输入输出过程通道

第7章输入输出过程通道本章主要内容1．数字量输入输出通道及其设计2．模拟量输入通道及其设计

3．模拟量输出通道及其设计

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在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理后的结果还须变换成适合于对生产进行控制的信号量。这个在计算机和生产过程之间传递和变换信息的装置称为输入输出过程通道。

计算机控制系统的过程通道分为四类：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。

2/6/202321.数字量输入通道

7．1数字量输入输出通道数字量输入通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）传送给计算机，简称DI通道。

图7－1数字量输入通道结构数字量输入通道由信号调理电路和输入接口电路构成。

DI接口电路2/6/202331)数字量输入调理电路

①小功率输入调理电路图7—2小功率输入调理电路

（a）采用RC滤波电路（b）采用RS触发器从开关、继电器等接点输入信号。将接点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用RC滤波电路或RS触发电路。2/6/20234②大功率输入调理电路

图7—3大功率输入调理电路

在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V或24V以上的直流电压。因为直流电平的响应快，不易产生干扰，电路又简单，因而被广泛采用。但是这种电路所带电压高，容易带有干扰，通常采用光电耦合器进行隔离。2/6/202352）数字量输入接口

数字量输入接口包括信号缓冲电路和接口地址译码。当CPU执行输入指令IN时，接口地址译码电路产生片选信号，将经过输入调理电路送来的过程状态（开关信号），通过输入缓冲器送到数据总线上，再送到CPU中。MOVDX,DI_PORT；接口地址DI_PORT→DXINAL,DX；过程状态→AL寄存器设采用PC总线，接口程序为：2/6/202362.数字量输出通道

数字量输出通道的任务是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件（如继电器或指示灯），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO通道。

图7—4数字量输出通道结构数字量输出通道主要由输出接口电路和输出驱动电路等组成。

DO接口电路2/6/202371）数字量输出驱动电路

输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离，二是驱动开关器件。

①低电压开关信号输出

图7－5低电压开关输出图7－6三极管输出驱动对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管、OC门或运放等方式输出。2/6/20238②继电器输出接口

图7－7继电器输出驱动

一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为控制系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可完成从低电压直流到高电压交流的过渡。③晶闸管输出接口技术晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系统中，可作为大功率驱动器件，具有用较小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电动机调速系统、调功系统、随动系统中有着广泛的应用。2/6/202392）数字量输出接口

数字量输出(DO)接口包括输出锁存器和接口地址译码。当CPU执行输出指令OUT时，接口地址译码电路产生写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的输出端，再经输出驱动电路送到开关器件。MOVAL，DATA；DO数据→AL寄存器MOVDX，DO_PORT；接口地址DO_PORT→DXOUTDX，AL；DO数据→锁存器的输出端设采用PC总线，接口程序为：2/6/202310

7．2模拟量输入通道

1.模拟量输入通道的一般组成

图7—8模拟量输入通道的组成结构

模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、前置放大器、采样保持器、模/数转换器和接口逻辑电路等组成。其核心是模/数转换器。

2/6/2023112.模拟量输入通道中常用器件和电路

①信号预处理

信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信号进行处理。如将4mA～20mA或0～10mA电流信号变为电压信号，将热电阻(Pt100或Cu50)的电阻信号经过桥路变为电压信号等。无源I/V变换图7—9无源I/V变换电路无源I/V变换可以利用一个的精密电阻，将0～10mA的电流信号转换为0～5V的电压信号。

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有源I/V变换图7—10有源I/V变换电路有源I/V变换是利用有源器件运算放大器和电阻组成。

利用0～10mA电流在电阻R上产生的输入电压，若取，则时，产生2V的输入电压。该电路的放大倍数为若取，，则0～10mA输入对应于0～5V的电压输出。

2/6/202313②多路转换器多路转换器又称多路开关，多路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共放大器或A/D转换上。

CBAX接通0000X00001X1…

…0111X7

1×

×

×

全不通

图7—11CD4051原理图表7—1CD4051通道选择表2/6/202314③前置放大器

前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到转换的量程范围之内。当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，用同一增益的放大器去放大高电平和低电平的信号，就有可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出模/数转换器的输入范围。可设计可变增益放大器，图7－12可变增益前置放大器2/6/202315④采样保持器采样时，k闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，k断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT=VC保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。图7—14集成采样保持器LF398的原理图图7—13采样保持器的组成2/6/202316⑤A／D转换器

A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间的接口。分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，若n＝8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压。转换时间：从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成n

位转换所需要的时间。

A／D转换器的主要技术指标2/6/202317线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如1/2LSB、1/4LSB等。转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如0～5V，0~10V，－5V～十5V等。

转换精度：绝对精度指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值；相对精度指在满量程已校准的情况下，整个转换范围内任一数字量输出所对应的模拟量输入电压的实际值与理想值之间的最大差值。转换精度用LSB的分数值来表示。

2/6/2023188位A／D转换器ADC0809图7－15ADC0809的原理框图及引脚2/6/20231912位A／D转换器AD574A

图7—16AD574A的原理框图及引脚2/6/202320⑥A／D转换器与计算机的接口8位A/D转换器与PC总线工业控制机接口图7－17ADC0809与PC总线工业控制机接口

设8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A为输入口，端口C上半部分为输入而下半部分为输出口。ADC0809的ALE与START引脚相连接，将PC0～PC2输出的3位地址锁存入0809的地址锁存器并启动A/D转换；

ADC0809的EOC同OE输入控制端相连接，当转换结束时，开放数据输出缓冲器；EOC信号还连接到8255A的C口，CPU通过查询PC7的状态而控制数据的输入过程。2/6/202321根据图7－17接口方法，采用查询方式完成8路模拟量数据采集的程序框图(假设在主程序中已完成对8255A的初始化编程)。

图7—18用ADC0809实现8路数据采集程序流程图2/6/202322CE、和的控制通过PC2～PC0输出适当的控制信号实现。12位A/D转换器与PC总线工业控制机接口AD574片内有时钟，无需外加时钟信号;。该电路采用双极性输入方式，可对±5v或±10v模拟信号进行转换;12／控制引脚和VLOGIC相连,接+5v;图7-19AD574A与PC总线工业控制机接口

设8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A、B和端口C上半部分规定为输入，端口C的下半部分规定为输出。A0接地，使工作于12位转换和读出方式;2/6/202323通过图7－19硬件接口，在查询方式下，启动和读取数据的程序框图。假定已完成对8255A的初始化编程。

图7—20启动和读取AD574A数据程序流程图

2/6/2023243.模拟量输入通道设计如果模拟输入电压已满足A/D转换量程要求，就不必再用前置放大器，前置放大器可分为固定增益和可变增益两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器；如果在A/D转换期间，模拟输入电压信号变化微小，且在A/D转换精度之内，也就不必选用采样保持器。A/D转换器位数的选择主要取决于系统测量精度。A/D转换器的转换时间或转换速率的选择取决于使用对象。采样保持器(S/H)的选用取决于测量信号的变化频率，原则上直流信号或变化缓慢的信号可以不用采样保持器。2/6/202325确定A/D转换器位数的方法有以下两种：①输入信号的动态范围设输入信号的最大值和最小值分别为

式中n为A/D转换器的位数，为转换当量，则动态范围为

因此，A/D转换器位数为2/6/202326②输入信号的分辨率有时对A/D转换器的位数要求以分辨率形式给出，其定义为如果所要求的分辨率为D0，则位数例如，某温度控制系统的温度范围为0℃至200℃，要求分辨率为0.005（相当于1℃），可求出A/D转换器的位数因此，取A/D转换器的位数n为8位。2/6/202327

图7－218通道12位A/D转换模板以PC总线工业控制机的模拟量输入通道模板设计为例。单极性0～10V12位分辨率转换时间程序查询工作方式2/6/202328该模板采集一组数据的过程如下：（1）通道选择将模拟量输入的通道号写入8255A的端口C低4位，使LF398的工作状态受AD574A的STS控制，A/D未转换期间，LF398处于采样状态。（2）启动AD574A进行A/D转换通过8255A的端口C的PC4～PC6输出控制信号启动A/D。在A/D转换期间，，LF398处于保持状态。（3）查询AD574A是否转换结束读8255A的端口A，了解STS是否已由高电平变为低电平。（4）读取转换结果若查询到STS由1变为0，则读8255A的端口A和B，便可得到转换结果。

2/6/2023297．3模拟量输出通道1模拟量输出通道的结构形式图7—23共用D／A转换器的结构

图7—22一个通路一个D／A转换器的结构只适用于通路数量多且速度要求不高的场合，可靠性较差。转换速度快、工作可靠。2/6/2023302模拟量输出通道中常用器件和电路

①

D/A转换器

D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统之间的接口。D/A转换器的主要技术指标分辨率：

D/A转换器的分辨串定义为基准电压与之比值，其中n为D/A转换器的位数。稳定时间：输入二进制数变化量是满刻度时，输出达到离终值时所需的时间。2/6/202331转换精度：其中绝对精度是指输入满刻度数字量时，D/A转换器的实际输出值与理论值之间的最大偏差；相对精度是指在满刻度己校准的情况下，整个转换范围内对应于任一输入数据的实际输出值与理论值之间的最大偏差。转换精度用最低有效位LSB的分数来表示，如土1/2LSB、土1/4LSB等。

线性度：理想的D/A转换器的输入输出特性应是线性的。在满刻度范围内，实际特性与理想特性的最大偏移称为非线性度，用LSB的分数来表示，如土1/2LSB、土1/4LSB等。2/6/202332

8位D/A转换器DAC0832图7—24DAC0832的内部结构图

2/6/202333

图7—25DAC1210内部结构图

12位D/A转换器DAC12102/6/202334②D/A转换器与计算机的接口

8位D/A转换器与PC总线工业控制机接口

图7—26DAC0832与PC总线工业控制机接口

DAC0832工作在单缓冲寄存器方式；DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出，经过运算放大器A，将形成单极性电压输出0～＋5V；

若要形成负电压输出，则需接正的基准电压。将数字量转换后得到的输出电流通过内部反馈电阻流到放大器的输出端。2/6/202335图7—27用DAC0832实现8位D/A转换程序框图

配合图7—26硬件接口，8位D/A转换程序框图如图。2/6/20233612位D/A转换器与PC总线工业控制机接口

图7－28DAC1210转换器与PC总线工业控制机接口

端口地址译码器译、、三个口地址，这三个口地址用来控制DAC1210工作方式和进行12位转换。2/6/202337以图7－28接口为例，其转换接口程序框图如图

图7－2912位D/A转换程序框图

2/6/202338③双极性模拟量输出的实现方法

为单极性输出，若D为输入数字量，为基准参考电压，且为位D／A转换器，则有为双极性输出，且可推导得到

这种双极性输出方式，是把最高位当作符号位使用，与单极性输出比较，使分辨率降低1位。图7－30D/A转换器双极性输出电路2/6/202339④V／I转换和自动／手动切换

电压／电流转换

0～10V/0～l0mA转换图7－310～10V/0～l0mA的转换电路如图，当运放开环增益足够大时，输出电流与输入电压的关系只与反馈电阻有关，因而具有恒流性能。反馈电阻的值由组件的