计算机控制系统第2章ppt课件

1、图图2-1 过程通道组成构造图过程通道组成构造图 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。 表表2-1 消费过程输入输出信息来源与用途消费过程输入输出信息来源与用途 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义务。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、采样坚持器、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K型热电偶：型热电偶： -2001000 3 ，400 0 .75， 400 J型热电偶：型热电偶： -200120

2、0 1.1 2.2 T型热电偶：型热电偶： -200200 1.5 ， -20050 0.75 ， 50200PT110S-10B133型压力传感器： 丈量范围：010bar(公斤 根本丈量精度：0.25%FS压力接口：M20*1.5输出方式：420mA接线端子: DIN接头消费厂家:上海奇正电子1151型压差传感器： 丈量范围： -10100kPa 根本丈量精度： 0.25%不确定度: 500Pa B0300B0300型压差传感器分散硅型压差传感器分散硅型：型： 丈量范围：丈量范围： 0 0500Pa 500Pa 根本丈量精度：根本丈量精度： 0.15% 0.15%PTB100型压力传感器：

3、 丈量范围： 80106kPa 根本丈量精度： 30PaLWGY-50A型涡轮番量传感器： 丈量范围： 04m3/h 根本丈量精度：1.5%YFl00型旋涡流量计 ： 根本丈量精度： 1% 在流体中插入一个在流体中插入一个圆柱体或角柱体，那么圆柱体或角柱体，那么会从其两侧交替地产生会从其两侧交替地产生旋涡。在一定的条件下，旋涡。在一定的条件下，这些旋涡的发生频率与这些旋涡的发生频率与流速成正比。本流量计流速成正比。本流量计就是运用这个原理，经就是运用这个原理，经过测试旋涡的频率，实过测试旋涡的频率，实现流量丈量的。现流量丈量的。 LDCK型电磁流量计 ： 根本丈量精度： 0.5%1010SN型

4、超声波流量计 ： 根本丈量精度： 0.5%HZKL-M型孔板式流量计 ： 根本丈量精度： 1%传感器： 丈量范围：0.25m根本丈量精度：0.05%JYB-K*-*型液位变送器量程：0-0.5m,4m,100m精度：A级0.25 B级0.5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，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鼓励电源鼓励电源隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波鼓励电压鼓励电压全桥和半桥设置全桥

5、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/O电桥电路是最常见的信号调理电路之一，通常用于微电压、热电偶和应变丈量中。图2-3 热电偶变送器输入电路 I =1mA R16=R21=10k I1=I20.5mA。 其它电阻200 R24=RRP2=100 从图2-3可知 2iEFtABtCuRP()VVEVEVVt1CuEIR 普通地，变送器实践设计时要求在冷端温度为20时完全补偿，此时应有200t1Cu1CuCu(20 0)()EE,IRIRR式中 E(20，0)表示冷端温度为0时，用热电偶丈量被测温度为20的热电势 ICL7650ICL7650在数据采集系统中，放大器的

6、作用普通是：在数据采集系统中，放大器的作用普通是： 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、量程切换、极性其他作用，如电压、电流变换、量程切换、极性自动变换等。自动变换等。运算放大器只是在信号为单纯有效，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造用；GFRRG/21 6543RRRRFRRR21-+-+-g49.41kGR AD705构成的电压跟随器为AD620提供了Vref，以提高其输

7、出摆幅的中心点，以防止信号在负半波被削波。在许多运用场所，常采用屏蔽电缆方法来减小输入端的噪声干扰。对屏蔽给予适当的驱动，可减小电缆电容和杂散电容呵斥的差分相移，保证交流共模抑制比不下降。 AD210隔离放大器在热电偶丈量中的运用，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1.83 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 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

8、件。 利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地衔接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高过程参数的丈量精度，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、任务可靠。 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。 在计算机测控系统的模拟输入通道中，由于被丈量所处的环境和时间不同，能够会呵斥其变化范围不同，因此希望能自动改动放大器的增益，使信号经过放大器后，具有适宜的动态范围，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，也能够遇到各路信号动

9、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，以实现一样的动态输出。 用仪表放大器实现的可编程增益放大器 基于上述原理的器件有LH0084，经过控制信号DlD0经过控制逻辑驱动模拟开关切换运算放大器的反响电阻。DlD0的四种组合对应l、2、5、10共4种程控增益值。 1采样坚持器的作用采样坚持器的作用sinmuUtcos2cosmmduUtfUtdt式中Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率 。2mufUt取t=tA/D ，那么得原点处转换的不确定电压为 A/D2mUfU t误差百分数A/D100%2100%mUftU262/0.116Hz2102 10 1010A Dft 此

10、例阐明，虽然信号频率不算高，但对A/D转换速度要求太苛刻。处理的方法就是在A/D转换之前加采样/坚持器。保证A/D转换在坚持期间进展，以便有足够的时间完成。 由此可见：假设直接用A/D转换器对模拟量进展采样，由于模拟量的变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的量均需求取同一瞬时的值，假设仍直接送入AD转换器进展转换(共用一个AD)，所得到的几个分量就不是同一时辰的值，无法进展计算和比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中坚持不变。但转换之后，又要求A/D变换器的输入信号可以跟踪模拟量的变化，可以完成上述义务的器件叫采样坚持器，简称 S/H。-+-A1A2Vout

11、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 稳定地坚持模拟信号以便可以完成A/D转换。在丈量中同时对假设干个模拟输入量采样(每个输入需 要一个采样/坚持电路)。 消除A/D转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。 孔径时间TAP：在采样坚持器中，由于模拟开关有一定的动作滞后，从坚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，普通是纳秒级。这个时间由器件的开关动作时间决议。 值得留意的是采样坚持器的孔径时间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。孔径时间可以提早发出坚持命令加以抑制，而TAP是随机的，

12、所以它是影响采样精度的主要要素之一。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：采样坚持器处于坚持方式时，从计算机发出采样命令，由“坚持转为“采样后，采样坚持器的输出值由原来的坚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，到达稳定值的建立时间和坚持值到终值的跟踪时间，它是影响采样频率提高的主要要素，但不影A/D转换精度。 因此，通常采取的方法 是努力减小走漏电流，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坚持电容，选用漏电流小的模拟开关等。(3)常用的采样坚持器芯片廉价的： LF398通用的： AD582、

13、AD583高速型： THS-0060 超高速： THS-0010 LF398的任务原理及主要性能主要技术目的：任务电压: 518V；采样时间：10m。 当控制逻辑IN+脚加“1时，那么开封锁合，处于采样； 当控制逻辑IN+脚加“0时，那么开关断开，处于坚持； 这样刚好与ADC0809的转换终了脚EOC相连终了时为“1AD582的任务原理及主要性能主要技术目的：任务电压: 918V；采样时间：6m。 当控制逻辑LOGIC+脚加“0时，那么开封锁合，处于采样； 当控制逻辑LOGIC+脚加“1时，那么开关断开，处于坚持； 这样刚好与AD574A的转换终了脚STS相连终了时为“01.A/D1.A/D转

14、换器的类型转换器的类型1逐渐逼近法利用D/A转换器输出推测信号与模拟输入信号进展比较，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位无输出锁存器属于慢速A/D转换器如：CC14433、5G14433、ICL7如：AD770116位、AD7710(24位如：AD7884 ，16位高速高精度，6s量程 它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。 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) 所对应的电压，偏离理想转换特

15、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。 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 10/219.5mV 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、线性不良等缘由能够呵斥精度不是很高。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，应思索能否要外接精细基准电源。任务温度范围： 较好的A/D转换器的任务

16、温度为-4085，较差的为070。 1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，转换立刻开场。2转换终了线(输出) 转换终了后由A/D转换器发出的一种形状信号，由它中断或DMA传送，或作查询之用。 有的AD转换器还有时钟输入线和模拟输入通道选择线 AGND：模拟电路公共接地线； Vcc：数字电路任务正电源输入线，电压为：数字电路任务正电源输入线，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； D0D11：转换数据输出线。：转换数据输出线。 13R/C：读、起动转换控制信号输入线，高电平常，表示操作

17、是读取AD转换数据；低电平常，表示操作是起动A/D转换。 1412/8：12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，必需直接接在VCC或数字地上。 当接在VCC时，一次读出12位数据； 当接在数字地上时，分2次读出12位数据。 15A0：字节选择控制输入线。：字节选择控制输入线。 在起动在起动A/D转换时：转换时： A0 低电平，产生低电平，产生12位的转换；位的转换； A0 高电平常，只产生高电平常，只产生8位的转换。位的转换。 在读取数据操作时：在读取数据操作时： A0低电平，输出高低电平，输出高8位的转换数据；位的转换数据； A0高电平常，输出低高电平常，输出低4位的

18、转换数据。位的转换数据。AD574的单极性和双极性输入电路 1q2q9q4q3q5q6q8q7q11q10q01T 2T 3T 4T 5T7T6T8T9T 10T 11T 12TVtVDC理想理想ADC对直流对直流VDC的采的采样样 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一样的，但由于遭到其量化误差的限制，输出值不一定能真实反映输入值！ 针对上述情况，假设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展采样，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-s

19、ampling)101235467677VDi(V)10111111101000015556UtX(t)X(t) - A/ D - A/ D转换器的根本思绪：用转换器的根本思绪：用X(t) X(t) 替代替代X(t) X(t) ，必需必需tt和和 U U充分小，才干保证一定的精度，每个离散值充分小，才干保证一定的精度，每个离散值由其由其相应的阶梯高度相应的阶梯高度电压分段单元的总和电压分段单元的总和来表示，这张表好像一张离散数据表，有了这张表，我们来表示，这张表好像一张离散数据表，有了这张表，我们就可以根据采样率的要求，在确定的时间就可以根据采样率的要求，在确定的时间(t)(t)，从表中读取，

20、从表中读取相应的离散值相应的离散值 unii0unii0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/写操作写操作留意：这里的留意：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-Uref

21、0101101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) ， 即对信号进展调制。即对信号进展调制。目的有目的有2个：个： 1提高采样频率，以减少采样噪声；提高采样频率，以减少采样噪声； 2调制器内有一个积分器起到模拟低通滤波器的作用，调制器内有一个积分器起到模拟低通滤波器的作用，以过滤高频噪声，相当于前置滤波器的作用，使信以过滤高频噪声，相当于前置滤波器的作用，使信号频率均在采样频率之内。号频率均在采样频率之内。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1bit1b

22、it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/2fs/2kfs/2kfs/2的量化噪的量化噪声，声， 改善改善ADCADC的分辨率。的分辨率。niiUtx0)(6.20位A/D转换器AD7703自学 AD7703 它是美国它是美国ADI公司推出公司推出的的20位单片位单片A/D转换器，由于采用了转换器，由于采用了过采样过采样-转换技术和和片内自校准转换技术和和片内自校准控制电路，不仅具有精度高、本钱低、控制电路，不仅具有精度高、本钱低、任务温度范围宽、噪声低、抗干扰才任务温度范围宽、噪声低、抗干扰才干强等特点，而且具有灵敏的串行输干强等特点，而且具有灵敏的串行输出

23、方式，极易和单片机接口，适用于出方式，极易和单片机接口，适用于工业过程参数检测、遥控检测和户外工业过程参数检测、遥控检测和户外智能化仪器仪表。智能化仪器仪表。AD7703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；低通滤波器的转机频率为0.110Hz；数据传输率为4kHz；灵敏的串行接口；任务温度范围：A、B、C级为-40+85，S级为-55+125；超低功耗：正常任务为40 mw，睡眠形状为10 W。AD7703的内部构造 引脚功能 1MODE1脚串行接口方式选择。接数字地时任务于同步外部时钟 通讯方式，接+5V

24、时任务于同步内部时钟通讯方式； CLKIN和CLKOUT3、2脚在运用内部时钟时，此两脚接晶振，运用外部时钟时那么由CLKIN端引入；SC1、SC24、17脚校准选择端，决议校准类型；DGND、AGND5、8脚数字地和模拟地 DVss、AVss6、7脚数字、模拟负电源，接 -5V； AIN9脚模拟输入信号的输入端。单极性输入范围为0+2.5V，双极性输入范围为-2.5+ 2.5V VREF10脚参考电压输入端，普通取+2.5VSLEEP11脚睡眠任务方式选择端，接低电平常任务于睡眠方式，功耗为10 w；BP/UP12脚单、双极性方式选择端。接低电平常为单极性，接高电平常为双极性；CALl3脚校

25、准控制端；DVDD、AVDD15、14脚数字、模拟高电平端，接+5V； CS 16脚片选信号，此脚为低电平常串行口发送数据； DRDY18脚数据预备端。在输出数据存放器内数据预备好时为低电平，完后为高电平 14SCLK19脚串行时钟输入/输出。同步外部时钟方式时为输入，同步内部时钟方式时为输出；15SDATA20脚串行数据输出口，由MODE脚决议输出方式； 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脚所加的电平决议。当MODE1时，AD7703任务在SSC方式；当MODE=0时

26、，AD7703任务在SEC方式。7703在SEC方式时的任务时序。 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SDADA脚变为三态输出。 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AD21

27、04.鼓励电源鼓励电源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/AD7507LF398AD582THS0060AD574AAD7703ISA总线总线PCI总线总线RS485CANEthernetGPIBVXI程程控控放放大大器器MCP6S2XLH0084 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CD40518路可以用1片CD4097替代LF398、12位A/D转换器AD574A、仪用放大器AD625和接口电路8255A组成。该模拟输入板的主要技术目的如下：分辨率:12位；通

28、道数双端：8路；输入量程：单极性010V；双极性5V+5V；转换时间：25sA/D；线路误差：不大于0.02%；应对方式：查询。该模板采集一个数据的过程如下：通道选择：目的通道号写入端口C的低4位,使LF398对目的通道采样LF398的任务形状受AD574的STS控制，AD574转换后STS=0，LF398处于采样形状；启动AD574A，并进展12位转换：经过PC6PC4输出控制信号启动AD574A；查询AD574能否转换终了：读端口A，了解STS能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。 下面为该过程数据采集程序。

29、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。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 NOP NOP OR AL，40H；CE=1，片使能，启12位A/D转换 OUT DX，AL MOV DX，2C0 ；

30、指向PA口POLING： IN AL，DX TEST AL，80H ；查询PA7，即转换结果形状引脚STS的电平 JNZ POLING MOV AL，BL ；转换终了 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，AL 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 MO

31、V AL，00111000B ；CE=0， CS=R/C=1 MOV DX，2C2H ；AD574A无效 OUT DX，AL RET AD574 ENDP 这种构造的优点是多方面的，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置其它重要的事务，提高了计算机控制系统的整体控制才干和速度； 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、开发周期和本钱； 4给数据采集通道的设计带来的极大的灵敏性，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方式的采集模块，还可以根据被

32、采集信号类型、性能要求设计出不同类型和规格的公用或通用产品； 5有利于采集公用芯片的开发。 基于上述思想由AD7703A/D转换器和AT89C51单片机构成的模拟量信号采集电路。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 另一类是在前者的根底上再加微处置器、存储器、通讯接口等完好电路的集成芯片 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

33、等。1AD7714 AD7714 它是美国它是美国ADI公司推出公司推出的的24位单片高性能位单片高性能A/D转换器，由于转换器，由于内部集成了多路转换器、输入缓冲器、内部集成了多路转换器、输入缓冲器、程控放大器、程控放大器、 -A/ D转换器、片内转换器、片内自校准控制等电路，因此它可以直接自校准控制等电路，因此它可以直接从传感器接纳低电压信号并输出串行从传感器接纳低电压信号并输出串行数字，适用于工业过程参数检测、遥数字，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。控检测和户外智能化仪器仪表。AD7714DIP封装引脚图AD7714的主要性能：24位分辨率；最大非线性误差为0.00

34、15%；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置，其一次陷波频率可编程控制；低噪声150nV，RMS片内自校准系统；灵敏的串行接口，数据传输率为4kHz；任务电压：2.73.3V或4.755.25V；任务温度范围：-4085/105 ；超低功耗：正常任务电流 226A，睡眠形状任务电流为4 A。AD7714内部构造图AD7714数字接口任务时序 AD7714与AT89C51CPU的接口电路 6.50422560077.024 模拟量输出接口普通由接口电路、控制电路、数/模转换器、输出坚持器、多路切换开关、信号转换

35、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。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模拟量输出通道的构造方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/H分辨率：指D/

36、A可以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，输出到达最终值并稳定为止所需的时间。精度：指D/A转换器实践输出电压与实际值之间的误差。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。数据的宽度：通常有8位、10位、14位、16位之分。电流型还是电压型：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，其电压普通在510V之间。有些高电压型可达2430V。 DACl210与DACl208、DACl209是一个系列是双列直插式24引脚集成电路芯片。 内部有输入存放器和DAC存放器两个缓冲输入存放器，一个

37、精细硅-镉R-2RT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 ；DAC1210 构造原理图DAC1210与CPU的接口 DAC1210输入数据线的高8位DI11DI4衔接数据总线的D7D0，低4位DI3DI0接到数据总线的D7D4左对齐。高/低字节控制信号BYTE1/BYTE2口地址以及第二级缓冲锁存器选通讯号XFER的口地址，分别为340H、341H和342H，由地址译码器提供，D/A转换可用以下程序完成： MOV DX

38、, 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, DATAL; 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 工业现场的智能仪表和执行器经常要以电流方式传输，这是由于在长间隔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才干。因此，许多场所必需经过电压/电流V/I转换电路，将电压信号转换成电流信号。 图a为同相端输入，采用电流串联负反响方式，而且具有恒流作用，电路输出电流IOU

39、T和输入电压VIN的关系为IOUT VINRf。该电路构造简单，但输出端无公共接地点。 图b为同相端输入，采用电流串联负反响方式，与图a不同，其输出端经过负载接地。由运放性质可知，VIN-VIN+,VBVC，那么有：INA111VVIRR由图b可以看出12OUT3I RIR代入上式，那么有2OUTIN13RIVR R 可以看出输出电流IOUT与负载电阻RL无关，阐明该电路具有恒流源的特性 图c为反相输入，采用电流并联负反响方式，它不仅具有良好的恒流性能和较强的驱动才干，而且输出端经过负载接地。 由电路可知，其反相端和同相端的电压分别为4BINB14()RVVVVRR2A23RVVRR因V+V-

40、，同时有Vf=VA-VB，因此有442AfINA141423(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，那么电路输出与输入的关系为3OUTININ2ff15RIVVR RR 图d为同相端输入方式，并采用了采用电流并联正反响方式，不过，由于在反响电路中引入了运放器构成的电压跟随器，大大提高了正反响的输入阻抗，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由于工业现场常运用4

41、20mA的电流做输出控制，因此，当R1=R2=R3=R4=20k时，IOUT=VIN/Rf。当Rf=250，输入电压为15V时，那么输出420mA。它的特点是低漂移，在任务温度为它的特点是低漂移，在任务温度为-2585范范 围内，最大漂移为围内，最大漂移为0.005/，可用于控，可用于控 制和遥测系统，作为子系统之间的信息传制和遥测系统，作为子系统之间的信息传 送和衔送和衔接。接。图图 (a)：带初值校准的：带初值校准的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。 XTR110是美国BB公司消费的精细V/I转换器件

42、。XTR110根本构造XTR110的典型运用典型的开关量输入/输出通道构造 2输入缓冲器和输出锁存器 输入缓冲器是对外部输入的信号起缓冲、加强以及选通的作用，CPU经过读缓冲器输人数据。输出锁存器的作用是锁存CPU送来的输出数据，供外部设备运用。3I/O电气接口 典型的开关量输出/输人电气接口的功能主要是电平转换、隔离和功率驱动等。输入调理电路输入调理电路 1小功率输入调理电路小功率输入调理电路 a 积分电路消除开关抖动的方法 b) R-S触发器消除开关两次反跳的方法 2 大功率输入调理电路大功率输入调理电路 在工业过程计算机系统中，其信号电平变换可按在工业过程计算机系统中，其信号电平变换可按

43、以下图所示的方法设计。在以下图所示的方法设计。在4V以下作为开关接通，以下作为开关接通，定为定为TTL电子的逻辑电子的逻辑1；在；在10V以上作为开关断开，以上作为开关断开，定为定为TTL电平的逻辑电平的逻辑0；410V之间为信号过渡区，之间为信号过渡区，其其TTL电平在过渡区间坚持不变，从而可提高抗干扰电平在过渡区间坚持不变，从而可提高抗干扰的才干。采用光电耦合器实现公共地线的隔离。的才干。采用光电耦合器实现公共地线的隔离。1小功率驱动电路 这类电路普通用于驱动发光二极管、LED显示器、小功率继电器等元件或安装，要求电路的驱动才干普通为1040mA，可采用小功率的三极管或集成电路如75451

44、、2019等来驱动。(2)中功率驱动电路 这类电路常用于驱动中功率继电器、电磁开关等中功率安装，普通要求具有50500mA的驱动才干，可采用达林顿复合晶体管或中功率三极管来驱动，目前常用达林顿阵列驱动器如MC1412、MC1413、MC1416、ULN2019A输出端耐压可达50V等来驱动中功率负载。过过零零触触发发电电路路单相固体继电器三相固体继电器电网电压波形电网电压波形PWM波波负载上的波形负载上的波形VVVtttT 在计算机控制系统中，经常需对消费过程的各种信号进展丈量。经输入通道将消费过程的信号转换成数字信号，读入计算机中。对于这样得到的数据普通要进展一些预处置，其中最根本的为数字滤

45、波、线性化处置、标度变换和系统误差的自动校准。 来自传感器或变送器的有用信号中，往往混杂了各种频率的干扰信号。为了抑制这些干扰信号，通常在信号入口处用RC低通滤波器。RC滤波器能抑制高频干扰信号，但对低频干扰信号的滤波效果较差。而数字滤波器可以对极低频干扰信号进展滤波，以弥补RC滤波器的缺乏。另外，它还具有某些特殊的滤波功能 所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入的信号进展数学处置，以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性 数字滤波器可以根据信号的不同，采用数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵敏、不同的滤波方法或滤波参数，具有灵敏、方便、功能强的

46、特点。方便、功能强的特点。 本节讨论几种常用的数字滤波方法：限幅滤波、中位值滤波法、平均值滤波法和惯性滤波法。 1限幅滤波限幅滤波 限幅滤波又称程序判别法，由于工业现场测控系统存在随机脉冲干扰，经过变送器将尖脉冲干扰引入输入端，从而呵斥丈量信号的严重失真。 nn1nnn11yyayyannnnyyyyy , , 在运用这种方法时，关键在于a值的选择。因此，通常按照参数能够的最大变化速度vmax及采样周期T决议a值。2中位值滤波法中位值滤波法 中位值滤波就是对某一被测参数延续采样n次普通n取奇数，然后把n次采样值按大小排队，取中间值为本次采样值。 kT(k+1)T(k+2)Ty1y2y4y3y5

47、y1y2y4y3y5y1y2y4y3y5t对缓慢变化的过程采用中位值滤波有良好的效果。 n 越大，排序算法所占的时间越长 123453nnnnnnnyyyyyyy 中位值滤波能有效地抑制因偶尔要素引起的动摇或采样器不稳定引起的误码等呵斥的脉冲干扰。3算术平均滤波法算术平均滤波法 算术平均滤波法就是对采样数据yi延续的N个丈量值进展算术平均。其数学表达式为Nn11Niiyy=算术平均滤波法适用于对普通具有随机干扰的信号进展滤波。 流量丈量，通常取 N=812 压力丈量，通常取 N=484递推平均滤波法递推平均滤波法 上述的算术平均滤波法，每计算一次数据，需采样N次，对于采样速度较慢或要求数据计算

48、速度较高的系统，该方法是无法运用的。 递推平均滤波法把N个采样数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进展一次新的采样，把采样结果放入队尾，而扔掉原来队首的一次数据，式中N 101Nn iniyy-=这种滤波算法称为递推平均滤波法，其数学表达式为yn第n次采样值经滤波后的输出；yn-i未经滤波的第n-i次采样值；N递推平均项数。t(n-N+2)T(n-N+1)T (n-N+3)T(n-2)TnT(n-3)T(n-1)T(n-N)T 递推平均滤波算法对周期性干扰有良好的抑制造用，平滑度高，灵敏度低； 但对偶尔出现的脉冲性干扰的抑制造用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值偏向， 因此它不适用于脉冲

49、干扰比较严重的场所，而适用于高频振荡的系统。 经过察看不同N值下递推平均的输出呼应来选取N值，以便既少占用计算机时间，又能到达最好的滤波效果。N 的工程阅历值如下: 流 量 12 压 力 4 液 面 4 12 温 度 145加权递推平均滤波法加权递推平均滤波法 算术平均滤波法和递推平均滤波法中，N次采样值在输出结果中的比重是均等的，即1N。用这样的滤波算法，对于丈量信号会引入滞后，N越大，滞后越严重。 为了添加最新采样数据在递推平均中的比重，以提高系统对当前采样值的灵敏度，可以采用加权递推平均滤波算法。 加权递推平均滤波算法是递推平均滤波算法的改良，即不同时辰的数据加以不同的权，通常越接近当前

50、时辰的数据，权获得越大，N项加权递推平均滤波算法为N 10in iniyC y-=式中，C0，C1，CN-1为常数，且满足如下条件C0+ C1+ CN-1=1 并 C0C1CN-10 常系数C0，C1，CN-1的选取有多种方法，其中最常用的是加权系数法。设为对象的纯滞后时间，且)1(N21eeeR(1)0111,NNeeCCCRRR其中其中为对象的纯迟后时间为对象的纯迟后时间 所以加权递推平均滤波算法适用于有较大纯滞后时间常数所以加权递推平均滤波算法适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统，而对于纯滞后时间常数较小、的对象和采样周期较短的系统，而对于纯滞后时间常数较小、采样周期较长

51、、变化缓慢的信号，那么不能迅速反映系统当前采样周期较长、变化缓慢的信号，那么不能迅速反映系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差。所受干扰的严重程度，滤波效果差。6一阶惯性滤波法一阶惯性滤波法 而一阶惯性滤波算法是一种以数字方式经过算法来实现动而一阶惯性滤波算法是一种以数字方式经过算法来实现动态的态的 RC 滤波方法，它能很好地抑制上述模拟滤波器的缺陷，滤波方法，它能很好地抑制上述模拟滤波器的缺陷，在滤波常数要求大的场所，此法更为适用。在滤波常数要求大的场所，此法更为适用。 在模拟量输入通道等硬件电路中，常用一阶惯性在模拟量输入通道等硬件电路中，常用一阶惯性 RC 模模拟滤波器来抑制干扰，当用这

52、种模拟方法来实现对低频干扰的拟滤波器来抑制干扰，当用这种模拟方法来实现对低频干扰的滤波时，首先遇到的问题是要求滤波器有大的时间常数和高精滤波时，首先遇到的问题是要求滤波器有大的时间常数和高精度的度的 RC网络。时间常数网络。时间常数 T 越大，要求越大，要求 RC 值越大，其漏电流值越大，其漏电流也随之增大，从而使也随之增大，从而使RC网络的误差增大，降低了滤波效果。网络的误差增大，降低了滤波效果。一阶惯性滤波算法为 11(1), 1fnnnffTya yayaTTTT-=-+=+yn未经滤波的第n次采样值；Tf滤波时间常数；T采样周期。式中 根据一阶惯性滤波的频率特性，假设滤波系数a越大，那

53、么带宽越窄，滤波频率也越低。因此，需求根据实践情况，适中选取a值，使得被测参数既不出现明显的波纹，反响又不太缓慢。 以上讨论了六种数字滤波方法，在实践运用中，究竞选取哪一种数字滤波方法，应视详细情况而定。加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控制对象 平均值滤波法适用于周期性干扰中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶尔的脉冲干扰 惯性滤波法适用于高频及低频的干扰信号 假好像时采用几种滤波方法，普通先用中位值滤波法或限幅滤波法，然后再用平均值滤波法。1线性化处置线性化处置 计算机从模拟量输入通道得到的检测信号与该信号所代表的物理量之间不一定成线性关系。例如，差压变送器输出的孔板差压信号同实践的流量之间成

54、平方根关系；热电偶的热电势与其所测温度的关系成非线性等 而在计算机内部参与运算和控制的二进制数希望与被测参数之间成线性关系，其目的是既便于运算又便于数字显示。为此，必需对非线性参数进展线性化处置。1孔板差压与流量 用孔板丈量气体或液体的流量，差压变送器输出的孔板差压信号P同实践流量Q之间是平方根关系，即 QKP=D 式中，K是流量系数。用数值分析的方法计算平方根，可采用牛顿Newton迭代法。设 ，那么(0)yx x=1( )(1)2(1)xy ky ky k轾犏=-+犏-臌2热电偶的热电势与温度 热电偶是常见的测温元件，但热电势与温度成非线性关系，因此需求线性化。常用热电偶的热电势E与温度T

55、存在如下式所示的关系 43243210Ta Ea Ea Ea Ea=+ 除此之外，还可将热电偶分度表以表格方式存在计算机内，在线的任务量便仅仅是根据采样值查表。 对于上式表示的热电偶的热电势E与温度T的非线性关系，可以采取分段的方法处置，即用多段折线替代非线性函数，线性化时首先判别丈量数据处于哪一折线区间内，然后按相应的线性化公式计算出线性值。折线段数越多，线性化精度就越高。 2标度变换标度变换 消费过程中的各种参数都具有不同的量纲和数值变化范围。如电压的单位为V，电流的单位为A，温度的单位为等。而且经一次检测仪表输出信号的变化范围也不一样，如热电偶的输出为毫伏信号，电压互感器的输出为0100V；电流互感器的输出为05A等。一切这些具有不同量纲和数值范围的信号又都经各种方式的变送器转化为一致信号范围，如05V，可经A/D转换成数字量如8位A/D，那么数字可以从00FFH。为了进展显示、打印、记录或报警，又必需把这些数字量转换成具有不同量纲的数值，以使操作人员进展监视和管理，这就是所谓的标度变换，也称为工程量转换 1线性参数的标度变换 所谓线性参数，指一次仪表丈量值与A/D转换结果具有线性关系，或者说一次仪表是线性刻度的。其标度变换公式为 X0X0m0m0()NNAAAANN-=+-A0 一次丈量仪表的下