多路模擬電子開關(guān)
數(shù)顯表萬能輸入即數(shù)顯表接收多種信號都是采用公共的采樣/保持電路、運算放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。多路模擬電子開關(guān)用于信號切換，使某一時刻接通某一路信號輸入，而把其他電路斷開，達到信號切換的目的。模擬電子開關(guān)種類很多，但功能基本相同，區(qū)別只是通道數(shù)、開關(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為例進行介紹。
CD4051(HEF4051)是八選一模擬開關(guān)，相當(dāng)于一個單刀八擲開關(guān)，如圖1和圖2所示。CD4051與HEF4051引腳及功能相同，只是功能符號有差別，圖中括號為HEF4051的功能符號。開關(guān)接通哪個通道，由二進制輸入信號控制端A、B、C決定。INH是禁止端，當(dāng)INH=1時，全部通道被置為關(guān)斷狀態(tài)。CD4051還有另外一個電源端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15V的交流信號。若模擬開關(guān)的供電VDD=5V，Vss=0V，當(dāng)VEF=-5V時，只要對此模擬開關(guān)施加0-5V的數(shù)字控制信號，就可控制幅度范圍為-5~5V的模擬信號。
圖1 CD4051(HEF4051)引腳排列
圖2 CD4051(HEF4051)邏輯符號
CD4053是三組二選一模擬開關(guān)，相當(dāng)于三組單刀雙擲開關(guān)，如圖3和圖4所示，三個數(shù)字控制輸入端A、B、C可獨立選擇每組模擬開關(guān)刀位的導(dǎo)通方向，當(dāng)INH=1時，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)字信號可控制-13.5~4.5V的模擬信號。CD4051和CD4053的真值表見表1。
圖3 CD4053引腳排列 圖4 CD4053邏輯符號
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和標(biāo)準(zhǔn)信號，但各種信號最大量程對應(yīng)的電量相差很大，如K型熱電偶0-1200℃對應(yīng)的熱電勢是0-48.838mV，S型熱電偶0-1600℃對應(yīng)的熱電勢是0-16.777mV?？梢娸斎胄盘栍写笥行?，所以對放大器的放大倍數(shù)要求也不同。常規(guī)做法是采用多個放大器，而數(shù)顯表則采用可編程增益放大器(PGA)，來滿足各種類型輸入信號的不同的放大倍數(shù)。只要準(zhǔn)備幾種量程，就可滿足常見的各種輸入信號類型。
可編程增益放大器由電子模擬開關(guān)和集成運算放大器構(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，輸入數(shù)顯表的所有信號都是共用一個放大器，因此，所有信號都需要盡可能使用這個放大器的輸入范圍。為解決放大倍數(shù)不相同的問題，可通過模擬開關(guān)X0-X3的選擇，把電路中的反饋電阻進行組合，即通過各開關(guān)的通斷來調(diào)整放大器的增益。從圖5可知這是個使用同相運算放大器的電路，放大器的增益。開關(guān)X1接通時放大器有10倍的增益，開關(guān)X0接通時放大器有17倍的增益，開關(guān)X3接通時放大器有50倍的增益，就可以用單個運放來完成大小不同輸入信號的放大。即不管輸入數(shù)顯表的是什么量程的信號，經(jīng)過程控放大器處理，就變成了與A/D轉(zhuǎn)換器相匹配的電平信號，這樣一臺數(shù)顯表就可以實現(xiàn)萬能輸入(即接收多種類型的信號輸入)。當(dāng)數(shù)顯表接收直流電流信號時，大多通過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，并通過X2開關(guān)把放大器的輸出端和反相端連接起來，此時增益A=1，即V0=Vi，沒有電壓放大作用，成了一個電壓跟隨器。
圖5 可編程增益放大器原理
數(shù)顯表的輸入信號通過CD4051電子模擬開關(guān)切換進行傳輸，切換動作與所選輸入信號類型，取決于微處理器的控制信號。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)，沒有進行參數(shù)設(shè)置數(shù)顯表將無法工作。
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