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模拟输入通道设计 1 技术要求分析 主要技术参数输入范围 测量范围 与量程最大允许误差 基本误差限 分辨率动态特性 频带宽度 响应速度 建立时间 温度漂移时间漂移 稳定性 其它技术性能过范围保护功耗可靠性可制造性 生产调试简单等 性能 价格比 2 输入通道的构成 输入电路 信号转换 滤波等 放大器ADC或V F电路隔离电路 可选 参考电源自校准电路 可选 过量程保护 可和静电保护结合 3 输入通道元器件的选型 几种构成方案模拟开关 选 运放 ADC 或VFC P REF模拟开关 选 仪放 ADC 或VFC P REF模拟开关 选 仪放 PwithADC REF信号调理ADC 模拟前端 P信号调理ADC如AD77xx CS1160 80等 带自校准 微转换器 集成了PGA ADC DAC REF等如ADI的ADuC8xx系列 ADuC7xxx系列 TI的MSC12xx系列 SiliconLaboratories公司的C8051F0 xx 1xx C8051F35x等系列 4 输入通道元器件的选型 隔离方案脉冲调制 变压器线性光耦隔离放大器串行ADC 光耦或磁耦VFC 光耦或磁耦推荐方案不需隔离时 采用微转换器方案或信号调理ADC 模拟前端 P方案需隔离时 采用信号调理ADC 模拟前端 P方案或模拟开关 选 仪放 ADC 或VFC P REF方案需低功耗时 可采用信号调理ADC 模拟前端 低功耗 P方案 高集成度可提高抗干扰能力 可靠性等指标 要考虑性价比 不要光考虑成本 5 输入通道元器件的选型 运算放大器选型电源 双电源 单电源 电源电压双极性输入信号要用双电源 用单电源时要采用地电平移动措施 双电源运放使用单电源时 输入小信号时严重非线性 失调电压Vos V mV级 无调零电路 建议不用 且无软件调零时 要根据误差要求来选择 输入偏置电流Iib pA nA级 输入端电阻不对称 有大的信号源内阻或前面有大的滤波电阻 且无调零电路或软件调零时 要根据误差要求来核算 失调电流Ios pA nA级 有大的信号源内阻或前面有大的滤波电阻 且无调零电路或软件调零时 要根据误差要求来核算 失调电压温漂 Vos T nV V级 要根据仪表的误差和温漂要求来选择 失调电流温漂 Ios T pA级 一般能满足要求 但有大的信号源内阻或前面有大的滤波电阻时要核算 大信号电压增益Avo 20 10000V mV 86 140dB 当要求单级放大器有的电压放大倍数时 要选高增益的 否则非线性增大 6 输入通道元器件的选型 运算放大器选型CMRR 60 130dB 输入端有高的共模电压且变化较大时要注意 电源电压抑制比PSRR 60 130dB 高精度应用时要核算增益带宽积或单位增益带宽GBW GWP 通用运放为1 数十MHz 输出电压摆率SR 通用运放为0 3 数十V S SR与GBW相关放大交流信号或快变信号时要估算通频带 输入电阻 数百K 数十M 结型场效应管输入型达1012 相关参数有输入偏置电流 一般都能满足需要 前面有大的信号源内阻 包括模拟开关等 或前面有大的滤波电阻时注意核算 电压噪声密度 电流噪声密度 小信号应用时要考察 静态电流 电源电流 1 A 几mA 低功耗应用时注意 小信号高精度应用时 几乎所有参数都要关注 例 LM258 358 TL081 LF411 LF442 4 OP07 27 TLE2141 2 高电压 AD8603 7 9 低漂低电流 AD8638 9 AD8571 2 4 零漂移运放 7 例 失调和温漂 LM358 VosM 7mV IosM 50nA Vos T 7 V Ios T 10pA IibM 500nA设R1 Rs 200K R2 100K R3 10K折算到输入端的最大输出零点 7mV 500nA 200K 7mV 10mV 17mV当 R1 Rs R2 R3时 折算到输入端的最大输出零点 7mV 50nA 200K 7mV 1mV 8mV0 40 温漂 V 7 V 40 10pA 200K 40 28 V 2 V 30 V显然不适合做 V放大器 如热电势放大器 8 输入通道元器件的选型 ADC选型转换速率 有效 分辨率非线性误差 精度 接口类型是否内部参考电压电源电压 电流有放大器的ADC有增益倍数及与运放相关的参数例 TLC1514 TLV1504 MAX1240 1 AD7705 AD7714 AD8638 9AD7190 ADS1246 7 8等 9 输入通道元器件的选型 参考电源选型参考电压 和输入电压相关 一般ADC转换的输入电压上线等于参考电压 应留1 10 的余量 采用VFC的除外 降低参考电压可以提高分辨率 也降低了输入电压范围 放大器增益不够时 可适当降低参考电压 但参考电压太低时 噪声影响增大 数据不稳 滤波会有所改善 精度 容差 0 03 2 需要外部标定 校准 的仪表不必考虑 无外部标定的仪表按精度要求考虑 温漂 和时漂 1 150ppm 应满足仪表的温度影响系数的要求 静态电流负载能力 负载调整率 是否有灌电流能力不隔离输入的测温电桥可采用桥压 普通稳压电源 分压后做参考源 可相互补偿 例 LM285 385 MC1403 A MC1404 REF32xx ADR5041 ADR03 AD780 LM399等 10 模拟开关的选型 通道结构 SPST SPDT DPDT 4选1 8选1等电源电压范围通态电阻 数 1K 漏电流 通道隔离度频率响应 开关时间 低频应用时不必考虑是否静电保护 输入保护 例 CD4051 2 3 M74HC4051 2 3 DG301 307 MAX4051 2 3 MAX45xx注意 通道输入电压超过电源电压0 5V 或 时 通道之间漏电增大 超过0 7V即可能永久损坏 单电源供电时不能输入双向信号 使用CD4051 2 3 M74HC4051 2 3 DG301 307等系列必须加输入嵌位二极管 MAX4051 2 3 MAX45xx等有内部嵌位 11 不平衡电桥 采用不平衡电桥的目的平衡 抵消 输入参数的不变分量以提高分辨率例 测温电桥 Pt100从0 100 的电阻值为100 138 5 用10位ADC 不用电桥时 0 135 LSB 0 35 LSB 用电桥时 0 0376 LSB 0 096 LSB 改变输入信号的零点引入参比元件补偿测量电源电压以及环境因素 温度 湿度 成分 风速等 变化对测量结果的影响 例 应变电桥 载体催化元件 光敏二极管 红外吸收式成分分析仪器非线性补偿 差动电桥 例 应变电桥 12 不平衡电桥的工作特性 1单臂电桥 具有1个测量元件的电桥设R1为输入元件R1 R1 R注意 这里可以1 1电桥灵敏度 13 1 2非线性当 2 式中分母 为0时 输出 输入为线性关系 由 2 和 5 式去掉不变分量Vc 得 定义非线性系数 1 3单臂电桥非线性的改善1 增大桥臂比D 为保证一定的灵敏度 可能要提高桥压 2 恒流源供电 要考虑恒流源本身的误差 事实上 恒流源供电时 完全线性UO IR1 完全线性 14 3 有处理器的仪表用折线法查表补偿4 解析线性化方法解传输方程 2差动电桥被测元件处于相邻两臂 且其被测参数变化大小相等 方向相反的电桥 半差动电桥 两个被测元件臂全差动电桥 4个被测元件臂2 1半差动电桥的工作特性 热电阻线性化也可用这种方法 15 16 2 1全差动电桥的工作特性 17 3比较 18 电桥的三线接法 19 电桥的三线接法 从公式可以得出 相邻臂的阻值同向变化时 对输出的影响是相互抵消的 三线接法的作用是 降低测量元件接线长度改变对测量结果的影响基本消除环境温度变化引起的测量元件接线电阻改变对测量结果的影响接线一般为铜线 电阻温度系数比铂稍大注意 应使元件两端的两根线位于电桥等电流的