第3章过程通道数据采集1-2

第三章

过程通道和数据采集系统杨根科上海交通大学自动化系2010年3月内容提要概述模拟量输入通道:采样,多路转换器D/A与A/D转换技术A/D转换器及其与微处理器的接口数据采集系统D/A转换器及其与微处理器的接口过程通道的抗干扰措施小结1概述过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO）微机控制系统组成框图1概述2/10过程通道的组成和功能

◆

数字量输入（DI）通道：把从控制对象检测得到的数字码、开关量、脉冲量或中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给计算机(检测通道)输入调理电路输入缓冲器地址译码器生产过程PC总线1概述3/10◆

数字量输出（DO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口输出数字信号、脉冲信号或开关信号(控制通道,电磁阀)输出驱动器输出锁存器地址译码器生产过程PC总线1概述4/10◆模拟量输入（AI）通道：把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号（如温度,压力,流量,液位等）(1-10V,4-20mA)变换成二进制的数字信号，然后经接口送入到计算机(检测通道)◆模拟量输出（AO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象(控制通道,连续调节阀)◆AI、AO比较重要，有不少特殊问题要解决1概述5/10信号转换中的采样、量化和编码

计算机控制系统，就必须首先解决模拟量和数字量之间的转换问题。转换过程大体上要解决如下3个问题：—采样（Sample）—量化（Quantity）—编码（Coding）1概述6/10

◆信号的采样把时间连续的信号转换为一连串时间不连续的脉冲信号，这个过程称为“采样”，又称为“抽样”、“取样”1概述7/10◆采样后脉冲信号称为采样信号，采样信号在时间轴上是离散的，在函数轴上仍是连续的◆香农（Shannon）采样定量：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f

≥2fmax，采样信号就能唯一复现原信号。采样定理规定了不失真采样的频率下限。在实际应用中常取f＝（5～10）fmax

1概述8/10◆量化

采样信号经过整量化成为数字信号的过程称为整量化过程

1概述9/10◆整量化过程是一个数值分层过程。四舍五入过程◆量化单位q是A/D转换器最低位二进制位（LSB）所代表的物理量，量化误差(精度)为±q/2◆采样信号与数字信号的区别◆实际应用中,f>=(5~10)fmax1概述10/10

◆编码

◆把量化信号转换为二进制代码的过程称为编码

◆编码的任务由A/D转换器完成

◆双极性(正负)信息的3种表示方法—符号－数值码—补码表示法—偏移二进制码注记：常用的双极性编码数正基准负基准符号-数值码2的补码偏移2进制码+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注记：常用的双极性编码关系将右边码转变为下面码符号-数值码2的补码偏移2进制码符号-数值码不变最高位为1,则其余各位取反,再加00…01最高位取反,若取反后最高位为1,则其余各位取反,再加00…012的补码最高位为1,则其余各位取反,再加00…01不变最高位取反偏移2进制码最高位取反,若取反后最高位为0,则其余各位取反,再加00…01最高位取反不变备注:十进制数转换二进制数方法：整数采用“除以2取余法”，小数采用“乘以2取整法”。将十进制数37．375转换为二进制数:故(37.375)10=(100101.011)2

内容提要概述模拟量输入通道:采样,多路转换器D/A与A/D转换技术A/D转换器及其与微处理器的接口数据采集系统D/A转换器及其与微处理器的接口过程通道的抗干扰措施小结2模拟量输入通道模拟量输入通道的一般组成

一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和A/D转换器组成2模拟量输入输出通道2/15◆检测：把非电量的工艺参数（如温度、压力、流量等）通过传感器转换为电量（一般为直流电压或电流）◆信号处理：包括信号滤波、小信号放大、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线行补偿、电流/电压转换等2模拟量输入输出通道3/15多路转换器(多路调制器/多路解调器开关,CD4051等)

◆当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时，常常采用模拟多路开关，利用它将各路模拟量轮流与A／D转换器接通。这样使用一片A／D转换器就可完成多个模拟输入信号的依次转换，从而节省了硬件电路。

◆理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。

◆两大类：—机械触点式,干簧继电器,机械振子继电器—电子开关式,晶体管开关,集成电路开关,场效应管

◆选择要求2模拟量输入输出通道4/15◆选择要求—机械触点式,干簧继电器接触电阻小,断开电阻大;寿命长10^6~10^7;工作频率400Hz;小信号中速度(10~400点/s)—电子开关式工作频率高达1000点/s,体积小,寿命长.缺点导通电阻大,小信号测量精度受影响选择考虑因数:通路多少;电平高低;单端/差动输入方式?;寻址方式;切换速率;切换时要多长时间才能稳定到要求精度参考p.41原理图(场效应管)2模拟量输入输出通道5/15放大器(p.42,图3.6,3.7,3.8)

◆A/D转换器的输入电压一般都有一定范围，而变送器过来的信号一般都是MA级的，所以必须经过放大(一般的A/D满度电压10V)

◆可编程序放大器是一种通用性强的高级放大器，可以根据需要用程序来改变它的放大倍数◆当多路输入的信号源电平相差较大时,用同一增益放大器去放大高/低电平信号,可能使得低电平信号测量精度降低,而高电平信号有可能超出A/D转换器的输入范围.采用编程序放大器,使A/D转换器满量程达到均一化,提高多路采集的精度.2模拟量输入输出通道5+/15MCP6S2X系列是MicrochipTechnology公司推出的可编程增益放大器，可广泛用于多路模拟传输应用、信号采集、A／D转换驱动和信号测量系统中。引脚定义MCP6S28为例管

脚

名作

用VOUT模拟输出CH0～CH7模拟输入VSS电源负端VDD电源正端SCK时钟输入SI串行数据输入SO串行数据输出CS片选VREF外部参考电压2模拟量输入输出通道6/15采样/保持器

◆作用：在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输出值不变。

◆最简单的采样/保持器是由开关和电容组成：2模拟量输入输出通道6+/15采样/保持器

◆2模拟量输入输出通道7/15•转换时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时间。 捕捉时间Tac：采样命令发出后，采样保持电路由保持状态转到采样状态，保持电容上的电压由所保持的值到达输入信号当前值所需的时间。它与输入放大器的响应时间、模拟开关的延迟时间、电容器的充电时间常数、保持电容器上电压变化幅度等有关。Tac将影响采样频率的提高，但不会影响精度。孔径时间Tap：保持命令发出后，模式控制开关由导通到完全断开所需的时间。Tap的存在使实际的采样时间延迟，引起实际的电压保持值与希望的电压保持值间产生误差，影响A／D转换精度。•转换(孔径)误差：采样时刻的最大转换误差•转换(孔径)误差的消除：采用采样保持器2模拟量输入输出通道7+/15采样中问题◆A/D转换器完成一次转换过程的时间称为转换时间;转换期间将引起误差;误差估计:◆Vf=5V;12位的A/D;基准电压10.24V;量化误差为最低位的一半;转换时间0.1ms.则信号最高频率为2模拟量输入输出通道8/15采样/保持器工作机理

◆图3.9和3.10是LF398的原理图.

◆指标:CH=0.01F;0.01%精度获取时间25s;保持器下降速度3mv/s;转换时间100s;保持器下降电压300v2模拟量输入输出通道8+/15采样保持器LF398介绍（p.45）保持电容输入输出缓冲放大器模拟开关等组成在采样期间，模式控制开关闭合，接通输入信号，A1是输出阻抗很低的高增益放大器，通过闭合的开关对电容快速充电，此电容器的电压跟踪输入信号的电平变化。在保持期间，开关断开，因为A2的输入阻抗很高，电容器上的电压可基本保持不变，即基本保持充电时的最终值。2采样保持器LF3988++/15LF398价格低廉，在国内应用非常广泛。它有8个引脚，结构框图和典型连线图如图,2脚接1kΩ电阻，用于调节漂移电压，7脚和8脚是两个控制端，控制开关的关断。7脚接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。如7脚接地，则8脚接控制信号大于1．4V时，LF398处于采样状态；如8脚为低电平，则LF398处于保持状态。6脚外接保持电容，它的选取对采样保持电路的技术性能指标至关重要，大电容可使系统得到较高精度，但采样时间加长。小电容可提高采样频率，但精度较低。同时，电容的选择应综合考虑精度要求和采样频率等因素。LF398的其它几个参数为：输入阻抗Ri＝100MΩ，输出阻抗,RO=0.5Ω,漂移电压2mV，供电电压值在5～18V间选择。2采样保持器LF3988#/15R(s)T=3ms衰减振荡T=150ms等幅振荡2采样保持器LF3988#+/15闭环脉冲传递函数为：

（7-3）闭环采样系统的特征方程式为：（7-4）从式（7-4）知道，特征方程式的根与采样周期T有关，若特征根的模块小于1，则系统稳定，若有一个特征根的模大于1，则系统不稳定，因此系统的稳定性与采样周期T的大小有关。R(s)

2模拟量输入输出通道9/15多路调制器/多路解调器开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器，当给驱动继电器的驱动电路加高电平或低电平时，继电器就吸合或释放，其触点接通或断开电路。CMOS模拟开关是一种可控开关，它不象继电器那样可以用在大电流、高电压场合，只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号。

2模拟量输入输出通道9/15CD4051介绍：单边8通道多路调制器/多路解调器。其引脚结构如图所示。

2模拟量输入输出通道9/15CD4051介绍：CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表1。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V，VSS=0V，当VEE=－5V时，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。

2模拟量输入输出通道9/15CD4051介绍：Vss，接地GND

Vdd，接+5V

Vee，接-5V（若是逻辑电路接地亦可，音频必须接负电压，可接-10V）。模拟量输入输出通道10/15C、B、A为二进制控制输入端，INH为禁止输入端（高电平禁止）。改变IN/OUT0~7及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。其真值表如下所示：2模拟量输入输出通道11/15当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联起来。两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法如图所示。2模拟量输入输出通道12/15当采样的通道比较多，可以将两个以上的多路开关并联起来。四个8路开关扩展成16路的差动输入方法图3.5。OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{差动模拟输入（18）差动模拟输入（916）~~模拟输出V1.....OUTOUTCCABBACD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{差动模拟输入（18）差动模拟输入~~4D锁存器....（916）.....模拟输出V22模拟量输入输出通道13/158个8路开关扩展成64路的输入方法图3.20。P.57自学2其它多路开关14/15常用CMOS模拟开关功能和原理

四双向模拟开关CD4066

CD4066的引脚功能如图所示。每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为－50dB。2其它多路开关14+/15双四路模拟开关CD4052

CD4052的引脚功能见图。CD4052相当于一个双刀四掷开关，具体接通哪一通道，由输入地址码AB来决定。其真值表见表。(B,A)=(0,1)“1”X,”1”Y

输入状态接通通道INHBA000“0”X、“0”Y001“1”X、“1”Y010“2”X、“2”Y011“3”X、“3”Y1