输入通道设计需要考虑的问题

输入通道是微控制器应用系统的信号采集通道，从信号的采集、变换、到微控制器的输入。故在输入通道设计中必须考虑到信号拾取、信号的调节、A-D转换以及电源配置与抗干扰诸问题。

1.信号拾取方式

输入通道中，首先要将外界非电参量，如压力，温度、速度、位移等物理量转换成电量。根据这一要求，信号拾取这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表来实现。

图7-3 多路信号输入的输入通道结构

a）多路放大 b）单路可编程增益放大

（1）通过敏感元件拾取被测信号 一般说来，敏感元件体积小，可以随用户要求及环境特点做成各种形状的探头。如果被测环境较特殊，而无现成的传感器可选用，只能选择合适的敏感元件。敏感元件能将被测的物理量变换成电流、电压或R、L、C参量的变化。对于R、L、C参量型敏感元件，要设计相应的电路，使这类参量变换成电流或电压量。对此，测试技术专业人员应尽量避免采用这种方法。

（2）通过传感器拾取被测信号 用敏感元件及相应的测量电路、传送机构配以适当的外壳做成各种外形、适用于不同测量范围的传感器（一般传感器均为电量输出）。根据敏感元件、测量电路、变换原理不同，其输出电量可以是模拟量或频率量。输出模拟量可以是电压或电流。近年来，以频率量输出的传感器日益增多，这类传感器精度高、抗干扰能力强，而且信号便于远距离传送。但频率测量时，响应速度不如A-D转换快，故在一些非快速测量中有广阔的应用前景。

近年来传感器的发展趋势之一就是适应计算机应用系统的要求，研制大信号输出的集成传感器，它将信号放大、调节电路与敏感元件制成一体。采用这种传感器可大大简化输入通道结构。

2.信号的调节

输入通道中，信号调节的任务是将传感器或敏感元件输出的初次电信号，转换成能满足单片机或A-D输入要求的标准电平信号。

在一般测量系统中信号调节的任务较复杂，除了小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等信号处理电路。但在微控制器应用系统中，许多原来依靠硬件实现的信号调节任务都可通过软件实现。从而使信号处理电路大大简化。输入通道中的信号处理重点为小信号放大、信号滤波，以及对频率量的放大整形等。

3.模拟-数字转换方式选择

模拟-数字转换，即A-D转换一般都设置在输入通道中，它将外界输入的模拟信号转换成计算机数据总线能接受的数字量。模数转换方式有A-D转换和V/F变换方式。V/F变换将信号电压变换为频率量，由计算机或计数电路来实现模拟量转换为数字量。在输入通道必须配置A-D转换电路时，首先考虑的是能否选用带有A-D的微控制器，如果微控制器内部有A-D部件，且精度能满足要求时，可省去输入通道中的A-D接口电路。如果无A-D部件，则必须在输入通道中配置A-D接口，就要选择专用的A-D转换器芯片。选择A-D转换芯片的原则应从转换精度、转换速度、模拟信号输入通道数以及成本、供货来源全面考虑。

A-D转换的芯片选择，与微控制器的接口电路要求不同，必须按芯片对控制电路的要求设置，接口电路必须满足这些要求。

一般来说，A-D转换芯片输入的模拟电压都有规定的要求如0～+5V，0～+10V，0～+2V等，因此要考虑到与传感器输出信号是否匹配。(www.xing528.com)

4.电源配置与干扰防治

输入通道中要完成信号的拾取、调节、变换等复杂任务。在信号拾取时，要考虑对传感器的供电。对于不同的信号调节电路中的芯片，如有些运算放大器的电源有特殊要求；有些变换电路需选用特殊芯片时，也要求有特殊的供电。因此，输入通道中，根据电路配置状况要求很好地解决电源供给问题。

输入通道与被测对象靠近，而且传感器常常输出信号微弱，因此，输入通道是干扰侵袭的主要渠道，电源配置时要充分考虑到干扰的隔离与抑制。

图7-4 输入通道的电源配置与干扰防止

a）通过隔离放大器抗干扰 b）通过DC/DC变换器和光耦合抗干扰

一般输入通道配置的电源具有以下特点：

1）小功率。

2）高稳定度、高纯净度。

3）有干扰隔离与抑制措施。

图7-4是一种采用DC/DC变换器供电的典型输入通道供电方式。利用电控系统中标准的+5V电源经DC/DC变换器变换成输入通道所要求的各种电平电压。其中干扰的隔离可以通过三个环节解决。

1）电源隔离，通过DC/DC变换器实观。DC/DC变换器的输入回路与输出回路是隔离的，这样切断了系统的主电源与输入通道电源间的干扰渠道。

2）模拟通道隔离，通过隔离放大器实现。信号调节电路中采用隔离放大器作为小信号放大用，可以防止现场干扰源，通过传感器电源进入输入通道。

3）数字通道隔离，通过光耦合器实现。光耦合一般放在输入通道的数字通道中，紧靠计算机的输入。