第2章 过程通道和数据采集系统

1、微机控制技术第2章 过程通道和数据采集系统第2章 过程通道和数据采集系统2.1 信号的采样与恢复2.2 模拟量输入通道2.3 模拟量输出通道2.4 数字量输入输出通道2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复2.1.1 信号的采样过程信号的采样过程1信号类型 在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型。 （1）模拟信号 在时间和幅值上均连续取值而不发生突变的信号，一般用十进制数表示。这是控制对象需要的信号。 （2）离散模拟信号 在时间上不连续，而在幅值上连续取值的信号。这是在信号变换过程中需要的中间信号。 （3）数字（离散）信号 在时间和幅值上均不连续取值的信号，通常用二进制代码形式表示。这是计算

2、机需要的信号。2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复输入和输出计算机的信息转换如图2-1所示。图2-1 输入和输出计算机的信息转换 3.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复2采样过程及其数学描述 将模拟信号转换为离散模拟信号的过程称为采样过程。实现这个采样过程的装置称为采样器，又叫采样开关。采样器可以用一个按一定周期闭合的开关来表示，其采样周期为T，每次闭合的持续时间为。连续的输入信号经过采样器S后，变成离散的脉冲序列，如图2-2所示。 2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复图2-2 连续信号的采样过程2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复 采样器的闭合时间通常远远小于采样周期T，也远远

3、小于被控对象连续部分的所有时间常数。在分析时，可以认为= 0 。这样，采样器就相当于一个理想采样器，它等效于一个理想的单位脉冲序列发生器，能够产生以T为周期的单位脉冲序列，其数学表达式为KTKTtt)(（2-1） 式中，T为采样周期；K为整数。2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复 这样，理想采样器的输入信号和采样器的输出信号之间存在下面的关系KTKTttxttxtx)()()()(*（2-2） 等价地，还可以写成 KKTtKTxtx)(*（2-3） 在分析一个系统时，一般都是讨论零状态响应，控制作用也都是零时刻开始施加的，因此采样器的输入信号在时为零。这时，式（2-1）、式（2-2）和式（

4、2-3）中的求和下限应该取零。2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复 由于在整个控制过程中，采样周期一般是不变的，所以也可以记为或简记为。由上所述，在理想采样器的作用下，采样过程如图2-3所示。 图2-3 连续信号的理想采样过程2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复2.1.2 采样定理采样定理 在计算机控制系统中对连续信号进行采样，是要用抽取的离散信号序列代表相应的连续信号来参与控制运算，所以要求采样到的离散信号序列能够表达相应的连续信号的基本特征。为使离散信号能不失真地恢复为原来的连续信号，对采样角频率有一定的要求，香农（Shannon）采样定理则定量地给出了采样角频率的选择原则。 采样

5、定理：如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为采样定理：如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为Wmax，则对进行周期采样且采样角频率大等于，则对进行周期采样且采样角频率大等于2 Wmax时，时，连续信号可以由采样信号惟一确定，亦即可以从不失真地恢连续信号可以由采样信号惟一确定，亦即可以从不失真地恢复。复。2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复 由以上分析，可知要想从采样信号 中不失真地恢复连续信号 ，采样角频率 必须满足)(* tx)(txsmax2s（2-11） 在计算机控制系统中，一般总是取 max2s，而不取 s恰好等于 max2的情况。 2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复2.1.

6、3 信息的恢复过程和零阶保持器信息的恢复过程和零阶保持器 为了实现对被控对象的有效控制，必须把离散信号恢复为连续信号。采样定理从理论上给出了从采样信号 恢复为原来连续信号 的条件，可以注意到，信号的恢复需要通过一个理想的低通滤波器滤除 中的高频分量，滤波器的输出就是原来的连续信号 。理想的低通滤波器在物理上是很难实现的，因此在工程上通常采用接近理想滤波器特性的零阶保持器来代替。)(* tx)(tx)(* tx)(tx2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复1零阶保持器 零阶保持器的作用是把采样时刻kT的采样值恒定不变地保持（外推）到（k+1）T时刻，也就是说，在 时间区间内，它的输出量一直保持

7、为 这个值，从而使得两个采样点之间不为零值。这样，零阶保持器把离散信号恢复成了一个阶梯波形信号 ，如图2-7所示。TkkTt1,kTx txh图2-7采样和保持电路的结构及前后信号对比2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复2零阶保持器的数学模型 零阶保持器的输出信号 的数学描述可以写成 txh 0111)(khTktkTtkTxtx（2-12） 它的拉氏变换为 seseekTxsXTskTskTsh1s*X 1)(0（2-13） 2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复由此可以看出，零阶保持器的传递函数为 sesXsXsGTshh1*（2-14） 零阶保持器的频率特性为sjsssTjTjTj

8、TjTjheeTTTjeeejejGsin2 22sin 121212121（2-15） 式中 为采样角频率。Tfss222.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复3零阶保持器的实现 零阶保持器可以用无源网络来近似实现。如果将零阶保持器传递函数中的 展开成幂级数Tse22! 211sTTseTs取级数的前两项可得 TsTTssessesGTsTsh111111111（2-16） 2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复式（2-16）可以用图2-9所示的RC无源网络来实现。图2-9 用RC无源网络近似零阶保持器 2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道2.2.1 模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道

9、的一般组成模拟量输入通道的一般组成框图如图2-11所示。图2-11 模拟量输入通道的组成框图2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道1信号调理电路 在计算机控制系统中，模拟量输入信号主要有传感器输出的信号和变送器输出的信号两类。因此，信号调理电路的设计主要是根据传感器输出的信号、变送器输出的信号及A/D转换器的具体情况而有所不同。 2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道 电流信号：一般为010mA（01.5k负载）或420mA（0500负载）。 电压信号：一般为05V或15V信号。 传感器输出的信号包括： 电压信号：一般为mV或V信号。 电阻信号：单位为，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信

10、号。 电流信号：一般为mA或A信号。变送器输出的信号包括：2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道 以上这些信号往往不能直接送入A/D转换器，对于较小的电压信号需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标准电压信号（如05V，15V，010V，-5+5V等），再经滤波后才能送入A/D转换器。而对于电流信号应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道2多路模拟开关 当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或AD转换器上，实现对各个输入通道的分时控制。 目前采用CM

11、OS工艺的多路开关应用最为广泛。尽管模拟开关种类很多，但其功能基本相同，只是在通道数、开关电阻、漏电流、输入电压及方向切换等性能参数有所不同。多路模拟开关主要有4选1、8选1、双4选1、双8选1和16选1等，它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组成及工作原理基本相同。2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道常用的单端、双向8路模拟开关CD4051的引脚图如图2-17所示。 图2-17 CD4051的引脚图2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道3前置放大器 前置放大器的任务是将模拟小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如05V）。它可以分为固定增益放大器和可变增益放大器两种，前者适用

12、于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器。2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道4采样/保持器 A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样/保持器S/H（Sample Hold）。如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，不必再选用采样/保持器。2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道（1）采样/保持器的工作原理 S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成，如图2-24所示。图2-24

13、采样/保持器的原理图2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道 采样/保持器有采样和保持两种工作状态。当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过电阻R向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，由于电容C此时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。 在采样期间，不启动A/D转换器，一旦进入保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换的模拟输入电压恒定，提高了A/D转换的精度。2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道（2）常用的采样/保持器 常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、TH

14、S-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，介绍集成电路S/H的工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。 LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10s，输入阻抗为，保持电容为1F时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源范围宽，可以从5V到18V，并可与TTL、PMOS和CMOS兼容。 2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道2.2.2 A/D转换器接口逻辑设计要点转换器接口逻辑设计要点 A/D转换器的作用就是把模拟

15、量转换为数字量，是模拟量输入通道必不可少的器件。常用的AD转换器从转换原理上可分为逐次逼近型、计数比较型和双积分型。从分辨率上可分为8位、12位、16位等；无论哪一种A/D转换器将其与计算机接口连接时，都会遇到许多实际问题，比如：数字量输出信号的连接，A/D转换器的启动方式，转换结束信号的处理方式，时钟信号的连接。 下面以A/D转换器与8位单片微型计算机的接口逻辑为例说明设计要点。2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道1数字量输出信号的连接 A/D转换器数字量输出引脚和8位单片微型计算机的连接方法与其内部结构有关。 如果转换器的数据输出寄存器具有三态锁存功能，则AD转换器的数字量输出引脚可直接接

16、到CPU的数据总线上，转换结束，CPU可以直接读入数据。 对于10位以上的AD转换器，输出数据寄存器增加了读数控制逻辑电路，把10位以上的数据分时读出。 对于内部不包含读数据控制逻辑电路的AD转换器，应增设三态门对转换后数据进行锁存，以便控制10位以上的数据分两次进行读取。2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道2A/D转换器的启动方式 任何一个AD转换器都必须在外部启动信号的作用下才能开始工作，启动方式分脉冲启动和电平控制启动两种。 脉冲启动转换只需给AD转换器的启动控制转换的输入引脚上，加一个符合要求的脉冲信号即可，如ADC0809、ADC80、ADC1210等均属此列。 电平控制转换的AD转

17、换器，当把符合要求的电平加到控制转换输入引脚上时，立即开始转换，而且此电平应保持在转换的全过程中，否则将会中止转换的进行。因此，该电平一般需由D触发器锁存供给，例如，AD570、AD571、AD574等均是如此。2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道3转换结束信号的处理方式 当AD转换结束时，AD转换器芯片内部的转换结束触发器置位，并输出转换结束标志电平，以通知主机读取转换结果的数字量。 主机判断AD转换结束的方法有3种：即中断、查询和延时方式。这3种方式的选择往往取决于AD转换器的速度和应用系统总体设计要求以及程序的安排。2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道4时钟信号的连接 AD转换器的频率是

18、决定其转换速度的基准。整个AD转换过程都是在时钟作用下完成的。 AD转换时钟的提供方法有两种: 一种是由芯片内部提供，如AD574A； 另一种是由外部时钟提供。外部时钟少数由单独的振荡器提供，更多的则是由CPU经时钟分频后，送至A/D转换器的时钟端。2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道2.3.1 模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式 多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。 输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。2.3 模拟量输出通道模拟量输出

19、通道1一个通道设置一片D/A转换器 一个通道设置一片D/A转换器的结构形式如图2-55所示。图2-55 一个通道设置一个D/A转换器2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道 这是一种数字保持方案。 优点:转换速度快，工作可靠，即使某一路D/A转换器发生故障，也不影响其他通道的工作。 缺点:使用了较多的D/A转换器，使得这种结构的价格很高。 2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道2多个通道共用一片D/A转换器 共用D/A转换器的结构形式如图2-56所示。图2-56 共用D/A转换器2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道 由于公用一片D/A转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即依次把D/A转换器转换成

20、的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给输出采样保持器。 优点:节省了D/A转换器。 缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。它还要使用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。 2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道2.3.2 D/A的结构特性与应用特性的结构特性与应用特性1数字输入特性 数字输入特性包括接收数的码制、数据格式以及逻辑电平等。 批量生产的DA转换芯片一般都只能接收自然二进制数字代码。因此，当输入数字代码为其他形式时，应外接适当的偏置电路后才能被接收。 多数D/A转换器都接收并行码，但对于有些芯片内部配置有移位寄存器的

21、D/A转换器也可以接收串行码输入。 2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道2模拟输出特性 目前生产的多数D/A转换器均属于电流输出器件。手册上通常给出的是输入参考电压及参考电阻之下的满码（全l）输出电流I0和最大输出短路电流。 对于输出特性具有电流源性质的D/A转换器，还给出了输出电压允许范围，它是用来表示由输出电路（包括简单电阻负载或者运算放大器电路）造成的输出端电压的可变动范围。只要输出端的电压小于输出电压允许范围，输出电流和输入数字之间保持正确的转换关系，而与输出的电压大小无关。 对于输出特性为非电流源特性的D/A转换器，电流输出端应保持公共端电位或虚地，否则将破坏其转换关系。2.3 模拟

22、量输出通道模拟量输出通道3锁存特性 D/A转换器对数字量输入是否具有锁存功能将直接影响与CPU的接口设计。 如果D/A转换器没有输入锁存器，通过CPU数据总线传送数字量时，必须采用锁存器连接，否则只能通过具有输出锁存功能的可编程并行IO口给D/A送入数字量，但目前这种D/A转换器较少使用。4参考电压源 参考电压源是惟一影响D/A转换器输出结果的模拟参量。选用内部带有低漂移、精密参考电压源的D/A转换器不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2.4.1 数字量输入通道数字量输入通道1数字量输入接口电路 数字量输入接口电路一般包括三态缓冲器和地

23、址译码器组成，如图2-75所示。图中开关输入信号S0S7接到缓冲器74LS244的输入端，当CPU执行输入指令时，地址译码器产生片选信号，将S0S7的状态信号送到数据线D0D7上，然后再送到CPU中。2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道图2-75 数字量输入接口电路2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 图2-76所示为开关、继电器等接点输入信号的电路。它将接点的接通和断开动作转换成TTL电平或CMOS电平，再与计算机相连。为了消除接点的抖动，一般都应加入有较长时间常数的电路来消除这种振荡。图2-76（a）所示为一种简单的、采用RC滤波电路消除开关抖动的方法。图2-76（b）所示

24、为常用的RS触发器消除开关两次反跳的方法。2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2输入信号调理电路（1）小功率输入调理电路图2-76 小功率输入调理电路2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道（2）大功率输入调理电路图2-77为大功率系统中接点信号输入电路图。 图2-77 大功率输入信号调理电路2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 图中高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。光电耦合器是以光为媒介传输信号的器件，它把一个发光二极管和一个光敏三极管（或达林顿光敏电路）封装在一个管壳内，发光二极管加上正向输入电压信号（1.1V）即发光。光作用在光敏三极管的基极，产生基极光电流使三极

25、管导通，输出电信号。在光电耦合器中，输入电路与输出电路是绝缘的，一个光电耦合器可以完成一路开关量的隔离。2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道（3）交流输入信号检测电路 交流输入信号检测电路如图2-78所示。 图2-78 交流输入信号检测电路2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 图中L1、L2为电感，一般取1000H，RV1为压敏电阻，当交流输入为110V时，RV1取270V；当交流输入为220V时，RV1取470V。R1取510k/0.5W，R2取3W电阻，R3取2.4k/0.25W电阻，R4取100/0.25W电阻，电容C1取10F/25V，光耦合器OP可取TLP620或PS

26、2505-1。L、N为交流输入端。当S按钮按下时，OUT=0；当S按钮未按下时，OUT=1。 2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2.4.2 数字量输出通道数字量输出通道1数字量输出接口 数字量输出接口电路包括输出锁存器和地址译码器，如图2-79所示。数据线D0D7接到输出锁存器74LS273的输入端，当CPU执行输出指令时，地址译码器产生写数据信号，将D0D7状态信号送到锁存器的输出端Q0Q7上，再经输出驱动电路送到开关器件。 2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道图2-79 数字量输出接口电路2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2输出信号驱动电路（1）低电压开关量信号

27、输出技术 对于低电压情况下开关量控制输出，可采用晶体管、OC门或运放等方式输出，如驱动低压电磁阀、指示灯、直流电机等，如图2-80所示。图2-80 低压开关量输出 2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 需注意的是，在使用OC门时，由于其为集电极开路输出，在其输出为“高”电平状态时，实质只是一种高阻状态，必须外接上拉电阻，此时的输出驱动电流主要由Vc提供，只能直流驱动并且OC门的驱动电流一般不大，在几十毫安量级。 如果驱动设备所需驱动电流较大，则可采用三极管输出方式，如图2-81所示。 图2-81 三极管输出驱动 2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道（2）继电器输出接口技术 一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为控制系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可以完成从低压直流到高压交流的过渡。如图2-82所示。图2-82 继电器输出电路2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 继电器输出也可用于低压场合，与晶体管等低压输出驱动器相比，继电器输出时输入端与输出端有一定的隔离功能。 但由于采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产生火花从而引起干扰；对于交流高压等场合使用，触点也容易氧化；由于继电器