第二章过程输入输出通道

注：模拟信号一般不直接送A/D转换器，而加保持器作信号保持。 但是，当A/D转换速度很快且输入信号变化缓慢时可不加保持器。
保持器的两个工作状态： ★ 采样状态 ★ 保持状态
采样保持集成芯片LFl98 主要特性：
供电电源：±5V～
±18V； 可以和TTL、PMOS、 CMOS逻辑输入兼容； 典型保持电容：1000pF、 0.01μF。
5、A／D转换器
把通道输入的模拟量转换成数字量，通过I/O接口电路送 入CPU。 A/D转换器的作用：完成模拟量到数字量的转换。 转换方式：逐次逼近式和双斜积分式。 逐次逼近式：转换时间短、抗干扰能力差。 如ADC0809、AD574等。
双斜积分式：转换时间长、抗干扰能力强。
如MC14433、ILC7135等。
2、I/O通道
也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间 信息传送和变换的连接通道。

信号输入通路 信号输出通路

模拟信号通路 数字信号通路

模拟量输入通路
模拟量输出通路
数字量输入通路
数字量输出通路
3．采样过程 用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离 散模拟信号的过程。
4．量化过程
是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅 值，将其转换成数字信号。
量化单位为：
f max f min q i 2
fmax：被转换信号的最大值； fmin：被转换信号的最小值； i：转换后二进制数的位数。
§2.2
模拟量输入通道
任务：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。
§2.3 模拟量输出通道
功能：把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中 的某一控制回路上，完成对执行机构的控制操作。
组成：D／A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤
波电路和功放电路等。 输出保持器的作用：将前一采样时刻的输出信号保持到下一 个采样时刻，重新得到新的连续输出信号。
D/A转换器 作用：完成数字信号到模拟信号的转换。 输出：有单极性输出和双极性输出（如±５Ｖ）
位（LSB）的分数表示，如 ±0.5LSB。 ADC的每个数字输出量所对应的模拟量不是单一的一个 数值，而是一个范围Δ 。从理论上讲， Δ 的大小即输出数字
量的最低有效位（LSB），取决于ADC的分辨率，如对于12位
的ADC，VI=5.12v ，则Δ ＝1.22mv。但实际上，由于外部环 境的影响， Δ 的大小往往偏离其理论值，偏离的程度就是
３）线性误差： DAC 理想输入输出特性的偏差和满刻度输 出之比的百分数。
多通道模拟输出板
将总线接口逻辑、D/A转换器、信号变换电路等集成 在一块板上。
结构形式 1）一个输出通路设 置一个D／A转换器的 结构形式
2）多个输出通路共用一个D／A转换器的结构形式
§2.4 数字量（开关量）输入输出通道
可以对满量程输入的 1/2 n 的增量作出反映，即数字量的最 低有效位 （ LSB ） 对应于满量程输入的 1/2 n 。如 n =8 ，
VI=5.12v，则LSB对应于5.12/28=20mv。
３）精度，也称线性误差：
表示ADC的数字输出量所对应 的模拟输入量的理论值和实际
值之间的差值，常用最低有效
★ 电参量间的转换电路： 主要进行电信号之间的转换。
2、多路转换开关
一个A/D转换器，多个信号需要转换，利用多路转换开关
实现。 多路转换开关实现多选一操作，把n路输入信号依次（或 随机）地切换到后级，实现CPU对各路模拟量分时采样。
组成：开关矩阵及逻辑控制电路。
开关矩阵 —— 模拟开关的组合 逻辑控制电路 —— 在软件或通道控制电路的控制下， 以一定速度，按顺序输入被测模拟信号。
２
输出驱动电路
(a)
精品课件！
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(c)
主要组成： 信号处理装置（信号调理）、多路转换开关、
采样保持器、数据放大器、A／D转换器控制电路。
1、信号处理装置（信号调理）
组成：标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转 换电路等。 ★ 标度变换器： 作用：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被
测模拟信号变换成统一的标准信号。
★ 滤波电路： 作用：①滤掉干扰信号；②消除混频现象 。 ★ 线性化处理：有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。 必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。
主要参数：
１）建立时间： DAC 的输入数字量有满量程的变化时， 其输出模拟量达到终值±1/2LSB时所需的时间，一般为几微秒。
２）分辨率（位数）：最小输出电压（对应的输入数字量 只有最低有效位为“1”）和最大输出电压（对应的输入数字量 所有有效位均“1”）之比。如N位DAC的分辨率为１／（２Ｎ－ １）。常用输入二进制的位数来表示，如8位（DAC0832 ）、 12 位（DAC1208/1209/1210 ）等。分辨率为 n 位，表示 D/A 转换器 输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。
ADC的精度。如上图所示ADC的精度为。
多通道模拟量输入板：
将多路转换开关、采样保持器、A/D转换器、仪用放大 器、接口电路集成在一块板上。 主要参数：分辨率、通道数、输入量程（单极性和双 极性）、转换时间、线性误差、应答方式（查询、中 断）。 采集过程：通道选择、启动A/D转换、查询转换是否
结束、读取转换结果。
时具有大体上相同的大小，可使A/D转换器满量程信号达
到归一化，提高多路数据采集的分辨力。
４、采样保持
采样保持电路：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中
保持模拟信号基本不变。
注：保持电容一般外接，其取值与采样频率和精度有关。 减小CH可提高采样频率，但会降低精度。
采样保持器的主要参数有：采样时间、电压下降率等。
A/D转换器的主要参数有：
１）转换时间（转换速度）：完成一次模拟信号到数字
信号转换所需的时间。目前常用ADC的转换时间为几个纳 秒——２００纳秒。 ２）分辨率（位数）：表示ADC对输入信号变化的敏感 程度，用转换后的数字量的二进制位数表示。如8位
（ ADC0809 ）、 12位（ AD574 ）等。分辨率为 n)
香农 (Shannon) 采样定理：如果随时间变化的
模拟信号的最高频率为ωmax，只要按照采样频
率ωS≥2ωmax进行采样，那么取出的样品序列
(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢
复)f(t)。
4．保持器
1）为什么要用保持器？ A/D转换需要时间，称为A/D转换时间。 在转换过程中采样信号应保持基本不变，否则 影响转换精度。 2）采样保持器的两种工作状态 采样状态：采样保持器的输出跟随模拟量变化。 保持状态：采样保持器维持输出值不变。
数字信号电压变化范围：3～15V
输入电压：UIN＝0～VDD， 模拟信号峰峰值：15V
CD405l的应用：
３、放大器 可用仪用、可编程放大器。 仪用放大器具有输入阻抗高、零漂小、共模抑制比高等 优点。 当各路信号相差较大时，可通过对放大器的编程来改 变各通道放大器的放大倍数，使各路信号到达A/D转换器
计算机控制系统中多采用集成电路多路转换开关。如 CD4051就是一种8通道的多路转换开关。当INH=高电平时， 无论 A、 B 、 C 为何值， 8 个开关均不通。此引脚可用于芯
片扩展。
多路选择开关的参数主要有：通道数、通道切换时间、 导通电阻、通道间的串拢误差等。
例：CD405l
组成：逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路。 主要特性： 直流供电电源：VDD＝+5V～+15V，
数字量（开关量）输入输出通道的基本结构
数字量（开关量）输入输出通道的组成： 缓冲器：对输入信号缓冲、放大、选通。 锁存器：将输出信号锁存。 缓冲/锁存功能可以由可编程接口电路（8255A等）实现。 电气转换部分：滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。
１
输入信号调理电路
作用：对信号进行转换、放大、滤波、隔离等处理，使 之成为计算机能接收的逻辑信号。 1） 信号转换电路
► 直接和并行接口电路的输入口连接
► 加光电隔离电路
2） 滤波电路
用有源或无源滤波器抑制干扰。如RC低通滤波器。
3） 保护电路 用稳压管或压敏电阻把瞬间冲击电压箝位在安全电平上。
用二极管防止电压反向输入。
用限流电阻和稳压电路作过电压保护。
4） 消除触点抖动 当开关处于图示位 置时，Ｑ＝０，此时动 触点抖动不会改变触发 器状态，除非抖动幅度 使动静点与上方静触点 接触了。 当开关拔向上方时， 第一次与上方静触点接 触则使Ｑ＝１。此时开 关动触点抖动不会改变 触发器状态，除非抖动 幅度使动静点与下方静 触点接触了。