模拟输入输出的基础知识

通过插图通俗易懂地对模拟输入输出、A/D转换、D/A转换的基础知识和术语集进行说明。这部分的内容推荐想通过电脑进行测量控制的人、正在对数据记录仪和测量自动化进行研究的人学习。如果您已经在使用CONTEC的模拟输入输出设备,也请务必将这部分内容用于知识点整理。

目录

模拟输入输出是什么

测量自然界中的温度、压力、流量等物理量的传感器发出的信号是模拟信号,而且,用于控制的执行机构大多数依靠模拟信号动作。而另一方面,电脑只能处理数字信号,所以使用电脑输入来自传感器的信号、向执行机构输出信号时,必须在模拟信号和电脑能处理的数字信号之间架设一座桥梁。这就是模拟输入输出接口。

模拟输入输出设备的分类

模拟输入设备(A/D转换)

将来自外部装置的模拟信号转换成电脑可处理的数字数据的设备。

模拟输出设备(D/A转换)

将电脑的数字数据转换成模拟信号、向外部装置输出的设备。

模拟输入输出设备(A/D、D/A转换)

同时具有A/D转换和D/A转换功能的设备。

模拟信号的数字化、数字信号的模拟化

如果想将外部的模拟量输入到电脑中,严格地进行数字表示,对应的数字量需要无限的位数。这不仅对只能处理有限位数的电脑来说不可能,从构成转换器的电路技术方面来看,也是不可能的。

解决这个问题最有效的方法是通过四舍五入或舍去、向上进位等方式将数据控制在允许范围方位内的方法,即,使用代表值置换一定范围内的量。这就称作量子化。

如果将实线表示的模拟量量子化,会变为阶梯状的折线。这样,就可用有限的值中的某一个表示模拟信号。这项技术一直广泛地在大家的周围使用。例如,手机。手机将大家的语音(模拟)转换成数字信号后进行通话。

例如,将阶梯的第一个台阶作为1,用10进制数表示,再将这个10进制数置换为2进制数后,变为下图所示的样子。这样,就用4个比特将模拟量数字化了,这是将模拟量量子化的基本思考方法。

模拟输入输出设备的绝缘类型

模拟输入输出设备大致可分为绝缘型和非绝缘型两类。在此,对绝缘型的两个类型的特点进行说明。非绝缘型是没有使用绝缘元件的类型。

总线绝缘型

通过光电耦合器使电脑和外部输入输出电路绝缘。这种绝缘可以防止外部电干扰,所以在配线方面容易产生噪音、担心电脑误动作、损坏时也可放心使用。

独立绝缘(通道间绝缘)型

除了总线绝缘,还通过光电耦合器、绝缘放大器进行各输入输出通道间的绝缘。这种绝缘可防止各通道间的干扰,所以即使连接各通道的机器各自的接地等级不同,也能正确采样。

光电耦合器是什么

光电耦合器是由发光二极管和光电晶体管组成一对而构成的元件。如果发光二极管中流过电流(大约10mA),就会发光。光电晶体管感应到光后,变为ON的状态,电流流通。通过这个光信号的部分,系统和外部的电信号绝缘。

输入输出通道数是什么

输入输出通道数的意思是1个设备拥有的可输入或输出的信号数。即,表示能连接的传感器(信号源)、执行机构(控制对象)的数目。看一看产品目录等的规格栏,有时会看到单端**ch、差分**ch等表示方法。

单端输入是什么

通过信号线和地线两条线连接,根据与大地的电位差测量信号源电压的方式。这在模拟输入中也是最普通的输入方式,对1个信号源,配2条线皆可以了,这是它的优点。与差分输入比较,它有容易受到噪音影响的缺点。

差分输入是什么

通过2条信号线与地线合计3条线测量信号源电压的方式。获得大地与A点间的电位、大地与B点间的电位的差,测量信号源(A-B间)的电位。这样,A-B间受到大地噪音影响互相抵消,与单端输入比较,具有不容易受到噪音影响的优点。但是,也有1个缺点:对于1个信号源,需要配3条线,与单端输入相比,能使用的通道数减少一半。

分辨率是什么

表示能将模拟信号以怎样的细小程度进行数字表示(近似)。分辨率越高,电压范围分得越细,越能将模拟值正确地转换为数字值。

以下列举一例,说明如果要在多种多样的模拟输入输出设备中,选择具有适合自己要求的分辨率的设备,应如何考虑。

例如,假设“测量 0℃ ~ 100℃的温度”・・・

例1:希望以1℃为单位测量
需要1/100的精度。分辨率为8比特(分成2的8次方=256份)的设备就足够了。
例2:如果希望以0.1℃为单位测量
需要1/1,000的精度。需要分辨率为12比特(分成2的12次方=4,096份)的设备。
例3:如果希望以0.01℃为单位测量
需要1/10,000的精度。需要分辨率为16比特(分成2的16次方=65,536份)的设备。

输入输出范围是什么

可输入或输出的模拟电压、电流的范围。双极(Bipolar)的意思是双极性(-10V ~ +10V范围等)、单极(Unipolar)的意思是单极性(0 ~ +10V范围等)。选择输入输出范围时,一般选择与传感器的输出、对执行机构的输入相同,或选择具有稍宽一点的范围的设备。

例如,假设使用一个将某模拟量转换成0 ~ 5V电压的传感器。那么,输入范围为0 ~ 10V和0 ~ 5V的设备哪一个更有效?假设分辨率都是12比特,范围为0 ~ 10V的主板能分割的最小电压为10÷4096,大约2.44mV。0 ~ 5V的设备为5÷4096,所以能分割的最小电压大约为1.22mV。传感器只能输出0 ~ 5V,所以选择输入范围为0 ~ 5V的设备可测量得更加精确。

增益是什么

增益的意思是倍率。在模拟输入设备中,有的设备搭载了增加输入信号幅度的功能。例如,外部信号为0 ~ 2.5V时,假设模拟输入设备的输入范围为0 ~ 10V,与直接转换相比,将外部信号(输入的信号)的幅度增加到4倍,成为0 ~ 10V的信号后转换可进行更高精度的测量。

转换速度(采样周期)是什么

表示能以多细小的时间间隔将模拟信号转换成数字信号,或能以多大的时间间隔将数字数据转换成模拟量输出。转换速度越快,转换的再现性越高。

关于采样的定理

如果不以输入/测量频率2倍以上的采样周期采样,就不能正确地测量波形。

转换精度是什么

进行A/D转换或D/A转换时的误差范围。用1LSB单位表示误差。例如,假设A/D转换设备的分辨率为12比特,输入范围设定为±10V,那么能分辨的最小单位为20÷4,096 ≒ 4.88mV(1LSB)。该A/D转换主板的转换精度表示为±2LSB时,意思是可能产生大约4.88×2 ≒ ±9.76mV的误差。

  • *
    LSB:Least Significant Bit的缩写,表示二进制数据的最后一位比特。

二进制数据和电压值的关系(分辨率为16比特时)

从16比特的模拟输入设备输入的A/D转换数据的分辨率为二进制16位(16进制数=4位),模拟输出设备时,要设定的D/A转换数据的分辨率为二进制16位(16进制数=4位)。如下图所示,“0000”时为“-10V”,而“FFFF”时为“9.99970V”。

如果是分辨率为16比特的设备,对于-10V ~ 0V的电压,将-10V表示为“0000H”,将0V表示为“8000H”,可表示32,768种数据,而对于0V ~ +10V,只能表示32,767种:从“8000H”到最大值“FFFFH”。因此,最大值为“+10V-1LSB”。

这些关系在任何一种模拟输入输出设备上都是通用的。例如,进行模拟输出时,如果向外部输出信号,分辨率为16比特,将设备设定为“FFFF”,但可输出的最大电压为“+10V-1LSB”。

电压的含义 模拟电压(V) DATA(16进制数) 2进制数表示
  • MSB
  • LSB
FSR-1LSB 9.99970 FFFF 1111 1111 1111 1111
FSR-2LSB 9.99938 FFFE 1111 1111 1111 1110




+1LSB 0.00030 8001 1000 0000 0000 0001
0.00000 8000 1000 0000 0000 0000




-1/2FSR+1LSB -9.99970 0001 0000 0000 0000 0001
-1/2FSR -10.00000 0000 0000 0000 0000 0000

缩写(单位)的含义

LSB

Least Significant Bit的缩写。表示二进制数据的最后一位比特。

MSB

Most Significant Bitt的缩写。表示二进制数据的最前一位比特。

FSR

Full Scale Range的缩写。±10V范围时,“20”为FSR。

以数字值表示模拟值的方法

通过模拟输入(A/D转换)转换(量子化)的数据、设定为模拟输出(D/A转换)的数据使用以下特有的编码体系表示。表示方法有以下几种。

标准二进制

将电压的0V作为数字值的0,数字值与电压成正比,电压增加,数字值也增加。用于单极型。

偏移二进制

将负电压的最大值作为数字值的0。将电压的0V作为数字值的中间值,将正电压的最大值作为数字值的最大值。用于双极型。

反二进制(2的补数)

反转偏移二进制编码的最高位比特后得到。2的补数表示是一种在电脑运算中使用方便的编码。在双极型中,有这种格式的数据。

采样方式是什么

进行多通道的采样时,有使用多路复用器(切换器)的多路复用器方式和同步采样方式。

多路复用器方式通过多路复用器切换进行采样,不能同步转换多个通道(需要通道切换时间)。

同步采样方式有每个通道都搭载A/D转换器的类型和搭载样本/保持放大器的类型,都可进行多个通道的同步转换。

转换速度和通道数的关系

通过多路复用器方式进行模拟受通道切换方式时,进行多个通道的采样时,可设定的采样周期须保持以下关系。“转换速度×通道数≦采样周期”

时钟是什么

表示是否可使模拟输入输出设备的转换动作等在某个时间点同步。决定采样周期的采样时钟主要有以下几种方式。

内部时钟

设备上搭载可设定周期的定时器元件,并将其作为时钟源进行周期性转换的方法。在正确、短周期的时间序列处理中非常有效。

外部时钟

可在搭载外部时钟输入端子的设备上使用。与从外部输入的脉冲信号等同步进行转换。在进行与外部装置的同步处理时非常有效。

软件时钟

与电脑的系统定时器同步,在软件上发送开始命令,进行周期性转换的方法。但是,VisualBasic的定时器控制等误差很大,所以不适合需要高速、正确周期的系统。

触发器是什么

决定在什么时间点执行开始、停止转换的主要因素。可分别独立设定开始、停止。主要的触发器如下所示。

软件触发器

通过软件的命令控制转换动作的开始/停止的方法。

外部触发器

通过外部信号(数字信号)控制转换动作的开始/停止的方法。输入预先设定的边缘方向(上升、下降)的外部控制信号后,开始/停止转换动作。

电平比较(转换数据比较)触发器

根据指定通道的信号变化进行转换动作的开始/停止的控制。比较预先设定的比较电平值和指定通道模拟信号的大小,如果和条件相符,开始/停止转换动作。

缓冲存储器是什么

缓冲存储器是暂时保管转换数据的场所。它不仅可进行高速、高功能的模拟输入输出处理,还可大幅减轻电脑端的负荷。缓冲存储器根据用途分为FIFO格式和RING(环形)格式。

FIFO格式

在FIFO(First In First Out)格式存储器中,经过转换的数据存储在缓冲存储器的前面,可按照从前到后的顺序读取写到缓冲存储器前面的数据。读取的转换数据从存储器内部依次送出,可始终读取缓冲存储器中留有的最早的缓冲数据。超过FIFO存储器容量的数据不能写入,将被丢弃,另外,读取过一次的数据也会被缓冲存储器丢弃。

RING(环形)格式

在RING(环形)格式的存储器中,缓冲存储器内部的保存领域的构成呈环状。转换数据依次写入,如果超过存储器容量,继续保存,将覆盖前面的转换数据保存的领域。在正常的状态下,不取得数据,因某个事情转换动作停止 ,要取得附近数据时,使用RING存储器。采用RING(环形)格式存储器时,读取过一次的数据在被覆盖前,可能被读取好几次。

总线主控传输功能是什么

使用PCI总线主控功能的DMA(直接内存访问)传输。

  • 不对电脑的CPU施加负荷,可从设备直接向电脑的内存以80MB/sec(最大133MB/sec)的速度传输数据。
  • CPU不会被剥夺进行数据传输处理等的能力,可以进行其他的处理,所以不会对其他的应用程序产生影响。
  • 预先在设备中进行输入输出所需的设定,主板根据相应信息进行处理,所以与一般的输入输出处理相比,可构筑高效的系统。

一般处理

进行一般的输入输出处理时,CPU从设备中读取数据后,存储在本体内存中。在这个期间,CPU不能进行其他处理。在下图的例子中,(4)和(5)的处理结束后,可进行下一项处理。

总线主控处理

CPU向设备发出总线主控处理的指令后,设备可从本体内存直接(不通过CPU)取得数据。在下图的例子中,(2)和(3)的处理之间可进行其他的处理。

中断是什么

将特定的输入端子连接到电脑(CPU)的IRQ上,从外部产生优先处理的功能。用于检测外部装置的变化,通过执行特定处理的应用程序、外部的指令执行高优先度紧急处理等情况。

消耗电流是什么

设备动作需要电源,消耗电流表示设备主板会消耗多少电流。一般,这个电源由电脑的扩展总线连接器供给。

应该注意,实际安装的主板的最大消耗电流的总和不得超过电脑的额定电源容量(能向扩展槽供给的电流最大値)。

如果超过了,可能会导致电脑的电源电压降低、失去控制等故障,所以必须采取对策,如使用扩展电脑插槽的“扩展单元”等。

例:电脑从扩展槽能供给的电源容量为3.6A时

如果安装2块1.2A的外部接口主板,最大消耗电流为
1.2(A)×2(块) = 2.4A → 低于电脑的电源容量(3.6A),所以【OK】
如果安装6块0.8A的外部接口主板,最大消耗电流为
0.8(A)×6(块) = 4.8A →超过电脑的电源容量(3.6A),所以【NG】

噪音的种类及其对策

噪音大致分为以下2种。与电气实验不同,现场存在各种噪音,很多情况下都和理论不一样。在这样的情况下,很多精度失去控制的原因都是噪音。

外来噪音

  • 从信号传输线的外部空中传播而来的噪音。
  • 与电机等动力机器配线混在一起、从经过附近的配线混入的噪音。

内部噪音

  • 与模拟输入输出电路连接导致的噪音。
  • 装置间的大地电位差导致的补偿电压及噪音。
  • 配线材料导致的串扰、辐射噪音。

对策

特别是,进行测量时的原则是不能对测量对象产生影响。为此,必须考虑阻抗和地面电平等的匹配。可以说,如果习惯了,没有什么难的,但如果忽略了,会产生很大影响。下表是噪音对策方法的一个例子。

硬件

对策方法 具体示例 效果 注意点
加强信号电平 在微弱信号测量点增幅 消除所有噪音 在电脑端效果小
通过配线方式消除 使用屏蔽线缆 消除空中传播而来噪音
通过配线方式消除 使用双绞线线缆 消除串扰
通过配线方法消除 分离测量、控制系和动力系的配线(电源、GND、配管) 消除空中传播而来噪音
通过插入滤波电路消除 插入EMI滤波器、CR滤波器 消除所有噪音 能确定噪音频率时非常有效
通过输入输出形式消除 通过差分输入输出连接 消除空中传播而来噪音 仅对同相噪音有效
通过连接地线消除 将各装置接地 消除装置间的电位差 地线反而成为噪音源

软件

对策方法 具体示例 效果 注意点
通过平均化运算消除
(读取多个信号)
通过移动平均使噪音平滑化 消除高频噪音 对变化的响应性变差
通过平均化运算消除
(读取多个信号)
通过块平均消除噪音 消除高频噪音 采样频率降低
通过软件滤波器消除 通过滤波函数消除噪音 消除高频噪音 不适合实时处理

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