计算机控制系统3通道1

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1、1重点： 掌握输入输出接口与过程通道的硬件和软件的设计。难点： 输入输出接口设计技术。目标：解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部 构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息， 这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。第3章 接口与过程通道配置技术主要内容：输入输出接口及过程通道的设计方法。输入输出接口与过程通道的硬件和软件的设计。硬件抗干扰技术。2本讲重点和难点本讲重点和难点3.3 模拟量输入通道3.3.1 模拟量输入通道的组成3.3.2 信号调理和变换电路分析电桥放大电路信号变换输入通道的结构类型33.3.1 模拟量输入通道的组成图3.17 模拟量输入通道的组成结构信号调理与

2、变换 多路转换器 采样/保持器 A/D转换器4典型模拟量输入通道结构5便于信号的传输与处理信号转换与调理的目的 ： 1. 传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示记录仪表，需要进行放大 。 4. 能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声，需要进行滤 波，提高信噪比。2. 传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢(频率低)，若用交流放大器 放大，需要进行调制解调处理。 3. 能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理( 电桥)。5. 传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进行A/D转换； 为了实现远距离传输，必须进行V/I或V/F转换。3.3.2 信号调理和变换电路

3、分析3.3.2 信号调理和变换电路分析3.3.2.1.信号调理电路n传感器输出的电信号大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要经过适当的调理，使之转换为便于处理、接收和显示的形式。n信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。信号调理电路-电桥电桥 将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。其转换的实质是一种信息的传递，将电参量变化的信息加到输出电压信号上，其能量由工作电源提供。电

4、桥电路简单可靠，具有很高的精度和灵敏度，被广泛的用作仪器测量电路。直流电桥图1 直流电桥的基本结构形式 当输入端后接输入阻抗较大的仪表或放大电路时， 可视为开路，其输出电流为零，此时有 a与b之间和a与d之间的电位差分别为由此可得输出电压若要使输出为零，亦即当电桥平衡时，则应有讨论：直流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻发生变化 ，电桥输出电压变化。测量电桥就是基于上述原理工作。电桥的接法：单臂 半桥全桥电桥和差特性内容： 相邻两桥臂电阻同向变化，所产生的输出电压的变化 将相互抵消；相邻两桥臂电阻反向变化，所产生的输出电压的变化 将相互迭加；和差特性应用实例： n悬臂梁作敏感元件测力：为提

5、高灵敏度，常在梁的上 ，下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电 桥的相邻两桥臂。交流电桥电感电容传感器传感器平衡条件放大器的性能要求：n开环增益足够大，闭环增益可调；n输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；n共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc；n足够的带宽和转换速率；n漂移小、噪声低、输入失调电压低、输入失调电流小。信号调理电路-信号放大 1. 反相放大器特点：性能稳定，但输入阻抗低。而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。信号调理电路-信号放大 R3UiR1R2A- +Uo特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。2. 同相放大器R2R3 UiR1A-+Uo信号

6、调理电路-信号放大 3. 差动放大器取 R1=R3，R2=R4，则R3UoR4Ui2R1R2Ui1+-+AUid= Ui2 Ui1 Uic=(Ui1+ Ui2)/2特点：CMRR高，但输入阻抗较低，增益调节困难。信号调理电路-信号放大 4. 仪用放大器A1A2：两个对称的同相放大器，以 提高输入阻抗；A3：差动放大器，以抵消前级的共模 干扰，而且还将双 端输入转换为单端 输出，适应对地负 载的需要。信号调理电路-信号放大 信号调理电路-信号放大 集成仪用放大器INA114的内部结构：信号调理电路-信号放大 案例：INA114与测量电桥的连接信号调理电路-信号放大 RPUoINA1141 832

7、7654+5V-5Vu案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用 光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。 信号调理电路-信号放大 当激光器LD因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极 管PIN的光电流也同比例增大，从而使电阻R1上的电位升高。 此时INA114的输出电压Uo降低，即U1也降低，流过LD的电 流I也相应降低，从而达到降低LD辐射功率。 信号调理电路-信号放大 案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用 5. 程控增益放大器信号调理电路-信号放大 1. 电压-电流转换作用：减小传输导线阻抗对信号的衰减（1）负载浮地型V/I转换电

8、路 优点：与负载电阻RL无关，具有恒流特性。缺点：负载必须悬浮，不能接 地，不适用于某些应用场合。3.3.2.2 信号转换（2）负载接地型V/I转换电路 (取 )3.3.2.2 信号转换案例：V/I转换AD694在啤酒发酵温度控制系统中的应用 LM35温度传感器对发酵罐内温度进行采样，信号放大后经A/D转换送至微处理器。微处理器根据模糊积分控制算法的运算结果将控制信号输出至D/A转换器，再放大为0-10V的电压信号，最后利用AD694进行V/I转换，得到4-20mA的电流信号，自动调节冷却阀门的开度，使冷却夹套内的冷媒带走多余的反应热，实现发酵罐温度的控制。 3.3.2.2 信号转换利用AD6

9、94进行V/I转换的电路： 输入量程选择引脚4悬空，表示输入电压范围为0-10V，4mA偏置电流选择引脚9接地，表示输出电流范围4-20mA。由于感性负载电流输出引脚11与地之间跨接0.01F的电容，二极管VD1和VD2防止负载电压过高或过低时损坏AD694。 3.3.2.2 信号转换要求:（1）电流源内阻RS很大，减小输入失调电压影响；（2）ISIb运放的输入偏置电流。2. 电流-电压转换简单方法：在输出电路中串接精密电阻，通过测量电阻两端的电压即可完成转换，但对后续电路会产生负载效应。 （1）反相输入型Uo- +A+ IS RS R2R1I3.3.2.2 信号转换（2）同相输入型要求：R4

10、=R2/R3例如：420mA 010V 取R1=250，I= 420mA Ui=15VUo=010V， ， ， ，Uo- +A+UbR3R1I R4R2Ui3.3.2.2 信号转换 2. 电流-电压转换3. 电压-频率转换 当Uo1=0UREF时，输出Uo为高电平，V1截止，积分器对 Ui积分，使Uo1减小。当Uo1UREF时，Uo将跃变为低电平，V1 导通，C1迅速放电，使Uo1增大，如此重复电路产生自激振荡。3.3.2.2 信号转换作用：实现远距离传输(调频)案例：LM331在香烟包装机温度检测中的应用 热电偶输出的电压信号放大后再利用LM331转换为频率信号，频率信号经远距离传输通过光电

11、隔离送入微处理器，微处理器对该频率信号进行处理，输出控制信号经功率放大 后驱动可控硅，利用过零触发方式控制加热器电源的通断。 3.3.2.2 信号转换结构原理（CD4051）3.3.3 多路转换器 多路转换器又称多路开关，是用来切换模拟电压信号的关键元件。 理想的多路转换器其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。 常用的多路开关有CD4051(或MC14051)，AD7501，LF13508等。 3.3.5 3.3.5 A/DA/D转换转换直接比较型直接比较型模拟信号直接参考电压比较，得到数字量模拟信号直接参考电压比较，得到数字量 。类型有：类型有： 逐次比较、连续比较逐次比较、连续比较

12、优点：优点：瞬时比较，转换速度快。瞬时比较，转换速度快。间接比较间接比较模拟信号与参考电压先转换为中间物理量，模拟信号与参考电压先转换为中间物理量， 再进行比较。再进行比较。缺点：缺点：抗干扰能力差。抗干扰能力差。类型有：类型有： 双斜式、积分式、脉冲调宽双斜式、积分式、脉冲调宽 优点优点 ：平均值比较，抗干扰能力强。平均值比较，抗干扰能力强。 缺点缺点 ：转换速度慢。转换速度慢。A/DA/D转换器分类转换器分类 按速度分：按速度分：高、中、低高、中、低按精度分：按精度分：高、中、低高、中、低按位数分：按位数分：8 8、1010、1212、1414、1616按工作按工作 原理分原理分: :3.

13、3.5.1 3.3.5.1 A/DA/D转换器的分类转换器的分类3.3.5.23.3.5.2 主要技术指标主要技术指标1.1. 量程量程 量程量程 A AD D转换器能转换模拟信号的电压转换器能转换模拟信号的电压 范围。范围。什么是什么是量程量程？ 例如例如： 0 05V5V，-5V-5V+5V+5V，0 010V10V，-10V-10V+10V+10V。 3.3.5.23.3.5.2 主要技术指标主要技术指标设设A AD D转换器的位数为转换器的位数为n n，满量程电压为满量程电压为FSRFSR，则则分辨率分辨率定义为定义为 ： 相对分辨率相对分辨率定义为定义为 2.2. 分辨率分辨率 A

14、AD D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量 。 什么是什么是分辨率分辨率 ？3.3.5.23.3.5.2 主要技术指标主要技术指标表表3.3.5.1 A3.3.5.1 AD D转换器分辨率与位数之间的关系转换器分辨率与位数之间的关系( (满量程电压为满量程电压为10V) 10V) 位位 数数级级 数数相对分辨率相对分辨率（1 1LSBLSB）分辨率分辨率（1 1LSBLSB）8 810 1012 1214 1416 16256 2561024 10244096 409616384 1638465536 655360.391% 0.391%0.0977%

15、 0.0977%0.0244% 0.0244%0.0061% 0.0061%0.0015% 0.0015% 39.1mV 39.1mV9.77mV 9.77mV2.44mV 2.44mV0.61mV 0.61mV0.15mV 0.15mVA AD D转换器分辨率的高低取决于位数的多少转换器分辨率的高低取决于位数的多少。 因此，因此，目前一般用目前一般用位数位数n n来间接表示分辨率来间接表示分辨率。可得出可得出A AD D转换器分辨率与位数之间的关系转换器分辨率与位数之间的关系 3.3.5.23.3.5.2 主要技术指标主要技术指标例如例如：一个一个1212位位A AD D转换器，理论模拟输入电压为转换器，理论模拟输入电压为5V5V时，时， 对应的输出数码