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1、计算机控制技术,第3章输入输出接口与过程通道技术,第二章 输入输出接口与过程通道技术 内容提要,内 容 提 要,一、输入输出过程通道概述 二、模拟量输入通道 三、模拟量输出通道 四、数字量（开关量）输入输出通道 五、测量数据的预处理技术 六、输入输出通道模板实例,第二章 输入输出接口与过程通道技术 输入输出接口概述,2.1输入输出接口概述,图2-1 过程通道组成结构图,过程通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。包括模拟输入通道、模拟输出通道、数字输入通道和数字输出通道四种，如图2-1所示。,表2-1 生产过程输入输出信息来源与用途,第二章 输入输出接口与过程通道技术 输入输
2、出接口概述,工程信号,讨 论,1、计算机怎样获取工程信号？ 2、计算机如何准确获取信号比较微弱、外部噪声、电流信号外界信号？3、计算机如何获取多路的外界信号？,多路开关(38译码器),放大,滤波,I/V 转换,模拟输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。通常也把模拟量输入接口简称为AD通道。主要由信号调理单元、多路转换开关、程控放大器、采样保持器、A/D转换器和控制电路组成。,图2-2 模拟量输入通道方框图,第二章 输入输出接口与过程通道技术 模拟量输入通道,2.2 模拟量输入通道,信号调理的作用：主要是将传感器送来的非标准电信号转变为标准的电信号，同时进行隔离放大等处理，即变
3、送器所做的工作。,常见的标准信号：010V05V420mA15V,一、信号调理,标准化 放大 滤波,模拟信号调理的功能,低电压信号,电流输入/输出,RTDs 和热敏电阻,热电偶,应变仪,隔离、放大、噪声滤波,电流与电压的转换; 隔离，放大，噪声滤波,电桥、冷端补偿 隔离，放大， 噪声滤波,激励电源、电桥 隔离，放大，噪声滤波,激励电压 全桥和半桥设置 隔离，放大，噪声滤波,多功能I/O,1） 桥式电路,2）仪表放大器,3） 隔离放大器,4） 电流/电压转换器,介绍几种典型的信号调理电路,调理模块产品,多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。利用多路开关可将各个输入信号
4、依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高过程参数的测量精度，对多路开关提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换 速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。,第二章 过程通道技术 多路转换器,二、多路转换器,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,常用的多路开关有CD4051、CD4052、CD4067、AD4097等。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,1.CD4051,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,它是单端的8通道开，它有3根二进制的控制输入端和 1根禁止输入端INH(高电平禁止)。通道选择表
5、如表2.3所示。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,CD4051有较宽的数字和模拟信号电平，数字信号为315V，模拟信号峰峰值为15V P-P ； 当VDD-VEE=15V，输入幅值为15VP-P时，其导通电阻为 80； VDD-VEE 越大则导通电阻越小。 当VDD-VEE=10V时，其断开时的漏电流为10pA；静态功耗为1W。 VEE通常与电源地VSS直接连接。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,2.CD4052,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,CD4052是双4对1多路开关，其内部有两个完全独立（
6、电绝缘）的4选1模拟开关，其真值表如表2-4所示。,可编程放大器的放大倍数随时可由一组数字序列控制，这样，在MUX改变其通道序号时，放大电路也由相应的一组数字序列控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 可编程增益放大器,三、可编程增益放大器,在计算机测控系统的模拟输入通道中，由于被测量所处的环境和时间不同，可能会造成其变化范围不同，因此希望能自动改变放大器的增益，使信号通过放大器后，具有合适的动态范围，即实现自动里程切换，以便于A/D转换。,在多路数据采集系统中，也可能遇到各路信号动态范围不一致的情况，这时希望放大器对不同的通路具有小同的增
7、益，以实现相同的动态输出。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 可编程增益放大器,用仪表放大器实现的可编程增益放大器,第二章 输入输出接口与过程通道技术 可编程增益放大器,基于上述原理的器件有LH0084，通过控制信号DlD0通过控制逻辑驱动模拟开关切换运算放大器的反馈电阻。DlD0的四种组合对应l、2、5、10共4种程控增益值。,四、采样保持器,1采样保持器的作用,式中Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率 。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,假定A/D转换器之前无采样保持器，在坐标的原点上，正弦信号的最大变化率为,取t=tA/D ，则得原点处转换的不确定电压为,误差百分数,
8、第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,由此可见，对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和信号的频率呈正比。,例如：一个10位的A/D转换器（量化误差为0.1%），孔径时间tA/D为10s，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为,此例表明，尽管信号频率不算高，但对A/D转换速度要求太苛刻。解决的方法就是在A/D转换之前加采样/保持器。保证A/D转换在保持期间进行，以便有足够的时间完成。,由此可见：如果直接用A/D转换器对模拟量进行采样，由于模拟量的变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的量均需要取同一瞬时的值，若仍直接送
9、入AD转换器进行转换(共用一个AD)，所得到的几个分量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变。但转换之后，又要求A/D变换器的输入信号能够跟踪模拟量的变化，能够完成上述任务的器件叫采样保持器，简称 S/H。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,由以上分析可知，采样/保持器是一种与锁存器作用相当的模拟电路元件。 一个理想的采样/保持器工作原理下图所示，采样保持的输出，在采样周期内跟踪电压输入，并在保持周期内把它保持在最后跟踪的模拟电压值。为了表示清晰起见，在图中将输出曲线稍微偏离输入一点。,2.采样/保持器的工作原理,第二章
10、 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,Sampling/Holding,最简单的采样保持电路是由一个电容器和一个开关组成，如下图所示。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,采样保持器的结构原理,采样时，开关K闭合，由于A1输出阻抗很小，电容CH快速充电，即电容器的电压跟随输入电压的变化。 保持时，开关K断开，由于A2输入阻抗很大，流入A2的电流几乎为0，则电容器的电压保持不变。,注意：这里的“保持时”就是A/D转换器的“转换过程”，即“A/D的采样时”。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,(1)采样/保持器的作用,稳定地保持模拟信号以便能够完成A/D转换。,在测量
11、中同时对若干个模拟输入量采样(每个输入需 要一个采样/保持电路)。,消除A/D转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,(2)采样保持器的的主要参数,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,孔径时间TAP：在采样保持器中，由于模拟开关有一定的动作滞后，从保持命令发出后至模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间，一般是纳秒级。这个时间由器件的开关动作时间决定。,值得注意的是采样保持器的孔径时间TAP与A/D转换器的孔径时间TA/D完全不同,孔径时间不确定性TAP 。它是孔径时间的变化范围。孔径时间可以提前发出保持命令加以克服，而TAP是随机的
12、，所以它是影响采样精度的主要因素之一。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,转换速率：指输出变化的最大速率，以V/s为单位;,采集时间(捕捉时间)TAC：采样保持器处于保持模式时，从计算机发出采样命令，由“保持”转为“采样”后，采样保持器的输出值由原来的保持值过渡到跟踪当前输入信号值所需的时间，称为捕捉时间,包括开关动作时间，达到稳定值的建立时间和保持值到终值的跟踪时间，它是影响采样频率提高的主要因素，但不影A/D转换精度。,下跌率(衰减率)：在进入保持阶段后，由于开关的漏电流及保持电容泄漏，输出电压会下降，以mV/s表示。在选择保持电容的容量时要折中地考虑采集时间和下跌率。,增大
13、电容可减少保持电压的下降率，提高精度，但会增多捕捉时间。,在转换时间较长且精度高的系统中应该用较大电容。当然较大电容带来的是采样时间加长，这对矛盾应该根据精度和A/D转换时间折中选取。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,因此，通常采取的办法 是努力减小泄漏电流，采用高输入阻抗的运放作为缓冲放大器，选择优质电容如聚四氟乙烯电容作为保持电容，选用漏电流小的模拟开关等。,(3)常用的采样保持器芯片,廉价的： LF398 通用的： AD582、AD583 高速型： THS-0060 超高速： THS-0010,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,LF398的工作原理及主要性能,主要技术指标： 工作电压: 518V； 采样时间：10m。,当控制逻辑IN+脚加“1”时，则开关闭合，处于采样；当控制逻辑IN+脚加“0”时，则开关断开，处于保持；这样刚好与ADC0809的转换结束脚EOC相连（结束时为“1”）,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,AD582的工作原理及主要性能,主要技术指标： 工作电压: 918V； 采样时间：6m。,当控制逻辑LOGIC+脚加“0”时，则开关闭合，处于采样；当控制逻辑LOGIC+脚加“1”时，则开关断开，处于保持；这样刚好与AD574A的转换结束脚STS相连（结束时为“0”）,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,
