计算机测控技术第3章

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1、第三章模拟量输入通道3.1模拟多路转换器3.2程控放大器3.3量程自动转换技术3.4采样保持电路3.5A/D转换器图3－1模拟量输入通道的组成(1)模拟信号多路转换器(Multiplexer)。当多个信号源分时使用模拟量输入通道时，必须采用多路转换器。(2)数据放大器(DataAmplifier)将传感器送来的电信号放大处理，以满足A/D转换器规定的量程输入。它对速度和精度都有较高要求，其闭环增益可通过程序进行调节。(3)采样/保持器(SampleandHolder)简称S/H，用以存储变化的模拟信号，使其在A

2、/D转换期间保持不变。(4)A/D转换器(AnalogtoDigitalConverter)量化部件用于将模拟量转换为计算机可识别的数字量。(5)输入/输出接口(InputandOutputPort)用来锁存A/D转换后的数字量。3.1模拟多路转换器3.1.1模拟多路开关的种类模拟多路开关有机械式、电磁式和电子式三大类。纯机械式开关在现代计算机测控系统中已很少使用。电磁式多路开关主要是指各种继电器、干簧管等，其中干簧继电器体积小，切换速度快，噪声小，寿命长，最适合在模拟量输入通道中使用。干簧继电器(ReedRe

3、lay)由密封在玻璃管内的两个具有高导磁率和低矫顽力的合金簧片组成，簧片的末端为金属触点，两簧片中间有一定的间隙且相互间有一段重叠，内充有氮气以防触点氧化；当管外的线路中通以一定的激励电流，将产生沿轴向的磁场，簧片被磁化而相互吸合；当电流断开时，磁场消失，簧片本身的弹性使其断开。干簧继电器的工作频率一般可达10～40Hz，断开电阻大于1MΩ，接触电阻小于50mΩ，寿命可达1010次，吸合和释放时间约1ms，不受环境温度的影响，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

4、时存在抖动现象，适用于低速高精度测试系统。与电磁式模拟开关相比，模拟电子开关具有切换速度高、无抖动、易于集成等特点，但其导通电阻一般较大，输入电压、电流容量较小，动态范围有限，常用于高速且要求系统体积小的场合。常用的模拟电子开关有4种。(1)晶体管开关。晶体管开关的特点是速度快，工作频率高(1MHz以上，尤其在采用双极型晶体管开关时)，导通电阻小(最小到1Ω)，其缺点是存在残余电压，且控制电流要流入信号通道，不能隔离。(2)光电耦合开关。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

5、关。这种开关由于采用光电转换方式进行开关信号传送，故速度和工作频率属中等，但其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)结型场效应管开关。这是一种使用较普遍的开关。由于场效应管是一种电压控制电流型器件，一般无失调电压，导通电阻约为5～100Ω，断开电阻

6、一般为10MΩ以上，且具有双向导通的功能，但这种场效应管一般不易集成。图3－2MOS开关管导通电阻特性(4)绝缘栅场效应管开关。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Ron随信号电压波动小，如图3－2所示。CMOS场效应管开关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场效应管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。以上介绍的模拟开关是用来传输电压信号的

7、，故称做电压开关。模拟开关也可以用来传输电流信号，这类模拟开关叫做电流开关。3.1.2　多路开关的工作原理1.双极型晶体管开关图3－3所示为双极型晶体管开关电路。它可以实现8路模拟信号切换，其工作原理如下。如果要选择第一路模拟信号，则令通道控制信号Uc1=0(低电平)，晶体管V1′截止，集电极输出为高电平，晶体管V#-1导通，输入信号电压Ui1被选中。如果忽略V1的饱和管压降，则Uo=Ui1。同理，当令通道控制信号Uc2＝0时，则选中第二路模拟信号，Uo＝Ui2。注意，在控制信号Uc1～Uc8中不能同时有两个或

8、两个以上为零。双极型晶体管的开关速度快，但它的漏电流大，开路电流小，而导通电阻大。另外，双极型晶体管为电流控制器件，基极控制电流会注入信号源。如果信号源的内阻比较大，就会使信号电压发生变化，从而影响转换精度。图3－3双极型晶体管开关电路图3－4结型场效应管多路开关2.场效应管开关(1)结型场效应晶体管开关。图3－4所示为8路P沟道结型场效应管多路开关，其中V