1、第1节 模拟信号的输入及A/D转换器 第2节 传感器输出信号的滤波及放大电路第3节 多路转换器与采样/保持电路作用作用:是将由传感器送来的模拟量进行是将由传感器送来的模拟量进行电平转换、滤电平转换、滤波、放大、采样保持、模波、放大、采样保持、模/数转换数转换之后，输入微处理之后，输入微处理器中。器中。模拟信号输入通道模拟信号输入通道组成：组成：完整的模拟信号输入通道由完整的模拟信号输入通道由滤波器、放大滤波器、放大器、采样器、采样/保持器、模保持器、模/数转换器数转换器等组成，等组成，也有只需要其中部分器件的模拟信号输入通道。在每个系统也有只需要其中部分器件的模拟信号输入通道。在每个系统中需要
2、采样的点数及要求的转换精度和速度不同，所以在一中需要采样的点数及要求的转换精度和速度不同，所以在一个数据采集系统中，可能会有多种转换方式。个数据采集系统中，可能会有多种转换方式。模拟信号输入通道的工作方式模拟信号输入通道的工作方式 1 1、单通道不带采样、单通道不带采样/保持器的保持器的A/DA/D转换转换2 2、单通道带采样、单通道带采样/保持器的保持器的A/DA/D转换转换4 4、多通道共享、多通道共享A/DA/D转换转换3 3、多通道、多通道A/DA/D转换转换5 5、多通道共享采样、多通道共享采样/保持器与保持器与A/DA/D转换器转换器这种电路适合于输入信号变化缓慢的场合，其转换这种
3、电路适合于输入信号变化缓慢的场合，其转换速度一般，精度较高，方框图如图速度一般，精度较高，方框图如图2-12-1所示。所示。这种转换电路的转换精度很高，速度快，适合于高精这种转换电路的转换精度很高，速度快，适合于高精度的数字转换电路，其方框图如图度的数字转换电路，其方框图如图2-22-2所示。所示。模拟信号输入通道的工作方式模拟信号输入通道的工作方式 1 1、单通道不带采样、单通道不带采样/保持器的保持器的A/DA/D转换转换2 2、单通道带采样、单通道带采样/保持器的保持器的A/DA/D转换转换3 3多通道多通道A/DA/D转换转换每个通道都带有自己的采样每个通道都带有自己的采样/保持器以及
4、放大器、滤保持器以及放大器、滤波器、波器、A/DA/D转换电路转换电路4 4多通道共享多通道共享A/DA/D转换转换适合于多种信号的转换精度、转换速度要求基本一致的适合于多种信号的转换精度、转换速度要求基本一致的场合，它占用场合，它占用CPUCPU的输入口较少，的输入口较少，CPUCPU对每个通道的访问，对每个通道的访问，可以由软件决定，也可以由硬件决定，是一种比较经济可以由软件决定，也可以由硬件决定，是一种比较经济的工作方法。的工作方法。5 5、多通道共享采样、多通道共享采样/保持器与保持器与A/DA/D转换器转换器这种这种A/DA/D转换输入方式适合于对同一信号不同量程的转换输入方式适合于
5、对同一信号不同量程的A/DA/D转转换，它也比较经济，占用换，它也比较经济，占用CPUCPU输入口少，因而可以更有效地输入口少，因而可以更有效地利用利用CPUCPU的输入口。尤其对于那些接口有限的微型机，这种的输入口。尤其对于那些接口有限的微型机，这种方式更有效。方式更有效。CPUCPU对各路通道的访问采用软件控制，由多路对各路通道的访问采用软件控制，由多路转换开关进行切换。转换开关进行切换。模拟模拟/数字转换器（数字转换器（A/DA/D）1 1、A/DA/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标分辨率：分辨率：由变换器能够输出的数位由变换器能够输出的数位n n所决定，也就是由所决定，也就是
6、由1/2n1/2n所决定所决定量化误差：量化误差：量化误差是由变换器分辨率直接造成的，它是以量化误差是由变换器分辨率直接造成的，它是以1LSB/21LSB/2或是以满刻度数的百分比误差（例如对于或是以满刻度数的百分比误差（例如对于ADC1210ADC1210为为0.00122%FS0.00122%FS）来表示的）来表示的线性误差：线性误差：ADCADC芯片的线性误差是指其输出特性曲线从始末芯片的线性误差是指其输出特性曲线从始末两端造成的直线漂移的最大偏移量。它是在零位误差和满刻两端造成的直线漂移的最大偏移量。它是在零位误差和满刻度误差校正完毕之后进行测量的，是器件本身的固有特性，度误差校正完毕
7、之后进行测量的，是器件本身的固有特性，不能用外部的方法来调整不能用外部的方法来调整零位误差零位误差：是衡量理想的：是衡量理想的A/DA/D变换器与实际的变换器与实际的A/DA/D变换器变换器零点偏差大小的尺度零点偏差大小的尺度满刻度误差满刻度误差：是满刻度情况下理想的：是满刻度情况下理想的A/DA/D变换器与实际的变换器与实际的A/DA/D变换器偏差的大小尺度变换器偏差的大小尺度变换时间：变换时间：是指一个变换周期的长短，它跟芯片采用的是指一个变换周期的长短，它跟芯片采用的变换方式等因素有关变换方式等因素有关 A/DA/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标根据转换的原理来分，常用的根据转
8、换的原理来分，常用的ADCADC有：有：双积分方式双积分方式ADCADC双积分方式双积分方式ADCADC，以高精度、高分辨率，以高精度、高分辨率和低转换速度为其特点。在一些有强电干扰，而信号变化极和低转换速度为其特点。在一些有强电干扰，而信号变化极其缓慢的工业应用场合，有较大的应用价值。其缓慢的工业应用场合，有较大的应用价值。逐次逼近式逐次逼近式ADC ADC 这类芯片目前应用极为广泛。它易于这类芯片目前应用极为广泛。它易于获得较高的转换速度、高分辨率及较高的精度，也易于和微获得较高的转换速度、高分辨率及较高的精度，也易于和微机接口。机接口。快速快速ADC ADC 快速快速ADCADC转换器分
9、为两种，一种是并行比较型转换器分为两种，一种是并行比较型ADCADC，另一种是串，另一种是串-并行比较型并行比较型ADCADC，它们的转换速度在几纳秒，它们的转换速度在几纳秒到几百纳秒之间，但要实现高分辨率比较困难。到几百纳秒之间，但要实现高分辨率比较困难。2 2、ADCADC芯片的主要品种及性能芯片的主要品种及性能 5G14433是国产的3位半A/D转换器 广为流行的最典型的双积分A/D转换器 具有抗干扰性能好，转换精度高（相当于11位二进制数），自动校零，自动极性输出，自动量程控制信号输出，动态字位扫描BCD码输出，单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。但其转换速度慢，约110次/秒。在
10、不要求高速转换的场合，如温度控制系统中，在不要求高速转换的场合，如温度控制系统中，被广泛采用。被广泛采用。5G144335G14433的国外原型产品是美国的国外原型产品是美国Moto1olrMoto1olr公司公司的的MC14433MC14433，两者完全相同，可以互换使用。，两者完全相同，可以互换使用。5G14433的内部结构框图如图的内部结构框图如图74-1所示所示 模拟电路部分：基准电压、模拟电压输入、模拟电压输入模拟电路部分：基准电压、模拟电压输入、模拟电压输入量程为量程为199.9mv199.9mv或或1.999v1.999v两种，与之相对应的基准电压相应两种，与之相对应的基准电压相
11、应为为200mv200mv或或2v2v两种。两种。数字电路部分：逻辑控制、数字电路部分：逻辑控制、BCDBCD码及输出锁存器、多路开关、码及输出锁存器、多路开关、时钟以及极性判别、溢出检测等电路组成。时钟以及极性判别、溢出检测等电路组成。5G14433采用字位动态扫描采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、码输出方式，即千、百、十、个位百、十、个位BCD码轮流地在码轮流地在Q0Q3端输出，同时在端输出，同时在QS1QS4端出现同步字位选通信号。端出现同步字位选通信号。主 要 外 接器 件 是 时钟 振 荡 器外 接 电 阻RC、外接失 调 补 偿电容C0和外 接 积 分阻 容 元 件R1、C。
12、VAG：被测电压被测电压VX和基准电压和基准电压VR的接地端（模拟地）。的接地端（模拟地）。VR：外接输入基准电压：外接输入基准电压（+2V或或 +200mv）VX：被测电压输入端。被测电压输入端。R1、R1/C1、C1：外接积分电阻器和：外接积分电阻器和积分电容积分电容C1元件端，外接元件典型值：元件端，外接元件典型值：当量程为当量程为2V时，时，C10.1F，R1=470K；当量程当量程200mV时，时，C1=0.1F,R1=27K C C0101、C C0202：外接失调补偿电容：外接失调补偿电容C0C0端，端，C0C0的典型的典型值为值为0 01F1F。DUDU：更新输出的：更新输出的
13、A AD D转换数据结转换数据结 果的输入端。果的输入端。当当DUDU与与EOCEOC连接时，每次的连接时，每次的A AD D转换结果都被转换结果都被更新。更新。CLKICLKI和和CLKOCLKO：时钟振荡器外接电阻：时钟振荡器外接电阻RcRc端，端，RcRc的的典型值为典型值为47OK47OK，频率随着频率随着RcRc增加而下降。增加而下降。V VEEEE：模拟部分的负电源端，接：模拟部分的负电源端，接-5V-5V。V VSSSS：除除CLKOCLKO端外所有输出端的低电平基准（数字端外所有输出端的低电平基准（数字地）。地）。当当V VSSSS接接V VAGRAGR模拟地、数字地相连）时，
14、模拟地、数字地相连）时，输出输出电压度为电压度为V VAGAGV VDDDD（0 0+5V+5V）：）：当当V VSSSS接接V VEEEE（-5V-5V）时，输出电压幅度为）时，输出电压幅度为V VEEEEV VDDDD（-5-5+5V+5V），），10V10V的幅值。的幅值。实际应用时一般是实际应用时一般是V VSSSS接接V VAGAG，即模拟地与数字地，即模拟地与数字地相连。相连。EOC:EOC:转换周期结束标志输出。每当一个转换周期结束标志输出。每当一个A/DA/D转换周期结转换周期结束，束，EOCEOC端输出一个宽度为时钟周期二分之一宽度的正端输出一个宽度为时钟周期二分之一宽度的正
15、脉冲。脉冲。OR:OR:过量程标志输出，平时为高电平，当过量程标志输出，平时为高电平，当|V|VX X|m|mV VR R时，时，则电平输入绝对值大于基准电压）时，则电平输入绝对值大于基准电压）时，OROR端输出低电端输出低电平。平。DSDS1 1DSDS：多路选通脉冲输出端。：多路选通脉冲输出端。DSDS1 1对应千位，对应千位，DSDS4 4对对应个位。每个选通脉冲宽度为应个位。每个选通脉冲宽度为1818个时钟周器，两个相个时钟周器，两个相临脉冲之间间隔临脉冲之间间隔2 2个时钟周期，其脉冲时序如图个时钟周期，其脉冲时序如图7 74-34-3所示。所示。Q Q0 0Q Q3 3：BCDBC
16、D码数据输出线。其中码数据输出线。其中Q Q0 0为最低位，为最低位，Q Q3 3为最高位。当为最高位。当DSDS2 2、DSDS3 3和和DSDS4 4选通期间，输出选通期间，输出三位完整的三位完整的BCDBCD码，即码，即0 09 9十个数字任意一个十个数字任意一个都可。都可。但在但在DSDS1 1选通期间，数据输出线选通期间，数据输出线Q Q0 0Q Q3 3除了表示除了表示千位的或千位的或0 0 或或1 1外，还表示了正负极性和欠量外，还表示了正负极性和欠量程还是过量程，其含义见表程还是过量程，其含义见表7.4-17.4-1。表74-1 DS1选通时，Q3Q0表示的输出结果DS1Q3Q
17、2Q1Q0输出结果状态11XX0千位数为010XX0千位数为11X1X0输出结果为正值1X0X0输入结果为负值10XX1输入结果过程量11XX1输入信号欠量程 Q Q3 3：表示千位（：表示千位（1/21/2位）数的内容位）数的内容,Q,Q3 3=“0 0”（低电平）时，（低电平）时，千位为千位为1 1；Q Q3 3=“1 1”（高电平）时，千位数为（高电平）时，千位数为0 0。Q Q2 2表示被测电压的极性，表示被测电压的极性，Q Q2 2“1 1”表示正极性性，表示正极性性，Q Q2 2“0 0”表示负极性。表示负极性。Q Q0 0=“1 1”表示被测电压在量程外（超量程），可用于仪表表示
18、被测电压在量程外（超量程），可用于仪表量程自动切换，当量程自动切换，当Q Q3 3=“0 0”时，表示过量程；当时，表示过量程；当Q Q3 3“1 1”时，表示欠量程，过量程时，时，表示欠量程，过量程时，m|Vm|VXmXm|V VR R且且A/DA/D转换输出读转换输出读数为数为20192019。欠量程时输出读数为。欠量程时输出读数为179179。V VDDDD：正电源端，接：正电源端，接5V5V。5G144335G14433的转换误差为的转换误差为1LSB1LSB，输入阻抗大于输入阻抗大于100M100M，模拟输入电压范围为模拟输入电压范围为0 01 1999V999V或或0 0199.9
19、mV199.9mV；片内提供时钟发生器，使用时只需外接一个电阻；也片内提供时钟发生器，使用时只需外接一个电阻；也可采用外部输入时钟或外接晶体振荡电路，可采用外部输入时钟或外接晶体振荡电路，片内的输出锁存器用来存放片内的输出锁存器用来存放A AD D转换结果，经多路开转换结果，经多路开关输出多路选通脉冲信号关输出多路选通脉冲信号DSDSl lDSDS4 4及及BCDBCD码数据码数据Q Q0 0Q Q3 3。1.1.电源接法电源接法 芯片工作电源为芯片工作电源为5V5V正电源接正电源接V VDDDD，模拟部，模拟部分负电源分负电源V VEEEE，模拟地，模拟地V VAGAG与数字地与数字地V V
20、SSSS相连为公共相连为公共接地端。为了提高电源的抗干扰能力，正、负电接地端。为了提高电源的抗干扰能力，正、负电源分别通过去耦电容源分别通过去耦电容0 0047F047F、0.02F0.02F与与V VSSSS（V VAGAG）端相连。）端相连。2.2.基准电压输入的连接基准电压输入的连接 基准电压须外接，可由基准电压须外接，可由5G144335G14433通过分压提供通过分压提供+2V+2V或或+20OmV+20OmV的基准电压，的基准电压，3.3.外接元件参数的选定外接元件参数的选定 例如，当例如，当C C1 10.1F0.1F，V VDDDD=5V=5V，f fCLKCLK=66KHZ=
21、66KHZ时，时，若若V VXmaxXmax=+2V,R=+2V,R1 1=480K(=480K(取取470K)470K)；若若V Vxmaxxmax=+200mV,R=+200mV,R1 1=28K(=28K(取取27K)27K)。外接补偿失调电容固定为外接补偿失调电容固定为0.1F,0.1F,外接钟频电阻外接钟频电阻R RC C，当当R RC C=470K=470K时，时，f fCLKCLK66KHZ66KHZ；当；当R RC C=200K=200K时，时，f fCLKCLK140KHz140KHz，一般取，一般取R RC C=30OK=30OK。4 4DUDU端和端和ECOECO端短接端
22、短接 EOC EOC与与DUDU短接，是将每一短接，是将每一次次A/DA/D转换的结果都输出。转换的结果都输出。由于5G14433的A/D转换结果动态分时输出的BCD码，Q0Q3和DS1DS4均不是总线式的。因此，MCS-51单片机只能通过I/O接口或扩展I/O接口与其相连。5G14433可以直接与其P1口或扩展I/O口81558255相连。信号分析信号分析 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 DS4 DS3 DS2 DS1 Q3 Q2 Q1 Q0 ACC.7 ACC.6 ACC.5 ACC.4 ACC.3 ACC.2 ACC.1 ACC.0 5G1
23、44335G14433所有外部连所有外部连接器件，按规定要求接器件，按规定要求接好。接好。将将 A/DA/D 转 换 结 果 由转 换 结 果 由80318031控制采集后送入控制采集后送入片内片内RAMRAM中的中的2EH2EH、2FH2FH单元，并给定数单元，并给定数据存放格式为：据存放格式为：2EH77H 2EH77H*74H74H 73H70H73H70H 2FH7FH78H 2FH7FH78H符号X X千百 个十The end of the Example3、智能仪器A/D转换器的选取在设计智能仪器时，正确选用A/D转换器的关键，在于合理选择其字长、变换速度及确定采样/保持器是否必要
24、1）从满足系统的静态精度来考虑 首先，在信号的变化范围内，不能因A/D转换器分辨率过低造成测量“死区”。如信号x(t)的最大值为xmax,最小值为xmin，对舍入量化来说，q/2xmin必须得到满足若使xmax=u，于是从上式可得：xxNmaxmin211所以 xxxxNNminmax2minmax2loglog1对截断量化误差来说，则2）对动态系统来说，此时字长将按信噪比要求选择，可得：02.6SNRNR综合得：02.6,maxminmax2logSNRNxx三、三、ADCADC与与CPUCPU的连接及的连接及ADCADC程序设计程序设计1、程序查询输入方式 2、中断输入方式 3、CPU延时
25、等待方式4、定时采样方式四、高速、高精度数据检测通道四、高速、高精度数据检测通道 1 1、高速数据检测、高速数据检测 智能仪器对于某些快速变化的物理量检测，如动态瞬变检测，要求系统具有很高的采样频率。为使采样的结果能够真正反映被测信号的变化，其采样速率应满足香农采样定理，在多路高速采样系统中，应以频率最高一路中可能出现的最高频率分量fmax为依据，再乘以模拟信号的路数n和适当的系数（210），因此采样频率为：f fx x=(210)nf=(210)nfmaxmax在实际应用中 t=t+t2+t3+t4+t5t采集系统的采集时间t 滤波、放大电路的响应时间t 多路转换时间t 采样/保持电路的采样
26、时间t A/D转换时间t 转换结果存储时间为了提高采样系统的采样速率，必须减少时间t。可以选取一些快速性好的滤波、放大、采样/保持电路、多路转换电路，而且t、t、t一般都很小，因此系统的采样速率的高低主要取决于t和t5。提高采集速度的方法提高采集速度的方法：提高硬件电路的响应时间，选用高速采/保电路及高速A/D转换器、放大器加适当的频率校正，以减少响应时间。多路转换器的切换改用硬件计数电路自动控制，以减少软件执行时间。改变微机输入数据方式，采用DMA（直接存贮器存取方式）输入采集数据，或者使用双口RAM及其他RAM的芯片，缩短数据传送途径。采用多个采集通道或多微机系统。下面将着重分析在数据转换
27、后由微机读取并送至内存的时间如何降低。（1）采用DMA技术的高速数据采集在微机中，正常的数据传送途径：正常的数据传送途径：先由I/O口到CPU，再由CPU到RAM。由CPU发出地址码以及读写信号，通过数据总线传送信息。而DMADMA传送方式传送方式是由DMA控制器控制总线，使数据直接在I/O口与RAM中取出或送存（还可以直接控制数据在RAM与RAM之间或I/O设备之间交换）。（2）采用RAM与A/D转换器直接接口直接接口的高速数据采集在实际的应用中，许多场合需要将瞬时信号采集下来，存入内存，供微机分析处理，每采集一个数据所需要的时间t为：t=t+t+t式中，t模数转换器的时间；t硬件电路中模拟
28、信号的延迟时间；t把转换后数据存入内存的传输时间。为提高采样系统的采样速率，必须减少时间t。由于t一般较小，故系统采样速率的高低主要取决于t和t。为最大限度减少t，并使CPU在数据采集中能和接口并行工作，分别利用双口RAM芯片和其他RAM芯片设计了两种高速数据传送接口。（见图2-20和2-21）2 2、高精度数据采集、高精度数据采集在智能仪器中，高精度的数据采集，需要考虑各级电路的精度精度分配分配问题。但精度指标又不是孤立的，它与系统对信号的分辨与系统对信号的分辨率率、灵敏度灵敏度及抗干扰能力抗干扰能力均有关。（1）ADCADC的分辨率及信号放大倍数的确定的分辨率及信号放大倍数的确定（以一个例
29、子来说明ADC分辨率及信号放大倍数的确定）例：例：在一温度检测系统中，被测量温度范围为0400，要求分辨出0.1温度变化，检测温度的精确度为0.1%(折合成绝对误差为0.4)，用K型热电偶传感器作检测敏感元件，当温度在0400范围内变化时，可测得传感器的输出电压在0200mV之间变化。根据测量范围及温度分辨率的要求，根据测量范围及温度分辨率的要求，求出求出ADC芯片的分辨率及信号调理的放大倍数芯片的分辨率及信号调理的放大倍数K。采集通道中放大器的放大倍数：现测温范围为0400，对应输入信号Ui为0200mV。设ADC的满电压值选为10V，则K=500。ADC芯片的位数为：信号最大值满度电压值A
30、DCK ADC芯片的位数为：UUNminmax21logmax为ADC芯片的满刻度输入电压，现已定为10V；min为ADC芯片的最小分辨出的电压。它由给出的温度分辨率决定，现要求能分辨出0.1温度变化，对应于热电偶传感器产生5V的电压变化，此电压经500倍放大后，求得min为：min=505010-6=2.5(mV)所以：=log(1+400)=11.2所以选择=12位的ADC芯片，此时ADC芯片的一个数字量相当于2.4mV，小于2.5mV，故可以满足分辨率要求。（2）精度的分配精度的分配是指将系统整体精度分配给各个环节。根据所选电路各环节可能达到的精度范围做精度分配，然后再核对合成精度，看其
31、能否满足总体精度的要求。求合成精度，也就是求系统不确定性误差的合成，通常采用均方根的合成法是比较合理的。eeeens22221式中，es为系统总误差，e|e2|、|en|为各环节误差。在进行误差分配时可采用均值法，即：|e|=|e2|=|en|。已知系统的总误差es，就可以求得平均的分项误差值，然后依据实际电路的情况，进行适当调整。在上例中，es=0.1%，若采集系统有以下各个环节，它的误差做如下分配：传感器误差e=0.05%；仪用放大器误差e=0.01%；MUX多路开关误差e=0.02%；采/保电路误差e=0.01%；12位ADC芯片误差e=0.05%。来自传感器的信号千差万别，有模拟信号、
32、脉冲信号、逻辑信号等，尽管对这些信号的处理方式是各不相同的。但最终都要将它们变成标准信号(标准电压输出为标准电压输出为0010V10V、005V5V、05V05V。标准电流输出为标准电流输出为420mA420mA。)，供A/D采集，然后送入CPU内。滤波和放大电路处于采样/保持器、A/D转换器的前方，又处于传感器之后，因此滤波放大电路的设计好坏，将会影响到系统的精度、数据采集速度、分辨率等一系列指标。下面将详述智能仪器中常用的滤波及放大电路的组成结构和设计方法。一、滤波器一、滤波器在采集系统的前端设置硬件滤波器，目的目的有两个：其一是为了在前置放大器之前，预先抑制部分干扰信号预先抑制部分干扰信
33、号，以免和有用信号一起被放大，这样可以有效地提高信噪比有效地提高信噪比；其二是压缩频带压缩频带，限制到小于0fs(fs为采样频率)的范围内，以免引起频率折叠以免引起频率折叠的“假象信号”。故此预选滤波器又称为“抗假象噪声”滤波器。由于信号和干扰噪声在时域上混合在一起，但是在频域上二者各自有不同的特性。一般地讲，有用信号的频谱总是有限的有用信号的频谱总是有限的，而噪声频率要宽得多噪声频率要宽得多，甚至在高频段仍有很大值。如白噪声，其频谱几乎占有整个频率轴。有时信号中所含噪声电平很高，若不进行抑制，用高增益放大器接收这样的信号时，会导致放大器饱和，使仪器不能正常工作，故此类滤波器常置于系统的故此类
34、滤波器常置于系统的最前端，位于放大器之前、传感器之后最前端，位于放大器之前、传感器之后。实现频域滤波频域滤波的方式可分为两类：模拟滤波方式和数字滤波方式。但由于滤波器是置于系统的最前方，信号尚未数字化，故多采用模拟滤波器。在后面的章节中将详细讨论数字滤波器的实现方法。大多数的工业用传感器信息变化变化是很慢是很慢的，典型的仅典型的仅10Hz10Hz左右左右，而干扰的噪声频谱则分布在比较高的频段，故采用低通滤波器。理想低通滤波器的传输特性，在其截止频率f以内，信号通过滤波器时没有衰减，而超过fH的频率分量，信号有无穷大的衰减；输出信号的相位比输入信号的相位延迟，与频率呈线性关系，也就是说理想滤波器
35、的幅频特性为一矩形，相频特性为一直线。设计滤波器的原则：根据设计滤波器的原则：根据所要求的通带增益A A及及低通滤波器的截止角频率截止角频率，选取选取恰当的阻尼系数阻尼系数，即可对滤波器的电路元件进行设计。图2-22 低通滤波器的特性 图2-23 二阶低通压 控电压源有源滤波器设计滤波器就是要寻找一传递函数，使其幅频特性和相频特性逼近理想特性，如图2-22所示。根据不同的逼近准则，可形成各种特性的滤波器。如巴特沃斯（Butterwoyth）低通滤波器，其特色是用最平的通带特性去逼近理想的低通特性最平的通带特性去逼近理想的低通特性；切比雪夫（Chebyshef）低通滤波器的特色是通带内有纹波通带
36、内有纹波，带阻特性为单调下降带阻特性为单调下降，但相位特性较差；而贝塞尔（Bessel）低通滤波器具有最好的线性相移器具有最好的线性相移，但通带内幅值跌落较大。可根据实际需要，选择其中任一种滤波器。巴特沃斯型巴特沃斯型贝塞尔型贝塞尔型切比雪夫型切比雪夫型二、信号的放大及隔离电路二、信号的放大及隔离电路1、放大器的几种转换形式电压输出型电压输出型：它有对称结构，也有非对称结构。对称结构中又以交直流电桥输出居多，如应变电桥、热敏元件、霍尔电桥等效电路，它们要求接电压放大器电路。阻抗输出型阻抗输出型：它们需要对频率或脉冲宽度进行调制的放大器。电流电荷输出型：电流电荷输出型：如压电式传感器、光电探测器
37、产生微弱电流等。它们相应要求电流（或电荷）到电压变换的放大电路。（1）交流电桥输出型交流电桥输出型放大电路 典型的交流电桥输出放大电路如图2-28所示，假定R(1+X)为应变片电阻，而R(1-X)为补偿非线性反相变化的应变电阻，它们感受低频率的正弦变化动态应变。对于上述测量电桥，由于分布电容的影响，其调零不仅要设置直流调零电位器W，还要设置交流调零电位器W，以提高零点的稳定性。（）直流电桥输出型直流电桥输出型放大电路直流电桥型放大电路的典型结构如图-29所示，它由3部分组成，即直流激励电源、惠斯登电桥及仪用放大器。当然在电桥和放大器之间可以插入滤波器。（3）电流电流-电压转换电压转换放大电路对
38、于把物理量变换为微弱电流的传感器，需要经过电流到电压的变换再进行放大。仅用电阻来构成电压-电流转换是不切实际的，因为常不能提供较大电流，比较实用的办法是用一块运放和一个高阻值反馈电阻构成，如图2-30所示。（4）电荷电荷-电压变换电压变换放大电路电荷-电压转换放大器由电荷放大器及仪用放大器两部分组成，其中电荷放大器A如图（2-31所示），它将电荷转化成电压。然后再经过仪用放大器放大。2、仪用数据放大器、仪用数据放大器仪用数据放大器按其结构分为3种，即差分直接耦合式、隔离式及自动稳零式。（1）仪用数据放大器工作原理及设计原则典型的三运放仪用数据放大器电路如图2-32所示，它采采用差分直接耦合用差
39、分直接耦合的工作方式：这种测量放大器由三片运放构成，其中A及构成高输入阻抗的第一级，为差动输出变为单端输出信号的第二级。（2）隔离式隔离式运算放大器在实际的工业生产过程中，由于存在严重的用电干扰，在一些情况下，被测弱信号中叠加了很高的共模电压被测弱信号中叠加了很高的共模电压。若共模电压高于千伏以上，仍用非隔离的仪用数据放大，其输入回路就会受到严重的损害，此时应采用隔离式放大器。隔离放大器的作用是为了防止意外的高压浪涌从地侵入电路网络，还可以屏蔽和抑制外来干扰，从而获得更高的精度。隔离又称浮离隔离又称浮离，即在完成信息传送中不共地在完成信息传送中不共地，以隔断两地共模以隔断两地共模差值电压的电流
40、流通回路差值电压的电流流通回路。采用隔离技术能从根本上抵抗共模采用隔离技术能从根本上抵抗共模电压的干扰电压的干扰。为了做到完全的地隔离，还要求放大器所使用的电源也是浮离电源，以断绝与电源系统发生地电流的联系。隔离的方法通常有变压器耦合隔离和光电耦合隔离。（3）斩波自动稳零型斩波自动稳零型运算放大器这种CMOS结构的新型运算放大器，如ICL7650具有很高的性能指标，外部也不需要附加调零电路，因此是一种理想的测量运算放大器。图2-36是ICL7650的原理框图，图中(A)、(B)是电子开关，A是主放大器，是调零放大器。放大过程分两个阶段进行，通过电子开关进行转换。在内部时钟的前半周期，电子开关(
41、)接通，()断开，电路处于放大器误差检测和寄存阶段。在内部时钟的后半周期，电子开关()断开，()接通，电路处于动态校零和放大阶段。3、程控增益放大器、程控增益放大器在智能仪器中，如果测量的范围比较宽，为了保证必要的测量精度经常采用改变量程的办法。当改变量程时，测量放大器的增益也应相应地加以改变。这种变化是通过软件实现的，它使仪器的量程能够方便地自动切换。（1）基本原理程控增益放大器，又称可编程增益放大器（PGA-Programmable Gain Amplifier）。程控增益放大器的基本形式是由运算放大器由运算放大器和用模拟开关控制的电阻网络组成用模拟开关控制的电阻网络组成。模拟开关则用数字
42、编码控制。数字编码可用数字硬件电路实现，也可用计算机根据需要来控制。放大器的增益为：RRUUfiioG1（2）程控增益放大器的实现最简单的程控增益放大器见图2-39，这是基于以上基本原理实现的程控增益放大器。该电路是由一个通用运放A741、一片八路模拟开关CD4051和电阻网络组成。此电路既能放大信号，也能够衰减信号。多路开关受数码控制，以选通不同的反馈电阻改变运算放大器的增益。数模转换器作运放反馈部件的程控增益放大器。因为数模转换器内部有一组模拟开关和电阻网络。如果用数模转换器在程控增益放大器中替换之，再配合软件判断功能就可实现数据采集系统的自动量程切换。图2-40是其原理电路图。用仪表放大
43、器实现的程控增益放大器。该电路只要改变仪表放大器的增益电阻就可改变其增益。图2-41是用单片集成仪表放大器AD606实现的一种程控增益放大器。（3）集成程控增益放大器LH0084数字程控增益仪器放大器是一种可通过两位数字输入信号来改变增益的放大器，其原理图如图2-43所示。一、多路模拟信号转换器一、多路模拟信号转换器在巡回检测或多路自动测量回路中，需要由多路转换器转接各路模拟信号。多路模拟信号转换器在智能仪器中应用很广。为了更好地应用它，必须充分了解多路模拟信号转换器在电路中的特性。1、多路模拟信号转换器（MUX）对系统的影响（1）MUX在通断直流信号时产生的静态误差在通断直流信号时产生的静态
44、误差MUX在正常工作时，它总是仅有一路工作，而其他各路关断，其等效电路图如图2-61所示。一般RON100300，则输入信号将要通过R分压，输出到负载电阻上的电压将下跌一些。off也不为零，其典型值为0.22nA，它对输出也会增添一个误差项，又因为R、off并非常数，特别是易受温度的影响，因而会引起高达几十至几百微伏的误差。减少误差的方法：要适当地限制开关路数N，或采用多级转换，如图2-63 所示。在多路开关之后接入电压跟随器，再连到后面的负载电路上去，这样可以抬高的负载阻抗，削弱串联内阻影响，如图2-62所示。（）的动态误差分析（）的动态误差分析在图2-65中C为通道之间的寄生电容，S为开关
45、断路时电容。当切换高频信号时，截止通道的高频信号会通过C和DS在负载端产生漏电压，这种现象称为串扰。寄生电容愈大、开关的路数愈多、频率愈高、串扰愈严重。此外，多路开关输出对地电容总和(N-1)(CDS+C)对开关切换时间也有很大影响。显然多路模拟开关的频带fmax应高于系统的采样频率方能正常工作。另外，还应注意MUX开关的开通时间tON和关断时间toff，二者的不一致，会形成“先通后断”或“先断后通”的交接情况。2、MUX开关芯片的正确使用开关芯片的正确使用 3、多路转换开关、多路转换开关MUX的连接与切换控制的连接与切换控制MUX开关与多路模拟电压连接时，需要考虑输入端的连接形式是单端式或差
46、动式，两种方式的连接方法参见图2-66多路开关的连接。MUX开关的多路模拟信号切换是由提供芯片的开关地址码（如AD7501有8个输入通道，它有三个地址码）进行切换，并在使能端为“0”时接通所需通道。选通地址码的提供可由软件或硬件的办法产生。图2-67为两片AD7503扩展构成16路通道的MUX与微机连接及用软件进行切换的原理图。二、采样二、采样/保持保持在智能仪器中，模拟信号转化为数字信号，或者数字信号转化为模拟信号都需要采样和保持。这是一对互逆的过程。采样保持电路的作用是在某个规定的时刻接收输入电压并在输采样保持电路的作用是在某个规定的时刻接收输入电压并在输出端保持该电压值，直到下次采样为止
47、出端保持该电压值，直到下次采样为止。采样保持电路的增益通常为1，而且不倒相。一般用电容器来保持输入电压。典型的采样保持电路如图2-69所示，它包括输入输出缓冲放大器、存贮器、模拟开关及其控制电路。1采样/保持器的主要参数（1）采样时间（获取时间）tac（2）孔径时间（tap）及孔径时间的抖动（tap）（3）保持电压的下降率（）采保器的瞬态特性 2采样/保持器的选择常用的采样/保持器芯片可分为3类：普通型采/保芯片，如LF198、LF298、LF398、AD582、AD583。高速型采/保芯片，如SHA-2A、HTS-0025、HTC-0300。高分辨率型采/保芯片，如SHA114、SHA-6等。各种数据采集卡底板上的扩展槽用于底板上的扩展槽用于 插接各种数据采集卡插接各种数据采集卡PCI扩展槽扩展槽ISA扩展槽扩展槽 ISA数据采集卡数据采集卡ISA数据采集卡的插脚间隔为数据采集卡的插脚间隔为2.54mm（0.1英寸）英寸）PCI数据采集数据采集传输卡传输卡ISA槽槽PCI槽槽将功能卡插到将功能卡插到ISA槽中槽中功能卡的镀金脚功能卡的镀金脚 端子板作为功能卡的扩展附件，端子板作为功能卡的扩展附件，用于连接传感器信号用于连接传感器信号光耦光耦25芯排线芯排线数据锁存器数据锁存器去计算机去计算机ISA槽槽传感器信号线接线端子传感器信号线接线端子
