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第十章 模拟接口电路 10.1概述 在自动控制和测量系统中，被控制和被测量的对象往往是一些连续变化的物理量。如： 温度、压力、流量、速度、电流、电压等。这些随时间连续变化的物理量，称为模拟量(Analog)。计算机参与测量和控制时，模拟量不能直接送入计算机，必须先把它们转换成数字量 (Digital)。能够将模拟量转换成数字量的器件称为模拟数字转换器，简称ADC。同样，计 算机输出的是数字量，不能直接用于使用模拟量的控制执行部件，必须将这些数字且转换成 模拟量。能够将数字量转换成模拟量的器件称为数字／模拟转换器，简称DAC。因此，我们常把ADC和DAC器件以及相关电路成为模拟接口电路。 计算机通过ADC或DAC转换器，与外界使用模拟量的设备相连接的技术就是模拟接口技术，它是计算机应用于自动控制领域的基础。一个典型的计算机测控系统如图10-1所示。 图10-1 典型的计算机检测、控制系统框图 为了让大家建立一个比较完整的测控系统概念，在本章重点介绍ADC、DAC转换器及其应用之前，有必要对图10.1中的其他部分，如传感器、放大器、多路开关、采样保持器、驱动器和执行部件做以简单的介绍。因为在实际系统中，任何一个部件的问题，同样严重的影响整个计算机的检测和控制系统的正常运行，甚至令整个系统瘫痪。 1．传感器 在计算机检测、控制系统中，传感器位于系统的最前端，其作用相当于人的五官，是信息采集系统的首要部件。严格地说，传感器是把非电量的量值形式(如物理量、化学量、生物量等)转换成另一种与之有确定对应关系且便于计量的电量形式(如电压或电流)的装置。它实现两种不同形式的量值之间的变换，目的是为了计量。随着人工智能计算机的深入研究，：传感器也向着智能传感器方向发展，能把图像、声音等通过智能传感器直接输入计算机，使计算机具有视觉和听觉等能力。一般传感器的类型可以分为如下几类： 1)按被测量的性质分 (1)机械量(几何尺寸、力、速度、振动等)传感器。 (2)热工量(温度、压力、流量等)传感器。 (3)物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器。 2)按输出量的性质分 (1)参量型传感器：即输出是非源电参量，如电阻、电感、电容和频率等。其中，电 阻式又分为电位器、热敏电阻、光敏电阻、气敏电阻、声敏电阻等；而电感式又分为自感、 互感、压磁和涡流式等。 (2)发电型传感器：即输出是电势或电流，如热电偶式、光电池式、电极电位式、磁· 电势和压电式等。 对上述两种常用的分类法，显然第一种是从应用的目的出发的，而第二种分类法则从 研究的目的出发，即主要着眼于变换过程的特征。综合理解各种分类方法的特点，对深入 认识各种传感器的本质和特点，以便灵活使用它们很有帮助。关于传感器的使用和相关测量技术请参阅相关书籍，在这里我们就不多叙述了。 2．量程放大器 量程放大器是任何数据采集系统不可缺少的组成部分。由于传感器输出信号往往是微伏或毫伏级信号，而信号(模拟信号)的显示部分或计算机的ADC转换器一般要求为伏的数量级(如0—5V)，为满足后者对信号幅度的要求，必须对传感器的输出信号进行放大和处理。显然放大器性能的优劣及其线路形式的合理与否将对整个系统的长期、可靠运行有密切的关系。 3．模拟多路开关 在计算机检测与控制系统中，由于一个CPU在同一时刻只能处理一路模拟量的A／D转换，又因为一个高精度A／D转换器价格较高，故往往在一个计算机检测系统中仅采用一个A／D转换器，此时该系统若有多路模拟量被采集的话，则要增多一块模拟多路开关实现“多路选一”控制，让CPU对各路模拟量实行分时采集。同样CPU只用一块D／A转换器，同时也要一块模拟多路开关实现一选多路控制，使CPU实现对各路执行部件的分时控制。 模拟量多路开关实际上就是CMOS传输门。目前，产品种类很多，如CD4051B(8选1模拟开关)，CD4052B(双4选1模拟开关)，CD4067B(16通道模拟开关)等。它们的工作原理在数字电子技术基础中已做详尽的分析，这里就不多叙述了。 4．采样保持电路 在A／D进行转换期间，保持输入信号不变的电路称采样保持电路。由于输入模拟信号是连续变化的，而A／D转换器完成一次转换是需要时间的。对于变化较快的模拟输入信号来说：如果不采取措施，将会引起较大的转换误差。这个误差是由转换时间内输入模拟信号变化幅度较大引起的，因而影响检测系统和控制系数的精度。 5．驱动器 计算机输出的数字量信号经DAC转换后的模拟信号或直接输出的开关量信号，其驱动功率往往不能满足执行部件的要求。所以，在驱动执行部件之前，一般都要进行功率放大、信号隔离和匹配、以及动作时间协调等。鉴于计算机过程控制现场，有不少执行部件是工作于开关状态的，如步进电机、启／停交流电机、交