過程輸入輸出通道技術(shù)匯總

1、第五章 過程通道在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，要將對象的控制參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)按規(guī)定的方式送入計算機(jī)，計算機(jī)經(jīng)過計算、處理后，將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出，此時需將數(shù)字量變換為適合生產(chǎn)過程控制的量，因此在計算機(jī)和生產(chǎn)過程之間，必須設(shè)置完成信息的傳遞和變換裝置，這個裝置稱為過程輸入輸出通道，也叫I/O通道。 5.1過程輸入輸出通道概述過程輸入輸出通道由模擬量輸入輸出通道和開關(guān)量輸入輸出通道組成。過程輸入輸出通道在微型計算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過程之間起著信號傳遞與變換的紐帶作用。5.1.1 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)過程參數(shù)由傳感元件和變送器測量并轉(zhuǎn)換為電壓（或電流）形式后送至多路開關(guān)；在微機(jī)的控制

2、下，由多路開關(guān)將各個過程參數(shù)依次地切換到后級，進(jìn)行放大、采樣和A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)過程參數(shù)的巡回檢測。5.1.2 模擬量輸出通道的基本結(jié)構(gòu)多D/A結(jié)構(gòu)的模擬量輸出通道中的D/A轉(zhuǎn)換器除承擔(dān)數(shù)字信號到模擬信號轉(zhuǎn)換的任務(wù)外，還兼有信號保持作用，即把微機(jī)在 t=kT 時刻對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制作用維持到下一個輸出時刻t=(k+1)T。這是一種數(shù)字保持方式，送給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號不變，其模擬輸出信號便保持不變。共享D/A結(jié)構(gòu)的模擬量輸出通道中的D/A轉(zhuǎn)換器只起數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換作用，信號保持功能靠采樣保持器完成。這是一種模擬保持方式，微機(jī)對通路i（i=1，2，.，n）的控制信號被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬

3、形式后，由采樣保持器將其記憶下來，并保持到下一次控制信號的到來。多D/A形式輸出速度快、工作可靠、精度高，是工業(yè)控制領(lǐng)域普遍采用的形式。5.1.3 開關(guān)量（數(shù)字量）輸入通道的基本結(jié)構(gòu) 開關(guān)量輸入通道又稱為數(shù)字量輸入通道，該通道的任務(wù)是把被控對象的開關(guān)狀態(tài)信號（或數(shù)字信號）送給計算機(jī)、或把雙值邏輯的開關(guān)量變換為計算機(jī)能夠接收的數(shù)字量送給計算機(jī)，簡稱DI通道。典型的開關(guān)量輸入通道通常由以下幾部分組成：1信號變換器：將生產(chǎn)過程的非電量開關(guān)量轉(zhuǎn)換為電壓或電流的雙值邏輯值。2整形變換電路：將混有毛刺之類干擾的輸入雙值邏輯信號或其信號前后沿不符合要求的輸入信號整形為接近理想狀態(tài)的方波或矩形波，然后再根據(jù)系

4、統(tǒng)要求變換為相應(yīng)形狀的脈沖信號。3電平變換電路：將輸入的雙值邏輯電平轉(zhuǎn)換為與CPU兼容的邏輯電平。4總線緩沖器：暫存數(shù)字量信息并實現(xiàn)與CPU數(shù)據(jù)總線的連接。5接口邏輯電路：協(xié)調(diào)各通道的同步工作，向CPU傳遞狀態(tài)信息并控制開關(guān)量的輸入、輸出。5.1.4 開關(guān)量（數(shù)字量）輸出通道的基本結(jié)構(gòu)開關(guān)量（數(shù)字量）輸出通道的任務(wù)是把計算機(jī)輸出的數(shù)字信號（或開關(guān)信號）傳送給開關(guān)型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如繼電器或指示燈等），控制它們的通、斷或亮、滅，簡稱DO通道。其典型結(jié)構(gòu)中鎖存輸出的主要作用是鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)或控制信號，供外部設(shè)備使用；隔離部件的作用是為防止干擾；功放的作用則是為把計算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對

5、生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的驅(qū)動信號。下面分別展開說明四種過程通道的組成及應(yīng)用。5.2 模擬量輸入通道 5.2.1 模擬量輸入通道中的信號變換模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換包含信號的采樣和量化兩個過程。1信號的采樣信號的采樣過程如圖2.24所示。執(zhí)行采樣動作的是采樣器（采樣開關(guān)）K，K每隔一個時間間隔T閉合一個時間。T稱為采樣周期，稱為采樣寬度。時間和幅值上均連續(xù)的模擬信號y（t）通過采樣器后，被變換為時間上離散的采樣信號y*（t）。模擬信號到采樣信號的變換過程稱為采樣過程或離散過程。2信號的量化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）

6、上。所以，采樣信號仍不能進(jìn)入微機(jī)。微機(jī)只能接受在時間上離散、幅值上變化也不連續(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，執(zhí)行量化動作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。字長為n的A/D轉(zhuǎn)換器把yminymax 范圍內(nèi)變化的采樣信號，變換為數(shù)字02n1，其最低有效位（LSB）所對應(yīng)的模擬量q稱為量化單位。5.2.2模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)形式1單路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如如圖5-1所示（見教材P105）。圖5-1單路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)2多路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如如圖5-2所示（見教材P105）。圖5-2 多路路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)3.各個環(huán)節(jié)的作用l 傳感器，把工業(yè)現(xiàn)場非電量信號轉(zhuǎn)換為電量信號。

7、l 變送器，將傳感器的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大等。l 信號調(diào)理電路，對傳感器或變送器傳過來的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，包括信號放大、濾波、限幅、線性化、溫度補(bǔ)償、隔離等方面。l 多路開關(guān)，主要作用是多選一，即按要求切換多路模擬信號，確保要求的某一路模擬量信號引入AD轉(zhuǎn)換器。常用的芯片有：CD4051（雙向8路）、CD4052（單向差動4路）、AD7501（單向8路）、AD7506（單向16路）等。l 可編程需放大器，主要作用是對信號進(jìn)行放大，而且每一路信號具有獨(dú)立的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)由計算機(jī)程序設(shè)定。其意義在于如果現(xiàn)場傳送過來的信號參差不齊，有的是01V，有的是05V，沒有必要為每一路信號均設(shè)置單獨(dú)的放大

8、電路，只要再多路開關(guān)之后采用可編程序放大器即可。l 采樣保持器，其功能是在采樣時，輸出跟隨輸入信號的變化而變化，在保持狀態(tài)時，可以保持輸出信號不變。常用的芯片有：LF398。l A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號。l 光電隔離，是一種電氣隔離，防止外部高壓電源、干擾等燒毀CPU，如外部接線錯誤等。采用觀點(diǎn)隔離后，A/D轉(zhuǎn)換芯片的參考電源就不能使用系統(tǒng)內(nèi)部的電源，此時可以采用外部電源作為參考電源，為了簡化接線并提高參考電源的精度（參考電源的精度決定了AD轉(zhuǎn)換的精度），通常采用DCDC電源對系統(tǒng)內(nèi)部電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換和隔離。l A/D芯片與CPU之間的接口，包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制線等。5.2.

9、3模擬量輸入通道中常用的器件及電路1多路開關(guān)多路開關(guān)在模擬量輸入通道中的作用是實現(xiàn)n選一操作，即利用多路開關(guān)將n路輸入依次地（或隨機(jī)地）切換到后級。切換過程是在CPU控制下完成的（也可以用其它控制邏輯實現(xiàn)）。微機(jī)控制系統(tǒng)中多采用集成電路多路開關(guān)，圖5-3是常用的集成多路開關(guān)CD4051的結(jié)構(gòu)原理。真值表和引腳圖見教材P106頁。其它常用集成多路開關(guān)有AD7501（8通道）、AD7506（16通道）等。選擇多路開關(guān)的主要因素有：通道數(shù)、通道切換時間、導(dǎo)通電阻、通道間的串?dāng)_誤差等。這些參數(shù)可以從集成電路手冊上查到。圖5-3 CD4051的結(jié)構(gòu)原理注意：l CD4051的使能端INH是低電平有效，A

10、D7506的使能端EN是高電平有效l CD4051是雙向8路，AD7506是單向16路選一多路開關(guān)l 可利用4片CD4051或者兩片AD7506擴(kuò)展32路多路開關(guān)，具體擴(kuò)展方法見教材P107頁2采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換過程（即采樣信號量化過程）需要時間，這個時間稱為A/D轉(zhuǎn)換時間。在A/D轉(zhuǎn)換期間，如果輸入信號變化較大，就會引起轉(zhuǎn)換誤差。所以，一般情況下采樣信號都不直接送至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，還需加保持器作信號保持。保持器把 t=kT時刻的采樣值保持到A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束。T為采樣周期，k=0，1，2，采樣保持器的基本組成電路如圖5-4（a）所示，由輸入輸出緩沖器A1、A2和采樣開關(guān)K、保持電容CH等組

11、成。采樣時，K閉合，VIN通過A1對CH快速充電，VOUT跟隨VIN；保持期間，K 斷開，由于A2 的輸入阻抗很高，理想情況下VOUT = VC 保持不變。采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動A/D轉(zhuǎn)換器，保證A/D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。采樣保持器的工作波形見圖5-4（b）。圖5-4 采樣保持器(a) 原理電路 (b) 工作波形常用的集成采樣保持器有LF198/298/398、AD582等，其原理結(jié)構(gòu)如圖5-5（a）、（b）所示。采用TTL邏輯電平控制采樣和保持。LF198的采樣控制電平為“1”，保持電平為“0”，AD582相反。OFFSET用于零位調(diào)整。保持電容CH通常是外接的，其取值與采樣頻

12、率和精度有關(guān)，常選5101000pF。減小CH可提高采樣頻率，但會降低精度。一般選用聚苯乙稀、聚四氟乙稀等高質(zhì)量電容器作CH。選擇采樣保持器的主要因素有，獲取時間、電壓下降率等。LF198的CH取為0.01F時，信號達(dá)到0.01精度所需的獲取時間（采樣時間）為25s ，保持期間的輸出電壓下降率為每秒3V。若A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為100s， 轉(zhuǎn)換期間保持器輸出電壓下降約300V 。當(dāng)被測信號變化緩慢時，若A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間足夠短，可以不加采樣保持器。圖5-5 集成采樣保持器的原理結(jié)構(gòu)（a）AD582 （b）LF198/298/398LF398的典型接線方法如教材P109圖5-10所示。5.3

13、 A/D轉(zhuǎn)換器5.3.1 主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個模擬量泛指電壓、電阻、電流、時間等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而言的。A/D轉(zhuǎn)換器常用以下幾項技術(shù)指標(biāo)來評價其質(zhì)量水平。 分辨率分辨率是衡量A/D轉(zhuǎn)換器分辨輸入模擬量最小變化程度的技術(shù)指標(biāo)。分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)n（字長）來表示，如8位、12位、16位等。分辨率為n位，表示它能對滿量程輸入的1/2n的增量作出反映，即數(shù)字量的最低有效位（LSB）對應(yīng)于滿量程輸入的1/2n。若n=8，滿量程輸入為5.12V，則LSB對應(yīng)于模擬電壓5.12V/2820mV。 轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次模擬到數(shù)

14、字轉(zhuǎn)換所需要的時間。 線性誤差線性誤差是指A/D轉(zhuǎn)換器的理想轉(zhuǎn)換特性（量化特性）應(yīng)該是線性的，但實際轉(zhuǎn)換特性并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏移理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。線性誤差通常用LSB的分?jǐn)?shù)表示，如1/2 LSB或±1 LSB。（4）量程：A/D轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換的模擬電壓的范圍。（5）精度：分為絕對精度和相對精度。常用數(shù)字量的位數(shù)作為度量絕對精度的單位，絕對精度：常用數(shù)字量的位數(shù)作為度量絕對精度的單位相對精度：絕對精度與滿量程的百分比注意：精度和分辨率是兩個不同的概念。精度為轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對實際值的準(zhǔn)確度。而分辨率指的是對轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。（6）輸出邏輯電平

15、：輸出數(shù)據(jù)的電平形式和數(shù)據(jù)輸出方式（如三態(tài)邏輯和數(shù)據(jù)是否鎖存）。（7）工作溫度范圍：A/D轉(zhuǎn)換器在規(guī)定精度內(nèi)允許的工作溫度范圍。（8）對基準(zhǔn)電源的要求：基準(zhǔn)電源精度對A/D轉(zhuǎn)換器精度有重大影響。5.3.2 A/D轉(zhuǎn)換原理 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器工作原理的基本特點(diǎn)是：二分搜索，反饋比較，逐次逼近。它的基本思想與生活中的天平稱重思想極為相似。利用一套標(biāo)準(zhǔn)的“電壓砝碼”，這些“電壓砝碼”的大小，相互間成二進(jìn)制關(guān)系。把這些已知的“電壓砝碼”由大到小連續(xù)與未知的被轉(zhuǎn)換電壓相比較，并將比較結(jié)果以數(shù)字形式送到邏輯控制電路予以鑒別，以便決定“電壓砝碼”的去留，直至全部“電壓砝碼”都試探過

16、為止。最后，所有留下的“電壓砝碼”加在一起，便是被轉(zhuǎn)換電壓的結(jié)果。這種轉(zhuǎn)換器的工作原理如圖2.10所示。它由電壓比較器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、控制邏輯和輸出緩沖鎖存器等部分組成。圖5-6 逐次逼近式A/D的原理圖當(dāng)計算機(jī)發(fā)出“啟動轉(zhuǎn)換”命令時，SAR寄存器和輸出緩沖器清零，故D/A輸出也為零。此時控制電路先設(shè)定SAR中的最高位為“1”，其余位為“0”，此預(yù)測數(shù)據(jù)送往D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電壓V0，然后V0和輸入模擬電壓Vx在比較器中比較，若VxV0，說明預(yù)置結(jié)果正確，應(yīng)予保留，若VxV0，則預(yù)置結(jié)果錯誤，應(yīng)予清除。然后按上述方法繼續(xù)對次高位及后續(xù)各位依次進(jìn)行預(yù)置、比較和判斷，決定該位是“

17、1”還是“0”，直至確定SAR最低位為止。這個過程完成后，便發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。此時SAR寄存器從最高位到最低位都試探過一遍的最終值便是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器雙斜積分A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)是測量兩個時間：第一個時間是模擬電壓向電容充電的固定時間，第二個時間是已知參考電壓放電所需要的時間，模擬輸入電壓與參考電壓的比值就是這兩個時間值之比。圖2.11（a）是這種A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖，它的轉(zhuǎn)換過程如圖2.11（b）所示。其整個轉(zhuǎn)換過程在邏輯控制電路的控制下按以下三個階段進(jìn)行。 休止階段邏輯控制電路發(fā)出復(fù)位指令，將計數(shù)器清零，使K4閉合，積分器輸入輸出都為零。 工作階段（采樣階段）在

18、t1時刻，邏輯控制電路發(fā)出啟動指令，使K4斷開，K1閉合，于是積分器開始對輸入電壓Ux積分，同時計數(shù)器開始計數(shù)。在固定時間內(nèi)停止對輸入電壓積分，此時計數(shù)器計滿N個脈沖。且該階段結(jié)束。 比較階段邏輯控制電路在t2時刻K1斷開的同時，也使與輸入電壓Ui極性相反的基準(zhǔn)電壓接入積分器。此時K2（或K3）閉合，電容C開始放電，計數(shù)器從零開始計數(shù)，當(dāng)積分器輸出電壓達(dá)到零電平時刻（即t3時刻），比較器翻轉(zhuǎn)，邏輯控制電路發(fā)出計數(shù)器停止計數(shù)信息及“轉(zhuǎn)換結(jié)束”信號，此時計數(shù)器的值反映了輸入電壓Vx在固定積分時間內(nèi)的平均值。圖5-7 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖與工作波形圖 并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器該A/D轉(zhuǎn)換器采

19、用（231）=7個比較器，每個比較器的基準(zhǔn)電壓分別為，而輸入電壓Ui則是并行加入到7個比較器的輸入端。這樣工作時，輸入電壓Ui將與7個基準(zhǔn)電壓同時進(jìn)行比較。譯碼和鎖存電路的作用是對7個比較器的輸出狀態(tài)進(jìn)行譯碼和鎖存，輸出三位二進(jìn)制數(shù)碼，從而完成A/D轉(zhuǎn)換。5.3.3 8位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC08091ADC08089的結(jié)構(gòu)和功能8位、逐次逼近式、 可轉(zhuǎn)換8路、輸出引腳電平與TTL電路兼容，基準(zhǔn)電壓可以有多種接法，一般不需要調(diào)零和增益校準(zhǔn)，典型時鐘頻率為640KHZ 。ADC0809有28條引腳，具體見框圖圖5-8。圖5-8 ADC0809原理及結(jié)構(gòu)框圖2、A/D轉(zhuǎn)換器接口電路設(shè)計在AD轉(zhuǎn)換器接

20、口硬件設(shè)計中，一般需要考慮如下幾個問題。 輸入模擬電壓的連接AD的輸入模擬電壓可分為：。單端輸入：正向信號，把VIN(-)接地，信號加到VIN(+)端；負(fù)向信號，則把VIN(+)接地，信號加到VIN(-)端。差動輸入：模擬信號加在VIN(-)端和VIN(+)端之間。 數(shù)據(jù)輸出的方式AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出有兩種方式：具有可控的三態(tài)輸出門，數(shù)據(jù)輸出線允許與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線直接相連。不帶三態(tài)輸出門，數(shù)據(jù)輸出線不允許和系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線直接連接，必須通過IO通道和CPU之間交換數(shù)據(jù)。 片選、啟動、讀寫信號的設(shè)置啟動轉(zhuǎn)換信號由CPU發(fā)出，有電平啟動和脈沖啟動兩種方式。片選、讀寫信號一般由3-8譯碼器的通道號以及微處理

21、器的/RD、/WR經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐穪磉B接。 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取CPU可采用3種方式讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 程序查詢方式；中斷方式；固定的延遲程序方式。用這種方式時，要預(yù)先精確地知道完成一次AD轉(zhuǎn)換需要的時間。CPU發(fā)出啟動AD命令之后，執(zhí)行一個固定的延遲程序，延遲時間正好等于或略大于完成一次AD轉(zhuǎn)換所需的時間，延時到，即可讀取數(shù)據(jù)。對于ADC0809,當(dāng)工作頻率為500khz時，典型轉(zhuǎn)換時間為125us。 延時方式MOV DPTR,#78FFHMOV R0,#8MOV R1,#30HNEXT: MOV R2,#25MOVX DPTR,ADJNZ R2,$MOVX A, DPTRMOV R1

22、,AINC R1INC DPHDJNZ R0,NEXTRET 查詢方式 MOV DPTR, #78FFHMOV R0, #8NEXT: MOV R1, #30HMOVX DPTR, AJNB P1.0, $MOVX A, DPTRMOV R1, AINC R1INC DPHDJNZ R0, NEXTRET 中斷方式 ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP INT0ORG 100HMAIN: MOV DPTR,#78FFHMOV R1,#30HMOVX DPTR,A SJMP $ORG 1000HINT0: MOVX A, DPTRMOV R1,ARETI 利用中斷方式進(jìn)

23、行數(shù)據(jù)采集，可以大大提高CPU的利用率。當(dāng)然，若AD轉(zhuǎn)換的時間很短，與系統(tǒng)中斷響應(yīng)時間相當(dāng)，采用中斷方式的意義就不大了，至可能更浪費(fèi)機(jī)時。3ADC0808/9與51單片機(jī)的接口電路以及程序設(shè)計以8051為例，接口電路如圖5-9所示。Ø圖5-9 ADC0809與8051的接口電路。采用中斷方式讀取A/D轉(zhuǎn)化結(jié)果的程序如下: ORE 2000H SETB IT0 ;置為邊沿觸發(fā) SETB EA ;開放總中斷 SETB EX0 ;開放外部中斷0 MOV DRTR，#4100H ;設(shè)置ADC的A/D口地址 MOV R0，#50H ;設(shè)置存數(shù)緩沖區(qū)指針 MOV R1，#00H ;設(shè)置通道初始值

24、 MOV A，R1 MOVX DRTR，A ;啟動A/D轉(zhuǎn)換 ····· 問題：通道選擇A、B、C為什么可以直接與P0口相連？ 中斷服務(wù)子程序 ORG 0003H AJMP RDDATRDDAT: MOVX A，DRTR ;讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOVX R0，A ;存數(shù)到緩沖區(qū) INC R0 ;修改緩沖區(qū)指針 INC R1 ;修改通道號（通道號加1）REP: MOV A，R1 CJNE A，#08H，REP1 ;完成8通道采樣嗎？ MOV R1，#00H ;返回主程序 RETIREP1: MOVX DPTR，A ; 啟動下一路轉(zhuǎn)換（為什么？） RETI

25、 ;返回主程序問題：設(shè)計程序查詢方式的硬件電路及程序流程。5.4 模擬信號的調(diào)理信號調(diào)理的主要任務(wù)包括：非電量的轉(zhuǎn)換，信號的轉(zhuǎn)換、濾波、放大以及線性化處理，共模干擾的抑制以及隔離。常用的幾種信號調(diào)理電路分別介紹如下。5.4.1 電橋電路主要用于熱電阻測溫時減小誤差用。電路圖見教材P110圖512所示。5.4.2信號放大電路作用：把傳感器的信號從毫伏電平按比例放大到典型的AD轉(zhuǎn)換器輸入電平。采用的放大器主要有四種類型：一、儀表放大器特點(diǎn)：高輸入阻抗，低失調(diào)電壓、低溫度漂移系數(shù)和穩(wěn)定的放大倍數(shù)、低輸出阻抗，共模抑制能力強(qiáng)。常用芯片：AD521/AD522。二、小信號雙線變送器特點(diǎn)：能在惡劣環(huán)境下遠(yuǎn)

26、距離可靠傳送微弱電信號。將現(xiàn)場的微弱信號轉(zhuǎn)化為420mA的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，然后通過一對雙絞線傳送信號，這對雙絞線能實現(xiàn)信號和電源一起傳送。XTR101: 把電阻參量變換為420mA電流、低漂移，可以放大電信號，環(huán)路電壓為11.6V到40V。三、隔離放大器特點(diǎn)：具有一般通用運(yùn)放的特性， 其信息傳遞是通過磁路和光路來實現(xiàn)。作用：儀表放大器必須對輸入偏流提供一條返回通路，而且大的共模電壓會損壞輸入電路，因此在輸入電路和輸出電路要求彼此隔離時應(yīng)采用隔離放大器。應(yīng)用場合：1、測量處于高共模電壓下的低電平信號；2、消除由于信號源地網(wǎng)絡(luò)的干擾所引起的誤差；3、避免形成地回路及其寄生拾取問題（不需要對偏流提供返

27、回通路）；4、保護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)電路不致輸入端輸出端大的共模電壓造成損壞；5、為儀器儀表提供安全接口。儀表放大器原理圖見教材P110圖 5-14。5.4.3濾波和限幅電路大信號、小信號以及熱電阻信號的調(diào)理電路分別見P111，圖515組圖的圖a）b）c）；雙端輸入大小信號均適用的調(diào)理電路見P111，圖515組圖的圖d）。5.4.4共模電壓和隔離技術(shù)共模電壓是相對于一對或多根信號線而言的，這些傳輸線對于參考點(diǎn)電壓相等部分稱為共模電壓，相差部分稱為差模電壓。共模電壓會引起共模干擾，影響模擬信號的測量精度。單個設(shè)備的共模干擾的抑制方法是良好的接地系統(tǒng)。對不能節(jié)的的多個設(shè)備而言隔離是最好的措施。其中有兩種隔離

28、方法：1采用飛電容技術(shù)，見教材P111圖5-16。2采用隔離放大器。見教材P112圖5-17,圖5-18。5.5模擬量輸入通道設(shè)計時應(yīng)考慮的問題5.5.1信號拾取方式1敏感元件：輸出電壓、電流或RLC參數(shù)2傳感器：輸出電壓、電流或頻率信號3測量儀表：大信號輸出或者直接輸出數(shù)字量5.5.2 信號調(diào)理方法小信號放大、變換及濾波5.5.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇1轉(zhuǎn)化速度2轉(zhuǎn)換精度3通道數(shù)量4價額及器件來源5.5.4 通道速度有的也稱之為通過率。轉(zhuǎn)換時間AD采保多路開關(guān)可編程放大等。速度的要求對信號調(diào)理（如信號濾波）提出了要求。5.5.5 通道精度通道精度，是一個綜合精度，不單指AD轉(zhuǎn)換器。5.5.6

29、信號輸入方式單端輸入（抗干擾性差），雙端輸入（可以濾除共模干擾）。5.5.7 電源配置及造價5.6 模擬量輸出通道 5.6.1模擬量輸出通道的一般結(jié)構(gòu)形式 1單路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)圖詳見教材P120 圖5-28所示。其中的寄存器部分現(xiàn)在的D/A芯片都帶有輸入寄存器，不用專門安排。D/A轉(zhuǎn)換后的放大變換電路用于輸出驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的010 mA或420mA電流信號。 2多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu) 對應(yīng)電路結(jié)構(gòu)分為各通道自備D/A形式和各通道共用D/A形式兩種，前者速度快，工作可靠，后者節(jié)省成本，但速度受限。各通道共用D/A形式結(jié)構(gòu)圖詳見教材P121 圖5-29所示。5.6.2電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

30、目的：電流信號有利于長距離傳輸，抗干擾能力強(qiáng)；適應(yīng)于工業(yè)儀表都是以010 mA或420mA電流信號配接的要求。常用的V/I轉(zhuǎn)換電路有兩種：負(fù)載共地和負(fù)載供電源，分別見教材P122圖5-30a和b。5.6.3 D/A轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用 1 DA轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)DA轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)有以下幾個： (1)分辨率反應(yīng)了計算機(jī)數(shù)字量輸出對執(zhí)行部件控制的靈敏程度。定義：當(dāng)輸入數(shù)字量變化1時，輸出模擬量變化的大小。對于一個N位的DA轉(zhuǎn)換器其分辨率為： 例如：對于滿刻度值5.12V，單極性輸出8位DA轉(zhuǎn)換器的分辨率為5.12V/2820mV；l0位DA轉(zhuǎn)換器的分辨率為5.12V/210=5.12V/10245mV；1

31、2位DA轉(zhuǎn)換器的分辨率為5.12V/212=5.12V/40961.25mV。(2).穩(wěn)定時間DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的量度，定義：數(shù)據(jù)變化量是滿刻度時，達(dá)到終值±1/2LSB時所需要的時間。(3)輸入編碼一般為二進(jìn)制編碼、BCD碼、符號-數(shù)值碼等。(4)線性誤差理想的轉(zhuǎn)換器輸入-輸出特性應(yīng)是線性的。定義：在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差,見下圖所示。 這個誤差用最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)來表示。一般為0.010.8。數(shù)字量輸入模擬量輸出理想特性實際滿刻度線性誤差(5)工作溫度范圍工作溫度會對運(yùn)算放大器加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，只有在一定范圍內(nèi)才能保證額定精度指標(biāo)。較好的DA轉(zhuǎn)換器工作溫

32、度范圍為一4085，較差的為o70。 2、D/A轉(zhuǎn)換器芯片及其接口電路為了滿足過程控制及信息處理，對速度、精度、分辨率及經(jīng)濟(jì)性能等要求，分別有：l 通用、廉價的D/A轉(zhuǎn)換器：AD140008、AD7524、AD558。l 高速、高精度D/A：AD562、AD7541。l 高速D/A：AD561、DAC-08。l 高分辨率D/A：DAC1136、DAC1137等。為了應(yīng)用的靈活性，有：l 可選擇輸出電壓雙極性的：AD7524、AD7542。l 芯片內(nèi)帶有數(shù)字寄存器可與CPU數(shù)字總線直接相連的AD558、AD7524。功能管腳共同之處包括以下方面：它包括數(shù)字量的輸入端和模擬量的輸出端，芯片的模擬信

33、號輸出端又有單端輸出和差動輸出兩種。D/A 轉(zhuǎn)換器所需參考電壓由芯片以外的電源提供。許多芯片內(nèi)設(shè)置了輸入數(shù)據(jù)寄存器。芯片都具有片選信號和寫信號管腳3. 8位DAC0832及接口電路1）外部結(jié)構(gòu)特征：采用20引腳是雙列直插式集成電路芯片。主要參數(shù)：分辨率8位，電流穩(wěn)定時間1s，電流輸出，與TTL電平兼容；功耗20mW。2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理DAC0832構(gòu)成框圖如下圖。工作過程：在輸入鎖存允許ILE、片選CS有效時，寫選通信號WR1（負(fù)脈沖）能將輸入數(shù)字量D鎖入8位輸入寄存器。在傳送控制XFER有效的條件下，WR2（負(fù)脈沖）能將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器。數(shù)據(jù)送入DAC寄存器后1us（建立

34、時間），IOUT1和IOUT2穩(wěn)定。一般情況下把XFER和WR2接地（此時DAC寄存器直通），ILE接+5V，總線上的I/O端口寫信號作為WR1，接口地址譯碼信號作為CS信號，使DAC0832接為單緩沖形式，數(shù)據(jù)D寫入輸入寄存器即可改變其模擬輸出。在要求多個D/A同步工作（多個模擬輸出同時改變）時，才將DAC0832接為雙緩沖，此時，XFER、WR2分別受接口地址譯碼信號、I/O端口信號驅(qū)動。在實際應(yīng)用中，通常采用外加運(yùn)算放大器的方法，把DAC0832的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。Rfb是芯片內(nèi)部反饋電阻，便于芯片直接與運(yùn)算放大器相連。兩種情況進(jìn)行轉(zhuǎn)換： 只要使/WR2=0，/XFER=0，DAC

35、寄存器為不鎖存狀態(tài)，ILE=1時，/CS=/WR1=0，就可以完成一次轉(zhuǎn)換。 /WR1=0，/CS=0，ILE=1 輸入寄存器為不鎖存狀態(tài)，而/WR2=/XFER=0，也可完成轉(zhuǎn)換。若不鎖存，直接轉(zhuǎn)換，則令/WR1、/WR2、/CS和/XFER為0，ILE接高電平，稱為DAC0832的直通工作方式。3）DAC0832輸出方式DAC0832的輸出方式分為：電壓輸出方式 電流輸出方式 電壓輸出方式：DAC0832的電壓輸出方式分為：單極性電壓輸出方式雙極性電壓輸出方式 單極性電壓輸出電路如下圖所示。連接特點(diǎn)：外接反饋電阻Ro和電位器Rp。 雙極性電壓輸出電路如下圖所示。特點(diǎn)：比單極性輸出增加一個運(yùn)

36、算放大器。改變基準(zhǔn)電壓極性，就可以得到四個象限的乘積輸出。±VREF * (±數(shù)字碼)±Uo。 電流輸出方式目的：獲得標(biāo)準(zhǔn)直流輸出信號010mA或420mA。工作過程見下圖所示：量程選擇：010mA直流電流 或 420mA直流電流4） 接口電路8位D/A 與CPU連接方式有三種：用鎖存器連接、用可編程并行口8255連接、直接連接。為使CPU能向D/A轉(zhuǎn)換器傳送數(shù)據(jù)，必須在兩者之間設(shè)置接口電路。接口電路的功能是進(jìn)行地址譯碼、產(chǎn)生片選信號或?qū)懶盘?。如果D/A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部無輸入寄存器，則要外加寄存器。因此，D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的連接方式可有三種：直接連接、用可編程并行

37、接口8255連接、用鎖存器連接。具體采用哪種方法，應(yīng)根據(jù)各種D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式以及系統(tǒng)的要求進(jìn)行選擇。下面以直接連接方式為例介紹D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的接口。圖5-10所示的接口電路是由8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832、運(yùn)算放大器、地址譯碼電路等組成。其中DAC0832工作在單緩沖方式下，即當(dāng)CS信號有效時，對由數(shù)據(jù)線D0D7送來的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，當(dāng)IOW變高時，則此數(shù)據(jù)便被鎖存在輸入寄存器中，因此D/A轉(zhuǎn)換的輸出電壓V0也保持不變。DAC0832將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成差動的電流輸出（IOUT1和IOUT2），為了使其能變成電壓輸出，所以又經(jīng)過運(yùn)算放大器A，將形成單極性電壓輸出0+5V

38、（VREF為-5V 時）或0+10V（VREF為-10V時）。若要形成負(fù)電壓輸出，則VREF需接正的基準(zhǔn)電壓。為了保證輸出電流的線性度，兩個電流輸出端IOUT1和IOUT2的電位應(yīng)盡可能地接近0電位，只有這樣，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換后得到的輸出電流才會通過內(nèi)部的反饋電阻Rfb （=15k）流到放大器的輸出端，否則，運(yùn)算放大器兩個輸入端微小的電位差將導(dǎo)致很大的線性誤差。利用單片機(jī)和D/A轉(zhuǎn)換芯片接口電路可以作為波形發(fā)生器來使用。例如可輸出方波，矩形波，鋸齒波和三角波等。輸出連續(xù)方波程序：ORG 0000H AJMP START ORG 0100HSTART: MOV DPTR,#0FEFFH ; 置DAC

39、0832的地址LP: MOV A,#0FFH ; 設(shè)定高電平 MOVX DPTR,A ; 啟動D/A轉(zhuǎn)換，輸出高電平 LCALL DELAY ; 延時顯示高電平 MOV A,#00H ; 設(shè)定低電平 MOVX DPTR,A ; 啟動D/A轉(zhuǎn)換，輸出低電平 LCALL DELAY ; 延時顯示低電平 SJMP LP ; 連續(xù)輸出方波DELAY: MOV R3,#11 ; 延時子程序D1: NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ R3,D1 RET RfbVCCD0CSXFERWR1WR2AGNDIOUT2IOUT1P0.0P2.7P0.7D7WR8051DAC0832DGNDVREFI

40、LE+5V-5VU0-+A END圖5-10 8051與DAC0832單緩沖方式的接口電路圖輸出三角波程序：MOV DPTR,#7FFFH ; DAC0832地址送DPTR MOV A,#0CON1:MOV DPTR,A ;A中數(shù)據(jù)送DAC0832轉(zhuǎn)換 INC A CJNE A,#0FFH,CON1CON2:MOV DPTR,A DEC A CJNE A,#0,CON2 AJMP CON1 END5.6.3模擬量輸出通道的設(shè)計1模擬量輸出通道設(shè)計中應(yīng)考慮的問題l 輸出的形式，即是電壓輸出還是電流輸出或是頻率輸出等，進(jìn)而考慮采用什么轉(zhuǎn)換電路。l 輸出的范圍，比如電壓輸出時，要求的輸出電壓是單極性的還是雙極性的，是05V還是010V輸出