第2章(1)模拟量输入通道讲解
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第2章 模拟量输入通道 ppt课件
314Ω 256
16K
16K
A2
V IN +
外接地
2020/12/27
(b ) 可 变 增 益 放 大 器
19
图 2 -6 前 置 放 大 器
图中RG是外接电阻，专用来调整放大器增益的。因此， 放大器的增益G与这个外
接电阻RG有着密切的关系。增益公式为
G VOUT RS(2R1) (2-2) VIN VIN R2 RG
农定理指出：为了使采样信号y*(t)能完全复 现原信号y(t)，采样频率f 至少要为原信号最 高有效频率fmax的2倍，即f 2fmax。
采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需
的最低采样频率。实际应用中，常取f （5
~ 10）fmax。
2020/12/27
26
2.4.2采样保持器
采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直
此类集成电路芯片有AD612/614等。
2020/12/27
22
2.4 采样保持器
当某一通道进行A/D转换时，由于A/D 转 换需要一定的时间，如果输入信号变化 较快，就会引起较大的转换误差。为了 保证A/D转换的精度，需要应用采样保持 器。
2020/12/27
23
2.4.1 数据采样定理
把连续变化的量变成离散量后再进行处理的微机控制系
2020/12/27
14
Sm
S0 S1 S2
译 码
A
电 平
B
S3 S4
驱
转
C
动
换
IN H
S5
S6
S7
Sm
S8
A
S9 S 10 S 11
译
电
AI通道
为满足A/D转换精度要求，希望在 t 时间内，信号变化
最大幅度应小于A/D转换器的量化误差 E 。对于12位A/D转
换器，转换时间为100μs，基准电压为10.24V，其量化误差为 ：
1 1 10.24 E LSB 12 1.25m V 2 2 2
四、前置放大器
前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到转换的量
程范围之内。当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，用同
一增益的放大器去放大高电平和低电平的信号，就有可能使 低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出模/数转
换器的输入范围。可设计可变增益放大器，
由于现在的变送器大都送出标准模拟信号，所以前置 放大器不常用！
路开关，如 CD4051。
（3）按输入信号的连接方式分单端输入和双端差动输入。
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第2章 输入输出过程通道
2.常用芯片： CD4051 单端 双向 8路 CD4052 双端 单向 4路 AD7506 单端 单向 16路
第2章 输入输出过程通道
2.量化
定义：就是将采样时刻的信号用一组数来逼近离散模拟信 号的幅值，将其转换成数字信号。通常为整量化。整量化：将 采样时刻的幅值按最小量化单位取整。
3.编码
定义：将整量化后的数值变换为二进制数码形式，即用 数字量表示。 对双极性信息通常有三种表示方法： （1）符号-数值码 （2）偏移二进制码 （3）补码
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第2章 输入输出过程通道
模拟量输入输出通道dq
▲采样和保持涉及到采样间隔中信号的问题，将直 接影响传递特性，因而是本质问题，必须加以考 虑。
▲量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当 量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时可 不予考虑。
36
★ 计算机控制系统的简化结构图
采样
计算机
ZOH
被控对象
检测
37
2.1.2 多路开关
在微型计算机测量及控制系统中,往往需对 多路或多种参数进行采集和控制。一台微型计 算机可供多回路使用，但是，微型计算机在某 一时刻只能接收一个通道的信号，因此必须通 过多路模拟开关进行切换，使各路参数分时进 入微型计算机。
1 计算机控制系统信号变换结构图
E
A
B 采样
C 量化
编码
D 计算机
F 解码 G
保持
H
检测
I 被控对象
2 系统中信号形式的分类
连续信号（或模拟信号） 时间及幅值上均连续
的信号，如图中的 A、I 处的信号
数字信号
时间上离散、幅值上采用二进制编
码的信号，如图中的D、F 处的信号 33
▲采样信号 时间上离散而幅值上连续的信号，如
（0000）
（1000）
-1
-1/8
+1/8
1001
1111
0111
-2
1110
0110
-3
-3/8
+3/8
1011
1101
0101
-4
-4/8
+4/8
1100
1100
0100
-5
-5/8
+5/8
1101
1011
0011
-6
▲量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当 量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时可 不予考虑。
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★ 计算机控制系统的简化结构图
采样
计算机
ZOH
被控对象
检测
37
2.1.2 多路开关
在微型计算机测量及控制系统中,往往需对 多路或多种参数进行采集和控制。一台微型计 算机可供多回路使用，但是，微型计算机在某 一时刻只能接收一个通道的信号，因此必须通 过多路模拟开关进行切换，使各路参数分时进 入微型计算机。
1 计算机控制系统信号变换结构图
E
A
B 采样
C 量化
编码
D 计算机
F 解码 G
保持
H
检测
I 被控对象
2 系统中信号形式的分类
连续信号（或模拟信号） 时间及幅值上均连续
的信号，如图中的 A、I 处的信号
数字信号
时间上离散、幅值上采用二进制编
码的信号，如图中的D、F 处的信号 33
▲采样信号 时间上离散而幅值上连续的信号，如
（0000）
（1000）
-1
-1/8
+1/8
1001
1111
0111
-2
1110
0110
-3
-3/8
+3/8
1011
1101
0101
-4
-4/8
+4/8
1100
1100
0100
-5
-5/8
+5/8
1101
1011
0011
-6
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
测控总线与仪器通信技术课后答案第二章
测控总线与仪器通信技术课后答案第二章1、模拟输入通道有哪几种类型？各有何特点？答案：多路模拟输入通道分为集中采集式（简称集中式）和分散采集式（简称分布式）两大类型。
集中式的特点是多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，模拟多路切换器MUX对多路信号分时切换、轮流选通到S/H和A/D进行数据采集。
分布式的特点是每一路信号都有一个S/H和A/D，因而也不再需要模拟多路切换器MUX。
每一个S/H和A/D只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。
2、什么情况下需要设置低噪声前置放大器？为什么？答案：没有信号输入时，输出端仍输出一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。
把电路输出端测得的噪声有效值除以该电路的增益K，得到该电路的等效输入噪声。
如果电路输入端的信号幅度小到比该电路的等效输入噪声还要低，这个信号就会被噪声所“淹没”，就必须在该电路前面加一级放大器——“前置放大器”。
只要前置放大器的等效输入噪声比其后级电路的等效输入噪声低，加入前置放大器后，整个电路的等效输入噪声就会降低，因而，输入信号就不会再被电路噪声所淹没。
3、图2-1-14（a）所示采集电路结构只适合于什么情况？为什么？答案：采集电路仅由A/D转换器和前面的模拟多路切换器MUX构成，只适合于测量恒定的各点基本相同的信号。
恒定信号不随时间变化，无须设置S/H，各点基本相同的信号无需设置PGA。
4、多路测试系统什么情况下会出现串音干扰?怎样减少和消除?答案：多路测试系统由于模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故，当某一道开关接通时，其它被关断的各路信号也出现在负载上，对本来是唯一被接通的信号形成干扰，这种干扰称为道间串音干扰，简称串音。
为减小串音干扰，应采取如下措施：①减小Ri，为此模拟多路切换器MUX前级应采用电压跟随器；②MUX选用Ron极小、Roff极大的开关管；③选用寄生电容小的MUX。
第二章过程通道设计方法解读
17
信息与电气工程学院
山东科技大学
计算机控制系统
1. 小功率开关输出电路
+VCC R1 R2 +V O
0
OC门 光耦
0
VI
1 1
2019/1/30
18
信息与电气工程学院
山东科技大学
计算机控制系统
2. 中功率晶体管驱动电路
续流二极管
D 数字量输入 1 74LS06 R限流 b K Vcc +24V
CPU
并 行 接 口
数字脉冲信号 输入调理
5V
10ＫΩ×4 系统 设置 开关
数 字 量 输 入 的 三 种 形 态
译码电路 定时器/ 计数器
S0 S1 S2 S3
I/O接口逻辑
数字量输入通道结构框图
2019/1/30 7
信息与电气工程学院
山东科技大学
计算机控制系统
三态门缓冲器74LS244
三态门缓冲器74LS244可 用来隔离输入和输出线路， 在两者之间起缓冲、加强 作用。 可用如下指令来完成取数 MOV DX，PROT IN AL，DX
2019/1/30
2
信息与电气工程学院
山东科技大学
计算机控制系统
2.1 数字量过程通道的设计方法
2.2 模拟量输入通道设计方法
2.3 模拟量输出通道设计方法
2.4 小 结
2019/1/30
3
信息与电气工程学院
山东科技大学
计算机控制系统
2.1 数字量过程通道的设计方法
数字量(开关量)：用“0”和“1” 两个量进行描述，
如电动机的启动和停止，继电器的吸合与释放，指示灯
的亮和灭等。 数字量过程通道分为数字量输入通道(DI)和数字量 输出通道(DO)。
《模拟量输入通道》课件
模拟信号
1 什么是模拟信号？
模拟信号是连续变化的信号，可以取无限个值。
2 模拟信号的特点和应用场景
模拟信号具有连续性和实时性，常用于声音、光学、气象等领域的信号传输。
数字信号
1 什么是数字信号？
2 数字信号的特点和应用场景
数字信号是离散变化的信号，只能取有 限个值。
数字信号可以进行精确的数值计算和存 储，常用于计算机、通信等领域。
电流型输入通道
适用于测量电流信号，常用于电化学、电 能检测等领域。
光学输入通道
适用于测量光强信号，常用于光纤通信、 光电检测等领域。
模拟量输入通道的应用举例
1 工业自动化
模拟量输入通道在工 业自动化系统中广泛 应用，用于监测和控 制生产过程中的各种 物理量。
2 传感器信号采集
模拟量输入通道可以 采集传感器的模拟信 号，用于分析和处理 传感器数据。
模拟量输入通道的工作原理
1
模拟量输入通道的基本原理源自模拟量输入通道通过模拟信号转
模拟量输入通道的信号转换
2
换器将连续的模拟信号转换为离 散的数字信号。
信号转换过程包括采样、量化和
编码，将模拟信号转换为数字信
号的离散数值。
3
模拟量输入通道的信号处理
数字信号经过滤波、放大和校准 等处理后，用于数据分析、控制 和监测。
模拟量输入通道的分类
按应用领域划分
根据应用领域的不同，模拟量输入通道可分 为工业自动化、仪器仪表等多个分类。
按信号类型划分
模拟量输入通道可以分为电压型、电流型、 电阻型和光学型等多种类型。
常见的模拟量输入通道
电压型输入通道
适用于测量电压信号，广泛应用于电子测 量、电力系统等领域。
第二章模拟量输入输出通道的接口技术
多阶采样：
tk r tk 是周期性的重复，即tk r tk 常量，r 1
随机采样：
根据需要选择采样时刻
采样前后波形的变化图
通常，连续函数的频带宽度是有限的，为一孤立的连
续频谱，设其包括的最高频率为fmax ，采样频率为fs。
香农定理：若fs≥2fmax，则可以由采样信号完全恢复出原始 信号。 在实际应用中， fs至少取4fmax 。
IN：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15） OUT：（1、17） 反多路转换开关（一到多的转换）： IN： （1、17） OUT：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15）
VREF I out1 I 3 I 2 I1 I 0 2 2 2 2 4 2R
3 2
1
0
由于S3~S0的状态是受b3~b0控制的，并不一定 全是“1”。若它们中有些位为“0”，S3~S0中相应 开关会因和“0”端相连而无电流流过，所以Iout1还 与b3~b0的状态有关。 则 I out1 b3 I3 b2 I 2 b1 I1 b0 I 0
返回
2.1.2 多路转换开关
多 路 转 换 开 关 反 多 路 转 换 开 关
A/D
微机
D/A
完成多到一的转换
完成一到多的转换
2.1.2 多路转换开关
多路开关的分类：
从用途上分 双向：既能实现多到一的转换，也能实现一到多的 转换 单向：只能实现多到一的转换 从输入信号的连接方式上分 单端输入 双端输入（或差动输入）
tk r tk 是周期性的重复，即tk r tk 常量，r 1
随机采样：
根据需要选择采样时刻
采样前后波形的变化图
通常，连续函数的频带宽度是有限的，为一孤立的连
续频谱，设其包括的最高频率为fmax ，采样频率为fs。
香农定理：若fs≥2fmax，则可以由采样信号完全恢复出原始 信号。 在实际应用中， fs至少取4fmax 。
IN：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15） OUT：（1、17） 反多路转换开关（一到多的转换）： IN： （1、17） OUT：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15）
VREF I out1 I 3 I 2 I1 I 0 2 2 2 2 4 2R
3 2
1
0
由于S3~S0的状态是受b3~b0控制的，并不一定 全是“1”。若它们中有些位为“0”，S3~S0中相应 开关会因和“0”端相连而无电流流过，所以Iout1还 与b3~b0的状态有关。 则 I out1 b3 I3 b2 I 2 b1 I1 b0 I 0
返回
2.1.2 多路转换开关
多 路 转 换 开 关 反 多 路 转 换 开 关
A/D
微机
D/A
完成多到一的转换
完成一到多的转换
2.1.2 多路转换开关
多路开关的分类：
从用途上分 双向：既能实现多到一的转换，也能实现一到多的 转换 单向：只能实现多到一的转换 从输入信号的连接方式上分 单端输入 双端输入（或差动输入）
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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
y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值；
y*(t)能完全复现原信号y(t)，采样频率f 至少要为原信号最高 有效 频率fmax的2倍，即f 2fmax。 采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频 率。实际应用中，常取f （5~10）fmax。
（1）无源I/V变换
I/V变换的基本思想：电流 变换电路中各部分的作用：
？
电压
R1:限流电阻 VD:输出限幅,将电压限制在5V+0.3V以内 R2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密 电阻，精度为0.1%。 C和R1：组成阻容低通滤波电路
取值： 输入0-10 mA，输出为0-5V，R1=100Ω， R2=500Ω 输入4-20 mA，输出为1-5V， R1=100Ω，R2=250Ω
在选择电容时，容量大小要适宜，以保证 其时间常数适中，并选用泄漏小的电容。
综上所述:保持电容器电容量的大小它不是一个定 值,它可以在一定范围内取值。其电容量的大小确 定可以根据实践经验通过实验来确定。 一般选 100pF-1000pF之间。电容选聚四氟乙烯电容或 聚苯乙烯电容，绝缘阻抗高，漏电流小。
路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。
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：通道选择信号-数据总线D2-D0； 当D3=0时，选中上面的多路开关 禁止端--D3用来控制两个多路开关的。当D3=1时，选中下面的多路开关
图 多路模拟开关的扩展电路
2.4.2 采样、量化及采样保持器
R3 R1 R2 R2
R1 R3
热电阻
2.4.2 信号调理和I/V变换
R3 R1 R2 R2 R3 R1 R2 R2
R3 R1
R3 R1
热电阻
热电阻
2、I/V变换
变送器输出的信号为 0 ～ 10mA 或 4 ～ 20mA 的统
一信号，需要经过 I/V变换变成电压信号后才 能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-Ⅱ型的 输出信号标准为0～10mA,而DDZ—Ⅲ型和DDZ—S 系列的输出信号标准为 4 ～20mA，因此，针对 以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。 1.无源I/V变换 2.有源I/V变换
反馈型采样保持器电路原理图
2、分析保持电容CH 的大小
由于采样保持电路可以做成集成芯片,而电容器是外接元 件,所以选择电容器的大小很重要。 电容CH对采样／保持的精度有很大的影响，如果电容值过 大，则其时间常数大，当模拟信号频率高时，由于电容充 放电时间长，将会影响电容对输入信号的跟踪特性，而且 在跟踪的瞬间，电容两端的电压会与输入信号电压有一定 的误差。而当处于保持状态时，如果电容的漏电流太大， 负载的内阻太小，都会引起保持信号电平的变化。
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，经接口送往计算机。 传感器：它是一种检测装置，能感受到被测量的信 息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为 电信号或其他所需形式的输出。是将生产过程工艺参 数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流 电压(或电流)信号。
2.2 模拟量输入通道
模拟量输入通道的任务： 转换：模拟量到数字量的转换 组成核心：A/D转换器
2.2.1 模拟量输入通道的结构
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。 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。
2、香农定理（采样定理）指出：为了使采样信号
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。
VIN A1 S
＋
－
VIN A2 VOUT t VOUT t
采样 (a ) 原理电路 保持
CH
构成－－输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH。
图 2-8 采样保持器
现以常用8路模拟开关CD4051为例: 构成－电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。 工作过程 －当禁止端INH=1时，断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通； 当INH=0时，前后级通道接通，即Sm＝SABC
CD4051原理图 及通道选择表
扩展电路
当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8
（1）信号的采样
采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值 上也连续的模拟信号，转变成在时刻O、T、2T、…KT的一 连串脉冲输出信号的过程。
y( t ) y( t ) y *( t ) y* (t)
采样器
0 t 0 T T 2T 3T t
采样器或采样开关--执行采样动作的装置 图2-7 信号的采样过程 采样周期：采样开关K每一个通断的时间间隔T。 采样宽度：采样开关闭合的时间（τ )。 采样信号y*(t)：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。
逐次逼近式A/D原理概述
DN-1 位比较完毕后，再对下一位即 DN-2 位进 行比较，控制电路使寄存器 DN-2 为 1 ，其以下各 位仍为0，然后再与上一次DN-1结果一起经过D/A 转换后再次送到比较器与 UX 相比较。如此一位 一位地比较下去，直至最后一位 D0 比较完毕为 止。 最后，发出EOC信号表示转换结束。这样经 过 N 次比较后， N 位寄存器保留的状态就是转换 后的数字量数据。
( b ) 工作波性
工作过程－采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速
充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由于 A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因而 输出电压VOUT=VC也保持恒定。
1、采样保持器的两种结构
串联型采样保持器电路原理图
8位A/D转换器ADC0809
引脚功能 ADC0809共有28 IN0～IN7：8 A，B，C：模拟输入通道的地址选择线。当CBA=000时，选中 IN0；CBA=001时，选中IN1……依此类推，当CBA=111时，选中 IN7 ALE：地址锁存允许信号输入端。该端接高电平时有效，仅当 该信号有效时，才能将地址信号锁存，经译码后选中一个通道。 START：启动转换脉冲输入端。该端所加信号的上升沿将所有 内部寄存器清0 CLK：时钟脉冲输入端。频率为500MHz D7～D0：数据输出端，D7为高位。 EOC 转换结束信号，高电平有效。启动转换后，若EOC为0， 表示A/D OE：输出允许端，高电平有效。该端为高电平时，打开三态 输出缓冲器，输出转换结果。 UREF(+)和UREF(-)：参考电压端，提供A/D转换的基准电压。
为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要 将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、 压力变送器、流量变送器等，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。
2.4.2 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。 （1）非电信号的检测-不平衡电桥
积分型：电路简单、但转换精度依赖于积分时间， 因此转换速率低，初期的A/D转换器大多采用积 分型，现逐次比较型已逐步成为主流 逐次比较型：电路规模中等，优点速度较高，功 耗低。 并行比较型：采用多个比较器，仅作一次比较而 实行转换，转换速率极高，n位的转换需要2n-1 个比较器，因此电路规模也极大，价格也高。
结论 -保持器在采样期间，不启动A/D转换器， 保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证 A/D 转换时的模拟输入电压恒定，以确保 A/D转换精度
2.4.5、A/D转换器
模拟量输入通道的任务就是将模拟量转 换成数字量，能够完成这一任务的器件就 是模/数转换器,即A/D转换器，或简称 ADC。
A/D转换器种类
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
y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值；
y*(t)能完全复现原信号y(t)，采样频率f 至少要为原信号最高 有效 频率fmax的2倍，即f 2fmax。 采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频 率。实际应用中，常取f （5~10）fmax。
（1）无源I/V变换
I/V变换的基本思想：电流 变换电路中各部分的作用：
？
电压
R1:限流电阻 VD:输出限幅,将电压限制在5V+0.3V以内 R2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密 电阻，精度为0.1%。 C和R1：组成阻容低通滤波电路
取值： 输入0-10 mA，输出为0-5V，R1=100Ω， R2=500Ω 输入4-20 mA，输出为1-5V， R1=100Ω，R2=250Ω
在选择电容时，容量大小要适宜，以保证 其时间常数适中，并选用泄漏小的电容。
综上所述:保持电容器电容量的大小它不是一个定 值,它可以在一定范围内取值。其电容量的大小确 定可以根据实践经验通过实验来确定。 一般选 100pF-1000pF之间。电容选聚四氟乙烯电容或 聚苯乙烯电容，绝缘阻抗高，漏电流小。
路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。
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：通道选择信号-数据总线D2-D0； 当D3=0时，选中上面的多路开关 禁止端--D3用来控制两个多路开关的。当D3=1时，选中下面的多路开关
图 多路模拟开关的扩展电路
2.4.2 采样、量化及采样保持器
R3 R1 R2 R2
R1 R3
热电阻
2.4.2 信号调理和I/V变换
R3 R1 R2 R2 R3 R1 R2 R2
R3 R1
R3 R1
热电阻
热电阻
2、I/V变换
变送器输出的信号为 0 ～ 10mA 或 4 ～ 20mA 的统
一信号，需要经过 I/V变换变成电压信号后才 能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-Ⅱ型的 输出信号标准为0～10mA,而DDZ—Ⅲ型和DDZ—S 系列的输出信号标准为 4 ～20mA，因此，针对 以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。 1.无源I/V变换 2.有源I/V变换
反馈型采样保持器电路原理图
2、分析保持电容CH 的大小
由于采样保持电路可以做成集成芯片,而电容器是外接元 件,所以选择电容器的大小很重要。 电容CH对采样／保持的精度有很大的影响，如果电容值过 大，则其时间常数大，当模拟信号频率高时，由于电容充 放电时间长，将会影响电容对输入信号的跟踪特性，而且 在跟踪的瞬间，电容两端的电压会与输入信号电压有一定 的误差。而当处于保持状态时，如果电容的漏电流太大， 负载的内阻太小，都会引起保持信号电平的变化。
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，经接口送往计算机。 传感器：它是一种检测装置，能感受到被测量的信 息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为 电信号或其他所需形式的输出。是将生产过程工艺参 数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流 电压(或电流)信号。
2.2 模拟量输入通道
模拟量输入通道的任务： 转换：模拟量到数字量的转换 组成核心：A/D转换器
2.2.1 模拟量输入通道的结构
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。 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。
2、香农定理（采样定理）指出：为了使采样信号
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。
VIN A1 S
＋
－
VIN A2 VOUT t VOUT t
采样 (a ) 原理电路 保持
CH
构成－－输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH。
图 2-8 采样保持器
现以常用8路模拟开关CD4051为例: 构成－电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。 工作过程 －当禁止端INH=1时，断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通； 当INH=0时，前后级通道接通，即Sm＝SABC
CD4051原理图 及通道选择表
扩展电路
当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8
（1）信号的采样
采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值 上也连续的模拟信号，转变成在时刻O、T、2T、…KT的一 连串脉冲输出信号的过程。
y( t ) y( t ) y *( t ) y* (t)
采样器
0 t 0 T T 2T 3T t
采样器或采样开关--执行采样动作的装置 图2-7 信号的采样过程 采样周期：采样开关K每一个通断的时间间隔T。 采样宽度：采样开关闭合的时间（τ )。 采样信号y*(t)：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。
逐次逼近式A/D原理概述
DN-1 位比较完毕后，再对下一位即 DN-2 位进 行比较，控制电路使寄存器 DN-2 为 1 ，其以下各 位仍为0，然后再与上一次DN-1结果一起经过D/A 转换后再次送到比较器与 UX 相比较。如此一位 一位地比较下去，直至最后一位 D0 比较完毕为 止。 最后，发出EOC信号表示转换结束。这样经 过 N 次比较后， N 位寄存器保留的状态就是转换 后的数字量数据。
( b ) 工作波性
工作过程－采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速
充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由于 A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因而 输出电压VOUT=VC也保持恒定。
1、采样保持器的两种结构
串联型采样保持器电路原理图
8位A/D转换器ADC0809
引脚功能 ADC0809共有28 IN0～IN7：8 A，B，C：模拟输入通道的地址选择线。当CBA=000时，选中 IN0；CBA=001时，选中IN1……依此类推，当CBA=111时，选中 IN7 ALE：地址锁存允许信号输入端。该端接高电平时有效，仅当 该信号有效时，才能将地址信号锁存，经译码后选中一个通道。 START：启动转换脉冲输入端。该端所加信号的上升沿将所有 内部寄存器清0 CLK：时钟脉冲输入端。频率为500MHz D7～D0：数据输出端，D7为高位。 EOC 转换结束信号，高电平有效。启动转换后，若EOC为0， 表示A/D OE：输出允许端，高电平有效。该端为高电平时，打开三态 输出缓冲器，输出转换结果。 UREF(+)和UREF(-)：参考电压端，提供A/D转换的基准电压。
为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要 将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、 压力变送器、流量变送器等，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。
2.4.2 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。 （1）非电信号的检测-不平衡电桥
积分型：电路简单、但转换精度依赖于积分时间， 因此转换速率低，初期的A/D转换器大多采用积 分型，现逐次比较型已逐步成为主流 逐次比较型：电路规模中等，优点速度较高，功 耗低。 并行比较型：采用多个比较器，仅作一次比较而 实行转换，转换速率极高，n位的转换需要2n-1 个比较器，因此电路规模也极大，价格也高。
结论 -保持器在采样期间，不启动A/D转换器， 保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证 A/D 转换时的模拟输入电压恒定，以确保 A/D转换精度
2.4.5、A/D转换器
模拟量输入通道的任务就是将模拟量转 换成数字量，能够完成这一任务的器件就 是模/数转换器,即A/D转换器，或简称 ADC。
A/D转换器种类