计算机控制系统通道

计算机控制系统通道本讲重点和难点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第2页,共49页，2024年2月25日，星期天3.3.1

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变换多路转换器采样/保持器A/D转换器第3页,共49页，2024年2月25日，星期天典型模拟量输入通道结构第4页,共49页，2024年2月25日，星期天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分析第5页,共49页，2024年2月25日，星期天3.3.2信号调理和变换电路分析3.3.2.1.信号调理电路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。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。第6页,共49页，2024年2月25日，星期天信号调理电路--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。第7页,共49页，2024年2月25日，星期天直流电桥图－1直流电桥的基本结构形式

第8页,共49页，2024年2月25日，星期天

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第9页,共49页，2024年2月25日，星期天若要使输出为零，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。第10页,共49页，2024年2月25日，星期天电桥的接法：单臂

半桥全桥第11页,共49页，2024年2月25日，星期天第12页,共49页，2024年2月25日，星期天电桥和差特性内容：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：

悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，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。第13页,共49页，2024年2月25日，星期天交流电桥电感电容传感器传感器●平衡条件第14页,共49页，2024年2月25日，星期天放大器的性能要求：开环增益足够大，闭环增益可调；输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc；足够的带宽和转换速率；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---信号放大第15页,共49页，2024年2月25日，星期天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R3UiR1R2∞A-++Uo第16页,共49页，2024年2月25日，星期天特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。

2.同相放大器R2R3UiR1∞A-++Uo信号调理电路---信号放大第17页,共49页，2024年2月25日，星期天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---信号放大第18页,共49页，2024年2月25日，星期天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---信号放大第19页,共49页，2024年2月25日，星期天信号调理电路---信号放大第20页,共49页，2024年2月25日，星期天集成仪用放大器INA114的内部结构：信号调理电路---信号放大第21页,共49页，2024年2月25日，星期天案例：INA114与测量电桥的连接信号调理电路---信号放大RPUoINA11418327654+5V-5Vu第22页,共49页，2024年2月25日，星期天案例：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---信号放大第23页,共49页，2024年2月25日，星期天当激光器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

第24页,共49页，2024年2月25日，星期天5.程控增益放大器信号调理电路---信号放大第25页,共49页，2024年2月25日，星期天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信号转换第26页,共49页，2024年2月25日，星期天（2）负载接地型V/I转换电路

(取)3.3.2.2信号转换第27页,共49页，2024年2月25日，星期天案例：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信号转换第28页,共49页，2024年2月25日，星期天利用AD694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0.01μF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信号转换第29页,共49页，2024年2月25日，星期天要求:（1）电流源内阻RS很大，减小输入失调电压影响；（2）IS>>Ib——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

RSR2R1I3.3.2.2信号转换第30页,共49页，2024年2月25日，星期天（2）同相输入型要求：R4=R2//R3例如：4~20mA→0~10V

取R1=250Ω，I=

4~20mA→

Ui=1~5V→Uo=0~10V

，，，，Uo∞-+A+UbR3R1I

R4R2Ui3.3.2.2信号转换2.电流-电压转换第31页,共49页，2024年2月25日，星期天3.电压-频率转换

当Uo1=0>UREF时，输出Uo为高电平，V1截止，积分器对Ui积分，使Uo1减小。当Uo1<UREF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)第32页,共49页，2024年2月25日，星期天案例：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信号转换第33页,共49页，2024年2月25日，星期天结构原理（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。第34页,共49页，2024年2月25日，星期天3.3.5A/D转换直接比较型—模拟信号直接参考电压比较，得到数字量。类型有：逐次比较、连续比较···优点：瞬时比较，转换速度快。间接比较—模拟信号与参考电压先转换为中间物理量，再进行比较。缺点：抗干扰能力差。类型有：双斜式、积分式、脉冲调宽···优点：平均值比较，抗干扰能力强。缺点：转换速度慢。A/D转换器分类按速度分：高、中、低按精度分：高、中、低按位数分：8、10、12、14、16按工作原理分:3.3.5.1A/D转换器的分类第35页,共49页，2024年2月25日，星期天3.3.5.2

主要技术指标1.

量程

量程—

A／D转换器能转换模拟信号的电压范围。什么是〞量程〞

？例如：0～5V，

-5V～+5V，

0～10V，

-10V～+10V。第36页,共49页，2024年2月25日，星期天3.3.5.2

主要技术指标设A／D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则分辨率定义为：相对分辨率定义为2.

分辨率A／D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。

什么是〞分辨率〞

？第37页,共49页，2024年2月25日，星期天3.3.5.2

主要技术指标表3.3.5.1A／D转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为10V)

位数

级数

相对分辨率（1LSB）

分辨率（1LSB）8101214162561024409616384655360.391%0.0977%0.0244%0.0061%0.0015%39.1mV9.77mV2.44mV0.61mV0.15mVA／D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。因此，目前一般用位数n来间接表示分辨率。可得出A／D转换器分辨率与位数之间的关系

第38页,共49页，2024年2月25日，星期天3.3.5.2

主要技术指标例如：一个12位A／D转换器，理论模拟输入电压为5V时，对应的输出数码为100000000000。实际在4.997V～4.999V范围内的模拟输入电压都产生这一输出数码，则存在问题：在A／D转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码。

约定：上述定义的模拟输入电压则限定为量化带中点对应的模拟输入电压值。3.

精度对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。相对精度—

绝对精度与满量程电压值之比的百分数。第39页,共49页，2024年2月25日，星期天精度：转换后所得结果相对于实际值的准确度；分辨率：转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。分辨率高的A/D转换器，可能因为温度漂移、线性不良等原因，并不一定具有很高的精度。思考题某电子秤，其压力传感器的电压输出与压力成正比，采用12位的A/D转换器，采用有舍有入的量化，量程为0-10V。当输入模拟信号电压落在4.997V-4.999V范围时，得到数字信号是1000_0000_0000B。(1)求此A/D转换器的绝对分辨率和绝对精度；(2)采用此电子秤进行称重的顾客是赚还是亏？(1)绝对分辨率：10/2^12=0.002441000_0000_0000B转换的模拟量2^11*10/2^12=5v(2)

4.997V-4.999V舍入为5v1v0.83333333v0.91v精度与分辨率第40页,共49页，2024年2月25日，星期天3.3.5.2

主要技术指标4.

转换时间和转换速率

转换时间tCONV—

按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。转换速率—

每秒钟转换的次数。下面讨论tCONV与转换精度、信号频率的关系。转换时间取决于所要求的转换精度和被转换信号的频率。①当精度一定时，信号频率↑，tCONV↓；②当信号频率一定，

tCONV

↓，△U↓。第41页,共49页，2024年2月25日，星期天5．对基准电源的要求

设计时应该考虑外界精密基准电源。6．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，如1/2LSB或1LSB。3.3.5.2

主要技术指标第42页,共49页，2024年2月25日，星期天1.8位A／D转换器ADC0809主要特点：分辨率8位；转换时间100

s；温度范围-40～+85℃；可使用单一的+5V电源；可直接与CPU连接；输出带锁存器；逻辑电平与TTL兼容。3.3.5.3

A/D转换器第43页,共49页，2024年2月25日，星期天电路组成及引脚功能

ADC0809有28条引脚。OE3.3.5.3

A/D转换器①模拟量输入线IN7～IN08条：用来输入模拟量②地址输入和控制线4条

ALE→地址锁存允许输入线

A、B、C→地址输入线③数字量输出及控制线11条

START→转换启动信号，为高电平时转换开始

EOC→转换结束信号EOC=1→转换结束

EOC=0→正在进行A/D转换

OE→输出允许信号OE=1→输出转换得到的数据

OE=0→输出数据线呈高阻状态

D7～D0→数字量输出线④电源线及其它5条

VCC→+5V电源线

GND→地线

VREF（+）和VREF（-）→参考电压

CLOCK→时钟输入信号线第44页,共49页，2024年2月25日，星期天》1》1》1/RD/WR/ADDRESS/INTERRUPTINTERRUPTOEEOCSTARTALE10进行A/D转换：001A/D转换结束：110001000第45页,共49页，2024年2月25日，星期天采用中断方式

2.8位A/D转换器的程序设计1010001》1》1101001第46页,共49页，2024年2月25日，星期天采用查询方式将A/D转换器的结束信号送到CPU数据总线或I/O接口的某一位上，转换开始后便开始查询转换是否结束，一旦结束，就读出转换结果。2.8位A/D转换器的程序设计》1》1001100101010第47页,共49页，2024年2月25日，星期天采用查询方式例题START:MOVR0,#00H；建立外部RAM缓冲区地址指针

MOVP2,#0A0HMOVR3,#00H；置采样次数计数器初值

MOVR4,#00HMOVR6,#08H；设通道计数器初值AGAIN0:MOVDPTR,#7FF0H；通道地址寄存器设初值7FF0H=0111111111110000B,P2.7=0,P0.0=0,P0.1=0,P0.2=0,选中0号通道