计算机控制专科第4章

第四章模拟量输入输出通道

4.1模拟量输入通道

4.2模拟量输出通道4.1模拟量输入通道

传感器（将被控参数转换成电信号）输入信号处理放大器采样保持器多路转换器转换器模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟信号转换成计算机可以直接接收的数字量信号。通道的核心是A/D转换器4.1.1输入信号的处理为了保证A／D转换的精度，模拟信号在输入到A／D之前首先应进行适当的处理。主要方法：信号滤波统一信号电平非线性补偿削弱或消除干扰信号硬件软件P82mV或mA0～50mV0～

5V硬件软件运放构成负反馈

2．统一信号电平（I/V变换）输入信号可能是毫伏级电压或毫安级电流信号，应变成统一的信号电平。即使从变送器来的0～10mA或4～20mA的标准信号一般也要经如图4-2所示的电阻网络，进行电流／电压转换，将0～10mA的信号变换成0～50mV的电压信号，

其精度达0.02％。

R1，C的作用为滤波输入的电流为一定范围的直流二极管截止时，输出电压为A点电压值（<5V)；A二极管导通时，输出电压为5V.输入0~10mA，取R1=100Ω、R2=500Ω，输出为0~5V输入4~20mA，取R1=100Ω、R2=250Ω，输出为1~5V通过调整R1，R2即可改变输出V，V=IR2VD是限幅二极管R2是精密电阻ViVi输入0~10mA，取R1=200Ω、R3=100KΩ，R4=150KΩ，输出为0~5V输入4~20mA，取R1=200Ω、R3=100KΩ，R4=25KΩ，输出为1~5V4.1.2多路开关将各被测模拟量按某种方式（顺序切换或随机切换）分时地输入到公共的放大器或A／D转换器上。1.种类（1）机械触点式干簧继电器湿簧继电器（通电）（闭合）（接通）由于计算机的工作速度远远快于被测量的变化，因此一台计算机可供几十个回路用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号，所以，必须通过多路开关实现多选一的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。优点：结构简单，闭合时接触电阻小，断开时阻抗高，工作寿命较长，不受环境温度影响PA7PB0干簧继电器对64个点进行检测和选通由单个干簧管继电器组成的多路开关均采用开关矩阵方式（2）电子式原理图管脚图输入端控制端=00、1某一路选通既可作为多路输入，又可作为多路输出单片8选1开关CD4051优点：工作频率高，体积小，寿命长。缺点：导通电阻大，驱动部分和开关元件不独立而影响了小信号的测量精度表4-1CD4051真值表

inHCBA选通00000000100001111×00110011×01010101×X0X1X2X3X4X5X6X7无out/inout/inD3=0选中上片开关D3=1选中下片开关将2片4051扩展成一个16路开关数据选择器74LS1518路选通1路输出，既可输出原码又可输出反码过程同CD4051原理图管脚图光电耦合开关输入：发光二极管输出：光敏三极管光敏三极管的基极为光敏材料，有光照时产生光电效应。基极导通，集电极输出低电平；基极截止，集电极输出高电平。使输入和输出在电气上完全隔离，主要用于抗干扰场合。

光电耦合开关的一种用法10导通012.连接方式伪差动输入

单端多路输入差动多路输入双端多路输入多路开关特点适用范围单端多路通道利用率高无法消除共模干扰高电平输入差动多路抗共模干扰能力强利用差分电路的抗共模能力低电平输入干扰严重信号源距离较远伪差动抗共模干扰能力强利用模拟地和信号地接成一点信号源距离较近在两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声，在信号线与地之间传输。3.选择

主要考虑的因素有：通路数目，单端还是差动输入，电平高低，对各通路的寻址方式，开关切换时需要多少时间才能稳定到要求的精度，最大切换速率是多少，各通路间允许的最大串扰误差等。通常是根据数据采集的要求，抓住主要因素，进行具体选择。

4.1.3放大器

功能：将小信号放大或大信号衰减到适合于A／D输入电压要求的范围。在实际应用中，选用哪种类型的放大器取决于应用场合。特点应用场合低漂移运算放大器温度漂移极小弱信号放大仪表放大器(测量放大器)很高的共模抑制能力，高Ri，低Ro等。广泛应用隔离放大器隔断控制装置与现场电的联系（磁耦合）数字量对于微弱信号的放大来说，常有以下选择

-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+负载(外接)外接地TUOV(外接)VOUT1VOUT2差分输入放大电路0RG外接电阻，调整增益为了降低成本，多路信号可公用一个A／D；为保证A／D精度，对小信号要放大而大信号要衰减。可以每一路都用一个变送器，但这会使成本大大增加。为此，可在A／D之前设置一个增益可变的放大器，对不同输入信号用程序来设置相应的放大系数，这就是可编程序放大器。增益可调的仪表放大器预先存入各路放大倍数的等效数字量某路开关闭合取出对应的放大倍数送入实用可编程放大器CD4051选通一路电阻消除共模干扰二极管稳压管用来保护电路RG4.1.4采样保持器当进行A/D转换时，由于A/D转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差，为了保证A/D转换的精度，需要采用采样保持器。把连续变化的量变成离散量后再进行处理的计算机控制系统称为采样数据系统。采样器或采样开关--执行采样动作的装置采样时间或采样宽度τ--采样开关每次闭合的时间采样周期T--采样开关每次通断的时间间隔在实际系统中，《T，也就是说，可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。周期采样：以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定的时间间隔T转变为在瞬时0，T，2T……的一连串脉冲序列信号y*(t)。采样频率越高，采样信号越接近原信号，但采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，为使采样信号既不失真，又不浪费时间，依据香农定理：采样频率至少要为原信号最高频率的2倍。常取5~10倍。采样保持器的基本组成模拟开关储能元件缓冲放大器闭合，采样断开，保持不变，输出电压也不变uc1.主要性能参数：

(1)获得时间：指给出采样指令后，跟踪输入信号到满量程并稳定在终值误差带(0.2%～0.005％)内变化和滞留的最小时间。(2)孔径时间：指保持指令给出后到采样开关真正断开所需的时间。(3)输出电压衰减率：指保持阶段由各种泄漏电压引起的放电速度（保持期间的电容保持电压uc在缓慢下降）。(4)直通馈入：输入信号通过采样保持开关的极间电容窜到保持电容上的现象。

2.常见的集成采样保持器芯片：(1)通用芯片LF398；(2)高速芯片；(3)高分辨芯片3.选用原则

主要考虑以下因素：输入信号范围，输入信号变化率和多路开关的切换速率，采样时间应为多少才不会超过误差要求等等。

保持器在采样期间，不启动A／D转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动A／D转换器，从而保证A／D转换时的模拟输入电压恒定，以确保A／D转换精度。当输入信号变化很缓慢，A／D转换相对较快时，可以不用采样保持器。

4.1.5模／数(A／D)转换器及应用

1.分类

按位数按转换方式按输出编码形式8位、10位、12位、16位和30位等计算比较式双积分式逐位逼近式并行高速式二进制编码型BCD编码型编好程序存入转换器中D3D2D1D0逐位逼近式原理图及转换表达式输出的数字量基准电源的正负输入输入的模拟量n位A/D转换器输入VINT一定C充电开关切换C放电计数器计数双积分式原理图判断斜率固定计数器所记脉冲时间正比于放电时间，放电时间正比于输入电压极性相反2．A／D转换器的主要技术指标分辨力：指A／D最低位所具有的数值。如8位A／D，则分辨力为1/28=1/256,也有以位数直接来表示分辨力的，如8位A／D转换器的分辨力为8位。(2)量程：指所能转换的电压范围，如5V和10V等。

(3)转换时间：是指从启动A／D转换到获得数字输出为止的时间。

(4)精度：指产生输出量的理论输入电压与实际输入电压之差，有绝对精度和相对精度之分。指能对转换结果发生影响的最小输入量由误差决定的

CPU可通过一条MOVXA，@DPTR指令读入模／数转换结果。3.应用过程A／D转换器是专门用来将模拟量转化为数字量的器件，使用时只要连接供电电源，将模拟信号加到输入端，在控制端加一个启动信号，A／D转换器就会自动工作，转换完成后芯片会在一个输出引脚给出转换结束信号，通知CPU此时可以读取数据。累加器A与外部数据存储器传送指令表示寄存器间接寻址把指针DPTR所指地址处的内容传送给累加器A若A／D转换器具有可控三态输出门可直接将输出数据线与系统数据总线相连；若有三态输出门，但不受外部控制或无三态门，则必须通过I／O通道或附加的三态门电路实现与CPU相连。8位以上A／D转换器与CPU相连时还应考虑A／D位数与CPU总线位数匹配问题。在应用A／D转换器时应把注意力放在A／D转换器与CPU的连线问题上，具体应注意几点：输入模拟电压是单端的还是差动的。

(2)数据输出线与系统总线的连线问题：输出端除了高、低电平两种状态，还有高阻态。电平启动信号，在转换全过程中均要保证启动信号有效；脉冲启动信号，用MOVX@DPTR,A指令发出的片选信号或写信号在片内产生启动脉冲。(3)启动信号供给问题：把累加器A的内容传送给指针DPTR所指地址处(4)数据读取方式程序查询方式CPU等待方式固定延时方式中断方式4.应用举例（1）用不带可控三态门的A／D转换器实现A／D转换，CPU可分别采用程序查询方式和固定延时方式读取数据。CPUI/O通道程序查询方式输入方式转换结束信号启动信号0单极性模拟输入READAD：MOVA，＃92H MOVDPTR,PORTCCMOVX@DPTR，AMOVA，＃01HMOVDPTR,PORTCMOVX@DPTR，AMOVA，＃00HMOVX@DPTR，A设定A、B口输入，C口输出端口CC送给地址指针用查询方法编程读取转换结果（PORTCC)=#92HPC0为1（PORTC)=#01H端口C送给地址指针PC0为0启动A／D（PORTC)=#00H对转换器启动的程序段先关闭再启动，确保每次都可以正确启动。（A）=#01H（A）=#00HZ：

MOVDPTR,PORTBMOVXA,@DPTRANLA,＃01HCJNEA,＃00H,ZMOVA，＃01HMOVDPTR,PORTCMOVX@DPTR，AMOVDPTR,PORTAMOVXA,@DPTR

对转换器读取数据的程序段端口B送给地址指针端口B内容送给累加器A(A)和#01H进行逻辑与(A)不等于#00H转到Z处查询PB0的值PB0为0时执行端口C送给地址指针（PORTC)=#01H撤消启动信号端口A送给地址指针端口A内容送给累加器A读取数据读数前，撤消启动信号，转换器已工作完毕。固定延时方式去掉了查询端口B的连接在CPU发出转换指令后，不用去查询/DR的状态，只要延时足够长的时间，保证在A/D转换结束后再去读取A/D转换结果即可。启动延时读数（2）用带可控三态门输出的A／D转换器0809实现A／D转换，分别采用查询法、定时法和中断法读取转换结果。具有可控三态输出门可直接将A／D输出数据线与系统数据总线相连。查询法接口ADC0809CPU锁存器转换结束信号启动信号过程同AD57022地址锁存允许信号模拟量输入地址线输出允许信号数字量输出时钟信号图ADC0809工作时序图

ADC8：MOVR1，＃30H MOVR2,＃08H MOVDPTR，＃7F00HSTART：MOVX@DPTR,AREOC:JBP1.0,REOCMOVXA,@DPTRMOV@R1，AINCR1INCDPTRDJNZR2,STARTRET子程序设置8路输入数据区首址＃30H→R1指向in0通道地址设置启动A／D转换若直接寻址的位值为1，则执行转移。EOC=1,等待;EOC=0,执行把通道0的数送给A把通道0的数放入数据区首地址

数据区地址加1

A/D通道口地址加1减1不为0，执行转移。读入下一通道A／D转换数值读数时，将8个通道的值都依次读完。定时法接口ADC0809CPU锁存器转换时间128μs启动延时(大于128μs）读数ADC8：MOVR1，＃30H MOVR2,＃08H MOVDPTR，＃7F00HSTART：MOVX@DPTR,AMOVR6,＃00HTIME:DJNZR6,TIMEMOVXA,@DPTRMOV@R1，AINCR1INCDPTRDJNZR2,STARTRETCPU时钟为12MHz，接口程序如下：设置8路输入数据区首址＃30H→R1指向in0通道地址启动A／D转换延时256μs把通道0的数送给A把通道0的数放入数据区首地址

数据区地址加1

A/D通道口地址加1读入下一通道A／D转换数值中断法接口CPUADC0809锁存器启动等待转换结束发送中断信号调用中断程序读数

ORG0000H AJMPMAIN ORG0003H AJMPINT0 ORG0100HMAIN：MOVR0,＃30HMOVR2,＃08HSETBIT0SETBEASETBEX0MOVDPTR,＃7F00HMOVX@DPTR,AWAIT:SJMPWAIT参考程序如下：指定程序被载入内存时的起始位置跳转到主程序跳转到中断服务程序数据区首址＃30H→R0设置8路输入设置相应功能位，打开中断指向in0通道地址启动A／D转换原地踏步等待中断请求，转入中断服务程序。

ORG0200HINT0:MOVXA,@DPTRMOV@R0,AINCR0INCDPTRMOVX@DPTR,ADJNZR2,LOOPCLREX0LOOP:RETI把通道0的数送给A把通道0的数放入数据区首地址

数据区地址加1

A/D通道口地址加1启动A／D转换判断是否8路数据都读完读完关中断程序执行一次，读一路通道数据，共有8次中断请求。（3）编写程序，使AD574进行12位A／D转换，并把转换后的12位数字量存入内部20H和21H单元。设20H单元存放高8位，21H单元存放低4位。12位启动地址:FF7CH读高8位数据地址:FF7DH低4位数据地址:FF7FH分两次读出转换数据双极性电压输入

ORG0000H MOVR0，＃20H MOVDPTR,＃0FF7CHMOVX@DPTR，A LOOP：JBP1.0，LOOP MOVDPTR，＃0FF7DH MOVXA，@DPTR MOV@R0，A INCDPTR INCDPTR MOVXA，@DPTR ANLA，＃OFH INCR0 MOV@R0，AEND

利用查询法编程如下：数据区首址＃20H→R0指向转换器启动地址启动A／D转换判断转换是否结束指向高8位数据地址读高8位数据高8位数据存入数据区指向低4位数据地址读低4位数据屏蔽高4位数据，只要低4位

数据区地址加1低4位数据存入数据区4.2模拟量输出通道计算机控制系统中实现控制输出的主要手段。任务：把计算机(单片机)输出的数字形式的控制信号变成模拟的电压、电流信号，驱动相应的执行部件，从而完成计算机的控制目标。关键部分是D／A转换器(DAC)。DAC的基本任务是根据输入的数字信号，输出相应的、不同大小的模拟信号。

有一个4位DAC(即输入的数字信号共有4位)，输出在0～7.5V之间，求输出和输入的对应关系。方法：4位对应16种状态，将输出等分成16份，每份为0.5V。输入输出00000V00010.5V00101.0V00111.5V01002.0V…………11117.5V7.5/15=0.54.2.1DAC的工作原理1．权电阻求和网络DAC4位权电阻求和网络电子开关电阻网络基准电源运算放大器D3D2D1D0结构简单但要求电阻阻值很大，精度非常高。很少使用1011表示S2断开数据2．梯形电阻网络DAC电阻网络基准电源运算放大器阻值为R和2R的电阻，没有高精度的要求。节点D3D2D1D0电子开关分析过程D3

D2

D1

D0电子开关状态输出关系式0001S3

S2

S1接地

S0接电源0010S3

S2

S0接地

S1接电源0100S3

S1

S0接地

S2接电源1000S2S1

S0接地

S3接电源其他叠加状态S3

S2

S1S0对应接地或电源输出为上面对应叠加组合3．倒梯形电阻网络DAC把基准电源Es和运放的位置进行了调换，D0—D3的顺序与上图相反。D3

D2

D1

D0电子开关状态输出关系式0001S3

S2

S1接地

S0接运放0010S3

S2

S0接地

S1接运放0100S3

S1

S0接地

S2接运放1000S2S1

S0接地

S3接运放其他叠加状态S3

S2

S1S0对应接地或运放输出为上面对应叠加组合4.2.2多路模拟量输出通道的结构形式1.数字保持器输出通道（一个通道设置一个D/A转换器）并行输出数字量寄存器N条路传送转换速度快工作可靠；使用D／A较多连线数量多串行输出移位寄存器数字量1条路传送减少连线数量:选择哪条线路传送数据2.模拟保持器输出通道（多个通道共用一个D/A转换器）1个分时输出各路数字量将模拟量送到某一路采样保持器上保持通道数量多；速度不高，可靠性较差4.2.3D／A输出方式1．输出电流转换为电压单极性电压信号Uout=IoutRf

外加模拟电压数字量输入模拟量输出8位D/A转换器反馈电阻：I→V2．双极性模拟电压输出双极性电压信号VREF数字量模拟量已知4.2.4集成V/I转换器ZF2B20计算机控制输出通道中常以电流信号来传递信息，所以要用到V/I变换电路采用单正电源供电，电源范围10V~32V，输入阻抗10KΩ，动态响应时间小于25μs，非线性小于0.025%；通过ZF2B20可以产生一个与输入电压成比例的输出电流，输入电压范围0V~10V，输出电流是4mA~20mA。特点：低漂移，工作温度-25~85℃。满刻度校准4.2.5失电保护和手动／自动无扰动切换1．失电保护当计算机系统失电时，模拟量输出部分的后备电源自动切入，达到保持输出值而使控制量保持不变的目的。2．手动／自动无扰动切换指系统在手动方式和自动方式的相互切换过程中对系统的工况不产生扰动。

为了实现自动到手动的切换，应配备手操电源及开关。转换前要用手动或自动方法，使手操电源的输出电压(或电流)和当时的控制电压(或电流)相等，然后将开关切换到手动方式。

为了实现手动到自动的切换，应将手动输出电压作为一个采样点定时采样,采样值存放在一个固定单元中。进入自