计算机控制技术2

2023/2/2第二章过程通道1第二章模拟量输入/输出通道接口的设计本章主要内容：

1采样周期的选择

2模拟量输入通道原理和设计方法：A/D3模拟量输出通道原理和设计方法：D/A4开关量输入、输出通道的原理和设计方法：电平转换和驱动电路的设计2023/2/2第二章过程通道22.1多路开关及采样保持器（1）为什么要使用多路开关？计算机控制系统中，有时需要对多路或多种参数进行采集和控制，由于计算机的工作速度很快，而被测参数的变化较慢，因此，一台计算机可供多个回路使用。然而，计算机在某一个时刻只能接收一个通道的信号，因此，必须通过多路模拟开关进行切换，使各路被测参数分时进入计算机。（2）为什么在过程通道中要加入采样保持器？ 模拟量必须转换为数字量才能进入计算机，由于A/D转换需要一定的时间，为了保证转换精度，必须保证在转换时保持转换值不变，同时，在转换结束后转换值又能跟踪模拟量的变化。在多路模拟量输出时，为了使各个通道得到一个平滑的模拟量输出，在分时输出期间，必须保持一个恒定值。2023/2/2第二章过程通道32.1多路开关及采样保持器——采样定理2.1.1采样定理

Shannon采样定理：

一个具有有限频谱的连续函数，它的频带为：对进行采样，仅当采样频率，采样函数才能不失真地恢复原函数。x(t)t0连续函数x(t)tT2T3T4TnT离散序列2023/2/2第二章过程通道42.1多路开关及采样保持器——采样定理采样周期的选择

<1>采样周期的选择与下列因素有关：（1）生产过程的扰动程度；（2）被控对象的动态特性；（3）采用的控制方式和执行机构的类型；（4）被控对象所要求的控制品质指标.<2>采样周期的选择流量：1~5s(优选1~2s）；压力：3~10s(优选6~8s）；液位：6~8s；温度：15~20s；成分：15~20s；

2023/2/2第二章过程通道52.1多路开关及采样保持器——多路开关2.1.2多路开关 多路开关的作用：把多个模拟量参数分时地接入A/D转换器，实现多到一的转换；或者把计算机处理后的控制量，由D/A转换器转换成模拟量按一定的顺序输出到不同的控制回路中，实现一到多的转换。 一、多路开关的特性（1）断开（开路）电阻无穷大；（2）导通电阻为0；（3）频带宽度无穷大，功耗为0；（4）通断过渡时间为0；（5）导通时，只允许有用的电信号通过，而无其他信号耦合到回路中。2023/2/2第二章过程通道62.1多路开关及采样保持器——多路开关二、常用模拟开关：机械式：干簧、湿簧继电器及机械振子组成。特点：近似理想的静态特性。采样速度低，触点寿命短。使用：高精度、低速采样。电子式：集成电路，晶体管、场效应管、CMOS

特点：采样速度高，体积小、寿命长。对温度敏感使用：高速采样。2023/2/2第二章过程通道72.1多路开关及采样保持器——多路开关三、常用多路开关集成电路芯片（半导体多路开关）公司型号规格种类CDCD40518路双向CD4052双4路双向CD40533重2通道双向CD406716路双向CD4097双8路双向ADAD75018路单向AD7502双4路单向AD75038路单向AD750616路单向AD7507双8路单向MAXMAX3088路双向MAX309双4路双向MAX3068路双向MAX307双8路双向2023/2/2第二章过程通道82.1多路开关及采样保持器——多路开关CD4051—八选一多路开关电路的工作原理VDD：+5~+15V，X0~X7模拟电压的范围。VEE，VSS：模拟电压及数字信号允许输入的下限值。

模拟信号的峰－峰值：15V;数字信号：3～15V

电平转换VDDVSSVEEINHABCX0X1X7X译码器（1）组成：逻辑电平转换、二进制译码和8个模拟开关组成。2023/2/2第二章过程通道92.1多路开关及采样保持器——多路开关

（2）工作原理：

INH＝1，禁止工作，INH＝0，允许工作；

INH＝0时，由A、B、C指定通道，000～111，通过译码器可以译出8种状态，选中一个通道工作。

CD4051可以双向工作，改变IN/OUT和OUT/IN接法，可以实现8入1出、8出1入。2023/2/2第二章过程通道102.1多路开关及采样保持器——多路开关的扩展四、多路开关的扩展（1）16选1路开关的扩展INHINHA3A2A1A0A2A1A0A2A1A0输出0~7路输入8~15路输入CD40511#CD40512#A3=0，选中1#，则1#CD4051的8个通道0~7的地址编码（A3A2A1A0）为0000-0111。A3=1，选中2#，则2#CD4051的8个通道0~7的地址编码（A3A2A1A0）为1000-1111。因此，每一时刻只有唯一的通道与输出接通。2023/2/2第二章过程通道112.1多路开关及采样保持器——多路开关的扩展（2）16路差动输入开关电路X1X2X3X7ABINHCXX1X2X3X7ABINHCXX1X2X3X7ABINHCXX1X2X3X7ABINHCXQ0Q2Q3Q1D0D1D2D3选通通道编码信息Vs1Vs2模拟信号输入CD4051CD4051CD4051CD4051Vs1(0~7)Vs2(0~7)Vs1(8~15)Vs2(8~15)#0#1#2#3D3=0，#0，#1工作D3=1，#2，#3工作2023/2/2第二章过程通道122.1多路开关及采样保持器——多路开关的选择1）考虑通道数、寻址方式、是否需要扩展、单端输入还是差动输入；

2）对传输信号电平较低的场合，可选用低压型多路开关，但在电路中必须考虑抗干扰措施。

3）对传输精度较高而信号变化较慢的场合，可选用机械式多路开关以减小导通电阻。

4）对切换速度较高、且通道路数较多的场合，选用集成电路多路模拟开关。尽可能采用单片实现，以保证各路的特性参数一致；若采用多片组合，尽可能选用同一类芯片。

5）对模拟开关的速度选择应高于采样保持电路和A/D转换电路的工作速度。

6）考虑多路开关的传输精度，漂移特性，保证系统稳定。2023/2/2第二章过程通道132.1多路开关及采样保持器——采样保持器2.1.3采样保持器（Sample/Hold,S/H）

由A/D转换理解加入采样保持器的作用。变化较快的模拟信号在A/D转换的过程期间，会引起转换误差： 设模拟信号：u=Umsin2ft

信号随时间的变化率：du/dt=2fUmcos2ft 显然，t=0,存在最大转换误差：u=2fUmt

。当A/D转换时间t一定时，u

与信号的频率f成正比，所以，在保证一定转换精度（u(f)<)的前提下，可以使用采样保持器。

结论：

在A/D转换期间（很短的一段时间内），让信号保持不变，不受信号本身变化的影响，待转换结束后，再引入新的信号，进行下一次采样，可以保证转换精度。2023/2/2第二章过程通道142.1多路开关及采样保持器——采样保持器一、采样保持器的工作方式：

S/H有2种工作方式：采样方式和保持方式。采样方式时，S/H输出随输入信号变化。保持方式时，S/H的输出将保持在命令发出时刻的输入信号值，直到保持命令结束。2023/2/2第二章过程通道152.1多路开关及采样保持器——采样保持器二、采样保持器在A/D转换中的作用： （1）在采样时间内，快速跟踪输入信号的变化，在保持时间内，保持采样值不变，为A/D转换提供稳定的转换信号。（2）在多路采样系统中，跟踪采样信号，当采样/保持器进入保持方式时，多路开关进行下一路信号的采样，从而构成高速的重叠采样的模式。（3)在保证精度的前提下，提高A/D转换器的频率。A/D转换需要时间，在转换过程中应保持一个恒定的值，否则无法得到精确的转换结果，只能牺牲被转换信号的频率来达到高精度转换。2023/2/2第二章过程通道162.1多路开关及采样保持器——采样保持器三、采样/保持器在D/A转换中的作用： （1）把D/A转换器输出的时间上离散模拟量变换为时间上连续的模拟量，即将前一个时刻D/A转换器的输出值保持到下一个时刻新的输出值到来之前。 （2）减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出信号的峰值及缩短稳定输出值的建立时间。 （3）把一个D/A转换器的输出分配到几个输出通道，以保持输出的稳定性。2023/2/2第二章过程通道172.1多路开关及采样保持器——采样保持器四、采样保持器的工作原理+-A1+-A2UiUoKC方式控制

当控制信号为高电平时，K闭合，Ui通过放大器A1向C充电，可经放大器A2输出——采样阶段。充电时间越小越好，使C很快达到输入电压值。1

当控制信号为低电平时，K断开，C保持K断开前的一瞬间的输入信号，经放大器A2输出——保持阶段。C上的电压稳定时间越长越好。+-A1+-A2UiUoKC方式控制02023/2/2第二章过程通道182.1多路开关及采样保持器——采样保持器五、常用采样保持器芯片：

LF198、LF298、LF398、AD582

特点：采样速度高，保持电压下降时间长，精度高。+-A1+-A2UinUoutKC（外接电容）R2R1OFFSET偏置控制逻辑参考电平LR238765V+——1V-——4控制=0，保持控制=1，采样LF198/LF298/LF398A32023/2/2第二章过程通道192.1多路开关及采样保持器——采样保持器六、采样保持器的应用（1）LF3983814576VinVoutC0+5V控制V+V-采样保持器电路holdSample2023/2/2第二章过程通道202.1多路开关及采样保持器——采样保持器六、采样保持器的应用（2）393＋－＋5V采样脉冲LF3983814576VinC1150pFV+V-RVout接A/D大于1小于0tf(t)11000AA峰值检测电路2023/2/2第二章过程通道212.2模拟量输出通道接口技术模拟量输出通道的作用：完成数字量到模拟量的转换。2.2.1模拟量输出通道结构形式 （1）一个通道配置一个D/A转换器(多路D/A输出形式）CPUI/O接口D/A转换器D/A转换器通道通道CPU与各个模拟量通道之间通过独立的接口传递信息；速度快、可靠性高；成本较高2023/2/2第二章过程通道222.2模拟量输出通道接口技术—模拟量输出通道结构形式（2)多个通道共享一个D/A转换器CPU多路开关D/A转换器保持电路I/O接口保持电路通道通道

各个通道分时工作；输出保持器将D/A转换器输出的离散模拟量转换成执行机构能够接受的连续信号，将D/A本时刻的输出值保持到下一个时刻；速度较慢，可靠性较差。2023/2/2第二章过程通道232.2模拟量输出通道接口技术—模拟量输出通道结构形式（3）多个通道同时进行D/A转换（同步方式）缓冲寄存器缓冲寄存器D/A缓冲寄存器缓冲寄存器D/A缓冲寄存器缓冲寄存器D/A地址译码器模拟量输出CPUDBAB2023/2/2第二章过程通道242.2模拟量输出通道接口技术——D/A转换原理2.2.2D/A转换原理

转换的数字量经接口控制各位相应的开关，以接通或断开各自的解码电阻，从而改变标准参考电源经解码电阻网络所产生的总电流，然后经放大器输出与数字量相对应的模拟量。（1）D/A转换原理2023/2/2第二章过程通道252.2模拟量输出通道接口技术——D/A转换原理（2）R-2RT型解码网络工作原理数字量anan-1…a1，模拟量输出为：2023/2/2第二章过程通道26数字量为：a4a3a2a1=00012023/2/2第二章过程通道27数字量为：a4a3a2a1=00102023/2/2第二章过程通道28数字量为：a4a3a2a1=01002023/2/2第二章过程通道29数字量为：a4a3a2a1=1000对于任意的数字量a4a3a2a1，输出为：2023/2/2第二章过程通道302.2模拟量输出通道接口技术——8位D/A接口技术1普通型A/D转换器——DAC08322023/2/2第二章过程通道312.2模拟量输出通道接口技术——8位D/A接口技术2电压型输出D/A转换器——AD558（1——补充）2023/2/2第二章过程通道322.2模拟量输出通道接口技术——8位D/A接口技术2电压型输出D/A转换器——AD558（2——补充） （1）内部含有运算放大器； （2）内部含有高精度的参考电源。 （3）电压输出范围有2种：0～2.56V，0～10V。可以通过改变输出电路的连接方式实现输出量程的选择。0～2.56V0～10V2023/2/2第二章过程通道332.2模拟量输出通道接口技术——8位D/A接口技术34通道D/A转换器——AD7226（1——补充）2023/2/2第二章过程通道342.2模拟量输出通道接口技术——D/A的输出方式4D/A转换器的输出方式

D/A转换器的输出有电流和电压两种方式，电压型输出可分为单极性电压输出和双极性电压输出。

D/A转换器的输出方式与D/A转换器的位数没有关系，只与模拟量输出端的电路连接方式有关。

（1）单极性电压输出 电流输出型的D/A转换器，外接一级运放，且Iout2接地。运放的电压输出范围和极性与VREF有关。IOUT1RfbIOUT2VOUT+-A0832单极性电压2023/2/2第二章过程通道352.2模拟量输出通道接口技术——D/A的输出方式（2）双极性电压输出 对于电流型输出的D/A转换器采用2级运放实现双向电压输出。VREF15KIOUT1RfbIOUT2+-A10832+-A215K7.5K+5VVOUT双极性电压0~-5VR1R2R3VO2023/2/2第二章过程通道362.2模拟量输出通道接口技术——接口及程序设计58位D/A转换器的接口与程序设计（1） （1）芯片内部不含锁存器 方法一：在CPU与D/A转换器之间增加数据锁存器或I/O接口芯片。 IOUT1IOUT2+-A0808803174373WREAP0P2ALEGA0~A7A8~A15CLK＋A0~A7CLR5V74273VOUT2023/2/2第二章过程通道372.2模拟量输出通道接口技术——接口及程序设计58位D/A转换器的接口与程序设计（2） （1）芯片内部不含锁存器 方法二：直接利用单片机I/O口作为数据锁存器。8031IOUT1IOUT2+-A0808EAP1P2A0~A7VOUT2023/2/2第二章过程通道382.2模拟量输出通道接口技术——接口及程序设计58位D/A转换器的接口与程序设计（3） （2）芯片内部含锁存器IOUT1RfbIOUT2+-A083274373WREAP0P2ALEGA0~A7A8~A15CSXFERWR1WR2D0~D7VOUTP2.02023/2/2第二章过程通道392.2模拟量输出通道接口技术——接口及程序设计6大于8位D/A转换器的接口与程序设计 由于MCS-51单片机的数据总线为8位，因此，转换数据需要多次输入D/A转换器中。

（1）AD667——12位D/A转换器的接口设计

12位D/A转换器，片内含有2级数据输入锁存器。2023/2/2第二章过程通道402.2模拟量输出通道接口技术——接口及程序设计AD667与单片机的接口MOVR0,#DATA；数据存储区MOVDPTR,#PORTL；D/A口MOVA,@R0;取低八位数据MOVX@DPTR,A;送低八位到D/AMOVDPTR,#PORTH；D/A口INCR0MOVA,@R0;取高4位数据MOVX@DPTR,A;送高4位到D/A，并启动D/A高4低82023/2/2第二章过程通道412.2模拟量输出通道接口技术——接口及程序设计（2）12D/A转换器——DAC1210(补充)IOUT1RfbIOUT2+-ADAC121074373WREAP0P2.5ALEGA0~A7CSXFERWR1WR2D4~D11VOUTD0~D3P2.6P2.774138CBA4000H6000HA0BYTE1/BYTE280312023/2/2第二章过程通道422.3模拟量输入通道接口技术

输入输出通道在计算机和生产过程之间，实现信息的传递和变换的连接装置。 输入输出通道是计算机和生产过程之间进行信息交换的桥梁。 用户可以根据信号的性质，在控制系统中配置相应的过程通道。2023/2/2第二章过程通道432.3模拟量输入通道接口技术——通道结构1输入通道的结构 （1）一般结构AS/HI/OA/D多路模拟量时序控制逻辑地址锁存BUS多路转换器采样保持器放大器A/D转换器I/O口多路开关：分时将各路模拟量信号按顺序或随机地接入；放大器：将传感器传送的弱信号按比例地放大到A/D转换器所需的输入电平；采样保持器：用来对变化的模拟信号进行快速采样，并在转换的过程中保持该信号不变；A/D转换器：将模拟量转换为数字量；输入输出接口：锁存A/D转换后的数字量。控制部分：向多路转换开关发送通道选通控制信号；控制放大器增益；控制采样保持器的工作；启动A/D转换器。2023/2/2第二章过程通道442.3模拟量输入通道接口技术——通道结构（2）一个通道设置一个A/D转换器一个通道设置一个A/D转换器I/O接口采样保持器A/D转换器采样保持器A/D转换器CPU输入信号输入信号2023/2/2第二章过程通道452.3模拟量输入通道接口技术——通道结构（3）多个通道共享一个A/D转换器I/O接口采样保持器A/D转换器采样保持器多路转换开关CPU多个通道共享一个A/D转换器输入信号输入信号2023/2/2第二章过程通道462.3模拟量输入通道接口技术——通道结构（4）多个通道共享采样保持器和A/D转换器多个通道共享采样保持器和A/D转换器I/O接口A/D转换器多路转换开关CPU输入信号输入信号采样保持器2023/2/2第二章过程通道472.3模拟量输入通道接口技术——A/D转换器2.3.1A/D转换器原理 （1）直接比较型：待转换的模拟信号直接与一个特定的基准源比较，获得数字信号。连续比较、逐次比较、斜波电压比较。 （2）间接比较型：模拟信号不直接与基准源比较，而是将其转换为一个中间物理量。然后再转换为数字量。积分型电压/频率、电压/时间转换器。查阅资料了解各种A/D转换器的转换原理2023/2/2第二章过程通道482.3模拟量输入通道接口技术——A/D转换器常见芯片：

8位：ADC0801~ADC0805， 多通道：ADC0808/ADC0809,ADC0816\0817 10位：AD7570,AD573,AD575,AD579 12位：ADC1210/1211,ADC574,AD578,AD7582,ADC679BCD码：5G14433(3位半）、ICL7135(4位半）查阅资料了解各种A/D转换器的功能和特点2023/2/2第二章过程通道492.3模拟量输入通道接口技术——8位A/D转换器2.3.28位A/D转换器

1、普通型A/D转换器AD7574

单片型、内含时钟振荡器、＋5V供电、内设比较器和控制逻辑的逐次比较A/D转换器。

2、含仪用放大器的A/D转换器AD670

片内集成了仪用放大器，放大器输入端配有定标电阻以适应输入范围的变化：0～2.55mV,0～2.55V,信号可以是单极性或双极性输入。差分输入，具有较强的抗干扰能力。

3、多通道A/D转换器AD0808/0809

片内含有8个通道，单极性信号输入。2023/2/2第二章过程通道502.3模拟量输入通道接口技术——8位A/D接口技术2.3.38位A/D接口技术

1、数据线的连接： （1）芯片含有输出锁存器和三态输出控制时，直接与CPU数据总线连接。（2）芯片无输出锁存器和三态输出控制时，必须通过I/O接口与数据总线连接。

2、选通信号、启动信号和读出控制信号的连接片选信号选通芯片、启动A/D转换、检测转换结束信号、读取转换结果。

3、电源和地线的处理 数字地、