第二章 过程输入通道与接口

第二章过程输入通道与接口过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括数字量输入通道、模拟量输入通道、数字量输出通道、模拟量输出通道。

主要知识点：• 2.1 输入通道的结构与信号交换：A/D转换器、D/A转换器、光电耦合隔离器的工作原理、模拟量输入通道的结构组成、香农定理• 2.2 模拟量输入通道中的常用放大器• 2.3 A/D转换器与单片机接口电路2.1 输入通道的结构与信号交换根据信号来源及种类的不同，输入通道相应分为数字量输入通道和模拟量输入通道。

（P17 表2.1.1 输入信号分类与通道对照表）数字信号，包括开关信号、脉冲信号。

它们是以二进制的逻辑“1”和“0”或电平的高和低出现的。

如开关触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的吸合和释放，马达的启动和停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭，仪器仪表的BCD 码，以及脉冲信号的计数和定时等。

模拟信号，包括电流信号、电压信号。

用来描述被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等。

在微机的各种接口中，完成外设信号到微机所需数字信号转换的，称为模拟∕数字转换（A/D 转换Analog to Digital Converter）器；完成微机输出数字信号到外设所需信号转换的，称为数字∕模拟转换（D/A转换Digital to Analog Converter）器。

2.1.1 数字量输入通道数字量输入通道（DI 通道）的任务是把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。

信号调理电路：虽然都是数字信号，不需进行A/D 转换，但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施，即在外部信号与单片机之间要设置输入信号调理电路。

凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，其端子引出均统称为开关信号。

在开关输入电路中，主要是考虑信号调理技术，如调理、防抖、光电隔离、整形、电平转换、RC滤波、过电压保护、反电压保护等。

1、输入信号调理电路典型的输入信号调理电路如P18，图2.1.1所示。

功能如下：稳压管D2把过压和瞬态尖峰电压嵌位在安全电平上串联二极管D1防止反向电压输入R1、C1构成抗干扰的RC滤波器R1为输入限流电阻、R2为过流熔断保护电阻丝2、防干扰输入隔离电路（隔离放大器：变压器耦合隔离放大器、光电耦合隔离放大器）常用的隔离技术：a、变压器耦合隔离技术（只用于传递交变信号，且体大、量重、功耗大，会产生电磁干扰，所以不常使用）b、光电耦合隔离技术（即能用于传送交变信号，又能传送直流信号，抗干扰能力能力强）光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如下图所示。

它们的原理是相同的，即都是通过电--光--电这种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。

以最简单的光敏三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理：它以发光二极管为输入端，光敏三极管为输出端。

当发光二极管有正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，由于光敏效应，光敏三极管接收光照后导通，产生电流，使输出端产生相应电信号。

当输入端电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管随即截至。

利用这种特性即可达到开关控制的目的。

由于光电隔离器是通过光-电-光的转换来实现对输出设备进行控制的，彼此之间没有电气连接，因而起到隔离作用。

要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的同一个电源，必须分开单独供电，才能有效避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；另外，发光二极管的动态电阻很小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。

因此，利用光耦隔离器可用来传递信号而有效地隔离电磁场的电干扰。

为了适应计算机控制系统的需求，目前已生产出各种集成的多路光耦隔离器，如TLP系列就是常用的一种。

补充：继电器（电磁继电器）一般由通电线圈和触点（常开或常闭）构成，当线圈通电时由于磁场的作用，使开关触点闭合（或打开），当线圈不通电时，则开关触点断开（或闭合）。

当控制电流流进线圈时就产生磁场，这个磁场可带动触点K动作，使其闭合和断开。

利用继电器做开关量隔离输出时，需加继电器的驱动器。

光电隔离：带负荷能力弱，响应速度快继电器：带负荷能力强，响应速度慢，适用于大电流，高电压（接触电阻小，流过电流大，耐高压）。

2.1.2 模拟量输入通道（AI）模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、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。

1 AI通道的一般结构模拟量输入通道（AI）的结构组成如下图所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。

所以多路AI由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数转换器组成。

用单片机作为测控系统时，系统中的被测信号通道即为输入通道。

输入信号需要：1.检测被控对象参数：传感器2.信号调理：信号处理的任务较多，包括：小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。

如传感器信号为电流信号则需转换为电压信号；如传感器信号较小则需放大；如存在干扰，必须进行信号滤波；检测信号与被检测物理量呈现非线性特性，要做线性化处理。

3.当有多路模拟量输入时，需要多路转一路的器件：多路转换开关4.S/H采样保持器5.A/D模数转换器传感器输出信号模拟量输入通道结构大信号模拟电压-----------→小信号模拟电压→放大→滤→S/H→A/D→单片机大信号电流→I/V →波小信号电流→ I/V→放大→例题：某流量传感器，检测后输出电流，范围是0~10mA，若采用该传感器测流量/电流，共需测量8路，设计其输入通道。

画出输入通道构成图。

2.AI通道中的信号转换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。

⑴采样（采样开关、采样周期、采样宽度）采样器或采样开关--执行采样动作的装置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，τ《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。

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频率f max的2倍，即f ≥ 2f max。

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）f max。

⑵量化把采样信号表示为最小基准单位量整数倍的过程，称为量化。

2.1.3 AI的常用器件及电路1、多路开关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AD7501(8路)、AD7506(16路)等。

现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原理如下图所示。

CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。

当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0~S7中的一路。

比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、A=001时，通道S通；……当C、B、A = 111时，通道S7选通。

其真值表如表所示。

补充：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。

例题试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。

分析：下图给出了两个CD4051扩展为1×16路模拟开关的电路。

数据总线D3~D0作为通道选择信号，D3 用来控制两个多路开关的禁止端。

当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S0~S7通道；当D3=1时，经反相器变成低电平，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。

2、采样保持器（S/H）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。

它有2种工作模式：采样和保持。

在采样状态时，其输出能跟随输入电压的变化；在保持状态时，其输出将保持在进入保持状态瞬间的输入电压的值不变。

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下图所示。

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C H等组成。

采样期间，开关S闭合，输入电压V IN通过A1对C H快速充电，输出电压V OUT跟随V IN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C H将保持电压VC不变，因而输出电压V OUT=VC也保持恒定。

3、电流/电压（I/V转换）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滤波和二极管输出限幅等保护措施，如右图所示，其中R2为精密电阻。

对于0- 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。

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：3411R R IR V G +== 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。