計算機控制技術第五章計算機控制系統中的過程通道技術通道接口技術數字量輸入/輸出通道模擬量輸出/輸入通道第6節

模擬量輸入通道模擬量輸入通道的結構信號處理A/D轉換技術并行轉換結構對于高速系統．特別是需要同時得到描述系統性能各項數據的系統，可采用下圖所示并行轉換結構。其特點是速度快、工作可靠，即使某一通路有故障，也不會影響其他通路正常工作。

模擬量輸入通道的結構多路通道共享采樣保持或模數轉換(A／D)電路

模擬量輸入通道的結構第6節

模擬量輸入通道模擬量輸入通道的結構信號處理A/D轉換技術信號處理信號處理形式信號大小電壓電流常用放大電路運算放大器的基本電路儀表放大器程控放大器隔離放大器I/V變換無源有源1、傳感器輸出為大信號模擬電壓2、傳感器輸出為小信號模擬電壓信號處理形式3、傳感器輸出的是大電流信號

4、傳感器輸出的是小電流信號信號處理形式信號處理信號處理形式信號大小電壓電流常用放大電路運算放大器的基本電路儀表放大器程控放大器隔離放大器I/V變換無源有源1、運算放大器的基本電路（1）反比例放大器常用放大電路（2）正比例放大器常用放大電路（3）跟隨器常用放大電路2、儀表放大器在許多檢測技術應用場合，傳感器輸出的信號較弱，而且還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾。需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，稱為測量放大器或儀表放大器。在要求較高的場合，常采用集成測量放大器，例如：AD521、AD522、INA101等。常用放大電路3、程控放大器在模擬信號送到模數變換系統時，為減少轉換誤差，一般希望送來的模擬信號盡可能大。如萬用表、示波器等許多測量儀器的量程變換等。集成的程控放大器，如：AD524、AD624、PGA200等。常用放大電路4、隔離放大器在有強電或強電磁干擾等環境中，為了防止電網電壓等對測量回路的損壞，其信號輸入通道常采用隔離技術；在生物醫療儀器上，為防止漏電流、高電壓等對人體的意外傷害，也常采用隔離放大技術，以確保患者安全；此外，在許多其他場合也常需要采用隔離放大技術。能完成這種任務，具有這種功能的放大器稱為隔離放大器。一般來講，隔離放大器是指對輸入、輸出和電源三者彼此相互隔離的測量放大器。目前，隔離放大器中采用的方式主要有兩種：變壓器耦合和光電耦合。常用的有AD204、ISO100等常用放大電路信號處理信號處理形式信號大小電壓電流常用放大電路運算放大器的基本電路儀表放大器程控放大器隔離放大器I/V變換無源有源1、無源I/V變換最簡單的無源I/V變換？令電流通過一個精密電阻R，則電阻上的電壓(V＝I×R)就是所要轉換的電壓。對于0～10mA輸入信號，可取R1=100Ω，R2=500Ω，且R2為精密電阻，這樣當輸入的電流為0～10mA電流時，輸出的電壓為0～5VI/V變換2、有源I/V變換I/V變換第6節

模擬量輸入通道模擬量輸入通道的結構信號處理A/D轉換技術A/D轉換技術A/D轉換原理逐次逼近雙斜率積分Σ－Δ型A/D技術指標分辨率轉換時間轉換量程A/D實現技術A/D位數=數據總線位數A/D位數>數據總線位數A/D位數<數據總線位數

A/D轉換芯片中包括逐次逼近寄存器SAR、D/A轉換器、比較器、時序及控制邏輯等部分組成如圖所示。轉換過程如下：①時序及控制邏輯給SAR最高位為“1”，其余為“0”，經D/A轉換為模擬電壓Vf，然后與輸入電壓Vx比較，確定該位；②當Vx≥Vf，此位為“1”，置下位為“1”；③當Vx<Vf，此位為“0”，置下位為“1”。④按上述方法依次類推，逐位比較判斷，直至確定SAR的最低位為止。A/D轉換原理——逐次逼近式A/D轉換原理——逐次逼近式序號逐次逼近寄存器的值DA輸出（V）比較結果110002.670201001.331301102.001401112.331實例：以4位AD為例，其中內部DA基準電壓為5V，設輸入電壓為2.4VA/D轉換原理——逐次逼近式A/D轉換原理——雙斜率積分式器件少、使用方便、抗干擾能力強、數據穩定、價格便宜。典型芯片：MC14433、AD7550、ICL7109A/D轉換原理——Σ－Δ型工作原理：模擬信號與移位DAC的輸出送到減法器，經積分器后送到比較器。以Kfs采樣速率將輸入信號轉換為由1和0構成的連續串行位流。精度最高的A／D轉換器，一般說來速度較低。

典型芯片：AD7715A/D轉換原理——Σ－Δ型A/D轉換原理——Σ－Δ型其它A/D方法并行A/D轉換n位則需2n-1個比較器，成本高，故只應用于轉換速度要求極高的場合計數器式A/D轉換每輸入一個時鐘脈沖，計數器加（或減）1，逼近輸入值。電壓/頻率轉換電壓轉換為頻率信號。A/D轉換技術A/D轉換原理逐次逼近雙斜率積分Σ－Δ型A/D技術指標分辨率轉換時間轉換量程A/D實現技術A/D位數=數據總線位數A/D位數>數據總線位數A/D位數<數據總線位數1、分辨率

分辨率通常用數字輸出最低有效位（LeastSignificantBit，LSB）所對應的模擬量輸入電壓值表示，例如：AD位數n＝8，滿量程為5V，則LSB對應5V/(28-1)=19.6mV。由于分辨率直接與轉換位數有關，所以一般也用其位數表示分辨率，如8，10、12、14、16為AD。通常把小于8位的稱為低分辨率，10－12位的成為中分辨率，14位以上的為高分辨率。A/D技術指標2、轉換時間

從發出轉換命令信號到轉換結束信號有效的時間間隔，即完成一次轉換所用的時間，為轉換時間。轉換時間的倒數為轉換速率。通常轉換時間從幾ms到100ms成為低速，從幾μs到100μs稱為中速，從10ns到100ns左右成為高速。3、轉換量程

所能轉換的模擬量輸入電壓范圍，如0－5V，－5－＋5V等。A/D技術指標A/D轉換技術A/D轉換原理逐次逼近雙斜率積分Σ－Δ型A/D技術指標分辨率轉換時間轉換量程A/D實現技術A/D位數=數據總線位數A/D位數>數據總線位數A/D位數<數據總線位數A/D轉換器與CPU連接時需要考慮的問題輸入模擬電壓的連接單端輸入：IN直接與信號連接差動輸入：VIN(+)VIN(-)單端輸入正信號：UIN(+)接信號、UIN(-)接地單端輸入負信號：UIN(-)接信號、UIN(+)接地。數據輸出線和系統總線的連接數據線具有可控三態輸出門，可直接與系統總線連接；數據線沒有三態輸出門或具有內部三態門但不受外部控制，則（不能直接連接系統總線）必須通過I/O接口連接；8位以上A/D轉換需考慮A/D的數據輸出線和系統總線位數的對應關系（針對8位CPU、12位A/D，需分高低位分別連接，分時按字節讀入）。A/D實現技術1、8位A/D與CPU的接口(以ADC0809為例)8路模擬開關控制與時序SAR樹狀開關電阻網絡三態輸出鎖存緩沖器地址譯碼IN7IN0ADDAADDBADDCALEVccGNDVREF+VREF-OED7D0EOCCLKSTARTADC0809功能方框圖A/D實現技術1、8位A/D與CPU的接口(以ADC0809為例)A/D實現技術2、12位A/D與8位CPU的接口A/D實現技術3、12位A/D與16位CPU的接口A/D實現技術常用的過程通道主要包括哪些類型？如何通過管腳功能確定采用的編址方式？I/O接口編址不同功能的管腳是如何配合的？參考圖5-3，如果Y0-Y7對應的地址順序為2E0H、2E2H、2E1H、2E3H、2E4H、2E6H、2E5H、2E7H，如何設計74LS138與地址線的連接？參考圖5-4，如果對地址F7H進行I/O寫操作，74LS138的哪個輸出引腳變為低電平？如果對對地址F7H進行I/O讀操作，74LS138的輸出是否會發生變化？如何變化？對于圖5-7，鎖存器選用的是74LS574，使用74LS573是否可以？如何設計？思考請思考鎖存器和緩沖器的區別。設計數字量輸入調理電路時，要考慮哪些方面？請比較固態繼電器與繼電器的區別。設計一個通過繼電器級聯驅動大功率設備的電路。D/A有哪些常用的轉換方式？分別是如何工作的？DAC0832中輸入寄存器和DAC寄存器各有什么功能？為什么要有兩個寄存器？12位的D/A轉換器能否與8位數據總線CPU連接？隔離放大器中采用什么方式實現隔離？A/D有哪些常用的轉換方式？分別是如何工作的？思考能否用單