模拟量输入通道
模拟量输入通道的组成

AIN0 AIN1 AIN2 AIN3 AIN4 AIN5 AIN6 AIN7 AIN0 AIN1 AIN2 AIN3 AIN4 AIN5
CHSEL
8D CLK GND
+12V -6V
VDD VEE A B
0 1 2 3 4 5 6 7
10KΩ +5V
74HC138 A/D 转换器
+12V -6V
C INH OUT VSS VDD VEE A B C
采样/保持器的工作原理
当开关K闭合时,输入信号通过电阻向电容C充电,使输出 跟随输入变化此时为采样状态;要求充电时间越短越好,
以使电容电压迅速达到输入电压值。
当开关K断开时,由于电容具有一定的容量,仍能够使输 出保持不变,此时为保持状态;电容维持稳定电压的时间 越长越好,电容容量的大小将决定采样/保持器的精度。
控制字 40H 41H 42H 43H 44H 45H 46H 47H
1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 G1 74HC138
0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 C
0
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 B
24路的模拟开关。
74HC273
D0~D7
VCC 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q CLR A B C G1 G2A G2B GND Y0 Y1 Y2 Y3
+5V
+12V -6V
CD4051
VDD VEE A B C INH OUT VSS 0 1 2 3 4 5 6 7
《计算机测控技术》课程综合复习资料

《计算机测控技术》课程综合复习资料一、填空题1.若连续信号的最高频率为wmax,按采样定理要求采样频率ws应大于()。
答案:2wmax2.采样定理的描述为:若信号的最高频率为fmax,只要采样频率f大于最高频率的()倍,采样信号就能唯一复现原信号。
实际应用中,一般取f>5~10fmax。
答案:23.若系统欲将一个D/A转换器输出的模拟量参数分配至几个执行机构,需要接入()器件完成控制量的切换工作。
答案: 反多路开关4.DAC的分辨率指()电压与最大输出电压之比答案:最小输出5.在10位A/D转换器中,设满量程为±5V,试写出模拟量为0V时,所对应的数字量为()H。
答案:2006.在10位A/D转换器中,设满量程为±5V,试写出模拟量为-2.5V时,所对应的数字量为()H。
答案:1007.由于计算机只能接收数字量,所以在模拟量输入时需经()转换。
答案:D/A转换器8.ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位()式A/D转换器。
答案:逐次逼近9.8位的A/D转换器分辨率为()。
答案:1/(28-1)10.变送器输出的信号为()或4~20mA的统一信号。
答案:0~10mA11.步进电机的()指的是完成一个磁场周期性变化所需脉冲数。
答案:拍数12.步进电机的相数指的是()。
答案:线圈组数13.按动力区分,执行机构最常用的类型是()。
答案:气动型14.按动力区分,()型的执行机构相对价格昂贵,体积较大。
答案:液动型15.DAC0832的工作方式有()、单缓冲方式、双缓冲方式。
答案:直通方式16.微机的三总线是()、地址总线、控制总线。
答案:数据总线17.计算机控制系统的监控过程包括三个步骤:()、实时决策、实时控制。
答案:实时数据采集18.采样保持器可实现以下功能:在采样时,其输出()输入;而在保持状态时,输出值不变。
答案:等于19.控制系统的()指的是响应的最大偏移量与终值的差,与终值比的百分数。
通道模拟量输入电路

BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
信号源
信号源
01
为模拟量输入电路提供原始信号,通常来自传感器、测量仪器
或其他信号发生器。
信号源的种类
02
根据不同应用需求,信号源的种类繁多,如热电偶、压力传感
器、光电传感器等。
信号源的输出特性
03
不同的信号源具有不同的输出特性,如电压输出、电流输出、
4. 考虑抗干扰措施
在电路设计中加入适当的抗干扰措施,如滤波 器或屏蔽。
5. 测试与验证
在实际环境中测试电路的性能,并根据测试结果进行必要的调整。
硬件实现
选择合适的ADC芯片
根据设计需求,选择具有适当分辨率 和采样速率的ADC芯片。
设计信号调理电路
根据输入信号的性质和ADC的要求, 设计适当的信号调理电路,如放大器、 滤波器等。
工作原理
信号调理
采样保持
通道模拟量输入电路首先对输入的模拟信 号进行调理,包括放大、滤波、隔离等处 理,以减小噪声和干扰。
经过调理的信号被送入采样保持电路,该 电路能够在短时间内保持信号的幅值不变 ,以便于后续的转换。
模数转换
采样保持后的信号被送入模数转换器 (ADC),将模拟信号转换为数字信号。
电阻输出等,需要根据电路需求进行选择和匹配。
信号调理电路
信号调理电路
用于对信号源输出的原始信号进行预处理,包括放大、滤波、隔 离等操作,以适应后续电路的需求。
信号调理电路的作用
提高信号的信噪比、减小噪声干扰、抑制共模干扰等,保证信号的 准确性和稳定性。
常见的信号调理电路
放大器、滤波器、隔离器等。
采样保持电路
第2章(1)模拟量输入通道讲解

在计算机控制系统中,为了实现对生产过程的
控制,要将生产现场的各种被测参数转换成数字
计算机能够接受的形式,计算机经过计算、处理 后的结果还需要变换成合适的控制信号输出至被 控对象。以控制执行机构的动作。因此,在计算 机和被控对象之间,必须设置进行信息传递和转
换的连接通道,即过程通道。
3、集成采样保持器
集成采样保持器将采样电路、保持器制作在 一个芯片上,保持电容外接,由用户选用。电容 的大小与采样频率及要求的采样精度有关。 集成采样保持器分三类:
1、用于通用目的的芯片, 如AD583K,AD582,LF398; 2、高速芯片,如THS-0025,THC-0300等; 3、高分辨率芯片,如SHA1144等。
现以4位A/D转换器把模拟量7转换为二进制数0111为例,说 明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。
电压 第一次 预测 模拟 电压 第四次 第三次 预测 第二次 预测 预测
(1000) (0100) (0110) (0111)
D3
0
D2
D1
D0
时间
逐次逼近式ADC 逐次逼近式A/D原理概述
N 位的逐次逼近式 A/D 转换器 , 由 N 位寄存器、 N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出 缓冲器等五部分组成。 工作原理:启动信号作用后,时钟信号先 通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为 1 ,以下各位为 0 ,这个二进制代码经 D/A 转换 器转换成电压U0(此时为全量程电压的一半) 送到比较器与输入模拟电压UX比较。若UX>U0, 则保留这一位;若UX<U0,则DN-1 位置0。
注:1、在实际系统中,《T ,即近似地认为采样信号
模拟量输入、输出通道

医疗设备
在医疗设备中,模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制,如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化,从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值, 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%,但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型,正确连接信号线,避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备,应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件,如瞬态抑制二极管、滤波电容等, 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数,通常 以赫兹(Hz)或千赫兹(kHz) 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高,表示模 拟量输入通道的误差越小,测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
模拟量输入通道

3.5 A/D转换器
• A/D转换器的工作原理与性能指标 • 8位A/D转换器ADC0809及其接口电路 • 12位A/D转换器AD574A及其接口电路
3.5.1 A/D转换器的工作原理与性能指标
• 常用的A/D转换方式
◆
逐次逼近式:转换时间短,抗扰性差(电压比较)
ADC0809(8位),AD574A(12位)
3.3 前置放大器
• 可变增益放大器:
IN -
+
2 4 8 16 32 64 A1
16K
16K
80K 26.67K 11.43K 5.33K 2.58K 1.27K 630Ω 314Ω
(外接) V O UT
A3 负载
128
256 16K A2 16K
V IN
+
外接地
3.4 采样保持器
• 信号类型
流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机
可以接收的数字量信号。
• 组成:一般由信号调理电路、多路开关、采样
保持器、模/数转换器(简称A/D或ADC)和接口
电路等组成
3.1 模拟量输入通道的作用和组成
• 组成框图:
过 程 参 数
传 感 变 送 器
信 号 调 理
多 路 模 拟 开 关
前 置 放 大 器
◆
模拟信号
◆
离散模拟信号
数字信号
◆
◆
量化模拟信号
3.4 采样保持器
• 信号的采样
◆
采样过程:用采样开关将模拟信号按一定时间间隔
抽样成离散模拟信号的过程。持器
• 信号的采样
◆
采样的形式
► ► ►
第二章模拟量输入输出通道的接口技术

tk r tk 是周期性的重复,即tk r tk 常量,r 1
随机采样:
根据需要选择采样时刻
采样前后波形的变化图
通常,连续函数的频带宽度是有限的,为一孤立的连
续频谱,设其包括的最高频率为fmax ,采样频率为fs。
香农定理:若fs≥2fmax,则可以由采样信号完全恢复出原始 信号。 在实际应用中, fs至少取4fmax 。
IN:(9、23)、(8、22)、(7、21)、(6、20)、 (5、19)、(4、18)、(3、16)、(2、15) OUT:(1、17) 反多路转换开关(一到多的转换): IN: (1、17) OUT:(9、23)、(8、22)、(7、21)、(6、20)、 (5、19)、(4、18)、(3、16)、(2、15)
VREF I out1 I 3 I 2 I1 I 0 2 2 2 2 4 2R
3 2
1
0
由于S3~S0的状态是受b3~b0控制的,并不一定 全是“1”。若它们中有些位为“0”,S3~S0中相应 开关会因和“0”端相连而无电流流过,所以Iout1还 与b3~b0的状态有关。 则 I out1 b3 I3 b2 I 2 b1 I1 b0 I 0
返回
2.1.2 多路转换开关
多 路 转 换 开 关 反 多 路 转 换 开 关
A/D
微机
D/A
完成多到一的转换
完成一到多的转换
2.1.2 多路转换开关
多路开关的分类:
从用途上分 双向:既能实现多到一的转换,也能实现一到多的 转换 单向:只能实现多到一的转换 从输入信号的连接方式上分 单端输入 双端输入(或差动输入)
模拟量输入输出通道

效数字量存入RAM中,当CPU要求输入第n路信号时,则由
CPU控制将第n路对应的放大倍数从RAM中取出,经数据总线 送入AM-542相应端接点,这样信号便按预先设定的放大倍数 进行放大。
第四章模拟量输入输出通道
2. 放大器并联反馈电阻方案 如图4-12所示,A1、A2组成同相关联差动放大器,A3为起
减法作用的差动放大器。电压跟随器A4 的输入来自A点即共模
电压Ucm,其输出作为运放A1、A2的电源地端, 以使A1、A2的电 源电压浮动幅度与Ucm 相同,从而大大削弱共模干扰的影响,
这就是共模自举技术。信号从Us1、Us2以差动方式输入,放大器
有结构简单,闭合时接触电阻小,断开时阻抗高,工作寿命较 长,不受环境温度影响等优点,在小信号中速度的切换场合仍
可使用。由单个干簧管继电器组成的多路开关均采用开关矩阵
方式,如图4-4所示的开关矩阵可对64个点进行检测和选通, X轴和Y轴的选通电路受CPU控制,其程序框图如图4-5所示。
第四章模拟量输入输出通道
一种以光控制信号的器件,输入端为发光二极管,输出端为光 敏三极管。当PIO的某一位为高电平时,经反相为低电平,发 光二极管导通并发光,使光敏三极管导通, 经倒相输出高电 平。 光电开关能使输入和输出在电气上完全隔离,主要用于
抗干扰场合。
第四章模拟量输入输出通道
图4-8 光电耦合开关用法之一
第四章模拟量输入输出通道
图4-9(b)是差动多路输入连接方式,模拟量双端输入, 双端输出接到运算放大器上。由于运算放大器的共模抑制比 较高, 故抗共模干扰能力强,一般用于低电平输入,现场干 扰较严重,信号源和多路开关距离较远,或者输入信号有各
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采样 保持
(a ) 原理电路 图 2-8 采样保持器
( b ) 工作波性
图3-8
采样保持器
链接动画
显然,保持电容C H的作用十分重要。实际上保持 期间的电容保持电压VC在缓慢下降,这是由于保持电 容的漏电流所致。保持电压VC的变化率为
dVc I D dt CH
式中:
2、零阶集成采样保持器--常用的零阶集成采样保持器有
Sm
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
A 译 码 驱 动 电 平 转 换 B C INH
图3-3 CD4051结构原理图 图2 -3 CD4051结构原理图 链接动画
3.2.2 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。
V
IN -
+ A1 -
R
2
R
S
(外接) R
G
R R
(外接)
1
A3
V O UT
1
负载
R A2 V
I N+
2
R
S
外接地 (a) 经典的前置放大器
图3-6 前臵放大器 链接动画
图中RG是外接电阻,专用来调整放大器增 益的。因此,放大器的增益G与这个外接电阻RG 有着密切的关系。增益公式为
VOUT RS 2 R1 G (1 ) VIN VIN R2 RG
y( t ) y( t ) y* t ) (
y* t ) (
采样器
0 t 0 T T 2T 3T t
图3-7 图2-7 信号的采样过程 信号的采样过程
采样器的常用术语:
链接动画
采样器或采样开关--执行采样动作的装臵, 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,《T ,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。
(3-2)
目前这种测量放大器的集成电路芯片有多 种,如AD521/522、INA102等。
3.3.2 可变增益放大器
在A/D转换通道中,多路被测信号常常共用一个测 量放大器,而各路的输入信号大小往往不同,但都要放 大到A/D转换器的同一量程范围。因此,对应于各路不
同大小的输入信号,测量放大器的增益也应不同。具有
在控制系统中,对被控量的检测往往采用各种 类型的测量变送器,当它们的输出信号为0 - 10 mA或4 -20 mA的电流信号时,一般是采用电阻分压 法把现场传送来的电流信号转换为电压信号,以下 是两种变换电路。
1. 无源I/V变换
2. 有源I/V变换
1.无源I/V变换
无源I/V变换电路是利用无源器件—电阻 来实现,加上RC滤波和二极管限幅等保护,如 图3-2(a)所示,其中R2为精密电阻。对于0-
频率fmax的2倍,即f 2fmax。 采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样 频率。实际应用中,常取f (5~10)fmax。
3.4.2采样保持器
1、 零阶采样保持器--零阶采样保持器是在两次采样
的间隔时间内,一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。 它的组成原理电路与工作波性如图3-8(a)、(b)所示。
译 码 驱 动
电 平 转 换
A B C INH
D3 D2 D1 D0
图3-4 多路模拟开关的扩展电路
图2-4 多路模拟开关的扩展电路
链接动画
3.3 前置放大器
主要知识点
引言 3.3.1 测量放大器 3.3.2 可变增益放大器
引言
前臵放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D 转换的量程范围之内,如0-5VDC; 对单纯的微弱信号,可用一个运算放大器进行单端 同相放大或单端反相放大。如图3-5所示,信号源的一 端若接放大器的正端为同相放大,同相放大电路的放大 倍数G =1+R2/R1; 若信号源的一端接放大器的负端为反相放大,反相 放大电路的放大倍数G =-R2/R1。当然,这两种电路都 是单端放大,所以信号源的另一端是与放大器的另一个 输入端共地。
采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、
保持电容CH等组成。采样期间,开关S闭合,输入电压VIN通 过A1对CH快速充电,输出电压VOUT跟随VIN变化;保持期间, 开关S断开,由于A2的输入阻抗很高,理想情况下电容CH将保 持电压VC不变,因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。
VIN S VIN A1 CH
10 mA输入信号,可取R1=100Ω,R2=500Ω,这
样当输入电流在0 -10 mA量程变化时,输出的
电压就为0 -5 V范围;而对于4 -20 mA输入信
号,可取R1=100Ω,R2=250Ω,这样当输入电 流为4 -20 mA时,输出的电压为1 - 5 V。
D R1 I C R2
+5V I + V R1 + C
3.4 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。
3.4.1 数据采样定理 3.4.2 采样保持器
3.4.1 数据采样定理
离散系统或采样数据系统--把连续变化的量变成离 散量后再进行处理的计算机控制系统。 离散系统的采样形式--有周期采样、多阶采样和随 机采样。应用最多的是周期采样。 周期采样--就是以相同的时间间隔进行采样,即把 一个连续变化的模拟信号y(t),按一定 的时间间隔T 转变为在瞬时0,T, 2T,…的一连串脉冲序列信号 y*(t), 如图3-7所示。
由经验可知,采样频率越高,采样信号 y*(t)越接近原
信号y(t),但若采样频率过高,在实时控制系统中将会把许多 宝贵的时间用在采样上,从而失去了实时控制的机会。为了使 采样信号y*(t)既不失真,又不会因频率太高而浪费时间,我
们可依据香农采样定理。香农定理指出:为了使采样信号y*(t)
能完全复现原信号y(t),采样频率f 至少要为原信号最高有效
(3-3)
ID--为保持期间电容的总泄漏电流,它包括放大器的输入 电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。 电容CH值--增大电容CH值可以减小电压变化率,但同时又 会增加充电即采样时间,因此保持电容的容量大小与采 样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下,保持 电容CH是外接的,所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯 等高质量的电容器,容量为510~1000pF。
R2 + R3 A R4 (b) 有源I/V变换电路 R5 V
(a) 无源I/V变换电路
图 2-2 电流/电压变换电路
图 3-2 电流/电压变换电路
2. 有源I/V变换
有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器 和电阻电容组成,如图3-2(b)所示。利用同 相放大电路,把电阻R1上的输入电压变成标准 输出电压。该同相放大电路的放大倍数为
第3章 模拟量输入通道
本章要点
1.模拟量输入通道的结构组成。 2.多路开关,前臵放大、采样保持等各环节 的功能作用。 3.8位A/D转换器ADC0809芯片及其接口电路 4.12位A/D转换器AD574A芯片及其接口电路
本章主要内容
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
R4 V G 1 IR1 R3
(3-1)
若取R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=150kΩ, 则输入电流 I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出V的0 ~ 5 V;若取R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=25kΩ, 则4 ~ 20 mA的输入电流对应于1 ~ 5 V的电压输 出。
3.2 多路模拟开关
这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器, 如图3-6(b)所示。
I N -
+ 2 4 A
1
16K
16K
80K 26.67K 11.43K 5.33K 2.58K
(外接) 8 16 A
3
V
O UT
32 64 128 256
负载
1.27K
630Ω 314Ω
16K A V
I N + 2
16K
外接地
R2 VI R1
VO Us ~
R1 R2
VI
VO Us ~
(a)同相放大 图 2-5 放大电路
(b)反相放大
图3-5 放大电路
链接动画
3.3.1 测量放大器
在实际工程中,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通道中的前臵放大器常采用由一组运放构成 的测量放大器,也称仪表放大器,如图3-6(a)所示。 经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构,测量放 大器的差动输入端VIN和VIN分别是两个运放A1、A2的同相输 入端,输入阻抗很高,而且完全对称地直接与被测信号相连, 因而有着极强的抑制共模干扰能力。
反相器变成低电平,选中下面的多路开关,此时当D2、D1、D0 从000变为111,则依次选通S8~S15通道。如此,组成一个16路的 模拟开关。
Sm
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
译 码 驱 动
电 平 转 换
A B C INH
Sm
S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15
主要知识点
引言 3.2.1 结构原理 3.2.2 扩展电路
引言
由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化,因此
一台计算机系统可供几十个检测回路使用,但计算机在某一 时刻只能接收一个回路的信号。所以,必须通过多路模拟开 关实现多选1的操作,将多路输入信号依次地切换到后级。 目前,计算机控制系统使用的多路开关种类很多,并具 有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、 8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16 路)等。所谓双向,就是该芯片既可以实现多到一的切换, 也可以完成一到多的切换;而单向则只能完成多到一的切换。 双端是指芯片内的一对开关同时动作,从而完成差动输入信 号的切换,以满足抑制共模干扰的需要。