输入输出通道和接口技术优秀课件

0~10V
VIN
+15V
12.5K 50K
10V
REF 10
1K
-
OP
+
VOUT
0~10V/4~20mA转换电路
INA105
50Ω
50Ω
RLOAD
4~20MA
REF 10：稳压源 OP：运放 INA105：增益差动放大器
VOUT = - 0.08VIN – 0.2V
当输入电压VIN为0~10V时，OP的输出VOUT为 – 0.2~ -1V， 经增益差动放大器组成的V/I电路变换，流过RLOAD的电流为 4~20mA。
AYTD-30A电流传感器 采用霍尔效应、磁平衡电路设计，用于测量直流和交流电流。 主要技术参数：
输入IN 输出IOUT 精度 线性度 零点 外形尺寸 电源 重量
0-30A 0-100MA 0.5% 0.2% 可调 45*36*42 ±15V 50g
霍尔电流传感器的工作原理：当电流通过导线时，导线周 围产生磁场，可通过软磁材料收集，并用霍尔器件进行检测。
（二）多路开关
多路开关有两个主要用途，
1、将待测控的多路参数分时接通，送入通道进行A/D转换；
2、将计算机处理后的数据分时的经D/A转换成模拟信号，控制 执行器的执行。
尽管两种用途中采用同一种多路开关，但具体任务不同， 常将前者称为多路开关，后者称为多路分配器。
传统的数控系统多采用干簧继电器作多路开关，其缺点是 体积大，开关频率低。
●仪器放大器 ●隔离放大器 ●量程自动增益放大器等
这些新型放大器的输入阻抗高，零点漂移小，可靠性高并 且使用方便，因此在工业控制领域得到广泛的应用。
（1）仪器放大器
美国B-B公司生产的INA101是一种典型的仪器放大器，能 够有效的分离共模干扰，主要用于应变式传感器、热电偶和 热电阻温度传感器的放大。
根据磁平衡原理，主回路有电流IP流过时导线周围产生磁 场，用聚磁环收集磁场并感应霍尔器件，经放大后获得补偿电 流IA，当补偿电流IA产生的磁场与主回路电流IP产生的磁场相反 时会达到磁平衡，其公式为 NP*IP=NA*IA，若已知NP、NA、IA， 可求出IP。
第二节 模拟量输入/输出通道
一、模拟量输入通道
INA101的特点是：
● 低漂移，最大值为0.25uV/℃ ● 非线性误差小
● 输入阻抗高
● 共扼抑制比高
● 低噪声
INA101使用方便，除了放大增益电阻外，一般不需要其 它附加器件，应当选用低温度系数的精密电阻，可提高器件 的稳定性。
（2）隔离放大器
可消除回路、静电及电磁干扰。有变压器耦合和光电耦合 两种。
半导体多路开关，由TTL电路或CMOS、HMOS电路组成。 优点是尺寸小、转换速度快、寿命长、兼容性好。（P107） 多路开关CD4051，是一种双向多路开关，共16个引脚。
芯片：0~7 8个分时输入端 OUT/IN 输出端 A、B、C 分时控制端的组合决定哪一路被选通 INH 禁止输入端，当INH = 0时，通道接通
输入输出通道和接 口技术
学习指导和要求
掌握模拟量输入/输 出通道的组成；
学会模拟量输入/输 出通道的设计方法；
掌握开关量输入/输 出通道的构成和步进 电机的控制方法。
在工业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量。 ● 模拟量：如温度、压力、流量、电压和电流等；
由于计算机只能处理数字量，因此对于模拟量需要经过采 集，放大，采样保持，A/D转换等步骤，将模拟量转换为数字 量，才能送入计算机进行运算、分析和处理。
信号调理装置、多路开关、采样保持和A/D转换组成。
它的任务是将传感器检测到的模拟信号，转换为计算机需 要的数字信号。
（一）信号调理装置 信号调理装置量一般包括放大、信号转换、滤波等。 1、信号的放大
传感器检测到的模拟信号较弱，有很大的干扰电压。 随着电子技术的发展，目前放大电路除了常规的运算放大器 外，还研制了许多新型放大器。
（1）采样：S闭合，通过A1向CH快速充电，VOUT跟随VIN 变化。
（2）保持：S断开，当A2的输入阻抗很高时，VOUT = VIN 不变。采样/保持器一旦进入保持阶段，便可启动A/D转换器进 行转换。
2、常用的采样/保持器 常用的采样/保持器有美国 AD公司的AD582、AD585 、
AD346、AD389和国家半导体公司的LF198/298/398等。 LF198是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样/保持器，它
（3）动态特性
动态特性是指被测量在变化时，传感器的输出量是否能 追随输入量的变化，分为阶跃响应和频率响应两类，可根据 其特性曲线的特征值来判定。主要的指标是时间常数τ，上升 时间Tr ，建立时间Ts ，过冲量α，衰减比δ等。 4、选用传感器的一般规则
（1）与测量条件有关的事项
测量的目的、被测量的类型、测量的范围、测量所需的 时间。
具有采样速度快，保持性能好，精度高等优点。 LF198芯片引脚和原理图如图5-21所示。 LF198芯片引脚的功能如下： （1） VIN：模拟量输入 （2）VOUT： 模拟量输出。
（3） 逻辑和逻辑参考：高电平时采样，低电平时保持。
（4）偏差 ： 可外接电阻调整采样/保持器的偏差。
（5）CH： 保持电容引脚端，外接保持电容器。
（3）可编程增益放大器（PGA）
放大倍数可通过编程进行控制，通过程序可调节放大的倍 数，使A/D转换的输入信号均一化，提高测量的精度。（B-B公 司PGA102、PGA202/203）
2、信号的变换
在微机控制系统中，许多传感器的输出均为电压信号， 而有些电动组合仪表的信号为4~200mA的电流，许多执行 器，如电机、控制阀门的输入信号也采用4~200mA的电流， 因此经常需要V/I和I/V间的变换。
在工业控制过程中，很多被测量都是非电量，在采集这 些非电量并送入计算机控制系统前，需要将非电量转换为电 量，因此也称传感器是一种将被测量变换成电量的装置。
传感器精度的高低会影响计算机控制系统的精度，选择 合适的传感器是非常重要的。
1、 传感器的分类
传感器的分类方法很多，但常用的有两种：一种是按被 测参数分类，另一种是按转换原理进行分类. 按被测参数分，传感器有以下类型： （1）热工参数 温度、热量、压力、流量、真空度、液位等 （2）机械量参数 位移、力、速度、重量、尺寸等
变压器耦合：被测信号经滤波放大后调制为交流信号加到变压 器的输入端，经变压器耦合到输出部分后，再经解调后输出。 电路简单价格低廉，但体积较大。（AD公司Model 277)
光电耦合：输入和输出的信号耦合通过发光管LED和光电管D 之间的光传输实现，其优点是体积小、频带寛、成本低。(B-B 公司ISO100)
2、A/D转换器的主要技术指标 在选用A/D转换器时要考虑以下主要技术指标。
（1）分辨率 输入量达到满量程时，能识别的最小的输入增量称为分辨
率。即能够转换的数字量的最低有效位（LSB），对应于满量 程 输 入 时 的 1/2n 。 例 如 ， 当 n=8 ， 满 量 程 输 入 为 5.12V ， LSB=20mA。 （2）转换时间
（2）与传感器性能有关的事项
静态响应特性和动态响应特性。
（3）与使用条件有的事项 场所、温度、湿度、是否与其它设备相连、外界干扰、功率
容量、外形尺寸、重量等。
（4）其它 传感器的性能价格比、生产厂家的服务、交货时间、保修
时间、零配件的供应等。
5、几种常用的传感器分类 表5-2列出了几种常用传感器的分类，在设计计算机控制系 统时，可查阅有关手册，根据技术指标选择合适的传感器。
目前常用的电压/电流变换电路有两种，一种是采用 分立元件、运算放大器和阻容元件组成的电路；另一种是 近年来发展起来的专用集成电路。
3、信号的滤波
生产现场存在着各种干扰，如果不加处理会影响控制 系统的控制精度。可采用滤波电路来抑制进入输入通道的 干扰。在选择滤波器时，要考虑被测信号的频率的特性， 以及干扰信号的频率和所要求的抑制程度。对环境引起的 噪声干扰，可以采取补偿和屏蔽等措施减少信号的误差。
（3）物性参数 比重、浓度、酸碱度、成分等
（4）状态量参数 颜色、透明度、裂纹、泄漏等
按转换原理分类，有电阻、电容、电感、电压、霍尔、光 电等传感器。
2、传感器的构成
传感器由敏感元件和转换元件两个基本环节组成
（1）敏感元件 能够敏锐感受某种不能直接测量的信 息，并将其转换为可测量的非电量器件。
（2）转换元件 将非电量转换成电量的器件。
1、A/D转换器的分类
A/D转换器的种类很多，通常有以下3种分类方法：
（1） 按位数 有8位、10位、12位、16位等。位数越多，分辨率 越高，但价格也越贵。
（2）按结构 有单一的A/D转换器，内含多路开关的A/D转换器、 多功能A/D转换器（含多路开关、放大器和采样保持器）。
（3）按转换方式 有逐次逼近型、双积分型、V/F变换器。其中 逐次逼近型A/D转换器具有精度高，转换速度快等优点， 得到了 广泛的应用。
完成一次模拟量到数字量转换所需的时间。 （3）线性误差 实际转换结果与理想线性转换结果的误差，常用±LSB表示。 （4）转换精度
转换结果相对于实际值的准确度。其误差一般由温度、环境 等因素引起。
3、常用的A/D转换器
同样的，经过计算机处理后数据常常需要转换成模拟量来 控制执行机构的执行。
上述转换过程需要用模拟量输入/输出通道来实现。
● 开关量：如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。
开关量的输入/输出较模拟量简单，计算机只需判断输 入信息是“0”还是“1”，即可知道开关的状态；若控制某个 继电器工作，只需经过输出通道送“0”或“1”即可。
工业现场存在着电、磁、震动、温度变化等干扰，各类 执行器要求的开关电压、功率也不同，因此需要设置输入/ 输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施。
输入/输出通道和接口是计算机与被控对象进行信息交 换的纽带，本章将重点介绍输入/输出通道和接口的组成和 设计方法。
第一节 工业控制常用传感器
传感器是一种能感知某一被测量，并将被测量变换为相 应的其它量的器件或装置。
S/H有两个主要功能：采样和保持
采样：将模拟信号变为一串脉冲信号，采样的输出跟随 模拟量输入的变化。
保持：保持采样时的信号不变，直到保持命令撤消为止，以 便完成A/D转换。
1、采样/保持器的基本的组成电路
5-20所示为采样/保持器的基本组成电路。
采样/保持器由两个缓冲器A1、A2和采样开关S，保持电 容CH组成。
CD4051由电平转换、译码、多路开关组成。 电平转换： CMOS到TTL的转换 3-8译码器：通过对分时控制端A、B、C的状态进行译码来
选择某一路的接通。
（三）采样/保持
由传感器检测的模拟信号经过处理后仍是模拟量，要输入 到计算机中，需要进行A/D转换。
由于A/D转换过程需要时间，因此要求输入A/D转换器的信 号在转换过程中保持不变，在A/D转换结果后，此信号又能随 传感器的采集信号变化而变化；完成上述过程的器件称采样/保 持器，简称S/H（Sa转换元件
3、 传感器的主要技术指标 在选择传感器时，要注意以下的主要技术指标：
（1）输入特性 l 量程 测量上限与下限的差 l 过载 超出传感器测量范围的最大允许输入值
（2）静态响应特性 l 精度 测量结果与“真值”的靠近程度 l 分辨率 对被测量相对变化的最高反应能力 l 灵敏性 输出量变化值与相应输入量变化值之比 l 稳定性 在一个较长时间内保持性能参数的能力
当被控对象的参数为模拟量时，由传感器和检测电路采集 到的信号经转换后仍是模拟量，而且信号的输出比较小，不能 直接送入计算机进行处理。
在被控对象和计算机之间必须设置信息调理和转换的模拟 量输入通道，进行信号放大，滤波、A/D转换等工作。
图5-10为多路模拟量输入通道的原理框图。模拟量输入通 道一般由：
3、采样保持器的有关参数 (1) 孔径时间 TAP
孔径时间指保持命令发出后到逻辑输入控制的开关完全 断开所需时间。 TAP的存在影响A/D转换的精度。
(2) 捕捉时间 TAC
捕捉时间是采样命令发出后，输出值从保持值到达当前 输入信号值所需时间。 TAC影响采样频率的提高。
（四）A/D转换器
完成模拟量转换成数字量的器件称为模/数转换器，简称A/D 转换器。