第2章 过程输入输出通道1

02:11:26第2章过程输入输出通道02:11:26内容提要•概述•信号的采样和多路开关•模拟量输入通道•模拟量输出通道•数字量输入输出通道•过程通道的抗干扰措施•数字滤波技术02:11:26概述•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02:11:26概述•控制系统中信号的分类–模拟信号：信号是时间的连续函数–离散信号：信号是时间上的离散序列–数字信号：信号是时间上、辐值上的离散序列•根据信号的控制系统的分类：–模拟控制系统/连续控制系统–离散控制系统/采样控制系统:以数字信号为基础02:11:26计算机控制系统简化方框图y(t)控制规律D(Z)D/A被控对象反馈装置A/Du(t)u*(t)b(t)b*(t)r(nT)—A/D：模数转换器，将模拟信号转换为数字信号D/A：数模转换器，将数字信号转换为模拟信号b*(t):对模拟信号b(t)进行采样所得到的数字信号u*(t):计算机控制输出的数字信号被连续化为u(t)02:11:26信号的采样和多路开关•由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：•采样、保持、量化和编码。如图所示。模拟信号数字信号采样保持量化编码02:11:26信号的采样和多路开关◆信号的采样离散信号的采样形式•周期采样：以相同的时间间隔进行采样，即采样周期＝常量（T）（k＝0，1，2….）。T为采样周期。•多阶采样：在这种形式下，是周期性的重复。•随机采样：这种采样形式没有固定的采样周期，是根据需要选择采样时刻的。02:11:26.•采样数学模型e(t)t理想的单位脉冲序列T：采样周期，n：整数0t5T)(tTnTnTtt)()(02:11:26信号的采样和多路开关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)ttt0002T1T3T4T5T6T-2T-1T-3T-4T-5T02:11:26•采样过程可以看成是脉冲调制过程,模拟信号e(t)采样后的离散信号数学表达式：•：0e(t)tt0e*(t)0t5T)(tTnnTnTtnTenTttettete)()()()()()()(*02:11:26采样定理•连续信号采样后，采样间隔内的信号信息丢失，存在失真。•采样周期T小，采样频率fs高，则有利于减少失真。•连续信号本身变化慢，即其最高频率分量fmax低，则允许较慢的采样频率。•问题：fs和fmax间怎样的关系可以满足要求？02:11:26香农(Shannon)定理：香农（Shannon）采样定理：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f≥2fmax，采样信号就能唯一复现原信号。•实际应用中,f=(5~10)fmax•意义：若采样系统能够保证在连续信号的最快变化周期内采样2次以上，则经采样所得的脉冲序列就能包含连续信号的全部信息。02:11:26信号的采样和多路开关◆量化•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。02:11:26信号的采样和多路开关◆整量化过程是一个数值分层过程。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，量化误差为±q/2◆采样信号与数字信号的区别02:11:26信号的采样和多路开关◆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单极性变码：二进制码◆双极性(正负)信息的3种表示方法符号－数值码：符号位+原码，正为0，负为1偏移二进制码：符号位正为1，负为0，正值时，符号+原码；负值时，符号位+原码取反+最低位加1补码表示法：数值与偏移二进制码相同，符号想反02:11:26注记：常用的双极性编码数正基准富基准符号-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+3/8-3/8001100111011+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+8/81000000002:11:26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00…01最高位取反,若取反后最高位为1,则其余各位取反,再加00…012的补码最高位为1,则其余各位取反,再加00…01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00…01最高位取反不变A/D或D/A转换之前有时需要代码转换02:11:26多路开关•多路开关：计算机的工作速度很快，而被测参数变化较慢，一台计算机可以共几十个到十几个回路使用，但是计算机在某一时刻只能接收一个通道信号因此必须通过多路转换分时进入计算机，必须实现一到多的转换•反向多路开关：反过来，就是多到一的转换，多路分配器•选择要求◆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。02:11:26模拟量输入输出通道◆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,场效应管常用的有单向多路开关AD7501（8），AD7506（16），双向多路开关CD4051•02:11:26常用的多路开关芯片公司型号路数种类CD公司CD40518路双向CD4052双4路双向CD4053三重二通道双向CD406716路双向CD4097双8路双向AD公司AD75018路单向AD7502双4路单向AD75038路单向AD750616路单向AD7507双8路单向MAX公司MAX3078路双向MAX309双4路双向MAX30616路双向MAX307双8路双向02:11:26多路开关CD4051•CD4051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。16脚双列直插封装芯片，IN/OUT19876543210111413121516{{IN/OUT{IN/OUT12304567OUT/ININHVssVccVDDABC02:11:26CD4051的内部结构图02:11:26多路开关CD4051•C、B、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/OUT0~7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：02:11:26多路开关CD4051•使用CD4051的四点要求:1、使用单电源时，CD4051的VEE可以和GND相连。2、强烈建议A，B，C三路片选端要加上拉电阻。3、CD4051的公共输出端不要加滤波电容（并联到地），否则不同通道转换后的电压经电容冲放电后会引起极大的误差。4、禁止输出端（INH）为高电平时，所有输出切断，所以在应用时此端接地。作音频信号切换时，最好在输入输出端串入隔直电容。02:11:26多路开关CD4051的单端扩展•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。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（18）模拟输入（916）~~模拟输出.....02:11:26多路开关CD4051的差动扩展02:11:26多路开关CD4051的扩展02:11:26多路开关CD4051的扩展02:11:26多路开关CD4051的扩展02:11:26模拟量输入通道•模拟通道完成模拟量的采集并转换成数字量送人计算机的任务模拟量输入通道的一般组成由信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和A/D转换器组成。02:11:26模拟量输入输出通道1）信号处理装置◆检测：把非电量的工艺参数（如温度、压力、流量等）通过传感器转换为电量（一般为直流电压或电流）◆信号处理：包括敏感元件、传感器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等，模拟信号标准化◆滤波：通过低通高通或带通无源滤波或有源滤波器，以消除干扰信号02:11:26模拟量输入输出通道2）采样保持器–为了保A/D转换的精度，必须在转换进行时保持待转换的值不变，而在转换后又能跟踪输入信号的变化–在输出通道中，为使输出通道得到一个平滑的模拟量输出，也必须保持一个恒定的值。完成上述任务的器件就是保持器◆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。02:11:26模拟量输入输出通道◆最简单的采样/保持器是由开关和电容组成：•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：A/D转换结束时刻的的模拟值不等于采样时刻的模拟值，两模拟值之差称为孔径误差。•转换(孔径)误差的消除：采用采样保持器采样器与保持器做成一体02:11:26模拟量输入输出通道采样时采样开关K闭合，模拟输入信号Ui通过电阻只向电容CH快速充电，使UO快速跟随Ui，保持时，K断开，由于放大器的输入阻抗很大，电容CH在A/D转换期间保持器保证了转换输入的恒定保持保持采样开关导通延迟时间孔径时间造成的误差建立时间ACtINV0VAPt+-ASRINVCV0V02:11:26采样——保持器的主要用途是：(1)保持采样信号不变，以便完成A／D转换；(2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；(3)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；(4)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。模拟量输入输出通道02:11:26模拟量输入输出通道3）放大器◆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)◆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,而高电平信号有可能超出A/D转换器的输入范围.采用三个高性能运算放大器构成两级放大，第一级为两个同相放大器,输入电阻高，第二级为差动放大把第一级双端输出变为总的单端输出。02:11:264）A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter，ADC）按工作原理分为直接比较和间接比较两种形式，前者是将输入采样信号直接与标准的基准电压相比较，得到可用数字编码的离散量或直接得到数字量，后者是输入的采样信号不直接与基准电压比较，而是将两者都变成中间物理量在进行比较模拟量输入输出通道02:11:26•常用A/D转换方式：◆计数器式－比较式：转换速度慢，抗扰性差，较少采用◆逐次逼近式：转换时间短，抗扰性差（电压比较）ADC0809（8位），AD574（12位）◆双斜率积分式：转换时间长，抗扰性好（积分）MC14433（11位），ICL7135（14位）模拟量输入输出通道02:11:26(1)计数器式A/D转换器二进制计数器从零开始对时钟进行计数，与此同时，对计数器输出的值进行D/A转换，转换后的模拟电压与模拟输入电压进行比较，若偏小，则比较器输出为低电平，计数器继续计数，也呈阶梯形上升，直到相等时，比较器输出高电平，通过控制逻辑电路，使计数器停止计数，将所得计数值送列输出锁存器，该计数值便是转换的结果。模拟量输入输出通道02:11:26逐次逼近型A