200725过程通道解析.pptx

第二章 过程通道技术2.2 通道接口技术通道接口技术2.1 概述概述2.3 数字量输入通道数字量输入通道2.4 数字量输出通道数字量输出通道2.5 模拟量输入通道模拟量输入通道2.6 模拟量输出通道模拟量输出通道要点总结要点总结 2.5 模拟量输入通道模拟量输入通道2.5.2 信号处理信号处理 2.5.1 模拟量输入通道的结构模拟量输入通道的结构 2.5.3 采样保持采样保持2.5.4 多路转换器多路转换器2.5.5 A/D转换技术转换技术2.5.1 模拟量输入通道的结构模拟量输入通道的结构并行转换结构并行转换结构 对于高速系统特别是需要同时得到描述系统性能对于高速系统特别是需要同时得到描述系统性能各项数据的系统，可采用下图所示并行转换结构。其特各项数据的系统，可采用下图所示并行转换结构。其特点是速度快、工作可靠，即使某一通路有故障，也不会点是速度快、工作可靠，即使某一通路有故障，也不会影响其他通路正常工作。影响其他通路正常工作。2.5.1 模拟量输入通道的结构模拟量输入通道的结构多路通道共享采样保持或模数转换多路通道共享采样保持或模数转换(AD)电路电路 2.5.2 信号处理信号处理一、信号处理形式一、信号处理形式 二、常用的放大电路二、常用的放大电路三、三、I/V变换变换2.5.2 信号处理信号处理一、信号处理形式一、信号处理形式 1、传感器输出为大信号模拟电压、传感器输出为大信号模拟电压 2、传感器输出为小信号模拟电压、传感器输出为小信号模拟电压 2.5.2 信号处理信号处理一、信号处理形式一、信号处理形式 3、传感器输出的是大电流信号、传感器输出的是大电流信号 4、传感器输出的是小电流信号、传感器输出的是小电流信号2.5.2 信号处理信号处理二、常用的放大电路二、常用的放大电路1、运算放大器的基本电路、运算放大器的基本电路（1 1）反比例放大器）反比例放大器2.5.2 信号处理信号处理（2 2）正比例放大器）正比例放大器2.5.2 信号处理信号处理（3 3）跟随器）跟随器2.5.2 信号处理信号处理2、仪表放大器、仪表放大器 在许多检测技术应用场合，传感器输出的信在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，习惯上将具有这种特点的放大器和高输入阻抗，习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。称为测量放大器或仪表放大器。2.5.2 信号处理信号处理2、仪表放大器、仪表放大器 2.5.2 信号处理信号处理2、仪表放大器、仪表放大器 在某些只需简单放大的情况下，采用一般运放在某些只需简单放大的情况下，采用一般运放组成的测量放大器作为传感器的输出信号放大是组成的测量放大器作为传感器的输出信号放大是可行的，但为了保证精度常需采用精密匹配的外可行的，但为了保证精度常需采用精密匹配的外接电阻，才能保证最大的共模抑制比，否则增益接电阻，才能保证最大的共模抑制比，否则增益的非线性也比较大；此外还需考虑放大器的输入的非线性也比较大；此外还需考虑放大器的输入电路与传感器的输出阻抗的匹配问题，因此，在电路与传感器的输出阻抗的匹配问题，因此，在要求较高的场合，常采用集成测量放大器。例如：要求较高的场合，常采用集成测量放大器。例如：AD521、AD522、INA101等。等。2.5.2 信号处理信号处理3、程控放大器、程控放大器 在模拟信号送到模数变换系统时，为减少转在模拟信号送到模数变换系统时，为减少转换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能大。换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能大。如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变换等。换等。较容易想到的办法就是通过模拟开关改变反较容易想到的办法就是通过模拟开关改变反馈电阻阻值，如下图所示。馈电阻阻值，如下图所示。2.5.2 信号处理信号处理 在也有许多集成的程控放大器，如在也有许多集成的程控放大器，如AD524、AD624、PGA200等。等。2.5.2 信号处理信号处理4、隔离放大器、隔离放大器 在有强电或强电磁干扰等环境中，为了防止在有强电或强电磁干扰等环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道常采用隔离技术；在生物医疗仪器上，为防止漏常采用隔离技术；在生物医疗仪器上，为防止漏电流、高电压等对人体的意外伤害，也常采用隔电流、高电压等对人体的意外伤害，也常采用隔离放大技术，以确保患者安全；此外，在许多其离放大技术，以确保患者安全；此外，在许多其他场合也常需要采用隔离放大技术。能完成这种他场合也常需要采用隔离放大技术。能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。一般来讲，隔离放大器是指对输入、输出和一般来讲，隔离放大器是指对输入、输出和电源三者彼此相互隔离的测量放大器。电源三者彼此相互隔离的测量放大器。目前，隔离放大器中采用的方式主要有两种：目前，隔离放大器中采用的方式主要有两种：变压器耦合和光电耦合。常用的有变压器耦合和光电耦合。常用的有AD204、ISO100等等 2.5.2 信号处理信号处理三、三、I/V变换变换 在模拟输入通道中在模拟输入通道中AD一般只能将电压信号转换成一般只能将电压信号转换成数字信号，故若传感器输出的是电流信号就必须采用数字信号，故若传感器输出的是电流信号就必须采用I/V转换电路进行变换。转换电路进行变换。无源无源I/V变换变换 有源有源I/V变换变换 2.5.2 信号处理信号处理无源无源I/V变换变换最简单的无源最简单的无源最简单的无源最简单的无源I/VI/V变换？变换？变换？变换？令电流通过一个精密电阻令电流通过一个精密电阻R，则电阻上的电压，则电阻上的电压(VIR)就是所要转换的电压。就是所要转换的电压。对对于于010mA输输入入信信号号，可可取取R1=100，R2=500，且且R2为为精精密密电电阻阻，这这样样当当输输入入的的电电流流为为010mA电电流流时时，输出的电压为输出的电压为05V 2.5.2 信号处理信号处理有源有源I/V变换变换2.5.3 采样保持采样保持 AD转换器将模拟信号转换为数字量需要一定转换器将模拟信号转换为数字量需要一定的时间，对于随时间变化的模拟信号来说，转换的时间，对于随时间变化的模拟信号来说，转换时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。AD转换延迟所引转换延迟所引起的可能误差是起的可能误差是U。对于一定的转换时间，对于一定的转换时间，最大可能的误差发生在最大可能的误差发生在信号过零的时刻，因为信号过零的时刻，因为此时此时dUdt最大，转换最大，转换时间一定，所以时间一定，所以U最最大大。2.5.3 采样保持采样保持令令UUmsint，则则 式中，式中，Um为正弦信号的幅值，为正弦信号的幅值，f为信号频率，在坐为信号频率，在坐标原点标原点 取取t=tt=tA/DA/D，则得原点处转换的不确定电压误差为则得原点处转换的不确定电压误差为 2.5.3 采样保持采样保持误差的百分数为误差的百分数为 实例：实例：一个一个1010位的位的ADAD转换器，若要求转换精度为转换器，若要求转换精度为0.1%0.1%，转换时间为，转换时间为1010ss，则允许转换的正弦波模则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为拟信号的最大频率为 2.5.3 采样保持采样保持 采样采样/保持器一般由模拟开关、储能元件保持器一般由模拟开关、储能元件（电容）、输入和输出缓冲放大器组成。（电容）、输入和输出缓冲放大器组成。采样保持电路有两个工作状态，采样保持电路有两个工作状态，一是采样状一是采样状态二是保持状态。态二是保持状态。2.5.3 采样保持采样保持选择采样选择采样/保持器时，应考虑如下因素：保持器时，应考虑如下因素：采采样样保保持持器器的的孔孔径径时时间间tAP：保保持持命命令令发发出出后后K完完全全断开所需时间；断开所需时间；采采样样保保持持器器的的捕捕捉捉时时间间tAC：由由保保持持到到采采样样时时输输出出U，从原保持值过渡到跟踪信号的时间；，从原保持值过渡到跟踪信号的时间；保保持持电电压压变变化化率率：。其其中中，ID是是输输入入C或或流流出出C总的漏电流。总的漏电流。选择选择tAP、tAC小、变化率小的采样保持器。小、变化率小的采样保持器。2.5.3 采样保持采样保持 应当指出，在模拟量输入通道中，只有在信应当指出，在模拟量输入通道中，只有在信号变化频率较高而号变化频率较高而AD转换速度又不高，以致转换速度又不高，以致转换误差影响转换精度时，或者要求同时进行多转换误差影响转换精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，才需要设置采样保持电路，对路采样的情况下，才需要设置采样保持电路，对于一些变化缓慢的生产过程于一些变化缓慢的生产过程(如石油、化工等如石油、化工等)可可以不设置保持电路。以不设置保持电路。2.5.4 多路转换器多路转换器 多路转换器又称多路开关是用来切换模拟电多路转换器又称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信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转转换器上换器上。INHBX7CX0X1ACD4051A B C0 0 0 X=X00 0 1 X=X10 1 0 X=X20 1 1 X=X31 0 0 X=X41 0 1 X=X51 1 0 X=X61 1 1 X=X72.5.5 A/D转换技术转换技术 一、一、A/D转换原理转换原理 二、二、A/D转换器技术指标转换器技术指标三、三、A/D实现技术实现技术 2.5.5 A/D转换技术转换技术 计算机控制系统中常采用低、中速的大规模计算机控制系统中常采用低、中速的大规模集成集成A/D转换芯片。这类芯片常用的转换方法包转换芯片。这类芯片常用的转换方法包括计数括计数-比较式、双斜率积分式和逐次逼近式等。比较式、双斜率积分式和逐次逼近式等。计数计数-比较式器件简单、转换速度慢，目前比较式器件简单、转换速度慢，目前较少采用；较少采用；双斜率积分式精度高但速度较慢；双斜率积分式精度高但速度较慢；逐次逼近式兼顾速度和精度，因此在逐次逼近式兼顾速度和精度，因此在16位以位以下的下的A/D转换器得到了广泛的应用。转换器得到了广泛的应用。一、一、A/D转换原理转换原理2.5.5 A/D转换技术转换技术 A/D转换芯片中包括逐次逼近寄存器转换芯片中包括逐次逼近寄存器SAR、D/A转换转换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成如图所示。转器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成如图所示。转换过程如下：换过程如下：时序及控制逻辑给时序及控制逻辑给SAR最高位为最高位为“1”，其余为，其余为“0”，经，经D/A转换为模拟电压转换为模拟电压Vf，然后与输入电压，然后与输入电压Vx 比较，比较，确定该位；确定该位；当当Vx Vf，此位为，此位为“1”，置下位为，置下位为“1”；当当Vx Vf，此位为，此位为“0”，置下位为，置下位为“1”。按上述方法依次类推，逐位比较判断，直至确定按上述方法依次类推，逐位比较判断，直至确定SAR的最低位为止。的最低位为止。1、逐次逼近式、逐次逼近式2.5.5 A/D转换技术转换技术 1、逐次逼近式、逐次逼近式2.5.5 A/D转换技术转换技术 实例：实例：以以4位位AD为例，其中内部为例，其中内部DA基准电压为基准电压为5V，设，设输入电压为输入电压为2.4V 1、逐次逼近式、逐次逼近式序号 逐次逼近寄存器的值 DA输出（V）比较结果 11000 2.67 0 20100 1.33 130110 2.00 140111 2.33 12.5.5 A/D转换技术转换技术 2、双斜率积分式、双斜率积分式2.5.5 A/D转换技术转换技术 转换过程：在转换开始信号控制下，转换开关转换过程：在转换开始信号控制下，转换开关K接接到输入模拟电压端到输入模拟电压端Ui，在固定时间，在固定时间T内对内对C充电，时间到充电，时间到时控制逻辑将时控制逻辑将K打到基准电源（与打到基准电源（与Ui极性相反），开始使极性相反），开始使C放电，放电期间计数器计脉冲多少反映了放电时间放电，放电期间计数器计脉冲多少反映了放电时间T1、T2的长短，从而决定模拟输入电压的大小。的长短，从而决定模拟输入电压的大小。比较器判定放电完毕，控制计数器停止计数，并由比较器判定放电完毕，控制计数器停止计数，并由控制逻辑发出转换结束信号。计数器计数值的大小反映控制逻辑发出转换结束信号。计数器计数值的大小反映了输入电压了输入电压Ui在固定积分时间在固定积分时间T内的平均值。也即是转换内的平均值。也即是转换完的数字量。完的数字量。2、双斜率积分式、双斜率积分式2.5.5 A/D转换技术转换技术 1、分辨率、分辨率 分辨率通常用数字输出最低有效位（分辨率通常用数字输出最低有效位（Least Significant Bit，LSB）所对应的模拟量输入电压值表示，）所对应的模拟量输入电压值表示，例如：例如：AD位数位数n8，满量程为，满量程为5V，则，则LSB对应对应5V/(28-1)=19.6mV。由于分辨率直接与转换位数有关，所以一般也用其由于分辨率直接与转换位数有关，所以一般也用其位数表示分辨率，如位数表示分辨率，如8，10、12、14、16为为AD。通常把小于通常把小于8位的称为低分辨率，位的称为低分辨率，1012位的成为中位的成为中分辨率，分辨率，14位以上的为高分辨率。位以上的为高分辨率。二、二、A/D转换转换器技术指标器技术指标 2.5.5 A/D转换技术转换技术 2、转换时间、转换时间 从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成一次转换所用的时间，为转换时间。转换时隔，即完成一次转换所用的时间，为转换时间。转换时间的倒数为转换速率。间的倒数为转换速率。通常转换时间从几通常转换时间从几ms到到100ms成为低速，从几成为低速，从几s到到100s称为中速，从称为中速，从10ns到到100ns左右成为高速。左右成为高速。3、转换量程、转换量程 所能转换的模拟量输入电压范围，如所能转换的模拟量输入电压范围，如05V，55V等。等。二、二、A/D转换转换器技术指标器技术指标 2.5.5 A/D转换技术转换技术 三、三、A/D实现技术实现技术A/D转换器与转换器与CPU连接时需要考虑的问题连接时需要考虑的问题p输入模拟电压的连接输入模拟电压的连接n单端输入：单端输入：IN直接与信号连接直接与信号连接n差动输入：差动输入：VIN(+)VIN(-)q单端输入正信号：单端输入正信号：UIN(+)接信号、接信号、UIN(-)接地接地q单端输入负信号：单端输入负信号：UIN(-)接信号、接信号、UIN(+)接地。接地。p数据输出线和系统总线的连接数据输出线和系统总线的连接n数据线具有可控三态输出门，可直接与系统总线连接；数据线具有可控三态输出门，可直接与系统总线连接；n数数据据线线没没有有三三态态输输出出门门或或具具有有内内部部三三态态门门但但不不受受外外部部控控制制，则则（不不能直接连接系统总线）必须通过能直接连接系统总线）必须通过I/O接口连接；接口连接；n8位位以以上上A/D转转换换需需考考虑虑A/D的的数数据据输输出出线线和和系系统统总总线线位位数数的的对对应应关关系系（针针对对8位位CPU、12位位A/D，需需分分高高低低位位分分别别连连接接，分分时时按按字字节节读读入）。入）。2.5.5 A/D转换技术转换技术 1、8位位A/D与与CPU的的接口接口(以以ADC0809ADC0809为例为例)IN0-IN7：八个模拟量输入端八个模拟量输入端START：启动启动A/D转换转换EOC：转换结束信号转换结束信号OE：输出允许信号输出允许信号CLOCK：时钟时钟ALE：地址锁存允许地址锁存允许C，B，A：通道号控制端通道号控制端D0D7：数字量输出端数字量输出端VREF：参考电压端子参考电压端子VCC：电源电压电源电压GND：接地接地 2.5.5 A/D转换技术转换技术 1、8位位A/D与与CPU的的接口接口(以以ADC0809ADC0809为例为例)2.5.5 A/D转换技术转换技术 2、12位位A/D与与8 8位位CPU的的接口接口2.5.5 A/D转换技术转换技术 3、12位位A/D与与1616位位CPU的的接口接口