1、第三章 过程通道和数据采集系统内容提要n概述n模拟量输入通道nD/A与A/D转换技术n数据采集系统n模拟量输出通道n过程通道的抗干扰措施n小结1 概述n过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO）微机控制系统组成框图1 概述 2/10n过程通道的组成和功能 数字量输入（DI）通道：把从控制对象检测得到的数字码、开关量、脉冲量或中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给计算机(检测通道)输 入调 理电 路输 入缓 冲器地址译码器生产过程PC总线1 概述 3/10 数字量输出（DO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口输出数字信号、脉冲信号或开关信号
2、(控制通道,电磁阀)输 出驱 动器输 出锁 存器地址译码器生产过程PC总线1 概述 4/10模拟量输入（AI）通道：把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号（如温度,压力,流量,液位等）(1-10V,4-20mA)变换成二进制的数字信号，然后经接口送入到计算机(检测通道)模拟量输出（AO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象(控制通道,连续调节阀)AI、AO比较重要，有不少特殊问题要解决1 概述 5/10n信号转换中的采样、量化和编码 计算机控制系统，就必须首先解决模拟量和数字量之间的转换问题。转换过程大体上要解决如下3个问题：采样（Sample）量化（
3、Quantity）编码（Coding）1 概述 6/10 信号的采样 把时间连续的信号转换为一连串时间不连续的脉冲信号，这个过程称为“采样”，又称为“抽样”、“取样”X(t)X(t)*ST(t)ttt0002T1T3T 4T 5T 6T-2T-1T-3T-4T-5T1 概述 7/10 采样后的脉冲信号称为采样信号，采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍是连续的 香农（Shannon）采样定量：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f 2 fmax，采样信号就能唯一复现原信号。1 概述 8/10 量化 采样信号经过整量化成为数字信号的过程称为整量化过程 1 概述 9/10整量化过程是一个数
4、值分层过程。四舍五入过程量化单位 q 是A/D转换器最低位二进制位（LSB）所代表的物理量，量化误差(精度)为q/2采样信号与数字信号的区别实际应用中,f=(510)fmax1 概述 10/10 编码 把量化信号转换为二进制代码的过程称为编码 编码的任务由A/D转换器完成 双极性(正负)信息的 3种表示方法 符号数值码 偏移二进制码 补码表示法注记：常用的双极性编码数正基准负基准符号-数值码2的补码偏移2进制码+7+7/8-7/8011101111111+6+6/8-6/8011001101110+5+5/8-5/8010101011101+4+4/8-4/8010001001100+3+3/
5、8-3/8001100111011+2+2/8-2/8001000101010+1+1/8-1/8000100011001+0+0-0000000001000-0-0+01000（0000）（1000）-1-1/8+1/8100111110111-2-2/8+2/8101011100110-3-3/8+3/8101111010101-4-4/8+4/8110011000100-5-5/8+5/8110110110011-6-6/8+6/8111010100010-7-7/8+7/8111110010001-8-8/8+8/810000000注记：常用的双极性编码关系将右边码转变为下面码符号-数
6、值码2的补码偏移2进制码符号-数值码不变最高位为1,则其余各位取反,再加0001最高位取反,若取反后最高位为1,则其余各位取反,再加00012的补码最高位为1,则其余各位取反,再加0001不变最高位取反偏移2进制码最高位取反,若取反后最高位为0,则其余各位取反,再加0001最高位取反不变内容提要n概述n模拟量输入通道nD/A与A/D转换技术n数据采集系统n模拟量输出通道n过程通道的抗干扰措施n小结2 模拟量输入通道n模拟量输入通道的一般组成 一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和A/D转换器组成2 模拟量输入输出通道 2/10 检测：把非电量的工艺参数（如温度、压力、流量等）通过传
7、感器转换为电量（一般为直流电压或电流）信号处理：包括信号滤波、小信号放大、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非先行补偿、电流/电压转换等2 模拟量输入输出通道 3/10n多路转换器 当多个信号共用一个A/D转换器时，就需要这个器件 理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。两大类：机械触点式,干簧继电器,机械振子继电器 电子开关式,晶体管开关,集成电路开关,场效应管 选择要求2 模拟量输入输出通道 3-2/10 选择要求 机械触点式,干簧继电器 接触电阻小,断开电阻大;寿命长106107;工作频率400Hz;小信号中速度(10400点/s)电子开关式 工作频率高达1000点/s,
8、体积小,寿命长.缺点导通电阻大,小信号测量精度受影响 选择考虑因数:通路多少;电平高低;单端/差动输入方式?;寻址方式;切换速率;切换时要多长时间才能稳定到要求精度 参考p.41原理图(场效应管)2 模拟量输入输出通道 4/10n放大器(p.42,图3.6,3.7,3.8)A/D转换器的输入电压一般都有一定范围，而变送器过来的信号一般都是 MA 级的，所以必须经过放大(一般的A/D满度电压10V)可编程序放大器是一种通用性强的高级放大器，可以根据需要用程序来改变它的放大倍数 当多路输入的信号源电平相差较大时,用同一增益放大器去放大高/低电平信号,可能使得低电平信号测量精度降低,而高电平信号有可
9、能超出A/D转换器的输入范围.采用编程序放大器,使A/D转换器满量程达到均一化,提高多路采集的精度.2 模拟量输入输出通道 5/10n采样/保持器 作用：在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输出值不变。最简单的采样/保持器是由开关和电容组成：RKVxCVout.2 模拟量输入输出通道 5-2/10采样中问题 A/D转换器完成一次转换过程的时间称为转换时间;转换期间将引起误差;误差估计:Vf=5V;12位的A/D;基准电压10.24V;量化误差为最低位的一半;转换时间0.1ms.则信号最高频率为tVVffVVtEtfVVtftfVVftVVfffff2;222cos2;2sin
10、)(5.010521025.1225.1224.102143max12HztVVfmVVf2 模拟量输入输出通道 5-3/10采样/保持器工作机理 图3.9和3.10是LF398的原理图.指标:CH=0.01F;0.01%精度获取时间25s;保持器下降速度3mv/s;转换时间100 s;保持器下降电压300 v 2 模拟量输入输出通道 6/10nCD4051介绍：单边8通道多路调制器/多路解调器。其引脚结构如图所示。IN/OUT19876543210111413121516 IN/OUTIN/OUT12304567OUT/ININHVssVccVDDABC模拟量输入输出通道 7/10nC、B、
11、A为二进制控制输入端，INH为禁止输入端（高电平禁止）。改变IN/OUT07及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。其真值表如下所示：2 模拟量输入输出通道 8/10n当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联起来。两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法如图所示。OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ模拟输入（1 8）模拟输入（9 16）模拟输出.2 模拟量输入输出通道 9/10转换(孔径)时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时间。转换(孔径)误差：采样时刻的最大转换误差。转换(孔径)误差的消
12、除：采用采样保持器2 模拟量输入输出通道 10/10n采样保持器LF398介绍（p.45）2 模拟量输入输出通道 8+/10n当采样的通道比较多，可以将两个以上的多路开关并联起来。四个8路开关扩展成16路的差动输入方法图3.5。OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ差动模拟输入（1 8）差动模拟输入（9 16）模拟输出V1.OUTOUTCCABBACD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ差动模拟输入（1 8）差动模拟输入4D锁存器.（9 16）.模拟输出V22 模拟量输入输出通道 8+/10n8个8路开关扩展成64路的输入方法图3.20。nP.57
