第十三章传感器信号的调理技术

第十三章传感器信号的调理技术 • 第一节传感器输出信号的特点 • 第二节阻抗匹配器 • 第三节电桥电路 • 第四节放大器 • 第五节噪声及其抑制 • 第六节传感器信号的数字化

第一节传感器输出信号的特点 • 传感器所感知、检测、转换和传递到信息表现为不同形式的电信号。用来表征传感器输出电信号的参量形式又多种多样，如有开关电信号型，模拟电信号型和脉冲电信号型等类型。开关电信号型多以电压输出型来表示；模拟电信号型又可分为电压输出型，电流输出型、阻抗输出型、电容输出型、电感输出型。脉冲电信号型多以脉冲频率形式来表示。对于模拟电信号型中的后四种输出形式，往往要稍加变换转换为电压输出型，对于脉冲电信号型的脉冲频率形式有时直接利用，有时要经频率－电压转换，变换成电压输出型。总之传感器的输出信号最终多以电压输出型来表示。传感器的输出信号一般说来有以下的特点：下一页返回

第一节传感器输出信号的特点 • （1）传感器的输出信号形式多样，有的是直接以电压或电流的形式输出，而有的是以电阻、电感或者电容的形式输出，为此还有时需要形式上的转换处理。 • （2）传感器的输出信号，一般比较微弱，有的传感器输出电压仅有0.1μV。这样微弱的信号很容易被周围环境和系统本身所产生的噪声所淹没。 • （3）传感器的输出阻抗都比较高，当其输出信号输入到测量电路时，会产生较大的衰减。 • （4）传感器的输出信号与输入物理量之间的关系不一定是线性比例关系。 • （5）有些传感器的输出量会受温度的影响，有一定的温度系数。上一页下一页返回

第一节传感器输出信号的特点 • 根据以上传感器输出信号的特点，传感器最初的输出信号往往是不能直接被测量电路所利用的，所以要根据不同的传感器采取不同的处理方法进行调理，一方面需要通过变换调理，把以电阻、电感或电容形式输出的信号转换成电流或电压形式的输出，另一方面要通过处理用以抑制噪声，提高线性度并进行放大，将传感器最初的输出信号变换成能被测量电路所利用的信号。 • 对传感器最初的输出信号进行处理的方法常用的有阻抗匹配器、电桥电路、放大器电路和噪声抑制电路等措施。上一页返回

第二节阻抗匹配器 • 一、晶体管阻抗匹配器 • 晶体管阻抗匹配器如图13-1所示，晶体管的集电极直接与电源＋E相连接，负载电阻接入发射极。实际上就是一个晶体管射极输出器，又称射极跟随器。该电路具有以下三个特点： • （1）输出信号能够跟随输入信号的变化，且能对输入信号进行电流放大和功率放大。 • （2）输入阻抗大，防止传感器微弱输入信号的衰减。 • （3）输出阻抗小，有较强的负载能力下一页返回

第二节阻抗匹配器 • 二、场效应管阻抗匹配器 • 这里首先让我们认识一下场效应管，它的表示符号如图13-2所示，它有三个电极，引脚D称为漏极，S称为源极，G称为栅极。从它的几个电极的作用来看，我们可以把场效应管和晶体管加以对比，其栅极G相当于基极，源极S相当于发射极，漏极D相当于集电极。 • 由场效应管组成的阻抗匹配器电路如图13-3所示。实际上它就是一个场效应管源极输出器，它的电路结构与晶体管阻抗匹配器相类同。由于场效应管是一种电压控制元件，它的漏极电流只取决于栅极电压，而栅极加上电压时基本不取什么电流，它与晶体管相比具有更高的输入阻抗，一般可达上百兆欧甚至几千兆欧。为此场效应管阻抗匹配器更适宜于作为微弱输入信号的阻抗匹配器，它常用作前置级信号的阻抗变换器，有时就直接安装在传感器内，以减少外界的干扰。上一页下一页返回

第二节阻抗匹配器 • 三、运算放大器阻抗匹配器 • 1、电压跟随器阻抗匹配器 • 图13-4是运算放大器组成的电压跟随器电路，它是同相比例放大器的特殊情况（同相比例放大器将在本章第四节讲述），它的放大增益为 • （13-5） • 它有输入阻抗很高阻抗很低的特点，为此它是一个放大倍数为1的理想阻抗匹配器。上一页下一页返回

第二节阻抗匹配器 • 2、放大倍数可选配的阻抗匹配器 • 运算放大器和电阻参数的选配，可构成高输入阻抗和放大倍数适当可选定电路，这种电路可以满足传感器信号阻抗匹配器的要求。图13-5给出运算放大器阻抗匹配器电路图，它由运算放大器和Rb，R2，R1三个电阻相连接而成。该电路的输入阻抗和放大倍数K可由下面的表达式进行计算，即 • 根据这两个表达式，根据传感器输出信号的要求和特点，适当选择，，三个电阻就可组成相应的阻抗匹配器。 • 关于运算放大器本章第四节还要做比较详细的讲述，这里不再赘述。（13-6）（13-7）上一页返回

第三节电桥电路 • 一、电桥电路的工作原理 • 电桥电路的构成如图13-6所示，它由Z1，Z2，Z3，Z4四个阻抗组成一个四边形电路，其中一组对角线接激励源（电压或电流），另一组对角线接负载（可以是放大器、测量仪表内阻或其他负载）。 • 在图13-6中，当输出端接到输入阻抗比较高的负载时，电桥输出相当于开路，输出电流为零。此时有（13-8）（13-9）下一页返回

第三节电桥电路 • 由此可求出输出电压为 • （13-10） • 由式（13-10）可知，要使电桥输出电压为零（亦即使电桥平衡），必须满足 • （13-11） • 或(13-11)就是电桥的平衡条件，它说明要使电桥达到平衡，其相对的两臂阻抗的乘积要相等。 • 根据式（13-11）可以看出，电桥电路中任何一个阻抗的变化，都将使电桥失去平衡，产生输出。测量这个输出量的大小即可测出被测参数。上一页下一页返回

第三节电桥电路 • 根据电桥电路组成桥臂的阻抗性质的不同，电桥可以分为直流电桥和交流电桥。如果四个桥臂为纯电阻，激励源为直流信号时，则电桥称为直流电桥，如果四个桥臂为感抗、容抗或者复阻抗，激励源为交流信号时，则电桥称为交流电桥。根据电桥桥臂可变阻抗数目的不同，电桥又可分为单臂电桥、双臂电桥和全臂电桥三种。下面分别进行讨论。 • 1．单臂直流电桥 • 所谓单臂直流电桥就是电桥中的一桥臂为电阻或传感器，且其电阻变化值为，其它桥臂阻值固定不变，如图13-7所示。上一页下一页返回

第三节电桥电路 • 由于R1的变化，使电桥破坏了平衡，电桥的输出电压不再为零，测试电桥的输出电压Vcd为 • 设，又由值很小，可以忽略分母中的值，得（13-12）（13-13）（13-14）上一页下一页返回

第三节电桥电路 • SV称为电桥的电压灵敏度， SV越大，说明可变电阻在相对变化相同的情况下，电桥输出电压越高，电桥越灵敏。由式（13-13）可以看出，要想提高电桥的电压灵敏度，必须提高电桥电压，但它要受桥臂电阻允许功耗电限制，不能无限制提高。另外就是适当选择桥臂比n。下面我们分析当电桥电压一定时，n为何值，电桥有最高的灵敏度： • 当时， SV有最大值，故有（13-15）上一页下一页返回

第三节电桥电路 • 所以当n＝1时，SV有最大值。也就是在电桥电压一定时，当桥臂R1=R2，R3=R4时，或者R1=R3，R2=R4时都可以获得最大的电桥灵敏度。前者称为电桥的第一对称形式，后者称为电桥的第二对称形式，等臂电桥则是一个特例。 • 当n＝1时，单臂电桥的输出可化简为：（13-16）（13-17）上一页下一页返回

第三节电桥电路 • 2．双臂直流电桥 • 双臂直流电流又称差动直流电桥，如图13-8所示，它的相邻两臂R1和R2为传感器，且其相应变化为△R1和△R2， R3和R4为固定电阻，则该电桥输出电压Vcd≠0，当△R1 =△R2，R1=R2， R3=R4时，则有 • 该式表明，Vcd与成线性关系，比单臂电桥输出电压提高了一倍，且电压灵敏度SV为 • (13-19) • 比使用一只传感器时提高了一倍，同时还可以起到温度补偿作用。（13-18）上一页下一页返回

第三节电桥电路 • 3．全臂直流电桥 • 全臂直流电桥又称双差动直流电桥，如图13-9所示，它的四臂全为电阻或传感器。如果满足△R1 = △R2= △R3= △R4，则输出电压和灵敏度为 • 由此可知，全桥式直流电桥是单臂直流电桥输出电压和灵敏度的4倍，是双臂式直流电桥输出电压和灵敏度的2倍。（13-20）（13-21）上一页下一页返回

第三节电桥电路 • 三、交流电桥 • 交流电桥平衡条件的分析与直流电桥相同，当其激励源为Vac，四个桥臂阻抗分别为Z1、Z2、Z3、Z4时，根据相同的分析方法可得出几种形式的交流电桥输出电压和灵敏度的表达式。 • （1）单臂交流电桥输出电压： • (13-22) • （2）单臂交流电桥电压灵敏度： • (13-23) • （3）双臂交流电桥输出电压：（13-24）上一页下一页返回

第三节电桥电路 • （4）双臂交流电桥电压灵敏度： • (13-25) • （5）全臂交流电桥输出电压： • (13-26) • （6）全臂交流电桥电压灵敏度： • (13-27) 上一页返回

第四节放大器 • 一、反相比例放大器 • 图13-10为反相比例放大器电路，R1为输入端电阻，RF为反馈电阻，R称为平衡电阻。它为输入信号在器件反相输入端输入而得名，其反馈方式为电压并联负反馈，输出电压V0通过RF反馈到反相输入端。在该电路中，求其放大增益K和平衡电阻R的公式如下：（13-28）（13-29）下一页返回

第四节放大器 • 二、同相比例放大器 • 图13-11是同相比例放大器电路。输入电压Vin直接从同相输入端输入，输出电压Vout通过RF反馈到反相输入端。 • 该电路的放大增益K为： • （13-30） • 由该式可以看出，同相放大器的增益也同样只取决于RF与R1的比值，这个数值为正，说明输出电压与输入电压同相，而且其绝对值也比反相放大器多1。上一页下一页返回

第四节放大器 • 三、差动放大器 • 图13-12是差动放大器的电路图。两个输入信号V1和V2分别经R1和R2输入到运算放大器的反相输入端和同相输入端，输出电压则经反馈到反相输入端。电路要求R1=R2， RF=R3。差动放大器又称减法器，它可以求出两个输入电压之差，其输出电压Vout为： • （13-31）上一页下一页返回

第四节放大器 • 差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。共模信号是指在两个输入端所加大小相等、极性相同的信号，理想的差动放大器对共模输入信号的放大倍数为零。在差动放大器中温度变化和电源电压波动所引起输入信号的变化，都相当于共模信号，都能被差动放大器所抑制，可使它的零点漂移最小。来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信号，它们也会被差动放大器所抑制，所以差动放大器有极强的抗干扰能力。上一页下一页返回

第四节放大器 • 四、交流放大器 • 如果传感器输出的电信号是交流信号，此时就需要交流放大器。图13-13是交流放大器电路，它是在直流反相比例放大器电路的基础上，增加了反馈电容和直流信号隔离电容。其电压放大增益为 • 式中：（13-32）上一页下一页返回

第四节放大器 • 五、反相加法器 • 图13-14为反相加法器电路，实际上它是反相比例放大器电路的扩展，把原来的一个输入端扩展成个输入端。该电路用来求两个以上的电压之和，其输出电压为： • （13-33）上一页下一页返回

第四节放大器 • 六、比较器 • 有些传感器的输出信号是开关信号的形式，也还在有的情况下传感器输出信号虽不是开关信号，但也需要检测输出信号的峰值。在这些情况下就需要对传感器的输出信号进行电平检测，这时需要用比较器进行输出信号的电平比较。由运算放大器组成的比较器如图13-15所示，它的输出电压为： • 当时，Vout＝高电平 • 当时，Vout＝低电平上一页下一页返回

第四节放大器 • 七、仪用放大器 • 仪用放大器是在单运放基础上发展的专用集成放大器，它具有差动输入阻抗高、共模抑制比高、偏置电流低、温度稳定性好等优点，特别适合于在传感器电路中应用。 • 仪用放大器的基本结构为三运放结构，如图13-16所示。图中A1、A2为两个同相输入的放大器，RG为增益调节电阻，整个芯片仅有RG为外接元件，其他均为芯片内结构元件。运放A3显然是放大增益为1的差动输入放大器。设运放A1的输出为VA1，A2的输出为VA2，则流过RG的电流为：（13-34）上一页下一页返回

第四节放大器 • 对运放A1、A2用虚短概念，可求流过RG的电流：（13-35） • 所以上一页下一页返回

第四节放大器 • 所以 • 可见仪用放大器的增益Ad仅与RG的取值有关。（13-36）（13-37）上一页返回

第五节噪声及其抑制 • 一、传感器噪声产生的根源 • （一）内部噪声 • 传感器和检测电路元件所产生的噪声统称为内部噪声。一般说来，有以下几种产生的根源。 • 1．电阻产生的噪声 • 电阻中的自由电子在作不规则的热运动，从而产生电位差的起伏，称为热噪声。其数值大小与温度成正比，具体由下式进行表示： • （13-38）下一页返回

第五节噪声及其抑制 • 式中：Vn——噪声电压的有效值，单位V； • K——玻尔兹曼常数（）； • T——绝对温度，单位K； • R——噪声源的电阻值，单位Ω； • B——测量系统的频带宽度，单位Hz。 • 2．晶体管产生的噪声 • （1）发射噪声 • 发射噪声是在晶体管PN结之间出现的噪声，又称散粒噪声，它是由于载流子（电子和空穴）的随机运动，到达电极带电粒子的波动和散落而产生的。发射噪声电流In的数值由下式表示：（13-39）上一页下一页返回

第五节噪声及其抑制 • 式中：In——发射噪声电流的有效值，单位A； • e——电子电荷，其值为1.59×10-19C • Ic——集电极电流，单位A； • B——频带宽度，单位Hz。 • （2）闪烁噪声 • 闪烁噪声是随频率降低而增加的噪声，又称噪声或低频噪声。它是由于电子和空穴再复合运动的不规则性所产生的噪声。闪烁噪声的数值由下式给出： • （13-40）上一页下一页返回

第五节噪声及其抑制 • 3．放大器的噪声 • 运算放大器的电路如图13-17所示，运算放大器的噪声电压是指输入电压为零时出现在输出端的电压成分。产生噪声电压的原因有 • （1）漂移电压（Un） • （2）漂移电流（In） • （3）与放大器相连接的外部电阻R1、R1‘、R2产生的热噪声电压（式中）。 • 将上述三种噪声加以合成，即可求出运算放大器的噪声输入电压： • （13-41）上一页下一页返回

第五节噪声及其抑制 • 4．开关元件产生的噪声 • 如图13-18所示，在用模拟开关将多个传感器的输出送到同一放大器的电路，由于模拟开关的闭合或断开，产生了重叠在信号上的开关噪声。 • （二）外部噪声 • 所谓外部噪声即是来自外部环境的噪声。几乎所有的电气、电力设备都是噪声源，例如使用交流电源的电动机、电焊机等产生电火花的装置，以及用电脉冲信号驱动的脉冲电动机、继电器等都是很大的外部噪声源。他们通过静电耦合（C）、电磁耦合（M）和漏电电流等方式，在传感器电路中产生噪声。图13-19表示出了C和M耦合噪声感应的等效电路。上一页下一页返回

第五节噪声及其抑制 • 二、噪声的抑制 • （一）内部噪声的抑制 • 既然传感器的内部噪声是由传感器和检测电路元件自身所产生的噪声，抑制的办法还是从选择质量好的元件和优化电路设计入手，常采用的措施有： • （1）为减少电路元件的热噪声，在设计放大器电路时要尽量少使用外部电阻； • （2）在设计电路时要选用Ic值小的双极性晶体管； • （3）选用Un和In小的运算放大器来设计和组成检测电路； • （4）为消除开关噪声，设置如图13-20所示的伪电路，充分利用差分放大器电路来消除开关噪声。上一页下一页返回

第五节噪声及其抑制 • （5）减小频带宽度 • 由表达式（13-38）（13-39）（13-40）（13-41）可知，热噪声、发射噪声、闪烁噪声和放大器产生的噪声均与频带宽度有关系，其数值随的增大而增大，随的减小而减小。为此，我们要在可能的范围内尽量使用窄频带放大器进行信号处理。 • （二）外部噪声的抑制 • 外部噪声是通过静电耦合、电磁耦合串入传感器电路的。抑制外部噪声常采用的方法有如下几种：上一页下一页返回

第五节噪声及其抑制 • 1．屏蔽 • （1）采用屏蔽体的屏蔽 • 屏蔽就是使用低电阻材料或磁材料做成屏蔽体把电路的元件、传输导线包围起来，以隔离屏蔽体内外电磁场的相互干扰。一般说来，屏蔽可分为三种，即：电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。选用导电率较高的材料作为屏蔽体，如铜、铅等；磁场屏蔽一般选用高磁导系数的磁性材料作为屏蔽体，如软铁、坡莫合金等，在工艺处理时屏蔽体要接地。 • （2）配线屏蔽 • 电源线和电路传输线很容易起噪声的发送和接收天线的作用，在配线上要采取措施，防止电源线和传输线的天线效应。其常用方法有采用双绞线和同轴电缆进行传输等措施。上一页下一页返回

第五节噪声及其抑制 • 2．隔离 • （1）隔离器件隔离法 • 当电路信号在传输的两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。为此，常采用隔离器件把电路的两端从电路上隔离开。常用的隔离器件有变压器、光电耦合器和隔离放大器。一般说来变压器用来交流信号和脉冲信号的隔离，隔离放大器用来直流信号的隔离，光电耦合器既可用于交流信号和脉冲信号的隔离，也可用于直流信号的隔离。 • （2）电源及地线 • 在由数字电路和模拟电路混合组成的传感器电路的情况下，原则上要将两种电路的电源分开，并使数字电路的直流电源的内阻充分的小，从而减小数字信号对模拟回路的影响。 • 伴随着电源的隔离，在电路板上数字电路和模拟电路的两种地也要严格隔离开，并且要把模拟电路部分的地线尽量加粗。对电路共地的要求是通过两种电路电源地线的直接联接实现的。上一页下一页返回

第五节噪声及其抑制 • 3．接地 • 电路中的地是指一个等电位点，它是电路中的基准电位点，与基准电位点相连接，就是接地。为了避免电路中的电流流经公共地线阻抗时所产生的噪声电压，通常把电路接地。另外，电路接地也可以避免磁场或地电位差的影响。把接地和屏蔽相结合使用，可以有效地抑制大部分由于各种原因所产生的噪声。 • 4．滤波 • 尽管采取了一些不同的抑制噪声的措施，但难免还有一些不可忽视的噪声混杂在传感器的检测电路之中。为此，传感器的检测电路中还需要设置滤波电路，对由于各种外界干扰所引入的噪声信号加以滤除。上一页下一页返回

第五节噪声及其抑制 • 滤波电路的功能是能使一种频率顺利通过，而将另一部分频率进行较大的衰减。由于传感器输出信号大多是缓慢变化的，因而对传感器的输出信号常采用低通滤波器，它只允许低频信号通过而不能通过高频信号。图13-21所示为典型的二阶RC有源低通滤波电路，它由二级RC滤波电路构成，其中将第一级电容C1接到放大器的输出端。设f0为滤波电路的滤波截止频率，f1为干扰信号频率。当f1≤ f0时，输出电压Vout和输入信号Vin的相位差在90度以内，则输出电压Vout通过电容将使Vin的幅度增强，从而提高了电压的幅值；而当f1＞＞ f0时，输出电压Vout和Vin基本上是反相的，输出电压Vout通过电容使Vin的幅值下降，使干扰信号衰减。上一页下一页返回

第五节噪声及其抑制 • 有些传感器需用高通滤波器，它只允许高频信号通过，而不能通过低频信号。图13-22是一个典型的二阶高通有源滤波电路。它只需将低通滤波电路中起滤波作用的电阻电容的位置进行互换，即可成为高通滤波电路，对低频信号进行衰减和抑制。上一页返回

第六节传感器信号的数字化 • 一、A/D变换器 • A/D变换器是将模拟信号转换为数字信号最常用的器件。它的种类和型号繁多，按工作原理有逐次比较型和积分型之分，按位数有8位、12位和16位之分，等等。 • （一）A/D变换器的工作原理 • 1．逐次比较型A/D变换器 • 典型的逐次比较型A/D变换器工作原理如图13-23所示。图中所示为一个8位A/D变换器的工作原理图。 • 它由D/A变换器、比较器，寄存器和相应的控制逻辑所组成。D/A变换器作为反馈电路，寄存器由8位触发器构成，从高位到低位依次为Q7Q6……Q1Q0，控制逻辑由8个与非门G7G6G5……G0和相应的时间延迟电路所组成。下一页返回

第六节传感器信号的数字化 • 该电路图的工作原理是，将待转换的模拟电压Vin连接到比较器的一个输入端，D/A变换器的输出电压Vd连接到比较器的另一个输入端。如果Vin<Vd，则比较器输出1，如果Vin>Vd，则比较器输出0。 • 2．积分型A/D变换器 • 积分型A/D变换器系先将输入的模拟电压转换成相应的时间间隔，然后再用计数器测量该时间间隔，由计数器形成数字量输出。积分型A/D转换器包括：单积分、双积分和四积分等形式，其中最通用的是双积分形式，其工作原理图如图13-24所示。上一页下一页返回

第六节传感器信号的数字化 • 它由积分器A1、过零比较器A2、计数器、控制门G、计数器和开关控制电路等部件所组成。它的工作过程是：首先使计数器清零，积分器完全放电，变换开始。待转换的模拟输入电压通过模拟开关S输入到积分器A1，A1开始积分，其输入线性上升到V01，经过零比较器A2获得过零指示方波V02，打开控制门G，计数器开始计数。当计数器计到其最高位MSB=1（即t＝t1）时，也即计数器状态为100……0时，开关控制电路则使开关S转换到基准电压VR，随后积分器中的电容C开始放电， V01开始线性下降，当降到比较器A2再次获得过零指示方波V02，打开控制门G，使计数器重新开始计数。直到t＝t2， V01下降为零，比较器输出的负方波结束，计数器停止计数，此时计数器中的暂存二进制数字就是与Vin相对应的数字量。变换过程的波形图如图13-25所示。上一页下一页返回

第六节传感器信号的数字化 • （二）A/D变换器的主要技术指标 • 不同类型的A/D变换器有不同的性能指标。通常用下面几个参数来表示和衡量A/D变换器的技术指标。 • 1．分辨率 • A/D变换器的分辨率是一个与其位数紧密相关的参数，通常用其输出的二进制数字的位数来表示。位数越多，量化越细，量化误差越小，分辨率就越高。 • 2．转换速度 • 转换速度用完成一次转换所用的时间来表示，即从转换控制信号加入时算起，直到输出端得到稳定的数字输出为止这段时间。如转换时间长，则表示转换速度低。上一页下一页返回

第六节传感器信号的数字化 • 3．输入模拟电压范围 • A/D变换器的输入模拟电压有一个可变范围，供用户根据自己的具体情况进行选用。通常，单极性输入时有0～5V或0～10V两种情况，双极性输入时一般为-5V～＋5V。 • 4．精度 • 由于A/D变换器是一个同时涉及到模拟和数字电路的闭环系统，所以整个系统的精度必须同时考虑模拟和数字两部分的误差。在确定整个精度时，为便于处理，通常把两种误差分开来考虑。数字误差仅由系统的分辨率来确定，即量化误差。模拟误差集中在比较器的直流转化点的变化上。上一页下一页返回

第六节传感器信号的数字化 • （三）常用A/D变换器举例 • 1．8位A/D变换器——ADC0809 • ADC0809是采用逐次比较法的8位A/D变换芯片，其逻辑结构图如图13-26所示。芯片内部除A/D转换部分外还有多路模拟开关及其地址锁存译码、三态输出锁存器等电路。多路模拟开关有8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。8路模拟开关切换由地址锁存和译码器控制，三根地址线输出到A、B、C引脚端由ALE锁存。改变不同的地址，可以切换8路模拟通道选择不同的模拟量输入，其通道选择的地址编码见表13-1。上一页下一页返回

第六节传感器信号的数字化 • A/D转换结果通过三态输出锁存器输出，为此在系统连接时允许直接与系统数据总线相连接。OE为输出允许信号，高电平有效，EOC为转换结束信号，表示一次A/D转换已完成。VR(＋)和VR(－)是基准参考电压，用来决定输入模拟量的范围。CLK为时钟信号输入端，决定A/D转换的速度，SC为启动转换信号，常用系统的控制发动A/D转换信号相连接。 • 上面我们以ADC0809介绍了常用8位A/D变换器的引脚功能和内部逻辑结构。作为一个系列常用的8位A/D变换器还有ADC0801~0809、0816、0817等。 • 2．12位A/D变换器——AD574A • AD574A是采用逐次比较法的12位A/D变换器芯片，其逻辑结构如图13-27所示。上一页下一页返回

第六节传感器信号的数字化 • AD574A的性能指标、电路组成、工作过程和引脚功能具体如下： • （1）性能指标 • 具有可与8位、12位或16位微处理器系统总线直接配接的三态输出缓冲器 • 转换时间为25μS • 功耗为390mW • 供电电源有＋5V、±12V（或±15V） • 输入模拟信号范围可为0～＋10V、0～＋20V、±5V或±10V • 内含有基准源和时钟上一页下一页返回

第六节传感器信号的数字化 • （2）工作过程 • 当指令电路开始工作时，时钟电路被启动，同时将逐次比较寄存器SAR清零。一旦转换开始，转换器不能停止或再次启动，也不能从输出缓冲器获得数据。由时钟控制的SAR按时序转换。转换期间，12位电流输出型D/A转换器的SAR按由MSB到LSB的顺序转换。D/A转换器还提供一个稳定的基准电压源。比较器逐次确定逐位相加的权位电流之和是大于还是小于输入电流，直到12位逐次比较结束。此时SAR向控制部件送回转换结束信号，控制部件关闭。时钟脉冲时输出状态信号GTS变低，通过外部指令使控制部件读出数据。上一页下一页返回

第六节传感器信号的数字化 • （3）主要管脚的功能 • a）数据输出脚DB0~DB11 • 对应引脚16～27，共12条引线，引脚16对应最低位（LSB）DB0，引脚27对应最高位（MSB）DB11。此组引线由三态输出缓冲寄存器引出，可直接与计算机的系统总线相连接。 • b）控制信号引脚及功能 • 器件共有五根控制线2～6，它们依次对应12/ 、、A0、R/ 、CE五个控制信号，这五个控制信号的不同的逻辑状态组合实现不同的控制功能，其具体的功能实现见表13-2所示。上一页下一页返回

第十三章 传感器信号的调理技术