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1、第第2 2章章 输入输出接口与过程通道输入输出接口与过程通道概述概述采样和量化采样和量化模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输出通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输入通道数字量输出通道数字量输出通道工业控制计算机工业控制计算机I/O模板模板7/20/20241过程输入输出通道技术课件2.12.1概述概述主机主机过过程程控控制制通通道道A/DD/AD/ID/O操作台（通讯）操作台（通讯）控控制制对对象象（系系统统）CPUMEM 图图1.4 典型的计算机控制系统的硬件组成框图典型的计算机控制系统的硬件组成框图7/20/20242过程输入输出通道技术课件 接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包
2、括输入接接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。何交换信息的技术。 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、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。数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。 在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通
3、道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。分。7/20/20243过程输入输出通道技术课件7/20/20244过程输入输出通道技术课件模拟量输入通道模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温把反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温度、压力、流量速度、液位等），转换为数字信号送给计度、压力、流量速度、液位等），转换为数字信号送给计算机。算机。模拟量输出通道模拟量输出通道则把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信则把计算机
4、输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制。备的控制。开关量输入通道开关量输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号和脉冲把反映生产过程或设备工况的开关信号和脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给计算机。信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给计算机。开关量输出通道开关量输出通道把计算机的控制信号送给那些接受开关信号的把计算机的控制信号送给那些接受开关信号的执行机构和显示、指示装置：如两位阀门、指示灯、步进执行机构和显示、指示装置：如两位阀门、指示灯、步进电机及继电器灯装置。电机及继电器灯装置。过程通
5、道的分类与基本结构过程通道的分类与基本结构7/20/20245过程输入输出通道技术课件模拟量输入通道模拟量输入通道7/20/20246过程输入输出通道技术课件模拟量输出通道模拟量输出通道7/20/20247过程输入输出通道技术课件数字量输入通道数字量输入通道7/20/20248过程输入输出通道技术课件数字量输出通道7/20/20249过程输入输出通道技术课件LEDLED显示器及其接口技术显示器及其接口技术 nLED（发光二极管）显示器件是计算机控制系统中（发光二极管）显示器件是计算机控制系统中的廉价输出设备，它由多个发光二极管组成，能显的廉价输出设备，它由多个发光二极管组成，能显示许多种字符。
6、示许多种字符。 n图所示为图所示为7段段LED显示器件的结构及外形图。显示器件的结构及外形图。 图图 7段段LED显示器件的结构及外形图显示器件的结构及外形图 7/20/202410过程输入输出通道技术课件LEDLED显示器及其接口技术显示器及其接口技术 显示字符控制显示代码（十六进制数）显示字符控制显示代码（十六进制数）共阴极共阳极共阴极共阳极03FC0A7788106F9b7C8325BA4C39C634FB0d5EA146699E798656D92F718E67D82H7689707F8P738C87F8040BF96F90不显示00FF表表 显示字符与显示字符与7段控制显示代码的对应关
7、系段控制显示代码的对应关系 7/20/202411过程输入输出通道技术课件(1) LED静态显示方式： 所谓静态显示就是将N位共阴极LED显示器的阴极连在一起接地，每一位LED的8位段选线与一个8位并行口相连，当显示某一个字符时，相应的发光二极管就恒定地导通或截止。一个4位静态显示电路如图所示。 7/20/202412过程输入输出通道技术课件(2) LED动态显示方式： 所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。 特点是将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个8位IO控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮， 使每位LED显示该位应当显示的字符。恰当地
8、选择点亮LED的时间间隔(15 ms)，会给人一种视觉暂停效应， 似乎多位LED都在“同时”显示7/20/202413过程输入输出通道技术课件动态LED显示器接口技术 6位动态显示电路位动态显示电路 7/20/202414过程输入输出通道技术课件在图中，控制每个LED显示位轮流接地点亮的代码称为“位选码”。由IO(2)口输出8位代码控制。特点是每次输出只有一位是0(点亮)，其余7位均为1(熄灭)，因此每一位LED都有一个唯一的8位“位选码”。按从左向右轮流显示8位LED的位选码可用8031右移循环指令实现： MOV A， 7FH ； 点亮左1 LED的位选码LOOP：MOVX DPTR，A ；
9、 从IO(2)口输出位选码 RR A ； 右移一位， 指向下一个LED位 LCALL DELAY ； 调延时3 ms子程序 LJMP LOOP ； 返回显示下一位LED 7/20/202415过程输入输出通道技术课件n到底哪一位数码管显示，到底哪一位数码管显示，主要取决于位选码。只有主要取决于位选码。只有位选信号位选信号PB端口对应的线端口对应的线经驱动器后变为低电平时，经驱动器后变为低电平时，对应的位才会发光显示。对应的位才会发光显示。n写出动态扫描显示子程序。写出动态扫描显示子程序。设设8255端口端口PA、PB的地的地址分别为址分别为800H、801H，并且并且PA、PB已初始化为已初始
10、化为输出方式，则子程序的流输出方式，则子程序的流程图如图所示。程图如图所示。 动态扫描显示子程序流程图 7/20/202416过程输入输出通道技术课件LCDLCD显示器接口技术显示器接口技术 LCD显示器的显示原理显示器的显示原理n在许多的LCD显示装置上，都有背光光源。LCD显示器的基本结构如图所示。 图图 LCD显示器基本结构显示器基本结构 7/20/202417过程输入输出通道技术课件LCDLCD显示器接口技术显示器接口技术 LCD器件的驱动方式 nLCD显示器的驱动方式一般分两种：静态驱动方式显示器的驱动方式一般分两种：静态驱动方式和时分隔驱动方式。和时分隔驱动方式。 n1静态驱动方式
11、静态驱动方式 n图（图（a）所示为一位）所示为一位LCD数码显示电路图。数码显示电路图。 n当某字段上两个电极的电压相位相同时，两极间的当某字段上两个电极的电压相位相同时，两极间的相对电压为相对电压为0，该字段不显示。当字段上两个电极的，该字段不显示。当字段上两个电极的电压相位相反时，两个电极的相对电压为两倍幅值电压相位相反时，两个电极的相对电压为两倍幅值电压，字段呈黑色显示。电压，字段呈黑色显示。 7/20/202418过程输入输出通道技术课件LCDLCD显示器接口技术显示器接口技术 图图 一位一位LCD数码显示电路图及驱动波形图数码显示电路图及驱动波形图 7/20/202419过程输入输出
12、通道技术课件LCDLCD显示器接口技术显示器接口技术 n对于对于LED，只要在其两端加上恒定的电压，便可，只要在其两端加上恒定的电压，便可控制其亮、暗状态。而控制其亮、暗状态。而LCD必须采用交流驱动方必须采用交流驱动方式，以避免液晶材料在直流电压长时间的作用下式，以避免液晶材料在直流电压长时间的作用下产生电解，影响其使用寿命。产生电解，影响其使用寿命。 n时分隔驱动方式时分隔驱动方式 n当显示字符较多时，驱动电路将会变得非常复杂。当显示字符较多时，驱动电路将会变得非常复杂。在这种情况下，一般采用时分隔驱动方式。在这种情况下，一般采用时分隔驱动方式。 图图 在时分隔驱动方式下的电极引线方式图在
13、时分隔驱动方式下的电极引线方式图 7/20/202420过程输入输出通道技术课件3.3 LCD3.3 LCD显示器接口技术显示器接口技术 n从图中的驱动波形可以看出：a，e段上所加的驱动波形是峰值为UO的选择状态，而g段上所加的驱动波形是峰值为1/3UO的非选择状态。 图图 工作电压波形图工作电压波形图 7/20/202421过程输入输出通道技术课件LCDLCD显示器接口技术显示器接口技术 点阵式点阵式LCD显示器的接口显示器的接口 n当数码位段式显示器的位段缩变为一个点，许多的点按一定的规则均匀地排列在一起时，便构成了点阵式LCD显示器。 图图 采用采用MCS51系列单片机系列单片机8051
14、的接口原理图的接口原理图 7/20/202422过程输入输出通道技术课件人机接口人机接口键盘键盘 2.3.1 2.3.1 非编码键盘非编码键盘 非编码键盘是由一些按键排列成的一个行、列矩阵。按键的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应的程序与之配合，来解决按键的识别，键值的产生以及防止抖动等工作。因此，键盘接口电路和软件程序必须解决以下一些问题： (1) 检查是否有键按下。 (2) 若有键按下， 判断是哪一个键并确定其键号或键值。 7/20/202423过程输入输出通道技术课件(3) 去抖动：一个电压信号是通过机械触点的闭合、断开过程来实现信号传递的，其波形如图2-18所示。抖动
15、时间一般为510 ms。按键的稳定闭合期为几百毫秒到几秒钟时间。 为了保证CPU对按键闭合仅作一次键输入处理， 必须去除抖动影响, 通常可用硬件或软件延时10 ms处理。 (4) 处理多键同时按下：对于同时有两个以上的键被按下的情况， 有两种处理方法。第一，“双键同时按下”。用软件扫描键盘处理， 当只有一个键按下时才读取键盘的输出， 并认为最后按下的键为有效键。第二，“N键锁定”。多键按下时只处理一个键，任何其他按下又松开的键不产生任何键值；通常第一个被按下或最后一个被松开的键产生键值。 这种方法简单实用。 7/20/202424过程输入输出通道技术课件(5) 键输入软件处理： 当有键按下时，
16、单片机应能够完成该按键所设定的功能。一般键盘管理程序是整个应用程序的核心。 8031的散转指令JMP A+DPTR可看成是键输入信息的软件接口。 图2-19是单片机键输入处理流程图。 键盘通过接口与CPU连接，CPU采用查询或中断方式检查有无键按下，再将该键号送A，然后通过散转指令JMP A+DPTR转入执行该键功能的处理程序入口， 最后又返回到键盘管理程序的入口。 7/20/202425过程输入输出通道技术课件图 单片机键输入处理流程图 7/20/202426过程输入输出通道技术课件图2-18 按键闭合及断开时的电压抖动 7/20/202427过程输入输出通道技术课件2.2 2.2 模拟量输
17、入通道模拟量输入通道AIAI2.2.1 组成组成模拟量输入通道模拟量输入通道一般由一般由I/V变换，多路转换器，采样保持器、变换，多路转换器，采样保持器、A/D转换器、转换器、I/O接口及控制逻辑组成。接口及控制逻辑组成。采采样样保保持持器器I/O主主机机控制逻辑控制逻辑A/D多多路路转转换换器器信号信号调理调理或或I/VI/V变换变换变变送送器器过过程程参参数数保保持持器器接接口口电电路路模拟量输入通道模拟量输入通道过程参数由过程参数由传感元件传感元件和和变送器变送器测量并转换为标准的测量并转换为标准的电流电流形式后形式后送至送至I/V变换器变换器；在微机的控制下，由；在微机的控制下，由多路
18、开关多路开关将各个过程将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实转换，实现过程参数的巡回检测。现过程参数的巡回检测。7/20/202428过程输入输出通道技术课件2.2.2 2.2.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换一、信号调理一、信号调理信号调理主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、信号调理主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化及隔离等方法将非电信号和非标准信滤波、线性化及隔离等方法将非电信号和非标准信号转换成标准的电信号。是传感器和转换以号转换成标准的电信号。是传感器和转换以及和执行机构之间的桥梁。及和执行
19、机构之间的桥梁。1 1、非电信号的检测、非电信号的检测不平衡电桥不平衡电桥作用：是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电作用：是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路。压或电流输出的一种测量电路。特点：具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补特点：具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点。偿等优点。 7/20/202429过程输入输出通道技术课件下图为一个用热敏电阻来测量温度的测量电桥。电阻下图为一个用热敏电阻来测量温度的测量电桥。电阻R1,R2,R3R1,R2,R3为精密电阻，为精密电阻，R RPtPt为热敏电阻，为热敏电阻，E E端接激励端接激励源，源，A
20、,BA,B端接到后级的测量放大电路端接到后级的测量放大电路一般情况下：一般情况下：R2R2R3,R1=100R3,R1=100欧，欧，0 0时，时， R RPtPt为为100欧，此时电桥欧，此时电桥平衡，输出为平衡，输出为0。当温度变化时，当温度变化时， R RPtPt的阻值是温度的阻值是温度的函数为：的函数为： 为电阻温度系数，为电阻温度系数，t为温度为温度7/20/202430过程输入输出通道技术课件因此，某温度下，产生不平衡电压因此，某温度下，产生不平衡电压,由不平衡电压推由不平衡电压推算出温度值。算出温度值。注意：工业中用热敏电阻测量温度，当测量电路离控注意：工业中用热敏电阻测量温度，
21、当测量电路离控制柜很远时，热敏电阻与调理电路之间连接宜采用制柜很远时，热敏电阻与调理电路之间连接宜采用三线制，而不是两线制三线制，而不是两线制接法。因采用两线制，由接法。因采用两线制，由于导线电阻存在，容易产于导线电阻存在，容易产生误差。热敏电阻与调理生误差。热敏电阻与调理电路之间三线制接法如图电路之间三线制接法如图7/20/202431过程输入输出通道技术课件2 2、信号放大电路、信号放大电路作用：将弱电信号放大成需要的标准电信号。如上作用：将弱电信号放大成需要的标准电信号。如上述电桥输出电压一般达不到要求的标准电压，故述电桥输出电压一般达不到要求的标准电压，故需要放大器放大。需要放大器放大
22、。选择因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等选择因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等常见器件：常见器件：uA741,LF347(低精度低精度) OP-07,OP-27(中等精度中等精度) ICL7650(高精度高精度)两线制：仪表到控制柜或者计算机只有两根线两线制：仪表到控制柜或者计算机只有两根线三线制：仪表到控制柜或者计算机有三根线三线制：仪表到控制柜或者计算机有三根线7/20/202432过程输入输出通道技术课件二、二、I/VI/V变换变换1、无源、无源I/V变换变换无源无源I/V变换如图所示：变换如图所示：R2为精密电阻为精密电阻当输入电流当输入电流I范围已知时，输出电压范围已知时，输出电
23、压V的范围就确定。的范围就确定。如：当输入如：当输入I为为010mA时，取时，取R2=500欧，则欧，则V=05V 当输入当输入I为为420mA时，取时，取R2=250欧，则欧，则V=15V思考：图中思考：图中R1和电容和电容C起什么作用？二极管起什么作用？二极管D作用是什么？作用是什么？滤波和输出限幅滤波和输出限幅7/20/202433过程输入输出通道技术课件2 2、有源、有源I/VI/V变换变换有源有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，图中电容成，图中电容C起滤波。起滤波。7/20/202434过程输入输出通道技术课件2 2、有源、有
24、源I/VI/V变换变换有源有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，图中电容成，图中电容C起滤波。起滤波。根据理想运算放大器知识根据理想运算放大器知识 ： ,由短路特性得由短路特性得 故故当输入当输入I为为010mA时，取时，取R1=200欧，则欧，则Vi=02V取取R3=100千欧，千欧， R4=150千欧，则千欧，则A=2.5, 则输出为则输出为05V当输入当输入I为为420mA时，取时，取R1=200欧，则欧，则Vi=0.84V取取R3=100千欧，千欧， R4=25千欧，则千欧，则A=1.25, 则输出为则输出为15V7/20/202
25、435过程输入输出通道技术课件2.2.3 2.2.3 多路转换器多路转换器()()多路转换器也称多路开关。多路转换器也称多路开关。作用作用：是用于切换模拟电压信号的关键元件，可将各：是用于切换模拟电压信号的关键元件，可将各个模拟输入信号依次或随即地接到公用放大器上或个模拟输入信号依次或随即地接到公用放大器上或A/D转换器上，完成转换器上，完成“多到一多到一”的转换。的转换。要求：理想开关是开路状态时电阻无穷大，接通时电要求：理想开关是开路状态时电阻无穷大，接通时电阻为阻为0，切换快、噪音小、寿命长、工作可靠。，切换快、噪音小、寿命长、工作可靠。常用多路开关有：常用多路开关有：CD4051,AD
26、7501,LF13508等。等。 7/20/202436过程输入输出通道技术课件2.2.4 2.2.4 采样、量化及采样采样、量化及采样/ /保持器保持器一、信号的采样一、信号的采样：采样：采样：计算机每隔一定的时间间隔逐点的采入模拟信号的瞬时计算机每隔一定的时间间隔逐点的采入模拟信号的瞬时值的过程。值的过程。采样开关采样开关K K（采样器（采样器）：执行采样过程的装置。）：执行采样过程的装置。采样周期采样周期：采样开关每次通断的时间间隔：采样开关每次通断的时间间隔T T。采样时间（采样宽度）采样时间（采样宽度）：采样开关每次闭合的时间：采样开关每次闭合的时间。理想采样开关理想采样开关：当：当
27、 ，称为理想采样开关。，称为理想采样开关。采样开关的波形如下图采样开关的波形如下图7/20/202437过程输入输出通道技术课件采样信号采样信号y y* *( (t t) )：时间上离散，幅值上连续的信号：时间上离散，幅值上连续的信号采样过程采样过程：将时间和幅值均连续的模拟信号：将时间和幅值均连续的模拟信号y y( (t t) )变换变换为采样信号的过程称为为采样信号的过程称为采样过程采样过程或离散过程。或离散过程。信号的采样过程表示如下信号的采样过程表示如下：普通采样开关理想采样开关7/20/202438过程输入输出通道技术课件思考：由采样过程知，连续信号经过采样以后所得采思考：由采样过程
28、知，连续信号经过采样以后所得采样信号样信号y y*(*(t t) )不是取全部时间上的信号值，而是取不是取全部时间上的信号值，而是取某些时间上的值，即某些时间上的值，即y y*(*(t t) )是是y y( (t t) )的取样？的取样？那么处那么处理后的采样信号会不会造成原来信号的丢失呢？也理后的采样信号会不会造成原来信号的丢失呢？也就是说是否能由处理后的采样信号来复现原来的模就是说是否能由处理后的采样信号来复现原来的模拟信号拟信号y y( (t t) )呢？呢？问题就取决于采样周期问题就取决于采样周期T的大小。的大小。香农采样定理：当采样频率香农采样定理：当采样频率f2fmax (模拟信号
29、的最高模拟信号的最高频率），那么采样信号频率），那么采样信号y*(t)就能唯一地复现就能唯一地复现y(t)。实际应用中，常取实际应用中，常取 f（510）fmax 。7/20/202439过程输入输出通道技术课件二、信号的量化二、信号的量化背景：采样信号是时间上离散、幅值上连续的信号，背景：采样信号是时间上离散、幅值上连续的信号，本质是离散的模拟信号，不能直接进入计算机。本质是离散的模拟信号，不能直接进入计算机。含义：含义：用一组二进制码来逼近采样信号的幅值。将用一组二进制码来逼近采样信号的幅值。将采样信号的幅值变为数字信号采样信号的幅值变为数字信号D D。量化过程：量化过程：将采样信号转化为
30、数字信号的过程。将采样信号转化为数字信号的过程。物理器件：物理器件：A/DA/D转换器。转换器。量化单位量化单位q q：设设A/D A/D 转换器的位数为转换器的位数为n(n(分辨率分辨率) )，采，采样信号的幅值变化范围为样信号的幅值变化范围为 则量化单位则量化单位7/20/202440过程输入输出通道技术课件量化过程实际是一个用量化过程实际是一个用q去度量采样幅值高低的小数去度量采样幅值高低的小数归整过程归整过程。由于量化过程是一个由于量化过程是一个小数归整小数归整过程，因而存在过程，因而存在量化误量化误差差，量化误差量化误差是是q q/2/2。假如假如q q20mV,20mV,则量化误差
31、为则量化误差为10mV,10mV,当某时刻采样信当某时刻采样信号的幅值是号的幅值是1V1V时，量化结果是多少？时，量化结果是多少？7/20/202441过程输入输出通道技术课件当采样信号的幅值是当采样信号的幅值是0.990V0.990V时，量化结果是多少？时，量化结果是多少？当某时刻采样信号的幅值是当某时刻采样信号的幅值是1.009V1.009V时，量化结果是多少？时，量化结果是多少？结论：结论： q q20mV20mV, , 幅值为幅值为0.990V-1.009V0.990V-1.009V范围内时的采范围内时的采样信号，其量化结果都是样信号，其量化结果都是50.50.因为量化误差为因为量化误
32、差为q q/2/2 10mV,10mV,A/DA/D转换器的位数越高，量化单位转换器的位数越高，量化单位q q越小，量化越精确。越小，量化越精确。7/20/202442过程输入输出通道技术课件三、信号的保持信号的保持因为因为A/DA/D转换器转换过程（信号的量化过程）需要一转换器转换过程（信号的量化过程）需要一定时间，如果在信号的量化过程中现场输入电压信号定时间，如果在信号的量化过程中现场输入电压信号变化快且其幅值变化超过变化快且其幅值变化超过q q/2/2，就不能保证，就不能保证A/DA/D转换转换精度。因此，采样信号在进入精度。因此，采样信号在进入A/DA/D转换器之前转换器之前一般一般需
33、需要将其保持。要将其保持。信号的保持：信号的保持：将采样信号将采样信号T T时刻的幅值保持到时刻的幅值保持到T+1T+1时刻时刻的过程。的过程。完成信号保持的装置：保持器完成信号保持的装置：保持器7/20/202443过程输入输出通道技术课件保持器信号保持过程信号保持过程通常，将采样功能和保持功能集成在一起，称其为采通常，将采样功能和保持功能集成在一起，称其为采样保持器。样保持器。7/20/202444过程输入输出通道技术课件四、采样保持器四、采样保持器1 1、孔径时间和孔径误差的消除、孔径时间和孔径误差的消除孔径时间：完成一次孔径时间：完成一次A/DA/D转换所需要的时间。转换所需要的时间。
34、孔径误差：每一个采样时刻的最大转换误差。孔径误差：每一个采样时刻的最大转换误差。对于一个时变的模拟信号而言，孔径时间决定孔径误对于一个时变的模拟信号而言，孔径时间决定孔径误差。差。正弦模拟信号。对于一定的转换时间，因为正弦模拟信号。对于一定的转换时间，因为 在在0 0时刻最大，所以误差最大可能发生在信号过时刻最大，所以误差最大可能发生在信号过0 0的时刻。的时刻。所以在原点有：所以在原点有：7/20/202445过程输入输出通道技术课件2 2、原理、原理采样保持器的基本组成电路如图：由输入输出缓冲器采样保持器的基本组成电路如图：由输入输出缓冲器A A1 1、A A2 2和和采样开关采样开关S
35、S、保持电容、保持电容C CH H组成。组成。误差百分数为误差百分数为所以，为了确保所以，为了确保A/DA/D转换的精度，要么必须限制输入信号的频率转换的精度，要么必须限制输入信号的频率范围。或者加采样保持器，提高模拟输入信号的频率范围。范围。或者加采样保持器，提高模拟输入信号的频率范围。结论：为达到转换所规定的精度，要求结论：为达到转换所规定的精度，要求A/DA/D转换器在转换时间内转换器在转换时间内将输入模拟量的变化幅度应小于将输入模拟量的变化幅度应小于A/DA/D转换量化误差转换量化误差7/20/202446过程输入输出通道技术课件工作原理：采样时，工作原理：采样时，S S闭合，闭合，V
36、INVIN通过通过A1A1对对CHCH快速充电，快速充电，VOUTVOUT跟随跟随VINVIN；保持期间，；保持期间，S S断开，因断开，因A2A2的输入阻抗高，的输入阻抗高，VOUTVOUTVCVC保持不变。采样器一旦进入保持，马上启动保持不变。采样器一旦进入保持，马上启动A/DA/D转换器，确保转换期间输入恒定。转换器，确保转换期间输入恒定。3 3、常见采样保持器、常见采样保持器常用采样保持器有常用采样保持器有LF398LF398、AD582AD582等等。注意：当被测量信号变化缓慢，注意：当被测量信号变化缓慢，A/DA/D转换时间足够短，转换时间足够短，可以不加采样保持器。可以不加采样保
37、持器。7/20/202447过程输入输出通道技术课件2.4.5 A/D2.4.5 A/D转换器转换器一、一、A/D转换器工作原理转换器工作原理定义：实现采样和量化过程的器件定义：实现采样和量化过程的器件原理：将输入电压与已知电压原理：将输入电压与已知电压比较比较进行的。进行的。比较将按某一方式获得的数字量比较将按某一方式获得的数字量D D转换成电压模拟量转换成电压模拟量U0U0，同时将，同时将U0U0和输入模拟电压和输入模拟电压UxUx比较，若两者相等，则比较，若两者相等，则数字量数字量D D就是对输入模拟量就是对输入模拟量UxUx转换的结果，若不等则进转换的结果，若不等则进一步修数字量一步修
38、数字量D D，直至，直至U0U0UxUx为止。为止。二、二、A/DA/D转换器基本结构转换器基本结构根据采用的比较原理分直接比较式根据采用的比较原理分直接比较式A/DA/D转换器和间接比转换器和间接比较式较式A/DA/D转换器。转换器。直接比较式：计数式、逐次逼近式和并行比较式直接比较式：计数式、逐次逼近式和并行比较式间接比较式：双积分间接比较式：双积分A/DA/D转换器转换器7/20/202448过程输入输出通道技术课件1 1、并行、并行A/DA/D转换器转换器 思想：思想：u uI I为输入电压，为输入电压，V VREFREF为已知的参考电压。比较器输出为已知的参考电压。比较器输出u uo
39、 o为为0 0或者或者1 1，因此该比较器就是输出为一位的，因此该比较器就是输出为一位的A/DA/D转换器。转换器。 特点：由于转换是并行的，因而是转换速度最快；随特点：由于转换是并行的，因而是转换速度最快；随着分辨率着分辨率n n的提高，比较器数目按几何级数的提高，比较器数目按几何级数2 2n n-1-1增加增加, ,因此该种因此该种A/DA/D转换器分辨率较低。转换器分辨率较低。7/20/202449过程输入输出通道技术课件2 2、逐次逼近、逐次逼近A/DA/D转换器转换器 思想：类似于用天平称重，由思想：类似于用天平称重，由D/AD/A转换转换器从高位到低位逐位增加转换位数，产器从高位到
40、低位逐位增加转换位数，产生不同的已知电压，将输入电压逐次与生不同的已知电压，将输入电压逐次与这些电压比较而实现。其结构如图：这些电压比较而实现。其结构如图：转换过程为：启动开始，控制逻辑给逐转换过程为：启动开始，控制逻辑给逐次逼近寄存器次逼近寄存器SARSAR最高位置最高位置1 1，SARSAR的数的数字量给字量给D/AD/A转换输出转换输出Uc.UcUc.Uc和模拟输入电和模拟输入电压压UxUx在比较器上比较；若在比较器上比较；若UcUcUxUx，则确，则确认最高位为认最高位为1 1的同时置次高位为的同时置次高位为1 1；若；若UcUc UxUx，则将最高位清零，同时转置次，则将最高位清零，
41、同时转置次高位为高位为1 1；如此由最高位至最低位逐一；如此由最高位至最低位逐一比较。比较。 SAR SAR的输出数字量即为的输出数字量即为UxUx的转换的转换数字量数字量7/20/202450过程输入输出通道技术课件3 3、双积分式、双积分式A/DA/D转换器转换器思想：对模拟输入电压和参考电压进行积分，变换成思想：对模拟输入电压和参考电压进行积分，变换成与模拟输入电压平均值成正比的时间间隔，然后将该与模拟输入电压平均值成正比的时间间隔，然后将该时间间隔转换成计数脉冲，最后将代表模拟量输入电时间间隔转换成计数脉冲，最后将代表模拟量输入电压大小的脉冲数转换成压大小的脉冲数转换成BCDBCD码输
42、出。码输出。特点：抗干扰能力强，转换速度慢。特点：抗干扰能力强，转换速度慢。特点：精度高，速度快，转换时间固定，易于微机接特点：精度高，速度快，转换时间固定，易于微机接口，广泛应用于计算机控制系统中。口，广泛应用于计算机控制系统中。7/20/202451过程输入输出通道技术课件三、三、A/D转换器主要技术指标转换器主要技术指标（1 1）分辨率）分辨率是衡量是衡量A/D转换器分辩模拟量最小变化程转换器分辩模拟量最小变化程度的技术指标，通常用数字量的位数度的技术指标，通常用数字量的位数n（字长）来表（字长）来表示。示。分辨率分辨率为为n位，表示能对满量程输入的位，表示能对满量程输入的1/21/2n
43、的增量作出的增量作出反应，即数字量的反应，即数字量的最低有效位最低有效位(LSB)对应于对应于满量程输满量程输入的入的1/2n。假设假设n8 8，满量程输入为，满量程输入为5.12V5.12V，则，则，LSB对应于模拟电压对应于模拟电压 5.12V/28 = 20mV即，即， q 20mV 20mV7/20/202452过程输入输出通道技术课件（2）转换时间）转换时间是指是指A/D转换器完成一次模拟到数字转转换器完成一次模拟到数字转换所需要的时间。换所需要的时间。（3）线性误差）线性误差是指是指A/D转换器的理想转换特性（量化转换器的理想转换特性（量化特性）应该是特性）应该是线性线性的，但实际
44、转换特性并非如此。的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为差定义为线性误差线性误差。 线性误差线性误差通常用通常用LSB表示，如表示，如LSB/2，或，或1LSB。（4）量程）量程是指所能转换的输入电压范围，如是指所能转换的输入电压范围，如55V，010V，05V。（5）对基准电源的要求）对基准电源的要求 基准电源的精度对整个系统基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响，可考虑外接精密基准电源。的精度产生很大影响，可考虑外接精密基准电源。7/20/202453过程输入输出通道技术课件四、常用四、常用A/DA/
45、D转换器及其接口技术转换器及其接口技术ADC0809是一种带有是一种带有8通道模拟开关的通道模拟开关的8位逐次逼近式位逐次逼近式的的A/D转换器转换器，其转换时间，其转换时间100ss，线性误差，线性误差LSB/2LSB/2。8通道输入通道输入通道选择通道选择数字数字输出输出A/D转换器转换器7/20/202454过程输入输出通道技术课件（1）8 8通道模拟开关及通道选择逻辑，实现通道模拟开关及通道选择逻辑，实现8 8选选1 1操作操作。CBA的组合的组合 000111，对应，对应VIN0VIN7；8通道输入通道输入通道选择通道选择数字数字输出输出A/D转换器转换器7/20/202455过程输
46、入输出通道技术课件地址锁存允许信号地址锁存允许信号ALE（正脉冲）完成通道选择信号（正脉冲）完成通道选择信号CBA的锁存，并把的锁存，并把CBA对应的通道的模拟量送入对应的通道的模拟量送入A/D转换器。转换器。A/D转换器转换器7/20/202456过程输入输出通道技术课件8通道输入通道输入通道选择通道选择A/D转换器转换器（2）8位位A/D转换器转换器对输入对输入端端VINi进行转换。当进行转换。当STARTSTART上收到一个启动转换命令（正脉冲），上收到一个启动转换命令（正脉冲）， A/D转换器转换器开始开始转换，转换，100100ss左右后转换结束，结果左右后转换结束，结果D(D0 2
47、n-1) 存入三态锁存缓冲器存入三态锁存缓冲器。VINiD7/20/202457过程输入输出通道技术课件8通道输入通道输入通道选择通道选择A/D转换器转换器D转换结束时，转换结束时，EOCEOC信号由低电平变为高电平，通知信号由低电平变为高电平，通知CPUCPU读结果。读结果。CPUCPU可用查询方式或中断方式读此数据。可用查询方式或中断方式读此数据。7/20/202458过程输入输出通道技术课件（3 3）三态输出锁存缓冲器用于存放转换）三态输出锁存缓冲器用于存放转换结果结果D。输出允许信号输出允许信号OE高电平时，高电平时，D由由DO0DO7输出；输出；输出允许信号输出允许信号OE低电平时，
48、低电平时，DO0DO7高阻。高阻。8通道输入通道输入通道选择通道选择A/D转换器转换器VINiD7/20/202459过程输入输出通道技术课件A/DA/D转换器的接口技术转换器的接口技术A/DA/D转换器可直接与转换器可直接与PCPC相连，但为便于简化接口，常相连，但为便于简化接口，常通过通用并行接口，比如通过通用并行接口，比如8255A8255A。接接PCPC总线总线8255A8255A的的A A、C C口工作于方式口工作于方式0 0，C C口上半部分为输出，口上半部分为输出，C C口下半部分为输入，口下半部分为输入，A A口为输入。口为输入。EOCEOC信号连接到信号连接到PCPC7 7，
49、CPUCPU通过查询通过查询PCPC7 7，控制数据输入，控制数据输入OE OE 输出允许输出允许EOC EOC 转换结束转换结束START START 启动转换启动转换ALE ALE 地址锁存地址锁存7/20/202460过程输入输出通道技术课件2.2.6 2.2.6 模拟量输入通道模板设计举例模拟量输入通道模板设计举例一、一、举例举例PCL-813BPCL-813B是研华公司推出的基于是研华公司推出的基于ISAISA总线的数据总线的数据采集卡，分辨率为采集卡，分辨率为1212位，位，A/DA/D转换器为转换器为AD574AAD574A，转换时间为，转换时间为25us/10us25us/10
50、us；提供路单端隔；提供路单端隔离模拟量输入通道离模拟量输入通道7/20/202461过程输入输出通道技术课件7/20/202462过程输入输出通道技术课件2.3 2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道AOAO2.3.1 结构结构模拟量输出通道模拟量输出通道（简称（简称AO通道）有两种基本的结构。通道）有两种基本的结构。（1）多个多个D/A结构结构多多D/A结构结构是一种是一种数字数字保持方式保持方式，送给，送给D/A转换器的转换器的数字信号不变，其模拟输出信号便保持不变。数字信号不变，其模拟输出信号便保持不变。特点：输出速度快、工作可靠、精度高，普遍应用于特点：输出速度快、工作可靠、精度高，普
51、遍应用于工业控制领域。工业控制领域。7/20/202463过程输入输出通道技术课件（2）共享）共享D/A结构结构共享共享D/A结构结构的模拟量输出通道中的的模拟量输出通道中的D/A转换器只起转换器只起数字信号到模拟信号的转换作用，信号保持功能数字信号到模拟信号的转换作用，信号保持功能靠靠采样保持器采样保持器完成。完成。这是一种这是一种模拟模拟保持方式保持方式，微机对通路，微机对通路 i (i = 1，2，n）的控制信号被）的控制信号被D/A转换器转换为模拟形式后，转换器转换为模拟形式后，由由采样保持器采样保持器将其记忆下来，并保持到下一次控将其记忆下来，并保持到下一次控制信号的到来。制信号的到
52、来。7/20/202464过程输入输出通道技术课件2.3.2 D/A转换器及接口转换器及接口模拟量输出通道模拟量输出通道的核心部件是的核心部件是D/A转换器转换器。D/A转换器转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它输出的模拟量（电压或电流）与参考电压和二进制它输出的模拟量（电压或电流）与参考电压和二进制数成比例。数成比例。一、一、D/A转换器的工作原理及构成转换器的工作原理及构成二、二、D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标三、常用三、常用D/A转换器及其接口转换器及其接口7/20/202465过程输入输出通道技术课件一、一、D/AD/A转
53、换器的工作原理及构成转换器的工作原理及构成将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。1 1、 D/AD/A转换器的工作原理转换器的工作原理7/20/202466过程输入输出通道技术课件2 2、D/AD/A转换器的构成转换器的构成T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器主要由四部分组成主要由四部分组成:基准电压基准电压VREF，
54、R-2R T形电阻网络，电子开关形电阻网络，电子开关Ki ( i=0,1,n-1)和运算放大器和运算放大器A。Di1时，时， Ki切换到右端（虚地），切换到右端（虚地），Di0时，时， Ki切换到左端（地）。切换到左端（地）。不论哪一端，切换电压不变，只切换电流。不论哪一端，切换电压不变，只切换电流。VREF7/20/202467过程输入输出通道技术课件VREFI7/20/202468过程输入输出通道技术课件VREFI7/20/202469过程输入输出通道技术课件只有当只有当Ki切换到右端，才能给切换到右端，才能给运算放大器运算放大器输入端提供输入端提供电流。电流。当满量程输入一个当满量程输入
55、一个n位二进制时，流入位二进制时，流入运放运放的电流为：的电流为：VREFI7/20/202470过程输入输出通道技术课件当当Rfb=R时，相应的输出电压为：时，相应的输出电压为：VREFVOUTI由于数字信号由于数字信号Di(i=0,1,n-1 )1或或0，故，故D/A转换转换器的输出电压器的输出电压VOUT与输入二进制数字量与输入二进制数字量D= Dn-1 D0的关系式为：的关系式为：7/20/202471过程输入输出通道技术课件所以，所以，输出电压输出电压Vout除了与输入的二进制数除了与输入的二进制数D有关外，有关外，还与运放的反馈电阻还与运放的反馈电阻Rfb、基准电压、基准电压 有关
56、。有关。当为当为8位位A/D转换器时，转换器时，D=028-1即即0FFHVREFVOUTVREF7/20/202472过程输入输出通道技术课件二、二、 D/A D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标* 分辨率分辨率是指当输入数字量发生是指当输入数字量发生单位数码（单位数码（也称也称最低最低有效位有效位LSB）变化时，输出模拟量对应的变化量。变化时，输出模拟量对应的变化量。分辨率分辨率与与数字量输入的位数数字量输入的位数n n的关系：的关系：实际使用中，常用输入数字量的位数来表示分辨率。实际使用中，常用输入数字量的位数来表示分辨率。比如，比如，8位二进制位二进制D/A转换器，其分辨率是
57、转换器，其分辨率是8位，或者位，或者说说1/2561/256。显然，数字量输入的位数越多，分辨率越高。与显然，数字量输入的位数越多，分辨率越高。与A/DA/D转换器的分辨率的概念一样。转换器的分辨率的概念一样。7/20/202473过程输入输出通道技术课件 * 建立时间建立时间是指输入数字信号的满量程时，输出模拟是指输入数字信号的满量程时，输出模拟信号达到离终值信号达到离终值 LSB/2所需的时间，一般为几十纳所需的时间，一般为几十纳秒几秒。秒几秒。* 线性误差线性误差 理想转换特性（量化特性）应该是线性理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此的，但实际转换特性并非如此。在
58、。在满量程输入范围内，满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差线性误差。 线性误差线性误差常用常用LSB的分数来表示，如的分数来表示，如LSB/2或或 1LSB。7/20/202474过程输入输出通道技术课件三、三、 常用常用D/AD/A转换器及其接口转换器及其接口(1)8位位D/A转换器转换器DAC0832的结构及工作原理的结构及工作原理8位位D/A转换器转换器DAC0832由由 R2R电阻网络构成的电阻网络构成的8位位D/A转换器、转换器、8位数据寄存器、位数据寄存器、8位位DAC寄存器和相寄存器和相应的选通控制逻辑。应的选通控制逻辑。数字
59、数字信号信号输入端输入端模拟模拟电流电流输出端输出端IOUT1+ IOUT2=常数常数CDAC08327/20/202475过程输入输出通道技术课件当当ILE输入锁存允许、片选输入锁存允许、片选CS有效，写选通信号有效，写选通信号WR1（负脉冲）将输入数字量（负脉冲）将输入数字量D锁入锁入8位数据寄存器；位数据寄存器；输入锁输入锁存允许存允许片选片选写选通写选通信号信号DAC08327/20/202476过程输入输出通道技术课件传送传送控制控制写选通写选通信号信号在传送控制在传送控制XFER有效的条件下，写选通信号有效的条件下，写选通信号WR2（负（负脉冲）将数据寄存器中的数据传送到脉冲）将数
60、据寄存器中的数据传送到DAC寄存器。寄存器。数据送入数据送入DAC寄存器后寄存器后1s（建立时间），（建立时间）， IOUT1和和IOUT2稳定。稳定。DAC08327/20/202477过程输入输出通道技术课件写选通写选通信号信号传送传送控制控制输入锁输入锁存允许存允许一般情况下，将一般情况下，将XFER和和WR2接地，此时接地，此时DAC寄存器寄存器直通；直通；将将ILE输入接输入接5V，总线直接接，总线直接接WR1和和CS信号，数据信号，数据D写入数据寄存器后即可改变其模拟输出。写入数据寄存器后即可改变其模拟输出。DAC08327/20/202478过程输入输出通道技术课件在实际应用中，
61、通常采用外加运放的方法，把在实际应用中，通常采用外加运放的方法，把DAC0832的电流输出转换为电压输出。（的电流输出转换为电压输出。（P44）单极性电压输出单极性电压输出：基准基准电压电压输出输出电压电压其中其中D为数字输入量，为数字输入量，VREF为为DAC0832的基准电压，的基准电压，当当VREF为为5V时，时， VOUT为为05V；当当VREF为为10V时，时， VOUT为为010V。7/20/202479过程输入输出通道技术课件双极性电压输出双极性电压输出其中其中D为数字输入量，为数字输入量，VREF为为D/A的基准电压，的基准电压，对对A2而言，由运算放大器特性知，而言，由运算放
62、大器特性知，由叠加原理，当由叠加原理，当当当7/20/202480过程输入输出通道技术课件（2 2） D/A D/A转换器的接口转换器的接口假设假设DAC0832的的CS端口地址端口地址是是400H，将，将8位二进制数位二进制数7FH转换为模拟电压的转换程序转换为模拟电压的转换程序段为：段为：接接PC总线总线MOV DX，400HMOV AL，7FHOUT DX，ALHLT7/20/202481过程输入输出通道技术课件2.3.4 V/I2.3.4 V/I变换变换1.1.集成集成V/IV/I转换器转换器ZF2B20ZF2B207/20/202482过程输入输出通道技术课件2.2.集成集成V/IV
63、/I转换器转换器AD694AD6947/20/202483过程输入输出通道技术课件2.3.5 AO通道的典型设计通道的典型设计一、举例一、举例PCL-726PCL-726是研华公司推出的基于是研华公司推出的基于ISAISA总线的数据采集总线的数据采集卡，分辨率为卡，分辨率为1212位，提供位，提供6 6路模拟量输出通道另路模拟量输出通道另外外, ,它还提供它还提供1616个个DIDI和和DO,DO,结构见下图所示结构见下图所示. .7/20/202484过程输入输出通道技术课件2.42.4数字量输入通道（数字量输入通道（DIDI）数字量输入接口电路：把现场的各种开关信号变成计算机内部数字量输入
64、接口电路：把现场的各种开关信号变成计算机内部处理的标准信号处理的标准信号。数字量（开关量）信号包括：数字量（开关量）信号包括： 开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触器的吸合与释放、马达的启动和停止、可控硅的通和断，器的吸合与释放、马达的启动和停止、可控硅的通和断，等等。等等。这些信号的共同特征是以二进制的逻辑这些信号的共同特征是以二进制的逻辑“1”“1”和和“0”“0”出现的，出现的，所以把这类信号统称为数字信号所以把这类信号统称为数字信号。本节内容包含：本节内容包含：一、数字量输入通道的结构一、数字量输入通道的结构二、数字量输入调理电路
65、二、数字量输入调理电路三、数字量输入接口电路三、数字量输入接口电路7/20/202485过程输入输出通道技术课件生产过程PC总线一、数字量输入通道的结构一、数字量输入通道的结构数字量输入通道数字量输入通道主要由主要由输入缓冲器输入缓冲器、输入调理电路输入调理电路、输入地址译码电路输入地址译码电路组成。其结构如下：组成。其结构如下：7/20/202486过程输入输出通道技术课件二、二、输入调理电路输入调理电路数字量（开关量）输入通道的数字量（开关量）输入通道的基本功能基本功能就是接受外部就是接受外部装置或生产过程的状态信号。装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点
66、，这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，必然引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。必然引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接受的逻辑信号，这些功能称为换成计算机能够接受的逻辑信号，这些功能称为信信号调理号调理。7/20/202487过程输入输出通道技术课件1、小功率小功率输入信号调理电路输入信号调理电路将接点的接通和断开动作，转换成将接点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号与计电平信号与计
67、算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，一般应加入有的振荡信号，一般应加入有较长时间常数的积分较长时间常数的积分电路电路来消除这种振荡。来消除这种振荡。下图是一种简单的采用积分电路消除开关抖动的方法。下图是一种简单的采用积分电路消除开关抖动的方法。AOA2O2O1A17/20/202488过程输入输出通道技术课件2、大功率大功率输入信号调理电路输入信号调理电路在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。由于大功率开关电路采用较高的直点输入信号。由于大功率开关电路采用较高的直流电源
68、，在输入开关状态信号时可能对计算机控流电源，在输入开关状态信号时可能对计算机控制系统带来干扰和破坏，故需要将这类开关信号制系统带来干扰和破坏，故需要将这类开关信号经光电隔离后才能与计算机相连，以确保计算机经光电隔离后才能与计算机相连，以确保计算机正常运行。这种情况下，为了使接点工作可靠，正常运行。这种情况下，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加接点两端至少要加24V以上的直流电压。以上的直流电压。7/20/202489过程输入输出通道技术课件常见开关量输入接口电路1. 直流输入接口电路：见下图7/20/202490过程输入输出通道技术课件2. 交流输入接口电路：见下图7/20/202491过程
69、输入输出通道技术课件3. 交、直流输入接口电路：7/20/202492过程输入输出通道技术课件三、数字量输入接口技术三、数字量输入接口技术1、输入接口元件、输入接口元件数字量输入接口元件常用三态门缓冲器数字量输入接口元件常用三态门缓冲器74LS244取得取得状态信息状态信息。特点：特点：74LS244共有共有8个通个通道，可输入道，可输入8个开关状个开关状态。态。作用：作用：74LS244可用来隔可用来隔离输入和输出线路，离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作在两者之间起缓冲作用。用。7/20/202493过程输入输出通道技术课件2 2、数字量输入接口、数字量输入接口经过端口地址译码，得到片选信
70、号经过端口地址译码，得到片选信号CS，且在执行，且在执行IN指令时，产生指令时，产生IOR信号，则被测的状态信息通过输入信号，则被测的状态信息通过输入接口送到接口送到PCPC总线的数据线上，然后装入总线的数据线上，然后装入ALAL寄存器。寄存器。7/20/202494过程输入输出通道技术课件（2 2）数字量输入接口）数字量输入接口完成取数的指令完成取数的指令：MOV DX, port 地址送地址送DXDXIN AL, DX 从端口读数，送从端口读数，送ALAL7/20/202495过程输入输出通道技术课件2.5 2.5 数字量输出通道数字量输出通道(DO)(DO)数字量输出通道：把计算机内部信
71、号转换成现场执行机构的各数字量输出通道：把计算机内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。种开关信号。本节内容包含：本节内容包含：一、数字量输出通道的结构一、数字量输出通道的结构二、数字量输出驱动电路二、数字量输出驱动电路三、数字量输出接口电路三、数字量输出接口电路7/20/202496过程输入输出通道技术课件一、数字量输出通道的结构一、数字量输出通道的结构组织量输出通道组织量输出通道主要由主要由输出锁存器输出锁存器、输出驱动电路输出驱动电路、输出口地址译码电路输出口地址译码电路组成。组成。生产过程PC总线7/20/202497过程输入输出通道技术课件二、输出驱动电路二、输出驱动电路(driv
72、e circuit of output) 要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。过程进行控制的驱动信号。 根据生产过程开关器件功率和工作电压的不同，根据生产过程开关器件功率和工作电压的不同，可有多种数字量放大电路的构成方式。如：功率晶体可有多种数字量放大电路的构成方式。如：功率晶体管、晶闸管、大功率场效应管和继电器。管、晶闸管、大功率场效应管和继电器。 在开关信号从输出缓冲器到驱动电路之前，往往在开关信号从输出缓冲器到驱动电路之前，往往要对其进行隔离，以避免现场设备的开关和起停干扰要对其进行隔离，以避免现场设备的开关和起停干
73、扰计算机控制系统或引入强电进系统。计算机控制系统或引入强电进系统。 7/20/202498过程输入输出通道技术课件1 1、输出接口光电隔离、输出接口光电隔离( (photoelectricity isolating)photoelectricity isolating)在计算机控制系统中，输出开关量大部分都是在计算机控制系统中，输出开关量大部分都是TTL或或CMOS电平，输出电流较小，一般不能电平，输出电流较小，一般不能直接驱动发光二极管，所以通常会加驱动电路，直接驱动发光二极管，所以通常会加驱动电路，如如7406、7407，或者加一级驱动三极管。，或者加一级驱动三极管。7/20/202499
74、过程输入输出通道技术课件为了保证输入与输出端在电气上隔离，两端的电源为了保证输入与输出端在电气上隔离，两端的电源必须独立。如图中必须独立。如图中VDD、VCC。工作原理：在上图中，当开关量输出端工作原理：在上图中，当开关量输出端PA0输出高输出高电平时，经反相驱动电路后变为低电平，使发光二电平时，经反相驱动电路后变为低电平，使发光二极管有电流通过并发光，光线使得光敏三极管导通，极管有电流通过并发光，光线使得光敏三极管导通，从而在集电极上产生输出电压从而在集电极上产生输出电压UO，该电压便可以用，该电压便可以用来控制外部电路来控制外部电路.7/20/2024100过程输入输出通道技术课件（1）
75、晶体管输出接口电路：只能带直流负载2 2、三种接口输出电路、三种接口输出电路7/20/2024101过程输入输出通道技术课件（2） 晶闸管输出接口电路：只能带交流负载7/20/2024102过程输入输出通道技术课件（3） 继电器输出接口电路：交直流负载均可带7/20/2024103过程输入输出通道技术课件3 3、继电器继电器(relay)(relay)输出驱动电路输出驱动电路（1 1）触点式继电器输出）触点式继电器输出继电器是电器控制中常用控制器件，由线圈和触点继电器是电器控制中常用控制器件，由线圈和触点（常开和常闭）构成。（常开和常闭）构成。原理：当线圈通电时，由于磁场作用，使开关触点原理：
76、当线圈通电时，由于磁场作用，使开关触点闭合或断开，线圈不通电时，开关触点断开或闭合。闭合或断开，线圈不通电时，开关触点断开或闭合。7/20/2024104过程输入输出通道技术课件工作原理：当开关量输出端工作原理：当开关量输出端PA0输出高电平时，经反输出高电平时，经反相驱动器相驱动器7406变为低电平，发光二极管发光，从而变为低电平，发光二极管发光，从而光敏三极管导通，使得晶体管光敏三极管导通，使得晶体管VT导通，故使继电器导通，故使继电器K的线圈通电，继电器的触点闭合，使得负载的线圈通电，继电器的触点闭合，使得负载RL与与220V电源接通。反之则断开。电源接通。反之则断开。图中二极管图中二极
77、管VD保护晶体管保护晶体管VT不被击穿。不被击穿。7/20/2024105过程输入输出通道技术课件分析：当继电器分析：当继电器K吸合时，二极管吸合时，二极管VD截至，电路正截至，电路正常工作。当继电器常工作。当继电器K释放时，由于继电器线圈电感的释放时，由于继电器线圈电感的存在，因而具有储存有电能，而此时晶体管存在，因而具有储存有电能，而此时晶体管VT截至，截至，故在线圈两端产生较高的感应电势，此电势方向为故在线圈两端产生较高的感应电势，此电势方向为上负下正，正端加到上负下正，正端加到VT的集电极上，当感应电势与的集电极上，当感应电势与VCC的和大于的和大于VT的集电极反向电压时，的集电极反向
78、电压时，VT被击穿。被击穿。加入二极管加入二极管VD后，继电器线圈产生的感应电势由二后，继电器线圈产生的感应电势由二极管极管VD流过，钳住了流过，钳住了VT集电极端的电压，因而集电极端的电压，因而VT得到保护。得到保护。7/20/2024106过程输入输出通道技术课件（2 2）固态继电器输出）固态继电器输出(solid state relay)(solid state relay)优点：优点：触点式继电器在开关瞬间，触点容易产生电触点式继电器在开关瞬间，触点容易产生电火花，从而引起干扰。固态继电器（火花，从而引起干扰。固态继电器（SSR）则克服了）则克服了这方面问题。这方面问题。原理：原理：S
79、SR用晶体管或者可控硅代替常规继电器的触用晶体管或者可控硅代替常规继电器的触点开关，并用光电隔离器作为前级。因此固态继电点开关，并用光电隔离器作为前级。因此固态继电器实际上是一种光电隔离器的无触点开关。固态继器实际上是一种光电隔离器的无触点开关。固态继电器分直流型和交流型两大类。下图为直流型电器分直流型和交流型两大类。下图为直流型SSR电电路原理图：路原理图：7/20/2024107过程输入输出通道技术课件直流型直流型SSR的输入级为光电隔离器，输出级为大功率的输入级为光电隔离器，输出级为大功率晶体管（输出工作电压可达晶体管（输出工作电压可达30V-180V）。）。应用：应用：主要用于带动直流
80、负载的场合，如直流电动主要用于带动直流负载的场合，如直流电动机的控制、直流步进电机控制和电磁阀门的开启与机的控制、直流步进电机控制和电磁阀门的开启与关闭等。关闭等。7/20/2024108过程输入输出通道技术课件下图为采用直流下图为采用直流SSR控制三相步进电机的电路原理图控制三相步进电机的电路原理图上图中步进电机的上图中步进电机的A、B、C三相，每相由一个直流三相，每相由一个直流型型SSR控制。控制。7/20/2024109过程输入输出通道技术课件三、数字量输出接口技术三、数字量输出接口技术1、输出接口元件、输出接口元件当对生产过程进行控制时，当对生产过程进行控制时，一般应对计算机送出的一般
81、应对计算机送出的控制状态进行保持，直控制状态进行保持，直到重新刷新为止。所以到重新刷新为止。所以需要利用输出接口对其需要利用输出接口对其进行锁存，一般采用锁进行锁存，一般采用锁存器存器74LS27374LS273。特点：特点：74LS27374LS273有有8 8个通道，个通道，可输出可输出8 8个开关状态，个开关状态，并可驱动并可驱动8 8个输出装置。个输出装置。7/20/2024110过程输入输出通道技术课件2、数字量输出接口、数字量输出接口经过端口地址译码，经过端口地址译码，得到片选信号得到片选信号CSCS，执行执行OUTOUT指令时，产指令时，产生生IOWIOW信号，利用信号，利用IO
82、W的后沿产生的的后沿产生的上升沿可以锁存数上升沿可以锁存数据；据；用下列指令完成数据输出控用下列指令完成数据输出控制制： MOV AL,DATA MOV DX, port OUT DX,AL7/20/2024111过程输入输出通道技术课件PCL-730是研华公司推出的是研华公司推出的32通道隔离型通道隔离型I/O板卡，板卡，提供提供16路开关量隔离输入和路开关量隔离输入和16路开关量隔离输路开关量隔离输出，其结构图如下所示：出，其结构图如下所示：四、数字量输入输出通道模板举例四、数字量输入输出通道模板举例7/20/2024112过程输入输出通道技术课件D0-D7:D0-D7:数据线；数据线；
83、A0-A9: A0-A9:地址线；地址线；CS1, CS2:CS1, CS2:寄存器寄存器选通信号选通信号; ;分别为低分别为低8 8位寄存器选通和高位寄存器选通和高8 8位寄存器选位寄存器选通通; IDI; IDI0 0-IDI-IDI1515:16:16路隔离开关量输入通道路隔离开关量输入通道, IDO, IDO0 0- -IDOIDO1515:16:16路隔离开关量输出通道。路隔离开关量输出通道。7/20/2024113过程输入输出通道技术课件 2.6 2.6 系统的硬件抗干扰技术系统的硬件抗干扰技术(一一) 计算机控制系统中的干扰源及途径计算机控制系统中的干扰源及途径(二二)抗干扰措施
84、抗干扰措施v过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术v系统供电系统供电v接地技术接地技术vCPUCPU抗干扰技术抗干扰技术7/20/2024114过程输入输出通道技术课件 ( (一一) )干扰源及其转播路径干扰源及其转播路径 干扰源：外部干扰源与内部干扰源干扰源：外部干扰源与内部干扰源 外部：各种电气装置（电机、电焊机、家电和交通外部：各种电气装置（电机、电焊机、家电和交通工具等）的起停以及运行中发出的电磁波，太阳以工具等）的起停以及运行中发出的电磁波，太阳以及其它天体发出的电磁波、供电电源的波动以及沿及其它天体发出的电磁波、供电电源的波动以及沿供电线路串入的干扰等供电线路串入的干扰等 内部：交流
85、声、不同信号的感应、多点接地造成的内部：交流声、不同信号的感应、多点接地造成的电位差，噪声等。电位差，噪声等。 干扰的主要传播路径：空间电磁感应、过程干扰的主要传播路径：空间电磁感应、过程I/O通通道、供电系统、接地系统。如下图所示：道、供电系统、接地系统。如下图所示：20-Jul-24115过程输入输出通道技术课件干扰信号微机系统空间感应过程I/O通道供电系统接地系统20-Jul-24116过程输入输出通道技术课件（二）抗干扰措施（二）抗干扰措施1 1、屏蔽技术、屏蔽技术 对于由于空间感应引起的干扰，主要采用屏蔽技术来对于由于空间感应引起的干扰，主要采用屏蔽技术来消除干扰。消除干扰。 电场屏
86、蔽：作用是抑制电路之间由于分布电容的耦合电场屏蔽：作用是抑制电路之间由于分布电容的耦合而产生的电场干扰，方法是利用低电阻金属材料的屏蔽而产生的电场干扰，方法是利用低电阻金属材料的屏蔽体，屏蔽效果与依赖于该屏蔽体对地连接地质量。体，屏蔽效果与依赖于该屏蔽体对地连接地质量。 电磁场屏蔽：作用是防止高频电磁场对电路的影响。电磁场屏蔽：作用是防止高频电磁场对电路的影响。方法是屏蔽加滤波，屏蔽罩用非磁性材料做，不能有孔方法是屏蔽加滤波，屏蔽罩用非磁性材料做，不能有孔缝，并让屏蔽罩接地，在受干扰设备地输入端加入缝，并让屏蔽罩接地，在受干扰设备地输入端加入LCLC组组合的滤波器。合的滤波器。20-Jul-2
87、4117过程输入输出通道技术课件 磁场屏蔽：作用是将低频磁场干扰限制在屏蔽体内，磁场屏蔽：作用是将低频磁场干扰限制在屏蔽体内，方法是利用高导磁率的金属材料做屏蔽罩。要求屏蔽方法是利用高导磁率的金属材料做屏蔽罩。要求屏蔽罩不能有孔缝，屏蔽物的厚度影响屏蔽效果。罩不能有孔缝，屏蔽物的厚度影响屏蔽效果。 导线屏蔽：就是在信号线上加一个金属编织的网状导线屏蔽：就是在信号线上加一个金属编织的网状屏蔽套从而屏蔽两点之间由于单根导线连接而产生的屏蔽套从而屏蔽两点之间由于单根导线连接而产生的干扰。在使用屏蔽套时，屏蔽套必须接地。干扰。在使用屏蔽套时，屏蔽套必须接地。 目前常用双绞线传输信号以抵消磁场干扰。因为
88、双目前常用双绞线传输信号以抵消磁场干扰。因为双绞线的每一分节形成一个相互靠近的环路，环路空间绞线的每一分节形成一个相互靠近的环路，环路空间中电流方向相反，故产生的磁场相互抵消。中电流方向相反，故产生的磁场相互抵消。20-Jul-24118过程输入输出通道技术课件2 2、过程通道抗干扰技术、过程通道抗干扰技术干扰沿过程通道进入计算机系统的主要原因是过程通干扰沿过程通道进入计算机系统的主要原因是过程通道与主机之间存在公共地线。道与主机之间存在公共地线。(1)(1)串模干扰及其抑制方法串模干扰及其抑制方法串模干扰：指叠加在被测信号上的干扰噪声。串模干扰：指叠加在被测信号上的干扰噪声。抑制方法：应根据
89、干扰信号的特性和来源采用不同的抑制方法：应根据干扰信号的特性和来源采用不同的措施。具体见书上措施。具体见书上P64P64。20-Jul-24119过程输入输出通道技术课件(2)(2)共模干扰及其抑制方法共模干扰及其抑制方法共模干扰：指模数转换器的两个输入端上公有的干扰共模干扰：指模数转换器的两个输入端上公有的干扰抑制方法：变压器隔离、光电隔离及浮地屏蔽。抑制方法：变压器隔离、光电隔离及浮地屏蔽。具体见书上具体见书上P64P64P66P66(3)(3)长线传输干扰及其抑制方法长线传输干扰及其抑制方法“长线长线”：相对于集成电路的运算速度而言。：相对于集成电路的运算速度而言。信号长线传输中的问题：
90、三个信号长线传输中的问题：三个( (见见P67)P67)抑制方法：终端阻抗匹配和始端阻抗匹配抑制方法：终端阻抗匹配和始端阻抗匹配( (见见P67P67P68)P68)20-Jul-24120过程输入输出通道技术课件3 3、系统供电、系统供电工业生产中由于负荷的变化往往造成电网冲击，如大工业生产中由于负荷的变化往往造成电网冲击，如大电机的起停、强电继电器的通断等，电网冲击造成控电机的起停、强电继电器的通断等，电网冲击造成控制系统稳压电源波动，从而对系统产生干扰。制系统稳压电源波动，从而对系统产生干扰。(1)(1)供电技术供电技术计算机控制系统的供电一般采用下图结构。计算机控制系统的供电一般采用下
91、图结构。交流稳压器低通滤波器直流稳压器220V交流直流IPC20-Jul-24121过程输入输出通道技术课件(2)(2)抑制措施抑制措施v选用电压比较稳定的进线电源，如对微机采用专用选用电压比较稳定的进线电源，如对微机采用专用电源或者尽量与大的用电设备分开供电。电源或者尽量与大的用电设备分开供电。v对整个电源部分加屏蔽及滤波器对整个电源部分加屏蔽及滤波器v对干扰不太严重的场合，采用常规供电方式，在干对干扰不太严重的场合，采用常规供电方式，在干扰严重时，应在交流稳压器之前加隔离变压器，变压扰严重时，应在交流稳压器之前加隔离变压器，变压器的初级次级之外均有屏蔽层。器的初级次级之外均有屏蔽层。v正确
92、选用直流稳压电源。分线性稳压和开关稳压两正确选用直流稳压电源。分线性稳压和开关稳压两种，一般对计算机系统采用开关电源供电。种，一般对计算机系统采用开关电源供电。v微机用不间断电源微机用不间断电源UPSUPS。结构结构P71P71图图2.662.6620-Jul-24122过程输入输出通道技术课件4 4、接地技术、接地技术(1)(1)接地系统接地系统接地技术对计算机控制系统极为重要，不恰当的接地接地技术对计算机控制系统极为重要，不恰当的接地会造成及其严重的干扰，正确的接地是有效抑制干扰会造成及其严重的干扰，正确的接地是有效抑制干扰的措施之一。接地目的有二：一方面为了保证控制系的措施之一。接地目的
93、有二：一方面为了保证控制系统稳定可靠的运行，称之为工作接地；另一方面是为统稳定可靠的运行，称之为工作接地；另一方面是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，称之为安全接地。险和保证设备的安全，称之为安全接地。在计算机控制系统中，常见以下几种地线：模拟地，在计算机控制系统中，常见以下几种地线：模拟地，数字地，安全地，系统地和交流地。数字地，安全地，系统地和交流地。20-Jul-24123过程输入输出通道技术课件模拟地：作为传感器、变送器、模拟地：作为传感器、变送器、A/DA/D和和D/AD/A转换器的模转换器的模拟电路的零
94、电位。拟电路的零电位。数字地：作为计算机中各种数字电路的零电位数字地：作为计算机中各种数字电路的零电位。安全地：设备机壳与大地等电位，避免机壳带电而影安全地：设备机壳与大地等电位，避免机壳带电而影响人身安全，通常称之为保护地或者机壳地。响人身安全，通常称之为保护地或者机壳地。系统地：上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。系统地：上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。交流地：计算机交流供电电源地，即为动力线地。在交流地：计算机交流供电电源地，即为动力线地。在交流地上任意两点之间往往有几伏至几十伏地电位差交流地上任意两点之间往往有几伏至几十伏地电位差存在，因此交流地绝对不能与以上几种地相连，而
95、且存在，因此交流地绝对不能与以上几种地相连，而且要求交流变压器绝缘非常好。要求交流变压器绝缘非常好。 20-Jul-24124过程输入输出通道技术课件(2)(2)接地方法接地方法各种地之间地接法原则是：交流地与直流地分开，模各种地之间地接法原则是：交流地与直流地分开，模拟地与数字地分开，低频电路采用单点接地，高频电拟地与数字地分开，低频电路采用单点接地，高频电路采用就近多点接地。路采用就近多点接地。4 4种地线接法如下图：种地线接法如下图：模拟地回流条数字地回流条接地板 安全地（机壳地）大地系统地20-Jul-24125过程输入输出通道技术课件5 5、CPUCPU抗干扰技术抗干扰技术CPUCP
96、U抗干扰措施常用看门狗、电源监控、复位等方法。抗干扰措施常用看门狗、电源监控、复位等方法。这些方法用微处理监控电路这些方法用微处理监控电路MAX1232MAX1232来实现。来实现。(1)MAX1232(1)MAX1232的结构原理：的结构原理：P56P56(2)MAX1232(2)MAX1232的主要功能的主要功能:P57:P57(3)(3)掉电保护和恢复运行掉电保护和恢复运行:P58:P5820-Jul-24126过程输入输出通道技术课件本章小结本章小结过程输入输出通道过程输入输出通道由由模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道和和开关量输出通道开关量输出通道组组成。成。模拟量输出通道模拟量输
97、出通道有两种基本结构形式：有两种基本结构形式：（1）多）多D/A结构的模拟量输出通道，其结构的模拟量输出通道，其D/A转换器除承担数字转换器除承担数字信号转换模拟信号以外，还兼有采样与保持作用；信号转换模拟信号以外，还兼有采样与保持作用；（2）共享）共享D/A结构的模拟量输出通道中的结构的模拟量输出通道中的D/A转换器只起转换转换器只起转换作用。作用。后者输出速度快，工作可靠、精度高，是工业控制领域普遍采后者输出速度快，工作可靠、精度高，是工业控制领域普遍采用的形式。用的形式。D/A转换芯片：转换芯片：DAC0832（8位）位）7/20/2024127过程输入输出通道技术课件模拟量输入通道模拟
98、量输入通道模拟信号到数字信号的转换，包含信号的模拟信号到数字信号的转换，包含信号的采样采样、量化、保持量化、保持三三个过程。个过程。A/D转换一般由多路开关、采样保持器、转换一般由多路开关、采样保持器、A/D转换器及接口电转换器及接口电路组成。路组成。A/D转换芯片：转换芯片：ADC0809（8位）位）数字量输入通道数字量输入通道主要由输入缓冲器，输入调理电路、输入地址主要由输入缓冲器，输入调理电路、输入地址译码电路组成；译码电路组成；数字量输出通道数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。址译码电路等组成。7/20/202
99、4128过程输入输出通道技术课件计算机控制系统的抗干扰措施：计算机控制系统的抗干扰措施：过程通道的抗干扰措施、系统接地措施过程通道的抗干扰措施、系统接地措施7/20/2024129过程输入输出通道技术课件作业作业1.以目前常见的校园一卡通终端用户（如开水房、食堂、澡堂以目前常见的校园一卡通终端用户（如开水房、食堂、澡堂等）为例，画出其过程通道及人际接口电路框图。等）为例，画出其过程通道及人际接口电路框图。2.观察十字路口的交通灯，掌握其主要功能，设计一个计算机观察十字路口的交通灯，掌握其主要功能，设计一个计算机控制系统，画出系统电路框图。控制系统，画出系统电路框图。7/20/2024130过程输入输出通道技术课件
