多路模擬電子開(kāi)關(guān)
數(shù)顯表萬(wàn)能輸入即數(shù)顯表接收多種信號(hào)都是采用公共的采樣/保持電路、運(yùn)算放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。多路模擬電子開(kāi)關(guān)用于信號(hào)切換，使某一時(shí)刻接通某一路信號(hào)輸入，而把其他電路斷開(kāi)，達(dá)到信號(hào)切換的目的。模擬電子開(kāi)關(guān)種類很多，但功能基本相同，區(qū)別只是通道數(shù)、開(kāi)關(guān)電阻、漏電流、輸入電壓及方向切換的差別。昌暉儀表以CD4051(HEF4051)、CD4053為例進(jìn)行介紹。
CD4051(HEF4051)是八選一模擬開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，如圖1和圖2所示。CD4051與HEF4051引腳及功能相同，只是功能符號(hào)有差別，圖中括號(hào)為HEF4051的功能符號(hào)。開(kāi)關(guān)接通哪個(gè)通道，由二進(jìn)制輸入信號(hào)控制端A、B、C決定。INH是禁止端，當(dāng)INH=1時(shí)，全部通道被置為關(guān)斷狀態(tài)。CD4051還有另外一個(gè)電源端VEF，作為電平位移使用，使單電源供電的CMOS電路可傳輸峰值達(dá)15V的交流信號(hào)。若模擬開(kāi)關(guān)的供電VDD=5V，Vss=0V，當(dāng)VEF=-5V時(shí)，只要對(duì)此模擬開(kāi)關(guān)施加0-5V的數(shù)字控制信號(hào)，就可控制幅度范圍為-5~5V的模擬信號(hào)。
圖1 CD4051(HEF4051)引腳排列
圖2 CD4051(HEF4051)邏輯符號(hào)
CD4053是三組二選一模擬開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于三組單刀雙擲開(kāi)關(guān)，如圖3和圖4所示，三個(gè)數(shù)字控制輸入端A、B、C可獨(dú)立選擇每組模擬開(kāi)關(guān)刀位的導(dǎo)通方向，當(dāng)INH=1時(shí)，全部通道被置為關(guān)斷狀態(tài)。若Von=5V，Vss=0V，VEE=-13.5V，則0-5V的數(shù)字信號(hào)可控制-13.5~4.5V的模擬信號(hào)。CD4051和CD4053的真值表見(jiàn)表1。
圖3 CD4053引腳排列 圖4 CD4053邏輯符號(hào)
可編程增益放大器
數(shù)顯表要輸入不同種類傳感器的信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，但各種信號(hào)最大量程對(duì)應(yīng)的電量相差很大，如K型熱電偶0-1200℃對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)是0-48.838mV，S型熱電偶0-1600℃對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)是0-16.777mV?？梢?jiàn)輸入信號(hào)有大有小，所以對(duì)放大器的放大倍數(shù)要求也不同。常規(guī)做法是采用多個(gè)放大器，而數(shù)顯表則采用可編程增益放大器(PGA)，來(lái)滿足各種類型輸入信號(hào)的不同的放大倍數(shù)。只要準(zhǔn)備幾種量程，就可滿足常見(jiàn)的各種輸入信號(hào)類型。
可編程增益放大器由電子模擬開(kāi)關(guān)和集成運(yùn)算放大器構(gòu)成。各型數(shù)顯表的電路結(jié)構(gòu)、使用器件雖不相同，但基本原理相似，從圖5可見(jiàn)，輸入數(shù)顯表的所有信號(hào)都是共用一個(gè)放大器，因此，所有信號(hào)都需要盡可能使用這個(gè)放大器的輸入范圍。為解決放大倍數(shù)不相同的問(wèn)題，可通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)X0-X3的選擇，把電路中的反饋電阻進(jìn)行組合，即通過(guò)各開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)調(diào)整放大器的增益。從圖5可知這是個(gè)使用同相運(yùn)算放大器的電路，放大器的增益。開(kāi)關(guān)X1接通時(shí)放大器有10倍的增益，開(kāi)關(guān)X0接通時(shí)放大器有17倍的增益，開(kāi)關(guān)X3接通時(shí)放大器有50倍的增益，就可以用單個(gè)運(yùn)放來(lái)完成大小不同輸入信號(hào)的放大。即不管輸入數(shù)顯表的是什么量程的信號(hào)，經(jīng)過(guò)程控放大器處理，就變成了與A/D轉(zhuǎn)換器相匹配的電平信號(hào)，這樣一臺(tái)數(shù)顯表就可以實(shí)現(xiàn)萬(wàn)能輸入(即接收多種類型的信號(hào)輸入)。當(dāng)數(shù)顯表接收直流電流信號(hào)時(shí)，大多通過(guò)250Ω或50Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換成1-5V或0.2-1V的電壓信號(hào)，并通過(guò)X2開(kāi)關(guān)把放大器的輸出端和反相端連接起來(lái)，此時(shí)增益A=1，即V0=Vi，沒(méi)有電壓放大作用，成了一個(gè)電壓跟隨器。
圖5 可編程增益放大器原理
數(shù)顯表的輸入信號(hào)通過(guò)CD4051電子模擬開(kāi)關(guān)切換進(jìn)行傳輸，切換動(dòng)作與所選輸入信號(hào)類型，取決于微處理器的控制信號(hào)。如何切換與數(shù)顯表的參數(shù)設(shè)置有關(guān)，與軟件程序緊密相關(guān)，沒(méi)有進(jìn)行參數(shù)設(shè)置數(shù)顯表將無(wú)法工作。
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