第2章 过程输入输出通道(复习)

第2章过程输入输出通道2.1信号的采样与恢复2.2模拟量输入通道2.3模拟量输出通道2.4数字量输入输出通道2.1信号的采样与恢复2.1.1信号的采样过程1．信号类型在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型。（1）模拟信号在时间和幅值上均连续取值而不发生突变的信号，一般用十进制数表示。这是控制对象需要的信号。（2）离散模拟信号在时间上不连续，而在幅值上连续取值的信号。这是在信号变换过程中需要的中间信号。（3）数字（离散）信号在时间和幅值上均不连续取值的信号，通常用二进制代码形式表示。这是计算机需要的信号。2.1信号的采样与恢复输入和输出计算机的信息转换如图2-1所示。图2-1输入和输出计算机的信息转换2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成框图如图2-11所示。图2-11模拟量输入通道的组成框图2.2模拟量输入通道1．信号调理电路在计算机控制系统中，模拟量输入信号主要有传感器输出的信号和变送器输出的信号两类。因此，信号调理电路的设计主要是根据传感器输出的信号、变送器输出的信号及A/D转换器的具体情况而有所不同。2.2模拟量输入通道①电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA（0~500Ω负载）。②电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。传感器输出的信号包括：①电压信号：一般为mV或μV信号。②电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。③电流信号：一般为mA或μA信号。变送器输出的信号包括：2.2模拟量输入通道以上这些信号往往不能直接送入A/D转换器，对于较小的电压信号需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再经滤波后才能送入A/D转换器。而对于电流信号应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。2.2模拟量输入通道I/V变换电路主要有两种形式：无源I/V变换电路和有源I/V变换电路。（1）无源I/V变换电路无源I/V变换电路如图2-12所示。图2-12无源I/V变换电路2.2模拟量输入通道图中R2为精密电阻，通过此电阻可将电流信号转换为电压信号。当输入电流为0~10mA时，可取R1=100Ω，R2=500Ω，这样输出的电压就为0~5V；当输入电流为4~20mA时，可取R1=100Ω，R2=250Ω，这样输出的电压就为1~5V。2.2模拟量输入通道（2）有源I/V变换电路有源I/V变换电路如图2-13所示。图2-13有源I/V变换电路2.2模拟量输入通道利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。这里R1应该取精密电阻。该放大电路的电压放大倍数为341RRAv（2-18）当输入电流为0~10mA时，可取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，这样输出的电压就为0~5V；当输入电流为4~20mA时，可取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，这样输出的电压就为1~5V。2.2模拟量输入通道RCV420是美国RURR-BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将4~20mA输入信号转换为0~5V输出信号，具有很高的性价比，它包含一个高级运算放大器，一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准，其总转换精度为0.1%，共模抑制比可达86dB，共模输入范围达±40V。RCV420的功能框图如图2-14所示。集成I/V变换电路RCV420:2.2模拟量输入通道图2-14RCV420的功能框图2.2模拟量输入通道RCV420的引脚排列如图2-15所示。图2-15RCV420的引脚排列2.2模拟量输入通道RCV420芯片的各引脚功能如下。•+IN，-IN：正、负信号输入端。•CT：输入中心抽头。•V+，V-：正、负电源端。•RefCom：基准公共端。•NC：空端。•RefNoiseReduction：基准降噪端。•RefTrim：基准调整端。•ReffB：基准反馈端。•Refin，RefOUT：基准输入、输出端。•RcvCom：接收公共端。•RcvOUT：接收输出端。•RcvfB：接收反馈端。2.2模拟量输入通道对于4mA~20mA的输入电流和0~5V的输出电压，要求电路的的传输阻抗为3125.042005INOUTIV（V/mA）为了得到期望的输出（输入4mA时，输出0V；输入20mA时，输出5V），运算放大器的输出必须有一个偏置电压为=-（4mA）(0.3125V/mA)=-1.25VOSV2.2模拟量输入通道输入电流信号连接到+IN或-IN端，取决于信号的极性，并通过中间抽头CT返回地。两个精密电阻RS将输入电流信号经差分放大电路放大，转换成一个与之成正比的电压信号。运算放大电路的电压增益为vA5V/（16mA）（75Ω）=4.1667位于放大电路反馈通道中的T型网络节点用于产生所需要的-1.25V偏置电压。2.2模拟量输入通道RCV420电源和信号的基本接法如图2-16所示。图2-16RCV420电源和信号的基本接法2.2模拟量输入通道2．多路模拟开关当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A／D转换器上，实现对各个输入通道的分时控制。目前采用CMOS工艺的多路开关应用最为广泛。尽管模拟开关种类很多，但其功能基本相同，只是在通道数、开关电阻、漏电流、输入电压及方向切换等性能参数有所不同。多路模拟开关主要有4选1、8选1、双4选1、双8选1和16选1等，它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组成及工作原理基本相同。2.2模拟量输入通道常用的单端、双向8路模拟开关CD4051的引脚图如图2-17所示。图2-17CD4051的引脚图2.2模拟量输入通道CD4051的真值表见表2-1所示。INHCBA选中通道号00000000110010200113010040101501106011171×××无2.2模拟量输入通道VDD为正电源，VEE为负电源，VSS为地，要求VDD+|VEE|≤18V。例如，采用CD4051模拟开关切换0~5V电压信号时，电源可取为：VDD=+12V，VEE=-5V，VSS=0V。CD4051可以完成1到8或8选1的数据传输。在实际应用中，往往由于被测参数多，使用一个多路模拟开关不能满足通道数的要求。为此，可以把多路模拟开关进行扩展。2.2模拟量输入通道两个CD4051扩展成16通道的多路模拟开关，如图2-18所示。图2-18用两个CD4051扩展成16通道的多路模拟开关2.2模拟量输入通道16通道的多路模拟开关真值表如表2-2所示：3A2A1A0A3A2A1A0A输入状态选中通道号A3A2A1A0000000001100102001130100401015011060111710008100191010101011111100121101131110141111152.2模拟量输入通道3．前置放大器前置放大器的任务是将模拟小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如0~5V）。它可以分为固定增益放大器和可变增益放大器两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器。2.2模拟量输入通道（1）固定增益放大器固定增益放大器一般采用差动输入放大器，因其输入阻抗高，因而有着极强的抗共模干扰能力，如图2-19所示。图2-19固定增益差动放大器2.2模拟量输入通道图中21111)1(VRRVRRVwfwfo（2-19）1w2f2w2f2oVRRV)RR1(V（2-20）（2-21）（2-22）)VV)(RRR1(RRV12w2f1ffo)RRR1(RRAw2f1ffv所以其增益为2.2模拟量输入通道推导过程,111VVVwRVVI21（2-19）222foIRVV（2-20）（2-21）（2-22）111foIRVVRVVRVVofo133foRRVVV233,222VVV2.2模拟量输入通道（2）可变增益放大器在计算机控制系统中，当多路输入信号的电平相差较悬殊时，采用可变增益放大器，可以使A/D转换器信号满量程达到均一化，以提高多路数据采集的精度。常用的可变增益放大器有AD526、AD625、PGA100、PGA102、PGA202/PGA203、LH0084等。下面介绍PGA202/PGA203程控仪表放大器。2.2模拟量输入通道PGA202/PGA203是BURR-BROWN公司生产的程控仪表放大器，PGA202的增益倍数为1，10，100，1000；PGA203的增益倍数为1，2，4，8。当增益G1000时，增益误差为0.05％～0.15％；当增益G=1000时，增益误差为0.08％～0.1％。电源供电范围为±6V～±18V。共模抑制比为80～94dB。2.2模拟量输入通道PGA202/203的内部结构如图2-20所示。图2-20PGA202/203的内部结构2.2模拟量输入通道PGA202/203的引脚排列如图2-21所示。图2-21PGA202/203的引脚排列2.2模拟量输入通道各引脚功能如下：•A1、A0：增益数字选择输入端。•+VCC、-VCC：正、负供电电源端。•VREF：参考电压端。•FilterA、FilterB：输出滤波端。•VOSAdjust：偏置电压调整端。•+VIN、-VIN：正、负信号输入端。•DigitalCom：数字公共端。•VOUTSense：信号检测端。•VOUT：信号输出端。2.2模拟量输入通道PGA202/203的增益选择及增益误差见表2-3所示。把PGA202与PGA203级联使用可组成从1～8000倍的16种程控增益。增益选择输入端PGA202PGA203A1A0增益误差增益误差0011010111010010000.05%0.05%0.05%0.05%12480.05%0.05%0.05%0.05%表2-3PGA202/203的增益选择及误差2.2模拟量输入通道如果需要另外的放大倍数，可以通过外接缓冲器及衰减电阻来获得，其接线如图2-22所示，增益见表2-4所示。改变R1与R2的阻值比例，可获得不同的增益。图2-22外接缓冲器及衰减电阻获得不同的增益2.2模拟量输入通道表2-4电阻、与增益的关系增益R1/ΩR2/Ω25105kΩ2kΩ1kΩ5kΩ8kΩ9kΩ2.2模拟量输入通道PGA202/203的电源和信号的基本接法如图2-23所示。图2-23PGA202/203的电源和信号的基本接法2.2模拟量输入通道4．采样/保持器A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样/保持器S/H（SampleHold）。如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，不必再选用采样/保持器。2.2模拟量输入通道（1）采样/保持器的工作原理S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成，如图2-24所示。图2-24采样/保持器的原理图2.2模拟量输入通道采样/保持器有采样和保持两种工作状态。当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过电阻R向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，由于电容C此时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。在采样期间，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转换的模拟输入电压恒定，提高了A/D转换的精度。2.2模拟量输入通道（2）常用的采样/保持器常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较