物联网控制技术 课件 A计控2输入输出接口与过程通道

1第二章

输入输出接口与过程通道接口技术：研究计算机和外部设备之间如何交 换信息的技术。过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息 传递和转换的装置。2一、计算机控制系统中的信号第一节

过程通道的组成和功用

计算机控制系统的信号流图模拟信号离散模拟信号数字信号数字信号量化模拟信号TA/DD(z)D/AG(s)采样器给定计算机对象y(t)y*(t)y(nT)∑r(nT)u(t)u(nT)＋－y(t)0

ty*(t)τ0T2T3T

t18(10010)23(10111)19(10011)y(nT)0T2T3T

t15(01111)24(11000)20(10100)u(nT)0T2T3T

tu(t)0T2T3T

t3模拟信号：时间上、幅值上均连续的信号y(t)离散模拟信号：时间上离散而幅值上连续的信号y*(t)数字信号：时间上离散、幅值上离散量化的信号

y(nT),u(nT)量化模拟信号：时间上连续，幅值上离散量化的信号u(t)信号转换器件：采样器、A/D、D/A4组成：模拟量输入通道、模拟量输出通道、 数字量输入通道、数字量输出通道。表2-1过程通道输入信息的来源和输出信息的用途信息种类输入信息来源或输出信息用途模拟量输入数字量输入脉冲计数器中断请求模拟量输出数字量输出温度、压力、物位、转速、成分及其它转换成模拟电信号的量接点的通断状态，电平的高低状态（“1”或“0”），限位开关状态，数字装置的输出数码流量积算，电功率积算、转速、长度测量及其它脉冲形式的输入信号操作人员请求，过程报警信号等控制执行装置，显示，记录等对执行器进行控制，报警显示、灯显示，其它二、过程通道的组成和功用5数字量：电平信号、脉冲信号、中断请求…代表：通/断、启动/停止、吸合/释放等输入通道的任务:接受现场来的数字信号→计算机输出通道的任务:输出对应的电平信号去控制生产过 程的两态开关第二节数字量输入/输出通道61、数字量输入接口一、数字量输入输出接口技术

74LS244：8位三态门缓冲器／线驱动器／线接收器。高电平输出电流IOH：-15mA；低电平输出电流IOL

：24mA74LS32：2输入四或门。高电平输出电流IOH：-400uA；低电平输出电流IOL

：8mA输入指令：PC MOVDX,port MCS-51 MOVDPTR,port INAL,DX MOVXA,@DPTR74LS245：八总线收发器A

B：DIR（1脚）“1”B

A：DIR（1脚）“0”选通：/G（19脚）“0”7输出指令：PC MOVAL,data MCS-51 MOVDPTR,port MOVDX,port MOVA,data OUTDX,AL MOVX@DPTR,A2、数字量输出接口

74LS273：８D触发器，具有锁存功能，可输出8个开关状态，驱动8个输出装置。

8255：可编程并行输入、输出接口芯片。具有3个（PA、PB、PC）8位并行I/O口，具有三种工作方式，可通过编程改变其功能。

8155：三个I/O口(22)，256字节RAM，一个14位定时器。8二、数字量输入通道1、数字量输入通道的结构输入调理电路输入缓冲器地址译码器过程参数计算机总线数字量输入通道结构91）小功率输入调理电路(图2.4)2、输入调理电路信号调理：将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。一般的调理方法：①用电阻分压法将电流信号转换成电压信号；②用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰嵌位在安全电平上；③串联一个二极管来防止反电压输入；④用限流电阻和稳压管构成稳压电路作过电压保护；⑤用光电耦合器实现计算机与外部的完全隔离；⑥用RC滤波器抑制干扰；⑦用触发器消除开关抖动。102）大功率输入调理电路(图2.5)

大功率器件接点加12V、24V、48V直流电压，直流电平的响应快，不易产生干扰，电路简单。光电耦合器：以光电转换原理传输信息。使信息发出端与信息接收并输出端是电绝缘的，从而对电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰的能力，且速度高，价格低，接口简单。TLP521：光电耦合器绝缘电压：AC2500V1分钟

tON=2

s；tOFF=25

s；IF=4~20mA(16mA)6N137：高速光电耦合器11三、数字量输出通道1、数字量输出通道的结构输出驱动器输出锁存器地址译码器生产过程计算机总线数字量输出通道结构保持型：输出锁存器驱动消失后，控制信息可以加以保持，直至下一次更新为止。12继电器线圈电阻：150欧姆+24V/150=0.16A

400欧姆+24V/400=0.06A

输出必须接克服反电势的保护二极管。2、输出驱动电路1）小功率直流驱动电路①功率晶体管输出驱动继电器电路(图2.7)把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程控制的驱动信号。根据现场开关器件功率的不同，可采用大/中/小功率晶体管；可控硅；达林顿阵列继电器；固态继电器等。MC1416(ULN2004A)6-15VCMOSPMOSMC1413(ULN2003A)5VTTLCMOS②达林顿阵列输出驱动继电器电路(图2.8)13

内含7个达林顿复合管，每个复合管的电流都在500mA以上，截止时承受100V电压，VO输出电压为50V，有内部保护二极管。调压方式、调功方式。图2.9固态继电器结构及用法光电耦合器原边应加限流电阻R1，原边电流4~20mA （最好：8~10mA）2）大功率交流驱动电路固态继电器(SSR)：根据输出负载的需求，SSR有直流和交流之分，交流又有过零型（Z型）和调相型（P型）两种。

SSR用作大电流负载开关，因其速度快，无触点，较之电磁继电器可靠性高，对电网系统干扰小。14第三节A/D转换器及其接口技术组成:

逐步逼近寄存器SARD/A转换器比较器时序及控制逻辑等部件一、A/D转换器原理1、逐次逼近式A/D转换器＋－比较器SARD/A转换时序及控制逻辑输入模拟电压VxVf基准电压数字量输出转换命令状态线

逐次逼近式模/数转换原理图15转换方法：先在SAR中预置一数字量，将此数字量经D/A转变为模拟量，与输入模拟电压进行比较，根据比较结果逐步改动SAR中的数，直至与模拟电压相等的数字量为止。第一次预测第二次预测第三次预测第四次预测电压模拟电压时间0D3D2D1D0(1000)(0100)(0110)(0111)终值

逐次逼近过程原理图转换过程：优点：精度较高，速度较快；缺点：抗干扰能力不强。16输入电压→时间宽度，通过在此时间内的脉冲计数值来表示被测模拟量，故又称为电压－时间型（V－T）A/D转换器。时钟控制逻辑计数器数字量输出转换结束转换开始基准电源Vx输入模拟电压比较器积分器双斜率积分式A/D转换器组成框图正比于输入电压固定积分时间T2积分输出0ABtT1T

双斜率积分式A/D转换器原理图抗干扰能力强，精度高，转换速度慢。2、双积分式

A/D转换器组成：积分器、比较器、计数器和控制逻辑。173、A/D转换器的主要技术参数①转换时间：②分辨率：当输出数字量发生单位数码变化，即最低有效位LSB产生一次变化时，所对应输入模拟量的变化量。通常用数字量位数n来表示。分辨率D与n的关系：③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。常用1/2LSB、±1LSB表示。④量程：⑤对基准电源的要求。188通道8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间100ms，线性误差±1/2LSB，28脚双列直插式封装。8路模拟开关地址锁存与译码8位A/D转换器三态输出锁存缓冲器STARTCLKEOCVccGND+VREF-VREFOEIN0IN7ADDAADDBADDCALEMSBDB7DB0LSBADC0809的逻辑框图二、A/D转换器1、8位A/D转换器ADC0809192、12位A/D转换器AD574A高性能12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间25ms，线性误差±1/2LSB，28脚双列直插式封装。由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器、10V基准电压源、时钟脉冲源等部分构成(图2.12)。输入电压可是单极性或双极性;量程可是10V、20V。ALE:地址锁存允许信号

START：A/D转换启动信号

EOC：转换结束信号

OE：输出允许信号20引脚功能：

10VIN,20VIN,BIPOFF：模拟信号输入端。接法如下：引脚单极性双极性BIPOFF0V10V10VIN0~10V-5V~+5V20VIN0~20V-10V~+10V

VCC：工作电源正端，+12VDC或+15VDC。

VEE：工作电源负端，-12VDC或-15VDC。

VLOGIC：逻辑电源端，+5VDC。

DGND，AGND：数字地、模拟地。

REFOUT：基准电压源输出端，+10.00V±1%.

REFIN：基准电压源输入端，调量程图2.13a。

STS：转换结束信号。21

DO0~DO11：数据输出线，三态输出锁存，可与CPU数据线直接相连。

CE：片可用信号。

CS：片选信号。

R/C：读/转换信号，高电平为读A/D转换数据，低电平为启动A/D转换。

12/8：数据输出方式选择信号，高电平时输出12位数据，低电平时与A0信号配合输出高8位或低4位数据。该引脚不能用TTL电平控制，必须直接接至+5V或数字地。

A0：字节信号。转换状态：低电平，12位转换；高电平，8位转换。读数状态：若12/8为低电平，A0低则输出高8位数；

A0高则输出低4位数。若12/8为高电平，则A0的状态不起作用。22AD1674：与AD574兼容，内带采样保持器，转换时间 15us，第三代A/D。A/D选择取决于：1、位数(精度)、转换速度、信号输入范围(量程)。2、单或多通道，串、并行方式。3、是否内含基准电压源、时钟脉冲源、采样保持器等。推荐网站： AD MAX TI Burr-Brown

武汉力源23三、A/D转换器接口技术1、ADC0809与PC总线工控机接口（图2.15）8255A：A组和C组工作在方式0（基本输入输出）

PA0－PA7

：D0－D7

PC0－PC3：输出，控制通道切换

PC7：输入，判断转换是否结束A/D转换器通常都具有三态数据输出缓冲器，因而允许A/D转换器直接同系统总线相连接。24转换程序设计方法：①查询法读A/D转换的数；②定时法读A/D转换的数；③中断法读A/D转换的数。252、AD574与PC总线工控机接口（图2.16）12/8－数据输出方式选择信号（输入）“1”－D0－D7，D8－D1112位数据输出

PB、PAA0=“0”－使工作于12位转换和读出方式STS－状态输出信号

PC7

启动后：“1”－正在转换“0”－转换结束PC1、2CS、CE，片选PC0R/C，启动转换、读数控制26任务：把从控制对象检测得到的模拟信号，变换 成二进制数字信号，经接口送入计算机。第四节模拟量输入通道

一、模拟量输入通道的组成CPU总线过程参数检测变送I/V变换多路转换器采样保持器A/D转换器接口逻辑电路

模拟量输入通道的组成结构

模拟量输入通道各种信号→统一的电信号：0~10mA,4~20mA27二、I/V变换1、无源I/V变换0~10mA0~5V:R1=100

R2=500

，精密电阻。4~20mA1~5V:R1=100

R2=250

，精密电阻。具有滤波和输出限幅等保护措施。282、有源I/V变换29三、多路转换器又称多路开关。在AI通道中的作用是实现n选1操作，即利用多路开关将n路输入信号依次地切换到后级。理想：开路电阻无穷大、接通时的导通电阻为零。并希望切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。常用的多路开关有：

CD4051(或MC14051)－双向，8路

CD4052－单向，差动，4路

AD7501－单向，8路

4097－单向，16路

4066－四双向开关双向：多到一，或一到多单向：多到一30电平转换译码器VDDVSSINHABCVEEX0X1X7X

单片多路开关CD4051原理图当VDD-VEE=15V，输入幅值为15Vp-p时，导通电阻为80欧。CD4051：较宽的数字和模拟信号电平数字信号：3一15V

模拟信号峰—峰值：15Vp-pINH（禁止端）：“1”－通道断开“0”－通道接通31

为提高抗干扰能力，可采用多片CD4051单片多路开关X0X1X7CD4051X0号INHABCQ3Q0Q1Q2G4D锁存器D0D1D2D3X0X1X7CD4051X1号INHABCX0X1X7CD4051X2号

ABCINHX0X1

X7CD4051X3号

ABCINHVS1VS20号7号0号7号8号15号8号15号选中CPU数据总线0~15个通路差动输入时CD4051的接法32

0号，1号通道地址0000～01110～7通道

2号，3号通道地址1000～11118～15通道输出：X＝VS2－VS1例：要选通第11路开关

CPU数据总线输出1011→4D锁存器→Q3～Q0为10112、3号INH为低电平，允许选通，且C、B、A为0、1、1、→X3，第11路。33电子开关优点：速度快，1000点/秒以上，寿命长， 体积小。

缺点：开关特性差，有温漂。选择多路转换器主要考虑因素：①多少通路②单端？差动？③电平高低④寻址方式⑤开关切换时间⑥最大切换率⑦各通路间允许有多大的串扰误差34四、采样、量化及常用的采样保持器图中：T

采样周期ωs

=1/T=2πf

采样角频率

τ

采样宽度代表开关闭合时间y(t)0t

y*(t)0T2T3T

tτ

采样过程1、信号的采样y(t)y*(t)采样器K35s(t)0t1/τTτ调制脉冲采样信号（离散的模拟信号）y*(t)可描述为：也可看成y*(t)是y(t)与脉冲序列s(t)的乘积3637

y*(t)能否代表y(t)（无失真）？如何选择fs?Shannon定理：对一个有限带宽的连续信号进行采样，只要采样频率ωs

>2ωmax时，则采样函数y*(t)就能无失真地恢复其原先的连续信号，其中ωmax是模拟信号（包括噪声）的最高频率。

采样定理基于卷积定理：y*(t)=y(t)×S(t)Y(f)＊S(f)38采样前后频谱变化y(t)0ttS(t)0×

=

y(t)×S(t)0＊=卷积Y(f)＊S(f)

fsc0fS(f)fs=1/Tb0Y(f)-fmfmaf039实际应用中，常取f≥(5一10)fmax，甚至更高。

因为:1.不可能得到理想的低通滤波器；

2.不易确定ωmax，即“频率有限”的条件不 易满足。Y(f)＊S(f)-fmfm混迭效应fs402、量化用一组数码逼近离散模拟信号的幅值

数字量。

A/D转换器的LSB所对应的模拟量q称为量化单位。411）孔径时间和孔径误差的消除3、采样保持器x(t)变化快时，A/D时产生孔径误差。ut1t2u(t1)u(t2)ΔUttA/D孔径误差说明图孔径误差时间tA/D：一次A/D转换所需的时间。孔径误差ΔU：在tA/D时间内产生的误差。42以正弦输入为例，求最大孔径误差：t0t1Δuu=Umsinωt

ω＝2πftu

输入正弦量时孔径误差∵u=Umsinωtdu/dt=ωUmcosωt=2πf

Umcosωt当t=t0时，du/dt=2πf

Um

为最大误差则Δu=2πf

Um·tA/D

为最大孔径误差∵tA/D,Um

是确定值∴Δumax∝f43为了满足A/D转换精度，要求：

ΔE（量化误差）≥Δu=2πfUm·tA/D可见,tA/D

越大,允许fmax越低。设tA/D=100μs,ΔE=1.25mv,Um=5V (12位A/D5/4096≈1.25mv)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换误差。442）采样保持原理

信号的保持：根据现在或过去时刻采样值，用常数、线性函数和抛物线函数等去逼近两个采样时刻之间的原信号。零阶保持器、一阶保持器、高阶保持器。45零阶保持器H0零阶保持器y(nT)yh(t)

零阶保持器零阶保持器的信号恢复0T2T3T4T5T6T

tyh(t)恢复信号y(t)原信号y(nT)采样信号

零阶保持器的信号恢复y(hT)02T4T6T

ty(nT)02T4T6T

t46uo输入电压uiR模拟开关C保持器输入缓冲放大器采样保持器原理图组成:

模拟开关，存储电容，缓冲放大器。工作过程:K闭合,C充电→uc=ui

K断开,uo=ui,A/D根据uc

进行转换。对电容C的要求：泄漏电阻大，放电时常大。 使uc

保持稳定，减小孔径误差。

常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582等。图2.24集成采样保持器的原理结构47五、模拟量输入通道设计PC总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板：

12位A/D转换器AD574A，采样保持器LF398、多路开关CD4051、8255A并行接口。该电路模板的主要技术指标为：．8通道模拟量输入．12位分辨率

·输入量程为单极性0~10V

．A/D转换时间为25us·应答方式为查询48P36图2.258通道模拟量输入电路原理图PC0一PC3：4051的A.B.C.INH，模拟量输入通道选择。AD574A的STS：控制LF398的工作状态，AD574A末 转换期间STS=0，LF398处于采样状态。PC4：R/C－读/转换信号(输入)，高电平为读A/D 转换数据，低电平为启动A/D转换。PC5：CS－片选信号（输入，低电平有效）。PC6：CE－片能用信号（输入，高电平有效）。PA7：AD574A的STS，查询转换是否结束。

P37图2.268通道数据采集程序流程图49第五节D/A转换器及其接口技术一、D/A转换器原理1、权电阻D/A转换器

由权电阻网络、位切换 开关和运放组成。E：基准电压K3~K0：位切换开关R,2-1R,2-2R,2-3R：权电阻网络转换原理：将某一数字量的各位二进制代码按其权值转换为相应的电压，将各位对应的电压相加，即可求出转换的模拟电压。-+a0·20K020·RRfUoE2-1·R2-2·R2-3·Ra1·21a2·22a3·23K1K2K3∑四位权电阻数/模转换器原理图I50式中ai是0或1，当ai

为1时，开关合到E，这时该支路中的电流Ii＝E/Ri，当ai

为0时，Ii＝0。设输入数字量D为四位二进制数a3

a2

a1

a0，则

设求和点的电流为I，则

Uo=IR=(E/R+2E/R+4E/R+…+2nE/R)R =(20+21+22+…+2n)E

根据开关合向的位置不同，则有：

Uo=(a0·20

＋

a1·21

＋…＋an·2n)E

可见，D/A输出的模拟电压正比于输入数字量。51特点:

从a、b、c、d各点向右、向左、向下看，等效电阻都是2R，从a’、b’、c’、d’各点向上看，等效电阻都是3R。若将a’、b’、c’、d’合向E代表“1”，合向“地”代表“0”，对于二进制数D=a1a2a3…an

，则有：

I=E/3R·(2-1·a1+2-2·a2+…+2-n·an)

Uo=IRf=E(2-1·a1+2-2·a2+…+2-n·an)2、T型网络D/A转换器T型电阻网络D/A转换器AdcbeaEUoRf=3R2RRRR2R2R2R2R2Ra’b’c’d’I52转换速度较慢。工作方式:数字量→串行脉冲（一个脉冲相当于数字量 的一个单位）→每个脉冲转换成单位模拟量→迭 加得到和数字量成正比的模拟量。常用方法：采用步进电机带动多圈电位器，由多圈电位 器调节电流，控制执行机构。

分辨率、建立时间、输出电平、输入编码形式、线性误差3、串行D/A转换器4、D/A转换器的主要技术参数53二、D/A转换器1、8位D/A转换器DAC08328位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器＋＋LE1LE232010AGNDVccDGND812119RfbRfbVREFIOUT2IOUT14~713~16输入数据ILE19121817CSWR1WR2XFERDAC0832的结构框图R-2R权电阻网络D/A，电流输出，20脚双立直插式封装。54ILE

数据锁存允许信号CS、WR1

第一级缓冲器选通信号LE1

第一级锁存器锁存信号当ILE=1、CS=0、WR1 时，LE1XFER、WR2

第二级缓冲器选通信号LE2

第二级锁存器锁存信号当XFER=0、WR2 时，LE2两个8位输入数据锁存器，可用不同的信号进行控制，既可使用单缓冲，也可使用双缓冲，对于多路D/A转换结果需要同时输出的情况特别合适。55

一般情况下，把XFER和WR2接地(此时DAC寄存器直通)，ILE接十5V，总线上的I/O端口写信号作为WR1，接口地址译码信号作为CS信号，使DAC0832接为单缓冲形式，数据D写入输入寄存器即可改变其模拟输出。在要求多个D/A同步工作(多个模拟输出同时改变)时，将DAC0832接为双缓冲，此时，XFER、WR2分别接口地址译码信号、I/O端口信号驱动。562、12位D/A转换器DAC1210D1Q1......D8Q8MSBDI11...DI0LSBD1Q1D2Q2D3Q3D4Q4&&&D1Q1......D8Q8D9Q9D10Q10D11Q11D12Q12BYTE1/BYTE2CSWR1XFERWR2MSBLSB4位寄存器８位寄存器12位寄存器12位D/A转换器LE0LELE1VREFRFBIOUT1IOUT2RFBADC1210的结构图权电阻网络D/A，电流输出，24脚双立直插式封装。57三、D/A转换器接口技术1、8位D/A转换器与PC总线工控机的接口(图2.29)

若DAC0832CS的口地址为300H，则8位二进制数7FH转换为模拟电压的接口程序为：

MOVDX，300H

MOVAL，7FH

OUTDX，AL

HLT58DAC0832与8031的接口转换程序：DAC: MOVR0,#0DFHMOVA,dataMOVX@R0,AP0.7.8031..P0.0ALEWR8D8Q..74LS373..1D1QGOEVCCWR1/2ILECSXFERID7.IOUT1.IOUT2.ID0AGRDDGND+5V+5VVREFVOUTDAC0832+_592、12位D/A转换器与工控机的接口(图2.30)组成：DAC1210、输出放大器、地址译码器等。端口地址译码器译出Y0、Y1、Y2，设为300H、301H、302H，用来控制DAC1210工作方式和进行12位转换。

Y0低，BYTE1/BYTE2高，加IOW信号，高8位数据被写入DAC1210的高8位输入寄存器和低4位输入寄存器。

Y1低，BYTE1/BYTE2低，加IOW信号，高8位输入数据被锁存，低4位数据写入低4位输入寄存器，原先写入的低4位内容被冲掉。

Y2低，加IOW信号，DAC1210内的12位DAC寄存器和高8位及低4位输入寄存器直通，开始转换；当IOW或Y2信号结束时，12位DAC寄存器将锁存这一数据，直到下一次又送入新的数据为止。60待转换数据放法D7D6D5D4D3D2D1D0低4位高8位30H31HDAC1210与8031的接口P1.7..8031.P1.0P3.3P3.0P3.1DI11VREFRFB.IOUT1..IOUT2CSDI0XFERBYTE1/2WR1WR2DAC1210Vout+－Ο+5VDAC1210与8031的接口61模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、V/I变换等组成。第六节模拟量输出通道62通路n工控机接口D/AD/A通路1

一个通路一个数/模转换器的结构工控机接口D/A多路开关采样－保持器通路1采样－保持器通路n

共用数/模转换器的结构组成方法：每个回路有单独的D/A。转换速度快、工作可靠。2.分时方式合用一个D/A。经济、适用于速度要求不高的场合。一、模拟量输出通道的结构形式63D/A转换器输出形式：1）IOUT1+IOUT2=常数，外加运算放大器，把D/A转换器的电流输出转换为电压输出。2）内含放大器，直接输出电压。3）直接电流输出。二、单极性与双极性电压输出电路64Rf视情况可不接R1=R3=2R2－＋A1－＋A2RfbIOUT1IOUT2D/ARfR2R1R3I1I2VOUT2ba±VREFD/A转换器的单极性与双极性输出VOUT1AGND65三、V/I变换和自动/手动切换1、集成V/I转换器ZF2B20

在实现0~5V、0~10V、1~5V直流电压信号到0~10mA、4~20mA转换时，可直接用集成V/I转换电路。输入电压：0~10V，输出电流：4~20mA(加接地负载)，采用单正电源供电，电源电压范围为10~32V。输入电阻：10K欧，动态响应时间<25us，非线性<士0.025％。特点：低漂移，在工作温度为-25~85℃范围内，最大漂 移为0.005％／℃。图2.34ZF2B20的引脚图图2.35V/I转换电路662、集成V/I转换器AD694主要特点：

·输出范围4~20mA，0~20mA。

·输入范围0~2V或0~10V。

·电源范围+4.5~36V。

·可与电流输出型D/A转换器直接配合使用，实现程控电流输出。

·具有开路或超限报警功能。

·精确电压基准：可设置为2.000V或10.000V·转换速率：1.3mA/us·非线性：0.002%·输入阻抗：5兆欧(min)·输出阻抗：40兆欧(min)67引脚

名称

功能1FB反馈输入引脚2－SIG负输入信号引脚。如果该引脚与FB相连，则缓冲放大器为电压跟随器（G＝1）3＋SIG正输入信号引脚42VFS2V满刻度引脚5COM公共引脚（地线）64mAADJ4mA失调偏移电流调整引脚710VFORCE10V强制电压输出引脚82VSENCE2V传感电压输出引脚AD694引脚名称图2.36AD694引脚图68引脚

名称

功能94mAON/OFF4mA接通／断开引脚10ALARM报警信号输出引脚。正常时为高电平，异常时为低电平。11IOUT电流输出引脚12BOOST备份端。一般不用13VS电源电压引脚14BWADJ带宽调整引脚15、16VOSADJ缓冲放大器失调电压调整引脚

AD694还可与8位、10位、12位等电流型D/A转换器直接配合使用，输出电流。

P46图2.38DAC1210与AD694的接口

P45表2.1AD694引脚接线表

P46图2.37AD694基本应用693、自动/手动切换图2.39带自动/手动切换的V/I变换电路开关：A－自动控制方式

H－手动操作方式

RL：负载电阻

2）自动控制方式和手动操作方式之间的无扰切换。手动操作：不用微机控制而由电动单元仪表等控 制的方式。实现：

1）0~5V

0~10mA（R9+W＝500欧）

1~5V

4~20mA（R9+W＝250欧）

IL=Vi/(R9+W)70P48图2.40八通道模拟量输出通道电路图

采用DAC0832作8位D/A转换器，通过多路开关CD4051，由程序控制，将转换结果从8通道中的某一通道中送出，经保持器，最后以电流形式输出。四、模拟量输出通道设计71第七节硬件抗干扰技术干扰：指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。

硬件抗干扰：效率高，但增加系统投资和设备体积。

软件抗干扰：投资低，但降低系统工作效率。

干扰来源：外部、内部。物理性质相同。

外部干扰：与系统结构无关，由外界环境因素决定，主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象条件。

内部干扰：由系统结构、制造工艺等决定。主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。传播途径：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。721、静电耦合静电耦合：电场通过电容耦合途径窜入其它线路。

两平行导体间的电容偶合C1gC12C2gUn导体2U1RU1导体1导体2UnC12C2gC1gR导体1

Un由电容C12和C2g的分压关系及U1确定。当R很大时，732、磁场耦合空间磁场耦合是通过导体间互感耦合进来的。两导线间的磁场偶合R1MR2R3U1UnI1导线1导线274在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路。3、公共阻抗耦合i1i1Rp1Rn1i2i1+i2Rp2Rn2inRpnRnn公共电源线的阻抗偶合75（a）模拟系统数字系统R1R2模拟系统模拟系统数字系统数字系统Rcm(b)（c）公共地线的阻抗偶合761）串模干扰

是叠加在被测信号上的干扰噪声，与被测信号串联于信号源回路之中，也称横向干扰或正态干扰。UsUn模/数转换器信号源UsUn模/数转换器信号源干扰源串模干扰示意图

成因：分布电容的静电耦合，长线传输的互感，空间电磁场引起的磁场耦合，以及50HZ的工频干扰等。一、过程通道抗干扰技术1、串模干扰及其抑制方法772）串模干扰的抑制方法①采用滤波器来抑制串模干扰

a．若干扰频率>被测信号频率：低通滤波器；

b．若干扰频率<被测信号频率：高通滤波器；

c．若干扰频率落在被测信号频谱的两侧：带通滤波器。一般，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为A/D转换器的输入滤波器。

P50图2.42二级阻容滤波网络可使50Hz的串模干扰信号衰减600倍左右。时间常数<200ms。78②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，采用双积分式A/D转换器。取积分周期等于主要串模干扰的周期或为整数倍，抑制效果更好。③串模干扰主要来自电磁感应时，对被测信号应尽早进行前置放大，提高回路中的信噪比；或者尽早完成A/D转换或采取隔离和屏蔽等措施。④从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。采用高抗扰度逻辑器件抑制低噪声干扰；采用低速逻辑器件来抑制高频干扰；也可通过附加电容器，降低某个逻辑电路的工作速度来抑制高频干扰。⑤选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。792、共模干扰及其抑制方法1）共模干扰

是A/D转换器两个输入端上共有的干扰电压。也称纵向干扰或共态干扰。图中：

UA=Us+Ucm

UB=Ucm

Ucm是转换器输入端上共有的干扰电压。共模干扰示意图模/数转换器信号源Ucm计算机UsAB成因：不同地之间电位不等。80一般来说，共模干扰Ucm总是转换成串模干扰Un的形式作用于输入回路。(a)UsUcmZsZ1UsZs1Zs2AZcm2Zcm1

Ucm(b)被测信号的输入方式（a）单端对地输入方式；（b）双端不对地输入方式；

Zs,Zs1,Zs2—信号源内阻抗；Z1,Zcm1,Zcm2—输入电路的输入阻抗B图(a):共模干扰电压Ucm全部转换为串模干扰电压Un

。81图(b):UsZs1Zs2AZcm2Zcm1Ucm(b)B82若Zs1

=Zs2、Zcm1

=Zcm2，则UAB

=0；实际：当Zs1

、Zs2

越小，Zcm1

、Zcm2

越大，并且Zcm1

、Zcm2

越接近时，共模干扰的影响越小。Ucm：共模干扰电压；

Un：由Ucm转化成的串模干扰电压；单端输入方式：Un=Ucm，CMRR=0，无共模抑制能力。双端不对地输入方式：

由Ucm引入的串模干扰电压Un越小，CMRR就越大，抗共模干扰能力越强。

共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRatio)：83放大器调制器解调器Us2UsUs1A/D计算机双绞线B模拟地数字地变压器隔离模拟信号电路与数字信号电路隔离开来。US通过变压器耦合获得通路，Ucm由于不成回路得到有效抑制。隔离前、后采用两组互相独立的电源，切断两部分地线联系。2）共模干扰的抑制方法①变压器隔离84②光电隔离具有串行接口功能的光电偶合器隔离电源VFCUs数字输入电路+5VUcm+15V4.7V双绞线光电偶合器

Us→VFC→不同频率的脉冲信号→光电耦合器→双绞线传输此脉冲信号。85被测信号的变化范围始终在光电偶合器的线性区内： １、严格挑选光电耦合器； ２、采取相应的非线性校正措施。前后两部分电路应分别采用两组独立的电源。与变压器隔离相比，实现容易，成本低，体积小。放大器UsUs1双绞线模拟地A/D计算机数字地Ucm光电偶合放大器Us2

线性光电偶合器的应用86③浮地屏蔽内屏蔽层信号源UsUcmS1S2S3计算机外屏蔽层屏蔽层光电偶合放大器(a)

浮地输入双层屏蔽放大器UsUcmZs1Zs2Zs3I1I2I3Zc2Zc1Zc3(b)由于ZC3

>>ZS3可见Ucm1

非常小。87因为ZC1

>>ZS1，ZC2

>>ZS2；所以UsUcmZs1Zs2Zs3I1I2I3Zc2Zc1Zc3④采用仪表放大器提高共模抑制比

仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。881）长线传输干扰3、长线传输干扰的抑制计算机控制系统庞大，连线长达几十米→数百米。长线传输的三个问题：１、会受到外界干扰；２、具有信号延时；３、高速变化的信号在长线中传输→波反射现象。产生入射波、反射波。信号的多次反射现象，使信号波形严重地畸变，并且引起干扰脉冲。89①终端匹配调节R，观察A的波形，当达到完全匹配(R=Rp)时，门A输出的波形不畸变，反射完全消失，这时的R值就是该传输线的波阻抗Rp

。双绞线的波阻抗一般在100至200

之间，绞花愈密，波阻抗愈低。同轴电缆的波阻抗约50至100

范围。其中，L0为单位长度的电感（H），

C0为单位长度的电容（F）。2）长线传输干扰的抑制方法示波器RpR信号

测量传输线波阻抗双绞线A90图(a)：当R=Rp时，便实现了终端匹配，消除了波反射。优点：对波形的低电平没有影响；缺点：波形的高电平↓，使高电 平的抗干扰能力↓。

终端匹配优点：波形的高电平下降较少；缺点：低电平抬高，低电平的抗干扰能 力↓。同时兼顾高、低电平两种情况：可取R1=R2=2Rp，则R=Rp。图(b)：等效电阻R为：（a）双绞线RRpAB双绞线R2Rp（b）R1EcAB91②始端匹配优点：波形的高电平不变；缺点：波形低电平会抬高。原因：门B的输入电流Isr在R上的压降所造成。终端所 带负载门个数越多，低电平抬高得越显著。一般选择始端匹配电阻R为其中，Rsc为门A输出低电平时的输出阻抗。双绞线RpR

始端匹配AB92尖峰干扰→计算机“飞程序”或“死机”。抑制尖峰干扰的综合治理途径有：“远离”干扰源；对已产生的尖峰干扰采用硬件设备进行抑制；用过零开关防止尖峰产生；对“漏网”的尖峰干扰，用程序运行监视系统（Watchdog俗称“看门狗”）消除其影响。二、CPU抗干扰技术93定时器CPU定时到脉冲重新设置或复位CLK中断或复位Watchdog的构成目的：当尖峰干扰使计算机“飞程序”陷入“死循环”中时，能 够帮助系统自动恢复正常运行。Watchdog必须具有以下特性：（1）本身能独立工作，基本上不依赖CPU。（2）CPU在一个固定的时间间隔中和该系统打一次交道（喂一次狗），以表明系统目前“尚正常”。（3）当CPU掉入死循环后，能及时发觉并使系统复位。1、WATCHDOG的特性和工作原理94遇到下述情况之一，Watchdog失去效用：（1）Watchdog或CPU电路自身损坏。（2）某个或几个有关Watchdog的关键数据被改写。（3）干扰使CPU执行一个重构的错误循环程序，该循环中正好包含了对Watchdog的访问，而且访问间隔小于Watchdog的溢出时间。952、微处理器监控电路MAX1232

电源过压、欠压时，提供至少250ms宽度的复位脉冲，能选择5％或10％的容限。有一个可编程的监控定时器(即Watchdog)，可编程为150ms、600ms或1.2s的超时设置。1）MAX1232的结构原理(图2.51)PBRST：按键复位输入。反弹式低电平有效输入，忽略小于1ms宽度的脉冲，确保识别20ms或更宽的输入脉冲。TD：时间延迟，Watchdog时基选择输入。

TD=0V时，tTD=150ms；

TD悬空时，tTD=600ms；

TD=Vcc时，tTD=1.2s。RST：复位输出(高电平有效)。产生RST输出的条件为：

Vcc下降低于所选择的复位电压阈值；

PBRST变低；在最小暂停周期内ST未选通；在加电源期间。RST：复位输出(低电平有效)。产生条件同RST。(拉高)TOL：容差输入。TOL接地时选取5％的容差；

TOL接Vcc时选取10％的容差。ST：选通输入。Watchdog定时器输入。972）MAX1232的主要功能①电源监控电压检测器监控Vcc，每当Vcc低于所选择的容限时就输出并保持复位信号。②按钮复位输入

MAX1232的PBRST端靠手动强制复位输出，当PBRST升高到大于一定的电压值后，复位输出保持至少250ms的宽度。③监控定时器(Watchdog)

P58图2.52监控电路MAX1232的典型应用CPU用一根I/O线来驱动ST输入，CPU必须在一定时间内触发ST端(其时间取决于TD)，以便检测正常的软件执行。如果一个硬件或软件的失误导致ST没被触发，在一个最小超时间间隔内，MAX1232的复位输出至少保持250ms的宽度。ST的触发仅仅被脉冲的下降沿作用。993）掉电保护和恢复运行

掉电信号由MAX1232检测得到，加到CPU的外部中断输入端。软件中将掉电中断规定为高级中断，使系统能够及时对掉电作出反应。掉电检测电路必须在电源电压下降到CPU最低工作电压之前就提出中断申请，提前时间为几百微秒至数毫秒。100三、系统供电与接地技术电网的干扰，频率的