任務(wù)二模擬量輸入通道

1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-301 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式任務(wù)二 模擬量輸入通道【教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容】基本內(nèi)容：模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu)、傳感器、信號調(diào)理、多路轉(zhuǎn)換器。 重點：模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)、信號調(diào)理、多路轉(zhuǎn)換器。難點：信號調(diào)理、多路轉(zhuǎn)換器。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-302 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式【教學(xué)目的、要求教學(xué)目的、要求】掌握模擬量輸入通道的組成部分及其作用；掌握信號調(diào)理電路、多路轉(zhuǎn)換器電路；能夠擴展多路轉(zhuǎn)換器電路；了解常用的傳感器類型。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-303 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 模擬量輸入通道的任務(wù)：模擬量輸入通道的

2、任務(wù)：把被控對象的過程參把被控對象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號轉(zhuǎn)數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的數(shù)字量信號。換成計算機可以接收的數(shù)字量信號。 模擬量輸入通道根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以有不模擬量輸入通道根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式，最簡單的就是單路模擬量輸入通道。同的結(jié)構(gòu)形式，最簡單的就是單路模擬量輸入通道。多路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)組成如圖所示。多路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)組成如圖所示。 一、模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-304 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 來自于工業(yè)現(xiàn)場傳感器或變送器的多個模擬量信號首來自

3、于工業(yè)現(xiàn)場傳感器或變送器的多個模擬量信號首先需要進行信號調(diào)理，然后經(jīng)多路選擇開關(guān)，分時切換到先需要進行信號調(diào)理，然后經(jīng)多路選擇開關(guān)，分時切換到后級進行放大、采樣保持后級進行放大、采樣保持和和A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，通過接口電路以數(shù)，通過接口電路以數(shù)字量信號進入主機系統(tǒng)，從而完成對過程參數(shù)的巡回檢測字量信號進入主機系統(tǒng)，從而完成對過程參數(shù)的巡回檢測任務(wù)。任務(wù)。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-305 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式模擬量輸入接口：主要部分是AD轉(zhuǎn)換器及其與計算機的數(shù)字量接口，從廣義上講，采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換器是配合A/D轉(zhuǎn)換器工作的，也可以算作模擬量接口的一部分。目前一些A/D芯

4、片內(nèi)包含采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換器。對模擬量輸入信號進行調(diào)理以適合AD轉(zhuǎn)換器對輸入電壓要求的相關(guān)電路。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-306 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式1 1、傳感器、傳感器 定義：GB7665-87規(guī)定：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 作用：把被控對象的各種非電物理量檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號。如熱電偶能把溫度轉(zhuǎn)換成熱電動勢、應(yīng)變橋式荷重傳感器能把受力的大小轉(zhuǎn)換為電信號等。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-307 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 傳感器有以下幾部分組成： （1）敏感元件：直接感受被測量，并輸出與

5、被測量成確定關(guān)系的物理量。 （2）轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量。 （3）轉(zhuǎn)換電路：將上述參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量輸出。敏感元敏感元件件轉(zhuǎn)換元轉(zhuǎn)換元件件轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換電路路被測量被測量電量電量單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-308 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式耐磨熱電偶長距離漫反射型光電傳感器光電傳感器BA2M-DDT系列系列 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-309 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式測力計壓力計 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3010 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上測定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。u當(dāng)被測物體產(chǎn)生位移時，懸臂梁隨之產(chǎn)生于位移相

6、等的撓度，因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。u在小撓度情況下，撓度與應(yīng)變情況成正比。u將應(yīng)變片接入橋路，輸出與位移成正比的電壓信號。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3011 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式2 2、信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路 很多變送器的輸出信號為010mA或420mA，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號只能是電壓信號，所以如果模擬信號是電流時，必須先把電流變成電壓才能進行A/D轉(zhuǎn)換。這樣就需要I/V變換電路。 兩種變換電路。 1. 無源無源I/V變換變換 2. 有源有源I/V變換變換單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3012 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式無源I/V變換 利用無源器件利用無

7、源器件電阻來實現(xiàn)，加上電阻來實現(xiàn)，加上RC濾波和二極濾波和二極管限幅等保護。管限幅等保護。對于對于0-10 mA輸入信號，輸入信號，R1=100，R2=500，輸出的，輸出的電壓就為電壓就為0 -5 V范圍；范圍；對于對于4-20 mA輸入信號，輸入信號，R1=100，R2=250，輸出的，輸出的電壓為電壓為1-5 V。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3013 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式有源I/V變換 利用有源器件利用有源器件運算放大器和電阻電容組成。運算放大器和電阻電容組成。3411RRIRVG 利用同相放大電利用同相放大電路，把電阻路，把電阻R1上的輸上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)輸出入電壓

8、變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。該同相放大電電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為路的放大倍數(shù)為單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3014 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式若取若取R1=200，R3=100k，R4=150k，則輸入，則輸入電流電流 I 的的0 10 mA就對應(yīng)電壓輸出就對應(yīng)電壓輸出V的的0 5 V；若取若取R1=200，R3=100k，R4=25k，則，則4 20 mA的輸入電流對應(yīng)于的輸入電流對應(yīng)于1 5 V的電壓輸出。的電壓輸出。3411RRIRVG單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3015 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 計算機的工作速度遠遠快于被測參數(shù)的變化，因此一臺計算機系統(tǒng)可供幾十

9、個檢測回路使用，通過多路轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)多選1的操作，將多路輸入信號依次地切換到后級。 目前，計算機控制系統(tǒng)使用的多路轉(zhuǎn)換器種類很多，并具有不同的功能和用途。如集成電路芯片CD4051(雙向、單端、8路)、CD4052(單向、雙端、4路)等。3 3、多路轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換器器15既可以實現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換。指芯片內(nèi)的一對開關(guān)同時動作，從而完成差動輸入信號的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3016 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式結(jié)構(gòu)原理 現(xiàn)以常用的CD4051為例，8路模擬開關(guān)。由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路三部分組成。圖2 -3 CD4051結(jié)構(gòu)原理

10、圖0S2S3S4S5S6S7S1S動動驅(qū)驅(qū)碼碼譯譯換換轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)平平電電ABCINHmS單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3017 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式圖2 -3 CD4051結(jié)構(gòu)原理圖0S2S3S4S5S6S7S1S動動驅(qū)驅(qū)碼碼譯譯換換轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)平平電電ABCINHmS單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3018 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 當(dāng)采樣通道為當(dāng)采樣通道為16路時，可直接選用路時，可直接選用16路模擬開路模擬開關(guān)的芯片，也可以將關(guān)的芯片，也可以將2個個8路路4051并聯(lián)起來。并聯(lián)起來。 例例 試用兩個試用兩個CD4051擴展成一個擴展成一個116路的模擬開關(guān)。路的模擬開關(guān)。 分

11、析：分析：數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線D3D0作為通道選擇信號，作為通道選擇信號，D3用來用來控制兩個多路開關(guān)的禁止端。當(dāng)控制兩個多路開關(guān)的禁止端。當(dāng)D3=0時，選中其中一時，選中其中一個多路開關(guān)，個多路開關(guān)，D2、D1、D0的組合選通的組合選通S0S7通道；當(dāng)通道；當(dāng)D3=1時，經(jīng)反相器變成低電平，選中另外一個多路開時，經(jīng)反相器變成低電平，選中另外一個多路開關(guān)，關(guān)， D2、D1、D0的組合選通的組合選通S8S15通道。如此，組通道。如此，組成一個成一個16路的模擬開關(guān)。路的模擬開關(guān)。擴展電路18單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3019 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式多路模擬開關(guān)的擴展電路多路模擬開關(guān)

12、的擴展電路D3D2D1D0動驅(qū)碼譯動驅(qū)碼譯換轉(zhuǎn)平電換轉(zhuǎn)平電0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS圖2-4 多路模擬開關(guān)的擴展電路INHINH單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3020 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 作用：把從傳感器來的低電平信號按比例地放大到A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓。 如果從多個傳感器來的信號幅值相差懸殊，若采用一個公用放大器時，怎么辦？ 可采用編控放大器，由計算機控制它的閉環(huán)增益，對不同幅值的信號進行不同比例的放大。4 放大器單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3021 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 當(dāng)然也可以每個傳

13、感器都有自己的放大器。 是否必須使用放大器？ 在實際系統(tǒng)中，如果變送器的輸出均為標(biāo)準(zhǔn)信號（如05V，420mA），通道中可以不設(shè)放大器。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3022 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式問題：模擬信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間，當(dāng)輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。解決方法：采用一種器件，在A/D轉(zhuǎn)換時保持住輸入信號電平，在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后跟蹤輸入信號的變化。這種功能的器件就是采樣這種功能的器件就是采樣/保持器。保持器。5 采樣保持器單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3023 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式采樣保持

14、器的一般結(jié)構(gòu)形式如圖所示。采樣保持器的一般結(jié)構(gòu)形式如圖所示。 模擬信號模擬信號UiK驅(qū)動信號驅(qū)動信號ACH模擬地模擬地UO組組成成 采樣開關(guān)采樣開關(guān)K保持電容保持電容CH緩沖放大器緩沖放大器A：高輸入阻抗，作用是把：高輸入阻抗，作用是把CH和負(fù)載和負(fù)載隔離，否則保持階段在隔離，否則保持階段在CH上的電荷會通過負(fù)載放上的電荷會通過負(fù)載放掉，無法實現(xiàn)保持功能。掉，無法實現(xiàn)保持功能。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3024 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式t控控制制信信號號t模模擬擬輸輸入入At采采樣樣輸輸出出跟蹤跟蹤t1A2t2A1t3保持保持A3t4A在在t1時刻前時刻前，控制電路控制電路的的

15、驅(qū)動驅(qū)動信號為高電平時信號為高電平時，采樣采樣開關(guān)開關(guān)K 閉合閉合，輸入，輸入信號信號Ui 通過通過K對電容對電容CH 快速充電快速充電，使得，使得CH端電端電壓壓UC 跟隨跟隨Ui 變化而變變化而變化?；?。工作原理如下：工作原理如下： 模擬信號模擬信號UiK驅(qū)動信號驅(qū)動信號ACH模擬地模擬地UO單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3025 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式t控控制制信信號號t模模擬擬輸輸入入At采采樣樣輸輸出出跟蹤跟蹤t1A2t2A1t3保持保持A3t4A在在t1時刻，驅(qū)動信號為時刻，驅(qū)動信號為低電平，采樣開關(guān)低電平，采樣開關(guān)K斷斷開開，此時電容此時電容CH 上的上的電壓電壓U

16、C 保持模擬開關(guān)保持模擬開關(guān)斷開瞬間的斷開瞬間的Ui 值不變并值不變并等待等待AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。模擬信號模擬信號UiK驅(qū)動信號驅(qū)動信號ACH模擬地模擬地UO單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3026 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式t控控制制信信號號t模模擬擬輸輸入入At采采樣樣輸輸出出跟蹤跟蹤t1A2t2A1t3保持保持A3t4A 在在t2時刻，保持結(jié)束，時刻，保持結(jié)束，新一個跟蹤時刻到來，此新一個跟蹤時刻到來，此時驅(qū)動信號又為高電平，時驅(qū)動信號又為高電平，K 重新閉合，重新閉合， CH 端電壓端電壓UC 又跟隨又跟隨Ui 變化而變變化而變 化；化；模擬信號模擬信號UiK驅(qū)動信號驅(qū)動

17、信號ACH模擬地模擬地UO t3時刻，驅(qū)動信號為低電時刻，驅(qū)動信號為低電平時平時，K斷開斷開，.。 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3027 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式從以上從以上討論可知：討論可知：采樣保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件。 具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：跟蹤狀態(tài) 在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號，并精確在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號，并精確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令止。地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令止。保持狀態(tài) 對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進行保對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進行保持。持。單擊此處編輯母版標(biāo)

18、題樣式2021-10-3028 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 A A1 1和和A A2 2分別是輸入和輸分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提高出緩沖放大器，用以提高采樣保持器采樣保持器的輸入阻抗，的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以便與信減小輸出阻抗，以便與信號源和負(fù)載連接。號源和負(fù)載連接。 K K是模擬開關(guān)，由控制是模擬開關(guān)，由控制信號電壓信號電壓U UK K控制其斷開或控制其斷開或閉合。閉合。C CH H是保持電容器。是保持電容器。 Ui -+A1KUK -+A2CH模擬地模擬地UO串聯(lián)串聯(lián)型型采樣保持器采樣保持器單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3029 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式單擊此處編輯

19、母版標(biāo)題樣式2021-10-3030 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式關(guān)注的關(guān)注的指標(biāo)指標(biāo)獲取時間：獲取時間：從發(fā)出采樣指令到采樣從發(fā)出采樣指令到采樣保持器輸出與輸入相等所需的時間。保持器輸出與輸入相等所需的時間?？s短獲取時間可以提高采樣速率?？s短獲取時間可以提高采樣速率。輸出電壓衰減率：輸出電壓衰減率：在保持期的采樣保持器輸出電壓的下降率。較大的下降率會影響A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。增加保持電容的容量能降低下降率，但又會延長獲取時間，所以保持電容要綜合考慮。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3031 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 答案：NO。如果輸入的連續(xù)信號變化緩慢，同時A/D轉(zhuǎn)換器有足夠快的轉(zhuǎn)

20、換速度時，可以省去采樣保持器。必須采用采樣保持器么？單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3032 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的核心關(guān)鍵部件。選擇的正確與否對提高模擬輸入通道性價比和滿足控制系統(tǒng)對模擬信號轉(zhuǎn)換的要求，具有重要作用。實際中主要從下面幾個方面考慮。 位數(shù)與轉(zhuǎn)換信號的分辨率有關(guān)。轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，對模擬信號變化的反應(yīng)就越靈敏。分辨率通常用數(shù)字量的二進制位數(shù)來表示。比如8位、10位等。8位A/D，表示能對滿量程的1/28=1/256的增量做出反應(yīng)。6 A/D轉(zhuǎn)換器1） A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3033 單擊此處編輯母版副標(biāo)題

21、樣式 m位的A/D轉(zhuǎn)換器可用2-m表示它的相對分辨率。例如10位A/D轉(zhuǎn)換器相對分辨率為0.0977%，若它的滿量程是10V，那么絕對分辨率是9.778mv。 選擇A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)首先要看分辨率的要求。 又是分辨率較高，但由于溫度漂移、線性不良等原因使芯片的轉(zhuǎn)換值與實際值相差超過分辨率。 精度：信號轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實際值的準(zhǔn)確度。精度跟分辨率不是一個概念。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3034 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 數(shù)據(jù)采集電路的總誤差由多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。選擇元件精度的一般原則：每個元器件的精度指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度的10倍左右。 A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍

22、LI：轉(zhuǎn)換模擬電壓范圍上限與下限之比的分貝數(shù)。LI=20lg(UImax/UImin)單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3035 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式怎么確定所使用的A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)呢？1.根據(jù)系統(tǒng)精度指標(biāo)，由下式確定位數(shù)n：10/(2n+1) 例如，要求系統(tǒng)誤差不大于0.1%，n應(yīng)為多少？2.根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍LI，由下式確定位數(shù)n：n LI/6。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3036 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式 轉(zhuǎn)換時間：從啟動轉(zhuǎn)換開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出穩(wěn)定的數(shù)字量所需要的時間（記為tc） 。 轉(zhuǎn)換速度：單位時間內(nèi)所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。與轉(zhuǎn)換時間成反比。2） A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式2021-10-3037 單擊此處編輯母版副標(biāo)題樣式低速低速A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換時間從幾毫秒到幾十毫秒不等，轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換時間從幾毫秒到幾十毫秒不等，一般運用于對溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測和控一般運用于對溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測和控制。制。中速中速A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換時間可從幾轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換時間可從幾S到到100S左右，常左右，常用于工業(yè)多通道單片機