第3章过程通道数据采集1-2概要.ppt

第三章 过程通道和数据采集系统 杨根科 上海交通大学自动化系 2010年3月 内容提要 概述 模拟量输入通道: 采样, 多路转换器 D/A与A/D转换技术 A/D转换器及其与微处理器的接口 数据采集系统 D/A转换器及其与微处理器的接口 过程通道的抗干扰措施 小结 1 概述 过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO） 1 概述 2/10 过程通道的组成和功能 ◆ 数字量输入（DI）通道：把从控制对象检测得到的数字码、开关量、脉冲量或中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给计算机(检测通道) 1 概述 3/10 ◆ 数字量输出（DO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口输出数字信号、脉冲信号或开关信号(控制通道,电磁阀) 1 概述 4/10 ◆模拟量输入（AI）通道：把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号（如温度,压力,流量,液位等）(1-10V,4-20mA)变换成二进制的数字信号，然后经接口送入到计算机(检测通道) ◆ 模拟量输出（AO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象(控制通道,连续调节阀) ◆ AI、AO比较重要，有不少特殊问题要解决 1 概述 5/10 信号转换中的采样、量化和编码 计算机??控制系统，就必须首先解决模拟量和数字量之间的转换问题。转换过程大体上要解决如下3个问题： — 采样（Sample） — 量化（Quantity） — 编码（Coding） 1 概述 6/10 ◆ 信号的采样 把时间连续的信号转换为一连串时间不连续的脉冲信号，这个过程称为“采样”，又称为“抽样”、“取样” 1 概述 7/10 ◆ 采样后脉冲信号称为采样信号，采样信号在时间轴上是离散的，在函数轴上仍是连续的 ◆ 香农（Shannon）采样定量：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f ≥ 2 fmax，采样信号就能唯一复现原信号。采样定理规定了不失真采样的频率下限。在实际应用中常取f＝（5～10）fmax  1 概述 8/10 ◆ 量化 采样信号经过整量化成为数字信号的过程称为整量化过程 1 概述 9/10 ◆整量化过程是一个数值分层过程。四舍五入过程 ◆量化单位 q 是A/D转换器最低位二进制位（LSB）所代表的物理量，量化误差(精度)为±q/2 ◆采样信号与数字信号的区别 ◆实际应用中, f=(5~10)fmax 1 概述 10/10 ◆ 编码 ◆ 把量化信号转换为二进制代码的过程称为编码 ◆ 编码的任务由A/D转换器完成 ◆ 双极性(正负)信息的 3种表示方法 — 符号－数值码 — 补码表示法 — 偏移二进制码 注记：常用的双极性编码 注记：常用的双极性编码关系 备注:十进制数转换二进制数 方法：整数采用“除以2取余法”，小数采用“乘以2取整法”。 将十进制数37．375转换为二进制数: 故(37.375)10=(100101.011)2 内容提要 概述 模拟量输入通道: 采样, 多路转换器 D/A与A/D转换技术 A/D转换器及其与微处理器的接口 数据采集系统 D/A转换器及其与微处理器的接口 过程通道的抗干扰措施 小结 2 模拟量输入通道 模拟量输入通道的一般组成 一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和A/D转换器组成 2 模拟量输入输出通道 2/15 ◆ 检测：把非电量的工艺参数（如温度、压力、流量等）通过传感器转换为电量（一般为直流电压或电流） ◆ 信号处理：包括信号滤波、小信号放大、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线行补偿、电流/电压转换等 2 模拟量输入输出通道 3/15 多路转换器(多路调制器/多路解调器开关, CD4051等) ◆当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时，常常采用模拟多路开关，利用它将各路模拟量轮流与A／D转换器接通。这样使用一片A／D转换器就可完成多个模拟输入信号的依次转换，从而节省了硬件电路。 ◆ 理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。 ◆ 两大类： — 机械触点式, 干簧继电器, 机械振子继电器 — 电子开关式, 晶体管开关,集成电路开关, 场效应管 ◆ 选择要求 2 模拟量输入输出通道 4/15 ◆ 选择要求 — 机械触点式, 干簧继电器 接触电阻小, 断开电阻大; 寿命长10^6~10^7