12位带隔离输入通道Word文档格式.docx
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2.6.2应用TLC2543应注意的几个问题12
3传输方式分析14
3.1.传输方式的选择14
3.2.电平转换芯片选择14
3.480c51引脚图管脚图及各引脚功能介绍16
4.Tlc2543跟8051单片机构成的通道如下图:
18
5.仿真软件protues概述19
6.通信程序20
7.12位带隔离输入通道设计图22
结论23
参考文献24
1.引言
模拟输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。
模拟输入通道系统,从严格的意义上来说,应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测,并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息,供显示、记录、打印或描绘的系统。
将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器(简称a/d转换器或adc,analogtodigitalconverter)。
模数转换器是连接模拟和数字世界的一个重要接口。
A/D转换器将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作。
A/D转换器的选择是至关重要的。
所选择的A/D转换器应能确保模拟信号在数字位流中被准确地表示,并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口,这一点很重要。
目前的高速A/D转换器已被应用于各种仪表、成像以及通信领域中。
对用户而言,所有这些应用都有着相似的要求,即以较低的价格实现更高的性能。
常见应用举例:
成像应用
医学成像应用通常要求取样速率高于40Msps的10~12位A/D。
高端应用可能要求更高的分辨率:
14~16位。
A/D的性能对于图像质量是至关重要的。
对于DBF超声波应用而言,其目标是以最小的功耗和最低的成本提供最佳的图像质量。
仪表应用
数据采集应用需要取样速率高于20Msps的14~16位A/D。
一般而言,仪表应用采用了品种更加繁多的数据转换器。
转换器的选择对终端应用的依存程度很高。
通信应用
通信应用需要取样速率高于80Msps的12~14位A/D。
A/D对复杂的波形进行数字化,这样,利用一个DSP或ADIC就能执行解调操作。
通常采用两个A/D对正交信号进行取样,以抽取用于处理的I和Q信号分量。
2.模拟量输入通道的设计
2.1设计任务
设计一个12位带隔离输入通道
(1)模拟量通道数11
(2)AD转换分辨率:
12位
(3)带隔离模拟信号的产生与AD转换器
(4)人机通道的接口电路
(5)数据传输接口电路
信号调理电路,多路开关,采样保持电路,A/D,单片机,电平转换接口,接收端(单片机、PC或其它设备)组成。
系统框图如下图所示:
模拟量输入通道的一般结构图
2.1.3.信号调理电路
♦在模拟量输入通道中,对现场可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施以保证模/数转换的精度,所以首先要在通道之前设置输入信号调理电路。
♦根据通道需要,可以采取不同的信号调理技术,如信号滤波、光电隔离、电平转换、过电压保护、反电压保护、电流/电压变换等。
本节主要介绍模拟量输入通道中常用的电流/电压变换技术。
♦在控制系统中,对被控量的检测往往采用各种类型的现场变送器,它们的输出一般为0~10mA或4~20mA的统一电流信号,对此需采用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号,有两种变换电路分别是无源I/A变换电路和有源I/A变换电路。
2.2多路模拟开关
♦由于微机的工作速度远远快于被测参数的变化,因此一台微机系统可供几十个检测回路使用,但微机在某一时刻只能接收一个通道的信号。
所以,必须通过多路模拟开关实现多选1的操作,将多路输入信号依次地切换到后级。
♦目前,微机控制系统使用的多路开关种类很多,如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。
♦结构原理:
现以常用的CD4051为例,8路模拟开关的结构原理如下图所示。
CD4051原理图
♦CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成,引脚中的禁止端很重要。
当禁止端为“1”时,前后级通道断开,即S0~S7端与Sm端不可能接通;
当为“0”时,则通道可以被接通,通过改变控制输入端C、B、A的数值,就可选通8个通道S0~S7中的一路。
比如:
当C、B、A=000时,通道S0选通;
当C、B、A=001时,通道S1选通;
……
♦当C、B、A=111时,通道S7选通。
其真值表如下表所示:
2.3前置放大器
♦前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内,如0~5VDC。
对单纯的微弱信号,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2-5所示,信号源的一端若接放大器的正端为同相放大,同相放大电路的放大倍数G=1+R2/R1;
若信号源的一端接放大器的负端为反相放大,反相放大电路的放大倍数G=-R2/R1。
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
♦同向放大和反向放大电路
2.3.1测量放大器
♦但来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰,而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。
因此,A/D通道中的前置放大器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2-6(a)所示。
♦经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构,测量放大器的差动输入端VIN和VIN分别是两个运放A1、A2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,因而有着极强的抑制共模干扰能力。
2.4采样保持器
♦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。
2.4.1数据采样定理
♦把连续变化的量变成离散量后再进行处理的微机控制系统,称为离散系统或采样数据系统。
离散系统的采样形式有周期采样、多阶采样和随机采样。
应用最多的是周期采样,如图2-7所示,周期采样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y(t),按一定的时间间隔T转变为在瞬时0,T,2T,…的一连串脉冲序列信号y*(t)。
执行采样动作的装置叫采样器或采样开关,采样开关每次闭合的时间称为采样时间或采样宽度,采样开关每次通断的时间间隔称为采样周期T。
在实际系统中,<
<
T,也就是说,可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。
♦由经验可知,采样频率越高,采样信号y*(t)越接近原信号y(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y*(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。
香农定理指出:
为了使采样信号y*(t)能完全复现原信号y(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y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率。
实际应用中,常取f(5~10)fmax
2.4.2采样保持器
采样保持器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。
采样保持器的组成原理电路与工作波性如图2-8(a)、(b)所示。
采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。
采样期间,开关S闭合,输入电压VIN通过A1对CH快速充电,输出电压VOUT跟随VIN变化;
保持期间,开关S断开,由于A2的输入阻抗很高,理想情况下电容将保持CH电压VC不变,因而输出电压VOUTVC也保持恒定。
♦在A/D通道中,采样保持器的采样与保持状态应与后级的A/D转换相配合:
保持器的采样期间,不启动A/D转换器,一旦进入保持期间,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,保证A/D转换的精度。
♦实际上保持期间的电容电压VC是会渐渐下降的,因此电容容量的大小决定采样保持器的精度。
一般选用容量为510~1000pF的聚四氟乙烯等电容器。
♦常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582、AD583等。
2.5.隔离技术
因为A/D通道的输入直接与被控对象相连,输入通道与输入通道相连,所以很容易通过公共地线引入干扰。
为了克服这些干扰,必须采用隔离技术,将输入与被控对象(输出)之间,输入通道与输入通道之间实现电气隔离。
通常采用光电耦合器,使两者之间只有光的联系,达到隔离的目的
光电耦合器是由发光二级管和光敏三极管封装在同一管壳内组成的,发光二极管的输入和光敏三极管的输出具有普通三极管的输入输出特性,利用光电耦合器的线性区,实现模拟信号隔离。
如下图所示:
光电隔离技术原理图
模拟信号隔离的优点:
只是用少量的光电耦合器,成本低;
缺点是调试困难,如果光电耦合器挑选不合适,将会影响转换精度和线性度。
2.6A/D转换器
♦A/D转换器能把输入的模拟电压变成与它成正比的数字量,即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。
2.6.1工作原理与性能指标
♦A/D转换器从原理上可分为多种,常用的主要有逐位逼近式和双积分式两种。
♦1.逐位逼近式A/D转换原理
♦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。
如下图所示,当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下,首先使寄存器的最高位D31,其余为0,此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即VO8,送到比较器输入端与被转换的模拟量VIN=9进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。
当VINVO,则保留D3=1;
再对下一位D2进行比较,同样先使D21,与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器,转换为VO12再进入比较器,与VIN9比较,因VINVO,则使D20;
再下一位D1位也是如此,D11即1010,经D/A转换为VO=10,再与VIN9比较,因VINVO,则使D10;
最后一位D01即1001经D/A转换为VO9,再与VIN9比较,因VINVO,保留D01。
比较完毕,寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果,存在输出锁存器中等待输出。
一个n位A/D转换器的模数转换表达式是:
式中n——n位A/D转换器;
VR+、VR——基准电压源的正、负输入;
VIN——要转换的输入模拟量;
B——转换后的输出数字量。
即当基准电压源确定之后,n位A/D转换器的输出数字量B与要转换的输入模拟量VIN呈正比。
3.A/D转换器的性能指标
♦
(1)分辨率
♦分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。
分辨率越高,转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。
通常用数字量的位数来表示,如8位、10位、12位等。
分辨率为n,表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。
即:
♦分辨率=满
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- 12 隔离 输入 通道