1、第二章 測(cè)控系統(tǒng)輸入/輸出通道設(shè)計(jì)第三章 測(cè)控系統(tǒng)的輸入/輸出通道本章內(nèi)容：o開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道o單元電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)o模擬輸入通道o模擬輸出通道第一節(jié) 開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道 一、開(kāi)關(guān)量輸入通道o開(kāi)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(lái)自生產(chǎn)過(guò)程地址譯碼器微機(jī)總線(xiàn)1. 輸入調(diào)理電路o開(kāi)關(guān)量輸入調(diào)理電路的主要功能是：n轉(zhuǎn)換：過(guò)程狀態(tài) 適于計(jì)算機(jī)輸入的信號(hào)n保護(hù)n濾波n隔離右圖是小功率輸入的調(diào)理電路，它將開(kāi)關(guān)的通、斷轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)oR-S觸發(fā)器消除開(kāi)關(guān)兩次反跳o大功率輸入調(diào)理電路 從大功率器件的接點(diǎn)輸入信號(hào)時(shí)，為使接點(diǎn)工作可靠，接點(diǎn)兩端一般要加24V以上的直流電壓。高壓和低壓電

2、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(mén)緩沖器（如74LS244），被測(cè)狀態(tài)信號(hào)通過(guò)三態(tài)門(mén)緩沖器送到CPU數(shù)據(jù)總線(xiàn)。二、開(kāi)關(guān)量輸出通道開(kāi)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(guò)程輸出驅(qū)動(dòng)器1. 直流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路o功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路 適合于負(fù)載電 流不太大的場(chǎng) 合。o達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路達(dá)達(dá)林頓管要求的林頓管要求的輸入電流很小可輸入電流很小可直接用單片機(jī)的直接用單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)?？隍?qū)動(dòng)。2. 晶閘管交流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路3. 繼電器驅(qū)動(dòng)電路4. 固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路DC-SSRAC-SSR第二節(jié) 單元電路的連接 各單元電路設(shè)計(jì)完成后需要將它們連接起來(lái)。各單元電路間連接時(shí)

3、需要考慮的問(wèn)題有：o電氣特性的相互匹配o信號(hào)耦合方式o時(shí)序配合一、電氣性能的相互匹配一、電氣性能的相互匹配1. 阻抗匹配令：ag=|ZL|/|Zi|o如要求負(fù)載電壓最大，則應(yīng)取ag 1o如要求負(fù)載電流最大，則應(yīng)取ag 1o如要求負(fù)載功率最大，則應(yīng)取ag =1RiRL前級(jí)輸出后級(jí)輸入2. 負(fù)載能力匹配 這是指前級(jí)能否驅(qū)動(dòng)后級(jí)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)能力不夠時(shí)需要加一級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路，具體應(yīng)視負(fù)載大小來(lái)定。3. 電平匹配 當(dāng)前后級(jí)電路電平不匹配時(shí)，需要加電平轉(zhuǎn)換電路。這在數(shù)字電路中較常見(jiàn)。二、信號(hào)耦合與時(shí)序配合1. 信號(hào)耦合方式：o直接耦合方式 目的：將前級(jí)的任何信號(hào)送到下級(jí)。靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)相互影響。o阻容耦合方式

4、目的：隔離直流。這是較常用的方式。o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o光電耦合方式 目的：實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電路間的電氣隔離。多用于數(shù)字信號(hào)的傳遞。2. 時(shí)序配合 數(shù)字電路中時(shí)序的配合問(wèn)題很重要。時(shí)序配合錯(cuò)亂，將使整個(gè)數(shù)字電路無(wú)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(cè)量與微機(jī)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(jī) 在測(cè)控系統(tǒng)中，一臺(tái)微機(jī)往往要同時(shí)測(cè)量幾個(gè)被測(cè)量，因而測(cè)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(gè)采集通道還是每個(gè)通道各用一個(gè)，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(lèi)模擬多路切換開(kāi)關(guān)A/

5、D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器控制邏輯微機(jī)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(shí)采集結(jié)構(gòu)：采集電路采集電路電路簡(jiǎn)單，成本低，電路簡(jiǎn)單，成本低，但不能獲得各路信號(hào)但不能獲得各路信號(hào)同一時(shí)刻的值，適于同一時(shí)刻的值，適于中、低速采樣系統(tǒng)中。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(kāi)關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器控制邏輯微機(jī)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/保持器采集電路采集電路電路較復(fù)雜，時(shí)間偏電路較復(fù)雜，時(shí)間偏斜誤差小于分時(shí)采樣斜誤差小于分時(shí)采樣系統(tǒng)。適于中、低速系統(tǒng)。適于中、低速采樣系統(tǒng)中。采樣系統(tǒng)中。分散式采集結(jié)構(gòu)傳感器調(diào)理電路

6、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(jì)算機(jī)采集電路采集電路電路較復(fù)雜，成本較電路較復(fù)雜，成本較高。適于對(duì)速度要求高。適于對(duì)速度要求較高的采樣系統(tǒng)中。較高的采樣系統(tǒng)中。二、傳感器的選用 傳感器是信號(hào)輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測(cè)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(jì)的測(cè)試系統(tǒng)需要什么傳感器系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)要求；其次要了解現(xiàn)有傳感器廠(chǎng)家有哪些可供選擇的傳感器，把同類(lèi)產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高的傳感器。對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求o輸出為電量；o符合整機(jī)對(duì)傳感器精度（

7、通常為系統(tǒng)精度的十倍）和速度的要求；o滿(mǎn)足被測(cè)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）；o滿(mǎn)足可靠性和可維護(hù)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(shí)的輸入通道。傳感器小信號(hào)放大修正與變換微機(jī)傳感器V/F光電耦合微機(jī)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(kāi)關(guān)量時(shí)的輸入通道。傳感器放大整形光電隔離計(jì)算機(jī)傳感器整形光電隔離計(jì)算機(jī)頻率量輸出開(kāi)關(guān)量輸出三、信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 在一般測(cè)量系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、濾波外，還有

8、諸如零點(diǎn)校正、線(xiàn)性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱(chēng)為信號(hào)調(diào)理（Signal Conditioning），相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱(chēng)為信號(hào)調(diào)理電路。o信號(hào)調(diào)理的內(nèi)容：n小信號(hào)放大n濾波n零點(diǎn)校正n線(xiàn)性化n溫度補(bǔ)償n誤差修正n量程切換前置放大低通陷波高通至采集電路傳感器信號(hào)硬件完成，信號(hào)調(diào)理電路的重點(diǎn)硬件完成，信號(hào)調(diào)理電路的重點(diǎn)軟件完成軟件完成典型信號(hào)調(diào)理電路的組成1. 前置放大器 多數(shù)傳感器輸出信號(hào)都比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。o 判斷傳感器信號(hào)“大”還是“小”和要不要進(jìn)行放大的依據(jù)是什么？o 放大器為什么要“前置”,即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？o 前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大

9、？ 放大器前置的原因1：使輸入的小信號(hào)不被電路噪聲所淹沒(méi)。前置放大器Ko后級(jí)電路KVISVINVINV0SV0N 在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，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(hào)輸出信號(hào)輸入VONVIN=K總輸出噪聲折算到前置放大器輸入端為：20200)()(KVVKKVVININONIN 若沒(méi)有前置放大器時(shí)信號(hào)剛好被噪聲淹沒(méi)（ VIS=VIN ），為使輸入信號(hào)不被噪聲淹沒(méi)，應(yīng)VISVIN，即VI NVIN2020)(KVVVINININ解得：解得：20011KVVININ10K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

10、被放大器放大。VINI放大器 K濾波器 1VIN0V0NVIN0濾波器 1放大器 KVINIV0N21202120)() 1()(KVVKVKVVINININININ21202021)()(INININININVVKKVKVV 放大器前置時(shí)，電放大器前置時(shí)，電路的等效輸入噪聲為：路的等效輸入噪聲為： 放大器后置時(shí)，電路放大器后置時(shí)，電路的等效輸入噪聲為：的等效輸入噪聲為：1KININVV放大器前置有放大器前置有利于減少噪聲！利于減少噪聲！2. 濾波器 為隔離電路的零點(diǎn)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ACRfiL21 隔直電容與電壓跟隨器的等效電阻組成隔

11、直電容與電壓跟隨器的等效電阻組成一個(gè)高通濾波器，其截止頻率為：一個(gè)高通濾波器，其截止頻率為： 測(cè)控系統(tǒng)中根據(jù)需要還可能設(shè)置其他的濾波測(cè)控系統(tǒng)中根據(jù)需要還可能設(shè)置其他的濾波器，此時(shí)電路的截止頻率由所有的濾波電路決定。器，此時(shí)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(jì)和選擇o采集電路的關(guān)鍵部分是A/D 轉(zhuǎn)換器。o模擬多路開(kāi)關(guān)（模擬多路選擇器）和采樣保持器S/H視具體測(cè)控問(wèn)題決定是否需要。若被測(cè)信號(hào)恒定或變化緩慢，就不需要S/H.o如多路模擬信號(hào)共用一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器，且各模擬信號(hào)的幅值差異較大，就必須在信號(hào)進(jìn)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(jì)和選擇MUXA/D

12、PGAS/HMUXMUXMUXA/DA/DA/DPGAS/H信號(hào)隨時(shí)間變化信號(hào)幅度不同采用方案NONOaNOYESbYESNOcYESYESd1. A/D轉(zhuǎn)換器的選擇o選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)需要考慮nA/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)nA/D轉(zhuǎn)換的線(xiàn)性誤差nA/D轉(zhuǎn)換的速度n基準(zhǔn)電源穩(wěn)定度nA/D轉(zhuǎn)換器工作的環(huán)境（溫度、功耗、可靠性）nA/D轉(zhuǎn)換的輸出（串行、并行），與選用的計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)有關(guān)。n A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)： 一般說(shuō)來(lái)，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(duì)精度也常用最低有效值的位數(shù)LSB來(lái)表示，即：1 LSB = 滿(mǎn)刻度值/2n。 o選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)需要考慮因素A/D

13、轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定mEq2mgiEqkV2minEkVgimax由前面兩式可得：miiVV2minmax上式兩邊取對(duì)數(shù)：上式兩邊取對(duì)數(shù)：miiVV2lg20lg20minmax整理，得：整理，得：6lg202lg20lg20minmaxminmaxiiiiVVVVm令：令：minmax1lg20iiVVL 61Lm 也可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差要求來(lái)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：即：LBS21121m1210m如果系統(tǒng)要求的精度是： 例：某信號(hào)采集系統(tǒng)要用A/D轉(zhuǎn)換芯片在1s內(nèi)對(duì)16個(gè)熱電偶的輸出電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范

14、圍0-0.0025v（對(duì)應(yīng)0-450度），需要分辨的溫度為0.1,試選A/D。解： 450/0.1=4500 212=4096 因此選至少13位的A/D采樣速率 16次/s 采樣時(shí)間為 62.5ms一般的A/D都可達(dá)到。miiVV2minmaxn線(xiàn)性誤差： 指A/D轉(zhuǎn)換器在滿(mǎn)量程內(nèi)的輸入和輸出之間的比例關(guān)系不是完全的線(xiàn)性而產(chǎn)生的誤差。n轉(zhuǎn)換速度 ： 指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，是從模擬量輸入至數(shù)字量輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。 o選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)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(shí)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

15、快。 A/D的時(shí)間由兩部分組成，轉(zhuǎn)換時(shí)間tc和恢復(fù)時(shí)間to，即：0/ttTcDA 若一個(gè)采樣周期內(nèi)，要完成N路模擬信號(hào)的采樣，則DAsNTT/保持建立時(shí)間保持建立時(shí)間通道指令通道指令S/H指令指令啟動(dòng)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)轉(zhuǎn)換EOCSHtcT tS tAC啟啟動(dòng)動(dòng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換邏輯控制S/H模擬多路開(kāi)關(guān)地址譯碼A/D模模擬擬通通道道EOCS/H指令指令數(shù)數(shù)字字輸輸出出通道指令通道指令捕捉時(shí)間捕捉時(shí)間開(kāi)始轉(zhuǎn)換開(kāi)始轉(zhuǎn)換3. 采集電路的工作時(shí)序和最高允許頻率n基準(zhǔn)電源穩(wěn)定度： 當(dāng)基準(zhǔn)電源電壓變化時(shí)，將使A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)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(shí)質(zhì)，相當(dāng)于輸入模擬信號(hào)有變化，從而產(chǎn)生誤差。nA

16、/D轉(zhuǎn)換器工作的環(huán)境（溫度、功耗、可靠性）nA/D轉(zhuǎn)換的輸出（串行、并行），與選用的計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)有關(guān)。第四節(jié) 模擬輸出通道o微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)的模擬輸出通道常用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模擬輸出通道的目的是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，其信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程正好與模擬輸入通道相反。o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(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù) 據(jù)寄存器R1調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不適合于要求多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作的系統(tǒng)每通道都有獨(dú)立的寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器2 數(shù)據(jù)分

17、配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù) 據(jù)寄存器R1調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)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(dú)立的兩個(gè)寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器各執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作3 模擬分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)a寄存器調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)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(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作的系統(tǒng)各通道都共用一個(gè)寄存器和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器四、模擬輸出通道器件及電路的選擇D/A轉(zhuǎn)換器的選擇oD/A位數(shù)的確定n當(dāng)模擬輸出需要不失真地重現(xiàn)模擬輸入信號(hào)，則D/A位數(shù)應(yīng)等于A/D位數(shù)n當(dāng)模擬輸出用于驅(qū)動(dòng)指針式儀表，則：n當(dāng)模擬輸出用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，若執(zhí)行元件的分辨力為VTH，需控制的信號(hào)的最大幅度為Vmax，則：n 2THnVVmax2 oD/A主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇n數(shù)字輸入特性o數(shù)碼的碼制：自然二進(jìn)制碼、補(bǔ)碼o數(shù)據(jù)格式：并行、串行o邏輯電平：TTL、HTL、COMSn模擬輸出特性：滿(mǎn)碼輸出電流、最大短路輸出電流等。n鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制：將直接影響接口電路的設(shè)計(jì)。n參考源：D/A轉(zhuǎn)換器的參考電源將影響模擬輸出的結(jié)果。o2. 反多路開(kāi)關(guān)和采樣保持