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文檔簡介

1、第四節(jié)第四節(jié) I/O通道通道本節(jié)主要內容:本節(jié)主要內容:模擬、數(shù)字模擬、數(shù)字I/O通道的構成、功能和設計方法;通道的構成、功能和設計方法;D/A、A/D轉換器的選擇和使用方法;轉換器的選擇和使用方法;會設計常用的會設計常用的I/O通道。通道。I/O通道是連接計算機和工業(yè)對象(生通道是連接計算機和工業(yè)對象(生產過程或生產機械等)的必不可少的重產過程或生產機械等)的必不可少的重要部分。要部分。I/O通道的分類:通道的分類: 1. 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 2. 模擬量輸出通道模擬量輸出通道 3. 數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道 4. 數(shù)字量數(shù)字量輸出通道輸出通道I/O通道的任務:通道的任務:將檢

2、測器件測取的各種參量變換成計算機所能接受將檢測器件測取的各種參量變換成計算機所能接受的信息形式送入計算機;計算機按某種算法計算后,的信息形式送入計算機;計算機按某種算法計算后,又將其計算結果以數(shù)字量或轉換成模擬量的形式輸又將其計算結果以數(shù)字量或轉換成模擬量的形式輸出至被控對象,以控制執(zhí)行機構動作。出至被控對象,以控制執(zhí)行機構動作。一、模擬量輸入通道一、模擬量輸入通道 模擬量輸入通道完成模擬量的采集并轉換成數(shù)字模擬量輸入通道完成模擬量的采集并轉換成數(shù)字量送入計算機的任務。量送入計算機的任務。 由圖由圖2-35可以看到,它主要由信號處理裝置、采樣可以看到,它主要由信號處理裝置、采樣單元、采樣保持器

3、、數(shù)據放大器、單元、采樣保持器、數(shù)據放大器、A/D轉換器和控制轉換器和控制電路等部分組成。電路等部分組成。(一)信號處理裝置(一)信號處理裝置 一般包括標度變換器、濾波電路、線性化處理及一般包括標度變換器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉換電路等。電參量間的轉換電路等。標度變換器:標度變換器:把經由各種傳感器得到的被測模擬信把經由各種傳感器得到的被測模擬信號轉成統(tǒng)一標準信號。號轉成統(tǒng)一標準信號。標度變換器包含在變送器中,電路通常為電阻網絡標度變換器包含在變送器中,電路通常為電阻網絡或電橋?;螂姌颉V波:濾波:模擬濾波、數(shù)字濾波模擬濾波、數(shù)字濾波線性化處理,線性化處理,在硬件上可采用加負反饋放

4、大器或采在硬件上可采用加負反饋放大器或采用線性化處理電路(如冷端補償)的辦法達到目的。用線性化處理電路(如冷端補償)的辦法達到目的。軟件上可用計算機進行分段線性化數(shù)字處理的辦法。軟件上可用計算機進行分段線性化數(shù)字處理的辦法。(二二) 采樣單元采樣單元 采樣單元也稱為多路轉換器或多路切換開關。采樣單元也稱為多路轉換器或多路切換開關。作用:把已轉換成統(tǒng)一電壓信號(作用:把已轉換成統(tǒng)一電壓信號(040mV)的測量)的測量信號按序或隨機的接到采樣保持器或直接接到數(shù)據放信號按序或隨機的接到采樣保持器或直接接到數(shù)據放大器上。即:在模擬輸入通道中,借助采樣單元把多大器上。即:在模擬輸入通道中,借助采樣單元把

5、多路模擬量分時接到路模擬量分時接到A/D轉換器進行轉換,實現(xiàn)了轉換器進行轉換,實現(xiàn)了CPU對各路模擬量分時采集的目的。對各路模擬量分時采集的目的。組成:開關矩陣及其邏輯控制電路組成。組成:開關矩陣及其邏輯控制電路組成。1. 邏輯控制電路:在軟件或通道控制電路的控制下,保證以一邏輯控制電路:在軟件或通道控制電路的控制下,保證以一定的速度和所要求的次序一個一個的選擇被測模擬信號的輸入。定的速度和所要求的次序一個一個的選擇被測模擬信號的輸入。2.開關矩陣:由模擬開關構成。開關矩陣:由模擬開關構成。模擬開關:以某種方式接通或斷開模擬信號的元模擬開關:以某種方式接通或斷開模擬信號的元件或電路。件或電路。

6、要求:接通時,接觸電阻小,以減少開關壓降,要求:接通時,接觸電阻小,以減少開關壓降,精密傳送信號;斷開時,截止電阻極大,可靠的斷精密傳送信號;斷開時,截止電阻極大,可靠的斷開與其它電路的聯(lián)系;動作速度快、驅動功率??;開與其它電路的聯(lián)系;動作速度快、驅動功率??;使用壽命長。使用壽命長。分類:分類: 1. 機械式觸點或開關,如干簧(或濕簧)繼電器、水銀繼電機械式觸點或開關,如干簧(或濕簧)繼電器、水銀繼電器等,其優(yōu)點:導電電阻小,開路電阻大,但響應速度比較器等,其優(yōu)點:導電電阻小,開路電阻大,但響應速度比較慢,使用久了觸點不易清洗,易誤動作。多用于慢,使用久了觸點不易清洗,易誤動作。多用于1002

7、00點點/s以下的采樣系統(tǒng)以下的采樣系統(tǒng) 2. 晶體管開關、場效應管開關和光電耦合開關。其優(yōu)點:開晶體管開關、場效應管開關和光電耦合開關。其優(yōu)點:開關速度快(可達關速度快(可達1000點點/s),使用壽命長,無機械磨損,接觸),使用壽命長,無機械磨損,接觸電阻低(一般小于電阻低(一般小于100 )斷開電阻高()斷開電阻高(109 以上),已制成以上),已制成集成電路。有集成電路。有8通道,通道,16通道,通道,32通道,如通道,如CD4051、CD4052、LF11508、LF13508。CD4051原理框圖原理框圖 改變改變OUT/IN和和IN/OUT的接法,可完成的接法,可完成“多到一多到

8、一”或或“一到多一到多”的轉換。前者稱為多路開關,后者稱為的轉換。前者稱為多路開關,后者稱為多 路 調 制 器 或 多 路 解 調 器 。 直 流 供 電 電 源多 路 調 制 器 或 多 路 解 調 器 。 直 流 供 電 電 源VDD=+5V+15V,輸入電壓,輸入電壓UIN=0VDD,能傳送的數(shù)字,能傳送的數(shù)字信號電位變化范圍位信號電位變化范圍位315V,模擬信號峰峰值,模擬信號峰峰值15V。VEE接負電源時,正負模擬電壓均可通過。接負電源時,正負模擬電壓均可通過。表表2-9 CD4051真值表真值表輸入狀態(tài)輸入狀態(tài)INHC B A接通通道號接通通道號CD4051輸入狀態(tài)輸入狀態(tài)接通通道

9、號接通通道號INHC B ACD405100000 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 100000#1#2#3#4#5#6#7#(三三) 采樣保持采樣保持 在一般的在一般的A/D轉換電路中,由于輸入的模擬轉換電路中,由于輸入的模擬量變化頻率較高,而且量變化頻率較高,而且A/D轉換速度又不是很轉換速度又不是很高,以及多個過程參量輸入的情況下,僅僅高,以及多個過程參量輸入的情況下,僅僅靠靠A/D轉換器難以保證轉換的精度。這時候一轉換器難以保證轉換的精度。這時候一般要在般要在A/D轉換之前加上采樣保持器,使得在轉換之前加上采樣保持器,使得在A/D轉換期間保持輸

10、入模擬信號不變。轉換期間保持輸入模擬信號不變。 采樣保持器的作用:保證模擬信號采樣的準采樣保持器的作用:保證模擬信號采樣的準確度。確度??讖綍r間:孔徑時間:A/D轉換器將模擬信號轉換成數(shù)轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字量總需要一定的時間,完成一次字量總需要一定的時間,完成一次A/D轉換所轉換所需要的時間。對于隨時間變化的模擬信號來說,需要的時間。對于隨時間變化的模擬信號來說,孔徑時間決定了每一個采樣時刻的最大轉化誤孔徑時間決定了每一個采樣時刻的最大轉化誤差。差。0UttA/Dt1t0U圖2-38 由tA/D引起的不確定誤差電壓令正弦模擬信號令正弦模擬信號 U=UmsintdUdt= Um cost=

11、 Um 2 f cost結論:對于一定的轉換時間,最大可能的誤結論:對于一定的轉換時間,最大可能的誤差發(fā)生在信號過差發(fā)生在信號過0的時刻的時刻Um為正弦模擬信號的幅值;為正弦模擬信號的幅值;f為信號頻率為信號頻率在坐標原點上在坐標原點上dUdt= Um 2 f 取取t = tA/D,則原點處轉換的不確定電壓誤差為,則原點處轉換的不確定電壓誤差為 U= Um 2 f tA/D誤差的百分數(shù)誤差的百分數(shù) =U100 Um=2 f tA/D 100例:一個例:一個10位的位的A/D轉換器,若要求轉換精度為轉換器,若要求轉換精度為0.1%,孔徑時間,孔徑時間10s,則允許轉換的正弦波模擬信,則允許轉換的

12、正弦波模擬信號的最大頻率為號的最大頻率為 f = 0.12 10 10-6 102s 16Hz采樣保持電路組成:輸入緩沖放大器采樣保持電路組成:輸入緩沖放大器A1 、模擬、模擬開關開關AS、模擬信號存儲電容、模擬信號存儲電容CH、輸出緩沖放大輸出緩沖放大器器A2+-A2-+A1輸入控制信號ASCH輸出采樣保持電路的兩個工作狀態(tài):采樣保持電路的兩個工作狀態(tài):采樣狀態(tài):當模擬開關采樣狀態(tài):當模擬開關AS閉合時,進入采樣狀態(tài)閉合時,進入采樣狀態(tài)保持狀態(tài):當模擬開關保持狀態(tài):當模擬開關AS斷開時,進入保持狀態(tài)斷開時,進入保持狀態(tài)快速系統(tǒng)需要采樣保持電路:快速系統(tǒng)需要采樣保持電路:在模擬輸入通道中,只有

13、在信號變化頻率較高在模擬輸入通道中,只有在信號變化頻率較高而而A/D轉換速度又不高,以致孔徑誤差影響轉換精轉換速度又不高,以致孔徑誤差影響轉換精度時,或者要求同時(還是有先有后)采樣多個過度時,或者要求同時(還是有先有后)采樣多個過程參量的情況下,才需要設置采樣保持電路,對于程參量的情況下,才需要設置采樣保持電路,對于石油、化工等變化緩慢的生產過程(一般信號頻率石油、化工等變化緩慢的生產過程(一般信號頻率在在1Hz之內)只需要采樣單元,采樣保持電路是不之內)只需要采樣單元,采樣保持電路是不必要的。必要的。(四)數(shù)據放大器(四)數(shù)據放大器 由采樣單元或采樣保持器輸出的被測電壓由采樣單元或采樣保持

14、器輸出的被測電壓信號通常是信號通常是040mV的弱信號,而的弱信號,而A/D轉換器轉換器要求輸入電壓一般都是要求輸入電壓一般都是0+5V、0+10V、5V、10V。因此須經放大器,從而提高。因此須經放大器,從而提高輸出電平,實現(xiàn)阻抗匹配?;蚪洸罘址糯筇彷敵鲭娖剑瑢崿F(xiàn)阻抗匹配?;蚪洸罘址糯筇岣吖材R种票?,然后才能送高共模抑制比,然后才能送A/D轉換器。轉換器。(五)(五)A/D轉換器轉換器 在第六節(jié)專門介紹在第六節(jié)專門介紹模擬信號轉化為數(shù)字信號的過程可以劃分為模擬信號轉化為數(shù)字信號的過程可以劃分為采采樣過程樣過程和和量化過程量化過程。(一)采樣過程(一)采樣過程 將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離

15、散模將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。擬信號的過程。二、采樣與量化二、采樣與量化采樣周期采樣周期T采樣時間采樣時間采樣時刻采樣時刻Shannon定理:定理:s2 max max 為被采樣的輸入信號為被采樣的輸入信號f(t)中所含最高頻率(角頻中所含最高頻率(角頻率);率); s 為采樣頻率(角頻率);為采樣頻率(角頻率);即當滿足采樣頻率大于或等于模擬輸入信號所含最即當滿足采樣頻率大于或等于模擬輸入信號所含最高頻率的兩倍時,就可以通過理想的低通濾波器,高頻率的兩倍時,就可以通過理想的低通濾波器,由由f*(t)完全恢復出完全恢復出f (t)。工程上,一般總取實際采樣頻率工程上,一

16、般總取實際采樣頻率s比比2 max大大s(410 )max,過程慣性越大,倍數(shù)可取得,過程慣性越大,倍數(shù)可取得越大。越大。(二)量化過程(二)量化過程 用一組數(shù)碼(如二進制碼)來用一組數(shù)碼(如二進制碼)來逼近逼近離散模擬信號的離散模擬信號的幅值,將其轉換成數(shù)字信號。幅值,將其轉換成數(shù)字信號。 量化單位:量化后二進制數(shù)的最低位所對應的模擬量化單位:量化后二進制數(shù)的最低位所對應的模擬量的值量的值 。 量化誤差最大值為量化誤差最大值為12minmaxiffq2qfmax和和fmin分別為轉換信號的最大值和最小值分別為轉換信號的最大值和最小值i轉換后的二進制數(shù)的位數(shù)轉換后的二進制數(shù)的位數(shù)例:例:模擬信

17、號模擬信號fmax=16V、fmin=0V,取,取i=4,則,則q=1V,量化誤差最大值量化誤差最大值emax= = 0.5V q 2采樣時刻采樣時刻 采樣值采樣值(V) 量化值量化值采樣時刻采樣時刻 采樣值采樣值(V) 量化值量化值 0T 4.9 01011T 4.1 01002T 7.5 10003T 9.4 10015T 11.2 10116T 11 .0 10117T 8.8 10018T 6.7 0111三、模擬量輸出通道三、模擬量輸出通道功能:把計算機的運算結果(數(shù)字量)轉功能:把計算機的運算結果(數(shù)字量)轉換成模擬量,并輸出到被選中的某一控制回換成模擬量,并輸出到被選中的某一控制

18、回路上,完成對執(zhí)行機構的控制動作。路上,完成對執(zhí)行機構的控制動作。組成:組成:D/A轉換器、輸出保持器、多路切轉換器、輸出保持器、多路切換開關、低通濾波電路和功放電路等。換開關、低通濾波電路和功放電路等。零階保持器零階保持器定義:前一采樣時刻的輸出值原封不動的定義:前一采樣時刻的輸出值原封不動的(理想化大)保持到下一采樣時刻到來。(理想化大)保持到下一采樣時刻到來。零階保持器的種類:零階保持器的種類: 1. 采用步進電動機帶動多圈電位器采用步進電動機帶動多圈電位器 2. 采用和模擬量輸入通道中的采樣保持器一樣采用和模擬量輸入通道中的采樣保持器一樣 的電的電容保持電路容保持電路加輸出保持器后的輸

19、出信號為階梯狀的模擬加輸出保持器后的輸出信號為階梯狀的模擬信號,必須經濾波電路,使階梯變得平滑。有信號,必須經濾波電路,使階梯變得平滑。有的執(zhí)行部件(電動機)能起濾波作用。的執(zhí)行部件(電動機)能起濾波作用。 四、模擬量輸入輸出通道的工作過程分析四、模擬量輸入輸出通道的工作過程分析五、數(shù)字量輸入輸出通道五、數(shù)字量輸入輸出通道1)TTL電平編碼數(shù)字電平編碼數(shù)字 TTL電平的編碼數(shù)字電平的編碼數(shù)字直接接到輸入端口上直接接到輸入端口上 可靠性要求很高的場合可靠性要求很高的場合加光電隔離電路加光電隔離電路2)脈沖序列)脈沖序列頻率不高頻率不高軟件計數(shù)(查詢或中斷方式對輸入脈沖計數(shù))軟件計數(shù)(查詢或中斷方式對輸入脈沖計數(shù))頻率高頻率高外加硬件電路,用計數(shù)器外加硬件電路,用計數(shù)器/定時器定時器8253,計數(shù)值,計數(shù)值隨時準確的讀入隨時準確的讀入CPU3)開關量)開關量接通或斷開的信號(如按鈕、轉換開關、撥碼開關、繼接通或斷開的信號(如按鈕、轉換開關、撥碼開關、繼電器或來自現(xiàn)場的行程開關)電器或來自現(xiàn)場的行程開關)先經電平轉換電路,將先經電平轉換電路,將觸點的通斷轉換成高電平或低電平,同時要考慮觸點的通斷轉換成高電平或低電平,同時要考慮 濾波,濾波,

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