第3章模拟信号处理技术.ppt

3.1 模拟多路开关模拟多路开关 3.2 测量放大器测量放大器 3.3 程控增益放大器程控增益放大器 3.4 采样采样/保持器保持器 3.5 有源滤波器有源滤波器 在构成数据采集系统时，往往需要同时使用多个传感器对多路信号进行采集。如果一个传感器对应使用一个模拟数字转换器(ADC)，显然将使系统成本大大增加。通常的办法是使几个传感器多路复用一个公共的ADC。具体可采用如下复用方式：(1)选用具有多路模拟输入通道的选用具有多路模拟输入通道的A/D转换器。转换器。如08080809A/D转换器本身就有8个模拟输入通道。此时不需外加电路就可实现多路输入，简单易行；(2)采用采用A/D转换器本身的扩转换器本身的扩展端实现模拟输入通道的扩展。展端实现模拟输入通道的扩展。例如ADC0816就具有外部通道扩展功能。(3)采用专门的模拟多路开关扩展输入通道。采用专门的模拟多路开关扩展输入通道。第三种方法灵活性最好，是最为常用的方法。3.1 模拟多路开关模拟多路开关 1.机械式多路开关 单纯机械结构式多路开关在现代数据采集系统中已经很少使用。一、工作原理：3.1 模拟多路开关模拟多路开关2.电磁式多路开关 电磁式多路开关主要是指干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器等。其中干簧继电器体积小、切换速度快、噪声小、寿命长、最适合模拟量输入通道中使用。干簧继电器的工作频率一般可达工作频率一般可达1040次秒，断开电次秒，断开电阻大于阻大于1M，导通电阻小于，导通电阻小于50毫欧，使用寿命可达毫欧，使用寿命可达1亿次。吸合和释放时亿次。吸合和释放时间约间约1ms，不受环境的温度影响，而且输入电压，电流容量大，动态范围宽。其缺点是体积大(与电子开关相比)，工作频率低，在通断时存在抖动现象，因此一般用于低速高精度检测系统低速高精度检测系统中。一、工作原理：3.1 模拟多路开关模拟多路开关 与电磁式开关相比，模拟电子开关具有切换速度高、无抖动、易于集成的优点，但是导通电阻一般较大，输入电压、电流容量较小，动态范围很有限。常用的模拟电子开关有4种。一、工作原理：3.电子式开关3.1 模拟多路开关模拟多路开关一、工作原理：（1）晶体管开关3.电子式开关工作原理：优点：开关速度快。缺点：漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。电流控制器件，功耗大，集成度低，一个方向传送信号。3.1 模拟多路开关模拟多路开关+15V+15VT1T1T8T8.通道选择1通道选择8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模拟信号1模拟信号8一、工作原理：（2）光电耦合开关3.电子式开关 将发光二极管与光敏晶体管或光敏电阻封在一起即可构成光电耦合开关，又叫最佳隔离开关。3.1 模拟多路开关模拟多路开关UiUccUo反相一、工作原理：（2）光电耦合开关3.电子式开关 这种开关由于采用光电转换方式进行开关信号传送，故速度和工作速度和工作频率属中等频率属中等，但其控制端与信号通道的隔离较好控制端与信号通道的隔离较好，耐压高。由于其利用晶体管的导通和截止来实现开关的通和断，因此也存在残留失调电压和单向导电情况；如果以光敏电阻代替光敏三极管，则可实现双向传送，但光敏电阻的阻值分散性大，反应速度也较低，因此这类开关多用于要多用于要求隔离情况良好但传输精度不高的场合求隔离情况良好但传输精度不高的场合，也常用于输出通道中需通道隔离的场合。3.1 模拟多路开关模拟多路开关一、工作原理：（3）结型场效应管开关3.电子式开关工作原理：工作原理：优点：优点：工作速度快；导通电阻小（约5100欧）；断开电阻大（一般10兆欧以上）；具有双向导通的功能。缺点：缺点：为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。3.1 模拟多路开关模拟多路开关.T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道选择1通道选择8UoR1828R11R21R一、工作原理：（4）CMOS场效应管开关3.电子式开关 绝缘栅场效应管分为PMOS、NMOS和CMOS三种类型，最常用的是CMOS场效应管。其导通电阻随信号电压波动小。这是一种应用最普遍的模拟开关。它能克服单沟道场效应管开启电阻随输入电压变化而变化的缺点。CMOS开关具有较其它电子开关明显的特性好，成本低等优点，目前常用的集成模拟开关大多采用了CMOS工艺。3.1 模拟多路开关模拟多路开关一、工作原理：（4）CMOS场效应管开关3.电子式开关 8路P沟通绝缘栅场效应管多路开关的工作原理与结型场效应管多路开关类似。请同学们自己分析。请同学们自己分析。优点：优点：开关切换速度快，导通电阻小，且随信号电压变化波动小；易于和驱动电路集成。缺点：缺点：衬底要有保护电压。3.1 模拟多路开关模拟多路开关+4V+4V-20V-20VT1T1T8T8R11R21R18R28UoUi1UC1Ui8UC8.一、工作原理：4.集成电路开关 集成电路开关是将多路开关、计数器、译码器制造在一个芯片上。工作原理：工作原理：设选择第1路输入信号，则计算机输出一个4位二进制码，把计数器置成0000状态，经4-16线译码器后，第1根线输出高电平，场效应管T1导通，UO=Ui1，选中第1路信号。3.1 模拟多路开关模拟多路开关1231516.四-十六线译码器四位计数器T1T2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U计数23222120.二、模拟多路开关的主要技术指标Ron：导通电阻；Ronvs：导通电阻温度漂移；Ic：开关接通电流；Is：开关断开时的泄漏电流；Cs：开关断开时的开关对地电容；Cout：开关断开时，输出端对地电容；tON：选通信号达到50这一点时到开关接通时的延迟时间；tOFF：选通信号达到50这一点时到开关断开时的延迟时间；tOPEN：开关切换时间，即当两个通道均为断开时，开关从一个通道的接通状态转到另一个通道的接通状态并达到稳定所用的时间。3.1 模拟多路开关模拟多路开关三、常用的模拟多路开关集成芯片 在数据采集中常用的模拟多路开关集成芯片有AD公司的AD7501和AD7503，RCA公司的CD4051，以及MOTA公司的MC14051等。1.AD7501 AD7501内部结构与引脚功能见图。它采用16脚双列直插式封装，脚14和脚15分别接15v电源，脚2(GND)接地。3.1 模拟多路开关模拟多路开关.电平转换译码驱动OUTENA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501.三、常用的模拟多路开关集成芯片1.AD7501 具有8个输入通道(SlS8)、一个输出通道(OUT)的多路CMOS开关。由三个地址线(A0，A1，A2)及使能端EN的状态来选择8个输入通道之一与输出端导通。片上所有逻辑输入与TTL/DTL及CMOS电路兼容。3.1 模拟多路开关模拟多路开关.电平转换译码驱动OUTENA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501.三、常用的模拟多路开关集成芯片1.AD7501 3.1 模拟多路开关模拟多路开关A2A1A0EN 导通导通 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 无无三、常用的模拟多路开关集成芯片1.AD7501 AD7501的主要性能参数如下：CMOS工艺制造；能直接与TTL/CMOS接口；单路8选1模拟多路转换器；具有双向传输的能力；标准16脚DIP封装；电源 ；15V功耗 ；30 W开关接通电阻：（typ）；170开关接通时间：（typ）；0.8 s0.8 s开关断开时间：（typ）。3.1 模拟多路开关模拟多路开关三、常用的模拟多路开关集成芯片2.CD4051 CD4051采用16脚双列直插式封装。CD4051为8通道单刀结构形式，它允许双向使用（多到一或一到多的输出切换）。内含二进制译码器，可以由三根地址线A，B，C及控制线 的状态来选择8路中的一路，(低电平)，芯片使能。INH0INH 3.1 模拟多路开关模拟多路开关电平转换译码驱动S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516Sm12345678910111213141516GNDS1S23S5S6S4S7SUDDCD4501S0ABCSmINHUEEIN/OUT(OUT/IN)IN/OUTIN/OUT三、常用的模拟多路开关集成芯片2.CD4051 3.1 模拟多路开关模拟多路开关IN H C BA 接通通道接通通道 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 无无三、常用的模拟多路开关集成芯片2.CD4051 CD4051有很宽的数字和模拟信号电平，数字信号为315V，模拟信号峰峰值为15V。当 ，输入范围为15V时，其导通电阻为 ；当 时，其断开时的漏电流为 ，静态功耗为 。15DDFFVVV8010DDFFVVV10PA1 W3.1 模拟多路开关模拟多路开关四、模拟多路开关的选用 模拟多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而达到信号切换的目的。在多路开关选择时，常要考虑下列问题：1.泄漏电流：泄漏电流：通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。会导致输出端误差电压 。如果传输的是电流量，并且信号源内阻很大，要考虑误差电压的影响。2.通道数量：通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响。因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大，尤其是在使用集成模拟开关时，尽管只有其中一路导通，但由于其它模拟开关断开时，只是处于高阻状态，仍存在漏电流对导通的那一路产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。3.1 模拟多路开关模拟多路开关UnIRROESSON()()1四、模拟多路开关的选用 3.切换速度：切换速度：对于需传输高速信号的场合，要求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段采样保持和A/D的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的切换速度。4.开关电阻：开关电阻：理想状态的多路开关导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，但实际的模拟开关无法到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。另外，多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作考虑。3.1 模拟多路开关模拟多路开关一、两种基本运算放大电路ViRRf+_VNVPV0反相放大器ViRRf+_VNVPV0同相放大器1.反相放大器增益：AvfV0/ViRf/R 可见这是一种近似比例运算，反相放大器的输入电阻和输出电阻均减少，这在具体使用时，尤其在与传感器配合使用时，是个值得注意的问题。2.同相放大器增益为：AvfV0/Vi1Rf/R 因此同相放大器的放大倍数大于1，至少等于1。3.2 测量放大器测量放大器 注意：同相放大器引入了共模电压，因此需要高共模抑制比的运放才能保证精度，从减少误差的角度来看，同相放大器不如反相放大器广泛，但其输入电阻增加，输出电阻减少。Vi+_V0跟随器 电压跟随器为同相放大的特例，在低频时其放大倍数接近1，具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此常在信号处理中用作阻抗变换器。一、两种基本运算放大电路 3.2 测量放大器测量放大器 在数据采集系统中，被检测的物理量经过传感器变换成的模拟电信号，往往是很微弱的信号(例如热电偶的输出信号)，需要用放大器加以放大。现在市场可以采购到的各种放大器(如通用运算放大器、测量放大器等)中，由于通用运算放大器一般都具有毫伏级的失调电压