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计控
数字量输入通道主要由缓冲器(74LS244等)、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。
小功率调理电路
开关去抖动
从开关、继电器等接点输入信号。
将接点的接通和断开动作,转换成TTL电平信号与计算机相连。
为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号,通常采用积分电路或RS触发电路。
RSQQ
0110
1001
11保持
(2)大功率输入调理电路
在大功率系统中,需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。
为了使接点工作可靠,接点两端至少要加24V以上的直流电压,由于所带电压高,所以高压与低压之间,用光电耦合器进行隔离。
数字量输出通道
数字量输出通道主要由输出锁存器(如74LS273等),输出驱动电路、输出地址译码电路等组成
输出驱动电路的功能有两个,一是进行信号隔离,二是驱动开关器件。
1)小功率直流驱动电路
a.晶体管输出驱动电路
光耦加晶体管,适合小功率直流驱动,动作快,可频繁动作
v、数字量输入通道的组成
缓冲器(74LS244等)、输入调理电路、输入地址译码电路
2、数字量输出通道的组成
锁存器(如74LS273等),输出驱动电路、输出地址译码电路
3、模拟量输入通道的组成
信号调理电路、多路转换器、采样保持器、A/D转换器
接口逻辑电路
信号调理电路:
信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同。
通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压转换、滤波、线性化、隔离等
电流电压变换
在控制系统中,对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器,当它们的输出信号为0-10mA或4-20mA的电流信号时,一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号,以下是两种变换电路。
无原电流电压转换和有源电流电压转换
3.2.3多路转换器
v多路转换器又称多路开关,在分时检测时,利用多路开关可将各个输入信号依次或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。
它是切换模拟电压信号地关键元件。
v理想的多路开关:
其开路电阻无穷大,而接通时的导通电阻应为零。
此外,还希望切换速度快,噪声小,寿命长,工作可靠。
v多路开关有两大类:
•机械触点式(干簧继电器和机械振子式继电器)
•电子式开关(晶体管、场效应管以及集成电路开关等)
常用的由C-MOSFET(场效应管)组成的单片多路开关CD4051
信号的采样与量化
v1、信号的采样
采样过程如右图所示。
这种用采样开关(或采样单元)将模拟信号按一定时间间隔抽样,把时间连续的信号变成一连串时间不连续的脉冲信号的过程称为采样过程或离散化过程
数据采样原理:
由经验可知,采样频率越高,采样信号f*(t)越接近原信号
f(t),但若采样频率过高,在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上,从而失去了实时控制的机会。
为了使采样信号f*(t)既不失真,又不会因频率太高而浪费时间,我们可依据香农采样定理。
香农(Shannon)定理指出:
如果随时间变化的模拟信号(包括噪声干扰)的最高频率为fmax,则只要按照采样频率f>=fmax进行采样,那么取出的样品系列就足以代表原来的连续信号。
为了使采样信号f*(t)能完全复现原信号f(t),采样频率f至少要为原信号最高有效频率fmax的2倍,即f2fmax。
采样定理给出了f*(t)唯一地复现f(t)所必需的最低采样频率。
实际应用中,常取f(4~10)fmax。
量化
采样信号不能直接进入计算机,必须经过整量化成为数字信号后才可以输入。
量化过程就是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值,将其转换成数字信号,执行量化动作的装置是A/D转换器。
这种按四舍五入的小数归整的过程称为整量化。
如图3-24
数字信号和采样信号的区别在于,前者幅值是断续的。
数字计算机内的信号是用二进制代码表示的,任何值只能表示成二进制的整数倍。
字长为n的A/D转换器把ymin~ymax范围内变化的采样信号,变换为数字0~2n-1,其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位。
量化单位q是A/D转换器最低二进制位所代表的物理量,量化误差为+q。
其表达式为:
采样保持器
v采样保持器的主要作用是:
(1)保持采样信号不变,以便完成A/D转换;
(2)同时采样几个模拟量,以便进行数据处理和测量;
(3)减少D/A转换器的输出毛刺,从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间;
(4)把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点,以保证输出的稳定性。
常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/34
当某一通道进行A/D转换时,由于A/D转换需要一定的时间,如果输入信号变化较快,就会引起较大的转换误差。
为了保证A/D转换的精度,需要应用采样保持器。
采样/保持器的作用是:
在采样时,其输出能够跟随输入变化;而在保持状态时,能使输出值不变。
1.采样/保持器的工作原理
采样/保持器一般是由模拟开关、储能元件(电容)和缓冲放大器组成。
保持器可以说是离散信号的保持问题,也就是将数字信号转换成模拟信号的装置,从数学上说它的任务是解决在各采样点之间的外推问题。
v零阶保持器的外推公式为:
v零阶保持器的功能是把某时刻的信号保持到下一个采样时刻到来之前,或者说按常数外推。
v与零阶保持器相比,一阶保持器更能复现原信号。
但是,一阶保持器的幅频特性普遍较高些,这使得信号的高频分量容易通过,从而造成波纹。
另外,其相位滞后比零阶保持器更为严重,这对系统的稳定不利。
v在A/D通道中,采样保持器的采样和保持电平应与后级的A/D转换相配合,该电平信号既可以由其它控制电路产生,也可以由A/D转换器直接提供。
v总之,保持器在采样期间,不启动A/D转换器,而一旦进入保持期间,则立即启动A/D转换器,从而保证A/D转换时的模拟输入电压恒定,以确保A/D转换精度
A/D转换器
A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置,是模拟输入通道的核心部件。
A/D转换方法有比较式、逐次逼近式、双积分式等。
1.计数-比较法器件简单、价格便宜但转换速度慢,较少采用。
2.逐次逼近式很好的兼顾了速度、精度,在16位以下的A/D转换器中广泛的使用。
缺点是抗干扰能力不够强,且当信号变化率较高时,会产生较大线性误差。
3.双斜率积分式优点是抗干扰能力强,精度高。
缺点是转换速度慢,在信号变化缓慢、模拟量输入速率较低,转换精度要求较高且工业现场干扰较严重的情况下,有时也采用这种方法。
常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0801,ADC0809等,12位分辨率的AD574A等;常用的双积分式A/D转换器有3位半(相当于2进制11位分辨率)的MC14433等
一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。
现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例,说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理
A/D转换器的性能指标
A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等。
v转换时间:
指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间
v输出逻辑电平:
多数为TTL电平,有并行和串行两种输出形式
v工作温度范围:
由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响,故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标。
v基准电源的精度将对整个A/D转换结果的输出精度产生影响,所以选择A/D转换器时应根据实际情况考虑是否需要加精密电阻。
v分辨率(Resolution)ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量。
是数字量变化一个最小量时对应的模拟信号的变化量。
v分辨率一般用ADC输出数字量的位数n表示,代表ADC有2n个可能状态,可分辨出满量程值的1/2n的输入变化量。
此输入变化量称为1LSB(即一个量子q)。
例如:
ADC0809能够输出8位二进制数字量,故具有8位的分辨率,即分辨率为:
v
中FS为满量程(fullscale)的意思。
实际最大数为255,如果输入电压的最大值为5V,则8位A/D转换器的输入电压最小可分辨的变化量为:
量程
v量程是指输入模拟量的最大变化范围,如某A/D转换器为单极性输入0~10V,双极性输入-5V~+5V,则它们的量程均为10V。
v
注意:
满刻度值只是一个名义值,例如一个8位的A/D转换器,为单极性输入0~10V,实际上它最大输出值不是10V,而是:
精度(Precision)
精度是指转换的结果相对于实际值的偏差,精度有两种表示方法:
A、绝对精度数字输出码所对应的模拟输入电压实际值与理想值之差。
用最低位(LSB)的倍数来表示,如±(1/2)LSB或±1LSB。
B、相对精度数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比,也即绝对误差/满量程值之比,用%表示。
如±0.05%FS。
应当注意的是,精度和分辨率是两个不同的概念,精度指转换后所得结果相对于实际值的准确度,而分辨率指的是能对转换结果发生影响的最小输入量。
同样分辨率的A/D转换器其精度可能不同,分辨率高但精度不一定高,精度高的则分辨率必然也高。
模拟量输入信号的连接
对于内部不含输出锁存器的A/D一般通过锁存器或I/O接口与计算机相连。
若内部含有输出锁存器,可直接与PC总线相连。
数字量输出引脚的连接
对于内部不含输出锁存器的A/D一般通过锁存器或I/O接口与计算机相连。
若内部含有输出锁存器,可直接与PC总线相连。
参考电平的连接
参考电平的作用是供给其内部D/A转换器的基准电源,直接关系到A/D转换精度,一般要求由稳压电源供电。
时钟的选择
时钟信号是A/D的一个重要控制信号,时钟频率是决定芯片转换速度的基准。
时钟的提供方法有2种,芯片内部提供和外部时钟提供
A/D转换器的启动方式
芯片不同,启动方式也不同,有脉冲启动和电平启动。
脉冲启动只要在启动转换输入引脚加一个启动脉冲即可。
如ADC0809、AD574A。
电平启动是在A/D的启动引脚加上要求的电平,一旦电平加上,A/D转换即刻开始,而且转换过程中必须保持这一电平,否则将停止转换。
v转换结束信号的处理
转换结束信号的硬件连接有三种形式:
①中断方式:
将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上。
②查询方式:
把转换结束信号经三态门送到PC数据总线或I/O接口的某一位上。
③转换信号悬空:
即该管脚与其它管脚之间无电气连接
软件设计
v启动A/D转换,中断、查询或延时等待转换时间后根据数据输出格式读出转换结果。
(1)启动A/D转换
根据A/D的启动信号以及硬件连接电路对启动管脚进行控制。
(2)转换结果的读出
①查询法
CPU启动AD转换后,不断查询EOC的状态,若为0则正在进行,若为1在转换结束,CPU立即执行输入指令,产生输出允许信号OE,读取AD转换数据。
优点:
接口电路设计简单。
缺点:
A/D转换期间独占CPU,致使CPU运行效率降低。
②软件延时法:
v若已知AD转换时间为T0,则在CPU启动AD转换后,延时等待T0后即可读取AD转换数据。
v优点:
接口电路设计比查询法简单,不必读取EOC的状态。
缺点:
A/D转换期间独占CPU,致使CPU运行效率降低;另外还必须知道A/D转换器的转换时间
③中断法
vCPU启动AD转换后,去执行别的程序,AD转换结束后EOC变为高电平,作为中断申请信号,通知CPU转换结束,可以读入AD转换数据。
v优点:
A/D转换期间CPU可以处理其它的程序,提高CPU的运行效率。
v缺点:
接口电路复杂。
v1.模拟量输入通道的组成:
信号调理电路、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口逻辑电路
v2.量程自动转换技术根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行放大倍数的自动调整,以满足后续电路和系统的要求。
v3.I/V变换电路无源I/V变换有源I/V变换
v4.多路转换器CD4051的基本原理
v5.信号的采样和量化量化过程就是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值
v6、A/D转换器基本原理逐次逼近式
v7、A/D转换器性能指标分辨率量程精度
v8、常用A/DADC0809转换时序AD574
v9、A/D转换器接口设计
v转换结束信号的硬件连接方式转换结果的读出方法
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