计算机控制ppt课件

第二章过程通道与输入输出接口 1 过程通道的定义过程信号与计算机数据之间变换传递的电路称为输入输出过程通道 简称过程通道 2 过程通道的分类 模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量输入通道 数字量输出通道 3 输入输出接口定义输入输出接口是计算机与外部设备进行数据交换的通道和桥梁 输入接口是实现将外部设备的各种信息输入到计算机 输出接口是实现将计算机的各种信息输出到外部设备 本章内容 1 过程通道的一般结构2 输入输出接口3 模拟量输入通道4 模拟量输出通道5 数字量输入输出通道 第一节过程通道的一般结构 一 输入输出过程通道的基本概念计算机控制系统中过程通道的一般结构 如图所示 输入输出过程通道结构 1 输入过程通道输入过程通道是指从被控设备到计算机的物理信号传输和变换的通道 输入过程通道主要是实现被控设备和计算机之间的原始参数和信号的变换 调理 传递和抗干扰 由于生产过程中信号的种类 性质 数量 大小 工作环境和控制要求等诸多方面的不同 在过程通道的设计和实现上 需要采用合适的输入过程通道 2 输出过程通道输出过程通道是指从计算机到被控设备控制信号和参数的传输通道 在模拟量输出通道中 需采用数模转换器D A将计算机输出的数字信号转换成模拟量控制信号输出给执行机构 由执行机构直接作用于生产过程的被控对象进行控制或调节 数字量输出通道是将计算机输出的数字信号变换成执行器所要求的电平 一般需要信号隔离 功率驱动等 二 输入过程通道的结构类型输入通道的结构主要取决于生产过程的环境 控制要求和输入信号的种类 性质 数量 大小 在不考虑前端传感器的类型情况下 输入通道结构归纳起来大致可以分为以下几种 1 单信号通道类型单信号常见有以下几种类型 高电压 大电流模拟信号 低电压 小电流模拟信号 脉冲信号 开关信号 它们对应的输入通道结构如图所示 输入通道结构类型图 2 多信号输入通道类型 在多信号输入通道中 根据多路模拟开关的位置不同 有两种模拟量输入通道结构 1 当传感器的输出信号较微弱时 应该先对信号进行放大 再经多路开关分时采样 避免经多路开关造成较大误差 如图所示 多路信号多路放大输入过程通道结构 2 当传感器或变送器输出信号电压较大时 多路开关可直接和传感器 或变送器 输出相连 并在多路开关后设置放大电路 如图所示 多路频率开关信号可省略A D转换 只需要将各路频率信号通过放大 整形后送入计算机的I O口或中断入口 三 输出过程通道的结构类型输出过程通道根据输出信号形式和控制对象的特点 其结构形式如图所示 输出过程通道结构 计算机以数字信号通过I O口或数据总线送给控制对象 这些信号形态主要有开关量 二进制数字量和频率量 可直接用于开关量 数字量系统及频率调制系统 但对于模拟量控制系统 则应通过数 模转换器变换成模拟量控制信号 输出通道具有小信号输出 大功率控制的特点 并且接近控制对象 环境恶劣 电磁 机械干扰较为严重 开关量信号输出直接控制系统开关量执行机构 通道中要考虑功率驱动的问题 数字量输出的控制目标一般有两类 一类是与模拟电压大小成比例的执行机构 此时数字信号要经过数模 D A 转换和功率放大后驱动执行机构 另一类是直接数字量控制设备 此类设备具有数字识别执行机构 如数字电路等 频率量输出的控制目标也分为两类 一类是与频率大小有关的频率量调制系统 如PWM控制设备 该类信号需要将计算机输出的频率量做适当调节以满足设备的要求 再接入执行机构 另一类是应用在比较慢速的控制执行设备上 此类设备的控制与电压大小有关 可通过F V变换来实现 计算机只需改变频率大小来控制输出电压的幅值 第二节输入输出接口 接口是计算机控制系统各通道中多个设备协调一致工作的重要保证 是过程通道和人机联系系统设计的基础 它具有以下功能 1 数据缓冲功能 2 信号转换功能 3 驱动功能 4 中断管理功能 接口 I O 根据数据传输的时间关系可分为并行接口和串行接口 根据数据传输的方向可分为输入接口和输出接口 一 接口技术在计算机控制系统中 CPU与外设所交换的信息有数据信息 控制信息和状态信息 I O接口中有三种端口 即数据端口 状态端口和控制端口 负责对应信息的传送 接口技术就是研究计算机与外设之间如何交换信息的技术 它主要包括以下几个方面的内容 1 数据缓冲 2 功能寻址 3 命令译码 4 同步控制 5 数据转换 6 电平转换 7 中断接口 8 总线驱动 CPU与外设交换信息通常采用总线形式 为了使总线能够有效 可靠地进行信息交换 在设计系统时 往往采用标准总线 如STD总线 PC总线和RS232 C总线等 在进行I O接口扩展时还应注意以下两点 1 硬件相依性 2 软件相依性 二 输入输出通道接口实现及控制I O接口的设计灵活性很大 有的功能既可由硬件实现 也可以用软件实现 硬件设计时 可以采用通用I O接口芯片实现 也可选用现成的I O接口模板实现 1 采用通用I O接口芯片实现功能不同的过程通道和外部设备 需要采用不同的I O接口电路来实现与计算机的连接 常见的接口集成芯片有地址和数据锁存器74LS273 74LS373 8位并行I O接口8212 18282 8位双向三态输出数据缓冲器8286 8287 8位三态输出数据缓冲 线驱动器74LS244 8位三态双向驱动器74LS245 外部地址译码器74LS138 74LS139等 另一类功能极强的接口芯片为可编程接口芯片 所谓可编程接口 是指接口的通用部分由大规模集成电路实现 其具体功能由程序来确定 常用的可编程接口芯片有并行接口8255A 8155 8156 串行接口8251A 中断控制器8259A 计数器 定时器8253 8254 DMA控制器8237A以及键盘和显示器接口8279等 以上接口芯片的具体应用请参考有关资料 2 单板式整体结构将测控系统制作成一个独立的装置 接口设备与CPU制作成一体 这种设备用于小型控制系统 系统开发起来比较快速 可以通过购买成熟的适合控制系统用的现成的一体化系统 直接进行软件开发就可以 如图所示是启东计算机公司的一款基于MCS 98单片机芯片的单板式I O接口 图中 CPU采用Intel80C196KB KC单片机 配备有基本管理软件 能直接和通用键盘显示板配套使用 自带8路光电隔离 4路输入 4路输出 一个8位D A 一片8l55I O接口 具有RS485及RS232接口 打印机接口等 3 标准计算机扩展板计算机扩展插槽从ISA标准 VISA标准 发展到现在的PCI标准 利用计算机的扩展功能 将I O接口装置按照计算机扩展槽的标准开发 并制成多种类型的板卡 可直接插在计算机的扩展槽上 这些板卡功能强大 可以接收各种输入输出信号 便于计算机控制系统的设计和实现 灵活性好 可靠性高 4 模块化模块化输入输出接口的实现是将I O功能以模块的方式来实现 I O模块与计算机之间 以及I O模块和I O之间的物理连接可以很灵活 可以是并行总线 也可以是串行总线 还可以是双绞线相互连接 系统的构成和扩展非常方便 大中型计算机监控系统和远程控制系统都适合这样的方式 三 输入输出控制方式CPU与外部设备交换数据的方式就是输入输出控制方式 通常采用的输入输出控制方式有三种 1 程序控制方式 2 中断控制方式 3 直接存储器存取 DMA 方式 进行计算机控制系统设计和开发时 应根据外部设备的种类 产生事件的重要性 对数据处理速度的要求以及控制系统的要求等 选择适当的控制方式 1 程序控制方式程序控制输入输出方式是指CPU与外围设备之间的数据交换是在程序控制之下进行的 程序控制方式又可以分为两种 一 无条件输入输出方式 二 查询式输入输出方式 查询的方式有两种 1 采用定时查询的方式 2 巡回检测的方式 2 中断控制方式中断方式的采用 要求系统设计时解决好下列问题 1 现场保护与恢复 2 正确判断中断源 3 能够实时地响应外围设备的中断请求 4 中断优先级 3 直接存储器存取方式 DMA方式 DMA是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式 这种控制方式适合于数据传送量较大或要求较高的场合 第三节模拟量输入通道 模拟量输入通道的主要作用是将被测的各种模拟参数转换成数字信号 输入到计算机进行加工处理 在模拟输入通道中要完成模拟输入信号的变换 滤波 采样 放大 保持 模 数转换等 典型的模拟量输入通道如图所示 下图所示为共享A D和采样保持器 S H 的模拟量输入通道结构形式 下图所示为只共享A D 各模拟信号分别设置采样保持器S H的结构形式 下图所示为弱信号的输入结构形式 一 信号的拾取生产过程的参数有非电参量和电参量 在模拟量输入通道中 首先要将非电参量 如压力 温度 速度 位移 流量 液位等物理量转换成电量 信号的拾取一般是通过传感器或变送器来实现的 传感器是一种把被测非电参量信号转换成电量信号的器件 传感器通常由敏感元件 转换元件和其他辅助部件组成 下图为传感器组成框图 传感器分为直接转换型传感器和间接转换型传感器 传感器的种类有很多 常见的分类如下 1 按工作原理可划分为 电学式传感器 磁学式传感器 电荷式传感器 半导体传感器 光电式传感器 电动势式传感器 谐振式传感器 电化学式传感器等 2 按被测物理量来分 常见的传感器有 温度传感器 压力传感器 流量传感器 液位传感器 湿度传感器 力传感器 加速度传感器 转矩传感器等 3 按输出信号的性质可分为 输出为模拟信号的模拟型传感器 输出为开关量的开关型传感器 输出为脉冲或代码的数字型传感器 传感器输出模拟电量可以是电压或电流 有的传感器输出信号为大信号输出 而有的为小信号输出 传感器技术的发展对计算机控制系统有较大影响 主要体现在以下几个方面 1 大信号输出传感器 2 集成传感器 3 数字量传感器 4 光纤传感器 在选择传感器时应尽可能选择大信号输出传感器 在一些非快速测量中尽可能选用频率量输出传感器 二 I V变换变送器输出的 0 10 mA或 4 20 mA标准电流信号 需要经过I V处理变成电压信号后才能处理 一般采用电阻网络进行I V变换 1 无源I V变换无源I V变换是利用无源器件电阻来实现的 如图所示 对于0 10mA输入信号 可取R1 100 R2 500 这样当输入电流为0 10mA时 输出电压为0 5V 对于4 20mA输入信号 可取R1 100 R2 250 其输出电压为1 5V 无源I V变换电路 2 有源I V变换有源I V变换是利用有源器件运算放大器和电阻组成 如图所示 利用运算放大器A和电组构成同相放大电路 将R1上产生的输入电压变换成输出电压 该同相放大电路的放大倍数为 有源I V变换电路 若R3 100 R4 150 R1 200 则当输入为0 10mA时 对应的电压输出为0 5V 若R3 100 R4 25 R1 200 则当输入为4 20mA时 对应的电压输出为1 5V 三 多路转换器多路转换器也称多路开关 在模拟量的输入通道中 多路转换器是 多选一 在模拟量的输出通道中 多路转换器是 一选多 只有一个公共输入端 与D A转换器的输出端相连 有多个输出端接不同的控制回路 每次选择一个控制回路输出 故也称为多路分配器 在模拟量输入 输出通道中 多路开关是用来切换模拟信号的 故也称为模拟多路开关 多路开关有机械接触式和电子式两大类 最常用的机械接触式多路开关是干簧继电器 这类开关的优点是结构简单 闭合时接触电阻小 断开时阻抗高 工作寿命长 可达106 107次 不受环境温度影响等 其工作频率可达400Hz左右 适合于小信号中速度 100 400点 秒 的采样单元使用 缺点是工作频率相对较低 体积比电子式开关大 有时触点会发生吸合不放的现象 在计算机控制系统中 广泛使用的是电子式无触点开关 这类开关的优点是采样速度快 工作频率高 可用于1000点 秒以上的高速采样 而且体积小 寿命长 缺点是导通电阻较大 驱动部分与开关元件不独立 影响小信号的测量精度 电子式多路开关多为集成电路的多路开关 有多种类型 从输入信号的接入方式来分 有的是单端输入 有的则是双端输入 或称差动输入 从组成开关的电路来分 有TTL电路和CMOS HMOS电路等 有的还能在其内部进行TTL与CMOS之间的电平转换 如CD4051 集成电路的多路开关多采用标准双列直插式结构 目前已有不少贴片的多路模拟开关芯片 体积很小 图为CD4051的原理图和管脚图 CD4051真值表 图为AD7501和AD7503功能管脚图 下表是AD7501和AD7503的真值表 多路开关在应用中应注意以下方面的问题 1 通道的数量 2 切换速度 3 开关电阻 四 采样保持器采样保持器作用 1 减小由A D转换器引起的转换误差 2 采集同一瞬间的若干个模拟量 1 采样保持器的工作原理采样保持器的基本组成电路如图所示 2 常用的采样保持器目前 采样保持器大都做成集成电路芯片 常用的集成采样保持器有LF198 LF398 AD582 AD583等 下图为AD582的结构原理图 下图为LF398的结构原理图 3 采样频率的确定由奈奎司特采样定律可知 在理想的数据采集系统中 为了使采样输出信号能无失真地复现原输入信号 采样频率fs至少为输入信号最高有效频率fmax的两倍 否则会产生频率混选误差 如下图所示 每个数据带宽周期内 采样不足所造成的假信号误差 实际应用过程中 常采用fs 7 10 fmax多通道数据采集的最小采样频率fs应为 fs 7 10 fmax NN 为通道数最大采样周期 Ts 1 fs在多通道快速动态信号采集中 如果采样频率不能满足要求 可采用多通道采样保持电路解决 4 采样保持器的主要性能参数 1 采集时间 捕捉时间 2 孔径时间 3 保持电压衰减率 4 直通馈入 五 A D转换器A D转换器是把模拟电压或电流转换成数字量的集成电路器件 是模拟量输入通道中的关键器件 其性能和设计对通道的设计和数据采集系统性能的影响很大 A D转换器的分类方法 1 按位数来分 有4位 8位 12位 16位等 2 按其结构来分 有单一功能的A D转换器 有内含多路开关的A D转换器 也有多功能A D转换器 3 按工作原理来分 有双积分型 逐次逼近型 并行比较型 串并行型 调制型 电容阵列逐次比较型及压频变换型等 在计算机控制系统中 常用的A D转换器是逐次逼近型A D转换器和双斜积分型A D转换器 一 A D转换器的工作原理1 双积分型A D转换器 双积分型A D转换器的工作过程如下 转换开始后 首先使积分电容C完全放电 并将计数器清零 然后使开关S先接通输入电压VI 积分器对VI定时积分 当定时T0到时 控制逻辑使S合向基准电压VRef端 并让计数器开始计数 此时积分电容开始反向积分 放电 至输出电压为0时 比较器翻转 并控制计数器停止计数 上图 b 为两次积分的波形图 在正向积分时间T0固定的情况下 反向积分时间Ti 图中的T1和T2 正比于输入电压VI Ti的数值可由计数器得到 由上述分析可知 双积分型A D转换是测量输入电压在T0时间内的平均值 所以对常态干扰有很强的抑制作用 尤其是对正负波形对称的干扰信号 抑制效果更好 这种转换器的优点是简单 抗干扰能力强 精度高 外接器件少 使用方便 极高的性价比 缺点是其转换时间长 几十毫秒 几百毫秒 适用于在模拟信号变化缓慢 采样速率要求较低的场合 以及对精度要求较高或现场干扰严重的场合 常用的双积分型A D转换器有3位半 相当于2进制11位分辨率 的MC14433 12位二进制码输出的ICL7109 4位半 相当于2进制14位分辨率 的ICL7135等 2 逐次逼近型A D转换器 当向A D转换器发出启动脉冲后 在时钟作用下 其控制逻辑首先将N次逐次逼近寄存器SAR最高位DN 1置1 经D A转换器转换成模拟量VC后 与输入的模拟量Vx在比较器中进行比较 由比较器给出比较结果 当VX VC时 则保留这一位 否则该位置0 然后 再使DN 2位置1 与上一位DN 1一起进入D A转换器 经D A转换后的模拟量Vc再与模拟量Vx进行比较 如此继续下去 直到最后 位D0比较完成为止 此时N位寄存器中的数字量即为模拟量Vx所对应的数字量 当A D转换结束后 由控制逻辑发出 个转换结束信号 表示转换结束 该结束信号即可由计算机查询 也可作为中断请求信号 逐次逼近型A D转换器的优点是转换速度快 一般在1 100 s以内 功耗低 缺点是抗干扰能力较差 常用的逐次逼近型A D转换器有8位分辨率的ADC0809 10位分辨率的AD7570 AD573 12位分辨率的AD574A和AD1674等 二 A D转换器的主要技术指标1 分辨率分辨率是指A D转换器对微小输入信号变化的敏感程度 通常用数字输出最低位 LSB 所对应的模拟输入的电平值表示 2 转换时间及转换速率转换时间是指A D转换器完成一次转换所需的时间 即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔 转换时间的倒数称为转换速率 为了保证转换的正确完成 采样速率必须小于或等于转换速率 3 转换精度转换精度分为绝对精度和相对精度 1 绝对精度 是指对应于一个给定数字量A D转换器的误差 其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量 2 相对精度 是指在整个转换过程中 任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差 用模拟电压满量程的百分比表示 4 电源灵敏度电源灵敏度是指A D转换器的供电电源的电压发生变化时产生的转换误差 一般用电源电压变化1 时相应模拟量变化的百分数来表示 5 量程量程是指A D转换器所能转换的模拟输入电压的范围 例如 单极性量程有 0 5V 0 10V 0 20V 双极性量程有 2 5V 2 5V 5V 5V 10V 10V 6 工作温度范围由于温度会对比较器 运算放大器等产生影响 所以只有在规定的温度范围内才能保证额定精度指标 三 A D转换器的选择原则选择A D转换器芯片应从以下几个方面加以考虑 1 根据数据采集精度要求选择A D转换器精度及分辨率 2 根据信号对象的变化率及转换精度要求 确定A D转换速度 以保证系统的实时性要求 3 根据模拟量的特性确定A D转换器的量程范围和极性 4 根据环境条件选择A D转换芯片的一些环境参数要求 5 根据计算机接口特征 选择A D转换器的输出状态 6 其它 例如 成本 市场供货情况 是否是流行芯片等 四 典型的A D转换器芯片及应用1 8位A D转换器ADC0809 1 ADC0809原理结构图 2 ADC0809的引脚结构图 3 ADC0809典型接线示意图 2 12位A D转换器AD574A 1 AD574A原理结构框图 2 AD574A引脚的连接方式 2 控制逻辑AD574A中有控制逻辑电路 负责完成启动转换 控制转换方式和控制转换结果输出的任务 六 V F转换器电压 频率 简称V F 转换技术是A D转换的另一种形式 模拟量通过V F转换变换成频率量送入计算机 V F结构通道的优点是具有精度高 性能好 输出单值 抗干扰能力强 便于远距离传输 但是由于频率测量响应速度慢 故多用于非快速过程参量的测量 适用于远距离传输或噪声干扰较强的系统 V F变换器的光电隔离技术原理图 上图中 V F变换器的输出频率只相当于一位数字量 因而很容易用光电隔离构成全浮空的A D转换电路 这样 可以大大地提高系统的抗干扰能力 而且所用光电隔离器件的数量为一般 转换器的1 N N为A D转换器的转换位数 在模拟地与数字地之间可以抑制500 1500V的共模电压 一 V F转换器的原理V F转换器实际上是一个电压控制振荡器 即振荡频率随控制电压的变化而变化的振荡电路 V F变换器应用较多的是电荷平衡式V F转换器 其电路结构如下图所示 a 电荷式V F电路结构 b 积分器与单稳态定时器的输出波形 在图 a 中 运算放大器A1和RC电路组成一个积分器 IR为恒流源 与模拟开关S组成一个积分器的反充电回路 设开始时 恰好单稳态触发器的输出为低电平 使恒流源与反向输入端开路 此时流过积分器的电流只有输入电流VIN R 该电流对积分电容C充电 使积分器输出VINT下降 直到比较器翻转 使单稳态触发器输出一个t0宽度的正脉冲 此脉冲使模拟开关S闭合 恒流源开始向积分器反向充电 由于IR VINmax R 在此期间内 积分器以反向充电为主 故VINT线性上升到一定程度 又使比较器翻转 因而单稳态触发器再次输出脉冲信号 使S开关断开 于是又只有VIN下降 再次重复开始的过程 输出端产生一个具有一定频率的脉冲信号V0 如图 b 所示 根据充电电荷量和反充电电荷量相等的电荷平衡原理 可得 因此 输出的振荡频率 由上式可见 输出频率f与输入模拟电压VIN成正比 其比例系数取决于IR R及t0 要精确地实现V F转换 这些量必须准确而稳定 二 V F转换器的主要技术指标及典型应用V F转换器的主要技术指标如下 输入电压0 10V输出频率0 100kHZ线性度 0 005 失调电压 3mv温度系数 44ppm V F变换器的主要用途 除了构成 般的廉价A D转换外 还可以组成具有很高抗干扰能力的模 数转换隔离电路 或组成远距离数据采集系统 下面介绍几种典型应用 1 廉价A D转换器如果在一定的时间内对V 变换器的输出脉冲进行计数 得到的就是与模拟量输入电压成正比的数字量 例如在 单片机系统中可用软件方式进行计数 也可用中断的方法计数 还可用其内部的定时器 计数器来完成这项工作 令定时器T0为定时方式 用以产生计数的门限时间t 用T1进行计数 因其为16位计数器 最大计数值为65536 当V F变换器选定之后 其模拟量量程所对应的频率值fmax也随之确定 于是 由下面的公式即可求出输入的电压值 式中 x一模拟量输入电压 Vmax一V F变换器的最大量程 Nx一在T1时间内的实际计数值 Nm一在T1时间内对应于最大量程Vmax的计数值 其中式中为V F变换器最大输出频率 例如 假设某V F变换器的输入电压为5V时 对应的最大输出频率为100kHz 如果选定的计数时间为100ms 那么 在该时段内满刻度计数值应为10000 如在某一时刻 输出计数值为5000 则其对应的模拟量输入电压即为2 5V 下边举例讲一下这种V F变换电路的实际电路和程序设计方法 下图所示为采用AD654V F变换器的廉价A D转换电路 在上图中 设模拟量输入电压为0 10V AD654的输出引脚1上可输出0 500kHz的脉冲串 引脚1与单片机的定时 计数器T1的外输入端T1相连 以便进行计数 定时器T 提供计数的门限值 定时时间为100ms 设系统时钟为6MHz 计数结果存放在内部RAM单元中 可以采用中断方式进行采样 读取内部RAM单元的计数值 便可获得 转换结果 2高抗干扰能力数据采集输出系统计算机控制系统中 有时候要求将模拟信号转送到较远的地方 单纯用模拟技术 避免不了现场带来的干扰的串入 信号微弱的时候干扰现象尤为严重 采用 技术将模拟信号转变成数字信号传送 则在技术上显得非常实用和简单 在模拟信号量少的情况下 则更显优势 高抗干扰模拟数据远传系统原理图 上图所示为具有高抗干扰性能的数据采集系统 被测参数经传感器检测后 由放大器放大成0 10V直流电压信号 通过V F变换器变换成 100kHz的频率信号 再由线驱动器放大后 通过双绞线电缆传送到目的地 此外 由线接收器进行信号接收 进入F V变换器 将频率量重新变为模拟量 送至模拟仪表加以显示 第四节模拟量输出通道 模拟量输出通道是将计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号 以驱动相应的执行机构 达到控制的目的 模拟量输出的主要方式有两种 经过 转换器转换成模拟量输出 经过 转换后获得模拟量输出 在大部分应用中是采用前一种方式 由于D A转换器需要一定的转换时间 在转换期间 输入待转换的数字量应保持不变 而计算机输出的数据在数据总线上稳定的时间很短 因此在计算机与D A转换期间必须用锁存器来保持数字量的稳定 a 多D A转换器结构 上图 a 中 每一个输出通道都设置一个D A转换器 这种实现方法转换速度快 工作可靠 实现容易 但使用较多D A转换器 这种电路在每一个通道所对应的数字接口处 实现数字保持 b 共享D A转换器的结构 图 b 中 多输出通道共享一个D A转换器 采用1对多的多路开关实现分时切换 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对应的输出采样保持器S H 这种结构形式的优点是节省了D A转换器 但需分时工作 控制速度慢 一般适用于通道数量多且速度要求不高的场合 一D A转换器D A转换器是一种将数字量转换成模拟电压或模拟电流信号的器件 分类 1 按位数来分有8位 10位 12位和16位等 2 按输出模拟信号形式分有输出电流型和输出电压型D A转换器 多数为电流形式 电压输出型又有单极性和双极性输出两种形式 随着技术的发展 又生产出各种用途的D A转换器 例如双D A 4通道D A转换器 串行D A转换器等 虽然D A种类很多 但就其转换原理基本上是相同的 D A转换器原理框图 一 D A转换原理D A转换器由参考电源 数字开关控制 模拟转换 数字接口以及放大器组成 其原理如下图所示 图中 虚线框内电路是由数字开关和进行模拟转换的电阻解码网络组成 它是D A转换器件的核心部分 其中 数字开关大都是由晶体管或场效应管开关组成 待转换的数字量经数字接口控制各位相应的数字开关 电阻解码网络有两种形式 即权电阻网络和R 2R梯形电阻网络 权电阻网络由于各位的权电阻值 2iR i为该电阻所在的位数 不同 因而要求电阻的种类较多 制作工艺比较复杂 特别是在集成电路芯片中当两个电阻值比率超过20 1时即不能良好地匹配 所以限制了D A转换器位数的增加 上限为5位 R 2R梯形电阻网络中电阻种类比较少 制作比较容易 故目前大都采用这种电阻解码网络 R 2R梯形电阻解码网络的原理电路 如下图所示 在图中 整个电路由若干个相同的支路组成 每个支路有两个电阻和一个开关 开关S i是按二进制 位 进行控制的 当该位为 1 时 开关将加权电阻与Iout1输出端接通 该位为 0 时 开关与Iout2接通 由于Iout2接地 Iout1为虚地 所以流过每个权电阻Ri的电流依次为 由于IOUT1端输出的总电流是置 1 各位加权电流的总和 IOUT2端输出的总电流是置 0 各位加权电流的总和 所以当D A转换器输入为全 1 时 IOUT1和IOUT2分别为当运算放大器的反馈电阻Rfb等于反相端输入电阻 R时 其输出模拟电压对于任意二进制码 其输出模拟电压为 式中 ai 1或ai 0 可见 输出电压正比于输入数字量 其幅度的大小可以通过选择VREF和Rf R的比值来调整 通常 D A转换器的输出电压范围有0 5V 0 10V 0 2 5V 0 5V和0 10V几种 D A转换器的输出形式有电压 电流两种 电压输出型的D A转换器相当于一个电压源 内电阻较小 选用时 与它匹配的负载电阻应较大 电流输出型的D A转换器 相当于电流源 内阻较大 选用时 负载电阻不可太大 下图所示为两种常用的I V转换电路 图 a 为反相电压输出 其输出电压Vo IR 图 b 为同相电压输出 输出电压为Vo IR 1 R2 R1 二 D A转换器的主要性能指标 1 分辨率 是指D A转换器能分辨的最小输出模拟增量 它是对输入变化敏感程度的描述 通常用数字量的位数表示 例如8位 10位 12位等 如果数字量的位数为n 则D A转换器的分辨率为2 n 因此 数字量位数越多 分辨率越高 2 绝对精度 对应于给定的满刻度数字量 D A转换器实际输出值与理论值之间的误差 3 相对精度 在满刻度已校准的情况下 在整个刻度范围内 对应于任一数码的模拟量输出与理论值之差 对于线性的D A转换器 相对精度就是非线性度 4 输出电平 一般电压型的D A转换器输出为0 5V或0 10V 电流型的D A转换器输出电流为几毫安至几安 5 建立时间 指D A转换器从输入数字量变化到输出达到终值误差时所需的时间 也称稳定时间 一般为几十毫微秒到几微秒 6 温度系数 温度每变化1 C 增益 线性度 零点及偏移等参数的变化量 三 D A转换芯片选用原则 1 D A转换芯片的主要性能指标应满足模拟输出通道的技术要求 2 在选用时要考虑D A转换器的结构特征 3 根据执行结构对模拟电压的大小的要求 确定D A转换器的输出电平范围 4 根据输出通道的要求 确定是否需要增加U I转换电路 四 典型的D A转换器芯片1 8位D A转换器DAC0832 2 DAC0832的工作方式 1 直通工作方式 2 单缓冲工作方式 3 双缓冲工作方式 3 DAC0832的输出方式 1 单极性电压输出 2 双极性电压输出 2 12位D A转换器DAC1210 二 D A转换器输出的V I变换有些应用场合需要输出电流信号 以便与标准仪表相配接或满足长距离传送的要求 此时 需要在电压输出端加上V I转换电路将D A转换器输出的电压变换成电流 可直接使用集成V I转换芯片实现0 5V 0 10V 1 5V的直流电压信号到0 10mA 4 20mA直流电流信号变换 例如 ZF2B20 AD694 ZF2B20是一种高精度V I变换器 可以产生一个与输入电压成正比例的输出电流 其输入电压范围为0 10V 输出电流是4 20mA 加接地负载 采用单电源供电 电源电压范围为10 32V 下图是利用ZF2B20实现V I变换的接线图和引脚图 图 a 所示电路是一种带初值校准的0 10V到4 20m A的转换电路 图 b 所示电路则是一种带满刻度校准的0 10V到0 10mA的转换电路 图 c 是ZF2B20的引脚图 a b c 三模拟量输出通道设计以PC工业控制机的总线方式为例来设计一个模拟量输出通道 设其主要技术指标为 1 8路模拟量输出通道 2 12位分辨率 3 8位数据总线 4 采用双极性输出 5 输出通道共享一片D A转换器 下图是一种设计方案的电路原理图 8路模拟量输出通道电路图 第五节数字量输入输出通道 计算机控制系统中 输入通道中的数字量信号主要有频率信号 编码信号 开关量信号等 输出通道中的数字量信号也有频率量 编码量和开关量等 由于数字量信号是计算机能直接接收和处理的信号 所以数字量输入通道比较简单 主要是解决信号的缓冲 锁存以及信号的隔离等问题 由于在多数字量通道的系统中 计算机要为多路信号进行数据处理 而外部设备的工作速度比较慢 所以需要对各路的信号加以锁存 以便计算机能接收和处理 防止信号的丢失 数字信号由于非常适合进行抗干扰处理 通常采用光电耦合器将控制设备和计算机控制系统进行隔离 防止输入输出通道串入大的干扰信号 一 数字量输入通道数字量输人通道的任务就是把检测到的数字信号传送给计算机 数字量输入通道的一般结构形式如下图所示 输入信号的整形是采用整形电路将混有抖动信号或毛刺干扰的双值逻辑输入信号以及信号前后沿不合要求的输入信号整形成接近理想状态的方波或矩形波 而后再根据要求变换成相应形状的脉冲信号 输入信号波形的整形可以用单稳态触发器或施密特触发器来实现 电平转换是采用电平转换电路将输入的双值逻辑电平转换成能与计算机兼容的电平 下图所示为两种电平转换电路 由于生产过程中的开关类器件 如按钮 继电器 接触器 限位开关等在闭合与断开时往往存在触点的抖动问题 从而引起抖动信号 如图所示按键抖动过程的电平变化 如果不进行去抖处理 可能会造成错误判断开关量的状态 抖动的消除既可采用硬件电路 也可采用软件方法来实现 硬件方法通常采用RC滤波器或RS触发器电路 如图所示 软件消抖的方法是通过编写程序来实现 在程序中 在第一次检测到有键按下时 执行一段延时 约10ms 子程序后再检测该按键 确认该按键是否保持为闭合状态的电平 如果仍保持闭合状态电平 则确认为真正有键按下 从而消除抖动可能带来的误判 在数字量输入通道中 为了防止电磁干扰对计算机的影响 避免损坏接口电路芯片或其它元器件 必须采用各种抗干扰措施 尤其是在开关量输入输出通道中 通常采用光电隔离和继电器隔离的方法 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管组成 如图所示 下图所示为利用光电耦合器作为开关量输入计算机的隔离器件的原理接线图 图 a 中 S断开对应输出U01为高电平 S闭合U01为低电平 图 b 中 S断开对应输出U02为低电平 S闭合U02为高电平 地址译码可以采用地址译码器74LSl38 对于一些数字量可以采用三态缓冲器 线驱动器74LS244与计算机接口 74LS244的引脚图如图所示 下图所示为采用74LS244