第三节模拟量输入通道
模拟量输入通道的任务，是把被控对象的模拟信号，转换成二进制的数字信号送入计算机。
模拟量输入通道的核心部分，是模/数转换器（A/D转换器）。
一、信号的采样、保持、量化和编码
将模拟量转化为数字量的过程中，先由检测部件测量得到模拟电信号，经A/D转换器进行编码，变成数字信号。
A/D转换的过程为：
采样—》保持—》量化—》编码，完成“采样—保持”过程的电路称为采样保持电路，“量化—编码”过程由A/D转换器完成。
1、采样
（1）采样
把时间上连续的模拟信号，转换成幅度取决于输入模拟量的脉冲信号，这个过程就叫采样。
采样的过程如图2－2所示。
图2－2采样—保持示意图
（2）采样信号
采样开关K每隔时间T（采样周期）闭合一次、闭合时间为
。
模拟信号f（t）通过该采样开关后，变成脉冲宽度为
、间隔为T、幅值随f（t）幅度变化的脉冲信号f*（t），f*（t）又称为采样信号。
采样信号实际上是时间上离散、幅值随模拟信号变换的连续信号。
（3）采样频率
称为采样频率。
采样频率越高，采样信号就越接近实际的模拟信号。
为使得采样信号f*（t）不失真于模拟信号f（t），需遵从香农采样定理。
香农采样定理：
如果模拟信号f（t）的最高频率为
，只要按照采样频率
进行采样，就可以由采样信号f*（t）唯一地复原模拟信号f（t）。
注：
采样频率，采样设备越复杂、成本越高。
在实际应用中，
一般取（5～10）
。
2、保持
保持是指将采样所获取的信号值保持不变，直到下一次采样时刻。
注：
采样信号需要经A/D转换器进行量化，而量化需要时间。
对于速度较慢的A/D转换器，在脉冲宽度
内不能完成量化，因此需要在量化过程中保持采样信号的值。
保持之后，信号变成阶梯状的连续信号。
3、量化
（N为A/D转换器的字长，采样信号范围
）
v称为量化单位，也叫可分辨的最小信号。
量化就是用v把采样保持信号的范围等分，然后把采样点的信号幅值，向其最接近的nv靠拢。
——如量身高175cm
量化后，连续的采样保持信号变成时间上、幅值上都离散的数字信号。
4、编码
编码是将量化信号中的n，用二进制来表示。
——二进制信号才能送入计算机
注：
数字信号一定是离散信号，离散信号不一定是数字信号。
二、模拟量输入通道的结构形式
1、一般组成
图2－3模拟量输入通道的一般组成
在模拟输入通道中，先利用传感器将从信号源检测的非电量转换为电量，并进行信号处理（如放大、滤波等），经采样保持器将模拟信号转换成采样保持信号，送入A/D转换器量化编码成数字信号，再经接口送入计算机。
2、常用的结构形式
图2-4模拟输入通道的结构形式
（1）每个通路都有采样保持器、A/D转换器，如图2－4（a）；
——适用于同步高速数据采集、同步转换的控制系统
（2）多路同时采样、分时转换A/D通道：
采样保持后，经多路开关，共用一个A/D转换器，如图2－4（b）；
——适用于转换速度、精度要求不高，需同时采集、分时转换的控制系统
（3）多路信号源，共享采样保持器和A/D转换器，如图2－4（c）；
——适用于分时转换、分时采样
三、模拟量输入通道的各个环节
（一）传感器
在实际工程中，需对被控或被测对象进行测量，将其转换为系统可处理的物理量，这种感知被测对象的器件或装置称为传感器。
——如体温表
由于电信号容易处理、传送，因此大多数传感器将实际的非电信号转换成电信号。
——如热电偶：
温度；光敏电阻：
光；转速传感器：
转速；
（二）信号调理或I/V变换
1、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、共模抑制及隔离等办法，将非电量和非标准的电信号，转换成0～10mA或4～20mA的统一电信号。
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。
（三）采样－保持器
完成采样、保持的功能。
（四）多路开关——检票口
在数据采集中，被测对象往往不止一路。
为降低硬件开销，常常共用A/D转换器。
（1）多路开关：
用于把多路检测信号逐个、分时切换到A/D转换器，完成“多到一”的转换，从而达到多路分时检测的目的。
（2）反多路开关：
用于把计算机发出的信号，依次或者按照某种规律输出到各控制，完成“一到多”的转换。
（3）双向多路开关：
既能完成“多到一”转换、又能完成“一到多”转换的多路开关。
典型的芯片是CD4051，双向，8路。
8个输入输出通道IN/OUT0～IN/OUT7，A、B、C为通道控制端。
（五）模/数转换器（A/D转换器）
简称ADC，是模拟输入通道的核心器件
1、功能：
把模拟量转变为数字量。
2、种类
A/D转换芯片种类繁多，根据输出数字信号的有效数（A/D转换器的字长）分为4位、8位、10位、12位、16位等等。
从结构原理上看，有计数式、逐次逼近式、双积分式，转换速度依次提高。
3、A/D转换的主要性能指标
（1）量程
即所能转换的输入电压范围，如－5V～＋5V，0～10V等。
（2）分辨率
通常用A/D转换器的字长来表示，字长越大，分辨率越高。
A/D转换器可分辨的最小信号（也就是数字量的最低有效位LSB对应的信号）
（N为A/D转换器的字长，采样信号范围
）
例：
设A/D的模拟信号的范围为：
0～5v，要求A/D能分辨出5mv的信号，求A/D最少要多少位？
解：
（3）转换时间
指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。
（4）
线性误差
理想的转换特性应该是线性的，但实际转换时并非如此。
把偏离理想转换特性的最大误差，定义为线性误差，常用
表示。
注：
除了A/D转换器外，常见的其他几种转换器包括
V/F转换器——模/数转换，将模拟电压信号转换为频率量；
F/V转换器——数/模转换，将频率量变转换为模拟电压信号；
F/D转换器——数/数转换，将频率量转换为数字量；
这三类器件都和频率有关。
在信息的传输过程中，频率量便于远距离传送。
可以调制到射频信号，进行无线传播；也可以调制成光信号，进行光纤传播。
（六）输入接口
例：
图2－58031和ADC0809的接口
（1）8031通过ADC0809的A、B、C，决定需要进行A/D转换的通道；
（2）8031通过
向ADC0809的START发出启动转换命令；
（3）ADC0809进行A/D转换，转换后的数据保存在D0～D7中；
（4）A/D转换完毕后，向8031的
发送信号；
（5）8031在中断程序中，通过
向ADC0809发出命令，从ADC0809的D0～D7中读取转换数据。
第四节模拟量输出通道
模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键。
它的任务，是把计算机输出的数字控制信号，转换成模拟控制信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。
模拟量输出通道的核心，是数/模转换器（D/A转换器）。
一、模拟量输出通道的结构形式
1、一般组成
图2－6模拟量输出通道的一般组成
在模拟输出通道中，计算机输出的数字控制信号，通过I/O接口送入D/A转换器，转换成模拟控制信号。
模拟控制信号经过输出保持器和功率放大装置，送给执行机构，由执行机构控制生产对象作出调整，达到控制目标。
2、常用的结构形式
图2-7模拟输出通道的结构形式
（1）每个通路都有D/A转换器，如图2－7（a）所示；
（2）多通路共享一个D/A转换器，如图2－7（b）所示；
二、模拟量输出通道的各个环节
（一）D/A转换器
简称为DAC，完成将数字量转换成模拟量的任务，是模拟量输出通道的核心部件。
D/A转换时，计算机的数字控制量（如10010001）中，“1”所对应的位将产生相应的电流（电压）。
所有电流（电压）相叠加，就是最后的模拟结果。
转换后的模拟控制信号，在时间上仍然是离散的。
D/A转换器的种类很多，常用的有并行数据输入的DAC0832（8位字长）、DAC1210（12位字长）。
DAC的主要转换指标包括：
（1）分辨率：
通常用DAC的输入二进制的位数来表示，如8、10、12位；
（2）转换时间：
指DAC输出的模拟量，达到稳定值的
所需要的时间；
（3）线性误差：
和ADC的定义相同。
（二）输出保持器
D/A转换后的模拟控制信号，在时间上仍然是离散的。
因此需要输出保持器，将其转换为时间上连续的模拟信号。
（三）功放装置
输出保持器所产生的模拟控制信号比较微弱，需要利用功率装置对其进行功率放大，才能驱动大功率的执行机构工作。
（四）执行机构
根据模拟控制信号执行相应的控制动作，使生产过程的被控量趋向控制目标。
（五）输出接口
例：
图2－8单片机8051和DAC0832的单缓冲接线图
8051的数字控制信号送入DAC0832的D0～D7，转换结果由Vout输出。
第五节数字量输入输出通道
数字量（开关量）信号也是生产过程中最基本的输入输出信号，它大致可分为三种形式：
（1）机械有触点开关量，如继电器、阀门、按钮等；
（2）电子无触点开关量，如固态继电器、功率电子器件、模拟开关等；
（3）非电量开关量，如磁敏、光敏、生敏等元件。
数字量（开关量）信号共同特征是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的。
和模拟量相比，数字量（开关量）信号的输入输出通道比较简单。
一、数字量输入通道
图2-9数字量输入通道结构
数字量输入通道把生产过程的数字量（开关量），变换成为计算机能够接受的数字量。
它主要由输入调理电路、输入缓冲器和地址译码电路等组成。
1、输入调理电路
生产过程的数字量（开关量），可能是电压、电流、开关的触点等，会引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象；也可能是敏感元件输出的微弱信号，需要通过放大和检波才能变成逻辑电信号。
为了把外部的数字量（开关量）输入到计算机，必须采取转换、保护、滤波、隔离等措施。
这些措施由输入调理电路实现。
2、输入缓冲器
用于收集并缓存被测状态的信息。
可以采用查询或者中断方式，由计算机决定何时将来自生产过程的数字量读入，或者把哪个输入缓冲器的信息读入。
常用的芯片是74LS244。
注：
也可以不用输入缓冲器，让开关量输入直接与I/O口相连。
3、地址译码器
根据计算机指示的输入端口，定位到相应的输入缓冲器上，以便从该输入缓冲器读入数字量（开关量）信息。
二、数字量输出通道
数字量输出通道把计算机输出的数字控制信号，传递给开关型或者脉冲型执行机构。
它主要由输出锁存器、输出驱动电路和输出地址译码电路等组成。
图2-10数字量输出通道结构
（1）计算机通过地址译码器，决定向哪个输出缓冲器输出数字控制信号。
（2）计算机的控制信号（即控制状态），一般需要进行保持直到下次给出新的控制信号为止，这个锁存功能由输出缓冲器实现。
常用的是74LS273。
（3）控制信号作用到输出驱动器上，由输出驱动器执行命令，控制生产过程的开关量。
第六节过程通道的硬件抗干扰措施
一、干扰概述
所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或者造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。
对于计算机来说，干扰主要来源于两种情况：
一是来自设备内部，二是来自设备外部。
内部干扰取决于系统结构布局、生产工艺、电路设计及器件性能等。
外部干扰主要取决于系统所处的条件和外界环境，如环境温度、湿度、电磁辐射等因素。
工业环境有强大的干扰，会导致实验室能正常模拟运行的系统，在工业现场不能正常运行。
所以，抗干扰问题是必须解决的关键问题之一。
二、抗干扰措施
抗干扰措施有硬件措施，有软件措施，也有软硬结合的措施。
硬件措施如果得当，可以把绝大多数的干扰拒之门外。
硬件抗干扰效率高，但是要增加设备投资和设备的体积。
软件抗干扰措施作为第二道防线是必不可少的。
软件抗干扰措施投资低，但是以CPU的开销为代价，影响系统的工作效率和实时性。
成功的抗干扰系统，是由硬件和软件相结合的系统。
常用的抗干扰措施有：
（1）远离干扰源：
弱信号设备尽量远离强信号设备；强弱信号线要避免平行走线，尽可能地正交；
（2）信号隔离：
利用隔离变压器或光电耦合器，把模拟信号电路和数字信号电路隔离开，也就是把模拟地和数字地断开。
（3）滤波：
滤波器是常用的抑制干扰的方法，滤波器分为模拟滤波器（低通、高通、带通）和数字滤波器。
（4）屏蔽：
采用电磁屏蔽、磁场屏蔽、双绞线和同轴电缆，可有效地防止电磁干扰。
（5）接地：
地线的种类可分为模拟地、数字地、机壳地、电源地、交流地等，理想情况下系统的所有地线与大地之间应该是零阻抗。
应该尽可能保持良好的接地，特别是数字地和模拟地应该分开走线，并且所有的地线不能和交流地相连。
——接地是重要的抗干扰措施之一，把它和屏蔽结合起来，可消除大部分干扰。
三、总结
干扰的产生和抑制，是一个非常复杂的理论和技术问题，实践性极强。
尽管目前取得了不少成果，但对某些干扰的产生和抑制方面，还处于研究和摸索阶段。
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