任務(wù)二模擬量輸入通道

【教學(xué)目的、要求】掌握模擬量輸入通道的組成部分及其作用；掌握信號(hào)調(diào)理電路、多路轉(zhuǎn)換器電路；能夠擴(kuò)展多路轉(zhuǎn)換器電路；了解常用的傳感器類型。第一頁(yè)，共42頁(yè)。

模擬量輸入通道的任務(wù)：把被控對(duì)象的過(guò)程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號(hào)。

模擬量輸入通道根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式，最簡(jiǎn)單的就是單路模擬量輸入通道。多路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)組成如圖所示。

一、模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)第二頁(yè)，共42頁(yè)。

來(lái)自于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器或變送器的多個(gè)模擬量信號(hào)首先需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后經(jīng)多路選擇開(kāi)關(guān)，分時(shí)切換到后級(jí)進(jìn)行放大、采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)接口電路以數(shù)字量信號(hào)進(jìn)入主機(jī)系統(tǒng)，從而完成對(duì)過(guò)程參數(shù)的巡回檢測(cè)任務(wù)。第三頁(yè)，共42頁(yè)。模擬量輸入接口：主要部分是A／D轉(zhuǎn)換器及其與計(jì)算機(jī)的數(shù)字量接口，從廣義上講，采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換器是配合A/D轉(zhuǎn)換器工作的，也可以算作模擬量接口的一部分。目前一些A/D芯片內(nèi)包含采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換器。對(duì)模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以適合A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入電壓要求的相關(guān)電路。第四頁(yè)，共42頁(yè)。1、傳感器

定義：GB7665-87規(guī)定：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。作用：把被控對(duì)象的各種非電物理量檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。如熱電偶能把溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)、應(yīng)變橋式荷重傳感器能把受力的大小轉(zhuǎn)換為電信號(hào)等。第五頁(yè)，共42頁(yè)。

傳感器有以下幾部分組成：（1）敏感元件：直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的物理量。（2）轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量。（3）轉(zhuǎn)換電路：將上述參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量輸出。敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量第六頁(yè)，共42頁(yè)。耐磨熱電偶長(zhǎng)距離漫反射型光電傳感器BA2M-DDT系列第七頁(yè)，共42頁(yè)。測(cè)力計(jì)壓力計(jì)

第八頁(yè)，共42頁(yè)。將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂梁隨之產(chǎn)生于位移相等的撓度，因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。在小撓度情況下，撓度與應(yīng)變情況成正比。將應(yīng)變片接入橋路，輸出與位移成正比的電壓信號(hào)。第九頁(yè)，共42頁(yè)。2、信號(hào)調(diào)理電路很多變送器的輸出信號(hào)為0～10mA或4～20mA，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)只能是電壓信號(hào)，所以如果模擬信號(hào)是電流時(shí)，必須先把電流變成電壓才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這樣就需要I/V變換電路。兩種變換電路。

1.無(wú)源I/V變換2.有源I/V變換第十頁(yè)，共42頁(yè)。無(wú)源I/V變換利用無(wú)源器件—電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，加上RC濾波和二極管限幅等保護(hù)。對(duì)于0-10mA輸入信號(hào)，R1=100Ω，R2=500Ω，輸出的電壓就為0-5V范圍；對(duì)于4-20mA輸入信號(hào)，R1=100Ω，R2=250Ω，輸出的電壓為1-5V。第十一頁(yè)，共42頁(yè)。有源I/V變換利用有源器件——運(yùn)算放大器和電阻電容組成。

利用同相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為第十二頁(yè)，共42頁(yè)。若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，則輸入電流I的0~10mA就對(duì)應(yīng)電壓輸出V的0~5V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，則4~20mA的輸入電流對(duì)應(yīng)于1~5V的電壓輸出。第十三頁(yè)，共42頁(yè)。

計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，通過(guò)多路轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)多選1的操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路轉(zhuǎn)換器種類很多，并具有不同的功能和用途。如集成電路芯片CD4051(雙向、單端、8路)、CD4052(單向、雙端、4路)等。3、多路轉(zhuǎn)換器14既可以實(shí)現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換。指芯片內(nèi)的一對(duì)開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信號(hào)的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。第十四頁(yè)，共42頁(yè)。結(jié)構(gòu)原理

現(xiàn)以常用的CD4051為例，8路模擬開(kāi)關(guān)。由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動(dòng)及開(kāi)關(guān)電路三部分組成。第十五頁(yè)，共42頁(yè)。第十六頁(yè)，共42頁(yè)。

當(dāng)采樣通道為16路時(shí)，可直接選用16路模擬開(kāi)關(guān)的芯片，也可以將2個(gè)8路4051并聯(lián)起來(lái)。

例試用兩個(gè)CD4051擴(kuò)展成一個(gè)1×16路的模擬開(kāi)關(guān)。分析：數(shù)據(jù)總線D3~D0作為通道選擇信號(hào)，D3用來(lái)控制兩個(gè)多路開(kāi)關(guān)的禁止端。當(dāng)D3=0時(shí)，選中其中一個(gè)多路開(kāi)關(guān)，D2、D1、D0的組合選通S0~S7通道；當(dāng)D3=1時(shí)，經(jīng)反相器變成低電平，選中另外一個(gè)多路開(kāi)關(guān)，D2、D1、D0的組合選通S8~S15通道。如此，組成一個(gè)16路的模擬開(kāi)關(guān)。擴(kuò)展電路17第十七頁(yè)，共42頁(yè)。多路模擬開(kāi)關(guān)的擴(kuò)展電路第十八頁(yè)，共42頁(yè)。

作用：把從傳感器來(lái)的低電平信號(hào)按比例地放大到A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓。

如果從多個(gè)傳感器來(lái)的信號(hào)幅值相差懸殊，若采用一個(gè)公用放大器時(shí)，怎么辦？可采用編控放大器，由計(jì)算機(jī)控制它的閉環(huán)增益，對(duì)不同幅值的信號(hào)進(jìn)行不同比例的放大。4放大器第十九頁(yè)，共42頁(yè)。當(dāng)然也可以每個(gè)傳感器都有自己的放大器。

是否必須使用放大器？在實(shí)際系統(tǒng)中，如果變送器的輸出均為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如0~5V，4~20mA），通道中可以不設(shè)放大器。第二十頁(yè)，共42頁(yè)。問(wèn)題：模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。解決方法：采用一種器件，在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)保持住輸入信號(hào)電平，在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后跟蹤輸入信號(hào)的變化。這種功能的器件就是采樣/保持器。5采樣保持器第二十一頁(yè)，共42頁(yè)。采樣/保持器的工作原理采樣／保持器的一般結(jié)構(gòu)形式如圖所示。

模擬信號(hào)UiK驅(qū)動(dòng)信號(hào)ACH模擬地UO組成采樣開(kāi)關(guān)K保持電容CH緩沖放大器A：高輸入阻抗，作用是把CH和負(fù)載隔離，否則保持階段在CH上的電荷會(huì)通過(guò)負(fù)載放掉，無(wú)法實(shí)現(xiàn)保持功能。第二十二頁(yè)，共42頁(yè)。t控制信號(hào)t模擬輸入At采樣輸出跟蹤t1A2t2A1t3保持A3t4A在t1時(shí)刻前，控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，采樣開(kāi)關(guān)K

閉合，輸入信號(hào)Ui

通過(guò)K對(duì)電容CH快速充電，使得CH端電壓UC

跟隨Ui變化而變化。工作原理如下：模擬信號(hào)UiK驅(qū)動(dòng)信號(hào)ACH模擬地UO第二十三頁(yè)，共42頁(yè)。t控制信號(hào)t模擬輸入At采樣輸出跟蹤t1A2t2A1t3保持A3t4A在t1時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，采樣開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，此時(shí)電容CH

上的電壓UC

保持模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間的Ui

值不變并等待A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)UiK驅(qū)動(dòng)信號(hào)ACH模擬地UO第二十四頁(yè)，共42頁(yè)。t控制信號(hào)t模擬輸入At采樣輸出跟蹤t1A2t2A1t3保持A3t4A在t2時(shí)刻，保持結(jié)束，新一個(gè)跟蹤時(shí)刻到來(lái)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)又為高電平，K

重新閉合，

CH

端電壓UC又跟隨Ui變化而變化；模擬信號(hào)UiK驅(qū)動(dòng)信號(hào)ACH模擬地UOt3時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，K斷開(kāi)，......。第二十五頁(yè)，共42頁(yè)。從以上討論可知：采樣保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件。具有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：跟蹤狀態(tài)

在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號(hào)，并精確地跟蹤模擬輸入信號(hào)的變化，一直到接到保持指令止。保持狀態(tài)

對(duì)接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行保持。第二十六頁(yè)，共42頁(yè)。

A1和A2分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提高采樣保持器的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以便與信號(hào)源和負(fù)載連接。

K是模擬開(kāi)關(guān)，由控制信號(hào)電壓UK控制其斷開(kāi)或閉合。CH是保持電容器。

Ui

-+A1KUK

-+A2CH模擬地UO串聯(lián)型采樣保持器第二十七頁(yè)，共42頁(yè)。第二十八頁(yè)，共42頁(yè)。關(guān)注的指標(biāo)獲取時(shí)間：從發(fā)出采樣指令到采樣保持器輸出與輸入相等所需的時(shí)間?？s短獲取時(shí)間可以提高采樣速率。輸出電壓衰減率：在保持期的采樣保持器輸出電壓的下降率。較大的下降率會(huì)影響A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。增加保持電容的容量能降低下降率，但又會(huì)延長(zhǎng)獲取時(shí)間，所以保持電容要綜合考慮。第二十九頁(yè)，共42頁(yè)。

答案：NO。如果輸入的連續(xù)信號(hào)變化緩慢，同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器有足夠快的轉(zhuǎn)換速度時(shí)，可以省去采樣保持器。必須采用采樣保持器么？第三十頁(yè)，共42頁(yè)。A/D轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的核心關(guān)鍵部件。選擇的正確與否對(duì)提高模擬輸入通道性價(jià)比和滿足控制系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的要求，具有重要作用。實(shí)際中主要從下面幾個(gè)方面考慮。

位數(shù)與轉(zhuǎn)換信號(hào)的分辨率有關(guān)。轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，對(duì)模擬信號(hào)變化的反應(yīng)就越靈敏。分辨率通常用數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)來(lái)表示。比如8位、10位等。8位A/D，表示能對(duì)滿量程的1/28=1/256的增量做出反應(yīng)。6A/D轉(zhuǎn)換器1）A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)第三十一頁(yè)，共42頁(yè)。m位的A/D轉(zhuǎn)換器可用2-m表示它的相對(duì)分辨率。例如10位A/D轉(zhuǎn)換器相對(duì)分辨率為0.0977%，若它的滿量程是10V，那么絕對(duì)分辨率是9.778mv。選擇A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)首先要看分辨率的要求。

又是分辨率較高，但由于溫度漂移、線性不良等原因使芯片的轉(zhuǎn)換值與實(shí)際值相差超過(guò)分辨率。

精度：信號(hào)轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度。精度跟分辨率不是一個(gè)概念。第三十二頁(yè)，共42頁(yè)。

數(shù)據(jù)采集電路的總誤差由多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。選擇元件精度的一般原則：每個(gè)元器件的精度指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度的10倍左右。A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍LI：轉(zhuǎn)換模擬電壓范圍上限與下限之比的分貝數(shù)。LI=20lg(UImax/UImin)第三十三頁(yè)，共42頁(yè)。怎么確定所使用的A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)呢？1.根據(jù)系統(tǒng)精度指標(biāo)δ，由下式確定位數(shù)n：10/(2n+1)≤δ例如，要求系統(tǒng)誤差不大于0.1%，n應(yīng)為多少？2.根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍LI，由下式確定位數(shù)n：n≥LI/6。第三十四頁(yè)，共42頁(yè)。

轉(zhuǎn)換時(shí)間：從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)始到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出穩(wěn)定的數(shù)字量所需要的時(shí)間（記為tc）

。轉(zhuǎn)換速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。與轉(zhuǎn)換時(shí)間成反比。2）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度第三十五頁(yè)，共42頁(yè)。低速A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾毫秒到幾十毫秒不等，一般運(yùn)用于對(duì)溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測(cè)和控制。中速A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換時(shí)間可從幾μS到100μS左右，常用于工業(yè)多通道單片機(jī)控制系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。高速A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換時(shí)間20~100ns，適用于雷達(dá)、數(shù)字通訊、實(shí)時(shí)光譜分析、實(shí)時(shí)瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。第三十六頁(yè)，共42頁(yè)。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度能否說(shuō)明通道的轉(zhuǎn)換速度?否。還有一個(gè)從轉(zhuǎn)換結(jié)束到下一次再啟動(dòng)轉(zhuǎn)換所需要的準(zhǔn)備時(shí)間（記為t0）。通道的轉(zhuǎn)換速度=1/(tc+t0)。通道的轉(zhuǎn)換周期TA/D=tc+t0包括：使A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路復(fù)原時(shí)間，CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、存放結(jié)果和再次發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的指令所花的時(shí)間。通常為幾毫秒到幾十毫秒。第三十七頁(yè)，共42頁(yè)。8位逐次逼