第2章(1)模拟量输入通道讲解

第2章 输入输出过程通道
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
y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值；
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 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。
（1）无源I/V变换
I/V变换的基本思想：电流 变换电路中各部分的作用：
？
电压
R1:限流电阻 VD:输出限幅,将电压限制在5V+0.3V以内 R2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密 电阻，精度为0.1%。 C和R1：组成阻容低通滤波电路
取值： 输入0-10 mA，输出为0-5V，R1=100Ω， R2=500Ω 输入4-20 mA，输出为1-5V， R1=100Ω，R2=250Ω
在选择电容时，容量大小要适宜，以保证 其时间常数适中，并选用泄漏小的电容。
综上所述:保持电容器电容量的大小它不是一个定 值,它可以在一定范围内取值。其电容量的大小确 定可以根据实践经验通过实验来确定。 一般选 100pF-1000pF之间。电容选聚四氟乙烯电容或 聚苯乙烯电容，绝缘阻抗高，漏电流小。
路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。
例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。 例题分析：通道选择信号-数据总线D2-D0； 当D3=0时，选中上面的多路开关 禁止端--D3用来控制两个多路开关的。当D3=1时，选中下面的多路开关
图 多路模拟开关的扩展电路
2.4.2 采样、量化及采样保持器
R3 R1 R2 R2
R1 R3
热电阻
2.4.2 信号调理和I/V变换
R3 R1 R2 R2 R3 R1 R2 R2
R3 R1
R3 R1
热电阻
热电阻
2、I/V变换
变送器输出的信号为 0 ～ 10mA 或 4 ～ 20mA 的统
一信号，需要经过 I/V变换变成电压信号后才 能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-Ⅱ型的 输出信号标准为0～10mA,而DDZ—Ⅲ型和DDZ—S 系列的输出信号标准为 4 ～20mA，因此，针对 以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。 1.无源I/V变换 2.有源I/V变换
反馈型采样保持器电路原理图
2、分析保持电容CH 的大小
由于采样保持电路可以做成集成芯片,而电容器是外接元 件,所以选择电容器的大小很重要。 电容CH对采样／保持的精度有很大的影响，如果电容值过 大，则其时间常数大，当模拟信号频率高时，由于电容充 放电时间长，将会影响电容对输入信号的跟踪特性，而且 在跟踪的瞬间，电容两端的电压会与输入信号电压有一定 的误差。而当处于保持状态时，如果电容的漏电流太大， 负载的内阻太小，都会引起保持信号电平的变化。
模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟 信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 传感器：它是一种检测装置，能感受到被测量的信 息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为 电信号或其他所需形式的输出。是将生产过程工艺参 数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流 电压(或电流)信号。
2.2 模拟量输入通道
模拟量输入通道的任务： 转换：模拟量到数字量的转换 组成核心：A/D转换器
2.2.1 模拟量输入通道的结构
模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器、采样保持 器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。 过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压) 形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各 个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过 程参数的巡回检测。
2、香农定理（采样定理）指出：为了使采样信号
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。
VIN A1 S
＋
－
VIN A2 VOUT t VOUT t
采样 (a ) 原理电路 保持
CH
构成－－输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH。
图 2-8 采样保持器
现以常用8路模拟开关CD4051为例: 构成－电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。 工作过程 －当禁止端INH=1时，断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通； 当INH=0时，前后级通道接通，即Sm＝SABC
CD4051原理图 及通道选择表
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
（1）信号的采样
采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值 上也连续的模拟信号，转变成在时刻O、T、2T、…KT的一 连串脉冲输出信号的过程。
y( t ) y( t ) y *( t ) y* (t)

采样器
0 t 0 T T 2T 3T t
采样器或采样开关--执行采样动作的装置 图2-7 信号的采样过程 采样周期：采样开关K每一个通断的时间间隔T。 采样宽度：采样开关闭合的时间（τ )。 采样信号y*(t)：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。
逐次逼近式A/D原理概述


DN-1 位比较完毕后，再对下一位即 DN-2 位进 行比较，控制电路使寄存器 DN-2 为 1 ，其以下各 位仍为0，然后再与上一次DN-1结果一起经过D/A 转换后再次送到比较器与 UX 相比较。如此一位 一位地比较下去，直至最后一位 D0 比较完毕为 止。 最后，发出EOC信号表示转换结束。这样经 过 N 次比较后， N 位寄存器保留的状态就是转换 后的数字量数据。
( b ) 工作波性
工作过程－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。
1、采样保持器的两种结构
串联型采样保持器电路原理图
8位A/D转换器ADC0809
引脚功能 ADC0809共有28 IN0～IN7：8 A，B，C：模拟输入通道的地址选择线。当CBA=000时，选中 IN0；CBA=001时，选中IN1……依此类推，当CBA=111时，选中 IN7 ALE：地址锁存允许信号输入端。该端接高电平时有效，仅当 该信号有效时，才能将地址信号锁存，经译码后选中一个通道。 START：启动转换脉冲输入端。该端所加信号的上升沿将所有 内部寄存器清0 CLK：时钟脉冲输入端。频率为500MHz D7～D0：数据输出端，D7为高位。 EOC 转换结束信号，高电平有效。启动转换后，若EOC为0， 表示A/D OE：输出允许端，高电平有效。该端为高电平时，打开三态 输出缓冲器，输出转换结果。 UREF(+)和UREF(-)：参考电压端，提供A/D转换的基准电压。
为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要 将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、 压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的 电信号变成 0 ～ 10mA 或 4 ～ 20mA 的统一信号，然后经过 模拟量输入通道来处理。
2.4.2 信号调理和I/V变换
1.信号调理电路 信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、 放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电 量和非标准的电信号转换成标准的电信号。 （1）非电信号的检测-不平衡电桥



积分型：电路简单、但转换精度依赖于积分时间， 因此转换速率低，初期的A/D转换器大多采用积 分型，现逐次比较型已逐步成为主流 逐次比较型：电路规模中等，优点速度较高，功 耗低。 并行比较型：采用多个比较器，仅作一次比较而 实行转换，转换速率极高，n位的转换需要2n-1 个比较器，因此电路规模也极大，价格也高。
结论 -保持器在采样期间，不启动A/D转换器， 保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证 A/D 转换时的模拟输入电压恒定，以确保 A/D转换精度
2.4.5、A/D转换器
模拟量输入通道的任务就是将模拟量转 换成数字量，能够完成这一任务的器件就 是模/数转换器,即A/D转换器，或简称 ADC。
A/D转换器种类