计算机控制技术与系统 课件 04 过程通道与人机接口

2025/4/171第4章过程通道与人机接口数字量输入/输出通道模拟量输出通道模拟量输入通道人机接口2025/4/172过程通道过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。四种：模拟量输入通道模拟量输出通道数字量（开关量）输入通道数字量（开关量）输出通道2025/4/173人机接口功能：计算机和操作人员之间互通信息。类型：显示器和操作器一种是液晶显示器和键盘另一种是针对某个生产过程控制的特点而设计的操作控制台等作用：显示生产过程的状况；供操作人员操作；显示操作结果。2025/4/174数字量信号的分类数字量输入通道数字量输出通道数字量输入输出通道的标准化设计4.1数字量输入/输出通道2025/4/1754.1.1数字量信号的分类(1)数字量（开关量）的概念开关的闭合与断开

指示灯的亮与灭

继电器或接触器的吸合与释放电机的启动与停止

设备的安全状况等这些信号的共同特征是以二进制的逻辑“1”和逻辑“0”出现的2025/4/176继电器原理图4.1.1数字量信号的分类(2)2025/4/1774.1.1数字量信号的分类(3)继电器结构图2025/4/1784.1.1数字量信号的分类(4)数字量（开关量）的分类电平式：高电平或低电平触点式：触点闭合或触点断开，一般分两类：机械触点：按钮、旋钮、行程开关、继电器等触点电子触点：晶体管输出型的接近开关和光电开关等

2025/4/1794.1.2数字量输入通道(1)数字量输入（DI）的任务:

把外界被控对象的开关状态信号、或数字信号送至计算机。

接近开关旋转编码器2025/4/17104.1.2数字量输入通道(2)1．数字量输入通道的结构图4.1数字量输入通道结构2025/4/17114.1.2数字量输入通道(3)2．输入调理电路原因：外部装置或生产过程的状态信号，可能是电压、电流、开关的触点等，会引起瞬时的高压、过低压、接触抖动等现象。措施：为了将外部开关量引入到计算机，必须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，这些功能称为信号调理。

2025/4/17124.1.2数字量输入通道(4)(1)．小功率输入调理电路

消除由于触点机械扰动而产生的震荡信号图4.2小功率输入调理电路(消除抖动)010111002025/4/17134.1.2数字量输入通道(5)(2)．大功率输入调理电路为使接点工作可靠，接点两端使用24V直流电压电容滤波，采用光耦隔离，克服干扰并达到安全目的2025/4/17144.1.2数字量输入通道(6)3．常用的几种数字量输入的接线方式

●在工业现场中，经常用到的数字量输入有：按钮、行程开关、接近开关、光电开关、旋转编码器等。●按钮是无源接点，晶体管输出型的接近开关、光电开关和旋转编码器等的输出有NPN和PNP两种方式。●下面分别以源极和漏极输入为例，来介绍工业中常见的几种数字量输入的接线方法。2025/4/17154.1.2数字量输入通道(7)(1)．漏极输入

图4.4

漏极输入的数字量输入接线原理框图2025/4/17164.1.2数字量输入通道(8)(2)．源极输入

图4.5

源极输入的数字量输入接线原理框图2025/4/17174.1.3数字量输出通道(1)数字量输出（DO）的任务：把计算机送出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件，如指示灯、继电器，控制它们的通断、闭合或亮、灭等。2025/4/17184.1.3数字量输出通道(2)1．数字量输出通道的结构2025/4/17194.1.3数字量输出通道(3)2．输出驱动电路●晶体管输出驱动电路●继电器输出驱动电路●固态继电器输出驱动电路2025/4/17204.1.3数字量输出通道(4)(1)．晶体管输出驱动电路光耦加晶体管，适合小功率直流驱动，动作快，可频繁动作2025/4/17214.1.3数字量输出通道(5)(2)．继电器输出驱动电路光耦加晶体管加继电器，适合交直流驱动，动作慢，寿命有限2025/4/17224.1.3数字量输出通道(6)(3)．固态继电器输出驱动电路光耦加SSR，适合交流驱动，可频繁动作，抗干扰能力强2025/4/17234.1.4数字量输入输出通道的标准化设计在设计上，一般都将开关量的输入输出接口做在同一块模板上节省硬件成本利用有限资源，方便用户使用图4.10给出了PC总线的DIO模板原理图2025/4/17242025/4/17254.2

模拟量输出通道D/A转换器分类及特点D/A转换器原理及主要性能参数D/A转换器芯片及接口电路D/A转换器的输出D/A转换器接口的隔离技术D/A转换模板的标准化设计2025/4/1726模拟量输出（AO）任务：将计算机输出的数字信号转换成模拟电压或电流信号，以控制调节阀或驱动相应的执行机构，达到计算机控制的目的。模拟量输出通道一般由接口电路、控制电路、数/模转换器和电压/电流（V/I）变换器构成，其核心是数/模转换器，简称D/A或DAC。4.2

模拟量输出通道2025/4/17274.2.1D/A转换器分类及特点（1）按照解码网络结构，D/A转换器可分为：T型电阻网络D/A转换器：电阻取值只有两种，易于集成，但电阻网络各支路存在传输时间差异，易造成动态误差，对转换精度和转换速度有较大影响倒T型电阻网络D/A转换器：既有T型网络的优点，又避免了它的缺点，转换精度和转换速度都得到提高权电流D/A转换器：引入了恒流源，减少了由模拟开关导通电阻、导通压降引起的非线性误差，转换速度快，但其电路较复杂。2025/4/17284.2.1D/A转换器分类及特点（2）按模拟开关电路的类型，D/A转换器可分为：双极型D/A转换器：采用双极型模拟开关及驱动电路，转换速度高，其建立时间（稳定时间）可缩短到数十至数百纳秒。CMOS型D/A转换器：采用CMOS模拟开关及驱动电路，虽然这种电路有制造容易、造价低的优点，但转换速度目前尚不如双极型的高。2025/4/17294.2.1D/A转换器分类及特点（3）按数字量输入方式：并行输入和串行输入D/A转换器按模拟量输出方式：电流输出和电压输出D/A转换器按转换的分辨率：低分辨率、中分辨率和高分辨率D/A转换器按输出通道的数量：单路输出型和多路输出型D/A转换器2025/4/17304.2.2D/A转换器原理（1）1.D/A转换器工作原理D/A转换器输入的数字量表达式

DATA=D020+D121+D222+……+Dn-12n-1Di=0或1(i=0,1…n-1)；20，21，…2n-1分别为对应数位的权。基本原理:在D/A转换中，要将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其“权”的大小转换成相应的模拟量，然后将各分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量，这就是D/A转换的基本原理。2025/4/17314.2.2D/A转换器原理（2）T型网络组成的D/A转换器原理图2025/4/17324.2.2D/A转换器原理（3）D/A转换器的主要组成基准电压VREFT型（R-2R）电阻网络位切换开关BSi

（i=0，1，…，n-1）运算放大器A输出电压VOUT与输入二进制数D0~Dn-1的关系VOUT=－VREF（D020+D121+D222+…+Dn-12n-1）/2n2025/4/17334.2.2D/A转换器原理（4）2.D/A转换器性能指标分辨率：基准电压与2n的比值=Vref/2n=1LSB

最低有效位(LeastSignificantBit)稳定时间（又称转换时间）输入二进制数变化量是满量程时，D/A转换器输出达到离终值1/2LSB时所需时间绝对误差全量程范围内，D/A转换器实际输出值与理论值之间的最大偏差2025/4/17344.2.3D/A转换器芯片及接口电路（1）1.8位D/A转换器芯片DAC0832DAC0832是8位数/模转换芯片，具有以下主要特点：●与TTL电平兼容；●分辨率为8位；●建立时间为1μs；●功耗为20mW；●电流输出型D/A转换器。2025/4/17354.2.3D/A转换器芯片及接口电路（2）(1)DAC0832结构框图及引脚说明图4.12DAC0832的结构框图和引脚2025/4/17364.2.3D/A转换器芯片及接口电路（3）(2)DAC0832工作过程①CPU执行输出指令，输出8位数据给DAC0832；②在CPU执行输出指令的同时，使ILE、/CS、/WR1三个控制信号端都有效，8位数据锁存在8位输入寄存器中；③当/WR2、/XFER两个控制信号端都有效时，8位数据再次被锁存到8位DAC寄存器，这时8位D/A转换器开始工作，8位数据转换为相对应的模拟电流，从Iout1和Iout2输出。2025/4/17374.2.3D/A转换器芯片及接口电路（4）双缓冲方式单缓冲方式直通方式(3)DAC0832的工作方式2025/4/17384.2.3D/A转换器芯片及接口电路（5）(4)DAC0832接口电路图4.13DAC0832接口电路2025/4/17394.2.3D/A转换器芯片及接口电路（6）2.12位D/A转换器芯片DAC1210与8位DAC0832的2点区别分辨率为12位，有12条数据输入线（DI0~DI11），采用24脚双立直插式封装。可用字节控制信号BYTE1/2控制数据的输入高电平时，12位数据（DI0~DI11）同时存入第一级的两个输入寄存器；低电平时，只将低4位数据（DI0~DI3）存入低4位输入寄存器。2025/4/17404.2.3D/A转换器芯片及接口电路（7）(1)DAC1210结构框图及引脚说明图4.14DAC1210原理框图00111002025/4/17414.2.3D/A转换器芯片及接口电路（8）(2)DAC1210接口电路图4.15DAC1210接口电路2025/4/17424.2.4D/A转换器的输出（1）在计算机过程控制中，外部执行机构有电流控制的，也有电压控制的，因此根据不同的情况，使用不同的输出方式。D/A转换的结果若是与输入二进制码成比例的电流，称为电流DAC，若是与输入二进制码成比例的电压，称为电压DAC。2025/4/17434.2.4D/A转换器的输出（2）1.电压输出(1)单极性电压输出图4.16单极性电压输出原理图2025/4/17444.2.4D/A转换器的输出（3）(2)双极性电压输出2025/4/17454.2.4D/A转换器的输出（4）2.电流输出图4.18D/A转换器的电流输出2025/4/17464.2.5D/A转换器接口的隔离技术（1）由于D/A转换器输出直接与被控对象相连，容易通过公共地线引入干扰。通常采用光电耦合器，使控制器和被控对象只有光的联系，达到隔离的目的。光电耦合器由发光二极管和光敏三极管封装在同一管壳内组成，发光二极管的输入和光敏三极管的输出具有类似于普通三极管的输入-输出特性两种隔离方式：模拟信号隔离和数字信号隔离。2025/4/17474.2.5D/A转换器接口的隔离技术（2）1.模拟量隔离图4.19模拟信号隔离输出电路Vout1Vout2ILIwV_2025/4/17484.2.4D/A转换器接口的隔离技术（3）模拟信号隔离方法的优点是：只使用少量的光电耦合器，成本低；缺点是调试困难，如果光电耦合器挑选不合适，将会影响变换的精度和线性度。2025/4/17494.2.5D/A转换器接口的隔离技术（4）2.数字量隔离图4.20数字信号隔离输出电路2025/4/17504.2.5D/A转换器接口的隔离技术（5）数字信号隔离的优点是调试简单，不影响转换的精度和线性度；缺点是使用较多的光电耦合器，成本高。2025/4/17514.2.6D/A转换器模板的标准化设计(1)1.D/A转换器模板的设计原则合理地选择D/A转换芯片及相关外围电路，掌握各类集成电路性能指标及引脚功能，以及与D/A转换模板连接的CPU或计算机总线的功能、接口及其特点；软硬件设计相结合，不增加硬件成本就能实现的功能应由硬件来实现，需要增加硬件成本才能实现的功能，同时软件也能实现的功能由软件实现。2025/4/17524.2.6D/A转换器模板的标准化设计(2)此外还需注意：（1）安全可靠：

元器件性能好、光电隔离技术；（2）性能与经济的统一：

综合速度、精度、工作环境和经济性等。（3）通用性：

符合总线标准、用户可以任意选择口地址和输入方式。2025/4/17534.2.7D/A转换器模板的标准化设计(3)2.D/A转换模板的设计●确定性能指标●设计电路原理图●设计和制造电路板●焊接和调试电路板2025/4/17544.3模拟量输入通道A/D转换器分类及特点A/D转换器原理及主要性能参数A/D转换器芯片及接口电路A/D转换器的外围电路A/D转换器接口的隔离技术A/D转换器模板的标准化设计2025/4/1755模拟量输入通道的任务：把被控对象的模拟信号转换成计算机可以接收的数字信号模拟量输入通道的组成多路模拟切换开关前置放大器采样保持器模／数转换器（A/D）控制电路等4.3模拟量输入通道2025/4/17564.3.1A/D转换器分类及特点(1)A/D转换器的类型很多，也各有特点，主要有逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法、Σ-Δ法、并行A/D转换和流水线型A/D转换等。逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC是一种常见的ADC类型，它的基本原理是它使用数字电路控制DAC输出一个变化的电压，并用此电压和输入电压比较，经过多次比较逐渐使DAC输出接近输入电压，从而得出数字输出。逐次逼近型ADC的特点速度较高、功耗低，在低分辨率(<12位)时成本较低，但高分辨率(>12位)时成本较高。2025/4/17574.3.1A/D转换器分类及特点(2)双积分型ADC双积分型ADC，它先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲（CP）计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。双积分型ADC输入端采用了积分器，对交流噪声的干扰有很强的抑制能力，因此其突出的优点是抗干扰能力强，稳定性好，可实现高精度模/数转换；主要缺点是转换速度低，因此这种转换器大多应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表中，例如用于多位高精度数字直流电压表中。2025/4/17584.3.1A/D转换器分类及特点(3)并联比较型ADC并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，各位输出码也是同时并行产生。转换速度快是它的突出优点，同时转换速度与输出码位的多少无关。并联比较型ADC的缺点是成本高、功耗大。因为n位输出的ADC需要2n个电阻、(2n-1）个比较器和D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辨率的场合。2025/4/17594.3.1A/D转换器分类及特点(4)Σ-Δ型ADCΣ-Δ型ADC由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。优点是转换精度极高，达到16～24位的分辨率，价格低廉，弱点是转换速度比较慢，比较适合于对检测精度要求很高但对速度要求不是太高的检验设备。2025/4/17604.3.1A/D转换器分类及特点(5)电压频率变换型ADC电压频率变换型ADC（Voltage-FrequencyConverter）首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。优点是分辨率高、功耗低、电路简单、对环境适应能力强、价格低廉，但是需要外部计数电路共同完成A/D转换。2025/4/17614.3.1A/D转换器分类及特点(6)流水线模数转换ADC流水线模数转换ADC已成为最流行的ADC架构，采样速率从每秒几兆采样（MSPS）到100MSPS以上。分辨率范围从较高采样率的16位到较低采样率的2位。这些分辨率和采样率涵盖了广泛的应用，包括CCD成像、超声医学成像、数字接收器、基站、数字视频（例如HDTV）、xDSL、电缆调制解调器和快速以太网。2025/4/17624.3.2A/D转换器原理及主要性能参数(1)模拟量:电压、电流等电信号压力、温度、湿度、位移、声音等在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。2025/4/17631.A/D转换器的工作原理主要介绍以下三种方法：逐次逼近法双积分法电压频率转换法4.3.2A/D转换器原理及主要性能参数(2)2025/4/1764(1).逐次逼近法比较常见，转换的时间为微秒级。组成：一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器、控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。4.3.2A/D转换器原理及主要性能参数(3)2025/4/1765逐次逼近法图4.21逐次逼近式A/D转换器原理框图4.3.2A/D转换器原理及主要性能参数(4)2025/4/1766逐次逼近法转换过程：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；最高位置1，送入D/A转换器经D/A后Ｖo。若Ｖo<Ｖi，该位1被保留否则Ｖo>Ｖi，被清除。次高位置1，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留否则Ｖo>Ｖi，被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器。4.3.2A/D转换器原理及主要性能参数(5)2025/4/1767(2)双积分法组成：电子开关、积分器、比较器、控制逻辑组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。

4.3.2A/D转换器原理及主要性能参数(6)2025/4/1768双积分法图4.22双积分式A/D转换的原理框图4.3.2A/D转换器原理及主要性能参数(7)2025/4/1769双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Ｖi积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分开关再接通与Ｖi极性相反的基准电压ＶＲＥF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Ｖi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量。4.3.2A/D转换器原理及主要性能参数(8)2025/4/1770(3)电压频率转换法组成：由计数器、控制门、一个具有恒定时间的时钟门控制信号。它的工作原理是Ｖ/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。4.3.2A/D转换器原理及主要性能参数(9)2025/4/17712.A/D转换器性能指标分辨率：能分辨的最小模拟输入量，通常用能转换成的数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位转换时间：完成一次转换所需时间量程：能转换的输入电压范围精度：数字输出量与对应模拟输入量的实际值与理论值的差值4.3.2A/D转换器原理及主要性能参数(10)2025/4/17724.3.3A/D转换器芯片及接口电路(11)1．8位A/D转换器芯片ADC0809ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，ADC0809的主要特性：●它是具有8路模拟量输入、8位数字量输出功能的A/D转换器。●转换时间为100μs。●模拟输入电压范围为0V～+5V，不需零点和满刻度校准。●低功耗，约15mW。2025/4/17734.3.3A/D转换器芯片及接口电路(1)1．8位A/D转换器芯片ADC0809（1）ADC0809的主要特性ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，ADC0809的主要特性如下：它是具有8路模拟量输入、8位数字量输出功能的A/D转换器。转换时间为100μs。模拟输入电压范围为0～5V，不需零点和满刻度校准。低功耗，约15mW。2025/4/17744.3.2A/D转换器芯片及接口电路(2)(2)ADC0809结构框图及引脚说明图4.24ADC0809的结构框图和引脚2025/4/17754.3.2A/D转换器芯片及接口电路(3)（3）ADC0809的工作过程对ADC0809的控制过程是：①首先确定ADDA、ADDB、ADDC三位地址，决定选择哪一路模拟信号；②使ALE端接受一正脉冲信号，使该路模拟信号经选择开关到达比较器的输入端；③使START端接受一正脉冲信号，START的上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换；④EOC输出信号变低，指示转换正在进行。⑤A/D转换结束，EOC变为高电平，指示A/D转换结束。此时，数据已保存到8位三态输出锁存器中。此时CPU就可以通过使OE信号为高电平，打开ADC0809三态输出，由ADC0809输出的数字量传送到CPU。2025/4/17764.3.3A/D转换器芯片及接口电路(4)（4）CPU读取A/D转换器数据的方法①查询法

CPU启动AD转换后，不断查询EOC的状态，若为0则正在进行，若为1在转换结束，CPU立即执行输入指令，产生输出允许信号OE，读取AD转换数据。优点：接口电路设计简单。缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低。2025/4/17774.3.3A/D转换器芯片及接口电路(4)（4）CPU读取A/D转换器数据的方法②定时法：若已知AD转换时间为T0,则在CPU启动AD转换后，延时等待T0后即可读取AD转换数据。优点:接口电路设计比查询法简单，不必读取EOC的状态。缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低；另外还必须知道A/D转换器的转换时间。2025/4/17784.3.2A/D转换器芯片及接口电路(5)（4）CPU读取A/D转换器数据的方法③中断法

CPU启动AD转换后，去执行别的程序，AD转换结束后EOC变为高电平，作为中断申请信号，通知CPU转换结束，可以读入AD转换数据。优点：A/D转换期间CPU可以处理其它的程序，提高CPU的运行效率。缺点：接口电路复杂。2025/4/17794.3.3A/D转换器芯片及接口电路(6)（5）ADC0809接口电路2025/4/17804.3.3A/D转换器芯片及接口电路(7)[例4.1]利用图4.25，采用无条件传送方式，编写一段轮流从IN0～IN7采集8路模拟信号，并把采集到的数字量存入0100Ｈ开始的8个单元内的程序。程序如下：

MOVDI,0100H；设置存放数据的首址

MOVBL,08H；采集8次计数器

MOVAH,00H；选0通道

AA1∶MOVAL,AHMOVDX,ADPORT；设置ADC0809芯片地址

OUTDX,AL；使ALE、START有效,选择模拟通道2025/4/17814.3.2A/D转换器芯片及接口电路(8)MOVCX,0050HWAIT∶LOOPWAIT；延时，等待A/D转换

INAL,DX；使OUTPUTENABLE有效

MOV[DI],AL；保存数据

INCAH；换下一个模拟通道

INCDI；修改数据区指针

DECBL；计数器减1JNZAA12025/4/17824.3.3A/D转换器芯片及接口电路(10)2．12位A/D转换器AD574AD574是美国模拟器件公司的产品，是较先进的高集成度、低价格的逐次逼近式转换器。AD574由两片大规模集成电路构成。一片为D/A转换器AD565另一片集成了逐次逼近寄存器SAR、转换控制电路、时钟电路、总线接口电路和高分辨比较器电路。2025/4/17834.3.2A/D转换器芯片及接口电路(11)（1）AD574结构框图及引脚说明2025/4/17844.3.3A/D转换器芯片及接口电路(11)(2)AD574的工作过程启动转换CE=1、/CS=0A0：0（12位）或为1（8位）R/C＝0，启动转换。STS由高电平变为低电平，转换结束，查询法：读入STS线端的状态，判断转换是否结束。2025/4/17854.3.3A/D转换器芯片及接口电路(12)(2)AD574的工作过程输出数据输出方式选择:接+5V或数字地为1时：12位输出，A0不起作用；为0时：两次输出，与A0配合；CE=1、/CS=0、R/C=1A0：为1时：低4位；为0时：高8位。由于AD574输出端有三态缓冲器，所以D0～D11数据输出线可直接接在CPU数据总线上。2025/4/17864.3.3A/D转换器芯片及接口电路(13)(3)AD574接口电路

图4.2712位AD574与8088CPU的接口电路图2025/4/17874.3.4A/D转换器的外围电路(1)I/V转换多路模拟开关前置放大器采样保持电路2025/4/17884.3.4A/D转换器的外围电路(2)I/V变换变送器的输出信号为0～10mA或4～20mA由于A/D转换器的输入信号只能是电压信号需要I/V变换电路2025/4/17894.3.4A/D转换器的外围电路(3)(1)无源I/V变换无源器件电阻、滤波、输出限幅。

0～10mA输入信号，可取R1=100，R2=500（精密电阻）4～20mA输入信号，可取R1=100，R2=250（精密电阻）2025/4/17904.3.4A/D转换器的外围电路(5)(2)有源I/V转换运算放大器、电阻、滤波A=1+R4/R30～10mA：R3=100KΩ，R4=150KΩ，R1=200Ω4～20mA：R3=100KΩ，R4=25KΩ，R1=200Ω图4.29有源I/V变换电路2025/4/17914.3.4A/D转换器的外围电路(7)2．多路模拟开关图4.30CD4501的结构和引脚图2025/4/17924.3.4A/D转换器的外围电路(8)3.前置放大器任务：是将模拟输入的小信号放大到A/D转换的量程范围之内可以设计可变增益放大器。变送器的输出为标准的电压信号或标准的电流信号，前置放大器在A/D转换电路中不常用。2025/4/17934.3.4A/D转换器的外围电路(9)4.采样保持电路A/D转换时间A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差采样保持器把采样值保持到A/D转换结束主要应用于逐次逼近式A/D转换器，双积分的A/D转换器可以不加采样保持器。两种工作状态采样状态：输出随输入而变化保持状态：输出保持不变2025/4/17944.3.5A/D转换器接口的隔离技术单通道输入：隔离方式同D/A转换器接口隔离技术，主要采用光电耦合器多通道输入：与上同通道与通道之间：每个通道使用一个独立的A/D转换器件选用特殊的切换开关：光电隔离器件（半导体继电器）2025/4/17954.3.5A/D转换器接口的隔离技术特殊的切换开关松下AQW2142025/4/17964.3.6A/D转换器模板的标准化设计1.采样保持器2.输入跟随或信号放大处理3.多路模拟信号的切换技术4.隔离技术5.A/D的转换精度和速度6.参考基准电压2025/4/17974.4人—机接口键盘鼠标触摸屏显示器打印机2025/4/1798人-机接口是操作人员与计算机之间相互交换信息的接口操作、获取信息。人机接口包括键盘、打印机、显示器等4.4人—机接口2025/4/17994.4.1键盘（1）键盘是一组按键或开关的集合，键盘接口向计算机提供被按键的代码。常用的键盘有两种:编码键盘:能够自动提供被按键的编码（比如ASII码或二进制编码）。特点：使用方便、结构复杂、成本高。非编码键盘：仅仅简单地提供按键的通或断状态（“0”或“1”），而按键的扫描和识别则由用户的键盘程序来实现。特点：结构简单、便于用户自行设计。2025/4/171001.独立连接式键盘

图4.31独立连接式键盘电路示例2025/4/171014.4.1键盘（3）按键抖动干扰的消除方法:硬件方法：一般采用单稳态触发器或滤波器来消除抖动干扰。软件方法：一般采用软件延时或重复扫描的方法，即多次扫描的状态皆相同，则认为此按键状态已稳定。独立连接式键盘的优缺点:优点：电路简单，适用于按键数较少的情况。缺点：是浪费电路，对于按键数较多的情况，应采用矩阵连接式键盘。2025/4/17102图4.32矩阵连接式键盘电路示例2.矩阵式键盘2025/4/171034.4.1键盘（5）由键盘扫描程序的行输出和列输入来识别按键的状态，具体工作过程如下:(1)输出0000到4根行线，再输入4根列线的状态。如果列输入为1111，则无一键被按下；否则，则有键被按下。这一步通常称为键扫描。(2)在确定了有键被按下后，接下来的就是要确定哪只键被按下。为此采用行扫描法，即逐行输出行扫描信号“0”，再根据输入的列线状态，判定那只键被按下。这一步通常称为键识别。(3)确定被按键后，再根据该键的功能进行相应的处理，这一步通常称为键处理。2025/4/171044.4.1键盘（6）按键抖动干扰的消除方法

可采用软件延时法来消除。在键盘扫描周期，每行重复扫描n次，如果n次的列输入状态相同，则表示按键已稳定。

2025/4/171054.4.1键盘（7）3.二进制编码键盘二进制编码键盘是编码键盘的一种，二进制编码键盘的按键状态对应二进制数。二进制编码键盘可以通过优先级编码器来完成。4.智能式键盘键盘的内部装有专门的微处理器如Inter8048等，由这些微处理器来完成键盘开关矩阵的扫描、键盘扫描值的读取和键盘扫描值的发送。这样，键盘作为一个独立的输入设备就可以和主机脱离，仅仅依靠传输线（一般采用5芯电缆）和主机进行通信。2025/4/171064.4.2鼠标在计算机控制系统中，鼠标作为一种常见的输入设备，广泛用于人机交互界面（HMI）中。高精度、可靠性和人体工程学设计是鼠标在这些领域中应用的关键要求。随着技术的进步，鼠标在智能化、AR/VR交互和多模态输入方面的发展，将进一步提升其在计算机控制系统中的作用和应用潜力。2025/4/171074.4.3触摸屏（1）触摸屏输入技术是近年来发展起来的一种新技术。它是用户利用手指或其他介质直接与屏幕接触，进行相应的信息选择，并向计算机输入信息的一种输入设备。目前的主要产品可分为监视器与触摸屏一体式和分离式两种类型。系统由触摸检测装置和触摸屏控制卡两部分组成。触摸控制卡上有自己的CPU及固化的监控程序，它将触摸检测装置送来的位置信息转换成相关的坐标信息并传送给计算机，接收和执行计算机的指令。2025/4/171084.4.3触摸屏（2）1．分类：从工作原理来分，触摸屏有5类产品：1）电阻式触摸屏：触摸屏表面是一层胶，底层是玻璃，当中是两片导体，导体之间填满绝缘物。当电阻式触摸屏受到触碰时，其间的绝缘物被压力推开而导电。由于触碰点的电阻值发生了变化，使感测信号的电压值也随之变化，并将电压值转换成接触点的坐标值，使计算机能根据坐标来确定用户输入的信息是何种信息。这类触摸屏的优点是承受环境干扰能力强，缺点是透光性和手感较差。2025/4/171094.4.3触摸屏（3）2）电容式触摸屏：它是在一片玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质，当有导体触碰时就改变了四周的电容值，从而检测出触摸点的位置。这种触摸屏要求触碰介质必须是导电物质。由于电容量会随着接地、绝缘率的变化而变化，这类触摸屏的稳定性较差。2025/4/171104.4.3触摸屏（4）3）红外线式触摸屏：这类触摸屏的外框四周是红外线发射的接收感测元件，形成一个小型红外线探测网。任何物体伸入网区内都将使接触点的红外线特性发生改变，从而探测出触点的位置。这种触摸屏的