【正文】 定時(shí)法 – 中斷法 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 68 逐位逼近式 A/D芯片介紹 ? 逐位逼近式 A/D芯片品種很多，可滿足各種需要 ? 8位 A/D轉(zhuǎn)換器芯片 ? 12位 A/D轉(zhuǎn)換器芯片 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 69 典型的 A/D轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 70 1） 8路 8位 A／ D轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8位 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間 。 相對(duì)誤差 是指絕對(duì)誤差與滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來表示，對(duì) A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù) LSB（ Least Significant Bit)）來表示， 1LSB = 1／ 2n 。 所謂 絕對(duì)誤差 ，是指對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差的大小由實(shí)際模擬量輸入值和理論值之差來度量。 二、 A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo) — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 60 2. 轉(zhuǎn)換精度 ? A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指 A/D的實(shí)際輸出接近于理想輸出精確程度。分辨率為 n，表示它可以對(duì)滿刻度的 1/ 2n的變化量作出反應(yīng)。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。其實(shí)現(xiàn)主要基于過程取樣、 ΣΔ調(diào)制和數(shù)字濾波。 ? 優(yōu)點(diǎn)：器件少、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、價(jià)格便宜，適用于非快速計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)或精度要求較高的地方。積分器的輸出電壓，從正向積分結(jié)束時(shí)的 VI開始以恒定的斜率下降，當(dāng)反向積分使其積分器輸出為零時(shí)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，完成一次 A/D轉(zhuǎn)換工作。 – 器件少 、 使用方便 、 抗干擾能力強(qiáng) 、 數(shù)據(jù)穩(wěn)定 、 價(jià)格便宜 ， 適用于非快速計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)或精度要求較高的地方 。 ?模擬電壓先轉(zhuǎn)換成積分時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，最后將代表模擬輸入電壓大小的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成 BCD碼輸出。所以在實(shí)際中很少使用它。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 48 ? 優(yōu)點(diǎn)：這種 A／ D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理清楚 ? 缺點(diǎn)：它的轉(zhuǎn)換速度與精度之間存在著嚴(yán)重矛盾。當(dāng)這個(gè)信號(hào)值與輸出模擬量比較相等時(shí)（在允許的誤差范圍內(nèi)），比較器輸出一個(gè)停止計(jì)數(shù)信號(hào)給計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器立即停止計(jì)數(shù)。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 46 1計(jì)數(shù)器式 A/D轉(zhuǎn)換器 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 47 原理：轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器和比較器組成。 它們的功能及在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的地位 ， 如圖所示 。 ?D/A轉(zhuǎn)換器 （ Digital to Analog Converter）是一種能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件； A/D 轉(zhuǎn) 換 器 （ Analog to Digital Converter） 則相反 ， 它能把模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量 。這里，用 TTL邏輯電平控制采樣和保持狀態(tài)，如AD582的采樣電平為 “ 0”，保持電平為 “ 1”，而LF198的則相反。一般情況下，保持電容 CH是外接的，所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高質(zhì)量的電容器，容量為 510~1000pF。保持電壓 VC的變化率為 式中： ID為保持期間電容的總泄漏電流，它包括放大器的輸入電流、開關(guān)截止時(shí)的漏電流與電容內(nèi)部的漏電流等。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 39 INV1A 2A－＋HCO UTVSO UTVINVtt圖 2 8 采樣保持器 路電理原)a( 性波作工)b(采樣 保持圖 采樣保持器 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 40 顯然，保持電容 C H的作用十分重要。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 38 采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器 AA2和采樣開關(guān) S、保持電容 CH等組成。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 37 采樣保持器 零階采樣保持器 零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時(shí)間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個(gè)采樣時(shí)刻。 采樣定理給出了 y*(t)唯一地復(fù)現(xiàn) y(t)所必需的最低采樣頻率。為了使采樣信號(hào) y*(t)既不失真，又不會(huì)因頻率太高而浪費(fèi)時(shí)間，我們可依據(jù)香農(nóng)采樣定理。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 34 0 t 0 T 2T 3T t采樣器y ( t )*y ( t )*y( t )y ( t ) ?T圖 2 7 信號(hào)的采樣過程采樣器的常用術(shù)語(yǔ)： 采樣器或采樣開關(guān) 執(zhí)行采樣動(dòng)作的裝置， 采樣時(shí)間或采樣寬度 τ 采樣開關(guān)每次閉合的時(shí)間 采樣周期 T采樣開關(guān)每次通斷的時(shí)間間隔 在實(shí)際系統(tǒng)中， ?《 T ，也就是說，可以近似地認(rèn)為采樣信號(hào) y*(t)是 y(t)在采樣開關(guān)閉合時(shí)的瞬時(shí)值 。應(yīng)用最多的是周期采樣。 ?數(shù)據(jù)采樣定理 ?采樣保持器 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 32 1 數(shù)據(jù)采樣定理 離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng) 把連續(xù)變化的量變成離 散量后再進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 29 D 3 D 2 D 1 D 0動(dòng)驅(qū)碼譯動(dòng)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(kuò)展電路INHINH— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 30 O U T O U TC CAB BAD 0D 1D 2D 3C D 4 0 5 1 C D 4 0 5 1I N H I N HS 1S 8S 1S 8ININININ{{模擬輸入（1 8 ）模擬輸入（9 1 6）~~模擬輸出.....圖 用 CD4051多路開關(guān)組成的 16路模擬開關(guān)接線圖 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 31 五、 采樣保持器 當(dāng)某一通道進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換時(shí) ， 由于 A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間 ， 如果輸入信號(hào)變化較快 ，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差 。當(dāng) D3=0時(shí)，選中上面的多路開關(guān)，此時(shí)當(dāng) D DD0從 000變?yōu)?111，則依次選通 S0~S7通道；當(dāng) D3=1時(shí)，經(jīng)反相器變成低電平，選中下面的多路開關(guān)，此時(shí)當(dāng) D D D0從000變?yōu)?111，則依次選通 S8~S15通道。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 28 例題分析：圖給出了兩個(gè) CD4051擴(kuò)展為1 16路模擬開關(guān)的電路。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 25 圖2 3 CD4051結(jié) 構(gòu)原理圖0S2S3S4S5S6S7S1S動(dòng)驅(qū)碼譯換轉(zhuǎn)平電ABCIN HmSCD4051結(jié)構(gòu)原理圖 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 26 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 27 2 擴(kuò)展電路 當(dāng)采樣通道多至 16路時(shí)，可直接選用 16路模擬開關(guān)的芯片，也可以將 2個(gè) 8路 4051并聯(lián)起來，組成 1個(gè)單端的 16路開關(guān)。比如：當(dāng) C、 B、 A=000時(shí)，通道 S0選通；當(dāng) C、B、 A=001時(shí)，通道 S通； …… 當(dāng) C、 B、 A = 111時(shí)，通道 S7選通。 CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動(dòng)及開關(guān)電路三部分組成。雙端是指芯片內(nèi)的一對(duì)開關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信號(hào)的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。如集成電路芯片 CD4051(雙向、單端、 8路 )、 CD4052(單向、雙端、 4路 )、 AD7506(單向、單端、 16路 )等。所以，必須通過多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)多選 1的操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 20 三、隔離放大器 特點(diǎn)：具有一般通用運(yùn)放的特性，信息傳遞是通過磁路和光路來實(shí)現(xiàn) 作用：在輸入電路和輸出電路之間實(shí)現(xiàn)電隔離 常用器件： Model27 ISO122/124 程控增益運(yùn)算放大器 作用：在多通道或多參數(shù)的模擬輸入通道共用一個(gè)測(cè)量放大器、一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，對(duì)不同通道或參數(shù)改變測(cè)量放大器的增益。顯然，這一組開關(guān)如果用多路模擬開關(guān) (類似 CD4051)就可方便地進(jìn)行增益可變的計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制。具有這種性能的放大器稱為可變?cè)鲆娣糯笃骰蚩删幊谭糯笃?，如圖。 )21( 12ININOUTGSRRRRVVVG ??????— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 17 可變?cè)鲆娣糯笃? 在 A/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測(cè)信號(hào)常常共用一個(gè)測(cè)量放大器，而各路的輸入信號(hào)大小往往不同，但都要放大到 A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，放大器的增益 G與這個(gè)外接電阻RG有著密切的關(guān)系。 經(jīng)典的測(cè)量放大器 是由三個(gè)運(yùn)放組成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，測(cè)量放大器的差動(dòng)輸入端 VIN?和 VIN?分別是兩個(gè)運(yùn)放 A A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對(duì)稱地直接與被測(cè)信號(hào)相連，因而有著極強(qiáng)的抑制共模干擾能力。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 13 圖 35 放大電路 VIV O1R2R圖 2 5 放大電路VIV O1R2R(a ) 同相放大～U s～U s(b ) 反相放大— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 14 測(cè)量放大器 在實(shí)際工程中 ,來自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)往往帶有較大的共模干擾 ， 而單個(gè)運(yùn)放電路的差動(dòng)輸入端難以起到很好的抑制作用。如圖 35所示，信號(hào)源的一端若接放大器的正端為同相放大，同相放大電路的放大倍數(shù) G =1+R2/R1； 若信號(hào)源的一端接放大器的負(fù)端為 反相放大 ， 反相放大電路的放大倍數(shù) G =－ R2/R1。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 12 第二節(jié)前向通道中的信號(hào)調(diào)節(jié)與信號(hào)調(diào)節(jié)器 前置放大器的任務(wù) 是將模擬輸入小信號(hào)放大到 A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如 05VDC。 ? 模擬輸入通道與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)系較緊，而且傳感器輸出信號(hào)較弱，電源配置時(shí)要充分考慮干擾的隔離與抑制。 3．模 —數(shù)轉(zhuǎn)換方式的選擇 ? V/F變換方式：將信號(hào)電壓變換為頻率量，由計(jì)算機(jī)或計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。包含小信號(hào)放大、濾波、零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償、誤差修正、量程切換等信號(hào)處理電路。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 10 2。 5V、 0~10V、 177。 輸出頻率量傳感器精度高、抗