器和A/D转换器：构成模拟量输入通道

模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。其结构组成如图5-2-1所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。

图5-2-1 模拟量输入通道构成

显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。

1.信号调理电路

在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器，当它们的输出信号为0～10mA或4～20mA的电流信号时，一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，主要有两种变换电路：无源I/U变换及有源I/U变换。

无源I/U变换电路是利用无源器件——电阻来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如图5-2-2所示，其中R₂为精密电阻。对于0～10mA输入信号，可取R₁=100Ω，R₂=500Ω，这样当输入电流在0～10mA量程变化时，输出的电压就为0～5V；而对于4～20mA输入信号，可取R₁=100Ω，R₂=250Ω，这样当输入电流为4～20mA时，输出的电压为1～5V。

有源I/U变换是利用有源器件——运算放大器和电阻电容组成，如图5-2-3所示。利用同相放大电路，把电阻R₁上的输入电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为

若取R₁=200Ω、R₃=100kΩ、R₄=150kΩ，则输入电流I的0～10mA就对应输出电压U的0～5V；若取R₁=200Ω、R₃=100kΩ、R₄=25kΩ，则4～20mA的输入电流对应于1～5V的输出电压。

图5-2-2 无源I/U变换电路

图5-2-3 有源I/U变换电路

2.多路模拟开关

由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选一的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。

目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051（双向、单端、8路）、CD4052（单向、双端、4路）、AD7506（单向、单端、16路）等。所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原理如图5-2-4所示。

图5-2-4 CD4051结构原理图

其中，CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S₀～S₇端与S_m端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S₀～S₇中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道S₀选通；当C、B、A=001时，通道S₁通……当C、B、A=111时，通道S₇选通。其真值表如表5-2-1所示。

表5-2-1 CD4051真值表

注：表中×表示1或0都可以。(www.xing528.com)

3.前置放大器

前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内，如DC 0～5V。对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如图5-2-5所示，信号源的一端若接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的放大倍数G=1+R₂/R₁。若信号源的一端接放大器的负端为反相放大，反相放大电路的放大倍数G=-R₂/R₁。当然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。

图5-2-5 放大电路

a）同相放大 b）反相放大

4.采样保持器

当某一通道进行A/D转换时，由于A/D转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证A/D转换的准确度，需要应用采样保持器。下面以零阶采样保持器为例说明其作用原理。

零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如图5-2-6所示。

图5-2-6 零阶采样保持器

a）原理电路 b）工作波形

采样保持器由输入输出缓冲放大器A₁、A₂和采样开关S、保持电容C_H等组成。采样期间，开关S闭合，输入电压U_IN通过A₁对C_H快速充电，输出电压U_OUT跟随U_IN变化；保持期间，开关S断开，由于A₂的输入阻抗很高，理想情况下电容C_H将保持电压U_C不变，因而输出电压U_OUT=U_C也保持恒定。

显然，保持电容C_H的作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压U_C在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致。

5.A/D转换器

A/D转换器负责将模拟量信号转换为数字信号，其实现方式有多种。下面以双积分式A/D转换为例说明其工作原理。

双积分式A/D转换原理如图5-2-7所示，在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压U_IN在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与U_IN极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。

图5-2-7 双积分式A/D转换原理图

a）电路组成框图 b）双积分原理

放电时间T₁或T₂又正比于输入电压U_IN，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。因此，计数器计数值的大小反映了输入电压U_IN在固定积分时间T内的平均值。

此种A/D转换器的常用品种有输出为3位半BCD（二进制编码的十进制数）码的ICL7107、MC14433和输出为4位半BCD码的ICL7135等。

模拟量输入通道是计算机测控系统、智能测量仪表以及以微处理器为基础组成的各种产品的重要组成部分。本节按照系统内信号的流向，依次介绍模拟量输入通道的各个组成部分：信号调理、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器及其接口电路与A/D转换模板的结构原理与功能作用，其中有些环节可以根据实际需要来选择取舍。比如输入信号已是电压信号且满足A/D转换量程要求，那就不必再用I/U转换和前置放大器；又如输入信号变化缓慢而A/D转换时间足够短，能满足A/D转换准确度，也就不必用采样保持器；当可以利用A/D转换器内部的多路模拟开关时，也可不用外部的多路模拟开关。但核心器件A/D转换器是必需的。