《测控第二章》PPT课件.ppt

第二章 测控通道(I/O通道),内容:模拟输入通道、模拟输出通道、开关量输入输出通道、单元电路级联设计 重点：模拟输入通道、模拟输出通道组成和设计；开关量输入输出通道组成和设计。 难点：测控通道的基本理论和参数设计。,2-1 模拟输入通道,2.1 模拟输入通道 2.1.1 基本类型与组成结构 定义:微机化测控系统中微机与被测对象之间的联系通道称为模拟输入通道。 组成：传感器；信号调理；数据采集。,图2-1-1信号输入通道的基本组成,作用：将模拟信号变成数字信号。 类型：多路模拟输入（集中；分散）； 单路模拟输入。,一、集中采样式,类型：分时采样型； 同步采样型,分时采样型特点：多路公用一个和,电路简单；成本低；依次采集信号，在时间上有一定的偏差，因此对于要求多路信号严格同步采集测试的系统是不适用的，广泛用于中速和低速测试系统中,多路分时采集分时输入结构图典型电路结构,多路同步采集分时输入结构图,同步采样型特点：多路同时被采样，可以消除分时采集型在时间上的偏差，因此既结构简单，又能满足同步采集的要求；但是保持电路的泄放会产生误差，因此不能真正的实现同步输入。,二、分散采集式,特点：没有模拟多路切换器；都有各自和。随机或顺序进入计算机。,图213分散采集式模拟输入通道结构,2-1-2 传感器的选用,一、对传感器的主要技术要求： 1、实现物理量到电信号的转换，转换范围与被测量实际范围相一致 2、转换精度满足测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标，转换速度满足整机要求。 3、满足环境要求（耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和耗电少等。 4、满足可靠性和可维护性要求。 5、满足性能价格比要求。,二、可供选用的传感器类型,1、大信号输出传感器 2、数字式输出传感器 3、集成式传感器 4、光纤传感器 其他:BCD码输出、专用特制等。,1、大信号输出传感器,要求：与A/D相配套的大信号输出传感器； 特性： 把放大电路与传感器做成一体，使传感器能直接输出05 V、010 V或02.5 V要求的信号电压； 把传感器与相应的变送器电路做成一体，构成能输出420 mA直流标准信号的变送器。 可省去小信号放大环节。,图2-1-4 大信号输出传感器的使用,对于大电流输出，只要经过简单I/V转换即可变为大信号电压输出。 对于大信号电压可以经A/D转换，也可以经V/F转换送入微机，但后者响应速度较慢。,2、数字式输出传感器,1.构成： 采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等。 2.特性： 数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。 传感器输出如果满足TTL电平标准，就可以直接接入计算机的I/O口或中断入口。如果传感器输出不是TTL电平，则须经电平转换或放大整形。 下页图2-1-5所示，频率量及开关量输出的传感器还具有信号调理较为简单的优点。,频率开关输出传感器应用图,图2-1-5 频率量及开关量输出传感器的使用,3.用途：非快速测量时选用（频率测量时，响应速度不如A/D转换快）。,3、集成式传感器,1.构成： 将传感器与信号调理电路做成一体。 例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。 2.特性： 采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。,4、光纤传感器,特性： 其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。 在信号输入通道中采用光纤传感器，可从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。,1.向传感器厂家定购，价格高； 2.实用设计方法： 从传感器定型产品中选一个作基础件，在其前设计一种敏感器或在其后设计一种转换器的方案进行； 组合方案，各种方式的传感器组合后达到满足特定测量需要的特制传感器。,特殊需要传感器的解决方法,2-1-3信号调理电路的参数设计和选择,1.功能：放大、滤波、调零、线性处理、温度补偿、误差修正、量程切换等统称为信号调理。相应的电路成为信号调理电路。 2.特性：部分工作可由软件完成，简化测试系统结构。 3.信号调理重点：小信号放大、信号滤波以及对频率信号的放大整形。 4.典型电路构成：,图2-1-6 典型调理电路的组成框图,一、前置放大器,问题：1、什么情况下需要前置放大器？ 2、前置放大器的放大倍数如何选择？ 3、前置放大器的位置？,测控系统中的噪声、干扰 （是微弱信号检测的一个主要限制因素） 噪声：是被测对象和仪器内部固有的 干扰：是被测对象和仪器以外的原因造成的,1.输出噪声： 电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。 2.等效输入噪声： 把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到该电路的输入端即除以该电路的增益K，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声VIN 。,1、什么情况下需要前置放大器？,如果输入端的信号幅度VIS小于等效输入噪声，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。为不使小信号被电路噪声淹没，必须在该电路前面加一级放大器,2、前置放大器的放大倍数如何选择,电路总输出噪声为,总的等效输入噪声为,图中K0为前置放大器的增益， VIN0为本身的等效输入噪声。 VIS为输入信号 ， 后级电路中，VON为噪声有效值 ， K为电路的增益 ， VIN为等效输入噪声 。,前置放大特点：可有效提高信噪比,解上式不等式可以得到：,要求：前置放大器的放大倍数大于1， 等效输入噪声必须比后级电路的等效输入 噪声要低。 前置放大器要求是低噪声的。,假设不设置前置放大器时，输入噪声刚好被电路噪 声所淹没，既，为了使输入信号不被电 路噪声所淹没，即，就必须使,即,设置低噪声前置放大器,为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前端加入的电路必须是放大器，即K01，而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。因此，减少电路的等效输入噪声实质上就是提高了电路接收弱信号的能力。 所以，调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。,两种调理电路对比,图218 两种调理电路的对比,3、前置放大器的位置,显然当K大于1时前者较小。所以将滤波器放在放大器的后面是合理的。有利减少电路的等效输入噪声，提高接受弱信号能力,调理电路的等效输入噪声分别为：,前置放大器,前置放大器种类： 1.仪器放大器，要求： 低漂移；低失调电压；非线形误差小；低噪声；共模抑制比高；输入阻抗高 2.隔离放大器：消除干扰；安全；保护系统 3.可编程增益放大器：增益可调；量程范围大。,二、滤波器,1.种类：高通滤波器；陷波滤波器；去混淆滤波器 2.作用：防止零点漂移；防止共频干扰；防止采集混叠现象。,隔直电容C与电压跟随器输入电阻Ri形成一个RC高通滤波器。,陷波器是为抑制交流电干扰而设置的，陷波频率应等于交流电干扰的频率。,图2-1-9 隔直电容的作用,问题：1、测控通到中为什么要设置去混淆低 通滤波器？ 2、如何选择滤波器的频率和陡度？,采样保持电路,采样保持电路的基本性质 组成： 1、模拟开关 2、模拟信号存储电容 3、缓冲放大器,其中 为采样角频率.,1、采样定理,连续信号 x（t）被宽度为 的脉冲信号所采集，采样周期为T。 这个过程可以用数学表达式表示为： 对应频谱为:,采样定理,结论:一个连续信号经过理想采样后, 其频谱产生周期性的延拓.每隔一个采样频率 后就以1/T的倍数重复出现.,图2110 折叠失真的产生与消除,采样定理,如果信号最高频率分量超过 就会出现频谱混叠，所以，采样频率必须大于2倍的信号最高频率 。这就是采样定理（奈奎斯特定理，香农定理） 另外还要注意：采样信号必须为带宽有限信号，即最高频率为有限值。,2、去混叠滤波,采样产生折叠失真是由于被采样频谱中含有高于折叠频率fs2的频率分量，产生频率混淆。被采样频谱包含有用信号和干扰噪声两部分，大多存在高于fs2的频率分量。由于被采样频谱中高于fs2的频率分量采样后会出现在低于fs2的信号频段上，这样就无法用频率滤波的方法将它们与信号分离。为消除频率混淆或假频干扰，就只有在采样之前先用一个截频fhfs2的低通滤波器把高于fs2的频率分量滤掉，以保证采样时被采样的频谱只包含低于fs2的频率分量，即满足采样定理。在采样开关之前设置的这种用途的低通滤波器常称做去混淆滤波器或去假频滤波器。,当然，如果被采样频谱中不包含高于fs2的频率分量，或者虽然有但也很微弱，那就不必增加去混淆滤波这道环节。 去混淆滤波器的任务是滤掉被采样频谱中高于fs2的频率分量，如果去混淆滤波器是一个陡度为无限大即矩形幅频特性的低通滤波器的话，那么去混淆滤波器截止频率fh=fs2就可以了。,2、去混叠滤波,1.去混叠滤波属于低通滤波器。 2.在采样之前先用一个截止频率为 的低通滤波器，把高于 的频率分量滤除，另一方面可以滤除高频干扰信号。,2、去混叠滤波,如何选择滤波器的频率和陡度？,、去混淆滤波器截止频率fh应该与采样周期s保 持固定的关系,2、去混淆滤波器是低通滤波器，因此其截止频率fh 应该等于被测试信号的最高频率 fmax，即,式中，C为截频系数，C2,滤波器的阶数,去混淆滤波器的陡度S为：,A/D转换器的位数,如果干扰较落，满足条件,可以不设置去混淆低通滤波器,2-1-4 采样电路的参数设计和选择,图2-1-13 采集电路的基本组成,、若模拟信号为恒定或变化缓慢的信号，则可直接进行A/D转换，如图 (a)所示。 、如果被测模拟信号为动态信号，必须在MUX与A/D之间设置采样保持器S/H，如图(b)所,、如果各路模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度随时间变化很大，必须在S/H与MUX之间设置程控增益放大器PGA或瞬时浮点放大器IFP作为主放大器，如图2113(c)所示。,2-1-4 采样电路的参数设计和选择,一、A/D转换器的选择 1、 A/D转换器位数的确定 设模拟输入的电压分别是 Kg为A/D前放大器的增益。 M位A/D满量程为E。则应使：,（小信号不被量化噪声淹没）,（大信号不使A/D溢出）,A/D转换器的选择,所以有： 动态范围常用如下表示： 若知道L1则可以确定位数：,A/D转换的量化误差为 即满量程的,由于MUX、S/H、A/D组成的数据采集电路的总误差是这三个组成部分的分项误差的综合值，则选择元件精度的一般规则是：每个元件的精度指标应优于系统精度的10倍左右。,可根据精度指标估算A/D的位数,2 、A/D的转换速度 积分型、逐次比较型、双极型速度依次提高。 积分型：转换时间从几十ms到几ms，为低速A/D 一般适用于对温度、压力、流量等缓 慢变化参量的检测和控制 逐次比较型：转换时间从几us到100us左右，为 中速A/D，一般适用于多通道单片机检 测系统和声频数字转化系统 双极型：转换时间为20-100ns，为高速A/D，一般适用于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时顺态记录、视频数字转换系统,转换时间,休止时间,N路采样时间为：,A/D转换时间：,A/D转换器的转换速率（单位时间能转换的次数）,由上式可见，对于fmax大的高频（或者高速）测试系统，应该采取以下措施： 1、减少通道数N，最好采用分散采集方式，即N=1 2、减少截频系数C，即增大去混淆低通滤波器的陡度 3、选用转换时间tc短的A/D转换芯片 4、将由CPU读取数据改为直接存储器（DMA）技术，以大大缩减休止时间t0,2 、A/D的转换速度,3、根据环境选择A/D：温度、功耗、可靠性等； 4、选择A/D转换的输出状态： 并行、串行输出，二进制、BCD码输出，时钟等,捕捉时间 tAC 由保持状态过渡到跟踪输入信号电压值所需的时间，反映了A/D的采集速度。包括了开关的延迟和建立跟踪输入信号稳定时间,孔径时间 tAP 保持指令开始到模拟开关完全关断。 建立时间 ts 保持命令开始到保持终值时间,1、主要参数,保持电压的跌落速度:,ID为流过保持电容CH的所有漏电流代数和。,二、采样保持器的选择,2、要不要设置采样保持器,依据：在转换时间内，被转换的模拟量应基本保持不变，,设待转换的信号为：,信号的最大变化率为：,假设信号的正负峰值正好达到ADC的正负量程，而ADC的位数为m，则ADC最低有效位LSB代表的量化电平为：,所以,当信号频率低于上面极限值时不用S/H,但是当信号频率高于上面极限值时就要采用S/H.以便把采样幅值保持下来,如果ADC的转换时间为tc，为了保证1LSB的精度,在A/D转换时间tc内,被转换信号的最大变化量应不超过一个量化电平，,所以，不加采样/保持器时，待转换信号允许的最高频率为:,三 采集电路时序和最高频率,图2-1-15 分时采集多道数据采集系统,采集电路时序和最高频率,单通道工作周期为捕捉时间;采样时间和转换时间之和,即: 多路采集时的工作周期为:N为输入通道数 所能允许的模拟信号最高频率为:,四 多路通道串音问题,原因:模拟开关的关断电阻不是无穷大,对正在接通的采集电路构成干扰.这就是串音干扰. 图见P21图2-1-16多路切换系统的等效电路 消除措施： 1 减少信号源内阻,可采用电压跟随器. 2 选用开路电阻大,接通电阻小的开关管. 3 减少输出端并联开关数. 4 选用寄生电容小的多路开关.,五 主放大器的设计,A/D采样电路的量化相对误差为: 其中Vij是模拟开关采样电压,q是绝对误差.可见,输入电压越大,相对误差也就越小,所以,通常在A/D前面放一个放大倍数为K的主放大器,以提高A/D的相对转换精度. 使得:,对主放大器的K的要求:,最后可以推出:,其中:E是满度输入电压,q=E/DFS, DFS,是满度输入电压对应的满度输出数字.,主放大器的设计,Vij不随j变化，但随i变化很大，应在采集电路中设置程控增益放大器作为主放大器。 程控增益放大器的特点： 每当多路开关MUX在对第i道信号采样时，放大器就采用预先按式(2-1-50)选定的第i道的增益Ki进行放大。 若被测量的多路模拟信号是随时间变化的信号，而且同一时刻各路信号的幅度也不一样。即，Vij既随i变化，也随j变化，应在采集电路中设置瞬时浮点放大器作为主放大器，其特点是在多路开关MUX对第i道信号进行第j次采样期间，及时为该采样幅值Vij选定一个符合式(2-1-50)（书P22）的最佳增益Kij。由于该放大器的增益Kij是随采样幅值Vij而变化调整的，故称浮点放大器，因为放大器增益调整必须在采样电压Vij存在的那一瞬间完成，所以又称为瞬时浮点放大器。,2-1-5 模拟输入通道的误差分配和综合,设计时要已知:精度要求;温度条件;通道数;信号特征. 在确定了通道结构后,根据总精度要求分配各环节的精度要求. 一般传感器和信号放大电路的误差比例最大. 元件选择的要求其精度是系统精度的10倍. 例子见P23 (自学),例：多路数据实时监控系统的设计,一、实验目的 1 学会一种小型电子系统多路数据巡回检测、实时监控与显示电路的一般设计方法。 2 掌握模拟、数字、A/D、D/A等电路的综合应用技巧。 3 熟悉并掌握相关集成器件的性能参数及应用。,设计任务 设计一多路数据实时监控、显示、报警系统。各路模拟参数的控制要求如下： 1正常工作温度：测试正常工作温度，T=27C3C，当T30C时，报警（发光显示）；当T24C时，报警 2 正常直流电压：VDC=（1.53.5）V，当VDC1.5V时，报警（可发光显示）。 3交流正弦电压：VAC=（12）V，=1KHZ，观测D/A转换后的电压波形。 4采样数据的巡回显示。,设计内容与步骤 1、根据设计任务设计并制作多路数据实时监控系统电路，并逐级调试。如：多路模拟开关、采样/保持、A/D转换等。 2 在T=2030C温度范围内测量AD590温度传感器的温度电压变化曲线，确定T=273C所对应的电压值。 3 根据步骤2所测电压值，设计并调试温度变量的转换与比较电路，并用发光二极管显示不正常温度。,多路数据实时监控系统常用于自动化工业生产或大型设备（如激光器）中，经常需要对生产过程或运行状态的各种工作参数（如压力、温度、流量、电压、电流等）实时的巡回检测、监视并报警，以确保系统的稳定可靠性。,二、设计原理,（一）电路组成与框图 本课题介绍的多路数据实时监控系统要求不间断地分别对温度、电压输入实时地进行检测、监控并实现报警等功能，并对输入的温度、电压通过A/D转换显示。框图如5-8-1图所示。图中三路模拟信号分别为温度（T），直流电压（VDC），交流电压（VAC）。 电路分为温度测量与显示，温度传感比较报警，电压比较报警，多路数据检测，A/D转换、译码显示等几部分组成。,（二） 原理分析与设计 1、 A/D转换 A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。,2、温度传感比较 在自动控制系统中，控制的对象是某些物理量，如光、热、温度、湿度等等。为此，首先要把这些物理量转换为便于处理的电信号或其他信号，而实现这个变换的部件称为传感器。通常所说的放大器的输入信号，从某种意义上讲，取决于传感器的质量。,传感器的种类很多，最常用的有光传感器，温度传感器和压力传感器等。在此介绍一种温度传感器AD590. （1）集成电路温度传感器AD590电路简介 AD590是电流型（即产生一个与绝对温度成正比的电流输出）集成温度传感器的代表产品，他跟传统的热电阻、热点偶、半导体PN结等温度传感器相比较，具有体积小，线性度好，稳定性好，输出信号大且规范化等优点。,AD590的主要电器参数为： 工作电压范围：+4+30V 测温范围： -50+150 温度系数： 1A/K 25电流输出（298.20K） 298.2A 输出阻抗：10M,由于AD590是个温控的恒流源器件，因而使用时往往转换为电压信号，图1为一最简单的测温电路。他仅对某一温度进行调整，至于这一点选至什么温度值，要看使用范围而定。举个例子，若选在25，通过调节RP,使（R+RP）I=298.2mV,则在此温度下的温度系数能满足1A/K的精确度要求。,（2）电压比较 经过传感器转换后的电信号与某一给定值（基准电压VR）比较时，将产生一个开关信号，此信号送到执行机构即可报警（或发光显示）。 基本的热电、光电转换电路为桥式电路，与比较器相连，构成热动（光动）开关，如图5-8-8所示。比较器基准电压根据需要可任意调节。当输入信号大于V1或小于V2基准电压，发光二极管工作，表示电路工作在不正常的状态。这里将V1、V2设为基准电压。比较器输出也可接报警电路，当输入信号超出规定的工作范围，直接驱动报警器工作，报警器的设计可参看555的应用章节。 运算放大器这里用的是MOSFET CA3140。,3、模拟开关 除了CMOS四双向模拟开关外，另一类CMOS模拟门就是常见的多路模拟开关。典型的多路模拟开关有四选一，双四选一，八选一，双八选一，十六选一和三十二选一等多种，这些模拟开关除了外部引线排列，通道数不同外，其工作原理和主要应用方法基本相同。 在本电路中使用的为八选一模拟开关（CD4051） CD4051是常用的八选一模拟开关，具有双向传输性能。CD4051的逻辑与引脚、功能如图所示： 在本电路中使用的为八选一模拟开关（CD4051） CD4051是常用的八选一模拟开关，具有双向传输性能。CD4051的逻辑与引脚、功能如图5-8-9所示。,4、取样/保持（S/H）电路 目前取样/保持电路大多为集成芯片，最常用的有LF198/LF298/LF398和AD 582。图5-8-10为LF398的内部原理图及管脚配置。由图可知，当8端逻辑控制为高电平时，输出处于跟随状态，有UO=UI；当8端为低电平时，处于保持状态。保持电容CH一般选用0.010.1F的优质电容（如聚四氟乙烯电容）,2-2 模拟输出通道,2-2-1 模拟输出通道的基本理论 一 、零阶保持与平滑滤波 D/A是将计算机输出的数字信号进行模拟输出的过程,有两种基本方式,一阶保持和零阶保持.,图2-2-1 一阶保持与零阶保持,应用较广泛,模拟输出通道的基本理论,零阶保持器实现:数据保持方式,模拟保持方式,图2-2-2 零阶保持器的两种形式,1、模拟保持方式：采用保持电容的输出保持器,电容保持器原理图,模拟保持方式，即在公用的D/A之后每路加一个采样保持器，保持器将D/A转换器输出子样电压保持到本路信号的下一个采样电压产生时为止。这样采样保持器输出波形是连续的台阶电压。,2、数据保持方式：采用专用数据锁存器的输出保持器,上图为数据保持方式，即在D/A之间加设一个寄存器，让每个采样点的数据在该寄存器中一直寄存到本路信号的下个采样点数据到来为止，这样D/A转换器输出波形就不是离散的脉冲电压，而是连续的台阶电压。 两种采样保持器都起到零阶保持的作用。 对比：1、模拟保持器在保持期间保持电压会跌落；但是数字保持器不会有 2、模拟保持器比数字保持器结构简单，成本低。,零阶保持器输出阶梯波形如下:,图2-2-3 零阶保持器的输出波形,问题：如何将阶梯波形变成光滑波形？,模拟输出通道的基本理论,零阶保持器的单位脉冲响应和频率响应(传递函数)为:,图2-2-4 零阶保持器的单位冲激响应a和频率响应b,由图可以看出，零阶保持器可以看作是低通滤波器，对于频率角 大于WS的信号会很快衰减，但却不是一个理想的低通滤波器 ，在 WS/2处，幅值并未降到零，同时可以看出，零阶保持器相位滞后 故闭坏系统中引入零阶保持器使系统的稳定性变差。,其中: 称为基带频谱 称为调制频谱 由下图可知,保持器的频谱响应具有突出基带作用,可以部分阻止调制分量通过,所以,零阶保持器输出是阶梯状.为了平滑处理,引入一低通滤波器.,零阶保持器的输入,零阶保持器的输出,可以通过推导得:,低通滤波器可以将基频保留,滤除调制频率.,图2-2-5零阶保持器和平滑滤波器的作用,具有这种功能的低通滤波器称为平滑滤波器。,经过理想平滑滤波器的输出频谱为,通常取平滑滤波器的截止频率 等于信号的最高频率 且等于 保持频率的四分之一，即,此时可以近似的认为,可见，在零阶保持器后接平滑滤波器，基本上可以从子样脉冲串 恢复出光滑的信号波形 ，这就是模拟输出通道中要设置零 阶保持器和平滑滤波器的理论依据,二 保持周期的确定,若有m路输出,计算机每隔t0输出一个数据则零阶保持器的保持周期为: Ts=m t0 当输出保持周期Ts与输入采样周期T相等时,则恢复信号与输入信号波形相同即：,若输出周期与采样周期保持一个比例关系即：,则恢复信号与输入信号波形相似.,2-2-2 模拟输出通道的基本结构,组成：数据寄存器、 D/A转换器、转换电路、 调理电路。 分类：可分为多通道和单通道， 单通道图如下:,图2-2-6 模拟输出通道的基本组成,多通道输出结构主要有以下三种：,一、数据分配分时转换结构,特点：每个通道有一个D/A，数据被分时地选通到各通道的数据寄存器。通道之间有时间差异，不适合于要求多参量同步控制执行机构的系统。,图2-2-7 数据分配分时转换结构,二、数据分配同步转换结构,特点：各通道D/A的操作同步进行。 工作原理：如图，多了个R2寄存器,图2-2-8 数据分配同步转换结构,消除时间差,R2寄存器作用,为实现各信号同步到达记录仪器或执行部件，在各路数据寄存器R1与D/A转换器之间增设一个数据寄存器R2作用： 数据总线分时选通主机的输出数据先后被各路数据寄存器R1接收； 在同一命令控制下将数据由 R1传送到R2 ,同时进行D/A转换并输出模拟量。 各通道输出的模拟信号不存在时间偏斜，主机分时送出的各信号之间的时间差，由第二个数据寄存器的同步作用所消除。,三、模拟分配分时转换结构,特点：各通道共用一个D/A和一个数据寄存器，数据分时依次送入通道进行D/A转换：,图2-2-9 分时转换多通道模拟分配结构,模拟分配分时转换结构,采用模拟多路切换器的D/A,图2-2-9 分时转换多通道模拟分配结构,四、比较和选择,模拟分配方案： 1、 输出稳定性差（由于存储电容漏电） 2、输出无跳变（由于电容有积分作用） 3、电路不复杂（只需要一个DAC） 数字分配方案： 1、输出稳定性好 2、输出有跳变 3、电路复杂。,2-2-3模拟输出通道组成电路的选用,一、D/A转换器,1D/A转换器的性能指标 D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用D/A芯片型号的依据。主要性能指标有： （1）分辨率 （2）转换精度 （3）偏移量误差 （4）稳定时间,（1）分辨率 分辨率-是指 D/A 转换器能分辨的最小输出模拟增量，即当输入数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量，它取决于能转换的二进制位数，数字量位数越多，分辨率也就越高 。其分辨率与二进制位数n呈下列关系： 分辨率 = 满刻度值/（2n-1）=VREF / 2n,（2）转换精度 绝对转换精度-是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分辨率是两个不同的概念。例如，满量程时的理论输出值为10V，实际输出值是在9.99V10.01V之间，其转换精度为10mV。对于分辨率很高的D/A转换器并不一定具有很高的精度。 相对转换精度一般用绝对转换精度相对于满量程输出的百分数来表示，有时也用数字量的最小有效值（LSB）的几分之一来表示,（3）偏移量误差 偏移量误差-是指输入数字量时，输出模拟量对于零的偏移值。此误差可通过D/A转换器的外接VREF和电位器加以调整。,（4）稳定时间 稳定时间-是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差1/2LSB时所需的时间。显然，稳定时间越大，转换速度越低。对于输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微秒，而输出是电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。,2、位数的确定 位数决定模拟信号输出的动态范围，主要考虑使用目的 a、为了不失真再现目的时（如语音回放）: 与输入通道的A/D匹配 b、为了形成动态范围在20dB监视波形时： 5-7位D/A就可以； C、为了驱动指针式仪表时：,仪表精度,D/A位数,在微机化开环控制系统中，若执行元件的分辨率为：VTH，所需要的控制信号的最大值摆幅为Vmax，则位数可由下式决定：,在微机化闭环控制系统中，在任一时刻DAC输出的是误差信号， 因此，对分辨力的要求比开环系统要低，其位数主要根据系统 要求的线性范围来确定。根据经验，一般比所以的ADC位数少 两位就可以了。,3、主要结构特性和应用特性的选择,数字输入特性：包括码制、数据格式、逻辑电平。 模拟输出特性：满码输出电流、最大允许输出短路电流和输出电压允许范围。 锁存特性及转换控制; 参考电源：影响输出结果,一、 数字输入特性,D/A转换器芯片一般都只能接收自然二进制数字代码。因此，当输入数字代码为偏移二进制码或2的补码等双极性数码时，应外接适当的偏置电路后才能实现双极性D/A转换。 输入数据格式一般为并行码，对于芯片内部配置有移位寄存器的D/A转换器，可以接收串行码输入。 不同的D/A芯片输入逻辑电平要求不同。对于固定阈值电平的D/A转换器一般只能和TTL或低压CMOS电路相连，而有些逻辑电平可以改变的D/A转换器可以满足与TTL、高低压CMOS、PMOS等各种器件直接连接的要求。,主要结构特性和应用特性的选择,二、 模拟输出特性,主要结构特性和应用特性的选择,输出方式 1 电压输出方式 2 电流输出方式,1、 电压输出方式 由于系统要求不同，电压输出方式又可分为单极性输出和双极性输出两种形式。下面以8位的DAC0832芯片为例作一说明。,A、DAC单极性输出,式中：,VREF/256是常数,显然，VOUT和 B 成正比关系，输入数字量 B 为 00H 时，VOUT也为 0 ；输入数字量 B 为FFH即255时，VOUT 为与 VREF 极性相反的最大值。,DAC单极性输出方式如图 所示，可得输出电压VOUT的单极性输出表达式为：,BDAC双极性输出方式,DAC双极性输出方式如图所示。,A1 和 A2 为运算放大器，A点为虚地，故可得：,解上述方程可得双极性输出表达式：,图中运放 A2 的作用是将运放 A1 的单向输出变为双向输出。当输入数字量小于 80 H即128时，输出模拟电压为负；当输入数字量大于 80 H即128时，输出模拟电压为正。其它n位D/A转换器的输出电路与DAC0832 相同，计算表达式中只要把 28-1改为2n-1即可。,或,2 电流输出方式,因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特别是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流信号，所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息，这就需要将电压信号再转换成电流信号，完成电流输出方式的电路称为V/I变换电路。电流输出方式一般有两种形式： 1普通运放V/I变换电路 2集成转换器V/I变换电路,1普通运放V/I变换电路,（1）0 10 mA的输出,图中为010 V/010 mA的变换电路，由运放A和三极管T1、T2组成，R1 和 R2是输入电阻，Rf 是反馈电阻，RL是负载的等效电阻。输入电压Vin 经输入电阻进入运算放大器A，放大后进入三极管T1、T2。由于T2射极接有反馈电阻R f，得到反馈电压Vf加至输入端，形成运放A的差动输入信号。该变换电路由于具有较强的电流反馈，所以有较好的恒流性能。,输入电压 Vin 和输出电流 Io 之间关系如下： 若 R3、R4Rf、RL，可以认为 Io 全部流经 Rf，由此可得: V VinR4/（R1R4）IoRLR1 /（R1R4） V Io（RfRL）R2 /（R2R3） 对于运放，有V V，则 VinR4/（R1R4）IoRLR1 /（R1R4）= Io（RfRL）R2 /（R2R3） 若取R1 = R2 ，R3 = R4，则由上式整理可得 Io = VinR3 /（R1Rf ） （3-6） 可以看出，输出电流 Io 和输人电压 Vin 呈线性对应的单值函数关系。 R3 /（R1Rf）为一常教，与其他参数无关。 若取Vin 010 V，R1 = R2 = 100 k，R3 = R4 =20 k，Rf 200 ，则输出电流Io = 0 10 mA。,（2） 4 20 mA的输出,图2-10为1 5 V/ 4 20 mA的变换电路，两个运放A1、A2均接成射极输出形式。,2集成转换器V/I变换电路,图2-11是集成V/I转换器ZF2B20的引脚图，采用单正电源供电，电源电压范围为1032V，ZF2B20的输入电阻为10K，动态响应时间小于25S，非线性小于土 0.025。,通过ZF2B20可以产生一个与输入电压成比例的输出电流，其输入电压范围是010V，输出电流是420mA。它的特点是低漂移，在工作温度为-2585范围内，最大温漂为0.005/。利用 ZF2B20实现V/I转换的电路非常简单，图2-12（a）所示电路是一种带初值校准的010V到420mA的转换电路；图2-12（b）则是一种带满度校准的010V到010mA的转换电路。,二、 模拟输出特性,对于输出特性具有电流源性质的D/A转换器(如DAC08)，用输出电压允许范围来表示由输出电路(包括简单电阻负载或者运算放大器电路)造成输出端电压的可变动范围。只要输出端的电压小于输出电压允许范围，输出电流和输入数字之间就会保持正确的转换关系，而与输出端的电压大小无关。 对于输出特性为非电流源特性的D/A转换器，如AD7520，DAC1020等，无输出电压允许范围指标，电流输出端应保持公共端电位或虚地，否则将破坏其转换关系。,目前多数D/A转换器均属于电流输出器件。,2.3 锁存特性及转换控制,图2-2-8,若D/A转换器没有输入锁存器，通过CPU数据总线传送数字量时，必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的I/O口给D/A送入数字量。 有些D/A转换器并不是对输入的数字量立即进行D/A转换，而是在外部施加了转换控制信号后才开始转换和输出。具有这种输入锁存及转换控制功能的D/A转换器(如0832)，在CPU分时控制多路D/A输入时，可做到多路D/A转换的同步输出，如上图228所示。,2.4 参考电源,参考电压源是惟一影响输出结果的模拟参量，是D/A转换接口中的重要电路，对接口电路的工作性能、电路的结构有很大影响。 使用内部带有低漂移精密参考电压源的D/A转换器(如AD563/565A)，不仅能保持较好的转换精度，而且可以简化接口电路。,二、反多路开关和采样保持器,输出通路中的调理电路有滤波、电压/电流转换和放大等几种形式。 1、滤波器：平滑滤波器可以采用截频为 的低通滤波器。 2、V/I转换和F/V转换 电流有利于长距离传输，DDZ-型以0-10毫安为标准， DDZ-型4-20毫安为标准信号电流。 D/A电路的输出为电压信号，通常设置了电压/电流(V/I)转换电路，将电压信号转换成电流信号。 频率量输入通道和频率量输出通道：占用总线数量少，易于远距离传送，抗干扰能力强。常用V/F转换器、 F/V转换电路。,D/A反多路开关这部分是相对A/D多路模拟开关而言的。,三、调理电路：,三、调理电路,3、线性功率放大器,直流伺服控制中经常要用到线性功率放大器，在用于开关量控制的输出通道中大量使用开关型功率放大器。 线性功率放大器通常由分立元件或集成功率运放构成。在输出通道的直流伺服控制系统中，采用集成功率运算放大器可大大简化电路，并提高系统的可靠性。美国BB公司推出的大功率运算放大器有OPA501、OPA511/512、OPA541，输出电流可达1015 A。图2210是OPA501的电路结构和引脚图。,图2-2-10 大功率运算放大器OPA501的电路结构与引脚,三、调理电路,8路D/A转换模板的结构框图,思考题,1、画图说明模拟量输出通道的功能、各组成部分及其作用。 2、D/A转换器的性能指标有哪些？ 3、简单说明D/A转换输出电路有几种输出方式。,2-3 开关量输入/输出通道,开关信号：按键； 继电器； 无触点开关(可控硅、光电耦合器、晶体管等）。 脉冲信号； 应用： 指示灯；脉冲信号；启停。 要求： 电平匹配；功率匹配；光电隔离（抗干扰性）。,开关量输入/输出通道的主要技术指标是抗干扰能力和可靠性，而不是精度,2-3-1 开关量输入通道,开关量输入的主要任务是将现场的开关信号或者仪表盘中的各种继电器接点信号有选择的输送给计算机。 在控制系统中，开关量输入主要起以下作用： 1、定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是否在运转、阀门是否开启等。 2、对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。若有异常，及时 向主机发出中断请求信号，申请故障处理，保证生产过程的正常运转。,2-3-1 开关量输入通道,一、开关量输入通道结构 其组成如图所示：由输入缓冲器、输入调理电路和输入地址译码电路等组成。,图2-3-1 开关量输入通道结构,二、输入调理电路,信号调理：将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离措施转换成计算机能够接收的逻辑信号的功能。,1、信号转换电路,开关触电型电路,电路的作用：使开关的通/断变成电平0或者+5V,2、保护电路,电路的作用：利用齐纳二极管或者压敏电阻将输出 信号箝位在安全电平，可以防止因电 压、瞬态尖峰信号损坏接口电路,电路的作用：反极性保护,3、滤波电路,由于长线传输、电路、空间等干扰的原因，输入信号常常夹杂着干扰信号，这些干扰信号有时可能使读入的信号出错，此时可以加上一个硬件滤波电路。,4、消除触电的抖动,按键时的抖动,小功率输入调理电路,其中电容可以起到去抖作用， RS触发器可以消除开关过程的反跳,5、隔离调理电路,采用光电隔离技术：用光电耦合器进行,图2-3-3 大功率输入调理电路,大功率输入调理电路,三、输入缓冲器,主要用三态门缓冲器4LS244送到CPU数据总线，可输入8个开关状态,2-3-2 开关量输出通道,对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数字量(开关量)输出驱动两种方式， 模拟量输出是指其输出信号(电压、电流)可变，根据控制算法，使设备在零到满负荷之间运行，在一定的时间T内输出所需的能量P，其输出受模拟器件的漂移等影响，很难达到较高的控制精度。 开关量输出则是通过控制设备处于“开”或“关”状态的时间来达到运行控制目的。如根据控制算法，同样要在T时间内输出能量P，则可控制设备满负荷工作时间t，即采用脉宽调制的方法，即可达到要求;采用数字电路和计算机技术,对时间控制可达到很高精度。开关输出控制逐渐取代了传统的模拟量输出的控制方式。,模拟量输出和开关量输出的比较：,2-3-2 开关量输出通道 一、开关量输出通道结构:,图2-3-4 开关量输出通道结构,由输出锁存器、输出驱动器、隔离、输出口地址译码电路等组成。锁存器通常用74LS273.,由于驱动被控制的执行装置需要一定的电压和电流，而主机的I/O口或锁存器的驱动能力很有限，因此输出通道末端需配接能提供足够驱动功率的输出驱动电路。,二、开关量输出隔离,隔离的目的：隔断微型计算机与执行机构之间的直 接电气连接，以防止地电位差、外界电磁场等干扰因素造成执构的误动作，甚至导致计算机测控系统本身的损坏。,例：在一个没有统一接地设施的工厂车间内及不同 车间之间，地电位差可以达到几伏到几十伏，如果没有隔离电路，这样的高电压直接加在测控系统与执行机构之间的电路上，造成较大的电流回路，可以导致执行机构误动作或测控系统的损坏。,1、光电耦合器件,特点：1、输出信号与输入信号在电气上完全隔绝， 抗干扰能力强，隔离电压可达千伏以上。 2、无触电，寿命长，可靠性高 3、响应速度快，易与TTL电路配合使用,2、继电器隔离电路,图2-3-7 典型继电器驱动电路,图237为一个典型的继电器驱动电路，P1口的每一位经一个反相驱动器7406控制一个继电器线圈。当片口某一位输出1时候，继电器线圈上有电流流过，则继电器动作，反之，当输出为0时，继电器线圈上无电流流过，开关恢复到原始状态。,若响应速度要求不高，则适合采用继电器隔离的开关量输出电路。由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，所以必须在微机的输出I/O口（或外接输出锁存器74LS273)与继电器线圈之间接7406或75452等驱动器。 继电器线圈是电感性负载。当电路开断时，会出现电感性浪涌电压。所以在继电器两端要并联一个泄流二极管以保护驱动器不被浪涌电压损坏。,三、直流负载驱动电路,有功率管驱动、达林顿驱动、场效应管驱动。,图2-3-5 直流电源负载驱动电路,1、集电极开路（OC）门驱动,此电源必须加，负载才能正常工作,OC门的特点：既有电流放大功能，又有电压放大功能的开关量驱动电路,用途：通常用来驱动 微型继电器、LED显示等。,可以为执行机构提供更大的驱动电流,晶体管是小功率管时驱动能力为10-50mA,晶体管是中功率管时驱动能力为50-500mA,需要更大的驱动电流时可以使用大功率管或者达林顿复合管,负载为感性时应在负载上并联续流保护二极管,2、OC门路外加晶体管驱动,高输入增益，高输入阻抗,图(c)是功率场效应管驱动电路。功率场效应晶体管在制造中多采用V沟槽工艺，简称为VMOS场效应晶体管。 出现VMOS器件以后，中功率、大功率场效应管就成为可能，因它构成功率开关驱动电路只要求微安级输入电流，控制的输出电流却可以很大。,3、场效应管驱动电路,晶闸管只工作在导通或截止状态，使晶闸管导通只需要极小的驱动电流，一般输出负载电流与输入驱动电流之比大于1 000，是较为理想的大功率开关器件，通常用来控制交流大电压开关负载。由于交流电属强电，为了防止交流电干扰，晶闸管驱动电路不宜直接与数字逻辑电路相连，通常采用光电耦合器进行隔离，如图236所示。,晶闸管（可控硅）可分为单向晶闸管和双向晶闸管。,四、晶闸管交流负载驱动电路,图2-3-6 交流负载驱动电路,图中P1.0输出锁存开关量，三态缓冲门74LS244接成直通式，当P1.0=0时，光电耦合器中的发光二极管导通，外接三极管T截止，双向晶闸管导通，交流电源给负载加电。反之，当P1.0=1时，负载断电。外接发光二极管LD用做开关指示。,固态继电器(SSR)是采用固体元件组装而成的一种新型无触点开关器件，它有两个输入端用以引入控制电流，有两个输出端用以接通或切断负载电流。 器件内部有一个光电耦合器将输入与输出隔离。输入端(1、2脚)与光电耦合器的发光二极管相连，因此，需要的控制电流很小,五、固态继电器驱动电路,因此固态继电器既有放大驱动作用，又有隔离作用，很适合驱动大功率开光式执行器件。,输出端用功率晶体管做开关元件的固态继电器称为直流固态继电器(DCSSR).如图238(a)所示，主要用于直流大功率控制场合。输出端用双向可控硅做开关元件的固态继电器称为交流固态继电器(ACSSR)如图238(b)所示，主要用于交流大功率驱动场合。,图2-3-8 直流SSR与交流SSR,五、固态继电器驱动电路,1、SSR的输入电路,SSR的输入电路与TTL、CMOS等电路兼容，任何可以给出TTL电平的开关电路都可以用来驱动SSR。TTL、CMOS等集成电路控制SSR有两种方式。,a)输入端2接地电平，输入端1接控制信号。,b)输入端1接正电源，输入端2接控制信号。,2、SSR的输出电路,a)小电流负载,AC-SSR可用于220V、380V等常用市电场合，输出断态电流一般小于10mA，一般应让AC-SSR的开关电流至少为断态电流的10倍，负载电流如低于该值，则应并联电阻RP,以提高开关电流，如图2-3-9b所示。,b)电感性负载,对于电感性负载，当SSR关断时，因为流过的电感式负载的电流不能突变，有可能在电感两端产生很高的感应电压，导致SSR输出电路被烧坏，必须用续流二极管（直流负载）或者压敏电阻（交流负载）保护SSR的安全。,a)直流电源驱动直流电感负载,b)交流电源驱动直流电感负载,整流全桥将交流电源变为直流电源,c)交流电源驱动交流电感负载,2-3-3 开关量I/O通道设计举例,步进电机正反转控制（三相绕组），其转 速取决于通电脉冲的频率。 三相三拍 A-B-C-A（正转）A-C-B-A（反转） 三相六拍A-AB-B-BC-C-CA-A （正转） A-AC-C-CB-B-BA-A （反转） 双三拍：AB-BC-CA-AB （正转） AB-CA-BC-AB （反转）,例一：,开