第三章測控系統(tǒng)輸入輸出通道設(shè)計

第二章測控系統(tǒng)輸入/輸出通道設(shè)計

第三章測控系統(tǒng)的輸入/輸出通道本章內(nèi)容：開關(guān)量輸入/輸出通道單元電路的級聯(lián)設(shè)計模擬輸入通道模擬輸出通道第一節(jié)開關(guān)量輸入/輸出通道

測控系統(tǒng)中常見的開關(guān)量信號：按鍵、繼電器、無觸點開關(guān)。開關(guān)量只有0和1兩種狀態(tài)，處理較方便。

測控系統(tǒng)通常采用通用并行I/O芯片（8155、8255、8279）、三態(tài)門緩沖器和鎖存器作為I/O接口電路。對于由單片機組成的測控系統(tǒng)，如開關(guān)量輸入信號的幅度與單片機要求符合，可以直接將開關(guān)量直接接入單片機。開關(guān)量輸入/輸出通道設(shè)計的主要問題是提高抗干擾能力和可靠性，精度是其次的。一、開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)如圖所示。輸入緩沖器輸入調(diào)理電路來自生產(chǎn)過程地址譯碼器微機總線1.輸入調(diào)理電路開關(guān)量輸入調(diào)理電路的主要功能是：轉(zhuǎn)換：過程狀態(tài)→適于計算機輸入的信號保護濾波隔離消除瞬時高壓、過電壓、接觸抖動等對計算機造成的損害。右圖是小功率輸入的調(diào)理電路，它將開關(guān)的通、斷轉(zhuǎn)換成TTL電平信號。積分電路消除開關(guān)抖動R-S觸發(fā)器消除開關(guān)兩次反跳大功率輸入調(diào)理電路從大功率器件的接點輸入信號時，為使接點工作可靠，接點兩端一般要加24V以上的直流電壓。高壓和低壓電路間要用光電耦合器件隔離。2.輸入緩沖器一般多采用三態(tài)門緩沖器（如74LS244），被測狀態(tài)信號通過三態(tài)門緩沖器送到CPU數(shù)據(jù)總線。二、開關(guān)量輸出通道開關(guān)量輸出通道的結(jié)構(gòu)如圖所示輸出鎖存器地址譯碼器去生產(chǎn)過程輸出驅(qū)動器1.直流負載驅(qū)動電路功率晶體管驅(qū)動電路適合于負載電流不太大的場合。電流約幾百mA達林頓管驅(qū)動電路達林頓管要求的輸入電流很小可直接用單片機的I/O口驅(qū)動。2.晶閘管交流負載驅(qū)動電路3.繼電器驅(qū)動電路4.固態(tài)繼電器驅(qū)動電路DC-SSRAC-SSR第二節(jié)單元電路的連接

各單元電路設(shè)計完成后需要將它們連接起來。各單元電路間連接時需要考慮的問題有：電氣特性的相互匹配信號耦合方式時序配合一、電氣性能的相互匹配1.阻抗匹配令：ag=|ZL|/|Zi|如要求負載電壓最大，則應(yīng)取ag

≥1如要求負載電流最大，則應(yīng)取ag

≤1如要求負載功率最大，則應(yīng)取ag=1RiRL前級輸出后級輸入2.負載能力匹配這是指前級能否驅(qū)動后級。當(dāng)驅(qū)動能力不夠時需要加一級功率驅(qū)動電路，具體應(yīng)視負載大小來定。3.電平匹配當(dāng)前后級電路電平不匹配時，需要加電平轉(zhuǎn)換電路。這在數(shù)字電路中較常見。二、信號耦合與時序配合1.信號耦合方式：直接耦合方式目的：將前級的任何信號送到下級。靜態(tài)工作點會相互影響。阻容耦合方式目的：隔離直流。這是較常用的方式。變壓器耦合方式：目的：隔離直流。頻率特性差、體積大、效率低，已較少采用光電耦合方式目的：實現(xiàn)前后級電路間的電氣隔離。多用于數(shù)字信號的傳遞。2.時序配合數(shù)字電路中時序的配合問題很重要。時序配合錯亂，將使整個數(shù)字電路無法正常工作。第三節(jié)模擬輸入通道模擬輸入通道是指被測量與微機之間的通道，它一般由以下部分組成：傳感器調(diào)理電路采集電路微機測控通道

在測控系統(tǒng)中，一臺微機往往要同時測量幾個被測量，因而測控系統(tǒng)的輸入通道常常是多路的。按照各路輸入通道是共用一個采集通道還是每個通道各用一個，輸入通道可分為集中采集式和分散采集式。一、輸入通道的分類模擬多路切換開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器控制邏輯微機傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路集中采集式之分時采集結(jié)構(gòu)：采集電路電路簡單，成本低，但不能獲得各路信號同一時刻的值，適于中、低速采樣系統(tǒng)中。集中采集式之多路同步采集結(jié)構(gòu)：模擬多路切換開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器控制邏輯微機傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路采樣/保持器采樣/保持器采樣/保持器采集電路電路較復(fù)雜，時間偏斜誤差小于分時采樣系統(tǒng)。適于中、低速采樣系統(tǒng)中。分散式采集結(jié)構(gòu)傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路傳感器調(diào)理電路采樣/保持器采樣/保持器采樣/保持器A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器控制邏輯計算機采集電路電路較復(fù)雜，成本較高。適于對速度要求較高的采樣系統(tǒng)中。二、傳感器的選用傳感器是信號輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計的測試系統(tǒng)需要什么傳感器——系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求；其次要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標和價格進行對比，從中挑選合乎要求的性能價格比最高的傳感器。對傳感器的主要技術(shù)要求輸出為電量；符合整機對傳感器精度（通常為系統(tǒng)精度的十倍）和速度的要求；滿足被測介質(zhì)和使用環(huán)境的要求（如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等）；滿足可靠性和可維護性的要求。傳感器的選用將影響輸入通道的具體組成。下面是傳感器輸出為模擬量時的輸入通道。傳感器小信號放大修正與變換微機傳感器V/F光電耦合微機傳感器I/V濾波A/D小電壓小電流大電壓大電流傳感器輸出為頻率量或開關(guān)量時的輸入通道。傳感器放大整形光電隔離計算機傳感器整形光電隔離計算機頻率量輸出開關(guān)量輸出三、信號調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計和選擇在一般測量系統(tǒng)中信號調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實現(xiàn)物理信號向電信號的轉(zhuǎn)換、小信號放大、濾波外，還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號調(diào)理（SignalConditioning），相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。信號調(diào)理的內(nèi)容：小信號放大濾波零點校正線性化溫度補償誤差修正量程切換前置放大低通陷波高通至采集電路傳感器信號硬件完成，信號調(diào)理電路的重點軟件完成典型信號調(diào)理電路的組成1.前置放大器多數(shù)傳感器輸出信號都比較小，必須選用前置放大器進行放大。判斷傳感器信號“大”還是“小”和要不要進行放大的依據(jù)是什么？放大器為什么要“前置”,即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？

放大器前置的原因1：使輸入的小信號不被電路噪聲所淹沒。前置放大器Ko后級電路KVISVIN’VINV0SV0N’

在無輸入信號時，電路的輸出為噪聲。設(shè)電路的放大倍數(shù)為K，則噪聲折算到輸入端即為等效輸入噪聲VIN電路噪聲等效電路噪聲信號輸出信號輸入VONVIN=K總輸出噪聲折算到前置放大器輸入端為：

若沒有前置放大器時信號剛好被噪聲淹沒（VIS=VIN），為使輸入信號不被噪聲淹沒，應(yīng)VIS>VIN’，即VIN>VIN’解得：即前置電路必須是放大器

放大器前置的原因2：防止濾波器的噪聲被放大器放大。VINI放大器×K濾波器×1VIN0V0NVIN0濾波器×1放大器×KVINIV0N’

放大器前置時，電路的等效輸入噪聲為：

放大器后置時，電路的等效輸入噪聲為：放大器前置有利于減少噪聲！2.濾波器

為隔離電路的零點漂移，通常用隔直電容的方法，如圖所示。調(diào)理電路+采集電路電壓跟隨器隔直電容—A

隔直電容與電壓跟隨器的等效電阻組成一個高通濾波器，其截止頻率為：

測控系統(tǒng)中根據(jù)需要還可能設(shè)置其他的濾波器，此時電路的截止頻率由所有的濾波電路決定。四、采集電路的參數(shù)設(shè)計和選擇采集電路的關(guān)鍵部分是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬多路開關(guān)（模擬多路選擇器）和采樣保持器S/H視具體測控問題決定是否需要。若被測信號恒定或變化緩慢，就不需要S/H.如多路模擬信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，且各模擬信號的幅值差異較大，就必須在信號進入A/D轉(zhuǎn)換器前設(shè)置程控增益放大器。采集電路的參數(shù)設(shè)計和選擇MUXA/DPGAS/HMUXMUXMUXA/DA/DA/DPGAS/H信號隨時間變化信號幅度不同采用方案NONOaNOYESbYESNOcYESYESd1.A/D轉(zhuǎn)換器的選擇選擇A/D轉(zhuǎn)換器時需要考慮A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)A/D轉(zhuǎn)換的線性誤差A(yù)/D轉(zhuǎn)換的速度基準電源穩(wěn)定度A/D轉(zhuǎn)換器工作的環(huán)境（溫度、功耗、可靠性）A/D轉(zhuǎn)換的輸出（串行、并行），與選用的計算機和系統(tǒng)的整體設(shè)計有關(guān)。

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)：

一般說來，位數(shù)越多，分辨率越高，量化誤差就越小。因此，A/D轉(zhuǎn)換器的相對精度也常用最低有效值的位數(shù)LSB來表示，即：1LSB=滿刻度值/2n。

選擇A/D轉(zhuǎn)換器時需要考慮因素A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定設(shè)：模擬輸入的最大值：Vimax模擬輸入的最小值：Vimin前置放大器的增益：kgm位A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程：E能轉(zhuǎn)換的最小模擬量：則：由前面兩式可得：上式兩邊取對數(shù)：整理，得：令：

也可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差要求來確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，通常A/D轉(zhuǎn)換器的精度應(yīng)是系統(tǒng)的十倍左右。A/D轉(zhuǎn)換器的誤差為：即：如果系統(tǒng)要求的精度是：δ

解上式即可得到m。

例：某信號采集系統(tǒng)要用A/D轉(zhuǎn)換芯片在1s內(nèi)對16個熱電偶的輸出電壓分時進行轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍0-0.0025v（對應(yīng)0-450度），需要分辨的溫度為0.1,試選A/D。解：450/0.1=4500212=4096因此選至少13位的A/D采樣速率16次/s采樣時間為62.5ms一般的A/D都可達到。線性誤差：指A/D轉(zhuǎn)換器在滿量程內(nèi)的輸入和輸出之間的比例關(guān)系不是完全的線性而產(chǎn)生的誤差。轉(zhuǎn)換速度：

指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，是從模擬量輸入至數(shù)字量輸出所經(jīng)歷的時間。

選擇A/D轉(zhuǎn)換器時需要考慮因素A/D轉(zhuǎn)換速度的確定

不同原理的A/D轉(zhuǎn)換器的A/D轉(zhuǎn)換時間是不一樣的，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型的A/D轉(zhuǎn)換器較慢，逐次比較型較快。A/D的時間由兩部分組成，轉(zhuǎn)換時間tc和恢復(fù)時間to，即：

若一個采樣周期內(nèi)，要完成N路模擬信號的采樣，則：保持建立時間通道指令S/H指令啟動轉(zhuǎn)換EOCSHtcT≥tS≥tAC啟動轉(zhuǎn)換邏輯控制S/H模擬多路開關(guān)地址譯碼A/D模擬通道EOCS/H指令數(shù)字輸出通道指令輸出地址捕捉時間開始轉(zhuǎn)換3.采集電路的工作時序和最高允許頻率基準電源穩(wěn)定度：

當(dāng)基準電源電壓變化時，將使A/D轉(zhuǎn)換器的基準電壓發(fā)生變化，從而使輸出數(shù)字量發(fā)生變化。這種變化的實質(zhì)，相當(dāng)于輸入模擬信號有變化，從而產(chǎn)生誤差。A/D轉(zhuǎn)換器工作的環(huán)境（溫度、功耗、可靠性）A/D轉(zhuǎn)換的輸出（串行、并行），與選用的計算機和系統(tǒng)的整體設(shè)計有關(guān)。第四節(jié)模擬輸出通道微機化測控系統(tǒng)的模擬輸出通道常用于控制執(zhí)行機構(gòu)，模擬輸出通道的目的是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，其信號轉(zhuǎn)換過程正好與模擬輸入通道相反。模擬輸出通道的基本組成如下圖所示。寄存器D/A調(diào)理電路顯示器記錄器三、模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)1數(shù)據(jù)分配分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計算機數(shù)據(jù)寄存器R1調(diào)理電路執(zhí)行機構(gòu)控制邏輯D/A數(shù)據(jù)寄存器R1數(shù)據(jù)寄存器R1D/AD/A調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)不適合于要求多個執(zhí)行機構(gòu)同步動作的系統(tǒng)每通道都有獨立的寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器2數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計算機數(shù)據(jù)寄存器R1調(diào)理電路執(zhí)行機構(gòu)控制邏輯D/A數(shù)據(jù)寄存器R1數(shù)據(jù)寄存器R1D/AD/A調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)寄存器R2數(shù)據(jù)寄存器R2數(shù)據(jù)寄存器R2每通道都有獨立的兩個寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器各執(zhí)行機構(gòu)同步動作3模擬分配分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)a寄存器調(diào)理電路執(zhí)行機構(gòu)控制邏輯D/A轉(zhuǎn)換器調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)采樣保持器采樣保持器采樣保持器不適合于要求多個執(zhí)行機構(gòu)同步動作的系統(tǒng)各通道都共用一個寄存器和一個D/A轉(zhuǎn)換器四、模擬輸出通道器