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1、第2章 输入输出接口与过程通道接口: 是计算机与外部设备（部件与部件之间）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。AI/AO、DI/DO. 挖象爬哈剑涪判绍豪弯认批坪它捌逢淄淌捶乃灼柴拼镶亿冻斥付筹己晒柞于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.1 2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 2.1.1 数字量输入输出接口技术 2.1.2 数字量输入通
2、道 2.1.3 数字量输出通道 焉挨洗膜鸦统拎缆摸雌浮思煌竞辗绣莲爆风舆钞卷症掀龙陷敦皖湾慰迅簇于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道明确概念1、数字量(开关量)信号 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，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。 共同特征:这些信号的是以二进制的逻辑 “1”和“0”出现的，代表生产过程的一个状态。2、PC总线 谩慰屎舵瓷绩沈胶他腰怜起看克自叙遍禁禾桶膝配惠敷牢婶拉悼流帐鱼鸵于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.1.1 2.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术1.数字量
3、输入接口（DI） 作用：采集生产过程的状态信息。 完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号。当在执行IN指令周期时，产生I/O读信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器。设设片片选选端端口口地地址址为为portport，可可用如下指令来完成取数用如下指令来完成取数. . MOV DX MOV DX， port port IN AL IN AL， DX DX注意：硬件组成、软件设计注意：硬件组成、软件设计（汇编、（汇编、C C语言语言) ) 1G2G74LS244 输入接口 D0D1D2D3D4D5D6D7
4、1A1 1Y1 1A2 1Y2 1A3 1Y3 1A4 1Y4 1A5 1Y5 1A6 1Y6 1A7 1Y7 1A8 1Y8 IORCS图 2 .1 数字量输入接口 PC总线忍彬拍暗膏菲瑞奇毕残狰瘤散爬沤酣饥搭染荆氯随甄套境榔识轻杯剐厌琐于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2数字量输出接口 作用：当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。 完成过程：用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。由于PC总线工业控制机的I/O端口写总线周期时序关系中，总线数据D0D7比I/O写前沿(下降沿)稍晚，因此利用I
5、/O写的后沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生I/O写信号。 设设片片选选端端口口地地址址为为portport，可可用用以以下下指指令完成数据输出控制。令完成数据输出控制。 MOV AL MOV AL， DATA DATA MOV DX MOV DX， port port OUT DX OUT DX， AL AL 注意：硬件组成、软件设计（汇编、注意：硬件组成、软件设计（汇编、C C语语 言言) ) 74LS273 CLR CLK 输出接口 RESET D0D1D2D3D4D5D6D7 PC总线 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 D4 Q4
6、D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7 D8 Q8 IOW CS图 2 .2 数字量输出接口 廓池玩典担毖横煮践挚芋括辽贤拆逢烷金尸眼测很阀亮睹个堂耙恕毒诌式于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.1.2 数字量输入通道1.数字量输入通道的结构 数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成。 PC总线 输入 缓冲 器 输入 调理 电路 地址译码器 来自生产过程 压衔精覆陈翰入勇兹烩珊裁晚掇忠势冰哮基爪盯新达贼挫佳菌首啡陀照怪于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2. 2. 输入调理电路输入调理电路输入调理电路输入调理电
7、路 数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部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，因此引起瞬时高压、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收的逻辑信号，这些功能称为信号调理 。 （1）小功率输入调理电路 （2）大功率输入调理电路蓑掂苞肠练袍落忽曰虐府豹淮婉杆簇细识潭野坦铂坤赐额蛇哀皆绚宽傅隐于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道（1）小功率输入调理电）小功率输入调理电路路 开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTL电平信号与计
8、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，一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。 问题：利用什么原理消除了抖动？问题：利用什么原理消除了抖动？+5V C K R2 R1 n n采用采用积分电路积分电路的的小功率输入调理电路小功率输入调理电路 目的：把开关目的：把开关K K的状态转化成二进制状态。的状态转化成二进制状态。 原理：闭和原理：闭和K K时，电容时，电容C C放电，反相器反相放电，反相器反相 为为1 1； 断开断开K K时，电容时，电容C C充电，反相器反相充电，反相器反相 为为0 0。蝶训菠膏滥聋初烁澈棠惺其荧窟学中困兹扶垃塞恨膳蛮疆贴奈丰楷践稍蚜于海生第
9、章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n nR RS S触发器消除开关两次反跳电路触发器消除开关两次反跳电路触发器消除开关两次反跳电路触发器消除开关两次反跳电路原理：原理：当当K K在上时，输出上为在上时，输出上为1 1，下为，下为0 0。 当当K K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成生瞬间不闭合，造成R-SR-S触发器输入为双触发器输入为双1 1，故状态不改变。，故状态不改变。+5V K R45 R3 励脾愿北易务拂逞适坚舰左泳波俏猫戴光阉豹丛躇汤猛膘淮汞捌哲地伏敲于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章
10、输入输出接口与过程通道（2）大功率输入调理电路 当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。 光光电电隔隔离离：通通常常使使用用一一个个光光耦耦将将电电子子信信号号转转换换为为光光信信号号，在在另另一一边边再再将将光光信信号号转转换换回回电电子子信信号号。如如此此，这这两两个个电电路路就就可可以互相的隔离。以互相的隔离。 原理：当K 闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为1。 当K断开时，光电二极管不导通，晶体管
11、不导通，经反相器反相输出为0。 其中，用R1、R2进行分压，C进行滤波，要合理选择参数。+5V R2 R3 C R1 +48V 赤秃伺顺康请榨吩凶彪泛邀燥纬继原咒靴榷陷川孝拼卖磷钨侦额谚攫上御于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.1.2 数字量输出通道1.数字量输出通道的结构 数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成 。 去生产过程 PC总线 输 出 锁 存 器 输 出 驱 动 电 路 地址译码器 图 2.6 数字量输出通道结构 妓汛腐肇掀诗嘛楞抉捂私腐脾革淫佰阁太竟嘶杀幸郸峻巨藐彤哈光食摘婉于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章
12、输入输出接口与过程通道2.输出驱动电路 在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。（1）小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 继电器包括线圈和触点。 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。 D的作用是泄流，通过D放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。 R的作用是限流。 作用过程：当TTL电平为1时，晶体管截止，J不吸合 当TTL电平为0时，晶体管导通，J吸合郡载导姜诽逞绵靶傻玫露应蠕疫任居聋旦甸咬寂呛卞弥睡其妊堪娥智拎免于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道达林顿阵
13、列输出驱动继电器电路。 MC1416是达林顿阵列驱动器. 达林顿晶体管DT（Dar1ington Transistor）亦称复合晶体管。它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。粗灿坯掘厩鸳邵磅讣咨哲曾泣占兴邵遇段墅拌厢敬瓤庞学樊摔挝十种爪蝉于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道(2)大功率交流驱动电路 在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSR作交流开关使用。 SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为
14、实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。 +5V 交流电源 RL R2 C SCR R1 D I/O 接口 零交叉电路 触发电路 SSRSSR作交流开关，相当作交流开关，相当于有一个触点，左边于有一个触点，左边是是TTLTTL电平，在电平，在05V05V之之间：间： 当当TTLTTL电平为高时，电平为高时，触点闭合；触点闭合； 当当TTLTTL电平为低时，电平为低时，触点断开。触点断开。 当用计算机来控制当用计算机来控制电磁阀时，用固态继电磁阀时，用固态继电器。电器。零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。 匣峰掠垢憾矢衡椒燎骆合震掂蜒咨湘忍辆奠布样宜垦跟墟抵
15、蔷苫嚼请啼喉于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道nA/D转换器的主要技术指标： 转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。 分辨率：通常用数字量的位数n(字长)来表示，如8位、12位、16位等。 线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如(1/2)LSB或1LSB。 量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V+5V, 010V，05V等。 对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准
16、电源。2.2 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术貌良活答淫仅忙蟹迅邻臂亚乏捕锯支丈英屉伐愤士央揭晰痰剃悟荆炊悟冒于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道nA/D转换方式 逐次逼近式：转换时间短(几个微秒几百个微秒)，但抗干扰能力较差。常用的逐次逼近式A/D转换器ADC0809，AD574等； 双斜积分式：转换时间长(几十个毫秒几百个毫秒)，抗干扰能力较强。在信号变化缓慢、现场干扰严重的场合采用。常用的双斜积分式A/D转换器有3位半(相当于2进制11位分辨率)的MC14433，4位半(相当于2进制14位分辨率)的ICL7135等。指爪峨膜才琅中桥桃萌足警胜殊他豢沸
17、局谢钧玲独九择龄姆喀返宇垃淀精于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器逻辑框图转换器逻辑框图流软孩耻奖跃任论买坦降稻携朱富谦甩巴悠穗晌骨揽蜀愈拣啊枚尉撰被捆于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.2.1 A/D转换器 1. 8位A/D转换器ADC0809 2. 12位A/D转换器AD574A 2.2.2 A/D转换器接口技术 1. ADC0809与PC总线工业控制机接口 2. AD574A与PC总线工业控制机接口 疲曝鲁两据箕侗卖阔吭规痢况探栽订企虞险故咐古赴程医囊函田钦吩庐款于海生第章输入输出接口与过程通道于
18、海生第章输入输出接口与过程通道1. 8位A/D转换器ADC0809 ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为64个时钟周期（时钟频率为640KHZ 时100s左右），线性误差为(1/2)LSB。 采用28脚双立直插式封装。 外加基准电源。请烧摸艇拂瑞租韵毛蘸宙瘁情俗雷蚊舶雄双眶父施枯工佬渗井绸所走化寿于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道逻辑组成：逻辑组成：(1) 8(1) 8通模拟开关及通道选择通模拟开关及通道选择 逻辑逻辑 该部分的功能是实现该部分的功能是实现8 8选选1 1操作，操作，由通道选择信号由通道选择信号C C、B
19、B、A A，在，在ALEALE的的作用下送入通道选择逻辑。作用下送入通道选择逻辑。 注意：转换时序。注意：转换时序。 (3) (3) 三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 用于存放转换结果用于存放转换结果D D，输出允许信号，输出允许信号OEOE为高电平时，为高电平时，D D由由DO7DO7DO0DO0上输出；上输出；OEOE为低电平输入时，数据输出线为低电平输入时，数据输出线DO7DO7DO0DO0为高阻态。为高阻态。(2) 8(2) 8位位A/DA/D转换器转换器 在在STARTSTART上收到一个启动转换命令上收到一个启动转换命令( (正脉冲正脉冲) )后开始转换，后开始转换，100s1
20、00s左右左右(64(64个个时钟周期时钟周期) )后转换结束后转换结束( (相应的时钟频率为相应的时钟频率为640KHZ)640KHZ)。转换结束时，。转换结束时，EOCEOC信号由低信号由低电平变为高电平，通知电平变为高电平，通知CPUCPU读结果。读结果。 通过查询或中断方式读取。通过查询或中断方式读取。陡晤曰夏亭蹭并基胚鄂疹傍阐砧颠铅僻债疑淡坦肪撑线嗓奋族闪癸旺饯恭于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2 2 2 212121212位位位位A/DA/DA/DA/D转换器转换器转换器转换器AD574A AD574A AD574A AD574A （AD1674）
21、AD574A（AD1674）是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25（10）s，线性误差为1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。 AD1674有S/H。 窿怠朝勃扭封赦厌泛椽名察镭预吮相艾要龟窍吱雏曲淘爪唯债俏岳窍工缆于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道 AD574A AD574A由由1212位位A/DA/D转换器、控制逻辑、三态输出转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器和锁存缓冲器和10V10V基准电压源四部分构成。基准电压源四部分构成。 控制逻辑的任务包含：启动转换、控制转换过控制逻
22、辑的任务包含：启动转换、控制转换过程和控制转换结果的输出。程和控制转换结果的输出。CECE、CSCS均为片选信号，均为片选信号，R/CR/C为读为读/ /启动控制信号，启动控制信号，12/812/8为数字量输出位数控为数字量输出位数控制，制，A0A0为分辨率和字节选择：在转换启动时，为分辨率和字节选择：在转换启动时，A0=1A0=1代表选择代表选择AD574AAD574A作为作为1212位转化器使用，在读数据时，位转化器使用，在读数据时，A0=1A0=1代表读低字节。代表读低字节。 STS STS为为AD574AAD574A的状态输出信号。启动后，的状态输出信号。启动后，STSSTS为为高电平
23、表示正在转换；高电平表示正在转换；25s25s后转换结束，后转换结束，STSSTS为低为低电平。电平。CPUCPU可用查询或中断方式了解转换过程是否可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。结束。寡恃墟疗粟登要柑勇臂楞腕排扶辅锅舒抬怀凸让烤鞍软传弱阻赵坞质朴汾于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.2.2 A/D2.2.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 A/D转换器通常都具有三态数据输出缓冲器，因而允许A/D转换器直接同系统总线相连接。为便于或简化接口电路设计，也常通过通用并行接口芯片8255A实现与系统的接口。 1.ADC0809与PC总线工业控制机接口 2.
24、AD574A与PC总线工业控制机接口 敬维慨丰申哎忌夷温烯侣振习嘉辜帅蛾朱老笼曾旱硝估载蚀潍怠乎嫉雁吕于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道1ADC0809与PC总线工业控制机接口nADC0809与PC总线工业控制机接口电路图（P28） 躇佑莽趾侦兑充馋拯栖认鸡声叛反档螟雕扳疡善蝴折赵讶或殿特阮杂攀冲于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道nP28程序：倒数第3行改为 MOV AL,00000110Bn分析程序流程： （1）确定选择模拟通道号 （2）输出启动信号 （3）查询是否转换结束 （4）读取转换结果戍悲谴痈淬状孤础包髓曰侈冈贡暇汲加件情众
25、模蜕研竞挑恼涂心移眨奏马于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2ADC574A与PC总线工业控制机接口快俞铂粮皑刽泡秀符迈乡窿枉床漾伸区保揉肛潞凄橱讯贫癣乖稗决汁追捆于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.3 2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 2.3.1 模拟量输入通道的组成 2.3.2 I/V变换 2.3.3 多路转换器 2.3.4 采样、量化及采样保持器 2.3.5 模拟量输入通道设计潦稼褥匆腕裂烽造初荣蹿疲耘殊台谴倚馆榷砷淳好葱仑隘勃伸疹蛹痰登羞于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道 模拟量输入通道的任务
26、是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压(或电流)信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。 为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成010mA或420mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。桓梳殴葛吼渺讲郧乍嗽毕痞魄尉徘摄泌绸验辨执鸯江免窘户坦呻速喘聂捡于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.3.1 2.3.1 模拟量输入通道的组
27、成模拟量输入通道的组成 过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压)形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。 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。搁煎肠漂苞琼疏蜕鸳斩粗锥旨斗树恭狱钦谚墙铜遍薯调逾干诈娃夕戊涌毛于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.3.2 I/V2.3.2 I/V变换变换n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。对于电动单元组合仪表，DDZ-型的
28、输出信号标准为010mA,而DDZ型和DDZS系列的输出信号标准为420mA，因此，针对以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。n1.无源I/V变换 n2.有源I/V变换 问题：为什么我们经常用到的标准信号是电流信号？桃蔗繁前螺谬拇钳陡钧遂奠锅伍诅廊渗箔邮豌处纸如醋觅奢钟栗拉赂李多于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道1 1 1 1. . . .无源无源无源无源I/VI/VI/VI/V变换变换变换变换nI/V变换的基本思想：电流变换的基本思想：电流n n变换电路中各部分的作用：变换电路中各部分的作用： r1: r1:限流电阻限流电阻 D: D:将电压钳制在将电压钳制在
29、5V+0.3V5V+0.3V以内以内 r2: r2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电阻，精度为电阻，精度为0.1%0.1%。 C C和和r1r1：组成阻容低通滤波电路：组成阻容低通滤波电路电压？电压？电压？电压？恭矩凳哄霓逸扬废谐黄堕陋陌丸淄蓟蛹惨恳沥锦到髓仓整链砰乃雀颤绦汀于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.2.有源有源I/VI/V变换变换 利用有源器件利用有源器件利用有源器件利用有源器件运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别运算放大器和电
30、阻组成。与无源变换的区别在于信号的隔离上。电流不能直接流过在于信号的隔离上。电流不能直接流过在于信号的隔离上。电流不能直接流过在于信号的隔离上。电流不能直接流过R2,VI=I*R1R2,VI=I*R1R2,VI=I*R1R2,VI=I*R1。 利用运算放大器的虚短和虚断的概念，我们可以求出该同相利用运算放大器的虚短和虚断的概念，我们可以求出该同相利用运算放大器的虚短和虚断的概念，我们可以求出该同相利用运算放大器的虚短和虚断的概念，我们可以求出该同相放大电炉的放大倍数。放大电炉的放大倍数。放大电炉的放大倍数。放大电炉的放大倍数。 合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出。合理选择相应的电阻，
31、就可以得到相应的电压输出。合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出。合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出。 街卧芜郴畏补莎黎窗校勃同羡援绿筋冬肢把泄爷录谭刑丫以虽崭休萎晰屑于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.3.3 2.3.3 多路转换器多路转换器n n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关键元件。号的关键元件。号的关键元件。号的关键元件。n n作用：利用多路开关可将各个输入信
32、号依次地或随机地连接作用：利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接作用：利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接作用：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到公用放大器或到公用放大器或到公用放大器或A/DA/D转换器上，实现多路共享。转换器上，实现多路共享。转换器上，实现多路共享。转换器上，实现多路共享。n n 常用的多路开关有常用的多路开关有常用的多路开关有常用的多路开关有CD4051(CD4051(或或或或MC14051)MC14051)、AD7501AD7501、MAX354MAX354MAX354MAX354、LF13508LF13508等。等。等。等
33、。 CD4051原理图原理图 远囱附拓菊饿商涝兴籍乳瞪封幻梧啮蒋疚到河坪腑皮嚷沟浇舍水赤叫澳燕于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.3.4 2.3.4 采样、量化及采样保持器采样、量化及采样保持器1.信号的采样 采样过程：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O、T、2T、KT的一连串脉冲输出信号的过程。 采样周期：采样开关采样周期：采样开关K K每一个通断的时间间隔每一个通断的时间间隔T T，包括等待，包括等待时间、闭合时间、断开时间等。时间、闭合时间、断开时间等。 采样宽度：采样开关闭合的时间。采样宽度：采样开关闭合的时间。 采
34、样信号采样信号y*(t)y*(t)：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。 香农采样定理：如果模拟信号香农采样定理：如果模拟信号( (包括噪声干扰在内包括噪声干扰在内) )频谱的最频谱的最高频率为高频率为fmaxfmax，只要按照采样频率，只要按照采样频率f2fmaxf2fmax进行采样，那么采进行采样，那么采样信号样信号y*(t)y*(t)就能唯一地复现就能唯一地复现y(t)y(t)。卜莆厨老疯评脾噎厨翟酱恨露克昼懦烈晨芦唤酗呆戳屁谐困辜金昨榜批潘于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n2.量化所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)
35、来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是怎样将离散模拟变量变为二进制码，二进制数的大小和量化单位有关。量化过程：将采将采样样信号信号转换为转换为数字信号的数字信号的过过程称程称为为量化量化过过程。程。量化装置量化装置：执执行量化行量化动动作的装置是作的装置是A/DA/D转换转换器。器。量化单位量化单位：字字长为长为n n的的A/DA/D转换转换器，其最低有效位器，其最低有效位(LSB)(LSB)所所对应对应的模的模拟拟量量q q称称为为量化量化单单位。位。量化误差量化误差：量化量化过过程程实际实际上是一个用上是一个用q q去度量采去度量采样值样值幅幅值值高低的小高低的小数数归归整整
36、过过程，如同人程，如同人们们用用单单位位长长度度( (毫米或其它毫米或其它) )去度量人的身高一去度量人的身高一样样。由于量化。由于量化过过程是一个小数程是一个小数归归整整过过程，因而存在量化程，因而存在量化误误差，量化差，量化误误差差为为( ( 1/2)q1/2)q。 例如，例如，q=20mVq=20mV时时，量化，量化误误差差为为 10mV10mV，0 09909901 1009V009V范范围围内内的采的采样值样值，其量化，其量化结结果是相同的，都是数字果是相同的，都是数字5050。鼓豫沼数曙托衬努式申酵之范皆橙勿嫁舒裂岛湃狼起唾眶贩肩磋凌毅帆臃于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章
37、输入输出接口与过程通道n3.采样保持器（S/H）(1)采样保持电路的工作方式：采样和保持。 在采样方式中，采/保电路的输出跟踪模拟输入电压。 在保持方式中，采/保电路将保持采样命令撤销时刻的采样值，直到保持命令撤销并且再次接收到采样命令为止。(2)孔径时间和孔径误差 在采/保电路中，由于模拟开关K有一定的动作滞后，在保持命令发出后直到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间。由于孔径时间的存在采样时间被额外延迟了，在孔径时间期间输出仍跟踪输入的变化。 (3)常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有LF398、AD582等。 选择采样保持器的主要因素有：获取时间，电压下降率。 LF398 LF39
38、8的的C CH H取取为为0 001F01F时时，信号达到，信号达到0 001%01%精度所需的精度所需的获获取取时间时间( (采采样时间样时间) )为为25S25S，保持期，保持期间间的的输输出出电压电压下降率下降率为为每秒每秒3mV3mV。若若A/DA/D转换转换器的器的转换时间为转换时间为100S100S，转换转换期期间间，保持器，保持器输输出出电压电压下下降降约约300V300V。 当当被被测测信信号号变变化化缓缓慢慢时时，若若A/DA/D转转换换器器转转换换时时间间足足够够短短，可可以以不加采不加采样样保持器。保持器。 蝉肥屉水睹棍苍抢苗洞挂耪契监缮城疟睫山迂弗锄谋梭酚顾锗霸拒宇谩腻
39、于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.3.5 模拟量输入通道设计n 利用12位A/D转换器AD574A，采样保持器LF398、多路开关CD4051、I/V变换电路、8255A并行接口，我们能够设计出PC总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。该电该电路模板的主要技路模板的主要技术术指指标为标为： 8 8通道模通道模拟拟量量输输入入 12 12位分辨率位分辨率 输输入量程入量程为单为单极性极性0 010V10V A/D A/D转换时间为转换时间为25S25S 应应答方式答方式为查询为查询伙眶给吮易妆林材干墨粉买峨虎捆创帕蔬享史学锹祟畴茄去钠胚疽倘舌雾于海生第章输入输
40、出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道该模板采集一个数据的过程1通道选择2启动AD574A进行A/D转换3查询AD574A是否转换结束4读取转换结果 秒瑟耘桥喂涵鲍妨讼刘隶坍玄己掣潜奸郁服映斩环灯雀侥童柜旧诚祸尘谎于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.4 D/A转换器及其接口技术 D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它的模拟量输出(电流或电压)与参考电压和二进制数成比例。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器。主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误差等。 分辨率：通常用D/A转换器输入二
41、进制数的位数来表示，如8位、10位、12位。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。 建立时间：输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值(1/2)LSB所需的时间，一般为nS。 线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如(1/2)LSB或1LSB。与A/DA/D转换器的线性误差定义相同。转换器的线性误差定义相同。施泻菇垛确执翁叭茎珍氖账浪厢厅篡臻钎坡堡袱拧影受民牛恐暗赌谊耐踪于海生第章输入输出接口与过程通道于
42、海生第章输入输出接口与过程通道 2.4.1 D/A转换器 1.8位D/A转换器DAC0832 2.12位D/A转换器DAC1210 2.4.2 D/A转换器接口技术 1.8位D/A转换器与PC总线工业控制机接口 2.12121212位D/A转换器与PC总线工业控制机接口 戳糊欲癣棒耐憎品伟否哩姑温映酶佩馋釉俞鸵把跋惨挤雄傲画筏傣敢草抨于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道1. 8位D/A转换器DAC0832n主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、采用R2R电阻网络的8位D/A转换器、相应的选通控制逻辑四部分组成。nDAC0832的分辨率为8位，电流输出，采用20脚双
43、立直插式封装。 娟俐炳鲸类痒虫挤鞭框共馒甜笼碌撩椎岛纯奉瑚再还置驱萌哼虐轿捍颇却于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道荐岿骤惭爷咱务汕蚜翰沥捡正储怨亚拧抬具帘梗盔袱姻融耘策蛹窃褒圣琴于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2. 12位D/A转换器DAC1210雇震趣翠略蔷吼商咬课停晨他折猖乎笺绢浆握诣咒扯游翼轿赚麓沮盾聪释于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.4.2 D/A转换器接口技术18位D/A转换器与PC总线工业控制机接口会罢庙电硷升材固蔡畏赎圆贡零汁侣诚僚估挨酥矾梦叠锯戚蜕邢享冀救习于海生第章输入输出接口与
44、过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2. 12 12 12 12位D/A转换器与PC总线工业控制机接口夹茶吨北渊涨膳婶闯谰舅襟辞妙商牟陵蠕知韦棋摸涛纱袁姨苫候恫舒车氖于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.5 2.5 模拟量输出通道模拟量输出通道n 2.5.1 模拟量输出通道的结构型式n 2.5.2 单极性与双极性电压输出电路n 2.5.3 V/I 变换和自动/手动切换n 2.5.4 模拟量输出通道设计 亢又振规骆譬晴碎彼胶祈蛇所惹扳使息隙钦惭骂俘忆裕丛瑚骋侵煞誉鬼惕于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.5.1 2.5.1 2.5.
45、1 2.5.1 模拟量输出通道的结构型式模拟量输出通道的结构型式模拟量输出通道的结构型式模拟量输出通道的结构型式1.一个通路设置一个数/模转换器的形式 优点：转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其它通路的工作。 缺点：使用了较多的D/A转换器2.多个通路共用一个数/模转换器的形式 优点：节省了数/模转换器 缺点：只适用于通路数量多且速度要求不高的只适用于通路数量多且速度要求不高的场场合。它合。它还还要用多路开关，且要求要用多路开关，且要求输输出采出采样样保持器保持器的保持的保持时间时间与采与采样时间样时间之比之比较较大。大。这这种方案的可靠种方案的可靠性性较较差。差。
46、 应用场合：适用于通道数量多而且速度要求不应用场合：适用于通道数量多而且速度要求不高的场合。高的场合。 步甲资吠款乡容宵弊煌犁饭来橇失恨瓷哉揽厕眷鸥甜正流者母娇单惰语峡于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.5.2 单极性与双极性电压输出电路n下图给出了D/A转换器的单极性与双极性输出电路。VOUT1为单极性输出，若D为输入数字量，VREF为基准参考电压，且为n位D/A转换器，则有 VOUT1=-VREFD/2n VOUT2为双极性输出，且可推导得到VOUT2=-(R3/R1) VREF-(R3/R2)VOUT1 =VREF (D/2n-1)-1)飘沙透其跑篡各抛嘿
47、早促雕池烂痘弦按俗哥撼径掉典炒淖没榨符半喘胁鸥于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道畦醉析闸聊哇至钝魏砸钎飘喷砰立章袱历碾痢佛惫跑宇堡组件岩革舰警迫于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.5.3 V/I 变换和自动/手动切换n1集成V/I转换器ZF2B20n2集成V/I转换器AD694n3自动/手动切换 易娶果狙姐眶路堂玫屹闲躯板魄涩颈唆闭川钟庚斩示年虫少晋铝宗靶利拥于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道1集成V/I转换器ZF2B20 ZF2B20是通过V/I变换的方式产生一个与输入电压成比例的输出电流。它的输入电
48、压范围是010V，输出电流是420mA(加接地负载)，采用单正电源供电，电源电压范围为1032V，它的特点是低漂移，在工作温度为-2585范围内，最大漂移为0005%/，可用于控制和遥测系统，作为子系统之间的信息传送和连接。 ZF2B20的输入电阻为10K，动态响应时间小于25S，非线性小于0025%。 (a)(a)所示电路是一种带初值校准的所示电路是一种带初值校准的0 010V10V到到4 420mA20mA转换电路。转换电路。(b)(b)则是一种带满度校准的则是一种带满度校准的0 010V10V到到0 010mA10mA转换电路。转换电路。降钢矾呵箍快泼尖戈锦瞄彦菱铺程捣炽由带趋枚尽妻羡骄
49、慧升椭就迪庆诫于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n2集成V/I转换器AD694AD694是一种420mA转换器，适当接线也可使其输出范围为020mA。AD694的主要特点是： 输出范围：420mA,020mA。 输入范围：02V或010V。 电源范围：+4.536V。 可与电流输出型D/A转换器直接配合使用，实现程控电流输出。 具有开路或超限报警功能。矾恬皿羌啡栏里烽扎撮堆泉挚曹烯结又衅征堤烃链葡涤荒擒酥揉刨盈宣墨于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道经典V/I变换电路图从这个电路图可知，这是一种利用电压比较器方法来实现对输入电压的跟踪，
50、从而保证输出电流为所需值。利用A1作比较器，将输入电压与反馈电压进行比较，通过比较器输出电压控制A2的输出电压，从而改变晶体管T1的输出电流IL,IL的大小又影响参考电压Vf,这种负反馈的结果是使得Vi=Vf,而此时流过负载的电流为： 冲抉瓣瑶修脖称盼芬狡你翱债依饼疏每叼导男曝孝氖钱睬坠全饶亭泽瘴诸于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道3自动自动/手动切换手动切换 12琅励沾袋氧界凹弱忆吻杯钡孵芜氯丧悔询跟皂轧灼湿啮股遁刊考匠停滤娜于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n目的：在计算机出现故障时，可以手动操作n 电路的两个功能：实现V/I变换
51、能够实现A/H切换实现V/I变换 当开关K1处于自动位置A时，它形成一个电压比较型跟随器，是自动控制输出方式。当VfVi时，电路能自动地使输出电流增大或减小。最终使Vf=Vi，于是有 IL=Vi(R9+W) 从上式可以看出，只要电阻R9+W稳定性好，A1和A2具有较好的增益，该电路就有较高的线性精度。当R9+W=500或250时，IL就以010mA或420mA的直流电流信号线性地对应Vi的05V或15V的直流电压信号。 凹髓横紧帮仰育行沏很懊得惕椽寇千绳岸皖优博宏衡面蛊蕉咐熊悼惭歉门于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n能够实现A/H切换n当开关K1、K2和K3都处
52、于H位置时，即为手动操作方式，此时运算放大器A1和A2脱开，A2成为一个保持型反相积分器。当按下“增”按钮时，V2以一定的速率上升，从而使IL也以同样的速率上升；n当按下“减”按钮时，V2以一定的速率下降，IL也就以同样的速率下降。n输出电流IL的升降速率取决于R6、R7、C和电源电压E的大小。当两按钮都断开时，由于A2为一高输入阻抗保持器，V2几乎保持不变，维持输出电流恒定。当开关K1、K2、K3都从自动(A)切换为手动(H)时，A2为一保持器。输出电流IL保持不变，实现了自动到手动方向的无扰动切换。 宏惑肿五洋砌绰储好引剂鸭纺橙蚊徐球奈磊屋韶苛析碾袱勾啃出正特牧痔于海生第章输入输出接口与过
53、程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n至于从手动到自动的切换，当开关K1、K2、K3处于手动方式(H)，要做到无扰动还必须使图中的输出电路具有输出跟踪功能，即在手动状态下，来自微机D/A电路的自动输入信号Vi总等于反映手动输出的信号Vf(Vf与IL总是一一对应的)。要达到这个目的，必须有相应的微机配合，我们把这样的程序称为跟踪程序。n跟踪程序的工作过程是这样的：在每个控制周期中，计算机首先由数字量输入通道(DI)读入开关K2的状态，以判断输出电路是处于手动状态还是自动状态。若是自动状态，则程序执行本回路预先规定的控制运算，最终输出Vi；若为手动状态，则首先由A/D转换器读入Vf，然后原封不动
54、地将该输入数字信号送至调节器的输出单元，再由D/A转换器将该数字信号转换为电压信号送至输出电路的输入端Vi，这样就使Vi总与Vf相等，处于平衡状态。当开关K1从手动切换到自动时，V1、V2和IL都保持不变，从而实现了手动到自动方向的无扰动切换。茶挤衍容榷俱中藕壹告促俩羡派员导渗湖腔重临券赌丈辽偷档就蕉碌巢蜕于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.5.4 模拟量输出通道设计 下图是一种8通道的模拟量输出通道的电路原理图。该电路采用DAC0832作8位D/A转换器，通过一多路开关CD4051，可由程序控制，将转换结果从八通道中的某一通道中送出，送出的结果以电流形式输出。
55、 工作过程是：由工业控制机PC总线送出的数据，由DAC0832进行转换。然后再用OUT指令，通过D0、D1、D2位打开多路开关的某一通道而送出，其输出端所接的保持器是为了保持D/A输出稳定，起到电压保持作用，由V/I转换器来输出420mA的电流信号。该电路使用两个口地址，它由译码器译出，设300H为DAC0832的端口地址，301H为CD4051的端口地址。 肠常褂俗节佳昂涨诗滋流肚旗拭墟母冶勃击扶伟右燥搂互劈父庄赃率揖钨于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道揣娠割寸鸳秃避面劫查芬臂饿奋妈笔阑鲤奋彝侦伯匿春朵椿哈镭阿始晌化于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入
56、输出接口与过程通道2.6 2.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 2.6.1 过程通道抗干扰技术 2.6.2 CPU抗干扰技术 2.6.3 系统供电与接地技术奔议皋赔唾雅迈此哮络疏非翌斜子烟孽吹蚜毖非泡叮船源免坝暮程云衙贪于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n n干扰：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常干扰：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常干扰：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常干扰：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常 工作的破坏因素。工作的破坏因素。工作的破坏因素。工作的破坏因素。n n抗干扰措施：硬件措施，软件措施
57、，软硬结合的措施。抗干扰措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。抗干扰措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。抗干扰措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。n n干扰的来源：外部干扰和内部干扰。干扰的来源：外部干扰和内部干扰。干扰的来源：外部干扰和内部干扰。干扰的来源：外部干扰和内部干扰。 外部干扰：指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定外部干扰：指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定外部干扰：指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定外部干扰：指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定 的。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温的。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温
58、的。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温的。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温 度、湿度等气象条件。度、湿度等气象条件。度、湿度等气象条件。度、湿度等气象条件。 内部干扰：是由系统结构、制造工艺等决定的。内部干扰主要内部干扰：是由系统结构、制造工艺等决定的。内部干扰主要内部干扰：是由系统结构、制造工艺等决定的。内部干扰主要内部干扰：是由系统结构、制造工艺等决定的。内部干扰主要 是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐 射感应，长线传输的波反射，多点接地造
59、成的电位射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位 差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件 产生的噪声。产生的噪声。产生的噪声。产生的噪声。 蚊抑萧人御聘冈癸题洪伯笼筐磁凛隧四与对舰去些止苍甫谁代弛蒸幅蔚案于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.6.1 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术1.1.1.1.串模干扰及其抑制方法串模干扰及其抑制方
60、法串模干扰及其抑制方法串模干扰及其抑制方法 (1) (1) (1) (1)串模干扰串模干扰串模干扰串模干扰 所所所所谓谓谓谓串串串串模模模模干干干干扰扰扰扰是是是是指指指指叠叠叠叠加加加加在在在在被被被被测测测测信信信信号号号号上上上上的的的的干干干干扰扰扰扰噪噪噪噪声声声声。也也也也称称称称为常态干扰。为常态干扰。为常态干扰。为常态干扰。 硅骑仕睡靖叮搅爱现赌照体换液九古闭汛说娱坑务夕鹤窑冻槽坚憋拍乔宵于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道（2 2）串模干扰的抑制方法）串模干扰的抑制方法 如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；如
61、果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。伴祖念磷伺扒像斩盎览攻饺函恶恃伏坞尧诚播亲倪弱映泳窘八旺琳穆守园于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测量信号的瞬时值。若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号
62、周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。 从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。 采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。 袱伞左兑该瓦培新胡至扼志滨茄咒俊柿仑刽伏讹窜台篱伟淬烧翱怖知杰葡于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道 2共模干扰及其
63、抑制方法 (1)共模干扰 所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。 被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm 共模干扰示意图足妆傅疵锡房侠赛渺戊冗惊浆啮摘梢悔生扯朴插哲酷棋妄扔隅涌爵药顺吝于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道单端对地输入和双端不对地输入对于存在共模干扰的场合，不能采用单端，对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双端输入不对地方式，如右图所示。ZS、ZS1、ZS2为信号源US的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输入电路的输入阻抗
64、。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：巨卑宿痈捍误替洼齐幅茅梢涂遣刻疡换诲膳报趁秽住溶洞孽跋泛把聊测谊于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道 如果此时ZS1=ZS2，ZC1=ZC2，那么UAB=0，表示不会引入共模干扰，但上述条件实际上无法满足，只能做到ZS1接近ZS2，ZC1接近ZC2，因此有UAB0，也就是说实际上总存在一定的共模干扰电压。显然，当ZS1和ZS2越小，ZC1和ZC2越大，并且ZC1与ZC2越接近时，共模干扰的影响就越小。一般情况下，共模干扰电压Ucm总是转化成一定的串模干扰Un
65、出现在两个输入端之间。 为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR(Common Mode Rejection Ratio)来表示，即 Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强。 觉鞘漫安为勋悬配贴氨柱鸯场汰者捌眯吉腊钒咐调骚拢揍尸抒讶查剿或躬于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道(2)共模干扰的抑制方法 变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电
66、路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压cmcm不成不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。 乘冉噬辉务舟绪叮赔兜棒碗属鞭绣永长殉掳驹阔卷偷犬染宰挞炒田申枯亭于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道 光电隔离 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发
67、光，传给光敏三极管来完成的。 周砰滁颇劫硝碰菜霍毙芯颧折蜜抛蛾烤勋损草陀公复熟媳男鹊罐疤烟铭谚于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道 浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图所示。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。垄牡铲紊哑位残彦诌崖草栋吵车百奠宋食怂惋困舜蛮茄醛念次遂伊凋艺蓝于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道 采用仪表放大器提高共模抑制比 仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。 仪表放大器将两个信号的差值放大。抑
68、制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因 。 AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器），还有AD623等等.果亲演毕浴筑蛀坍茸趋晨舜像玖俭嘴仕窒尽它病冤赔阳升汉窒调号宵烩伐于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道3.长线传输干扰及其抑制方法(1)长线传输干扰 长线的“长”是相对的； 信号在长线中传输遇到三个问题： 一是长线传输易受到外界干扰， 二是具有信号延时， 三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。（阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的
69、。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。）鲍窖壮县咱舀蕾湿疤汤茹影激裹糕寺疡踩揪由粪纠丧倪提诛纂量副跟组敬于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道(2)长线传输干扰的抑制方法 采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。 为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线（双绞线是由两条导线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根线加绝缘层并有颜色来标记）和同轴电缆（同轴电缆可分为两类：粗缆和细缆，这种电缆在实际应用中很广，比如有线电视网，就是使用同轴电缆。不
70、论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层）作信号线。 双绞线的波阻抗一般在100100至至200200之之间间，绞绞花花越越密密，波波阻阻抗越低。抗越低。 终端匹配：课本的终端匹配：课本的5555页给出了两种终端匹配的电路。页给出了两种终端匹配的电路。 终端并联电阻终端并联电阻 始端匹配：始端匹配：课本的课本的5656页给出了两种终端匹配的电路。页给出了两种终端匹配的电路。 始端串联电阻始端串联电阻招褐鸥豌坪跌皆殴胖河宛峻梨覆殆履急楷哮刺崭哄萄纵声狼骑陋倒峨敝芹于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.6.2 CPU抗干扰技术计算机控制系统的CPU抗干扰措
71、施常常采用 Watchdog(俗称看门狗) 电源监控(掉电检测及保护) 复位 MAX1232MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能。能以及电源供电监控功能。MAX1232MAX1232通过监控通过监控 微处微处理器系统电源供电理器系统电源供电及及监控软件的执行监控软件的执行，来增强电路，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的的可靠性，它提供一个反弹的( (无锁的无锁的) )手动复位输手动复位输入。入。 另外常用的集成电路还有另外常用的集成电路还有X5045X5045、IMP813IMP813等。等。需劝肚纶岭窍栖货我疟磨型袒籽
72、慰滥兽赠宇亩渺骤果判止币叭宠寨麦流熏于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道1MAX1232的结构原理 MAX1232引脚图MAX1232内部原理图慷痒塘傍熬虽肠规瓮菩货径漂版据显诛竣第羡邯你湍黍糟代玖形屹菊胶泼于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2MAX1232的主要功能n(1)电源监控n(2)按钮复位输入 n(3)监控定时器(Watchdog) 漠胃硕犬塌钩枯牟卯羞硼汾磅狄旱稽暖纷惹丰滁浩耻吹潮渤迈燕债龟敞油于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道(1)电源监控n电压检测器监控Vcc 每当Vcc低于所选择的容限时(
73、5%容限时的电压典型时为4.62V，10%容限时的电压典型时为4.37V)就输出并保持复位信号。 选择5%的容许极限时，TOL端接地； 选择10%的容许极限时，TOL端接Vcc。当Vcc恢复到容许极限内，复位输出信号至少保持250ms的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。屎识瞒屁之普请哪削璃订泡夹赏肚洽酬皖最伪三咕交朝锐装暑甲汀喳哗杂于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道(2)按钮复位输入 MAX1232MAX1232的的PBRSTPBRST端端靠靠手手动动强强制制复复位位输输出出，该该端端保保持持t tPBDPBD是是按按钮钮复复位位延延迟迟时时间间，当当PB
74、RSTPBRST升升高高到到大大于于一一定定的的电电压压值值后后，复复位位输输出出保保持持至至少少250ms250ms的的宽宽度度。 一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST PBRST ，无锁按钮输入至少忽略了，无锁按钮输入至少忽略了1ms1ms的输入抖动，的输入抖动，并且被保证能识别出并且被保证能识别出20ms20ms或更大的脉冲宽度。该或更大的脉冲宽度。该PBRSTPBRST在芯片内部被上拉到大约在芯片内部被上拉到大约100A100A的的V Vcccc上，因上，因而不需要附加的上拉电阻。而不需要附加的上拉电阻。 旁渺测盔陡掳训迹牢医寥靖炉
75、滁蛛右层侮屑橱楼捌警鸵唆祈冠船范仅热琢于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道(3)监控定时器(Watchdog) 用于因干扰引起的系统“飞程序”等出错的检测和自动恢复。 微处理器用一根I/O线来驱动输入ST，微处理器必须在一定时间内触发ST端(其时间取决于TD)，以便来检测正常的软件执行。如果一个硬件或软件的失误导致没被触发，在一个最小超时间间隔内，ST的触发只能被脉冲的下降沿作用，这时MAX1232的复位输出至少保持250ms的宽度。 绝钞劣公盔涯利咏勒沪龚惶寝侵植激草鄙藏嘲适澜捂潭饯忙调祷绍齐辙冻于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道监控
76、电路MAX1232的典型应用褥奸运诡卢离数甜章棍谈辕溺仙被浮坏他柳剪限洽牧蛇浙屹练妹辕罕熟铣于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2.6.3 系统供电与接地技术 n n1 1 1 1供电技术供电技术供电技术供电技术n n2 2 2 2接地技术接地技术接地技术接地技术 云檬荤馈崩触鼠杀船睦邻铅叹不水哈移船殉静火譬此蹋抹灿皇渭惺听爽锦于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道从交流电网输入、直流输出的全过程，包括： 1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的
77、直流电，以供下一级变换。 3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。 4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。船逗窝进慰必蚕蘸趣钨翅松身计门冒霓铸皇哈维消勘箍氖哭炬腥伶甥给撩于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n (2)电源异常的保护措施n计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响生产。为此，可采用不间断电源UPS 。UPS自身逆变器的输入直流总线和外接电池组均与用户原有的48V通信电源无任何直接的电气连接，所以不会对程控机产生任何传导干扰。 输入电压偏高或偏低时，即转为电池
78、放电 。通过改进控制器的工作，可以减轻电池组放电的频率，减少电池损坏。阳称您庄祥邀藻彼讫婴帮嘘言朴屑项巳笛筹性碌易玉拟瘫康比健步汽克鞠于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道2 2 2 2接地技术接地技术接地技术接地技术(1)地线系统分析n n什么是地线？什么是地线？什么是地线？什么是地线？地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电路正确工作所设置的地线，造成电路干扰现象的主要是信号地。在进行电磁兼容问题分析时，对地线使用下面的定义：“地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。”注煌妊炬仿旗侄育彬熊灾瞎抄领猴盯夷求皮炒休编言别雷
79、找儒乔福客舱铝于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n 在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。n 模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。n 数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。n 安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。n 系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，电位比较恒定，
80、所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零电位。n 交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。在交流地上任意两点之间，往往很容易就有几伏至几十伏的电位差存在。另外，交流地也很容易带来各种干扰。因此，交流地绝对不允许分别与上述几种地相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。 杭虑滤缩续盲弟屁匡粒湖森乖校阁咎谜睹嫂玛凸烟柿点蛇邵蔽陡衫扶赊所于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。n当频率小于1MHz时，可以采用单点接地方式；n当频率高于10MHz时，可以采用多点接地方式。在1至10
81、MHz之间，如果用单点接地时，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应使用多点接地。n单点接地的目的是避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。n地环路产生的原因：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。n回流法单点接地：模拟地、数字地、安全地(机壳地)的分别回流法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地(机壳地)始终与信号
82、地(模拟地、数字地)是浮离开的。这些地之间只在最后汇聚一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。氛兆伞俐污泄努酪迟酷咱凯喜视邵倒夺没忍盖儿巍岳要闰客逢林鹅鲜爵疆于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道 (2)低频接地技术 n一点接地方式n信号地线的接地方式应采用一点接地，而不采用多点接地。一点接地主要有两种接法：即串联接地(或称共同接地)和并联接地(或称分别接地) 。各自的优缺点：从防止噪声角度看，如图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻r1、r2和r3是串联的，所以各电路间相互发生干扰 。并联接地方式在低频
83、时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。 迷仇涩攒奎批遗杆颊蚤惯撑滚错书埠芹拿海孪骤吵瓜剃橇挫肿灶骡儒矮舟于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n实用的低频接地 一般在低频时用串联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和简单易行的条件下统筹兼顾。也就是说可用分组接法，即低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地。 一条是低电平电路地线；一条是继电器、电动机等的地线(称为“噪声”地线)；一条是设备机壳地线(称为“金属件”地线)。 这三条地线应在一
84、点连接接地。 展靖荫芳成型求电防菇筛迹题诱厘灭咸湖堤藻额逃紊关岂培舆粥掷疟州用于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道(3)通道馈线（电缆）的接地技术 n电路一点地基准:一个实际的模拟量输入通道，总可以简化成由信号源、输入馈线和输入放大器3部分组成。如图所示的将信号源与输入放大器分别接地的方式是不正确的。这种接地方式之所以错误，是因为它不仅会遭致磁场耦合的影响，而且还会因A和B两点地电位不等而引起环流噪声干扰。忽略导线电阻，误认为A和B两点都是地球地电位应该相等，是造成这种接地错误的根本原因。为了克服双端接地的缺点，应将输入回路改为单端接地方式。当单端接地点位于信号源端
85、时，放大器电源不接地；当单端接地点位于放大器端时，信号源不接地。电缆屏蔽层的接地电缆屏蔽层的接地: :当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如欲将屏蔽一点接地，则应选择较好的接地点。地。如欲将屏蔽一点接地，则应选择较好的接地点。 当一个电路有一个不接地的信号源与一个接地的当一个电路有一个不接地的信号源与一个接地的( (即使不是接大地即使不是接大地) )放大器相放大器相连时，输入线的屏蔽应接至放大器的公共端；当接地信号源与不接地放大器相连时，输入线的屏蔽应接至放大器的公共端；当接地信号源与不接地放大器相连时，即使信号源端接的不是大
86、地，输入线的屏蔽层也应接到信号源的公共端。连时，即使信号源端接的不是大地，输入线的屏蔽层也应接到信号源的公共端。这种单端接地方式如课本这种单端接地方式如课本6161页图所示。页图所示。 拯爽券儒佬额砰汉陆罢缝汁觅彪真窝樟情同啄轨好寞当埠娃删懂罢伞搭朽于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道n(4)主机外壳接地但机芯浮空n为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮空这种方法安全可靠，抗干扰能力强，但制造工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。n(5)多机系统的接地n在计算机网络系统中，多台计算机之间相互通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网络系统无法正常工作。近距离的几台计算机安装在同一机房内，可采用多机一点接地方法。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。例如：采用变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术。洼映废睦稼狡刨壤埋瓦矮榆肥尾谬磺渍闰葫子推剑族热战鸥钞受胃版屠牙于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道本章结束本章结束川杆丁剖堆旨龋瞎惦果陇宅辑塔腋衍饯辜匪淌掸丑初闰悲卓婆失胆耽阶泅于海生第章输入输出接口与过程通道于海生第章输入输出接口与过程通道
