第4章模拟量输入输出通道共118页文档
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方法有硬件法和软件法之分，硬件方法常用RC滤波器和有源滤
波器来滤除高于有用信号频率的那部分干扰，也有称之为模拟 预滤波； 用软件方法可以滤除与有用信号频率重合的那部分 干扰， 如卡尔曼滤波等。
2． 统一信号电平
输入信号可能是毫伏级电压或毫安级电流信号， 应变成 统一的信号电平。 例如可变成0～50 mV的统一小信号电平或 0～5 V(1～5 V)的大信号电平。 即使从变送器来的0～10 mA 或4～20 mA的标准信号一般也要经如图4-2所示的电阻网络， 进行电流／电压转换，将0～10 mA的信号变换成0～50 mV的 电压信号， 其精度达0.02％。
除上述几种处理技术外，对不同的模拟信号还可能要进行 其它一些处理。例如热电偶测温时要进行冷端补偿；热电阻测 温时要用桥路法或恒流法实现电阻／电压变换等等。
4.1.2 多路开关
多路开关又称多路转换器，其作用是将各被测模拟量按某 种方式， 如顺序切换方式或随机切换方式分时地输入到公共 的放大器或A／D转换器上。
4.1.1 输入信号的处理
为了保证A／D转换的精度，模拟信号在输入到A／D之前 首先应进行适当的处理。根据需要，信号处理可选择小信号 放大， 大信号衰减，信号滤波，阻抗匹配，非线性补偿和电 流／电压转换等方法。
1． 信号滤波
由于工业现场干扰因素多，来自工业现场的模拟信号中常 混杂有干扰信号，应该通过滤波削弱或消除干扰信号。 滤波
图4-2 I/V变换网络
3． 非线性补偿
大多数传感器的输出信号与被测参数之间呈非线性关系， 例如： 铂铑—铂热电偶在0～1000℃间电势与温度关系的非线 性约为6％。非线性的线性化也有硬件和软件两种方法，应用 硬件方法时，是利用运放构成负反馈来实现。例如在DDZ-Ⅲ型 仪表的变送器中，就加入了非线性校正电路。
图4-7所示为TTL数据选择器74LS151的原理图和管脚图。 其特点是将8位输入数据(1或0)中的某一位选通(8选1)， 输出 其原码或反码。
图4-7 数据选择器74LS151原理图和管脚图
图4-8所示为光电耦合开关的一种用法。 光电耦合开关是 一种以光控制信号的器件，输入端为发光二极管，输出端为光 敏三极管。当PIO的某一位为高电平时，经反相为低电平，发 光二极管导通并发光，使光敏三极管导通， 经倒相输出高电 平。 光电开关能使输入和输出在电气上完全隔离，主要用于 抗干扰场合。
1． 多路开关的种类
多路开关有机械触点式和电子式两种。
机械触点式多路开关常用的有干簧或湿簧继电器，原理如 图4-3所示。当线圈通电时簧片吸合，开关接通。这类开关具 有结构简单，闭合时接触电阻小，断开时阻抗高，工作寿命较 长，不受环境温度影响等优点，在小信号中速度的切换场合仍 可使用。由单个干簧管继电器组成的多路开关均采用开关矩阵 方式，如图4-4所示的开关矩阵可对64个点进行检测和选通， X轴和Y轴的选通电路受CPU控制，其程序框图如图4-5所示。
4.1 模拟量输入通道
模拟量输入通道根据应用的不同，可以有不同的结构形 式。图4－1是多路模拟量输入通道的一般组成框图。
过 程检 参测 数
信号处理 信号处理 信号处理
放大 多 路 开 关
输入通道
S/H
Байду номын сангаас
A/D
接口
微 处 理 机
控制
图4-1 模拟量输入通道的一般组成框图
通常，人们把过程工艺参数转换为电量的设备称为传感器 或一次仪表。传感器的主要任务是检测，在过程控制中，为了 避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常将测量元件的输出 信号经过温度变送器、压力变送器和流量变送器等进行变换。 它们将温度、压力和流量的电信号变换成0～10 mA(DDZ-Ⅱ型 仪表)或4～20 mA(DDZ-Ⅲ型仪表)的统一信号，这一部分不属 于模拟量输入通道，而常归属于工程检测技术和自动化仪表； 但现在的计算机控制系统中许多模拟输入通道中包含了变送器 部分的功能。
图4-3 干簧继电器
图4-4 干簧继电器开关矩阵
图4-5 开关矩阵控制程序框图
在计算机控制系统中，目前用得最多的是由晶体管、场效 应管或光电耦合开关等组成的电子式无触点开关。这类开关工 作频率高，体积小，寿命长。其缺点是导通电阻大，驱动部分 和开关元件不独立而影响了小信号的测量精度。
常用的电子开关有C-MOS、FET单片多路开关，如CD4051、 CD4052、 CD4053(或MC14501、C511)等以及由TTL电路组成的数 据选择器74LS150、 74LS151等； 也有的将多路开关与A／D集 成在一个芯片内， 如ADC0808， ADC0809， ADC1211等。
图4-8 光电耦合开关用法之一
2．多路开关的连接方式
多路开关有单端输入，差动输入和伪差动输入等基本连 接方式，如图4-9所示。
图4-9(a)是单端多路输入方式，一般用于高电平输入信 号。由于一个通道传送一路信号，因此通道利用率高。但这
种方式无法消除共模干扰，所以当共模电压Ucm和信号电平Uin
相比幅值较大时不宜采用。
图4-9(b)是差动多路输入连接方式，模拟量双端输入， 双端输出接到运算放大器上。由于运算放大器的共模抑制比 较高， 故抗共模干扰能力强，一般用于低电平输入，现场干 扰较严重，信号源和多路开关距离较远，或者输入信号有各 自独立的参考电压的场合(这时双端输入能各成回路)。
字或模拟信号电平为3～15 V，模拟信号为UPP=15 V，可作为
多路开关或反多路开关。
图4-6 单片8选1开关CD4051原理图和管脚图
表4-1 CD4051真值表
inH
C
B
A
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
×
×
×
选通
X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 无
图4-6是单端8路开关CD4051的基本原理图和管脚图。 它 有三根二进制控制输入端A、B、C，片内有二进制译码器， 改变A、B、C的数值可译出8种状态， 分别从8路输入中选中 一个开关接通。 当禁止端inH为高电平时，不论A、B、C为何 值， 8个通路都不通。 表4-1为CD4051真值表。 CD4051的数
波器来滤除高于有用信号频率的那部分干扰，也有称之为模拟 预滤波； 用软件方法可以滤除与有用信号频率重合的那部分 干扰， 如卡尔曼滤波等。
2． 统一信号电平
输入信号可能是毫伏级电压或毫安级电流信号， 应变成 统一的信号电平。 例如可变成0～50 mV的统一小信号电平或 0～5 V(1～5 V)的大信号电平。 即使从变送器来的0～10 mA 或4～20 mA的标准信号一般也要经如图4-2所示的电阻网络， 进行电流／电压转换，将0～10 mA的信号变换成0～50 mV的 电压信号， 其精度达0.02％。
除上述几种处理技术外，对不同的模拟信号还可能要进行 其它一些处理。例如热电偶测温时要进行冷端补偿；热电阻测 温时要用桥路法或恒流法实现电阻／电压变换等等。
4.1.2 多路开关
多路开关又称多路转换器，其作用是将各被测模拟量按某 种方式， 如顺序切换方式或随机切换方式分时地输入到公共 的放大器或A／D转换器上。
4.1.1 输入信号的处理
为了保证A／D转换的精度，模拟信号在输入到A／D之前 首先应进行适当的处理。根据需要，信号处理可选择小信号 放大， 大信号衰减，信号滤波，阻抗匹配，非线性补偿和电 流／电压转换等方法。
1． 信号滤波
由于工业现场干扰因素多，来自工业现场的模拟信号中常 混杂有干扰信号，应该通过滤波削弱或消除干扰信号。 滤波
图4-2 I/V变换网络
3． 非线性补偿
大多数传感器的输出信号与被测参数之间呈非线性关系， 例如： 铂铑—铂热电偶在0～1000℃间电势与温度关系的非线 性约为6％。非线性的线性化也有硬件和软件两种方法，应用 硬件方法时，是利用运放构成负反馈来实现。例如在DDZ-Ⅲ型 仪表的变送器中，就加入了非线性校正电路。
图4-7所示为TTL数据选择器74LS151的原理图和管脚图。 其特点是将8位输入数据(1或0)中的某一位选通(8选1)， 输出 其原码或反码。
图4-7 数据选择器74LS151原理图和管脚图
图4-8所示为光电耦合开关的一种用法。 光电耦合开关是 一种以光控制信号的器件，输入端为发光二极管，输出端为光 敏三极管。当PIO的某一位为高电平时，经反相为低电平，发 光二极管导通并发光，使光敏三极管导通， 经倒相输出高电 平。 光电开关能使输入和输出在电气上完全隔离，主要用于 抗干扰场合。
1． 多路开关的种类
多路开关有机械触点式和电子式两种。
机械触点式多路开关常用的有干簧或湿簧继电器，原理如 图4-3所示。当线圈通电时簧片吸合，开关接通。这类开关具 有结构简单，闭合时接触电阻小，断开时阻抗高，工作寿命较 长，不受环境温度影响等优点，在小信号中速度的切换场合仍 可使用。由单个干簧管继电器组成的多路开关均采用开关矩阵 方式，如图4-4所示的开关矩阵可对64个点进行检测和选通， X轴和Y轴的选通电路受CPU控制，其程序框图如图4-5所示。
4.1 模拟量输入通道
模拟量输入通道根据应用的不同，可以有不同的结构形 式。图4－1是多路模拟量输入通道的一般组成框图。
过 程检 参测 数
信号处理 信号处理 信号处理
放大 多 路 开 关
输入通道
S/H
Байду номын сангаас
A/D
接口
微 处 理 机
控制
图4-1 模拟量输入通道的一般组成框图
通常，人们把过程工艺参数转换为电量的设备称为传感器 或一次仪表。传感器的主要任务是检测，在过程控制中，为了 避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常将测量元件的输出 信号经过温度变送器、压力变送器和流量变送器等进行变换。 它们将温度、压力和流量的电信号变换成0～10 mA(DDZ-Ⅱ型 仪表)或4～20 mA(DDZ-Ⅲ型仪表)的统一信号，这一部分不属 于模拟量输入通道，而常归属于工程检测技术和自动化仪表； 但现在的计算机控制系统中许多模拟输入通道中包含了变送器 部分的功能。
图4-3 干簧继电器
图4-4 干簧继电器开关矩阵
图4-5 开关矩阵控制程序框图
在计算机控制系统中，目前用得最多的是由晶体管、场效 应管或光电耦合开关等组成的电子式无触点开关。这类开关工 作频率高，体积小，寿命长。其缺点是导通电阻大，驱动部分 和开关元件不独立而影响了小信号的测量精度。
常用的电子开关有C-MOS、FET单片多路开关，如CD4051、 CD4052、 CD4053(或MC14501、C511)等以及由TTL电路组成的数 据选择器74LS150、 74LS151等； 也有的将多路开关与A／D集 成在一个芯片内， 如ADC0808， ADC0809， ADC1211等。
图4-8 光电耦合开关用法之一
2．多路开关的连接方式
多路开关有单端输入，差动输入和伪差动输入等基本连 接方式，如图4-9所示。
图4-9(a)是单端多路输入方式，一般用于高电平输入信 号。由于一个通道传送一路信号，因此通道利用率高。但这
种方式无法消除共模干扰，所以当共模电压Ucm和信号电平Uin
相比幅值较大时不宜采用。
图4-9(b)是差动多路输入连接方式，模拟量双端输入， 双端输出接到运算放大器上。由于运算放大器的共模抑制比 较高， 故抗共模干扰能力强，一般用于低电平输入，现场干 扰较严重，信号源和多路开关距离较远，或者输入信号有各 自独立的参考电压的场合(这时双端输入能各成回路)。
字或模拟信号电平为3～15 V，模拟信号为UPP=15 V，可作为
多路开关或反多路开关。
图4-6 单片8选1开关CD4051原理图和管脚图
表4-1 CD4051真值表
inH
C
B
A
0
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×
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选通
X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 无
图4-6是单端8路开关CD4051的基本原理图和管脚图。 它 有三根二进制控制输入端A、B、C，片内有二进制译码器， 改变A、B、C的数值可译出8种状态， 分别从8路输入中选中 一个开关接通。 当禁止端inH为高电平时，不论A、B、C为何 值， 8个通路都不通。 表4-1为CD4051真值表。 CD4051的数