǎn)PL3 SETB 04H ;千位為千位為1，20H單元單元D4置置1 AJMP PL4PL3:CLR 04H ;千位為千位為0，20H單元單元D4置置0第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道PL4:MOV A，P0 JNB ACC.5，PL4 ;等待等待DS2選通信號選通信號 MOV R0，#20H XCHD

53、 A，R0 ;百位數(shù)送百位數(shù)送20H低四位低四位PL5:MOV A，P1 JNB ACC.6，PL5 ;等待等待DS3選通信號選通信號第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 SWAP A ;高低四位交換高低四位交換 INC R0 MOV R0，A ;十位數(shù)送十位數(shù)送21H的高的高4位位PL6:MOV A，P1 JNB ACC.7，PL6 ;等待等待DS4選通信號選通信號 XCHD A，R0 ;個位數(shù)送個位數(shù)送21H的低的低4位位第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 RETI PER:SETB 10H ;置超欠量程標志置超欠量程標志 RETI第第3章章 智能

54、儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道3.5.4-3.5.4-型型ADCADC及其與微機的接口及其與微機的接口 近年來，近年來，-型型ADCADC以其分辨率高、線以其分辨率高、線性度好、成本低等特點，得到越來越廣泛的性度好、成本低等特點，得到越來越廣泛的應用，特別是在既有模擬又有數(shù)字信號處理應用，特別是在既有模擬又有數(shù)字信號處理場合更是如此。場合更是如此。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道1. -型型ADC的原理的原理 -型型ADC首先以很低的采樣分辨率（首先以很低的采樣分辨率（1位）和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，位）和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，通過使用過采樣

55、、噪聲整形和數(shù)字濾波等方通過使用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率，然后對法增加有效分辨率，然后對A/D轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)換器輸出進行采樣抽取處理以降低有效采樣速率，實進行采樣抽取處理以降低有效采樣速率，實現(xiàn)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道（1 1） 過采樣過采樣 ADC是一種數(shù)字輸出與模擬輸入成正比是一種數(shù)字輸出與模擬輸入成正比的電路。一個理想的的電路。一個理想的ADC，第一位的變遷發(fā)，第一位的變遷發(fā)生在生在1/2LSB的模擬電壓上，以后每隔的模擬電壓上，以后每隔1LSB都都發(fā)生一次變遷，直至距離滿刻度的發(fā)生一次變遷，直至距離滿刻度的 LSB

56、。由于由于ADC模擬量輸入可以是任何值，但數(shù)字模擬量輸入可以是任何值，但數(shù)字量輸出是量化的，所以實際的模擬輸入與數(shù)量輸出是量化的，所以實際的模擬輸入與數(shù)字輸出之間存在字輸出之間存在1/2LSB的量化誤差。在交的量化誤差。在交流采樣中，這種量化誤差會產(chǎn)生量化噪聲。流采樣中，這種量化誤差會產(chǎn)生量化噪聲。211第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 如果對理想如果對理想ADC加一個恒定直流電壓，那么加一個恒定直流電壓，那么多次采樣得到的數(shù)字輸出值總是相同的，而且分多次采樣得到的數(shù)字輸出值總是相同的，而且分辨率受量化誤差的限制。如果在這個直流信號上辨率受量化誤差的限制。如果在這個直流

57、信號上疊加一個交流信號，并用比交流信號頻率高得多疊加一個交流信號，并用比交流信號頻率高得多的采樣頻率進行采樣，得到的數(shù)字輸出值將是變的采樣頻率進行采樣，得到的數(shù)字輸出值將是變化的，用這些采樣結果的平均值表示化的，用這些采樣結果的平均值表示ADC轉(zhuǎn)換結轉(zhuǎn)換結果，能得到比用同樣果，能得到比用同樣ADC高得多的采樣分辨率，高得多的采樣分辨率，這種方法稱作過采樣這種方法稱作過采樣(over sampling)。如果模擬。如果模擬輸入電壓本身就是交流信號，則不必另疊加一個輸入電壓本身就是交流信號，則不必另疊加一個交流信號，采用過采樣方法（采樣頻率遠高于輸交流信號，采用過采樣方法（采樣頻率遠高于輸入信號頻

58、率）也同樣可提高入信號頻率）也同樣可提高ADC的分辨率。的分辨率。第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 由信號采樣理論可知，若輸入信號的由信號采樣理論可知，若輸入信號的最小幅度大于量化器的量化階梯最小幅度大于量化器的量化階梯q，并且，并且輸入信號的幅度隨機分布，則量化噪聲輸入信號的幅度隨機分布，則量化噪聲的總功率為一常數(shù)，的總功率為一常數(shù)， ，均勻地分，均勻地分布在布在0fs/2（f s為采樣頻率）的頻帶范圍，為采樣頻率）的頻帶范圍，噪聲功率譜密度為噪聲功率譜密度為 。提高采樣頻。提高采樣頻率率f s，可以降低量化噪聲功率譜密度，提，可以降低量化噪聲功率譜密度，提高了信噪比

59、。圖高了信噪比。圖3-39所示為以所示為以f s及及kf s進進行采樣時的量化噪聲分布示意圖。行采樣時的量化噪聲分布示意圖。1222qqs2Nf6q)f (P第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道圖圖3-39 不同采樣頻率時的量化噪聲分布不同采樣頻率時的量化噪聲分布第第3章章 智能儀器的輸入輸出通道智能儀器的輸入輸出通道 如果采樣量化后接一個低通濾波器，濾除如果采樣量化后接一個低通濾波器，濾除基帶外的高頻量化噪聲，則由于采樣頻率提高基帶外的高頻量化噪聲，則由于采樣頻率提高后基帶內(nèi)的量化噪聲功率減小，使得輸出的信后基帶內(nèi)的量化噪聲功率減小，使得輸出的信噪比增加，等效于提高了量化

60、精度或采樣分辨噪比增加，等效于提高了量化精度或采樣分辨率。由信號采樣理論可知，通過普通的過采樣率。由信號采樣理論可知，通過普通的過采樣技術欲使采樣分辨率提高技術欲使采樣分辨率提高N位，必須進行位，必須進行k=22N倍過采樣。由于實際條件的限制，不能無限制倍過采樣。由于實際條件的限制，不能無限制地增加采樣頻率。為此，考慮對量化噪聲的頻地增加采樣頻率。為此，考慮對量化噪聲的頻譜進行整形，使得大部分噪聲位于譜進行整形，使得大部分噪聲位于fs/2至至kfs/2之之間，僅僅一小部分留在直流至間，僅僅一小部分留在直流至f s內(nèi)，過采樣內(nèi)，過采樣-調(diào)制正好能解決這一問題。調(diào)制正好能解決這一問題。第第3章章