第四講 模擬量的輸入輸出通道

1、第四講 模擬量的輸入輸出通道前向通道和后向通道是過程控制系統(tǒng)的重要組成部分1、前向通道1.1 A/D轉換1.1.1 硬件電路設計（1）分辨率的選擇分辨率用位表示，n位的A/D轉換器表示可以把輸入信號分為2n份，每一份為全量程1/2n，稱為1個LSB。例如，本例程中采用8位A/D溫度范圍為20100，則(設計要求)所以選擇8位的A/D轉換器即可（2）精度的選擇精度用LSB表示，即分辨率的倍數(shù)來表示，例，若精度為±2LSB，說明轉換誤差為±2×0.3125=±0.625±0. 5不滿足設計要求。（3）速度選擇 完成一次轉換的時間（采樣速度）按要求可

2、選擇芯片：ADC0804參數(shù)：單通道8位，分辨率8位 精度±1LSB 滿足要求 速度 100s 帶有三態(tài)緩沖器，可以直接和數(shù)據(jù)總線接口（4）電路連接A/D轉換的時序圖1.1.2 軟件的編制查詢法和中斷法（1）查詢法Extern unsigned char convert_ad(void)Char xdata *dptr;Dptr=0x8000;*dptr=0;While(int0);Return(*dptr);1.1.3 測試可以用LCB直接顯示轉換結果（3位整數(shù)），描點畫線檢查A/D轉換的線性度。1.2 數(shù)字濾波器1.2.1 問題定義來自傳感器或變送器的有用信號中，往往混雜了各種頻

3、率的干擾信號。為了抑制這些干擾信號，通常在信號入口引入濾波器。常用的RC 濾波器能抑制高頻干擾信號，但對低頻干擾信號的濾波效果較差。而數(shù)字濾波器可以對極低頻干擾信號進行濾波，以彌補 RC 濾波器的不足。另外，它還具有某些特殊的濾波功能。所謂數(shù)字濾波，就是在計算機中用某種計算方法對輸入的信號進行數(shù)學處理，以便減少干擾在有用信號中的比重，提高信號的真實性。這種濾波方法不需要增加硬件設備，只需根據(jù)預定的濾波算法編制相應的程序即可達到信號濾波的目的。1.2.2 常用的濾波算法（1）限幅濾波限幅濾波的作用是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對值表示），然后與兩次采樣允許的最大差值（由被控對象的實際

4、情況決定）y進行比較，若小于或等于 y，則取本次采樣值；若大于 y，則仍取上次采樣值作為本次采樣值當 | y（n） - y（n -1） |y時，則取 y（n） = y（n）當 | y（n） - y（n -1） | >y時，則取 y（n） = y（n -1）對采樣信號由于隨機干擾，如大功率設備的啟停，造成的尖峰干擾使得采樣數(shù)據(jù)偏離實際值太遠，可以采用限幅濾波。（2）算術平均值濾波算術平均值法濾波的實質即把一個采樣周期內對信號的 n次采樣值進行算術平均，作為本次的輸出 Y（n），即適合于壓力、流量等周期脈動的采樣值進行平滑加工，但對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的平滑作用不理想，因而它不適用于脈沖性干

5、擾比較嚴重的場合。（3）中值濾波所謂中值濾波是對某一參數(shù)連續(xù)采樣 n次（一般 n取奇數(shù)），然后把 n次的采樣值從小到大或從大到小排隊，再取中間值作為本次采樣值。中值濾波對于去掉由于偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效。若變量變化比較緩慢，則采用中值濾波效果比較好，但對快速變化過程的參數(shù)（如流量），則不宜采用。一般 n取 3 5次。（4）低通數(shù)字濾波前面講的幾種濾波方法基本上屬于靜態(tài)濾波，主要適用于變化過程比較快的參數(shù)，如壓力、流量等。但對于慢速隨機變量，則采用短時間內連續(xù)采樣求平均值的方法，其濾波效果往往不夠理想。為了提高濾波效果，可以仿照模擬系統(tǒng) RC 低通濾

6、波器的方法，將普通硬件 RC 低通濾波器的微分方程用差分方程來表示，便可以用軟件算法來模擬硬件濾波器的功能。 用計算機程序仿真該濾波器輸入用X替代ui,輸出用Y替換uo用差分代替微分整理得令則 或 t 為采樣周期，本例中為10ms=0.01s 為慣性時間常數(shù)， 本例中若 取=0.1s（較快）則 =0.09=0.3s（較慢）則 =0.03由上式可以看出，本次濾波的輸出值主要取決于上次濾波的輸出值（注意，不是上次的采樣值，這和加權平均濾波是有本質區(qū)別的）。本采樣值對濾波輸出的貢獻是比較小的，但多少有些修正作用。這種算法便模擬了具有較大慣性的低通濾波功能。適用場合：適用于高頻和低頻的干擾信號。1.2

7、.3 程序設計與時間有關，必須在10ms定時中斷中運行，每次中斷采集一個A/D轉換數(shù)據(jù)進行一次計算，Y(n)必須為一個全局變量，其值下次計算要用到。為保證精度，Y(n)應該用浮點數(shù)。Filter_out=Filter_out+AFA*(float)(x- Filter_out)令LCD直接顯示filter_out *。* 可以觀察到濾波效果。1.3 標度變換與非線性校正在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)中的各個參數(shù)都有著不同的數(shù)值和量綱，例如，測溫元件用熱電偶或熱電阻，溫度單位為 ，傳感器將溫度信號變換成電流或電壓信號，在經(jīng)過變送器轉換成 A /D 轉換器所能接收的 0 5V 統(tǒng)一電壓信號，又由 A /

8、D 轉換成 00 FFH（8位）的數(shù)字量。為進一步顯示、記錄、打印以及報警等，必須把這些數(shù)字量轉換成我們熟悉的物理量綱單位，以便操作人員對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視和管理，這就是所謂的標度變換。如果在信號傳遞、變換過程中的每個環(huán)節(jié)都是線性的，則實際溫度與A/D口讀數(shù)應該有如下的線性關系。如果已知（X0,T0）(Xmax，Tmax)根據(jù)線性插值的公式任意讀數(shù)所代表的溫度可用下式求出：例如：在我們的試驗系統(tǒng)中，溫度系統(tǒng)模擬器的溫度范圍為20 100，對應的輸出是05V，對應的A/D讀數(shù)為0255，所以：X0=0 xmax=255T0=20 Tmax=100帶入上式可得 t=0.3125x+20利用這個式子很

9、容易編成程序，將x變成t，例如x=128T=0.3125*128+20=60如果傳感器本身具有非線性特性，或在信號的傳遞過程中存在非線性環(huán)節(jié)，則x與t之間便不是線性關系，而呈現(xiàn)出某種程度的非線性關系。這時如果仍用直線擬合的辦法，就會產(chǎn)生很大的誤差e，稱為非線性誤差，非線性誤差屬于系統(tǒng)誤差，通常必須給予修正，補償。在常規(guī)的自動化儀表中，常引入“線性化器”來補償其他環(huán)節(jié)的非線性，如非線性電位器、二極管陣列、運算放大器等。所有這些均屬于硬件補償，這些補償方法精度不太高。在計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，可以用計算機進行非線性補償，不僅補償方法靈活，而且精度高。常用的補償方法有計算法、插值法和折線法。常用的補償

10、方法有兩種，一種是多項式擬合算法，另一種是采用分段線性插值法。例如對上述曲線，可以假定其曲線方程為一二次曲線，即拋物線方程，一般形式為 A,B,C是常數(shù)為確定A，B，C的值，可以預先測出曲線上的三點的值，即除了（X0,T0）(Xmax，Tmax)，在測一點（X1，T1），代入以上方程式便可以關于A,B,C的線性方程組。由此可解出A,B,C的值，代入以上方程后，已知任意x值可求得相應的t，若用二次曲線擬合的精度還不夠的話，還可以使用更高階的多項式來擬合，例如在單片機系統(tǒng)中實際計算多項式的值是有困難的，因為盡管多項式的值最終會在t0tmax之間，但其中某一項子式的值卻仍有可能很大，導致溢出，所以實

11、際使用時往往把多項式的值t（x） x=0，1，2，255，離線算好運行時用查表法求t值。這種方法適合于事先了解系統(tǒng)非線性特性的情況，不設合于在現(xiàn)場調試時作臨時修正。采用分段線性插值法時，我們可以把上述曲線分為三段，每段用一段直線來擬合，誤差就會縮小。分的段越多，精度越高，程序越復雜。一般以34段比較合適，每段的插值方程為我們實現(xiàn)測定4點的x和t，(x0,t0),(x1,t1),(x2,t2),(xmax,tmax)，代入以上三個式子中，在運行程序中先按x的值確定采用哪一個表示，然后再根據(jù)x，計算出相應的t即可。2后向通道模擬量輸出通道的任務是把計算機輸出的數(shù)字量信號轉換成模擬電壓或電流信號，以

12、便去驅動相應的執(zhí)行機構，達到控制的目的。模擬量輸出通道一般是由接口電路、數(shù) /模轉換器和電壓 /電流變換器構成的。其核心是數(shù) /模轉換器，簡稱 D /A 轉換器或稱 DAC。通常也把模擬量輸出通道簡稱為 D /A 通道。2.1 硬件電路設計1. 分辨率D /A 轉換器的分辨率定義為基準電壓與 2n之比值，其中 n為 D /A 轉換器的位數(shù)，如 8位、10位、12位等。例如，基準電壓 VREF等于 5V，則 8 位 D /A 轉換器的分辨率為 5/28=19.53mV，12位 D /A 轉換器的分辨率為 5/212=1.22mV。它就是與輸入二進制數(shù)最低有效位 LSB（Least Signifi

13、cant Bit）相當?shù)妮敵瞿M電壓，簡稱 1LSB。有時，也用數(shù)字輸入信號的有效位數(shù)來給出分辨率。例如，單片集成 D /A 轉換器 DAC0832的分辨率為 8位。2. 穩(wěn)定時間輸入二進制數(shù)變化量是滿刻度時，輸出達到離終值 ±1/2LSB 時所需的時間稱為穩(wěn)定時間。對于輸出是電流的 D /A 轉換器來說，穩(wěn)定時間是很快的，約幾 s。而輸出是電壓的 D /A轉換器，其穩(wěn)定時間主要取決于運算放大器的響應時間。3. 絕對精度絕對精度指輸入滿刻度數(shù)字量時，D /A 轉換器的實際輸出值與理論值之間的偏差。該偏差用最低有效位 LSB 的分數(shù)來表示，如 ±1/2LSB 或 ±

14、1LSB。4. 相對精度在滿刻度已校準的情況下，對應于任一數(shù)碼的實際輸出值與理論值之間的最大偏差。該偏差也用最低有效位 LSB 的分數(shù)來表示。5. 線性誤差理想的 D /A 轉換器的輸入輸出特性應是線性的。在滿刻度范圍內，偏離理想轉換特性的最大誤差稱線性誤差。該誤差也用最低有效位 LSB 的分數(shù)來表示。D /A 轉換器除了以上 5 種主要性能指標外，一般情況下還要考慮一些其他性能指標，如工作環(huán)境（周圍的溫度、濕度）、供電電源、輸出范圍、數(shù)字輸入特性等。2.1硬件電路設計2.1.1 DAC0832的結構與應用特性DAC0832是8位 D /A 轉換集成芯片，能完成數(shù)字量輸入模擬量（電流）輸出的轉

15、換。采用 20引腳雙列直插式封裝，其主要特性如下： 分辨率為 8位； 電流穩(wěn)定時間為 1s； 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入； 只需在滿量程下調整其線性度； 單一電源供電（ +5V +15V）； 低功耗，200mW 。ILE：數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效。CS：輸入寄存器選擇信號，低電平有效。它與 ILE 信號結合可對W R1信號是否起作用進行控制。W R1：輸入寄存器的寫選通信號，低電平有效，用以把數(shù)字量輸入鎖存于輸入寄存器中，在W R1有效時，必須CS和 ILE 同時有效。XFER：數(shù)據(jù)傳送信號，低電平有效。W R2：DAC 寄存器的寫選通信號，低電平有效，用以將鎖存于輸入寄存器的數(shù)字量傳

16、送到 D /A 寄存器中鎖存。W R2有效時，必須XFER有效。IOUT1：電流輸出引腳 1。隨 DAC 寄存器的內容線性變化，當 DAC 寄存器輸入全為 1時，輸出電流最大，DAC 寄存器輸入全為 0時，輸出電流為 0。IOUT2：電流輸出引腳 2，與 IOUT1電流互補輸出，即 IOUT1+ IOUT2=常數(shù)。RFB：反饋電阻連接端。由于片內已具有反饋電阻，故可以和外接運算放大器直接相連。該運算放大器是將 D /A 芯片電流輸出轉換為電壓輸出 VOUT。VREF：基準電源輸入引腳。該引腳把一個外部標準電壓源與內部 T型網(wǎng)絡相接，外接電壓源的穩(wěn)定精度直接影響 D /A 轉換精度，所以要求 VREF精度應盡可能高一些，范圍為-10V +10V。Vcc：電源電壓輸入端，范圍為 +5V +15V。一般書中運算放大器接為反向，這時輸出電壓與數(shù)字之間的關系為 B為輸出數(shù)字我們采用正相連接運算