計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通道

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通道本講重點(diǎn)和難點(diǎn)3.3模擬量輸入通道3.3.1模擬量輸入通道的組成3.3.2信號(hào)調(diào)理和變換電路分析電橋放大電路信號(hào)變換輸入通道的結(jié)構(gòu)類型第2頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.1

模擬量輸入通道的組成圖3.17模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu)信號(hào)調(diào)理與變換多路轉(zhuǎn)換器采樣/保持器A/D轉(zhuǎn)換器第3頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天典型模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)第4頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天便于信號(hào)的傳輸與處理信號(hào)轉(zhuǎn)換與調(diào)理的目的：

1.傳感器輸出信號(hào)很微弱，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)顯示記錄儀表，需要進(jìn)行放大。

4.能量轉(zhuǎn)換型傳感器輸出的是電信號(hào)，但混雜有干擾噪聲，需要進(jìn)行濾波，提高信噪比。2.傳感器輸出信號(hào)不僅微弱，而且變化緩慢(頻率低)，若用交流放大器放大，需要進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。

3.能量控制型傳感器輸出的是電參量，需要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能進(jìn)行處理(電橋)。

5.傳感器輸出信號(hào)若送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析與處理時(shí)，必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，必須進(jìn)行V/I或V/F轉(zhuǎn)換。3.3.2信號(hào)調(diào)理和變換電路分析第5頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.2信號(hào)調(diào)理和變換電路分析3.3.2.1.信號(hào)調(diào)理電路傳感器輸出的電信號(hào)大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之轉(zhuǎn)換為便于處理、接收和顯示的形式。信號(hào)調(diào)理電路主要通過(guò)非電量的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的變換、放大、濾波、線性化、共模抑制及隔離等方法，將非電量和非標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路是傳感器和A/D之間以及D/A和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的橋梁，也是測(cè)控系統(tǒng)中重要的組成部分。第6頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天信號(hào)調(diào)理電路--電橋電橋?qū)㈦娮?、電容、電感等參?shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路。其轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)是一種信息的傳遞，將電參量變化的信息加到輸出電壓信號(hào)上，其能量由工作電源提供。電橋電路簡(jiǎn)單可靠，具有很高的精度和靈敏度，被廣泛的用作儀器測(cè)量電路。第7頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天直流電橋圖－1直流電橋的基本結(jié)構(gòu)形式

第8頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天

當(dāng)輸入端后接輸入阻抗較大的儀表或放大電路時(shí)，可視為開(kāi)路，其輸出電流為零，此時(shí)有

a與b之間和a與d之間的電位差分別為由此可得輸出電壓第9頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天若要使輸出為零，亦即當(dāng)電橋平衡時(shí)，則應(yīng)有

討論：直流電橋平衡條件。若電橋中任一個(gè)或數(shù)個(gè)電阻發(fā)生變化，電橋輸出電壓變化。測(cè)量電橋就是基于上述原理工作。第10頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天電橋的接法：?jiǎn)伪?/p>

半橋全橋第11頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天第12頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天電橋和差特性內(nèi)容：相鄰兩橋臂電阻同向變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互抵消；相鄰兩橋臂電阻反向變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互迭加；和差特性應(yīng)用實(shí)例：

懸臂梁作敏感元件測(cè)力：為提高靈敏度，常在梁的上，下表面各貼一片應(yīng)變片，并將上述兩應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩橋臂。第13頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天交流電橋電感電容傳感器傳感器●平衡條件第14頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天放大器的性能要求：開(kāi)環(huán)增益足夠大，閉環(huán)增益可調(diào)；輸入阻抗高(與傳感器輸出阻抗相匹配)，輸出阻抗低；共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc；足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率；漂移小、噪聲低、輸入失調(diào)電壓低、輸入失調(diào)電流小。信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大第15頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.反相放大器特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，但輸入阻抗低。而且提高輸入阻抗與提高增益之間存在矛盾。信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大R3UiR1R2∞A-++Uo第16頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天特點(diǎn)：輸入阻抗高，但精度低，易受干擾。

2.同相放大器R2R3UiR1∞A-++Uo信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大第17頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.差動(dòng)放大器取R1=R3，R2=R4，則R3UoR4Ui2R1R2Ui1∞+-+AUid=Ui2﹣Ui1

Uic=(Ui1+Ui2)/2特點(diǎn)：CMRR高，但輸入阻抗較低，增益調(diào)節(jié)困難。信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大第18頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.儀用放大器A1A2：兩個(gè)對(duì)稱的同相放大器，以提高輸入阻抗；A3：差動(dòng)放大器，以抵消前級(jí)的共模干擾，而且還將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出，適應(yīng)對(duì)地負(fù)載的需要。信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大第19頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大第20頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天集成儀用放大器INA114的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大第21頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天案例：INA114與測(cè)量電橋的連接信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大RPUoINA11418327654+5V-5Vu第22頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天案例：INA114在光功率自動(dòng)控制電路中的應(yīng)用

光功率自動(dòng)控制電路的作用：克服供電電源波動(dòng)或光源老化等因素的影響，確保光源輸出功率穩(wěn)定。信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大第23頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)激光器LD因某種原因功率增大時(shí)，耦合至光敏二極管PIN的光電流也同比例增大，從而使電阻R1上的電位升高。此時(shí)INA114的輸出電壓Uo降低，即U1也降低，流過(guò)LD的電流I也相應(yīng)降低，從而達(dá)到降低LD輻射功率。

信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大案例：INA114在光功率自動(dòng)控制電路中的應(yīng)用

第24頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.程控增益放大器信號(hào)調(diào)理電路---信號(hào)放大第25頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.電壓-電流轉(zhuǎn)換

作用：減小傳輸導(dǎo)線阻抗對(duì)信號(hào)的衰減

（1）負(fù)載浮地型V/I轉(zhuǎn)換電路

優(yōu)點(diǎn)：與負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)，具有恒流特性。缺點(diǎn)：負(fù)載必須懸浮，不能接地，不適用于某些應(yīng)用場(chǎng)合。3.3.2.2信號(hào)轉(zhuǎn)換第26頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）負(fù)載接地型V/I轉(zhuǎn)換電路

(取)3.3.2.2信號(hào)轉(zhuǎn)換第27頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天案例：V/I轉(zhuǎn)換AD694在啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

LM35溫度傳感器對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)溫度進(jìn)行采樣，信號(hào)放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至微處理器。微處理器根據(jù)模糊積分控制算法的運(yùn)算結(jié)果將控制信號(hào)輸出至D/A轉(zhuǎn)換器，再放大為0-10V的電壓信號(hào)，最后利用AD694進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換，得到4-20mA的電流信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻閥門的開(kāi)度，使冷卻夾套內(nèi)的冷媒帶走多余的反應(yīng)熱，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐溫度的控制。

3.3.2.2信號(hào)轉(zhuǎn)換第28頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天利用AD694進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換的電路：

輸入量程選擇引腳4懸空，表示輸入電壓范圍為0-10V，4mA偏置電流選擇引腳9接地，表示輸出電流范圍4-20mA。由于感性負(fù)載電流輸出引腳11與地之間跨接0.01μF的電容，二極管VD1和VD2防止負(fù)載電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)損壞AD694。

3.3.2.2信號(hào)轉(zhuǎn)換第29頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天要求:（1）電流源內(nèi)阻RS很大，減小輸入失調(diào)電壓影響；（2）IS>>Ib——運(yùn)放的輸入偏置電流。2.電流-電壓轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單方法：在輸出電路中串接精密電阻，通過(guò)測(cè)量電阻兩端的電壓即可完成轉(zhuǎn)換，但對(duì)后續(xù)電路會(huì)產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)。（1）反相輸入型Uo∞-+A+IS

RSR2R1I3.3.2.2信號(hào)轉(zhuǎn)換第30頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）同相輸入型要求：R4=R2//R3例如：4~20mA→0~10V

取R1=250Ω，I=

4~20mA→

Ui=1~5V→Uo=0~10V

，，，，Uo∞-+A+UbR3R1I

R4R2Ui3.3.2.2信號(hào)轉(zhuǎn)換2.電流-電壓轉(zhuǎn)換第31頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.電壓-頻率轉(zhuǎn)換

當(dāng)Uo1=0>UREF時(shí)，輸出Uo為高電平，V1截止，積分器對(duì)Ui積分，使Uo1減小。當(dāng)Uo1<UREF時(shí)，Uo將躍變?yōu)榈碗娖剑琕1導(dǎo)通，C1迅速放電，使Uo1增大，如此重復(fù)電路產(chǎn)生自激振蕩。3.3.2.2信號(hào)轉(zhuǎn)換

作用：實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸(調(diào)頻)第32頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天案例：LM331在香煙包裝機(jī)溫度檢測(cè)中的應(yīng)用

熱電偶輸出的電壓信號(hào)放大后再利用LM331轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，頻率信號(hào)經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸通過(guò)光電隔離送入微處理器，微處理器對(duì)該頻率信號(hào)進(jìn)行處理，輸出控制信號(hào)經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)可控硅，利用過(guò)零觸發(fā)方式控制加熱器電源的通斷。

3.3.2.2信號(hào)轉(zhuǎn)換第33頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)原理（CD4051）3.3.3多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開(kāi)關(guān)，是用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。理想的多路轉(zhuǎn)換器其開(kāi)路電阻為無(wú)窮大，其接通時(shí)的導(dǎo)通電阻為零。常用的多路開(kāi)關(guān)有CD4051(或MC14051)，AD7501，LF13508等。第34頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.5A/D轉(zhuǎn)換直接比較型—模擬信號(hào)直接參考電壓比較，得到數(shù)字量。類型有：逐次比較、連續(xù)比較···優(yōu)點(diǎn)：瞬時(shí)比較，轉(zhuǎn)換速度快。間接比較—模擬信號(hào)與參考電壓先轉(zhuǎn)換為中間物理量，再進(jìn)行比較。缺點(diǎn)：抗干擾能力差。類型有：雙斜式、積分式、脈沖調(diào)寬···優(yōu)點(diǎn)：平均值比較，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢。A/D轉(zhuǎn)換器分類按速度分：高、中、低按精度分：高、中、低按位數(shù)分：8、10、12、14、16按工作原理分:3.3.5.1A/D轉(zhuǎn)換器的分類第35頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.5.2

主要技術(shù)指標(biāo)1.

量程

量程—

A／D轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的電壓范圍。什么是〞量程〞

？例如：0～5V，

-5V～+5V，

0～10V，

-10V～+10V。第36頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.5.2

主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，滿量程電壓為FSR，則分辨率定義為：相對(duì)分辨率定義為2.

分辨率A／D轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬輸入信號(hào)的最小變化量。

什么是〞分辨率〞

？第37頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.5.2

主要技術(shù)指標(biāo)表3.3.5.1A／D轉(zhuǎn)換器分辨率與位數(shù)之間的關(guān)系(滿量程電壓為10V)

位數(shù)

級(jí)數(shù)

相對(duì)分辨率（1LSB）

分辨率（1LSB）8101214162561024409616384655360.391%0.0977%0.0244%0.0061%0.0015%39.1mV9.77mV2.44mV0.61mV0.15mVA／D轉(zhuǎn)換器分辨率的高低取決于位數(shù)的多少。因此，目前一般用位數(shù)n來(lái)間接表示分辨率?？傻贸鯝／D轉(zhuǎn)換器分辨率與位數(shù)之間的關(guān)系

第38頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.5.2

主要技術(shù)指標(biāo)例如：一個(gè)12位A／D轉(zhuǎn)換器，理論模擬輸入電壓為5V時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)碼為100000000000。實(shí)際在4.997V～4.999V范圍內(nèi)的模擬輸入電壓都產(chǎn)生這一輸出數(shù)碼，則存在問(wèn)題：在A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，量化帶內(nèi)的任意模擬輸入電壓都能產(chǎn)生同一輸出數(shù)碼。

約定：上述定義的模擬輸入電壓則限定為量化帶中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模擬輸入電壓值。3.

精度對(duì)應(yīng)于輸出數(shù)碼的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。相對(duì)精度—

絕對(duì)精度與滿量程電壓值之比的百分?jǐn)?shù)。第39頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天精度：轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度；分辨率：轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬信號(hào)的最小變化值。分辨率高的A/D轉(zhuǎn)換器，可能因?yàn)闇囟绕啤⒕€性不良等原因，并不一定具有很高的精度。思考題某電子秤，其壓力傳感器的電壓輸出與壓力成正比，采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，采用有舍有入的量化，量程為0-10V。當(dāng)輸入模擬信號(hào)電壓落在4.997V-4.999V范圍時(shí)，得到數(shù)字信號(hào)是1000_0000_0000B。(1)求此A/D轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)分辨率和絕對(duì)精度；(2)采用此電子秤進(jìn)行稱重的顧客是賺還是虧？(1)絕對(duì)分辨率：10/2^12=0.002441000_0000_0000B轉(zhuǎn)換的模擬量2^11*10/2^12=5v(2)

4.997V-4.999V舍入為5v1v0.83333333v0.91v精度與分辨率第40頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.5.2

主要技術(shù)指標(biāo)4.

轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率

轉(zhuǎn)換時(shí)間tCONV—

按照規(guī)定的精度將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸出所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換速率—

每秒鐘轉(zhuǎn)換的次數(shù)。下面討論tCONV與轉(zhuǎn)換精度、信號(hào)頻率的關(guān)系。轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于所要求的轉(zhuǎn)換精度和被轉(zhuǎn)換信號(hào)的頻率。①當(dāng)精度一定時(shí)，信號(hào)頻率↑，tCONV↓；②當(dāng)信號(hào)頻率一定，

tCONV

↓，△U↓。第41頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天5．對(duì)基準(zhǔn)電源的要求

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮外界精密基準(zhǔn)電源。6．線性誤差

在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。

線性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示，如1/2LSB或1LSB。3.3.5.2

主要技術(shù)指標(biāo)第42頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.8位A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809主要特點(diǎn)：分辨率8位；轉(zhuǎn)換時(shí)間100

s；溫度范圍-40～+85℃；可使用單一的+5V電源；可直接與CPU連接；輸出帶鎖存器；邏輯電平與TTL兼容。3.3.5.3

A/D轉(zhuǎn)換器第43頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天電路組成及引腳功能

ADC0809有28條引腳。OE3.3.5.3

A/D轉(zhuǎn)換器①模擬量輸入線IN7～I(xiàn)N08條：用來(lái)輸入模擬量②地址輸入和控制線4條

ALE→地址鎖存允許輸入線

A、B、C→地址輸入線③數(shù)字量輸出及控制線11條

START→轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，為高電平時(shí)轉(zhuǎn)換開(kāi)始

EOC→轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC=1→轉(zhuǎn)換結(jié)束

EOC=0→正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換

OE→輸出允許信號(hào)OE=1→輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)

OE=0→輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)

D7～D0→數(shù)字量輸出線④電源線及其它5條

VCC→+5V電源線

GND→地線

VREF（+）和VREF（-）→參考電壓

CLOCK→時(shí)鐘輸入信號(hào)線第44頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天》1》1》1/RD/WR/ADDRESS/INTERRUPTINTERRUPTOEEOCSTARTALE10進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換：001A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束：110001000第45頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天采用中斷方式

2.8位A/D轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)1010001》1》1101001第46頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天采用查詢方式將A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)送到CPU數(shù)據(jù)總線或I/O接口的某一位上，轉(zhuǎn)換開(kāi)始后便開(kāi)始查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，一旦結(jié)束，就讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。2.8位A/D轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)》1》1001100101010第47頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天采用查詢方式例題START:MOVR0,#00H；建立外部RAM緩沖區(qū)地址指針

MOVP2,#0A0HMOVR3,#00H；置采樣次數(shù)計(jì)數(shù)器初值

MOVR4,#00HMOVR6,#08H；設(shè)通道計(jì)數(shù)器初值A(chǔ)GAIN0:MOVDPTR,#7FF0H；通道地址寄存器設(shè)初值7FF0H=0111111111110000B,P2.7=0,P0.0=0,P0.1=0,P0.2=0,選中0號(hào)通道