康泰克 | 模拟输入输出的基础知识
- 关键词：康泰克,模拟输入输出
- 摘要：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。
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
模拟信号输入输出(多功能)
USB单
PCI Express接口板
PCI接口板
模拟信号输入输出
USB单元
PCI Express接口板
PCI接口板
PCI接口板
(数字化仪，万用表)
无线I/O单元
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。
输入通道数 模拟信号输入输出(多功能)
单端输入 64-ch (差分 32-ch)
单端输入 32-ch (差分 16-ch)
单端输入 16-ch (差分 8-ch)
单端输入 8-ch (差分 4-ch)
单端输入 16-ch
单端输入 8-ch
输入通道数 模拟信号输入输出
单端输入 64-ch (差分 32-ch)
单端输入 16-ch (差分 8-ch)
单端输入 8-ch
单端输入 4-ch
差分 8-ch
差分 4-ch
输出通道数 模拟信号输入输出(多功能)
16-ch
8-ch
4-ch
2-ch
1-ch
输出通道数 模拟信号输入输出
16-ch
8-ch
4-ch
2-ch
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。、
分辨率/ADC 模拟信号输入输出(多功能)
16-bit
12-bit
分辨率/ADC 模拟信号输入输出
24-bit
16-bit
12-bit
10-bit
分辨率/DAC 模拟信号输入输出(多功能)
16-bit
12-bit
分辨率/DAC 模拟信号输入输出
16-bit
12-bit
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。
采样频率 模拟信号输入输出(多功能)
1μsec/ch (max.)
2μsec/ch (max.)
5μsec/ch (max.)
10μsec/ch (max.)
采样频率 模拟信号输入输出
100nsec (max.)
4μsec/ch (Max.)
10μsec/ch (max.)
20μsec/ch (max.)
10μsec×-ch＋20μsec [电压]
40μsec×-ch＋20μsec [电流]
5msec/ch
40msec/ch
170msec/ch
更新频率 模拟信号输入输出(多功能)
6μsec (max.)
10μsec (max.)
12μsec (max.)
更新频率 模拟信号输入输出
10μsec/ch (max.)
20μsec/ch (max.)
采样速度是测量对象频率的10倍以上
如何决定模拟信号测量时的采样速度（周期）。采样速度越快，越能准确地将原信号波形转换为数字信号。但是，采样速度越快，数据也变大，模拟输入设备上搭载的A/D转换器也更昂贵。
在考虑现实指标的基础上，首先该考虑的是采样定理。采样定理是表示在“将连续的模拟信号作为离散的数字信号采样时的采样间隔的定理。为了准确地采样原信号中包含的所有频率成分，需要原信号频率的2倍以上的采样速度”。
例如，为了准确地采样1kHz模拟信号，需要至少2kHz以上的采样周期，否则无法准确地采样原信号中包含的频率成分。以低速采样高速信号时，将被作为折叠信号观测，并视为低于原测量对象波形频率的低频率信号波形，即发生混叠。
混叠在日常生活中也可见到。快速旋转的螺旋桨看似缓慢旋转的原因就是人的眼睛和大脑的采样速度无法跟上旋转的螺旋桨频率。发生混叠时，采样结果看起来会与实际的信号大相径庭。
基于采样定理，能够准确地获取频率成分，但实际上仅凭2倍于原信号，波形会看起来参差不齐，无法获得准确的振幅。能够准确捕捉信号特性的实用采样速度是原信号的10倍以上。康泰克为不同频率的信号准备了多种模拟输入设备。
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”。
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”
获取同一时间的数据
通过模拟输入设备测量多个信号时，已测量的所有通道信号是否会被作为同一时间采样的信号。如果模拟输入设备搭载了通道数同等数量的A/D转换器，将同步所有通道的模拟信号，实现同一时间采样。
通过多路切换器切换通道从而以1台A/D转换器进行采样的多路切换型，随着通道数增加每条通道的采样周期变长，同时通道间的采样时间也会发生偏差。
同步采样型
数字化仪板卡
模拟量输入输出Z系列
多路切换器型
模拟量输入输出E系列
模拟量输入输出F系列
模拟量输入输出L系列
同步采样功能增设附件可对多路切换器方式的模拟输入设备消除时间偏差。ATSS-16A在模拟E系列发出控制信号的时间点，16个通道同时保持模拟输入信号，即可获取无时间偏差的同一时间的数据。
同步采样功能增设附件ATSS-16A
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。
缓冲存储器 模拟信号输入输出(多功能)
16M word
128k word
64k word
1k word
缓冲存储器 模拟信号输入输出
32M word
8k word
1k word
64 word
8 word
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
软件
防止辐射干扰
要防止飞来干扰，有效的是在模拟输入设备与测量对象间连接屏蔽电缆。屏蔽通过接地发挥效果。屏蔽电缆经由PC机箱进行接地，因此PC电源接地即可生效。
防止信号线间的串扰
信号线相互干扰而成为干扰源的现象称为串扰。对策有使用双绞线电缆。康泰克的屏蔽电缆PCB37PS中信号线和GND是双绞线，PCB96PS中差动对间是双绞线。还有各信号线采用同轴电缆的PCC16PS、PCD8PS。
屏蔽电缆 PCB37PS
屏蔽电缆 PCB96PS
同轴电缆 PCC16PS
同轴电缆 PCD8PS
防止多路切换器切换引起的串扰
通过模拟输入设备内的多路切换器切换，对信号源波形产生影响。这是通过信号源输出电阻对多路切换器寄生电容进行充放电的附带现象。信号源的输出电阻大时，信号源输出电压返回原本要测量的电压需要时间（称为稳定时间）。
模拟输入设备的输入电路示意图
稳定时间因信号源的输出电阻不同而有差异。以下表示输出电阻小的信号源A与输出电阻大的信号源B的2个通道采样示例。
多路切换器切换影响的对策是降低信号源的输出电阻。具体方法是尽量缩短信号线。无法缩短信号线或测量输出电阻大的对象时，可通过连接采用高速高精度运算放大器的高输入电阻缓冲放大器，消除影响。
模拟输入板用缓冲放大器功能增设盒
ATBA-8F/ATBA-16L/ATBA-32F/ATBA-8L/ATBA-16E
防止地线回路（接地回路）的误差
地线回路（接地回路）是指接地配线成环状。连接多个设备时若信号的各地线（GND）存在电位差，电流将通过地线或接地成环状流动。地线回路通电后，因线路电阻而产生电压，表现为测量误差（干扰）。
单端输入（公共模式）在多通道时有用，存在地线回路时会受到影响。一方面，差动输入（差分模式）中通道数为单端输入的一半，但可消除地线回路的误差。
地线回路误差的发生示例
单端输入
AI_00的测量电压 = Va + ΔV
AI_01的测量电压 = Vb - ΔV
单端输入中因地线回路内的电流产生ΔV相应的测量误差。
差动输入
AI_00的测量电压 = (Va + ΔV) – ΔV = Va
AI_01的测量电压 = (Vb – ΔV) – (-ΔV) = Vb
差动输入可测量正极（AI_00[+]）端子与负极（AI_00[-]）端子间的电压，防止地线回路的误差。
地线回路误差的对策有差动输入。怀疑接地导致地线回路时，可尝试总线绝缘型，以切断接地导致的地线回路。