单片机系统的前向通道过程输入通道与接口

本章讨论的的主要对象人机接口等A/DD/A模拟输入数字量输入模拟输出数字量输出信号隔离信号隔离控制对象传感器等检测装置单片机（MCU）控制方法当前1页，总共25页。信息种类信息来源通道类型数字量开关量输入阀门的开关，接点的通、断，电平的高、低等数字量输入通道数据数码各类数字传感器、控制器等脉冲量输入长度、转速、流量测定转换等中断输入操作人员请求、过程报警等模拟量电流信号压力、温度、液位、速度、重量、位移等模拟量输入通道电压信号表6.1.1输入信息分类与通道对照表当前2页，总共25页。第07章：过程输入通道（前向通道）与接口本章主要内容：数字量输入通道（信号调理、开关量去抖、输入隔离）模拟量输入通道（☆），包括：信号检测与放大电路、信号隔离电路、信号变换电路（I/V）、硬件滤波电路（补充）、采样保持电路、模数转换电路、多路开关电路（从几路模拟输入中选取一路）等当前3页，总共25页。1、数字量输入通道（1）输入信号调理电路当前4页，总共25页。1、数字量输入通道（2）输入信号去抖电路（解决机械触点的抖动问题）（基本RS触发器，此电路不存在不定态。）利用了RS触发器翻转需要的苛刻条件消除抖动（分析电路）当前5页，总共25页。1、数字量输入通道（3）防干扰输入隔离电路（解决长线传输的强电对弱信号的干扰问题）常见隔离技术有以下两种：一种是光电隔离技术，其原理是输入、输出之间来用光耦合，如图中a)所示。另一种是变压器耦合输入，见图中b)所示。当前6页，总共25页。b)变压器耦合输入电路a)光耦式输入电路①这两种电路的工作原理与器件参数说明②两种电路各自的特点（适用场合及优缺点）当前7页，总共25页。2、模拟量输入通道概述（1）模拟量输入通道的一般结构信号调理信号隔离与放大信号硬件滤波单路模拟量输入到计算机示意图当前8页，总共25页。解决多路信号转换的方法1（并行转换结构）：教材P158图6－48255等当前9页，总共25页。解决多路信号转换的方法2：选用时要兼顾性能（速度）与成本。CD4051当前10页，总共25页。2、模拟量输入通道概述（2）相关概念：模拟信号的采样与量化模拟信号到数字信号的转换包括信号采样和量化两个过程。

1）信号的采样为了保证采样不失真，采样频率必须遵循香农定理：

f>=2Fmax,实际中常取f>=（5～10）Fmax当前11页，总共25页。2）量化与量化误差采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号Y（t）幅值上的变化，也反映在采样信号Y*（t）上。为了计算机能接受，还需要将采样信号变成幅值也不连续的数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程（模数转换）。执行量化动作的装置是A/D（模数转换）转换器。

量化单位

q=(Ymax—Ymin)/2（）

量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，存在±1/2q的量化误差。例如，q=20mv，量化误差为±10mv，1.009—0.99范围内的采样值，其量化结果是相同的。当前12页，总共25页。3、模拟量输入通道的功能模块（单元电路）介绍（1）（模拟电压信号的）放大与隔离电路信号隔离与放大很多传感器（如温度、压力传感器）输出的都是很微弱的电压信号（mV级甚至uV级），因此，要把这些信号信号送入到A/D转换器进行模数转换、必须将这些弱信号加以适当的放大。这个过程需要放大电路完成。信号的放大通常是弱信号测量的一个难点，放大电路的设计至关重要。当前13页，总共25页。①输入通道AI中常用放大器之一：测量放大器测量放大器又称仪表放大器，一般采用多运放平衡输入电路，图为最基本的电路当前14页，总共25页。a）工作原理：

根据叠加原理可以分析得到

V01=－(1+R1/RG)Vi-

－R1/RGVi

V02=－(1+R1/RG)Vi＋＋R1/RGVi

测量放大器输出电压

V0=V01+V02

=（1+2R1/RG)(Vi+－Vi-）

其增益为G=1+2R1/RGb）测量放大器的特点与应用场合：由于对两个输入信号的差动作用，漂移减少，且具有高输入阻抗、低失调电压、低输入阻抗和高共模抑制比以及线性度较好的高增益。当前15页，总共25页。c）集成的仪表放大器：目前许多集成测量放大器芯片可供用户使用。如AD521、AD522、INA101、WS112等。

集成的测量放大器的一般结构如图所示，两个差动输入端Vi+、Vi-与信号源相连，对通过信号源引入的共模干扰有较高抑制能力。外接电阻RG用来调节增益，有些放大器还有对放大倍数进行微调的电阻RS。当前16页，总共25页。

器件特点与主要技术指标：由于采用单芯片结构，而且组成的关键部件均采用激光微调技术，使其具有较高性能和较低的成本。其主要特性指标为：漂移电压≤0.25μV/C，偏移电压≤25μV,线性度≤0.002%,共摸抑制比≥106dB(60Hz),输入阻抗1010,电源±20V,输入电压范围±20V。下图a为INA101M的一种简单接法。其增益用外接电阻RG调节，G=1+40K/RG。RG的基准值和电阻的温度系数直接影响增益精度和漂移，因此，RG应选用精密电阻。图b)可用来取代a）图中电位器Rw1,用于调节偏移电压，其优点是可以使漂移不随调节而变化。这里仅以INA101M为例作以介绍：当前17页，总共25页。偏移电压调整步骤如下：1）调节V1=V2=0V(保证输入端优良好的接地）；2）用RG将增益调至所需要值（注意：偏移量随增益变化而变化）；3）调节Rw1,直到输出为0V±1mV或所需要的值。如果要消除输出偏移或要求确定与输入相同的偏移，可采用图c)电路。调节Rw2,当前18页，总共25页。②输入通道AI中常用放大器之二：增益可编程放大器在原来的测量放大器中，用RG1～RG8取代原先的RG,选择其中哪一个电阻由多路开关CD4051来确定（CD4051状态可由计算机通过程序来控制），则可实现放大器放大倍数（增益）的编程。分立式可编程增益放大器当前19页，总共25页。集成的可编程增益放大器：常用芯片有AD612/614、PGA200/201、PGA100等。例：AD612/614为典型的三运放结构，片内有精确的电阻网络使其增益可控。其内部结构原理图如下。增益选择当前20页，总共25页。强电信号隔离的必要性：

隔离放大器的适用范围：a）消除由于信号源接地网络的干扰所引起的测量误差。b）测量处于高共模电压下的低电平信号c）避免构成地回路及不需要对偏置电流提供返回通路问题。d）保护应用系统电路不致因输入端或输出端大的共模电压造成损坏。③输入通道AI中常用放大器之三：隔离放大器当前21页，总共25页。a）变压器耦合隔离放大器模拟信号隔离放大器有基于变压器耦合的隔离信号放大器（后为了制作成集成芯片，将变压器耦合改进为电容器电路来耦合调制后的信号以跨越屏障实现隔离）、基于光耦合的隔离放大器等。在ISO124片内，输入信号被占空度调制并以数字方式发送跨过屏障（电容器耦合）。输出部分接收被调制的信号，把它变换回模拟电压并去掉调制/解调过程中固有的纹波成分。由于对输入信号进行了调制与解调，所以使用时应注意被采样信号频率上的一些限制。调制器工作在500kHz的基频上，故高于250kHzNgquist频率的输入信号在输出中会呈现较低的频率分量。

基于变压器隔离的耦合放大器使用：（以BB公司的低功耗精密隔离放大器ISO124为例）

SO124的技术指标：额定隔离电压为1500V，最大非线性误差为0.01%，固定单位增益，电源电压范围为±4.5～±18V，可广泛应用于工业过程控制、数据采集及测试设备等。当前22页，总共25页。

工作原理：由图可见，利用一个发光二极管LED和两个光敏二极管耦合，使输入与输出隔离。将发光二极管LED的光反向送回输入端（负反馈）、正向送至输出端，从而提高了放大器的精度、线性度和温度稳定性。其输入为电流信号，若进行电压输入，则利用一外接电阻即可实现，此时Iin=Vin/Rin.图中A1起着单位增益放大器的作用，A2作为电流电压转换器，即在系统稳定时，ID1=ID2=-Iin,输出Vout=-ID2•RF=Iin•RF.只要改变外接电阻RF的值，就能改变增益。ISO100中有两个精密电流源，用其完成双极性操作。单极性时，不需要精密电流源，电流源可供外部使用。b）光耦合的隔离放大器（ISO100）光耦合隔离放大器具有隔离效果好，频带宽等优点。当前23页，总共25页。3、模拟量输入通道的功能模块（单元电路）介绍（2）输入模拟电压信号的滤波