过程通道——模拟量输入通道
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工作室报告2——模拟量的输入输出
工程化模入模出的实现班级：自动化093姓名：吕凯学号：2009023313一、模拟量输入接口与过程通道在计算机控制系统中，模拟量输入通道的任务就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成电参数的装置，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，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。
1.1、模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的一般结构如图2-14所示。
过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流（或电压）形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。
由2-14图可知，模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器，采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。
图2-14 模拟量输入通道的组成结构1.2、信号调理和I/V变换1、.信号调理电路信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。
信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。
（1）非电信号的检测-不平衡电桥电桥将电阻，电感，电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路。
由于电桥电路具有灵敏度高，测量范围宽、容易实现温度补偿等优点，因此被广泛采用。
图2-15所示为一个热电阻测量电桥，由三个精密电阻R1，R2，R3和热电阻R PT 构成。
激励源（电压或电流）接到E 端。
AB 两端接到测量放大电路。
一般情况下R2=R3，R1=100Ω，当测量温度为0℃时，R PT 100Ω（铂电阻分度号为Pt100），此时电桥平衡，输出电压V out =0.。
2.7模拟量输入通道
2.采样保持器
1) 零阶采样保持器--零阶采样保持器是在两次采样的间隔时 间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成 原理电路与工作波形如下图所示。
VIN VIN A1 S
＋
－
A2
VOUT
t VOUT t
采样 保持
CH
(a ) 原理电路 图 2-8 采样保持器
( b ) 工作波性
采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、
R4 =100kΩ， R4=150kΩ，则输入电流 I 的0 ~ 10 mA 就对应电压输出V的0 ~ 5 V；若取 R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4 ~ 20 mA的输入电流对应于1 ~ 5 V的电压 输出。
多路模拟开关
A/D转换器
1.工作原理
A/D转换原理主要有：逐位逼近式A/D，双积分式 A/D，电压/频率式A/D。 1）逐位逼近式A/D转换原理 一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转换 器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五 部分组成。如图所示，可以得到数字信号。
一个 n 位A/D转换器的模数转换表达式是 式中：n---n位A/D转换器 V ， V ---基准电压源的正、负输入 V ---要转换的输入模拟量 B---转换后的输出数字量 即当基准电压源确定之后，n位A/D转换器的输出数字量B与要转换的输入 模拟量VIN呈正比。
例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个
1×16路的模拟开关。
例题分析：下图给出了两个CD4051扩展为1×16路 模拟开关的电路。数据总线D3~D0作为通道选择信 号，D3用来控制两个多路开关的禁止端。当D3=0 时，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、D0从 000变为111，则依次选通S0~S7通道；当D3=1时， 经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时 当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S8~S15 通道。如此，组成一个16路的模拟开关。
第2章(1)模拟量输入通道讲解
第2章 输入输出过程通道
在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的
控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字
计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理 后的结果还需要变换成合适的控制信号输出至被 控对象。以控制执行机构的动作。因此，在计算 机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转
换的连接通道，即过程通道。
3、集成采样保持器
集成采样保持器将采样电路、保持器制作在 一个芯片上，保持电容外接，由用户选用。电容 的大小与采样频率及要求的采样精度有关。 集成采样保持器分三类：
1、用于通用目的的芯片， 如AD583K,AD582,LF398； 2、高速芯片，如THS-0025,THC-0300等； 3、高分辨率芯片，如SHA1144等。
现以4位A/D转换器把模拟量7转换为二进制数0111为例，说 明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。
电压 第一次 预测 模拟 电压 第四次 第三次 预测 第二次 预测 预测
(1000) (0100) (0110) (0111)
D3
0
D2
D1
D0
时间
逐次逼近式ADC 逐次逼近式A/D原理概述
N 位的逐次逼近式 A/D 转换器 , 由 N 位寄存器、 N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出 缓冲器等五部分组成。 工作原理：启动信号作用后，时钟信号先 通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为 1 ，以下各位为 0 ，这个二进制代码经 D/A 转换 器转换成电压U0（此时为全量程电压的一半） 送到比较器与输入模拟电压UX比较。若UX>U0， 则保留这一位；若UX<U0，则DN-1 位置0。
注：1、在实际系统中，《T ，即近似地认为采样信号
在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的
控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字
计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理 后的结果还需要变换成合适的控制信号输出至被 控对象。以控制执行机构的动作。因此，在计算 机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转
换的连接通道，即过程通道。
3、集成采样保持器
集成采样保持器将采样电路、保持器制作在 一个芯片上，保持电容外接，由用户选用。电容 的大小与采样频率及要求的采样精度有关。 集成采样保持器分三类：
1、用于通用目的的芯片， 如AD583K,AD582,LF398； 2、高速芯片，如THS-0025,THC-0300等； 3、高分辨率芯片，如SHA1144等。
现以4位A/D转换器把模拟量7转换为二进制数0111为例，说 明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。
电压 第一次 预测 模拟 电压 第四次 第三次 预测 第二次 预测 预测
(1000) (0100) (0110) (0111)
D3
0
D2
D1
D0
时间
逐次逼近式ADC 逐次逼近式A/D原理概述
N 位的逐次逼近式 A/D 转换器 , 由 N 位寄存器、 N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出 缓冲器等五部分组成。 工作原理：启动信号作用后，时钟信号先 通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为 1 ，以下各位为 0 ，这个二进制代码经 D/A 转换 器转换成电压U0（此时为全量程电压的一半） 送到比较器与输入模拟电压UX比较。若UX>U0， 则保留这一位；若UX<U0，则DN-1 位置0。
注：1、在实际系统中，《T ，即近似地认为采样信号
模拟量输入、输出通道
在能源管理系统中，模拟量输入/输出通道用于监测 和控制各种能源设备的运行状态，如电力、燃气等 ，实现能源的优化利用和节能减排。
医疗设备
在医疗设备中，模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制，如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化，从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值， 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%，但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型，正确连接信号线，避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备，应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件，如瞬态抑制二极管、滤波电容等， 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数，通常 以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz） 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高，表示模 拟量输入通道的误差越小，测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
医疗设备
在医疗设备中，模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制，如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化，从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值， 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%，但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型，正确连接信号线，避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备，应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件，如瞬态抑制二极管、滤波电容等， 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数，通常 以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz） 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高，表示模 拟量输入通道的误差越小，测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
第三章(二) 过程输入输出通道--模拟量输入通道(3)
16或32通道的。常用的多路开关有CD4051，MC14051， AD7501，LF13508等。
2013-5-21 2013-5-21
2
多路开关 CD4051的原理如下图所示。它是单端8通道开关，有三 根二进制的控制输入端和一根禁止输入端INH（高电平禁止）， 片上有二进制译码器，可由A、B、C三个二进制信号在8个通 道中选择一个，使输入和输出接通。当INH为高电平时，不论 A、B、C位何值，8个通道均不通。通道选择表如下：
8通道模拟量输入电路原理图
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7
模拟量输入通道设计—编程步骤
（1）通道选择：将模拟量输入的通道号写入8255A的端口C低4位 （PC0~PC3），使LF398的工作状态受AD574A的STS控制，
AD574A未转换期间，STS=0，LF398处于采样状态。
（2）启动AD574A进行AD转换：通过8255A的端口C的PC4~PC6 输出控制信号启动AD574A。AD574A转换期间，STS=1，LF398处
;CE=0,CS=0,R/C=0
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10
模拟量输入通道设计—编程框图和示例程序
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11
利用C语言编写A/D程序例子－－PCL-812 PG数据采集卡
1、A/D通道多路开关寄存器
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12
利用C语言编写A/D程序例子－－PCL-812 PG数据采集卡
于保持状态。
（3）查询AD574A是否转换完毕：读8255A的端口A，查询STS是否 由高电平变为低电平。
（4）读取转换结果：若查询到STS由高变为低，则读8255A的A口和
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2
多路开关 CD4051的原理如下图所示。它是单端8通道开关，有三 根二进制的控制输入端和一根禁止输入端INH（高电平禁止）， 片上有二进制译码器，可由A、B、C三个二进制信号在8个通 道中选择一个，使输入和输出接通。当INH为高电平时，不论 A、B、C位何值，8个通道均不通。通道选择表如下：
8通道模拟量输入电路原理图
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模拟量输入通道设计—编程步骤
（1）通道选择：将模拟量输入的通道号写入8255A的端口C低4位 （PC0~PC3），使LF398的工作状态受AD574A的STS控制，
AD574A未转换期间，STS=0，LF398处于采样状态。
（2）启动AD574A进行AD转换：通过8255A的端口C的PC4~PC6 输出控制信号启动AD574A。AD574A转换期间，STS=1，LF398处
;CE=0,CS=0,R/C=0
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模拟量输入通道设计—编程框图和示例程序
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利用C语言编写A/D程序例子－－PCL-812 PG数据采集卡
1、A/D通道多路开关寄存器
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利用C语言编写A/D程序例子－－PCL-812 PG数据采集卡
于保持状态。
（3）查询AD574A是否转换完毕：读8255A的端口A，查询STS是否 由高电平变为低电平。
（4）读取转换结果：若查询到STS由高变为低，则读8255A的A口和
模拟量输入通道
3.5 A/D转换器
主要知识点
工作原理与性能指标 ADC0809芯片及其接口电路 AD574A芯片及其接口电路
3.5.1 工作原理与性能指标
逐位逼近式A/D转换原理 双积分式A/D转换原理 电压/频率式A/D转换原理 A/D转换器的性能指标
1．逐位逼近式A/D转换原理
图 逐位逼近式A/D转换原理图
链接动画
单击此处可添加副标题
例题3-2：一个8位A/D转换器，设VR+ = 5.02 V， V R = 0 V,计算当VIN分别为0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量。 解：把已知数代入公式（3-4）： V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量分别为00H、80H、FFH。 此种A/D转换器的常用品种有普通型8位单路ADC0801～ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等，混合集成高速型12位单路AD574A、ADC803等。
定时方式读A/D转换数
链接动画
这两种方法的共同点： 硬软件接口简单，但在转换期间独占了CPU时间，好在这种逐位逼近式A/D转换的时间只在微秒数量级。 当选用双积分式A/D转换器时，因其转换时间在毫秒级，因此采用中断法读A/D转换数的方式更为适宜。 因此，在设计数据采集系统时，究竟采用何种接口方式要根据A/D转换器芯片而定。
1.无源I/V变换
构成－－无源器件电阻＋RC滤波＋二极管限幅等实现， 取值: 输入0- 10 mA，输出为0 -5 V ，R1=100Ω，R2=500Ω； 输入4 -20 mA，输出为1 - 5 V，R1=100Ω，R2=250Ω； 电路图：
构成－－ 运算放大器＋电阻电容组成； 电路放大倍数－－同相放大电路 取值－ R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ 输入0 ~ 10 mA输出0 ~ 5 V R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ 输入4 ~ 20 mA输出1 ~ 5 V 电路图：
计算机控制技术06 过程通道
控
D/A 转换 器 计
I/O 接
...
算
口
机
D/A
信号
转换
处理
执行
器
电路
机构
多个D/A转换器结构
控 制 计 算 机
I/O 接 口
D/A 转换 器
多 路 开 关
信号 处理
电...路
执行 机构
信号 处理 电路
执行 机构
单个D/A转换器结构
3、开关量输入通道
开关量输入通道的任务主要是将现场输入的开关 信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机 能够接收的逻辑信号。
在计算机控制系统中往往采用光电隔离技术，使计 算机与外部输入设备之间只存在光路联系而无电路上的联 系。图2-19所示为电平转换及光电隔离电路。
输入通道的作用是将传感器或变送器 的电流/电压信号转换为计算机可以识别 的数字信号。
输出通道的作用则是将计算机输出的 数字信号转换为可直接推动执行机构的电 气信号。
工业过程通道实现计算机信号和工业现场 信号的互连与转换，是工业生产过程实现自动 控制的输入输出通道。工业过程通道有过程通 道板卡、过程通道子系统和远程I/O三种基本 形式。目前，使用最多的仍然是板卡式过程通 道，其次是远程I/O模块。
如果将I/O通道进一步细化，则一个计算机控制 系统的I/O通道结构模式如图13-10所示。其中多路模 拟开关、S/H（采样保持器）、A/D转换器、接口1组 成输入通道；而接口2、D/A转换器、多路模拟开关、 S/H组成输出通道。
需要说明的是，图13-10这种通道结构模式并非 是唯一的，可根据实际应用系统的需要加以调整。例 如，每个通道都设置一个A/D（或D/A）转换器和采 样保持器；多个通道共用一个A/D（或D/A）转换器， 但每个通道都设置一个采样保持器；多个通道共用采 样保持器和A/D（或D/A）转换器等。
过程通道
Computer Controlled Systems
P(t)
（ｅ） 采样描述
X(t)
调制器
X*(t)
x*(t)=p(t)x(t)
因 τ0＜＜T ，所以分析时可近似认为τ０为０，以单位脉冲序列δＴ（ｔ） 代替ｐ（ｔ）。
4.1 过程参数采样原理
单位脉冲序列：
Computer Controlled Systems
k 0 *
4.1 过程参数采样原理
Computer Controlled Systems
二、采样定理
对于角频率范围为（ max , max ）的连续信号进 行采样，当采样频率
s 2 max
时，采样器的输出信号
ｘ＊（ｔ）才能充分表征连续输入信号ｘ（ｔ），换言之，为使 采样信号ｘ＊（ｔ）的频谱能无失真地恢复连续输入信号 ｘ（ｔ）的频谱，采样周期Ｔ必须小于等于输入信号中变化 最小周期 Tmin 的１／２，即：
第二节 开关量输入通道（DI）
输入调理电路 输入调理电路有多种，通过调理电路可以将一个开关与计 算机的一位数字量对应起来。
+5V
R R R
Computer Controlled Systems
E
光电隔离转换 “断开” →逻辑电平“0” “闭合” →逻辑电平“1”
继电器隔离转换 “断开” →逻辑电平“0” “闭合” →逻辑电平“1”
1、影响采样周期选择的因素 （1）系统受扰动情况（扰动和噪声比有效信号的频率高） 若扰动和噪声都较小，采样周期T应选大些； 对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期T应选小些；
Computer Controlled Systems
（2）被控系统动态特性（慢对象：汽温，信号变化慢；快对象:水位） 滞后时间大的系统，采样周期T应选大些； 对于快速系统，采样周期T应选小些； （3）控制品质指标要求（控制品质反映了系统的动作快慢） 若超调量为主要指标，采样周期T应选大些； 若希望过渡过程时间短些，采样周期T应选小些； （一般而言，过渡过程时间长，超调则小，被调量是慢变的）
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AD521、AD522、INA101等。
§2.5.2 信号处理
3、程控放大器 在模拟信号送到模数变换系统时，为减少转
换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能大。
如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变 换等。 较容易想到的办法就是通过模拟开关改变反 馈电阻阻值，如下图所示。
§2.5.2 信号处理
在也有许多集成的程控放大器，如AD524、AD624、 PGA200等。
§2.5.2 信号处理
三、I/V变换
在模拟输入通道中AD一般只能将电压信号转换成 数字信号，故若传感器输出的是电流信号就必须采用 I/V转换电路进行变换。
无源I/V变换 有源I/V变换
§2.5.2 信号处理
无源I/V变换
最简单的无源I/V变换？
令电流通过一个精密电阻R，则电阻上的电压(V＝ I×R)就是所要转换的电压。 对于0～10mA输入 信号，可取R1=100Ω， R2=500Ω，且R2为精密 电阻，这样当输入的电 流为0～10mA电流时， 输出的电压为0～5V
§2.5.5 A/D转换技术
1、逐次逼近式
A/D转换芯片中包括逐次逼近寄存器SAR、D/A转 换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成如图所示。 转换过程如下： ①时序及控制逻辑给SAR最高位为“1”，其余为“0”， 经D/A转换为模拟电压Vf ，然后与输入电压Vx 比较，确 定该位； ②当Vx ≥Vf ，此位为“1”，置下位为“1”； ③当Vx < Vf ，此位为“0”，置下位为“1”。 ④按上述方法依次类推，逐位比较判断，直至确定SAR 的最低位为止。
§2.5.5 A/D转换技术
模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度 τ 一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持 所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之 后须加保持电路。
取样保持电路及输出波形
①在采样脉冲S(t)到来的时间τ 内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假 定充电时间常数远小于τ ，则有：UOC为保持电容，运算放大器为跟 场效应管VT为采样门，电容 (t)＝US(t)＝UI(t)。－－采样
§2.5.5 A/D转换技术
一、A/D转换原理 计算机控制系统中常采用低、中速的大规模 集成A/D转换芯片。这类芯片常用的转换方法包 括计数-比较式、双斜率积分式和逐次逼近式等。 计数-比较式器件简单、转换速度慢，目前 较少采用； 双斜率积分式精度高但速度较慢； 逐次逼近式兼顾速度和精度，因此在16位以 下的A/D转换器得到了广泛的应用。
§2.5.2 信号处理
4、隔离放大器 在有强电或强电磁干扰等环境中，为了防止电 网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道常采 用隔离技术；在生物医疗仪器上，为防止漏电流、 高电压等对人体的意外伤害，也常采用隔离放大技 术，以确保患者安全；此外，在许多其他场合也常 需要采用隔离放大技术。能完成这种任务，具有这 种功能的放大器称为隔离放大器。 一般来讲，隔离放大器是指对输入、输出和电 源三者彼此相互隔离的测量放大器。 目前，隔离放大器中采用的方式主要有两种： 变压器耦合和光电耦合。常用的有AD204、ISO100 等
§2.5.1 模拟量输入通道的结构
对于高速系统．特别是需要同时得到描述系统性能 各项数据的系统，可采用下图所示并行转换结构。其特 点是速度快、工作可靠，即使某一通路有故障，也不会 影响其他通路正常工作。
信 号 处 理
采 样 保 持
AD 转 换 器
接 口 电 路
CPU
...
...
并行转换结构
...
§2.5.1 模拟量输入通道的结构
将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过 程称为量化。指定的离散电平称为量化电平Uq 。用二进制数码 来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值 称为量化单位Δ ，位数越多，量化等级越细，Δ 就越小。取样保 持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为 量化误差ε ，即ε =Uo-Uq。
X=X0 X=X1 X=X2 X=X3 X=X4 X=X5 X=X6 X=X7
§2.5.5 A/D转换技术
一、A/D转换原理 二、A/D转换器技术指标
三、A/D实现技术
§2.5.5 A/D转换技术
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通 过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。 模拟量输入
§2.5.2 信号处理
有源I/V变换
R
I
Vo
Vo I R
§2.5.3 采样保持
AD转换器将模拟信号转换为数字量需要一定 的时间，对于随时间变化的模拟信号来说，转换 时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。 AD转换延迟所引 起的可能误差是△U。 对于一定的转换时间， 最大可能的误差发生在 信号过零的时刻，因为 此时dU／dt最大，转换 时间一定，所以△U最 大。
§2.5.5 A/D转换技术
1、逐次逼近式
§2.5.5 A/D转换技术
1、逐次逼近式 实例：以4位AD为例，其中内部DA基准电压为5V，设
输入电压为2.4V
序号 1 2
逐次逼近寄 DA输出（V） 存器的值 1000 0100 2.67 1.33
比较结果 0 1
3
4
0110
0111
2.00
2.33
误差的百分数为
U 100 2ft A / D 100 Um
实例：一个10位的AD转换器，若要求转换精度为
0.1%，转换时间为10μ s，则允许转换的正弦波模 拟信号的最大频率为
0.1 f 16 Hz 6 2 2 10 10 10
§2.5.3 采样保持
采样/保持器一般由模拟开关、储能元件 （电容）、输入和输出缓冲放大器组成。 采样保持电路有两个工作状态， 一是采样 状态．二是保持状态。
2、仪表放大器
VR1
VR 2 VP
Vo Rf R (1 Rf 1 Rf 2 Rw )(V2 V1 )
§2.5.2 信号处理
2、仪表放大器
在某些只需简单放大的情况下，采用一般运放
组成的测量放大器作为传感器的输出信号放大是 可行的，但为了保证精度常需采用精密匹配的外 接电阻，才能保证最大的共模抑制比，否则增益 的非线性也比较大；此外还需考虑放大器的输入 电路与传感器的输出阻抗的匹配问题，因此，在 要求较高的场合，常采用集成测量放大器。例如：
信 号 处 理
多 路 转 换
采 样 保 持
AD 转 换 器
接 口 电 路
CPU
...
多路通道共享采样保持或模数转换(A／D)电路
...
§2.5.2 信号处理
一、信号处理形式 二、常用的放大电路 三、I/V变换
§2.5.2 信号处理
一、信号处理形式
1、传感器输出为大信号模拟电压
2、传感器输出为小信号模拟电压
§2.5.5 A/D转换技术
2、双斜率积分式
这种A/D转换器具有很多优点。 • 转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由于斜波电 压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围 内变化，而不影响转换结果。 • 由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1， 而T2 正比于输入信号在T1 内的平均值，这对于叠加在 输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。 • 这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要 求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。 这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要 求不高的仪器中。
1
1
§2.5.5 A/D转换技术
2、双斜率积分式
固定斜率积分， 过零结束
固定时间积分， 到时结束
§2.5.5 A/D转换技术
2、双斜率积分式
转换过程：在转换开始信号控制下，转换开关K接 到输入模拟电压端Ui，在固定时间T内对C充电，时间到 C 时控制逻辑将K打到基准电源（与Ui极性相反），开始 K UI R 使C放电，放电期间计数器计脉冲多少反映了放电时间 A T1、T2的长短，从而决定模拟输入电压的大小。vO -VREF + 比较器判定放电完毕，控制计数器停止计数，并由 控制逻辑发出转换结束信号。计数器计数值的大小反映 了输入电压Ui在固定积分时间T内的平均值。也即是转换 完的数字量。
§2.5.3 采样保持
选择采样/保持器时，应考虑如下因素：
① 采样保持器的孔径时间tAP：保持命令发出后K完全 断开所需时间； ② 采样保持器的捕捉时间tAC：由保持到采样时输出U， 从原保持值过渡到跟踪信号的时间；
D 。其中，ID是输入C或流 ③ 保持电压变化率： dt C 出C总的漏电流。 dU I
（3）跟随器
§2.5.2 信号处理
2、仪表放大器 在许多检测技术应用场合，传感器输出的信
号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁
耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大 电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声 和高输入阻抗，习惯上将具有这种特点的放大器 称为测量放大器或仪表放大器。
§2.5.2 信号处理
§2.5 模拟量输入通道
模拟量输入通道的含义
在计算机控制系统中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 入计算机。一般模拟信号如；温度，压力，流量，液面， 电流，转速的检测是通过传感器在经过变送器及模/数转 换送入计算机。因此，模拟量输入通道是完成非电量信 号向电量信号的变换，在将模拟的电量向数字量转换送 入计算机。 模拟量输入通道的关键是：保证实时性及测量精度的同 时完成信号的传感，变换，输入。
§2.5.4 多路转换器
多路转换器又称多路开关是用来切换模拟电 压信号的关键元件。利用多路开关可将各个输入 信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转 换器上 。
INH A B C X0 X1