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仪表输入输出信号


AI :模拟量信号输入,通常为 4--20mA;1-5V;等连续变化的信号 AO:模拟量信号输出,通常为 4--20mA;1-5V;等连续变化的信号 DI:开关量信号输入 DO:开关量信号输出 前一个字母 A:就是 ANALOG D:忘了,后面的 I:INPUT ;O:OUTPUT 模拟量不止是电信号,还有气动信号(或许还有液压信号)如气动单元组合仪表使用的信号 同样数字量也有气动信号。 此处的有源信号是指使用电源作为供给形式的模拟量或数字量。 无源信号是指不使用电源的模拟量或 数字量。 可对比有源干接点和无源干接点。

模拟信号 英文名称:analogue signal;analog signal 定义 1: 信息参数在给定范围内表现为连续的信号。

模拟信号的采集
这里的模拟信号是指电压和电流信号, 对模拟信号的处理技术主要包括 模拟量的选通、模拟量的放大、信号滤波、电流电压的转换、V/F 转换、A/D 转换等。 1.模拟通道选通 单片机测控系统有时需要进行多路和多参数的采集和控制, 如果每一路 都单独采用各自的输入回路,即每一路都采用放大、滤波、采样/保持,A/D 等环节,不仅成本比单路成倍增加,而且会导致系统体积庞大,且由于模拟 器件、阻容元件参数特性不一致,对系统的校准带来很大困难;并且对于多 路巡检如 128 路信号采集情况,每路单独采用一个回路几乎是不可能的。因 此,除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D 外,通常采用公共的采样/保 持及 A/D 转换电路(有时甚至可将某些放大电路共用), 利用多路模拟开关, 可以方便实现共用。 在选择多路模拟开关时,需要考虑以下几点: (1)通道数量 通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响, 因 为通道数目越多,寄生电容和泄漏电流通常也越大。平常使用的模拟开关, 在选通其中一路时,其它各路并没有真正断开,只是处于高阻状态,仍存在 漏电流,对导通的信号产生影响;通道越多,漏电流越大,通道间的干扰也 越多。 (2)泄漏电流 在设计电路时, 泄漏电流越小越好。 采集过程中, 信号本身就非常微弱, 如果信号源内阻很大,泄漏电流对精度的影响会非常大。 (3)切换速度 在选择模拟开关时, 要综合考虑每路信号的采样速率、 A/D 的转换速率, 因为它们决定了对模拟开关的切换速度的要求。 (4)开关电阻

理想状态的多路开关其导通电阻为零,而断开电阻为无穷大,而实际的 模拟开关无法到这个要求,因此需考虑其开关电阻,尤其当与开关串联的负 载为低阻抗时,应选择导通电阻足够低的多路开关。 (5)参数的漂移性及每路电阻的一致性 (6)器件的封装 常用的模拟开关有 DIP 和 SO 两种封装,可以根据实际需要选择。 2.信号滤波 从传感器或其它接收设备获得的电信号, 由于传输过程中的各种噪声干 扰,工作现场的电磁干扰,前段电路本身的影响,往往会有多种频率成分的 噪声信号,严重情况下,这种噪声信号甚至会淹没有效输入信号,致使测试 无法正常进行。为了减少噪声信号对测控过程的影响,需采取滤波措施,滤 除干扰噪声,提高系统的信噪比(S/N)。 过去常用模拟滤波电路实现滤波,模拟滤波的技术较为成熟。模拟滤波 可分为有源滤波和无源滤波。 设计有源滤波器, 首先根据所要求的幅频特性, 寻找可实现的有理函数进行逼近设计。常用的逼近函数有:波待瓦兹 (Butterworth)函数、切比雪夫(Chebyshev)函数,贝塞尔(Besel)函数等, 然后计算电路参数,完成设计。 但是模拟滤波电路复杂, 不仅增加了设计成本, 而且还增加系统的功耗, 降低了系统可靠性。随着电子技术的发展,现在很多的场合都应用数字滤波 技术。数字滤波技术发展非常迅速,现在的手机、PDA 等智能设备,大多采 用数字滤波技术。它作为软件无线电的一个处理单元,有非常广阔的发展前 景。但是,单片机的处理能力有限,只能完成比较简单的数字滤波。 在单片机系统中,首先在设计硬件是对信号采取抗干扰措施,然后在设 计软件时,对采集到的数据进行消除干扰的处理,以进一步消除附加在数据 中的各式各样的干扰,使采集到的数据能够真实的反映现场的情况。下面介 绍的几种工控中常用的数字滤波技术。 (1)死区处理 从工业现场采集到的信号往往会在一定的范围内不断的波动, 或者说有 频率较高、能量不大的干扰叠加在信号上,这种情况往往出现在应用工控板 卡的场合,此时采集到的数据有效值的最后一位不停的波动,难以稳定。这 种情况可以采取死区处理,把波动的值进行死区处理,只有当变化超出某值 时才认为该值发生了变化。比如编程时可以先对数据除以 10,然后取整, 去掉波动项。 (2)算术平均值法 公式为 YK =(XK1+XK2+XK3+…+XKN)/N,在一个周期内的不同时间点取 样,然后求其平均值,这种方法可以有效的消除周期性的干扰。同样,这种 方法还可以推广成为连续几个周期进行平均。 (3)中值滤波法 这种方法的原理是将采集到的若干个周期的变量值进行排序, 然后取排 好顺序的值得中间的值, 这种方法可以有效的防止受到突发性脉冲干扰的数 据进入。在实际使用时,排序的周期的数量要选择适当,如果选择过小,可

能起不到去除干扰的作用,选择的数量过大,会造成采样数据的时延过大, 造成系统性能变差。 (4)低通滤波法 公式为 YK =Q*XK+(1-Q)*YK-1 截止频率为 f=K/2πT。这种滤波方式相 当于使采集到的数据通过一次低通滤波器。来自现场的信号往往是 4~20mA 信号,它的变化一般比较缓慢,而干扰一般带有突发性的特点,变化频率较 高,而低通滤波器就可以滤除这种干扰,这就是低通滤波的原理。实际使用 时,根据信号的带宽,合理选择 Q 值。 (5)滑动滤波法 滑动滤波法是由一阶低通滤波法推广而来的。现场信号一般都是平滑 的,不会出现突变,如果接收到的信号有突变,那么很可能就是干扰。滑动 滤波法就是基于这个原理,把所有的突变都视为干扰,并且通过平滑去掉干 扰。应用这种方法,只能处理平滑信号,并且不同的场合,数据处理过程也 要做相应调整。滑动滤波法的公式是:Yn=Q1Xn+Q2Xn-1+Q3Xn-2,其中 Q1 + Q2+ Q3 =1 且 Q1 >Q2> Q3。 在实际使用时,常常需要结合多种方法,以其它滤波的效果。比如在中 值滤波法中,加入平均值滤波,借以提高滤波的性能。 3.电流电压的转换 电压信号可以经由 A/D 转换器件转换成数字信号然后采集, 但是电流不 能直接由A/D 转换器转换。在应用中,先将电流转变成电压信号,然后进 行转换。电流/电压转换在工业控制中应用非常广泛。 电流/电压转换最简单的方法是在被测电路中串入精密电阻, 通过直接 采集电阻两端的电压来获得电流。A/D 器件只能转换一定范围的电压信号, 所以在电流/电压转换过程中,需要选择合适阻值的精密电阻。如果电流的 动态范围较多,还必须在后端加入放大器进行二次处理。经过多次处理,会 损失测量的精度。 现在有很多电流/电压转换芯片,其响应时间、线性度、漂移等指标均 很理想,且能适应大范围大电流的测量。 4.电压频率的转换 频率接口有以下特点: (1)接口简单、占用硬件资源少。频率信号通过任一根 I/O 口线或作为 中断源及计数时钟输入系统。 (2)抗干扰性能好。V/F 转换本身是一个积分过程,且用 V/F 转换器 实现 A/D 转换,就是频率计数过程,相当于在计数时间内对频率信号进行 积分,因而有较强的抗干扰能力。另外可采用光电耦合连接 V/F 转换器与 单片机之间的通道,实现隔离。 (3)便于远距离传输。可通过调制进行无线传输或光传输。 由于以上这些特点,V/F 转换器适用于一些非快速而需进行远距离信 号传输的 A/D 转换过程。利用 V/F 变换,还可以减化电路、降低成本、提 高性价比。 5.A/D 转换

A/D 转换是指将模拟输入信号转换成 N 位二进制数字输出信号的过程。 伴随半导体技术、数字信号处理技术及通信技术的飞速发展,A/D 转换器近 年也呈现高速发展的趋势。人类数字化的浪潮推动了 A/D 转换器不断变革, 现在,在通信产品、消费类产品、工业医疗仪器乃至军工产品中无一不显现 A/D 转换器的身影,可以说,A/D 转换器已经成为人类实现数字化的先锋。 自 1973 年第一只集成 A/D 转换器问世至今,A/D、D/A 转换器在加工工艺、 精度、采样速率上都有长足发展,现在的 A/D 转换器的精度可达 26 位,采 样速度可达 1GSPS,今后的 A/D 转换器将向超高速、超高精度、集成化、单 片化发展。不管怎么发展,A/D 转换的原理和作用都是不变的。在下一节, 将着重讨论 A/D 转换技术。 7.1.2 A/D 转换技术 现在的软件无线电、 数字图像采集都需要有高速的 A/D 采样保证有效性 和精度,一般的测控系统也希望在精度上有所突破,人类数字化的浪潮推动 了 A/D 转换器不断变革,而 A/D 转换器是人类实现数字化的先锋。A/D 转换 器发展了 30 多年,经历了多次的技术革新,从并行、逐次逼近型、积分型 ADC,到近年来新发展起来的∑-Δ 型和流水线型 ADC,它们各有其优缺点, 能满足不同的应用场合的使用。 逐次逼近型、积分型、压频变换型等,主要应用于中速或较低速、中等 精度的数据采集和智能仪器中。 分级型和流水线型 ADC 主要应用于高速情况 下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及 高速数字通讯技术等领域。此外,采用脉动型和折叠型等结构的高速 ADC, 可应用于广播卫星中的基带解调等方面。∑-Δ 型 ADC 主应用于高精度数据 采集特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。 下面对各种类型的 ADC 作简要介绍。 1.逐次逼近型 逐次逼近型 ADC 是应用非常广泛的模/数转换方法, 它包括 1 个比较器、 1 个数模转换器、1 个逐次逼近寄存器(SAR)和 1 个逻辑控制单元。它是将 采样输入信号与已知电压不断进行比较,1 个时钟周期完成 1 位转换,N 位 转换需要 N 个时钟周期,转换完成,输出二进制数。这一类型 ADC 的分辨率 和采样速率是相互矛盾的,分辨率低时采样速率较高,要提高分辨率,采样 速率就会受到限制。 优点:分辨率低于 12 位时,价格较低,采样速率可达 1MSPS;与其它 ADC 相比,功耗相当低。 缺点:在高于 14 位分辨率情况下,价格较高;传感器产生的信号在进 行模/数转换之前需要进行调理,包括增益级和滤波,这样会明显增加成本。 2.积分型 ADC 积分型 ADC 又称为双斜率或多斜率 ADC,它的应用也比较广泛。它由 1 个带有输入切换开关的模拟积分器、1 个比较器和 1 个计数单元构成,通过 两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同 时,在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数,从而实现 A/D 转换。 积分型 ADC 两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确 定,因此所得到的 D 表达式与时钟频率无关,其转换精度只取决于参考电压

VR。此外,由于输入端采用了积分器,所以对交流噪声的干扰有很强的抑制 能力。能够抑制高频噪声和固定的低频干扰(如 50Hz 或 60Hz),适合在嘈 杂的工业环境中使用。这类 ADC 主要应用于低速、精密测量等领域,如数字 电压表。 优点:分辨率高,可达 22 位;功耗低、成本低。 缺点:转换速率低,转换速率在 12 位时为 100~300SPS。 3.并行比较 A/D 转换器 并行比较 ADC 主要特点是速度快, 它是所有的 A/D 转换器中速度最快的, 现代发展的高速 ADC 大多采用这种结构,采样速率能达到 1GSPS 以上。但受 到功率和体积的限制,并行比较 ADC 的分辨率难以做的很高。 这种结构的 ADC 所有位的转换同时完成, 其转换时间主取决于比较器的 开关速度、 编码器的传输时间延迟等。 增加输出代码对转换时间的影响较小, 但随着分辨率的提高, 需要高密度的模拟设计以实现转换所必需的数量很大 的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增加一位,精密电阻数量就要增加 一倍,比较器也近似增加一倍。 并行比较 ADC 的分辨率受管芯尺寸、输入电容、功率等限制。结果重复 的并联比较器如果精度不匹配,还会造成静态误差,如会使输入失调电压增 大。同时,这一类型的 ADC 由于比较器的亚稳压、编码气泡,还会产生离散 的、不精确的输出,即所谓的“火花码”。 优点:模/数转换速度最高。 缺点:分辨率不高,功耗大,成本高。 4.压频变换型 ADC 压频变换型 ADC 是间接型 ADC,它先将输入模拟信号的电压转换成频率 与其成正比的脉冲信号,然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数, 计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量。从理论上讲,这种 ADC 的 分辨率可以无限增加, 只要采用时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉 冲个数的宽度即可。 优点:精度高、价格较低、功耗较低。 缺点: 类似于积分型 ADC, 其转换速率受到限制, 位时为 100~300SPS。 12 5.∑-Δ 型 ADC ∑-Δ 转换器又称为过采样转换器,它采用增量编码方式即根据前一量 值与后一量值的差值的大小来进行量化编码。∑-Δ 型 ADC 包括模拟∑-Δ 调制器和数字抽取滤波器。∑-Δ 调制器主要完成信号抽样及增量编码,它 给数字抽取滤波器提供增量编码即∑-Δ 码;数字抽取滤波器完成对∑-Δ 码的抽取滤波,把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信 号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。 优点:分辨率较高,高达 24 位;转换速率高,高于积分型和压频变换 型 ADC;价格低;内部利用高倍频过采样技术,实现了数字滤波,降低了对 传感器信号进行滤波的要求。 缺点:高速∑-△型 ADC 的价格较高;在转换速率相同的条件下,比积 分型和逐次逼近型 ADC 的功耗高。 6.流水线型 ADC

流水线结构 ADC,又称为子区式 ADC,它是一种高效和强大的模数转换 器。它能够提供高速、高分辨率的模数转换,并且具有令人满意的低功率消 耗和很小的芯片尺寸;经过合理的设计,还可以提供优异的动态特性。 流水线型 ADC 由若干级级联电路组成,每一级包括一个采样/保持放大 器、一个低分辨率的 ADC 和 DAC 以及一个求和电路,其中求和电路还包括可 提供增益的级间放大器。快速精确的 n 位转换器分成两段以上的子区(流水 线)来完成。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个 m 位分辨 率粗 A/D 转换器对输入进行量化, 接着用一个至少 n 位精度的乘积型数模转 换器(MDAC)产生一个对应于量化结果的模/拟电平并送至求和电路,求和 电路从输入信号中扣除此模拟电平。 并将差值精确放大某一固定增益后关交 下一级电路处理。经过各级这样的处理后,最后由一个较高精度的 K 位细 A/D 转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细 A/D 的输出组合起来即 构成高精度的 n 位输出。 优点:有良好的线性和低失调;可以同时对多个采样进行处理,有较高 的信号处理速度,典型的为 Tconv<100ns;低功率;高精度;高分辨率;可 以简化电路。 缺点:基准电路和偏置结构过于复杂;输入信号需要经过特殊处理,以 便穿过数级电路造成流水延迟;对锁存定时的要求严格;对电路工艺要求很 高,电路板上设计得不合理会影响增益的线性、失调及其它参数。 目前,这种新型的 ADC 结构主要应用于对 THD 和 SFDR 及其它频域特性 要求较高的通讯系统,对噪声、带宽和瞬态相应速度等时域特性要求较高的 CCD 成像系统,对时域和频域参数都要求较高的数据采集系统。 7.1.3 A/D 转换器件选型指南 A/D 转换器的品种繁多,性能各异,A/D 转换器的选择直接影响系统的 性能。在确定设计方案后,首先需要明确 A/D 转换的需要的指标要求,包括 数据精度、采样速率、信号范围等等。 1.确定 A/D 转换器的位数 在选择 A/D 器件之前,需要明确设计所要达到的精度。精度是反映转换 器的实际输出接近理想输出的精确程度的物理量。在转化过程中,由于存在 量化误差和系统误差,精度会有所损失。其中量化误差对于精度的影响是可 计算的,它主要决定于 A/D 转换器件的位数。A/D 转换器件的位数可以用分 辨率来表示。一般把 8 位以下的 A/D 转换器称为低分辨率 ADC,9~12 位称为 中分辨率 ADC,13 位以上为高分辨率。A/D 器件的位数越高,分辨率越高, 量化误差越小,能达到的精度越高。理论上可以通过增加 A/D 器件的位数, 无止境提高系统的精度。 但事实并非如此, 由于 A/D 前端的电路也会有误差, 它也同样制约着系统的精度。 比如,用 A/D 采集传感器提供的信号,传感器的精度会制约 A/D 采样的 精度,经 A/D 采集后信号的精度不可能超过传感器输出信号的精度。设计时 应当综合考虑系统需要的精度以及前端信号的精度。 2.选择 A/D 转换器的转换速率 在不同的应用场合,对转换速率的要求是不同的,在相同的场合,精度 要求不同,采样速率也会不同。采样速率主要由采样定理决定。确定了应用

场合,就可以根据采集信号对象的特性,利用采样定理计算采样速率。如果 采用数字滤波技术,还必须进行过采样,提高采样速率。 3.判断是否需要采样/保持器 采样/保持器主要用于稳定信号量,实现平顶抽样。对于高频信号的采 集,采样/保持器是非常必要的。如果采集直流或者低频信号,可以不需要 采样保持器。 4.选择合适的量程 模拟信号的动态范围较大,有时还有可能出现负电压。在选择时,待测 信号的动态范围最好在 A/D 器件的量程范围内。以减少额外的硬件付出。 5.选择合适的线形度 在 A/D 采集过程中,线形度越高越好。但是线形度越高,器件的价格也 越高。当然,也可以通过软件补偿来减少非线性的影响。所以在设计时要综 合考虑精度、价格、软件实现难度等因素。 6.选择 A/D 器件的输出接口 A/D 器件接口的种类很多,有并行总线接口的,有 SPI、I2C、1-Wire 等串行总线接口的。它们在原理和精度上相同,但是控制方法和接口电路会 有很大差异。在接口上的选择,主要决定于系统要求、已经开发者对于各种 接口的熟练程度。 7.1.4 数字逻辑信号的采集 通常需要采集的数字逻辑信号包括频率信号、逻辑编码信号。频率信号 典型的应用包括测量电压,提供时间基准等。逻辑编码信号是个很广泛的概 念,现在有的传感器是数字型的,它输出的不是电流或电压,而直接是编码 的逻辑信号,如温度传感器 DS1820、各种时钟芯片、GPS OEM 模块等。逻辑 编码信号的采集主要考虑物力接口和通信协议。在有些书本中,也将其归类 为通信技术。


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