康泰克 | 模擬輸入輸出的基礎知識

模擬輸入輸出是什么

測量自然界中的溫度、壓力、流量等物理量的傳感器發出的信號是模擬信號，而且，用于控制的執行機構大多數依靠模擬信號動作。而另一方面，電腦只能處理數字信號，所以使用電腦輸入來自傳感器的信號、向執行機構輸出信號時，必須在模擬信號和電腦能處理的數字信號之間架設一座橋梁。這就是模擬輸入輸出接口

模擬信號輸入輸出(多功能)

USB單

PCI Express接口板

PCI接口板

模擬信號輸入輸出

USB單元

PCI Express接口板

PCI接口板

PCI接口板

(數字化儀，萬用表)

無線I/O單元

模擬輸入輸出設備的分類

模擬輸入設備(A/D轉換)

將來自外部裝置的模擬信號轉換成電腦可處理的數字數據的設備。

模擬輸出設備(D/A轉換)

將電腦的數字數據轉換成模擬信號、向外部裝置輸出的設備。

模擬輸入輸出設備(A/D、D/A轉換)

同時具有A/D轉換和D/A轉換功能的設備。

模擬信號的數字化、數字信號的模擬化

如果想將外部的模擬量輸入到電腦中，嚴格地進行數字表示，對應的數字量需要無限的位數。這不僅對只能處理有限位數的電腦來說不可能，從構成轉換器的電路技術方面來看，也是不可能的。

解決這個問題最有效的方法是通過四舍五入或舍去、向上進位等方式將數據控制在允許范圍方位內的方法，即，使用代表值置換一定范圍內的量。這就稱作量子化。

如果將實線表示的模擬量量子化，會變為階梯狀的折線。這樣，就可用有限的值中的某一個表示模擬信號?這項技術一直廣泛地在大家的周圍使用。例如，手機。手機將大家的語音(模擬)轉換成數字信號后進行通話。

例如，將階梯的第一個臺階作為1，用10進制數表示，再將這個10進制數置換為2進制數后，變為下圖所示的樣子。這樣，就用4個比特將模擬量數字化了，這是將模擬量量子化的基本思考方法。

模擬輸入輸出設備的絕緣類型

模擬輸入輸出設備大致可分為絕緣型和非絕緣型兩類。在此，對絕緣型的兩個類型的特點進行說明。非絕緣型是沒有使用絕緣元件的類型。

總線絕緣型

通過光電耦合器使電腦和外部輸入輸出電路絕緣。這種絕緣可以防止外部電干擾，所以在配線方面容易產生噪音、擔心電腦誤動作、損壞時也可放心使用。

獨立絕緣(通道間絕緣)型

除了總線絕緣，還通過光電耦合器、絕緣放大器進行各輸入輸出通道間的絕緣。這種絕緣可防止各通道間的干擾，所以即使連接各通道的機器各自的接地等級不同，也能正確采樣。

光電耦合器是什么

光電耦合器是由發光二極管和光電晶體管組成一對而構成的元件。如果發光二極管中流過電流(大約10mA)，就會發光。光電晶體管感應到光后，變為ON的狀態，電流流通。通過這個光信號的部分，系統和外部的電信號絕緣。

輸入輸出通道數是什么

輸入輸出通道數的意思是1個設備擁有的可輸入或輸出的信號數。即，表示能連接的傳感器(信號源)、執行機構(控制對象)的數目。看一看產品目錄等的規格欄，有時會看到單端**ch、差分**ch等表示方法。

單端輸入是什么

通過信號線和地線兩條線連接，根據與大地的電位差測量信號源電壓的方式。這在模擬輸入中也是最普通的輸入方式，對1個信號源，配2條線皆可以了，這是它的優點。與差分輸入比較，它有容易受到噪音影響的缺點。

差分輸入是什么

通過2條信號線與地線合計3條線測量信號源電壓的方式。獲得大地與A點間的電位、大地與B點間的電位的差，測量信號源(A－B間)的電位。這樣，A-B間受到大地噪音影響互相抵消，與單端輸入比較，具有不容易受到噪音影響的優點。但是，也有1個缺點：對于1個信號源，需要配3條線，與單端輸入相比，能使用的通道數減少一半。

輸入通道數 模擬信號輸入輸出(多功能)

單端輸入 64-ch (差分 32-ch)

單端輸入 32-ch (差分 16-ch)

單端輸入 16-ch (差分 8-ch)

單端輸入 8-ch (差分 4-ch)

單端輸入 16-ch

單端輸入 8-ch

輸入通道數 模擬信號輸入輸出

單端輸入 64-ch (差分 32-ch)

單端輸入 16-ch (差分 8-ch)

單端輸入 8-ch

單端輸入 4-ch

差分 8-ch

差分 4-ch

輸出通道數 模擬信號輸入輸出(多功能)

16-ch

8-ch

4-ch

2-ch

1-ch

輸出通道數 模擬信號輸入輸出

16-ch

8-ch

4-ch

2-ch

分辨率是什么

表示能將模擬信號以怎樣的細小程度進行數字表示(近似)。分辨率越高，電壓范圍分得越細，越能將模擬值正確地轉換為數字值。

以下列舉一例，說明如果要在多種多樣的模擬輸入輸出設備中，選擇具有適合自己要求的分辨率的設備，應如何考慮。

例如，假設“測量 0℃ ～ 100℃的溫度”???

例1：希望以1℃為單位測量

需要1/100的精度。分辨率為8比特(分成2的8次方=256份)的設備就足夠了。

例2：如果希望以0.1℃為單位測量

需要1/1,000的精度。需要分辨率為12比特(分成2的12次方=4,096份)的設備。

例3：如果希望以0.01℃為單位測量

需要1/10,000的精度。需要分辨率為16比特(分成2的16次方=65,536份)的設備。、

分辨率/ADC 模擬信號輸入輸出(多功能)

16-bit

12-bit

分辨率/ADC 模擬信號輸入輸出

24-bit

16-bit

12-bit

10-bit

分辨率/DAC 模擬信號輸入輸出(多功能)

16-bit

12-bit

分辨率/DAC 模擬信號輸入輸出

16-bit

12-bit

輸入輸出范圍是什么

可輸入或輸出的模擬電壓、電流的范圍。雙極(Bipolar)的意思是雙極性(-10V ～ +10V范圍等)、單極(Unipolar)的意思是單極性(0 ～ +10V范圍等)。選擇輸入輸出范圍時，一般選擇與傳感器的輸出、對執行機構的輸入相同，或選擇具有稍寬一點的范圍的設備。

例如，假設使用一個將某模擬量轉換成0 ～ 5V電壓的傳感器。那么，輸入范圍為0 ～ 10V和0 ～ 5V的設備哪一個更有效？假設分辨率都是12比特，范圍為0 ～ 10V的主板能分割的最小電壓為10÷4096，大約2.44mV。0 ～ 5V的設備為5÷4096，所以能分割的最小電壓大約為1.22mV。傳感器只能輸出0 ～ 5V，所以選擇輸入范圍為0 ～ 5V的設備可測量得更加精確。

增益是什么

增益的意思是倍率。在模擬輸入設備中，有的設備搭載了增加輸入信號幅度的功能。例如，外部信號為0 ～ 2.5V時，假設模擬輸入設備的輸入范圍為0 ～ 10V，與直接轉換相比，將外部信號(輸入的信號)的幅度增加到4倍，成為0 ～ 10V的信號后轉換可進行更高精度的測量。

轉換速度(采樣周期)是什么

表示能以多細小的時間間隔將模擬信號轉換成數字信號，或能以多大的時間間隔將數字數據轉換成模擬量輸出。轉換速度越快，轉換的再現性越高。

采樣頻率 模擬信號輸入輸出(多功能)

1μsec/ch (max.)　

2μsec/ch (max.)

5μsec/ch (max.)

10μsec/ch (max.)

采樣頻率 模擬信號輸入輸出

100nsec (max.)

4μsec/ch (Max.)

10μsec/ch (max.)

20μsec/ch (max.)

10μsec×-ch＋20μsec [電壓]

40μsec×-ch＋20μsec [電流]

5msec/ch

40msec/ch

170msec/ch

更新頻率 模擬信號輸入輸出(多功能)

6μsec (max.)

10μsec (max.)

12μsec (max.)

更新頻率 模擬信號輸入輸出

10μsec/ch (max.)

20μsec/ch (max.)

采樣速度是測量對象頻率的10倍以上

如何決定模擬信號測量時的采樣速度（周期）。采樣速度越快，越能準確地將原信號波形轉換為數字信號。但是，采樣速度越快，數據也變大，模擬輸入設備上搭載的A/D轉換器也更昂貴。

在考慮現實指標的基礎上，首先該考慮的是采樣定理。采樣定理是表示在“將連續的模擬信號作為離散的數字信號采樣時的采樣間隔的定理。為了準確地采樣原信號中包含的所有頻率成分，需要原信號頻率的2倍以上的采樣速度”。

例如，為了準確地采樣1kHz模擬信號，需要至少2kHz以上的采樣周期，否則無法準確地采樣原信號中包含的頻率成分。以低速采樣高速信號時，將被作為折疊信號觀測，并視為低于原測量對象波形頻率的低頻率信號波形，即發生混疊。

混疊在日常生活中也可見到。快速旋轉的螺旋槳看似緩慢旋轉的原因就是人的眼睛和大腦的采樣速度無法跟上旋轉的螺旋槳頻率。發生混疊時，采樣結果看起來會與實際的信號大相徑庭。

基于采樣定理，能夠準確地獲取頻率成分，但實際上僅憑2倍于原信號，波形會看起來參差不齊，無法獲得準確的振幅。能夠準確捕捉信號特性的實用采樣速度是原信號的10倍以上。康泰克為不同頻率的信號準備了多種模擬輸入設備。

轉換精度是什么

進行A/D轉換或D/A轉換時的誤差范圍。用1LSB單位表示誤差。例如，假設A/D轉換設備的分辨率為12比特，輸入范圍設定為±10Ｖ，那么能分辨的最小單位為20÷4,096 ≒ 4.88mV(1LSB)。該A/D轉換主板的轉換精度表示為±2LSB時，意思是可能產生大約4.88×2 ≒ ±9.76mV的誤差。

*LSB：Least Significant Bit的縮寫，表示二進制數據的最后一位比特。

二進制數據和電壓值的關系(分辨率為16比特時)

從16比特的模擬輸入設備輸入的A/D轉換數據的分辨率為二進制16位(16進制數=4位)，模擬輸出設備時，要設定的D/A轉換數據的分辨率為二進制16位(16進制數=4位)。如下圖所示，“0000”時為“-10V”，而“FFFF”時為“9.99970V”。

如果是分辨率為16比特的設備，對于-10V ～ 0V的電壓，將-10Ｖ表示為“0000H”，將0Ｖ表示為“8000H”，可表示32,768種數據，而對于0V ～ +10V，只能表示32,767種：從“8000H”到最大值“FFFFH”。因此，最大值為“＋10V－1LSB”。

這些關系在任何一種模擬輸入輸出設備上都是通用的。例如，進行模擬輸出時，如果向外部輸出信號，分辨率為16比特，將設備設定為“FFFF”，但可輸出的最大電壓為“+10V－1LSB”。

縮寫(單位)的含義

LSB

Least Significant Bit的縮寫。表示二進制數據的最后一位比特。

MSB

Most Significant Bitt的縮寫。表示二進制數據的最前一位比特。

FSR

Full Scale Range的縮寫。±10V范圍時，“20”為FSR。

以數字值表示模擬值的方法

通過模擬輸入(A/D轉換)轉換(量子化)的數據、設定為模擬輸出(D/A轉換)的數據使用以下特有的編碼體系表示。表示方法有以下幾種。

標準二進制

將電壓的0V作為數字值的0，數字值與電壓成正比，電壓增加，數字值也增加。用于單極型。

偏移二進制

將負電壓的最大值作為數字值的0。將電壓的0V作為數字值的中間值，將正電壓的最大值作為數字值的最大值。用于雙極型。

反二進制(2的補數)

反轉偏移二進制編碼的最高位比特后得到。2的補數表示是一種在電腦運算中使用方便的編碼。在雙極型中，有這種格式的數據。

采樣方式是什么

進行多通道的采樣時，有使用多路復用器（切換器）的多路復用器方式和同步采樣方式。

多路復用器方式通過多路復用器切換進行采樣，不能同步轉換多個通道(需要通道切換時間)。

同步采樣方式有每個通道都搭載A/D轉換器的類型和搭載樣本/保持放大器的類型，都可進行多個通道的同步轉換。

轉換速度和通道數的關系

通過多路復用器方式進行模擬受通道切換方式時，進行多個通道的采樣時，可設定的采樣周期須保持以下關系。“轉換速度×通道數≦采樣周期”

獲取同一時間的數據

通過模擬輸入設備測量多個信號時，已測量的所有通道信號是否會被作為同一時間采樣的信號。如果模擬輸入設備搭載了通道數同等數量的A/D轉換器，將同步所有通道的模擬信號，實現同一時間采樣。

通過多路切換器切換通道從而以1臺A/D轉換器進行采樣的多路切換型，隨著通道數增加每條通道的采樣周期變長，同時通道間的采樣時間也會發生偏差。

同步采樣型

數字化儀板卡

模擬量輸入輸出Z系列

多路切換器型

模擬量輸入輸出E系列

模擬量輸入輸出F系列

模擬量輸入輸出L系列

同步采樣功能增設附件可對多路切換器方式的模擬輸入設備消除時間偏差。ATSS-16A在模擬E系列發出控制信號的時間點，16個通道同時保持模擬輸入信號，即可獲取無時間偏差的同一時間的數據。

同步采樣功能增設附件ATSS-16A

時鐘是什么

表示是否可使模擬輸入輸出設備的轉換動作等在某個時間點同步。決定采樣周期的采樣時鐘主要有以下幾種方式。

內部時鐘

設備上搭載可設定周期的定時器元件，并將其作為時鐘源進行周期性轉換的方法。在正確、短周期的時間序列處理中非常有效。

外部時鐘

可在搭載外部時鐘輸入端子的設備上使用。與從外部輸入的脈沖信號等同步進行轉換。在進行與外部裝置的同步處理時非常有效。

軟件時鐘

與電腦的系統定時器同步，在軟件上發送開始命令，進行周期性轉換的方法。但是，VisualBasic的定時器控制等誤差很大，所以不適合需要高速、正確周期的系統。

觸發器是什么

決定在什么時間點執行開始、停止轉換的主要因素。可分別獨立設定開始、停止。主要的觸發器如下所示。

軟件觸發器

通過軟件的命令控制轉換動作的開始/停止的方法。

外部觸發器

通過外部信號(數字信號)控制轉換動作的開始/停止的方法。輸入預先設定的邊緣方向(上升、下降)的外部控制信號后，開始/停止轉換動作。

電平比較(轉換數據比較)觸發器

根據指定通道的信號變化進行轉換動作的開始/停止的控制。比較預先設定的比較電平值和指定通道模擬信號的大小，如果和條件相符，開始/停止轉換動作。

緩沖存儲器是什么

緩沖存儲器是暫時保管轉換數據的場所。它不僅可進行高速、高功能的模擬輸入輸出處理，還可大幅減輕電腦端的負荷。緩沖存儲器根據用途分為FIFO格式和RING(環形)格式。

FIFO格式

在FIFO(First In First Out)格式存儲器中，經過轉換的數據存儲在緩沖存儲器的前面，可按照從前到后的順序讀取寫到緩沖存儲器前面的數據。讀取的轉換數據從存儲器內部依次送出，可始終讀取緩沖存儲器中留有的最早的緩沖數據。超過FIFO存儲器容量的數據不能寫入，將被丟棄，另外，讀取過一次的數據也會被緩沖存儲器丟棄。

RING(環形)格式

在RING(環形)格式的存儲器中，緩沖存儲器內部的保存領域的構成呈環狀。轉換數據依次寫入，如果超過存儲器容量，繼續保存，將覆蓋前面的轉換數據保存的領域。在正常的狀態下，不取得數據，因某個事情轉換動作停止 ，要取得附近數據時，使用RING存儲器。采用RING(環形)格式存儲器時，讀取過一次的數據在被覆蓋前，可能被讀取好幾次。

緩沖存儲器 模擬信號輸入輸出(多功能)

16M word

128k word

64k word

1k word

緩沖存儲器 模擬信號輸入輸出

32M word

8k word

1k word

64 word

8 word

總線主控傳輸功能是什么

使用PCI總線主控功能的DMA(直接內存訪問)傳輸。

不對電腦的CPU施加負荷，可從設備直接向電腦的內存以80MB/sec(最大133MB/sec)的速度傳輸數據。

CPU不會被剝奪進行數據傳輸處理等的能力，可以進行其他的處理，所以不會對其他的應用程序產生影響。

預先在設備中進行輸入輸出所需的設定，主板根據相應信息進行處理，所以與一般的輸入輸出處理相比，可構筑高效的系統。

一般處理

進行一般的輸入輸出處理時，CPU從設備中讀取數據后，存儲在本體內存中。在這個期間，CPU不能進行其他處理。在下圖的例子中，(4)和(5)的處理結束后，可進行下一項處理。

總線主控處理

CPU向設備發出總線主控處理的指令后，設備可從本體內存直接(不通過CPU)取得數據。在下圖的例子中，(2)和(3)的處理之間可進行其他的處理。

中斷是什么

將特定的輸入端子連接到電腦(CPU)的IRQ上，從外部產生優先處理的功能。用于檢測外部裝置的變化，通過執行特定處理的應用程序、外部的指令執行高優先度緊急處理等情況。

消耗電流是什么

設備動作需要電源，消耗電流表示設備主板會消耗多少電流。一般，這個電源由電腦的擴展總線連接器供給。

應該注意，實際安裝的主板的最大消耗電流的總和不得超過電腦的額定電源容量(能向擴展槽供給的電流最大値)。

如果超過了，可能會導致電腦的電源電壓降低、失去控制等故障，所以必須采取對策，如使用擴展電腦插槽的“擴展單元”等。

例：電腦從擴展槽能供給的電源容量為3.6A時

如果安裝2塊1.2A的外部接口主板，最大消耗電流為

1.2(A)×2(塊) = 2.4A → 低于電腦的電源容量(3.6A)，所以【OK】

如果安裝6塊0.8A的外部接口主板，最大消耗電流為

0.8(A)×6(塊) = 4.8A →超過電腦的電源容量(3.6A)，所以【NG】

噪音的種類及其對策

噪音大致分為以下2種。與電氣實驗不同，現場存在各種噪音，很多情況下都和理論不一樣。在這樣的情況下，很多精度失去控制的原因都是噪音。

外來噪音

從信號傳輸線的外部空中傳播而來的噪音。

與電機等動力機器配線混在一起、從經過附近的配線混入的噪音。

內部噪音

與模擬輸入輸出電路連接導致的噪音。

裝置間的大地電位差導致的補償電壓及噪音。

配線材料導致的串擾、輻射噪音。

對策

特別是，進行測量時的原則是不能對測量對象產生影響。為此，必須考慮阻抗和地面電平等的匹配。可以說，如果習慣了，沒有什么難的，但如果忽略了，會產生很大影響。下表是噪音對策方法的一個例子。

硬件

軟件

防止輻射干擾

要防止飛來干擾，有效的是在模擬輸入設備與測量對象間連接屏蔽電纜。屏蔽通過接地發揮效果。屏蔽電纜經由PC機箱進行接地，因此PC電源接地即可生效。

防止信號線間的串擾

信號線相互干擾而成為干擾源的現象稱為串擾。對策有使用雙絞線電纜。康泰克的屏蔽電纜PCB37PS中信號線和GND是雙絞線，PCB96PS中差動對間是雙絞線。還有各信號線采用同軸電纜的PCC16PS、PCD8PS。

屏蔽電纜 PCB37PS

屏蔽電纜 PCB96PS

同軸電纜 PCC16PS

同軸電纜 PCD8PS

防止多路切換器切換引起的串擾

通過模擬輸入設備內的多路切換器切換，對信號源波形產生影響。這是通過信號源輸出電阻對多路切換器寄生電容進行充放電的附帶現象。信號源的輸出電阻大時，信號源輸出電壓返回原本要測量的電壓需要時間（稱為穩定時間）。

模擬輸入設備的輸入電路示意圖

穩定時間因信號源的輸出電阻不同而有差異。以下表示輸出電阻小的信號源A與輸出電阻大的信號源B的2個通道采樣示例。

多路切換器切換影響的對策是降低信號源的輸出電阻。具體方法是盡量縮短信號線。無法縮短信號線或測量輸出電阻大的對象時，可通過連接采用高速高精度運算放大器的高輸入電阻緩沖放大器，消除影響。

模擬輸入板用緩沖放大器功能增設盒

ATBA-8F/ATBA-16L/ATBA-32F/ATBA-8L/ATBA-16E

防止地線回路（接地回路）的誤差

地線回路（接地回路）是指接地配線成環狀。連接多個設備時若信號的各地線（GND）存在電位差，電流將通過地線或接地成環狀流動。地線回路通電后，因線路電阻而產生電壓，表現為測量誤差（干擾）。

單端輸入（公共模式）在多通道時有用，存在地線回路時會受到影響。一方面，差動輸入（差分模式）中通道數為單端輸入的一半，但可消除地線回路的誤差。

地線回路誤差的發生示例

單端輸入

AI_00的測量電壓 = Va + ΔV

AI_01的測量電壓 = Vb - ΔV

單端輸入中因地線回路內的電流產生ΔV相應的測量誤差。

差動輸入

AI_00的測量電壓 = (Va + ΔV) – ΔV = Va

AI_01的測量電壓 = (Vb – ΔV) – (-ΔV) = Vb

差動輸入可測量正極（AI_00[+]）端子與負極（AI_00[-]）端子間的電壓，防止地線回路的誤差。

地線回路誤差的對策有差動輸入。懷疑接地導致地線回路時，可嘗試總線絕緣型，以切斷接地導致的地線回路。