第四讲 模拟量的输入输出通道

1、第四讲 模拟量的输入输出通道前向通道和后向通道是过程控制系统的重要组成部分1、前向通道1.1 A/D转换1.1.1 硬件电路设计（1）分辨率的选择分辨率用位表示，n位的A/D转换器表示可以把输入信号分为2n份，每一份为全量程1/2n，称为1个LSB。例如，本例程中采用8位A/D温度范围为20100，则(设计要求)所以选择8位的A/D转换器即可（2）精度的选择精度用LSB表示，即分辨率的倍数来表示，例，若精度为±2LSB，说明转换误差为±2×0.3125=±0.625±0. 5不满足设计要求。（3）速度选择 完成一次转换的时间（采样速度）按要求可

2、选择芯片：ADC0804参数：单通道8位，分辨率8位 精度±1LSB 满足要求 速度 100s 带有三态缓冲器，可以直接和数据总线接口（4）电路连接A/D转换的时序图1.1.2 软件的编制查询法和中断法（1）查询法Extern unsigned char convert_ad(void)Char xdata *dptr;Dptr=0x8000;*dptr=0;While(int0);Return(*dptr);1.1.3 测试可以用LCB直接显示转换结果（3位整数），描点画线检查A/D转换的线性度。1.2 数字滤波器1.2.1 问题定义来自传感器或变送器的有用信号中，往往混杂了各种频

3、率的干扰信号。为了抑制这些干扰信号，通常在信号入口引入滤波器。常用的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行滤波，以弥补 RC 滤波器的不足。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行数学处理，以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。这种滤波方法不需要增加硬件设备，只需根据预定的滤波算法编制相应的程序即可达到信号滤波的目的。1.2.2 常用的滤波算法（1）限幅滤波限幅滤波的作用是把两次相邻的采样值相减，求出其增量（以绝对值表示），然后与两次采样允许的最大差值（由被控对象的实际

4、情况决定）y进行比较，若小于或等于 y，则取本次采样值；若大于 y，则仍取上次采样值作为本次采样值当 | y（n） - y（n -1） |y时，则取 y（n） = y（n）当 | y（n） - y（n -1） | >y时，则取 y（n） = y（n -1）对采样信号由于随机干扰，如大功率设备的启停，造成的尖峰干扰使得采样数据偏离实际值太远，可以采用限幅滤波。（2）算术平均值滤波算术平均值法滤波的实质即把一个采样周期内对信号的 n次采样值进行算术平均，作为本次的输出 Y（n），即适合于压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，但对偶然出现的脉冲性干扰的平滑作用不理想，因而它不适用于脉冲性干

5、扰比较严重的场合。（3）中值滤波所谓中值滤波是对某一参数连续采样 n次（一般 n取奇数），然后把 n次的采样值从小到大或从大到小排队，再取中间值作为本次采样值。中值滤波对于去掉由于偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。若变量变化比较缓慢，则采用中值滤波效果比较好，但对快速变化过程的参数（如流量），则不宜采用。一般 n取 3 5次。（4）低通数字滤波前面讲的几种滤波方法基本上属于静态滤波，主要适用于变化过程比较快的参数，如压力、流量等。但对于慢速随机变量，则采用短时间内连续采样求平均值的方法，其滤波效果往往不够理想。为了提高滤波效果，可以仿照模拟系统 RC 低通滤

6、波器的方法，将普通硬件 RC 低通滤波器的微分方程用差分方程来表示，便可以用软件算法来模拟硬件滤波器的功能。 用计算机程序仿真该滤波器输入用X替代ui,输出用Y替换uo用差分代替微分整理得令则 或 t 为采样周期，本例中为10ms=0.01s 为惯性时间常数， 本例中若 取=0.1s（较快）则 =0.09=0.3s（较慢）则 =0.03由上式可以看出，本次滤波的输出值主要取决于上次滤波的输出值（注意，不是上次的采样值，这和加权平均滤波是有本质区别的）。本采样值对滤波输出的贡献是比较小的，但多少有些修正作用。这种算法便模拟了具有较大惯性的低通滤波功能。适用场合：适用于高频和低频的干扰信号。1.2

7、.3 程序设计与时间有关，必须在10ms定时中断中运行，每次中断采集一个A/D转换数据进行一次计算，Y(n)必须为一个全局变量，其值下次计算要用到。为保证精度，Y(n)应该用浮点数。Filter_out=Filter_out+AFA*(float)(x- Filter_out)令LCD直接显示filter_out *。* 可以观察到滤波效果。1.3 标度变换与非线性校正在计算机控制系统中，生产中的各个参数都有着不同的数值和量纲，例如，测温元件用热电偶或热电阻，温度单位为 ，传感器将温度信号变换成电流或电压信号，在经过变送器转换成 A /D 转换器所能接收的 0 5V 统一电压信号，又由 A /

8、D 转换成 00 FFH（8位）的数字量。为进一步显示、记录、打印以及报警等，必须把这些数字量转换成我们熟悉的物理量纲单位，以便操作人员对生产过程进行监视和管理，这就是所谓的标度变换。如果在信号传递、变换过程中的每个环节都是线性的，则实际温度与A/D口读数应该有如下的线性关系。如果已知（X0,T0）(Xmax，Tmax)根据线性插值的公式任意读数所代表的温度可用下式求出：例如：在我们的试验系统中，温度系统模拟器的温度范围为20 100，对应的输出是05V，对应的A/D读数为0255，所以：X0=0 xmax=255T0=20 Tmax=100带入上式可得 t=0.3125x+20利用这个式子很

9、容易编成程序，将x变成t，例如x=128T=0.3125*128+20=60如果传感器本身具有非线性特性，或在信号的传递过程中存在非线性环节，则x与t之间便不是线性关系，而呈现出某种程度的非线性关系。这时如果仍用直线拟合的办法，就会产生很大的误差e，称为非线性误差，非线性误差属于系统误差，通常必须给予修正，补偿。在常规的自动化仪表中，常引入“线性化器”来补偿其他环节的非线性，如非线性电位器、二极管阵列、运算放大器等。所有这些均属于硬件补偿，这些补偿方法精度不太高。在计算机数据处理系统中，可以用计算机进行非线性补偿，不仅补偿方法灵活，而且精度高。常用的补偿方法有计算法、插值法和折线法。常用的补偿

10、方法有两种，一种是多项式拟合算法，另一种是采用分段线性插值法。例如对上述曲线，可以假定其曲线方程为一二次曲线，即抛物线方程，一般形式为 A,B,C是常数为确定A，B，C的值，可以预先测出曲线上的三点的值，即除了（X0,T0）(Xmax，Tmax)，在测一点（X1，T1），代入以上方程式便可以关于A,B,C的线性方程组。由此可解出A,B,C的值，代入以上方程后，已知任意x值可求得相应的t，若用二次曲线拟合的精度还不够的话，还可以使用更高阶的多项式来拟合，例如在单片机系统中实际计算多项式的值是有困难的，因为尽管多项式的值最终会在t0tmax之间，但其中某一项子式的值却仍有可能很大，导致溢出，所以实

11、际使用时往往把多项式的值t（x） x=0，1，2，255，离线算好运行时用查表法求t值。这种方法适合于事先了解系统非线性特性的情况，不设合于在现场调试时作临时修正。采用分段线性插值法时，我们可以把上述曲线分为三段，每段用一段直线来拟合，误差就会缩小。分的段越多，精度越高，程序越复杂。一般以34段比较合适，每段的插值方程为我们实现测定4点的x和t，(x0,t0),(x1,t1),(x2,t2),(xmax,tmax)，代入以上三个式子中，在运行程序中先按x的值确定采用哪一个表示，然后再根据x，计算出相应的t即可。2后向通道模拟量输出通道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

12、便去驱动相应的执行机构，达到控制的目的。模拟量输出通道一般是由接口电路、数 /模转换器和电压 /电流变换器构成的。其核心是数 /模转换器，简称 D /A 转换器或称 DAC。通常也把模拟量输出通道简称为 D /A 通道。2.1 硬件电路设计1. 分辨率D /A 转换器的分辨率定义为基准电压与 2n之比值，其中 n为 D /A 转换器的位数，如 8位、10位、12位等。例如，基准电压 VREF等于 5V，则 8 位 D /A 转换器的分辨率为 5/28=19.53mV，12位 D /A 转换器的分辨率为 5/212=1.22mV。它就是与输入二进制数最低有效位 LSB（Least Signifi

13、cant Bit）相当的输出模拟电压，简称 1LSB。有时，也用数字输入信号的有效位数来给出分辨率。例如，单片集成 D /A 转换器 DAC0832的分辨率为 8位。2. 稳定时间输入二进制数变化量是满刻度时，输出达到离终值 ±1/2LSB 时所需的时间称为稳定时间。对于输出是电流的 D /A 转换器来说，稳定时间是很快的，约几 s。而输出是电压的 D /A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。3. 绝对精度绝对精度指输入满刻度数字量时，D /A 转换器的实际输出值与理论值之间的偏差。该偏差用最低有效位 LSB 的分数来表示，如 ±1/2LSB 或 ±

14、1LSB。4. 相对精度在满刻度已校准的情况下，对应于任一数码的实际输出值与理论值之间的最大偏差。该偏差也用最低有效位 LSB 的分数来表示。5. 线性误差理想的 D /A 转换器的输入输出特性应是线性的。在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差称线性误差。该误差也用最低有效位 LSB 的分数来表示。D /A 转换器除了以上 5 种主要性能指标外，一般情况下还要考虑一些其他性能指标，如工作环境（周围的温度、湿度）、供电电源、输出范围、数字输入特性等。2.1硬件电路设计2.1.1 DAC0832的结构与应用特性DAC0832是8位 D /A 转换集成芯片，能完成数字量输入模拟量（电流）输出的转

15、换。采用 20引脚双列直插式封装，其主要特性如下： 分辨率为 8位； 电流稳定时间为 1s； 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； 只需在满量程下调整其线性度； 单一电源供电（ +5V +15V）； 低功耗，200mW 。ILE：数据允许锁存信号，高电平有效。CS：输入寄存器选择信号，低电平有效。它与 ILE 信号结合可对W R1信号是否起作用进行控制。W R1：输入寄存器的写选通信号，低电平有效，用以把数字量输入锁存于输入寄存器中，在W R1有效时，必须CS和 ILE 同时有效。XFER：数据传送信号，低电平有效。W R2：DAC 寄存器的写选通信号，低电平有效，用以将锁存于输入寄存器的数字量传

16、送到 D /A 寄存器中锁存。W R2有效时，必须XFER有效。IOUT1：电流输出引脚 1。随 DAC 寄存器的内容线性变化，当 DAC 寄存器输入全为 1时，输出电流最大，DAC 寄存器输入全为 0时，输出电流为 0。IOUT2：电流输出引脚 2，与 IOUT1电流互补输出，即 IOUT1+ IOUT2=常数。RFB：反馈电阻连接端。由于片内已具有反馈电阻，故可以和外接运算放大器直接相连。该运算放大器是将 D /A 芯片电流输出转换为电压输出 VOUT。VREF：基准电源输入引脚。该引脚把一个外部标准电压源与内部 T型网络相接，外接电压源的稳定精度直接影响 D /A 转换精度，所以要求 VREF精度应尽可能高一些，范围为-10V +10V。Vcc：电源电压输入端，范围为 +5V +15V。一般书中运算放大器接为反向，这时输出电压与数字之间的关系为 B为输出数字我们采用正相连接运算