第5章过程输入输出通道技术.docx

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第5章过程输入输出通道技术

第五章过程通道

在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的控制参数及运行状态按规定的方式送入计算机，计算机经过计算、处理后，将结果以数字量的形式输出，此时需将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机和生产过程之间，必须设置完成信息的传递和变换装置，这个装置称为过程输入输出通道，也叫I/O通道。

5.1过程输入输出通道概述

过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道组成。

过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用。

5.1.1模拟量输入通道的一般结构

过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电压（或电流）形式后送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。

5.1.2模拟量输出通道的基本结构

多D/A结构的模拟量输出通道中的D/A转换器除承担数字信号到模拟信号转换的任务外，还兼有信号保持作用，即把微机在t=kT时刻对执行机构的控制作用维持到下一个输出时刻t=（k+1）T。

这是一种数字保持方式，送给D/A转换器的数字信号不变，其模拟输出信号便保持不变。

共享D/A结构的模拟量输出通道中的D/A转换器只起数字信号到模拟信号的转换作用，信号保持功能靠采样保持器完成。

这是一种模拟保持方式，微机对通路i（i=1，2，...，n）的控制信号被D/A转换器转换为模拟形式后，由采样保持器将其记忆下来，并保持到下一次控制信号的到来。

多D/A形式输出速度快、工作可靠、精度高，是工业控制领域普遍采用的形式。

5.1.3开关量（数字量）输入通道的基本结构

开关量输入通道又称为数字量输入通道，该通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）送给计算机、或把双值逻辑的开关量变换为计算机能够接收的数字量送给计算机，简称DI通道。

典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：

1．信号变换器：

将生产过程的非电量开关量转换为电压或电流的双值逻辑值。

2．整形变换电路：

将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。

3．电平变换电路：

将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的逻辑电平。

4．总线缓冲器：

暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。

5．接口逻辑电路：

协调各通道的同步工作，向CPU传递状态信息并控制开关量的输入、输出。

5.1.4开关量（数字量）输出通道的基本结构

开关量（数字量）输出通道的任务是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关型的执行机构（如继电器或指示灯等），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO通道。

其典型结构中锁存输出的主要作用是锁存CPU输出的数据或控制信号，供外部设备使用；隔离部件的作用是为防止干扰；功放的作用则是为把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。

下面分别展开说明四种过程通道的组成及应用。

5.2模拟量输入通道

5.2.1模拟量输入通道中的信号变换

模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。

1．信号的采样

信号的采样过程如图2.24所示。

执行采样动作的是采样器（采样开关）K，K每隔一个时间间隔T闭合一个时间τ。

T称为采样周期，τ称为采样宽度。

时间和幅值上均连续的模拟信号y（t）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号y*（t）。

模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。

2．信号的量化

采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号y（t）幅值上的变化，也反映在采样信号y*（t）上。

所以，采样信号仍不能进入微机。

微机只能接受在时间上离散、幅值上变化也不连续的数字信号。

将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。

字长为n的A/D转换器把ymin～ymax范围内变化的采样信号，变换为数字0～2n－1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。

5.2.2模拟量输入通道的一般结构形式

1．单路模拟量输入通道结构

结构如如图5-1所示（见教材P105）。

图5-1单路模拟量输入通道结构

2．多路模拟量输入通道结构

结构如如图5-2所示（见教材P105）。

图5-2多路路模拟量输入通道结构

3.各个环节的作用

●传感器，把工业现场非电量信号转换为电量信号。

●变送器，将传感器的信号进行转换、放大等。

●信号调理电路，对传感器或变送器传过来的信号进行适当的处理，包括信号放大、滤波、限幅、线性化、温度补偿、隔离等方面。

●多路开关，主要作用是多选一，即按要求切换多路模拟信号，确保要求的某一路模拟量信号引入A／D转换器。

常用的芯片有：

CD4051（双向8路）、CD4052（单向差动4路）、AD7501（单向8路）、AD7506（单向16路）等。

●可编程需放大器，主要作用是对信号进行放大，而且每一路信号具有独立的放大倍数，放大倍数由计算机程序设定。

其意义在于如果现场传送过来的信号参差不齐，有的是0～1V，有的是0～5V，没有必要为每一路信号均设置单独的放大电路，只要再多路开关之后采用可编程序放大器即可。

●采样保持器，其功能是在采样时，输出跟随输入信号的变化而变化，在保持状态时，可以保持输出信号不变。

常用的芯片有：

LF398。

●A/D转换器，将模拟量信号转换为数字量信号。

●光电隔离，是一种电气隔离，防止外部高压电源、干扰等烧毁CPU，如外部接线错误等。

采用观点隔离后，A/D转换芯片的参考电源就不能使用系统内部的电源，此时可以采用外部电源作为参考电源，为了简化接线并提高参考电源的精度（参考电源的精度决定了A／D转换的精度），通常采用DC－DC电源对系统内部电源进行转换和隔离。

●A/D芯片与CPU之间的接口，包括地址线、数据线、控制线等。

5.2.3模拟量输入通道中常用的器件及电路

1．多路开关

多路开关在模拟量输入通道中的作用是实现n选一操作，即利用多路开关将n路输入依次地（或随机地）切换到后级。

切换过程是在CPU控制下完成的（也可以用其它控制逻辑实现）。

微机控制系统中多采用集成电路多路开关，图5-3是常用的集成多路开关CD4051的结构原理。

真值表和引脚图见教材P106页。

其它常用集成多路开关有AD7501（8通道）、AD7506（16通道）等。

选择多路开关的主要因素有：

通道数、通道切换时间、导通电阻、通道间的串扰误差等。

这些参数可以从集成电路手册上查到。

图5-3CD4051的结构原理

注意：

●CD4051的使能端INH是低电平有效，AD7506的使能端EN是高电平有效

●CD4051是双向8路，AD7506是单向16路选一多路开关

●可利用4片CD4051或者两片AD7506扩展32路多路开关，具体扩展方法见教材P107页

2．采样保持器

A/D转换过程（即采样信号量化过程）需要时间，这个时间称为A/D转换时间。

在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。

所以，一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，还需加保持器作信号保持。

保持器把t=kT时刻的采样值保持到A/D转换结束。

T为采样周期，k=0，1，2，

采样保持器的基本组成电路如图5-4（a）所示，由输入输出缓冲器A1、A2和采样开关K、保持电容CH等组成。

采样时，K闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，K断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT=VC保持不变。

采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。

采样保持器的工作波形见图5-4（b）。

图5-4采样保持器

（a）原理电路（b）工作波形

常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582等，其原理结构如图5-5（a）、（b）所示。

采用TTL逻辑电平控制采样和保持。

LF198的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。

OFFSET用于零位调整。

保持电容CH通常是外接的，其取值与采样频率和精度有关，常选510～1000pF。

减小CH可提高采样频率，但会降低精度。

一般选用聚苯乙稀、聚四氟乙稀等高质量电容器作CH。

选择采样保持器的主要因素有，获取时间、电压下降率等。

LF198的CH取为0.01μF时，信号达到0.01％精度所需的获取时间（采样时间）为25μs，保持期间的输出电压下降率为每秒3μV。

若A/D转换器的转换时间为100μs，转换期间保持器输出电压下降约300μV。

当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。

图5-5集成采样保持器的原理结构

（a）AD582（b）LF198/298/398

LF398的典型接线方法如教材P109图5-10所示。

5.3A/D转换器

5.3.1主要技术指标

A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。

A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。

⑴分辨率

分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。

分辨率通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。

分辨率为n位，表示它能对满量程输入的1/2n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1/2n。

若n=8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压5.12V/28＝20mV。

⑵转换时间

转换时间是指A/D转换器完成一次模拟到数字转换所需要的时间。

⑶线性误差

线性误差是指A/D转换器的理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。

在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。

线性误差通常用LSB的分数表示，如1/2LSB或±1LSB。

（4）量程：

A/D转换器能转换的模拟电压的范围。

（5）精度：

分为绝对精度和相对精度。

常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位，绝对精度：

常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位

相对精度：

绝对精度与满量程的百分比

注意：

精度和分辨率是两个不同的概念。

精度为转换后所得结果相对实际值的准确度。

而分辨率指的是对转换结果发生影响的最小输入量。

（6）输出逻辑电平：

输出数据的电平形式和数据输出方式（如三态逻辑和数据是否锁存）。

（7）工作温度范围：

A/D转换器在规定精度内允许的工作温度范围。

（8）对基准电源的要求：

基准电源精度对A/D转换器精度有重大影响。

5.3.2A/D转换原理

⑴逐次逼近式A/D转换器

逐次逼近式A/D转换器工作原理的基本特点是：

二分搜索，反馈比较，逐次逼近。

它的基本思想与生活中的天平称重思想极为相似。

利用一套标准的“电压砝码”，这些“电压砝码”的大小，相互间成二进制关系。

把这些已知的“电压砝码”由大到小连续与未知的被转换电压相比较，并将比较结果以数字形式送到逻辑控制电路予以鉴别，以便决定“电压砝码”的去留，直至全部“电压砝码”都试探过为止。

最后，所有留下的“电压砝码”加在一起，便是被转换电压的结果。

这种转换器的工作原理如图2.10所示。

它由电压比较器、数/模转换器、逐次逼近寄存器、控制逻辑和输出缓冲锁存器等部分组成。

图5-6逐次逼近式A/D的原理图

当计算机发出“启动转换”命令时，SAR寄存器和输出缓冲器清零，故D/A输出也为零。

此时控制电路先设定SAR中的最高位为“1”，其余位为“0”，此预测数据送往D/A转换器，转换成电压V0，然后V0和输入模拟电压Vx在比较器中比较，若Vx＞V0，说明预置结果正确，应予保留，若Vx≤V0，则预置结果错误，应予清除。

然后按上述方法继续对次高位及后续各位依次进行预置、比较和判断，决定该位是“1”还是“0”，直至确定SAR最低位为止。

这个过程完成后，便发出转换结束信号。

此时SAR寄存器从最高位到最低位都试探过一遍的最终值便是A/D转换的结果。

⑵双斜积分式A/D转换器

双斜积分A/D转换器的转换基础是测量两个时间：

第一个时间是模拟电压向电容充电的固定时间，第二个时间是已知参考电压放电所需要的时间，模拟输入电压与参考电压的比值就是这两个时间值之比。

图2.11（a）是这种A/D转换器的原理图，它的转换过程如图2.11（b）所示。

其整个转换过程在逻辑控制电路的控制下按以下三个阶段进行。

●休止阶段

逻辑控制电路发出复位指令，将计数器清零，使K4闭合，积分器输入输出都为零。

●工作阶段（采样阶段）

在t1时刻，逻辑控制电路发出启动指令，使K4断开，K1闭合，于是积分器开始对输入电压Ux积分，同时计数器开始计数。

在固定时间内停止对输入电压积分，此时计数器计满N个脉冲。

且该阶段结束。

●比较阶段

逻辑控制电路在t2时刻K1断开的同时，也使与输入电压Ui极性相反的基准电压接入积分器。

此时K2（或K3）闭合，电容C开始放电，计数器从零开始计数，当积分器输出电压达到零电平时刻（即t3时刻），比较器翻转，逻辑控制电路发出计数器停止计数信息及“转换结束”信号，此时计数器的值反映了输入电压Vx在固定积分时间内的平均值。

图5-7双斜积分式A/D转换器的原理图与工作波形图

⑶并行比较式A/D转换器

该A/D转换器采用（23－1）=7个比较器，每个比较器的基准电压分别为

，

，

，而输入电压Ui则是并行加入到7个比较器的输入端。

这样工作时，输入电压Ui将与7个基准电压同时进行比较。

译码和锁存电路的作用是对7个比较器的输出状态进行译码和锁存，输出三位二进制数码，从而完成A/D转换。

5.3.38位A/D转换芯片ADC0809

1．ADC08089的结构和功能

8位、逐次逼近式、可转换8路、输出引脚电平与TTL电路兼容，基准电压可以有多种接法，一般不需要调零和增益校准，典型时钟频率为640KHZ。

ADC0809有28条引脚，具体见框图图5-8。

图5-8ADC0809原理及结构框图

2、A/D转换器接口电路设计

在A／D转换器接口硬件设计中，一般需要考虑如下几个问题。

①输入模拟电压的连接

A／D的输入模拟电压可分为：

单端输入和双端差动输入（差动输入）。

单端输入：

正向信号，把VIN（-）接地，信号加到VIN（+）端；

负向信号，则把VIN（+）接地，信号加到VIN（-）端。

差动输入：

模拟信号加在VIN（-）端和VIN（+）端之间。

②数据输出的方式

A／D转换器数据输出有两种方式：

具有可控的三态输出门，数据输出线允许与系统数据总线直接相连。

不带三态输出门，数据输出线不允许和系统数据总线直接连接，必须通过I／O通道和CPU之间交换数据。

③片选、启动、读写信号的设置

启动转换信号由CPU发出，有电平启动和脉冲启动两种方式。

片选、读写信号一般由3-8译码器的通道号以及微处理器的/RD、/WR经过适当的逻辑电路来连接。

④转换结束信号及转换数据的读取

CPU可采用3种方式读取转换数据。

程序查询方式；

中断方式；

固定的延迟程序方式。

用这种方式时，要预先精确地知道完成一次A／D转换需要的时间。

CPU发出启动A／D命令之后，执行一个固定的延迟程序，延迟时间正好等于或略大于完成一次A／D转换所需的时间，延时到，即可读取数据。

对于ADC0809,当工作频率为500khz时，典型转换时间为125us。

①延时方式

MOVDPTR,#78FFH

MOVR0,#8

MOVR1,#30H

NEXT:

MOVR2,#25

MOVX@DPTR,A

DJNZR2,$

MOVXA,@DPTR

MOV@R1,A

INCR1

INCDPH

DJNZR0,NEXT

RET

②查询方式

MOVDPTR,#78FFH

MOVR0,#8

NEXT:

MOVR1,#30H

MOVX@DPTR,A

JNBP1.0,$

MOVXA,@DPTR

MOV@R1,A

INCR1

INCDPH

DJNZR0,NEXT

RET

③中断方式

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0003H

LJMPINT0

ORG100H

MAIN:

MOVDPTR,#78FFH

MOVR1,#30H

MOVX@DPTR,A

SJMP$

ORG1000H

INT0:

MOVXA,@DPTR

MOV@R1,A

RETI

利用中断方式进行数据采集，可以大大提高CPU的利用率。

当然，若A／D转换的时间很短，与系统中断响应时间相当，采用中断方式的意义就不大了，至可能更浪费机时。

3．ADC0808/9与51单片机的接口电路以及程序设计

以8051为例，接口电路如图5-9所示。

图5-9ADC0809与8051的接口电路。

采用中断方式读取A/D转化结果的程序如下:

ORE2000H

SETBIT0;置

为边沿触发

SETBEA;开放总中断

SETBEX0;开放外部中断0

MOVDRTR，#4100H;设置ADC的A/D口地址

MOVR0，#50H;设置存数缓冲区指针

MOVR1，#00H;设置通道初始值

MOVA，R1

MOVX@DRTR，A;启动A/D转换

·····

问题：

通道选择A、B、C为什么可以直接与P0口相连？

中断服务子程序

ORG0003H

AJMPRDDAT

RDDAT:

MOVXA，@DRTR;读转换结果

MOVX@R0，A;存数到缓冲区

INCR0;修改缓冲区指针

INCR1;修改通道号（通道号加1）

REP:

MOVA，R1

CJNEA，#08H，REP1;完成8通道采样吗？

MOVR1，#00H;返回主程序

RETI

REP1:

MOVX@DPTR，A;启动下一路转换（为什么？

）

RETI;返回主程序

问题：

设计程序查询方式的硬件电路及程序流程。

5.4模拟信号的调理

信号调理的主要任务包括：

非电量的转换，信号的转换、滤波、放大以及线性化处理，共模干扰的抑制以及隔离。

常用的几种信号调理电路分别介绍如下。

5.4.1电桥电路

主要用于热电阻测温时减小误差用。

电路图见教材P110图5－12所示。

5.4.2信号放大电路

作用：

把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的A／D转换器输入电平。

采用的放大器主要有四种类型：

一、仪表放大器

特点：

高输入阻抗，低失调电压、低温度漂移系数和稳定的放大倍数、低输出阻抗，共模抑制能力强。

常用芯片：

AD521/AD522。

二、小信号双线变送器

特点：

能在恶劣环境下远距离可靠传送微弱电信号。

将现场的微弱信号转化为4~20mA的标准电流输出，然后通过一对双绞线传送信号，这对双绞线能实现信号和电源一起传送。

XTR101:

把电阻参量变换为4~20mA电流、低漂移，可以放大电信号，环路电压为11.6V到40V。

三、隔离放大器

特点：

具有一般通用运放的特性，其信息传递是通过磁路和光路来实现。

作用：

仪表放大器必须对输入偏流提供一条返回通路，而且大的共模电压会损坏输入电路，因此在输入电路和输出电路要求彼此隔离时应采用隔离放大器。

应用场合：

1、测量处于高共模电压下的低电平信号；

2、消除由于信号源地网络的干扰所引起的误差；

3、避免形成地回路及其寄生拾取问题（不需要对偏流提供返回通路）；

4、保护应用系统电路不致输入端输出端大的共模电压造成损坏；

5、为仪器仪表提供安全接口。

仪表放大器原理图见教材P110图5-14。

5.4.3滤波和限幅电路

大信号、小信号以及热电阻信号的调理电路分别见P111，图5－15组图的图a）b）c）；双端输入大小信号均适用的调理电路见P111，图5－15组图的图d）。

5.4.4共模电压和隔离技术

共模电压是相对于一对或多根信号线而言的，这些传输线对于参考点电压相等部分称为共模电压，相差部分称为差模电压。

共模电压会引起共模干扰，影响模拟信号的测量精度。

单个设备的共模干扰的抑制方法是良好的接地系统。

对不能节的的多个设备而言隔离是最好的措施。

其中有两种隔离方法：

1．采用飞电容技术，见教材P111图5-16。

2．采用隔离放大器。

见教材P112图5-17,图5-18。

5.5模拟量输入通道设计时应考虑的问题

5.5.1信号拾取方式

1．敏感元件：

输出电压、电流或RLC参数

2．传感器：

输出电压、电流或频率信号

3．测量仪表：

大信号输出或者直接输出数字量

5.5.2信号调理方法

小信号放大、变换及滤波

5.5.3A/D转换器的选择

1．转化速度

2．转换精度

3．通道数量

4．价额及器件来源

5.5.4通道速度

有的也称之为通过率。

转换时间＝A／D＋采保＋多路开关＋可编程放大等。

速度的要求对信号调理（如信号滤波）提出了要求。

5.5.5通道精度

通道精度，是一个综合精度，不单指A／D转换器。

5.5.6信号输入方式

单端输入（抗干扰性差），双端输入（可以滤除共模干扰）。

5.5.7电源配置及造价

5.6模拟量输出通道

5.6.1模拟量输出通道的一般结构形式

1．单路模拟量输出通道的结构

结构图详见教材P120图5-28所示。

其中的寄存器部分现在的D/A芯片都带有输入寄存器，不用专门安排。

D/A转换后的放大变换电路用于输出驱动执行机构的0~10mA或4~20mA电流信号。

2．多路模拟量输出通道的结构

对应电路结构分为各通道自备D/A形式和各通道共用D/A形式两种，前者速度快，工作可靠，后者节省成本，但速度受限。

各通道共用D/A形式结构图详见教材P121图5-29所示。

5.6.2电压/电流转换电路

目的：

电流信号有利于长距离传输，抗干扰能力强；适应于工业仪表都是以0~10mA或4~20mA电流信号配接的要求。

常用的V/I转换电路有两种：

负载共地和负载供电源，分别见教材P122图5-30a和b。

5.6.3D/A转换器及应用

1．D／A转换器的性能指标

D／A转换器的性能指标有以下几个：

（1）．分辨率

反应了计算机数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。

定义：

当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。

对于一个N位的D／A转换器其分辨率为：

例如：

对于满刻度值5.12V，单极性输出

8位D／A转换器的分辨率为5.12V/28＝20mV；

l0位D／A转换器的分辨率为5.12V/210=5.12V/1024＝5mV；

12位D／A转换器的分辨率为5.12V/212=5.12V/4096＝1.25mV。

（2）.稳定时间

D／A转换器转换速率的量度，

定义：

数据变化量是满刻度时，达到终值±1/2LSB时所需要的时间。

（3）．输入编码

一般为二进制编码、BCD码、符号-数值码等。

（4）．线性误差

理想的转换器输入-输出特性应是线性的。

定义：

在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差,见下图所示。

这个误差用最低有效位LSB的分数来表示。

一般为0.01％～0.8％。

（5）．工作温度范围

工作温度会对运算放大器加权电阻网络产生影响，只有在一定范围内才能保证额定精度指标