第16講：單片機(jī)系統(tǒng)的前向通道(過程輸入通道)與接口(1)

1、單片機(jī)與控制技術(shù)單片機(jī)與控制技術(shù)本章討論的本章討論的的主要對象的主要對象人機(jī)接口等A/DD/A模擬輸入數(shù)字量輸入模擬輸出數(shù)字量輸出信號隔離信號隔離控制對象傳感器等檢測裝置單片機(jī)（MCU）控制方法信息種類信息來源通道類型 數(shù)字量開關(guān)量輸入閥門的開關(guān)，接點的通、斷，電平的高、低等數(shù)字量輸入通道數(shù)據(jù)數(shù)碼各類數(shù)字傳感器、控制器等脈沖量輸入長度、轉(zhuǎn)速、流量測定轉(zhuǎn)換等中斷輸入操作人員請求、過程報警等模擬量電流信號壓力、溫度、液位、速度、重量、位移等模擬量輸入通道電壓信號第第07章：過程輸入通道（前向通道）與接口章：過程輸入通道（前向通道）與接口本章主要內(nèi)容：l 數(shù)字量輸入通道（信號調(diào)理、開關(guān)量去抖、輸入隔

2、離）l 模擬量輸入通道（），包括： 信號檢測與放大電路、信號隔離電路、 信號變換電路（I/V）、硬件濾波電路（補(bǔ)充）、 采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 多路開關(guān)電路（從幾路模擬輸入中選取一路）等1、數(shù)字量輸入通道l （1）輸入信號調(diào)理電路1、數(shù)字量輸入通道l （2）輸入信號去抖電路（解決機(jī)械觸點的抖動問題） （基本RS觸發(fā)器，此電路不存在不定態(tài)。） 利用了RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)需要的苛刻條件消除抖動（分析電路）1、數(shù)字量輸入通道l （3）防干擾輸入隔離電路（解決長線傳輸?shù)膹?qiáng)電對弱信號的干擾問題）常見隔離技術(shù)有以下兩種： 一種是光電隔離技術(shù)，其原理是輸入、輸出之間來用光耦合，如圖6.1.3中a)所示。 另

3、一種是變壓器耦合輸入，見圖6.1.3中b)所示。b) 變壓器耦合輸入電路a) 光耦式輸入電路這兩種電路的工作原理與器件參數(shù)說明兩種電路各自的特點（適用場合及優(yōu)缺點）2、模擬量輸入通道概述l （1）模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)信號調(diào)理信號隔離與放大信號硬件濾波單路模擬量輸入單路模擬量輸入到計算機(jī)示意圖到計算機(jī)示意圖解決多路信號轉(zhuǎn)換的方法1（并行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)）：教材P158圖648255等解決多路信號轉(zhuǎn)換的方法2：選用時要兼顧性能（速度）與成本。CD40512、模擬量輸入通道概述l （2）相關(guān)概念：模擬信號的采樣與量化 模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換包括信號采樣和量化兩個過程。 1） 信號的采樣 為了保證采樣不

4、失真，采樣頻率必須遵循香農(nóng)定理： f =2Fmax,實際中常取f =（510）Fmax2）量化與量化誤差 采樣信號在時間軸上是離散的，但在函數(shù)軸上仍然是連續(xù)的，因為連續(xù)信號Y（t）幅值上的變化，也反映在采樣信號Y*（t）上。為了計算機(jī)能接受，還需要將采樣信號變成幅值也不連續(xù)的數(shù)字信號。 將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程（模數(shù)轉(zhuǎn)換）。執(zhí)行量化動作的裝置是A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換器。 量化單位 q=(YmaxYmin)/2 （6.1.1） 量化過程實際上是一個用q去度量采樣值幅值高低的小數(shù)歸整過程，存在1/2q的量化誤差。例如，q=20mv，量化誤差為10mv，1.0090.99范圍內(nèi)的采

5、樣值，其量化結(jié)果是相同的。3、模擬量輸入通道的功能模塊（單元電路）介紹l （1）（模擬電壓信號的）放大與隔離電路信號隔離與放大 很多傳感器（如溫度、壓力傳感器）輸出的都是很微弱的電壓信號（mV級甚至uV級），因此，要把這些信號信號送入到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、必須將這些弱信號加以適當(dāng)?shù)姆糯?。這個過程需要放大電路完成。 信號的放大通常是弱信號測量的一個難點，放大電路的設(shè)計至關(guān)重要。輸入通道AI中常用放大器之一：測量放大器 測量放大器又稱儀表放大器，一般采用多運放平衡輸入電路，圖6.2.1為最基本的電路a）工作原理： 根據(jù)疊加原理可以分析得到 V01= (1+R1/RG)Vi- R1/RGVi

6、V02= (1+R1/RG)Vi R1/RGVi 測量放大器輸出電壓 V0=V01 +V02 =（1+2R1/RG)(Vi+Vi-） 其增益為G=1+2R1/RGb） 測量放大器的特點與應(yīng)用場合：由于對兩個輸入信號的差動作用，漂移減少，且具有高輸入阻抗、低失調(diào)電壓、低輸入阻抗和高共模抑制比以及線性度較好的高增益。c）集成的儀表放大器：目前許多集成測量放大器芯片可供用戶使用。如AD521、AD522、INA101、WS112等。 集成的測量放大器的一般結(jié)構(gòu)如圖6.2.2所示，兩個差動輸入端Vi+、Vi- 與信號源相連，對通過信號源引入的共模干擾有較高抑制能力。外接電阻RG用來調(diào)節(jié)增益，有些放大器

7、還有對放大倍數(shù)進(jìn)行微調(diào)的電阻RS。 器件特點與主要技術(shù)指標(biāo)：由于采用單芯片結(jié)構(gòu)，而且組成的關(guān)鍵部件均采用激光微調(diào)技術(shù)，使其具有較高性能和較低的成本。其主要特性指標(biāo)為：漂移電壓0.25V/C，偏移電壓25V,線性度0.002%,共摸抑制比106dB(60Hz),輸入阻抗1010,電源20V,輸入電壓范圍20V。 下圖a為INA101M的一種簡單接法。其增益用外接電阻RG調(diào)節(jié)，G=1+40K/RG。RG的基準(zhǔn)值和電阻的溫度系數(shù)直接影響增益精度和漂移，因此，RG應(yīng)選用精密電阻。圖b) 可用來取代a）圖中電位器Rw1,用于調(diào)節(jié)偏移電壓，其優(yōu)點是可以使漂移不隨調(diào)節(jié)而變化。 這里僅以INA101M為例作以

8、介紹： 偏移電壓調(diào)整步驟如下：1）調(diào)節(jié)V1=V2=0V (保證輸入端優(yōu)良好的接地）；2）用RG將增益調(diào)至所需要值（注意：偏移量隨增益變化而變化）；3）調(diào)節(jié)Rw1,直到輸出為0V1mV或所需要的值。 如果要消除輸出偏移或要求確定與輸入相同的偏移，可采用圖c)電路。調(diào)節(jié)Rw2,輸入通道AI中常用放大器之二：增益可編程放大器 在原來的測量放大器中，用RG1RG8取代原先的RG,選擇其中哪一個電阻由多路開關(guān)CD4051來確定（CD4051狀態(tài)可由計算機(jī)通過程序來控制），則可實現(xiàn)放大器放大倍數(shù)（增益）的編程。分立式可編程增益放大器集成的可編程增益放大器： 常用芯片有AD612/614、PGA200/20

9、1、PGA100等。例：AD612/614為典型的三運放結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有精確的電阻網(wǎng)絡(luò)使其增益可控。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如下。增益選擇強(qiáng)電信號隔離的必要性： 隔離放大器的適用范圍：a）消除由于信號源接地網(wǎng)絡(luò)的干擾所引起的測量誤差。b）測量處于高共模電壓下的低電平信號c）避免構(gòu)成地回路及不需要對偏置電流提供返回通路問題。d）保護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)電路不致因輸入端或輸出端大的共模電壓造成損壞。輸入通道AI中常用放大器之三：隔離放大器a）變壓器耦合隔離放大器 模擬信號隔離放大器有基于變壓器耦合的隔離信號放大器（后為了制作成集成芯片，將變壓器耦合改進(jìn)為電容器電路來耦合調(diào)制后的信號以跨越屏障實現(xiàn)隔離）、基于光耦合的隔離放

10、大器等。 在ISO124片內(nèi)，輸入信號被占空度調(diào)制并以數(shù)字方式發(fā)送跨過屏障（電容器耦合）。輸出部分接收被調(diào)制的信號，把它變換回模擬電壓并去掉調(diào)制/解調(diào)過程中固有的紋波成分。由于對輸入信號進(jìn)行了調(diào)制與解調(diào)，所以使用時應(yīng)注意被采樣信號頻率上的一些限制。調(diào)制器工作在500kHz的基頻上，故高于250kHz Ngquist頻率的輸入信號在輸出中會呈現(xiàn)較低的頻率分量。 基于變壓器隔離的耦合放大器使用：（以BB公司的低功耗精密隔離放大器ISO124為例） SO124的技術(shù)指標(biāo)：額定隔離電壓為1500V，最大非線性誤差為 0.01 %，固定單位增益，電源電壓范圍為4.518V，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、數(shù)據(jù)

11、采集及測試設(shè)備等。 工作原理：由圖可見，利用一個發(fā)光二極管LED和兩個光敏二極管耦合，使輸入與輸出隔離。將發(fā)光二極管LED的光反向送回輸入端（負(fù)反饋）、正向送至輸出端，從而提高了放大器的精度、線性度和溫度穩(wěn)定性。其輸入為電流信號，若進(jìn)行電壓輸入，則利用一外接電阻即可實現(xiàn)，此時Iin=Vin/Rin. 圖中A1起著單位增益放大器的作用，A2作為電流電壓轉(zhuǎn)換器，即在系統(tǒng)穩(wěn)定時，ID1=ID2=-Iin,輸出Vout=-ID2RF=IinRF.只要改變外接電阻RF的值，就能改變增益。ISO100中有兩個精密電流源，用其完成雙極性操作。單極性時，不需要精密電流源，電流源可供外部使用。b）光耦合的隔離放大器（ISO100） 光耦合隔離放大器具有隔離效果好，頻帶寬等優(yōu)點。3、模擬量輸入通道的功能模塊（單元電路）介紹l （2）輸入模擬電壓信號的濾波電路硬件低通濾波電路 濾波分為硬件濾波與軟件濾波； 放大后的模擬電壓信號在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前要進(jìn)行硬件濾波，可采用簡單的RC濾波器或?qū)Ｓ肐C來完成。低通濾波器（LPC）又稱為抗混疊濾波器。 在A/D采樣后，對采樣的結(jié)果進(jìn)行如去平均值一類的算術(shù)濾波處理，稱為軟件濾波。l 簡單的RC低通濾波電路使用時要注意截止頻率與信號的幅值衰