16第四章模拟量输入输出通道.docx
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16第四章模拟量输入输出通道
第四章模拟量输入输出通道
一、授课时间：
年月日第16次
二、教学目的：
1、掌握输入信号的处理
2、掌握多路开关的种类、连接方式
三、教学的重点及难点：
重点：
输入信号的处理。
难点：
多路开关的种类、连接方式。
四、教学内容及过程：
复习上节课内容
1、步进电机工作原理
2、步进电机控制系统原理
讲解作业，导入新课
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0～10mA（DDZ-Ⅱ型仪表）或4～20mA（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。
4.1.1输入信号的处理
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。
图4-2I/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
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。
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。
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。
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。
表4-1CD4051真值表
inH
C
B
A
选通
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
×
0
0
1
1
0
0
1
1
×
0
1
0
1
0
1
0
1
×
X0
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
无
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。
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。
（a）单端多路输入；（b）差动多路输入；（c）伪差动输入
在实际应用中，输入信号可能很多，电平高低可能相差很大，这时应将电平分类，对电平相近的通道归类选择切换。
为了减少选择切换开关本身的漏电流，可采用干簧开关作一次选择切换，电子开关作二次选择切换的混合系统。
3．多路开关的选择
选择多路开关时，主要考虑的因素有：
通路数目，单端还是差动输入，电平高低，对各通路的寻址方式，开关切换时需要多少时间才能稳定到要求的精度，最大切换速率是多少，各通路间允许的最大串扰误差等等。
通常是根据数据采集的要求，抓住主要因素，进行具体选择。
五、课堂小结：
1、输入信号的处理
2、多路开关的种类、连接方式
六、布置作业：
P105第一题，第三题
一、授课时间：
年月日第17次
二、教学目的：
1、掌握放大器
2、掌握采样保持器（S／H）
3.掌握模／数（A／D）转换器及其应用
三、教学的重点及难点：
重点：
采样保持器（S／H）。
难点：
模／数（A／D）转换器及其应用。
四、教学内容及过程：
复习上节课内容
1、输入信号的处理
2、多路开关的种类、连接方式
讲解作业，导入新课
4.1.3放大器
放大器的功能是将小信号放大或大信号衰减到适合于A／D输入电压要求的范围。
在实际应用中，一次仪表的安装环境和输出特性是各种各样和十分复杂的，选用哪种类型的放大器取决于应用场合。
对于微弱信号的放大来说，常有以下选择：
（1）低漂移运算放大器：
它的特点是温度漂移极小（如小于1μV／℃），适用于一般的弱信号放大。
这类放大器有美国AD公司的ADOP-7和AD517等。
（2）仪表放大器：
它也称测量放大器或数据放大器。
其主要特点是具有很高的共模抑制能力，此外还具有高输入阻抗，较低的失调电压，较少的温度漂移系数，低的输出阻抗，有的还具有增益可调功能。
这种放大器是由一组放大器构成的。
由于上述优点，这种放大器得到了广泛的应用。
例如用于热电偶、应变电桥、流量计量、生物测量以及那些提供微弱信号而有较大共模干扰的场合。
这种放大器有AD公司的AD521、AD522、AD612和增益可调的AM-542、543等。
（3）隔离放大器:
隔离是指切断控制装置与工作现场的电的联系。
对数字量广泛采用光电隔离器，而对于弱模拟信号则多采用磁耦合的办法。
图4-10隔离放大器符号表示
下面介绍两种可编程序放大器的实现方案。
1．采用增益可调的仪表放大器方案
仪表放大器除共模抑制能力强，输入阻抗高，漂移低外，有的还具有增益可调功能。
如AM-542、543，
图4-11增益可调的仪表放大器方案
通常，由于各路模拟信号和A／D的电压范围已知，故可算出对应信号源要求的放大系数。
可预先将各路放大倍数的等效数字量存入RAM中，当CPU要求输入第n路信号时，则由CPU控制将第n路对应的放大倍数从RAM中取出，经数据总线送入AM-542相应端接点，这样信号便按预先设定的放大倍数进行放大。
2．放大器并联反馈电阻方案
如图4-12所示，A1、A2组成同相关联差动放大器，A3为起减法作用的差动放大器。
4.1.4采样保持器（S／H）
1．采样保持器
为了对变化较快，即工作频率较高的模拟信号进行采样，可以在A／D前加入采样保持器（Sample／Hold）。
采样保持器又称采样保持放大器（SHA），其原理如图4-13所示。
它由模拟开关，储能元件（电容C）和缓冲放大器组成。
当施加控制信号后，S闭合为采样阶段，模拟信号迅速向电容充电到输入电压值（这个时间越短越好），控制信号去除，S断开为保持阶段，为让A／D对保持电容C上的电压进行整量化，希望电容维持稳定电压的时间长一些为好。
由于充电时间远小于A／D转换
时间，保持器的电压下降率又较低，因此大大减小了误差。
图4-13采样保持器的基本组成
采样保持器的主要性能参数如下所述：
（1）获得时间：
它是指给出采样指令后，跟踪输入信号到满量程并稳定在终值误差带（0．2%～0.005％）内变化和滞留的最小时间。
（2）孔径时间：
这是指保持指令给出后到采样开关真正断开所需的时间。
（3）输出电压衰减率：
是指保持阶段由各种泄漏电压引起的放电速度。
（4）直通馈入：
输入信号通过采样保持开关的极间电容窜到保持电容上的现象。
2.常用的集成采样保持电路及选用原则
常见的集成采样保持器芯片有三类：
（1）通用芯片：
如AD538K、AD538K／S、AD582K、AD583K、LF198／LF298／LF398等。
（2）高速芯片：
如THS-0025、THS-0060、THC-0300和THC-1500等。
（3）高分辨芯片：
如SHA1144和ADC1130等。
选择采样保持器时，主要考虑以下因素：
输入信号范围，输入信号变化率和多路开关的切换速率，采样时间应为多少才不会超过误差要求等等。
当输入信号变化很缓慢，A／D转换相对较快时，可以不用采样保持器。
4.1.5模／数（A／D）转换器及其应用
1．A／D转换器的分类
按位数，A／D转换器可分为8位、10位、12位、16位和30位等。
按转换方式，A／D转换器可分为：
（1）计算比较式：
构造简单，价格便宜，但速度慢，较少采用。
（2）双积分式：
又称为V-T型电压数字转换器。
精度高，抗干扰能力强，但速度慢。
常用在信号变化慢，精度要求高，干扰严重的场合，如高精度数字电压表中。
（3）逐次逼近式：
转换速度较快，精度也较高，用得最广泛。
（4）并行高速A／D：
转换时间很短，其中有三次积分式A／D，全并行比较A／D，串并行比较A／D等。
按输出编码形式，A／D转换器还可分为二进制编码型和BCD编码型。
如5G14433为 位，双积分式，输出编码为BCD码。
2．A／D转换器的主要技术指标
（1）分辨力：
指A／D最低位所具有的数值，如8位A／D，则分辨力为 。
也有以位数直接来表示分辨力的，即8位、10位和12位等A／D转换器的分辨力分别为8位、10位和12位等。
（2）量程：
指所能转换的电压范围，如5V和10V等。
（3）转换时间：
是指从启动A／D转换到获得数字输出为止的时间。
（4）精度：
指产生输出量N的理论输入电压与实际输入电压之差，精度有绝对精度和相对精度之分。
3．典型应用例子
A／D转换器是专门用来将模拟量转化为数字量的器件，使用时只要连接供电电源，将模拟信号加到输入端，在控制端加一个启动信号，A／D转换器就会自动工作，转换完成后芯片会在一个输出引脚给出转换结束信号，通知CPU此时可以读取数据。
CPU可通过一条MOVXA，@DPTR指令读入模／数转换结果，这就是A／D的应用过程。
在应用A／D转换器时应把注意力放在A／D转换器与CPU的连线问题上，具体应注意几点：
（1）输入模拟电压是单端的还是差动的。
（2）数据输出线与系统总线的连线问题:
如A／D转换器具有可控三态输出门（如ADC0809）则可直接将A／D输出数据线与系统数据总线相连，如果A／D转换器有三态输出门，但不受外部控制（如AD570）或无三态门，则必须通过I／O通道或附加的三态门电路实现与CPU相连。
8位以上A／D转换器与CPU相连时还应考虑A／D位数与CPU总线位数匹配问题。
（3）启动信号供给问题：
有些A／D转换器（如AD570、AD571和AD572等）要求有电平启动信号，对这些芯片在转换全过程中均要保证启动信号有效，另外一些芯片（如ADC0809和ADC1210等）要求有脉冲启动信号，
（4）数据读取方式：
一般有程序查询方式、CPU等待方式、固定延时方式和中断方式等4种数据读取方式。
例4-1用不带可控三态门的A／D转换器实现A／D转换，CPU可分别采用程序查询方式和等待方式读取数据。
解
例4-2 用带可控三态门输出的0809来实现A／D转换，分别采用查询法、定时法和中断法读取转换结果。
解 0809内带多路开关和可控三态门输出，特别易于与CPU连接。
以上我们用3个典型例子说明了不同A／D转换芯片不同CPU的连接与应用方法。
一般来说接口芯片的应用都是采用“弄清管脚功能，适当连线和编制相应软件”的方法进行的。
五、课堂小结：
1、放大器
2、采样保持器（S／H）
3、模／数（A／D）转换器及其应用
六、布置作业：
P105第13题，第14题
一、授课时间：
年月日第18次
二、教学目的：
1、掌握DAC的工作原理
2、掌握多路模拟量输出通道的结构形式
三、教学的重点及难点：
重点：
DAC的工作原理。
难点：
多路模拟量输出通道的结构形式。
四、教学内容及过程：
复习上节课内容
1、放大器
2、采样保持器（S／H）
3、模／数（A／D）转换器及其应用
讲解作业，导入新课
4.2模拟量输出通道
模拟量输出通道是在计算机控制系统中实现控制输出的主要手段，其任务是把计算机（单片机）输出的数字形式的控制信号变成模拟的电压、电流信号，驱动相应的执行部件，从而完成计算机的控制目标。
显然，模拟输出通道的关键部分是D／A转换器（DAC），也就是本节我们讨论的主要内容。
DAC（DigitalAnalogConverter）的基本任务是根据输入的数字信号，输出相应的、不同大小的模拟信号。
例如有一个4位ADC（即输入的数字信号共有4位），输出在0～7.5V之间，当输入是0000时，输出为0V；当输入是0001时，输出为0.5V；当输入是0010时，输出为1V；当输入是0011时，输出为1.5V……；当输入是1111时，输出为7.5V。
4.2.1DAC的工作原理
1．权电阻求和网络DAC
权电阻求和网络DAC的结构最为简单，也是易于理解的一种电路。
图4-21是一个4位权电阻求和网络DAC的示意图，它包括电阻网络、电子开关、基准电源和运算放大器。
S3、S2、S1、S0是4个电子开关，它们分别受到数据D3、D2、D1、D0的控制，例如数据是1011，则S2断开，其他开关闭合。
由于各个开关所接的电阻阻值不同，因此对输出电压的贡献也是不一样的，可以写出：
如果选取Rf=R，则
图4-21权电阻求和网络DAC
2．梯形网络DAC
由于权电阻求和网络DAC的固有缺陷，因此很少实际应用，实际应用的基本上是梯形网络DAC和倒梯形网络DAC，它们都只使用阻值为R和2R的两种电阻，这样就不需要对电阻提出高精度的要求了。
如图4-22所示，它是梯形网络的DAC，这种DAC也包括电阻网络、电子开关、基准电源和运算放大器，但是它的
电阻网络与权电阻网络是不同的。
图4-22梯形电阻网络DAC
3．倒梯形网络DAC
如图4-23所示，它是一个倒梯形的DAC示意图，它的原理与梯形DAC有类似的地方，也是利用等效电路与分流作用实现D／A变换的。
具体地说：
每个节点向下、向左、向右的等效电阻都是2R，如果S3接到运放的输入端，其他开关都接地，则流过Rf的电流是Es／（2R）；如果S2接到运放的输入端，其他开关都接地，由于该路电流经过一次分流，因此流过Rf的电流是Es／（4R）。
4.2.2多路模拟量输出通道的结构形式
1．数字保持器
如图4-24所示，每一通道都有一个D／A转换器，数字量保持在寄存器中（有的D／A内部具有双缓冲寄存器机构）。
这种结构转换速度快，工作可靠，即使一路D／A有故障也不会影响其他通路的工作；缺点是使用D／A较多。
但随着大规模集成电路技术的发展，这个缺点正逐步得到克服。
图4-24的结构在高速低噪声传输时，从微型机到各路REG的输入线要用双绞线对，且数量随位数增加而增加。
因此，为减少连线数量可采用图4-25所示的数字量串行输出的通道结构，图中SFR是移位寄存器。
图4-24并行输出的数字保持器
图4-25串行输出的数字保持器
2．模拟保持器
如图4-26所示，这种结构共用一个D／A，计算机必须分时地将各路数字量输出到D／A中，并且控制多路开关将模拟量送到某一路采样保持器上保持。
为了使保持器电压不致下降太多，最好要不断刷新。
这种结构由于分时工作，因此仅适用于通道数量多但速度不高的场合，另外其可靠性也较
差。
图4-26模拟保持器输出通道
五、课堂小结：
1、DAC的工作原理
2、多路模拟量输出通道的结构形式
六、布置作业：
P105第16题，
一、授课时间：
年月日第19次
二、教学目的：
1、掌握D／A输出方式
2、掌握失电保护和手动／自动无扰动切换
3、掌握DAC的主要技术指标
三、教学的重点及难点：
重点：
失电保护和手动／自动无扰动切换。
难点：
DAC的主要技术指标。
四、教学内容及过程：
复习上节课内容
1、DAC的工作原理
2、多路模拟量输出通道的结构形式
讲解作业，导入新课
4.2.3D／A输出方式
1．输出电流转换为电压
大多数D／A输出信号为电流，所以要外接带反馈电阻的运算放大器才能获得单极性电压信号（尽管有的D／A转换器，如0832内已带有一个反馈电阻Rf，一般仍需外接反馈电阻以便调节输出电压的大小）。
如图4-27所示，其输出电压为
Uout=IoutRf
图4-27D／A单极性电压输出
2．双极性模拟电压输出
有时执行机构要求输入双极性模拟信号，此时可用图4-28的电路来获得双极性模拟电压输出。
图4-28D／A的双极性输出
图中，out1端的模拟电压为0～UREF，通过电阻R对求和点Σ提供0～UREF/R的电流。
UREF通过2R向Σ点提供UREF／（2R）的电流。
Uout输出电压为-UREF～+UREF。
当D／A的输入数字为00H、80H、FFH时，D/A转换关系如表4-2所示。
表4-2双极性输出D／A数值关系
4.2.4失电保护和手动／自动无扰动切换
1．失电保护
所谓失电保护，是指当计算机系统失电时，模拟量输出部分的后备电源自动切入，达到保持输出值而使控制量保持不变的目的。
2．手动／自动无扰动切换
所谓手动／自动无扰动切换，是指系统在手动方式和自动方式的相互切换过程中对系统的工况不产生扰动。
为了实现自动到手动的切换，应配备手操电源及开关。
转换前要用手动或自动方法，使手操电源的输出电压（或电流）和当时的控制电压（或电流）相等，然后将开关切换到手动方式。
为了实现手动到自动的切换，应将手动输出电压作为一个采样点定时采样，采样值存放在一个固定单元中。
进入自动后，将该值作为控制量的初始值，就可达到无扰动切换的目的。
4.2.5DAC的主要技术指标
1．分辨率
分辨率是指D／A转换器能分辨的最小输出模拟增量，它是对输入变化敏感程度的描述，取决于输入数字量的二进制位数。
如果数字量的位数是n，则D／A转换器的分辨率为2-n。
因此，数字量位数越多，分辨率也就越高，即转换器对输入量变化的敏感度也就越高。
实际应用时，应根据分辨率的要求来选定转换器的位数。
2．转换精度
转换精度是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。
它和分辨率是两个不同的概念
3．偏移量误差
偏移量误差是指输入数字量时，输出模拟量对于零的偏移值。
此误差可通过DAC的外接UREF和电位计加以调整。
4．建立时间
建立时间是描述D／A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出达到终值误差±（1／2）LSB（最低有效位）时所需的时间，有时也称稳定时间或转换时间。
通常以建立时间来表明转换速度，其值一般为几十纳秒到几微秒。
5．输出方式
一般为电平输出，其值在5～10V之间，也有高压输出型的为24～30V；还有电流输出型，其值为20mA～3A之间。
6．输入编码
一般输入编码为二进制码、BCD码、双极性时的符号——数值码、补码、偏移二进制码等。
必要时可在D／A前用微处理器进行代码转换。
4.2.6典型应用例子
按照输入数字量的位数，D／A转换器通常可分为8位、10位和12位三种。
本节主要介绍8位的DAC0832、12位的DAC1208这两种D／A转换芯片的应用。
例4－4 DAC0832用作波形发生器。
试根据图4-29接线，写出产生三角波的程序。
图4-29DAC0832单缓冲方式接口
执行上述程序将产生0～5V的三角波。
程序中注意在下降段转为上升段时，应赋上升段初值＃0FEH。
三角波频率同样可以通过插入NOP指令或延时程序来改变。
五、课堂小结：
1、D／A输出方式
2、失电保护和手动／自动无扰动切换
3、DAC的主要技术指标
六、布置作业：
P105第7题，第17题
升级会员 