第四章 输入输出通道接口技术检测与控制技术课时授课计划提 纲课 程 内 容精 品 课 程第四章 输入输出通道接口技术课题：第4章 输入输出通道接口技术4.1 数据采集与处理技术基础4.2 模拟量输入通道4.3 模拟量输出通道4.4 开关量输入输出通道4.5 电机、步进电机接口技术 4.6 数据采集系统举例 目的与要求：了解微机测控系统中输入/输出通道的作用；了解信号调理的一般方法和信号调理电路中常用的器件和电路 ；掌握数据采集系统的基本概念； 掌握输入/输出通道的一般结构和常用器件的使用方法；学会输入/输出通道的及软、硬件设计方法。 课 时 授 课 计 划第四章 输入输出通道接口技术重点与难点：重点：输入/输出通道的设计方法；难点：模拟量输入通道的信号调理。 课堂讨论：模拟信号调理的主要功能是什么？ 采样定理与采样周期的确定。 模拟量输入通道中，模/数转换的方式有哪些？ 现代教学方法与手段：微型计算机测控技术网络课程PowerPoint 复习（提问）：在模拟输入通道中，采样/保持器有什么作用？是否模拟输入通 道中必须采用采样/保持器？为什么？ 光电耦合器使用时应注意什么？课 时 授 课 计 划第四章 输入输出通道接口技术第4章 输入输出通道接口技术 4.1 数据采集与处理技术基础4.1.1 数据采集系统概论4.1.2 数据采集系统的一般结构4.1.3 采样定理4.1.4 信号的放大与隔离技术及常用器件4.1.5 V/I和I/V转换电路4.1.6 数据采集中的误差分析 4.2 模拟量输入通道4.2.1 模拟量输入通道的一般结构4.2.2 模拟量输入通道中的常用器件及电路 4.2.3 模拟量输入通道设计 课 程 提 纲第四章 输入输出通道接口技术4.3 模拟量输出通道4.3.1 模拟量输出通道的一般结构4.3.2 模拟量输出通道常用器件及电路4.3.3 模拟量输出通道设计 4.4 开关量输入/输出通道4.4.1 开关量I/O通道的一般结构4.4.2 开关量输入信号的调理4.4.3 开关量输出驱动电路4.4.4 开关量I/O通道设计 4.5 电机、步进电机接口技术4.5.1 电动机控制接口4.5.2 步进电机控制接口技术 4.6 数据采集系统举例4.6.1 数据采集系统的技术要求4.6.2 数据采集系统的设计举例 思考题与习题：P167 2. 4. 7. 10. 11. 12.课 程 提 纲第四章 输入输出通道接口技术第4章 输入输出通道接口技术微机测控系统实质上是在微机最小应用系统的基础上根据现场 被测、被控对象的情况，通过扩展相应的接口并在软件的支持下实 现由模拟量到数字量再到模拟量的转换，从而完成系统所要求的测 控目标。“测” ，即所谓的数据采集过程。它是通过被测信号的输入 通 道，将传感器送来的过程参数，转换成数字量送入微机； “控” ， 即所谓的数字信号转换成模拟信号的过程。它是由输出通道将微机 运算的结果变成控制参量送到执行机构取得相应的控制效果。 课 程 内 容 1第四章 输入输出通道接口技术4.1 数据采集与处理技术基础 4.1.1 数据采集系统概论微机测控系统的任务就是对生产 现场的过程参数进行检测、记录、存 储、处理、打印、显示及报警。 1.数据采集系统的基本功能数据采集系统的功能： 时钟功能。即确定数据采样周期，同时也能为系统提供时间 基淮。 将现场检测传感器送来的模拟电信号按一定的次序巡回地采 样、进行AD转换并存储数据，即完成数据的采集。 对数字量按预定算法进行处理。 显示和打印输出。 当过程参数越限时进行报警。 课 程 内 容 2计算机数据采集系统 第四章 输入输出通道接口技术2.设计数据采集系统所涉及的主要问题 （1）分辨率和精度 （2）模拟量输入通道的数量 （3）采样频率 （4）数据处理的要求 3.数据采集系统的发展 新型快速、高分辨率的数据转换器件的发展； 数据采集与信号处理紧密结合； 智能传感器的发展； 分布式数据采集系统，适合不同环境的要求。 课 程 内 容 3第四章 输入输出通道接口技术4.1.2 数据采集系统的一般结构数据采集系统的硬件主要由输入通道、输出通道组成的。 1.输入通道的一般结构 （1）输入通道的内容输入通道是将被测对象信号传送到单片机数据总线上的数据通 路。结构型式取决于被测对象的环境、输出信号的类型、数量、大 小等。根据传感器输出信号的大小、类型，输入通道的结构类型如 表所示。 传感器输出信号为大信号模拟电压 若直接满足A/D转换输入的要求，则可直接送入A/D转换器。 传感器输出的是小信号模拟电压 应将该信号电压放大，以满足A/D、V/F转换所要求的输入电压。 课 程 内 容 4第四章 输入输出通道接口技术输入通道结构类型表 课 程 内 容 5第四章 输入输出通道接口技术 以电流为输出信号的传感器或传感仪表则应通过I/V转换，将电 流信号转换成电压信号。 频率信号，能满足TTL电平要求的直接输入I/O口；不满足则应通 过放大、整形变换成TTL电平信号后再送入。 开关信号，若能满足TTL电平要求时，可直接输入到I/O口，否则， 就应进行整形处理。 （2）输入通道的结构 单通道数据采集系统。如图所示。模拟信号经放大器放大，通过采 样/保持器（S/H）送入A/D转换器。 单通道数据采集系统结构 课 程 内 容 6第四章 输入输出通道接口技术 多通道典型数据采集系统利用多路开关（MUX）让 多个被测对象共用同一个采集 通道，这就是多通道数据采集 系统的实质。 3.输出通道的一般结构 （1）输出通道的作用是计算机对采样数据实现某种运算处理后，将处理结果回送给被测对象的数据 通路。 （2）输出通道一般结构取决于被测对象和控制任务。输出通道的一般结构如下图所示。 （3）输出数据的形式数字信号的形式主要有开关量、二进制数字量和频率量，它们可直接用于开关 量、数字量控制系统及频率调制系统。模拟量控制系统，则应通过数/模转换（D/A）将其变换成模拟量信号。 多通道数据采集系统结构 课 程 内 容 7输出通道结构图 课 程 内 容 8第四章 输入输出通道接口技术第四章 输入输出通道接口技术4.1.3 采样定理 1.信号的采样 把连续变化量变成离散量的过程。 2.采样信号 把以一定时间间隔T逐点采集连续的模拟信号，并保持一 个时间t，使被采集的信号变成时间上离散、幅值等于采样时刻该信号 瞬时值的一组方波序列信号。采样周期为 3.采样定理 （1）采样器采样器相当是调制器，被调制信号为模拟量输入信号，以采样开 关的单位脉冲串作为调制频率，以离散脉冲信号输出。采样器原理如 下图所示。 常量（T）（K=0、1、） 课 程 内 容 9第四章 输入输出通道接口技术连续时间函数x（t）经过等间隔理想采样后离散信号的数学表达式 利用频率卷积定理： 采样器原理图 等间隔的脉冲序列 由于称为采样频率所以课 程 内 容 10第四章 输入输出通道接口技术由上式，可画出采样波形 图，如图所示。 （2）采样过程分析一个连续变化的信号，经采 样后形成一组脉冲序列。采样的 频率越高，离散后的信号x*(t) 愈接近连续输入函数x(t)。但是，采样频率太高，在实 时控制系统中将会把许多宝贵的 时间用于采样，从而失去了实时 的控制机会。如何确定采样频率，使得采 样结果x*(t)既不失真于x(t)， 又不致因采样过于频繁而耗费微 机的时间？采样前后信号波形的变化 课 程 内 容 11第四章 输入输出通道接口技术（3）采样定理 如果x（t）是有限带宽信号，其最高频率为fmax ， 要采样频率fS2fmax，那么，一定可以由采样信号x*（t）无失真 地恢复出连续信号x（t）。 （4）采样定理的应用由于所有的信号并非都是“有限带宽”，所以在实际应用中 ，往 往所取的实际采样频率fS比两倍fmax大，一般而言，fS至少取4 fmax。 常用被测对象采样周期的经验值如表所示。 课 程 内 容 12第四章 输入输出通道接口技术4.1.4 信号的放大与隔离技术及常用器件 1.输入通道的信号调节 （1）信号调节的任务是将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。 （2）信号调节电路的结构 对于单路小信号（电流或电压），如下图a所示，必须经过小 信号放大环节。一般小信号放大环节可选择测量放大器。为了减少 经过通道的耦合干扰，可采用隔离放大器。 信号滤波是为了提高信噪比。 对于大信号输出传感器，可以省去小信号放大。若是大电流输 出，只需经简单的I/V转换即可；若是大信号电压，可以进行转换。 课 程 内 容 13第四章 输入输出通道接口技术对于多通道数据采集系统的输入通道，必须设置多路选择开关，如图b 所示。为避免小信号通过模拟开关造成较大的附加误差，在传感器输出信号 过小时，每个通道应设前置放大环节。在多路选择开关之后设置一可编程增 益放大器，利用计算机编程控制增益，以满足各通道对信号增益的要求。 信号调节 电路结构 a）单路采集 a）多路采集 课 程 内 容 14第四章 输入输出通道接口技术2.信号调节常用器件 （1）测量放大器 测量放大器的特点 具有高共模抑制比、高速度、高精度、宽频带、 高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等。 测量放大器的工作原理 a.结构：由三个运算放大器构成，其 内部基本电路如图所示。 b.工作原理：A1、A2二个同相放大器 组成差动式放大电路，输入信号加在 A1、A2的同相输入端，从而具有高抑 制共模干扰的能力和高输入阻抗。功 率放大器A3为后级，它不仅切断共模 干扰的传输，还将双端输入方式变换 成单端输出方式，以满足负载的需要。 测量放大器的原理图 课 程 内 容 15第四章 输入输出通道接口技术 测量放大器集成芯片 常用的有AD521S、AD522B、AD612、AD605、 ZF605等。 a. AD521采用标准14脚双列直插式封装，其管脚功能如图a与基本接法如图b 所示。在使用AD521 （或其他测量放大 器）时，要特别注意 为偏置电流提供回路。 为此，输入（引脚l 或引脚3）端必须与 电源的地线相连构成 回路。 b. AD522也是单芯片集成精密测量放大器。详见教材P125。 AD521的管脚功能及基本接法 课 程 内 容 16第四章 输入输出通道接口技术（2）可编程增益放大器（PGA） 可编程增益放大器的特点 是硬件设备少，放大倍数可根据需 要通过编程进行控制，使A/D转换器满量程信号达到均一化，提高 了测量精度。 可编程增益放大器原理结构它是测量放大器电路的扩 展，增加了增益模拟开关和驱 动电路。可编程增益测量放大 器的原理如图所示。 可编程增益放大器的应用 可编程增益放大器PGA的优 越性之一就是能进行量程自动切换。 可编程增益测量放大器的原理图 课 程 内 容 17第四章 输入输出通道接口技术例题：数字电压表的量程自动切换 分析：CPU首先对被测参数进行AD转 换，判断被测值是否大于当前量程，若 大于，再判断PGA的增益是否为最低档 ，如果是，就转入超量程处理，否则， 将PGA增益降低一档并重复前面的处理 过程；如果被测值小于当前量程再判断 最高位是否为零。如果是零，就进一步 判断增益是否为最高一档，若不是最高 档，将增益升高一级再进行AD转换及 判断；如不为零或PGA已经升到最高档 ，则说明量程已经切换到最合适档，此 时微处理器对所测得的数据再进一步处 理。 自动量程切换流程图 课 程 内 容 18第四章 输入输出通道接口技术 可编程增益放大器集成芯片 常用的可编程增益放大器芯片有 AD526、AD625、PGA100、PGA102、LH0084等。PGA102是一种独立