第2章输入输出接口与过程通道PPT讲稿.ppt

第第2章输入输出接口与过程通道章输入输出接口与过程通道第1页，共169页，编辑于2022年，星期一第2页，共169页，编辑于2022年，星期一概述概述 接口接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括它包括输入接口和输出接口输入接口和输出接口。接口技术接口技术是研究计算机与外部设备之间如何是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。交换信息的技术。过程通道过程通道是在计算机和生产过程之间设置的是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它分为模拟量输入信息传送和转换的连接通道，它分为模拟量输入/输出通道（输出通道（AI/AO），数字量（或开关量）输入），数字量（或开关量）输入/输出通道（输出通道（DI/DO）。）。过程通道中包含有输入输出接口过程通道中包含有输入输出接口第3页，共169页，编辑于2022年，星期一通常输入通道又称为通常输入通道又称为检测通道检测通道，输出通道又称为，输出通道又称为控控制通道制通道。生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机输入通道送到计算机;计算机经过计算和处理所得的结果通过模拟量输出计算机经过计算和处理所得的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生产通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生产过程的控制。过程的控制。输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。要组成部分。第4页，共169页，编辑于2022年，星期一2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术2.1.2 数字量输入通道数字量输入通道 2.1.3 数字量输出通道数字量输出通道 返回第5页，共169页，编辑于2022年，星期一2.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术1、数字量、数字量数字量信号是以二进制的逻辑数字量信号是以二进制的逻辑“1”和和“0”出出现的。如：开关的合与开，指示灯的亮与灭，继电现的。如：开关的合与开，指示灯的亮与灭，继电器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。与关闭等。开关量（数字量）的种类开关量（数字量）的种类按类型分有电平式和触点式两种按类型分有电平式和触点式两种电平式为高电平或低电平电平式为高电平或低电平触点式为触点闭合或触点断开触点式为触点闭合或触点断开按电源分有有源和无源两种按电源分有有源和无源两种有源即直接提供高、低电平（有带负载能力）有源即直接提供高、低电平（有带负载能力）无源即提供物理触点，或感应器件无源即提供物理触点，或感应器件第6页，共169页，编辑于2022年，星期一 常见的数字量有：常见的数字量有：编码数字（二进制或十进制）：如用绝对编码的编编码数字（二进制或十进制）：如用绝对编码的编码器检测位置等。码器检测位置等。开关量：如按钮或转换开关的启停、阀门的开闭，开关量：如按钮或转换开关的启停、阀门的开闭，指示灯亮指示灯亮/灭等。灭等。数字脉冲列信号：如光电脉冲编码器检测速度、晶闸数字脉冲列信号：如光电脉冲编码器检测速度、晶闸管的脉冲触发器等。管的脉冲触发器等。数字信号的特点：幅值离散，可用一位或多位数字信号的特点：幅值离散，可用一位或多位二进制码表示。二进制码表示。第7页，共169页，编辑于2022年，星期一2、数字量输入接口、数字量输入接口缓冲器缓冲器 三态门缓冲器三态门缓冲器74LS244，用来取得设备的输入状态，用来取得设备的输入状态信息，可同时输入信息，可同时输入8个开关状态。个开关状态。第8页，共169页，编辑于2022年，星期一实现：可用如下指令完成实现：可用如下指令完成8个开关量的状态采集：个开关量的状态采集：MOV DX,port IN AL,DX 其中其中port为片选端口的地址，在初始化程序中分配。为片选端口的地址，在初始化程序中分配。三态门缓冲器三态门缓冲器74LS244用来隔离输入和输出线路，起缓用来隔离输入和输出线路，起缓冲作用冲作用 原理：经过端口地址译码得到片原理：经过端口地址译码得到片选信号选信号CS，当在执行，当在执行IN指令周指令周期时，产生期时，产生IOR信号，则被测的信号，则被测的状态信息可通过三态门送到状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然总线工业控制机的数据总线，然后装入后装入AL寄存器。寄存器。第9页，共169页，编辑于2022年，星期一3、数字量输出接口、数字量输出接口锁存器锁存器 用用74LS273作为作为8位输出锁存口，对状态输出信位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。保持到下次给出新的状态输出信号。号进行锁存。保持到下次给出新的状态输出信号。第10页，共169页，编辑于2022年，星期一 原理：经过端口地址译码，原理：经过端口地址译码，得到片选信号得到片选信号CS，当执行，当执行OUT指令周期时，产生指令周期时，产生IOW信信号。由于号。由于PC总线工业控制机的总线工业控制机的I/O端口写总线周期时序关系中，端口写总线周期时序关系中，总线数据总线数据D0D7比比IOW下降沿稍下降沿稍晚，因此可利用晚，因此可利用IOW的的后沿后沿产生产生的上升沿锁存数据。的上升沿锁存数据。实现：可用下列指令完成实现：可用下列指令完成8位开关量的输出控制。位开关量的输出控制。MOV AL,DATA MOV DX,port OUT DX,AL第11页，共169页，编辑于2022年，星期一2.1.2 数字量输入通道数字量输入通道1、数字量输入通道的结构、数字量输入通道的结构如如图图2.2所示。主要由输入缓冲器、输入调理电所示。主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。路、输入地址译码电路等组成。第12页，共169页，编辑于2022年，星期一2、输入调理电路的作用、输入调理电路的作用 作用：将生产现场的信号经转换、保护、滤波、隔离后作用：将生产现场的信号经转换、保护、滤波、隔离后转换成计算机能接收的逻辑信号。转换成计算机能接收的逻辑信号。(1)信号转换处理信号转换处理 信号逻辑上表现为信号逻辑上表现为“1”或或“0”，信号形式为电压、，信号形式为电压、电流信号或开关的通断，幅值范围不符合数字电路的要电流信号或开关的通断，幅值范围不符合数字电路的要求，需经转换处理。求，需经转换处理。(2)安全保护措施安全保护措施对可能出现的输入过电压（用稳压管实现过电压保护）、对可能出现的输入过电压（用稳压管实现过电压保护）、瞬间尖峰（用稳压管、压敏电阻）或极性接反（用二极管）瞬间尖峰（用稳压管、压敏电阻）或极性接反（用二极管）的情况，采取安全保护措施。的情况，采取安全保护措施。第13页，共169页，编辑于2022年，星期一(3)消除机械抖动影响消除机械抖动影响操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在通置在通/断时会产生机械抖动，体现在计算机输入断时会产生机械抖动，体现在计算机输入上是输入信号在上是输入信号在0、1间多次振荡，可能导致错误间多次振荡，可能导致错误控制。控制。方法：方法：R-S触发器消除、积分电路消除（触发器消除、积分电路消除（P21图图2.4所示）。所示）。(4)滤波处理滤波处理长线传输、电路内外部干扰，使输入信号中长线传输、电路内外部干扰，使输入信号中带有干扰信号，造成计算机的误读出错。带有干扰信号，造成计算机的误读出错。方法：方法：RC滤波电路等。滤波电路等。第14页，共169页，编辑于2022年，星期一(5)隔离处理隔离处理用于现场输入设备与计算机系统间的隔离保护，用于现场输入设备与计算机系统间的隔离保护，保障计算机系统安全。使测控装置与现场仅保持信保障计算机系统安全。使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。价格低廉，可靠号联系，但不直接发生电的联系。价格低廉，可靠性好。性好。方法：光电耦合器件隔离、变压器磁隔离方法：光电耦合器件隔离、变压器磁隔离。光电耦合组成：发光二极管和光敏三极管封组成：发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内。装在一个管壳内。原理：信号的有原理：信号的有/无无发光二极管光的有发光二极管光的有/无无光敏光敏三极管的通三极管的通/断断输出电位的高输出电位的高/低。低。发光二极管光敏三极管第15页，共169页，编辑于2022年，星期一(6)应用实例应用实例小功率输入调理电路：如图小功率输入调理电路：如图2.4（P21）所示。）所示。返回积分电路去抖RS触发器去抖第16页，共169页，编辑于2022年，星期一采用光电隔离大功率输入调理电路：如图大功率输入调理电路：如图2.5（P21）所示）所示。第17页，共169页，编辑于2022年，星期一2.1.3 数字量输出通道数字量输出通道1、数字量输出通道的结构、数字量输出通道的结构如如图图2.3所示。主要由输出锁存器、输出驱动电所示。主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。路、输出口地址译码电路等组成。第18页，共169页，编辑于2022年，星期一2、输出驱动电路、输出驱动电路 功能：输出锁存器输出的信号的电压等级、输功能：输出锁存器输出的信号的电压等级、输出功率无法满足执行机构的要求，应进行电平转换出功率无法满足执行机构的要求，应进行电平转换和功率放大。和功率放大。根据被控对象控制信号的作用要求，将开关量输出信根据被控对象控制信号的作用要求，将开关量输出信号转变为以下形式：号转变为以下形式：TTL电平逻辑信号、电子无触点开关电平逻辑信号、电子无触点开关量输出和继电器输出等。量输出和继电器输出等。第19页，共169页，编辑于2022年，星期一2、输出出驱动电路路小功率直流小功率直流驱动电路路(可驱动继电器、低压电磁阀或指示灯等）可驱动继电器、低压电磁阀或指示灯等）功率晶体管功率晶体管输出出驱动继电器器电路路 续流二极管在功率晶体管关流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器器线圈圈产生生的反的反电动势提供旁路通道，保提供旁路通道，保护晶体管。晶体管。第20页，共169页，编辑于2022年，星期一 达林达林顿阵列列输出出驱动继电器器电路路 MC1416，7路路驱动，带保保护二极管二极管 第21页，共169页，编辑于2022年，星期一大功率交流大功率交流驱动电路路 通过继电器的触点控制大功率接触器的通断，完成从通过继电器的触点控制大功率接触器的通断，完成从直流低压到交流高压，小功率到大功率的转换。直流低压到交流高压，小功率到大功率的转换。固态继电器。输入输出间采用光电耦合器进行隔离；固态继电器。输入输出间采用光电耦合器进行隔离；零零交叉交叉电路在交流路在交流电过零零时产生触生触发信号，减少干信号，减少干扰。第22页，共169页，编辑于2022年，星期一2.2 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术2.2.1 A/D转换器转换器2.2.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 返回第23页，共169页，编辑于2022年，星期一2.2.1 A/D转换器转换器 定定义义：A/D转转换换器器是是将将模模拟拟电电压压或或电电流流转转换换成成数数字量的器件或装置。字量的器件或装置。转换方式：转换方式：逐逐次次逼逼近近式式(直直接接比比较较式式)：转转换换时时间间短短（几几微微秒秒几百微秒），抗干扰能力差；几百微秒），抗干扰能力差；双斜积分式双斜积分式(间接比较式间接比较式)：转换时间长（几十：转换时间长（几十毫秒毫秒几百毫秒），抗干扰能力强。几百毫秒），抗干扰能力强。1、主要技术指标、主要技术指标 转转换换时时间间：完完成成一一次次模模拟拟量量到到数数字字量量转转换换所所需需的的时时间间。低低速速：1-30毫毫秒秒；中中速速：50 微微秒秒左左右右；高高速速：50纳秒左右纳秒左右第24页，共169页，编辑于2022年，星期一 分辨率分辨率（字长字长n）：转换器对输入量微小变化的敏感转换器对输入量微小变化的敏感程度。用数字量的位数程度。用数字量的位数n来表示，如来表示，如8位、位、12位、位、16位等。位等。LSB：数字量的最低有效位，对应于满量程输入的数字量的最低有效位，对应于满量程输入的线性误差：线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特性在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。用的最大误差定义为线性误差。用LSB的分数表示，如的分数表示，如 1/2LSB或或1LSB。量程：量程：所能转换的输入电压的范围，如所能转换的输入电压的范围，如-5+5V等。等。对基准电源的要求：对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。（是否外接精密基准电源。）精度产生很大影响。（是否外接精密基准电源。）功耗功耗(及输出及输出)和器件对总线的兼容性。和器件对总线的兼容性。第25页，共169页，编辑于2022年，星期一2、8位位A/D转换器转换器ADC08098通道通道8位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器，转换器，转换时间为转换时间为100S左右，左右，线性误差为线性误差为，量程量程0-5v，对应对应A/D转换值为转换值为00HFFH。工作频率为工作频率为500kHz；逻辑电平与逻辑电平与TTL兼容。兼容。28脚双列直插式封装。脚双列直插式封装。ADC0809引脚图第26页，共169页，编辑于2022年，星期一图2.4ADC0809逻辑结构图地址锁存允许转换结束输出允许逻辑结构图如逻辑结构图如图图2.4所示。所示。第27页，共169页，编辑于2022年，星期一 (1)8通道模拟开关及通道选择逻辑通道模拟开关及通道选择逻辑 功能：实现功能：实现8选选1操作。通道选择信号操作。通道选择信号C、B、A与所选与所选通道之间的关系见通道之间的关系见P24表表CBA通道000VIN0001VIN1 第28页，共169页，编辑于2022年，星期一 (2)8位位A/D转换器转换器 功能：对输入端信号功能：对输入端信号VI进行转换，进行转换，转换结果转换结果D存入三态存入三态输出锁存缓冲器。输出锁存缓冲器。(3)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 功能：存放转换结果功能：存放转换结果D，输出允许信号，输出允许信号OE为高电为高电平时，平时，D由由DO7 DO0上输出。上输出。OE为低电平时，输出为低电平时，输出数据线数据线DO7 DO0为高阻态。为高阻态。第29页，共169页，编辑于2022年，星期一(4)转换过程转换过程 转换时序见转换时序见P25图图2.11 在在ALE上升沿将上升沿将A、B、C三线状态锁存，三线状态锁存，8选选1选择选择器开始工作器开始工作,选择将要转换的模拟通道。选择将要转换的模拟通道。在在START上收到启动转换命令上收到启动转换命令(正脉冲正脉冲)后，在正脉后，在正脉冲的上升沿将内部寄存器清零，下降沿开始转换，冲的上升沿将内部寄存器清零，下降沿开始转换，第30页，共169页，编辑于2022年，星期一 转换期间转换期间EOC信号为低电平信号为低电平(比比START信号下降信号下降沿延迟沿延迟t)，100us后转换结束，后转换结束，EOC信号由低电平变为高电平，信号由低电平变为高电平，通知通知CPU读结果。读结果。CPU可用查询方式（可用查询方式（EOC接到一条接到一条I/O线上）或中线上）或中断方式（断方式（EOC作为中断请求信号引入中断逻辑）了作为中断请求信号引入中断逻辑）了解转换过程是否结束。解转换过程是否结束。当转换结束时，当转换结束时，使使OE为高电平可由为高电平可由DO7 DO0上上读入转换结果。读入转换结果。(5)ADC 0809的量化单位的量化单位q=VREF(+)VREF(-)/256。通常基准电压通常基准电压VREF(+)=5.12 V，VREF(-)=0V，此时此时q=20mV，转换结果，转换结果D=VI(mV）/q(mV)。第31页，共169页，编辑于2022年，星期一3、12位位A/D转换器转换器AD574A技术参数：技术参数：12位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器，转换器，转换时间约为转换时间约为25S，线性误差为线性误差为 ，内部有时钟脉冲源和内部有时钟脉冲源和10伏基准电压源，伏基准电压源，单通道单通道单极性单极性(010v或或020v)或双极性电压输入或双极性电压输入(-5v-+5v,-10v-+10v)，28脚双列直插式封装。脚双列直插式封装。量化单位量化单位(分辨率）：分辨率）：10V/212(量程为量程为10V时时)或或20V/212(量程为量程为20V时时)第32页，共169页，编辑于2022年，星期一AD574A引脚图第33页，共169页，编辑于2022年，星期一 AD574A由由12位位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器、存缓冲器、10V基准电压源四部分组成。其原理结构图基准电压源四部分组成。其原理结构图见见P25图图2.12。第34页，共169页，编辑于2022年，星期一(1)12位位A/D转换器转换器 单极性、双极性模拟电压输入连接方式见单极性、双极性模拟电压输入连接方式见P26图图2.13单极性输入电路 双极性输入电路 第35页，共169页，编辑于2022年，星期一(2)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 有有12位同时输出和高位同时输出和高8位低位低4位分时输出两种方式，由引位分时输出两种方式，由引脚脚12/8决定输出方式。决定输出方式。(3)控制逻辑控制逻辑 控制逻辑包含：启动转换、控制转换过程和控制控制逻辑包含：启动转换、控制转换过程和控制转换结果转换结果D的输出，控制信号的作用的输出，控制信号的作用见见P26表表，CECSR/C12/8A0操作功能100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X输出12位数字10100输出高8位数字10101输出低4位数字0XXXX无操作X1XXX无操作第36页，共169页，编辑于2022年，星期一 控制控制时序见时序见P27图图2.14转换进行：行：STS为高高电平平 转换结束：束：STS从高从高电平平转为低低电平平 启动转换时序启动转换时序第37页，共169页，编辑于2022年，星期一读时序读时序第38页，共169页，编辑于2022年，星期一2.2.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 接口设计包含硬件电路设计和软件程序编制接口设计包含硬件电路设计和软件程序编制两部分，其具体实现既取决于两部分，其具体实现既取决于A/D转换器本身转换器本身的性能特点，又取决于采用何种方式（查询、的性能特点，又取决于采用何种方式（查询、定时、中断）读取转换结果。定时、中断）读取转换结果。1、ADC0809与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 利用可编程的并行通信接口芯片利用可编程的并行通信接口芯片8255A作为作为系统与系统与A/D转换器之间的接口转换器之间的接口 将将8255A的的A口设为输入口，口设为输入口，C口上半部分为口上半部分为输入，用于查询转换是否结束；下半部分为输输入，用于查询转换是否结束；下半部分为输出，用于通道选择和启动出，用于通道选择和启动A/D转换。转换。第39页，共169页，编辑于2022年，星期一8255A结构图第40页，共169页，编辑于2022年，星期一(1)接口电路如接口电路如图图2.5所示所示。第41页，共169页，编辑于2022年，星期一(2)、工作原理、工作原理 ADC0809的的ALE与与START引脚相连，将引脚相连，将PC0PC2输出的输出的3位地址锁存入位地址锁存入ADC0809的地址的地址锁存器并启动锁存器并启动A/D转换；转换；ADC0809的的EOC输出信号端同输出信号端同OE输入控制输入控制端相连，当转换结束时，开放数据输出缓冲器端相连，当转换结束时，开放数据输出缓冲器 EOC信号还连接到信号还连接到PC7，CPU通过查询通过查询PC7的的状态而控制转换结果输入计算机的过程。状态而控制转换结果输入计算机的过程。(3)、程序框图、程序框图如图如图2.6所示。所示。第42页，共169页，编辑于2022年，星期一第43页，共169页，编辑于2022年，星期一(4)、数据采集子程序数据采集子程序(注意程序和时序相对应注意程序和时序相对应)其中：其中：8255A的口地址为的口地址为2C0H2C3H(A,B,C,控制寄存器控制寄存器)ADC0809PROCNEAR MOVCX,8 ;通道数8存入计数器CX CLD ;清方向标志，使DF=0 MOV BL,00H ;模拟通道地址存BL LEA DI,DATABUF ;将数据段中采样值缓 存区首址送入目的变址寄存器DI NEXTA:MOV DX,02C2H MOV AL,BL OUT DX,AL INC DX MOV AL,00000111B OUT DX,AL将通道选择信号送端口C往控制端口02C3H送启动转换控制信号,使PC3=1(形成START和ALE的上升沿)第44页，共169页，编辑于2022年，星期一 NOP NOP 延时t NOP MOVE AL,00000110B OUT DX,AL DEC DX NOSC:IN AL,DXTEST AL,80HJNZ NOSC NOEOC:IN AL,DXTEST AL,80HJZ NOEOCMOV DX,02C0HIN AL,DXSTOS DATABUF 往控制端口02C3H送控制字，使PC3=0，形成START、ALE的下降沿读端口C的信息，测试EOC（PC7）的状态，判断转换是否开始,若EOC1(转换未开始)，则等待读 端 口 C的 信 息，测 试EOC（PC7）的状态，判断转换是否结束,若EOC0(转换未结束)，则等待从端口A读转换结果存入数据缓存区,并将缓存单元上移一位第45页，共169页，编辑于2022年，星期一 INC BL ；修改模拟通道地址；修改模拟通道地址 LOOP NEXTA ;(CX)-1 CX，如果，如果(CX)中的值不为中的值不为 零，则转移到零，则转移到NEXTA。循环采集循环采集8个通道的数据个通道的数据 RET ADC0809 ENDP 第46页，共169页，编辑于2022年，星期一2、AD574A与与PC总线工业控制机的接口总线工业控制机的接口 接口电路图和接口程序见接口电路图和接口程序见P29-P30注意结合时序图来读程序注意结合时序图来读程序返回第47页，共169页，编辑于2022年，星期一AD574与与8255A接口接口 AD574的的12/8接接5V，A0接地，工作于接地，工作于12位转换和位转换和读出方式。读出方式。8255A的的A口、口、B口工作方式口工作方式0，数据输入端，数据输入端C口上半口上半部分为输入，下半部分为输出。部分为输入，下半部分为输出。PC0-PC2 R/C，CS，CE PC7 STS，检测转换结束，检测转换结束 8255A系统地址系统地址2C0H2C3H。第48页，共169页，编辑于2022年，星期一MOV DX,02C2H;令令CS,R/C为低电平为低电平 MOV AL,00H OUT DX,AL NOP NOP MOV AL,04H；令令CE=1,启动转换启动转换 OUT DX,AL NOP NOP MOV AL,03H；令令CE=0，CS,R/C1，启动完毕启动完毕 OUT DX,AL POLLING:IN AL,DX;查询查询STS状态状态 TEST AL,80H JNZ POLLING;STS=1 则等待，判转换是否结束则等待，判转换是否结束 MOV AL,01H；令令CS0,R/C1,准备读准备读第49页，共169页，编辑于2022年，星期一OUT DX,AL NOP MOV AL,05H;令令CE=1,允许读出允许读出 OUT DX,AL MOV DX,02C0H IN AL,DX;读高读高4位位DB11-DB8;AND AL,0FH MOV BH,AL；存高存高4位位 INC DX IN AL,DX ；读低读低8位位DB7-DB0 MOV BL,AL INC DX MOV AL,03HOUT DX,AL;结束读出操作结束读出操作第50页，共169页，编辑于2022年，星期一2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道2.3.1 模拟量输入通道组成模拟量输入通道组成2.3.2 I/V变换变换 2.3.3 多路转换器多路转换器 2.3.4 采样、量化及常用的采样保持器采样、量化及常用的采样保持器 2.3.5 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计返回第51页，共169页，编辑于2022年，星期一2.3.1 模拟量输入通道组成模拟量输入通道组成一、模拟量信号的检测与处理一、模拟量信号的检测与处理1、非电量测量、非电量测量非电模拟量参数非电模拟量参数非标准的电信号（非标准的电信号（mV，A，V，R，C）统一的电流信号（统一的电流信号（010mA 或或420mA）模拟电压信号（模拟电压信号（05V，010V，15V等）。等）。例例如如，温温度度检检测测（1000以以下下，传传感感器器为为镍镍铬铬镍铝或镍铬镍硅热电偶）镍铝或镍铬镍硅热电偶）：第52页，共169页，编辑于2022年，星期一2、误差校正和非线性补偿、误差校正和非线性补偿系统误差：零点漂移，增益误差，元件参数变化等。系统误差：零点漂移，增益误差，元件参数变化等。校正方法：数字调零，自动校准。校正方法：数字调零，自动校准。非线性补偿：分段线性化，非线性补偿：分段线性化，(软件补偿软件补偿)。3、标度变换、标度变换 A/D数据数据具有量纲的参数值。具有量纲的参数值。要要求求：标标度度变变换换后后的的参参数数值值，与与被被测测参参数数的的模模拟拟量量值值，在数量上相等。在数量上相等。方法方法：调整电位器；：调整电位器；(软件变换（线性变换）软件变换（线性变换）)。第53页，共169页，编辑于2022年，星期一二、模拟量输入的方法二、模拟量输入的方法1、传感器、传感器 概念概念：非电量转换为电信号的器件，称为：非电量转换为电信号的器件，称为“传传感器感器”。（。（mV，A，V，R，C）常常用用传传感感器器如如：光光敏敏传传感感器器、温温度度传传感感器器、压压敏敏传传感感器器、超超声声传传感感器器、流流量量传传感感器器、压压力力传传感感器器、转转速速传传感感器器、位位置置传传感感器器、电电压压/电电流流传传感器感器、湿敏传感器、湿敏传感器 等。等。2、变送器、变送器 概念概念：将传感器输出的非标准的电信号，转换：将传感器输出的非标准的电信号，转换为统一的标准信号（为统一的标准信号（420mA（），），010mA（）的变换电路，称为）的变换电路，称为“变送器变送器”。第54页，共169页，编辑于2022年，星期一 为与标准化仪表和执行机构匹配提供方便。为与标准化仪表和执行机构匹配提供方便。同时可以同时可以提高信号远距离输送抗干扰能力，减少信提高信号远距离输送抗干扰能力，减少信号号 衰减；衰减；常用变送方式：采用变送器芯片常用变送方式：采用变送器芯片AD590、AD693 等；等；采用可控恒流源采用可控恒流源；采用运算放大器采用运算放大器。3、I/V变换变换无源无源I/V变换采用电阻器实现；有源变换采用电阻器实现；有源I/V变换采用变换采用运算放大器实现。运算放大器实现。4、A/D转换器转换器第55页，共169页，编辑于2022年，星期一还常用还常用v/f 转换及转速编码器。转换及转速编码器。V/f 转换：转换：模模拟拟电电压压 脉脉冲冲频频率率，经经过过光光电电耦耦合合，送送入入计算机。计算机。采用专用芯片采用专用芯片(AD650)。转速编码器转速编码器转转速速脉脉冲冲频频率率，经经过过放放大大整整形形，光光电电隔隔离离，送入计算机。送入计算机。采用光电编码器；采用光电编码器；磁编码器（霍尔器件，电磁线圈）。磁编码器（霍尔器件，电磁线圈）。第56页，共169页，编辑于2022年，星期一三、模拟量输入通道的组成三、模拟量输入通道的组成 如图如图2.7所示。所示。组组成成：I/V变变换换，多多路路转转换换器器，采采样样保保持持器器，A/D转换器，接口及控制逻辑等。转换器，接口及控制逻辑等。工工作作过过程程：过过程程参参数数由由传传感感元元件件和和变变送送器器测测量量并并转转换换为为电电流流或或电电压压形形式式后后，再再送送至至多多路路开开关关，在在微微机机的的控控制制下下，由由多多路路开开关关将将各各过过程程参参数数依依次次进行采样和进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。转换，实现过程参数的巡回检测。第57页，共169页，编辑于2022年，星期一返回PC总线第58页，共169页，编辑于2022年，星期一2.3.2 I/V变换变换功能：将变送器输出的统一信号功能：将变送器输出的统一信号010mA或或420mA，变换成标准，变换成标准05V(或其它量程或其它量程)电压信号。电压信号。1、无源、无源I/V变换变换 如如图图2.8所示。所示。(1)输入：输入：010mA 电阻值：电阻值：R1=100 R2=500(精密电阻）精密电阻）输出：输出：05V (2)输入：输入：420mA 电阻值：电阻值：R1=100 R2=250 输出：输出：15V 图图2.8 无源无源I/V变换变换 阻容滤波输出限幅第59页，共169页，编辑于2022年，星期一2.有源有源I/V变换变换(1)输入：输入：010mA;电阻值：电阻值：R3=100K R4=150K 输出：输出：05V(2)输入：输入：420mA;电阻值：电阻值：R3=100K R4=25K 输出：输出：15V 图2.9有源I/V变换 电路第60页，共169页，编辑于2022年，星期一返回 ，uR1 为Ii 在电阻R1 上的压降，作为放大器的输入输入：输入：420mA时时第61页，共169页，编辑于2022年，星期一2.3.3 多路转换器多路转换器1、功能：将各个输入信号依次地或随机地连接、功能：将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或到公用放大器或A/D转换器上。转换器上。2、要求：开路电阻无穷大、导通电阻无穷小、要求：开路电阻无穷大、导通电阻无穷小、切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。3、基本形式、基本形式 (1)机械触点式：结构简单，闭合电阻小（小机械触点式：结构简单，闭合电阻小（小于于50毫欧），断开电阻大，寿命长，输入电压、毫欧），断开电阻大，寿命长，输入电压、电流容量大，动态范围宽，不受环境温度影响。电流容量大，动态范围宽，不受环境温度影响。切换动作时间长约切换动作时间长约1ms，体积大，工作频率低，体积大，工作频率低，通断时有机械抖动现象，一般用于低速高精度检通断时有机械抖动现象，一般用于低速高精度检测系统。如干簧继电器、水银继电器等。测系统。如干簧继电器、水银继电器等。第62页，共169页，编辑于2022年，星期一 (2)电子无触点式：集成模拟多路开关。切换速度电子无触点式：集成模拟多路开关。切换速度快，体积小，应用方便，比机械式导通电阻大（几十快，体积小，应用方便，比机械式导通电阻大（几十几百欧），输入电压、电流容量小，动态范围有限，几百欧），输入电压、电流容量小，动态范围有限，各通道间有时会互相串扰。常用于高速且系统体积小各通道间有时会互相串扰。常用于高速且系统体积小的场合。的场合。4、举例、举例8选选1单端输入模拟开关单端输入模拟开关CD4051。原理图如图。原理图如图2.10所示，有三根二进制的控制输入端和一根禁止输所示，有三根二进制的控制输入端和一根禁止输入端入端INH（高电平禁止（高电平禁止）。片上有二进制译码器，由）。片上有二进制译码器，由A、B、C三个二进制信号的状态决定在三个二进制信号的状态决定在8个通道中选择一个通道中选择一个使其导通，使输入和输出接通。而当个使其导通，使输入和输出接通。而当INH为高电平为高电平时，无论时，无论A、B、C为何值，为何值，8通道均不通。通道选择通道均不通。通道选择表如后所示。表如后所示。第63页，共169页，编辑于2022年，星期一图2.10 CD4051原理图第64页，共169页，编辑于2022年，星期一CD4051引脚图引脚图第65页，共169页，编辑于2022年，星期一 CD4051通道选择表通道选择表第66页，共169页，编辑于2022年，星期一技术指标：技术指标：数字电平数字电平3V15V;模拟电平模拟电平15Vp_p VDD-VEE=15V,输入幅值输入幅值15Vp_p时，导通电阻时，导通电阻80欧欧 VDD-VEE=10V,断开电流为断开电流为10pA,静态功耗静态功耗1微瓦微瓦优点：较宽的数字和模拟信号电平优点：较宽的数字和模拟信号电平缺点：输入输出之间无隔离；缺点：输入输出之间无隔离；导通电阻大；导通电阻大；漏电流大。漏电流大。实际选用多路转换开关时，常考虑通道数、最大输入电压、实际选用多路转换开关时，常考虑通道数、最大输入电压、切换速度、通道串扰等指标。切换速度、通道串扰等指标。返回第67页，共169页，编辑于2022年，星期一2.3.4 采样、量化及常用的采样保持器采样、量化及常用的采样保持器1、信号的采样、信号的采样 定义：按一定的时间间隔定义：按一定的时间间隔T，把时间和幅值上，把时间和幅值上连续的模拟量信号，转变成在时刻连续的模拟量信号，转变成在时刻0、T、1T、2T、KT的一连串脉冲输出信号的过程称为的一连串脉冲输出信号的过程称为采采样过程样过程。如图。如图2.11所示。所示。第68页，共169页，编辑于2022年，星期一图图2.11信号的采样过程信号的采样过程称为采样宽度，表示采样开关（器）的闭合时间。采称为采样宽度，表示采样开关（器）的闭合时间。采样后的脉冲序列称为采样信号样后的脉冲序列称为采样信号 ，采样器的输入信号，采样器的输入信号称为称为原信号原信号。采样信号。采样信号 是离散的模拟信号（是离散的模拟信号（时间时间上离散，幅值上连续上离散，幅值上连续）。）。第69页，共169页，编辑于2022年，星期一 香农定理香农定理：如果模拟信号频谱的最高频率为：如果模拟信号频谱的最高频率为Fmax，只要按照采样频率，只要按照采样频率f2 Fmax进行采样，那进行采样，那么采样信号就能唯一地复现么采样信号就能唯一地复现y(t)。实际中，常取实际中，常取f(5-10)Fmax 2、量化量化 量化：量化：采用一组数码（如二进制码）来逼近离采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信散模拟信 号的幅值，将其转化为数字信号。号的幅值，将其转化为数字信号。量化单位：量化单位：字长为字长为n的的A/D转换器把转换器把yminymax范围内变化的采样信号，变换为数字范围内变化的采样信号，变换为数字02n-1，其，其最低有效位（最低有效位（LSB）所对应的）所对应的模拟量模拟量q称为量化称为量化单位单位。第70页，共169页，编辑于2022年，星期一 量化过程：量化过程：将采样信号转换为数字信号的过程称为将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。量化过程实际上是一个用量化过程。量化过程实际上是一个用q度量采样值幅度量采样值幅值高低的值高低的小数归整小数归整的过程；的过程；量化误差：量化误差：由于量化过程是一个小数归整的过程，由于量化过程是一个小数归整的过程，因而存在量化误差。因而存在量化误差。两种量化方法两种量化方法：只舍不入法：量化误差只舍不入法：量化误差emax-q；有舍有入法：小于有舍有入法：小于1/2q 舍去，大于舍去，大于1/2q 进入。量化进入。量化误差误差emax=1/2q。第71页，共169页，编辑于2022年，星期一当当A/D转换器的字长足够长，整量化误差足够小，可认为数转换器的字长足够长，整量化误差足够小，可认为数字信号近似等于采样信号，在此假设下，数字系统可用字信号近似等于采样信号，在此假设下，数字系统可用采样系采样系统理论统理论进行分析、设计。进行分析、设计。3、采样保持器