计算机控制技术课件第5章第6节

计算机控制技术第五章计算机控制系统中的过程通道技术通道接口技术数字量输入/输出通道模拟量输出/输入通道第6节

模拟量输入通道模拟量输入通道的结构信号处理A/D转换技术并行转换结构对于高速系统．特别是需要同时得到描述系统性能各项数据的系统，可采用下图所示并行转换结构。其特点是速度快、工作可靠，即使某一通路有故障，也不会影响其他通路正常工作。

模拟量输入通道的结构多路通道共享采样保持或模数转换(A／D)电路

模拟量输入通道的结构第6节

模拟量输入通道模拟量输入通道的结构信号处理A/D转换技术信号处理信号处理形式信号大小电压电流常用放大电路运算放大器的基本电路仪表放大器程控放大器隔离放大器I/V变换无源有源1、传感器输出为大信号模拟电压2、传感器输出为小信号模拟电压信号处理形式3、传感器输出的是大电流信号

4、传感器输出的是小电流信号信号处理形式信号处理信号处理形式信号大小电压电流常用放大电路运算放大器的基本电路仪表放大器程控放大器隔离放大器I/V变换无源有源1、运算放大器的基本电路（1）反比例放大器常用放大电路（2）正比例放大器常用放大电路（3）跟随器常用放大电路2、仪表放大器在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号较弱，而且还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰。需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，称为测量放大器或仪表放大器。在要求较高的场合，常采用集成测量放大器，例如：AD521、AD522、INA101等。常用放大电路3、程控放大器在模拟信号送到模数变换系统时，为减少转换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能大。如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变换等。集成的程控放大器，如：AD524、AD624、PGA200等。常用放大电路4、隔离放大器在有强电或强电磁干扰等环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道常采用隔离技术；在生物医疗仪器上，为防止漏电流、高电压等对人体的意外伤害，也常采用隔离放大技术，以确保患者安全；此外，在许多其他场合也常需要采用隔离放大技术。能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。一般来讲，隔离放大器是指对输入、输出和电源三者彼此相互隔离的测量放大器。目前，隔离放大器中采用的方式主要有两种：变压器耦合和光电耦合。常用的有AD204、ISO100等常用放大电路信号处理信号处理形式信号大小电压电流常用放大电路运算放大器的基本电路仪表放大器程控放大器隔离放大器I/V变换无源有源1、无源I/V变换最简单的无源I/V变换？令电流通过一个精密电阻R，则电阻上的电压(V＝I×R)就是所要转换的电压。对于0～10mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=500Ω，且R2为精密电阻，这样当输入的电流为0～10mA电流时，输出的电压为0～5VI/V变换2、有源I/V变换I/V变换第6节

模拟量输入通道模拟量输入通道的结构信号处理A/D转换技术A/D转换技术A/D转换原理逐次逼近双斜率积分Σ－Δ型A/D技术指标分辨率转换时间转换量程A/D实现技术A/D位数=数据总线位数A/D位数>数据总线位数A/D位数<数据总线位数

A/D转换芯片中包括逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成如图所示。转换过程如下：①时序及控制逻辑给SAR最高位为“1”，其余为“0”，经D/A转换为模拟电压Vf，然后与输入电压Vx比较，确定该位；②当Vx≥Vf，此位为“1”，置下位为“1”；③当Vx<Vf，此位为“0”，置下位为“1”。④按上述方法依次类推，逐位比较判断，直至确定SAR的最低位为止。A/D转换原理——逐次逼近式A/D转换原理——逐次逼近式序号逐次逼近寄存器的值DA输出（V）比较结果110002.670201001.331301102.001401112.331实例：以4位AD为例，其中内部DA基准电压为5V，设输入电压为2.4VA/D转换原理——逐次逼近式A/D转换原理——双斜率积分式器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜。典型芯片：MC14433、AD7550、ICL7109A/D转换原理——Σ－Δ型工作原理：模拟信号与移位DAC的输出送到减法器，经积分器后送到比较器。以Kfs采样速率将输入信号转换为由1和0构成的连续串行位流。精度最高的A／D转换器，一般说来速度较低。

典型芯片：AD7715A/D转换原理——Σ－Δ型A/D转换原理——Σ－Δ型其它A/D方法并行A/D转换n位则需2n-1个比较器，成本高，故只应用于转换速度要求极高的场合计数器式A/D转换每输入一个时钟脉冲，计数器加（或减）1，逼近输入值。电压/频率转换电压转换为频率信号。A/D转换技术A/D转换原理逐次逼近双斜率积分Σ－Δ型A/D技术指标分辨率转换时间转换量程A/D实现技术A/D位数=数据总线位数A/D位数>数据总线位数A/D位数<数据总线位数1、分辨率

分辨率通常用数字输出最低有效位（LeastSignificantBit，LSB）所对应的模拟量输入电压值表示，例如：AD位数n＝8，满量程为5V，则LSB对应5V/(28-1)=19.6mV。由于分辨率直接与转换位数有关，所以一般也用其位数表示分辨率，如8，10、12、14、16为AD。通常把小于8位的称为低分辨率，10－12位的成为中分辨率，14位以上的为高分辨率。A/D技术指标2、转换时间

从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成一次转换所用的时间，为转换时间。转换时间的倒数为转换速率。通常转换时间从几ms到100ms成为低速，从几μs到100μs称为中速，从10ns到100ns左右成为高速。3、转换量程

所能转换的模拟量输入电压范围，如0－5V，－5－＋5V等。A/D技术指标A/D转换技术A/D转换原理逐次逼近双斜率积分Σ－Δ型A/D技术指标分辨率转换时间转换量程A/D实现技术A/D位数=数据总线位数A/D位数>数据总线位数A/D位数<数据总线位数A/D转换器与CPU连接时需要考虑的问题输入模拟电压的连接单端输入：IN直接与信号连接差动输入：VIN(+)VIN(-)单端输入正信号：UIN(+)接信号、UIN(-)接地单端输入负信号：UIN(-)接信号、UIN(+)接地。数据输出线和系统总线的连接数据线具有可控三态输出门，可直接与系统总线连接；数据线没有三态输出门或具有内部三态门但不受外部控制，则（不能直接连接系统总线）必须通过I/O接口连接；8位以上A/D转换需考虑A/D的数据输出线和系统总线位数的对应关系（针对8位CPU、12位A/D，需分高低位分别连接，分时按字节读入）。A/D实现技术1、8位A/D与CPU的接口(以ADC0809为例)8路模拟开关控制与时序SAR树状开关电阻网络三态输出锁存缓冲器地址译码IN7IN0ADDAADDBADDCALEVccGNDVREF+VREF-OED7D0EOCCLKSTARTADC0809功能方框图A/D实现技术1、8位A/D与CPU的接口(以ADC0809为例)A/D实现技术2、12位A/D与8位CPU的接口A/D实现技术3、12位A/D与16位CPU的接口A/D实现技术常用的过程通道主要包括哪些类型？如何通过管脚功能确定采用的编址方式？I/O接口编址不同功能的管脚是如何配合的？参考图5-3，如果Y0-Y7对应的地址顺序为2E0H、2E2H、2E1H、2E3H、2E4H、2E6H、2E5H、2E7H，如何设计74LS138与地址线的连接？参考图5-4，如果对地址F7H进行I/O写操作，74LS138的哪个输出引脚变为低电平？如果对对地址F7H进行I/O读操作，74LS138的输出是否会发生变化？如何变化？对于图5-7，锁存器选用的是74LS574，使用74LS573是否可以？如何设计？思考请思考锁存器和缓冲器的区别。设计数字量输入调理电路时，要考虑哪些方面？请比较固态继电器与继电器的区别。设计一个通过继电器级联驱动大功率设备的电路。D/A有哪些常用的转换方式？分别是如何工作的？DAC0832中输入寄存器和DAC寄存器各有什么功能？为什么要有两个寄存器？12位的D/A转换器能否与8位数据总线CPU连接？隔离放大器中采用什么方式实现隔离？A/D有哪些常用的转换方式？分别是如何工作的？思考能否用单