数据采集与处理

第三章:模拟多路开关

1.作用：将多路被测信号分别传送到A/D 转换器进行转换。 类型：机电式用于大电流、低速切换；电子式：用于小电流、高速切换。 （1）双极型晶体管开关电路如图： 工作原理：设选择第1路模拟信号。 则令通道控制信号U C1= 0，晶体管T1′截止集电极为高电平，晶体管T1导通，输入信号电压U i1被选

中。

优点：开关切换速度快，导通电阻小，可两个方向传送信号。 缺点：为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。 （2）结型场效应晶体管开关

工作原理：则令通道控制信号U C1=1，则开关控制管T1′导通，集电极为低电平，场效应管T 1导通，U O =U i1。

当U C1 =0时， T1′截止，T 1也截止，第1路输入信号被切断。

优点：开关切换速度快，导通电阻小，可两个方向传送

信号。 缺点：为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。

（3）绝缘栅场效应管开关

优点：开关切换速度快，导通电阻小，且随信号电压

变化波动小；易于和驱动电路集成。

缺点：衬底要有保护电压。

（5）集成电路开关 工作原理：设选择第1路输入信号，则计算机输出一个4位二进制码，把计数器置成0001状态，经四 — 十六线译码器后，第1根线输出高电平，场

效应管T 1导通， U O

= U i1 ，选中第1路信号。如果要连续选通第1路到第3路的信号，可以在计数器

加入计数脉冲，每加入一次脉冲，计数器加1，状

态依次变为 0001，0010，0011。

2. 多路开关的主要指标:导通电阻；开关接通电流、开关断开时的泄漏电流、开关断开时，开关对地电容、开关断开时，输出端对地电容。

3. 多路开关集成芯片

AD7510，芯片中无译码器，四个通道开关都有各自的控制端每一个开关可

单独通断，也可同时通断，使用方式比较灵活。但引脚较多，使得片内所集成的开关较少，且当巡回检测点较多时，控制复杂。

AD7501（AD7503），片上所有逻辑输入与TTL／DTL及CMOS电路兼容。AD7503 除EN 端的控制逻辑电平相反外, 其它与AD7501相同。

CD4501，CD4501为8 通道单刀结构形式，它允许双向使用，即可用于多到一的切换输出，也可用于一到多的输出切换。

4.多路开关的电路特性

（1）漏电流——通过断开的模拟开关的电流，用I S表示。

（2）源负载效应误差——信号源电阻R S和开关导通电阻R ON与多路开关所接器件的等效电阻R L分压而引起的误差。

（3）串扰——断开通道的信号电压耦合到接收通道引起的干扰。

5.多路开关的配置

（1）单端接法—把所有输入信号源的一端接至同一信号地，另一端各自接至多路开关的相应输入端。其优点是能使用系统的全部通道，缺点是抗共模干扰能力差。

（2）双端接法——把所有输入信号源的两端各自分别接至多路开关的输入端。其优点是抗共模干扰能力强，缺点是只能使用系统的一半通道。另外当信号源的信噪比较小时，必须使用此接法。

第四章放大器

1.在数据采集中, 经常会遇到一些微弱的微伏级信号，例如热电偶的输出信号，需要用放大器加以放大。放大器一般分为通用运算放大器和测量放大器。目前市场上的放大器中，通用运算放大器具有mV级失调电压、数μV/℃的温飘，不能用于放大微弱信号；测量放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰、低温漂、低失调电压，广泛用于放大微弱信号。

2.测量放大器原理：通常有二级运放，第一级为两个同相放大器且输入阻抗高。第二级为普通普通差动放大器

3.测量放大器主要技术指标

（1）非线性度——放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。另外非线性度与增益有关，且对数据采集精度影响很大。

（2）温漂——测量放大器输出电压随温度变化的程度。

（3）建立时间——指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。

（4）恢复时间——指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。另外放大器的建立时间和恢复时间直接影

响数据采集系统的采样速率。

（5）电源引起的失调——电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。

第五章采样／保持器

1.模拟信号进行A／D 转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。故我们采用一种器件，在A／D转换时保持住输入信号电平，在A／D转换结束后跟踪输入信号的变化。这种功能的器件就是采样／保持器。

2.工作原理

（1）采样／保持器的一般结构形式如图。

可知道，采样／保持器由

模拟开关K、电容C H、缓冲放

大器A组成。

（2）原理

而在t2时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到来，此时

驱动信号又为高电平，模拟开关K重新闭合，C H端电压

U C又跟随U i变化而变化；t3时刻，驱动信号为低电平时，

模拟开关K断开，......。

故我们知道，采样／保持器是一种用逻辑电平控

制其工作状态的器件。

（3）采样／保持器有两个稳定的工作状态：跟踪状态，在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止；保持状态，对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。

（4）采样／保持器主要起以下二个作用：一是“稳定”快速变化的输入信号，以减少转换误差。二是用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。

3.采样／保持器分类

（1）采样／保持器按结构主要分为串联型和反馈型。串联型的优点是结构简单，缺点是其失调电压为两个运放失调电压之和，比较大，影响到采样／保持器的精度，跟踪速度也较低。反馈型的优点是采样/保持精度高，原因是只有e OS1影响精度，跟踪速度也快。缺点是结构复杂。

4.采样／保持器主要性能参数

（1）孔径时间t AP——保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。

（2）孔径误差——采样／保持器实际保持的输出值与希望输出值之差，由于孔径时间的存在，而产生。

（3）捕捉时间t AC——指当采样／保持器从保持状态转到跟踪状态时，采样／保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的时间。

（4）馈送——指输入电压U i的交流分量通过开关K的寄生电容C S加到C H上，使得U i的变化引起输出电压U O的微小变化。

（5）跟踪到保持的偏差——跟踪最终值与建立保持状态时的保持值之间的偏差电压。（6）电荷转移偏差——指在保持状态时，电荷通过开关K 的寄生电容转移到保持电容器上引起的误差。

5.采样／保持器集成芯片

常用的有AD 582，它有较短的信号捕捉时间，最短达6s，有较高的采样／保持电流比，可达107。输入信号电平可为电源电压±U S，具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力且具有差动的逻辑输入端，另外AD582可与任何独立的运算放大器连接。

6.采样／保持器选用时应注意的问题

（1）t AC与规定误差范围有关。因此，t AC的大小应与A／D转换器的精度配合。

（2）保持电压下降率对A／D转换器输入端的电压稳定度的影响。

（3）孔径时间与精度、信号的最大变化率的关系

7.电路设计中应注意的问题

（1）接地。采样／保持器是一种由模拟电路与数字电路混合而成的集成电路，一般有分离的模拟地和数字地引脚。

（2）漏电耦合的影响。印刷电路板布线时，应使逻辑输入端的走线尽可能远离与模拟输入端。或者将模拟信号输入端用地线包围起来，以隔断漏电流的通路。

（3）寄生电容的影响。在逻辑信号输入端与保持电容器之间存在寄生电容，当逻辑信号输入端加一跳变的控制信号时，由于寄生电容的耦合作用，也将引起采样／保持器的输出误差。