第2章 计算机控制课件

1、 自动化学院 23图图2-1 过程通道组成结构图过程通道组成结构图 过程通道起到了cpu和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。包括模拟输入通道、模拟输出通道、数字输入通道和数字输出通道四种，如图2-1所示。4表表2-1 生产过程输入输出信息来源与用途生产过程输入输出信息来源与用途信息种类信息种类输入信息来源或输出信息的用途输入信息来源或输出信息的用途模拟量输入模拟量输入数字量输入数字量输入脉冲计数器脉冲计数器模拟量输出模拟量输出数字量输出数字量输出温度、压力、物位、转速、成分等温度、压力、物位、转速、成分等接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等接点的通断状态、电平高低状态、数字

2、装置的输出数码等流量积算、电功率流量积算、电功率计算、转速及脉冲形式的输入信号等、转速及脉冲形式的输入信号等控制执行装置、显示、记录等控制执行装置、显示、记录等对执行器进行控制、报警显示等对执行器进行控制、报警显示等5 模拟输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。通常也把模拟量输入接口简称为ad通道。主要由信号调理单元、多路转换开关、程控放大器、采样保持器、a/d转换器和控制电路组成。图2-2 模拟量输入通道方框图6 传感器的作用：主要是将物理信号转变为电信号。 工业过程中主要的物理参数有：温度压力流量物位（液位）机械量成分7温度传感器k型热电偶：型热电偶： -2001000

3、3 ，400 0 .75， 400 j型热电偶：型热电偶： -2001200 1.1 2.2 t型热电偶：型热电偶： -200200 1.5 ， -20050 0.75 ， 502008热电阻：精度高，性能稳定，测温范围宽，一般为-200 +600 ，工业中精确测温大多用该类传感器。其类型有：pt100、pt50、cu50等。工业a级的pt100，精度为0.15 （标定前）910集成温度传感器：其特点是灵敏度高，线形好，体积小，直接输出电信号或数字信号，使用方便，精度为0.5，其常用的型号为ad590和ds18b20。测量温度范围为：测量温度范围为： -55 +125 ，在，在-10+85 范

4、围内范围内,精度精度为为0.5 112. 压力传感器表压或绝压压力传感器：pt110s-10b133型压力传感器： 测量范围：010bar(公斤） 基本测量精度：0.25%fs压力接口：m20*1.5输出方式：420ma接线端子: din接头生产厂家:上海奇正电子12压差传感器：1151型压差传感器： 测量范围： -10100kpa 基本测量精度： 0.25%不确定度: 500pa 13微压差传感器：b0300b0300型压差传感器（扩散硅型压差传感器（扩散硅型）：型）： 测量范围：测量范围： 0 0500pa 500pa 基本测量精度：基本测量精度： 0.15%0.15%14大气压力传感器：

5、ptb100型压力传感器： 测量范围： 80106kpa 基本测量精度： 30pa153.流量传感器涡轮型流量传感器：lwgy-50a型涡轮流量传感器： 测量范围： 04m3/h 基本测量精度：1.5%16旋涡（涡街）流量传感器：yfl00型旋涡流量计 ： 基本测量精度： 1% 在流体中插入一个圆柱体或角柱体，则会从其两侧交替地产生旋涡。在一定的条件下，这些旋涡的发生频率与流速成正比。本流量计就是应用这个原理，通过测试旋涡的频率，实现流量测量的。 17电磁流量传感器：ldck型电磁流量计 ： 基本测量精度： 0.5%18超声波流量传感器：1010sn型超声波流量计 ： 基本测量精度： 0.5%

6、19孔板式流量传感器：hzkl-m型孔板式流量计 ： 基本测量精度： 1%204.液位传感器磁致伸缩液位传感器：传感器： 测量范围：0.25m基本测量精度：0.05%21压力型液位变送器：jyb-k*-*型液位变送器量程：0-0.5m,4m,100m精度：a级0.25 b级0.522信号调理的作用：主要是将传感器送来的非标准电信号转变为标准的电信号，即变送器所做的工作。23模拟信号调理的功能低电压信号低电压信号电流输入电流输入/输出输出rtds 和热敏电阻和热敏电阻热电偶热电偶应变仪应变仪隔离、放大噪声、滤波隔离、放大噪声、滤波电流与电压的转换电流与电压的转换;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，

7、噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿冷端补偿激励电源激励电源隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波激励电压激励电压全桥和半桥设置全桥和半桥设置隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波多功能多功能i/o24电桥电路是最常见的信号调理电路之一，通常用于微电压、热电偶和应变测量中。图2-3 热电偶变送器输入电路 i =1mar16=r21=10ki1=i20.5ma。其它电阻200r24=rrp2=10025从图2-3可知2ieftabtcurp()vvevevv t1cueir 26 一般地，变送器实际设计时要求在冷端温度为20时完全补偿，此时应有200t1cu1cucu(2

8、0 0)()ee,irirr式中 e(20，0)表示冷端温度为0时，用热电偶测量被测温度为20的热电势 27icl76502）热电偶的输入电路28icl76503）热电阻的输入电路29在数据采集系统中，放大器的作用一般是：在数据采集系统中，放大器的作用一般是： 对信号幅度放大；对信号幅度放大； 增大输入阻抗，起到增大输入阻抗，起到 隔离和缓冲前后级单元；隔离和缓冲前后级单元； 抑制噪声，提高信噪比；抑制噪声，提高信噪比； 其他作用，如电压、电流变换其他作用，如电压、电流变换、量程切换、极性量程切换、极性自动变换自动变换等。等。30 仪表放大器与普通运算放大器区别：运算放大器只是在信号为单纯有效

9、，而没有干扰的情况下方可用于小信号放大；普通运算放大器对于来自信号源的共模干扰信号不能有效地起到抑制作用；具有高输入阻抗，低输出阻抗，强抗共模干扰能力，低温漂、低失调电压和高稳定增益。广泛应用于微弱信号的检测系统中，作为前置放大器；31 仪表放大器的原理结构gfrrg/21 6543rrrrfrrr21-+-+-32g49.41kgr 33 ad620仪表放大器在单电源测量中的应用 ad705构成的电压跟随器为ad620提供了vref，以提高其输出摆幅的中心点，以防止信号在负半波被削波。34 ad620仪表放大器在差分屏蔽驱动接法中的应用在许多应用场合，常采用屏蔽电缆方法来减小输入端的噪声干扰

10、。对屏蔽给予适当的驱动，可减小电缆电容和杂散电容造成的差分相移，保证交流共模抑制比不下降。35 ad620仪表放大器在公共屏蔽驱动接法中的应用363. 隔离放大器隔离放大器 在有强电或强电磁的干扰环境线，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道通常采用隔离技术，隔离放大器作用是在输入信号与输出信号之间保持电气隔离的同时实现输出电压与输入电压的线性传输37根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要可分为三种:38p-p39p-p40 ad210隔离放大器在热电偶测量中的应用，其冷端采用ad590补偿。温度变化范围040，电路总增益为183（集成运放op07的增益为100，ad210的增益为1.

11、83）41 工业自动化仪表采用的变送器大多是ddz-型电动单元组合仪表，采用线性集成电路，其输出信号为420ma的国际标准。42 (1)无源iv变换 无源iiv变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施， 对于010ma输入信号，可取r1=10043 44利用同相放大电路，把电阻r1上产生的输入电压变成标准的输出电压。 ，4546调理模块的选择传感器和信号传感器和信号 热电偶热电偶 rtds 热敏电阻热敏电阻 应变仪应变仪 电压信号电压信号微伏，毫伏，伏微伏，毫伏，伏 电流信号电流信号4 20 ma, 0 20 ma 数字信号数字信号l信号调理l多路复用l放大l隔离l滤波l

12、传感器激励l冷端补偿47 多路转换器又称多路开关，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。为了提高过程参数的测量精度，对多路开关提出了较高的要求。 理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换 速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。48常用的多路开关有cd4051、cd4052、cd4067、ad4097等。491.cd40511.cd405150 它是单端的8通道开，它有3根二进制的控制输入端和 1根禁止输入端inh(高电平禁止)。通道选择表如表2.3所示。51 cd4051有较宽的数字

13、和模拟信号电平，数字信号为315v，模拟信号峰峰值为15v p-p ； 当vdd-vee=15v，输入幅值为15vp-p时，其导通电阻为 80522.cd40522.cd405253 cd4052是双4对1多路开关，其内部有两个完全独立（电绝缘）的4选1模拟开关，其真值表如表2-4所示。54 可编程放大器的放大倍数随时可由一组数字序列控制，这样，在mux改变其通道序号时，放大电路也由相应的一组数字序列控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数。 在计算机测控系统的模拟输入通道中，由于被测量所处的环境和时间不同，可能会造成其变化范围不同，因此希望能自动改变放大器的增益，使信号通过放大

14、器后，具有合适的动态范围，即实现自动里程切换，以便于a/d转换。 在多路数据采集系统中，也可能遇到各路信号动态范围不一致的情况，这时希望放大器对不向的通路具有小同的增益，以实现相同的动态输出。55用仪表放大器实现的可编程增益放大器56 基于上述原理的器件有lh0084，控制信号dld0通过控制逻辑驱动模拟开关切换运算放大器的反馈电阻。dld0的四种组合对应l、2、5、10共4种程控增益值。571采样保持器的作用采样保持器的作用sinmuutcos2cosmmduutfutdt式中um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率 。58 假定a/d转换器之前无采样保持器，在坐标的原点上，正弦信号的最大变化

15、率为2mufut取t=ta/d 则得原点处转换的不确定电压为a/d2mufu t误差百分数a/d100%2100%muftu59由此可见，对于一定的转换时间ta/d，误差的百分数和信号的频率呈正比。一个10位的a/d转换器（量化误差为0.1%），孔径时间ta/d为10s，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为262/0.116hz2102 10 1010a dft 此例表明，尽管信号频率不算高，但对a/d转换速度要求太苛刻。解决的方法就是在a/d转换之前加采样/保持器。保证a/d转换在保持期间进行，以便有足够的时间完成。60 由此可见：如果直接用a/d转换器对模拟量进行采样，由于模拟量的变化，

16、将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的量均需要取同一瞬时的值，若仍直接送入ad转换器进行转换(共用一个ad)，所得到的几个分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变换器的输入信号能够跟踪模拟量的变化，能够完成上述任务的器件叫采样保持器，简称 s/h。61 由以上分析可知，采样/保持器是一种与锁存器作用相当的模拟电路元件。 一个理想的采样/保持器工作原理下图所示，采样保持的输出，在采样周期内跟踪电压输入，并在保持周期内把它保持在最后跟踪的模拟电压值。为了表示清晰起见，在图中将输出曲线稍微偏离输入一

17、点。62 最简单的采样保持电路是由一个电容器和一个开关组成，如下图所示。63采样保持器的结构原理 采样时，开关k闭合，由于a1输出阻抗很小，电容ch快速充电，即电容器的电压跟随输入电压的变化。 保持时，开关k断开，由于a2输入阻抗很大，流入a2的电流几乎为0，则电容器的电压保持不变。-+-a1a2vout输入阻抗很高输入阻抗很高输出阻抗很低输出阻抗很低vin控制端控制端kch 注意：这里的“保持时”就是a/d转换器的“转换过程”，即“a/d的采样时”。64(1)采样/保持器的作用 稳定地保持模拟信号以便能够完成a/d转换。在测量中同时对若干个模拟输入量采样(每个输入需 要一个采样/保持电路)。

18、 消除a/d转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。65(2)采样保持器的的主要参数 孔径时间tap：在采样保持器中，由于模拟开关有一定的动作滞后，从保持命令发出后至模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间，一般是纳秒级。这个时间由器件的开关动作时间决定。 值得注意的是采样保持器的孔径时间tap与a/d转换器的孔径时间ta/d完全不同孔径时间不确定性tap。它是孔径时间的变化范围。孔径时间可以提前发出保持命令加以克服，而tap是随机的，所以它是影响采样精度的主要因素之一。66转换速率：指输出变化的最大速率，以v/s为单位; 采集时间(捕捉时间)tac：采样保持器处于保持模式时，从计算机发出采样命

19、令，由“保持”转为“采样”后，采样保持器的输出值由原来的保持值过渡到跟踪当前输入信号值所需的时间，称为捕捉时间 包括开关动作时间，达到稳定值的建立时间和保持值到终值的跟踪时间，它是影响采样频率提高的主要因素，但不影a/d转换精度。67下跌率(衰减率)：在进入保持阶段后，由于开关的漏电流及保持电容泄漏，输出电压会下降，以mv/s表示。在选择保持电容的容量时要折中地考虑采集时间和下跌率。 增大电容可减少保持电压的下降率，提高精度，但会增多捕捉时间。68 因此，通常采取的办法 是努力减小泄漏电流，采用高输入阻抗的运放作为缓冲放大器，选择优质电容如聚四氟乙烯电容作为保持电容，选用漏电流小的模拟开关等。

20、(3)常用的采样保持器芯片廉价的： lf398通用的： ad582、ad583高速型： ths-0060 超高速： ths-0010 69lf398的工作原理及主要性能主要技术指标：工作电压: 518v；采样时间：10m。 当控制逻辑in+脚加“1”时，则开关闭合，处于采样； 当控制逻辑in+脚加“0”时，则开关断开，处于保持； 这样刚好与adc0809的转换结束脚eoc相连（结束时为“1”）70ad582的工作原理及主要性能主要技术指标：工作电压: 918v；采样时间：6m。 当控制逻辑logic+脚加“0”时，则开关闭合，处于采样； 当控制逻辑logic+脚加“1”时，则开关断开，处于保持

21、； 这样刚好与ad574a的转换结束脚sts相连（结束时为“0”）71a/d转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中，得到了广泛的应用。1.a/d1.a/d转换器的类型转换器的类型1）逐步逼近法利用d/a转换器输出推测信号与模拟输入信号进行比较，再修正，直到逼近输入信号。属于中速属于中速a/da/d转换器转换器如：adc08098位带选择开关，120s; ad574a 12位 adc121012位无输出锁存器722）积分方式先对输入模拟电压进行定时积分，然后转向对标准电压进行反向积分，测量时间t的脉冲数。属于慢速a/d转换器

22、如：cc14433、5g14433、icl71353）v/f变换式如：ad6524）双极型属于高速a/d转换器，20100ns5）-型属于高分辨率、中速a/d转换器。如：ad7701（16位）、ad7710(24位）6）余数反馈比较型属于高精度a/d转换器，如：ad7884 ，16位高速高精度，6s73分辨率：通常用数字量的位数n(字长)来表示，如8位、12位、16位等。分辨率为n位表示,它能对满量程输入的12n的增量作出反映，即数字量的最低有效位(lsb)对应于满量程输入的12n。若n=8，满量程输入为5.12v，则lsb对应于模拟电压为：5.12v28=20mv。量程 它是指所能转换的电压

23、范围。如5v、10v等。74转换精度 它是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。a/d转换器的转换精度取决于量化误差q、微分线性度误差dnle和积分线性度误差inle 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积分线性度误差inle 。 每转换一步（即转换最低有效位(lsb)，偏离理想转换特性的误差定义为微分线性度误差dnle 。线性误差常用lsb的分数表示，如1/2lsb或1lsb。75 通常用绝对精度和相对精度两种表示方法。绝对精度常用数字量的位数表示法，如绝对精度为1/2lsb；相对精度用相对于满量程的百分比表示如满量程为10v的8位ad转换器，其绝对精度为，81/2 10/2

24、19.5mv 而8位a/d的相对精度为8(1/2)/2100%0.19% 精度和分辨率不能混淆。即使分辨率很高，但温度漂移、线性不良等原因可能造成精度不是很高。76对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。转换时间（即孔径时间ta/d ）：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。工作温度范围： 较好的a/d转换器的工作温度为-4085，较差的为070。77 各厂家的a/d转换器芯片不仅型号五花八门，性能各异，而且功能相同的引脚命名也各不相同，没有统一的名称，但从使用的角度来看，任何一种a/d转换器芯片一般具有以下输出信号线。（1）

25、转换启动线(输入) 它是由系统控制器发出的一种控制信号，此信号一旦有效，转换立即开始。（2）转换结束线(输出) 转换完毕后由a/d转换器发出的一种状态信号，由它中断或dma传送，或作查询之用。78 （3）模拟信号输入线 来自被转换的对象，有单通道输入与多通道输入之分。（4）数字信号输出线 由a/d转换器将数字量送给cpu的数据线。数据线的根数表示a/d转换器的分辨率。 有的ad转换器还有时钟输入线和模拟输入通道选择线79 输入输出线对于不同类型的a/d转换器又有差异，因此，在选择和使用ad转换器芯片时，除了要满足用户的转换速度和分辨率要求之外，还要注意a/d转换器的连接特性，一般有以下几点。a

26、/d转换器芯片的转换启动信号是用电平启动还是脉冲沿启动。对那些要求用电位启动的ad芯片，如ad574要求用低电平启动，必须在转换过程中一直保持低电平有效，如果在转换过程结束之前将启动信号撤销，就会终止转换过程，而得到错误的转换结果。80a/d转换器芯片内是否带有三态门输出锁存器来输出数字量。若有，则输出线可与cpu的数据总线直接连接；若无，则需外加锁存缓冲器。输出数字量的形式，是二进制还是bcd码。如mcl4433就是bcd码输出，故可以直接送到显示器进行十进制数字显示。81 82ad574a的引脚特性 10vin、20 vin、bipoff：模拟电压信号输入线，当输入电压量程为dc10v时，

27、电压信号从10vin脚输入，如为dc20v时，电压信号从20v1n脚输入。l 在单极性输入方式下，bipoff引脚接模拟公共地；l 在双极性输入方式下，bipoff引脚可接-5v(-5+5v输入信号)或-10v(-10+10v输入信号)。 bipoff双极性偏置83 vdd：模拟电路工作正电源输入线，电压为dc+12v或dc+15v；vee：模拟电路工作负电源输入线，电压为dc-12v或dc-15v； agnd：模拟电路公共接地线； vcc：数字电路工作正电源输入线，电压为dc+5vdgnd：数字电路公共接地线 refout：内部基准电源输出线，提供dc+10v(1)的基准电压；84 refi

28、n：a/d转换基准电压输入线，将refout输出线通过电阻与refin输入线连接，可以调整输入转换电压的量程范围。sts：转换结束输出信号线。 a/d转换时，为高电平； a/d转换结束后，为低电平。 d0d11：转换数据输出线。85 （11）ce：使能信号输入线，高电平有效（12）cs：片选信号输入线，低电平有效。 （13）r/c：读、起动转换控制信号输入线，高电平时，表示操作是读取ad转换数据；低电平时，表示操作是起动a/d转换。 （14）12/8：12位、8位数据读取方式选择输入线，此线不能采用ttl电平控制，必须直接接在vcc或数字地上。 当接在vcc时，一次读出12位数据； 当接在数字

29、地上时，分2次读出12位数据。86 （15）a0：字节选择控制输入线。 在起动a/d转换时： a0 低电平，产生12位的转换； a0 高电平时，只产生8位的转换。 在读取数据操作时： a0低电平，输出高8位的转换数据； a0高电平时，输出低4位的转换数据。87ad574的单极性和双极性输入电路 ad574单极性输入电路 ad574双极性输入电路88模拟量输入接口设计）ad574与isa总线前62根信号线（即pc/xt总线）的接口89 图中，双向缓冲器74ls245用于数据缓冲，当iow=0时， r/c=0， dir=0（74ls245数据传送方向由b0b7到a0a7） ，系统用假定外设操作来启

30、动ad574作双极性a/d转换。当iow=1时， r/c=1， dir=1 ，系统通过74ls245读ad574转换结果。 系统地址a0接ad574的a0时： 当用偶地址写ad574时，启动进行12位a/d转换；否 则，启动进行8位ad转换。 当用偶地址读ad574时，读出高8位；否则读出低4位。90采集程序如下： mov dx，adport ； adport为偶地址 out dx，al ；假写外设操作，启动12位 a/d转换 call delay ；调用延时100911q2q9q4q3q5q6q8q7q11q10q01t 2t 3t 4t 5t7t6t8t9t 10t 11t 12tvtvd

31、c理想理想adc对直流对直流vdc的采样的采样 常规adc对一恒定直流电压的多次采样，得到的数字输出量总是相同的，但由于受到其量化误差的限制，输出值不一定能真实反映输入值！92过采样的概念 针对上述情况，如果在这个输入直流电压上叠加一个交流信号，并用比这个交流频率高得多的采样频率进行采样，此时得到的数字是变化的，用这种采样结果的平均值表示adc的转化结果，便可以得到比常规adc高得多的分辨率，这种方法称之为“过采集”（over-sampling)93101235467677vdi(v)10111111101000015556utx(t)x(t)94 - a/ d转换器的基本思路：用x(t) 代

32、替x(t) ，必须t和 u充分小，才能保证一定的精度，每个离散值由其相应的阶梯高度电压分段单元的总和来表示，这张表如同一张离散数据表，有了这张表，我们就可以根据采样率的要求，在确定的时间(t)，从表中读取相应的离散值 unii095-进行a/d转换的过程大体分为两步：1）产生一个用来拟合输入信号x(t)的阶梯波x(t) ，即对信号进行调制，求u，这部分由调制器来完成。2）计算x(t) = 并转换成二进制代码，再根据采样率要求进行抽取滤波，这部分工作由数字滤波器来完成。unii0调制器调制器延时存储器延时存储器 数字滤波器数字滤波器采样抽取采样抽取模拟输入模拟输入时钟脉冲时钟脉冲320khz串行

33、输出串行输出1位位写地址写地址读地址读地址4.8mhz并行输出并行输出串行输出串行输出dsp读读/写操作写操作96注意：这里的注意：这里的uref 数值很小数值很小!+-+-+-dcclku1uoutuinu2u3u4+uref-uref320khzd触发器触发器比较器比较器积分器积分器差分放大器差分放大器1位位d/a转换器转换器u1=uinurefu2=u1(k)+u2(k-1)u3=1或或0u4= +uref或或-uref010110197调制器调制器主要产生一个拟合输入信号主要产生一个拟合输入信号x(t)的阶梯波的阶梯波x(t) ， 即对信号进行调制。即对信号进行调制。目的有目的有2个：

34、个： 1）提高采样频率提高采样频率，以减少采样噪声；，以减少采样噪声； 2）调制器内有）调制器内有一个积分器一个积分器起到起到模拟低通滤波器模拟低通滤波器的作用，的作用，以过滤高频噪声，相当于以过滤高频噪声，相当于前置滤波器前置滤波器的作用，使信的作用，使信号频率均在采样频率之内。号频率均在采样频率之内。98延时存储器延时存储器用于存储调制器输出的每位用于存储调制器输出的每位 数码值。数码值。 数字滤波器和抽取数字滤波器和抽取对对1bit1bit数据流求平均值，即计算并数据流求平均值，即计算并 移去带外（移去带外（fs/2kfs/2）的量化噪声，）的量化噪声， 改善改善adcadc的分辨率。的

35、分辨率。niiutx0)(996.20位a/d转换器ad7703（自学） ad7703 它是美国adi公司推出的20位单片a/d转换器，由于采用了过采样-转换技术和和片内自校准控制电路，不仅具有精度高、成本低、工作温度范围宽、噪声低、抗干扰能力强等特点，而且具有灵活的串行输出模式，极易和单片机接口，适用于工业过程参数检测、遥控检测和户外智能化仪器仪表。100ad7703的主要性能： 20位分辨率； 最大非线性误差为0.0003%； 满量程误差为4lsb，典型有效值噪声1.6lsb； 片内自校准系统； 低通滤波器的转折频率为0.110hz； 数据传输率为4khz； 灵活的串行接口； 工作温度范围

36、：a、b、c级为-40+85，s级为-55+125； 超低功耗：正常工作为40 mw，睡眠状态为10 w。101ad7703的内部结构102引脚功能（ 1）mode（1脚）串行接口方式选择。接数字地时工作于同步外部时钟 通信方式，接+5v时工作于同步内部时钟通信方式；（）clkin和clkout（3、2脚）在使用内部时钟时，此两脚接晶振，使用外部时钟时则由clkin端引入；（）sc1、sc2（4、17脚）校准选择端，决定校准类型；（）dgnd、agnd（5、8脚）数字地和模拟地 （）dvss、avss（6、7脚）数字、模拟负电源，接 -5v； （）ain（9脚）模拟输入信号的输入端。单极性输入

37、范围为0+2.5v，双极性输入范围为-2.5+ 2.5v 103（）vref（10脚）参考电压输入端，一般取+2.5v（）sleep（11脚）睡眠工作方式选择端，接低电平时工作于睡眠方式，功耗为10 w；（）bp/up（12脚）单、双极性方式选择端。接低电平时为单极性，接高电平时为双极性；（）cal（l3脚）校准控制端；（）dvdd、avdd（15、14脚）数字、模拟高电平端，接+5v； （）cs （16脚）片选信号，此脚为低电平时串行口发送数据； （）drdy（18脚）数据准备端。在输出数据寄存器内数据准备好时为低电平，完后为高电平 104（14）sclk（19脚）串行时钟输入/输出。同步外

38、部时钟方式时为输入，同步内部时钟方式时为输出；（15）sdata（20脚）串行数据输出口，由mode脚决定输出模式； ad7703的输出方式是以串口方式输出数据的。ad7703拥有两种方式的数字接口，即ssc方式（同步内时钟方式）和sec方式（同步外时钟方式）。 采用哪种方式由mode脚所加的电平决定。当mode1时，ad7703工作在ssc方式；当mode=0时，ad7703工作在sec方式。1057703在sec方式时的工作时序。 从时序图可看出，在cs下降沿串行数据的msb首先有效发送，其后的19位数据在外部时钟sclk的下降沿更新，上升沿才稳定有效发送。在最低位lsb送出后drdy和s

39、dada脚变为三态输出。106模拟量输入通道的小结信号调理信号调理工工业业生生产产过过程程传感器传感器传感器传感器传感器传感器多多路路转转换换开开关关mux信号调理信号调理信号调理信号调理s/h信号调理信号调理a/d转转换换器器工工业业控控制制计计算算机机总总线线与与接接口口温度温度/微电微电压等信号压等信号1.桥式电路桥式电路2.仪表放大器仪表放大器ad6203.隔离放大器隔离放大器ad2104.激励电源激励电源420ma电路信号电路信号i/v转换电路转换电路频率信号频率信号f/v转化电路转化电路cd4051/ad7501cd4052/ad7506cd4096/ad7507lf398ad58

40、2ths0060ad574aad7703isa总线总线pci总线总线rs485canethernetgpibvxi程程控控放放大大器器mcp6s2xlh0084107108 上图为一种8通道的模拟输入板原理图。它由2片多路开关cd4051（8路）（可以用1片cd4097代替）lf398、12位a/d转换器ad574a、仪表放大器ad625和接口电路8255a组成。该模拟输入板的主要技术指标如下： 分辨率:12位； 通道数双端：8路； 输入量程：单极性010v；双极性5v+5v； 转换时间：25s（a/d）； 线路误差：不大于0.02%； 应答方式：查询。109该模板采集一个数据的过程如下：）通

41、道选择：目的通道号写入端口c的低4位,使lf398对目的通道采样（lf398的工作状态受ad574的sts控制，ad574转换后sts=0，lf398处于采样状态）；）启动ad574a，并进行12位转换：通过pc6pc4输出控制信号启动ad574a；）查询ad574是否转换结束：读端口a，了解sts是否已由高电平变为低电平；）读取转换结果：读8255a端口a、b，便可得到转换结果（12/8脚接+5v，一次性输出12位）。110 下面为该过程数据采集程序。设主过程已对8255a初始化，且已装填ds、es（两者段基值同），8255a的地址为2c0h2c3h。采样值存入数据段中的采样值缓冲区buf。

42、ad574 proc near mov cx，8 cld ；字符串传送时，地址自动增1 pc6 pc5 pc4 pc3 pc0 mov bl，00h ；ce=0，cs =0，r/c =0，s3=s3=s1=s0=0 lea bx，buf ；指向存储区首地址nextch：mov dx，2c2h ；pc口 mov al，bl out dx，al nop111 nop or al，40h；ce=1，片使能，启12位a/d转换 out dx，al mov dx，2c0 ；指向pa口poling： in al，dx test al，80h ；查询pa7，即转换结果状态引脚sts的电平 jnz polin

43、g mov al，bl ；转换结束 or al，10h ；r/c =1， (pc4)使能读数据 mov dx，2c2h ;指向pc口 out dx，al or al，40h ；ce=1 (pc6) out dx，al112 mov dx，2c0h ；指向pa口 in al，dx and al，0fh ；读高4位 mov ah，al inc dx ；指向pb口 in al，dx ；读低8位 stosw ；将ax内容存储到buf为首地址的数据区 loop nextch mov al，00111000b ；ce=0， cs=r/c=1 mov dx，2c2h ；ad574a无效 out dx，al

44、ret ad574 endp 113114这种结构的优点是多方面的，归纳起来主要有如下几点： 1）主控计算机可以从频繁的采集控制中脱身而出去处理其它重要的事务，提高了计算机控制系统的整体控制能力和速度； 2）由于采用了分散控制，降低了系统死机的风险，提高的系统的可靠性； 3）由于数据采集cpu可以采用其它通用cpu，从而减低了设计难度、开发周期和成本；115 4）给数据采集通道的设计带来的极大的灵活性，也丰富了模拟量数据采集产品的多样化，人们可以不但可以设计出不同接口形式的采集模块，还可以根据被采集信号类型、性能要求设计出不同类型和规格的专用或通用产品；5）有利于采集专用芯片的开发。116 基

45、于上述思想由ad7703a/d转换器和at89c51单片机构成的模拟量信号采集电路。117归纳起来分为两大类： 一类是包含信号调理、多路转换开关、程控放大和a/d转换器的集成芯片。 这类芯片现有产品有adi公司的ad7710、ad7714、ad7734等，ti公司的ads1232、ads1234、ad1258等 另一类是在前者的基础上再加微处理器、存储器、通讯接口等完整电路的集成芯片 这类芯片现有产品有adi公司adc800系列，ti公司的msc1200系列等，silicon labs公司的c8051f系列等。1181ad7714 ad7714 它是美国adi公司推出的24位单片高性能a/d转

46、换器，由于内部集成了多路转换器、输入缓冲器、程控放大器、 -a/ d转换器、片内自校准控制等电路，因此它可以直接从传感器接收低电压信号并输出串行数字，适用于工业过程参数检测、遥控检测和户外智能化仪器仪表。ad7714引脚图119ad7714的主要性能： 24位分辨率； 最大非线性误差为0.0015%； 片内可编程放大器，其放大倍数1128； 具有3个差分模拟输入或5个准差分模拟输入及差分基准输入 ； 片内一个三阶数字滤波器处理，其一次陷波频率可编程控制； 低噪声（150nv，rms） 片内自校准系统； 灵活的串行接口，数据传输率为4khz； 工作电压：2.73.3v或4.755.25v； 工作

47、温度范围：-4085/105 ； 超低功耗：正常工作电流 226a，睡眠状态工作电流为4 a。120ad7714内部结构图121122ad7714数字接口工作时序123ad7714与at89c51cpu的接口电路1241251261273.aduc824数据采集单片机128aduc824单片机的特性2-channel, differential input, programmable gain, self-calibrating, 24-bit primary adc 3-channel, single-ended input, self calibrating, 16-bit auxilia

48、ry adc single 12-bit rail-to-rail voltage-output dac industry standard 8052 microcontroller 8k-byte in-circuit re-programmable flash program memory640-byte read/write accessible non-volatile flash data memory precision temperature sensor programmable pll clock & low power operating modes voltage

49、 reference, serial interface ports, watchdog timer, power supply monitor, etc embedded download/debug & emulation features 129aduc824单片机的设计应用130aduc824单片机a/d转换的精度计算 6.50422560077.024 131aduc824单片机在高级度温度检测实际接线情况132 过程计算机控制系统中，模拟量输出接口是实现控制输出的关键，它的任务是把计算机输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以控制调节阀或驱动相应的执行机构，达到计算机控

50、制的目的。 模拟量输出接口一般由接口电路、控制电路、数/模转换器、输出保持器、多路切换开关、信号转换和功放电路等构成，通常也把模拟量输出接口简称为da通道。133l 一个输出通路设置一个d/a转换器的结构形式 工工业业生生产产过过程程执行器执行器执行器执行器执行器执行器信号调理信号调理d/a转换器转换器工工业业控控制制计计算算机机总总线线与与接接口口d/a转换器转换器d/a转换器转换器功率放大功率放大v/i变换变换放大放大/变换变换锁存器锁存器1锁存器锁存器2锁存器锁存器3模拟量输出通道的结构形式134l 多个输出通路共用一个d/a转换器的结构形式 工工业业生生产产过过程程执行器执行器执行器执

51、行器执行器执行器多多路路转转换换开开关关mux信号调理信号调理v/i变换变换放大放大/变换变换s/h功率放大功率放大d/a转转换换器器工工业业控控制制计计算算机机总总线线与与接接口口s/hs/h135分辨率：指d/a能够转换的二进制数的位数，位数越多分辨率也越高。转换时间(稳定时间) ：指数字量输入到完成d/a转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。精度：指d/a转换器实际输出电压与理论值之间的误差。线性度：当数字量变化时，d/a转换器的输出量按比例关系变化的程度。136输入缓冲能力：da转换器是否带有三态输入缓冲器来保存输入数字量。数据的宽度：通常有8位、10位、14位、16位之分。电流型

52、还是电压型：即da输出的是电流还是电压。对电流输出型在1100ma；对电压输出型，其电压一般在510v之间。有些高电压型可达2430v。137输入码制：即d/a能接收哪些码制的数字量输入。单极性输出的d/a：只能接收二进制或bcd码；双极性输出的d/a：只能接收偏移二进制码或补码。单极性输出还是双极性输出：对一些需要正负电压控制的设备，应该使用双极性d/a转换器，或在输出电路中采取相应措施，使输出电压有极性变化。138 3. dacl210（与dacl208、dacl209是一个系列）是双列直插式24引脚集成电路芯片。 内部有输入寄存器和dac寄存器两个缓冲输入寄存器，一个精密硅-镉r-2rt

53、形网络和12个cmos电流开关；是电流相加型d/a转换器。dac1210的主要性能：输入数字为12位二进制数字；分辨率12位，电流建立时间ls ；供电电源+5+15v（单电源供电） ；基准电压vref范围-10+10v ；139dac1210 结构原理图140dac1210的引脚功能如下：l di0di11：转换数据输入接口线。l byte1/byte2：字节顺序控制。当此控制端为高电平时，输入锁存器中的12个单元都使能。当为低电平时，只使能输入锁存器中的最低4位； 。l cs：片选信号输入线，低电平有效。l wr1：写入1，用于将数字数据送到输入锁存器 ，低电平有效，输入锁存器中的数据被锁存

54、。12位输入锁存器分成2个锁存器，一个存放高8位的数据，而另一个存放低4位 ，具体由byte1/byte2控制 l wr2：写入2，将使能xfer ，低电平有效。l xfer：传输转换控制线，低电平有效，与wr2结合时，能将输入锁存器中12个单元的数据都同时转移到dac寄存器中；。l iout1：数模转换器电流输出l，dac寄存器中所有数字码为全“l”时iout1为最大，为全“0”时， iout1为零； 141l iout2：数模转换器电流输出2。 iout2为常量减去iout1 ，即iout1 iout2 =常量（固定基准电压时），该电流等于vref （1-1/4096）除以基准输入阻抗；l

55、 rfb：标准电阻线，与外部运放相连，作反馈电阻。l vref：基准电压源输入线，电压范围dc -10v+10v。l agnd：模拟电路接地线。l vcc：数字电压源输入线，电压范围dc +5v+15v。l dgnd：数字电路接地线142dac1210与cpu的接口143 dac1210输入数据线的高8位di11di4连接数据总线的d7d0，低4位di3di0接到数据总线的d7d4（左对齐）。高/低字节控制信号 mov dx, 340h; 选高8位字节地址 mov al, datah; 取高8位数据 out dx, al ; 送出高8位数据 inc dx ; 选低4位地址 mov al, da

56、tal; 取低4位数据 out dx, al; 送出低4位数据 mov dx, 342h; 选第二级锁存器地址 out dx，al; 送12位数据144v/i转换器 工业现场的智能仪表和执行器常常要以电流方式传输，这是因为在长距离传输信号时容易引入干扰，而电流传号的传输具有较强的抗干扰能力。因此，许多场合必须经过电压/电流（v/i）转换电路，将电压信号转换成电流信号。可由分立元件构成，也可以直接采用集成器件145v/i转换器 图a为同相端输入，采用电流串联负反馈形式，而且具有恒流作用，电路输出电流iout和输入电压vin的关系为ioutvinrf。该电路结构简单，但输出端无公共接地点。146v

57、/i转换器 图b为同相端输入，采用电流串联负反馈形式，与图a不同，其输出端通过负载接地。由运放性质可知，vin-vin+,vbvc，则有：ina111vvirr由图b可以看出12out3i rir代入上式，则有2outin13rivr r 可以看出输出电流iout与负载电阻rl无关，说明该电路具有恒流源的特性147v/i转换器 图c为反相输入，采用电流并联负反馈形式，它不仅具有良好的恒流性能和较强的驱动能力，而且输出端通过负载接地。 由电路可知，其反相端和同相端的电压分别为4binb14()rvvvvrr2a23rvvrr148v/i转换器因v+v-，同时有vf=va-vb，因此有442afi

58、na141423(1)()+rrrvvvvrrrrrr整理后1af4in2a1423()+r vvr vrvrrrr 设r1=r2=100k，r3=r4=20k，且rf、rl的阻值远远小于r3，则电路输出与输入的关系为3outinin2ff15rivvr rr149v/i转换器 图d为同相端输入方式，并采用了采用电流并联正反馈形式，不过，由于在反馈电路中引入了运放器构成的电压跟随器，大大提高了正反馈的输入阻抗，确保了恒流iout完全流向负载电阻rl当r1=r2=100k，r3=r4=20k时，同样有：3outinin2ff15rivvr rr由于工业现场常使用420ma的电流做输出控制，因此，

59、当r1=r2=r3=r4=20k时，iout=vin/rf。当rf=250，输入电压为15v时，则输出420ma。150 zf2b20是通过v/i变换的方式产生一个与输人电压成比例的输出电流。电压范围：0 10v。输出电流：420ma。(加接地负载)电源电压：10 32v。它的特点是低漂移，在工作温度为它的特点是低漂移，在工作温度为-2585范范 围内，围内，最大漂移为最大漂移为0.005/，可用于控，可用于控 制和遥测系统，作为子系制和遥测系统，作为子系统之间的信息传统之间的信息传 送和连接。送和连接。v/i转换器151 zf2b20的输入电阻为10 k图图 (a)：带初值校准的：带初值校准

60、的010v到到420ma转换电路；转换电路；图图 (b)：带满度校准的：带满度校准的010v到到010ma转换电路。转换电路。v/i转换器152v/i转换器 xtr110是美国bb公司生产的精密v/i转换器件。153v/i转换器xtr110基本结构基本结构154v/i转换器xtr110的典型应用155在电气控制系统中的继电器按接触器触点的闭合情况分为闭合与断开两种不同状态，这两种状态，常称为开关量。开关量是表示两种状态。数字量的每位也只能有“0”和“1”两种状态，也可以称为开关量。 156典型的开关量输入/输出通道结构157 开关量输入/输出通道一般由三部分组成：cpu接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入/