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。