过程通道接口技术讲义

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1、第二章 过程通道及接口技术,过程通道：计算机与生产过程之间的信息传递和转换装置。输入计算机的信息通道、计算机的输出通道,第二章过程通道及接口技术,本章主要内容 1、模拟量输出通道及接口技术 2、模拟量输入通道及接口技术 3、开关量通道及接口技术 4、脉冲量输入通道及接口技术 5、电机控制技术,第一节 模拟量输出通道及接口技术,本节要点 1.模拟量输出通道的结构组成 2.8位D/A转换器DAC0832的原理组成及其接口电路 3. 12位D/A转换器DAC1210的原理组成及其接口电路 4. D/A转换器的输出方式及其输出电路,第一节 模拟量输出通道及接口技术,引 言 1.1 模拟量输出通道的一般

2、组成 1.2 DAC0832接口技术 1.3 DAC1210接口技术 本节小结 思考题,引 言,模拟量输出通道的任务-把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的; 模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成-一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等; 模拟量输出通道基本构成-多D/A结构（图2-1(a)）和共享D/A结构（图中2-1(b)）,引 言,引 言,特点：1、一路输出通道使用一个D/A转换器 2、 D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器 3、 D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用 4、

3、 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立 5、 缺点是所需D/A转换器芯片较多,引 言,引 言,特点：1、多路输出通道共用一个D/A转换器 2、每一路通道都配有一个采样保持放大器 3、 D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用 4、采样保持器实现模拟信号保持功能 5、节省D/A转换器，但电路复杂，精度差，可靠低、占用主机时间,模拟量输出通道的一般组成,输出保持 DAC 多路开关 V/I,输出保持,原因：AO输出的模拟信号应当是时间连续的信号，但计算机只能周期性地把数据输出给AO通道。在计算机由一次输出操作到下一次输出操作期间，AO通道必须保持上一次的输出，否则执行机构将在计算机输出

4、和未输出之间频繁处于动作和不动作的状态，这是生产过程绝对不允许的。 作用：在新的计算结果到来之前，输出应保持不变。,输出保持,方法：根据AO通道结构和应用要求的不同，输出保持方式有三种： 数据寄存器保持。 模拟器件保持。 步进电机保持/脉冲电机,数据寄存器起着保持器的作用。 a. 数据存储较模拟信号存储方便，最为普遍。 b. 输出速度高，但每个通道要使用各自的D/A。 c. 数据寄存器可以精确保持输出数据，输出精度高。,a. 节省DAC，可在多路AO通道中共用一个DAC。D/A的输出经过多路开关分时地传送给模拟保持器件。在下一次输出之前，模拟保持器保持上一时刻输出的模拟信号。 b.为了使输出保

5、持结果正确，必须对元件质量有很高的要求。 耦合电容：必须选择漏电流小的。 要求运算放大器为高输入阻抗，低漂移型（工作稳定，零点漂移、增益误差较小）。 跟随器的输入阻抗很大，RC很大，uin可以很长时间保持在电容上，输出阻抗很小，对外电路阻抗无要求。 c.模拟保持器： 电容，由于电容漏电流的存在，输出扫描周期不宜太长，及时地对输出数据进行刷新，同时选择漏电流小的电容； 单片式保持器，AD582、LF398。,脉冲信号角位移/直线位移电信号输出（带动多圈电位器） 特点：计算机失电或失效，步进电机可保持在原来的位置上，输出不至于回到零或最大，但通道复杂，速度较慢。,模拟量输出通道的一般组成,输出保持

6、 DAC 多路开关 V/I,DAC,D/A转换器：数字量信号转换成模拟量信号 D/A转换器的原理 D/A转换器的性能指标 DAC芯片简介,D/A转换器的原理,D/A转换器有并行和串行两种，在工业控制中，主要使用并行D/A转换器。D/A转换器的原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。 解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T型电阻网络。,现以四位D/A转换器为例加以讨论T型电阻网络的工作原理,DAC,D/A转换器：数字量信号转换成模拟量信号 D/A转换器的原理 D/A转换器的性能指标 DAC芯片简介,D/A转换器的性能指

7、标,分辨率 转换精度 转换时间 线性误差 输出电平,输入数据发生1LSB的变化时所对应的输出模拟量的变化。 分辨率的高低通常用二进制输入量的位数来表示，例如分辨率是8位、10位、12位等。,由于转换器内部电路的误差（如零点失调误差、增益误差、线性度误差、噪声）等原因，当送一个确定的数字量DAC时，它的实际输出值与该数值应产生的理想输出值之间会含有一定的误差。,从数字量输入起，到建立稳定的输出电流（模拟量输出达到终值附近误差带内（1/2LSB对应的输出）所需要的时间，反映转换速度。100100ns。,DAC的输入数字量都是连续的数值，每两个相邻的数据之间的差值为1。若将这些连续的数据送给DAC，

8、应该输出一个线性变化的模拟电压。但实际的输出并不是理想线性的。 通常用偏离理想转换特性的最大偏差与满量程之间的百分数来表示线性误差。一般要求线性误差不大于1/2LSB。,不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大。一般为5V10V，有的高压输出型的输出电平则高达24V30V。,DAC,D/A转换器：数字量信号转换成模拟量信号 D/A转换器的原理 D/A转换器的性能指标 DAC芯片简介,DAC芯片简介,模拟量输出通道的一般组成,输出保持 DAC 多路开关 V/I,多路开关,如果AO通道中有多个DAC，就不需MUX。如果AO通道只有一个DAC，由于DAC速度非常快，需要MUX来切换将把经CPU处理

9、，且由DAC转换成的模拟量信号按一定顺序输出到不同的控制回路或外部设备，完成一路到多路的转换，送入不同的执行机构。,模拟量输出通道的一般组成,输出保持 DAC 多路开关 V/I,V/I,把DAC的电压信号转换成可远传的电流。要求V/I电路必须具备一个很好的恒流特性（输出电流几乎不受所连接仪表阻抗的影响）。,等精密电阻： R1=5K0.01% R2=2K0.01% R3=1000.1% 15V 420mA 等精密电阻： R1=5K0.01% R2=2K0.01% R3=2000.1% 15V 010mA,DAC0832接口技术,主要内容 结构原理 引脚 主要技术参数 工作方式 输出方式 DAC0

10、832和CPU的接口技术 应用示例,结构原理,结构原理,DAC0832的原理框图及引脚如图2-3所示。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。8 位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，并加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，并加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。,引 脚,引 脚,DI0DI7：数据输入线，其中DI0为最低有效位LSB ，DI7为 最高有效位MSB。 CS：片选信号，输入线，低电平有效。 WR1：写

11、信号1，输入线，低电平有效。 ILE：输入允许锁存信号，输入线，高电平有效 当ILE、CS和WR1同时有效时，8位输入寄存器控制端为高电平“1”，此时寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化；反之，当控制端端为低电平“0“时，原D 端输入数据被锁存于Q端，在此期间D端电平的变化不影响Q端。,引 脚,XFER(Transfer Control Signal):传送控制信号，输入线， 低电平有效。 IOUT1：DAC电流输出端1，一般作为运算放大器差动输入信号之一。 IOUT2：DAC电流输出端2，一般作为运算放大器另一个差动输入信号。 Rfb：固化在芯片内的反馈电阻连接端，用于连接运算放大器的输出

12、端。 VREF：基准电压源端，输入线，10 VDC10 VDC。 VCC：工作电压源端，输入线，5 VDC 15 VDC。,引 脚,当WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器端为高电平“1”，此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化；反之，当它为低电平“0”时，第一级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。 一般情况下为了简化接口电路，可以把WR2和XFER直接接地，使第二级8位DAC寄存器的输入端到输出端直通，只有第一级8位输入寄存器置成可选通、可锁存的单缓冲输入方式。 特殊情况下可采用双缓冲输入方式

13、，即把两个寄存器都分别接成受控方式。,DAC0832的主要技术指标,分辨率 8位 电流建立时间 1S 线性度（在整个温度范围内）8、9或10位 增益温度系数 00002 FS/ 低功耗 20mW 单一电源 +5 +15V,DAC0832工作方式,直通方式 单缓冲方式 双缓冲方式,直通工作方式,直通工作方式是将 、 、 以及 引脚都直接接地，ILE接高电平， DAC芯片不受任何控制，就处于直通状态。8位数字量一旦到达其数字输入端，就立即加到8位DAC，被转换成模拟量。,单缓冲工作方式,使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。,方法1：WR2、XFER接数

14、字地，DAC寄存器处于直通方式；ILE接高电平，WR1接IOW 信号、CS接端口地址译码输出信号。执行OUT指令，选中该端口，CS、WR1有效，启动DAC。 方法2：CS、XFER并接端口地址译码输出信号、WR1、WR2接IOW。 方法3：与方法2相反。,双缓冲工作方式,双缓冲工作方式对输入寄存器和DAC寄存器分别进行控制。在程序控制下，把要转换的数据先打入输入寄存器、然后再在某个时刻启动D/A转换。,方法：ILE接+5V，WR1、WR2接IOW，CS、XFER分别接不同的端口地址译码信号。 MOV DPTR, XXXXH（CS） MOVX DPTR ,AL；选中CS端口，WR1、WR2有效，

15、数据写入输入寄存器。 MOV DPTR, XXXXH（XFER） MOVX DPTR,AL；选中XFER端口，WR1、WR2有效，数据写入DAC寄存器，启动D/A转换。,输出方式,多数D/A转换芯片输出的是弱电流信号，要驱动后面的自动化装置，需在电流输出端外接运算放大器。根据不同控制系统自动化装置需求的不同，输出方式可以分为单极性电压输出、双极性电压输出和电流输出等多种方式。,输出方式,DAC0832为电流方式输出，可通过外部运算放大器构成电压输出电路实现。 单极性电压输出 双极性电压输出 电流输出,单极性电压输出,单极性电压：输出电压是正或负的单向信号。,实现方法：在电流输出端增加一极电压放

16、大器，其电流输出端Iout1接至运算放大器的反相输入端，所以输出电压Vout与参考电压VREF反相。可使用芯片内部反馈电阻Rfb。,转换关系： 其中：全零代码对应0V输出； 全1代码对应满刻度电压减去一个代码对应的电压值。 当Vref=10V，uout=9.96V； 当Vref=10.04V，uout=10V；,双极性电压输出,双极性电压输出:指输出电压相对于地具有正负极性的变化。在控制正转、反转等应用场合是十分需要的。,实现方法：在单极性输出的基础上，加一级电压放大器A2。运算放大器A2的作用是将运算放大器OA的单向输出转变为双向输出。Vref为A2提供了一个偏移电流，方向与A1输出电流相反，且选择2R，使得由Vref引入的偏移电流恰好等于A1输出电流的二分之一，这样，A2的输出将在A1输出的基础上偏移1/2。,电流输出,因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特别是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流