计算机控制系统—过程通道技术_5.ppt

第二章过程通道技术 2 3数字量输入通道 2 4数字量输出通道 2 5模拟量输入通道 2 6模拟量输出通道 要点总结 2 5模拟量输入通道 2 5 2信号处理 2 5 3采样保持 2 5 4多路转换器 2 5 5A D转换技术 2 5 1模拟量输入通道的结构 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 2 5 1模拟量输入通道的结构 多路通道共享采样保持或模数转换 A D 电路 2 5 2信号处理 一 信号处理形式 二 常用的放大电路 三 I V变换 2 5 2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 2 5 2信号处理 一 信号处理形式 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 2 5 2信号处理 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 5 2信号处理 2 正比例放大器 2 5 2信号处理 3 跟随器 2 5 2信号处理 2 仪表放大器 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 2 5 2信号处理 2 仪表放大器 2 5 2信号处理 2 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 2 5 2信号处理 3 程控放大器 在模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 2 5 2信号处理 在也有许多集成的程控放大器 如AD524 AD624 PGA200等 2 5 2信号处理 3 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 2 5 2信号处理 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 2 5 2信号处理 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 V I R 就是所要转换的电压 对于0 10mA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0 10mA电流时 输出的电压为0 5V 2 5 2信号处理 有源I V变换 2 5 3采样保持 AD转换器将模拟信号转换为数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dU dt最大 转换时间一定 所以 U最大 2 5 3采样保持 令U Umsin t 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 2 5 3采样保持 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10 s 则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为 2 5 3采样保持 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 一是采样状态 二是保持状态 2 5 3采样保持 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 2 5 3采样保持 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A D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 2 5 4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 利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 ABC000X X0001X X1010X X2011X X3100X X4101X X5110X X6111X X7 2 5 5A D转换技术 一 A D转换原理 二 A D转换器技术指标 三 A D实现技术 2 5 5A 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 2 5 5A D转换技术 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 2 5 5A D转换技术 1 逐次逼近式 2 5 5A D转换技术 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 5 5A D转换技术 2 双斜率积分式 2 5 5A D转换技术 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 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 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 2 5 5A D转换技术 1 分辨率分辨率通常用数字输出最低有效位 LeastSignificantBit LSB 所对应的模拟量输入电压值表示 例如 AD位数n 8 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 10 12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 5 5A D转换技术 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100 s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0 5V 5 5V等 二 A D转换器技术指标 2 5 5A D转换技术 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