第2章 计算机控制课件.ppt

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1、第第2章章 计算机控制课件计算机控制课件 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术内容提要内容提要内容提要一、输入输出过程通道概述一、输入输出过程通道概述 二、模拟量输入通道二、模拟量输入通道 三、模拟量输出通道三、模拟量输出通道四、数字量（开关量）输入输出通道四、数字量（开关量）输入输出通道五、测量数据的预处理技术五、测量数据的预处理技术 六、输入输出通道模板实例六、输入输出通道模板实例 10/15/202210/15/20222 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术输入输出接口概述输入输出接口概述2.12.1输入输出接口概述输入输出接

2、口概述图图2-1 过过程通道程通道组组成成结结构构图图过程通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。包括模拟输入通道、模拟输出通道、数字输入通道和数字输出通道四种，如图2-1所示。10/15/202210/15/20223表表2-1 生生产过产过程程输输入入输输出信息来源与用途出信息来源与用途信息种类信息种类信息种类信息种类输入信息来源或输出信息的用途输入信息来源或输出信息的用途输入信息来源或输出信息的用途输入信息来源或输出信息的用途模拟量输入模拟量输入模拟量输入模拟量输入数字量输入数字量输入数字量输入数字量输入脉冲计数器脉冲计数器脉冲计数器脉冲计数器模拟量输出模拟量输出模拟量

3、输出模拟量输出数字量输出数字量输出数字量输出数字量输出温度、压力、物位、转速、成分等温度、压力、物位、转速、成分等温度、压力、物位、转速、成分等温度、压力、物位、转速、成分等接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等流量积算、电功率流量积算、电功率流量积算、电功率流量积算、电功率计算计算、转速及脉冲形式的输入信号等、转速及脉冲形式的输入信号等、转速及脉冲形式的输入信号等、转速及脉冲形式的输入信号等控制执行装置、显示、记录等控制执行装置、显

4、示、记录等控制执行装置、显示、记录等控制执行装置、显示、记录等对执行器进行控制、报警显示等对执行器进行控制、报警显示等对执行器进行控制、报警显示等对执行器进行控制、报警显示等 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术输入输出接口概述输入输出接口概述10/15/202210/15/20224模拟输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。通常也把模拟量输入接口简称为AD通道。主要由信号调理单元、多路转换开关、程控放大器、采样保持器、A/D转换器和控制电路组成。图2-2 模拟量输入通道方框图 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术模

5、拟量输入通道模拟量输入通道 2.22.2模拟量输入通道模拟量输入通道 10/15/202210/15/20225 传感器的作用：主要是将传感器的作用：主要是将物理信号物理信号转变为转变为电信号电信号。工业过程中工业过程中主要的物理参数主要的物理参数有：有：温度温度压力压力流量流量物位（液位）物位（液位）机械量机械量成分成分一、传感器（自学）一、传感器（自学）一、传感器（自学）一、传感器（自学）第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/202261.1.温度传感器温度传感器 热电偶：热电偶：热电偶：热电偶：测温范围宽，一般为测温

6、范围宽，一般为测温范围宽，一般为测温范围宽，一般为-50+1600-50+1600，常用于，常用于，常用于，常用于高温高温高温高温测量测量测量测量或或或或精度要求不高的场合精度要求不高的场合精度要求不高的场合精度要求不高的场合，此外由于材料较柔软，便于折弯，此外由于材料较柔软，便于折弯，此外由于材料较柔软，便于折弯，此外由于材料较柔软，便于折弯，因此可以对物体因此可以对物体因此可以对物体因此可以对物体表面温度表面温度表面温度表面温度进行测量。用热电偶测温时，要对其进行测量。用热电偶测温时，要对其进行测量。用热电偶测温时，要对其进行测量。用热电偶测温时，要对其进行进行进行进行冷端补偿冷端补偿冷端

7、补偿冷端补偿。其常用型号有：。其常用型号有：。其常用型号有：。其常用型号有：KK、J J、T T型等型等型等型等K型热电偶：型热电偶：-2001000 3，400 0.75，400 J型热电偶：型热电偶：-2001200 1.1 2.2 T型热电偶：型热电偶：-200200 1.5，-20050 0.75，50200 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/20227热电阻：热电阻：精度高，性能稳定，测温范围宽，一般为精度高，性能稳定，测温范围宽，一般为-200-200+600+600，工业中精确测温大多用该类传感器。其类型

8、有：，工业中精确测温大多用该类传感器。其类型有：Pt100Pt100、Pt50Pt50、Cu50Cu50等。等。工业工业A A级的级的Pt100Pt100，精度为，精度为0.15 0.15（标定前）（标定前）第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/20228热敏电阻：热敏电阻：热敏电阻：热敏电阻：为为为为NTC NTC（负温度系数）型（负温度系数）型（负温度系数）型（负温度系数）型的电阻式温度传感器，的电阻式温度传感器，的电阻式温度传感器，的电阻式温度传感器，其其其其阻值高，反应灵敏阻值高，反应灵敏阻值高，反应灵敏阻值高，反

9、应灵敏，但，但，但，但非线性化强烈，性能不稳定非线性化强烈，性能不稳定非线性化强烈，性能不稳定非线性化强烈，性能不稳定，一，一，一，一般用于非重要的场合。其常用的型号为般用于非重要的场合。其常用的型号为般用于非重要的场合。其常用的型号为般用于非重要的场合。其常用的型号为502AT502AT。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/20229集成温度传感器集成温度传感器：其特点是：其特点是灵敏度高，线形好，体积小，灵敏度高，线形好，体积小，直接输出电信号或数字信号，使用方便，直接输出电信号或数字信号，使用方便，精度为精度为0.

10、50.5，其常用的型号为其常用的型号为AD590AD590和和DS18B20DS18B20。DS18B20DS18B20测量温度范围为：测量温度范围为：-55 +125 ，在，在-10+85 范围内范围内,精度精度为为0.5 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/2022102.2.压力传感器压力传感器 表压或绝压压力传感器：表压或绝压压力传感器：PT110S-10B133型压力传感器：测量范围：010bar(公斤）基本测量精度：0.25%FS压力接口：M20*1.5输出方式：420mA接线端子:DIN接头生产厂家:上海奇

11、正电子第二章过程通道技术模拟量输入接口技术模拟量输入接口技术 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/202211压差传感器：压差传感器：1151型压差传感器：测量范围：-10100kPa 基本测量精度：0.25%不确定度:500Pa 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/202212微压差传感器：微压差传感器：B0300B0300型压差传感器（扩散硅型压差传感器（扩散硅型）：型）：测量范围：测量范围：0 0500Pa 500Pa 基本测量精度：基本测量

12、精度：0.15%0.15%第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/202213大气压力传感器：大气压力传感器：PTB100型压力传感器：测量范围：80106kPa 基本测量精度：30Pa 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/2022143.3.流量传感器流量传感器 涡轮型流量传感器：涡轮型流量传感器：LWGY-50A型涡轮流量传感器：测量范围：04m3/h 基本测量精度：1.5%第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传

13、感器10/15/202210/15/202215旋涡（涡街）流量传感器：旋涡（涡街）流量传感器：YFl00型旋涡流量计：基本测量精度：1%在流体中插入一个圆柱体或角柱体，则会从其两侧交替地产生旋涡。在一定的条件下，这些旋涡的发生频率与流速成正比。本流量计就是应用这个原理，通过测试旋涡的频率，实现流量测量的。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/202216电磁流量传感器：电磁流量传感器：LDCK型电磁流量计：基本测量精度：0.5%第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/20

14、2210/15/202217超声波流量传感器：超声波流量传感器：1010SN型超声波流量计：基本测量精度：0.5%第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/202218孔板式流量传感器：孔板式流量传感器：HZKL-M型孔板式流量计：基本测量精度：1%第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/2022194.4.液位传感器液位传感器磁致伸缩液位传感器：磁致伸缩液位传感器：传感器：测量范围：0.25m基本测量精度：0.05%第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术

15、输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/202220压力型液位变送器：压力型液位变送器：JYB-K*-*型液位变送器量程：0-0.5m,4m,100m精度：A级0.25 B级0.5 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术传感器传感器10/15/202210/15/202221信号调理的作用信号调理的作用：主要是将传感器送来的非标准电信号主要是将传感器送来的非标准电信号转变为标准的电信号，即变送器所做的工作。转变为标准的电信号，即变送器所做的工作。常见的标准信号：常见的标准信号：常见的标准信号：常见的标准信号：0 010V10V 0 05

16、V5V 4 420mA20mA 1 15V5V 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理二、信号调理二、信号调理10/15/202210/15/202222模拟信号调理的功能模拟信号调理的功能低电压信号低电压信号电流输入电流输入/输出输出RTDs 和热敏电阻和热敏电阻热电偶热电偶应变仪应变仪隔离、放大噪声、滤波隔离、放大噪声、滤波电流与电压的转换电流与电压的转换;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿冷端补偿激励电源激励电源隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波激励电压激励电压全桥和半桥设置全桥和半桥

17、设置隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波多功能多功能I/O第二章过程通道技术信号调理信号调理 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/2022231.1.桥式电路桥式电路桥式电路桥式电路第二章过程通道技术信号调理信号调理 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理电桥电路是最常见的信号调理电路之一，通常用于微电压、热电偶和应变测量中。图2-3 热电偶变送器输入电路 I=1mA R16=R21=10k I1=I20.5mA。其它电阻200 R24=RRP2=100 10/15/2

18、02210/15/202224第二章过程通道技术信号调理信号调理 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理从图2-3可知 (2-1)(2-1)铜电阻铜电阻铜电阻铜电阻R RCuCu用于热电偶的冷端温度补偿用于热电偶的冷端温度补偿用于热电偶的冷端温度补偿用于热电偶的冷端温度补偿 ，显然，引，显然，引，显然，引，显然，引入铜电阻入铜电阻入铜电阻入铜电阻R RCuCu能完成自动补偿的条件应为：能完成自动补偿的条件应为：能完成自动补偿的条件应为：能完成自动补偿的条件应为：(2-2)(2-2)10/15/202210/15/202225第二章过程通道技术信号调理

19、信号调理 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理(2-3)(2-3)一般地，变送器实际设计时要求在冷端温度为20时完全补偿，此时应有式中E(20，0)表示冷端温度为0时，用热电偶测量被测温度为20的热电势10/15/202210/15/202226W1W1W1W1用于调零点，用于调零点，用于调零点，用于调零点，W2W2W2W2用于调电流，用于调电流，用于调电流，用于调电流，W3W3W3W3用于调满刻度用于调满刻度用于调满刻度用于调满刻度ICL7650R1R1R2R2R3R3W1W1W2W2热电偶热电偶热电偶热电偶W3W32 2）热电偶的输入电路）热电

20、偶的输入电路第二章过程通道技术信号调理信号调理 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/202227热电阻热电阻ICL7650R1R1R2R2Pt100Pt100W1W1W2W2W3W3若若Pt100Pt100从从00100 0100 0时变化时，输出为时变化时，输出为0 05V5V。若采用若采用8 8位位A/DA/D转换器（如转换器（如ADC0809ADC0809），则分辨率为），则分辨率为100/256=0.4 100/256=0.4；若采用若采用1212位位A/DA/D转换器（如转换器（如AD574AAD574A）

21、，则分辨率为），则分辨率为100/4096=0.024 100/4096=0.024；第二章过程通道技术信号调理信号调理3 3）热电阻的输入电路）热电阻的输入电路10/15/202210/15/2022282.2.仪表放大器仪表放大器仪表放大器仪表放大器在数据采集系统中，放大器的作用一般是：在数据采集系统中，放大器的作用一般是：对信号幅度放大；对信号幅度放大；增大输入阻抗，起到增大输入阻抗，起到 隔离和缓冲前后级单元；隔离和缓冲前后级单元；抑制噪声，提高信噪比；抑制噪声，提高信噪比；其他作用，如电压、电流变换其他作用，如电压、电流变换、量程切换、极性自量程切换、极性自动变换动变换等。等。第二章

22、第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/202229 仪表仪表放大器与普通运算放大器区别：放大器与普通运算放大器区别：运算放大器只是在信号为单纯有效，而没有干扰的情况下方可用于小信号放大；普通运算放大器对于来自信号源的共模干扰信号不能有效地起到抑制作用；仪表仪表放大器（测量放大器）放大器（测量放大器）具有高输入阻抗，低输出阻抗，强抗共模干扰能力，低温漂、低失调电压和高稳定增益。仪表仪表放大器放大器广泛应用于微弱信号的检测系统中，作为前置放大器；第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理1

23、0/15/202210/15/202230 仪表仪表放大器的原理结构放大器的原理结构 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理-+R1R11 1-+-V Vi 1i 1V Vi 2i 2V Vo oR2R2R3R3R4R4R5R5R6R6R RGGI IGG2 23 3V VB BV VA A10/15/202210/15/202231 AD620AD620AD620AD620仪表仪表仪表仪表放大器的内部结构放大器的内部结构放大器的内部结构放大器的内部结构 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/2

24、02210/15/202232 AD620 AD620仪表仪表放大器在单电源测量中的应用放大器在单电源测量中的应用 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理AD705构成的电压跟随器为AD620提供了Vref，以提高其输出摆幅的中心点，以防止信号在负半波被削波。10/15/202210/15/202233 AD620 AD620仪表仪表放大器在差分屏蔽驱动接法中的应用放大器在差分屏蔽驱动接法中的应用在许多应用场合，常采用屏蔽电缆方法来减小输入端的噪声干扰。对屏蔽给予适当的驱动，可减小电缆电容和杂散电容造成的差分相移，保证交流共模抑制比不下降。第二章第二

25、章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/202234 AD620 AD620仪表仪表放大器在公共屏蔽驱动接法中的应用放大器在公共屏蔽驱动接法中的应用 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/2022353.3.隔离放大器隔离放大器隔离放大器隔离放大器 在有强电或强电磁的干扰环境线，为了防止电网电压在有强电或强电磁的干扰环境线，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道通常采用隔离技术，等对测量回路的损坏，其信号输入通道通常采用隔离技术，隔离放大器作用

26、隔离放大器作用是在输入信号与输出信号之间保持电气隔是在输入信号与输出信号之间保持电气隔离的同时实现输出电压与输入电压的线性传输离的同时实现输出电压与输入电压的线性传输。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/202236根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要可分为三种根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要可分为三种:1.1.变压器耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器 2.2.光电耦合隔离放大器光电耦合隔离放大器 3.3.电容耦合隔离放大器电容耦合隔离放大器隔离放大器就其隔离对象而言，分为二种隔离放大器就其隔离对象而言，分为二种:1

27、.1.两端口隔离两端口隔离 2.2.三端口隔离。三端口隔离。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/202237 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理两端口隔离两端口隔离,电源由输出电路提供电源由输出电路提供输入电源输入电源：DC15VDC15V 功耗：功耗：功耗：功耗：75mW75mW输出电压输出电压：7.5V7.5V 电流：电流：电流：电流：2mA2mA最大隔离电压最大隔离电压：1000V 1000VP-P最大非线性误差最大非线性误差最大非线性误差最大非线性误差:0.02

28、5%0.025%10/15/202210/15/202238 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理三端口隔离三端口隔离(全隔离全隔离)输入电源输入电源：DC15VDC15V 功耗：功耗：功耗：功耗：1.2W1.2W输出电压输出电压：15V15V 电流：电流：电流：电流：5mA5mA最大隔离电压最大隔离电压：3500V 3500VP-P最大非线性误差最大非线性误差最大非线性误差最大非线性误差:0.012%0.012%10/15/202210/15/202239 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理AD21

29、0隔离放大器在热电偶测量中的应用，其冷端采用AD590补偿。温度变化范围040，电路总增益为183（集成运放OP07的增益为100，AD210的增益为1.83）10/15/202210/15/2022404.4.电流电流电流电流/电压转换器电压转换器电压转换器电压转换器 工业自动化仪表采用的变送器大多是工业自动化仪表采用的变送器大多是DDZ-DDZ-型电动单型电动单元组合仪表，采用线性集成电路，其输出信号为元组合仪表，采用线性集成电路，其输出信号为4 420mA20mA的的国际标准。国际标准。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/2022

30、10/15/202241 (1)(1)无源无源I IV V变换变换 无源无源IIVIIV变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，波和输出限幅等保护措施，对于对于0 010mA10mA输入信号，可取输入信号，可取R R1 1=100=100，R R2 2=500 500 ，且，且R2R2为精密电为精密电阻阻，这样当输入的这样当输入的I I为为0 010mA10mA电流电流时，输出的时，输出的V V为为0 05V5V；对于对于4 420mA20mA输入信号，可取输入信号，可取R R1 1=100 100 及及R R2 2=250 25

31、0，且，且R2R2为精密电为精密电阻，这样当输入的阻，这样当输入的I I为为4 420mA20mA时，输时，输出的出的V V为为1 15V5V。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/202242 (2)(2)(2)(2)有源有源有源有源I I I IV V V V变换变换变换变换 有源有源有源有源I I I IV V V V变换主要是利用变换主要是利用变换主要是利用变换主要是利用有源器件运算放大器有源器件运算放大器有源器件运算放大器有源器件运算放大器、电阻组成，、电阻组成，、电阻组成，、电阻组成，第二章第二章 输入输出

32、接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/202243 利用利用同相放大电路同相放大电路，把电阻，把电阻R1R1上产生的输入电压变上产生的输入电压变成标准的输出电压。成标准的输出电压。该同相放大电路的放大倍数为该同相放大电路的放大倍数为 A=1+RA=1+R5 5/R/R3 3 若取若取R R3 3=100k=100k及及R R5 5=150k=150k，R R1 1=200=200，则，则0 0 10mA 10mA输入输入对应于对应于0 05V5V的电压输出。的电压输出。若取若取R R3 3=100k=100k及及R R5 5=25k=25k

33、 ，R R1 1=200=200 ，则则4 4 20mA 20mA输输入对应于入对应于1 15V5V的电压输出。的电压输出。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/2022445.5.调理模块产品调理模块产品调理模块产品调理模块产品 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/202245调理模块的选择调理模块的选择传感器和信号传感器和信号热电偶热电偶RTDs热敏电阻热敏电阻应变仪应变仪电压信号电压信号微伏，毫伏，伏微伏，毫伏，伏电流信号电流信号4 2

34、0 mA,0 20 mA数字信号数字信号信号调理信号调理多路复用多路复用放大放大隔离隔离滤波滤波传感器激励传感器激励冷端补偿冷端补偿 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术信号调理信号调理10/15/202210/15/202246 多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。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。为了提高过程参数的测量精度，对多路开关提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换 速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。第二章过程通道技术多路转换器多

35、路转换器三、三、多路转换器多路转换器 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术多路转换器多路转换器10/15/202210/15/202247常用的多路开关有常用的多路开关有CD4051CD4051、CD4052CD4052、CD4067CD4067、AD4097AD4097等。等。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术多路转换器多路转换器10/15/202210/15/2022481.CD40511.CD40511.CD40511.CD4051 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术多路转换器多路转换器10/1

36、5/202210/15/202249 它是它是单端的单端的8 8通道开通道开，它有，它有3 3根二进制的控制输入端根二进制的控制输入端和和 1 1根根禁止输入端禁止输入端INH(INH(高电平禁止高电平禁止)。通道选择表如表。通道选择表如表2.32.3所示。所示。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术多路转换器多路转换器10/15/202210/15/202250 CD4051CD4051有较宽的数字和模拟信号电平，有较宽的数字和模拟信号电平，数字信号为数字信号为3 315V15V，模拟信号峰，模拟信号峰峰值为峰值为15V 15V P-PP-P ；当当V VDDDD

37、-V VEEEE=15V15V，输入幅值为，输入幅值为15V15VP-P-P P时，其导通电阻为时，其导通电阻为 8080；V VDDDD-V VEEEE 越大则导通电阻越小。越大则导通电阻越小。当当V VDDDD-V VEEEE=10V10V时时，其，其断开时的漏电流为断开时的漏电流为10pA10pA；静态功；静态功耗为耗为1 1W W。V VEEEE通常与电源地通常与电源地V VSSSS直接连接。直接连接。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术多路转换器多路转换器10/15/202210/15/2022512.CD40522.CD40522.CD40522.CD

38、4052 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术多路转换器多路转换器10/15/202210/15/202252 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术多路转换器多路转换器CD4052是双4对1多路开关，其内部有两个完全独立（电绝缘）的4选1模拟开关，其真值表如表2-4所示。10/15/202210/15/202253 可编程放大器的可编程放大器的放大倍数放大倍数随时可由一组数字序列控制，随时可由一组数字序列控制，这样，在这样，在MUXMUX改变其通道序号时，放大电路也由相应的一组数改变其通道序号时，放大电路也由相应的一组数字序列控制改变

39、放大倍数，字序列控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的即为每个模拟通道提供最合适的放大放大倍数。倍数。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术可可编程增益放大器编程增益放大器四、四、可编程增益放大器可编程增益放大器在计算机测控系统的模拟输入通道中，由于被测量所处的环境和时间不同，可能会造成其变化范围不同，因此希望能自动改变放大器的增益，使信号通过放大器后，具有合适的动态范围，即实现自动里程切换，以便于A/D转换。在多路数据采集系统中，也可能遇到各路信号动态范围不一致的情况，这时希望放大器对不向的通路具有小同的增益，以实现相同的动态输出。10/15/202210

40、/15/202254 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术可可编程增益放大器编程增益放大器用仪表放大器实现的可编程增益放大器 10/15/202210/15/202255 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术可可编程增益放大器编程增益放大器基于上述原理的器件有LH0084，控制信号DlD0通过控制逻辑驱动模拟开关切换运算放大器的反馈电阻。DlD0的四种组合对应l、2、5、10共4种程控增益值。10/15/202210/15/202256五、五、采样保持器采样保持器1采样保持器的作用采样保持器的作用式中Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号

41、频率。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样保持器10/15/202210/15/202257 假定假定A/DA/D转换器之前无采样保持器，在坐标的原点上，转换器之前无采样保持器，在坐标的原点上，正弦信号的最大变化率为正弦信号的最大变化率为取t=tA/D，则得原点处转换的不确定电压为 误差百分数 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样保持器10/15/202210/15/202258 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样保持器由此可见，对于一定的转换时间tA/D，误差

42、的百分数和信号的频率呈正比。例如：例如：一个10位的A/D转换器（量化误差为0.1%），孔径时间tA/D为10s，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为此例表明，尽管信号频率不算高，但对A/D转换速度要求太苛刻。解决的方法就是在A/D转换之前加采样/保持器。保证A/D转换在保持期间进行，以便有足够的时间完成。10/15/202210/15/202259 由此可见：如果直接用A/D转换器对模拟量进行采样，由于模拟量的变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的量均需要取同一瞬时的值，若仍直接送入AD转换器进行转换(共用一个AD)，所得到的几个分量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较

43、。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变。但转换之后，又要求A/D变换器的输入信号能够跟踪模拟量的变化，能够完成上述任务的器件叫采样保持器，简称 S/H。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样保持器10/15/202210/15/202260 由以上分析可知，采样由以上分析可知，采样/保持器是一种与锁存器作用相当保持器是一种与锁存器作用相当的模拟电路元件。的模拟电路元件。一个理想的采样一个理想的采样/保持器工作原理下图所示，采样保持保持器工作原理下图所示，采样保持的输出，的输出，在采样周期内跟踪电压输入，并在保持周期内把它在采样周期

44、内跟踪电压输入，并在保持周期内把它保持在最后跟踪的模拟电压值。保持在最后跟踪的模拟电压值。为了表示清晰起见，在图中为了表示清晰起见，在图中将输出曲线稍微偏离输入一点。将输出曲线稍微偏离输入一点。2.2.采样采样采样采样/保持器的工作原理保持器的工作原理保持器的工作原理保持器的工作原理 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样保持器10/15/202210/15/202261 最简单的采样保持电路是由一个电容器和一个开关组最简单的采样保持电路是由一个电容器和一个开关组成，如下图所示。成，如下图所示。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程

45、通道技术采样保持器采样保持器10/15/202210/15/202262采样保持器的结构原理采样保持器的结构原理 采样时，开关采样时，开关K K闭合，闭合，由于由于A1A1输出阻抗很小，电容输出阻抗很小，电容CHCH快速快速充电，即电容器的电压充电，即电容器的电压跟随输入电压的变化跟随输入电压的变化。保持保持时，开关时，开关K K断开，断开，由于由于A2A2输入阻抗很大，流入输入阻抗很大，流入A2A2的电的电流几乎为流几乎为0 0，则电容器的，则电容器的电压保持不变电压保持不变。-+-A1A2Vout输入阻抗很高输入阻抗很高输出阻抗很低输出阻抗很低Vin控制端控制端KCH 注意：注意：这里的这

46、里的“保持时保持时”就是就是A/DA/D转换器的转换器的“转换过程转换过程”，即即“A/D“A/D的采样时的采样时”。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样保持器10/15/202210/15/202263(1)(1)采样采样/保持器的作用保持器的作用 稳定地保持模拟信号以便能够完成A/D转换。在测量中同时对若干个模拟输入量采样(每个输入需 要一个采样/保持电路)。消除A/D转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样保持器10/15/202210/15/202264(2)(2

47、)采样保持器的的主要参数采样保持器的的主要参数 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样保持器孔径时间TAP：在采样保持器中，由于模拟开关有一定的动作滞后，从保持命令发出后至模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间，一般是纳秒级。这个时间由器件的开关动作时间决定。值得注意的是采样保持器的孔径时间TAP与A/D转换器的孔径时间TA/D完全不同 孔径时间不确定性TAP 。它是孔径时间的变化范围。孔径时间可以提前发出保持命令加以克服，而TAP是随机的，所以它是影响采样精度的主要因素之一。10/15/202210/15/202265 第二章第二章 输入输出接口与过

48、程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样保持器转换速率：指输出变化的最大速率，以V/s为单位;采集时间(捕捉时间)TAC：采样保持器处于保持模式时，从计算机发出采样命令，由“保持”转为“采样”后，采样保持器的输出值由原来的保持值过渡到跟踪当前输入信号值所需的时间，称为捕捉时间 包括开关动作时间，达到稳定值的建立时间和保持值到终值的跟踪时间，它是影响采样频率提高的主要因素，但不影A/D转换精度。10/15/202210/15/202266下跌率下跌率(衰减率衰减率)：在进入保持阶段后，由于开关的漏电流及在进入保持阶段后，由于开关的漏电流及保持电容泄漏，输出电压会下降，以保持电容泄漏，输

49、出电压会下降，以mV/smV/s表示。在选择保持表示。在选择保持电容的容量时要折中地考虑采集时间和下跌率。电容的容量时要折中地考虑采集时间和下跌率。增大电容增大电容可减少保持电压的下降率，提高精度可减少保持电压的下降率，提高精度，但会增，但会增多捕捉时间。多捕捉时间。在在转换时间较长且精度高的系统转换时间较长且精度高的系统中应该用中应该用较大电容较大电容。当。当然较大电容带来的是采样时间加长，这对矛盾应该根据精度然较大电容带来的是采样时间加长，这对矛盾应该根据精度和和A/DA/D转换时间转换时间折中选取。折中选取。第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样

50、保持器10/15/202210/15/202267 因此，通常采取的办法 是努力减小泄漏电流，采用高输入阻抗的运放作为缓冲放大器，选择优质电容如聚四氟乙烯电容作为保持电容，选用漏电流小的模拟开关等。(3)常用的采样保持器芯片廉价的：LF398通用的：AD582、AD583高速型：THS-0060 超高速：THS-0010 第二章第二章 输入输出接口与过程通道技术输入输出接口与过程通道技术采样保持器采样保持器10/15/202210/15/202268LF398的工作原理及主要性能主要技术指标：工作电压:518V；采样时间：10m。当控制逻辑IN+脚加“1”时，则开关闭合，处于采样；当控制逻辑I