第二章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)過程通道設(shè)計(jì)方法(第三講)

12.1數(shù)字量過程通道的設(shè)計(jì)方法2.2模擬量輸入通道設(shè)計(jì)方法

2.3模擬量輸出通道設(shè)計(jì)方法 2.4電氣控制器與執(zhí)行器 2.5小結(jié)

第三講22.2模擬量輸入通道設(shè)計(jì)方法

模擬量輸入通道的任務(wù)：完成模擬量信號(hào)到數(shù)字量信號(hào)的轉(zhuǎn)換。2.2.1模擬量輸入通道的組成2.2.2I/V變換、多路開關(guān)、測量放大器及采樣保持器2.2.3模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)32.2.1模擬量輸入通道的組成

AI通道的任務(wù)是把生產(chǎn)現(xiàn)場被控對象(如溫度、壓力、流量、液位、電流、電壓、成分等)模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)。模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成圖4-20mA1-5V42.2.2I/V變換、多路開關(guān)、儀用放大器及采樣保持器

在設(shè)計(jì)離散系統(tǒng)時(shí)，香農(nóng)采樣定理是必須嚴(yán)格遵守的一條準(zhǔn)則，它指明了從采樣信號(hào)中不失真地復(fù)現(xiàn)原來連續(xù)信號(hào)的最低采樣頻率。香農(nóng)定理：若采樣保持器的輸入信號(hào)具有有限帶寬，設(shè)輸入信號(hào)的頻率分量為，采樣頻率為，則要從采樣信號(hào)中完整地復(fù)現(xiàn)信號(hào)，則必須滿足：。51.I/V變換傳感器和變送器輸出的信號(hào)為1~5V或4~20mA，而A/D轉(zhuǎn)換器所接收的模擬信號(hào)為0~±10V或0~±5V。思考：(1)DDZ-II型與DDZ-III型電動(dòng)單元組合儀表的區(qū)別？

(2)DDZ-III型電動(dòng)儀表為何在控制室使用電壓傳輸，在現(xiàn)場與控制室間使用電流傳輸？⑴4～20mA電流信號(hào)適用在現(xiàn)場與控制室之間遠(yuǎn)距離傳輸，可以避免傳輸導(dǎo)線上的壓降損失引起的誤差。

⑵1～5V電壓信號(hào)適于控制室內(nèi)短距離聯(lián)絡(luò)，儀表之間可以并聯(lián)連接，便于儀表安裝和維修。6為什么選取這樣的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)？(a)30V電壓，30mA電流所引起的火花能量足以達(dá)到危險(xiǎn)氣體燃點(diǎn)的平均下限，因此多數(shù)儀表采用24V供電，為了留有余量，電流信號(hào)上限定為20mA。(b)為了區(qū)分無信號(hào)和信號(hào)為零，信號(hào)起始值不為零。(c)兩線制儀表在信號(hào)為零時(shí)仍需要一定的能量供應(yīng)。(d)4-20mA電流作用在250Ω電阻上剛好得到電壓1-5V。71)無源I/V變換

輸入輸出0~10mA

0~5V4~20mA

1~5V精密電阻限幅82)有源I/V變換A-+R5R4R3R2R1CIV

輸入輸出0~10mA

0~5V4~20mA

1~5V為何選用運(yùn)算放大器？精密電阻93)專用I/V轉(zhuǎn)換電路102.多路開關(guān)(多選一)CD4051原理圖CMOS的模擬開關(guān)電路：通過數(shù)字量來控制傳輸門(TG)的接通和斷開以傳輸數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)優(yōu)點(diǎn)：功耗低、速度快、體積小、無機(jī)械式觸點(diǎn)，使用壽命長缺點(diǎn)：導(dǎo)通電阻不夠小(幾十歐至幾百歐)，斷開時(shí)有泄漏電流(0.1微安)，且通過電流一般為毫安11CD4051結(jié)構(gòu)原理圖

并非實(shí)際的開關(guān)，而是CMOS的模擬開關(guān)，若VEE，VSS的電壓匹配不足，開關(guān)就相當(dāng)于一個(gè)大內(nèi)阻12CD4051真值表:13補(bǔ)：擴(kuò)展電路當(dāng)采樣通道多至16路時(shí)，可直接選用16路模擬開關(guān)的芯片，也可以將2個(gè)8路4051并聯(lián)起來，組成1個(gè)單端的16路開關(guān)。

143.測量放大器

在實(shí)際工程中，傳感器或變送器輸出的模擬信號(hào)一般較弱，故需要將其放大以達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換所需的量程范圍。運(yùn)算放大器：具有毫伏級(jí)的失調(diào)電壓和溫漂放大器測量放大器：高輸入阻抗、低輸出阻抗，低溫漂，低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益，抗共模干擾能力強(qiáng)

常用的測量放大器為AD521，AD522等。15AD521基本連接方法16

來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號(hào)往往帶有較大的共模干擾，而單個(gè)運(yùn)放電路的差動(dòng)輸入端難以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中常采用由一組運(yùn)放構(gòu)成的測量放大器，也稱儀表放大器。17(a)經(jīng)典測量放大器(AD521結(jié)構(gòu)圖)調(diào)整放大器增益可抑制共模干擾18(b)可變增益放大器194.采樣保持器

當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化較快，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器。采樣保持器的作用是在兩次采樣的間隔時(shí)間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個(gè)采樣時(shí)刻。20如圖所示，它有兩種工作狀態(tài)，一種是采樣狀態(tài)，另一種是保持狀態(tài)。采樣保持器工作狀態(tài)時(shí)間上離散幅值上連續(xù)離散模擬信號(hào)21

對于同步系統(tǒng)，幾個(gè)并聯(lián)的參量均取自同一瞬時(shí)，如電力系統(tǒng)監(jiān)控中的功率計(jì)算，就是同一時(shí)刻的交流電流和電壓值。而各參數(shù)要共享一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，就必須保持其信號(hào)直到本次A/D轉(zhuǎn)換全部完成。但轉(zhuǎn)換完成后，又要求A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)能夠隨模擬量的變換而變化。最常用的采樣保持器有AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389、ADSHC-85，以及國家半導(dǎo)體公司的LF198/298/398。22常用術(shù)語：采樣器或采樣開關(guān)--執(zhí)行采樣動(dòng)作的裝置，采樣時(shí)間或采樣寬度τ--采樣開關(guān)每次閉合的時(shí)間采樣周期T--采樣開關(guān)每次通斷的時(shí)間間隔在實(shí)際系統(tǒng)中，，也就是說，可以近似地認(rèn)為采樣信號(hào)y*(t)是y(t)在采樣開關(guān)閉合時(shí)的瞬時(shí)值。數(shù)據(jù)采樣過程23X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a)采樣開關(guān)(b)連續(xù)信號(hào)(c)開關(guān)函數(shù)24X*(t)kT05T3TT7T1調(diào)制器X(t)X*(t)P(t)(d)采樣信號(hào)(e)采樣過程x*(t)=p(t)x(t)因，所以分析時(shí)可近似認(rèn)為，以單位脈沖函數(shù)來代替p(t)。25單位脈沖序列：δT(t)kT0數(shù)學(xué)表達(dá)式：單位脈沖函數(shù)定義：理論表達(dá)形式：工程表達(dá)形式：26采樣過程數(shù)學(xué)描述:考慮物理上可實(shí)現(xiàn)，又可近似為：思考：為何可以這樣地近似表示？？可見，具有離散信號(hào)的特性。27采樣保持器采樣保持器結(jié)構(gòu)圖28零階保持器29LF398內(nèi)部原理與應(yīng)用電路302.2.3模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)

模擬量輸入通道中主要器件就是A/D轉(zhuǎn)換器。

設(shè)計(jì)穩(wěn)定、優(yōu)良的模擬量輸入通道的基礎(chǔ)：了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理和外部特性。

模擬量輸入通道設(shè)計(jì)過程中需要主要解決的問題：A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口及其程序設(shè)計(jì)。311.A/D轉(zhuǎn)換器常見結(jié)構(gòu)：逐次逼近寄存器

雙積分△-∑

高速流水線逐次逼近式速度為雙積分式的100倍以上精度高于16位√321)逐次逼近寄存器式A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理比較器優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間固定缺點(diǎn)：抗干擾能力差332)A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)及術(shù)語

分辨率(Resolution)

量化誤差(Quantizingerror)

線性度(Linearity)

轉(zhuǎn)換精度(ConversionAccuracy)

絕對精度相對精度轉(zhuǎn)換時(shí)間(ConversionTime)343)常見A/D轉(zhuǎn)換器及其外特性

由于逐次近似寄存器式轉(zhuǎn)換方式的快速性，因此在普通A/D元件市場上有相當(dāng)多的是采用該方法，如

8位的ADC0801、0804、0808、0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582。

352.A/D轉(zhuǎn)換器接口及程序設(shè)計(jì)

在模擬量輸入通道設(shè)計(jì)中，A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的連接(硬件設(shè)計(jì))及程序設(shè)計(jì)(軟件設(shè)計(jì))是其重要組成部分。1)A/D轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)①模擬量輸入與數(shù)字量輸出的連接②A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)③A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)束信號(hào)的處理2)A/D轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)①如何啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換②如何判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束③如何讀取并存放轉(zhuǎn)換結(jié)果36①并行A/D轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用(ADC0809)8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率8位，精度7位

8個(gè)模擬量輸入通道通道地址譯碼鎖存器輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器啟動(dòng)方式為脈沖啟動(dòng)輸入電壓范圍為0~5V37ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳38各引腳功能如下：

IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。上升沿時(shí)鎖存3位通道選擇信號(hào)。C、B、A：3位地址線即模擬量通道選擇線。START：啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)，輸入，高電平有效。上升沿時(shí)將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。該信號(hào)用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0～D7：8位數(shù)字量輸出。D0為最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)總線直接相連。CLOCK：外部時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s。VR+，VR-：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作電源，5VDC。GND：電源地。39表2-3被選中模擬量通道數(shù)與地址信號(hào)的對應(yīng)關(guān)系被選中模擬量通道數(shù)ADDCADDBADDAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN711140ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序地址鎖存，譯碼選通模擬開關(guān)的某一路啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換內(nèi)部清零A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果41ADC0809的工作過程是：首先ALE的上升沿將輸入的3位地址(C,B,A)存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到A/D轉(zhuǎn)換器。START上升沿將SAR復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，此時(shí)EOC輸出信號(hào)變低電平，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。42ADC0809與8031采用查詢方式的接口電路濾除低頻干擾濾除高頻干擾43

下面的程序是采用查詢方式，分別對8路模擬信號(hào)輪流采樣一次，并依次把結(jié)果轉(zhuǎn)存到內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的采樣存儲(chǔ)程序。

ORG8000HSTART：MOVR1,#DATA；置數(shù)據(jù)區(qū)地址指針

MOVDPTH,#0DFH；P2.5=0MOVDPTL,#80H；指向模擬通道0MOVR7,#08H；置通道數(shù)LP1:MOVX@DPTR，A；所存模擬通道地址，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換LP2:MOVC,P1.0；讀EOC狀態(tài)

JNCLP2；非1，循環(huán)等待

MOVXA，@DPTR；讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOV@R1，A；存結(jié)果

INCR1