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第一講思考題問答 1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)的主要異同點(diǎn)是什么 2 分析說明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成及其作用 3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件由哪些部分構(gòu)成 4 按控制方案來分 計(jì)算機(jī)控系統(tǒng)劃分成那幾大類 第二講過程輸入輸出通道技術(shù)概論 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制 要將對(duì)象的控制參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)按規(guī)定的方式送入計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)算 處理后 將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出 此時(shí)需將數(shù)字量變換為適合生產(chǎn)過程控制的量 因此在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間 必須設(shè)置完成信息的傳遞和變換裝置 這個(gè)裝置稱為過程輸入輸出通道 也叫I O通道 本章內(nèi)容其實(shí)質(zhì)是 微機(jī)原理與應(yīng)用 課程中的知識(shí) 2 1過程輸入輸出通道概述過程輸入輸出通道由模擬量輸入輸出通道和開關(guān)量 包含脈沖量 輸入輸出通道組成 模擬量輸入通道把反映生產(chǎn)過程或設(shè)備工況的模擬信號(hào) 如溫度 壓力 流量 速度 液位等 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給微型計(jì)算機(jī) 模擬量輸出通道則把微型計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào) 電壓或電流 作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程或設(shè)備的控制 開關(guān)量 脈沖量 數(shù)字量 輸入通道把反映生產(chǎn)過程或設(shè)備工況的開關(guān)信號(hào) 如繼電器接點(diǎn) 行程開關(guān) 按扭等 脈沖信號(hào) 如速度 位移 流量脈沖等 送給微型計(jì)算機(jī) 微型計(jì)算機(jī)通過開關(guān)量輸出通道控制那些接受開關(guān) 數(shù)字 信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和顯示 指示裝置 由此可見 過程輸入輸出通道在微型計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過程之間起著信號(hào)傳遞與變換的紐帶作用 2 1 1模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道 簡稱AI通道 的一般結(jié)構(gòu)如圖2 1所示 過程參數(shù)由傳感元件和變送器測量并轉(zhuǎn)換為電壓 或電流 形式后送至多路開關(guān) 在微機(jī)的控制下 由多路開關(guān)將各個(gè)過程參數(shù)依次地切換到后級(jí) 進(jìn)行放大 采樣和A D轉(zhuǎn)換 實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的巡回檢測 圖2 1模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu) 2 1 2模擬量輸出通道的基本結(jié)構(gòu)模擬量輸出通道 簡稱AO通道 的兩種基本結(jié)構(gòu)形式如圖2 2所示 多D A結(jié)構(gòu)的模擬量輸出通道中的D A轉(zhuǎn)換器除承擔(dān)數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的任務(wù)外 還兼有信號(hào)保持作用 即把微機(jī)在t kT時(shí)刻對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制作用維持到下一個(gè)輸出時(shí)刻t k 1 T 這是一種數(shù)字保持方式 送給D A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)不變 其模擬輸出信號(hào)便保持不變 共享D A結(jié)構(gòu)的模擬量輸出通道中的D A轉(zhuǎn)換器只起數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換作用 信號(hào)保持功能靠采樣保持器完成 這是一種模擬保持方式 微機(jī)對(duì)通路i i 1 2 n 的控制信號(hào)被D A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬形式后 由采樣保持器將其記憶下來 并保持到下一次控制信號(hào)的到來 多D A形式輸出速度快 工作可靠 精度高 是工業(yè)控制領(lǐng)域普遍采用的形式 b 共享D A結(jié)構(gòu) 圖2 2模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式 a 多D A結(jié)構(gòu) 2 1 3開關(guān)量 數(shù)字量 輸入通道的基本結(jié)構(gòu)開關(guān)量輸入通道又稱為數(shù)字量輸入通道 該通道的任務(wù)是把被控對(duì)象的開關(guān)狀態(tài)信號(hào) 或數(shù)字信號(hào) 送給計(jì)算機(jī) 或把雙值邏輯的開關(guān)量變換為計(jì)算機(jī)能夠接收的數(shù)字量送給計(jì)算機(jī) 簡稱DI通道 它的結(jié)構(gòu)形式如圖2 3所示 圖2 3開關(guān)量輸入通道結(jié)構(gòu)框圖 典型的開關(guān)量輸入通道通常由以下幾部分組成 1 信號(hào)變換器 將生產(chǎn)過程的非電量開關(guān)量轉(zhuǎn)換為電壓或電流的雙值邏輯值 2 整形變換電路 將混有毛刺之類干擾的輸入雙值邏輯信號(hào)或其信號(hào)前后沿不符合要求的輸入信號(hào)整形為接近理想狀態(tài)的方波或矩形波 然后再根據(jù)系統(tǒng)要求變換為相應(yīng)形狀的脈沖信號(hào) 3 電平變換電路 將輸入的雙值邏輯電平轉(zhuǎn)換為與CPU兼容的邏輯電平 4 總線緩沖器 暫存數(shù)字量信息并實(shí)現(xiàn)與CPU數(shù)據(jù)總線的連接 5 接口邏輯電路 協(xié)調(diào)各通道的同步工作 向CPU傳遞狀態(tài)信息并控制開關(guān)量的輸入 輸出 2 1 4開關(guān)量 數(shù)字量 輸出通道的基本結(jié)構(gòu)開關(guān)量 數(shù)字量 輸出通道的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào) 或開關(guān)信號(hào) 傳送給開關(guān)型的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 如繼電器或指示燈等 控制它們的通 斷或亮 滅 簡稱DO通道 其典型結(jié)構(gòu)如圖2 4所示 圖中鎖存輸出的主要作用是鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)或控制信號(hào) 供外部設(shè)備使用 隔離部件的作用是為防止干擾 功放的作用則是為把計(jì)算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成能對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 圖2 4開關(guān)量輸出通道結(jié)構(gòu)框圖 圖2 11功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)繼電器 圖2 12MC1416驅(qū)動(dòng)7個(gè)繼電器 圖2 13為固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu) 固態(tài)繼電器 SSR 是一種四端有源器件 輸入輸出之間采用光電耦合器進(jìn)行隔離 零交叉電路可使交流電壓變化到零伏附近時(shí)讓電路接通 從而減少干擾 電路接通以后 由觸發(fā)電路給出晶閘管器件的觸發(fā)信號(hào) 2 3模擬量輸出通道2 3 1D A轉(zhuǎn)換器概述模擬量輸出通道的核心部件是D A轉(zhuǎn)換器 D A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置 它輸出的模擬量 電壓或電流 與參考電壓和二進(jìn)制數(shù)成比例 D A轉(zhuǎn)換器品種繁多 但在集成D A產(chǎn)品中多按T型和倒T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)的D A轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換 故下面將以倒T型電阻D A為例介紹D A轉(zhuǎn)換原理 1 D A轉(zhuǎn)換器工作原理D A轉(zhuǎn)換器主要由四部分組成 基準(zhǔn)電壓VREF R 2RT型電阻網(wǎng)絡(luò) 電子開關(guān)Ki i 0 1 n 1 和運(yùn)算放大器A 一個(gè)4位的D A轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖2 14所示 圖2 14R 2R電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器 2 D A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率分辨率是指當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化即最低有效位LSB產(chǎn)生一次變化時(shí) 輸出模擬量對(duì)應(yīng)的變化量 分辨率 與數(shù)字量輸入的位數(shù)n呈下列關(guān)系 VREF 2n實(shí)際使用中 表示分辨率高低的更常用方法是用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示 例如 8位二進(jìn)制D A轉(zhuǎn)換器 其分辨率為8位 或者 1 255 顯然 位數(shù)越多 分辨率越高 建立時(shí)間建立時(shí)間是指輸入數(shù)字信號(hào)的變化量是滿量程時(shí) 輸出模擬信號(hào)達(dá)到離終值 1 2LSB所需的時(shí)間 一般為幾十納秒到幾秒 線性誤差理想轉(zhuǎn)換特性 量化特性 應(yīng)該是線性的 但實(shí)際轉(zhuǎn)換特性并非如此 在滿量程輸入范圍內(nèi) 偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差 線性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示 如1 2LSB 或 1LSB 2 3 2常用D A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)1 D A轉(zhuǎn)換器 8位D A轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832的結(jié)構(gòu)如圖2 15所示 它主要由兩部分組成 即 由R 2R電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的8位D A轉(zhuǎn)換器以及兩個(gè)8位寄存器和相應(yīng)的選通控制邏輯 DI7 DI0是DAC0832的數(shù)字信號(hào)輸入端 IOUT1和IOUT2是它的模擬電流輸出端 IOUT1 IOUT2 常數(shù)C IOUT1和IOUT2與輸入數(shù)字D之間的關(guān)系如下 圖2 15DAC0832的結(jié)構(gòu) VOUT1 VOUT2 圖2 16DAC0832的單 雙極性輸出 12位的D A轉(zhuǎn)換器DAC1208 1209 1210圖2 17是DAC1210的結(jié)構(gòu)圖 其原理和引腳與DAC0832基本相同 不同之處僅在于 輸入寄存器和DAC寄存器均為12位 數(shù)據(jù)輸入線為12條 輸入寄存器由高8位輸入寄存器和低4位輸入寄存器兩個(gè)寄存器構(gòu)成 BYTE1 BYTE2為高電平時(shí) 選中高8位輸入寄存器和低4位輸入寄存器 否則只選中低4位輸入寄存器 一個(gè)12位的待轉(zhuǎn)換數(shù)D必須在輸入級(jí)裝配好后 才能送至DAC寄存器 所以 DAC1210與8位微機(jī)接口時(shí) 應(yīng)接為雙緩沖形式 圖2 17DAC1210的結(jié)構(gòu) 2 D A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù) 8位D A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的接口為使CPU能向D A轉(zhuǎn)換器傳送數(shù)據(jù) 必須在兩者之間設(shè)置接口電路 接口電路的功能是進(jìn)行地址譯碼 產(chǎn)生片選信號(hào)或?qū)懶盘?hào) 如果D A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部無輸入寄存器 則要外加寄存器 因此 D A轉(zhuǎn)換器與CPU的連接方式可有三種 直接連接 用可編程并行接口8255連接 用鎖存器連接 具體采用哪種方法 應(yīng)根據(jù)各種D A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式以及系統(tǒng)的要求進(jìn)行選擇 下面以直接連接方式為例介紹D A轉(zhuǎn)換器與CPU的接口 圖2 188位D A轉(zhuǎn)換器與PC系統(tǒng)總線的接口 若DAC0832CS的口地址為400H 則將8位二進(jìn)制數(shù)7FH轉(zhuǎn)換為模擬電壓的轉(zhuǎn)換程序段為 MOVDX 400HMOVAL 7FHOUTDX ALHLT 12位D A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)總線的接口12位D A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)總線的接口電路如圖2 19所示 該電路采用12位D A轉(zhuǎn)換芯片DAC1210 輸出放大器 地址譯碼器等組成 端口地址譯碼器譯出 三個(gè)口地址 設(shè)為200H 201H 202H 這三個(gè)口地址用來控制DAC1210工作方式和進(jìn)行12位的D A轉(zhuǎn)換 圖2 1912位D A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)總線的接口 前面已假設(shè)端口譯碼器譯出的Y0 Y1 Y2三個(gè)地址分別為200H 201H 202H 若將12位二進(jìn)制數(shù)190H轉(zhuǎn)換為模擬電壓 其轉(zhuǎn)換程序段為 MOVDX 200HMOVAL 83H 送高8位數(shù)據(jù)OUTDX ALMOVDX 201HMOVAL 0F0H 送低4位數(shù)據(jù)OUTDX ALMOVDX 202HOUTDX AL 12位數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換HLT 2 3 3D A轉(zhuǎn)換模板通常對(duì)D A轉(zhuǎn)換器而言 都只能完成一路數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換 而實(shí)際的控制系統(tǒng) 往往需要將多路的數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬量 如前所述 總線式工控機(jī)中的D A轉(zhuǎn)換模板有單D A結(jié)構(gòu)和多D A結(jié)構(gòu)兩種 1 D A轉(zhuǎn)換模板的通用性為了便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的使用 D A轉(zhuǎn)換模板應(yīng)具有通用性 它主要體現(xiàn)在三個(gè)方面 符合總線標(biāo)準(zhǔn) 可選接口地址以及可選輸出方式 符合總線標(biāo)準(zhǔn)這里的總線是指計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu) D A轉(zhuǎn)換模板及其他所有電路模板都應(yīng)符合統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn) 以便設(shè)計(jì)者在組合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件時(shí) 只需往總線插槽上插上選用的功能模板而無需連線 十分方便靈活 例如 STD總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定模板尺寸為165mm 114mm 模板總線引腳共有56根 并詳細(xì)規(guī)定了每只引腳的功能 接口地址可選一套控制系統(tǒng)往往需配置多塊功能模板 或者同一種功能模板可能被組合在不同的系統(tǒng)中 因此 每塊模板應(yīng)具有接口地址的可選性 一般接口地址可由基址 或稱板址 和片址 或稱口址 組成 如圖2 20所示 圖2 20接口地址可選的譯碼電路 輸出方式可選D A轉(zhuǎn)換器輸出方式有電流輸出和電壓輸出兩類 而每一類又有多種情形 在過程控制中 各自動(dòng)化裝置之間通常是采用0 10mADC或4 20mADC的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系 因此 D A轉(zhuǎn)換器最常用的是這兩種信號(hào)范圍可選的電流輸出方式 如圖2 21所示 DAC0832輸出電流經(jīng)運(yùn)算放大器Al和A2變換成輸出電壓V2 再經(jīng)三級(jí)管T1和T2變換成輸出電流IOUT 當(dāng)短接柱KA的1 2短接時(shí) 通過調(diào)零點(diǎn)電位器W1和量程電位器W2 為外接負(fù)載RL提供0 10mADC電流 當(dāng)KA的1 3短接時(shí) 通過調(diào)節(jié)W1和W2 為RL提供4 20mADC電流 圖2 21D A轉(zhuǎn)換的電流輸出 圖2 22D A轉(zhuǎn)換的單 雙極性電壓輸出 2 D A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)舉例前面討論了幾種典型的D A轉(zhuǎn)換器 接口電路以及通用性等問題 這就為D A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ) 硬件設(shè)計(jì)中一般并不需要復(fù)雜的電路參數(shù)計(jì)算 但需會(huì)查閱集成電路手冊(cè) 掌握各類芯片的外特性及其功能 以及與D A轉(zhuǎn)換模板連接的CPU或計(jì)算機(jī)總線的功能及其特點(diǎn) 在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)還必須考慮軟件的設(shè)計(jì) D A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)原則主要考慮以下幾點(diǎn) 安全可靠盡量選用性能好的元器件 并采用光電隔離技術(shù) 性能價(jià)格比高既要在性能上達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo) 又要在技術(shù)路線 芯片元件上降低成本 比如 在選擇集成電路芯片時(shí) 應(yīng)綜合考慮其轉(zhuǎn)換速度 精度 工作環(huán)境溫度和經(jīng)濟(jì)性等諸因素 通用性D A轉(zhuǎn)換模板應(yīng)符合總線標(biāo)準(zhǔn) 其接口地址及輸出方式應(yīng)具備可選性 D A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)步驟是 確定性能指標(biāo) 設(shè)計(jì)電路原理圖 設(shè)計(jì)和制造印制線路板 最后焊接和調(diào)試電路板 其中 數(shù)字電路和模擬電路應(yīng)分別排列走線 盡量避免交叉 連線要盡量短 模擬地 AGND 和數(shù)字地 DGND 分別走線 通常在總線引腳附近一點(diǎn)接地 光電隔離前后的電源線和地線要相互獨(dú)立 調(diào)試時(shí) 一般是先調(diào)數(shù)字電路部分 再調(diào)模擬電路部分 并按性能指標(biāo)逐項(xiàng)考核 圖2 23 a b 給出了8路D A轉(zhuǎn)換模板的結(jié)構(gòu)框圖和其中一路的電路原理圖 該模板由總線接口邏輯 8片DAC0832以及V I變換電路等組成 其中每路的D A轉(zhuǎn)換器均接為單級(jí)輸入工作方式 而且具有電壓 電流兩種可選的輸出方式 這里的V I變換電路與負(fù)載共電源 輸出電流IOUT VCC R5 當(dāng)凡R5 500 VCC 0 5V時(shí) IOUT 0 10mA 當(dāng)R5 250 VCC 1 5V時(shí) IOUT 4 20mA 8路結(jié)構(gòu)圖 單路原理圖 2 4模擬量輸入通道2 4 1模擬量輸入通道中的信號(hào)變換模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換包含信號(hào)的采樣和量化兩個(gè)過程 1 信號(hào)的采樣信號(hào)的采樣過程如圖2 24所示 執(zhí)行采樣動(dòng)作的是采樣器 采樣開關(guān) K K每隔一個(gè)時(shí)間間隔T閉合一個(gè)時(shí)間 T稱為采樣周期 稱為采樣寬度 時(shí)間和幅值上均連續(xù)的模擬信號(hào)y t 通過采樣器后 被變換為時(shí)間上離散的采樣信號(hào)y t 模擬信號(hào)到采樣信號(hào)的變換過程稱為采樣過程或離散過程 圖2 24信號(hào)的采樣過程 采樣信號(hào)y t 是否能如實(shí)地反映模擬信號(hào)y t 的所有變化與特征呢 采樣定時(shí)指出 如果模擬信號(hào) 包括噪聲干擾在內(nèi) 頻譜的最高頻率為fmax 只要按照采樣頻率f 2fmax進(jìn)行采樣 那么采樣信號(hào)y t 就能唯一地復(fù)現(xiàn)y t 采樣定理給出了y t 唯一地復(fù)現(xiàn)y t 所必需地最低采樣頻率 實(shí)際應(yīng)用中 常取f 5 10 fmax 2 信號(hào)的量化采樣信號(hào)在時(shí)間軸上是離散的 但在函數(shù)軸上仍然是連續(xù)的 因?yàn)檫B續(xù)信號(hào)y t 幅值上的變化 也反映在采樣信號(hào)y t 上 所以 采樣信號(hào)仍不能進(jìn)入微機(jī) 微機(jī)只能接受在時(shí)間上離散 幅值上變化也不連續(xù)的數(shù)字信號(hào) 將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程稱為量化過程 執(zhí)行量化動(dòng)作的裝置是A D轉(zhuǎn)換器 字長為n的A D轉(zhuǎn)換器把ymin ymax范圍內(nèi)變化的采樣信號(hào) 變換為數(shù)字0 2n 1 其最低有效位 LSB 所對(duì)應(yīng)的模擬量q稱為量化單位 量化過程實(shí)際上是一個(gè)用q去度量采樣值幅值高低的小數(shù)歸整過程 如同人們用單位長度 毫米或其它 去度量人的身高一樣 由于量化過程是一個(gè)小數(shù)歸整過程 因而存在量化誤差 量化誤差為 1 2q 例如 q 20mV時(shí) 量化誤差為 10Mv 0 990 1 009V范圍內(nèi)的采樣值 其量化結(jié)果是相同的 都是數(shù)字50 在A D轉(zhuǎn)換器的字長n足夠長時(shí) 整量化誤差足夠小 可以認(rèn)為數(shù)字信號(hào)近似于采樣信號(hào) 在這種假設(shè)下 數(shù)字系統(tǒng)便可沿用采樣系統(tǒng)理論分析 設(shè)計(jì) 2 4 2A D轉(zhuǎn)換器1 主要技術(shù)指標(biāo)A D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件 這個(gè)模擬量泛指電壓 電阻 電流 時(shí)間等參量 但在一般情況下 模擬量是指電壓而言的 A D轉(zhuǎn)換器常用以下幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來評(píng)價(jià)其質(zhì)量水平 分辨率分辨率是衡量A D轉(zhuǎn)換器分辨輸入模擬量最小變化程度的技術(shù)指標(biāo) 分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)n 字長 來表示 如8位 12位 16位等 分辨率為n位 表示它能對(duì)滿量程輸入的1 2n的增量作出反映 即數(shù)字量的最低有效位 LSB 對(duì)應(yīng)于滿量程輸入的1 2n 若n 8 滿量程輸入為5 12V 則LSB對(duì)應(yīng)于模擬電壓5 12V 28 20mV 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A D轉(zhuǎn)換器完成一次模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間 線性誤差線性誤差是指A D轉(zhuǎn)換器的理想轉(zhuǎn)換特性 量化特性 應(yīng)該是線性的 但實(shí)際轉(zhuǎn)換特性并非如此 在滿量程輸入范圍內(nèi) 偏移理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差 線性誤差通常用LSB的分?jǐn)?shù)表示 如1 2LSB或 1LSB A D轉(zhuǎn)換器的種類繁多 常見的A D轉(zhuǎn)換器主要有逐次逼近式 積分式 并行式等 逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換精度比較適中 轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在us級(jí) 轉(zhuǎn)換精度一般在0 1 上下 適用于一般場合 雙斜積分式A D轉(zhuǎn)換器的核心部件是積分器 因此速度較慢 其轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在ms級(jí)或更長 但抗干擾性能強(qiáng) 轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0 01 或更高 適于在數(shù)字電壓表類儀器中采用 并行式又稱閃爍式 由于采用并行比較 因而轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到很高 其轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)ns級(jí) 但抗干擾性能較差 由于工藝限置 其分辨率一般不高于8位 這類A D轉(zhuǎn)換器可用于數(shù)字示波器等要求轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中 2 A D轉(zhuǎn)換原理逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換器雙斜積分式A D轉(zhuǎn)換器并行比較式A D轉(zhuǎn)換器 2 4 3常用A D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)1 8位A D轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809是一種帶有8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us左右 線性誤差為LSB 其結(jié)構(gòu)如圖2 28所示 圖2 28ADC0809的邏輯框圖 圖2 29ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序 圖2 30AD574A的原理結(jié)構(gòu) AD574A由12位A D轉(zhuǎn)換器 控制邏輯 三態(tài)輸出鎖存緩沖器 10V基準(zhǔn)電壓源4部分構(gòu)成 12位A D轉(zhuǎn)換器這個(gè)12位A D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入可以是單極性的 也可以是雙極性的 單極性應(yīng)用時(shí) 將BIPOFF接0V 雙極性時(shí)接10V 量程可以是10V 也可以是20V 輸入信號(hào)在10V范圍內(nèi)變化時(shí) 將輸入信號(hào)接至10VIN 在20V范圍內(nèi)變化時(shí) 接至20VIN 量程為10V和20V時(shí) AD574A的量化單位分別為10V 212和20V 212 模擬輸入信號(hào)的編程 圖2 31是AD574A的單 雙極性應(yīng)用時(shí)的線路連接方法 以及零點(diǎn)和滿度調(diào)整方法 圖2 31AD574A的輸入信號(hào)連接方法 a 單極性 b 雙極性 三態(tài)輸出鎖存緩沖器該緩沖器用于存放12位轉(zhuǎn)換結(jié)果D D 0 212 1 D的輸出方式有兩種 引腳12 8 1時(shí) D的D11 D0并行輸出 12 8 0時(shí) D的高8位D11 D4與D3 D0分時(shí)輸出 控制邏輯控制邏輯的任務(wù)包含 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 控制轉(zhuǎn)換過程和控制轉(zhuǎn)換結(jié)果D的輸出 有關(guān)控制信號(hào)的作用如下表 CE CS均為片選信號(hào) R C為讀 啟動(dòng)控制信號(hào) 啟動(dòng)與讀操作時(shí)序如圖2 32所示 2 4 4A D轉(zhuǎn)換模板A D轉(zhuǎn)換模板一般由多路開關(guān) 數(shù)據(jù)放大器 采樣保持器 A D轉(zhuǎn)換器及接口電路組成 A D轉(zhuǎn)換模板同D A轉(zhuǎn)換模板一樣 應(yīng)具有通用性 且必須符合總線標(biāo)準(zhǔn) 接口地址可選 輸入方式可選 有時(shí)還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)放大器的增益可選 下面將對(duì)有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行討論 1 多路開關(guān)多路開關(guān)在模擬量輸入通道中的作用是實(shí)現(xiàn)n選一操作 即利用多路開關(guān)將n路輸入依次地 或隨機(jī)地 切換到后級(jí) 切換過程是在CPU控制下完成的 也可以用其它控制邏輯實(shí)現(xiàn) 微機(jī)控制系統(tǒng)中多采用集成電路多路開關(guān) 圖2 36是常用的集成多路開關(guān)CD4051的結(jié)構(gòu)原理 圖2 36CD4051的結(jié)構(gòu)原理 2 采樣保持器A D轉(zhuǎn)換過程 即采樣信號(hào)量化過程 需要時(shí)間 這個(gè)時(shí)間稱為A D轉(zhuǎn)換時(shí)間 在A D轉(zhuǎn)換期間 如果輸入信號(hào)變化較大 就會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差 所以 一般情況下采樣信號(hào)都不直接送至A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 還需加保持器作信號(hào)保持 保持器把t kT時(shí)刻的采樣值保持到A D轉(zhuǎn)換結(jié)束 T為采樣周期 k 0 1 2 為采樣序號(hào) 采樣保持器的基本組成電路如圖2 37 a 所示 由輸入輸出緩沖器A1 A2和采樣開關(guān)K 保持電容CH等組成 采樣時(shí) K閉合 VIN通過A1對(duì)CH快速充電 VOUT跟隨VIN 保持期間 K斷開 由于A2的輸入阻抗很高 理想情況下VOUT VC保持不變 采樣保持器一旦進(jìn)入保持期 便應(yīng)立即啟動(dòng)A D轉(zhuǎn)換器 保證A D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定 采樣保持器的工作波形見圖2 37 b 圖2 37采樣保持器 a 原理電路 b 工作波 常用的集成采樣保持器有LF198 298 398 AD582等 其原理結(jié)構(gòu)如圖2 38 a b 所示 采用TTL邏輯電平控制采樣和保持 LF198的采樣控制電平為 1 保持電平為 0 AD582相反 OFFSET用于零位調(diào)整 保持電容CH通常是外接的 其取值與采樣頻率和精度有關(guān) 常選510 1000pF 減小CH可提高采樣頻率 但會(huì)降低精度 一般選用聚苯乙稀 聚四氟乙稀等高質(zhì)量電容器作CH 選擇采樣保持器的主要因素有 獲取時(shí)間 電壓下降率等 LF198的CH取為0 01 F時(shí) 信號(hào)達(dá)到0 01 精度所需的獲取時(shí)間 采樣時(shí)間 為25 s 保持期間的輸出電壓下降率為每秒3 V 若A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 s 轉(zhuǎn)換期間保持器輸出電壓下降約300 V 當(dāng)被測信號(hào)變化緩慢時(shí) 若A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間足夠短 可以不加采樣保持器 圖2 38集成采樣保持器的原理結(jié)構(gòu) a AD582 b LF198 298 398 3 A D轉(zhuǎn)換模板舉例圖2 39是一種8通道模擬輸入板 它由2片多路開關(guān)CD4051 8路 采樣保持器LF398 12位A D轉(zhuǎn)換器AD574A 儀用放大器AD625和接口電路8255A等組成 圖2 398路A D轉(zhuǎn)換模板 該模擬輸入板的主要技術(shù)指標(biāo)如下 分辨率12位 通道數(shù)雙端8路 輸入量程單極性0 10V雙極性 5V 5V 轉(zhuǎn)換時(shí)間 A D 25 s 線路誤差不大于0 02 應(yīng)答方式查詢 該模板采集一個(gè)數(shù)據(jù)的過程如下 通道選擇目的通道號(hào)寫入端口C低4位 使LF398對(duì)目的通道采樣 LF398的工作狀態(tài)受AD574A的STS控制 AD574未轉(zhuǎn)換期間STS 0 LF398處于采樣狀態(tài) 啟動(dòng)AD574A轉(zhuǎn)換通過PC6 PC4輸出控制信號(hào)啟動(dòng)AD574A 查詢AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束讀端口A 了解STS是否已由高電平變?yōu)榈碗娖?讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果讀8255A端口A B 便可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果 2 5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采用小型機(jī)或微型機(jī)構(gòu)成 以微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用單總線結(jié)構(gòu) 目前比較流行的總線有STD總線 S100總線 MULTIBUS總線 IBM PC總線等 它的主要特點(diǎn)是 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單 容易實(shí)現(xiàn) 能夠滿足中 小規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求 微型計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境的要求不太高 能夠在比較惡劣的環(huán)境下工作 微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格低廉 可降低數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的投資 即使是比較小的系統(tǒng) 也可以采用它 采用微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以作為分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)基本組成部分進(jìn)一步擴(kuò)充 微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用有比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 各種I O模板及應(yīng)用軟件都比較齊全 便于使用 便于維修 2 5 1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及基本功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱DAS DataAcquisitionSystem 微型計(jì)算機(jī)與DAS相配合可以完成各種測量任務(wù) 并具有很強(qiáng)的通用性 目前已有許多與各種微機(jī)系統(tǒng)相匹配的DAS插件板問世 隨著集成技術(shù)的發(fā)展 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有了較大的變化 但其基本工作過程及基本組成仍保持不變 圖2 40給出了一個(gè)典型的DAS的基本結(jié)構(gòu)圖 圖2 40DAS的基本結(jié)構(gòu)圖 圖中的多路開關(guān) 采樣 保持器 A D轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成了DAS的數(shù)據(jù)輸入通道 多路模擬輸入信號(hào)經(jīng)多路開關(guān)依次接通并順序輸入 再經(jīng)放大及濾波后被采樣 保持器 S H 采樣并保持 使輸入到A D轉(zhuǎn)換器的模擬量在保持時(shí)間內(nèi)恒定 以保證A D轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度 A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量可經(jīng)三態(tài)門送入總線 以便由微型計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 圖中的D A轉(zhuǎn)換器 多路分配器 采樣 保持器等構(gòu)成了DAS的數(shù)據(jù)輸出通道 輸入數(shù)據(jù)經(jīng)微機(jī)處理后通過鎖存器送到D A轉(zhuǎn)換器 然后再在多路分配器的作用下依次輸出 為了保持輸出量的連續(xù)性 各路也要接入采樣 保持電路 由此可見 一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集工作過程大致可分為三步 1 數(shù)據(jù)采集被測信號(hào)經(jīng)過放大 濾波 A D轉(zhuǎn)換 并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入計(jì)算機(jī) 這里要考慮干擾抑制 帶通選擇 轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度 采樣 保持及計(jì)算機(jī)接口等問題 2 數(shù)據(jù)處理由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)不同的要求對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算 3 結(jié)果處理將數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果在輸出設(shè)備上 打印機(jī) 繪圖儀 CRT等 復(fù)現(xiàn)出來 或者將數(shù)據(jù)存入磁盤保存起來 或通過通信線路送到遠(yuǎn)地 上述整個(gè)過程都是在計(jì)算機(jī)的主導(dǎo)下用軟件通過DAS來完成的 2 5 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 自動(dòng)巡回檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例自動(dòng)巡回檢測系統(tǒng)是一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 所謂自動(dòng)巡回檢測就是對(duì)生產(chǎn)過程中的某些參數(shù)以一定的周期自動(dòng)地進(jìn)行檢測和測量 如衛(wèi)星發(fā)射前各部位的狀態(tài) 就需要長時(shí)間的不斷地進(jìn)行監(jiān)測 在組成巡回檢測系統(tǒng)時(shí) 要注意被測信號(hào)變化的快慢 測量的精度以及采樣周期等方面的要求 比如 如果被測信號(hào)參數(shù)變化較快 應(yīng)在系統(tǒng)中加入采樣 保持器以確保A D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換期間其轉(zhuǎn)換信號(hào)不變 相反 如果被測參數(shù)變化緩慢 系統(tǒng)可以不使用采樣 保持器 例 試設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 要求該系統(tǒng)能對(duì)八路模擬信號(hào) 變化頻率 100Hz 進(jìn)行連續(xù)巡回檢測 電壓范圍0V 10V 分辨率為5mV 0 05 采樣間隔為1S 同時(shí) 為了增強(qiáng)抗干擾能力 還要求能對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理 按此要求組成的巡回檢測系統(tǒng)的電路原理如圖2 41所示 圖2 41八路自動(dòng)巡回檢測系統(tǒng)電路原理圖 巡回檢測周期允許為1s 但為了對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理 必須對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行多次采集 因此 A D轉(zhuǎn)換器選用轉(zhuǎn)換速度較快的AD574 AD574的分辨率12位 0 025 轉(zhuǎn)換誤差0 05 轉(zhuǎn)換時(shí)間25 s 輸入電壓的范圍均能符合上述要求 多路模擬開關(guān)選用CD4051 CD4051導(dǎo)通電阻為200 由于采樣 保持器的輸入電阻一般在10M 以上 所以輸入電壓在CD4051上的壓降僅為0 002 左右 符合要求 CD4051的開關(guān)漏電流僅為0 08nA 當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻為10k 時(shí) 誤差電壓約為0 08 V 可以忽略不計(jì) 采樣 保持器選用LF398 LF398采樣速度快 保持性能好 非線性度為士0 01 也符合上述要求 整個(gè)系統(tǒng)采用以8086CPU構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)來實(shí)施控制 該系統(tǒng)檢測周期的定時(shí)由定時(shí)器 計(jì)數(shù)器8253來完成 設(shè)與8253CLK0相連的時(shí)鐘頻率為2MHz OUT0接CLK1 OUT1接8259的IR2 選8253的計(jì)數(shù)器0工作在方式2 定時(shí)時(shí)間20ms 計(jì)數(shù)初值為40000D 禁止中斷 計(jì)數(shù)器1工作在方式2 計(jì)數(shù)次數(shù)50 允許中斷 每中斷一次 即每隔1S 便通知進(jìn)行定時(shí)采樣 采樣子程序框圖圖2 42 a 采樣后有效數(shù)據(jù)的格式圖圖2 42 b 1 A D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)有哪些 在自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 分辨率選擇依據(jù)是什么 轉(zhuǎn)換時(shí)間選擇依據(jù)是什么 2 D A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)原則有哪些 3 數(shù)字量輸出輸入通道主要哪些環(huán)節(jié)組成 4 畫出教室溫度計(jì)算機(jī)控制原理示意圖 實(shí)物連接示意圖 說明應(yīng)采購哪些器件 闡述編程思想