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1、第二章 输入输出接口过程通道,本章主要介绍计算机与被控对象之间的连接 1、复习接口技术，重点12位的A/D、D/A转换技术 2、调理电路 3、常用硬件抗干扰技术,2. 1 输入/输出接口的基本理论（复习、提问和总结） 2. 2 数字量输入通道 2. 3 数字量输出通道 2. 4 模拟量输入通道 2. 5 模拟量输出通道 2. 6 硬件抗干扰技术,64通道高速多功能采集卡,高速32通道数字I/O模块,多通道继电器带隔离数字量输入卡,8通道模拟量输入模块,高驱动数字量I/O卡,例：几种过程输入输出通道,工控机底板,过程通道：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。（AI、AO、DI、D
2、O）,2. 1 输入/输出接口的基本理论（复习、提问和总结）,输入端口：（包括数据输入端口和状态端口）一定有三态缓冲器（仅一位时是三态门），可有锁存器（寄存器）。 输出端口：（数据输出端口和控制端口）一定有锁存器（寄存器）,数据端口、状态端口、控制端口,1、功能上分为三种端口：,从数据流分：,输入端口和输出端口。,2、端口结构：,3、输入端口（控制）,输出端口（控制）,一个输入端口和个输出端口可以分配一个地址，它们由RD、WR分别控制。,4、设计接口时所用地址一定不能与系统所用硬件接口地址冲突，从系统信息中可以查阅有关地址分配信息,2. 2 数字量输入通道（DI） 数字量开关量：用“0”和“1
3、” 两个量进行描述。,MOV DX，port IN AL，DX,锁 存 器,常用的锁存器有74LS373、74LS272,2. 2. 1 数字量输入接口,2. 2. 2 数字量输入通道结构,1、数字量输入通道结构,2、输入调理电路 把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 计算机能够接收的逻辑信号。 小功率输入调理电路 开关去抖电路 积分电路,A,O,A,O,O,A1,RS触发器 去抖 RS触发器 “ 1” 负脉冲 “ 0” 高电平,大功率输入调理电路 采用光电隔离,TLP521-1,TPL521-2,TPL521-4,TLP521系列 OP-AMP,2. 3. 1数字量输出接口,利用IOW上
4、 升沿锁存 MOV AL，DATA MOV DX，port OUT DX，DL,2. 3 数字量输出通道（DO）,2. 3.2 数字量输出通道结构,1、数字量输出通道结构,2、输出驱动电路 小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 续流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器线圈产生的反电动势提供旁路通道，保护晶体管。,达林顿阵列输出驱动继电器电路 MC1416，7路驱动，带保护二极管,大功率直流驱动电路 固态继电器, 零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。,2. 4 模拟量输入通道 2. 4. 1 A/D转换器概述 1、常用A/D转换方式 逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比
5、较） ADC0809（8位），AD574（12位） 双斜积分型：转换时间长，抗扰性好（积分） MC14433（11位），ICL7135（14位） 全并行比较型（Flash型）：采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高。,分级型：减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减小电路规模，保持较高速度。 -型（过采样转换器）：高速1bit DAC+数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。,2、A/D转换器的主要技术指标 转换时间：积分型为毫秒级，逐次比较为微秒级，全并行为纳秒级。 分辨率：数字量位数n。 LSB（最低有效位）满量程的1/2n。 线性误差：量程范围内，偏离理想转换特性 的最大误差
6、，通常为1/2LSB或1LSB。 量程：能转换的电压范围。 对基准电源的要求：电源精度。,2. 4. 2 8位A/D转换器ADC0809 带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器 误差1/2LSB,8通道模拟开关及通道选择 地址锁存信号ALE 转换启动：START收到正脉冲 转换结束：EOC从低电平变为高电平 基准电压：VREF(+)=5.12V, VREF(-)=0V,转换时序,64个CLK,2. 4. 3 12位A/D转换器AD547A 单通道12位逐次逼近A/D转换器 转换时间25us, 误差1/2LSB，单极性或双极性输 入，量程10V或20V。,单、双极性应用 单极性：BIP OF
7、F接0V 双极性：BIP OFF接10V,转换结果输出： 引脚12/8=1：D11-D0并行输出； 引脚12/8=0：D11-D8和D7-D0分时输出； 控制逻辑,转换进行：STS为高电平 转换结束：STS从高电平转为低电平 转换时序： 启动,转换时序：读,AD574与8255A接口 AD574的12/8接5V，A0接地，工作于12位 转换和读出方式。 8255A的A口、B口工作方式0，数据输入端 C口上半部分为输入，下半部分为输出。 PC0-PC2 R/C，CS，CE PC7 STS，检测转换结束 8255A系统地址2C0H2C3H。 P29,2. 4. 4 A/D转换接口技术, MOV D
8、X, 02C2H; 令CS,R/C为低电平 MOV AL, 00H OUT DX, AL NOP NOP MOV AL, 04H； 令CE=1, 启动转换 OUT DX, AL NOP NOP MOV AL, 03H；令CE=0，CS, R/C1，启动完毕 OUT DX, AL POLLING: IN AL, DX; 查询STS状态 TEST AL, 80H JNZ POLLING; STS=1 则等待，检测下降沿（转换结束） MOV AL, 01H；令CS0,R/C1, 准备读,.,OUT DX,AL NOP MOV AL,05H; 令CE=1,允许读出 OUT DX,AL MOV DX,0
9、2C0H IN AL,DX ; 读高4位DB11-DB8; AND AL, 0FH MOV BH,AL；存高4位 INC DX IN AL,DX ；读低8位DB7-DB0 MOV BL,AL INC DX MOV AL,03H OUT DX,AL; 结束读出操作,2.4.5 模拟量输入通道结构,1、 模拟量输入通道结构,2、 I/V变换 电流输出 仪表DDZ-：010mA 仪表DDZ-,DDZ-S：420mA 无源I/V变换（利用无源器件完成） 010mA:R1 100 R2 500 05V输出 420mA:R1 100 R2 250 15V输出,有源I/V变换（利用有源器件完成） 010mA
10、:R1 200 R3 100k R4 150k 05V输出 420mA:R1 200 R3 100k 同相放大器倍数 A=1+R4/R3 R4 25k 15V输出,3、多路转换器 多路开关理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。 举例：CD40518通道开关 INH 禁止输入,CD4051 Single 8-Channel Analog Multiplexer,4、 采样、量化及常用的采样保持器 （1）信号的采样 采样过程：以周期时间间隔T，把时间与幅值连续的模拟信号转变为连串脉冲输出信号。 为采样宽度，即K闭合的时间。,香农采样定量：若信号的最高频率为fmax，只要采样频
11、率f 2 fmax，采样信号就能唯一复现原信号。工程上的采样频率一般为信号最高频率的410倍。 （2）量化 量化：用一组数码逼近离散模拟信号的幅值。 量化过程：模拟信号数字信号。 量化单位：A/D转换器的最低有效位LSB对应的模拟量。 量化误差： q/2,（3）采样保持器 孔径时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时间。 孔径误差：采样时刻的最大转换误差。 孔径误差的消除：采用采样保持器,ZOH：零阶保持器,LF398：Sample and Hold Amplifier,孔径时间内，信号的变化导致转换误差，A/D转换器需要采样保持器来提高输入信号的频率范围。 采样保持器：把t=KT时刻的采样值
12、保持到A/D转换结束。 采样：K闭合，CH快速充电，VOUT跟随VIN 保持：K断开，VOUT保持VC 缓慢变化的信号无需采样保持器,采样保持器,（4）常用采样保持器LF398 P35 采样保持控制引脚8：高电平，采样 低电平，保持 CH外接高品质电容，其减小可以提高采样频率。 获取时间：CH为0.01uF时, 时间为25us,2.4.6 模拟量输入通道设计,器件：AD547A, LF398, CD4051,8255A 指标: 8通道模拟量输入 12位A/D转换（25us)，量程010V 查询应答方式 电路逻辑： 通道选择PC0-PC2, 通道禁止 PC3 LF398采样和保持 ADC547的
13、STS+反相器 AD547A的R/C, CS, CE PC4-PC6 转换状态检测STS PA7 数据输入：高4位 PA0-PA3，低8位 B口,AD574A PROC NEAR CLD LEA DI, BUF MOV BL, 00000000B; 令CE，CS, R/C, INH=0, MOV CX, 8 ADC: MOV DX, 2C2H ; C口地址 MOV AL, BL OUT DX, AL; 选择多路开关，STS=0, LF398采样 NOP NOP OR AL, 01000000B； 令CE=1, 启动转换A/D OUT DX, AL； AND AL, 10111111B； 令CE
14、=0, 形成启动脉冲 OUT DX, AL； MOV DX, 2C0H; A口地址,PULLING IN AL, DX ； 测试STS，看转换是否结束 TEST AL, 80H JNZ PULLING ；转换期间 STS1，LF398保持 MOV AL, BL； OR AL, 00010000B; 转换结束，令R/C1，准备读 MOV DX, 2C2H; OUT DX, AL OR AL, 01010000B;令 CE, R/C1，开始读 MOV DX, 2C0H ; 读A口高4位 IN AL, DX AND AL, 0FH MOV AH, AL ；高4位存在AH INC DX; 读B口低8位
15、 IN AL, DX ；低8位存在AL STOSW; 数据存储,INC BL ; 更换通道 LOOP ADC MOV AL, 00111000B; CE=0，CS, R/C, INH=1, MOV DX, 2C2H OUT DX, AL RET AD574A ENDP,思考题 在模拟量输入通道中，遇到下列那种情况，可以不考虑使用保持器？ A. 输入信号范围小于1v时； B. 输入信号变化相对很慢时； C. A/D转换位数很多时； D. 采样双积分式A/D时； F. 系统只有一路模拟信号输入时。,作业 P62 2.1, 2.2, 2.4,两种典型的模拟量输出通道结构,2. 5 模拟量输出通道,2
16、. 5. 1 D/A转换器概述 D/A转换器的技术指标 分辨率：D/A转换器输入二进制数的位数。 建立时间：输入数字信号的变化是满量程时， 输出信号达到离终值 1/2LSB的所需时间。 线性误差：偏离理想转换特性的最大误差。,常见D/A转换器类型： 电流输出型，通常要转为电压，速度因外接放大器有滞后。 电压输出形，速度快，仅用于高阻抗负载。 乘算型，在基准电压输入上加交变信号，能输出数字输入和基准电压输入相乘的结果，完成乘法运算。 1 bit D/A转换器，将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均化而得到电压输出(又称位流方式)。,2.5.2 D/A转换器 1、ADC0832,2、12位D/A转换器DAC1210 12位电流输出型D/A转换器,与DAC0832一样可以采用直通、单缓和双缓控制。但在8位机中只能采用双缓的控制
