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1、第五章 过程输入输出通道,第1节 过程通道的概念,一 过程通道的概念,过程（输入输出）通道：是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。,根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道分类如下：,二 过程输入输出通道的组成与功能,模拟量输入通道：,模拟量输出通道：,生产过程的参数(如温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等)一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件或变送器将其转换为对应的模拟电压或电流，并转化为数字信号的过程；,把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）并传输给被控对象的过程；,过程输入输出通道示意图,三 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型,3控制信息：用来控制
2、过程通道的启动和停止等 信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动 等。,2状态信息：又叫协议信息，如应答信息、握手信 息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号。,过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：,注意：在过程输入输出通道中，必须设置一个与CPU联系的接口电路，传送数据信息、状态信息和控制信息。,1数据信息：反映生产现场的参数及状态的信 息，它包括数字量、开关量和模拟量。,四 过程通道的编址方式,2过程通道与存储器独立编址方式,1过程通道与存储器统一编址方式,由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通道编址方式有两种：,五 过程通
3、道接口设计应考虑的问题,接口电路起着连接过程通道与CPU的桥梁作用，它的基本任务有： 1控制信息的传递路径：即根据控制的任务在众多的信息源中进行选择， 2控制信息传送的顺序：计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适时地发出一组有序的门控信号。 以确定该信息传送的路径和目的地。,在过程通道接口电路设计中应解决以下问题： 1触发方式：有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭(触发)信号，这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。 2时序：控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种
4、类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的。 3.负载能力：一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负载是否匹配。,第二节 模拟量输入通道,一、模拟量输入通道的结构,模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号与主控微处理器之间的接口，一般由传感器、信号调理电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器(S/H)和A/D转换器组成。其中A/D转换器是实现模拟待测信号到数字信号之间转换的关键部件。,模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式，,1、单路模拟量输入通道,2、多路模拟
5、量输入通道,1、多路转换器,多路转换器又称多路开关，它是用来切换模拟电压信号的关键元件。,多路开关功能：把多个模拟量参数分时地接通并送入A/D转换器，即完成多到一的转换；或者把经计算机处理，且由D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换。前者成为多路开关，后者叫做多路分配器，或叫做反多路开关。,二、模拟量输入通道中的常用器件及电路,理想多路开关要求：开路电阻应为无穷大，接通时的导通电阻应为零，切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。,实际多路开关性能：导通电阻10几欧，开关速度几百纳秒,多类开关的分类： 1) 单向多路开关(1对多或多对1)，
6、如AD7501（8路）、AD8506(16路)； 2) 双向多路开关（1对多且多对1），如CD4051； 3）矩阵多路开关（多对多），如MT8816；,多路开关实例：CD4051,CD4051是8通道多路开关 带有3个通道选择输入端A、B、C，用于选择8个通道之一 一个禁止输入端INH，高电平时，禁止模拟信号输入；低电平时允许模拟信号输入,VDD与VSS的电平差为 0.5 15V,CD4051的真值表,在实际应用中，如果被测参数多于8路，可以采用将多个CD4051 相连进行扩展。,*由D0D1D2D3来选择16路通道之一 *其中D30，选中1 *其中D31，选中2,CD4051多路开关的扩展应
7、用,2.1 概述,问题：,模拟信号进行 AD 转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。,解决方法：,采用一种器件，在AD转换时保持住输入信号电平，在AD转换结束后跟踪输入信号的变化。,这种功能的器件就是采样保持器。,2、采用保持器,2.2 采样保持器的工作原理,采样保持器的一般结构形式如图所示。,组成,模拟开关K,电容CH,缓冲放大器A,在t1时刻前，控制电路的驱 动信号为高电平时，模拟开 关K 闭合，模拟输入信号Ui 通过模拟开关加到电容CH 上，使得CH端电压UC 跟随 Ui 变化而变化。,在t1时刻，驱动信号为低电 平，模拟
8、开关K断开，此时 电容CH 上的电压UC 保持 模拟开关断开瞬间的Ui 值 不变并等待AD转换器转 换。,工作原理如下：,t,控 制 信 号,t,模 拟 输 入,A,t,采 样 输 出,跟踪,t1,A2,t2,A1,t3,保持,A3,t4,A,图5.2 采样保持器工作原理,而在t2时刻，保持结束， 新一个跟踪时刻到 来， 此时驱动信号又为高电 平，模拟开关K 重新闭 合， CH 端电压UC 又跟 随Ui 变化而变 化；,t3时刻，驱动信号为低 电平时，模拟开关K断开，.。,从以上讨论可知：,采样保持器是一种用逻辑电平控 制其工作状态的器件。,采样保持器的工作状态：,跟踪状态,在此期间它尽可能快
9、地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。,保持状态,对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。,采样保持器主要作用：,“稳定” 快速变化的输入信号，以减少转换误差。,用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。,2.3 采样保持器使用中应注意的问题,采样保持器和AD转换器各完成一次动作所需时间之和应小于采样周期,采样保持器的性能在很大程度上取决于保持电容器的质量。因此，应该选择优质电容器。,2.4 常用的采样/保持器,常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/2
10、98/398等。下面以LF398为例，介绍集成电路S/H的工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。,LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10s，输入阻抗为，保持电容为1F时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源范围宽，可以从5V到18V。,LF398的组成原理图如图所示。,引脚排列如图所示。,各引脚功能如下：,V+、V-：正负电源电压输入引脚，输入范围为5V到18V。 OFFSET ADJ：偏置调整引脚。可用外接电阻调整采样-保持
11、器的偏差。 VIN：输入引脚。 VOUT：输出引脚。 CH：保持电容引脚。用来外接保持电容。 LOGIC REF：参考逻辑电平。 LOGIC：输入控制逻辑。,LF398典型的电源和信号的接法,保持电容CH可选用漏电流较小的聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容。CH的数值直接影响采样时间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电容CH的容量，但CH增大时又会使其采样时间加长。因此，当精度要求不高（1%）而速度要求较高时， CH可小至100f。当精度要求高（0.01%）时，应取CH =1000F。当CH 400F时，采样时间tAC与CH有经验公式,tAC=CH/40,式中，CH为保持电容的容量，
12、单位为F；tAC为采样时间，单位为s。,保持电容的选择,三、模拟信号的调理,在计算机控制系统中，模拟量输入信号类型： 传感器输出的信号,变送器输出的信号, 电压信号：一般为mV或V信号。 电阻信号：单位为，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。 电流信号：一般为mA或A信号。, 电流信号：一般为010mA（01.5k负载）或420mA（0500负载）。 电压信号：一般为05V或15V信号。,模拟信号的调理理由：,2、电流信号转化为电压信号；,注意：信号调理电路的设计主要是根据传感器输出的信号、变送器输出的信号及A/D转换器的具体情况而有所不同。,3、非电压信号转化为电压信号；,4、噪
13、音信号的抑制；,1、电压信号的“标准化”；,3.1 电桥,电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛应用。 与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：按照激励电源的性质可分为直流电桥与交流电桥；按照桥臂阻抗性质又可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥。,（以直流电桥为例）,直流电桥的平衡条件,3.2 运算放大器,运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流放大器。加上外部反馈网络可以实现加、减、乘、除、微分和积分等数学运算，还可以与
14、其它外设电路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及交流放大器等测试装置。,（1）单端运算放大器,功能： 1、输入为单端； 2、在不存在共模电压的时候使用,（2） 差动放大器,当,得,特点： 1、输入为双端； 2、在不存在共模电压的时候使用 3、调整放大系数，则调零点破坏破坏平衡条件,（3）测量放大器,三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称仪表放大器。,由电路分析可知,通常电路中,则测量放大器的增益为,四、模拟量输入通道的设计,1、模拟量输入通道的应考虑的问题：, 信号的拾起方式； 信号的调理； A/D转换器的选择； 电源的配置；,2、模拟量输入通
15、道的设计,第三节 模拟量输出通道,一 模拟量输出通道的一般结构,模拟量输出通道的功能是把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。,模拟量输出通道通常由D/A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路所组成。,1、单模拟量输出通道的结构,组成：接口电路、寄存器、DA转换器和放大变换电路,2、多模拟量输出通道的结构,多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。 输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构
16、形式。,这是一种数字保持方案。 优点:转换速度快，工作可靠，即使某一路D/A转换器发生故障，也不影响其他通道的工作。 缺点:使用了较多的D/A转换器，使得这种结构的价格很高。,2.1 一个通道设置一片D/A转换器,2.2 多个通道共用一片D/A转换器,共用D/A转换器的结构形式如图所示。,由于公用一片D/A转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即依次把D/A转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给输出采样保持器。 优点:节省了D/A转换器。 缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。它还要使用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。,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信号，所以在微机控
