第三章 测控系统输入输出通道设计课件

1、第二章 测控系统输入/输出通道设计第三章 测控系统的输入/输出通道本章内容：o开关量输入/输出通道o单元电路的级联设计o模拟输入通道o模拟输出通道第一节 开关量输入/输出通道 一、开关量输入通道o开关量输入通道的结构如图所示。输入缓冲器输入调理电路来自生产过程地址译码器微机总线1. 输入调理电路o开关量输入调理电路的主要功能是：n转换：过程状态 适于计算机输入的信号n保护n滤波n隔离右图是小功率输入的调理电路，它将开关的通、断转换成TTL电平信号oR-S触发器消除开关两次反跳o大功率输入调理电路 从大功率器件的接点输入信号时，为使接点工作可靠，接点两端一般要加24V以上的直流电压。高压和低压电

2、路间要用光电耦合器件隔离。2. 输入缓冲器 一般多采用三态门缓冲器（如74LS244），被测状态信号通过三态门缓冲器送到CPU数据总线。二、开关量输出通道开关量输出通道的结构如图所示输出锁存器地址译码器去生产过程输出驱动器1. 直流负载驱动电路o功率晶体管驱动电路 适合于负载电 流不太大的场 合。o达林顿管驱动电路达达林顿管要求的林顿管要求的输入电流很小可输入电流很小可直接用单片机的直接用单片机的I/O口驱动。口驱动。2. 晶闸管交流负载驱动电路3. 继电器驱动电路4. 固态继电器驱动电路DC-SSRAC-SSR第二节 单元电路的连接 各单元电路设计完成后需要将它们连接起来。各单元电路间连接时

3、需要考虑的问题有：o电气特性的相互匹配o信号耦合方式o时序配合一、电气性能的相互匹配一、电气性能的相互匹配1. 阻抗匹配令：ag=|ZL|/|Zi|o如要求负载电压最大，则应取ag 1o如要求负载电流最大，则应取ag 1o如要求负载功率最大，则应取ag =1RiRL前级输出后级输入2. 负载能力匹配 这是指前级能否驱动后级。当驱动能力不够时需要加一级功率驱动电路，具体应视负载大小来定。3. 电平匹配 当前后级电路电平不匹配时，需要加电平转换电路。这在数字电路中较常见。二、信号耦合与时序配合1. 信号耦合方式：o直接耦合方式 目的：将前级的任何信号送到下级。静态工作点会相互影响。o阻容耦合方式

4、目的：隔离直流。这是较常用的方式。o变压器耦合方式： 目的：隔离直流。频率特性差、体积大、效率低，已较少采用o光电耦合方式 目的：实现前后级电路间的电气隔离。多用于数字信号的传递。2. 时序配合 数字电路中时序的配合问题很重要。时序配合错乱，将使整个数字电路无法正常工作。第三节 模拟输入通道 模拟输入通道是指被测量与微机之间的通道，它一般由以下部分组成：传感器调理电路采集电路微机 在测控系统中，一台微机往往要同时测量几个被测量，因而测控系统的输入通道常常是多路的。按照各路输入通道是共用一个采集通道还是每个通道各用一个，输入通道可分为集中采集式和分散采集式。一、输入通道的分类模拟多路切换开关A/

5、D转换器采样/保持器控制逻辑微机传感器调理电路传感器调理电路传感器调理电路集中采集式之分时采集结构：采集电路采集电路电路简单，成本低，电路简单，成本低，但不能获得各路信号但不能获得各路信号同一时刻的值，适于同一时刻的值，适于中、低速采样系统中。中、低速采样系统中。集中采集式之多路同步采集结构：模拟多路切换开关A/D转换器采样/保持器控制逻辑微机传感器调理电路传感器调理电路传感器调理电路采样/保持器采样/保持器采样/保持器采集电路采集电路电路较复杂，时间偏电路较复杂，时间偏斜误差小于分时采样斜误差小于分时采样系统。适于中、低速系统。适于中、低速采样系统中。采样系统中。分散式采集结构传感器调理电路

6、传感器调理电路传感器调理电路采样/保持器采样/保持器采样/保持器 A/D转换器 A/D转换器 A/D转换器控制逻辑计算机采集电路采集电路电路较复杂，成本较电路较复杂，成本较高。适于对速度要求高。适于对速度要求较高的采样系统中。较高的采样系统中。二、传感器的选用 传感器是信号输入通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要什么传感器系统对传感器的技术要求；其次要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。对传感器的主要技术要求o输出为电量；o符合整机对传感器精度（

7、通常为系统精度的十倍）和速度的要求；o满足被测介质和使用环境的要求（如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等）；o满足可靠性和可维护性的要求。传感器的选用将影响输入通道的具体组成。下面是传感器输出为模拟量时的输入通道。传感器小信号放大修正与变换微机传感器V/F光电耦合微机传感器I/V滤波A/D小电压小电流大电压大电流 传感器输出为频率量或开关量时的输入通道。传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率量输出开关量输出三、信号调理电路的参数设计和选择 在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有

8、诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（Signal Conditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路。o信号调理的内容：n小信号放大n滤波n零点校正n线性化n温度补偿n误差修正n量程切换前置放大低通陷波高通至采集电路传感器信号硬件完成，信号调理电路的重点硬件完成，信号调理电路的重点软件完成软件完成典型信号调理电路的组成1. 前置放大器 多数传感器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。o 判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行放大的依据是什么？o 放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？o 前置放大器的放大倍数应该多大

9、？ 放大器前置的原因1：使输入的小信号不被电路噪声所淹没。前置放大器Ko后级电路KVISVINVINV0SV0N 在无输入信号时，电路的输出为噪声。设电路的放大倍数为K，则噪声折算到输入端即为等效输入噪声VIN电路噪声等效电路噪声信号输出信号输入VONVIN=K总输出噪声折算到前置放大器输入端为：20200)()(KVVKKVVININONIN 若没有前置放大器时信号刚好被噪声淹没（ VIS=VIN ），为使输入信号不被噪声淹没，应VISVIN，即VI NVIN2020)(KVVVINININ解得：解得：20011KVVININ10K即前置电路必须是放大器 放大器前置的原因2：防止滤波器的噪声

10、被放大器放大。VINI放大器 K滤波器 1VIN0V0NVIN0滤波器 1放大器 KVINIV0N21202120)() 1()(KVVKVKVVINININININ21202021)()(INININININVVKKVKVV 放大器前置时，电放大器前置时，电路的等效输入噪声为：路的等效输入噪声为： 放大器后置时，电路放大器后置时，电路的等效输入噪声为：的等效输入噪声为：1KININVV放大器前置有放大器前置有利于减少噪声！利于减少噪声！2. 滤波器 为隔离电路的零点漂移，通常用隔直电容的方法，如图所示。调理电路+采集电路电压跟随器隔直电容ACRfiL21 隔直电容与电压跟随器的等效电阻组成隔

11、直电容与电压跟随器的等效电阻组成一个高通滤波器，其截止频率为：一个高通滤波器，其截止频率为： 测控系统中根据需要还可能设置其他的滤波测控系统中根据需要还可能设置其他的滤波器，此时电路的截止频率由所有的滤波电路决定。器，此时电路的截止频率由所有的滤波电路决定。四、采集电路的参数设计和选择o采集电路的关键部分是A/D 转换器。o模拟多路开关（模拟多路选择器）和采样保持器S/H视具体测控问题决定是否需要。若被测信号恒定或变化缓慢，就不需要S/H.o如多路模拟信号共用一个A/D 转换器，且各模拟信号的幅值差异较大，就必须在信号进入A/D 转换器前设置程控增益放大器。采集电路的参数设计和选择MUXA/D

12、PGAS/HMUXMUXMUXA/DA/DA/DPGAS/H信号随时间变化信号幅度不同采用方案NONOaNOYESbYESNOcYESYESd1. A/D转换器的选择o选择A/D转换器时需要考虑nA/D转换器的位数nA/D转换的线性误差nA/D转换的速度n基准电源稳定度nA/D转换器工作的环境（温度、功耗、可靠性）nA/D转换的输出（串行、并行），与选用的计算机和系统的整体设计有关。n A/D转换器的位数： 一般说来，位数越多，分辨率越高，量化误差就越小。因此，A/D转换器的相对精度也常用最低有效值的位数LSB来表示，即：1 LSB = 满刻度值/2n。 o选择A/D转换器时需要考虑因素A/D

13、转换器位数的确定mEq2mgiEqkV2minEkVgimax由前面两式可得：miiVV2minmax上式两边取对数：上式两边取对数：miiVV2lg20lg20minmax整理，得：整理，得：6lg202lg20lg20minmaxminmaxiiiiVVVVm令：令：minmax1lg20iiVVL 61Lm 也可以根据数据采集系统的误差要求来确定A/D转换器的位数，通常A/D转换器的精度应是系统的十倍左右。A/D转换器的误差为：即：即：LBS21121m1210m如果系统要求的精度是： 例：某信号采集系统要用A/D转换芯片在1s内对16个热电偶的输出电压分时进行转换。已知热电偶输出电压范

14、围0-0.0025v（对应0-450度），需要分辨的温度为0.1,试选A/D。解： 450/0.1=4500 212=4096 因此选至少13位的A/D采样速率 16次/s 采样时间为 62.5ms一般的A/D都可达到。miiVV2minmaxn线性误差： 指A/D转换器在满量程内的输入和输出之间的比例关系不是完全的线性而产生的误差。n转换速度 ： 指A/D转换器完成一次转换所需要的时间，是从模拟量输入至数字量输出所经历的时间。 o选择A/D转换器时需要考虑因素A/D转换速度的确定 不同原理的A/D转换器的A/D转换时间是不一样的，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型的A/D转换器较慢，逐次比较型较

15、快。 A/D的时间由两部分组成，转换时间tc和恢复时间to，即：0/ttTcDA 若一个采样周期内，要完成N路模拟信号的采样，则DAsNTT/保持建立时间保持建立时间通道指令通道指令S/H指令指令启动转换启动转换EOCSHtcT tS tAC启启动动转转换换逻辑控制S/H模拟多路开关地址译码A/D模模拟拟通通道道EOCS/H指令指令数数字字输输出出通道指令通道指令捕捉时间捕捉时间开始转换开始转换3. 采集电路的工作时序和最高允许频率n基准电源稳定度： 当基准电源电压变化时，将使A/D转换器的基准电压发生变化，从而使输出数字量发生变化。这种变化的实质，相当于输入模拟信号有变化，从而产生误差。nA

16、/D转换器工作的环境（温度、功耗、可靠性）nA/D转换的输出（串行、并行），与选用的计算机和系统的整体设计有关。第四节 模拟输出通道o微机化测控系统的模拟输出通道常用于控制执行机构，模拟输出通道的目的是将数字信号转换成模拟信号输出，其信号转换过程正好与模拟输入通道相反。o模拟输出通道的基本组成如下图所示。寄存器D/A调理电路显示器记录器三、模拟输出通道的基本结构1 数据分配分时转换结构计算机数 据寄存器R1调理电路执行机构控制逻辑D/A数 据寄存器R1数 据寄存器R1D/AD/A调理电路调理电路执行机构执行机构不适合于要求多个执行机构同步动作的系统每通道都有独立的寄存器和D/A转换器2 数据分

17、配同步转换结构计算机数 据寄存器R1调理电路执行机构控制逻辑D/A数 据寄存器R1数 据寄存器R1D/AD/A调理电路调理电路执行机构执行机构数 据寄存器R2数 据寄存器R2数 据寄存器R2每通道都有独立的两个寄存器和D/A转换器各执行机构同步动作3 模拟分配分时转换结构a寄存器调理电路执行机构控制逻辑D/A转换器调理电路调理电路执行机构执行机构采样保持器采样保持器采样保持器不适合于要求多个执行机构同步动作的系统各通道都共用一个寄存器和一个D/A转换器四、模拟输出通道器件及电路的选择D/A转换器的选择oD/A位数的确定n当模拟输出需要不失真地重现模拟输入信号，则D/A位数应等于A/D位数n当模拟输出用于驱动指针式仪表，则：n当模拟输出用于控制执行机构，若执行元件的分辨力为VTH，需控制的信号的最大幅度为Vmax，则：n 2THnVVmax2 oD/A主要结构特性和应用特性的选择n数字输入特性o数码的码制：自然二进制码、补码o数据格式：并行、串行o逻辑电平：TTL、HTL、COMSn模拟输出特性：满码输出电流、最大短路输出电流等。n锁存特性及转换控制：将直接影响接口电路的设计。n参考源：D/A转换器的参考电源将影响模拟输出的结果。o2. 反多路开关和采样保持