生產(chǎn)過程中的隨時間連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、液位、濕度等，由傳感器檢測并轉(zhuǎn)換為模擬的電信號，通過模擬量輸入通道送至計算機系統(tǒng)，最終經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，才能交由計算機處理。
在計算機控制系統(tǒng)中，一般采用集成a/d轉(zhuǎn)換器完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。集成a/d轉(zhuǎn)換器的類型繁多，按轉(zhuǎn)換原理可分為逐次逼近式、雙斜積分式、v/f變換式、并行式等，各種a/d轉(zhuǎn)換器的接口形式、轉(zhuǎn)換位數(shù)、分辨率、線性度、參考電壓提供方式、抗干擾能力、價格等差別很大，表2.2介紹了部分常用的a/d轉(zhuǎn)換器的性能、參數(shù)。另外，一些微處理器芯片(如m68hc11系列、mcs196、mcs98等)含有內(nèi)置的a/d轉(zhuǎn)換器，當控制系統(tǒng)的cpu選擇此類微處理器時，可以直接利用片內(nèi)a/d轉(zhuǎn)換器完成模擬量輸入轉(zhuǎn)換。1. 多路a/d轉(zhuǎn)換技術(shù)
(1) 多路a/d轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
一般來說，有三種方案可以解決多路模擬量輸入問題：①采用集成多路a/d轉(zhuǎn)換器，如adc0809(8路、8位)、max186(8路、12位)等，或選擇內(nèi)含集成多路a/d轉(zhuǎn)換器的微處理器，如m68hc11系列、mcs96系列的微處理器。這種方案的設(shè)計簡潔、可靠性高，在轉(zhuǎn)換精度、線性度、溫度漂移、通道數(shù)等可以滿足要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮采用；但也應(yīng)注意有時各模擬量輸入互相串擾的問題。②每個模擬量輸入配置一個a/d轉(zhuǎn)換器。當系統(tǒng)中模擬量輸入較多時，硬件費用會迅速增加、可靠性降低，一般不采用這種方案，僅在考慮轉(zhuǎn)換速度、各模擬量互相串擾等情況下使用。③采取多路模擬量輸入復(fù)用一個a/d轉(zhuǎn)換器的方案，如圖1所示。
圖1 多路復(fù)用方式a/d轉(zhuǎn)換原理
(2) 多路開關(guān)
多路開關(guān)是多路復(fù)用式a/d轉(zhuǎn)換電路的重要機構(gòu)，下面介紹兩種常用類型。
① 機械觸點式
機械觸點式多路開關(guān)主要有干簧繼電器、水銀繼電器等，其中干簧繼電器體積小、切換速度高、噪聲小、壽命長，最適合作為模擬輸入的多路開關(guān)。干簧繼電器的開關(guān)頻率為10～40次/秒，斷開時的電阻大于1mω，導(dǎo)通電阻小于50mω，切換動作時間約1ms，不受環(huán)境溫度影響，可通過的電壓、電流容量大，動態(tài)范圍寬；與電子開關(guān)相比，其缺點是體積大、工作頻率低，而且通斷時有機械抖動現(xiàn)象，故一般用于低速高精度檢測系統(tǒng)中。圖2為干簧繼電器的原理，線圈通/斷電就使觸點接觸或斷開。
圖2 干簧繼電器的原理
② 集成多路模擬開關(guān)
集成模擬開關(guān)是將多路半導(dǎo)體模擬開關(guān)集成在一個芯片上，其特點是切換速度高、體積小、應(yīng)用方便，但比機械多路開關(guān)的導(dǎo)通電阻大，為幾十～幾百歐姆，而且各通道之間有時會互相串擾。
2. 采樣保持器
在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，如果模擬信號的頻率較高，就會由于a/d轉(zhuǎn)換器的孔徑時間(即轉(zhuǎn)換時間)而造成較大的轉(zhuǎn)換誤差，克服的方法是在a/d轉(zhuǎn)換器之前設(shè)置采樣保持電路。采樣保持器平時處于“采樣”狀態(tài)，跟蹤輸入信號變化；進行a/d轉(zhuǎn)換之前使其處于“保持”狀態(tài)，則在a/d轉(zhuǎn)換期間一直保持轉(zhuǎn)換開始時刻的模擬輸入電壓值；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，又使其變?yōu)椤安蓸印睜顟B(tài)。是否設(shè)置采樣保持器，應(yīng)根據(jù)模擬輸入信號的變化頻率和a/d轉(zhuǎn)換器的孔徑時間來確定。
在多路復(fù)用方式a/d轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，各模擬量輸入共用一個采樣保持器，見圖1。另外，在多通道復(fù)用一個d/a轉(zhuǎn)換器的模擬輸出方式里，為了從一個d/a轉(zhuǎn)換器輸出不同通道的不同模擬電壓，也需要采用采樣保持器。
3. 模擬量輸入的隔離
出于對系統(tǒng)抗干擾、噪聲抑制及安全等因素的考慮，往往對模擬量信號輸入進行隔離。根據(jù)具體情況，可以采用以下幾種措施。
(1) 光電隔離
在計算機控制系統(tǒng)中，一般在計算機接口和a/d轉(zhuǎn)換電路之間實施光電隔離，見圖3。這種隔離保證了模擬量信號輸入部分和計算機數(shù)字處理系統(tǒng)之間的徹底的電氣隔離，而且由于是在數(shù)字接口部分隔離，使得其實現(xiàn)簡單、造價低廉。
圖3 模擬量信號輸入的光電隔離
(2) 共模電壓的隔離
共模電壓是指多根信號線對參考電壓的相等的部分。若是相差的部分則為差模電壓。
常用的共模電壓隔離措施有以下幾種：
① 光電隔離
這種隔離即前面所述的模擬量信號輸入光電隔離技術(shù)，它實現(xiàn)了模擬部分和數(shù)字部分的電氣隔離，能夠克服光電隔離輸出、輸入兩端設(shè)備的地線間的共模干擾，但無法克服模擬信號之間的共模干擾。
② 電容隔離技術(shù)
這種隔離方法的原理見圖4。平時，開關(guān)k1i(i=1,2,...,n)處于閉合狀態(tài)，ci的電壓跟蹤vi的輸入值，開關(guān)k2i(i=1,2,...,n)處于斷開狀態(tài)。需檢測vi時，則令k1i斷開,k2i閉合，放大器k的輸出經(jīng)采樣保持器送至a/d轉(zhuǎn)換器化為數(shù)字量，然后開關(guān)再恢復(fù)平時的狀態(tài)。在采樣、轉(zhuǎn)換過程中，放大器k不與任何模擬量信號輸入共地，電容ci的電壓均為差模電壓，這樣就克服了共模電壓的影響。
圖4 共模電壓的電容隔離技術(shù)
③ 隔離放大器
隔離放大器包括高性能的運算放大器、調(diào)制解調(diào)器、信號耦合變壓器、輸出運算放大器、濾波器和電源幾個部分。輸入、輸出和電源都是由變壓器隔離的，沒有任何電路連接，從而實現(xiàn)了輸入信號、輸出信號及電源的隔離。詳見教材。
4. 模擬量輸入信號的放大
傳感器的輸出信號通常都是弱信號，需經(jīng)放大才能進行a/d轉(zhuǎn)換，信號放大是控制系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。
(1) 測量放大器
傳感器的輸出信號一般較弱，且其中含有各種共模干擾，這就要求對其放大的電路具有很高的共模抑制比和高增益、高輸入阻抗、低噪聲，習慣上稱這種放大器為測量放大器或儀表放大器。
圖5是四個運放構(gòu)成的儀表放大器電路，其中，運算放大器放a1?a3構(gòu)成儀表放大器，a4用于實現(xiàn)零輸出的綜合補償。
圖5 是四運放構(gòu)成的儀表放大器電路
常用的集成儀表放大器有ad521、ad522、zf603、zf605和bg004等。圖6和圖7是ad521和ad522的典型接線圖。
圖6 ad521的典型接線圖 圖7 ad522的典型接線圖
(2) 程控增益放大器
圖8是程控增益放大器的原理。模擬開關(guān)k1～k3由計算機程序來控制，任何時候至少有一個開關(guān)是閉合的。通常由軟件控制使模擬開關(guān)中的某一個或某幾個閉合，然后進行a/d轉(zhuǎn)換，并由轉(zhuǎn)換結(jié)果判斷放大倍數(shù)是否合適，如不合適則改變開關(guān)狀態(tài)，直至達到可能的最佳的放大倍數(shù)。圖9是用8選1的模擬開關(guān)cd4051組成的程控增益放大器電路。圖中a、b、c是輸入通道地址選擇端，通過計算機的并行輸出口控制，每次只選中8個輸入y0～y7中的一路與公共端com接通。此電路可實現(xiàn)8種不同的放大倍數(shù)。
圖8 程控增益放大器原理 圖9 cd4051組成的程控增益放大器
與儀表放大器類似，程控增益放大器也有集成化產(chǎn)品，如ad524、ad624、lh0084等，這些放大器將譯碼電路和模擬開關(guān)集成在一起，甚至設(shè)定增益的電阻網(wǎng)絡(luò)也集成進去了，使用起來非常方便。
5. 模擬量輸入信號的濾波
工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境往往非常惡劣，致使由傳感器得到的模擬量信號中混有噪聲信號，用長線傳輸時尤為突出，嚴重時噪聲信號可能淹沒真實信號，如不加處理，就會導(dǎo)致系統(tǒng)控制失敗。因此，必須進行模擬量信號濾波處理以抑制噪聲，提高信噪比。
濾除模擬量信號上的噪聲可以采用硬件濾波，也可以采用數(shù)字濾波(也稱軟件濾波)。
硬件濾波是指在模擬信號進入a/d轉(zhuǎn)換器前，用硬件電路進行濾波。通過合理的濾波電路的設(shè)計，可以濾除模擬輸入信號中的特定頻段的噪聲信號。按是否采用有源器件(即放大器)，濾波器可以分為有源濾波器和無源濾波器兩大類；按濾波的頻段，又可以分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波。