第三章測(cè)控系統(tǒng)輸入輸出通道設(shè)計(jì)

第二章測(cè)控系統(tǒng)輸入/輸出通道設(shè)計(jì)

第三章測(cè)控系統(tǒng)的輸入/輸出通道本章內(nèi)容：開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道單元電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)模擬輸入通道模擬輸出通道第一節(jié)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道

測(cè)控系統(tǒng)中常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)：按鍵、繼電器、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)量只有0和1兩種狀態(tài)，處理較方便。

測(cè)控系統(tǒng)通常采用通用并行I/O芯片（8155、8255、8279）、三態(tài)門緩沖器和鎖存器作為I/O接口電路。對(duì)于由單片機(jī)組成的測(cè)控系統(tǒng)，如開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的幅度與單片機(jī)要求符合，可以直接將開(kāi)關(guān)量直接接入單片機(jī)。開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是提高抗干擾能力和可靠性，精度是其次的。一、開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)如圖所示。輸入緩沖器輸入調(diào)理電路來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程地址譯碼器微機(jī)總線1.輸入調(diào)理電路開(kāi)關(guān)量輸入調(diào)理電路的主要功能是：轉(zhuǎn)換：過(guò)程狀態(tài)→適于計(jì)算機(jī)輸入的信號(hào)保護(hù)濾波隔離消除瞬時(shí)高壓、過(guò)電壓、接觸抖動(dòng)等對(duì)計(jì)算機(jī)造成的損害。右圖是小功率輸入的調(diào)理電路，它將開(kāi)關(guān)的通、斷轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)。積分電路消除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)R-S觸發(fā)器消除開(kāi)關(guān)兩次反跳大功率輸入調(diào)理電路從大功率器件的接點(diǎn)輸入信號(hào)時(shí)，為使接點(diǎn)工作可靠，接點(diǎn)兩端一般要加24V以上的直流電壓。高壓和低壓電路間要用光電耦合器件隔離。2.輸入緩沖器一般多采用三態(tài)門緩沖器（如74LS244），被測(cè)狀態(tài)信號(hào)通過(guò)三態(tài)門緩沖器送到CPU數(shù)據(jù)總線。二、開(kāi)關(guān)量輸出通道開(kāi)關(guān)量輸出通道的結(jié)構(gòu)如圖所示輸出鎖存器地址譯碼器去生產(chǎn)過(guò)程輸出驅(qū)動(dòng)器1.直流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路適合于負(fù)載電流不太大的場(chǎng)合。電流約幾百mA達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路達(dá)林頓管要求的輸入電流很小可直接用單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)。2.晶閘管交流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路3.繼電器驅(qū)動(dòng)電路4.固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路DC-SSRAC-SSR第二節(jié)單元電路的連接

各單元電路設(shè)計(jì)完成后需要將它們連接起來(lái)。各單元電路間連接時(shí)需要考慮的問(wèn)題有：電氣特性的相互匹配信號(hào)耦合方式時(shí)序配合一、電氣性能的相互匹配1.阻抗匹配令：ag=|ZL|/|Zi|如要求負(fù)載電壓最大，則應(yīng)取ag

≥1如要求負(fù)載電流最大，則應(yīng)取ag

≤1如要求負(fù)載功率最大，則應(yīng)取ag=1RiRL前級(jí)輸出后級(jí)輸入2.負(fù)載能力匹配這是指前級(jí)能否驅(qū)動(dòng)后級(jí)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)能力不夠時(shí)需要加一級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路，具體應(yīng)視負(fù)載大小來(lái)定。3.電平匹配當(dāng)前后級(jí)電路電平不匹配時(shí)，需要加電平轉(zhuǎn)換電路。這在數(shù)字電路中較常見(jiàn)。二、信號(hào)耦合與時(shí)序配合1.信號(hào)耦合方式：直接耦合方式目的：將前級(jí)的任何信號(hào)送到下級(jí)。靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)相互影響。阻容耦合方式目的：隔離直流。這是較常用的方式。變壓器耦合方式：目的：隔離直流。頻率特性差、體積大、效率低，已較少采用光電耦合方式目的：實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電路間的電氣隔離。多用于數(shù)字信號(hào)的傳遞。2.時(shí)序配合數(shù)字電路中時(shí)序的配合問(wèn)題很重要。時(shí)序配合錯(cuò)亂，將使整個(gè)數(shù)字電路無(wú)法正常工作。第三節(jié)模擬輸入通道模擬輸入通道是指被測(cè)量與微機(jī)之間的通道，它一般由以下部分組成：傳感器調(diào)理電路采集電路微機(jī)測(cè)控通道

在測(cè)控系統(tǒng)中，一臺(tái)微機(jī)往往要同時(shí)測(cè)量幾個(gè)被測(cè)量，因而測(cè)控系統(tǒng)的輸入通道常常是多路的。按照各路輸入通道是共用一個(gè)采集通道還是每個(gè)通道各用一個(gè)，輸入通道可分為集中采集式和分散采集式。一、輸入通道的分類模擬多路切換開(kāi)關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器控制邏輯微機(jī)傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路集中采集式之分時(shí)采集結(jié)構(gòu)：采集電路電路簡(jiǎn)單，成本低，但不能獲得各路信號(hào)同一時(shí)刻的值，適于中、低速采樣系統(tǒng)中。集中采集式之多路同步采集結(jié)構(gòu)：模擬多路切換開(kāi)關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器控制邏輯微機(jī)傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路采樣/保持器采樣/保持器采樣/保持器采集電路電路較復(fù)雜，時(shí)間偏斜誤差小于分時(shí)采樣系統(tǒng)。適于中、低速采樣系統(tǒng)中。分散式采集結(jié)構(gòu)傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路采樣/保持器采樣/保持器采樣/保持器A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器控制邏輯計(jì)算機(jī)采集電路電路較復(fù)雜，成本較高。適于對(duì)速度要求較高的采樣系統(tǒng)中。二、傳感器的選用傳感器是信號(hào)輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)需要什么傳感器——系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)要求；其次要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高的傳感器。對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求輸出為電量；符合整機(jī)對(duì)傳感器精度（通常為系統(tǒng)精度的十倍）和速度的要求；滿足被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的要求（如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等）；滿足可靠性和可維護(hù)性的要求。傳感器的選用將影響輸入通道的具體組成。下面是傳感器輸出為模擬量時(shí)的輸入通道。傳感器小信號(hào)放大修正與變換微機(jī)傳感器V/F光電耦合微機(jī)傳感器I/V濾波A/D小電壓小電流大電壓大電流傳感器輸出為頻率量或開(kāi)關(guān)量時(shí)的輸入通道。傳感器放大整形光電隔離計(jì)算機(jī)傳感器整形光電隔離計(jì)算機(jī)頻率量輸出開(kāi)關(guān)量輸出三、信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇在一般測(cè)量系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、濾波外，還有諸如零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理（SignalConditioning），相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理的內(nèi)容：小信號(hào)放大濾波零點(diǎn)校正線性化溫度補(bǔ)償誤差修正量程切換前置放大低通陷波高通至采集電路傳感器信號(hào)硬件完成，信號(hào)調(diào)理電路的重點(diǎn)軟件完成典型信號(hào)調(diào)理電路的組成1.前置放大器多數(shù)傳感器輸出信號(hào)都比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。判斷傳感器信號(hào)“大”還是“小”和要不要進(jìn)行放大的依據(jù)是什么？放大器為什么要“前置”,即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？

放大器前置的原因1：使輸入的小信號(hào)不被電路噪聲所淹沒(méi)。前置放大器Ko后級(jí)電路KVISVIN’VINV0SV0N’

在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，電路的輸出為噪聲。設(shè)電路的放大倍數(shù)為K，則噪聲折算到輸入端即為等效輸入噪聲VIN電路噪聲等效電路噪聲信號(hào)輸出信號(hào)輸入VONVIN=K總輸出噪聲折算到前置放大器輸入端為：

若沒(méi)有前置放大器時(shí)信號(hào)剛好被噪聲淹沒(méi)（VIS=VIN），為使輸入信號(hào)不被噪聲淹沒(méi)，應(yīng)VIS>VIN’，即VIN>VIN’解得：即前置電路必須是放大器

放大器前置的原因2：防止濾波器的噪聲被放大器放大。VINI放大器×K濾波器×1VIN0V0NVIN0濾波器×1放大器×KVINIV0N’

放大器前置時(shí)，電路的等效輸入噪聲為：

放大器后置時(shí)，電路的等效輸入噪聲為：放大器前置有利于減少噪聲！2.濾波器

為隔離電路的零點(diǎn)漂移，通常用隔直電容的方法，如圖所示。調(diào)理電路+采集電路電壓跟隨器隔直電容—A

隔直電容與電壓跟隨器的等效電阻組成一個(gè)高通濾波器，其截止頻率為：

測(cè)控系統(tǒng)中根據(jù)需要還可能設(shè)置其他的濾波器，此時(shí)電路的截止頻率由所有的濾波電路決定。四、采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇采集電路的關(guān)鍵部分是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬多路開(kāi)關(guān)（模擬多路選擇器）和采樣保持器S/H視具體測(cè)控問(wèn)題決定是否需要。若被測(cè)信號(hào)恒定或變化緩慢，就不需要S/H.如多路模擬信號(hào)共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，且各模擬信號(hào)的幅值差異較大，就必須在信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器前設(shè)置程控增益放大器。采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇MUXA/DPGAS/HMUXMUXMUXA/DA/DA/DPGAS/H信號(hào)隨時(shí)間變化信號(hào)幅度不同采用方案NONOaNOYESbYESNOcYESYESd1.A/D轉(zhuǎn)換器的選擇選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)需要考慮A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)A/D轉(zhuǎn)換的線性誤差A(yù)/D轉(zhuǎn)換的速度基準(zhǔn)電源穩(wěn)定度A/D轉(zhuǎn)換器工作的環(huán)境（溫度、功耗、可靠性）A/D轉(zhuǎn)換的輸出（串行、并行），與選用的計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)有關(guān)。

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)：

一般說(shuō)來(lái)，位數(shù)越多，分辨率越高，量化誤差就越小。因此，A/D轉(zhuǎn)換器的相對(duì)精度也常用最低有效值的位數(shù)LSB來(lái)表示，即：1LSB=滿刻度值/2n。

選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)需要考慮因素A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定設(shè)：模擬輸入的最大值：Vimax模擬輸入的最小值：Vimin前置放大器的增益：kgm位A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程：E能轉(zhuǎn)換的最小模擬量：則：由前面兩式可得：上式兩邊取對(duì)數(shù)：整理，得：令：

也可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差要求來(lái)確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，通常A/D轉(zhuǎn)換器的精度應(yīng)是系統(tǒng)的十倍左右。A/D轉(zhuǎn)換器的誤差為：即：如果系統(tǒng)要求的精度是：δ

解上式即可得到m。

例：某信號(hào)采集系統(tǒng)要用A/D轉(zhuǎn)換芯片在1s內(nèi)對(duì)16個(gè)熱電偶的輸出電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍0-0.0025v（對(duì)應(yīng)0-450度），需要分辨的溫度為0.1,試選A/D。解：450/0.1=4500212=4096因此選至少13位的A/D采樣速率16次/s采樣時(shí)間為62.5ms一般的A/D都可達(dá)到。線性誤差：指A/D轉(zhuǎn)換器在滿量程內(nèi)的輸入和輸出之間的比例關(guān)系不是完全的線性而產(chǎn)生的誤差。轉(zhuǎn)換速度：

指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，是從模擬量輸入至數(shù)字量輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。

選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)需要考慮因素A/D轉(zhuǎn)換速度的確定

不同原理的A/D轉(zhuǎn)換器的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間是不一樣的，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型的A/D轉(zhuǎn)換器較慢，逐次比較型較快。A/D的時(shí)間由兩部分組成，轉(zhuǎn)換時(shí)間tc和恢復(fù)時(shí)間to，即：

若一個(gè)采樣周期內(nèi)，要完成N路模擬信號(hào)的采樣，則：保持建立時(shí)間通道指令S/H指令啟動(dòng)轉(zhuǎn)換EOCSHtcT≥tS≥tAC啟動(dòng)轉(zhuǎn)換邏輯控制S/H模擬多路開(kāi)關(guān)地址譯碼A/D模擬通道EOCS/H指令數(shù)字輸出通道指令輸出地址捕捉時(shí)間開(kāi)始轉(zhuǎn)換3.采集電路的工作時(shí)序和最高允許頻率基準(zhǔn)電源穩(wěn)定度：

當(dāng)基準(zhǔn)電源電壓變化時(shí)，將使A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓發(fā)生變化，從而使輸出數(shù)字量發(fā)生變化。這種變化的實(shí)質(zhì)，相當(dāng)于輸入模擬信號(hào)有變化，從而產(chǎn)生誤差。A/D轉(zhuǎn)換器工作的環(huán)境（溫度、功耗、可靠性）A/D轉(zhuǎn)換的輸出（串行、并行），與選用的計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)有關(guān)。第四節(jié)模擬輸出通道微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)的模擬輸出通道常用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模擬輸出通道的目的是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，其信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程正好與模擬輸入通道相反。模擬輸出通道的基本組成如下圖所示。寄存器D/A調(diào)理電路顯示器記錄器三、模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)1數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)寄存器R1調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制邏輯D/A數(shù)據(jù)寄存器R1數(shù)據(jù)寄存器R1D/AD/A調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不適合于要求多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作的系統(tǒng)每通道都有獨(dú)立的寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器2數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)寄存器R1調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制邏輯D/A數(shù)據(jù)寄存器R1數(shù)據(jù)寄存器R1D/AD/A調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)寄存器R2數(shù)據(jù)寄存器R2數(shù)據(jù)寄存器R2每通道都有獨(dú)立的兩個(gè)寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器各執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作3模擬分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)a寄存器調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制邏輯D/A轉(zhuǎn)換器調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采樣保持器采樣保持器采樣保持器不適合于要求多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作的系統(tǒng)各通道都共用一個(gè)寄存器和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器四、模擬輸出通道器