第5章_過程通道

1、第五章 過程輸入輸出通道第第1 1節(jié)節(jié) 過程通道的概念過程通道的概念一一 過程通道的概過程通道的概念念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本原理圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本原理圖r r給定值給定值計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) - -被控量被控量控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象被控對象A/DA/DD/AD/A過程（輸入輸出）通道：是計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過程相互交過程（輸入輸出）通道：是計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過程相互交換信息的橋梁。換信息的橋梁。 根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳遞方向，過程輸入輸出根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳遞方向，過程輸入輸出通道分類如下：通道分類如下：二二 過程輸入輸出通道的組成與功能過程輸入輸出通道的組成與功能 模擬量輸入通道：模擬量輸入

2、通道：模擬量輸出通道：模擬量輸出通道：生產(chǎn)過程的參數(shù)生產(chǎn)過程的參數(shù)( (如溫度、壓力、流量、速度、位如溫度、壓力、流量、速度、位移、電流、電壓等移、電流、電壓等) )一般是隨時間連續(xù)變化的模擬一般是隨時間連續(xù)變化的模擬量，通過檢測元件或變送器將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模量，通過檢測元件或變送器將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬電壓或電流，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程；擬電壓或電流，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程；把微機(jī)輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（電壓把微機(jī)輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（電壓或電流）并傳輸給被控對象的過程；或電流）并傳輸給被控對象的過程；數(shù)字量數(shù)字量( (開關(guān)量開關(guān)量) )輸入通道：輸入通道：數(shù)字量數(shù)字量(

3、 (開關(guān)量開關(guān)量) )輸出通道：輸出通道： 拾起或檢測反映生產(chǎn)過程或設(shè)備工況的開關(guān)信號拾起或檢測反映生產(chǎn)過程或設(shè)備工況的開關(guān)信號（如繼電器接點(diǎn)、行程開關(guān)、按紐等）、脈沖信號（如繼電器接點(diǎn)、行程開關(guān)、按紐等）、脈沖信號（如速度、位移、流量脈沖等）并傳輸給微機(jī)的過（如速度、位移、流量脈沖等）并傳輸給微機(jī)的過程；程；將數(shù)字信號從微機(jī)傳輸給那些接受數(shù)字信號的執(zhí)將數(shù)字信號從微機(jī)傳輸給那些接受數(shù)字信號的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和顯示、指示裝置的過程。行機(jī)構(gòu)和顯示、指示裝置的過程。注意：注意：數(shù)字量輸入輸出通道包括多字節(jié)型數(shù)字量。數(shù)字量輸入輸出通道包括多字節(jié)型數(shù)字量。 過程輸入輸出通道示意圖過程輸入輸出通道示意圖三三 過程

4、輸入輸出通道與過程輸入輸出通道與CPUCPU交換的信息類型交換的信息類型 3 3控制信息控制信息：用來控制過程通道的啟動和停止等：用來控制過程通道的啟動和停止等 信息，如三態(tài)門的打開和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動信息，如三態(tài)門的打開和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動 等。等。2 2狀態(tài)信息狀態(tài)信息：又叫協(xié)議信息，如應(yīng)答信息、握手信：又叫協(xié)議信息，如應(yīng)答信息、握手信 息，它反映過程通道的狀態(tài)，如準(zhǔn)備就緒信號。息，它反映過程通道的狀態(tài)，如準(zhǔn)備就緒信號。 過程輸入輸出通道與過程輸入輸出通道與CPUCPU交換的信息類型有三種：交換的信息類型有三種：注意：注意：在過程輸入輸出通道中，必須設(shè)置一個與在過程輸入輸出通道中，必須設(shè)置

5、一個與CPUCPU聯(lián)聯(lián)系的接口電路，傳送數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。系的接口電路，傳送數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。 1 1數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息：反映生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)及狀態(tài)的信：反映生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)及狀態(tài)的信 息，它包括數(shù)字量、開關(guān)量和模擬量。息，它包括數(shù)字量、開關(guān)量和模擬量。四四 過程通道的編址方式過程通道的編址方式 2 2過程通道與存儲器獨(dú)立編址方式過程通道與存儲器獨(dú)立編址方式1 1過程通道與存儲器統(tǒng)一編址方式過程通道與存儲器統(tǒng)一編址方式 由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般都有多個過程輸入輸出通由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般都有多個過程輸入輸出通道，因此需對每一個過程輸入輸出通道安排地址。道，因此需對每一個過程輸入

6、輸出通道安排地址。過程通道編址方式有兩種：過程通道編址方式有兩種：五五 過程通道接口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題過程通道接口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題 接口電路起著連接過程通道與接口電路起著連接過程通道與CPUCPU的橋梁作用，的橋梁作用，它的基本任務(wù)有：它的基本任務(wù)有： 1 1控制信息的傳遞路徑：控制信息的傳遞路徑：即根據(jù)控制的任務(wù)在即根據(jù)控制的任務(wù)在眾多的信息源中進(jìn)行選擇，眾多的信息源中進(jìn)行選擇， 2 2控制信息傳送的控制信息傳送的順序：順序：計(jì)算機(jī)控制的過程就是執(zhí)行程序的過程，為計(jì)算機(jī)控制的過程就是執(zhí)行程序的過程，為確保進(jìn)程正確無誤，接口電路應(yīng)根據(jù)控制程序的要確保進(jìn)程正確無誤，接口電路應(yīng)根據(jù)控制程序的要求，適

7、時地發(fā)出一組有序的門控信號。求，適時地發(fā)出一組有序的門控信號。 以確定該信息傳送的路徑和目的地。以確定該信息傳送的路徑和目的地。 在過程通道接口電路設(shè)計(jì)中應(yīng)解決以下問題：在過程通道接口電路設(shè)計(jì)中應(yīng)解決以下問題： 1 1觸發(fā)方式：觸發(fā)方式：有序的門控信號的主要作用就是有序的門控信號的主要作用就是嚴(yán)格遵循系統(tǒng)工作時序要求，適時對系統(tǒng)中某個或某嚴(yán)格遵循系統(tǒng)工作時序要求，適時對系統(tǒng)中某個或某些特定部件發(fā)出開啟或關(guān)閉些特定部件發(fā)出開啟或關(guān)閉( (觸發(fā)觸發(fā)) )信號，這必然涉及信號，這必然涉及到同步觸發(fā)和異步觸發(fā)的方式。到同步觸發(fā)和異步觸發(fā)的方式。 2 2時序：時序：控制邏輯的結(jié)構(gòu)有組合控制邏輯與存控制邏

8、輯的結(jié)構(gòu)有組合控制邏輯與存儲控制邏輯兩種類型，不管哪種類型都要嚴(yán)格遵守規(guī)儲控制邏輯兩種類型，不管哪種類型都要嚴(yán)格遵守規(guī)定的操作步驟，每一個操作步驟又都是在一組有序的定的操作步驟，每一個操作步驟又都是在一組有序的控制信號驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)的?？刂菩盘栻?qū)動下實(shí)現(xiàn)的。 3.3.負(fù)載能力：負(fù)載能力：一旦控制邏輯確定后，系統(tǒng)能否可一旦控制邏輯確定后，系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行與器件的選擇關(guān)系密切，器件的選擇除了要考靠運(yùn)行與器件的選擇關(guān)系密切，器件的選擇除了要考慮電平的擺幅、數(shù)值、延時外，還應(yīng)考慮器件所帶負(fù)慮電平的擺幅、數(shù)值、延時外，還應(yīng)考慮器件所帶負(fù)載是否匹配。載是否匹配。 第二節(jié)第二節(jié) 模擬量輸入通道模擬量輸入通道一、

9、模擬量輸入通道的結(jié)一、模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)構(gòu)模擬輸入通道的作用是實(shí)現(xiàn)模擬待測信號與主控模擬輸入通道的作用是實(shí)現(xiàn)模擬待測信號與主控微處理器之間的接口，一般由傳感器、信號調(diào)理微處理器之間的接口，一般由傳感器、信號調(diào)理電路、多路模擬開關(guān)、放大器、采樣保持器電路、多路模擬開關(guān)、放大器、采樣保持器(S/H)(S/H)和和A/DA/D轉(zhuǎn)換器組成。其中轉(zhuǎn)換器組成。其中A/DA/D轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)模擬待轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)模擬待測信號到數(shù)字信號之間轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。測信號到數(shù)字信號之間轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。模擬量輸入通道根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以有不模擬量輸入通道根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式，同的結(jié)構(gòu)形式，1 1、單路

10、模擬量輸入通道、單路模擬量輸入通道2 2、多路模擬量輸入通道、多路模擬量輸入通道接口電路信號處理信號處理信號處理傳感器1傳感器2傳感器nA/D轉(zhuǎn)換器多路開關(guān)采樣保持微型計(jì)算機(jī)1 1、多路轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，它是用來切換模擬電壓多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，它是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。信號的關(guān)鍵元件。多路開關(guān)功能：多路開關(guān)功能：把多個模擬量參數(shù)分時地接通并送入把多個模擬量參數(shù)分時地接通并送入A/DA/D轉(zhuǎn)換器，即完成多到一的轉(zhuǎn)換；或者把經(jīng)計(jì)算機(jī)處轉(zhuǎn)換器，即完成多到一的轉(zhuǎn)換；或者把經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，且由理，且由D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號按一定的順序輸轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信

11、號按一定的順序輸出到不同的控制回路（或外部設(shè)備）中，即完成一到出到不同的控制回路（或外部設(shè)備）中，即完成一到多的轉(zhuǎn)換。前者成為多路開關(guān)，后者叫做多路分配器，多的轉(zhuǎn)換。前者成為多路開關(guān)，后者叫做多路分配器，或叫做反多路開關(guān)。或叫做反多路開關(guān)。二、模擬量輸入通道中的常用器件及電路二、模擬量輸入通道中的常用器件及電路理想多路開關(guān)要求：理想多路開關(guān)要求：開路電阻應(yīng)為無窮大，接通時開路電阻應(yīng)為無窮大，接通時的導(dǎo)通電阻應(yīng)為零，切換速度快、噪聲小、壽命長、的導(dǎo)通電阻應(yīng)為零，切換速度快、噪聲小、壽命長、工作可靠。工作可靠。實(shí)際多路開關(guān)性能：實(shí)際多路開關(guān)性能：導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻1010幾歐，開關(guān)速度幾百幾歐，開關(guān)

12、速度幾百納秒納秒多類開關(guān)的分類：多類開關(guān)的分類：1) 1) 單向多路開關(guān)單向多路開關(guān)(1(1對多或多對對多或多對1)1)，如，如AD7501AD7501（8 8路）、路）、AD8506(16AD8506(16路路) )；2) 2) 雙向多路開關(guān)（雙向多路開關(guān)（1 1對多且多對對多且多對1 1），如），如CD4051CD4051；3 3）矩陣多路開關(guān)（多對多），如）矩陣多路開關(guān)（多對多），如MT8816MT8816；多路開關(guān)實(shí)例：多路開關(guān)實(shí)例：CD4051CD4051 CD4051是8通道多路開關(guān)帶有3個通道選擇輸入端A、B、C，用于選擇8個通道之一一個禁止輸入端INH，高電平時，禁止模擬信號輸

13、入；低電平時允許模擬信號輸入V VDDDD與與V VSSSS的電平差為的電平差為0.5 15V0.5 15VCD4051CD4051的真值表的真值表 輸入狀態(tài)輸入狀態(tài)接通通道接通通道在實(shí)際應(yīng)用中，如果被測參數(shù)多于8路，可以采用將多個CD4051 相連進(jìn)行擴(kuò)展。*由由D0D1D2D3來選擇來選擇16路路通道之一通道之一*其中其中D30，選中，選中1*其中其中D31，選中，選中2CD4051多路開關(guān)的擴(kuò)展應(yīng)用問題：問題：模擬信號進(jìn)行模擬信號進(jìn)行 A AD D 轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間，當(dāng)輸入信號頻率較高時

14、，會造成很大的轉(zhuǎn)換當(dāng)輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。誤差。解決方法：解決方法： 采用一種器件，在采用一種器件，在A AD D轉(zhuǎn)換時保持住輸入轉(zhuǎn)換時保持住輸入信號電平，在信號電平，在A AD D轉(zhuǎn)換結(jié)束后跟蹤輸入信轉(zhuǎn)換結(jié)束后跟蹤輸入信號的變化。號的變化。這種功能的器件就是采樣保持器。這種功能的器件就是采樣保持器。2 2、采用保持器、采用保持器采樣保持器的一般結(jié)構(gòu)形式如圖所示。采樣保持器的一般結(jié)構(gòu)形式如圖所示。 模擬信號模擬信號U Ui iK K驅(qū)動信號驅(qū)動信號A AC CH H模擬地模擬地U UO O組成組成 模擬開關(guān)模擬開關(guān)K K電容電容C CH H緩沖放大器緩沖放大器A A在在t1

15、時刻前時刻前，控制電路的驅(qū)控制電路的驅(qū)動信號為高電平時，動信號為高電平時，模擬開模擬開關(guān)關(guān)K 閉合，模擬輸入信號閉合，模擬輸入信號Ui 通過模擬開關(guān)加到電容通過模擬開關(guān)加到電容CH 上，使得上，使得CH端電壓端電壓UC 跟隨跟隨Ui 變化而變化。變化而變化。在在t1時刻，驅(qū)動信號為低電時刻，驅(qū)動信號為低電平，模擬開關(guān)平，模擬開關(guān)K斷開斷開，此時此時電容電容CH 上的電壓上的電壓UC 保持保持模擬開關(guān)斷開瞬間的模擬開關(guān)斷開瞬間的Ui 值值不變并等待不變并等待AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換換。工作原理如下：工作原理如下： t控控制制信信號號t模模擬擬輸輸入入At采采樣樣輸輸出出跟蹤跟蹤t1A2t2A1t3

16、保持保持A3t4A圖圖5.2 采樣保持器工作原理采樣保持器工作原理而在而在t2時刻，保持結(jié)束，時刻，保持結(jié)束，新一個跟蹤時刻到新一個跟蹤時刻到 來，來，此時驅(qū)動信號又為高電此時驅(qū)動信號又為高電平，模擬開關(guān)平，模擬開關(guān)K 重新閉重新閉合，合， CH 端電壓端電壓UC 又跟又跟隨隨Ui 變化而變變化而變 化；化；t3時刻，驅(qū)動信號為低時刻，驅(qū)動信號為低電平時，模擬開關(guān)電平時，模擬開關(guān)K斷斷開開，.。 從以上討論可知：從以上討論可知： 采樣采樣保持器是一種用邏輯電平控保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件。制其工作狀態(tài)的器件。 采樣保持器的工作狀態(tài)：采樣保持器的工作狀態(tài)：跟蹤狀態(tài)跟蹤狀態(tài) 在此期

17、間它盡可能快地接收模擬輸入信號，并精在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號，并精確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令為止。指令為止。保持狀態(tài)保持狀態(tài) 對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進(jìn)行保對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進(jìn)行保持。持。采樣保持器主要作用：采樣保持器主要作用：“穩(wěn)定穩(wěn)定” ” 快速變化的輸入信號，以減少轉(zhuǎn)換誤差?？焖僮兓妮斎胄盘?，以減少轉(zhuǎn)換誤差。 用來儲存模擬多路開關(guān)輸出的模擬信號，以便模用來儲存模擬多路開關(guān)輸出的模擬信號，以便模擬多路開關(guān)切換下一個模擬信號。擬多路開關(guān)切換下一個模擬信號。 2.3 2.3 采樣保持器

18、使用中應(yīng)注意的問題采樣保持器使用中應(yīng)注意的問題采樣保持器和采樣保持器和A AD D轉(zhuǎn)換器各完成一次動作所轉(zhuǎn)換器各完成一次動作所需時間之和應(yīng)小于采樣周期需時間之和應(yīng)小于采樣周期采樣保持器的性能在很大程度上取決于保持電容采樣保持器的性能在很大程度上取決于保持電容器的質(zhì)量。因此，應(yīng)該選擇優(yōu)質(zhì)電容器。器的質(zhì)量。因此，應(yīng)該選擇優(yōu)質(zhì)電容器。2.4 2.4 常用的采樣常用的采樣/ /保持器保持器 常用的采樣常用的采樣/ /保持器集成電路有保持器集成電路有AD582AD582、AD583AD583、AD585AD585、AD346AD346、THS-0025THS-0025、LF198/298/398LF19

19、8/298/398等。下面以等。下面以LF398LF398為例，介紹集成電路為例，介紹集成電路S/HS/H的工作原理，其他的的工作原理，其他的S/HS/H的原理與其大致相同。的原理與其大致相同。 LF398 LF398是一種反饋型采樣是一種反饋型采樣/ /保持器，也是較為保持器，也是較為通用的采樣通用的采樣/ /保持器，與保持器，與LF398LF398結(jié)構(gòu)相同的還有結(jié)構(gòu)相同的還有LF198LF198、LF298LF298等，都是由場效應(yīng)管構(gòu)成，具有采樣速率高，等，都是由場效應(yīng)管構(gòu)成，具有采樣速率高，保持電壓慢和精度高等優(yōu)點(diǎn)。其采樣時間小于保持電壓慢和精度高等優(yōu)點(diǎn)。其采樣時間小于10s10s，輸

20、入阻抗為，保持電容為輸入阻抗為，保持電容為1F1F時，其下降速度為時，其下降速度為5mV/min5mV/min。雙電源供電，電源范圍寬，可以從。雙電源供電，電源范圍寬，可以從5V5V到到18V18V。 LF398LF398的組成原理圖如圖所示。的組成原理圖如圖所示。引腳排列如圖所示。引腳排列如圖所示。各引腳功能如下：各引腳功能如下： V+ V+、V-V-：正負(fù)電源電壓輸入引腳，輸入范圍為：正負(fù)電源電壓輸入引腳，輸入范圍為5V5V到到18V18V。 OFFSET ADJOFFSET ADJ：偏置調(diào)整引腳?？捎猛饨与娮枵{(diào)整：偏置調(diào)整引腳?？捎猛饨与娮枵{(diào)整采樣采樣- -保持器的偏差。保持器的偏差。

21、V VININ：輸入引腳。：輸入引腳。 V VOUTOUT：輸出引腳。：輸出引腳。 C CH H：保持電容引腳。用來外接保持電容。：保持電容引腳。用來外接保持電容。 LOGIC REFLOGIC REF：參考邏輯電平。：參考邏輯電平。 LOGICLOGIC：輸入控制邏輯。：輸入控制邏輯。LF398LF398典型的電源和信號的接法典型的電源和信號的接法保持電容保持電容C CH H可選用漏電流較小的可選用漏電流較小的聚苯乙烯電容、云母聚苯乙烯電容、云母電容或聚四氟乙烯電容電容或聚四氟乙烯電容。C CH H的數(shù)值直接影響采樣時的數(shù)值直接影響采樣時間及保持精度，為了提高精度，就需要增加保持電間及保持精

22、度，為了提高精度，就需要增加保持電容容C CH H的容量，但的容量，但C CH H增大時又會使其采樣時間加長。增大時又會使其采樣時間加長。因此，當(dāng)精度要求不高（因此，當(dāng)精度要求不高（1%1%）而速度要求較高時，）而速度要求較高時， C CH H可小至可小至100f100f。當(dāng)精度要求高（。當(dāng)精度要求高（0.01%0.01%）時，應(yīng)）時，應(yīng)取取C CH H =1000F =1000F。當(dāng)。當(dāng)C CH H 400F 400F時，采樣時間時，采樣時間t tACAC與與C CH H有經(jīng)驗(yàn)公式有經(jīng)驗(yàn)公式t tACAC=C=CH H/40 /40 式中，式中，C CH H為保持電容的容量，單位為為保持電容

23、的容量，單位為FF；t tACAC為采樣為采樣時間，單位為時間，單位為s s。保持電容的選擇保持電容的選擇三、模擬信號的調(diào)理三、模擬信號的調(diào)理在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸入信號類型：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸入信號類型：傳感器輸出的信號傳感器輸出的信號變送器輸出的信號變送器輸出的信號 電壓信號：一般為電壓信號：一般為mVmV或或VV信號。信號。 電阻信號：單位為電阻信號：單位為，如熱電阻（，如熱電阻（RTDRTD）信號，）信號，通過電橋轉(zhuǎn)換成通過電橋轉(zhuǎn)換成mVmV信號。信號。 電流信號：一般為電流信號：一般為mAmA或或AA信號。信號。 電流信號：一般為電流信號：一般為010mA（01.5k

24、負(fù)載）或負(fù)載）或420mA（0500負(fù)載）。負(fù)載）。 電壓信號：一般為電壓信號：一般為05V或或15V信號。信號。模擬信號的調(diào)理理由：模擬信號的調(diào)理理由：2 2、電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；、電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；注意：注意：信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)傳感器輸信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)傳感器輸出的信號、變送器輸出的信號及出的信號、變送器輸出的信號及A/DA/D轉(zhuǎn)換器的具體轉(zhuǎn)換器的具體情況而有所不同。情況而有所不同。 3 3、非電壓信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；、非電壓信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；4 4、噪音信號的抑制；、噪音信號的抑制；1 1、電壓信號的、電壓信號的“標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化”；3.1 3.1 電橋電橋

25、電橋是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化變?yōu)殡妷夯螂娏麟姌蚴菍㈦娮?、電容、電感等參?shù)的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。輸出的一種測量電路。其輸出既可用指示儀表直接測量，其輸出既可用指示儀表直接測量，也可以送入放大器進(jìn)行放大。由于橋式測量電路結(jié)構(gòu)簡單，也可以送入放大器進(jìn)行放大。由于橋式測量電路結(jié)構(gòu)簡單，并具有較高的精確度和靈敏度，因此在測試裝置中得到了并具有較高的精確度和靈敏度，因此在測試裝置中得到了廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用。與其他測試裝置的分類一樣，電橋亦有不同的分類方式：與其他測試裝置的分類一樣，電橋亦有不同的分類方式：按照激勵電源的性質(zhì)可分為按照激勵電源的性質(zhì)可分為直流電橋與交流電橋直流電橋與

26、交流電橋；按照橋；按照橋臂阻抗性質(zhì)又可分為臂阻抗性質(zhì)又可分為電阻電橋、電容電橋和電感電橋。電阻電橋、電容電橋和電感電橋。（以直流電橋?yàn)槔ㄒ灾绷麟姌驗(yàn)槔?直流電橋的平衡條件直流電橋的平衡條件4231RRRR13241412341234()()()oabadRRR RRRUUUUURRRRRRRR10( )RRt t 設(shè) ： 熱 電 阻 ：3.2 3.2 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器本質(zhì)上是一個高增益的負(fù)反饋直流運(yùn)算放大器本質(zhì)上是一個高增益的負(fù)反饋直流放大器。加上外部反饋網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)加、減、乘、放大器。加上外部反饋網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除、微分和積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，還可以與其它外設(shè)電除、微

27、分和積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，還可以與其它外設(shè)電路組成測試系統(tǒng)中常用的差動放大器、電橋放大器、路組成測試系統(tǒng)中常用的差動放大器、電橋放大器、電荷放大器、壓頻變換器、有源濾波器以及交流放電荷放大器、壓頻變換器、有源濾波器以及交流放大器等測試裝置。大器等測試裝置。 （1 1）單端運(yùn)算放大器）單端運(yùn)算放大器 功能：功能：1、輸入為單端；、輸入為單端；2、在不存在共模電壓的時候使用、在不存在共模電壓的時候使用 （2） 差動放大器差動放大器當(dāng)當(dāng)123,FRR RR得得211() FoiiRUUUR特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、輸入為雙端；、輸入為雙端；2、在不存在共模電壓的時候使用、在不存在共模電壓的時候使用3、調(diào)整放大系數(shù)，

28、則調(diào)零點(diǎn)破壞破壞平衡條件、調(diào)整放大系數(shù)，則調(diào)零點(diǎn)破壞破壞平衡條件 （3 3）測量放大器）測量放大器 三運(yùn)放差動放大器通常也稱為測量放大器，或稱儀表放三運(yùn)放差動放大器通常也稱為測量放大器，或稱儀表放大器。大器。 由電路分析可知由電路分析可知 11112(1)oiiGGRRuuuRR22221(1)oiiGGRRuuuRR644123365(1)oooRRRuuuRRRR 通常電路中通常電路中 12RR35RR46RR則測量放大器的增益為則測量放大器的增益為411232(1)ofiiGuRRuuRR 四、模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)四、模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)1 1、模擬量輸入通道的應(yīng)考慮的問題：、模擬量輸入

29、通道的應(yīng)考慮的問題： 信號的拾起方式；信號的拾起方式； 信號的調(diào)理；信號的調(diào)理； A/D A/D轉(zhuǎn)換器的選擇；轉(zhuǎn)換器的選擇； 電源的配置；電源的配置；2 2、模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)、模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)第三節(jié)第三節(jié) 模擬量輸出通道模擬量輸出通道一一 模擬量輸出通道的一般結(jié)構(gòu)模擬量輸出通道的一般結(jié)構(gòu)模擬量輸出通道的功能是把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果（數(shù)模擬量輸出通道的功能是把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制字量）轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動作?；芈飞?，完成對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動作。模擬量輸出通道通常由模擬量輸出通道通常由D/AD/A轉(zhuǎn)換器、

30、輸出保持器、多路轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路切換開關(guān)、低通濾波電路和功放電路所組成。切換開關(guān)、低通濾波電路和功放電路所組成。1 1、單模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)、單模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)組成：接口電路、寄存器、組成：接口電路、寄存器、D DA A轉(zhuǎn)換器和放大變轉(zhuǎn)換器和放大變換電路換電路2 2、多模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)、多模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu) 多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式主要取決于輸出保多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式主要取決于輸出保持器的構(gòu)成方式。持器的構(gòu)成方式。 輸出保持器的作用主要是在新的控制信號到來之前，輸出保持器的作用主要是在新的控制信號到來之前，使本次控制信號維持不變。保持器一般有數(shù)字保持方案使本次控

31、制信號維持不變。保持器一般有數(shù)字保持方案和模擬保持方案兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩和模擬保持方案兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。種基本結(jié)構(gòu)形式。這是一種數(shù)字保持方案。這是一種數(shù)字保持方案。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，即使某一路轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，即使某一路D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障，也不影響其他通道的工作。器發(fā)生故障，也不影響其他通道的工作。缺點(diǎn)缺點(diǎn): :使用了較多的使用了較多的D/AD/A轉(zhuǎn)換器，使得這種結(jié)構(gòu)的價轉(zhuǎn)換器，使得這種結(jié)構(gòu)的價格很高。格很高。2.1 一個通道設(shè)置一片一個通道設(shè)置一片D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2.2 2.2 多個通道共用一片多個通道共用一

32、片D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 共用共用D/AD/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。由于公用一片由于公用一片D/AD/A轉(zhuǎn)換器，因此必須在計(jì)算機(jī)控制下分時工作，轉(zhuǎn)換器，因此必須在計(jì)算機(jī)控制下分時工作，即依次把即依次把D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓（或電流），通過多路轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓（或電流），通過多路開關(guān)傳送給輸出采樣開關(guān)傳送給輸出采樣保持器。保持器。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :節(jié)省了節(jié)省了D/AD/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。缺點(diǎn)：因?yàn)榉謺r工作，只適用于通道數(shù)量多且速率要求不高的場缺點(diǎn)：因?yàn)榉謺r工作，只適用于通道數(shù)量多且速率要求不高的場合。它還要使用多路開關(guān)，且要求輸出采樣合。它還要使用多

33、路開關(guān)，且要求輸出采樣保持器的保持時保持器的保持時間與采樣時間之比較大，這種方案工作可靠性較差。間與采樣時間之比較大，這種方案工作可靠性較差。 因?yàn)殡娏餍盘栆子谶h(yuǎn)距離傳送，且不易受干擾，特因?yàn)殡娏餍盘栆子谶h(yuǎn)距離傳送，且不易受干擾，特別是在過程控制系統(tǒng)中，自動化儀表只接收電流別是在過程控制系統(tǒng)中，自動化儀表只接收電流信號，所以在微機(jī)控制輸出通道中常以電流信號信號，所以在微機(jī)控制輸出通道中常以電流信號來傳送信息，這就需要將電壓信號再轉(zhuǎn)換成電流來傳送信息，這就需要將電壓信號再轉(zhuǎn)換成電流信號，完成電流輸出方式的電路稱為信號，完成電流輸出方式的電路稱為V/IV/I變換電路。變換電路。電流輸出方式電流輸出

34、方式一般有兩種形式：一般有兩種形式： 1 1普通運(yùn)放普通運(yùn)放V/IV/I變換電路變換電路 2 2集成轉(zhuǎn)換器集成轉(zhuǎn)換器V/IV/I變換電路變換電路二、二、 電壓電壓/ /電流轉(zhuǎn)化電路電流轉(zhuǎn)化電路 2.2.1 1 普通運(yùn)放普通運(yùn)放V/IV/I變換電路變換電路 （1 1）0 10 mA0 10 mA的輸出的輸出 +-Vin010 VAT1T2I0Vf+ +VsR1R2R3R4R5R6RfRL 圖為010 V/010 mA的變換電路，由運(yùn)放A和三極管T1、T2組成，R1 和 R2是輸入電阻，Rf 是反饋電阻，RL是負(fù)載的等效電阻。輸入電壓Vin 經(jīng)輸入電阻進(jìn)入運(yùn)算放大器A，放大后進(jìn)入三極管T1、T2。

35、由于T2射極接有反饋電阻R f，得到反饋電壓Vf加至輸入端，形成運(yùn)放A的差動輸入信號。該變換電路由于具有較強(qiáng)的電流反饋，所以有較好的恒流性能。 輸入電壓輸入電壓 V Vinin 和輸出電流和輸出電流 I Io o 之間關(guān)系如下：之間關(guān)系如下： 若若 R R3 3、R R4 4R Rf f、R RL L，可以認(rèn)為，可以認(rèn)為 I Io o 全部流經(jīng)全部流經(jīng) R Rf f，由此可得，由此可得: : V V V VininR R4 4/ /（R R1 1R R4 4）I Io oR RL LR R1 1 / /（R R1 1R R4 4） V V I Io o（R Rf fR RL L）R R2 2

36、/ /（R R2 2R R3 3） 對于運(yùn)放，對于運(yùn)放，有有V V V V，則，則 V VininR R4 4/ /（R R1 1R R4 4）I Io oR RL LR R1 1 / /（R R1 1R R4 4）= I= Io o（R Rf fR RL L）R R2 2 / /（R R2 2R R3 3） 若取若取R R1 1 = R= R2 2 ，R R3 3 = R= R4 4，則由上式整理可得，則由上式整理可得 I Io o = V = VininR R3 3 / /（R R1 1R Rf f ） 可以看出，輸出電流可以看出，輸出電流 I Io o 和輸人電壓和輸人電壓 V Vini

37、n 呈線性對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系。呈線性對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系。 R R3 3 / /（R R1 1R Rf f）為一常教，與其他參數(shù)無關(guān)。）為一常教，與其他參數(shù)無關(guān)。 若取若取V Vinin 0 010 V10 V，R R1 1 = R= R2 2 = 100 k= 100 k，R R3 3 = R= R4 4 =20 k =20 k，R Rf f 200 200 ，則輸出電流，則輸出電流I Io o = 0 10 mA= 0 10 mA。（2 2） 4 20 mA4 20 mA的輸出的輸出圖為圖為1 5 V/ 4 20 mA1 5 V/ 4 20 mA的變換電路，兩個的變換電路，兩個運(yùn)放運(yùn)放A A

38、1 1、A A2 2均接成射極輸出形式。均接成射極輸出形式。+-A1+-A2T2T1T3Vin15VR1R2RfRLR3CIfI2I0I1V1V2+VsV32.2 2.2 集成轉(zhuǎn)換器集成轉(zhuǎn)換器V/IV/I變換電路變換電路 圖是集成圖是集成V/IV/I轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ZF2B20ZF2B20的引腳圖，采用單的引腳圖，采用單正電源供電，電源電壓范圍為正電源供電，電源電壓范圍為101032V32V，ZF2B20ZF2B20的的輸入電阻為輸入電阻為10K10K，動態(tài)響應(yīng)時間小于，動態(tài)響應(yīng)時間小于25S25S，非，非線性小于土線性小于土 0.0250.025。 三、模擬量輸出通道設(shè)計(jì)舉例三、模擬量輸出通道設(shè)

39、計(jì)舉例模擬量輸出通道一般根據(jù)系統(tǒng)需求可由多路開關(guān)、采樣模擬量輸出通道一般根據(jù)系統(tǒng)需求可由多路開關(guān)、采樣保持器、保持器、D/AD/A轉(zhuǎn)換器及接口電路等組成。采樣保持器的轉(zhuǎn)換器及接口電路等組成。采樣保持器的作用及工作原理如前中所述，多路開關(guān)在模擬量輸出通作用及工作原理如前中所述，多路開關(guān)在模擬量輸出通道中的作用是實(shí)現(xiàn)多選一操作，即利用多路開關(guān)將一路道中的作用是實(shí)現(xiàn)多選一操作，即利用多路開關(guān)將一路D/AD/A轉(zhuǎn)換器的輸出分時切換至后級的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)換器的輸出分時切換至后級的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 3.1 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)的基本方法 模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)原則主要考慮以下幾點(diǎn)：l 安全可靠 盡量選用性能好的元

40、器件，并采用光電隔離技術(shù)。l 性能價格比高 既要在性能上達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，又要在技術(shù)路線、芯片元件上降低成本。l通用性 D/A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)應(yīng)具有通用性，它主要體現(xiàn)在三個方面：符合總線標(biāo)準(zhǔn)，可選接口地址以及可選輸出方式。 對于電流輸出而言，常用的是010mA DC或420mA DC這兩種信號范圍，能滿足該范圍輸出的電路所示。 DAC0832輸出電流經(jīng)運(yùn)算放大器Al和A2變換成輸出電壓V2，再經(jīng)三級管T1和T2變換成輸出電流IOUT。當(dāng)短接柱K1的12短接時，通過調(diào)零點(diǎn)電位器W1和量程電位器W2，為外接負(fù)載RL提供010mA DC電流；當(dāng)K1的13短接時，通過調(diào)節(jié)W1和W2，為RL提供 420

41、mA DC電流。D/A轉(zhuǎn)換的電流輸出 若需電壓輸出則有單極性和雙極性兩種輸出形式，如圖所示。當(dāng)短接柱K2的12短接時，則為單極性電壓（010V DC）輸出；K2的14和23短接時，則為雙極性電壓（10V DC010V DC）輸出。D/A轉(zhuǎn)換的單/雙極性電壓輸出3.2 模擬量輸出通道的設(shè)計(jì) 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)步驟是：確定性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)電路原理圖，設(shè)計(jì)和制造印制線路板，最后焊接和調(diào)試電路板。其中，數(shù)字電路和模擬電路應(yīng)分別排列走線，盡量避免交叉，連線要盡量短。模擬地（AGND）和數(shù)字地（DGND）分別走線，通常在總線引腳附近一點(diǎn)接地。光電隔離前后的電源線和地線要相互獨(dú)立。調(diào)試時，一般是先調(diào)數(shù)字電路部

42、分，再調(diào)模擬電路部分，并按性能指標(biāo)逐項(xiàng)考核。 圖（a）、（b）給出了具有8路D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出通道模板結(jié)構(gòu)框圖和其中1路的電路原理圖。該模板由總線接口邏輯、8片DAC0832以及V/I變換電路等組成。8路D/A轉(zhuǎn)換模板(a)圖 8路D/A轉(zhuǎn)換模板(b) 其中每路的其中每路的D/AD/A轉(zhuǎn)換器均接為單緩沖輸入工作方式，轉(zhuǎn)換器均接為單緩沖輸入工作方式，且均具有電壓、電流兩種可選的輸出方式。這里的且均具有電壓、電流兩種可選的輸出方式。這里的V/IV/I變變換電路與負(fù)載共電源，輸出電流換電路與負(fù)載共電源，輸出電流I IOUTOUT=V=VCCCC/R5/R5。當(dāng)。當(dāng)R5 R5 =500=500，V

43、 VCCCC0 05V5V時，時，I IOUTOUT=0=010mA10mA；當(dāng)；當(dāng)R5R5250250，V VCCCC=1=15V5V時，時，I IOUTOUT=4=420mA20mA。 設(shè)設(shè)8 8個輸出數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存數(shù)據(jù)段個輸出數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存數(shù)據(jù)段BUF0BUF0BUF7BUF7單元中，單元中，主過程已裝填主過程已裝填DSDS，8 8片片DAC0832DAC0832占據(jù)從占據(jù)從CH0CH0開始的開始的8 8個連續(xù)地個連續(xù)地址，輸出子程序如下：址，輸出子程序如下：DOUT PROC NEARMOV DX, CH0MOV CX, 8MOV BX, OFFSET BUF0NEXT: MOV AL

44、, BXOUT DX, ALINC DXINC BXLOOP NEXTRETDOUT ENDP第三節(jié) 數(shù)字量輸入輸出通道一、數(shù)字量輸入輸出通道的結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸入輸出通道一般由三部分組成：CPU接口邏輯電路、輸入緩沖器和輸出鎖存器、輸入輸出電氣接口亦即數(shù)字量輸入信號調(diào)理和輸出信號驅(qū)動電路。各種數(shù)字量輸入輸出電氣接口作用：主要完成濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離和功率驅(qū)動等功能。輸入緩沖器功能：對輸入信號緩沖、加強(qiáng)和選通；輸出鎖存器功能：對輸出信號鎖存供外圍設(shè)備使用；1 1 信號轉(zhuǎn)換處理信號轉(zhuǎn)換處理 從工業(yè)現(xiàn)場獲取的開關(guān)量或數(shù)字量，在邏輯上從工業(yè)現(xiàn)場獲取的開關(guān)量或數(shù)字量，在邏輯上表現(xiàn)為邏輯表現(xiàn)為邏輯“1”1”或

45、邏輯或邏輯“0”0”，信號形式則可能是，信號形式則可能是電壓、電流信號或開關(guān)的通斷，其幅值范圍也往往電壓、電流信號或開關(guān)的通斷，其幅值范圍也往往不符合數(shù)字電路的電平范圍要求，因此必須進(jìn)行轉(zhuǎn)不符合數(shù)字電路的電平范圍要求，因此必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。換處理。對于電壓輸入，V1某一值，為邏輯1對于電流輸入， I 某一值，為邏輯1二、數(shù)字量輸入信號調(diào)理和信號隔離二、數(shù)字量輸入信號調(diào)理和信號隔離電壓輸入電路如果是電壓輸入，R1和R2電阻分壓，使得V2符合TTL邏輯規(guī)范V1V212212VRRRV電流輸入電路如果是電流輸入，I在電阻R2上的壓降符合TTL邏輯規(guī)范22RIV開關(guān)觸點(diǎn)輸入電路對于開關(guān)輸入，S斷開，V

46、2=5V，為邏輯“1” S閉合，V2=0V，為邏輯“0”V2R地阻值可在4.7K100K之間選取2 安全保護(hù)措施 在設(shè)計(jì)一個計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時，必須針對可能出現(xiàn)的輸入過電壓、瞬間尖峰或極性接反的情況，預(yù)先采取安全保護(hù)措施。 信號轉(zhuǎn)換電路，雖然也考慮邏輯電平問題，但在工業(yè)應(yīng)用中，還可能出現(xiàn)意外的過電壓（電流），瞬間干擾等。 就是非工業(yè)控制應(yīng)用也可能出現(xiàn)瞬間尖峰過電壓（過電流），例如雷電引起的等。因此還需要有安全保護(hù)電路。常用的保護(hù)電路為：輸入保護(hù)電路電平轉(zhuǎn)換與保護(hù)電路組合使用的一個例子：這時，我們可以把分壓電阻去掉，用穩(wěn)壓二極管3 3 隔離處理隔離處理 從工業(yè)現(xiàn)場獲取的開關(guān)量或數(shù)字量的信號電平往往高于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯電平； 即使輸入開關(guān)量電壓本身不高，也有可能從現(xiàn)場引入意外的高壓信號； 因此必須采取電隔離措施，以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。 常用的隔離措施是采用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)的。 下圖給出了兩種開關(guān)量光電耦