任务二 模拟量输入通道

1、单击此处编辑母版标题样式2021-11-161 单击此处编辑母版副标题样式任务二 模拟量输入通道【教学内容教学内容】基本内容：模拟量输入通道的组成结构、传感器、信号调理、多路转换器。 重点：模拟量输入通道的结构、信号调理、多路转换器。难点：信号调理、多路转换器。单击此处编辑母版标题样式2021-11-162 单击此处编辑母版副标题样式【教学目的、要求教学目的、要求】掌握模拟量输入通道的组成部分及其作用；掌握信号调理电路、多路转换器电路；能够扩展多路转换器电路；了解常用的传感器类型。单击此处编辑母版标题样式2021-11-163 单击此处编辑母版副标题样式 模拟量输入通道的任务：模拟量输入通道的

2、任务：把被控对象的过程参把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。换成计算机可以接收的数字量信号。 模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式，最简单的就是单路模拟量输入通道。同的结构形式，最简单的就是单路模拟量输入通道。多路模拟量输入通道结构组成如图所示。多路模拟量输入通道结构组成如图所示。 一、模拟量输入通道的结构单击此处编辑母版标题样式2021-11-164 单击此处编辑母版副标题样式 来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首来自

3、于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路选择开关，分时切换到先需要进行信号调理，然后经多路选择开关，分时切换到后级进行放大、采样保持后级进行放大、采样保持和和A/DA/D转换转换，通过接口电路以数，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。任务。单击此处编辑母版标题样式2021-11-165 单击此处编辑母版副标题样式模拟量输入接口：主要部分是AD转换器及其与计算机的数字量接口，从广义上讲，采样保持器、多路转换器是配合A/D转换器工作的，也可以算作模拟量接口的一部分。目前一些A/D芯

4、片内包含采样保持器、多路转换器。对模拟量输入信号进行调理以适合AD转换器对输入电压要求的相关电路。单击此处编辑母版标题样式2021-11-166 单击此处编辑母版副标题样式1 1、传感器、传感器 定义：GB7665-87规定：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 作用：把被控对象的各种非电物理量检测出来，并转换成电信号。如热电偶能把温度转换成热电动势、应变桥式荷重传感器能把受力的大小转换为电信号等。单击此处编辑母版标题样式2021-11-167 单击此处编辑母版副标题样式 传感器有以下几部分组成： （1）敏感元件：直接感受被测量，并输出与

5、被测量成确定关系的物理量。 （2）转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，转换成电路参量。 （3）转换电路：将上述参数转换成电量输出。敏感元敏感元件件转换元转换元件件转换电转换电路路被测量被测量电量电量单击此处编辑母版标题样式2021-11-168 单击此处编辑母版副标题样式耐磨热电偶长距离漫反射型光电传感器光电传感器BA2M-DDT系列系列 单击此处编辑母版标题样式2021-11-169 单击此处编辑母版副标题样式测力计压力计 单击此处编辑母版标题样式2021-11-1610 单击此处编辑母版副标题样式将应变片粘贴于被测构件上测定构件的应力或应变。u当被测物体产生位移时，悬臂梁随之产生于位移相

6、等的挠度，因而应变片产生相应的应变。u在小挠度情况下，挠度与应变情况成正比。u将应变片接入桥路，输出与位移成正比的电压信号。单击此处编辑母版标题样式2021-11-1611 单击此处编辑母版副标题样式2 2、信号调理电路信号调理电路 很多变送器的输出信号为010mA或420mA，由于A/D转换器的输入信号只能是电压信号，所以如果模拟信号是电流时，必须先把电流变成电压才能进行A/D转换。这样就需要I/V变换电路。 两种变换电路。 1. 无源无源I/V变换变换 2. 有源有源I/V变换变换单击此处编辑母版标题样式2021-11-1612 单击此处编辑母版副标题样式无源I/V变换 利用无源器件利用无

7、源器件电阻来实现，加上电阻来实现，加上RC滤波和二极滤波和二极管限幅等保护。管限幅等保护。对于对于0-10 mA输入信号，输入信号，R1=100，R2=500，输出的，输出的电压就为电压就为0 -5 V范围；范围；对于对于4-20 mA输入信号，输入信号，R1=100，R2=250，输出的，输出的电压为电压为1-5 V。单击此处编辑母版标题样式2021-11-1613 单击此处编辑母版副标题样式有源I/V变换 利用有源器件利用有源器件运算放大器和电阻电容组成。运算放大器和电阻电容组成。3411RRIRVG 利用同相放大电利用同相放大电路，把电阻路，把电阻R1上的输上的输入电压变成标准输出入电压

8、变成标准输出电压。该同相放大电电压。该同相放大电路的放大倍数为路的放大倍数为单击此处编辑母版标题样式2021-11-1614 单击此处编辑母版副标题样式若取若取R1=200，R3=100k，R4=150k，则输入，则输入电流电流 I 的的0 10 mA就对应电压输出就对应电压输出V的的0 5 V；若取若取R1=200，R3=100k，R4=25k，则，则4 20 mA的输入电流对应于的输入电流对应于1 5 V的电压输出。的电压输出。3411RRIRVG单击此处编辑母版标题样式2021-11-1615 单击此处编辑母版副标题样式 计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十

9、个检测回路使用，通过多路转换器实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。 目前，计算机控制系统使用的多路转换器种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)等。3 3、多路转换多路转换器器15既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换。指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。单击此处编辑母版标题样式2021-11-1616 单击此处编辑母版副标题样式结构原理 现以常用的CD4051为例，8路模拟开关。由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。图2 -3 CD4051结构原理

10、图0S2S3S4S5S6S7S1S动动驱驱码码译译换换转转平平电电ABCINHmS单击此处编辑母版标题样式2021-11-1617 单击此处编辑母版副标题样式图2 -3 CD4051结构原理图0S2S3S4S5S6S7S1S动动驱驱码码译译换换转转平平电电ABCINHmS单击此处编辑母版标题样式2021-11-1618 单击此处编辑母版副标题样式 当采样通道为当采样通道为16路时，可直接选用路时，可直接选用16路模拟开路模拟开关的芯片，也可以将关的芯片，也可以将2个个8路路4051并联起来。并联起来。 例例 试用两个试用两个CD4051扩展成一个扩展成一个116路的模拟开关。路的模拟开关。 分

11、析：分析：数据总线数据总线D3D0作为通道选择信号，作为通道选择信号，D3用来用来控制两个多路开关的禁止端。当控制两个多路开关的禁止端。当D3=0时，选中其中一时，选中其中一个多路开关，个多路开关，D2、D1、D0的组合选通的组合选通S0S7通道；当通道；当D3=1时，经反相器变成低电平，选中另外一个多路开时，经反相器变成低电平，选中另外一个多路开关，关， D2、D1、D0的组合选通的组合选通S8S15通道。如此，组通道。如此，组成一个成一个16路的模拟开关。路的模拟开关。扩展电路18单击此处编辑母版标题样式2021-11-1619 单击此处编辑母版副标题样式多路模拟开关的扩展电路多路模拟开关

12、的扩展电路D3D2D1D0动驱码译动驱码译换转平电换转平电0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS图2-4 多路模拟开关的扩展电路INHINH单击此处编辑母版标题样式2021-11-1620 单击此处编辑母版副标题样式 作用：把从传感器来的低电平信号按比例地放大到A/D转换器输入电压。 如果从多个传感器来的信号幅值相差悬殊，若采用一个公用放大器时，怎么办？ 可采用编控放大器，由计算机控制它的闭环增益，对不同幅值的信号进行不同比例的放大。4 放大器单击此处编辑母版标题样式2021-11-1621 单击此处编辑母版副标题样式 当然也可以每个传

13、感器都有自己的放大器。 是否必须使用放大器？ 在实际系统中，如果变送器的输出均为标准信号（如05V，420mA），通道中可以不设放大器。单击此处编辑母版标题样式2021-11-1622 单击此处编辑母版副标题样式问题：模拟信号进行 A/D 转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。解决方法：采用一种器件，在A/D转换时保持住输入信号电平，在A/D转换结束后跟踪输入信号的变化。这种功能的器件就是采样这种功能的器件就是采样/保持器。保持器。5 采样保持器单击此处编辑母版标题样式2021-11-1623 单击此处编辑母版副标题样式采样保持

14、器的一般结构形式如图所示。采样保持器的一般结构形式如图所示。 模拟信号模拟信号UiK驱动信号驱动信号ACH模拟地模拟地UO组组成成 采样开关采样开关K保持电容保持电容CH缓冲放大器缓冲放大器A：高输入阻抗，作用是把：高输入阻抗，作用是把CH和负载和负载隔离，否则保持阶段在隔离，否则保持阶段在CH上的电荷会通过负载放上的电荷会通过负载放掉，无法实现保持功能。掉，无法实现保持功能。单击此处编辑母版标题样式2021-11-1624 单击此处编辑母版副标题样式t控控制制信信号号t模模拟拟输输入入At采采样样输输出出跟踪跟踪t1A2t2A1t3保持保持A3t4A在在t1时刻前时刻前，控制电路控制电路的的

15、驱动驱动信号为高电平时信号为高电平时，采样采样开关开关K 闭合闭合，输入，输入信号信号Ui 通过通过K对电容对电容CH 快速充电快速充电，使得，使得CH端电端电压压UC 跟随跟随Ui 变化而变变化而变化。化。工作原理如下：工作原理如下： 模拟信号模拟信号UiK驱动信号驱动信号ACH模拟地模拟地UO单击此处编辑母版标题样式2021-11-1625 单击此处编辑母版副标题样式t控控制制信信号号t模模拟拟输输入入At采采样样输输出出跟踪跟踪t1A2t2A1t3保持保持A3t4A在在t1时刻，驱动信号为时刻，驱动信号为低电平，采样开关低电平，采样开关K断断开开，此时电容此时电容CH 上的上的电压电压U

16、C 保持模拟开关保持模拟开关断开瞬间的断开瞬间的Ui 值不变并值不变并等待等待AD转换器转换转换器转换。模拟信号模拟信号UiK驱动信号驱动信号ACH模拟地模拟地UO单击此处编辑母版标题样式2021-11-1626 单击此处编辑母版副标题样式t控控制制信信号号t模模拟拟输输入入At采采样样输输出出跟踪跟踪t1A2t2A1t3保持保持A3t4A 在在t2时刻，保持结束，时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到来，此新一个跟踪时刻到来，此时驱动信号又为高电平，时驱动信号又为高电平，K 重新闭合，重新闭合， CH 端电压端电压UC 又跟随又跟随Ui 变化而变变化而变 化；化；模拟信号模拟信号UiK驱动信号驱动

17、信号ACH模拟地模拟地UO t3时刻，驱动信号为低电时刻，驱动信号为低电平时平时，K断开断开，.。 单击此处编辑母版标题样式2021-11-1627 单击此处编辑母版副标题样式从以上从以上讨论可知：讨论可知：采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。 具有两个稳定的工作状态：跟踪状态 在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令止。地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令止。保持状态 对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。持。单击此处编辑母版标

18、题样式2021-11-1628 单击此处编辑母版副标题样式 A A1 1和和A A2 2分别是输入和输分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高出缓冲放大器，用以提高采样保持器采样保持器的输入阻抗，的输入阻抗，减小输出阻抗，以便与信减小输出阻抗，以便与信号源和负载连接。号源和负载连接。 K K是模拟开关，由控制是模拟开关，由控制信号电压信号电压U UK K控制其断开或控制其断开或闭合。闭合。C CH H是保持电容器。是保持电容器。 Ui -+A1KUK -+A2CH模拟地模拟地UO串联串联型型采样保持器采样保持器单击此处编辑母版标题样式2021-11-1629 单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑

19、母版标题样式2021-11-1630 单击此处编辑母版副标题样式关注的关注的指标指标获取时间：获取时间：从发出采样指令到采样从发出采样指令到采样保持器输出与输入相等所需的时间。保持器输出与输入相等所需的时间。缩短获取时间可以提高采样速率。缩短获取时间可以提高采样速率。输出电压衰减率：输出电压衰减率：在保持期的采样保持器输出电压的下降率。较大的下降率会影响A/D转换结果的精度。增加保持电容的容量能降低下降率，但又会延长获取时间，所以保持电容要综合考虑。单击此处编辑母版标题样式2021-11-1631 单击此处编辑母版副标题样式 答案：NO。如果输入的连续信号变化缓慢，同时A/D转换器有足够快的转

20、换速度时，可以省去采样保持器。必须采用采样保持器么？单击此处编辑母版标题样式2021-11-1632 单击此处编辑母版副标题样式 A/D 转换器是模拟输入通道的核心关键部件。选择的正确与否对提高模拟输入通道性价比和满足控制系统对模拟信号转换的要求，具有重要作用。实际中主要从下面几个方面考虑。 位数与转换信号的分辨率有关。转换位数越高，对模拟信号变化的反应就越灵敏。分辨率通常用数字量的二进制位数来表示。比如8位、10位等。8位A/D，表示能对满量程的1/28=1/256的增量做出反应。6 A/D转换器1） A/D转换器的位数单击此处编辑母版标题样式2021-11-1633 单击此处编辑母版副标题

21、样式 m位的A/D转换器可用2-m表示它的相对分辨率。例如10位A/D转换器相对分辨率为0.0977%，若它的满量程是10V，那么绝对分辨率是9.778mv。 选择A/D转换器位数首先要看分辨率的要求。 又是分辨率较高，但由于温度漂移、线性不良等原因使芯片的转换值与实际值相差超过分辨率。 精度：信号转换后所得结果相对于实际值的准确度。精度跟分辨率不是一个概念。单击此处编辑母版标题样式2021-11-1634 单击此处编辑母版副标题样式 数据采集电路的总误差由多路转换器、采样保持器和A/D转换器组成。选择元件精度的一般原则：每个元器件的精度指标应优于系统精度的10倍左右。 A/D转换器的动态范围

22、LI：转换模拟电压范围上限与下限之比的分贝数。LI=20lg(UImax/UImin)单击此处编辑母版标题样式2021-11-1635 单击此处编辑母版副标题样式怎么确定所使用的A/D转换器的位数呢？1.根据系统精度指标，由下式确定位数n：10/(2n+1) 例如，要求系统误差不大于0.1%，n应为多少？2.根据A/D转换器的动态范围LI，由下式确定位数n：n LI/6。单击此处编辑母版标题样式2021-11-1636 单击此处编辑母版副标题样式 转换时间：从启动转换开始到转换结束输出稳定的数字量所需要的时间（记为tc） 。 转换速度：单位时间内所能完成的转换次数。与转换时间成反比。2） A/D转换器的转换速度单击此处编辑母版标题样式2021-11-1637 单击此处编辑母版副标题样式低速低速A/D转换器：转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，转换器：转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，一般运用于对温度、压力、流量等缓变参量的检测和控一般运用于对温度、压力、流量等缓变参量的检测和控制。制。中速中速A/D转换器：转换时间可从几转换器：转换时间可从几S到到100S左右，常左右，常用于工业多通道单片机