第3章 过程输入输出通道1

第3章过程输入输出通道3.1概述3.2模拟量输入通道3.3模拟量输入出通道3.4数字量输入通道3.5数字量输出通道3.6抗干扰技术3.1概述1.过程输入输出通道与主机交换的信息类型1）数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，包括数字量和模拟量。2）状态信息：又叫应答信息、握手信息，反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。3）控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。2.过程通道的编址方式1）过程通道与存储器统一编址方式2）过程通道与存储器独立编址方式3.主机对过程通道的控制方式1）程序传送控制方式程序传送控制方式是指完全靠程序来控制信息在CPU与I/O设备之间的传送，又分为无条件（同步）传送方式和条件（查询）传送方式。2）中断传送方式中断是外设(或其他中断源)中止CPU当前正在执行的程序，转向该外设服务的程序，即完成外设与CPU间传送一次数据，一旦服务结束，又返回主程序继续执行。3）直接存储器存取（DMA）传送方式数据传送执行的时间小于完成中断过程所需时间，大量数据在高速外设与存储器之间传送时，采用DMA方式。发送存储器地址DMAC撤销DMA请求，结束DMA传送修改地址指针和字节计数器的值传送数据传送结束？NY接口提出传送请求DMACDMACCPU发总线请求CPUDMAC发总线允许DMA的工作流程3.2模拟量输入通道模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。3.2.1信号处理电路信号处理电路包括信号滤波、小信号放大、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、线性化处理、电流/电压转换等。在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器，当它们的输出信号为0～10mA或4～20mA的电流信号时，一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，主要有两种变换电路。（1）无源I/V变换电路（2）有源I/V变换电路1）无源I/V变换-+A2R1RVI(a)无源I/V变换电路(b)有源I/V变换电路图2-2电流/电压变换电路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5VR1=100ΩR2=500，则0～10mA对应0～5VR1=100ΩR2=250，则4～20mA对应1～5VR为精密电阻二极管保护作用2）有源I/V变换3411RRIRVG若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，则输入电流I的0～10mA就对应电压输出V的0～5V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4～20mA的输入电流对应于1～5V的电压输出。-+A2R1RVI(a)无源I/V变换电路(b)有源I/V变换电路图2-2电流/电压变换电路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5V3.2.2多路模拟开关由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选一的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。多路开关有两类：（1）、机械触点式，如干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器，目前已很少使用；（2）、电子式开关，如晶体管、场效应管及可编程集成电路开关等。在这里我们主要介绍常用的集成电路芯片，如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。现以常用的CD4051为例当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8路CD4051并联起来，组成1个单端的16路开关。图3-7给出了两个CD4051扩展为1×16路模拟开关的电路。3.2.3前置放大器前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内，如0～5VDC。1.测量放大器在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器。经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端VIN和VIN分别是两个运放A1、A2的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。图中RG是外接电阻，专用来调整放大器增益的。增益公式为：OUT1ININ22(1)SGVRRGVVRR2.可变增益放大器在A/D转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器。3.2.4采样保持器当某一通道进行A/D转换时，由于A/D转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器。1.零阶采样保持器2.零阶集成采样保持器常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF198/298/398等，其内部结构和引脚如图3-10所示。这里，用TTL逻辑电平控制采样和保持的状态，如若AD582的采样电平为“0”，则保持电平为“1”，而LF198的则相反。3.2.5A/D转换器1.A/D转换器工作原理常用的A/D转换器原理可分为逐位逼近式和双积分式两种。1)逐位逼近式A/D转换原理-比较器+D/A转换器控制时序和逻辑电路逐位逼近寄存器（SAR）数字量输出寄存器模拟量输入VinVf（反馈电压）D0~D7根据A/D转换器的原理，一个n位A/D转换器输出的二进制数字量B与模拟输入电压VIN、正基准电压VR+、负基准电压VR-的关系为IN2RnRRVVBVV一个8位A/D转换器，设VR+=5.00V，VR=0V，那么当VIN分别为0V、2.5V、5V时所对应的二进制数字量B分别为00H、80H、FFH。逐位逼近式A/D转换器很好的兼顾了速度和精度，在16位以下的A/D转换器中广泛的使用。缺点是抗干扰能力不够强，且当信号变化率较高时，会产生较大线性误差。此种A/D转换器的常用品种有普通型8位单路ADC0801～ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等，混合集成高速型12位单路AD574A、ADC803等。2)双积分式A/D转换原理3)其它A/D转换方式（1）电压/频率式转换器：简称V/F转换器，是把模拟电压信号转换成频率信号的器件。此种V/F转换器的常用品种有VFC32、LM131/LM231/LM331、AD650、AD651等。（2）计数比较式：结构简单，价格便宜，速度慢，较少采用。（3）全并行比较型（Flash型）：采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高。（4）分级型：减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减小电路规模，保持较高速度。（5）Σ-Δ型（过采样转换器）：高速1bitDAC+数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。Σ-Δ型A/D转换芯片有AD7715等。2.A/D转换器的主要性能指标1)分辨率：是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度，通常用数字输出最低有效位（LeastSignificantBit，LSB）所对应的模拟量输入电压值表示。2)转换时间：从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成n位转换所需的时间。转换时间的倒数即每秒能完成的转换次数，称为转换速率。3)转换精度：有绝对精度和相对精度两种表示方法。其中绝对精度是指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值；相对精度是指在满量程已校准的情况下，整个转换范围内任一数字量输出所对应的模拟量输入电压的实际值与理想值之间的最大差值。转换精度常用LSB的分数值来表示，如±1/2LSB、±1/4LSB等。4)线性度：理想A/D转换器的输入输出特性应是线性的，满量程范围内转换的实际特性与理想特性的最大偏移称为非线性度，用LSB的分数值来表示，如±1/2LSB、±1/4LSB等。5)转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如0～5V，0～10V，－5～＋5V等。6)转换输出：通常数字输出电平与TTL电平兼容，并且为三态逻辑输出7)对基准电源的要求：基准电源的精度将对整个系统的精度产生影响，故选片时应考虑是否要外加精密参考电源等模数转换的原理误差•取样－量化导致信息丢失。这主要来自两个方面的原因，其一：取样——使得我们用时间轴上的有限时间点来代替原模拟信号的无限连续时间点；其二：量化——使得我们用幅度轴上有限位数（模数转换器的有限位数）来代替模拟信号的无限位数。这样两个因素导致我们无法获得真实模拟信号中的信息，或者说：破坏了模拟信号的完整性。同时要指出的是：这是一个原理性的误差源，若要想消除这个误差，只有提高采样速率，增加模数转换器的准确度（提高转换器的位数），当这两个参数达到极限时，我们就可以复现出模拟信号。然而，十分不幸的是：这两个参数在现实世界总是处在相互矛盾之中。就我们目前的技术而言，还无法和谐、统一的处理它们。•在NI可提供的产品中：•NIPXI-5154是目前采样速率最高的模数转换器，但分辨率只有8bits。NIPXI-4071是目前测量分辨率最高的模块，26bits分辨率时，每秒7次读数。NIPXI-5922则是高速度、高分辨率二者兼顾最好的模数转换器，24bits分辩率时500KHz采样速率；16bits分辨率时15MHz采样率。模数转换器的位数越多越好吗？•为了消除模数转换器的原理误差，应该尽可能的提高采样速率和分辨率，这个概念是对的，但是模数转换器的分辨率越高就意味着测量准确度越高吗？有人说：NIPXI-4461（NIUSB-9233）都具备24bits的分辨率，所以测量精度就很高。这对吗？绝对不对！这是一个极其错误的概念，它将精密度与准确度（精度）混为一谈了，精密度高不等于精度高（正是由于避免混用的原因，精度这个词已经不建议使用了）。可以说模数转换器的分辨率高，测量的精密度好，动态范围大。以NIUSB-9233为例从它的产品介绍来看：它的准确度在0－60度的环境温度范围内是：0.1dB。这个数值是比较差的，即便是与它的动态范围相比，其准确度也就在：正、负0.1％。实际上，14bits以上的模数转换器都可以达到这样的技术性能.但是要注意，它的稳定性很好，对比数据可以发现，它的稳定性指标要比准确度指标好100倍，所以适合做精密测试。•那干什么还要用24bits的模数转换器呢？••其实这来自于测量不同信号的需求，我们知道：声音和振动冲击信号的（瞬时值）变化范围比较大，比如：声音的最大变化范围可以是：0－140dB（通常最大为120dB）。为了测量这些信号需要再同一个量程下实现完整的测量，这就需要这种动态范围较大的模数转换器，而相对转换准确度的要求并不是很高，比如：工业声级计的测量准确度为：1dB。•所以这类模数转换器也被称为：DSA（动态信号采集卡）。NIUSB-9233等就是专为这些用途设计的，当然也包含了信号调理部分（IEPE激励源）。顺便提一下NIUSB-9233的替代产品NIUSB-9234，它的技术性能要好很多，并且可以使用在AC或DC耦合方式下。但价格也要多2000元。上图中左边是NIUSB-9233的准确度指标，右边是NIUSB-9234准确度的技术指标，可以看出后者的技术性能要好的多。NI还有许多24bits分辨率的数据采集卡，比如：NI9217（温度）、NI9219（多功能）、NI9229（通用）、NI9239（通用）、NI9237（应变测量）等等以适应不同的测量用途。NIPXI-5922这是一块货真价实的模数转换器，其技术性能堪称一流，也难怪它一出现就被评为：2006年最佳测试仪器。精密度（precision)与精确度(accuracy准确度)精确度(accuracy)测量值与真值或期望值之间彼此一致的程度一般产品给出的精度值是指误差的最大值精密度