第二章计算机控制系统过程通道设计方法(第三讲)

12.1数字量过程通道的设计方法2.2模拟量输入通道设计方法

2.3模拟量输出通道设计方法 2.4电气控制器与执行器 2.5小结

第三讲22.2模拟量输入通道设计方法

模拟量输入通道的任务：完成模拟量信号到数字量信号的转换。2.2.1模拟量输入通道的组成2.2.2I/V变换、多路开关、测量放大器及采样保持器2.2.3模拟量输入通道的设计32.2.1模拟量输入通道的组成

AI通道的任务是把生产现场被控对象(如温度、压力、流量、液位、电流、电压、成分等)模拟量信号转换成计算机可以识别的数字量信号。模拟量输入通道的结构组成图4-20mA1-5V42.2.2I/V变换、多路开关、仪用放大器及采样保持器

在设计离散系统时，香农采样定理是必须严格遵守的一条准则，它指明了从采样信号中不失真地复现原来连续信号的最低采样频率。香农定理：若采样保持器的输入信号具有有限带宽，设输入信号的频率分量为，采样频率为，则要从采样信号中完整地复现信号，则必须满足：。51.I/V变换传感器和变送器输出的信号为1~5V或4~20mA，而A/D转换器所接收的模拟信号为0~±10V或0~±5V。思考：(1)DDZ-II型与DDZ-III型电动单元组合仪表的区别？

(2)DDZ-III型电动仪表为何在控制室使用电压传输，在现场与控制室间使用电流传输？⑴4～20mA电流信号适用在现场与控制室之间远距离传输，可以避免传输导线上的压降损失引起的误差。

⑵1～5V电压信号适于控制室内短距离联络，仪表之间可以并联连接，便于仪表安装和维修。6为什么选取这样的标准信号？(a)30V电压，30mA电流所引起的火花能量足以达到危险气体燃点的平均下限，因此多数仪表采用24V供电，为了留有余量，电流信号上限定为20mA。(b)为了区分无信号和信号为零，信号起始值不为零。(c)两线制仪表在信号为零时仍需要一定的能量供应。(d)4-20mA电流作用在250Ω电阻上刚好得到电压1-5V。71)无源I/V变换

输入输出0~10mA

0~5V4~20mA

1~5V精密电阻限幅82)有源I/V变换A-+R5R4R3R2R1CIV

输入输出0~10mA

0~5V4~20mA

1~5V为何选用运算放大器？精密电阻93)专用I/V转换电路102.多路开关(多选一)CD4051原理图CMOS的模拟开关电路：通过数字量来控制传输门(TG)的接通和断开以传输数字信号或模拟信号优点：功耗低、速度快、体积小、无机械式触点，使用寿命长缺点：导通电阻不够小(几十欧至几百欧)，断开时有泄漏电流(0.1微安)，且通过电流一般为毫安11CD4051结构原理图

并非实际的开关，而是CMOS的模拟开关，若VEE，VSS的电压匹配不足，开关就相当于一个大内阻12CD4051真值表:13补：扩展电路当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。

143.测量放大器

在实际工程中，传感器或变送器输出的模拟信号一般较弱，故需要将其放大以达到A/D转换所需的量程范围。运算放大器：具有毫伏级的失调电压和温漂放大器测量放大器：高输入阻抗、低输出阻抗，低温漂，低失调电压和高稳定增益，抗共模干扰能力强

常用的测量放大器为AD521，AD522等。15AD521基本连接方法16

来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器。17(a)经典测量放大器(AD521结构图)调整放大器增益可抑制共模干扰18(b)可变增益放大器194.采样保持器

当某一通道进行A/D转换时，由于A/D转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器。采样保持器的作用是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。20如图所示，它有两种工作状态，一种是采样状态，另一种是保持状态。采样保持器工作状态时间上离散幅值上连续离散模拟信号21

对于同步系统，几个并联的参量均取自同一瞬时，如电力系统监控中的功率计算，就是同一时刻的交流电流和电压值。而各参数要共享一个A/D转换器，就必须保持其信号直到本次A/D转换全部完成。但转换完成后，又要求A/D转换器的输入信号能够随模拟量的变换而变化。最常用的采样保持器有AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389、ADSHC-85，以及国家半导体公司的LF198/298/398。22常用术语：采样器或采样开关--执行采样动作的装置，采样时间或采样宽度τ--采样开关每次闭合的时间采样周期T--采样开关每次通断的时间间隔在实际系统中，，也就是说，可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。数据采样过程23X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a)采样开关(b)连续信号(c)开关函数24X*(t)kT05T3TT7T1调制器X(t)X*(t)P(t)(d)采样信号(e)采样过程x*(t)=p(t)x(t)因，所以分析时可近似认为，以单位脉冲函数来代替p(t)。25单位脉冲序列：δT(t)kT0数学表达式：单位脉冲函数定义：理论表达形式：工程表达形式：26采样过程数学描述:考虑物理上可实现，又可近似为：思考：为何可以这样地近似表示？？可见，具有离散信号的特性。27采样保持器采样保持器结构图28零阶保持器29LF398内部原理与应用电路302.2.3模拟量输入通道的设计

模拟量输入通道中主要器件就是A/D转换器。

设计稳定、优良的模拟量输入通道的基础：了解A/D转换器的原理和外部特性。

模拟量输入通道设计过程中需要主要解决的问题：A/D转换器与计算机的接口及其程序设计。311.A/D转换器常见结构：逐次逼近寄存器

双积分△-∑

高速流水线逐次逼近式速度为双积分式的100倍以上精度高于16位√321)逐次逼近寄存器式A/D转换器的基本工作原理比较器优点：转换速度快，转换时间固定缺点：抗干扰能力差332)A/D转换器主要性能指标及术语

分辨率(Resolution)

量化误差(Quantizingerror)

线性度(Linearity)

转换精度(ConversionAccuracy)

绝对精度相对精度转换时间(ConversionTime)343)常见A/D转换器及其外特性

由于逐次近似寄存器式转换方式的快速性，因此在普通A/D元件市场上有相当多的是采用该方法，如

8位的ADC0801、0804、0808、0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582。

352.A/D转换器接口及程序设计

在模拟量输入通道设计中，A/D转换器与计算机的连接(硬件设计)及程序设计(软件设计)是其重要组成部分。1)A/D转换器的接口技术①模拟量输入与数字量输出的连接②A/D转换器的启动③A/D转换器结束信号的处理2)A/D转换器的程序设计①如何启动A/D转换②如何判断A/D转换结束③如何读取并存放转换结果36①并行A/D转换器的典型应用(ADC0809)8位逐次逼近式A/D转换器分辨率8位，精度7位

8个模拟量输入通道通道地址译码锁存器输出带三态数据锁存器启动方式为脉冲启动输入电压范围为0~5V37ADC0809内部结构及引脚38各引脚功能如下：

IN0～IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。C、B、A：3位地址线即模拟量通道选择线。START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。D0～D7：8位数字量输出。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作电源，5VDC。GND：电源地。39表2-3被选中模拟量通道数与地址信号的对应关系被选中模拟量通道数ADDCADDBADDAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN711140ADC0809的转换时序地址锁存，译码选通模拟开关的某一路启动A/D转换内部清零A/D转换结束输出转换结果41ADC0809的工作过程是：首先ALE的上升沿将输入的3位地址(C,B,A)存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到A/D转换器。START上升沿将SAR复位，下降沿启动A/D转换，此时EOC输出信号变低电平，指示转换正在进行，直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。42ADC0809与8031采用查询方式的接口电路滤除低频干扰滤除高频干扰43

下面的程序是采用查询方式，分别对8路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果转存到内部数据存储区的采样存储程序。

ORG8000HSTART：MOVR1,#DATA；置数据区地址指针

MOVDPTH,#0DFH；P2.5=0MOVDPTL,#80H；指向模拟通道0MOVR7,#08H；置通道数LP1:MOVX@DPTR，A；所存模拟通道地址，启动A/D转换LP2:MOVC,P1.0；读EOC状态

JNCLP2；非1，循环等待

MOVXA，@DPTR；读A/D转换结果

MOV@R1，A；存结果

INCR1