第11章开关量与模拟量接口技术11.1概述强电控制电路与微机应用系统共地，是引起干扰的一个很重要的原因。由于强电控制电路与微机应用系统的接地线存在着一定的电阻，且微机应用系统各器件的接地和电源接地之间也存在着一定大小的连线电阻，在平常工作时，流过的电流较小，这种电阻上的压降几乎可以忽略不计，系统各器件的地和电源地可以认为是同一电位；但是，如果在某一瞬时，有大电流流过，那么该电阻上的压降就不能忽略了。如图11.1所示，串联压降就会叠加到微机应用系统各个器件的地电位上，从而造成危害极大的脉冲干扰。图11.1大电流干扰地电平示意图消除上述干扰的最有效方法是使微机应用系统主机部分的接地和强电控制电路的接地隔开，不让它们在电气上共地。微机应用系统主机部分的控制信息以某种非电量(如光、磁等)形式传递给强电控制电路，实现电信号的隔离，从而消除强电干扰。目前，最常见的是采用光电隔离器或继电器隔离，其中光电隔离器件体积小、响应速度快、寿命长、可靠性高，因而获得了广泛的应用。11.1.2模拟量模拟量输入/输出通道是微型计算机与控制对象之间的一个重要接口，也是实现工业过程控制的重要组成部分。在工业生产中，需要测量和控制的物理量往往是连续变化的量，如电流、电压、温度、压力、位移、流量等。为了利用计算机实现对工业生产过程的自动监测和控制，首先要能够将生产过程中监测设备输出的连续变化的模拟量转变为计算机能够识别和接受的数字量。其次，还要能够将计算机发出的控制命令转换为相应的模拟信号，去驱动模拟调节执行机构。这样两个过程，都需要模拟量的输入和输出通道来完成。模拟量输入/输出通道的结构如图11.2所示，下面分别介绍输入和输出通道中各环节的作用。图11.2模拟量的输入/输出通道结构图1.模拟量的输入通道典型的模拟量输入通道由以下几部分组成。1)传感器传感器是用于将工业生产现场的某些非电物理量转换为电量(电流、电压)的器件。例如，热电偶能够将温度这个物理量转换成几毫伏或几十毫伏的电压信号，所以可用它作为温度传感器；而压力传感器可以把物理量压力的变化转换为电信号，等等。2)变送器一般来讲，传感器输出的电信号都比较微弱，有些传感器的输出甚至是电阻值、电容值等非电量。为了易于与信号处理环节衔接，就需要将这些微弱电信号及电阻值等非电量转换成一种统一的电信号，变送器就是实现这一功能的器件。它将传感器的输出信号转换成0～10mA或4～20mA的统一电流信号或者0～5V的电压信号。3)信号处理环节信号处理环节主要包括信号的放大及干扰信号的去除。它将变送器输出的信号进行放大或处理成与A/D(AnalogtoDigital)转换器所要求的输入相适应的电平。另外，传感器通常都安装在现场，环境比较恶劣，其输出常叠加有高频干扰信号。因此，信号处理环节通常是低通滤波电路，如RC滤波器或由运算放大器构成的有源滤波电路等。4)多路转换开关在生产过程中，要监测或控制的模拟量往往不止一个，尤其是数据采集系统中，需要采集的模拟量一般比较多，而且不少模拟量是缓慢变化的信号。对这类模拟信号的采集，可采用多路模拟开关，使多个模拟信号共用一个A/D转换器进行采样和转换，以降低成本。5)采样保持电路在数据采样期间，保持输入信号不变的电路称为采样保持电路。由于输入模拟信号是连续变化的，而A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，这段时间称为转换时间。不同的A/D转换芯片，其转换时间不同。对于变化较快的模拟输入信号，如果不在转换期间保持输入信号不变，就可能引起转换误差。A/D转换芯片的转换时间越长，对同样频率模拟信号的转换精度的影响就越大。所以，在A/D转换器前面要增加一级采样保持电路，以保证在转换过程中，输入信号保持在其采样期间的值不变。6)模数转换器A/D这是模拟量输入通道的中心环节，它的作用是将输入的模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号，以便计算机进行分析和处理。2.模拟量的输出通道计算机的输出信号是数字信号，而有些控制执行元件要求提供模拟的输入电流或电压信号，这就需要将计算机输出的数字量转换为模拟量，这个过程的实现由模拟量的输出通道来完成。输出通道的核心部件是D/A(DigitaltoAnalog)转换器，由于将数字量转换为模拟量同样需要一定的转换时间，也就要求在整个转换过程中待转换的数字量要保持不变。而计算机的运行速度很快，其输出的数据在数据总线上稳定的时间很短，因此，在计算机与D/A转换器之间必须加一级锁存器以保持数字量的稳定。D/A转换器的输出端一般还要加上低通滤波器，以平滑输出波形。另外，为了能够驱动执行器件，还需要设置驱动放大电路将输出的小功率模拟量加以放大，以足够驱动执行元件动作。11.2开关量接口1.光电二极管光电二极管的结构与PN结二极管类似，但在它的PN结处，通