第三章

過程通道和數據采集系統楊根科上海交通大學自動化系2010年3月內容提要概述模擬量輸入通道:采樣,多路轉換器D/A與A/D轉換技術A/D轉換器及其與微處理器的接口數據采集系統D/A轉換器及其與微處理器的接口過程通道的抗干擾措施小結1概述過程通道：計算機和生產過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。（AI、AO、DI、DO）微機控制系統組成框圖1概述2/10過程通道的組成和功能

◆

數字量輸入（DI）通道：把從控制對象檢測得到的數字碼、開關量、脈沖量或中斷請求信號經過輸入緩沖器在接口的控制下送給計算機(檢測通道)輸入調理電路輸入緩沖器地址譯碼器生產過程PC總線1概述3/10◆

數字量輸出（DO）通道：把從計算機輸出的數字信號通過接口輸出數字信號、脈沖信號或開關信號(控制通道,電磁閥)輸出驅動器輸出鎖存器地址譯碼器生產過程PC總線1概述4/10◆模擬量輸入（AI）通道：把從控制對象檢測得到的時間連續模擬信號（如溫度,壓力,流量,液位等）(1-10V,4-20mA)變換成二進制的數字信號，然后經接口送入到計算機(檢測通道)◆模擬量輸出（AO）通道：把從計算機輸出的數字信號通過接口由它變換成相應的模擬量信號輸出給控制對象(控制通道,連續調節閥)◆AI、AO比較重要，有不少特殊問題要解決1概述5/10信號轉換中的采樣、量化和編碼

計算機控制系統，就必須首先解決模擬量和數字量之間的轉換問題。轉換過程大體上要解決如下3個問題：—采樣（Sample）—量化（Quantity）—編碼（Coding）1概述6/10

◆信號的采樣把時間連續的信號轉換為一連串時間不連續的脈沖信號，這個過程稱為“采樣”，又稱為“抽樣”、“取樣”1概述7/10◆采樣后脈沖信號稱為采樣信號，采樣信號在時間軸上是離散的，在函數軸上仍是連續的◆香農（Shannon）采樣定量：若信號的最高頻率為fmax，只要采樣頻率f

≥2fmax，采樣信號就能唯一復現原信號。采樣定理規定了不失真采樣的頻率下限。在實際應用中常取f＝（5～10）fmax

1概述8/10◆量化

采樣信號經過整量化成為數字信號的過程稱為整量化過程

1概述9/10◆整量化過程是一個數值分層過程。四舍五入過程◆量化單位q是A/D轉換器最低位二進制位（LSB）所代表的物理量，量化誤差(精度)為±q/2◆采樣信號與數字信號的區別◆實際應用中,f>=(5~10)fmax1概述10/10

◆編碼

◆把量化信號轉換為二進制代碼的過程稱為編碼

◆編碼的任務由A/D轉換器完成

◆雙極性(正負)信息的3種表示方法—符號－數值碼—補碼表示法—偏移二進制碼注記：常用的雙極性編碼數正基準負基準符號-數值碼2的補碼偏移2進制碼+7+7/8-7/8011101111111+6+6/8-6/8011001101110+5+5/8-5/8010101011101+4+4/8-4/8010001001100+3+3/8-3/8001100111011+2+2/8-2/8001000101010+1+1/8-1/8000100011001+0+0-0000000001000-0-0+01000（0000）（1000）-1-1/8+1/8100111110111-2-2/8+2/8101011100110-3-3/8+3/8101111010101-4-4/8+4/8110011000100-5-5/8+5/8110110110011-6-6/8+6/8111010100010-7-7/8+7/8111110010001-8-8/8+8/810000000注記：常用的雙極性編碼關系將右邊碼轉變為下面碼符號-數值碼2的補碼偏移2進制碼符號-數值碼不變最高位為1,則其余各位取反,再加00…01最高位取反,若取反后最高位為1,則其余各位取反,再加00…012的補碼最高位為1,則其余各位取反,再加00…01不變最高位取反偏移2進制碼最高位取反,若取反后最高位為0,則其余各位取反,再加00…01最高位取反不變備注:十進制數轉換二進制數方法：整數采用“除以2取余法”，小數采用“乘以2取整法”。將十進制數37．375轉換為二進制數:故(37.375)10=(100101.011)2

內容提要概述模擬量輸入通道:采樣,多路轉換器D/A與A/D轉換技術A/D轉換器及其與微處理器的接口數據采集系統D/A轉換器及其與微處理器的接口過程通道的抗干擾措施小結2模擬量輸入通道模擬量輸入通道的一般組成

一般由信號處理、多路轉換器、放大器、采樣/保持器和A/D轉換器組成2模擬量輸入輸出通道2/15◆檢測：把非電量的工藝參數（如溫度、壓力、流量等）通過傳感器轉換為電量（一般為直流電壓或電流）◆信號處理：包括信號濾波、小信號放大、信號衰減、阻抗匹配、電平變換、非線行補償、電流/電壓轉換等2模擬量輸入輸出通道3/15多路轉換器(多路調制器/多路解調器開關,CD4051等)

◆當系統中有多個變化較為緩慢的模擬量輸入時，常常采用模擬多路開關，利用它將各路模擬量輪流與A／D轉換器接通。這樣使用一片A／D轉換器就可完成多個模擬輸入信號的依次轉換，從而節省了硬件電路。

◆理想工作狀態：開路電阻無窮大，導通電阻為0。要求切換速度快。

◆兩大類：—機械觸點式,干簧繼電器,機械振子繼電器—電子開關式,晶體管開關,集成電路開關,場效應管

◆選擇要求2模擬量輸入輸出通道4/15◆選擇要求—機械觸點式,干簧繼電器接觸電阻小,斷開電阻大;壽命長10^6~10^7;工作頻率400Hz;小信號中速度(10~400點/s)—電子開關式工作頻率高達1000點/s,體積小,壽命長.缺點導通電阻大,小信號測量精度受影響選擇考慮因數:通路多少;電平高低;單端/差動輸入方式?;尋址方式;切換速率;切換時要多長時間才能穩定到要求精度參考p.41原理圖(場效應管)2模擬量輸入輸出通道5/15放大器(p.42,圖3.6,3.7,3.8)

◆A/D轉換器的輸入電壓一般都有一定范圍，而變送器過來的信號一般都是MA級的，所以必須經過放大(一般的A/D滿度電壓10V)

◆可編程序放大器是一種通用性強的高級放大器，可以根據需要用程序來改變它的放大倍數◆當多路輸入的信號源電平相差較大時,用同一增益放大器去放大高/低電平信號,可能使得低電平信號測量精度降低,而高電平信號有可能超出A/D轉換器的輸入范圍.采用編程序放大器,使A/D轉換器滿量程達到均一化,提高多路采集的精度.2模擬量輸入輸出通道5+/15MCP6S2X系列是MicrochipTechnology公司推出的可編程增益放大器，可廣泛用于多路模擬傳輸應用、信號采集、A／D轉換驅動和信號測量系統中。引腳定義MCP6S28為例管

腳

名作

用VOUT模擬輸出CH0～CH7模擬輸入VSS電源負端VDD電源正端SCK時鐘輸入SI串行數據輸入SO串行數據輸出CS片選VREF外部參考電壓2模擬量輸入輸出通道6/15采樣/保持器

◆作用：在采樣時，其輸出能夠跟隨輸入變化；而在保持狀態時，能使輸出值不變。

◆最簡單的采樣/保持器是由開關和電容組成：2模擬量輸入輸出通道6+/15采樣/保持器

◆2模擬量輸入輸出通道7/15?轉換時間tA/D：完成一次A/D轉換需要的時間。 捕捉時間Tac：采樣命令發出后，采樣保持電路由保持狀態轉到采樣狀態，保持電容上的電壓由所保持的值到達輸入信號當前值所需的時間。它與輸入放大器的響應時間、模擬開關的延遲時間、電容器的充電時間常數、保持電容器上電壓變化幅度等有關。Tac將影響采樣頻率的提高，但不會影響精度。孔徑時間Tap：保持命令發出后，模式控制開關由導通到完全斷開所需的時間。Tap的存在使實際的采樣時間延遲，引起實際的電壓保持值與希望的電壓保持值間產生誤差，影響A／D轉換精度。?轉換(孔徑)誤差：采樣時刻的最大轉換誤差?轉換(孔徑)誤差的消除：采用采樣保持器2模擬量輸入輸出通道7+/15采樣中問題◆A/D轉換器完成一次轉換過程的時間稱為轉換時間;轉換期間將引起誤差;誤差估計:◆Vf=5V;12位的A/D;基準電壓10.24V;量化誤差為最低位的一半;轉換時間0.1ms.則信號最高頻率為2模擬量輸入輸出通道8/15采樣/保持器工作機理

◆圖3.9和3.10是LF398的原理圖.

◆指標:CH=0.01F;0.01%精度獲取時間25s;保持器下降速度3mv/s;轉換時間100s;保持器下降電壓300v2模擬量輸入輸出通道8+/15采樣保持器LF398介紹（p.45）保持電容輸入輸出緩沖放大器模擬開關等組成在采樣期間，模式控制開關閉合，接通輸入信號，A1是輸出阻抗很低的高增益放大器，通過閉合的開關對電容快速充電，此電容器的電壓跟蹤輸入信號的電平變化。在保持期間，開關斷開，因為A2的輸入阻抗很高，電容器上的電壓可基本保持不變，即基本保持充電時的最終值。2采樣保持器LF3988++/15LF398價格低廉，在國內應用非常廣泛。它有8個引腳，結構框圖和典型連線圖如圖,2腳接1kΩ電阻，用于調節漂移電壓，7腳和8腳是兩個控制端，控制開關的關斷。7腳接參考電壓，8腳接控制信號。參考電壓應根據控制信號的電平來選擇。如7腳接地，則8腳接控制信號大于1．4V時，LF398處于采樣狀態；如8腳為低電平，則LF398處于保持狀態。6腳外接保持電容，它的選取對采樣保持電路的技術性能指標至關重要，大電容可使系統得到較高精度，但采樣時間加長。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。同時，電容的選擇應綜合考慮精度要求和采樣頻率等因素。LF398的其它幾個參數為：輸入阻抗Ri＝100MΩ，輸出阻抗,RO=0.5Ω,漂移電壓2mV，供電電壓值在5～18V間選擇。2采樣保持器LF3988#/15R(s)T=3ms衰減振蕩T=150ms等幅振蕩2采樣保持器LF3988#+/15閉環脈沖傳遞函數為：

（7-3）閉環采樣系統的特征方程式為：（7-4）從式（7-4）知道，特征方程式的根與采樣周期T有關，若特征根的模塊小于1，則系統穩定，若有一個特征根的模大于1，則系統不穩定，因此系統的穩定性與采樣周期T的大小有關。R(s)

2模擬量輸入輸出通道9/15多路調制器/多路解調器開關在電路中起接通信號或斷開信號的作用。最常見的可控開關是繼電器，當給驅動繼電器的驅動電路加高電平或低電平時，繼電器就吸合或釋放，其觸點接通或斷開電路。CMOS模擬開關是一種可控開關，它不象繼電器那樣可以用在大電流、高電壓場合，只適于處理幅度不超過其工作電壓、電流較小的模擬或數字信號。

2模擬量輸入輸出通道9/15CD4051介紹：單邊8通道多路調制器/多路解調器。其引腳結構如圖所示。

2模擬量輸入輸出通道9/15CD4051介紹：CD4051相當于一個單刀八擲開關，開關接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來決定。其真值表見表1。“INH”是禁止端，當“INH”=1時，各通道均不接通。此外，CD4051還設有另外一個電源端VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供的數字信號能直接控制這種多路開關，并使這種多路開關可傳輸峰－峰值達15V的交流信號。例如，若模擬開關的供電電源VDD=＋5V，VSS=0V，當VEE=－5V時，只要對此模擬開關施加0～5V的數字控制信號，就可控制幅度范圍為－5V～＋5V的模擬信號。

2模擬量輸入輸出通道9/15CD4051介紹：Vss，接地GND

Vdd，接+5V

Vee，接-5V（若是邏輯電路接地亦可，音頻必須接負電壓，可接-10V）。模擬量輸入輸出通道10/15C、B、A為二進制控制輸入端，INH為禁止輸入端（高電平禁止）。改變IN/OUT0~7及OUT/IN的傳遞方向，則可用作多路開關或反多路開關。其真值表如下所示：2模擬量輸入輸出通道11/15當采樣的通道比較多，可以將兩個或兩個以上的多路開關并聯起來。兩個8路開關擴展成16路的多路開關的方法如圖所示。2模擬量輸入輸出通道12/15當采樣的通道比較多，可以將兩個以上的多路開關并聯起來。四個8路開關擴展成16路的差動輸入方法圖3.5。OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{差動模擬輸入（18）差動模擬輸入（916）~~模擬輸出V1.....OUTOUTCCABBACD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{差動模擬輸入（18）差動模擬輸入~~4D鎖存器....（916）.....模擬輸出V22模擬量輸入輸出通道13/158個8路開關擴展成64路的輸入方法圖3.20。P.57自學2其它多路開關14/15常用CMOS模擬開關功能和原理

四雙向模擬開關CD4066

CD4066的引腳功能如圖所示。每個封裝內部有4個獨立的模擬開關，每個模擬開關有輸入、輸出、控制三個端子，其中輸入端和輸出端可互換。當控制端加高電平時，開關導通；當控制端加低電平時開關截止。模擬開關導通時，導通電阻為幾十歐姆；模擬開關截止時，呈現很高的阻抗，可以看成為開路。模擬開關可傳輸數字信號和模擬信號，可傳輸的模擬信號的上限頻率為40MHz。各開關間的串擾很小，典型值為－50dB。2其它多路開關14+/15雙四路模擬開關CD4052

CD4052的引腳功能見圖。CD4052相當于一個雙刀四擲開關，具體接通哪一通道，由輸入地址碼AB來決定。其真值表見表。(B,A)=(0,1)“1”X,”1”Y

輸入狀態接通通道INHBA000“0”X、“0”Y001“1”X、“1”Y010“2”X、“2”Y011“3”X、“3”Y1