热加工测控技术课件：微机检测系统的输入输出通道 -

2023/12/4热加工测控技术2023/12/4微机检测系统的输入/输出通道

2本章知识构架2023/12/47.1输入通道2023/12/47.1.1输入通道的基本结构被测信号通常可分为数字量信号、开关量信号和模拟量信号。对于数字信号，其输入通道结构比较简单，而模拟信号的输入通道相对较为复杂。在微机测试系统中，输入大多是模拟信号。一个简单的单通道输入电路应包括传感器、信号变换电路、采样保持（S/H）电路和A/D转换电路等部分。实际的微机检测系统往往都需要同时测量多个物理量，因此，多通道数据采集系统更为普遍。多通道数据采集系统的典型输入结构有三种。1.多路分时采集单端输入通道结构2.多路同步采集分时输入通道结构3.多路同步采集多通道输入结构2023/12/4输入通道的基本结构图7.3是多路分时采集单端输入通道的结构1.多路分时采集单端输入通道结构图7.3多路分时采集单端输入通道结构多个信号分别由各自的传感器和信号变换电路组成多路通道，经多路转换开关切换，进入共用的采样/保持电路（S/H）和A/D转换电路，然后输入到主机部分。它的特点是多路信号共同使用一个S/H电路和A/D电路，简化了电路结构，降低了成本。它对信号的采集是由多路转换开关分时切换、轮流选通的，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据，这样就产生了时间偏斜误差。尽管这种时间偏斜是很短的，对于要求多路信号严格同步采集检测的系统来讲，一般不适用，但它对于数中速和低速微机检测系统仍是一种应用广泛的结构。2023/12/4输入通道的基本结构多路同步采集分时输入通道结构的特点是在多路转换开关之前，给每个信号通路增加一个S/H电路，使多个信号的采样在同一时刻进行，即同步采样，然后由各自的保持器来保持采集的数据，等待多路转换开关分时切换进入共用的S/H电路和A/D电路，并输入主机，这样就可以消除上述结构的时间偏斜误差。图7.4多路同步采集分时输入通道结构2.多路同步采集分时输入通道结构这种结构既能满足同步采集的要求，又比较简单。它的缺点是在被测信号路数较多的情况下，同步采得的信号在保持器中保持时间会加长，而实际使用中保持器总会有一些泄漏，使信号有所衰减。同时由于各路信号保持时间不同，致使各个保持信号的衰减量不同。因此，严格地说，这种结构还是不能获得真正的同步输入。2023/12/4输入通道的基本结构这是由多个单通道并列构成的输入通道结构，见图7.5图7.5多路同步采集多通道输入结构3.多路同步采集多通道输入结构显然，它的每个信号从采集到转换，在时间上完全可以瞬时对应，即完全同步。这种结构的缺点是电路比较复杂，元器件数量多，成本高。它一般适用于高速采集多通道检测系统和被测信号严格要求同步采集的检测系统中。2023/12/47.1.2输入通道的基本电路图7.6是典型的模拟量输入通道框图图7.6典型模拟量输入通道框图主要由量纲转换、滤波、放大和模数转换等部分组成。在热加工过程中各种各样的被测参数，如温度、压力、位移、转速等，经检测元件、变送器或转换器变换为电流或电压，再由标度变换器变换成统一的电信号后，经滤波、放大和A/D转换后送入主计算机处理。2023/12/4输入通道的基本电路在热加工过程中的大多数物理量都是非电量，如温度、压力、位移、转速等。这些参数的量纲往往不同，数值大小也不同，转换时常根据信号本身的特点转换为电流或电压或频率。而A/D转换器只能接受一种标准的电压信号，因此，有必要把检测的信号变成统一的信号，我们称之为量纲转换。目前普遍采用的是将被检信号变换为直流电压信号或频率信号。当然，如果现场信号的量纲符合要求时，也可不采用量纲转换。如常用的F/V变换器和前面讲述的I/V变换器都属于量纲转换器。下面介绍量程变换、滤波、模数转换和标度变换的原理和方法1.量纲转换2023/12/4输入通道的基本电路滤波分为模拟滤波和数字滤波两种。模拟滤波电路在前面已经讲述过，在这里重点介绍一下数字滤波。严格上讲，数字滤波不属于微机检测系统输入通道部分，它在通过软件编程而实现的，但它与模拟滤波相比具有诸多优点：①由于数字滤波是用程序实现的，因而不需要增加硬件设备，并且可以多个通道共用一个滤波程序；②由于数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高，稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题；③数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷，而且通过改写滤波程序，可以方便地实现不同滤波方法或改变滤波参数，也可以容易地实现多种滤波方式的组合使用，达到最佳滤波效果。2.滤波2023/12/4输入通道的基本电路程序判断滤波的方法是根据生产经验，确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差。若超过此偏差，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；若小于该偏差值，可将此信号作为本次的有效采样值。该方法适合被测参量变化幅度不大，采样信号由于随机干扰和误检或者变送器不稳定而引起信号失真的场合。根据滤波方法及应用对象不同，程序判断滤波可分为限幅滤波和限速滤波。数字滤波的方法各种各样，可以根据不同的测量工艺参数进行选择或组合，现简要介绍几种常用的数字滤波方法如下。1)程序判断滤波法2023/12/4输入通道的基本电路所谓中值滤波法就是对某一被测参数连续采样n次（一般n取奇数），然后把n个采样值从小到大（或从大到小）排列，取出中间值作为本次的采样有效值。中值滤波对于去掉脉动性质的干扰比较有效，但对快速变化过程的参数不宜采用。本滤波方法中，一般来说n值不宜过大，否则滤波效果反而不好，并且总的采样控制时间会增长，正常情况下，n值一般取3~5即可。2)中值滤波法2023/12/4输入通道的基本电路所谓算术平均值法就是对某一被测参数连续采样几次，然后取该组采样结果的算术平均值作为本次的采样有效值。算术平均值法适合对压力、流量等一类信号的平滑处理。由于这一类信号的特点是有一个平均值存在，信号在某一数值范围内上下波动，在这种情况下，仅取一个采样值作为有效结果显然是不准确的。算术平均值法对信号的平滑程度取决于采样次数n。当n较大时，平滑度高，但灵敏度低；当n较小时，平滑度低，但灵敏度高。因而，实际应用时，应视具体情况合理选取n值。对于流量检测，通常选取n=10~15；对于压力检测，通常选取n=3~8。3)算术平均值法2023/12/4输入通道的基本电路算术平均滤波法对每次采样值给出相同的加权系数，即1/n，加权平均滤波法就是通过改变对每次采样值的权重而实现的一种滤波方法。其原理可用下式表示：

(7-1)式中，ao，a1，L，an均为常数，且满足下式：

(7-2)常数ao，a1，L，an的选取方法多种多样，最常用的是加权系数法，即：

(7-3)式中，τ为控制对象的纯滞后时间。4)加权平均滤波法2023/12/4输入通道的基本电路加权平均滤波法适用于纯滞后时间常数较大，采样周期较短的过程，它给不同采样时间得到的采样值以不同的权系数，以便能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度。但采用加权平均滤波法需要测试不同过程的纯滞后时间并输入计算机，同时要不断计算各系数，将会导致频繁的调用乘、除、加子程序，增加了计算量，降低了控制速度。2023/12/4输入通道的基本电路惯性滤波法是一种以数字形式实现低通滤波的动态滤波方法。它能很好地克服低通RC模拟滤波器中难以实现大时间常数及高精度RC网络不宜制作的不足。在RC滤波电路中，时间常数越大，R值要求越大，漏电电流随之增加。惯性滤波的表达式为：(7-4)式中，xn为第n次采样值；为上次滤波结果输出值；Yn为第n次采样后滤波结果输出值；a为滤波平滑系数a=τ/(τ+T)；τ为滤波环节的时间常数；T为采样周期。通常采样周期T远小于滤波环节的时间常数τ，也就是输入信号的频率快，而滤波器的时间常数相对大。惯性滤波适用于波动频繁的工艺参数滤波，它能很好的消除周期性干扰，但同时也带来了相位滞后。5)惯性滤波法2023/12/4输入通道的基本电路1)采样保持电路采样保持电路是在逻辑控制信号控制下处于采样或保持状态的电路。在采样状态下，它跟踪输入的被测模拟信号变化，转为保持状态时，电路就保持着采样结束时刻的模拟信号电平，直到进入下一次采样状态。目前，采样保持电路一般都采用集成电路芯片。3.采样保持电路和多路模拟转换开关电路模拟转换电路一般由采样保持电路、模拟多路转换开关以及A/D转换器等组成。2023/12/4输入通道的基本电路最基本的采样保持器由模拟开关S，保持电容CH，和缓冲放大器A组成，见图7.7

图7.7采样保持电路原理图图中为模拟开关S的控制信号。当为采样电平时，开关S导通，模拟信号向保持电容CH充电，这时缓冲放大器A的输出电压就跟踪变化。当转为保持电平时，开关S断开，此时输出电压保持在开关S断开瞬间的输入信号值。通常保持电容不能直接与负载相连接，否则在保持阶段，CH上的电荷会通过负载放电，所以必须加一级高输入阻抗的缓冲放大器A。2023/12/4输入通道的基本电路在数据采集中，往往需要同时对多个传感器的信号进行测量，为此经常使用多路转换开关轮流切换各被测信号，采用分时方式使被测信号与共用的A/D转换器接通。这样，由于多路转换开关的作用而使输入通道可以共用A/D转换器，使电路结构简化，成本降低。多路转换开关的种类较多，最简单的是机械式波段开关，如今它仍在一些场合使用。它们的转换时间慢，不便控制，体积亦较大。继电器、步进开关、干簧管等都是应用较广的电磁换转开关。它们可以实现自动控制且能承受较高的分断电压，但是开关时间略长，使其应用受到一定限制。2)多路模拟转换开关2023/12/4输入通道的基本电路各种集成电路的模拟转换开关把驱动电路与开关集成在一起。最常用的是CMOS场效应晶体管开关，其导通电阻与信号电平的关系曲线较为平直，见图7.8

图7.8MOS转换开关导通电阻特性

CMOS多路转换开关的导通电阻一般可做到小于100Ω，此外，它还具有功耗小、速度快等优点。2023/12/4输入通道的基本电路图7.9为CMOS集成模拟转换开关示意图图7.9集成模拟转换开关

图中S0~S7为8路输入通道，1路公共输出OUT，3条地址线A0、A1、A2和EN允许选通信号来选择8路通道的工作状态。2023/12/4输入通道的基本电路模数转换是微机检测系统的重要组成部分，常用的模数转换器如图7.10所示4.模数转换器

图7.10常见模数转换器2023/12/4输入通道的基本电路逐次比较式A/D转换器的基本原理在于比较，用一套标准电压和被测电压进行逐次比较，不断逼近，由高位到低位逐位加码比较，若Vx>V0，则保留这一位，否则去掉这一位，即大者去，小者留，逐次比较，如此进行下去，直至最低位的反馈电压V0（基准电压）参与比较为止，最后达到一致。标准电压的大小就表示了被测电压的大小。将这一和被测电压相平衡的标准电压以二进制形式输出，经译码显示器显示出来，就实现了A/D转换过程。1)逐次逼近式A/D转换器2023/12/4输入通道的基本电路逐次逼近式A/D转换器的组成见图7.11。下面以实例说明其逐次逼近的过程。图7.11逐次逼近式A/D转换器的组成设该A/D转换器为8位，模拟量输入范围为0～10V。现假设经过采样后某一时刻的电压副值x(kts)=Vx=6.6V，转换过程如下当启动脉冲到来之后，通过控制逻辑使移位寄存器清零，给时钟脉冲开门，于是开始在时钟脉冲节拍控制下同步操作。第一个脉冲使最高位B7置“1”，其余各位置“0”。该二进制数10000000加到D/A转换器，其输出为满刻度值的一半，即+5V，此时，Vx>V0，通过控制逻辑电路使B7保持“1”。当第二个脉冲到来时，使B6位置“1”，则加在D/A转换器上的数为11000000，其输出为+7.5V，此时Vx<V0，通过控制逻辑电路使B6复位到“0”，数字量输出线上的数字量又回到10000000。同理，第三个脉冲使B5置“1”，对应10100000，V0=+0.25V，此时Vx>V0，B5保持“1”，数字输出10100000。2023/12/4输入通道的基本电路图7.11逐次逼近式A/D转换器的组成继续下去，直到第八个时钟脉冲使B0置“1”，V0=+6.582V，此时Vx>V0，B0保持“1”，数字输出10101001，第九个脉冲使移位寄存器溢出，表示转换结束。逐次逼近式A/D转换器每完成一个幅值量化编码过程需要n+1脉冲周期。2023/12/4输入通道的基本电路双积分式A/D转换器又称双斜率A/D转换器。它的基本原理是将一段时间内的输入模拟电量（电压）通过两次积分，变换成与其平均值成正比的时间间隔，然后由脉冲发生器和计数器来测量此时间间隔内的脉冲数而得到数字量。2)双积分式A/D转换器2023/12/4输入通道的基本电路图7.12双积分式A/D转换器原理图图7.12是双积分式A/D转换器工作原理图积分器的输入电压有两个：一个为反映被测参数的未知被测电压Vx，另一个为已知的标准电压VR。积分器由电子开关控制轮流与Vx和VR接通。2023/12/4输入通道的基本电路首先，由控制逻辑电路发生控制脉冲，把输入电压Vx接到积分器的输入端，对Vx进行定时积分。图7.13是积分器输出电压波形图图7.13双积分式A/D转换器电压波形图其积分过程是这样的：从t1开始，切换开关首先接通被测电压Vx，积分器从原始状态（0V）开始对被测电压定时积分，积分时间限定为T1（计数器计到满丝程），积分区间为t1~t2。此区间内积分器的输出电压V0可表示为：

(7-5)2023/12/4输入通道的基本电路图7.13双积分式A/D转换器电压波形图实际上被测电压Vx在积分时间T1内可能是变化的，可用它在时间T1内的平均值代替实际的输入电压Vx，则有：

(7-6)从而

(7-7)从时间t2的瞬时开始，换开关自动接通电压VR，由于输入极性反向，积分器反向积分，输出电压从V0开始随时间线性下降，直至V0等于零，检零比较器动作。若从V0下降到使比较器动作的零电平这段时间为T2，计数器所计的数就是电压V0的数字量，可表示被测电压Vx在T1时间内的平均值的数字量。在这段时间内，积分器的输出电压V0可表示为：

(7-8)由式(7-7)和式(7-8)可得：

(7-9)2023/12/4输入通道的基本电路图7.13双积分式A/D转换器电压波形图由此可知，在T1、VR一定的情况下，时间间隔T2与Vx被测电压Vx的平均值成正比例。这样，被测电压就被变换为与其成比例的时间间隔T2，从而完成电压-时间的转换。用N1和N2表示在同一时钟脉冲下T1、T2时间内计数器的脉冲计数值，则式(7-9)变为：

(7-10)由式(7-10)可知，与计数器的时钟脉冲数N2成正比．从而把输入模拟电量V2转换成为数字量N2输出。2023/12/4输入通道的基本电路①分辨率与量化误差。与一般测量仪表分辨率表达方式不同，A/D转换器的分辨率不采用可分辨的输入模拟电压相对值表示，习惯上以输出二进制位数表示。如ADC0809为8位A/D转换器，即该转换器的输出数据可以用28个二进制数进行量化，其分辨率为1LSB。当用百分数来表示分辨率时，其分辨率为：显然，二进制位数越多，分辨率越高。量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于有限数字对模拟数值进行离散取值而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位分辨率，即±1/2LSB。提高分辨率可减少量化误差。3)A/D转换的主要技术指标2023/12/4输入通道的基本电路②转换精度。转换精度是指A/D转换器实际输出的数字量与理想的数字量之间的差值，可表示成绝对误差或相对误差，与一般测试仪表的定义相似。对于A/D转换器，不同厂家给出的精度参数可能不完全相同，有的给出综合误差，有的给出分项误差。通常给出的分项误差包括非线性误差、失调误差或零点误差、增益误差或标度误差，以及微分非线性误差等。③转换时间与转换速率。转换时间是指A/D转换器完成一次转换所需要的时间，即从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的时间。通常，转换速率是转换时间的倒数。集成A/D转换器按转换速率分类：转换时间在20~300μs之间的为中速型；大于300μs的为低速型；小于20μs的为高速型。2023/12/4输入通道的基本电路生产过程中的各个参数都由不同的量纲和数值，但经A/D转换后得到的是一系列数码，这些数码的值并不等于原来带有量纲的参数值，如工业过程测量用的数字显示仪表的输出，往往要求用被测参数（如温度、压力、流量、物位等）的形式显示，这就存在一个量纲还原问题，通常称之为“标度变换”。5.标度变换2023/12/4输入通道的基本电路图7.14为一般微机检测系统或仪表标度变换的原理框图，其输出的数字量y与输入的模拟量x之间的关系可表示为：

(7-12)式中，S为数字式仪表的总灵敏度或称标度变换系数，S1、S2、S3分别为模拟部分、A/D转换部分、数字部分的转换系数。图7.14标度变换原理框图显然，可通过改变来实现标度变换，使所显示的数字量与被测量具有相同的计量单位。通常，A/D转换器的转换系数S2是确定的，要想改变仪表的标度变换系数S，可以通过改变模拟部分的转换系数S1（如传感器的灵敏度或放大器的放大倍数等）；或通过改变数字部分的转换系数S3来实现。前者称为模拟量的标度变换，后者称为数字量的标度变换。2023/12/4输入通道的基本电路对于数字量的标度变换有以下两种情况:1)线性参数标度变换对于一般的线性检测系统，其标度变换的公式为：

(7-13)式中，A0为参数量程起点值；AM为参数量程终点值；Ax为参数测量值；N0为量程起点对应的模数转换值；M为量程终点对应的模数转换值；Nx为测量值对应的模数转换值。A0、AM、N0和M对于特定的被测参数来说，它们是常数，不同的参数有不同的数值。2023/12/4输入通道的基本电路2)非线性参数标度变换有时计算机采集到的现场信号与该信号所代表的物理量不一定成线性关系，则其标度变换应根据具体问题首先求出它所对应的标度变换公式，然后再进行处理。如，在流量检测中，从差压变送器来的信号△P与实际流量q成平方根关系，即：(7-14)式中，K为刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关。根据上式，测量流量时的标度变换公式如下：

(7-15)式中，qx为被测量的流量值；qm为流量仪表的上限值；q0为流量仪表的下限值；Nx为差压变送器所测得的差压值(数字量)；Nm为差压变送器上限所对应的数字量；N0为差压变送器下限所对应的数字量。2023/12/47.2输出通道2023/12/47.2.1输出通道的基本结构输出通道一般可分为单路输出通道和多路输出通道微机检测系统常见的普通单路输出通道形式有三种：①在CRT显示器屏幕上显示测试结果，通过串行通信接口实现数据传输；②在数码管上显示数字，经过数据寄存器和译码器等数字电路实现数据输出和变换；③由打印机或绘图仪打印数据或绘制数据曲线和图形。1.单路输出通道2023/12/4输出通道的基本结构除上述这些普通形式外，在微机检测系统中，通常模拟信号输出通道将主计算机处理结果馈送到控制部件或指示仪表及记录仪器，这一类输出通道比上述普通形式的输出结构稍微复杂些。一般单通道的输出结构应包括数据缓冲寄存器、D／A转换器、信号变换(放大)电路等几部分，见图7.15。图7.15单通道输出结构2023/12/4输出通道的基本结构多路输出通道结构都是在单路输出通道结构的基础上变换而成的，主要有以下三种：2.多路输出通道1)多路分时输出通道结构2)多路同步转换输出通道结构3)多路共用D/A分时输出通道结构2023/12/4输出通道的基本结构图7.16为多路分时输出通道结构图7.16多路分时输出通道结构1)多路分时输出通道结构每个输出通道配置数据寄存器、D/A转换器和信号变换电路，犹如多个单通道输出电路并列，主计算机控制数据总线分时选通各输出通道，将输出数据传送到各自通道的寄存器中。这个过程是分时进行的，因此，各路信号在其输出通道的传输过程中不是同步的。这对于要求多参量同步控制执行的系统就会产生时间偏斜误差。2023/12/4输出通道的基本结构多路同步转换输出通道结构见图7.172)多路同步转换输出通道结构图7.17多路同步转换输出通道结构2023/12/4输出通道的基本结构它与多路分时输出通道结构的差异仅在于多路输出通道中D/A转换器的操作是同步进行的，因此，各信号可以同时到达记录仪器或执行部件。为了实现这个功能，在各路数据寄存器与D/A转换器之间增设了一个缓冲寄存器R2。这样，前一个数据寄存器R1与数据总线分时选通接收主机的输出数据，然后在同一命令控制下将数据由R1传送到R2，并同时进行D/A转换输出模拟量。显然，各通道输出的模拟信号不存在时间偏斜。主机分时送出的各信号之间的时间差由第二个数据寄存器的缓冲作用所消除。2023/12/4输出通道的基本结构3)多路共用D/A分时输出通道结构多路共用D/A分时输出通道结构见图7.18，它的特点是各路信号共用一套数据寄存器和D/A转换器。显然，各信号是分时通过的，它们转换成模拟量后可采用两种传输方案，图7.18(a)是将各模拟信号由各自的采样/保持电路接收，经变换（放大）电路驱动记录显示装置或执行部件。

图7.18多路共用D/A分时输出通道结构(a)2023/12/4输出通道的基本结构图7.18(b)则采用多路转换开关控制共用D/A转换器与各路跟随保持放大器的连接。图7.18多路共用D/A分时输出通道结构多路共用D/A分时输出结构的优点：结构简单，成本低，但由于各通道信号之间的分时间隔明显增加，时间偏斜误差加大，因此，对于高准确度的测控系统应谨慎使用。2023/12/47.2.2输出通道的基本电路输出通道中常用的器件有光电耦合器、功率驱动器和数模转换器等光电耦合器是把发光器件和光敏器件组装在一起，通过光实现耦合，构成电/光/电的转换器件。光电耦合器件的用途很多，如实现信号的可靠隔离，进行信号隔离驱动及远距离传送等，故在检测系统的输出通道中经常使用。常见的光电耦合器有晶体管输出型和晶闸管输出型两种。1.光电耦合器件及电路2023/12/4输出通道的基本电路晶体管输出型光电耦合器的受光器是光电晶体管。光电晶体管跟普通晶体管基本一样，所不同的是以光作为晶体管的基极输入信号。当光电耦合器的发光二极管发光时，光电晶体管受光的影响在cb间和ce间会有电流流过，这两个电流基本上受光的照度控制，常用ce极间的电流作为输出电流，输出电流受Vce的电压影响很小，当Vce增加时，输出电流稍有增加。光电晶体管的集电极电流Ic与发光二极管的电流IF之比称为光电耦合器的电流传输比。1)晶体管输出型光电耦合器2023/12/4输出通道的基本电路不同结构的光电耦合器的电流传输比相差很大，如输出端是单个晶体管的光电耦合器4N25的电流传输比不小于20%，输出端使用达林顿管的光电耦合器4N33的电流传输比不小于500%。电流传输比受发光二极管的工作电流大小影响。当电流为10~20mA时，电流传输比最大；当电流小于10mA或大于20mA时，传输比都下降。因此，在使用时要留一些余量。2023/12/4输出通道的基本电路光电耦合器在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间有一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器的输入输出延迟时间相差很大。4N25的导通延迟是2.8μs，关断延迟是4.5μs；4N33的导通延迟是0.6μs，关断延迟是45μs。晶体管输出型光电耦合器可作为开关使用。当无电流通过时，发光二极管和光电三极管都处于关断状态。在发光二极管通入电流脉冲时，光电晶体管在电流持续的时间内导通。2023/12/4输出通道的基本电路图7.19是使用4N25的光电耦合器的接口电路图图7.194N25接口电路4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机8031系统输出部分的作用，使两部分的电源相互独立。4N25输出端的地线接机壳或接大地，而8031的电源地线与机壳隔离。这样有效消除地线干扰，提高系统的可靠性2023/12/4输出通道的基本电路接口电路中使用同相驱动器7407作为光电耦合器4N25输入端的驱动。光电耦合器输入端的电流一般为10~15mA，发光二极管的管压降约为1.2~1.5V。限流电阻R由下式计算：

(7-16)式中，Vcc为电源电压；VF为输入端发光二极管的压降，取1.5V；Vcs为驱动器的压降；IF为发光二极管的工作电流。当8031的P1.0端输出高电平时，输入4N25发光二极管的电流为0，光电三极管处于截止状态，74LS04的输入端为高电平，其输出为低电平。当8031的P1.0端输出低电平时，7407输出端为低电平，4N25的输入电流为15mA，光电三极管饱和导通，74LS04输出高电平。4N25的6脚是光电晶体管的基极，在一般使用中可以悬空。2023/12/4输出通道的基本电路晶闸管输出型光电耦合器的输出端是光敏晶闸管或光敏双向晶闸管。当光电耦合器的输入端有一定的电流流入时，晶闸管即导通。有的光电耦合器的输出端还配有过零检测电路，用于控制晶闸管过零触发，以减少负载在接通电源时对电网的影响。4N40是常用的单相晶闸管输出型光电耦合器。当输入端有15~30mA电流时，输出端的晶闸管导通。输出端的额定电压为400V，额定电流有效值为300mA。输入输出端隔离电压为1500~7500V。4N40的6脚是输出晶闸管的控制端，不使用此端时，可对阴极接一个电阻。MOC3041是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器，带过零触发电路，输入端的控制电流为15mA，输出端额定电压为400V，最大重复浪涌电流为1A，输入输出端隔离电压为7500V。MOC3041的5脚是器件的衬底引出端，使用时不需要接线。2)晶闸管输出型光电耦合器2023/12/4输出通道的基本电路图7.20是4N40和MOC3041的接口驱动电路图7.204N40及MOC3041接口电路2023/12/4输出通道的基本电路在热加工过程中，被控对象往往是功率较大的机电元件或设备，而控制系统开关量是通过单片机的I/O口或扩展I/O口输出的，这些I/O口的驱动能力有限。如标准的TTL门电路在低电平时吸收电流的能力约为16mA，常常不足以驱动一些功率开关（如继电器、电机、电磁开关等）。因此，在控制和应用中要用到各种功率器件组成功率接口，对上述器件进行驱动。2.功率驱动器件及电路2023/12/4图7.21功率驱动器件及接口电路(a)功率晶体管；(b)达林顿管；(c)晶闸管；(d)光隔离器；(e)簧式继电器；(f)功率场效应管输出通道的基本电路2023/12/4输出通道的基本电路①功率晶体管。它的基本原理和一般的晶体管是一样的，但其功率比一般三极管要大得多。当晶体管用做开关元件时，其集电极与发射极之间的压降仅为0.3V左右，故输出电流基本上取决于负载的阻抗。如果用低增益晶体管来获得大电流输出时，前级电路仍需提供一定大小的驱动电流，在该驱动电路中采用TTL集电极开路门来提供。②达林顿管。达林顿管主要是采用多级放大来提高晶体管增益，以避免加大输入驱动电流。它实际上使用两个晶体管构成达林顿晶体管。这种结构形式具有高输入阻抗和极高的增益。2023/12/4输出通道的基本电路③晶闸管。功率放大倍数很高，可用微小的信号（几十到一二百毫安的电流，几伏的电压）对大功率（电流为几百安、电压为数千伏）的电源进控制和变换，是较为理想的大功率开关器件。但是，晶闸管导通后，即使去掉控制极信号，电流也不会截止，只有在通过晶闸管的电流小于维持电流，或在其阳极与阴极间加上反向电压时，才能关断。因此，晶闸管在交流功率开管电路中得到了广泛应用。2023/12/4输出通道的基本电路④机械继电器。在数字逻辑电路中最常使用的机械继电器是簧式继电器。它由两个磁性簧片组成，受磁场作用时，两个簧片相接触而导通。这种簧式继电器控制电流要求很小，而簧式触点可开关较大的电流。⑤功率场效应管(MOSFET)。用功率场效应管构成的功率开关驱动器件可在高频条件下工作，输入电流小，并能可靠截止，兼有晶体管开关和晶闸管的全部优点。由于场效应管是电荷控制器件，只在开关的过程中才需要电流，而且只要求微安级的输入电流，控制的输出电流可以很大。2023/12/4输出通道的基本电路数模转换器是将数字量转换成与其数字量成正比的模拟量，常见的D/A转换器如图7.22所示3.数模转换器

图7.22常见的数模转换器2023/12/4输出通道的基本电路D/A转换器的核心电路是解码网络，解码网络的主要形式有两种：一种是权电阻解码网络；另一种是T型电阻网络。权电阻解码网络D/A转换原理如下：根据一个二进制数的每一位产生一个与二进制数的权成正比的电压，将这些电压叠加起来就是该二进制数所对应的模拟电压信号。1)权电阻解码网络D/A转换器原理2023/12/4输出通道的基本电路图7.23是一个输入4位二进制数的D/A转换电路图8.23权电阻解码网络D/A转换电路VR是基准电压，d0~d3是四位二进制数，控制4位切换开关，开关分别接4个加权电阻，权电阻阻值分别按8:4:2:1比值分配。权电阻解码网络的输出接至运算放大器的反相输入端，RF是负反馈电阻。运算放大器用以放大模拟电压信号。2023/12/4输出通道的基本电路转换过程如下：位切换开关受被转换的二进制数d0~d3控制。当二进制数某位为“1”时，位切换开关闭合，基准电压加在相应的权电阻上，此时运算放大器输出电压为V0=-(RF·VR)/(2n·R)；当二进制数某位为“0”时，该位切换开关断开，输出V0=0。显然，模拟输出与各位的“权”成正比，当位切换开关同时输入4位二进制数d0~d3时，其模拟输出为：

(7-17)当二进制数位数较多时，此方法精度受影响。2023/12/4输出通道的基本电路T型电阻网络见图7.24。T型电阻网络的特点是电阻接成“T型”，电阻网络由相同的环节组成，每一环节仅有两个电阻和，电阻网络的节数与二进制数的位数相同，每一节的等效电阻皆为。图7.24T型电阻网络D/A转换电路

2)T型电阻网络D/A转换器原理2023/12/4输出通道的基本电路T型电阻网络等效电路见图7.25

图7.25T型电阻网络等效电路

图7.25中，VE为等效电源电压，R为T型网络等效电阻。设电阻网络与运算放大器输入端从A点断开，开路电压为VA。根据等效电压定理，各节点开路电压从上到下依次递减1/2。2023/12/4输出通道的基本电路图7.24第号节点电压依次为：VR·d0/24、VR·d1/23、VR·d2/22、VR·d3/21。应用叠加原理，点开路电压等于各节点开路电压之和，即：

(7-18)运算放大器输出电压为：

(7-19)如，设二进制数为4位d3~d0=1001，RF=3R，利用上式，则模拟输出电压为：

(7-20)可见，模拟电压V0的数值不仅与输入的二进制数有关，还与反馈电阻RF及标准电压VR有关。2023/12/47.3微机检测系统输入/输出通道设计实例2023/12/47.3.1设计要求设计热加工过程中某一熔炼设备的检测系统，要求对温度、压力和流量3个参数进行监视，具体性能指标如下：①温度用热电偶传感器监测，变换范围为0~1300℃，灵敏度为38μV/℃，共有8个监测点，允许误差为±2℃；②压力传感器输出电压范围为0~10V，共有4个监测点，允许误差为±2％；③流量传感器输出电压范围为0~5V，共有4个监测点，允许误差为±5%；④各参数的监测点每秒测量一次数据；⑤要求每隔半小时输出一份测量数据报表；⑥各参数具有超限报警监示功能；⑦本设备工作环境温度为10~30℃（室温）。2023/12/47.3.2主计算机的选择主计算机是一个微机检测系统的核心，所以在设计输入输出通道前，简单介绍一下主计算机的选择。主计算机一般可按字长、运算速度和内存容量三个重要性能指标来选择。本例中，字长可根据被测参数变换范围来估计是否满足测量准确度要求。在温度、压力和流量三个参数中，温度变化范围为0~1300℃，允许误差±2℃。如果用8位字长且以定点数表示温度值时，则1LSB=5.08℃，显然它不能满足要求。因此，可采用双字节定点数或浮点运算或采用16位字长的主机。2023/12/4主计算机的选择运算速度多数场合使用计算机的主振频率来衡量。本实例中采样频率要求较低，fs=1μs，共有16个数据需要采集，巡回采集一遍，每个数据采集间隔时间为62.5ms，这样慢的采集速度，一般的8位机均能满足要求。存储器容量通常按程序长度和数据量大小衡量，本例中数据处理并不复杂，因此程序长度占据内存很少，而数据占据内存的主要部分。按给定要求，每秒采集16个数据，30min的数据量为16×1800=28800，若一个数据占一个字节，则需要29KB；若一个数据占一个字，则需58KB。若再考虑程序存放区、中间数据单元等，则至少应有64KB内存。2023/12/47.3.3输入通道的设计输入通道的一般结构类型已讨论过。本例采样频率较低，通道数较多，其输入通道的结构原理图见图7.26。图7.26输入通道的结构原理框图2023/12/4输入通道的设计传感器是影响系统性能的重要因素之一。本例中已给定温度传感器的灵敏度。由此可知，它的电压输出范围为0~50mV(38μV/℃×1300℃=49.4mV≈50mV)；压力传感器输出电压为0~10V；流量传感器输出电压为0～5V。三种电压信号变化范围相差较大，必须经过信号调理电路才能进入共用的A/D转换器。1.传感器选用2023/12/4输入通道的设计如果采用0~10V工作范围的单极性A/D转换器，三种信号需要增益不同的放大器进行调理。图8.27浮动电容差动输入结构温度传感器输出电压信号为0~50mV，必须配置增益为200的测量放大器，8个监测点可以共用一个固定增益的测量放大器。为防止共模信号的干扰引入测量误差，可采用“浮动电容”多路转换差动输入结构，见图7.27，以实现信号源与放大器的完全隔离。图8.27浮动电容差动输入结构2.信号调理器选用2023/12/4输入通道的设计放大器的动态性能是设计中应该予以重视的重要参数。本例中给定信号测量允许误差为2℃，其相对误差