第6章过程输入通道与接口案例.ppt

第6章 过程输入通道与接口 过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括数字量输入通道，模拟量输入通道，数字量输出通道，模拟量输出通道。 6.1 输入通道的结构与信号变换 表6.1.1 输入信息分类与通道对照表 6.1.1 数字量输入通道DI 1.输入信号调理电路 2.防抖动输入电路 图6.1.2所示为一双稳态消抖器 3.防干扰输入隔离电路 图6.1.3 防干扰输入隔离电路 6.1.2 模拟量输入通道AI 1.AI通道的一般结构 图6.1.5所示为多路模拟输入通道的一般结构。由图可见，多路AI由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数转换器组成。 2. AI 通道中的信号变换 模拟信号到数字信号的转换包括信号采样和量化两个过程。 1） 信号的采样 信号的采样过程如图6.1.6所示 2）量化 采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号Y（t）幅值上的变化，也反映在采样信号Y*（t）上。 q=(Ymax—Ymin)/2 （6.1.1） 量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，存在±1/2q的量化误差。例如，q=20mv，量化误差为±10mv，1.009—0.99范围内的采样值，其量化结果是相同的。 3.AI的常用器件及电路 1） 多路开关 表6.1.2 CD4051通道选送表 2） 采样保持器（S/H） 图6.1.8 a） 所示为典型的采样保持器的基本电路。 图6.1.8 b所示为其各工作状态的波形。 在选择采样保持器时，要注意以下几个主要参数： 1）孔径时间 2）捕捉时间 3）保持时间 4）输出电压变化率dv0/dt 3) 电流/电压(I/V)变换 现场变送器输出的信号为0~10mA或4~20mA的统一信号，需经I/V变换成为电压信号，以下是两种变换电路。 （1）无源I/V变换 无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现,并加滤波和输出限幅等保护措施,如图6.1.10 所示。 （2） 有源I/V 变换 该同相放大电路的放大倍数为 A=1+R4/R3 （6.1.2) 若取R3=100KΩ，R4=150KΩ，R1=200Ω，则0~10mA输入对应0~5V的电压输出。若取R3=100KΩ，R4=25KΩ，R1=200Ω，则4~20mA输入对应于1~5V的电压输出。 6.2 输入通道AI中常用放大器 6.2.1 测量放大器 测量放大器又称仪表放大器，一般采用多运放平衡输入电路，图6.2.1最最基本的电路 根据叠加原理可以分析得到 V01= — (1+R1/RG)Vi- — R1/RGVi （6.2.1） V02= — (1+R1/RG)Vi+ + R1/RGVi (6.2.2) 测量放大器输出电压 V0=V01 +V02 =（1+2R1/RG)(Vi+ — Vi-） （6.2.3) 其增益为 G=1+2R1/RG （6.2.4） 由于对两个输入信号的差动作用，漂移减少，且具有高输入阻抗、低失调电压、低输入阻抗和高共模抑制比以及线性度较好的高增益。 测量放大器的一般结构如图6.2.2所示，两个差动输入端Vi+、Vi- 与信号源相连，对通过信号源引入的共模干扰有较高抑制能力。外接电阻RG用来调节增益，有些放大器还有对放大倍数进行微调的电阻RS。 目前许多集成测量放大器芯片可供用户使用。如AD521、AD522、INA101、WS112等。这里仅以INA101M为例作以介绍。 由于采用单芯片结构，而且组成的关键部件均采用激光微调技术，使其具有较高性能和较低的成本。其主要特性指标为：漂移电压≤0.25μV/C，偏移电压≤25μV,线性度≤0.002%,共摸抑制比≥106dB(60Hz),输入阻抗1010,电源±20V,输入电压范围±20V。 图6.2.3a) 为INA101M的一种简单接法。其增益用外接电