1、第12章 輸入通道及接口技術 輸入輸出通道是智能儀器儀表的重要組成部分。測控對象的參數、狀態等由輸入通道進入儀器儀表，這些信息經過智能儀器儀表處理后，得到的測量結果、控制命令等則通過輸出通道傳遞給執行機構。 輸入輸出通道分為模擬通道和數字通道。 數字通道可以直接接入MCU嗎？輸出通道呢？ 模擬通道可以直接和MCU相連接嗎？ 或者： 如果將MCU換成計算機，問：計算機可以直接處理模擬信號嗎？可以直接處理數字信號嗎？ 12.1 數字信號的輸入與處理開關量的預處理電路開關量信號是智能儀器常需處理的最基本的輸入輸出信號，這類信號包括指示燈的亮和滅，斷電器或接觸器的吸合與釋放，馬達的啟動與停止。可控硅的

2、通和斷，閥門的打開和關閉等這類信號的最大特點是只需要判斷開和關、有電流輸入或無電流輸入或者高低電平兩種狀態。 12.1.1數字輸入通道的預處理當輸入信號的高低電平不符合微處理器的要求時，可以采用圖所示的轉換電路，先根據后續電路器件的輸入要求選擇門電路G，然后確定兩個電阻值。把輸入信號轉換成標準的高低電平，用二進制數的1和0來表示。 標準邏輯電平在標準測試條件下TTL邏輯門電路及CMOS邏輯門電路輸入輸出性能的主要指標，可以在選擇時作參考，在不同的工作條件下這些輸入輸出性能會有所變化，設計時要根據參考資料進行分析比較。邏輯門類型輸入高電平輸入電流輸出低電平輸出電流輸入低電平輸入電流輸出高電平輸出

3、電流TTL2V20A0.3V-0.4mA0.8V-0.38mA3.4V3.15V1A0V-5.2mA1.35V-1A5V5.2mA 12.1.2 脈沖信號的輸入處理數字式傳感器直接輸出的頻率信號、積累式儀表如電量計、流量計的變送器輸出的頻率信號都是常見的脈沖輸入信號。普通傳感器、測速發電機等模擬傳感器輸出的模擬信號經壓頻轉換器變換后也成為脈沖信號。這些脈沖輸入信號主要采用計數器、定時器接口，如Intel 8253、8254等芯片或單片機內部的計數器接口，測量其頻率（單位時間內的周期數） 。 12.1.2 脈沖信號的輸入處理測量主要方法有測頻法和測周法。1.測頻法測頻法是按照頻率的定義對信號的頻

4、率進行測量。其測量電路如下: 12.1.2 脈沖信號的輸入處理圖3.4 測頻法兩次測量計數值差1測頻法測量頻率的最大可能誤差為1，此誤差可稱為“1個字誤差”或“1誤差”這種方法適合測量高頻信號 12.1.2 脈沖信號的輸入處理測周法是用一個標準的高頻信號fs作為計數器的讀數對象，測量輸入信號的一個周期T然后根據而得到信號的頻率。測量原理圖與測頻法相同。12.1.2 脈沖信號的輸入處理定時器輸出的是用以計數的高頻信號。當輸入信號為方波時，只要測量輸入信號的高電平時間，則計數值N為讀數值的2倍.測周法兩次測量讀數值差1 12.1.2 脈沖信號的輸入處理若標準信號頻率fs已確定，則被測信號的頻率f越

5、低（即周期T越長）則測量精度越高，因此，測周法測量信號頻率時，適用于信號頻率較低的場合。 把用測頻法和測周法的測量相對誤差（主要為1誤差）相等時的頻率作為兩種方法的分界點，稱為中界頻率，則有：中界頻率式中，fs為測周法時的標準頻率（一般與計數器的最高輸入頻率有關）,t0為測頻法時的測量時間（一般與允許的最大測量時間有關），當待測輸入信號的頻率大于f1時，選用測頻法，當待測輸入信號的頻率小于f1時，選用測周法。12.1.2 脈沖信號的輸入處理課堂討論:測頻法與測周法有什么區別?什么是中界頻率?什么適用于測量高頻信號?12.1.2 脈沖信號的輸入處理實際的待測信號的形狀、幅度往往是未知的，并可能還

6、夾帶著一定的噪聲，如果輸入信號不是標準的脈沖信號，則需要進行預處理，通常稱為輸入通道處理，輸入通道一般由調整電路、放大整形電路組成。 12.1.2 脈沖信號的輸入處理 調整電路一般由阻抗變換器、衰減器、保護電路構成，其作用是限制輸入信號的幅度，并提高輸入阻抗 . 放大整形電路一般采用施密特觸發器，把輸入信號轉換成符合計數器輸入標準的矩形脈沖信號。 12.1.2 脈沖信號的輸入處理 有些電子計數器還將輸入通道分為低頻通道和高頻通道，為了和低頻通道共用一個計數器，高頻通道中含有分頻器電路。 . 數據選擇器是可以從多路輸入的數字（脈沖）信號中根據控制信號選取其中一路輸出的電路，通過用微機控制可以用一

7、個電子計數器選擇測量多路脈沖信號。 12.2.1模擬信號的檢測 1.被測量用標準工業儀表檢測 模擬電信號有交流和直流兩種，在工業自動化行業，較多采用直流電流或直流電壓作為統一聯絡信號。 1.被測量用標準工業儀表檢測如果檢測儀表輸出電流信號，可以把它看成是一個電流源，如果有多臺儀器需要接收這個信號，則這些儀器需要串聯，如圖3.8所示。 1.被測量用標準工業儀表檢測接收儀器接收到的電流信號的相對誤差：電流型儀表的輸出電阻越大越好，接收電流型儀表信號輸入的儀器的輸入電阻越小越好。 電流信號適于遠距離傳輸。 1.被測量用標準工業儀表檢測智能儀器一般測量的是電壓信號，如果是電流型儀表輸出的信號要把它轉換

8、成電壓信號,右圖所示為一簡單的電流電壓轉換放大電路。 圖3.9 電流電壓轉換電路輸出電壓與輸入電流有什么關系?1.被測量用標準工業儀表檢測檢測儀表輸出電壓信號，可以把它看成是一個電壓源，如果有多臺儀器需要接收這個信號，則這些儀器需要并聯，如圖3.10所示。 圖3.10 電壓型儀表輸入 1.被測量用標準工業儀表檢測在不計傳輸線上電壓降時，接收儀器接收到的電壓信號的相對誤差為： 電壓型儀表的輸出電阻越小越好，接收電壓型儀表信號輸入的儀器的輸入電阻越高越好，且傳輸線過長時其對信號的影響就不可忽略了。 2.被測量用傳感器檢測 傳感器是智能儀器最主要的輸入信號源，傳感器體積小，種類多，有些傳感器輸出一體

9、化標準信號（1-5V的電壓信號或0-20mA的電流信號等），電路接法與上述標準儀表相同，也有些傳感器的輸出比較弱的電信號，則需要進行放大。各類傳感器輸出信號的形式各不相同，因此需要的放大電路也有所不同。 2.被測量用傳感器檢測電阻輸出型： 把待測量轉化為電阻值的變化，常見的有：PN結溫度傳感器，應變元件等，一般通過交直流電橋把阻值的變化轉化為微小電壓的變化。 直流電橋轉換電路 2.被測量用傳感器檢測電壓輸出型：有些傳感器內已集成了一部分處理電路，可以直接輸出電壓，以交直流電橋輸出居中多，如應變電橋、熱敏元件、霍爾電橋等效電路。這類傳感器使用比較簡單，如果輸出電壓太小的話只要求外接電壓放大電路。

10、電流輸出型，光電控測器產生微弱電流等。它們相應要求電流電壓轉換電路。12.2.2信號濾波及檢測 濾波器讓一定頻率范圍內的信號通過，抑制頻率范圍外的干擾信號（噪聲）。 濾波器可以分成四種，分別是低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器這四種濾波器的理想幅頻特性曲線如下。 (a) 低通 (b) 高通 (c) 帶通 (d) 帶阻 12.2.2信號濾波及檢測在模擬信號輸入端所接的濾波器是模擬濾波器，因為在自動化工業中大部分信號是變化緩慢的,即為低頻信號，所以一般都采用低通濾波器濾去高頻噪聲。圖12-12 二階低通有源濾波器 課堂討論:圖12-12所示濾波器的截止頻率是多少？這個濾波器有放大作用嗎

11、？若有，放大倍數是多少？二階低通有源濾波器的仿真取R1=R2=100k，C1=C2=220pFRF=R3=10k 二階低通有源濾波器的仿真二階低通有源濾波器的仿真放大倍數約為2，還可以看到輸出波形與輸入波形有一個很小的相位差。 12.2.3 多路模擬開關（MUX） 智能儀器往往具有多種測量功能，需要對工業控制現場的多種待測量進行監控，因此就有可能需要自動巡回測量或選擇性測量，這種功能一般是通過多路模擬開關實現的。多路模擬開關又稱多路模擬信號轉換器（Multiplex(er),簡稱MUX） 12.2.3 多路模擬開關（MUX）多路模擬開關內部結構如圖所示，它由若干模擬開關并聯而成，在正常工作時，

12、由地址線控制選擇其中一個模擬開關導通，其它開關全斷開。其作用為用（程序控制）地址線在多路輸入信號中選擇其中一路信號輸入。 圖3.15 多路模擬開關AD7501結構框圖 12.2.3 多路模擬開關（MUX）MUX開關芯片常用的有兩種：一種是普通型，一種是精密型，普通型產品為CD4000系列，如CD4051、CD4052、CD4053等，精密型的產品為AD系列，如AD7051、AD7053等。（MAX4639）另外也有同時控制兩路開關閉合的多路模擬開關，如AD7052，共控制四路，每路有兩個模擬開關受控同時接通或斷開，這樣可以適用于需要差分輸入的連接。12.3 信號的放大1.基本放大器（或稱基本放

13、大電路）它們的放大倍數各為多少?這兩個電路各有什么特點?應用實例用硅PN結測溫的實際電路由電橋電路及同相放大器構成。.儀用放大器 儀用放大器用三個運放構成差動輸入，被測信號直接從兩個運放（A1、A2）的同相輸入端輸入，因此輸入阻抗高，且保證了較強的抑制共模信號的能力。 輸出信號與兩個輸入信號有什么關系？.程控增益放大器 傳統放大電路一般利用多圈電位器和阻容元件以及運放來完成，用電位器對放大倍數等系統參數進行調節，當調節到合適的數值后將其鎖定。如果輸入不同種類的傳感器信號和標準信號，由于它們的最大量程相差甚大，必須采用多套放大器電路，顯然增大了硬件成本和設備的體積。程控放大器由運算放大器和用模擬

14、開關控制的電阻網絡組成，模擬開關用數字編碼控制。當輸入不同的數字編碼，就接通不同的模擬開關，選擇了不同的反饋電阻，由反相比例運算公式知，這時放大器有不同的放大倍數。.程控增益放大器用一個通用運算放大器，一片8路模擬開關（MUX）CD4051和電阻網絡可以組成程控放大器. 當ABC=001時,放大倍數等于多少?.程控增益放大器使用時要注意模擬開關本身也有一定的電阻，約為100多歐姆，如果對放大倍數精度要求比較高，RF1可串聯一個可調電阻來調整放大倍數。一個程控放大實例在某數字顯示儀的設計過程中，采取8選1模擬開關CD4051和電阻放大網絡相結合的方法，實現程控放大。運算放大器采取OP07，該運算

15、放大器具有高增益、低漂移、低噪聲的特點，而且價格便宜，市場貨源充足。放大電路示意圖同相放大電路放大倍數為A=1+Rf / R1 12.3.2集成放大器 集成放大電路的種類很多，價格、性能相差很多，且很多常用的放大電路都有集成芯片，在選用時要根據儀器的精度要求及成本進行選擇。下面介紹幾種常用的集成放大器。1.高精度集成運算放大器ICL7650 采用開關電容斬波方式使其前置放大的分辨率可以小于10V，它的輸入失調電壓極低，在整個工作溫度范圍內只有1V，失調電壓溫漂僅0.01V/；共模抑制比達130dB，單位增益帶寬達2MHz。 2集成儀用放大器INA114/115集成儀用放大器IN114/115是

16、一個低成本的內部由三個運算放大器構成的普通儀用放大器，不需要外接失調調整電路就可獲得很高的精度，它可在2.25V的電源下工作，適合電池供電及+5V單電源供電的系統使用。 2集成儀用放大器INA114/115通過調節外加電阻RG就可以獲得1-10000范圍內的任意增益，其放大倍數為： INA114可廣泛應用于橋式放大電路、熱電偶測量放大電路、數據采集放大電路等。 3程控儀用放大器PGA202/203PGA202/203是增益可控的雙端輸入儀用放大器集成芯片，通過在A0、A1端輸入編碼，可以對放大倍數進行控制，表3.2列出了在不同編碼下程控儀用放大器的放大倍數。輸入地址編碼A1A000011011

17、PGA202的增益1101001000PGA203的增益12483程控儀用放大器PGA202/203PGA202的基本接法如右圖，電路中電源端要與地之間接一個1F的電容，電容要盡可能放在接近放大器的地方用來解耦，為了防止由外部器件（如導線電阻引起的）誤差，引腳4和引腳11要接地，且連接線要盡可能短一些。 4.隔離式運算放大器 在實際工業生產過程中，可能存在嚴重的用電干擾，被測信號中可能疊加了極高的共模電壓，這時要采用隔離式放大器。隔離放大器要求做到被測信號與測量儀器不共“地”，以隔斷兩地共模差值電壓的電流流通回路，從根本上消除共模電壓的影響。為了做到完全的“地”隔離，要求放大器所用的電源也是與

18、工業電源隔離的。常用的隔離方法有變壓器隔離和光電耦合隔離。 圖3.24是用3656進行最簡單隔離放大信號的電路，用一個內置的微型多繞組變壓器實現信號的隔離和電源的隔離， 課堂討論:程控儀用放大器PGA202/203有什么特點?什么時候要用隔離放大器?12.4 A/D轉換 模擬信號經過放大后，需要轉換成數字信號計算機才能進行處理與儲存，A/D轉換器就是在規定的精度等指標條件下把模擬信號轉換成數字信號的集成電路芯片，A/D轉換器又稱ADC（Analog to Digital Converter）。A/D轉換器分類 目前A/D轉換集成芯片種類很多，從工作原理上看，較為常見A/D轉換集成芯片可以分成以

19、下三類：雙積分型A/D轉換集成芯片，以高精度、高分辨率和低轉換速度、低價格為其特點，通常前面不再需要采樣保持電路，有些芯片被設計成直接輸出BCD碼數據，可以直接供7段數碼顯示器顯示，在數字式萬用表中用的很多，此外這類芯片在一些有強電干擾，在信號變化極其緩慢的工業應用場合，有較大的應用范圍。 A/D轉換器分類逐次比較型（或稱逐次逼近型）A/D轉換集成芯片，這類芯片的主要特點是易于獲得較高的轉換速度、高分辨率，有些高檔的芯片的精度也相當高，有些則可以多路輸入，適合于多路巡回檢測，且與微機的接口也比較容易，一般這類芯片需前置采樣保持電路。這類芯片目前應用極為廣泛。V/F變換型A/D轉換集成芯片的突出

20、優點是高精度，其分辨率可達16位以上，價格低，但轉換速度不高。12.4.1A/D轉換器的性能指標1. 分辨率（Resolution）模數轉換器的分辨率是指輸出數字量對輸入模擬量變化的分辨能力，即指使輸出數增加（或減少）一個最小單位時所需要的輸入信號最小變化量。它由A/D轉換器的輸出位數n決定，可以用輸入滿量程的百分數表示，或者就簡單地用A/D轉換器的位數表示 12.4.1A/D轉換器的性能指標1. 分辨率（Resolution）ADC0809能夠輸出8位二進制數字量，故具有8位的分辨率，即分辨率為：式中FS為滿量程（full scale）的意思。實際最大數為255,如果輸入電壓的最大值為5V，

21、則8位A/D轉換器的輸入電壓最小可分辨的變化量為：12.4.1A/D轉換器的性能指標2. 精度（Precision）精度是指轉換的結果相對于實際值的偏差，精度有兩種表示方法：絕對精度：用最低位（LSB）的倍數來表示，如（1/2）LSB或1LSB。絕對精度由增益誤差、偏移誤差、非線性誤差以及噪聲等組成。相對精度：用絕對精度除以滿量程值的百分數來表示，如0.05%FS。 12.4.1A/D轉換器的性能指標2. 精度（Precision）應當注意的是，同樣分辨率的A/D轉換器其精度可能不同，分辨率高但精度不一定高，精度高的則分辨率必然也高。 12.4.1A/D轉換器的性能指標3. 量程量程是指輸入模

22、擬量的最大變化范圍，如某A/D轉換器為單極性輸入010V，雙極性輸入-5V+5V，則它們的量程均為10V。注意: 滿刻度值只是一個名義值，例如一個8位的A/D轉換器，為單極性輸入010V，實際上它最大輸出值不是10V，而是： V 12.4.1A/D轉換器的性能指標4. A/D轉換時間A/D轉換器把模擬信號轉換成數字信號需要一定的時間，通常定義完成一次A/D轉換所需的時間為A/D轉換時間，這是A/D轉換器的一個重要指標。它反映了 A/D轉換的快慢,決定了是否能夠處理高速信號。12.4.1A/D轉換器的性能指標5. 量化誤差量化誤差是由A/D轉換器的分辨率直接造成的，在一個量化單位內所有模擬電壓值

23、都對應著同一個輸出數字量，因此存在著一個固有的變換誤差。 12.4.1A/D轉換器的性能指標 （a）零位不移 (b)零位偏移LSB/2 量化誤差為LSB/2 量化誤差為1LSB5. 量化誤差12.4.1A/D轉換器的性能指標幾種常用的A/D轉換器的主要性能比較。 4AD574ATC7135ADC0809分辨率12位4 位（BCD碼輸出）8位類型逐次逼近型雙積分型逐次逼近型最大轉換時間25s33ms（時鐘1300kHz）100s量程010V或0-20V5V或10V1.9999V0-5V參考電壓自帶外接外接電源15V或12V5V+5V輸入通道單路單路8路輸入通道12.4.2A/D轉換器與CPU的接

24、口技術 任何型號的A/D轉換器芯片都可以與CPU相連接，但要根據A/D轉換器和CPU的功能特點設計選擇接口方式。 圖3.26 A/D轉換器的主要信號線 12.4.2 A/D轉換器與CPU的接口技術A/D轉換器把輸入的模擬信號轉換成數據輸出，主要需要連接兩組線：一組是數據線，主要用途是將轉換后的數據傳送給CPU。n位A/D轉換器一般有n根數據線，與CPU的數據總線可以直接相連，如果后接CPU的數據線小于n ，則需分批傳送數據。12.4.2A/D轉換器與CPU的接口技術一組是控制線，通常有：啟動轉換：當通道選好后或者需要時CPU應發出控制信號來命令A/D轉換器開始進行模/數轉換。狀態輸出：A/D轉

25、換總需要一定的時間，所以通常有一狀態輸出信號指示目前A/D轉換是正在進行，還是已經結束，CPU利用這個信號來決定下一步的工作。12.4.2A/D轉換器與CPU的接口技術讀數據控制：A/D轉換器通常還有一些讀數據控制線，如有些A/D轉換器的數據輸出是三態鎖存的，芯片還有一個輸出允許控制端，有些A/D轉換器有多于一個的數據緩沖器，分別儲存低位、高位數據，要控制數據線目前傳送的數據。 12.4.2A/D轉換器與CPU的接口技術CPU有四種方法來控制A/D轉換，分別是： 查詢：CPU發出啟動轉換命令后，執行別的程序，同時每隔一段時間對狀態輸出線進行查詢，如果A/D轉換已結束，則調用子程序讀入數據。延時

26、：如果A/D轉換的時間預先可以大致確定，則在CPU發出啟動轉換命令后，調用定時器或定時程序，延時等待一段時間后去讀取數據。12.4.2A/D轉換器與CPU的接口技術中斷控制：CPU發出啟動轉換命令后，執行別的程序，把狀態輸出線接在CPU的外部中斷上，A/D轉換結束后利用狀態輸出線的電平變化向CPU發出中斷請求，CPU執行中斷子程序，讀入轉換的數據，這種方法CPU效率高，適用于其他工作比較多，且A/D轉換時間比較長的情況。DMA（直接存取）：在要求高速測量轉換的時候，前三種方式都不能滿足要求，這時可在A/D轉換器和CPU之間插入一個DMA接口（如Intel公司的8237DMA控制器），把轉換的數

27、據經過DMA接口直接傳輸到主存儲器，因而不必受到程序的限制。課堂討論:CPU有哪幾種方法控制A/D轉換?若采用查詢方式,則查詢A/D轉換芯片的哪根控制線?12.4.4采樣/保持 采樣保持電路的作用是在某個時間段（通常極短）接收模擬電壓信號（稱為采樣），并在一定的時間內在輸出端維持這個電壓值不變（稱為保持），直到下次采樣為止。 12.4.4采樣/保持采樣保持電路（Sample Holder Amplifier，簡稱SHA） 12.4.4采樣/保持決定采樣保持電路性能的主要參數有：1.采樣時間即采樣/保持電路獲取新的采樣值（電壓）所需的時間，2.孔徑時間即接到保持信號后，模擬開關S由通變為斷所需要的時間，它是反映采樣/保持電路精度的重要參數。3.保持電壓的下降率即在保持階段雖然理論上說保持電壓不變，實際上總有一些下降，這個電壓的下降應不影響模/數轉換的結果。12.5 數據采集系統 實際中智能儀器的測量對象差別很大，且一臺智能儀器儀表通常要對多路信號進行實時測量，這里對多路數據采集系統的結構進行討論。 12.5 數據采集系統 圖3.30 多通道數據采集系統框圖 12.5多路數據采