计算机控制系统-3通道(1)

1、1重点：掌握输入输出接口与过程通道的硬件和软件的设计。掌握输入输出接口与过程通道的硬件和软件的设计。难点：难点：输入输出接口设计技术。输入输出接口设计技术。目标：目标： 解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。第第3 3章章 接口与过程通道配置技术接口与过程通道配置技术主要内容：主要内容：输入输出接口及过程通道的设计方法。输入输出接口及过程通道的设计方法。输入输出接

2、口与过程通道的硬件和软件的设计。输入输出接口与过程通道的硬件和软件的设计。硬件抗干扰技术。硬件抗干扰技术。23.3 模拟量输入通道3.3.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成3.3.2 信号调理和变换信号调理和变换电路分析电路分析 电桥电桥 放大电路放大电路 信号变换信号变换 输入通道的结构类型33.3.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成图3.17 模拟量输入通道的组成结构信号调理与变换信号调理与变换多路转换器多路转换器采样采样/保持器保持器A/D转换器转换器4典型模拟量输入通道结构5便于信号的传输与处理便于信号的传输与处理信号转换与调理的目的：信号转换与调理的目的： 1.

3、传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示记录仪表，需要进行放大。 4. 能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声，需要进行滤波，提高信噪比。2. 传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢(频率低)，若用交流放大器放大，需要进行调制解调处理。 3. 能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理(电桥)。 5. 传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进行A/D转换；为了实现远距离传输，必须进行V/I或V/F转换。3.3.2 信号调理和变换电路分析3.3.2 信号调理和变换电路分析3.3.2.1.信号调理电路n传感器输出的电信号大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去

4、，需要经过适当的调理，使之转换为便于处理、接收和显示的形式。n信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。信号调理电路-电桥电桥电桥电桥 将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。其转换的实质是一种信息的传递，将电参量变化的信息加到输出电压信号上，其能量由工作电源提供。电桥电路简单可靠，具有很高的精度和灵敏度，被广泛的用作仪器测量电路。 直流电桥直流电桥图图1 直流电桥的基本结构形式直流电桥

5、的基本结构形式 当输入端后接输入阻抗较大的仪表或放大电路时，可视为开路，其输出电流为零，此时有 111012abRUI RURR0234UIRR0112UIRRa与b之间和a与d之间的电位差分别为424034adRUI RURR由此可得输出电压13241400012341234()()()yabadR RR RRRUUUUUURRRRRRRR若要使输出为零，亦即当电桥平衡时，则应有4231RRRR 讨论：讨论：直流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻发生变化，直流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻发生变化，电桥输出电压变化。测量电桥就是基于上述原理工作。电桥输出电压变化。测量电桥就是基于

6、上述原理工作。电桥的接法：电桥的接法：单臂单臂 半桥半桥全桥全桥灵敏度。全桥接法可以获得最大灵敏度不同，结论：电桥接法不同，。全桥灵敏度；半桥灵敏度；单臂电桥灵敏度则有：定义电桥的灵敏度为yyyyUUURRUS24电桥和差特性内容：电桥和差特性内容： 相邻两桥臂电阻同向变化，所产生的输出电压的变化相邻两桥臂电阻同向变化，所产生的输出电压的变化将相互抵消；将相互抵消；相邻两桥臂电阻反向变化，所产生的输出电压的变化相邻两桥臂电阻反向变化，所产生的输出电压的变化将相互迭加；将相互迭加；和差特性应用实例：和差特性应用实例： n悬臂梁作敏感元件测力：悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上，为提高

7、灵敏度，常在梁的上，下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥的相邻两桥臂。的相邻两桥臂。交流电桥交流电桥电感电感电容电容传感器传感器传感器传感器平衡条件平衡条件4231ZZZZ放大器的性能要求：放大器的性能要求：n开环增益足够大，闭环增益可调；开环增益足够大，闭环增益可调；n输入阻抗高输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；，输出阻抗低；n共模抑制比高：共模抑制比高：CMRR=差模增益差模增益Kd/共模增益共模增益Kc；n足够的带宽和转换速率；足够的带宽和转换速率；n漂移小、噪声低、输入失调电压低漂移小、噪声低

8、、输入失调电压低、输入失调电流小。输入失调电流小。信号调理电路信号调理电路-信号放大信号放大 1. 反相放大器反相放大器21RKR RRR312/ / 特点：特点：性能稳定，但输入阻抗低。性能稳定，但输入阻抗低。而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。信号调理电路信号调理电路-信号放大信号放大 R3UiR1R2A- -+ + +Uo特点：特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。输入阻抗高，但精度低，易受干扰。211RKRRRR312/ / 2. 同相放大器同相放大器R2R3UiR1A- -+ + +Uo信号调理电路信号调理电路-信号放大信号放大 3. 差动

9、放大器差动放大器取取 R1=R3，R2=R4，则，则RRRUUURRRR224oi1i21134(1) RUUR2oid1 R3UoR4Ui2R1R2Ui1+ +- -+ +AUid= Ui2Ui1 Uic=(Ui1+ Ui2)/2特点：特点：CMRR高，但输入阻抗较低，增益调节困难。高，但输入阻抗较低，增益调节困难。21RKR 信号调理电路信号调理电路-信号放大信号放大 4. 仪用放大器仪用放大器A1A2：两个对称两个对称的同相放大器，以的同相放大器，以提高输入阻抗；提高输入阻抗；43RR 65RR 21RR A3：差动放大器，差动放大器，以抵消前级的共模以抵消前级的共模干扰，而且还将双干扰

10、，而且还将双端输入转换为单端端输入转换为单端输出，适应对地负输出，适应对地负载的需要。载的需要。信号调理电路信号调理电路-信号放大信号放大 RRUUUUR12ooiip(1)() RRUUURR11oiiPP(1)RRUUURR22oiipp(1) RRRRUUUUURRRRR5565ooooo33463(1)() +URRRKUURRo512iiP3(1) 信号调理电路信号调理电路-信号放大信号放大 KRp50k1 集成仪用放大器集成仪用放大器INA114的内部结构：的内部结构：信号调理电路信号调理电路-信号放大信号放大 案例：案例：INA114与测量电桥的连接与测量电桥的连接信号调理电路信

11、号调理电路-信号放大信号放大 RPUo350INA1143503503500.1F1832760.1F54+5V-5Vu案例：案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用在光功率自动控制电路中的应用 光功率自动控制电路的作用：光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源克服供电电源波动或光源老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。 信号调理电路信号调理电路-信号放大信号放大 UK UUUoiiREF() 当当激光器激光器LD因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极管管PIN的光电流也同比例增大，从而使电阻的光电流也同

12、比例增大，从而使电阻R1上的电位升高。上的电位升高。此时此时INA114的输出电压的输出电压Uo降低，即降低，即U1也降低，流过也降低，流过LD的电的电流流I也相应降低，从而达到降低也相应降低，从而达到降低LD辐射功率。辐射功率。 UUK UUIRR12ii44()信号调理电路信号调理电路-信号放大信号放大 案例：案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用在光功率自动控制电路中的应用 5. 程控增益放大器程控增益放大器fiRKR Rin80k2 (n0 1 2 3) ， ， ，信号调理电路信号调理电路-信号放大信号放大 1. 电压电压-电流转换电流转换 作用：减小传输导线阻抗对信号的衰减作

13、用：减小传输导线阻抗对信号的衰减UIIRiLi （1）负载浮地型）负载浮地型V/I转换电路转换电路 优点：优点：与负载电阻与负载电阻RL无关，具无关，具有恒流特性。有恒流特性。缺点：缺点：负载必须悬浮，不能接负载必须悬浮，不能接地，不适用于某些应用场合。地，不适用于某些应用场合。3.3.2.2 信号转换信号转换（2）负载接地型）负载接地型V/I转换电路转换电路 3224o1P1io211343411 RRRRUUUURRRRRRUUUUUUIRRRRo1P2o1o2P2iLL000RRRRR1234 (取取 )3.3.2.2 信号转换信号转换案例：案例：V/I转换转换AD694在啤酒发酵温度控

14、制系统中的应用在啤酒发酵温度控制系统中的应用 LM35温度传感器对发酵罐内温度进行采样，信号放大后经A/D转换送至微处理器。微处理器根据模糊积分控制算法的运算结果将控制信号输出至D/A转换器，再放大为0-10V的电压信号，最后利用AD694进行V/I转换，得到4-20mA的电流信号，自动调节冷却阀门的开度，使冷却夹套内的冷媒带走多余的反应热，实现发酵罐温度的控制。 3.3.2.2 信号转换信号转换利用利用AD694进行进行V/I转换的电路：转换的电路： 输入量程选择引脚输入量程选择引脚4悬空，表示输入电压范围为悬空，表示输入电压范围为0-10V，4mA偏置电流选择引脚偏置电流选择引脚9接地，表

15、示输出电流范围接地，表示输出电流范围4-20mA。由于感性负载电流输出引脚由于感性负载电流输出引脚11与地之间跨接与地之间跨接0.01F的电容，的电容，二极管二极管VD1和和VD2防止负载电压过高或过低时损坏防止负载电压过高或过低时损坏AD694。 3.3.2.2 信号转换信号转换要求要求:（1）电流源内阻）电流源内阻RS很大，减小输入失调电压影响；很大，减小输入失调电压影响； （2）ISIb运放的输入偏置电流。运放的输入偏置电流。2. 电流电流-电压转换电压转换 简单方法：在输出电路中串接精密电阻，通过测量电阻简单方法：在输出电路中串接精密电阻，通过测量电阻两端的电压即可完成转换，但对后续电

16、路会产生负载效应。两端的电压即可完成转换，但对后续电路会产生负载效应。 （1）反相输入型）反相输入型UIIRoS1 UIRI Ro1S1 Uo- -+ +A+ +IS RSR2R1I3.3.2.2 信号转换信号转换（2）同相输入型）同相输入型UIRi1 RRUUURR22oib33(1) 要求要求：R4=R2/R3例如例如：420mA 010V 取取R1=250，I= 420mA Ui=15VUo=010VRRURR22b33(1) 10 RRURR22b33(1) 510 RR2332 Ub5V3 R320k R230k RRR423/ /12k ， ， ， ，Uo- -+ +A+ +UbR

17、3R1I R4R2Ui3.3.2.2 信号转换信号转换2. 2. 电流电流- -电压转换电压转换3. 电压电压-频率转换频率转换 当当Uo1=0UREF时，输出时，输出Uo为高电平，为高电平，V1截止，积分器对截止，积分器对Ui积分，使积分，使Uo1减小。当减小。当Uo1UREF时，时，Uo将跃变为低电平，将跃变为低电平，V1导通，导通，C1迅速放电，使迅速放电，使Uo1增大，如此重复电路产生自激振荡。增大，如此重复电路产生自激振荡。U1fTTTR C Ui12111REF1 3.3.2.2 信号转换信号转换 作用：实现远距离传输作用：实现远距离传输(调频调频)案例：案例：LM331在香烟包装

18、机温度检测中的应用在香烟包装机温度检测中的应用 热电偶输出的电压信号放大后再利用热电偶输出的电压信号放大后再利用LM331转换为频率转换为频率信号，频率信号经远距离传输通过光电隔离送入微处理器，信号，频率信号经远距离传输通过光电隔离送入微处理器，微处理器对该频率信号进行处理，输出控制信号经功率放大微处理器对该频率信号进行处理，输出控制信号经功率放大后驱动可控硅，利用过零触发方式控制加热器电源的通断。后驱动可控硅，利用过零触发方式控制加热器电源的通断。 3.3.2.2 信号转换信号转换结构原理（CD4051）图2 -3 CD4051结构原理图0S2S3S4S5S6S7S1S动动驱驱码码译译换换转

19、转平平电电ABCINHmS3.3.3 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。理想的多路转换器其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)，AD7501，LF13508等。 nFSR2分辨率%10021%100nFSR分辨率相对分辨率 )mV(2)V(002.05)999.4997.421 （绝对精度相 对 精 度绝 对 精 度F S R1 0 0 %精度：转换后所得结果相对于实际值的准确度；分辨率：转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。分辨率高的A/D转换器，可能因为温度漂移、线性不良等原因，并不一定具有很高的精度。

20、思考题思考题某电子秤，其压力传感器的电压输出与压力成正比，采用12位的A/D转换器，采用有舍有入的量化，量程为0-10V。当输入模拟信号电压落在4.997V-4.999V范围时，得到数字信号是1000_0000_0000B。(1)求此A/D转换器的绝对分辨率和绝对精度；(2)采用此电子秤进行称重的顾客是赚还是亏？(1)绝对分辨率：10/212=0.0024410/212=0.00244 1000_0000_0000B转换的模拟量 211*10/212=5v)mV(2)V(002.05)999.4997.421 （绝对精度(2) 4.997V-4.999V舍入为舍入为5v5v1v1v0.8333

21、3333v0.83333333v0.91v0.91v精度与分辨率精度与分辨率5对基准电源的要求对基准电源的要求 设计时应该考虑外界精密基准电源。设计时应该考虑外界精密基准电源。6线性误差线性误差 在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最 大误差定义为线性误差。大误差定义为线性误差。 线性误差常用线性误差常用LSBLSB的分数表示，如的分数表示，如1/21/2LSBLSB或或1 1LSBLSB。1. 8位AD转换器ADC0809主要特点： 分辨率 8 位； 转换时间100s； 温度范围-40 +85 ； 可使用单一的 +5V电源； 可直接与CPU连接； 输

22、出带锁存器； 逻辑电平与TTL兼容。电路组成及引脚功能电路组成及引脚功能 ADC0809有有28条引脚。条引脚。OE模拟量输入线模拟量输入线ININ7 7ININ0 0 8 8条条：用来输入模拟量：用来输入模拟量地址输入和控制线地址输入和控制线4 4条条 ALEALE地址锁存允许输入线地址锁存允许输入线 A A、B B、CC地址输入线地址输入线数字量输出及控制线数字量输出及控制线1111条条 STARTSTART转换启动信号，为高电平时转换开始转换启动信号，为高电平时转换开始 EOCEOC转换结束信号转换结束信号 EOC=1EOC=1转换结束转换结束 EOC=0EOC=0正在进行正在进行A/D

23、A/D转换转换 OEOE输出允许信号输出允许信号 OE=1OE=1输出转换得到的数据输出转换得到的数据 OE=0OE=0输出数据线呈高阻状态输出数据线呈高阻状态 D D7 7D D0 0数字量输出线数字量输出线电源线及其它电源线及其它5 5条条 V VCCCC+5V+5V电源线电源线 GNDGND地线地线 V VREFREF（+ +）和和V VREFREF（- -）参考电压参考电压 CLOCKCLOCK时钟输入信号线时钟输入信号线n1n1n1/RD/ WR/ADDRESS/INTERRUPTINTERRUPTOEEOCSTARTALE10进行进行A/D转换：转换：001A/D转换结束：转换结束

24、：110001000采用中断方式采用中断方式 2. 8位位A/D转换器的程序设计转换器的程序设计 101000111101001 采用查询方式采用查询方式 将将A/DA/D转换器的结束信号送到转换器的结束信号送到CPUCPU数据总线或数据总线或I/OI/O接口的某一位上，转换开接口的某一位上，转换开始后便开始查询转换是否结束，一旦结束，就读出转换结果。始后便开始查询转换是否结束，一旦结束，就读出转换结果。2. 8位位A/D转换器的程序设计转换器的程序设计 11001100101010采用查询方式例题采用查询方式例题START: MOV R0,#00H ；建立外部RAM缓冲区地址指针 MOV P2,#0A0H MOV R3,#00H ；置采样次数计数器初值 MOV R4,#00H MOV R6,#08H ；设通道计数器初值AGAIN0: MOV DPTR,#7FF0H ；通道地址寄存器设初值7FF0H=0111111111110000B,P2.7=0,P0.0=0,P0.1=0,P0.2=0,选中0号通道AGAIN: MOVX DPTR