计算机测控系统之输入输出接口技术

第二章计算机控制系统设计的硬件基础之模拟量输入输出接口技术□前向通道设计及注意问题□后向通道设计及注意问题□应用举例2.4模拟量输入生产过程中的随时间连续变化的物理量，如温度、压力、流量、液位、湿度等，由传感器检测并转换为模拟的电信号，通过模拟量输入通道送至计算机系统，最终经A/D转换器转化为数字量，才能交由计算机处理。多路A/D转换技术:采样保持器；模拟量输入的隔离:模拟输入信号的放大；模拟量输入信号滤波；模拟量输入通道各环节前向通道的任务：信号拾取、信号调理、模数转换。前向通道配置需要考虑以下问题：1信号的拾取方式在计算机控制系统中，模拟量输入信号主要有传感器输出的信号和变送器输出的信号两类。传感器输出的信号包括：①电压信号：一般为mV或μV信号。②电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。③电流信号：一般为mA或μA信号。④频率信号(数字信号)。变送器输出的信号包括：①电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA（0~500Ω负载）。②电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。2．信号调理电路以上这些信号往往与A/D输入要求信号不匹配，不能直接送入A/D转换器，对于较小的电压信号需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再经滤波后才能送入A/D转换器。而对于电流信号应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。信号调理的内容：信号放大、I/V（电流/电压）变换、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修整、量程切换。I/V变换电路主要有两种形式：无源I/V变换电路和有源I/V变换电路。（1）无源I/V变换电路无源I/V变换电路如下图所示。图中R2为精密电阻，通过此电阻可将电流信号转换为电压信号。当输入电流为0~10mA时，可取R1=100Ω，R2=500Ω，这样输出的电压就为0~5V；当输入电流为4~20mA时，可取R1=100Ω，R2=250Ω，这样输出的电压就为1~5V。（2）有源I/V变换电路有源I/V变换电路利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。这里R1应该取精密电阻。该放大电路的电压放大倍数为341RRAv)1(341RRIRV当输入电流为0~10mA时，可取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，这样输出的电压就为0~5V；当输入电流为4~20mA时，可取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，这样输出的电压就为1~5V。3．多路模拟开关当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A／D转换器上，实现对各个输入通道的分时检测。目前采用CMOS工艺的多路开关应用最为广泛。尽管模拟开关种类很多，但其功能基本相同，只是在通道数、开关电阻、漏电流、输入电压及方向切换等性能参数有所不同。多路模拟开关主要有4选1、8选1、双4选1、双8选1和16选1等，它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组成及工作原理基本相同。集成多路模拟开关AD7501(或CD4051)的结构，通过芯片使能端EN和通道选择端A1、A2、A3，每次只选择8个输入端中的一个与公共输出端OUT接通。EN、A1、A2、A3为数字信号输入，逻辑上兼容TTL/DTL或CMOS电平。集成多路模拟开关差动模拟信号输入电路八路差动模拟信号输入电路多路转换开关单极性模拟输入的扩展电路4．前置放大器前置放大器的任务是将模拟小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如0~5V）。分为固定增益放大器和可变增益放大器两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器。（1）固定增益放大器固定增益放大器一般采用差动输入放大器，因其输入阻抗高，因而有着极强的抗共模干扰能力，如图所示。固定增益差动放大器图中2w1f1w1f1oVRRV)RR1(V1w2f2w2f2oVRRV)RR1(V)VV)(RRR1(RRV12w2f1ffo所以其增益为)RRR1(RRAw2f1ffv（2）、单增益放大器集成芯片AD521AD521-----标准14脚双列直插管壳封装•4,6两脚用来调节放大器零点。•10，13脚接RS=100K±15%。•14，2脚接精密电阻RG，RG大小决定放大倍数。使用时要特别注意为偏置电流提供回路。为此，输入端1（或3）必须与电源地线构成回路。INGSOUTVRRV（3）、隔离放大器ISO100•ISO100是一种小型廉价的光电耦合隔离放大器。体积小，偏移电压低，漂移小，频带宽，漏电流小。使用时只需外接少量元件，非常方便。•ISO100为18脚DIP封装。工作电压±18V，隔离电压2500V，电流信号输入。（4）可变增益放大器在计算机控制系统中，当多路输入信号的电平相差较悬殊时，采用可变增益放大器，可以使A/D转换器信号满量程达到均一化，以提高多路数据采集的精度。用的可变增益放大器有AD526AD625PGA100PGA102PGA202/PGA203INA102LH0084等。PGA202/203的增益选择及增益误差见表所示。增益选择输入端PGA202PGA203A1A0增益误差增益误差0011010111010010000.05%0.05%0.05%0.05%12480.05%0.05%0.05%0.05%表PGA202/203的增益选择及误差5．采样/保持器A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样/保持器S/H（SampleHold）。如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，不必再选用采样/保持器。采样/保持器的工作原理S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成，如图所示。采样/保持器的原理图采样/保持器有采样和保持两种工作状态。当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过电阻R向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，由于电容C此时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。在采样期间，不启动A/D转换器，一旦进入保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换的模拟输入电压恒定，提高了A/D转换的精度。LF398典型的电源和信号的接法如图所示。LF398典型的电源和信号的接法当精度要求不高（±1%）而速度要求较高时，CH可小100Pf。当精度要求高（±0.01%）时，应取CH=1000pF。当CH≥400pF时，采样时间tAC与CH有经验公式tAC=CH/40式中，CH单位为μF；tAC单位为s。6A/D转换器接口逻辑设计要点多路A/D转换系统的结构有三种：采用集成多路A/D转换器每个模拟量输入配置一个A/D转换器多路模拟量输入复用一个A/D转换器常用的A／D转换器从转换原理上可分为逐次逼近型、计数比较型和双积分型。从分辨率上可分为8位、12位、16位等；A/D转换器将其与计算机接口连接时，都会遇到许多实际问题，比如：数字量输出信号的连接，A/D转换器的启动方式，转换结束信号的处理方式，时钟信号的连接。A/D转换结束信号处理方式有三种：1）查询法；2）中断法；3）定时法。A/D启动方式有两种：脉冲启动方式和电平启动方式。A/D数据线与计算机数据线连接方法有两种：直接连接和隔离输入缓冲器连接。A/D时钟有两种：外部时钟和内部时钟。设计时必须依据所选A/D特点而定。典型A／D转换器与微机的接口设计（1）．8位A/D转换器与微机的接口设计8通道A/D转换器ADC0808/ADC0809。如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE引脚的输出频率为1MHz，再二分频后500kHz.ADC0808/0809具有输出三态缓存器，故其8位数据输出引脚直接与数据总线相连。试用中断方式编写程序，对IN5通道上的数据进行采集，并将转换结果送入内部RAM20H单元。解：中断方式程序清单：ORG0000HLJMP1000HORG0013H；外中断1的入口地址LJMP1500H；转中断服务程序的入口地址ORG1000HMOVDPTR，#7FF5HMOVX@DPTR，A；启动A/D转换；MOVXA,@DPTR：如果A/D是连接在标准的系统总线上，本指令不可缺SETBEASETBEX1；开外中断1SETBIT1；外中断请求信号为下跳沿触发方式LOOP：SJMPLOOP；等待中断END中断服务程序：ORG1500HMOVDPTR,#7FF5HMOVXA，@DPTR；读取A/D转换数据MOV20H，A；存储数据RETI；中断返回②8位ADC0816/0817与80C51单片机的接口程序设计。80C51单片机与ADC0816/0817的一种典型的接口逻辑。ADC0816/0817与80C51单片机的硬件接口转换结束信号采用查询方式③12位A/D转换器AD574对于高于8位的A/D转换器，如10位、12位、16位等，当其与8位的CPU接口连接时，数据的传送需分步进行。数据的分割形式有左对齐和右对齐两种格式（具体情况依A/D转换器的不同而不同），这时，应分步读出。在分步读取数字量时，需要提供不同的地址信号。下面以AD574A为例，介绍高于8位的A/D转换器与8位CPU的接口及其程序设计方法由于AD574A片内有时钟，故无需外加时钟信号。由于AD574A内部含有三态锁存器，故可直接与单片机数据总线接口。AD574A是12位向左对齐输出格式，第一次读出高8位DB11~4，第二次读出低4位，此时DB7~4为0000。所以将低4位DB3~0接到DB11~8，AD574A的控制信号的组合控制功能如表所示。CECSR/C12/8A0工作状态0××××禁止×1×××禁止100×0启动12位转换100×1启动8位转换101接1脚（+5V）×12位并行输出有效101接地0高8位并行输出有效101接地1低4位加上尾随4个0有效设启动AD574A的地址是7CH，读取高8位数据的地址为7EH，读取低4位数据的地址为7FH。STS：输出状态信号引脚。转换开始时，STS达到高电平，转换过程中保持高电平,转换完成时返回到低电平。启动AD574A转换的时序图如图所示。图AD574启动转换时序图AD574A的读周期时序图如图所示。图AD574读周期时序图7.模拟量输入信号滤波工业现场的环境往往非常恶劣，致使由传感器得到的模拟量信号中混有噪声信号，用长线传输时尤为突出，严重时噪声信号可能淹没真实信号，如不加处理，就会导致系统控制失败。因此，必须进行模拟量信号滤波处理以抑制噪声，提高信噪比。硬件滤波是指在模拟信号进入A/D转换器前，用硬件电路进行滤波。通过合理的滤波电路的设计，可以滤除模拟输入信号中的特定频段的噪声信号。按是否采用有源器件，滤波器可以分为有源滤波器和无源滤波器两大类；按滤波的频段，又可以分为低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波。FLT-U2集成RC滤波器FLT-U2集成RC滤波器FLT-U2是采用厚膜混合集成技术制造的，其内部有四级运放和RC元件，前三级组成滤波器，第四级是独立的，可用做增益级、缓冲级或形成附加单极点的滤波器。FLT-U2的工作电源电压范围宽，可为5~15V，输入阻抗达5M，频率范围为0.001~2106Hz，Q值（特征频率下的滤波电路的电压放大倍数的模与通带电压放大倍数之比）范围在0.1~1000之间，通带截止频率准确度为5，单位增益带宽为5MHz。图FLT-U2的电路原理图FLT-U2集成RC滤波器图FLT-U2的外部引脚图图FLT-U2的典型应用线路图2.5模拟量输出在计算机控制系统中，有些被控对象或执行机构需要模拟量信号输入，这就要求计算机把计算好的数字控制量