工作室报告2——模拟量的输入输出.doc

工程化模入模出的实现班级：自动化093姓名：吕凯学号：20090233131、 模拟量输入接口与过程通道 在计算机控制系统中，模拟量输入通道的任务就是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。传感器是将生产过程工艺参数转换成电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压（或电流）信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，将温度、压力、流量的电信号变成010mA或420mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。1.1、模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的一般结构如图2-14所示。过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流（或电压）形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。由2-14图可知，模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器，采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。图2-14 模拟量输入通道的组成结构1.2、信号调理和I/V变换 1、.信号调理电路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。（1）非电信号的检测-不平衡电桥电桥将电阻，电感，电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路。由于电桥电路具有灵敏度高，测量范围宽、容易实现温度补偿等优点，因此被广泛采用。图2-15所示为一个热电阻测量电桥，由三个精密电阻R1，R2，R3和热电阻RPT构成。激励源（电压或电流）接到E端。AB两端接到测量放大电路。 一般情况下R2=R3，R1=100，当测量温度为0时，RPT100（铂电阻分度号为Pt100），此时电桥平衡，输出电压Vout=0.。当温度变化时，RPT的阻值是温度的函数。 RPT（t）=R0+(t)*t=R0+R式中，R0为0时的电阻值，(t)是电阻温度系数，t为被测量温度。在某温度情况下，即要产生不平衡电压V,由V即可推算出温度值。 用热电阻测温时，工业设备距离计算机很远，引线将很长，若采用两线制连接，由于电线电阻，容易产生误差，为此，热电阻采用三线制于调理电路相连，如图2-16所示。引线A和引线B分别接在两个可抵消的桥臂上，引线的常值误差及温度变化引起的误差一起被补偿掉，这种方法简单、价廉，实践中可用于百米以上距离。图2-15 热电阻测量电桥电路图2-16 热电阻三线制接线图 信号放大电路基于ILC7650的前置放大电路如图2-17所示，对于热电偶信号调理可用前述信号放大电路。图2-17 ILC7650的前置放大电路AD526是可通过软件对增益进行编程的单输入的仪用放大器图2-18 AD526的内部结构和基本用法2、 I/V变换将变送器输出的电流信号变换成适于A/D转换器适用的电压信号。（1）无源I/V变换对于010mA输入信号，可取R1=100,R=500,且R2为精密电阻，这样当输入的I为010mA电流时，输出的V为05V。对于420mA输入信号，可取R1=100,R=250,且R2为精密电阻，这样当输入的I为420mA时，输出的V为15V。 （2）有源I/V变换有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成。R2为精密电阻，阻值为R=250,，通过取样电阻R2将电流信号转换为电压信号。取R3=1K，RF设定为4.7K电位器，通过调整RF的值，可使010mA输入对应于05V的电压输出，420mA输入对应于15V的电压输出。无源I/V变换无源I/V变换有源I/V变换 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。 结构原理（CD4051）CD4051有效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；当VddVEE=15V，输入的幅值为15V时，其导通电阻为80；当VddVEE=15V时，其断开时的漏电流为+10pA；静态功耗为1uW。CD4051的真值表 4、采样、量化及采样/保持器（1）信号的采样信号的采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。香农(Shannon)定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为max，只要按照采样频率S2max进行采样，那么取出的样品系列(f1*(t)，f2*(t)，)就足以代表(或恢复)f(t)。f(t) K f*(t) T（2） 量化量化过程：是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值， 将其转换成数字信号。量化单位为：ymax：转换信号的最大值； ymin：转换信号的最小值； n：转换后二进制数的位数。 （3） 采样保持器 如果直接将模拟量送入AD转换器进行转换，则应考虑到任何一种AD转换器都需要用一定的时间来完成量化与编码的操作。在转换过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的参量需取自同一瞬时，而各参数的AD转换又共享一个芯片，所得到的几个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转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完成上述任务的器件叫做采样保持器(Sample/Hold),简写为S/H。 孔径时间和孔径误差的消除：A/D转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称孔径时间，对随时间变化的模拟信号来说，转换期间将引起转换误差，这个误差叫做孔径误差。采样保持原理：采样保持器又叫做采样保持放大器（SHA），它的原理如图所示。它由采样开关S、保持电容C和缓冲放大器组成。其工作原理如下：SH有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。 采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保 证A/D转换期间输入恒定。常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF198/298/398等，其内部结构和引脚如图 选择采样保持器时主要考虑的因素包括：输入信号范围、输入信号变化率、多路转换器的切换速度、采集时间等。若输入模拟信号变化缓慢、A/D转换器转换速度相对很快，可以不用采样保持器。 5、A/D转换器计数器式双积分式逐次逼近式常用的AD转换器有： AD转换器原理： 计数器式AD转换器组成：计数器、DA转换器及比较器特点：结构简单，价格便宜，但转换速度比较慢。工作过程如下： AD转换器的主要技术参数（1）分辨率：分辩率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。 n位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。（2） 量程：量程是指所能转换的输入电压范围。（3） 转换时间：转换时间是指启动AD到转换结束所需的时间。（4） 对基准电源的要求：设计时应该考虑外界精密基准电源。（5） 线性误差：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，线性误差常用LSB的分数表示。 6、 AD转换器接口技术 （1） ADC0809与PC总线工业控制机接口 （2）ADC574与PC总线工业控制机接口二、模拟量输出接口与过程通道模拟量输出通道的作用： 模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键，它的任务是将CPU