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1、第五章 过程通道,第一节 模拟量输入通道 第二节 模拟量输出通道 第三节 开关量输入/输出通道,第一节 模拟量输入通道,并行转换结构,对于高速系统特别是需要同时得到描述系统性能各项数据的系统，可采用下图所示并行转换结构。其特点是速度快、工作可靠，即使某一通路有故障，也不会影响其他通路正常工作。,多路通道共享采样保持或模数转换(AD)电路,信号处理,一、信号处理形式,1、传感器输出为大信号模拟电压,2、传感器输出为小信号模拟电压,3、传感器输出的是大电流信号,4、传感器输出的是小电流信号,二、常用的放大电路,1、运算放大器的基本电路,（1）反比例放大器,（2）正比例放大器,（3）跟随器,2、仪表
2、放大器,在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。,在某些只需简单放大的情况下，采用一般运放组成的测量放大器作为传感器的输出信号放大是可行的，但为了保证精度常需采用精密匹配的外接电阻，才能保证最大的共模抑制比，否则增益的非线性也比较大；此外还需考虑放大器的输入电路与传感器的输出阻抗的匹配问题，因此，在要求较高的场合，常采用集成测量放大器。例如：AD521、AD522、INA101等。,3、程控放大器,在模
3、拟信号送到模数变换系统时，为减少转换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能大。 如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变换等。 较容易想到的办法就是通过模拟开关改变反馈电阻阻值，如下图所示。,在也有许多集成的程控放大器，如AD524、AD624、PGA200等。,4、隔离放大器,在有强电或强电磁干扰等环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道常采用隔离技术；在生物医疗仪器上，为防止漏电流、高电压等对人体的意外伤害，也常采用隔离放大技术，以确保患者安全；此外，在许多其他场合也常需要采用隔离放大技术。能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。 一般来讲，隔离放大器是指对输入、输
4、出和电源三者彼此相互隔离的测量放大器。 目前，隔离放大器中采用的方式主要有两种：变压器耦合和光电耦合。常用的有AD204、ISO100等,三、I/V变换,在模拟输入通道中AD一般只能将电压信号转换成数字信号，故若传感器输出的是电流信号就必须采用I/V转换电路进行变换。,无源I/V变换,有源I/V变换,无源I/V变换,最简单的无源I/V变换？,令电流通过一个精密电阻R，则电阻上的电压(VIR)就是所要转换的电压。,对于010mA输入信号，可取R1=100，R2=500，且R2为精密电阻，这样当输入的电流为010mA电流时，输出的电压为05V,有源I/V变换,采样保持,AD转换器将模拟信号转换为数
5、字量需要一定的时间，对于随时间变化的模拟信号来说，转换时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。,AD转换延迟所引起的可能误差是U。对于一定的转换时间，最大可能的误差发生在信号过零的时刻，因为此时dUdt最大，转换时间一定，所以U最大 。,令UUmsint，则,式中，Um为正弦信号的幅值，f为信号频率，在坐标原点,取t=tA/D，则得原点处转换的不确定电压误差为,误差的百分数为,实例：一个10位的AD转换器，若要求转换精度为0.1%，转换时间为10s，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为,采样/保持器一般由模拟开关、储能元件（电容）、输入和输出缓冲放大器组成。 采样保持电路有两个工作状态， 一是
6、采样状态二是保持状态。,选择采样/保持器时，应考虑如下因素： 采样保持器的孔径时间tAP：保持命令发出后K完全断开所需时间； 采样保持器的捕捉时间tAC：由保持到采样时输出U，从原保持值过渡到跟踪信号的时间； 保持电压变化率： 。其中，ID是输入C或流出C总的漏电流。 选择tAP、tAC小、变化率小的采样保持器。,应当指出，在模拟量输入通道中，只有在信号变化频率较高而AD转换速度又不高，以致转换误差影响转换精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，才需要设置采样保持电路，对于一些变化缓慢的生产过程(如石油、化工等)可以不设置保持电路。,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。利
7、用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上 。,CD4051,A B C 0 0 0 X=X0 0 0 1 X=X1 0 1 0 X=X2 0 1 1 X=X3 1 0 0 X=X4 1 0 1 X=X5 1 1 0 X=X6 1 1 1 X=X7,A/D转换技术,计算机控制系统中常采用低、中速的大规模集成A/D转换芯片。这类芯片常用的转换方法包括计数-比较式、双斜率积分式和逐次逼近式等。 计数-比较式器件简单、转换速度慢，目前较少采用； 双斜率积分式精度高但速度较慢； 逐次逼近式兼顾速度和精度，因此在16位以下的A/D转换器得到了广泛的应用。,一、A/D转换原理
8、,A/D转换芯片中包括逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成如图所示。转换过程如下： 时序及控制逻辑给SAR最高位为“1”，其余为“0”，经D/A转换为模拟电压Vf ，然后与输入电压Vx 比较，确定该位； 当Vx Vf ，此位为“1”，置下位为“1”； 当Vx Vf ，此位为“0”，置下位为“1”。 按上述方法依次类推，逐位比较判断，直至确定SAR的最低位为止。,1、逐次逼近式,1、逐次逼近式,实例：以4位AD为例，其中内部DA基准电压为5V，设输入电压为2.4V,1、逐次逼近式,2、双斜率积分式,转换过程：在转换开始信号控制下，转换开关K接到输入模拟电压端Ui，
9、在固定时间T内对C充电，时间到时控制逻辑将K打到基准电源（与Ui极性相反），开始使C放电，放电期间计数器计脉冲多少反映了放电时间T1、T2的长短，从而决定模拟输入电压的大小。 比较器判定放电完毕，控制计数器停止计数，并由控制逻辑发出转换结束信号。计数器计数值的大小反映了输入电压Ui在固定积分时间T内的平均值。也即是转换完的数字量。,2、双斜率积分式,双斜率积分式A/D转换器特点 是一种间接A/D转换技术。 模拟电压先转换成积分时间，然后转换成计数脉冲数，最后将代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成BCD码输出。 转换时间较长，一般需要几十毫秒。 器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜，
10、适用于非快速计算机过程控制系统或精度要求较高的地方。 典型芯片：MC14433,1、分辨率 分辨率通常用数字输出最低有效位（Least Significant Bit，LSB）所对应的模拟量输入电压值表示，例如：AD位数n8，满量程为5V，则LSB对应5V/(28-1)=19.6mV。 由于分辨率直接与转换位数有关，所以一般也用其位数表示分辨率，如8，10、12、14、16为AD。 通常把小于8位的称为低分辨率，1012位的成为中分辨率，14位以上的为高分辨率。,二、A/D转换器技术指标,2、转换时间 从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成一次转换所用的时间，为转换时间。转换时
11、间的倒数为转换速率。 通常转换时间从几ms到100ms成为低速，从几s到100s称为中速，从10ns到100ns左右成为高速。 3、转换量程 所能转换的模拟量输入电压范围，如05V，55V等。,二、A/D转换器技术指标,三、A/D实现技术,A/D转换器与CPU连接时需要考虑的问题 输入模拟电压的连接 单端输入：IN直接与信号连接 差动输入：VIN(+) VIN(-) 单端输入正信号：UIN(+)接信号、UIN(-)接地 单端输入负信号： UIN(-)接信号、UIN(+)接地。 数据输出线和系统总线的连接 数据线具有可控三态输出门，可直接与系统总线连接； 数据线没有三态输出门或具有内部三态门但不
12、受外部控制，则（不能直接连接系统总线）必须通过I/O接口连接； 8位以上A/D转换需考虑A/D的数据输出线和系统总线位数的对应关系（针对8位CPU、 12位A/D，需分高低位分别连接，分时按字节读入）。,1、8位A/D与CPU的接口(以ADC0809为例),1、8位A/D与CPU的接口(以ADC0809为例),2、12位A/D与8位CPU的接口,3、12位A/D与16位CPU的接口,第二节 模拟量输出通道,1、数字保持式结构：一个通路一个D/A转换器，CPU与D/A 之间通过独立的接口缓冲器传送信息。如图所示 特点：速度快，精度高，可靠，互不影响；D/A多。,一个实际的计算机控制系统中，往往需
13、要多路的模拟量输出，其实现方法有两种 。,2、模拟保持式结构：多个通路共用一个D/A，CPU分时将各路D/A转换通过多路开关分送各路保持电路去。 特点：省D/A，速度慢，可靠性较差。,D/A转换技术,一、D/A转换原理,D/A转换器有串行和并行两种，在工业过程控制中，主要使用并行D/A转换器（输入的各数据位是同时转换的），其转换速度比较快； 依据D/A转换原理不同可分为 求取脉冲平均值的PWM型 数字编码信号控制下加权量叠加型 加权量叠加型一般由四部分组成，即电子开关、电阻网络、放大器和标准电压源； 根据电阻网络不同，可分为权电阻译码D/A转换器、倒T型网络D/A转换器等；,权电阻D/A转换器
14、就是将某一数字量的二进制代码各位按它的“权”的数值转换成相应的电流，“权”越大（即位数越高），对应的电阻值越小；然后再将代表各位数值的电流加起来。,1、权电阻D/A转换原理。,一、D/A转换原理,1、权电阻D/A转换原理。,1、权电阻D/A转换原理。,1、权电阻D/A转换原理。,2、倒T型网络D/A转换原理,2、倒T型网络D/A转换原理,Di=1，Si将电阻接到运放反向输入端；Di=0， Si将i将电阻接到运放同向输入端；都是虚地，各支路电流不会变化； 流入2R支路的电流是以2的倍速递减；,2、倒T型网络D/A转换原理,运算放大器的输出电压为,若Rf=R，并将I=UR/R代入上式， 则有,可见
15、，输出模拟电压正比于数字量的输入。,二、D/A转换器技术指标,分辨率：与A/D转换器的分辨率概念类似，指当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、12位、18位。 稳定时间：指D/A转换器所有输入二进制数变化是满刻度时，模拟量输出稳定到1/2LSB范围内所需要的时间。一般为几十纳秒到几微秒完程一次转换所需要的时间； 输入编码：可为二进制编码、BCD码、符号-数值码等，一般采用二进制编码，可使计算机的运算结果直接输出，比较方便；,二、D/A转换器技术指标,线性误差：任何两个相邻输入数码之间的差应是1LSB，一个理想的D/A转换器输出应是一条直线。但是，元
16、件的非线性使之存在非线性误差，一般为0.01%0.8%； 温度范围：一般为-40C85C，较差的为0C70C； 输出方式与极性：包括电流输出（一般为010mA或420mA）和电压输出；输出极性包括单极性和双极性；,三、D/A实现设计,1、DAC0832特性 DAC0832系列芯片是一种具有两个输入数据寄存器的8位DA，其主要待性参数如下； （1）分辨率为8位； （2）电流稳定时间1s； （3）可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； （4）只需在满量程下调整其线性度； （5）单一电源供电(5v一15v)； （6）低功耗，200mW。,2、DAC0832结构 UREF：+10V-10V； Ucc：+5V
