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1、计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系第三章第三章 输入输出接口技术输入输出接口技术 1/9/20231计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系本章主要内容本章主要内容F模拟量输入接口模拟量输入接口F模拟量输出接口模拟量输出接口F数字量输入输出接口数字量输入输出接口1/9/20232计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系计算机控制系统通道概述1/9/20
2、233计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系CPU外部外部设备设备数据数据状态状态控制控制通常有三类信息：通常有三类信息：数据信息数据信息数字量数字量模拟量模拟量开关量开关量状态信息状态信息控制信息控制信息1/9/20234计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系I IO O通道通道 模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道 I IO O通道分为：通道分为：1/9/20235计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计
3、算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系第一节第一节 计算机控制系统中通道技术计算机控制系统中通道技术一、前向通道的内容与结构特点一、前向通道的内容与结构特点一、前向通道的内容与结构特点一、前向通道的内容与结构特点 作用：把生产过程中的模拟量信息提供给计算机。作用：把生产过程中的模拟量信息提供给计算机。作用：把生产过程中的模拟量信息提供给计算机。作用：把生产过程中的模拟量信息提供给计算机。结构类型：书上结构类型：书上P451/9/20236计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系
4、1/9/20237计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系二、前向通道设计中应考虑的问题二、前向通道设计中应考虑的问题 前向通道必须考虑信号拾取、信号调前向通道必须考虑信号拾取、信号调节、节、A/D转换、电源配置和防止干扰转换、电源配置和防止干扰等问题。等问题。1信号的拾取方式信号的拾取方式：通过敏感元件拾取被测信：通过敏感元件拾取被测信号号 2、通过传感器拾取被测信号、通过传感器拾取被测信号 传感器测量的输出一般为电压、电流或频率量。传感器测量的输出一般为电压、电流或频率量。1/9/20238计算机控制系统计算机
5、控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 电流输出信号需转化为电压信号后与电流输出信号需转化为电压信号后与A/D电路相连。电路相连。输出频率量传感器精度高、抗干扰能力输出频率量传感器精度高、抗干扰能力强，便于远距离传送，它需采用特殊的强，便于远距离传送，它需采用特殊的转换方法才能变为二进制数字量。转换方法才能变为二进制数字量。3、通过测量仪表拾取被测信号、通过测量仪表拾取被测信号 测量仪表采用标准化输出信号，如电压测量仪表采用标准化输出信号，如电压信号为信号为05V、5V、010V、2.5V等范等范围，而电流信号则为围，而电流信号则为
6、420mA、010 mA等范围，经适当处理后（如等范围，经适当处理后（如I/V变换、滤变换、滤波）后可直接与波）后可直接与A/D电路相连电路相连。1/9/20239计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系2。信号的调节：信号放大与处理。信号的调节：信号放大与处理 任务：将传感器信号转换成满足任务：将传感器信号转换成满足A/D电电路要求的电平信号。包含小信号放大、路要求的电平信号。包含小信号放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、压力补偿、误差修正、量程切换等偿、压力补偿、误差修
7、正、量程切换等信号处理电路。部分信号处理工作可由信号处理电路。部分信号处理工作可由计算机软件完成。计算机软件完成。3模模数转换方式的选择数转换方式的选择 V/F变换方式：将信号电压变换为频率量，变换方式：将信号电压变换为频率量，由计算机或计数电路计数来实现模拟量由计算机或计数电路计数来实现模拟量转化为数字量。转化为数字量。A/D转换电路：转换电路：1/9/202310计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系4电源配置电源配置 考虑对传感器、不同的信号调节电路中的考虑对传感器、不同的信号调节电路中的芯片对电源的要求。
8、芯片对电源的要求。模拟输入通道与生产现场联系较紧，而且模拟输入通道与生产现场联系较紧，而且传感器输出信号较弱，电源配置时要充分传感器输出信号较弱，电源配置时要充分考虑干扰的隔离与抑制。考虑干扰的隔离与抑制。5抗干扰措施抗干扰措施 在信号的拾取与传送过程中来自生产现在信号的拾取与传送过程中来自生产现场的干扰因素很多，在设计过程中应采用场的干扰因素很多，在设计过程中应采用可靠的抗干扰措施，如隔离、滤波等。可靠的抗干扰措施，如隔离、滤波等。1/9/202311计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系第二节前向通道中的信号
9、调节与信号调节器第二节前向通道中的信号调节与信号调节器 前置放大器的任务前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到是将模拟输入小信号放大到A/DA/D转换的量程范围之内，如转换的量程范围之内，如0-5VDC;0-5VDC;对单纯的微弱信号对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如图端同相放大或单端反相放大。如图3-53-5所示，信号源的所示，信号源的一端若接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的一端若接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的放大倍数放大倍数G G=1+R2/R1=1+R2/R1；若信号源的一端接放大器的负端为若信号源的一端接放大
10、器的负端为反相放大反相放大，反反相放大电路的放大倍数相放大电路的放大倍数G G=R2/R1R2/R1。当然，这两种电。当然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。另一个输入端共地。1/9/202312计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 图3-5 放大电路 1/9/202313计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系测量放大器测量放大器 在实际工程中在实
11、际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。作用。因此，因此，A/DA/D通道中的前置放大器通道中的前置放大器常采用由一组运放构成常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图所示。的测量放大器，也称仪表放大器，如图所示。经典的测量放大器经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端大器的差动输入端V VININ 和和V VININ 分别是两个运放分别是两个运放A1A1、A2A2的
12、同相的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。因而有着极强的抑制共模干扰能力。1/9/202314计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV(外接外接)(a)经典的前置放大器经典的前置放大器前置放大器前置放大器 1/9/202315计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自
13、动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 图中图中RGRG是外接电阻，专用来调整放大器增是外接电阻，专用来调整放大器增益的。因此，放大器的增益益的。因此，放大器的增益G G与这个外接电阻与这个外接电阻RGRG有着密切的关系。增益公式为有着密切的关系。增益公式为 目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种，目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种，如如AD521/522AD521/522、INA102INA102等。等。1/9/202316计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系可变增益放大器 在在A/DA/D转换通道中，多
14、路被测信号常常共用转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到不同，但都要放大到A/DA/D转换器的同一量程范转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器，放大器称为可变增益放大器或可编程放大器，如图。如图。1/9/202317计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自
15、动化系3A2A-NIN负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+可变增益放大器可变增益放大器1/9/202318计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 把图的外接电阻把图的外接电阻RGRG换成一组精密的电阻网络，换成一组精密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益，根据开关支路上的通断就可改变放大器
16、的增益，根据开关支路上的电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为闭合时的放大器增益分别为2 2、4 4、8 8、1616、3232、6464、128128、256256倍。显然，这一组开关如果用多路模拟倍。显然，这一组开关如果用多路模拟开关开关(类似类似CD4051)CD4051)就可方便地进行增益可变的计就可方便地进行增益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路芯片有算机数字程序控制。此类集成电路芯片有AD612/614AD612/614等。等。1/9/202319计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大
17、学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系三、隔离放大器三、隔离放大器特点：具有一般通用运放的特性，信息传递是特点：具有一般通用运放的特性，信息传递是通过磁路和光路来实现通过磁路和光路来实现作用：在输入电路和输出电路之间实现电隔离作用：在输入电路和输出电路之间实现电隔离常用器件：常用器件：Model277、ISO122/124程控增益运算放大器程控增益运算放大器作用：在多通道或多参数的模拟输入通道共用作用：在多通道或多参数的模拟输入通道共用一个测量放大器、一个一个测量放大器、一个A/D转换器时，对不同通转换器时，对不同通道或参数改变测量放大器的增益。道或参数改变测量放大器的增益
18、。常用器件：可由测量放大器、模拟开关及电阻常用器件：可由测量放大器、模拟开关及电阻网络来实现，也可采用集成程控测量放大器，网络来实现，也可采用集成程控测量放大器，如如PGA200/201、PGA102、PGA100、AD612/614等等 1/9/202320计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系四、四、多路模拟开关多路模拟开关主要知识点 引言引言结构原理结构原理扩展电路扩展电路1/9/202321计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动
19、化系引言引言 由于计算机的工作速度远远快于被测参数由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选开关实现多选1 1的操作，将多路输入信号依次的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。地切换到后级。1/9/202322计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 目前，计算机控制系统使用的多路开关
20、种类很目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片片CD4051(CD4051(双向、单端、双向、单端、8 8路路)、CD4052(CD4052(单向、单向、双端、双端、4 4路路)、AD7506(AD7506(单向、单端、单向、单端、1616路路)等。等。所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。双端是指芯片内的一对开完成多到一的切换。双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动
21、输入信号的切换，关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。以满足抑制共模干扰的需要。1/9/202323计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系结构原理 现以常用的现以常用的CD4051为例，为例，8路模拟开关的结构原理如图路模拟开关的结构原理如图所示。所示。CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为成。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即时，前后级通道断开，即S0S7端与端与Sm端不可能接通；当为端不可能接通；当为“0”时，则通
22、道可以被接通，通过时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通的数值，就可选通8个通道个通道S0S7中的一路。比如：当中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道时，通道S0选通；当选通；当C、B、A=001时，通道时，通道S通；通；当当C、B、A=111时，通道时，通道S7选通。其真值表如表选通。其真值表如表3-1所示。所示。1/9/202324计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系CD4051CD4051结构原理图结构原理图 1/9/202325计算机控制系统计算机控制系统
23、计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系1/9/202326计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系2 2 扩展电路扩展电路 当采样通道多至当采样通道多至16路时，可直接选用路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将路模拟开关的芯片，也可以将2个个8路路4051并联起来，组成并联起来，组成1个单端的个单端的16路开关。路开关。例题例题3-1 试用两个试用两个CD4051扩展成一个扩展成一个116路的模拟开关。路的模拟开关。1/9/202327计算机控制系统计算
24、机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系例题分析：图给出了两个例题分析：图给出了两个CD4051扩展为扩展为116路模拟开关的电路。数据总线路模拟开关的电路。数据总线D3D0作为通道选择信号，作为通道选择信号，D3 用来控制两个多用来控制两个多路开关的禁止端。当路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面时，选中上面的多路开关，此时当的多路开关，此时当D2、D1、D0从从000变变为为111，则依次选通，则依次选通S0S7通道；当通道；当D3=1时，经反相器变成低电平，选中下面的多时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当路开关，
25、此时当D2、D1、D0从从000变为变为111，则依次选通，则依次选通S8S15通道。如此，组通道。如此，组成一个成一个16路的模拟开关。路的模拟开关。1/9/202328计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系1/9/202329计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系图图 用用CD4051多路开关组成的多路开关组成的16路模拟开关接线图路模拟开关接线图1/9/202330计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大
26、学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系五、五、采样保持器采样保持器 当当某某一一通通道道进进行行A/DA/D转转换换时时，由由于于A/D A/D 转转换换需需要要一一定定的的时时间间，如如果果输输入入信信号号变变化化较较快快，就就会会引引起起较较大大的的转转换换误误差差。为为了了保保证证A/DA/D转转换换的精度，需要应用采样保持器。的精度，需要应用采样保持器。v1 1、数据采样定理、数据采样定理v2 2、采样保持器、采样保持器1/9/202331计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系1 数据
27、采样定理离散系统或采样数据系统离散系统或采样数据系统-把连续变化的量变成离把连续变化的量变成离 散量后再进行处理的计算机控制系统。散量后再进行处理的计算机控制系统。离散系统的采样形式离散系统的采样形式-有周期采样、多阶采样和随机有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。采样。应用最多的是周期采样。1/9/202332计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系周期采样周期采样-就是以相同的时间间隔进行采就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号样，即把一个连续变化的模拟信号y y(t t)，按
28、一定的时间间隔，按一定的时间间隔T T 转变为在瞬时转变为在瞬时0 0，T T，2 2T T，的一连串脉冲序列信号的一连串脉冲序列信号 y y*(*(t t)，如图所示。，如图所示。1/9/202333计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系采样器的常用术语：采样器的常用术语：采样器或采样开关采样器或采样开关-执行采样动作的装置，执行采样动作的装置，采样时间或采样宽度采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时间采样开关每次闭合的时间采样周期采样周期T-T-采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔 在实际系
29、统中，在实际系统中，T T ，也就是说，可以近似地认，也就是说，可以近似地认为采样信号为采样信号y y*(*(t t)是是y y(t t)在采样开关闭合时的瞬时值在采样开关闭合时的瞬时值。图 信号的采样过程 1/9/202334计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 由经验可知，采样频率越高，采样信由经验可知，采样频率越高，采样信号号 y*y*(t t)越接近原信号越接近原信号y y(t t)，但若采样频，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失
30、去了实时控贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号制的机会。为了使采样信号y y*(*(t t)既不失既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。可依据香农采样定理。1/9/202335计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系香农定理指出：为了使采样信号香农定理指出：为了使采样信号y*y*(t t)能完全复现原信号能完全复现原信号y y(t t)，采样频率，采样频率f f 至少要为原信号最高有效频率至少要为原信号最高有效频率f fmaxmax
31、的的2 2倍，即倍，即f f 2f 2fmaxmax。采样定理给出了采样定理给出了y*y*(t t)唯一地复唯一地复现现y y(t t)所必需的最低采样频率。实际所必需的最低采样频率。实际应用中，常取应用中，常取f f （5 51010）f fmaxmax。1/9/202336计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系采样保持器 1、零阶采样保持器零阶采样保持器-零阶采样保持器零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路不变直到
32、下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如图与工作波性如图(a)(a)、(b)(b)所示。所示。1/9/202337计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系采样保持器由输入输出缓冲放大器采样保持器由输入输出缓冲放大器A1A1、A2A2和采样开关和采样开关S S、保持电容、保持电容CH等组等组成。采样期间，开关成。采样期间，开关S S闭合，输入电闭合，输入电压压V VININ通过通过A1A1对对CH快速充电，输出快速充电，输出电压电压V VOUTOUT跟随跟随V VININ变化；保持期间，变化；保持期间，开关开关S
33、 S断开，由于断开，由于A2A2的输入阻抗很高，的输入阻抗很高，理想情况下电容理想情况下电容C CH H将保持电压将保持电压VCVC不不变，因而输出电压变，因而输出电压V VOUT=OUT=VCVC也保持恒也保持恒定。定。1/9/202338计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系图图 采样保持器采样保持器1/9/202339计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 显然，保持电容显然，保持电容C H的作用十分重要。实际上保持期的作用十
34、分重要。实际上保持期间的电容保持电压间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保持电容在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压的漏电流所致。保持电压VC的变化率为的变化率为 式中：式中：ID-为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电容电容CH值值-增大电容增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又值可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频
35、率成反比。一般情况下，保持样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为高质量的电容器，容量为5101000pF。1/9/202340计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系2 2、零阶集成采样保持器、零阶集成采样保持器常用的零阶集成采样保持器有常用的零阶集成采样保持器有AD582AD582、LF198/298/398LF198/298/398等。这里，用等。这里，用TTLTTL逻辑电平控制采样和
36、保持状态，如逻辑电平控制采样和保持状态，如AD582AD582的采样电平为的采样电平为“0”“0”，保持电平为，保持电平为“1”“1”，而，而LF198LF198的则相反。的则相反。图图3 39 9 集成采样保持器集成采样保持器 1/9/202341计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系3-3 前向通道中的前向通道中的A/D转换与转换与A/D转换接口转换接口模拟量输入接口（又称为模拟量输入接口（又称为A/D通道）通道）模拟量输入接口的组成模拟量输入接口的组成多路模拟切换开关多路模拟切换开关前置放大器前置放大器采样
37、保持器采样保持器 模数转换器（模数转换器（模数转换器（模数转换器（A/DA/D）控制电路等控制电路等A/D转换器的性能指标类似于转换器的性能指标类似于D/A转换器转换器1/9/202342计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系在在微微机机的的各各种种接接口口中中，完完成成外外设设信信号号到到微微机机所所需需数数字字信信号号转转换换的的，称称为为模模拟拟数数字字转转换换（A/D转转换换）器器；完完成成微微机机输输出出数数字字信信号号到到外外设设所所需需信信号号转转换换的的，称称为为数数字字模模拟拟转转换（换（D/A
38、转换）器。转换）器。D/A转转换换器器（Digital to Analog Converter）是是一一种种能能把把数数字字量量转转换换成成模模拟拟量量的的电电子子器器件件；A/D转转 换换 器器（Analog to Digital Converter）则则相相反反，它它能能把把模模拟拟量量转转换换成成相相应应的的数数字字量量。在在微微机机控控制制系系统统中中，经经常常要要用用到到A/D和和D/A转转换换器器。它它们们的的功功能能及及在在实时控制系统中的地位，如图所示。实时控制系统中的地位，如图所示。1/9/202343计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕
39、山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系图图 单片机和被控实体间的接口示意单片机和被控实体间的接口示意返回本章首页1/9/202344计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 3-3-1 A/D转换器原理转换器原理并行并行A/D转换器转换器n位位则则需需2n-1个个比比较较器器，成成本本高高，故故只只应应用于转换速度要求极高的场合用于转换速度要求极高的场合计数器式计数器式A/D转换器转换器简简单单、便便宜宜，但但每每输输入入一一个个时时钟钟脉脉冲冲，计计数数器器加加（或或减减）1，故故要要逼逼近近输输入入值值
40、，需需输入许多个脉冲，因而转换很慢。输入许多个脉冲，因而转换很慢。1/9/202345计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系1计数器式计数器式A/D转换器转换器 1/9/202346计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系原理：转换器、计数器和比较器组成。工原理：转换器、计数器和比较器组成。工作时，计数器由零开始计数，将其计数作时，计数器由零开始计数，将其计数值送往值送往DA转换器进行转换，将生成的转换器进行转换，将生成的模拟信号与输
41、入模拟信号在比较器内进模拟信号与输入模拟信号在比较器内进行比较，若前者小于后者，则计数值加行比较，若前者小于后者，则计数值加1，重复，重复DA转换及比较过程。当这个信转换及比较过程。当这个信号值与输出模拟量比较相等时（在允许号值与输出模拟量比较相等时（在允许的误差范围内），比较器输出一个停止的误差范围内），比较器输出一个停止计数信号给计数器，计数器立即停止计计数信号给计数器，计数器立即停止计数。此时数。此时DA转换器输出的模拟量就为转换器输出的模拟量就为模拟输入值，计数器的值就是转换成的模拟输入值，计数器的值就是转换成的相应的数字量值。相应的数字量值。1/9/202347计算机控制系统计算机控
42、制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 优点：这种优点：这种AD转换器结构简单、原理转换器结构简单、原理清楚清楚缺点：它的转换速度与精度之间存在着缺点：它的转换速度与精度之间存在着严重矛盾。即若要转换速度高，则转换严重矛盾。即若要转换速度高，则转换器输出与输入的误差就大，反之亦然。器输出与输入的误差就大，反之亦然。所以在实际中很少使用它。所以在实际中很少使用它。1/9/202348计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系3-3-1 双积分式双积分式A/D转
43、换器（转换器（1）双积分式双积分式A/D转换器特点转换器特点是一种间接是一种间接A/D转换技术。转换技术。模拟电压先转换成积分时间，然后转换成计数脉模拟电压先转换成积分时间，然后转换成计数脉冲数，最后将代表模拟输入电压大小的脉冲数转冲数，最后将代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成换成BCD码输出。码输出。转换时间较长，一般需要几十毫秒。转换时间较长，一般需要几十毫秒。器器件件少少、使使用用方方便便、抗抗干干扰扰能能力力强强、数数据据稳稳定定、价价格格便便宜宜，适适用用于于非非快快速速计计算算机机过过程程控控制系统或精度要求较高的地方。制系统或精度要求较高的地方。1/9/202349计算机控制系统
44、计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 3-3-1 双积分式双积分式A/D转换器（转换器（2）双积分式双积分式A/D转换器的工作原理转换器的工作原理先对模拟输入电压先对模拟输入电压Vin进行固定时间进行固定时间t1的正向积分，的正向积分，积分器的输出电压上升的速率与输入电压积分器的输出电压上升的速率与输入电压Vin成正比成正比当固定时间当固定时间t1到后，计数器清零，对积分器进行反到后，计数器清零，对积分器进行反向积分，并自动按一定的频率进行计数。积分器的向积分，并自动按一定的频率进行计数。积分器的输出电压，从正向积分结束时的
45、输出电压，从正向积分结束时的VI开始以恒定的斜开始以恒定的斜率下降，当反向积分使其积分器输出为零时，关闭率下降，当反向积分使其积分器输出为零时，关闭计数器计数，完成一次计数器计数，完成一次A/D转换工作。转换工作。1/9/202350计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系缺点：转换时间较长，一般需要几十毫缺点：转换时间较长，一般需要几十毫秒。秒。优点：器件少、使用方便、抗干扰能力优点：器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜，适用于非快强、数据稳定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控制系统或精度要求较高
46、速计算机过程控制系统或精度要求较高的地方。的地方。1/9/202351计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 3-3-1 双积分式双积分式A/D转换器（转换器（3）双积分式双积分式A/D转换器示意图转换器示意图控制逻辑控制逻辑计数器计数器时钟时钟+比较器比较器+积分器积分器123积分电容积分电容VOVIK数据输出数据输出VinVREF（基准电压）（基准电压）双积分式双积分式A/D转换的原理框图转换的原理框图t1VO t2tAVO t1t3tBtt1VI积分输出积分输出 t2t3AB双积分双积分A/D的工作示意图的
47、工作示意图1/9/202352计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 3-3-1 双积分式双积分式A/D转换器（转换器（4）常用双积分式常用双积分式A/D转换器芯片转换器芯片MC144331/9/202353计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系3-3-1 逐位逼近法（逐位逼近法（1）逐位逼近式逐位逼近式A/D的工作原理的工作原理从从SAR输出的数码送至输出的数码送至D/A，其输出电压，其输出电压Vf与模拟与模拟量输入量输入Vin
48、比较后，再控制比较后，再控制SAR的数字逼近的数字逼近Vin模拟量输入模拟量输入数字量数字量输出输出寄存器寄存器D/AD/A转换器转换器转换器转换器逐位逼近寄存逐位逼近寄存逐位逼近寄存逐位逼近寄存器（器（器（器（SARSAR）控制时序控制时序和逻辑电路和逻辑电路比较器比较器+Vf（反馈电压）（反馈电压）逐位逼近式逐位逼近式A/D转换器原理框图转换器原理框图 D0D71/9/202354计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系优点：转换速度快，转换时间固定优点：转换速度快，转换时间固定缺点：抗干扰能力差缺点：抗干扰能
49、力差 1/9/202355计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系例例:四位四位A/D转换器转换器,满刻度值满刻度值5V,现若输入现若输入3.5V模拟电压模拟电压,试分析其逐次逼近的转换试分析其逐次逼近的转换过程过程.解解:量化单位量化单位q=5/24=0.3125V1000:0.3125*23=2.5Vfs）的一系）的一系列粗糙量化数据，由后续的数字抽取器计算出列粗糙量化数据，由后续的数字抽取器计算出模拟信号所对应的低取样频率模拟信号所对应的低取样频率fs的高分辩率数的高分辩率数字信号。其实现主要基于过程取样、字
50、信号。其实现主要基于过程取样、-调制调制和数字滤波。和数字滤波。抗混叠抗混叠模拟滤波器模拟滤波器-调制器调制器数字数字滤波器滤波器低位数据流低位数据流（1bit1bit）输入输入数字数字f fs s F Fs s模拟信号模拟信号F Fs s高位数据流高位数据流（16bit16bit）模拟模拟 -型型A/DA/D转换器的组成框图转换器的组成框图1/9/202357计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系燕山大学自动化系 3-2-1-型型A/D转换器（转换器（2）-型型A/D转换芯片转换芯片AD7715价格便宜、分辨率高，不受噪声环境