第二章 模拟量输入输出通道接口技术

第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW第二章模拟量输入/输出通道接口技术2.1接口和通道2.2多路开关及采样保持器2.2模拟量输出通道接口技术2.3模拟量输入通道接口技术第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW生产对象传感器A/D微型机D/AM~执行机构煤气调节阀2.1接口和通道接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁。是研究微机和外围设备之间交换信息的技术。过程通道是在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：模拟量输入通道AO：模拟量输出通道DI：开关量输入通道DO：开关量输出通道——连接计算机与生产过程、物理对象、外部设备外围设备多种多样，有机械的、电动式或其它形式。其输入信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，这样在计算机与被控对象之间包括模拟量输入/输出通道，数字是（开关量）输入/输出通道。第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW模拟量输入通道的组成I/V变换信号调理变送器多路转换器采样保持器A/D转换器接口逻辑电路过程参数PC总线模拟量输入通道的任务：把系统中检测到的模拟信号变成数字信号，经接口送到计算机第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW2.2多路开关及采样/保持器1多路开关和采样保持器的物理意义2采样定理3多路开关4采样/保持器返回本章首页第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW多路开关和采样保持器的物理意义多路开关：解决多输入的问题（A/D）和多输出的问题（D/A）采样保持器：精度问题–输入时：A/D转换期间保持信号恒定，转换结束后能够跟踪信号的变化。–输出时：D/A转换器输出时跟踪信号，转换结束后保持信号的恒定。第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW2.2.1采样定理1离散系统和连续系统连续系统处理连续性的信号，采用连续信号进行控制。（模拟仪表）离散系统把连续信号转换成离散量，依据离散量进行控制（计算机控制系统）连续信号转换成离散量的手段和方法：采样和量化2信号的采样按照一定的时间间隔T，把时间上和幅值上连续的模拟信号转换成在时刻0、T、2T、…kT上在时间上离散的脉冲序列信号的过程称采样。工具：采样开关；结果：采样信号3信号的量化采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。将采样信号转换成数字信号。工具：A/D转换器；结果：离散化的数字信号第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW连续信号和离散信号连续信号分为两种：时间和幅度都连续的信号，称为模拟信号；时间连续而幅度量化的信号，称为幅度离散或幅度量化信号。离散信号分为两种：时间离散而幅度连续的信号，称为采样信号；时间和幅度都量化的信号，称为数字信号。第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW采样过程按照一定的时间间隔将连续信号变换为在时间上离散的脉冲序列的过程称为采样过程。用来实现采样过程的装置称为采样器或采样开关。将连续信号e(t)加到采样开关的输入端，采样开关以周期T依次闭合，闭合持续时间为ε，则采样开关的输出端得到宽度为ε的脉冲序列e*(t)。e*(t)可近似为一系列宽度为ε，高度为e(kT)的矩形脉冲。理想的采样开关等效于一个理想的单位脉冲序列发生器，由于ε很小因此产生单位脉冲序列δT(t)。第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW采样过程的物理意义返回本节调制器δT(t)X*(t)X(t)(c)X（t）t(a)δT(t)(b)-3T-2T-1T01T2T3TtX(t)X(t)*ST(t)ttt0002T1T3T4T5T6T-2T-1T-3T-4T-5TX*（t）图2-2采样波形图采样过程的物理意义：采样过程可以看作脉冲调制过程，单位理想脉冲序列δT(t)作为载波，输入信号e(t)作为调制信号，采样开关看作一个调制器。第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW采样定理如果x(t)是有限带宽信号，如果要从采样信号中唯一恢复原来的连续信号，采样频率必须满足fs≥2fmax实际使用中一般取fs≥4fmax香浓是现代信息论的著名创始人。1938年，香浓在发表的论文中，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现。离散系统的采样形式周期采样：以相同的时间间隔进行采样。tk+l-tk=常量T多阶采样：tk+r-tk周期性重复，非常量。随机采样：根据需要决定采样的时刻。第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW2.2.2多路开关把多个模拟量参数分时地接通送入A/D转换器，完成多到一地转换。——多路开关把计算机处理地值，由D/A转换器输出的模拟信号按一定的顺序输出到不同的外部设备，完成一到多的转换。——多路分配器单向多路开关：只能做多路开关AD7501AD7506双向多路开关：可做多路开关和多路分配器CD4051单端输入：在某一时刻只能接通一个通道双端输入：在某一时刻可以接通两个通道特点：采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排；直接与TTL、CMOS电平相兼容；内部带有通道选择译码器，使用方便可采用双极性输入转换速度快，导通或关断时间1μs无机械磨损，寿命高接通电阻低＜100Ω；断开电阻高＞109Ω第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW图2-3CD4051原理电路图C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通。改变图中IN/OUT0~7及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。CD4051第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGWCD4052（双四通道）和CD4053(三重二通道）第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW多路开关的扩展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，组成8×2或16×2的多路开关。CD40511#CD40512#OUT/IN3ABCINH3D0D1D2D3IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN71IN9IN8IN1OIN11IN12IN13IN14IN15ABCINH用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图要点：地址、允许、模拟量输入输出及通道特性第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW2.2.3采样/保持器采样/保持器的作用是：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。采样/保持器的工作方式S/H输出曲线模拟量曲线保持采样保持采样采样第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW当控制信号vL为高电平时，T导通，vI经电阻Ri和T向电容Ch充电。则充电结束后vO=－vI=vC。N沟道MOS管T作为开关用。当控制信号返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。RRifIvLvTAChvo电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW采样/保持器的主要用途保持采样信号不变。以便完成A/D转换；同一时刻采样几个关联模拟量，保持数据的同步，以便进行数据处理和测量；减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW常用的采样/保持器随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采样/保持器。如用于一般目的有AD582、AD583、LF198/398等；用于高速的有THS-0025、THS-0060、THC-0030、THC-1500等；用于高分辨率的有SHA1144、ADC1130等。第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGWLF198/LF298/LF398原理图A1A3D1D2300Ω30KΩKA2--++14568732保持电容LF198/LF298/LF398原理图偏置输入逻辑逻辑参考输出V-V+第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW返回本节A1、A2为输入输出缓冲器，当控制信号为高电平（有效），采样阶段开关S闭合，VIN通过A1向电容快速充电，电容电压迅速达到输入电压值，当控制信号为低电平时（保持阶段）K断开，A2输入阻抗很大，Vout=Vc保持不变，A/D根据电容C上电压值进行量化（希望电容维持稳定电压的时间越长越好，最小应保证A/D转换时间）。采样保持器第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW2.3模拟量输出通道接口技术2.3.1D/A转换原理2.3.28位D/A转换器及其接口技术2.3.3高于8位D/A转换器及其接口技术返回本章首页第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW2.3.1D/A转换原理D/A转换器有并行和串行两种，在工业控制中，主要使用并行D/A转换器。D/A转换器的原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T型电阻网络。第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGW标准电压（模拟输入）数字接口数字开关控制放大器模拟转换...D0DnD2D1电流ΣIi电压D/A转换器原理框图第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGWR-2RT型解码网络原理图各位的双向开关是由输入代码的对应位控制的无论开关在哪一侧，网络中各支路的电流是不变的各节点向右和向下的等效电阻都是2R，网络是一个按二进制规律分配的分流器从电压角度看，各节点的电压依次递减网络的等效电阻为R，VREF提供的电流为I=VREF/R返回本节RR2R2R2R2R2RRfbVOUTIOUT1IOUT2(MSB)BITnBIT(N-1)BIT2BIT1(LSB)S-1S-2S-(n-1)S-n“1”“0”A-+VREFRInIn-1I2I1In=（1/21）×IIn-1=（1/22）×II2=（1/2n-1）×II1=（1/2n）×I┇┇求和点电流IOUT1=anIn+an-1In-1+┅+a2I2+a1I1REFFBniiiFBOUTOUTFFBOUTOUTVRRaRIVIRVI1112第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGWD/A转换接口设计的一般性问题D/A转换芯片的选择原则考虑芯片的性能、结构和应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要求；在结构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉。1D/A转换芯片的主要性能指标2D/A转换芯片的主要结构特性与应用特性的选择数字输入特性：接收数码制、数字格式以及逻辑电平模拟输出特性：电流输出或电压输出锁存特性以及转换控制：内部是否有锁存器，如没有则需外加。参考源的配置第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGWD/A主要技术指标1．分辨率：通常用数字量的位数来表示，如8位表示它可以对满量程的1/28=1/256的增量做出反应。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位与满量程输出的1/2n相对应。例如8位D/A，在VREF为10V时，输出模拟电压的最小变化为10V×1/28=0.039V。在VREF为10V时，输出模拟电压的最小变化为5V×1/28=0.019V。2．建立时间：指D/A转换器中数字信号有满量程变化时，其输出达到稳定（一般稳定到±1/2LSB所需的时间。3．线性误差：在满量程范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差，常用LSB的分数来表示，例如±1LSB第二章模拟量输入输出通道接口技术太原理工大学自动化YGWD/A转换器参考电源配置1精确性、稳定性的要求2温度系数的要求3电压特性的要求（a）简单稳压电路带温度补偿，电路简单，但负载变化对