第二章 输入输出接口和输入输出通道2-3

第四节I/O通道本节主要内容：模拟、数字I/O通道的构成、功能和设计方法；D/A、A/D转换器的选择和使用方法；会设计常用的I/O通道。I/O通道是连接计算机和工业对象（生产过程或生产机械等）的必不可少的重要部分。I/O通道的分类：1.模拟量输入通道2.模拟量输出通道3.数字量输入通道4.数字量输出通道I/O通道的任务：将检测器件测取的各种参量变换成计算机所能接受的信息形式送入计算机；计算机按某种算法计算后，又将其计算结果以数字量或转换成模拟量的形式输出至被控对象，以控制执行机构动作。一、模拟量输入通道模拟量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。由图2-35可以看到，它主要由信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、A/D转换器和控制电路等部分组成。（一）信号处理装置一般包括标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。标度变换器：把经由各种传感器得到的被测模拟信号转成统一标准信号。标度变换器包含在变送器中，电路通常为电阻网络或电桥。滤波：模拟滤波、数字滤波线性化处理，在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路（如冷端补偿）的办法达到目的。软件上可用计算机进行分段线性化数字处理的办法。(二)采样单元采样单元也称为多路转换器或多路切换开关。作用：把已转换成统一电压信号（0~40mV）的测量信号按序或随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。即：在模拟输入通道中，借助采样单元把多路模拟量分时接到A/D转换器进行转换，实现了CPU对各路模拟量分时采集的目的。组成：开关矩阵及其逻辑控制电路组成。1.逻辑控制电路：在软件或通道控制电路的控制下，保证以一定的速度和所要求的次序一个一个的选择被测模拟信号的输入。2.开关矩阵：由模拟开关构成。模拟开关：以某种方式接通或断开模拟信号的元件或电路。要求：接通时，接触电阻小，以减少开关压降，精密传送信号；断开时，截止电阻极大，可靠的断开与其它电路的联系；动作速度快、驱动功率小；使用寿命长。分类：

1.机械式触点或开关，如干簧（或湿簧）继电器、水银继电器等，其优点：导电电阻小，开路电阻大，但响应速度比较慢，使用久了触点不易清洗，易误动作。多用于100～200点/s以下的采样系统2.晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关。其优点：开关速度快（可达1000点/s），使用寿命长，无机械磨损，接触电阻低（一般小于100Ω）断开电阻高（109Ω以上），已制成集成电路。有8通道，16通道，32通道，如CD4051、CD4052、LF11508、LF13508。CD4051原理框图改变OUT/IN和IN/OUT的接法，可完成“多到一”或“一到多”的转换。前者称为多路开关，后者称为多路调制器或多路解调器。直流供电电源VDD=+5V~+15V，输入电压UIN=0~VDD，能传送的数字信号电位变化范围位3~15V，模拟信号峰峰值15V。VEE接负电源时，正负模拟电压均可通过。表2-9CD4051真值表输入状态INHCBA接通通道号CD4051输入状态接通通道号INHCBACD4051000000000101001110010111011100000#1#2#3#4#5#6#7#(三)采样保持

在一般的A/D转换电路中，由于输入的模拟量变化频率较高，而且A/D转换速度又不是很高，以及多个过程参量输入的情况下，仅仅靠A/D转换器难以保证转换的精度。这时候一般要在A/D转换之前加上采样保持器，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。

采样保持器的作用：保证模拟信号采样的准确度。孔径时间：A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间。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化误差。0UttA/Dt1t0△U图2-38由tA/D引起的不确定误差电压令正弦模拟信号 U=UmsinωtdUdt=Umω

cosωt=Um2πf

cosωt结论：对于一定的转换时间，最大可能的误差发生在信号过0的时刻Um为正弦模拟信号的幅值；f为信号频率在坐标原点上dUdt=Um2πf

取△t=tA/D，则原点处转换的不确定电压误差为△U=Um2πf

tA/D误差的百分数σ=△U×100Um=2πf

tA/D×100例：一个10位的A/D转换器，若要求转换精度为0.1%，孔径时间10μs，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为 f=0.12π×10×10-6×102s≈16Hz采样保持电路组成：输入缓冲放大器A1、模拟开关AS、模拟信号存储电容CH、输出缓冲放大器A2

+-A2-+A1输入控制信号ASCH输出采样保持电路的两个工作状态：１采样状态：当模拟开关AS闭合时，进入采样状态２保持状态：当模拟开关AS断开时，进入保持状态快速系统需要采样保持电路：在模拟输入通道中，只有在信号变化频率较高而A/D转换速度又不高，以致孔径误差影响转换精度时，或者要求同时（还是有先有后）采样多个过程参量的情况下，才需要设置采样保持电路，对于石油、化工等变化缓慢的生产过程（一般信号频率在1Hz之内）只需要采样单元，采样保持电路是不必要的。（四）数据放大器

由采样单元或采样保持器输出的被测电压信号通常是0~40mV的弱信号，而A/D转换器要求输入电压一般都是0~+5V、0~+10V、±5V、±10V。因此须经放大器，从而提高输出电平，实现阻抗匹配。或经差分放大提高共模抑制比，然后才能送A/D转换器。（五）A/D转换器

在第六节专门介绍模拟信号转化为数字信号的过程可以划分为采样过程和量化过程。（一）采样过程将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。二、采样与量化采样周期T采样时间采样时刻Shannon定理：ωs≥2ωmaxωmax为被采样的输入信号f(t)中所含最高频率（角频率）；ωs为采样频率（角频率）；即当满足采样频率大于或等于模拟输入信号所含最高频率的两倍时，就可以通过理想的低通滤波器，由f*(t)完全恢复出f(t)。工程上，一般总取实际采样频率ωs比2ωmax大[ωs≥（4～10）ωmax]，过程惯性越大，倍数可取得越大。（二）量化过程用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。量化单位：量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值

。量化误差最大值为fmax和fmin分别为转换信号的最大值和最小值i—转换后的二进制数的位数例：模拟信号fmax=16V、fmin=0V，取i=4，则q=1V，量化误差最大值emax=±=±0.5Vq2采样时刻采样值(V)量化值采样时刻采样值(V)量化值

0T4.901011T4.101002T7.510003T9.410015T11.210116T11.010117T8.810018T6.70111三、模拟量输出通道功能：把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。组成：D/A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路等。零阶保持器定义：前一采样时刻的输出值原封不动的（理想化大）保持到下一采样时刻到来。零阶保持器的种类：

1.采用步进电动机带动多圈电位器2.采用和模拟量输入通道中的采样保持器一样的电容保持电路加输出保持器后的输出信号为阶梯状的模拟信号，必须经滤波电路，使阶梯变得平滑。有的执行部件（电动机）能起滤波作用。

四、模拟量输入输出通道的工作过程分析五、数字量输入输出通道

1）TTL电平编码数字

TTL电平的编码数字—直接接到输入端口上

可靠性要求很高的场合—加光电隔离电路

2）脉冲序列

频率不高—软件计数（查询或中断方式对输入脉冲计数）

频率高—外加硬件电路，用计数器/定时器8253，计数值随时准确的读入CPU

3）开关量

接通或断开的信号（如按钮、转换开关、拨码开关、继电器或来自现场的行程开关）—先经电平转换电路，将触点的通断转换成高电平或低电平，同时要考虑滤波，防触头抖动以及采用光电隔离或继电器隔离等。(一）数字量输入输出通道开关量输入电路一电平转换及滤波电路：+5VS0.1μF5.1kΩ74LS0416S继电器隔离及电平转换电路：+5VK0.1μF5.1kΩ74LS0416KK+24VSK开关量输入电路二开关量输入电路三消除开关二次反跳触发器电路：S5.1kΩ5.1kΩ74LS04+5VS&&开关量输入电路四光电隔离及电平转换电路：+5V+24VSS1.5kΩ1216151kΩ74LS0416TLP521-4141（二）数字量输出通道数字信号种类：1.编码数字（二进制或二—十进制）2.“1”或“0”的开关信号3.脉冲信号（步进电机）开关量输出通常有：

1.TTL电平逻辑信号输出2.电子无触点开关输出3.继电器输出开关量输出电路a)TTL电平输出+5V+5V