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1、第2章 计算机控制过程通道,2. 1 模拟量输入通道与接口技术 2. 2 模拟量输出通道与接口技术 2. 3 接口电路,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,本节主要讨论计算机控制系统输入通道与接口技术。输入通道主要包括模拟量输入通道和数字量输入通道，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、重量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，通过接口逻辑电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的
2、巡回检测任务。显然该通道的核心是模/数转换器即A/ D转换器，把模拟量输入通道称为A/D通道或者是AI通道。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,2.1.1信号调理电路 1.无源I/V变换 无源I/V变换电路是利用无源器件电阻来实现的，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如图2. 2所示，其中R2为精密电阻。对于010 mA输入信号，可取R1 =100 , R2 = 500 ，这样当输入电流在010 mA量程变化时，输出的电压就为0 5 V范围;而对于4 20 mA输入信号，可取R1 = 100 , R2 =250 ，这样当输入电流为4 20 mA时，输出的电压为15 V。,
3、上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,2.有源I/V变换 有源I/V变换由有源器件运算放大器、电阻和电容组成，如图2. 3所示。利用同相放大电路，把电阻R，上的输入电压变成标准输出电压。该同相放大倍数为分别对三个电阻设置不同的值便可得到不同的电压输出值。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,2. 1. 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1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。 口前，计算机控制系统使用的多路开
4、关种类很多，并具有不同的功能和用途，如集成电路芯片C D4051(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。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,1.结构原理 现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原理如图2. 4所示。C D4051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S0S7端与Sm端不可
5、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S0S7中的一路。比如:当C 、B、A = 000时，通道S7选通;当C、B、A=111时，通道S7选通。其真值表如表2. 1所示。 2.扩展电路 当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将两个8路C D4051并联起来组成1个单端的16路开关。如图2. 5所示为C D4051扩展原理。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,2. 1. 3放大器 1.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0 5 VDC;对单纯的微弱信号
6、，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2. 6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为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。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,2.测量放大器 在实际工程中，来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰，而单个运算放大电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。因此，A/ D通道中的前置放大器常采用由一组运算放大器构成的测量放大器，也称仪表放大器。如图2
7、. 7所示为仪表放大器电路原理示意。 3.可变增益放大器 在A/ D转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,2. 1. 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转换的精度，需要应用采样保持器。 离散系统或采样数据系统就是把连续变化的量变成离散量后再进
8、行处理的计算机控制系统。离散系统的采样形式有周期采样、多阶采样和随机采样，应用最多的是周期采样。周期采样就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)按一定的时间间隔T转变为在瞬时0，T，2T,的一连串脉冲序列信号y*(t)，如图2. 8所示。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,采样器的常用术语如下。 采样器或采样开关:执行采样动作的装置。 采样时间或采样宽度T:采样开关每次闭合的时间。 采样周期T:采样开关每次通断的时间间隔。 在实际系统中，可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输
9、入通道与接口技术,2. 1. 5 A/D转换器 1. A/D转换器的性能指标 (1)分辨率:A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。 (2)转换精度:A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差、其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差、零点误差和非线性误差等。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB ( Least Significant Bit来表示， 。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,(3)转换时间:A/D转
10、换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/ D转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。 2.常用A/D转换器的工作原理 1)逐次逼近式A/ D转换器的工作原理 逐次逼近式A/D转换器以D/A转换器为基础，其电路结构如图2. 9所示。其转换过程如下:由计算机发出的启动转换命令的上升沿清除逐次逼近寄存器SAR，下降沿启动A/D转换。时序及控制逻辑首先使SAR最高位置“1“，经A/D转换的模拟量Ur和UO相比，若大于或等于比较器置“1“，否则置“0“。时序及控制逻辑根据比较器的结果修改SAR的数值。当比较器为“1“，保留最高位，否则置“0“。,上一页,下一页,
11、返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,然后，逐位按上述方法进行置“1“、转换、比较和判断，直至确定最低位为止。此时SAR中的内容就是模拟电压转换成二进制数字编码。逐次逼近式A/D转换器的优点是精度高，转换速度快，而且转换时间固定。 2)双积分式A/D转换器的工作原理 双积分式A/D转换器是一种间接的A/ D转换器。其转换原理是测量两个时间，一个是输入模拟电压向电容充电的固定时间，即A/ D转换器内部计数器计满所需的时间T1，另一个是在已知参考电压下电容放电所需时间T2。输入模拟电压与参考电压的比值就等于上述两个时间值之比。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,图2.1
12、0(a)和(b)分别为双积分式A/ D转换器组成框图和转换原理图。其转换过程如下:在“转换开始”信号的控制下，输入模拟电压US。在固定时间T，内使积分器上的电容充电，时间一到，控制逻辑就把模拟开关转换到与U极性相反的基准电源上，电容开始放电，计数器也开始对时钟脉冲计数。当放电结束时，停止计数并发出“转换结束”信号。由于充电时间T1固定，所以模拟电压越高，充电电流越大。电容上累积电荷越多，放电时间T2也越长。因此，转换结束时，计数器的计数值反映输入电压的大小。,上一页,下一页,返回,2. 1 模拟量输入通道与接口技术,如图2. 10 ( b)所示，积分A和B分别对应于不同的输入模拟电压Ua和Ub
13、，Ua Ub。曲线A的放电时间大于曲线B的放电时间。因此，Ua转换后的数字量大于队转换后的数字量。由于双积分式A/D转换器反映的是在固定积分时间内输入电压Ux的平均值，所以消除干扰和电源噪声的能力强，精度高，但转换速度较慢，适用于信号变化较慢、转换精度要求较高、现场干扰较严重、采样速度较低的场合。,上一页,下一页,返回,2. 2 模拟量输出通道与接口技术,模拟量输出通道的任务是把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的口的。模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/ A或DAC)和电压/电流变换器等组成的;模
14、拟量输出通道的基本构成有多D/ A结构(如图2. 11所示)和共享D/ A结构(如图2. 12所示)。,上一页,下一页,返回,2. 2 模拟量输出通道与接口技术,(1)多D/A结构的特点:一路输出通道使用一个D/A转换器;D/ A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器;D/ A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用;结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立，但是所需D/A转换器芯片较多。 (2)共享D/ A结构的特点:多路输出通道共用一个D/A转换器;每一路通道都配有一个采样保持放大器;D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用;采样保持器实现模拟信号保持功能;节省D/A转换器，但电
15、路复杂、精度差、可靠性低、较占用主机时间。,上一页,下一页,返回,2. 2 模拟量输出通道与接口技术,2. 2. 1 D/A转换器的工作原理 现以4位D/A转换器为例说明其工作原理，如图2. 13所示。假设D3 , D2、D1, D0全为1，则BS3 , BS2 , BS1 , BS0，全部与“1”端相连。根据电流定律，有,上一页,下一页,返回,2. 2 模拟量输出通道与接口技术,由于开关BS3BS0的状态是受要转换的二进制数D3 , D2 , D1, D0控制的，并不一定全是“1“，因此，可以得到通式 考虑到放大器反相端为虚地，故,上一页,下一页,返回,2. 2 模拟量输出通道与接口技术,选
16、取Rfb = R，可以得到 对n位D/ A转换器，它的输出电压VOUT与输入二进制数B(Dn-1D0)的关系式可写成: 结论:由上述推导可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻Rfb以及基准电压VREF有关。,上一页,下一页,返回,2. 2 模拟量输出通道与接口技术,2. 2. 2 D/A转换器的性能指标 D/A转换器的性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用D/A芯片型号的依据。其主要性能指标有:分辨率、转换精度、偏移量误差和稳定时间。 (1)分辨率是指D/ A转换器能分辨的最小输出模拟增量，即当输入数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量，它取决于能转换的二进制位数，数字量位数越多，分辨率也就越高。其分辨率与二进制位数n呈下列关系,上一页,下一页,返回,2. 2 模拟量输出通道与接口技术,(2)转换精度是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分辨率是两个不同的概念。例如，满量程时的理论输出值为10 V，实际输出值为9. 990.0 1 V，其转换精度为10 mV。分
