第5章 过程输入输出通道技术

第五章过程通道在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的控制参数及运行状态按规定的方式送入计算机，计算机经过计算、处理后，将结果以数字量的形式输出，此时需将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机和生产过程之间，必须设置完成信息的传递和变换装置，这个装置称为过程输入输出通道，也叫I/O通道。5.1过程输入输出通道概述过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道组成。过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用。5.1.1模拟量输入通道的一般结构过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电压（或电流）形式后送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。5.1.2模拟量输出通道的基本结构多D/A结构的模拟量输出通道中的D/A转换器除承担数字信号到模拟信号转换的任务外，还兼有信号保持作用，即把微机在t=kT时刻对执行机构的控制作用维持到下一个输出时刻t=(k+1)T。这是一种数字保持方式，送给D/A转换器的数字信号不变，其模拟输出信号便保持不变。共享D/A结构的模拟量输出通道中的D/A转换器只起数字信号到模拟信号的转换作用，信号保持功能靠采样保持器完成。这是一种模拟保持方式，微机对通路i（i=1，2，...，n）的控制信号被D/A转换器转换为模拟形式后，由采样保持器将其记忆下来，并保持到下一次控制信号的到来。多D/A形式输出速度快、工作可靠、精度高，是工业控制领域普遍采用的形式。5.1.3开关量（数字量）输入通道的基本结构开关量输入通道又称为数字量输入通道，该通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）送给计算机、或把双值逻辑的开关量变换为计算机能够接收的数字量送给计算机，简称DI通道。典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：1．信号变换器：将生产过程的非电量开关量转换为电压或电流的双值逻辑值。2．整形变换电路：将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。3．电平变换电路：将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的逻辑电平。4．总线缓冲器：暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。5．接口逻辑电路：协调各通道的同步工作，向CPU传递状态信息并控制开关量的输入、输出。5.1.4开关量（数字量）输出通道的基本结构开关量（数字量）输出通道的任务是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关型的执行机构（如继电器或指示灯等），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO通道。其典型结构中锁存输出的主要作用是锁存CPU输出的数据或控制信号，供外部设备使用；隔离部件的作用是为防止干扰；功放的作用则是为把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。下面分别展开说明四种过程通道的组成及应用。5.2模拟量输入通道5.2.1模拟量输入通道中的信号变换模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。1．信号的采样信号的采样过程如图2.24所示。执行采样动作的是采样器（采样开关）K，K每隔一个时间间隔T闭合一个时间τ。T称为采样周期，τ称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号y（t）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号y*（t）。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。2．信号的量化采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号y（t）幅值上的变化，也反映在采样信号y*（t）上。所以，采样信号仍不能进入微机。微机只能接受在时间上离散、幅值上变化也不连续的数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。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。5.2.2模拟量输入通道的一般结构形式1．单路模拟量输入通道结构结构如如图5-1所示（见教材P105）。图5-1单路模拟量输入通道结构2．多路模拟量输入通道结构结构如如图5-2所示（见教材P105）。图5-2多路路模拟量输入通道结构3.各个环节的作用传感器，把工业现场非电量信号转换为电量信号。变送器，将传感器的信号进行转换、放大等。信号调理电路，对传感器或变送器传过来的信号进行适当的处理，包括信号放大、滤波、限幅、线性化、温度补偿、隔离等方面。多路开关，主要作用是多选一，即按要求切换多路模拟信号，确保要求的某一路模拟量信号引入A／D转换器。常用的芯片有：CD4051（双向8路）、CD4052（单向差动4路）、AD7501（单向8路）、AD7506（单向16路）等。可编程需放大器，主要作用是对信号进行放大，而且每一路信号具有独立的放大倍数，放大倍数由计算机程序设定。其意义在于如果现场传送过来的信号参差不齐，有的是0～1V，有的是0～5V，没有必要为每一路信号均设置单独的放大电路，只要再多路开关之后采用可编程序放大器即可。采样保持器，其功能是在采样时，输出跟随输入信号的变化而变化，在保持状态时，可以保持输出信号不变。常用的芯片有：LF398。A/D转换器，将模拟量信号转换为数字量信号。光电隔离，是一种电气隔离，防止外部高压电源、干扰等烧毁CPU，如外部接线错误等。采用观点隔离后，A/D转换芯片的参考电源就不能使用系统内部的电源，此时可以采用外部电源作为参考电源，为了简化接线并提高参考电源的精度（参考电源的精度决定了A／D转换的精度），通常采用DC－DC电源对系统内部电源进行转换和隔离。A/D芯片与CPU之间的接口，包括地址线、数据线、控制线等。5.2.3模拟量输入通道中常用的器件及电路1．多路开关多路开关在模拟量输入通道中的作用是实现n选一操作，即利用多路开关将n路输入依次地（或随机地）切换到后级。切换过程是在CPU控制下完成的（也可以用其它控制逻辑实现）。微机控制系统中多采用集成电路多路开关，图5-3是常用的集成多路开关CD4051的结构原理。真值表和引脚图见教材P106页。其它常用集成多路开关有AD7501（8通道）、AD7506（16通道）等。选择多路开关的主要因素有：通道数、通道切换时间、导通电阻、通道间的串扰误差等。这些参数可以从集成电路手册上查到。图5-4采样保持器(a)原理电路(b)工作波形图5-3CD4051的结构原理注意：CD4051的使能端INH是低电平有效，AD7506的使能端EN是高电平有效CD4051是双向8路，AD7506是单向16路选一多路开关可利用4片CD4051或者两片AD7506扩展32路多路开关，具体扩展方法见教材P107页2．采样保持器A/D转换过程（即采样信号量化过程）需要时间，这个时间称为A/D转换时间。在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以，一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，还需加保持器作信号保持。保持器把t=kT时刻的采样值保持到A/D转换结束。T为采样周期，k=0，1，2，采样保持器的基本组成电路如图5-4（a）所示，由输入输出缓冲器A1、A2和采样开关K、保持电容CH等组成。采样时，K闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，K断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT=VC保持不变。采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。采样保持器的工作波形见图5-4（b）。常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582等，其原理结构如图5-5（a）、（b）所示。采用TTL逻辑电平控制采样和保持。LF198的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。OFFSET用于零位调整。保持电容CH通常是外接的，其取值与采样频率和精度有关，常选510～1000pF。减小CH可提高采样频率，但会降低精度。一般选用聚苯乙稀、聚四氟乙稀等高质量电容器作CH。选择采样保持器的主要因素有，获取时间、电压下降率等。LF198的CH取为0.01μF时，信号达到0.01％精度所需的获取时间（采样时间）为25μs，保持期间的输出电压下降率为每秒3μV。若A/D转换器的转换时间为100μs，转换期间保持器输出电压下降约300μV。当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。图5-5集成采样保持器的原理结构（a）AD582（b）LF198/298/398LF398的典型接线方法如教材P109图5-10所示。5.3A/D转换器5.3.1主要技术指标A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。⑴分辨率分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。分辨率为n位，表示它能对满量程输入的1/2n的增量作出反映，即数字量的最低有效位（LSB）对应于满量程输入的1/2n。若n=8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压5.12V/28＝20mV。⑵转换时间转换时间是指A/D转换器完成一次模拟到数字转换所需要的时间。⑶线性误差线性误差是指A/D转换器的理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差通常用LSB的分数表示，如1/2LSB或±1LSB。（4）量程：A/D转换器能转换的模拟电压的范围。（5）精度：分为绝对精度和相对精度。常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位，绝对精度：常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位相对精度：绝对精度与满量程的百分比注意：精度和分辨率是两个不同的概念。精度为转换后所得结果相对实际值的准确度。而分辨率指的是对转换结果发生影响的最小输入量。（6）输出逻辑电平：输出数据的电平形式和数据输出方式（如三态逻辑和数据是否锁存）。（7）工作温度范围：A/D转换器在规定精度内允许的工作温度范围。（8）对基准电源的要求：基准电源精度对A/D转换器精度有重大影响。5.3.2A/D转换原理⑴逐次逼近式A/D转换器逐次逼近式A/D转换器工作原理的基本特点是：二分搜索，反馈比较，逐次逼近。它的基本思想与生活中的天平称重思想极为相似。利用一套标准的“电压砝码”，这些“电压砝码”的大小，相互间成二进制关系。把这些已知的“电压砝码”由大到小连续与未知的被转换电压相比较，并将比较结果以数字形式送到逻辑控制电路予以鉴别，以便决定“电压砝码”的去留，直至全部“电压砝码”都试探过为止。最后，所有留下的“电压砝码”加在一起，便是被转换电压的结果。这种转换器的工作原理如图2.10所示。它由电压比较器、数/模转换器、逐次逼近寄存器、控制逻辑和输出缓冲锁存器等部分组成。图5-6逐次逼近式A/D的原理图当计算机发出“启动转换”命令时，SAR寄存器和输出缓冲器清零，故D/A输出也为零。此时控制电路先设定SAR中的最高位为“1”，其余位为“0”，此预测数据送往D/A转换器，转换成电压V0，然后V0和输入模拟电压Vx在比较器中比较，若Vx＞V0，说明预置结果正确，应予保留，若Vx≤V0，则预置结果错误，应予清除。然后按上述方法继续对次高位及后续各位依次进行预置、比较和判断，决定该位是“1”还是“0”，直至确定SAR最低位为止。这个过程完成后，便发出转换结束信号。此时SAR寄存器从最高位到最低位都试探过一遍的最终值便是A/D转换的结果。⑵双斜积分式A/D转换器双斜积分A/D转换器的转换基础是测量两个时间：第一个时间是模拟电压向电容充电的固定时间，第二个时间是已知参考电压放电所需要的时间，模拟输入电压与参考电压的比值就是这两个时间值之比。图2.11（a）是这种A/D转换器的原理图，它的转换过程如图2.11（b）所示。其整个