计算机控制技术教案(第二章)

《计算机控制技术教案》第二章输入输出接口与过程通道

《计算机控制技术教案》输入输出通道《计算机控制技术教案》y(t)

控制规律D(Z)D/A被控对象反馈装置A/Du(t)u*(t)b(t)b*(t)r(nT)—A/D：模数转换器，将模拟信号转换为数字信号D/A：数模转换器，将数字信号转换为模拟信号b*(t):对模拟信号b(t)进行采样所得到的数字信号u*(t):计算机控制输出的数字信号被连续化为u(t)

《计算机控制技术教案》几个常见问题怎样获得和控制外界温度？计算机怎样测量交流电压？计算机怎样知道你按下的是哪一个控制按钮？计算机怎样控制电机的启动和停止？计算机怎样控制电机转速？《计算机控制技术教案》1基本概念(1)

接口就是计算机与外部设备之间交换信息的桥梁。过程通道计算机与生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（物理上连接）

（数字量）（数字量/模拟量）数字量数字量过程通道输入通道输出通道数字量输入通道模拟量输入通道数字量输出通道模拟量输出通道《计算机控制技术教案》1基本概念(2)数字量（开关量）

0、1两个数来表示某信号的两种状态，如开关的开合，指示灯亮灭，继电器、接触器的吸合与释放等。模拟量

连续信号，信号是时间的连续函数。如温度量，湿度，电压，电流，压力等。tA《计算机控制技术教案》2数字量输入通道（1）通道结构

主要有输入缓冲器、输入调理电路和地址译码电路等

输入缓冲器输入调理电路地址译码器PC总线来自生产过程《计算机控制技术教案》2数字量输入通道（2）输入缓冲器将调理好的数字逻辑信号暂存起来信号调理将现场输入的开关量状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号的过程叫信号调理。输入调理电路1.小功率输入调理电路2.大功率输入调理电路《计算机控制技术教案》2数字量输入通道（3）小功率输入调理电路+5VK+5V采用积分电路（小功率）采用R-S触发器（小功率）《计算机控制技术教案》2数字量输入通道（4）接口硬件通常采用三态门缓冲器74LS244，获取数字量信息。读数程序

MOVDX，PortINAL，DXPort是系统分配给该输入通道的地址值。《计算机控制技术教案》2数字量输入通道（5）地址译码器选通缓冲器，读入数字量译码器地址线片选练习：请设计电机启停按钮输入电路?《计算机控制技术教案》2数字量输入通道（6）大功率输入调理电路+48V+5V《计算机控制技术教案》3数字量输出通道（1）

通道结构：由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路输出锁存器输出驱动器地址译码器PC总线来自生产过程《计算机控制技术教案》3数字量输出通道（2）输出锁存器

8位输出锁存器74LS273（常用）输出驱动电路

小功率直流驱动电路功率晶体管输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路大功率输出驱动电路固态继电器SSR大功率交流驱动电路《计算机控制技术教案》3数字量输出通道（3）小功率直流驱动电路功率晶体管J+24V

功率晶体管输出驱动继电器MC1416驱动7个继电器练习：请设计电机启停控制输出电路？《计算机控制技术教案》3数字量输出通道（4）大功率驱动电路

1）直流SSR2）交流SSRSSR采用光电耦合技术进行隔离。输入电流小，输出无触点，体积小，重量轻，无机械噪声，无抖动，开关速度快，工作可靠等优点。《计算机控制技术教案》3数字量输出通道（5）《计算机控制技术教案》课堂讨论题系统名称：自助银行门禁系统要求：能采用两种方式开关门；能自动记录自动门开关次数；请设计开关门控制系统结构《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道（1）

完整的模拟量输入通道结构图生产过程传感器变送器多路开关I/V放大器采样保持器A/D接口电路PC总线《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道（2）1)传感器用于将被测物理信号转化为电信号的器件。常用传感器举例：温度测量：热电阻（0–200度） 热电偶（200–1500度）压力测量：弹簧位移、压敏器件流量测量：压力差原理位移测量：电位器、光栅…速度测量：电磁感应……

…《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道（3）2)变送器用于将传感器信号进行初步处理。包括：

a.信号滤波：实现一个低通滤波器，滤除常见高频干扰

b.小信号放大：小信号易受干扰，不易传输，要进行放大。

c.I与V变换：将电压、电流、电阻信号统一变换为规定标准信号，以利于传输使用。常见标准：计算机接口标准：范围0~5v

П型仪表标准：范围0~10mA

Ш型仪表标准：范围4~20mA

d.非线性补偿：对实际物理信号与电信号成非线性关系的情况进行补偿操作，使其成为线性关系，这部分工作亦可由计算机软件完成。

《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道（4）3)多路开关

用于分时选择某一路信号通过进行后续处理。

1.功能：可用作多对一多路选择器或一对多多路分配器。模拟多路开关一般均是双向的。

2.原理：采用输入地址译码，用译码信号控制开关，任一时刻至多只有一个开关闭合。译码输出/入地址输入/出《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(5)

多路开关有机械式和电子式两类：

(1)机械式一般用干簧继电器实现：通过外部线圈产生磁场，使之吸合或断开。其特点是结构简单，导通电阻小，断路电阻大，但速度慢，工作频率低。

(2)电子式一般用MOS场效应三级管实现。特点是速度快，工作频率高，缺点是开、闭时都有一定的电阻。而普通的硅三级管导通有压降，不适用。MOS管导通只有较小的电阻。信号信号信号信号控制《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(6)CMOS4000系列中的CD40518选一

CD40524选一*2CD40532选一*3以CD4051为例，是一个16pin封装双列直插式芯片管脚包括：电源脚3个模拟信号线9个地线3个使能端1个INH使用中Uss、Uee可共地，Udd工作电压在3~15V，INH接片选18169in4in6outin7in5INHuEEuSSin2uDDin1in0in3BAC地址《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(7)4)I/V放大器用于改善电路特性，主要是加大输入阻抗，增加驱动能力，亦用于无变送器时的小信号放大。用于改善电路特性时，放大倍数为1。无源I/V变换VIR1R2+5VI=0～10mAV=0～5V

I=4～20mAV=1～5V《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(8)有源I/V变换放大系数A=?虚短路虚断路（1）线性放大区；（2）负反馈状态。《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(9)5)A/D转换器

模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。数字量模拟量A/DA/D转换器原理

逐次逼近式转换器原理双斜积分式转换原理电压频率（V/F）原理《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(10)逐次逼近式转换原理

精度高，速度快、抗干扰性能相对较差常用的有8位ADC0809，12位AD574

《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(11)采样采样是按一定时间间隔重复进行的，这个时间间隔称为：采样周期，用T表示。计算机控制系统以数字系统控制模拟对象，其特征是采样,故又称其为：采样控制系统将A/D转换过程用每隔采样周期T瞬间闭合一次的理想开关来等效：采样开关。《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(12)采样数学模型e(t)t理想的单位脉冲序列T：采样周期，n：整数0t5T《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(13)采样过程可以看成是脉冲调制过程,模拟信号e(t)采样后：t0e*(t)0e(t)t0t5TT多大时信号不失真？《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(14)采样特性连续信号采样后，采样间隔内的信号信息丢失，存在失真;采样周期T小，采样频率Ws高，则有利于减少失真;连续信号本身变化慢，即其最高频率分量Wmax低，则允许较慢的采样频率;问题：Ws和Wmax间怎样的关系可以满足要求？香农(Shannon)定理：

如果随时间变化的模拟信号的最高频率为ωmax，只要按照采样频率ωs≥2ωmax进行采样，那么取出的样品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢复)f(t)。实际当中，常取Ws≥(5-10)Wmax。《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(15)量化

将采样信号的幅值一组数码（如二进制码）来逼近，量化执行者就是A/D转换器。量化单位——也就是数字量最低能表示的模拟量的值，也就是最小能分辨率的值。假设采样信号幅值变化范围为Ymin～Ymax

，A/D字长为n，数字量范围0～，量化单位如果现在幅值为y，则A/D转换后数字量为存在的误差——称为量化误差

《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(16)A/D转换器主要技术指标转换时间——由模拟量到数字量转换所需时间，反应A/D的速度；分辩率——通常用转换后的数子量的位数表示，最小能分辩出满量程的1/(2n-1)的增量值；线性误差——转换都是基于线性系统得到的数子量，但实际并非如此，在满量程输入范围内，偏离理想转换值的最大误差定义为线性误差；量程——输入电压范围，一般-5～+5V，0～5V，0～10V等；基准电源的精度要求，使用精密电源。

《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(17)MCS-51系列单片机和ADC0809的接口《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(18)《计算机控制技术教案》4模拟量输入通道(17)6)采样保持器用于在A/D转换期间保持输入电平,常用采样保持器：LF398，AD582等。1.孔径误差：由于A/D转换时间内输入信号变化而引起的误差2.保持器工作原理：a.控制信号有效，K闭合，CH充电至模拟输入IN的电平。b.控制信号撤消，K断开，CH保持的电平经运放由模拟输出OUT端送出。闭合时充电快（R小），断开时运放内阻大，无或少漏流。因为充电采样时间远小于A/D转换时间，所以减少了孔径误差。K+_CHOUT控制信号RIN《计算机控制技术教案》传感器输入通道接口请设计温度采集电路《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(1)模拟量输出通道结构型式根据输出信号方式，可以有两种基本结构型式：一个通道设置一个D/A转换器(一对一)

多一个通道共用一个D/A转换器(多对一)

模拟信号PC总线接口D/AV/I和自动/手动切换《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(2)一对一模拟量输出通道组成模拟PC选通信号缓冲寄存器缓冲高存器输出寄存器D/AV/I和自/手动切换输出寄存器D/AV/I和自/手动切换《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(3)多对一模拟量输出通道组成模拟PC选通信号接口D/AV/I和自/手动切换V/I和自/手动切换多路开关采样保持采样保持《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(4)数模转换（D/A）：将数字量转换成模拟量的过程n位D/A转换器（T型电阻网络：由T型电阻解码网络，参考电压UR，n位切换开关Si，电阻网络，运算放大器等构成）ADD/A《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(5)T型电阻网络D/A转换

UR

R

S1

S2

S3

R

A1

d1

d2

d3

(MSB)

2RI8RI4RI2RI2R

2R

2R

4RIUo

R

dn-1

dn

(LSB)

1R2-nInI2RnI2R1R2-nI2R

2R

2R

Io

Sn-1

Sn

R1

A2

A3

An-1

An

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

∞

-

+

+

N

《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(6)假设4位D/A转换，则上式中D不是0就是1，0表示切换开关与参考电压UR接通，该位有电流输入。当为n位二进制输入时，则《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(7)当输入数字全为零时：当输入数字全为1时，即满刻度输出为最低有效位LSB为由此可见，D/A转换器是提供电流的器件，所以在D/A的输出加运算放大器才能转换成模拟电压信号。D/A的输出电压不仅与二进制码有关，而且与运算放大器的反馈电阻R1，基准电压UREF有关。《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(8)D/A转换器主要参数①

分辨率：与A/D相同②

精度：实际值与理论值的误差③

稳定时间：输入为满刻度值时，其输出达到稳定所需的时间。④

输入编码：二进制，BCD码等。

《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(9)8位D/A转换器DAC0832

引脚说明：D0~D7：数据线CS：片选Xfer：传输片选ILE：数据输入允许WR1/WR2：写信号Iout1/Iout2:电流互补输出。即：Iout1+

Iout2=常数Rfb：反馈电阻VREF/AGND：基准源，模拟地VCC/GND：逻辑电源电流输出反馈电阻标准源写信号Iout1Iout2RfbVrefVGNDWR1WR2数据XferD0~D7ILE传输片选片选输入允许《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(10)DAC0832内部结构《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(11)单极性与双极性电压输出电路

单极性电压输出电路R3RfbIout1Iout2AGNDVout1C2R2R1C1-12V《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(12)双极性电压输出电路i1i2Vout2i=0R3=2RR2=RR1=2RVout1VREFu=0《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(13)DAC0832应用电路《计算机控制技术教案》4模拟量输出通道(12)作业：模拟量输出通道设计要求：

8通道模拟量输出

D/A选用DAC0832多路开关CD4051

《计算机控制技术教案》5硬件抗干扰技术

干扰——造成计算机的设备不能正常工作的破坏因素干扰源——产生干扰的源泉

内干扰——由系统结构，制造工艺等决定外部干扰——主要是来自空间电或磁的影响，还有环境温度、湿度等电网噪声——电网中大功率设备感性负载的启动等产生分布电容，电感引起的耦合感应电磁辐射感应长线传输的波反射多点接地引起电位差热噪声《计算机控制技术教案》5硬件抗干扰技术干扰的分类不论什么样的干扰源，对计算机的干扰总是通过传导和直接辐射两种途径进入计算机控制系统的，其耦合的方式有静电耦合、互感耦合、共阻抗耦合、电磁场辐射耦合等。按干扰的作用方式不同，可以分为常态和共态干扰两种。《计算机控制技术教案》5硬件抗干扰技术常态干扰：叠加在被测信号上的干扰噪声，又称为串模干扰。《计算机控制技术教案》5硬件抗干扰技术共态干扰：A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压，又称为共模干扰。《计算机控制技术教案》5硬件抗干扰技术常用抗干扰措施

硬件措施,可抗绝大多数的干扰;软件措施,软件滤波，软件纠错技术等,可作为第二道防线;过程通常抗干扰技术(硬件)

串模