第4讲 输入输出通道

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1、1,第4讲 过程通道与人机接口,计算机控制技术,2,过程通道:是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。,人机接口：计算机和操作人员之间常常需要互通信息 ，为此计算机和操作人员之间应设置显示器和操作器，其中一种是CRT显示器和键盘，另外一种是针对某个生产过程控制的特点而设计的操作控制台等。通常把上述两类设备简称为人机接口。 作用：显示生产过程的状况；供操作人员操作；三是显示操作结果。,计算机控制技术,3,本讲主要内容,1.模拟量输入通道 2.模拟量输出通道 3.数字量输入输出通道 4.人机接

2、口,AI通道的作用： 将前端采集的模拟信号的转换成计算机能够接收的标准数字信号。,计算机控制技术,几个概念：,1.模拟信号的常用规格： 15v电压信号：易受干扰，常用于仪表中 420mA电流信号：抗干扰性好，常用于信号传输,2.阻抗匹配： 信号源输出最大功率的条件：输出阻抗=输入阻抗，即阻抗匹配 高阻抗匹配：电压信号 低阻抗匹配：电流信号,3.理想的压流源的特点： 理想电压源：内阻为0 理想电流源：内阻无穷大,计算机控制技术,5,模拟量输入通道（A/D接口）的组成,模拟量输入通道的组成 传感变送器 输入信号调理电路 多路模拟切换开关 前置放大器 采样保持器 模数转换器（A/D） 控制电路等,4

3、.1 模拟量输入通道,计算机控制技术,6,一、输入信号调理 作用：滤波、I/V变换、信号放大或衰减及量程转换和非线性补偿 1.信号滤波（模拟滤波器） （1）无源滤波电路 主要元件：R、L、C 低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）和带阻（BEF） 特点：成本低，结构简单,计算机控制技术,（2）有源滤波电路 主要元件：集成运放、R、C 特点：不用电感，体积小，重量轻 品质因数高 可以实现低频滤波,2. I/V变换 作用：将I变换成可以被A/D转换器是转换的V （1）无源I/V变换 电路结构： 转换电阻R2、滤波电路(R1、C)和稳压二极管(D),无源I/V变换： 对于010mA输入信号，

4、可取R1=100，R2=500，且R2为精密电阻，这样当I为010mA电流时，输出的V为05V；对于420mA输入信号，可取R1=100，R2=250，且R2为精密电阻，这样当输入的电流为420mA时，输出的V为15V。,计算机控制技术,（2）有源I/V变换,该同相放大电路的放大倍数为： A=1+R4/R3 若取R3=100K，R4=150K，R1=200，则010mA输入对应于05V的电压输出。若取R3=100K，R4=25K，R1=200，则420mA输入对应于15V的电压输出。,计算机控制技术,3.量程自动转换：软件+程控放大器 4.非线性补偿：软件实现,二、多路开关,1.功能： 在CP

5、U控制下实现输入信号的N选1 2.常用芯片： CD4051 双向 单端 8路 CD4052 单向 双端 4路 AD7506 单向 单端 16路 3.连接方式： 单端输入和双端差动输入,计算机控制技术,1.功能：将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围内 2.电路结构：运放 由于现在的变送器大都送出标准模拟信号，所以前置放大器不常用！,四、采样保持器,2.零阶保持器：外推公式 fn(t)=f(nT) nTt(n+1)T 传递函数：,1.功能： 采样：将连续的模拟信号变成离散的模拟信号 保持：将采样后的离散模拟信号维持A/D转换所需的足够长的时间,三、前置放大器,计算机控制技术,3.零阶采样保持

6、器,A1：输入缓冲器 A2：输出缓冲器 K：采样开关 Ch：保持电容,工作过程：K闭合Ch快速充电Vo=Vi K打开VO保持采样时的Vi不变进入保持阶段 启动A/D转换,特点：低通、相位滞后、时间滞后,4.香农采样定理,计算机控制技术,12,五、 A/D转换,A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。 模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。 A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。,A/D转换的一般步骤：采样保持量化编码,采样

7、保持器,A/D转换器,计算机控制技术,13,1. A/D转换器的工作原理,方法：并联比较法、逐次逼近法 、双积分法和电压频率转换法,（1）并联比较法：,Ur：基准电压；Ui：待转换模拟电压量 D0/D1/D2：转换后的3位数字量,工作过程： 输入电压Ui同时和7个参考电压KiUr/14 比较，结果为一组（7个）0，1的组合，将其编码后变为（D0，D1，D2）,特点： 结构复杂、成本高、抗干扰性差、转换速度快（是各种A/D中速度最快的）,适用场合： 雷达、数字通讯、视频数字转换系统,计算机控制技术,14,（2）逐次逼近法,图4.21 逐次逼近式A/D转换器原理框图,工作过程： 二分搜索，反馈比较

8、，逐次逼近 从最高位逐位试探其0,1值 在CPU发出的启动信号作用下控制逻辑电路先令DN-1=1，其余位为零，经过D/A变换器，得到参考电压V0，与待转换的模拟电压Vi经比较器比较大小后，即可确定的实际0，1取值。然后再用同样的方法获得其他各位的0，1状态，结果逐位存入逐次逼近寄存器中，A/D转换结束后，在CPU控制下，由缓冲寄存器输出。,特点： 属于中速的A/D转换器；电路简单成本低,适用场合： 工业多通道单片机控制系统和音频数字转换系统,计算机控制技术,15,（3）双积分式,工作过程：,1）休止阶段：控制电路发出复位指令计数器清零、电子开关断开、积分器输入输出均为零,2）第一次积分：接通待

9、转换的模拟量Vi 积分器从零开始对C积分进行固定时长（计数器计数溢出T1=2NTc）的正向积分,3）第二次积分：接通参考电压Vref 积分器对C积分进行反向积分，直至积分器输出为零，记录所需时间T2=NTC,4）量化： 两次积分时间之比 Vi越大，反向积分时间越长,计算机控制技术,16,总结：将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。,第一次积分后：UB=-ViT1/RC，其中T1=2NTC 第二次积分后：UB=-ViT1/RC+VrefT2/RC=0，其中T2=XTC 得到数字量：X=2NVi/Vref,特点： 1）精度高，抗干扰能力强，速度慢，适

10、用于低速场合 2）计数器的位数决定A/D的位数 3）只有Vref与Vi极性相反，且其绝对值大于Vi的绝对值时，转换结果才正确,适用场合： 低速设备，如数字仪表,计算机控制技术,17,（4）电压频率转换法,当模拟电压i加到V/F的输入端，便产生频率F与Vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而完成A/D转换。 总结：/F转换电路把输入的模拟电压转换成与频率其值成正比的脉冲信号，也属于一种间接转换。,计算机控制技术,18,2.A/D转换器的性能指标,1）分辨率：使输出数字量的最低位状态改变，所需要的模拟输入量的变化量 一般用转换字长N代替

11、 2）稳定时间（又称转换时间） 并联比较式：几十纳秒 逐次逼近式：几十微秒 双积分式：几百毫秒 3）量程：,计算机控制技术,19,（1）ADC0809 CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，主要特性： 1） 它是具有8路模拟量输入、8位数字量输出功能的A/D转换器。 2）转换时间为100s。 3） 模拟输入电压范围为0V+5V，不需零点和满刻度校准。 4）低功耗，约15mW。,3常用A/D转换芯片及其接口技术, 结构框图和引脚功能,通道选择开关 通道地址锁存和译码 逐次逼近A/D转换器 8位锁存器和三态门,计算机控制技术,20,3）转换状态显示：EOC输出低电平，指示转换正在进行 EOC变为高

12、电平，指示A/D转换结束。此时，数据已保存到8位三态输出锁存器中。 4）读数据：CPU使OE信号为高电平，读出数字量送到CPU。,1）通道选择：CPU设置ADDA、ADDB、ADDC的组合 CPU提供给ALE端有效信号（正脉冲信号），使被选信号经选择开关到达比较器的输入端； 2）启动A/D转换：使START端接受一正脉冲信号，START的上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换；,ADC0809的工作过程,计算机控制技术,21,1）查询法 优点:接口电路设计简单。 缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低。 2）定时法 优点:接口电路设计比查询法简单，不必读取EOC的状态

13、。 缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低；另外还必须知道A/D转换器的转换时间。 3）中断法 优点：A/D转换期间CPU可以处理其它的程序，提高CPU的运行效率。 缺点：接口电路复杂, CPU读A/D的方法,计算机控制技术,22, ADC0809的接口电路,例1：如左图，编写一段轮流从IN0IN7采集8路模拟信号，并把采集到的数字量存入0100开始的8个单元内的程序。,计算机控制技术,23,（2）12位A/D转换器AD574,AD574是美国模拟器件公司的产品，是较先进的高集成度、低价格的逐次逼近式转换器，是一路A/D，其模拟量输入20VIN和10VIN不能分开采样，可以是双

14、极性或者单极性。 AD574由两片大规模集成电路构成。一片为D/A转换器AD565，另一片集成了逐次逼近寄存器SAR、转换控制电路、时钟电路、总线接口电路和高分辨比较器电路。,引脚信号说明,12/8：数据输出方式选择信号。高电平时输出12位数据，低电平时与A0信号配合输出高8位或低4位数据。不能用TTL电平控制，必须直接接至5V（12位一次并行输出）或数字地（12位分两次输出）。 注意：该信号只在数据输出时有用，与转换状态无关！ A0：转换数据长度选择控制信号。在转换状态，A0为低电平进行12位转换，A0为高电平进行8位转换。在读数状态，低电平时，则输出高8位数据；高电平时，则输出低4位数据。

15、,计算机控制技术,24, AD574的工作过程,分为启动转换和转换结束后读出数据 1）启动转换：首先使/CS、CE信号有效，AD574处于转换工作状态，且A0为1或为0，根据所需转换的位数确定，然后使R/C0，启动AD574开始转换。,CE、/CS：片选信号 R/C：读、启动控制信号。高电平输出数据，低电平启动转换。 STS：状态输出信号。高电平，表示正在转换；25微秒后为低电平，表示转换结束。 BIP0FF：极性选择。单极性时，接0V；双极性时，接10V。 10VIN：输入电压在10V范围内变化时的模拟信号输入端。 20VIN：输入电压在20V范围内变化时的模拟信号输入端。,计算机控制技术,

16、25, AD574的接口电路,2）输出数据：首先根据输出数据的方式，确定12/8接高电平还是接低电平；然后在CE=1、/CS=0、R/C=1的条件下，确定A0的电平。若为12位并行输出，A0端输入电平信号可高可低；若分两次输出12位数据，A0=0，输出12位数据的高8位，A0=1，输出12位数据的低4位。由于AD574输出端有三态缓冲器，所以D0D11数据输出线可直接接在CPU数据总线上。,计算机控制技术,26,例2：如左图，编写一段轮流模拟信号采集程序，将采集到的数字量存入0100单元内的程序。,计算机控制技术,27,4. A/D转换器接口的隔离技术,主要采用光电耦合器,5. A/D转换器模板的标准化设计,（1）采样保持器 （2）输入跟随或信号放大处理 （3）多路模拟信号的切换技术 （4）隔离技术 （5）A/D的转换精度和速度 （6）参考基准电压,计算机控制技术,28,4.2 模拟量输出通道, 本节主要内容,D/A转换器原理 D/A转换器芯片及接口电路 D/A转换器的输出 D/A转换器接口的隔离技术 D/A转换模板的