智能儀器的輸入通道及接口技術(shù)

智能儀器第三章智能儀器的輸入通道及接口技術(shù)學(xué)習(xí)提綱1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述2放大器原理及設(shè)計3多路轉(zhuǎn)換器原理及設(shè)計4采樣保持器原理及設(shè)計5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計6數(shù)字量輸入通道

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的概念數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成（硬件）信號的放大、濾波、采樣保持、模/數(shù)轉(zhuǎn)換微機及接口輸入通道

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法采用多片單一功能器件和分立元件采用單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片采用數(shù)據(jù)采集卡（及其驅(qū)動軟件）單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道一般型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2放大器原理及設(shè)計放大器的作用放大出傳感器輸出的微弱信號，利于充分利用ADC的滿刻度分辨率抑制干擾和噪聲，滿足響應(yīng)時間要求放大器選用基本要求高輸入阻抗，響應(yīng)時間快頻率響應(yīng)范圍寬高抗共模干擾能力低漂移、低噪聲、低輸出阻抗運算放大器

2放大器原理及設(shè)計基本特征集成在一塊硅片上的直接耦合的多級放大電路高電壓放大倍數(shù)高輸入阻抗、低輸出阻抗指標(biāo)參數(shù)開環(huán)增益、輸入阻抗、共模抑制比、失調(diào)電壓零點漂移（溫漂）、帶寬、增益帶寬積、非線性度

2放大器原理及設(shè)計運算放大器典型電路（一）跟隨器同相比例電路輸入阻抗較高增益不小于1輸入、輸出同極性有源阻抗變換提高輸入阻抗

2放大器原理及設(shè)計運算放大器典型電路（二）反相比例電路輸入阻抗較低增益可小于1輸入輸出極性相反差動輸入運算電路共模抑制能力強

2放大器原理及設(shè)計運算放大器典型電路（三）同相輸入的加法電路反相輸入的加法電路差動輸入的加減法電路常用運算放大器BB公司：OPA340/2340/4340

2放大器原理及設(shè)計基本特征兩個差動輸入端直接與信號源連接，共模抑制能力強外接電阻設(shè)置增益高輸入阻抗、低輸出阻抗僅放大差模信號共模電壓范圍與共模抑制比儀表放大器

2放大器原理及設(shè)計儀表放大器一般結(jié)構(gòu)

2放大器原理及設(shè)計儀表放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2放大器原理及設(shè)計儀表放大器常用儀表放大器AD公司：AD620/621/624/625BB公司：INA114/118/122/128程控放大器

2放大器原理及設(shè)計滿足多通道輸入信號的寬范圍信號電平增益由軟件編程設(shè)定常用程控放大器BB公司：PGA202/203/204/205/206/207LINEAR公司：LTC6910/6911/6912/6915程控放大器S3S2S1GAIN00000011010201141008101161103211164內(nèi)部結(jié)構(gòu)增益真值表

2放大器原理及設(shè)計

2放大器原理及設(shè)計隔離放大器應(yīng)用背景強電或強電磁干擾等環(huán)境，防止損壞測量回路生物醫(yī)療儀器，防止漏電流、高電壓意外傷害主要作用電氣隔離獲取信號并放大

2放大器原理及設(shè)計隔離放大器原理通過光耦合或磁耦合實現(xiàn)信號的聯(lián)系組成輸入、輸出放大器調(diào)制、解調(diào)器耦合器漂移補償放大器常用隔離放大器AD公司：AD202/203、AD277、AD284/286BB公司：ISO100系列

2放大器原理及設(shè)計隔離放大器

2放大器原理及設(shè)計放大器在輸入通道中的設(shè)置策略多通道數(shù)據(jù)采集中，每個通道有其前置放大器根據(jù)需要，在多路轉(zhuǎn)換器之后設(shè)置主放大器多路信號都恒定或變化緩慢，各路幅度差別不大僅在各路設(shè)置前置放大器即可多路信號雖恒定或變化緩慢，但各路差別很大需在主通道中設(shè)置程控放大器各路信號隨時間變化，同一時刻各路幅值差別較大需在主通道中設(shè)置瞬時浮點放大器，不易實現(xiàn)

2放大器原理及設(shè)計主放大器增益確定策略A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差（絕對）：第i通道第j次采樣電壓的量化相對誤差：先將采樣電壓放大G倍，滿足轉(zhuǎn)換精度：

2放大器原理及設(shè)計主放大器增益G需滿足：將q代入上式，得增益G的范圍：

3多路轉(zhuǎn)換器原理及設(shè)計應(yīng)用背景智能儀器中往往需要同時或依次采集多路信號模數(shù)轉(zhuǎn)換時，可使用公共的ADC分時采樣多路轉(zhuǎn)換器原理由多個模擬開關(guān)組成，由譯碼電路實現(xiàn)切換常用多路轉(zhuǎn)換器AD公司：AD7501/7502/7503MAXIM公司：MAX4634、MAX4663

3多路轉(zhuǎn)換器原理及設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)八選一四選一，獨立通道

4采樣保持器原理及設(shè)計應(yīng)用背景A/D轉(zhuǎn)換需要一定時間，保持采樣點的數(shù)值不變才能保證轉(zhuǎn)換精度多通道共用ADC時，需要將各通道同一時刻的信號保持住采樣保持器定義根據(jù)狀態(tài)控制指令截取輸入模擬電壓的瞬時值（采樣過程），并把該瞬時值保留一段需要的時間（保持過程）的功能單元

4采樣保持器原理及設(shè)計采樣保持器在輸入通道中的設(shè)置原則信號的最大變化率：假設(shè)峰值正好達(dá)到ADC的滿量程，ADC的位數(shù)為N，則ADC最低有效位數(shù)LSB代表的量化電平為：若ADC的轉(zhuǎn)換時間為，為保證1LSB的轉(zhuǎn)換精度，則在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，信號最大變化量不應(yīng)超過，即：

4采樣保持器原理及設(shè)計由此，推出待轉(zhuǎn)換信號的最高頻率為：例：一個12bit的ADC，若，用它來直接轉(zhuǎn)換一個正弦信號并要求精度優(yōu)于1LSB，則信號頻率不能超過1.5Hz。故：除直流信號及變化非常緩慢的信號，否則其模數(shù)轉(zhuǎn)換都得加采樣保持器。不過，采樣保持器從采樣到保持也需要一定的時間，即：孔徑時間，由此也會限制信號頻率。采樣保持器的孔徑時間遠(yuǎn)小于ADC的轉(zhuǎn)換時間，因此由采樣保持器限定的信號頻率遠(yuǎn)高于ADC的限制。

4采樣保持器原理及設(shè)計內(nèi)部組成由輸入放大器、模擬開關(guān)、保持電容和輸出放大器組成工作原理采樣期和保持期

4采樣保持器原理及設(shè)計非理想狀態(tài)及參數(shù)斷開時間（保持建立時間）捕捉時間泄露趨勢（下降速率）饋送影響電荷轉(zhuǎn)移影響（保持階躍）常用采樣保持器Philips公司：LF198/298/398AD公司：AD582/583保持電容的選擇三因素：捕捉時間、下降速率、保持階躍

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計功能完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換ADC的集成化發(fā)展程控放大器多路轉(zhuǎn)換器采樣保持器三態(tài)輸出鎖存器多種輸出接口驅(qū)動器

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計ADC的主要技術(shù)指標(biāo)*程福德分辨率ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量，體現(xiàn)在對輸入變化的敏感程度，分辨率越高，對輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。分辨率常用數(shù)字量的位數(shù)表示，分辨率為8位，表示它可以對滿刻度的1/28的變化量做出反應(yīng)。對于N位的ADC，分辨率為：1/2N滿刻度。轉(zhuǎn)換時間ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間。與分辨率有關(guān)，分辨率越高，轉(zhuǎn)換時間越長。

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計量化誤差量化誤差：分辨率有限引起，小于1LSB，不可消除。

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計精度絕對精度：數(shù)字碼對應(yīng)的實際模擬電壓與其理想電壓存在差值，且并非常數(shù)，將該差值的最大值定為絕對精度。由偏移誤差、增益誤差、線性誤差組成。相對精度：將上述最大偏差表示為滿刻度模擬電壓的百分?jǐn)?shù)，或用二進(jìn)制表示相對應(yīng)的數(shù)字量。偏移誤差：使ADC輸出最低位為1，施加到模擬輸入端的實際電壓與理論值1/2（0.5LSB對應(yīng)電壓）之差。增益誤差：ADC輸出達(dá)到滿量程時，實際模擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸入滿量程的百分比表示。（非）線性誤差：積分線性誤差和微分線性誤差

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計與單片機接口的考慮電源要求單片機一般在+5V、+3.3V電壓下工作邏輯兼容性TTL兼容、CMOS兼容定時參數(shù)控制信號的脈寬、建立時間及保持時間等外圍硬件是否需要增加譯碼器、鎖存器等數(shù)據(jù)格式串行還是并行？8位、12位、14位、16位？

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計ADC的選擇位數(shù)選擇根據(jù)轉(zhuǎn)換電壓范圍確定ADC位數(shù)設(shè)模擬輸入電壓最大值Vmax、最小值Vmin，A/D前置放大器增益G，N位ADC滿量程為E，則應(yīng)滿足：故，在最大最小值情況下：則，動態(tài)范圍：

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計若，已知動態(tài)范圍為L，則確定ADC位數(shù)N：根據(jù)轉(zhuǎn)換精度要求確定ADC位數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總誤差是由各部分的分項誤差的綜合，故，選取元器件精度的一般規(guī)則：每個元器件的精度指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度的10倍左右。例：系統(tǒng)總誤差為0.1%，則構(gòu)成系統(tǒng)的MUX、SHA、ADC的誤差都應(yīng)小于0.01%ADC的量化誤差為±1/2LSB，即滿刻度的1/2N+1，若系統(tǒng)精度指標(biāo)為δ，則按下式估算ADC所需的位數(shù)：例：系統(tǒng)誤差δ不大于0.1%，則需采用N=13位的ADC。

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計速率選擇轉(zhuǎn)換速率即單位時間內(nèi)所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，倒數(shù)為轉(zhuǎn)換周期，記為TA/D。一個采樣周期內(nèi)完成N個通道A/D轉(zhuǎn)換，則：若信號最高頻率為，則抗混疊濾波器的截止頻率：由于（C為截頻系數(shù)，一般C>2），則高頻測試系統(tǒng)應(yīng)采取的措施

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計逐次逼近型ADC及其接口設(shè)計內(nèi)部組成工作原理主要特點轉(zhuǎn)換速度快、分辨率較高、抗干擾能力較強

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計AD7492分辨率：12bit工作電壓：2.7~5.25V轉(zhuǎn)換速率：1.25MSPS轉(zhuǎn)換時間：680ns內(nèi)置參考電壓：2.5V并行接口輸出低功耗引腳說明

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計采樣時序接口設(shè)計

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計程序設(shè)計

CSRDBITP3.0CONVBITP3.1BUSYBITP3.2L8BTEQU40HH4BTEQU41HORG0000HLJMPMAINORG0100HMAIN:CLREA;禁止所有中斷

CLREX0;禁止外部中斷0

5A/D轉(zhuǎn)換器原理及接口設(shè)計

SETBIT0;下降沿有效

CLRIE0;清除中斷標(biāo)志位

CLRCSRD;ADC使能

CLRCONV;開啟一次A/D轉(zhuǎn)換JUDG:JNBIE0，JUDG;循環(huán)判斷A/D轉(zhuǎn)換完否