模拟量输入输出

2
信
多
采
工 业 现
场
传 感 器
变 送 器
号 处 理 环
节
路 转 换 开
关
样 保 持 电
路
A/
D 转 换
器
微 型 计 算
机
执驱低 行动能 器放滤
件大波
D/
A 转 换
器
输 入 输 出 接
口
锁 存 器
模拟量的输入输出通道结构图
3
8.1.1 模拟量的输入通道
1. 传感器：是用于将工业生产现场的某些非电物理量转
第8章 模拟量的输入输出
8.1 模拟量输入输出通道的组成 8.2 数/模（D/A）转换 8.3 模数（A/D）转换
1
8.1 模拟量输入输出通道的组成
模拟量输入输出通道是微型计算机与控制对象之间的 一个重要接口，也是实现工业过程控制的重要组成部分 。
工业生产中，需要测量和控制的物理量往往是连续 变化的电流、电压、温度、压力、位移、流量等。利用 计算机实现对工业生产过程的自动监测和控制，① 必须 能够将生产过程中监测设备输出的连续变化的模拟量转 变为计算机能够识别和接受的数字量。② 能够将计算机 发出的控制命令转换为相应的模拟信号，去驱动模拟调 节执行机构。这样两个过程，都需要模拟量的输入和输 出通道来完成。
② 锁存器的输出接到多路模拟开关，使数据信号的高低 电平转变成相应的开关状态。
③ 各位模拟开关输出的电流通过电阻网络进行加权，合 成一个与输入数字量等效的模拟电流信号再经过驱动放 大电路，形成模拟量的输出。
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2. D/A转换器的主要技术指标
1.分辨率：
① 分辨率是D/A转换器对数字输入量变化的敏感程度 的度量。它表示输入每变化一个最低有效位使输出 变化的程度，可用数字量的位数来表示，如8位，10 位等。
4
3. 信号处理环节：将变送器输出的信号进行放大或 处理成与A／D 转换器所要求的输入相适应的电压水 平。
信号处理环节主要包括信号的放大及干扰信号的去 除
4. 多路转换开关：在数据采集系统中，需要采集的模 拟量一般比较多，且不少模拟量是缓慢变化的信号。 对这类模拟信号的采集，可采用多路模拟开关，使多 个模拟信号共用一个A/D转换器进行采样和转换，以 降低成本。
的时间很短，因此，在计算机与D／A转换器之间必须加
一级锁存器以保持数字量的稳定。② D/A转换器的输出端
一般还要加上低通滤波器，以平滑输出波形。③ 为了能
够驱动执行器件，需要将输出的小功率的模拟量加以放
大。
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8.2 数模转换器（D/A）
8.2.1 D/A转换器的基本原理及技术指标
1.D/A转换器的基本工作原理 2. D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量，数 字量由二进制位组成，每个二进制位的权为2i，要把数 字量转换为模拟电压，需要先把数字量的每一位上的 代码按权转换成对应的模拟电流，再把模拟电流相加 ，最后由运算放大器将其转换成模拟电压。
R V1
2R V0
VoD 2nn
Rf R
Vref
VoD 2nnVre(fRf R)
输出电压Vo正比于输入数字量Dn，幅度大小由Vref和Rf/R的比值决定
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N
位 D0
数
.
字 量
.
输 Dn .
入
数 据
.
数 据
.
模 拟
.
电 阻
缓.锁.开.网
冲.存.关.络
驱
动
模拟量输出
放
大
① 将待转换的数字量D0~D7通过数据缓冲器送至数据锁 存器，保证转换过程中数字量的稳定。
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8.1.2 模拟量的输出通道
计算机的输出信号是数字信号，而有的控制执行元 件要求提供模拟的输入电流或电压信号，需要将计算机 输出的数字量转换为模拟量。由模拟量的输出通道来完 成。
① 将数字量转换为模拟量同样需要一定的转换时间，要
求在整个转换过程中待转换的数字量要保持不变，而计
算机的运行速度很快，其输出的数据在数据总线上稳定
换为电量的器件。
2.例如 温度传感器：温度
电压信号；
3.
压力传感器：压力的变化 电信号
2. 变送器：将传感器的输出信号转换成0~10mA、
4~20mA的统一电流信号或者0~5V的电压信号。
传感器输出的电信号都比较微弱，有些传感器的输出甚 至是电阻值、电容值等非电量。为了易于与信号处理环节 衔接，需要将这些微弱电信号及电阻值等非电量转换成统 一的电信号，变送器就是实现这一功能的器件。
D/A转换器的转换精度与基准电压Vref和权电阻Rj的 精度以及数字量的位数j有关。位数越多，转换精度越 高，同时所需的权电阻的种类就越多。在集成电路中 制造高阻值的精密电阻比较困难，因此常用T形电阻 网络代替权电阻网络。
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Rf
n-1
2
1
0 Vi
-
Vo +
2R
2R
Baidu Nhomakorabea
2R
2R
Vref
R
Vn-1
R V2
令
Vr e f
Rf R
Vi
n
则
Vo
1 2j SjVref
j1
讨论：当所有开关Sj断开时，Vo=0； 当所有开关Sj闭合时，Vo 2n2n1Vref 最大。
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D/A转换的基本原理：
如果用二进制编码来控制每一路的Sj，当第i路的 二进制码为1时，使第j位的Sj闭合；第j路的二进制码 为0时，使对应的Sj断开，则数字量的变化就转换成了 模拟量的变化。
8
N
位 数
.
模 拟
.
电 阻
字 .开 . 网
量 输
.关 . 络
入
运 算 放
模拟电 压输出
大
器
A/D转换器结构示意图
9
Rf
Ri
Vi
-
I
+
Vo
Vo
Rf Ri
Vi
10
Vi
S1
S2 S3
Sn
Rf
R1
-
R2 I
R3
+
Rn
n
Vo Rf
j1
1 Rj
Vi
Vo
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如果 R1=21R，R2=22R，……Rn=2nR，即每一位电阻 值都具有权值2j ，且由一个开关Sj控制，当Sj闭合时 Sj=1， Sj断开时Sj=0。
② 输入数字量等于1时的电压值与输入数字量等于最 大值时的满度电压值之比，例如，一个n位的D/A转 换器，若其满度电压值为V，其最低有效位对应的电 压值就为V/(2n一1)，则该D/A转换器的分辨率等于 1/(2n一1)。
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5. 采样保持电路：在数据采样期间，保持输入信号不 变的电路称为采样保持电路。
由输入模拟信号连续变化，A/D转换器完成一次转 换需要一定转换时间。对变化较快的模拟输入信号， 如果在转换期间输入信号变化，引起转换误差。所以 增加一级采样保持电路，保证在转换过程中输入信号 保持在其采样时的值。 6. 模数A/D转换器：将输入的模拟信号转换成计算机 能够识别的数字信号，以便计算机进行分析和处理。