输入输出接口与过程通道新2011331PPT课件

1、 1G2G74LS244 输入接口 D0D1D2D3D4D5D6D7 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总线第1页/共100页2 2数字量输出接口（数字量输出接口（DODO） 作用：作用：当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进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。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：完成过程：用用74LS27374LS273作作8 8位输出锁存口，对状态输出位输出

2、锁存口，对状态输出信号进行锁存。由于信号进行锁存。由于PCPC总线工业控制机的总线工业控制机的I/OI/O端口写总线周端口写总线周期时序关系中，总线数据期时序关系中，总线数据D D0 0D D7 7比比I/OI/O写前沿写前沿( (下降沿下降沿) )稍晚，稍晚，因此利用因此利用I/OI/O写的写的后沿后沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行址译码，得到片选信号，当在执行OUTOUT指令周期时，产生指令周期时，产生I/OI/O写信号。写信号。 74LS273 CLR CLK 输出接口 RESET D0D1D2D3D4D5D6D7 PC总线

3、 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 D4 Q4 D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7 D8 Q8 IOW CS图 2 .2 数字量输出接口 IOWIOWIOWIOW第2页/共100页2.1.2 2.1.2 数字量输入通道数字量输入通道1.1.数字量输入通道的结构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。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 第3页/共100页2. 2. 输入调理电路输入调理电路 数字量数字量( (开关量开关量) )输入通道

4、的输入通道的基本功能基本功能就是接收就是接收外部装置或生产过程的状态信号。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、开关这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的的触点触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。现象。 为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将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现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离转换、保护、滤波、隔离等等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能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称为信号调理 。 （1 1）小功率输入调理电

5、路）小功率输入调理电路 （2 2）大功率输入调理电路）大功率输入调理电路第4页/共100页（1 1）小功率输入调理电路）小功率输入调理电路 开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTLTTL电平信号与计算机相连。电平信号与计算机相连。 为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，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一般都应加入有较长时间常数的积分电路积分电路来消除这种振来消除这种振荡。荡。 +5V C K R2 R1 第5页/共100页RSRS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

6、 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，故状态 不改变。不改变。+5V K R45 R3 第6页/共100页（ 当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使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，接点两端至少要加接点工作可靠，接点两端至少要加24V24V以上的直流电压（因以上的直流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由为直流电平的响应快，

7、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。离。 光电隔离光电隔离：通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号，：通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号，在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可以互相的隔离。可以互相的隔离。 原理：原理：当当K K 闭合时，光电二极闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相输出为反相器反相输出为1 1。 当当K K断开时，光电二极管不导断开时，光电二极管不导通，晶体

8、管不导通，经反相器反通，晶体管不导通，经反相器反相输出为相输出为0 0。 其中，用其中，用R1R1、R2R2进行进行限流限流分压，分压，C C进行滤波，要合理选择参数进行滤波，要合理选择参数。+5V R2 R3 C R1 +48V 第7页/共100页2.1.2 2.1.2 数字量输出通道数字量输出通道1.1.数字量输出通道的结构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

9、道结构 第8页/共100页2.2.输出驱动电路输出驱动电路 在数字量输出通道中，关键是在数字量输出通道中，关键是驱动驱动，因为从锁存器中出，因为从锁存器中出来的是来的是TTLTTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。（1 1）小功率直流驱动电路）小功率直流驱动电路 a.a.功率晶体管输出驱动继电器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。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二极管D D，J J为继电器的线圈。为继电器的线圈。 D D的作用是泄流，通

10、过的作用是泄流，通过D D放掉放掉J J上所带的电荷，防止反向击上所带的电荷，防止反向击穿。穿。 R R的作用是限流。的作用是限流。 作用过程：当输入作用过程：当输入TTLTTL电平为电平为1 1时，晶体管截止，时，晶体管截止，J J不吸合。不吸合。 当输当输TTLTTL电平为电平为0 0时，晶体管导通，时，晶体管导通，J J吸合。吸合。第9页/共100页b.b.达林顿阵列输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路 MC1416(16MC1416(16脚脚, ,含有含有7 7达林顿复合晶体管达林顿复合晶体管) )是达林顿阵列是达林顿阵列驱动器。驱动器。 达林顿晶体管达林顿晶体管DTDT（D

11、ar1ington TransistorDar1ington Transistor）亦称复）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，最后引出二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E E、B B、C C三个三个电极。电极。第10页/共100页 MC1416MC1416第11页/共100页(2)(2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路 在大功率交流驱动电路中，固态继电器在大功率交流驱动电路中

12、，固态继电器SSRSSR作交流开关使作交流开关使用。用。 SSRSSR是一种无触是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中点通断电子开关，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，为实现输两个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为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。耦合器。 输入输入输入输入零交叉电路在交流电过零时零交叉电路在交流电过零时, ,会会产产 生触发信号，生触发信号，从而减从而减少干扰。少干扰。 第12页/共100页 A/D A/D转换器的主要技术指标：转换器的主要技术指标

13、： 转换时间：转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。 分辨率：分辨率：通常用数字量的位数通常用数字量的位数n(n(字长字长) )来表示，如来表示，如8 8位、位、1212 位、位、1616位等。位等。 线性误差：线性误差：理想转换特性理想转换特性( (量化特性量化特性) )应该是线性的，但实应该是线性的，但实 际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，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。偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。 线性误差常用线性误差常用LSB(LSB(数字量的最低有效位数字量

14、的最低有效位) )的分的分数数 表示表示, ,如如(1/2)LSB(1/2)LSB或或1LSB1LSB。 量程：量程：即所能转换的输入电压范围，如即所能转换的输入电压范围，如-5V-5V+5V, 0+5V, 010V10V， 0 05V5V等。等。 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的精度产基准电源的精度对整个系统的精度产生生 很大影响。故在设计时，应考虑是否很大影响。故在设计时，应考虑是否要要 外接精密基准电源。外接精密基准电源。第13页/共100页A/DA/D转换方式：转换方式：逐次逼近式逐次逼近式：转换时间短：转换时间短( (几个微秒几百个微几个微秒几百个微 秒

15、秒) )，但抗干扰能力较差。常用的，但抗干扰能力较差。常用的逐逐 次逼近式次逼近式A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809，AD574AD574 等；等；双斜积分式：双斜积分式：转换时间长转换时间长( (几十个毫秒几百个几十个毫秒几百个毫毫 秒秒) )，抗干扰能力较强。在信号变，抗干扰能力较强。在信号变化化 缓慢、现场干扰严重的场合采用。缓慢、现场干扰严重的场合采用。常常 用的双斜积分式用的双斜积分式A/DA/D转换器有转换器有3 3位位半半 ( (相当于相当于2 2进制进制1111位分辨率位分辨率) )的的MC14433MC14433， 4 4位半位半( (相当于相当于2 2进制

16、进制1414位分辨率位分辨率) )的的 ICL7135 ICL7135等。等。第14页/共100页2.2.1 A/D2.2.1 A/D转换器转换器 ADC0809ADC0809是一种带有是一种带有8 8通道模拟开关的通道模拟开关的8 8位逐次位逐次逼近式逼近式A/DA/D转换器，转换转换器，转换时间为时间为6464个时钟周期（时个时钟周期（时钟频率为钟频率为640KHZ640KHZ时时100s100s左右），线性误左右），线性误差为差为( (1/2)LSB1/2)LSB。 采用采用2828脚双立直插脚双立直插式封装。式封装。 外加基准电源。外加基准电源。IN5D7D6D0D1D2D3D4D5V

17、ref(+)OEGNDVccADDCADC08091109876543220141516171819131211IN3IN4IN7IN6STARTEOCCLOCKVref(-)ALEADDAADDBIN0IN1IN228272625242322211. 81. 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809 ADC0809 第15页/共100页ADC0809ADC0809第16页/共100页第17页/共100页ADC0809ADC0809的转换时序的转换时序第18页/共100页2 21212位位A/DA/D转换器转换器AD574A AD574A （AD1674AD1674） AD574AAD57

18、4A（AD1674AD1674）是一种高性能的是一种高性能的1212位逐位逐次逼近式次逼近式A/DA/D转换器，转换器，转换时间约为转换时间约为2525（1010） s s ， 线 性 误 差 为， 线 性 误 差 为1/2LSB1/2LSB，内部有时钟，内部有时钟脉冲源和基准电压源，脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性单通道单极性或双极性电压输入，采用电压输入，采用2828脚双脚双立直插式封装。立直插式封装。 AD1674AD1674有有S/HS/H。 第19页/共100页AD574AAD574A原理结构原理结构第20页/共100页模拟输入信号编程模拟输入信号编程: :第21页/共100

19、页AD574AD574的输入信号连接方法的输入信号连接方法第22页/共100页第23页/共100页 CE CE、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制，为数字量输出位数控制，A A0 0为分辨率和字节选择：为分辨率和字节选择：在转换启动时，在转换启动时，A A0 0=1=1代表选择代表选择AD574AAD574A作为作为1212位转换器使位转换器使用，在读数据时，用，在读数据时，A A0 0=1=1代表读低字节。代表读低字节。 第24页/共100页 STS STS为为AD574AAD574A的状态输出信号。

20、启动后，的状态输出信号。启动后，STSSTS为高为高电平表示正在转换；电平表示正在转换；25s25s后转换结束，后转换结束，STSSTS为低电平。为低电平。CPUCPU可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。第25页/共100页2.2.2 A/D2.2.2 A/D转换器接口技转换器接口技术术 A/DA/D转换器通常都具有三态数据转换器通常都具有三态数据输出缓冲器输出缓冲器，因而允许因而允许A/DA/D转换器直接同系统总线相连接。为便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，常通过通用并行接口芯片于或简化接口电路设计，常通过通用并行接口芯片82

21、55A8255A实现与系统的接口。实现与系统的接口。 1.ADC08091.ADC0809与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 2.AD574A2.AD574A与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 第26页/共100页1 1ADC0809ADC0809与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口ADC0809ADC0809与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口(8255A)(8255A)电路电路图图 第27页/共100页第28页/共100页8255A8255A的引脚功能的引脚功能第29页/共100页8255A8255A端口功能选择端口功能选择第30页/共1

22、00页2 2ADC574AADC574A与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口第31页/共100页2.3 2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输入通道的模拟量输入通道的任务任务是把从系统中检测是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。送往计算机。 传感器传感器是将生产过程工艺参数转换为电参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数的装置，大多数传感器的输出是直流电压( (或或电流电流) )信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、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

23、量。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，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经常要将测量元件的输出信号经变送器变送器变送，变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成将温度、压力、流量的电信号变成0 010mA10mA或或4 420mA20mA的统一电信号，然后经过模拟量输入通的统一电信号，然后经过模拟量输入通道来处理。道来处理。第32页/共100页2.3.1 2.3.1 模拟量输入通道的组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过程参数由

24、传感元件和变送器测量并转换为电流( (或或电压电压) )形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多形式后，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，进行采样和路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/DA/D转换，实现过程参数的巡回检测。转换，实现过程参数的巡回检测。 模拟量输入通道一般由模拟量输入通道一般由I/VI/V变换变换，多路转换器多路转换器、采样采样保持器保持器、A/DA/D转换器转换器、接口接口及及控制逻辑控制逻辑等组成。等组成。第33页/共100页2.3.2 I/V2.3.2 I/V变换变换 变送器输出的信号为变送器输出的信号为0 01

25、0mA10mA或或4 420mA20mA的的统一信号，需要经过统一信号，需要经过I/VI/V变换变成电压信号后才变换变成电压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表，能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-DDZ-型的输型的输出信号标准为出信号标准为0 010mA,10mA,而而DDZDDZ型和型和DDZSDDZS系系列的输出信号标准为列的输出信号标准为4 420mA20mA。I/VI/V变换的实现方变换的实现方法法: : 1. 1.无源无源I/VI/V变换变换 2. 2.有源有源I/VI/V变换变换 问题：为什么我们经常用到的标准信号是电流信问题：为什么我们经常用到的标准信号是电流信号？号？第34

26、页/共100页1.1.无源无源I/VI/V变换变换I/VI/V变换的基本思想：电流变换的基本思想：电流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，精电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密密 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第35页/共100页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运算放大器和电阻组成。与无源变换的运算放大器和电阻组成。与无源变换的区

27、别在于信号的隔离上。电流不能直接流过区别在于信号的隔离上。电流不能直接流过R2,VI=IR2,VI=I* *R1R1。 利用运算放大器的虚短和虚断的概念，可求出该同相放利用运算放大器的虚短和虚断的概念，可求出该同相放大电大电路路的放大倍数。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，就可以得到相应的电压输出。 第36页/共100页2.3.3 2.3.3 多路转换器多路转换器 多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压电压信号的关键元件。信号的关键元件。作用：作用：利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地

28、连接利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到到 公用放大器或公用放大器或A/DA/D转换器上，实现多路共享。转换器上，实现多路共享。 常用的多路开关有常用的多路开关有CD4051(CD4051(或或MC14051)MC14051)、AD7501AD7501、MAX354MAX354、LF13508LF13508、ADG408ADG408等。等。 CD4051CD4051原理图原理图 第37页/共100页2.3.4 2.3.4 采样、量化及采样保持采样、量化及采样保持器器1.1.信号的采样信号的采样 采样过程：采样过程：按一定的时间间隔按一定的时间间隔T T，把时间上连续和幅值，把时间上

29、连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻上也连续的模拟信号，转变成在时刻O O、T T、2T2T、KTKT的一的一连串脉冲输出信号的过程。连串脉冲输出信号的过程。 第38页/共100页2.2.量化量化 所谓量化所谓量化，就是采用一组数码，就是采用一组数码( (如二进制码如二进制码) )来来逼近逼近离散模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。变量变为二进制码，二进制数的大小和量化单位有关。量化过程量化过程：将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。将采样信号转换为数字信

30、号的过程称为量化过程。量化装置量化装置：执行量化动作的装置是：执行量化动作的装置是A/DA/D转换器。转换器。量化单位量化单位：字长为：字长为n n的的A/DA/D转换器，其最低有效位转换器，其最低有效位(LSB)(LSB)所对应所对应的模的模 拟量拟量q q称为量化单位。称为量化单位。量化误差量化误差：量化过程实际上是一个用：量化过程实际上是一个用q q去度量采样值幅值高低的去度量采样值幅值高低的小小 数归整过程，如同人们用单位长度数归整过程，如同人们用单位长度( (毫米或其它毫米或其它) )去去度量度量 人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整

31、过程，因因 而存在量化误差，量化误差为而存在量化误差，量化误差为( (1/2)q1/2)q。 例如例如: :q=20mVq=20mV时，量化误差为时，量化误差为10mV10mV，0.9900.9901.009V1.009V范范围内围内 的采样值，其量化结果是相同的，都是数字的采样值，其量化结果是相同的，都是数字5050。第39页/共100页3.3.采样保持器（采样保持器（S/HS/H）(1)(1)采样保持电路的工作方式：采样和保持。采样保持电路的工作方式：采样和保持。 在采样方式中，采在采样方式中，采/ /保电路的输出保电路的输出为为采样的模拟输入电压。采样的模拟输入电压。 在保持方式中，采在

32、保持方式中，采/ /保电路将保持采样命令撤销时刻的采保电路将保持采样命令撤销时刻的采样值，样值，直到保持命令撤销并且再次接收到采样命令为止。直到保持命令撤销并且再次接收到采样命令为止。(2)(2)孔径时间和孔径误差孔径时间和孔径误差孔径时间孔径时间: :在模拟量输入通道中，完成一次在模拟量输入通道中，完成一次A/DA/D转换所需要的转换所需要的时间时间 t tA/DA/D 。孔径误差孔径误差: :对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差为孔径误差。每一个采样时刻的最大转换误差为孔径误差。第40页/共100页(3)(3)

33、采样保持原理采样保持原理 常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有LF398LF398、AD582AD582等。等。 选择采样保持器的主要因素有：选择采样保持器的主要因素有：获取时间，电压下降获取时间，电压下降率。率。 (4)(4)常用的采样保持器常用的采样保持器第41页/共100页 LF398 LF398的的C CH H取为取为0 001F01F时，信号达到时，信号达到0 001%01%精度精度所需的获取时间所需的获取时间( (采样时间采样时间) )为为25S25S，保持期间的输出，保持期间的输出电压下降率为每秒电压下降率为每秒3mV3mV。若。若A/DA/D转换器的转换时间为转换器的转

34、换时间为100S100S，转换期间，保持器输出电压下降约，转换期间，保持器输出电压下降约300V300V。 当被测信号变化缓慢时，若当被测信号变化缓慢时，若A/DA/D转换器转换时间足转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。够短，可以不加采样保持器。 第42页/共100页2.3.5 2.3.5 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计 利用利用1212位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A，采样保持器，采样保持器LF398LF398、多、多路开关路开关CD4051CD4051、I/VI/V变换电路、变换电路、8255A8255A并行接口，我们能并行接口，我们能够设计出够设计出PCP

35、C总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。该电路模板的主要技术指标为该电路模板的主要技术指标为： 1.81.8通道模拟量输入通道模拟量输入 2.122.12位分辨率位分辨率 3.3.输入量程为单极性输入量程为单极性0 010V10V 4.A/D 4.A/D转换时间为转换时间为25S25S 5. 5.应答方式为查询应答方式为查询第43页/共100页 模板采集一个数据的过程模板采集一个数据的过程: :1 1通道选择通道选择2 2启动启动AD574AAD574A进行进行A/DA/D转换转换3 3查询查询AD574AAD574A是否转换结束是否转换结束4 4读取

36、转换结果读取转换结果 第44页/共100页8 8通道数据采集程序流程图通道数据采集程序流程图第45页/共100页2.4 D/A2.4 D/A转换器及其接口技转换器及其接口技术术 D/AD/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它的模拟量输出它的模拟量输出( (电流或电压电流或电压) )与参考电压和二进制数成比与参考电压和二进制数成比例。常用的例。常用的D/AD/A转换器的分辨率有转换器的分辨率有8 8位、位、1010位、位、1212位等，其位等，其结构大同小异，通常都带有结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器两级缓冲寄存器。主要技术指。主要技

37、术指标有标有分辨率、建立时间、线性误差等。分辨率、建立时间、线性误差等。 分辨率分辨率：通常用：通常用D/AD/A转换器输入二进制数的位数来表转换器输入二进制数的位数来表示，如示，如8 8位、位、1010位、位、1212位。分辨率为位。分辨率为n n位，表示位，表示D/AD/A转换器转换器输入二进制数的最低有效位输入二进制数的最低有效位LSBLSB与满量程输出的与满量程输出的1/21/2n n相对相对应。应。 建立时间建立时间：输入数字信号的变化量是满量程时，输出：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模拟信号达到离终值( (1/2)LSB1/2)LSB所需的时间，一般为所需的

38、时间，一般为nSnS。 线性误差线性误差：理想转换特性：理想转换特性( (量化特性量化特性) )应该是线性的，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。线性误差常用想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSBLSB的分数表示，如的分数表示，如(1/2)LSB(1/2)LSB或或1LSB1LSB。第46页/共100页 2.4.1 D/A2.4.1 D/A转换器转换器1. 81. 8位位D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832 主要由主要由8 8位输入位输入寄存器、寄存

39、器、8 8位位DACDAC寄存寄存器、采用器、采用R2RR2R电阻电阻网络的网络的8 8位位D/AD/A转换器、转换器、相应的选通控制逻辑相应的选通控制逻辑四部分组成。四部分组成。 DAC0832 DAC0832的分辨的分辨率为率为8 8位，电流输出，位，电流输出，采用采用2020脚双立直插式脚双立直插式封装。封装。 CSWR1AGNDD7D6D0D1D2D3D4D5VREFRfDGNDVccILEWR2XFERIout2Iout1DAC08321109876543220141516171819131211第47页/共100页第48页/共100页模拟电流输出端模拟电流输出端I IOUT1OUT

40、1和和I IOUT1OUT1与数字量与数字量D D的关系的关系第49页/共100页2. 122. 12位位D/AD/A转换器转换器DAC1210DAC1210第50页/共100页2.4.2 D/A2.4.2 D/A转换器接口技术转换器接口技术1 18 8位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口第51页/共100页2. 122. 12位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口第52页/共100页2.5 2.5 模拟量输出通道模拟量输出通道2.5.1 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1.1.一个通路设

41、置一个数一个通路设置一个数/ /模转换器的形式模转换器的形式 优点：优点：转换速度快、工作可靠，即使某一路转换速度快、工作可靠，即使某一路D/AD/A转换器转换器有故有故 障，也不会影响其它通路的工作。障，也不会影响其它通路的工作。缺点：缺点：使用了较多的使用了较多的D/AD/A转换器转换器 第53页/共100页2.2.多个通路共用一个数多个通路共用一个数/ /模转换器的形式模转换器的形式优点：优点：节省了数节省了数/ /模转换器模转换器 缺点：缺点：只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。它只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。它 还要用多路开关，且要求输出采样保持器的保持还要用多路开关，

42、且要求输出采样保持器的保持 时间与采样时间之比较大。这种方案的可靠性较时间与采样时间之比较大。这种方案的可靠性较 差。差。应用场合：应用场合：适用于通道数量多而且速度要求不高的场合。适用于通道数量多而且速度要求不高的场合。第54页/共100页2.5.2 2.5.2 单极性与双极性电压输出电路单极性与双极性电压输出电路D/AD/A转换器的单极性与双极性输出电路：转换器的单极性与双极性输出电路：V Vout1out1为单极性输出，若为单极性输出，若D D为输入数字量，为输入数字量，V VREFREF为基准参考电压，且为为基准参考电压，且为n n位位D/AD/A转换器，则有转换器，则有: : V V

43、OUT1OUT1=-V=-VREFREFD/2D/2n n V Vout2out2为双极性输出，且可推导得到为双极性输出，且可推导得到: :V Vout2out2=-(R=-(R3 3/R/R1 1) V) VREFREF-(R-(R3 3/R/R2 2)V)Vout1out1 =V =VREF REF (D/2(D/2n n-1)-1-1)-1第55页/共100页第56页/共100页2.5.3 V/I 2.5.3 V/I 变换和自动变换和自动/ /手动切换手动切换1 1集成集成V/IV/I转换器转换器ZF2B20ZF2B20主要特点：主要特点：输入电压范围输入电压范围:0:010V10V输出

44、电流输出电流:4:420mA(20mA(加接地负载加接地负载) )电源电压范围电源电压范围: 10: 1032V32V低漂移低漂移: :在工作温度为在工作温度为-25-258585范围内，最大漂移范围内，最大漂移0.005%/0.005%/。 可用于控制和遥测系统，作为子系统之间的信息传送和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。连接。 ZF2B20ZF2B20的输入电阻为的输入电阻为10K10K，动态响应时间小于，动态响应时间小于25S25S，非线性小于非线性小于0 0025%025%。 第57页/共100页(a)(a)一种带初值校准的一种带初值校准的0 010V10V到到4

45、420mA20mA转换电路。转换电路。(b)(b)一种带满度校准的一种带满度校准的0 010V10V到到0 010mA10mA转换电路。转换电路。第58页/共100页2 2集成集成V/IV/I转换器转换器AD694AD694 AD694 AD694是一种是一种4 420mA20mA转换器，适当接线也可使其输出范转换器，适当接线也可使其输出范围为围为0 020mA20mA。AD694AD694的的主要特点：主要特点： 输出范围：输出范围：4 420mA,020mA,020mA20mA。 输入范围：输入范围：0 02V2V或或0 010V10V。 电源范围：电源范围：+4.5+4.536V36V。

46、 可与电流输出型可与电流输出型D/AD/A转换器直接配合使用，实现程控转换器直接配合使用，实现程控 电流输出。电流输出。 具有开路或超限报警功能。具有开路或超限报警功能。 第59页/共100页AD694AD694的基本应用的基本应用输出能驱动的最大负载输出能驱动的最大负载R RL L: :R RL L=(V=(VS S-2)/20mA-2)/20mA第60页/共100页DAC1210DAC1210与与AD694AD694的接口的接口输出电流范围：输出电流范围：4 420mA20mA第61页/共100页3.3.经典经典V/IV/I变换电路图变换电路图 由电路图可知，这是一种利用电压比较器方法来实

47、现对输入电压的跟由电路图可知，这是一种利用电压比较器方法来实现对输入电压的跟踪，从而保证输出电流为所需值。利用踪，从而保证输出电流为所需值。利用A1A1作比较器，将输入电压与反馈电作比较器，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压进行比较，通过比较器输出电压控制A2A2的输出电压，从而改变晶体管的输出电压，从而改变晶体管T1T1的输出电流的输出电流IL,ILIL,IL的大小又影响参考电压的大小又影响参考电压Vf,Vf,这种负反馈的结果是使得这种负反馈的结果是使得Vi=Vf,Vi=Vf,而此时流过负载的电流为：而此时流过负载的电流为： 第62页/共100页4 4自动自动/ /手动切

48、换手动切换 12第63页/共100页自动自动/ /手动切换目的：手动切换目的：在调试或在计算机出现故障时，可以在调试或在计算机出现故障时，可以手动手动 操作。操作。电路的两个功能：电路的两个功能：实现实现V/IV/I变换变换 能够实现能够实现A/HA/H切换切换实现实现V/IV/I变换变换 当开关当开关K K1 1处于自动位置处于自动位置A A时，它形成一个电压比较型跟时，它形成一个电压比较型跟随器，是自动控制输出方式。当随器，是自动控制输出方式。当V Vf fVVi i时，电路能自动地使时，电路能自动地使输出电流增大或减小。最终使输出电流增大或减小。最终使V Vf f=V=Vi i，于是有，

49、于是有 I IL L=V=Vi i(R(R9 9+W)+W) 从上式可以看出，只要电阻从上式可以看出，只要电阻R R9 9+W+W稳定性好，稳定性好，A A1 1和和A A2 2具有具有较好的增益，该电路就有较高的线性精度。当较好的增益，该电路就有较高的线性精度。当R R9 9+W=500+W=500或或250250时，时，I IL L就以就以0 010mA10mA或或4 420mA20mA的直流电流信号线性地的直流电流信号线性地对应对应V Vi i的的0 05V5V或或1 15V5V的直流电压信号。的直流电压信号。 第64页/共100页能够实现能够实现A/HA/H切换切换 当开关当开关K K

50、1 1、K K2 2和和K K3 3都处于都处于H H位置时，即为手动操作方位置时，即为手动操作方式，此时运算放大器式，此时运算放大器A A1 1和和A A2 2脱开，脱开，A A2 2成为一个保持型反成为一个保持型反相积分器。当按下相积分器。当按下“增增”按钮时，按钮时，V V2 2以一定的速率上升，以一定的速率上升，从而使从而使I IL L也以同样的速率上升；也以同样的速率上升； 当按下当按下“减减”按钮时，按钮时，V V2 2以一定的速率下降，以一定的速率下降，I IL L也也就以同样的速率下降。就以同样的速率下降。 输出电流输出电流I IL L的升降速率取决于的升降速率取决于R R6

51、6、R R7 7、C C和电源电压和电源电压E E的大小。当两按钮都断开时，由于的大小。当两按钮都断开时，由于A A2 2为一高输入阻抗为一高输入阻抗保持器，保持器，V V2 2几乎保持不变，维持输出电流恒定。当开关几乎保持不变，维持输出电流恒定。当开关K K1 1、K K2 2、K K3 3都从自动都从自动(A)(A)切换为手动切换为手动(H)(H)时，时，A A2 2为一保持为一保持器。输出电流器。输出电流I IL L保持不变，实现了自动到手动方向的无保持不变，实现了自动到手动方向的无扰动切换。扰动切换。 第65页/共100页 从手动到自动的切换：从手动到自动的切换： 当开关当开关K K1

52、 1、K K2 2、K K3 3处于手动方式处于手动方式(H)(H)，要做到无扰动还，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，来自微机下，来自微机D/AD/A电路的自动输入信号电路的自动输入信号V Vi i总等于反映手动输总等于反映手动输出的信号出的信号V Vf f(V(Vf f与与I IL L总是一一对应的总是一一对应的) )。要达到这个目的，必。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须有相应的微机配合，我们把这样的程序称为跟踪程序跟踪程序。 跟踪程序跟踪程序的工作过程：在每个控制周期中，计算机

53、首的工作过程：在每个控制周期中，计算机首先由数字量输入通道先由数字量输入通道(DI)(DI)读入开关读入开关K K2 2的状态，以判断输出的状态，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，最终输出序执行本回路预先规定的控制运算，最终输出V Vi i；若为手；若为手动状态，则首先由动状态，则首先由A/DA/D转换器读入转换器读入V Vf f，然后原封不动地将该，然后原封不动地将该输入数字信号送至调节器的输出单元，再由输入数字信号送至调节器的输出单元，再由D/AD/A转换器将该转换器将该数字信号转换

54、为电压信号送至输出电路的输入端数字信号转换为电压信号送至输出电路的输入端V Vi i，这样，这样就使就使V Vi i总与总与V Vf f相等，处于平衡状态。当开关相等，处于平衡状态。当开关K K1 1从手动切换到从手动切换到自动时，自动时，V V1 1、V V2 2和和I IL L都保持不变，从而实现了都保持不变，从而实现了手动到自动方手动到自动方向的无扰动切换。向的无扰动切换。第66页/共100页2.5.4 2.5.4 模拟量输出通道设计模拟量输出通道设计 第67页/共100页8 8通道的模拟量输出通道的电路原理图通道的模拟量输出通道的电路原理图 电路采用电路采用DAC0832DAC0832

55、作作8 8位位D/AD/A转换器，通过一多路开关转换器，通过一多路开关CD4051CD4051，可由，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。形式输出。 工作过程是：由工业控制机工作过程是：由工业控制机PCPC总线送出的数据，由总线送出的数据，由DAC0832DAC0832进行转进行转换。然后再用换。然后再用OUTOUT指令，通过指令，通过D D0 0、D D1 1、D D2 2位打开多路开关的某一通道而送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出，其输出端所接的保持器是

56、为了保持D/AD/A输出稳定，起到电压保持作用，输出稳定，起到电压保持作用，由由V/IV/I转换器来输出转换器来输出4 420mA20mA的电流信号。该电路使用两个口地址，它由的电流信号。该电路使用两个口地址，它由译码器译出，设译码器译出，设300H300H为为DAC0832DAC0832的端口地址，的端口地址，301H301H为为CD4051CD4051的端口地址。的端口地址。第68页/共100页2.6 2.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术干扰：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。抗干扰措施：抗干扰

57、措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。干扰的来源：干扰的来源：外部干扰和内部干扰。外部干扰和内部干扰。外部干扰：外部干扰：是与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的干是与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的干 扰。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温扰。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温度、度、 湿度等气象条件的影响。湿度等气象条件的影响。内部干扰：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，电磁场是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐辐 射感应，长

58、线传输的波反射，多点接地造成的电射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位位 差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件件 产生的噪声。产生的噪声。第69页/共100页2.6.1 2.6.1 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术1.1.串模干扰及其抑制方法串模干扰及其抑制方法 (1)(1)串模干扰串模干扰 所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。噪声。也称为常态干扰。 第70页/共100页（2 2）串模干扰的抑制方法）串模干扰的抑制方法 采用滤波器采用滤波器 一般串模干扰信号的频率比有用信号

59、的频率快，一般串模干扰信号的频率比有用信号的频率快，所以，常用二级阻容低通滤波网络作为模所以，常用二级阻容低通滤波网络作为模/ /数转换数转换器的输入滤波器器的输入滤波器。第71页/共100页 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式式A/DA/D转换器。转换器。 尽可能早地将有用信号进行前置放大，尽可尽可能早地将有用信号进行前置放大，尽可能早地完成模能早地完成模/ /数转换，或采取隔离和屏蔽等措施。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。通过高阈值电平来抑制低噪

60、声的干来抑制串模干扰。通过高阈值电平来抑制低噪声的干扰，也可采用低速逻辑器件来抑制高频干扰。扰，也可采用低速逻辑器件来抑制高频干扰。 采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应。选用带屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，并且应。选用带屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，并且要求具有良好的接地。要求具有良好的接地。 第72页/共100页 2 2共模干扰及其抑制方法共模干扰及其抑制方法 (1)(1)共模干扰共模干扰 所谓共模干扰是指模所谓共模干扰是指模/ /数转换器两个输入端上公有的干数转换器两个输入端上公有的干扰扰电压。共模干扰也称为共态干扰。电压。共模干扰也称为共态