第3章過程通道數(shù)據(jù)采集1-2

第三章

過程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)楊根科上海交通大學(xué)自動化系2010年3月內(nèi)容提要概述模擬量輸入通道:采樣,多路轉(zhuǎn)換器D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器及其與微處理器的接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換器及其與微處理器的接口過程通道的抗干擾措施小結(jié)1概述過程通道：計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。（AI、AO、DI、DO）微機控制系統(tǒng)組成框圖1概述2/10過程通道的組成和功能

◆

數(shù)字量輸入（DI）通道：把從控制對象檢測得到的數(shù)字碼、開關(guān)量、脈沖量或中斷請求信號經(jīng)過輸入緩沖器在接口的控制下送給計算機(檢測通道)輸入調(diào)理電路輸入緩沖器地址譯碼器生產(chǎn)過程PC總線1概述3/10◆

數(shù)字量輸出（DO）通道：把從計算機輸出的數(shù)字信號通過接口輸出數(shù)字信號、脈沖信號或開關(guān)信號(控制通道,電磁閥)輸出驅(qū)動器輸出鎖存器地址譯碼器生產(chǎn)過程PC總線1概述4/10◆模擬量輸入（AI）通道：把從控制對象檢測得到的時間連續(xù)模擬信號（如溫度,壓力,流量,液位等）(1-10V,4-20mA)變換成二進(jìn)制的數(shù)字信號，然后經(jīng)接口送入到計算機(檢測通道)◆模擬量輸出（AO）通道：把從計算機輸出的數(shù)字信號通過接口由它變換成相應(yīng)的模擬量信號輸出給控制對象(控制通道,連續(xù)調(diào)節(jié)閥)◆AI、AO比較重要，有不少特殊問題要解決1概述5/10信號轉(zhuǎn)換中的采樣、量化和編碼

計算機控制系統(tǒng)，就必須首先解決模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換問題。轉(zhuǎn)換過程大體上要解決如下3個問題：—采樣（Sample）—量化（Quantity）—編碼（Coding）1概述6/10

◆信號的采樣把時間連續(xù)的信號轉(zhuǎn)換為一連串時間不連續(xù)的脈沖信號，這個過程稱為“采樣”，又稱為“抽樣”、“取樣”1概述7/10◆采樣后脈沖信號稱為采樣信號，采樣信號在時間軸上是離散的，在函數(shù)軸上仍是連續(xù)的◆香農(nóng)（Shannon）采樣定量：若信號的最高頻率為fmax，只要采樣頻率f

≥2fmax，采樣信號就能唯一復(fù)現(xiàn)原信號。采樣定理規(guī)定了不失真采樣的頻率下限。在實際應(yīng)用中常取f＝（5～10）fmax

1概述8/10◆量化

采樣信號經(jīng)過整量化成為數(shù)字信號的過程稱為整量化過程

1概述9/10◆整量化過程是一個數(shù)值分層過程。四舍五入過程◆量化單位q是A/D轉(zhuǎn)換器最低位二進(jìn)制位（LSB）所代表的物理量，量化誤差(精度)為±q/2◆采樣信號與數(shù)字信號的區(qū)別◆實際應(yīng)用中,f>=(5~10)fmax1概述10/10

◆編碼

◆把量化信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼的過程稱為編碼

◆編碼的任務(wù)由A/D轉(zhuǎn)換器完成

◆雙極性(正負(fù))信息的3種表示方法—符號－數(shù)值碼—補碼表示法—偏移二進(jìn)制碼注記：常用的雙極性編碼數(shù)正基準(zhǔn)負(fù)基準(zhǔn)符號-數(shù)值碼2的補碼偏移2進(jìn)制碼+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注記：常用的雙極性編碼關(guān)系將右邊碼轉(zhuǎn)變?yōu)橄旅娲a符號-數(shù)值碼2的補碼偏移2進(jìn)制碼符號-數(shù)值碼不變最高位為1,則其余各位取反,再加00…01最高位取反,若取反后最高位為1,則其余各位取反,再加00…012的補碼最高位為1,則其余各位取反,再加00…01不變最高位取反偏移2進(jìn)制碼最高位取反,若取反后最高位為0,則其余各位取反,再加00…01最高位取反不變備注:十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)方法：整數(shù)采用“除以2取余法”，小數(shù)采用“乘以2取整法”。將十進(jìn)制數(shù)37．375轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù):故(37.375)10=(100101.011)2

內(nèi)容提要概述模擬量輸入通道:采樣,多路轉(zhuǎn)換器D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器及其與微處理器的接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換器及其與微處理器的接口過程通道的抗干擾措施小結(jié)2模擬量輸入通道模擬量輸入通道的一般組成

一般由信號處理、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成2模擬量輸入輸出通道2/15◆檢測：把非電量的工藝參數(shù)（如溫度、壓力、流量等）通過傳感器轉(zhuǎn)換為電量（一般為直流電壓或電流）◆信號處理：包括信號濾波、小信號放大、信號衰減、阻抗匹配、電平變換、非線行補償、電流/電壓轉(zhuǎn)換等2模擬量輸入輸出通道3/15多路轉(zhuǎn)換器(多路調(diào)制器/多路解調(diào)器開關(guān),CD4051等)

◆當(dāng)系統(tǒng)中有多個變化較為緩慢的模擬量輸入時，常常采用模擬多路開關(guān)，利用它將各路模擬量輪流與A／D轉(zhuǎn)換器接通。這樣使用一片A／D轉(zhuǎn)換器就可完成多個模擬輸入信號的依次轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省了硬件電路。

◆理想工作狀態(tài)：開路電阻無窮大，導(dǎo)通電阻為0。要求切換速度快。

◆兩大類：—機械觸點式,干簧繼電器,機械振子繼電器—電子開關(guān)式,晶體管開關(guān),集成電路開關(guān),場效應(yīng)管

◆選擇要求2模擬量輸入輸出通道4/15◆選擇要求—機械觸點式,干簧繼電器接觸電阻小,斷開電阻大;壽命長10^6~10^7;工作頻率400Hz;小信號中速度(10~400點/s)—電子開關(guān)式工作頻率高達(dá)1000點/s,體積小,壽命長.缺點導(dǎo)通電阻大,小信號測量精度受影響選擇考慮因數(shù):通路多少;電平高低;單端/差動輸入方式?;尋址方式;切換速率;切換時要多長時間才能穩(wěn)定到要求精度參考p.41原理圖(場效應(yīng)管)2模擬量輸入輸出通道5/15放大器(p.42,圖3.6,3.7,3.8)

◆A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓一般都有一定范圍，而變送器過來的信號一般都是MA級的，所以必須經(jīng)過放大(一般的A/D滿度電壓10V)

◆可編程序放大器是一種通用性強的高級放大器，可以根據(jù)需要用程序來改變它的放大倍數(shù)◆當(dāng)多路輸入的信號源電平相差較大時,用同一增益放大器去放大高/低電平信號,可能使得低電平信號測量精度降低,而高電平信號有可能超出A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍.采用編程序放大器,使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程達(dá)到均一化,提高多路采集的精度.2模擬量輸入輸出通道5+/15MCP6S2X系列是MicrochipTechnology公司推出的可編程增益放大器，可廣泛用于多路模擬傳輸應(yīng)用、信號采集、A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動和信號測量系統(tǒng)中。引腳定義MCP6S28為例管

腳

名作

用VOUT模擬輸出CH0～CH7模擬輸入VSS電源負(fù)端VDD電源正端SCK時鐘輸入SI串行數(shù)據(jù)輸入SO串行數(shù)據(jù)輸出CS片選VREF外部參考電壓2模擬量輸入輸出通道6/15采樣/保持器

◆作用：在采樣時，其輸出能夠跟隨輸入變化；而在保持狀態(tài)時，能使輸出值不變。

◆最簡單的采樣/保持器是由開關(guān)和電容組成：2模擬量輸入輸出通道6+/15采樣/保持器

◆2模擬量輸入輸出通道7/15?轉(zhuǎn)換時間tA/D：完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要的時間。 捕捉時間Tac：采樣命令發(fā)出后，采樣保持電路由保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到采樣狀態(tài)，保持電容上的電壓由所保持的值到達(dá)輸入信號當(dāng)前值所需的時間。它與輸入放大器的響應(yīng)時間、模擬開關(guān)的延遲時間、電容器的充電時間常數(shù)、保持電容器上電壓變化幅度等有關(guān)。Tac將影響采樣頻率的提高，但不會影響精度?？讖綍r間Tap：保持命令發(fā)出后，模式控制開關(guān)由導(dǎo)通到完全斷開所需的時間。Tap的存在使實際的采樣時間延遲，引起實際的電壓保持值與希望的電壓保持值間產(chǎn)生誤差，影響A／D轉(zhuǎn)換精度。?轉(zhuǎn)換(孔徑)誤差：采樣時刻的最大轉(zhuǎn)換誤差?轉(zhuǎn)換(孔徑)誤差的消除：采用采樣保持器2模擬量輸入輸出通道7+/15采樣中問題◆A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換過程的時間稱為轉(zhuǎn)換時間;轉(zhuǎn)換期間將引起誤差;誤差估計:◆Vf=5V;12位的A/D;基準(zhǔn)電壓10.24V;量化誤差為最低位的一半;轉(zhuǎn)換時間0.1ms.則信號最高頻率為2模擬量輸入輸出通道8/15采樣/保持器工作機理

◆圖3.9和3.10是LF398的原理圖.

◆指標(biāo):CH=0.01F;0.01%精度獲取時間25s;保持器下降速度3mv/s;轉(zhuǎn)換時間100s;保持器下降電壓300v2模擬量輸入輸出通道8+/15采樣保持器LF398介紹（p.45）保持電容輸入輸出緩沖放大器模擬開關(guān)等組成在采樣期間，模式控制開關(guān)閉合，接通輸入信號，A1是輸出阻抗很低的高增益放大器，通過閉合的開關(guān)對電容快速充電，此電容器的電壓跟蹤輸入信號的電平變化。在保持期間，開關(guān)斷開，因為A2的輸入阻抗很高，電容器上的電壓可基本保持不變，即基本保持充電時的最終值。2采樣保持器LF3988++/15LF398價格低廉，在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛。它有8個引腳，結(jié)構(gòu)框圖和典型連線圖如圖,2腳接1kΩ電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓，7腳和8腳是兩個控制端，控制開關(guān)的關(guān)斷。7腳接參考電壓，8腳接控制信號。參考電壓應(yīng)根據(jù)控制信號的電平來選擇。如7腳接地，則8腳接控制信號大于1．4V時，LF398處于采樣狀態(tài)；如8腳為低電平，則LF398處于保持狀態(tài)。6腳外接保持電容，它的選取對采樣保持電路的技術(shù)性能指標(biāo)至關(guān)重要，大電容可使系統(tǒng)得到較高精度，但采樣時間加長。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。同時，電容的選擇應(yīng)綜合考慮精度要求和采樣頻率等因素。LF398的其它幾個參數(shù)為：輸入阻抗Ri＝100MΩ，輸出阻抗,RO=0.5Ω,漂移電壓2mV，供電電壓值在5～18V間選擇。2采樣保持器LF3988#/15R(s)T=3ms衰減振蕩T=150ms等幅振蕩2采樣保持器LF3988#+/15閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：

（7-3）閉環(huán)采樣系統(tǒng)的特征方程式為：（7-4）從式（7-4）知道，特征方程式的根與采樣周期T有關(guān)，若特征根的模塊小于1，則系統(tǒng)穩(wěn)定，若有一個特征根的模大于1，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性與采樣周期T的大小有關(guān)。R(s)

2模擬量輸入輸出通道9/15多路調(diào)制器/多路解調(diào)器開關(guān)在電路中起接通信號或斷開信號的作用。最常見的可控開關(guān)是繼電器，當(dāng)給驅(qū)動繼電器的驅(qū)動電路加高電平或低電平時，繼電器就吸合或釋放，其觸點接通或斷開電路。CMOS模擬開關(guān)是一種可控開關(guān)，它不象繼電器那樣可以用在大電流、高電壓場合，只適于處理幅度不超過其工作電壓、電流較小的模擬或數(shù)字信號。

2模擬量輸入輸出通道9/15CD4051介紹：單邊8通道多路調(diào)制器/多路解調(diào)器。其引腳結(jié)構(gòu)如圖所示。

2模擬量輸入輸出通道9/15CD4051介紹：CD4051相當(dāng)于一個單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來決定。其真值表見表1?！癐NH”是禁止端，當(dāng)“INH”=1時，各通道均不接通。此外，CD4051還設(shè)有另外一個電源端VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān)，并使這種多路開關(guān)可傳輸峰－峰值達(dá)15V的交流信號。例如，若模擬開關(guān)的供電電源VDD=＋5V，VSS=0V，當(dāng)VEE=－5V時，只要對此模擬開關(guān)施加0～5V的數(shù)字控制信號，就可控制幅度范圍為－5V～＋5V的模擬信號。

2模擬量輸入輸出通道9/15CD4051介紹：Vss，接地GND

Vdd，接+5V

Vee，接-5V（若是邏輯電路接地亦可，音頻必須接負(fù)電壓，可接-10V）。模擬量輸入輸出通道10/15C、B、A為二進(jìn)制控制輸入端，INH為禁止輸入端（高電平禁止）。改變IN/OUT0~7及OUT/IN的傳遞方向，則可用作多路開關(guān)或反多路開關(guān)。其真值表如下所示：2模擬量輸入輸出通道11/15當(dāng)采樣的通道比較多，可以將兩個或兩個以上的多路開關(guān)并聯(lián)起來。兩個8路開關(guān)擴(kuò)展成16路的多路開關(guān)的方法如圖所示。2模擬量輸入輸出通道12/15當(dāng)采樣的通道比較多，可以將兩個以上的多路開關(guān)并聯(lián)起來。四個8路開關(guān)擴(kuò)展成16路的差動輸入方法圖3.5。OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{差動模擬輸入（18）差動模擬輸入（916）~~模擬輸出V1.....OUTOUTCCABBACD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{差動模擬輸入（18）差動模擬輸入~~4D鎖存器....（916）.....模擬輸出V22模擬量輸入輸出通道13/158個8路開關(guān)擴(kuò)展成64路的輸入方法圖3.20。P.57自學(xué)2其它多路開關(guān)14/15常用CMOS模擬開關(guān)功能和原理

四雙向模擬開關(guān)CD4066

CD4066的引腳功能如圖所示。每個封裝內(nèi)部有4個獨立的模擬開關(guān)，每個模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制三個端子，其中輸入端和輸出端可互換。當(dāng)控制端加高電平時，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時開關(guān)截止。模擬開關(guān)導(dǎo)通時，導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；模擬開關(guān)截止時，呈現(xiàn)很高的阻抗，可以看成為開路。模擬開關(guān)可傳輸數(shù)字信號和模擬信號，可傳輸?shù)哪M信號的上限頻率為40MHz。各開關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為－50dB。2其它多路開關(guān)14+/15雙四路模擬開關(guān)CD4052

CD4052的引腳功能見圖。CD4052相當(dāng)于一個雙刀四擲開關(guān)，具體接通哪一通道，由輸入地址碼AB來決定。其真值表見表。(B,A)=(0,1)“1”X,”1”Y

輸入狀態(tài)接通通道INHBA000“0”X、“0”Y001“1”X、“1”Y010“2”X、“2”Y011“3”X、“3”Y1