第3章過程通道數據采集1-2第一頁，共42頁。內容提要概述模擬量輸入通道A/D與D/A轉換技術數據采集系統模擬量輸出通道過程通道的抗干擾措施小結第二頁，共42頁。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）計算機控制系統組成框圖第三頁，共42頁。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總線第四頁，共42頁。自動重合閘原理圖

60%以上是單相對地短路！！！第五頁，共42頁。高壓真空斷路器第六頁，共42頁。LN2-10型戶內式SF6斷路器第七頁，共42頁。高壓負荷開關一般與熔斷器串聯使用！第八頁，共42頁。高壓隔離開關第九頁，共42頁。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總線第十頁，共42頁。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!!!!第十一頁，共42頁。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三個問題：—采樣（Sample）—量化（Quantity）—編碼（Coding）【數字傳輸！】第十二頁，共42頁。1采樣概述（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”第十三頁，共42頁。1概述7/10◆采樣后的脈沖信號稱為采樣信號，采樣信號在時間軸上是離散的，但在函數軸上仍是連續的◆香農（Shannon）采樣定理【奈奎斯特】：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。第十四頁，共42頁。二倍頻的內涵第十五頁，共42頁。采樣說明C：信道容量S/N：信號與噪功率比W：信道帶寬第十六頁，共42頁。采樣的分類：周期采樣、多階采樣、隨機采樣周期采樣多階采樣：多階采樣也稱為周期非均勻采樣，相鄰兩采樣點間的間隔非均勻,但任一數據與其后第N個采樣點間的間隔均勻,采樣間隔呈周期分布。圖中,d表示時間延遲,T表示采樣間隔的變化周期隨機采樣：在采取子樣時，對采樣的部位或時間均不施加任何人為的意志，能使任何部位的量都有機會采出的采樣方法第十七頁，共42頁。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

第十八頁，共42頁。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)fmax第十九頁，共42頁。采樣、編碼（調制）、傳送第二十頁，共42頁。多路復用技術第二十一頁，共42頁。多路復用技術（續）第二十二頁，共42頁。1概述10/10

◆編碼(格雷碼、多項式、循環碼、曼切斯特等)

◆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—偏移二進制碼—補碼表示法第二十三頁，共42頁。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第二十四頁，共42頁。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最高位取反不變第二十五頁，共42頁。內容提要概述模擬量輸入通道D/A與A/D轉換技術數據采集系統模擬量輸出通道過程通道的抗干擾措施小結第二十六頁，共42頁。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轉換器組成第二十七頁，共42頁。2模擬量輸入、輸出通道2/10◆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（微伏信號）放大、信號衰減、阻抗匹配、電平變換、非線性補償、電流/電壓轉換等第二十八頁，共42頁。2模擬量輸入輸出通道3/10多路轉換器

◆當多個信號共用一個A/D轉換器時，就需要這個器件

◆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(三態門是否具有此能力？)。

◆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

◆選擇要求第二十九頁，共42頁。2模擬量輸入、輸出通道3-2/10◆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

第三十頁，共42頁。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多路轉換器第三十一頁，共42頁。2模擬量輸入輸出通道4/10放大器

◆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.第三十二頁，共42頁。2模擬量輸入輸出通道5/10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：第三十三頁，共42頁。2模擬量輸入輸出通道5-2/10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.則信號最高頻率為第三十四頁，共42頁。2模擬量輸入輸出通道5-3/10采樣/保持器工作機理

◆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300v第三十五頁，共42頁。

2模擬量輸入輸出通道6/10CD4051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。第三十六頁，共42頁。模擬量輸入輸出通道7/10C、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：第三十七頁，共42頁。2模擬量輸入輸出通道8/10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。第三十八頁，共42頁。2模擬量輸入輸出通道9/10?轉換(孔徑)時間tA/D：完成一次A/D轉換需要的時間。?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：采用采樣保持器第三十九頁，共42頁。2模擬量輸入輸出通道10/10采樣保持器LF398介紹第四十頁，共42頁。2模擬量輸入輸出通道8+/10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路的差動輸入方法下圖。OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S