【正文】 統(tǒng)輸入通道中的一種，它的任務(wù) 是把傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸 入計(jì)算機(jī)。 3． 系統(tǒng)通過率 系統(tǒng)通過率由模擬多路開關(guān) 、 輸入放大器的穩(wěn)定時(shí)間 、 采樣 /保持電路的采集時(shí)間以及 A/D轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)換時(shí)間確定 ， 它決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 。 2．孔徑誤差 由于模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量有一個(gè)過程，對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)， 在 A/D轉(zhuǎn)換器接通的孔徑時(shí)間里，輸入的模擬信號(hào)值是不確定的，從 而引起輸出的不確定性誤差 —— 孔徑誤差。 為了保證數(shù)據(jù)采集精度，在數(shù)據(jù)采集通道中應(yīng)采?。? （ 1）增加每個(gè)周期的采樣數(shù)，通常根據(jù)數(shù)據(jù)帶寬，在最高頻率端每 周期采樣 7～ l0次。 課程內(nèi)容27 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) I IN 4~ 20mA +in 3 Cr 2 in 1 + + 1 μ F 公共 公共 Rcv Rcv Ref 噪聲抑制 16 4 13 7 5 8 Ref 調(diào)整 10 Ref f A 11 Rcv O ut （ 0 ~ 5V ） 15 R ef f B 12 R ef in 14 R C V 420 + 10V R ef er enco R S R S R S = 75 Ω V 0 1 μ F 數(shù)據(jù)采集中的誤差分析 1．系統(tǒng)的采樣速度 在一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采樣速度表示了采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。 RCV420是一種精密的電流 /電壓變 換器，它能將 4～ 20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成 0～ 5V的電壓信號(hào)。 (2)隔離型 V/I轉(zhuǎn)換電路 采用 ISO100光電隔 離放大器組成的 4～ 20mA V／ I變換電路 原理如圖所示。 圖中 REF10為＋ 10V精密電壓基準(zhǔn)，提供一個(gè)＋ 10Ⅴ 標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓電源，此標(biāo)準(zhǔn)電源與 0～ l0Ⅴ 輸入信號(hào)一起加到由超低噪聲精密運(yùn)算放大器 OPA27所組成的反相比例求和電路。 （ 1） 0～ 10V／ 4～ 20mA轉(zhuǎn)換電路 電流信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：以消除電纜衰減，抗工業(yè)現(xiàn)場干擾。引腳 33還可輸出－ 13V（ 相對(duì)引腳 2），以 供其它外電路使用，電容 C2用于對(duì)－ 13V濾波。電阻 RG是增益調(diào)整電阻，輸 入級(jí)增益為 ? ?111 /91 RRRG G ???R1—— 輸入級(jí)內(nèi)部反饋電阻 課程內(nèi)容24 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) W1是輸入級(jí)調(diào)零電位器，如果需調(diào)零， W1的滑動(dòng)點(diǎn)與引腳 2相連。 課程內(nèi)容23 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) ⑤ 隔離放大器集成芯片 常用變壓器耦合隔離放大器有 Model27 Model27 AD29AD294等，光耦合隔離放大器有 ISO100等。 ④ 光耦合隔離放大器。由于放大 器的兩個(gè)輸入端都是浮空的，所以，它能夠有效地起測量放大器的 作用，又因采用變壓器耦合，所以輸入部分和輸出部分是隔離的。在輸出級(jí)把交流信號(hào)解調(diào)變成直流 信號(hào)，再經(jīng)濾波和放大，最后輸出 0～177。 10V 同步 I / O T2 直流電源 VS從 + 至 + 25V 公共端 T1 增益 R 增益 Vi 公共端 177。典型的隔離 放大器原理圖如下圖所示。 ② 應(yīng)用場合 測量處于高共模電壓下的低電平信號(hào)；消除信號(hào)源 地網(wǎng)絡(luò)干擾（如大電流的跳變）所引起的測量誤差；避免與地構(gòu)成 回路及其寄生拾取問題；保護(hù)系統(tǒng)電路不致因輸入端或輸出端的高 共模電壓造成損壞；用于醫(yī)療儀器為病人提供安全接口等。 由于三種輸入 的反饋電阻不同，固而可 得到不同的增益。 PGA102是一種獨(dú)立、 高速、高精度的數(shù)字式可 程序設(shè)置增益的儀器放大 器，由 COMS/TTL電平來選 擇增益為 10或 100，其 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。如果是零，就進(jìn)一步判斷增益是否為最高一檔，若不是最高檔，將增益升高一級(jí)再進(jìn)行 A／ D轉(zhuǎn)換及判斷；如不為零或 PGA已經(jīng)升到最高檔，則說明量程已經(jīng)切換到最合適檔，此時(shí)微處理器對(duì)所測得的數(shù)據(jù)再進(jìn)一步處理。 S 3 39。 U i S 1 S 2 S 3 U 0 + U i R ２ S 1 39。可編程增益測量放大 器的原理如圖所示。 OFF SET OFF SET OUTPUT a ） b ） V 10k 3 5 R S =100k V OUT R G +IN IN 14 4 6 11 7 12 13 10 8 1 1 14 2 13 3 12 4 1 1 5 10 6 9 7 8 2 A D 521 V+ V IN R G R S SENSE REF R S COMP V+ +IN R G IN OFF SET V OFF SET OUTPUT AD521的管腳功能及基本接法 課程內(nèi)容16 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) （ 2）可編程增益放大器（ PGA） ① 可編程增益放大器的特點(diǎn) 是硬件設(shè)備少，放大倍數(shù)可根據(jù)需 要通過編程進(jìn)行控制，使 A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號(hào)達(dá)到均一化，提高 了測量精度。 b. AD522也是單芯片集成精密測量放大器。在使用 AD521 （ 或其他測量放大 器）時(shí)，要特別注意 為偏置電流提供回路。 S’ R S ＇ R G V IN + V IN V OUT R2 ＇ R S R1 R2 A1 A2 A3 負(fù)載 R1 ＇ 外接 測量放大器的原理圖 課程內(nèi)容15 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) ③ 測量放大器集成芯片 常用的有 AD521S、 AD522B、 AD61 AD60 ZF605等。 ： A A2二個(gè)同相放大器 組成差動(dòng)式放大電路，輸入信號(hào)加在 A A2的同相輸入端，從而具有高抑 制共模干擾的能力和高輸入阻抗。 電流信號(hào) 大信號(hào) 小信號(hào) 傳感器 傳感器 傳感器 小信號(hào)放大 信號(hào)修正與變換 I / V A/ D V/ F 光電 耦合 計(jì) 算 機(jī) 濾 波 環(huán) 節(jié) 傳感器 傳感器 傳感器 前置放大器 多 路 開 關(guān) 前置放大器 A / D 計(jì) 算 機(jī) V / F 光電 耦合 濾 波 環(huán) 節(jié) 前置放大器 可編程增益放大器 … 信號(hào)調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu) a） 單路采集 a） 多路采集 課程內(nèi)容14 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) （ 1）測量放大器 ① 測量放大器的特點(diǎn) 具有高共模抑制比、高速度、高精度、寬頻帶、 高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等。為避免小信號(hào)通過模擬開關(guān)造成較大的附加誤差，在傳感器輸出信號(hào) 過小時(shí)，每個(gè)通道應(yīng)設(shè)前置放大環(huán)節(jié)。若是大電流輸 出，只需經(jīng)簡單的 I/V轉(zhuǎn)換即可；若是大信號(hào)電壓，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 ② 信號(hào)濾波是為了提高信噪比。一般小信號(hào)放大環(huán)節(jié)可選擇測量放大器。 被控參數(shù) 采樣周期（ s ） 備注 流量 壓力 液位 溫度 成分 1 ～ 5 3 ～ 10 8 ～ 8 15 ～ 20 15 ～ 20 優(yōu)選 1 ～ 2 優(yōu)選 6 ～ 8 課程內(nèi)容12 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 信號(hào)的放大與隔離技術(shù)及常用器件 （ 1）信號(hào)調(diào)節(jié)的任務(wù) 是將被測對(duì)象的輸出信號(hào)變換成計(jì)算機(jī)要求的輸入信號(hào)。 （ 4） 采樣定理 的應(yīng)用 由于所有的信號(hào)并非都是 “ 有限帶寬 ” ，所以在實(shí)際應(yīng)用中，往 往所取的實(shí)際采樣頻率 fS比兩倍 fmax大，一般而言， fS至少取 4 fmax。 但是，采樣頻率太高，在實(shí) 時(shí)控制系統(tǒng)中將會(huì)把許多寶貴的 時(shí)間用于采樣，從而失去了實(shí)時(shí) 的控制機(jī)會(huì)。 （ 2）采樣過程分析 一個(gè)連續(xù)變化的信號(hào)，經(jīng)采 樣后形成一組脈沖序列。采樣器原理如 下圖所示。 把以一定時(shí)間間隔 T逐點(diǎn)采集連續(xù)的模擬信號(hào)，并保持一 個(gè)時(shí)間 t， 使被采集的信號(hào)變成時(shí)間上離散、幅值等于采樣時(shí)刻該信號(hào) 瞬時(shí)值的一組方波序列信號(hào)。 模擬量控制系統(tǒng) ， 則應(yīng)通過數(shù) /模轉(zhuǎn)換 （ D/A） 將其變換成模擬量信號(hào) 。輸出通道的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。 （ 1）輸出通道的作用 是計(jì)算機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算處理后，將處理結(jié)果回送給被測對(duì)象的數(shù)據(jù) 通路。 模擬信號(hào)經(jīng)放大器放大，通過采 樣 /保持器（ S/H） 送入 A/D轉(zhuǎn)換器。 （ 2）輸入通道的結(jié)構(gòu) ① 單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 ④ 頻率信號(hào)，能滿足 TTL電平要求的直接輸入 I/O口；不滿足則應(yīng)通 過放大、整形變換成 TTL電平信號(hào)后再送入。 ② 傳感器輸出的是小信號(hào)模擬電壓 應(yīng)將該信號(hào)電壓放大，以滿足 A/D、 V/F轉(zhuǎn)換所要求的輸入電壓。根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的大小、類型，輸入通道的結(jié)構(gòu)類型如 表所示。 （ 1）輸入通道的內(nèi)容 輸入通道是將被測對(duì)象信號(hào)傳送到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)通 路。 課程內(nèi)容2 信號(hào) 輸出 信號(hào) 輸入 主機(jī)箱 數(shù)據(jù)采集與控制通道 通用計(jì)算機(jī) CR T 打印機(jī) 鍵盤 磁盤 驅(qū)動(dòng)器 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) （ 1）分辨率和精度 （ 2）模擬量輸入通道的數(shù)量