第3章過(guò)程通道-2014

1、第3章 過(guò)程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3.13.23 3.3 33.43.5概述模擬量輸入通道D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)單片A/D轉(zhuǎn)換器及其與處理器接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3.1 概述3.1.1 過(guò)程通道的組成和作用3.1.2 信號(hào)變換中采樣和量化過(guò)程通道的含義過(guò)程通道是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量)輸入通道、數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量)輸出通道。 接口技術(shù)是研究計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間如何交換信息的技術(shù)。3.1.1 過(guò)程通道的組成和作用 過(guò)程通道包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。 要對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)某種自動(dòng)控制，就必須

2、對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。模擬量輸入通道、數(shù)字量輸入通道就是為此目的而設(shè)置的兩種檢測(cè)通道。3.1.1 過(guò)程通道的組成和作用 計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制通道也有兩個(gè)：模擬量輸出通道、數(shù)字量輸出通道就是為此目的而設(shè)置的兩種檢測(cè)通道。3.1.2 信號(hào)變換中采樣、量化1、信號(hào)的采樣（a）被采樣信號(hào)；（b）采樣開(kāi)關(guān)；（c）采樣信號(hào)通過(guò)模擬采樣開(kāi)關(guān)，把一個(gè)時(shí)間連續(xù)的信號(hào)變成一連串時(shí)間不連續(xù)的脈沖信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為采樣過(guò)程或離散化過(guò)程。3.1.2 信號(hào)變換中采樣、量化采樣后的脈沖序列f*(t)是離散信號(hào)，稱(chēng)為采樣信號(hào)，T采樣周期，-采樣寬度。采樣信號(hào)f*(t)如實(shí)反映被采樣信號(hào)f(t)的條件必須滿足香農(nóng)定理：如果隨時(shí)

3、間變化的模擬信號(hào)的最高頻率為fmax，只要按照采樣頻率f=2fmax進(jìn)行采樣，那么取出的樣品系列f*(t1)、f*(t2)、就可以代表f(t)。實(shí)際使用中，常取f =（510）fmax。物理參數(shù)采樣周期(s)備注流量15優(yōu)先選用12壓力310優(yōu)先選用68液位68溫度1520成分1520采樣周期的選擇與下列因素有關(guān)：1）生產(chǎn)過(guò)程的擾動(dòng)；2）被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能；3）采用的控制方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類(lèi)型；4）被控對(duì)象所要求的控制品質(zhì)指標(biāo)。3.1.2 信號(hào)變換中采樣、量化2、量化指將采樣后時(shí)間上已經(jīng)離散的模擬信號(hào)變換為一系列的數(shù)碼，量化后的信息才能被計(jì)算機(jī)接收。量化是由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器完成的。量化誤差在數(shù)字化系

4、統(tǒng)中，無(wú)論是模/數(shù)（或數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器，還是計(jì)算機(jī)，無(wú)論精度有多高，其轉(zhuǎn)換或計(jì)算的位數(shù)都是有限的，因此量化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是用一個(gè)有限位數(shù)的數(shù)去無(wú)限逼近一個(gè)模擬量，無(wú)論如何都不能包含模擬量的全部信息，這就出現(xiàn)了誤差，稱(chēng)之為量化誤差。常采用截尾和舍入方式來(lái)表示量化誤差。而量化誤差與量化單位有關(guān)：q=Vmax/(2n-1)q:量化單位；Vmax:被轉(zhuǎn)換的最大模擬量；n:模/數(shù)（或數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。3.2 模擬量輸入通道信號(hào)處理A/D采樣-保持過(guò)檢多放大器接口CPU總線程路轉(zhuǎn)信號(hào)處理控制參數(shù)測(cè)換器信號(hào)處理CPU總線模擬量輸入通道一般組成3 3.2 2 模擬量輸入通道信號(hào)處理可選擇的內(nèi)容包括小信號(hào)放大、信

5、號(hào)濾波、信號(hào)衰減、阻抗匹配、電平轉(zhuǎn)換、非線性補(bǔ)償、電流/電壓轉(zhuǎn)換等。3 3.2 2 模擬量輸入通道多路轉(zhuǎn)換器又稱(chēng)多路開(kāi)關(guān)。在分時(shí)檢測(cè)時(shí)，利用多路開(kāi)關(guān)將各個(gè)輸入信號(hào)依次連接到共用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上。多路開(kāi)關(guān)是切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。3 3.2 2 模擬量輸入通道可編程序放大器可以根據(jù)需要用程序來(lái)改變它的放大倍數(shù)：當(dāng)多路輸入的信號(hào)源電平相差較懸殊時(shí)，用同一增益的放大器放大高電平和低電平的信號(hào)，有可能使低電平信號(hào)測(cè)量精度降低，而高電平則有可能超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。采樣-保持器3 3.2 2 模擬量輸入通道A/D轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換過(guò)程所需的時(shí)間稱(chēng)為轉(zhuǎn)換時(shí)間。對(duì)變化較快的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)

6、，轉(zhuǎn)換期間將引起轉(zhuǎn)換誤差。設(shè)有一個(gè)幅值Vf=5V的正弦變化的模擬信號(hào)V=Vf*sin(2ft)，其可能的最大誤差為：dVdtVf *2f cos2ftV Vf *2ft為了在滿足轉(zhuǎn)換精度條件下提高信號(hào)允許的工作頻率，需要采樣-保持器。3 3.2 2 模擬量輸入通道孔徑誤差轉(zhuǎn)換器接收到保持命令后，轉(zhuǎn)換器從采樣狀態(tài)進(jìn)入保持狀態(tài)所需要的時(shí)間，稱(chēng)為孔徑時(shí)間。在孔徑時(shí)間里，輸入的模擬信號(hào)值是不確定的，從而引起輸出的不確定性誤差。如輸入信號(hào)為一頻率為f的正弦信號(hào)VVmsin(2ft)，孔徑誤差一定出現(xiàn)在信號(hào)斜率最大處，設(shè)模數(shù)轉(zhuǎn)換的孔徑時(shí)間為tA，則dV/dt=Vm* 2f cos(2ft)(dV/dt)m

7、ax= 2Vmf最大孔徑誤差Vm2 Vm f tA3.3 D/A轉(zhuǎn)換原理4位權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器原理圖為完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，需要有如下幾個(gè)組成部分：基準(zhǔn)電壓（電流），模擬二進(jìn)制數(shù)的位切換開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生二進(jìn)制權(quán)電流（電壓）的精密電阻網(wǎng)絡(luò)和提供電流（電壓）相加輸出的運(yùn)算放大器。上圖為四位權(quán)電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理圖?；鶞?zhǔn)電壓為E，K1K4為晶體管位切換開(kāi)關(guān)，它受二進(jìn)制各位狀態(tài)控制D3D0。當(dāng)相應(yīng)的二進(jìn)制位為“0”時(shí)，開(kāi)關(guān)接地，為“1”時(shí)開(kāi)關(guān)接基準(zhǔn)電壓E。2-3R、2-2R、2-1R、20R為二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，它們的電阻值與相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)每位的權(quán)相對(duì)應(yīng)，權(quán)越大電阻越小，以保證一定權(quán)的數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電流。設(shè)輸

8、入數(shù)字量為X，可表示為：X=D3*23+ D2*22+ D1*21+ D0*20相應(yīng)支路產(chǎn)生的電流Ii =Di E/Ri = Di E/R 2i = Di I 2i運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓u = - Di I 2i Rf= - E Rf/R Di 2i3.4 A/D轉(zhuǎn)換原理A/D轉(zhuǎn)換電路的種類(lèi)很多，例如，逐次逼近型、雙積分型等等。選擇A/D轉(zhuǎn)換器件主要是從速度、精度和價(jià)格上考慮。逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。雙積分A/D變換器，具有精度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度慢。近年來(lái)在微機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。3.4 A/D轉(zhuǎn)換原理A/D

9、轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近式和雙斜積分式。(1) 逐次逼近式（Successive approximation ）轉(zhuǎn)換時(shí)間短(幾個(gè)微秒幾百個(gè)微秒)，但抗干擾能力沒(méi)有雙斜積分式好。常用的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，AD574A等；模擬輸入Vx比較器-+OA數(shù)字輸出VcN位寄存器N位D/A轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)CKDONE控制邏輯逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器邏輯框圖3.4 A/D轉(zhuǎn)換原理(2) 雙斜積分式（Double Slope Integral）轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)(幾十個(gè)毫秒幾百個(gè)毫秒)，抗干擾能力較強(qiáng)。適用于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變化緩慢、干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合。常用的雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器有3位半（相當(dāng)于二進(jìn)制的11位分辨率）的MC1

10、4433，4位半（14位分辨率）的ICL7135等。3.4.1 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器是通過(guò)最高位DN N-1 1至最低位D0的逐次檢測(cè)來(lái)逼近被轉(zhuǎn)換的輸入電壓。例： 天平稱(chēng)量與A/D轉(zhuǎn)換149重物128 16 4 1砝碼保留的砝碼為 128g + 16g + 4g + 1g = 149g27242220相當(dāng)于轉(zhuǎn)換的數(shù)碼為D7D0 = 1001010126例： 天平稱(chēng)量與A/D轉(zhuǎn)換一個(gè)27克重物的稱(chēng)量過(guò)程逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器原理28在啟動(dòng)信號(hào)控制下置數(shù)控制邏輯電路置N位寄存器最高位DN N-1 1為l，其余位清0，N位寄存器的內(nèi)容經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后得到整個(gè)量程半的模擬電壓Vn，

11、與輸入電壓Vx比較。若VxVn時(shí)，則保留DN-1=1，若VxVn時(shí), 則DN-1清0。然后，控制邏輯使寄存器下一位DN-2置1,與上次的結(jié)果一起經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后與Vx比較，重復(fù)上述過(guò)程,直至判別出D0取1還是0為止，此時(shí)DONE發(fā)出信號(hào)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。這樣，經(jīng)過(guò)N次比較后，N位寄存器的狀態(tài)就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，經(jīng)輸出緩沖器讀出。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程就是這樣對(duì)分搜索比較逼近實(shí)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)換速度由時(shí)鐘頻率決定，一般在幾微秒到上百微秒之間。 例如ADC0809，當(dāng)時(shí)鐘頻率為640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為64s。對(duì)一個(gè)n位的逐位逼近式A/D 轉(zhuǎn)換輸出的二進(jìn)制數(shù)字量B與輸入模擬電壓VIN、正基準(zhǔn)電壓VREF+、負(fù)基準(zhǔn)電壓VR

12、EF-的關(guān)系為n 2B V IN V REF V REF V REF 例: 有一個(gè)8位的ADC轉(zhuǎn)換器，VREF+ =5.00V，VREF- = 0V，VIN=0V、2.5V輸入時(shí)，AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果分別是多少?3100H80H3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1、分辨率（Resolution）對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿刻度電壓與2n-1之比值，其中n為AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。例如：具有12位分辨率的ADC能夠分辨出滿刻度的1/（212-1）或滿刻度的0.0245一個(gè)10v滿刻度的12位ADC能夠分辨輸入電壓變化的最小值為

13、2.4mv。3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2、轉(zhuǎn)換時(shí)間逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間典型值為1200us。轉(zhuǎn)換率是轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)。200ns,5MHz3、量程即所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍，如-5V+5V,010V，05V等。4、工作溫度范圍由于溫度會(huì)對(duì)運(yùn)算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，只有在一定溫度范圍才能保證精度指標(biāo)。較好的轉(zhuǎn)換器工作溫度為-4085C，差的只有070 C。如精度為最低位的 。3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)5精度有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。常用數(shù)字量的位數(shù)作為度量絕對(duì)精度的單位，12精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果與實(shí)際值得準(zhǔn)確度。而分辨率是

14、指能對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。而且，技術(shù)分辨率很高，也可能由于溫度漂移、線性不良等原因而并不具有很高的精度。3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)6、對(duì)基準(zhǔn)電源的要求：基準(zhǔn)電源的精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大影響。故在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮是否要外接精密基準(zhǔn)電源。3.4.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1、分辨率（Resolution）2、穩(wěn)定時(shí)間D/A轉(zhuǎn)換器中有滿度值得變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定（一般穩(wěn)定到與1/2最低位值相當(dāng)?shù)哪M量范圍）所需要的時(shí)間。一般為幾十納秒到幾微秒。3、輸出電壓不同型號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電平相差較大。一般為510V。一些電流輸出型，低的為20mA，高的可達(dá)3A。4、輸入編

15、碼：如二進(jìn)制碼、BCD碼等。3.5 MCS-51單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器接口1、ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809是CMOS工藝、采用逼近法的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s左右，線性誤差為(1/2)LSB，采用28腳雙立直插式封裝(Dual inline package)。ADC0809 邏輯組成ADC0809引腳圖A/DVVVVVVVVtrapezoidalADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯圖 IN0IN7：8路輸入通道的模擬輸入端。 DB0一DB7：8位數(shù)字量輸出端。 START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)。加上正脈沖后，A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始進(jìn)行。 ALE：地址鎖存信號(hào)，高電平時(shí)把三個(gè)地址信號(hào)送入地址鎖存

16、器，并經(jīng)譯碼器得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。 ADDA、ADDB、ADDC：地址線EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，是芯片的輸出信號(hào)。轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，EOC信號(hào)變低；轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)EOC返回高電平。這個(gè)信號(hào)可以作為AD轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號(hào)來(lái)查詢。也可以直接用作中斷請(qǐng)求信號(hào)。OE：輸出允許控制端。CLK：時(shí)鐘信號(hào)，最高允許值為640kHz。Vref(+)、Vref(-)，：AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓。Vcc：電源電壓。由于是CMOS芯片，允許的電源范圍較寬，可從十5 十15V。在ALE1期間，模擬開(kāi)關(guān)的地址(ADDA，ADDB，ADDC)存入地址鎖存器；在ALE0時(shí)，地址鎖存。輸入啟動(dòng)信號(hào)START的上升沿復(fù)位AD

17、C0809，它的下降沿啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。EOC為輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，正在轉(zhuǎn)換時(shí)為“0”，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為“1”。OE為輸出允許控制端，在轉(zhuǎn)換完成后用來(lái)打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，以便從0809輸出這次轉(zhuǎn)換結(jié)果。2、 ADC0809與8051接口ADC0809與8031連接可采用查詢方式，也可采用中斷方式，圖為中斷方式連接電路圖。由于ADC0809片內(nèi)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可直接與8031接口。由P2.7和WR聯(lián)合控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)端(START)和ALE端，低三位地址線加到ADC0809的ADDA、B、C端，所以選中ADC0809的IN0通道的地址為7FF8H。ORG 0013HAJMP SINT1;ADC:SET

18、B IT1SETB EX1SETBEAMOV DPTR,#7FF8HMOVX DPTR,ASJMP $SINT1:MOVDPTR,7FF8H;MOVX A , DPTRMOV50H, ACLR EX1RETI5.4 數(shù)字量輸入/輸出通道數(shù)字量開(kāi)關(guān)量：用“0”和“1” 兩個(gè)量進(jìn)行描述。5.4.1 數(shù)字量輸入輸出接口數(shù)字量輸入輸出接口 數(shù)字量輸入接口數(shù)字量輸入接口三態(tài)門(mén)緩沖器三態(tài)門(mén)緩沖器74LS244數(shù)字量輸出接口數(shù)字量輸出接口鎖存器鎖存器74LS273利用利用IOW上上升沿鎖存升沿鎖存MOVA,DATAMOV DPTR, portMOVX DPTR,A2.1.2 數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)輸入輸入調(diào)理調(diào)理電路電路輸入輸入緩沖緩沖器器生生產(chǎn)產(chǎn)過(guò)過(guò)程程PC總總線線地址譯碼器地址譯碼器輸入調(diào)理電路輸入調(diào)理電路把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離轉(zhuǎn)換成把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào)。計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào)。小功率輸入調(diào)理電路小功率輸入