计算机控制技术第2章

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1、第二章 输入输出接口与过程通道,2.1 数字量输入输出通道 2.2 A/D转换器及其接口技术 2.3 模拟量输入通道 2.4 D/A转换器及其接口技术 2.5 模拟量输出通道 2.6 硬件抗干扰技术,2.1 数字量输入输出通道,一、数字量输入输出接口技术 1、数字量输入接口设片选端口地址为port 可用下列指令完成取数： MOV DX，port IN AL，DX三态门缓冲器74LS244用来隔离输入 和输出线路，在两者之间起缓冲作用。 74LS244有8个通道可输入8个开关状态图2.1 数字量输入接口,概念: 接口、过程通道、过程通道的组成,2.1 数字量输入输出通道,2、数字量输出接口 片选

2、端口地址为port 完成数据输出控制的指令为： MOV AL，DATA MOV DX，port OUT DX，AL74LS273有8个通道可输出8个开关状态并可驱动8个输出装置图2.2 数字量输出接口,2.1 数字量输入输出通道,二、数字量输入通道 1、数字量输入通道的结构主要由输入调理电路、输入缓冲器、 输入地址译码器等组成，如图2.3：图2.3 数字量输入通道结构 2、输入调理电路 （1）小功率输入调理电路图示为从开关、继电器等接点输入 信号的电路。将开关动作转换成TTL 电平信号与计算机相连。图（a）采用积分电路消除开关抖动 的方法 图（b）为R-S触发器消除开关两次反跳的方法 图2.4

3、 小功率输入调理电路,2.1 数字量输入输出通道,（2）大功率输入调理电路在高压和低压间用光电耦合器 进行隔离图2.5 大功率输入调理电路 三、数字量输出通道1、数字量输出通道的结构主要由输出锁存器、输出驱动电路、 输出口地址译码器电路等组成图2.6 数字量输出通道结构,2.1 数字量输入输出通道,2、输出驱动电路 （1）小功率直流驱动电路 a、功率晶体管输出驱动继电器电路因负载呈电感性，所以输出必须 加装克服反电势的保护二极管D， J为继电器的线圈 图 2.7 功率晶体管输出驱动继电器b、达林顿阵列输出驱动继电器电路MC1416是达林顿阵列驱动器 内含7个达林顿复合管，每个 管的电流都在50

4、0mA以上，截 止时承受100V电压。为了防止 组件反向击穿，可使用内部保 护二极管图2.8 MC1416驱动7个继电器,2.1 数字量输入输出通道,（2）大功率交流驱动电路固态继电器（SSR）是一种四端有源器件如图，输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通后，由触发器给出晶闸管器件的触发信号图2.9 固态继电器及用法,2.2 模拟量输入通道,2.2.1、模拟量输入通道的组成图2.10 模拟量输入通道的组成结构由图可知，模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器，采样保持器，A/D转换器，接口及控制逻辑等组成,2.3 模拟量输

5、入通道,2.2.2、I/V变换 变送器输出的信号为010mA或420mA的统一信号, 需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理1、无源I/V变换 无源I/V变换主要是利用无源器件 电阻来实现，并加滤波和输出限 幅等保护措施，如图2.11所示 图2.11 无源I/V变换电路 2、有源I/V变换 有源I/V变换主要是利用有 源器件运算放大器，电阻 组成如图2.12所示图2.12 有源I/V变换电路,2.2 模拟量输入通道,2.2.3、多路转换器多路转换器又称多路开关,多路开关是用来切换模拟电压信号的键元件。利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。常用的多路开关有

6、CD4051。它是单端的8通道开关，有三根二进制的控制输入端和一根禁止输入端INH(高电平禁止)。片上有二进制译码器，可由A、B、C三个二进制信号在8个通道种选择一个，使输入和输出接通。而当INH为高电平时，不论A、B、C为何值，8个通道均不通。,2.13 CD4051原理图,2.2 模拟量输入通道,2.2.4、采样、量化及常用的采样保持器 1、信号的采样 按一定的时间间隔T，把时间上连续 和幅值上也连续的模拟信号，转变 成在时刻0，T，2T，kT的一连串 脉冲输出信号的过程称为采样过程. 采样信号是一个离散的模拟信号.采样周期: T采样宽度: 香农采样定理:f2fmax 实际应用:f(510

7、)fmax,2.14 信号的采过程,2、量化所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。 将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程， 执行量化动作的装置是A/D转换器。 字长为n的A/D转换器把YminYmax范围内变化的采样信号，变换为数字02n -1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。,2.3 模拟量输入通道,例:12位A/D转换器,V=10.24V,2.3 模拟量输入通道,3、采样保持器 (1)孔径时间和孔径误差的消除在模拟量通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间称之为孔径时

8、间。对于模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，即为孔径误差。,2.15 由孔径时间引起的误差,由此得：对于一定的转换时间，误差的百分数和信号频率成正比，所以一般要限制信号的频率范围。,2.3 模拟量输入通道,（2）采样保持原理A/D转换过程（即采样信号的量化过程）需要时间，这个时间称为A/D转换时间。在采样期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以在一般情况下采样信号都不直接送到A/D转换器，还需加保持器作信号保持。采样保持器的基本组成:由输入输出缓冲器A1，A2和采样开关K，保持电容CH等组成。,2.16 采样保持器的组成,2.3 模拟量输入通道,（3）常用的采样

9、保持器常用的集成采样保持器有LF398、AD582等，其原理结构如图2.17（a）（b）所示。采用TTL逻辑电平控制2采样和保持。LF398的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。OFFSET用于零位调整。保持电容CH通常外接的，取值与采样频率和精度有关。减少CH可提高采样频率但降低精度。选择采样保持器的主要因素有获取时间、电压下降率等。,2.17 集成采样保持器的原理结构,A/D转换器的性能指标,1. 转换时间 2. 分辨率3.线性误差 4.量程 5. 对基准电源的要求,常用的A/D转换方式:逐次逼近式、双斜积分式,2.3 A/D 转换器及其接口技术,2.3 A/D 转换器

10、及其接口技术,2.3.1、A/D转换器 1、8位A/D转换器ADC0809 ADC0809芯片介绍 8位逐位逼近式A/D转换器 分辨率为8位，即为1/ 28 0.39 % 模拟电压转换范围是 0 +5 V 标准转换时间为100s 采用28脚双立直插式封装,图2.18 ADC0809的逻辑结构框图,可见ADC0809由： 8通道模拟开关、通道选择逻辑（地址锁存与译码）、8位A/D转换器及三态输出锁存缓冲器组成 （1）各引脚功能： IN0IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。 A、B、C：

11、3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择见表3-2 。 START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。 EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。,2.3 A/D 转换器及其接口技术,OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。 D0D7：8位数字量输出。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连 CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。 VREF+，VREF-：基准电压

12、源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VREF+ = 5V DC，VREF- = 0V DC。 Vcc：工作电源， 5VDC。 GND：电源地。,2.3 A/D 转换器及其接口技术,（2）8通道模拟开关及通道选择逻辑 该部分的功能是实现8选1的操作，通道选择信号C、B、A与所选通道之间的关系如下：（3）8位A/D转换器8位A/D转换器对选送到输入端的信号V1进行转换，转换的结果D存入三态输出锁存缓冲器,2.3 A/D 转换器及其接口技术,（4）三态输出锁存缓冲器 该部分用于存放转换结果D，输出允许信号OE为高电平时， D由DO7DO0上输出；OE为低电平输入时，数据输出线DO7DO0为高

13、阻态。,图2.19 ADC0809的转换时序图,2.3 A/D 转换器及其接口技术,2、 12位A/D转换器AD574AAD574A是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，AD574A芯片介绍 AD574A是一种高性能的12位逐位逼近式A/D转换器 分辨率为1/212 = 0.024%或为12位 转换时间为25s,适合于在高精度快速采样系统中使用 内部结构大体与ADC0809类似，由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与10V基准电压源构成，可以直接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量 AD574A也采用28脚双立直插式封装,图2.20 AD574A的原理结构,各引脚功能如

14、下：,Vcc：工作电源正端，+12 VDC或+15 VDC。 VEE：工作电源负端，12 VDC或15 VDC。 VLogic：逻辑电源端，+5 VDC。 DGND，AGND：数字地，模拟地。 REF OUT：基准电压源输出端，芯片内部基准电压源为+10.00 V1。 REF IN：基准电压源输入端，如果REF OUT通过电阻接至REF IN，则可用来调量程。,2、 12位A/D转换器AD574A,：转换结束信号，高电平表示正在转换，低电平表示已转换完毕。DB0-DB11：12位输出数据线，三态输出锁存，可与主机数据线直接相连。CE：片能用信号，输入，高电平有效。：片选信号，输入，低电平有效。

15、R/ ：读/转换信号，输入，高电平为读A/D转换数据，低电平为起动A/D转换。,2.3 A/D 转换器及其接口技术,12/ ：数据输出方式选择信号，输入，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。 A0：字节信号，在转换状态，A0为低电平可使AD574A产生12位转换，A0为高电平可使AD574A产生8位转换。在读数状态，如果12/ 为低电平，A0为低电平时，则输出高8位数，而A0为高电平时，则输出低4位数；如果12/ 为高电平，则A0的状态不起作用。,2.3 A/D 转换器及其接口技术,CE、 、R/ 、12/ 、 A0各控制信号的组合作用.,注： 表示1或0都可

16、以。,10VIN:模拟信号输入，量程范围为10V20VIN：模拟信号输入，量程范围为20V BIP OFF：双权性偏置端,表 模拟输入信号的几种接法,2.3 A/D 转换器及其接口技术,图2.21是AD574A的单、双极性应用时的线路连接方法，以及零点和满度调整方法（a）单极性 （b）双极性,图2.21 AD574A的输入信号连接方法,2.3 A/D 转换器及其接口技术,2.3 A/D 转换器及其接口技术,启动与读操作时序如图2.22：STS为AD574A的状态 输出信号。 启动后，STS为高电平表示正在转换； 25us后转换结束，STS为低电平。 CPU可用查询方式或中断方式 了解转换过程是否结束。,