计算机控制系统第2章

计算机控制技术第2章输入输出接口与过程通道技术

计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第1页!§第二章输入输出接口与过程通道技术

内容提要内容提要一、输入输出过程通道概述

二、模拟量输入通道

三、模拟量输出通道四、数字量（开关量）输入输出通道五、测量数据的预处理技术六、输入输出通道模板实例

2计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第2页!§第二章输入输出接口与过程通道技术输入输出接口概述2.1输入输出接口概述图2-1过程通道组成结构图过程通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。包括模拟输入通道、模拟输出通道、数字输入通道和数字输出通道四种，如图2-1所示。

3计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第3页!模拟输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。通常也把模拟量输入接口简称为A／D通道。主要由信号调理单元、多路转换开关、程控放大器、采样保持器、A/D转换器和控制电路组成。

图2-2模拟量输入通道方框图§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量输入通道

2.2模拟量输入通道4计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第4页!1.温度传感器

热电偶：测温范围宽，一般为-50℃~+1600℃，常用于高温测量或精度要求不高的场合，此外由于材料较柔软，便于折弯，因此可以对物体表面温度进行测量。用热电偶测温时，要对其进行冷端补偿。其常用型号有：K、J、T型等K型热电偶：

-200~1000℃

±3℃，≤400℃±0.75℅，＞400℃J型热电偶：

-200~1200℃±1.1℃~2.2℃T型热电偶：

-200~200℃

±1.5℅，-200~50℃±0.75℅，50~200℃§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器5计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第5页!热敏电阻：为NTC（负温度系数）型的电阻式温度传感器，其阻值高，反应灵敏，但非线性化强烈，性能不稳定，一般用于非重要的场合。其常用的型号为502AT。§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器6计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第6页!2.压力传感器

表压或绝压压力传感器：PT110S-10B133型压力传感器：测量范围：0～10bar(公斤）基本测量精度：±0.25%FS压力接口：M20*1.5输出方式：4～20mA接线端子:DIN接头生产厂家:上海奇正电子§第二章过程通道技术模拟量输入接口技术§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器7计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第7页!微压差传感器：B0300型压差传感器（扩散硅型）：测量范围：0～500Pa基本测量精度：0.15%§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器8计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第8页!3.流量传感器

涡轮型流量传感器：LWGY-50A型涡轮流量传感器：测量范围：0～4m3/h基本测量精度：1.5%§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器9计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第9页!电磁流量传感器：LDCK型电磁流量计：基本测量精度：0.5%§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器10计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第10页!孔板式流量传感器：HZKL-M型孔板式流量计：基本测量精度：1%§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器11计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第11页!压力型液位变送器：JYB-K*-**型液位变送器量程：0-0.5m,4m,100m

精度：A级≤±0.25％B级≤±0.5％

§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器12计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第12页!模拟信号调理的功能低电压信号电流输入/输出RTDs和热敏电阻热电偶应变仪隔离、放大噪声、滤波电流与电压的转换;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿激励电源隔离，放大，噪声滤波激励电压全桥和半桥设置隔离，放大，噪声滤波多功能I/O§第二章过程通道技术信号调理§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理13计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第13页!§第二章过程通道技术信号调理§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理从图2-3可知

(2-1)

铜电阻RCu用于热电偶的冷端温度补偿，显然，引入铜电阻RCu能完成自动补偿的条件应为：(2-2)

14计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第14页!W1用于调零点，W2用于调电流，W3用于调满刻度ICL7650R1R2R3W1W2热电偶W32）热电偶的输入电路§第二章过程通道技术信号调理§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理15计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第15页!2.仪表放大器在数据采集系统中，放大器的作用一般是：①对信号幅度放大；②增大输入阻抗，起到隔离和缓冲前后级单元；③抑制噪声，提高信噪比；④其他作用，如电压、电流变换、量程切换、极性自动变换等。§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理16计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第16页!仪表放大器的原理结构§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理-+R11-++-Vi1Vi2VoR2R3R4R5R6RGIG23VBVA17计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第17页!AD620仪表放大器在单电源测量中的应用§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理AD705构成的电压跟随器为AD620提供了Vref，以提高其输出摆幅的中心点，以防止信号在负半波被削波。18计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第18页!AD620仪表放大器在公共屏蔽驱动接法中的应用§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理19计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第19页!根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要可分为三种:1.变压器耦合隔离放大器2.光电耦合隔离放大器3.电容耦合隔离放大器隔离放大器就其隔离对象而言，分为二种:1.两端口隔离2.三端口隔离。§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理20计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第20页!

§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理三端口隔离(全隔离)输入电源：DC15V功耗：1.2W输出电压：±15V电流：5mA最大隔离电压：±3500VP-P最大非线性误差:±0.012%21计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第21页!4.电流/电压转换器

工业自动化仪表采用的变送器大多是DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表，采用线性集成电路，其输出信号为4～20mA的国际标准。

§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理22计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第22页!

(2)有源I／V变换

有源I／V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成，§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理23计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第23页!5.调理模块产品§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理24计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第24页!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。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A/D转换器上。为了提高过程参数的测量精度，对多路开关提出了较高的要求。

理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。§第二章过程通道技术多路转换器三、多路转换器§第二章输入输出接口与过程通道技术多路转换器25计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第25页!1.CD4051§第二章输入输出接口与过程通道技术多路转换器26计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第26页!

CD4051有较宽的数字和模拟信号电平，数字信号为3～15V，模拟信号峰—峰值为15VP-P；

当VDD-VEE=15V，输入幅值为15VP-P时，其导通电阻为80Ω；VDD-VEE越大则导通电阻越小。

当VDD-VEE=10V时，其断开时的漏电流为±10pA；静态功耗为1μW。

VEE通常与电源地VSS直接连接。§第二章输入输出接口与过程通道技术多路转换器27计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第27页!§第二章输入输出接口与过程通道技术多路转换器

CD4052是双4对1多路开关，其内部有两个完全独立（电绝缘）的4选1模拟开关，其真值表如表2-4所示。28计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第28页!§第二章输入输出接口与过程通道技术可编程增益放大器用仪表放大器实现的可编程增益放大器

29计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第29页!五、采样保持器1．采样保持器的作用式中Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率。§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器30计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第30页!§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器

由此可见，对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和信号的频率呈正比。例如：一个10位的A/D转换器（量化误差为0.1%），孔径时间tA/D为10μs，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为此例表明，尽管信号频率不算高，但对A/D转换速度要求太苛刻。解决的方法就是在A/D转换之前加采样/保持器。保证A/D转换在保持期间进行，以便有足够的时间完成。31计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第31页!

由以上分析可知，采样/保持器是一种与锁存器作用相当的模拟电路元件。

一个理想的采样/保持器工作原理下图所示，采样／保持的输出，在采样周期内跟踪电压输入，并在保持周期内把它保持在最后跟踪的模拟电压值。为了表示清晰起见，在图中将输出曲线稍微偏离输入一点。2.采样/保持器的工作原理§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器32计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第32页!采样／保持器的结构原理

采样时，开关K闭合，由于A1输出阻抗很小，电容CH快速充电，即电容器的电压跟随输入电压的变化。

保持时，开关K断开，由于A2输入阻抗很大，流入A2的电流几乎为0，则电容器的电压保持不变。-++-A1A2Vout输入阻抗很高输出阻抗很低Vin控制端KCH

注意：这里的“保持时”就是A/D转换器的“转换过程”，即“A/D的采样时”。§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器33计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第33页!(2)采样／保持器的的主要参数§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器①孔径时间TAP：在采样保持器中，由于模拟开关有一定的动作滞后，从保持命令发出后至模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间，一般是纳秒级。这个时间由器件的开关动作时间决定。值得注意的是采样保持器的孔径时间TAP与A/D转换器的孔径时间TA/D完全不同

②孔径时间不确定性ΔTAP

。它是孔径时间的变化范围。孔径时间可以提前发出保持命令加以克服，而ΔTAP是随机的，所以它是影响采样精度的主要因素之一。34计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第34页!④下跌率(衰减率)：在进入保持阶段后，由于开关的漏电流及保持电容泄漏，输出电压会下降，以mV/s表示。在选择保持电容的容量时要折中地考虑采集时间和下跌率。

增大电容可减少保持电压的下降率，提高精度，但会增多捕捉时间。

在转换时间较长且精度高的系统中应该用较大电容。当然较大电容带来的是采样时间加长，这对矛盾应该根据精度和A/D转换时间折中选取。§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器35计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第35页!LF398的工作原理及主要性能主要技术指标：工作电压:±5～±18V；采样时间：≤10µm。当控制逻辑IN+脚加“1”时，则开关闭合，处于采样；当控制逻辑IN+脚加“0”时，则开关断开，处于保持；这样刚好与ADC0809的转换结束脚EOC相连（结束时为“1”）§第二章输入输出接口与过程通道技术采样保持器36计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第36页!

A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中，得到了广泛的应用。

1.A/D转换器的类型1）逐步逼近法——利用D/A转换器输出推测信号与模拟输入信号进行比较，再修正，直到逼近输入信号。属于中速A/D转换器如：ADC0809——8位带选择开关，120µs;AD574A——12位ADC1210——12位无输出锁存器六、A/D转换器§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器37计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第37页!2.A/D转换器的主要技术指标①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。分辨率为n位表示,它能对满量程输入的1／2n的增量作出反映，即数字量的最低有效位(LSB)对应于满量程输入的1／2n。若n=8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压为：5.12V／28=20mV。§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器②量程

它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。38计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第38页!§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器通常用绝对精度和相对精度两种表示方法。绝对精度常用数字量的位数表示法，如绝对精度为±1/2LSB；相对精度用相对于满量程的百分比表示如满量程为10V的8位A／D转换器，其绝对精度为，而8位A/D的相对精度为

精度和分辨率不能混淆。即使分辨率很高，但温度漂移、线性不良等原因可能造成精度不是很高。39计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第39页!3.A/D转换器的外部特性各厂家的A/D转换器芯片不仅型号五花八门，性能各异，而且功能相同的引脚命名也各不相同，没有统一的名称，但从使用的角度来看，任何一种A/D转换器芯片一般具有以下输出信号线。（1）转换启动线(输入)它是由系统控制器发出的一种控制信号，此信号一旦有效，转换立即开始。（2）转换结束线(输出)

转换完毕后由A/D转换器发出的一种状态信号，由它中断或DMA传送，或作查询之用。§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器40计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第40页!

输入输出线对于不同类型的A/D转换器又有差异，因此，在选择和使用A／D转换器芯片时，除了要满足用户的转换速度和分辨率要求之外，还要注意A/D转换器的连接特性，一般有以下几点。

①A/D转换器芯片的转换启动信号是用电平启动还是脉冲沿启动。对那些要求用电位启动的A／D芯片，如AD574要求用低电平启动，必须在转换过程中一直保持低电平有效，如果在转换过程结束之前将启动信号撤销，就会终止转换过程，而得到错误的转换结果。§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器41计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第41页!

4.12位A/D转换器芯片AD574A§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器42计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第42页!

②VDD：模拟电路工作正电源输入线，电压为DC+12V或DC+15V；

③VEE：模拟电路工作负电源输入线，电压为DC-12V或DC-15V；

④AGND：模拟电路公共接地线；

⑤Vcc：数字电路工作正电源输入线，电压为DC+5V⑥DGND：数字电路公共接地线

⑦REFOUT：内部基准电源输出线，提供DC+10V(±1％)的基准电压；§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器43计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第43页!（11）CE：使能信号输入线，高电平有效

（12）CS：片选信号输入线，低电平有效。

（13）R/C：读、起动转换控制信号输入线，高电平时，表示操作是读取A／D转换数据；低电平时，表示操作是起动A/D转换。

（14）12/8：12位、8位数据读取方式选择输入线，此线不能采用TTL电平控制，必须直接接在VCC或数字地上。当接在VCC时，一次读出12位数据；当接在数字地上时，分2次读出12位数据。§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器44计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第44页!§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器AD574的单极性和双极性输入电路

AD574单极性输入电路AD574双极性输入电路45计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第45页!

图中，双向缓冲器74LS245用于数据缓冲，当IOW=0时，R/C=0，

DIR=0（74LS245数据传送方向由B0～B7到A0～A7）

，系统用假定外设操作来启动AD574作双极性A/D转换。当IOW=1时，

R/C=1，

DIR=1，系统通过74LS245读AD574转换结果。

系统地址A0接AD574的A0时：

当用偶地址写AD574时，启动进行12位A/D转换；否

则，启动进行8位A／D转换。

当用偶地址读AD574时，读出高8位；否则读出低4位。

由于AD574没有考虑转换结束信号，因此只能用延时的方法来转换。§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器46计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第46页!5.∑-ΔA/D转换器（自学）1q2q9q4q3q5q6q8q7q11q10q01T2T3T4T5T7T6T8T9T10T11T12TVtVDC理想ADC对直流VDC的采样常规ADC对一恒定直流电压的多次采样，得到的数字输出量总是相同的，但由于受到其量化误差的限制，输出值不一定能真实反映输入值！§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器47计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第47页!∑-ΔA/D转换器的基本思想101235467677VDΔi(V)∑10111111101000015556ΔUΔtX(t)X(t)§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器48计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第48页!∑-ΔA/D转换器的结构原理

采用∑-ΔA/D原理进行A/D转换的过程大体分为两步：1）产生一个用来拟合输入信号X(t)的阶梯波X(t)，即对信号进行调制，求ΔU，这部分由调制器来完成。2）计算X(t)=并转换成二进制代码，再根据采样率要求进行抽取滤波，这部分工作由数字滤波器来完成。§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器调制器延时存储器数字滤波器采样抽取模拟输入时钟脉冲320kHz串行输出1位写地址读地址4.8MHz并行输出串行输出DSP读/写操作49计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第49页!调制器——主要产生一个拟合输入信号X(t)的阶梯波X(t)，即对信号进行调制。目的有2个：1）提高采样频率，以减少采样噪声；2）调制器内有一个积分器起到模拟低通滤波器的作用，以过滤高频噪声，相当于前置滤波器的作用，使信号频率均在采样频率之内。§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器50计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第50页!§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器6.20位A/D转换器AD7703（自学）

AD7703它是美国ADI公司推出的20位单片A/D转换器，由于采用了过采样Σ-Δ转换技术和和片内自校准控制电路，不仅具有精度高、成本低、工作温度范围宽、噪声低、抗干扰能力强等特点，而且具有灵活的串行输出模式，极易和单片机接口，适用于工业过程参数检测、遥控检测和户外智能化仪器仪表。51计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第51页!§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器AD7703的内部结构

52计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第52页!§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器（７）VREF（10脚）——参考电压输入端，一般取+2.5V（８）SLEEP（11脚）——睡眠工作方式选择端，接低电平时工作于睡眠方式，功耗为10μw；（９）BP/UP（12脚）——单、双极性方式选择端。接低电平时为单极性，接高电平时为双极性；（１０）CAL（l3脚）——校准控制端；（１１）DVDD、AVDD（15、14脚）——数字、模拟高电平端，接+5V；（１２）CS（16脚）——片选信号，此脚为低电平时．串行口发送数据；（１３）DRDY（18脚）——数据准备端。在输出数据寄存器内数据准备好时为低电平，完后为高电平53计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第53页!§第二章输入输出接口与过程通道技术A/D转换器7703在SEC方式时的工作时序。从时序图可看出，在CS下降沿串行数据的MSB首先有效发送，其后的19位数据在外部时钟SCLK的下降沿更新，上升沿才稳定有效发送。在最低位LSB送出后DRDY和SDADA脚变为三态输出。

54计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第54页!§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集板设计举例七、模拟量采集板设计举例55计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第55页!§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集板设计举例该模板采集一个数据的过程如下：１）通道选择：目的通道号写入端口C的低4位,使LF398对目的通道采样（LF398的工作状态受AD574的STS控制，AD574转换后STS=0，LF398处于采样状态）；２）启动AD574A，并进行12位转换：通过PC6～PC4输出控制信号启动AD574A；３）查询AD574是否转换结束：读端口A，了解STS是否已由高电平变为低电平；

４）读取转换结果：读8255A端口A、B，便可得到转换结果（12/8脚接+5V，一次性输出12位）。56计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第56页!§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集板设计举例

NOPORAL，40H ；CE=1，片使能，启12位A/D转换

OUTDX，AL

MOVDX，2C0；指向PA口POLING：INAL，DXTESTAL，80H ；查询PA7，即转换结果状态引脚STS的电平

JNZPOLINGMOVAL，BL；转换结束

ORAL，10H ；R/C=1，(PC4)使能读数据

MOVDX，2C2H;指向PC口OUTDX，ALORAL，40H ；CE=1(PC6)OUTDX，AL57计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第57页!§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量输入通道结构改进

八、模拟量输入通道结构改进

58计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第58页!§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量输入通道结构改进

4）给数据采集通道的设计带来的极大的灵活性，也丰富了模拟量数据采集产品的多样化，人们可以不但可以设计出不同接口形式的采集模块，还可以根据被采集信号类型、性能要求设计出不同类型和规格的专用或通用产品；

5）有利于采集专用芯片的开发。59计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第59页!§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集专用集成芯片九、模拟量采集专用集成芯片(自学）

归纳起来分为两大类：

一类是包含信号调理、多路转换开关、程控放大和A/D转换器的集成芯片。

这类芯片现有产品有ADI公司的AD7710、AD7714、AD7734等，TI公司的ADS1232、ADS1234、AD1258等

另一类是在前者的基础上再加微处理器、存储器、通讯接口等完整电路的集成芯片

这类芯片现有产品有ADI公司ADμC800系列，TI公司的MSC1200系列等，SiliconLabs公司的C8051F系列等。60计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第60页!AD7714的主要性能：24位分辨率；最大非线性误差为0.0015%；片内可编程放大器，其放大倍数1~128；具有3个差分模拟输入或5个准差分模拟输入及差分基准输入

；片内一个三阶数字滤波器处理，其一次陷波频率可编程控制；低噪声（＜150nV，RMS）片内自校准系统；灵活的串行接口，数据传输率为4kHz；工作电压：2.7~3.3V或4.75~5.25V；工作温度范围：-40~85℃/105℃；超低功耗：正常工作电流226μA，睡眠状态工作电流为4μA。§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集专用集成芯片61计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第61页!§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集专用集成芯片62计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第62页!§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集专用集成芯片AD7714与AT89C51CPU的接口电路

63计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第63页!ADS1232/4∑-ΔA/D转换器内部的可编程仪表放大器§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集专用集成芯片64计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第64页!3.ADuC824数据采集单片机(自学）§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集专用集成芯片65计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第65页!ADuC824单片机的设计应用§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集专用集成芯片66计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第66页!ADuC824单片机在高级度温度检测实际接线情况§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量采集专用集成芯片67计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第67页!一个输出通路设置一个D/A转换器的结构形式工业生产过程执行器执行器执行器信号调理D/A转换器工业控制计算机总线与接口D/A转换器D/A转换器功率放大V/I变换放大/变换锁存器1锁存器2锁存器3模拟量输出通道的结构形式§第二章输入输出接口与过程通道技术模拟量输出接口与通道

68计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第68页!1.D/A转换器主要参数①分辨率：指D/A能够转换的二进制数的位数，位数越多分辨率也越高。②转换时间(稳定时间)：指数字量输入到完成D/A转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。③精度：指D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差。④线性度：当数字量变化时，D/A转换器的输出量按比例关系变化的程度。§第二章输入输出接口与过程通道技术D/A转换器及其接口

一、D/A转换器及其接口

69计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第69页!④输入码制：即D/A能接收哪些码制的数字量输入。

单极性输出的D/A：只能接收二进制或BCD码；

双极性输出的D/A：只能接收偏移二进制码或补码。⑤单极性输出还是双极性输出：对一些需要正负电压控制的设备，应该使用双极性D/A转换器，或在输出电路中采取相应措施，使输出电压有极性变化。§第二章输入输出接口与过程通道技术D/A转换器及其接口

70计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第70页!§第二章输入输出接口与过程通道技术D/A转换器及其接口

DAC1210结构原理图71计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第71页!IOUT2：数模转换器电流输出2。IOUT2为常量减去IOUT1，即IOUT1

+IOUT2=常量（固定基准电压时），该电流等于Vref×（1-1/4096）除以基准输入阻抗；Rfb：标准电阻线，与外部运放相连，作反馈电阻。Vref：基准电压源输入线，电压范围DC-10V～+10V。AGND：模拟电路接地线。Vcc：数字电压源输入线，电压范围DC+5V～+15V。DGND：数字电路接地线§第二章输入输出接口与过程通道技术D/A转换器及其接口

72计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第72页!§第二章输入输出接口与过程通道技术D/A转换器及其接口

DAC1210输入数据线的高8位DI11～DI4连接数据总线的D7～D0，低4位DI3～DI0接到数据总线的D7～D4（左对齐）。高/低字节控制信号BYTE1/BYTE2口地址以及第二级缓冲锁存器选通信号XFER的口地址，分别为340H、341H和342H，由地址译码器提供，D/A转换可用下列程序完成：

MOV DX,340H ;选高8位字节地址MOV AL,DATAH ;取高8位数据OUT DX,AL ;送出高8位数据INC DX ;选低4位地址MOVAL,DATAL ;取低4位数据OUT DX,AL ;送出低4位数据MOV DX,342H ;选第二级锁存器地址OUT DX，AL ;送12位数据73计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第73页!1.由分立元件构成的V/I转换电路§第二章输入输出接口与过程通道技术V/I转换器图a为同相端输入，采用电流串联负反馈形式，而且具有恒流作用，电路输出电流IOUT和输入电压VIN的关系为IOUT

＝VIN／Rf。该电路结构简单，但输出端无公共接地点。74计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第74页!§第二章输入输出接口与过程通道技术V/I转换器图c为反相输入，采用电流并联负反馈形式，它不仅具有良好的恒流性能和较强的驱动能力，而且输出端通过负载接地。

由电路可知，其反相端和同相端的电压分别为75计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第75页!§第二章输入输出接口与过程通道技术V/I转换器图d为同相端输入方式，并采用了采用电流并联正反馈形式，不过，由于在反馈电路中引入了运放器构成的电压跟随器，大大提高了正反馈的输入阻抗，确保了恒流IOUT完全流向负载电阻RL

当R1=R2=100kΩ，R3=R4=20kΩ时，同样有：

由于工业现场常使用4～20mA的电流做输出控制，因此，当R1=R2=R3=R4=20kΩ时，IOUT=VIN/Rf。当Rf=250Ω，输入电压为1～5V时，则输出4～20mA。76计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第76页!ZF2B20的输入电阻为10kΩ，动态响应时间小于25µs，非线性小于±0.025％。利用ZF2B20实现V／I转换极为方便。图(a)：带初值校准的0～10V到4～20mA转换电路；图(b)：带满度校准的0～10V到0～10mA转换电路。§第二章输入输出接口与过程通道技术V/I转换器77计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第77页!§第二章输入输出接口与过程通道技术V/I转换器XTR110基本结构78计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第78页!在电气控制系统中的继电器按接触器触点的闭合情况分为闭合与断开两种不同状态，这两种状态，常称为开关量。开关量是表示两种状态。数字量的每位也只能有“0”和“1”两种状态，也可以称为开关量。

2.4

数字量（开关量）输入/输出通道§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道开关量的种类不多，按类型分有电平式和触点式两种，电平式为高电平或低电平；触点式为触点闭合或触点断开。按电源分有有源和无源两种，有源即直接提供高、低电平，无源即提供物理触点或感应器件等。79计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第79页!开关量输入/输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入/输出电气接口（亦即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路）。一般情况下，各种开关量输入/输出通道的前两部分往往大同小异，所不同的主要在于输入/输出电气接口。§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道80计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第80页!§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道输入调理电路

（1）小功率输入调理电路

a）积分电路消除开关抖动的方法

b)R-S触发器消除开关两次反跳的方法

81计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第81页!开关量输人隔离及电平变换

过程开关信号的电平通常不是TTL电平，要使CPU接收信号，必须进行变换。开关信号在传输过程中受噪声的影响较大，设计时应有一定的噪声容限,并隔离公共接地，以防止开关信号状态的误动作。

在工业过程计算机系统中，其信号电平变换可按下图所示的方法设计。在4V以下作为开关接通，定为TTL电子的逻辑1；在10V以上作为开关断开，定为TTL电平的逻辑0；4～10V之间为信号过渡区，其TTL电平在过渡区间保持不变，从而可提高抗干扰的能力。采用光电耦合器实现公共地线的隔离。§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道82计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第82页!开关量输出驱动电路（1）小功率驱动电路这类电路一般用于驱动发光二极管、LED显示器、小功率继电器等元件或装置，要求电路的驱动能力一般为10～40mA，可采用小功率的三极管或集成电路如75451、2003等来驱动。§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道83计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第83页!注意：对于感性负载，在输出端必须加装克服反电动势的保护二极管。对于UNL2003A等,可使用内部的保护二极管。（3）大功率交流驱动电路

固态继电器(简写为SSR)是一种四端有源器件，下图为固态继电器的结构和使用方法。输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。过零检测电路可使交流电压变化到零状态附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道84计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第84页!固体继电器实物单相固体继电器三相固体继电器§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道85计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第85页!固体继电器对电压波形调理原理电网电压波形PWM波负载上的波形~V~VVtttT§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道86计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第86页!调压模块内部结构原理§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道87计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第87页!调压原理§第二章输入输出接口与过程通道技术开关量输入/输出通道88计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第88页!§第二章输入输出接口与过程通道技术测量数据的预处理技术2.6测量数据的预处理技术在计算机控制系统中，经常需对生产过程的各种信号进行测量。经输入通道将生产过程的信号转换成数字信号，读入计算机中。对于这样得到的数据一般要进行一些预处理，其中最基本的为数字滤波、线性化处理、标度变换和系统误差的自动校准。89计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第89页!数字滤波与模拟滤波器相比，有以下几个优点：数字滤波是用程序实现的不需要增加硬设备，所以稳定性好、可靠性高，成本低；

数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。数字滤波器可以对极低频（如0.01Hz）干扰信号进行滤波，克服了模拟滤波器的不足；§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波本节讨论几种常用的数字滤波方法：限幅滤波、中位值滤波法、平均值滤波法和惯性滤波法。90计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第90页!§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波2．中位值滤波法

中位值滤波就是对某一被测参数连续采样n次（一般n取奇数），然后把n次采样值按大小排队，取中间值为本次采样值。91计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第91页!§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波3．算术平均滤波法

算术平均滤波法就是对采样数据yi连续的N个测量值进行算术平均。其数学表达式为算术平均滤波法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。

流量测量，通常取N=8～12

压力测量，通常取N=4～892计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第92页!§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波式中这种滤波算法称为递推平均滤波法，其数学表达式为yn——第n次采样值经滤波后的输出；yn-i——未经滤波的第n-i次采样值；N——递推平均项数。93计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第93页!通过观察不同N值下递推平均的输出响应来选取N值，以便既少占用计算机时间，又能达到最好的滤波效果。N的工程经验值如下:流量 12压力4液面4～12温度1～4§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波94计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第94页!§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波加权递推平均滤波算法是递推平均滤波算法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近当前时刻的数据，权取得越大，N项加权递推平均滤波算法为式中，C0，C1，…，CN-1为常数，且满足如下条件C0+C1+…+CN-1=1并C0＞C1＞…＞CN-1＞095计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第95页!§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波6．一阶惯性滤波法而一阶惯性滤波算法是一种以数字形式通过算法来实现动态的RC滤波方法，它能很好地克服上述模拟滤波器的缺点，在滤波常数要求大的场合，此法更为实用。在模拟量输入通道等硬件电路中，常用一阶惯性RC模拟滤波器来抑制干扰，当用这种模拟方法来实现对低频干扰的滤波时，首先遇到的问题是要求滤波器有大的时间常数和高精度的RC网络。时间常数T越大，要求RC值越大，其漏电流也随之增大，从而使RC网络的误差增大，降低了滤波效果。96计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第96页!§第二章输入输出接口与过程通道技术数字滤波以上讨论了六种数字滤波方法，在实际应用中，究竞选取哪一种数字滤波方法，应视具体情况而定。加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控制对象

平均值滤波法适用于周期性干扰中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰

惯性滤波法适用于高频及低频的干扰信号

如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤波法或限幅滤波法，然后再用平均值滤波法。97计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第97页!§第二章输入输出接口与过程通道技术其它数据预处理

（1）孔板差压与流量

用孔板测量气体或液体的流量，差压变送器输出的孔板差压信号△P同实际流量Q之间是平方根关系，即式中，K是流量系数。用数值分析的方法计算平方根，可采用牛顿（Newton）迭代法。设，则98计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第98页!§第二章输入输出接口与过程通道技术其它数据预处理

除此之外，还可将热电偶分度表以表格形式存在计算机内，在线的工作量便仅仅是根据采样值查表。对于上式表示的热电偶的热电势E与温度T的非线性关系，可以采取分段的办法处理，即用多段折线代替非线性函数，线性化时首先判断测量数据处于哪一折线区间内，然后按相应的线性化公式计算出线性值。折线段数越多，线性化精度就越高。

99计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第99页!§第二章输入输出接口与过程通道技术其它数据预处理

（1）线性参数的标度变换

所谓线性参数，指一次仪表测量值与A/D转换结果具有线性关系，或者说一次仪表是线性刻度的。其标度变换公式为A0一次测量仪表的下限Am一次测量仪表的上限Ax实际测量值(工程量)

N0仪表下限对应的数字量Nm仪表上限对应的数字量Nx测量值所对应的数字量100计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第100页!§第二章输入输出接口与过程通道技术其它数据预处理

例2-1某热处理炉温度测量仪表的量程为200～800℃，在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0CDH，求此时温度值为多少？（设仪表量程为线性的）解：已知A0=200℃，Am=800℃，Nx=0CDH=205，Nm=0FFH=255。此时温度为101计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第101页!§第二章输入输出接口与过程通道技术其它数据预处理

对于流量测量仪表，一般下限为取0，此时Q0=0，N0=0，故上式变为102计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第102页!§第二章输入输出接口与过程通道技术其它数据预处理

其中偏移校准在实际中应用最多，并且常采用程序来实现，称为数字调零。除了数字调零外，还可以来用偏移和增益误差的自动校准

自动校准的基本思想是在系统开机后或每隔—定时间自动测量基准参数，如数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压，然后计算误差模型，获得并存储误差补偿因子。在正式测量时，根据测量结果和误差补偿因子，计算校准方程，从而消除误差。103计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第103页!§第二章输入输出接口与过程通道技术其它数据预处理

（2）人工自动校准

全自动校准只适于基准参数是电信号的场合。并且它不能校正由传感器引入的误差。为了克服这种缺点，可采用人工自动校准。—般人工自动校准只测—个标准输入信号VR，零信号的补偿由数字调零来完成。设测出的数据分别为xR（接校准输入yR时）和x（接被测输入y），则可按下式来计算y。104计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第104页!§第二章输入输出接口与过程通道技术其它数据预处理

因此，若实际测量时输入信号xi，则对应的测量输出值yi可用下式计算105计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第105页!§第二章输入输出接口与过程通道技术输入输出通道模板实例一、研华多功能板卡PCI-1711

以插入式板卡形式的输入输出通道模板是最常见的形式之一，这种板卡可以直接插入计算机的总线插槽中，不占其它空间，使用方便。目前这种板卡主要有ISA总线板卡和PCI总线板卡两种形式。研华PCI-1711是基于PCI总线的一款高性能的多功能数据采集控制卡，其内部结构如下图所示。106计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第106页!§第二章输入输出接口与过程通道技术输入输出通道模板实例107计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第107页!二、NI6014型多功能数据采集卡§第二章输入输出接口与过程通道技术输入输出通道模板实例108计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第108页!CONTEC公司的32位和16位I/O模板系列：(1)32/16位PIO系列接口板类型按输入/输出方式分，以下三种：PI-32T／L／H(输入)：有4个端口，共32点输入。PO-32T／L／II(输出)：有4个端口，共32点输出。PIO-16／16T／L／H(输入/输出)：支持同一板上的16点输入和16点输出。三、PIO系列开关量输入输出板卡§第二章输入输出接口与过程通道技术输入输出通道模板实例109计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第109页!(2)32／16位PIO系列接口板的特点①IBMPC-XT/AT系列的兼容性。②支持广阔范围的应用。③TTL兼容的I/O接口和隔离型的I／O接口，两种隔离型接口板要求提供不同的外部电源，隔离型接口板特别适用于恶劣操作环境。④可通过板上DIP开关选择的I/O口基地址。⑤输入通道的两个中断。⑥可使用的软件丰富。PIO-16／16T／L／H模板的逻辑功能模块框图如下图所示§第二章输入输出接口与过程通道技术输入输出通道模板实例110计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第110页!表2-1生产过程输入输出信息来源与用途信息种类输入信息来源或输出信息的用途模拟量输入数字量输入脉冲计数器模拟量输出数字量输出温度、压力、物位、转速、成分等接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等流量积算、电功率计算、转速及脉冲形式的输入信号等控制执行装置、显示、记录等对执行器进行控制、报警显示等§第二章输入输出接口与过程通道技术输入输出接口概述111计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第111页!传感器的作用：主要是将物理信号转变为电信号。

工业过程中主要的物理参数有：温度压力流量物位（液位）机械量成分一、传感器（自学）§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器112计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第112页!热电阻：精度高，性能稳定，测温范围宽，一般为-200℃~+600℃，工业中精确测温大多用该类传感器。其类型有：Pt100、Pt50、Cu50等。工业A级的Pt100，精度为±0.15℃（标定前）§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器113计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第113页!集成温度传感器：其特点是灵敏度高，线形好，体积小，直接输出电信号或数字信号，使用方便，精度为±0.5℃，其常用的型号为AD590和DS18B20。DS18B20测量温度范围为：-55℃~+125℃，在-10~+85℃范围内,精度为±0.5℃

§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器114计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第114页!压差传感器：1151型压差传感器：测量范围：-10～100kPa基本测量精度：0.25%不确定度:≤±500Pa

§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器115计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第115页!大气压力传感器：PTB100型压力传感器：测量范围：80～106kPa基本测量精度：±30Pa§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器116计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第116页!旋涡（涡街）流量传感器：YFl00型旋涡流量计：基本测量精度：1%

在流体中插入一个圆柱体或角柱体，则会从其两侧交替地产生旋涡。在一定的条件下，这些旋涡的发生频率与流速成正比。本流量计就是应用这个原理，通过测试旋涡的频率，实现流量测量的。§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器117计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第117页!超声波流量传感器：1010SN型超声波流量计：基本测量精度：0.5%§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器118计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第118页!4.液位传感器磁致伸缩液位传感器：传感器：测量范围：0.2～5m基本测量精度：0.05%§第二章输入输出接口与过程通道技术传感器119计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第119页!信号调理的作用：主要是将传感器送来的非标准电信号转变为标准的电信号，即变送器所做的工作。常见的标准信号：0～10V0～5V

4～20mA1～5V§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理二、信号调理120计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第120页!1.桥式电路§第二章过程通道技术信号调理§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理电桥电路是最常见的信号调理电路之一，通常用于微电压、热电偶和应变测量中。图2-3热电偶变送器输入电路I=1mA

R16=R21=10kΩ

I1=I2≈0.5mA。

其它电阻≤200Ω

R24=RRP2=100Ω

121计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第121页!§第二章过程通道技术信号调理§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理(2-3)

一般地，变送器实际设计时要求在冷端温度为20℃时完全补偿，此时应有式中E(20，0)表示冷端温度为0℃时，用热电偶测量被测温度为20℃的热电势122计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第122页!热电阻ICL7650R1R2Pt100W1W2W3若Pt100从0℃～1000℃时变化时，输出为0～5V。若采用8位A/D转换器（如ADC0809），则分辨率为100/256=0.4℃；若采用12位A/D转换器（如AD574A），则分辨率为100/4096=0.024℃；§第二章过程通道技术信号调理3）热电阻的输入电路123计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第123页!仪表放大器与普通运算放大器区别：运算放大器只是在信号为单纯有效，而没有干扰的情况下方可用于小信号放大；普通运算放大器对于来自信号源的共模干扰信号不能有效地起到抑制作用；仪表放大器（测量放大器）具有高输入阻抗，低输出阻抗，强抗共模干扰能力，低温漂、低失调电压和高稳定增益。仪表放大器广泛应用于微弱信号的检测系统中，作为前置放大器；§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理124计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第124页!

AD620仪表放大器的内部结构§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理125计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第125页!AD620仪表放大器在差分屏蔽驱动接法中的应用在许多应用场合，常采用屏蔽电缆方法来减小输入端的噪声干扰。对屏蔽给予适当的驱动，可减小电缆电容和杂散电容造成的差分相移，保证交流共模抑制比不下降。§第二章输入输出接口与过程通道技术信号调理126计算机控制系统第2章共218页，您现在浏览的是第126页!3.隔离放大器

在有强电或强电磁的干扰环境线，为了防止电网电压等对测量回