第二章输入输出接口技术选读.ppt

微机控制技术 第二章 输入/输出接口技术 2.1 基本概念 输入输出通道 信号的采样 采样定理 量化及量化误差 问题：连续信号?离散信号？误差？ 2.1 基本概念 I/O通道:计算机和生产过程之间的信息传送和转换的连接通道 输入通道:将被控对象的信号提供给计算机的通道 输出通道:计算机的控制信号作用于被控对象的通道。 I/O通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道 。 1、信号的采样过程 对于一个连续的信号首先通过采样开关，按预定的时间间隔取连续变化信号的瞬间值，形成一系列等间隔的离散信号，再经过A/D转换器将离散信号进行量化处理，转换为时间上和幅值上都离散的数字信号。 计算机控制系统采用离散的采样数据进行处理，模拟控制系统采用连续信号进行控制。计算机控制系统也称为离散系统，或采样数据系统。 计算机控制中采样形式有： （1）周期采样 即采样间隔为常数tk-tk-1=T（k=0,1,2,…）T称为采样周期 （2）多阶采样 tk-tk-r=常数（r1） （3）随机采样 即没有固定的采样周期，根据需要选择采样时刻 应用最多的是周期采样。 由于脉冲宽度τ一般远小于采样周期T，即τ/T→0，可用单位脉冲函数δ(t)来替代开关脉冲，用单位脉冲序列δT(t)替代开关函数s(t)。 单位脉冲是一种理想脉冲，幅值无穷大，宽度无穷小，面积（单位脉冲冲量）为1。单位脉冲序列可表示为: 采样定理为数字系统（包括数字通讯、数字信号处理和数字控制等）采样周期的选择提供了理论依据，给出了采样周期的上限。在实际应用中采样周期的选择要考虑以下因素： ①???? 加于生产过程的扰动程度； ②???? 被控对象的动态特性； ③???? 所采用的控制方式和执行机构的类型； ④???? 被控对象所要求的控制品质指标。 在工程实际应用中，一般选取采样频率 3、量化及量化误差 采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号必须经过量化过程，变成数字信号才能被计算机接受和处理。 量化过程（简称量化）就是用一组数码（如8位或16位二进制码）来表示离散的模拟信号的大小。量化是由A/D转换器完成的。 计算机、D/A（A/D）转换器，只能在一定精度条件下用有限的字长来表示数，从而造成误差，称为量化误差。 量化误差是量化过程中的固有误差，其大小与量化单位有关，即与数值的细分成程度有关。量化单位是指量化中二进制数的最低位(LSB)对应的模拟量的值。 设fmax和fmin分别表示可被转化的模拟信号最大值和最小值，则量化单位q为： 2.2 模拟量输入通道 信号调理 多路开关 采样/保持器 A/D转换原理 8位A/D转换器ADC0809 12A/D转换器AD574 A/D转换接口技术 模拟量输入通道设计 模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压(或电流)信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。 为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成0～10mA或4～20mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。 常见的传感器检测的量包括：温度、压力、流量、物位（液位）、机械量、成分等。 模拟量输入通道的功能是将各类传感器转换来的模拟电信号转换成数字信号送入计算机。其组成包括： ⑴ 信号调理 通过信号变换、滤波、线性化、隔离等，将信号转换成标准信号 (2)多路转换器 当有多个信号源分时使用模拟量输入通道时，必须采用多路转换器。 (3)前置放大器 将传感器得到的电信号进行放大处理，以满足A/D转换器规定的量程输入。 (4)采样/保持器 用以保持采样点的模拟信号，使其在A/D转换期间保持不变。 (5)A/D转换器 将模拟量转换为计算机可识别的二进制数字量。 (6)I/O接口 用来锁存A/D转换后的数字量，以供计算机来读取。 1 信号调理 信号调理电路（信号预处理）主要是对来自传感器或变送器的信号进行处理。如将4mA～20mA或0～10mA电流信号变为电压信号，将热电阻(Pt100或Cu50)的电阻信号经过桥路变为电压信号等。 绝大多数传感器均有相应的变送器，但温度传感器的调理电路往往需自己制作。常见的温度调理电路采用桥式电路原理进行测量。 无源I/V变换 无源I/V变换可以利用一个的精密电阻，将0～10mA的电流信号转换为0～5V的电压信号。 有源I/V变换 有源I/V