计算机控制技术输入输出接口与过程通道

1、第2章 输入输出接口与信号转换技术,接口是计算机与外部设备（部件与部件之间）交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。 接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。 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，它包括模拟量输入通道、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。,1,2.1 数字量输入输出通道,2.1.1 数字量输入输出接口技术,2.1.2 数字量输入通道,2.1.3 数字量输出通道,2,明确概念,数字量(开关量)信号，这些信号包括：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，马达的启动与停止，阀门的打开与关

2、闭等。 共同特征 : 这些信号都是以二进制的逻辑 “1”和“0”出现的。,3,2.1.1 数字量输入输出接口技术,作用：对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量。 完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号CS，当在执行IN指令周期时， 产生IOR信号，则被测的状态信息可通过三 态门送到PC总线工业控制机的数据总线， 然后装入AL寄存器。,设片选端口地址为port，可用如下指令来完成取数. MOV DX， port IN AL， DX,1. 数字量输入接口,4,作用： 当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直

3、到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。 完成过程：用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生IOW信号。,设片选端口地址为port，可用以下指令完成数据输出控制。 MOV AL， DATA MOV DX， port OUT DX， AL,2数字量输出接口,5,当CLK（使能端）为高电平时，锁存器的数据输出端Q的状态与数据输入端D相同（透明的）。 当CLK端从高电平返回到低电平时（下降沿后），输入端的数据就被锁存在锁存器中，数据输入端D的变化不再影响Q端输出。,锁存器(Flip-latch),6,2.1.2 数字量输

4、入通道,1.数字量输入通道的结构 数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。,7,2. 输入调理电路,数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。 这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。 为了将外部开关量信号输入到计算机，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 。 （1）小功率输入调理电路 （2）大功率输入调理电路,8,（1）小功率输入调理电路,开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTL电平信号与计算机相连。 为了

5、清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。,左图为采用积分电路的小功率输入调理电路。目的：把开关K的状态转化成二进制状态。 原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相为1； 断开K时，电容C充电，反相器反相为0。,9,RS触发器(Flip-flop)消除开关两次反跳电路,原理： 当K在上时，输出上为1，下为0。 当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。,R,S,Q,10,（2）大功率输入调理电路,当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直

6、流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。 “光电隔离”： 通常使用一个光耦将电子 信号转换为光信号，在另 一边再将光信号转换回电 子信号。如此，这两个电 路就可以互相的隔离。,11,（2）大功率输入调理电路,原理： 当K 闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为1。 当K断开时，光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为0。 其中，用R1,R2进行分压，C1进行滤波，要合理选择参数。,12,2.1.2 数字量输出通道,1.数字量输出通道的结构 数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出

7、口地址译码电路等组成 。,13,2.输出驱动电路 在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。 （1）小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 继电器包括线圈和触点。 因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。 D的作用为泄流作用，通过D放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。 R的作用是限流电阻。 作用过程：当TTL电平为1时，晶体管截止，J不吸合 当TTL电平为0时，晶体管导通，J吸合,1,0,0,1,14, 达林顿阵列输出驱动继电器电路 MC1416是达林顿阵列驱动器. 达林顿晶体管DT（Darl

8、ington Transistor）亦称复合晶体管。它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。,15,(2)大功率交流(Alternating)驱动电路 在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSR作交流开关使用。 SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。,SSR作交流开关，相当于有一个触点，左边是TTL电平，在05V之间： 当TTL电平为高时，触点闭合； 当TTL

9、电平为低时，触点断开。,零交叉电路在交流电压变化到零附近时产生触发信号，减少干扰。,固态继电器SSR结构及用法,16,2.2 A/D转换器及其接口技术,2.2.0 A/D转换基础知识 1. A/D转换方式 2. A/D转换器的主要技术指标 3. 逐位逼近法 2.2.1 A/D转换器 1. 8位A/D转换器ADC0809 2. 12位A/D转换器AD574A 2.2.2 A/D转换器接口技术 1. ADC0809与PC总线工业控制机接口 2. AD574A与PC总线工业控制机接口,17,A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。 (1) 逐次逼近式（Successive approximation

10、 ） 转换时间短(几个微秒几百个微秒)，但抗干扰能力较差。常用的逐次逼近式A/D转换器ADC0809，AD574A等；,逐次逼近式A/D转换器逻辑框图,1. A/D转换方式,18,(2) 双斜积分式（Double Slope Integral） 转换时间长(几十个毫秒几百个毫秒)，抗干扰能力较强。适用于现场信号变化缓慢、干扰严重的场合。常用的双斜积分式A/D转换器有3位半（相当于二进制的11位分辨率）的MC14433，4位半（14位分辨率）的ICL7135等。,1.A/D转换方式,19,A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等。 转换时间：指完成一次模拟

11、量到数字量转换所需要的时间。（转换率是转换时间的倒数。200ns,5MHz） 分辨率：通常用数字量的位数n(字长)来表示，如8位、12位、16位等。 分辨率为n表示它能对满量程输入的 1/2n 的增量作出反应，即数字量的最低有效位(LSB)对应于满量程输入的 1/2n 。,2. A/D转换器的主要技术指标,20,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(1/2)LSB或1LSB。 量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V+5V, 010V，05V等。 对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑

12、是否要外接精密基准电源。,2. A/D转换器的主要技术指标,21,3. 逐位逼近法,逐位逼近式A/D的工作原理 从SAR输出的数码送至D/A，其输出电压Vf与模拟量输入Vin 比较后，再控制SAR的数字逼近。,逐位逼近式A/D转换器原理框图,Vin 模拟量输入,数字量输出 寄存器,D/A转换器,逐位逼近 寄存器 （SAR）,控制时序 和 逻辑电路,Vf（反馈电压）,D0D7,比较器： ViVf输出“1” ViVf输出“0”,22,3. 逐位逼近法,保留的砝码为 128g + 16g + 4g + 1g = 149g 相当于转换的数码为D7D0 = 10010101,149,16,128,重物,

13、砝码,1,4,27,24,22,20,23,例： 天平称量与A/D转换,一个27克重物的称量过程,24,逐次逼近A/D转换器原理,25,对一个n位的逐位逼近式A/D 转换输出的二进制数字量B与输入模拟电压VIN、正基准电压VREF+、负基准电压VREF-的关系为 Example: Supposed ADC is 8-bit，VREF+ = 5.00V，VREF- = 0V，What is the digital output of the VIN=0V、2.5V?,00H,3. 逐位逼近法,80H,26,1. 8位A/D转换器 ADC0809,ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼

14、近式A/D转换器，转换时间为100s左右，线性误差为(1/2)LSB，采用28脚双立直插式封装(Dual inline package)。,2.2.1 A/D转换器,27,ADC0809 逻辑组成,ADC0809引脚图,28,逻辑组成： (1)8通模拟开关及通道选择逻辑 该部分的功能是实现8选1操作，由通道选择信号C、B、A，在ALE的作用下(正脉冲)送入通道选择逻辑。,(3)三态输出锁存缓冲器 用于存放转换结果D，输出允许信号OE为高电平时，D由DO7DO0上输出；OE为低电平输入时，数据输出线DO7DO0为高阻态。,(2)8位A/D转换器 在START上收到一个启动转换命令(正脉冲)后开始

15、转换，100 s左右(64个时钟周期)后转换结束。转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。 通过查询或中断方式读取。,29,ADC0809 采样状态图,30,ADC0809 转换时序图,P25 图2.11,31,212位A/D转换器AD574A,AD574A是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25s，线性误差为1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。,32,AD574的原理结构图,33,AD574A由四部分构成： 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,34,1)

16、12位A/D转换器,AD574A两种模拟输入方式 (a) 单极性输入BIPOFF=0V；(b) 双极性输入BIPOFF=10V,35,2）引脚特性： DO0DO11：12位数字量输出。 R/C：数据读/启动信号。 R/C=1时， 读取转换结果； R/C=0时，启动A/D转换。 12/8：输出数据长度选择信号。 12/8=1，D11D0并行输出； 12/8=0，D11D4与D3D0分时输出。 A0：字节选择信号。 在转换启动时，A0=0代表选择AD574A作为12位转换器使用， 在读数据时，A0=1代表读低4位。 STS：AD574A的工作状态信号。 STS=1表示正处于转换状态；STS=0表示

17、转换完毕。CPU可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。,36,10VIN：10V模拟电压输入。 单极性时为010V， 双极性时为5V5V。 20VIN：20V模拟电压输入。 单极性时为020V， 双极性时为10V10V。 REFIN：参考输入，用于满量程调节。 REFOUT：内部10V参考电压输出。 BIPOFF：偏置输入，用于零点调节。 BIPOFF=0V 单极性； BIPOFF=10V 双极性。 VCC、VEE、VL：15V、15V、 5V供电电源。 AGND：模拟地。 DGND：数字地。,37,AD574A控制信号功能表,3）控制逻辑,38,4）AD574A的工作时序,39,2.2.2

18、 A/D转换器接口技术,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。为便于或简化接口电路设计，也常通过通用并行接口芯片8255A实现与系统的接口。 1. ADC0809与PC总线工业控制机接口 2. AD574A与PC总线工业控制机接口,40,1ADC0809与PC总线工业控制机接口,ADC0809与PC总线工业控制机接口电路图,41,（1）确定选择模拟通道号 （2）输出启动信号 （3）查询是否转换结束 （4）读取转换结果,分析程序流程,42,2ADC574A与PC总线工业控制机接口,43,2.3 模拟量输入通道,2.3.1 模拟量输入通道的组成 2.3

19、.2 I/V变换 2.3.3 多路转换器 2.3.4 采样、量化及采样保持器 2.3.5 模拟量输入通道设计,44,模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压(或电流)信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。 为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成010mA或420mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。,2.3 模拟量输入通道,45,2

20、.3.1 模拟量输入通道的组成,过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压)形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。 模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。,46,2.3.2 I/V变换,变送器输出的信号为010mA或420mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。 DDZ-型的输出信号标准为010mA, DDZ-型和DDZ-S的输出信号标准为420mA。 1.无源I/V变换 2.有源I/V变换,47,I/V变换的基本思想：电流

21、变换电路中各部分的作用： R1:限流电阻 D:将电压钳制在5V+0.3V以内 R2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电阻。 C和R1：组成阻容低通滤波电路。,1.无源I/V变换,电压,I=010mA,R2= 05V I=420mA,R2= 15V,R1,R2,C,I,V,+5V,无源I/V变换电路,V=R2*I,D,500,250,48,2.有源I/V变换,利用有源器件运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别在于信号的隔离上。电流不能直接流过R2,Vi=I*R1。 利用运算放大器的虚短(Empty short)和虚断(Empty break)的概念，我们可以求出该同相放大电路的放大倍数。

22、合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出Vo。,Vi,A=1+R4/R3,VO=A*R1*I,100K,200,150K,49,2.3.3 多路转换器(Multiplexer),多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。 作用：利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上，实现多路共享。 常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、LF13508等。,50,主要特性： 直流供电电源：VDD+5V+15V， 数字信号变化范围：315V 输入电压：VIN0VDD， 模拟信号峰-峰值：15V,CD4051原理图,INH 控

23、制禁止端 1：断开 0：由ABC选通,51,2.3.4 采样、量化及采样保持器,1.信号的采样 采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻O、T、2T、KT的一连串脉冲输出信号的过程。,采样周期（采样间隔）：采样开关K每一个通断的时间间隔T，包括等待时间、闭合时间、断开时间等。 采样宽度：采样开关闭合的时间。 采样信号y*(t)：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。 香农采样定理：如果模拟信号(包括噪声干扰在内)频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f2fmax进行采样，那么采样信号y*(t)就能唯一地复现y(t)。,为采样宽度， 即K闭合的时间,52,

24、2.量化 所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是怎样将离散模拟变量变为二进制码，二进制数的大小和量化单位有关。 量化过程：将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。 量化装置：执行量化动作的装置是A/D转换器。 量化单位：字长为n的A/D转换器把yminymax范围内变化的采样信号变换为数字02n-1，其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位。 量化误差：量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单位长度(毫米或其它)去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为(1

25、/2)q。 例如，q=20mV时，量化误差为10mV，0.9901.009V范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字50。,53,模拟信号的量化,将模拟信号电平分成N=2n等分 每一等分用一个n位定点数表示 例：被采样的电压值范围-5V +5V ，用8位二进制数表示 则：-5V +5V的电压范围将等分为256个等级 在此范围内的任一电压值都将被量化为一个8位二进制数 即： 00000000 11111111，10/256 = 0.039V为一个等级,54,模拟信号的量化,55,3.采样保持器（S/H） (1)采样保持电路的工作方式：采样和保持。 在采样方式中，采/保电路的输出跟踪（trac

26、k）模拟输入电压。 在保持方式中，采/保电路将保持采样命令撤销时刻的采样值，直到保持命令撤销并且再次接收到采样命令为止。 (2)孔径时间(aperture time) 和孔径误差 (aperture error) 在采/保电路中，完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。 采样时刻的最大转换误差称为孔径误差。 孔径误差的消除采用采样保持器。,56,(3)常用的采样保持器LF398、AD582 选择采样保持器的主要因素有：获取时间，电压下降率。 LF398的保持电容CH取为0.01F时，信号达到0.01%精度 所需的获取时间(采样时间)为25s，保持期间的输出电压下降率 为每秒0.3mV。 LF

27、398的采样保持控制引脚8： 高电平1，采样 低电平0，保持 CH为保持电容，将其减小 可以提高采样频率但会降低精度。,57,58,将ADC0809的启动转换脉冲START连到LF398的引脚8上,作为采样控制脉冲,在脉冲的下降沿启动转换,在转换期间,LF398处于保持状态。,START,8,3,5 VOUT,LF398,ADC0809,IN,VIN 模入,采样保持器用法：,59,元器件：12位A/D转换器AD574A，采样保持器LF398、多路开关CD4051、8255A并行接口。 要求：设计PC总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。 主要技术指标：8通道模拟量输入， 12位分辨率 输入量

28、程为单极性010V， 应答方式为查询 A/D转换时间为25s,2.3.5 模拟量输入通道设计,60,该模板采集一个数据的过程,1通道选择PC0PC2, 通道禁止 PC3 , LF398 ADC574的STS+反相器，STS=0时LF398为采样状态。 2启动AD574A进行A/D转换,STS=1时LF398保持. AD574A的R/C, CS, CE PC4-PC6 3查询AD574A是否转换结束 STS PA7 4读取转换结果 STS由1变为0后，读高4位 PA0-PA3，低8位 B口,61,2.4 D/A转换器及其接口技术,D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它的模拟量输出(

29、电流或电压)与参考电压和二进制数成比例。 主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误差等。 分辨率：D/A转换器输入二进制数的位数，如8位、10位、12位。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。 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(1/2)LSB或1LSB。（同A/D转换）,62,建立时间：输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值(1/2)LSB所需的时间，一般为ns。,2.4 D/A转换器及其接口技术,63,2.4.1 D/A转换器,1. 8位D/A转换器DAC

30、0832 2. 12位D/A转换器DAC1210,2.4.2 D/A转换器接口技术,1. 8位D/A转换器与PC总线工业控制机接口 2. 12位D/A转换器与PC总线工业控制机接口,2.4 D/A转换器及其接口技术,64,1. 8位D/A转换器DAC0832,DAC0832的分辨率为8位，电流输出，采用20脚双立直插式封装。,65,（1）DAC0832结构框图,主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器、 相应的选通控制逻辑四部分组成。,66,（2）DAC0832的引脚功能 D0D7：转换数据输入接口线，D0为LSB，D7为MSB。 ILE： 输入锁存允许。 ：8位输入寄存器写选

31、通信号。 ：8位DAC寄存器写选通信号。 ：传输转换数据线。 IOUT1：电流输出1端。 IOUT2：电流输出2端。 IOUT1+IOUT2=常数C Rfb：标准电阻线，与外部运算放大器的输出相连，作为反馈电阻。 VREF：基准电压源端，输入线，10 VDC 10 VDC。 VCC ：工作电压源端，输入线，5 VDC 15 VDC。,67,68,（3）DAC0832的工作方式,两级缓冲寄存器都是直通锁存器： LE1，直通（输出等于输入） LE0，锁存（输出保持不变）,LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,69,（3）

32、DAC0832的工作方式：,LE1LE21 输入的数字数据直接进入D/A转换器。,LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,A.直通方式,70,LE11，或者LE21 两个寄存器之一始终处于直通状态； 另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）。,LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,B.单缓冲方式,（3）DAC0832的工作方式：,71,C.双缓冲方式,LE10，并且LE20 两个寄存器都处于受控（缓冲）状态； 能够对一个数据进行D/A转换的同时，

33、输入下一个要转换的数据，可以有效地提高转换速度。,LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,（3）DAC0832的工作方式：,72,2. 12位D/A转换器DAC1210,73,与DAC0832的两点区别 ：, DAC1210有12条数据输入线，因此采用24脚 双列直插封装。,74,2.4.2 D/A转换器接口技术,1 8位D/A转换器0832与PC总线工业控制机接口,DAC0832工作方式为单缓冲寄存器,75,2. 12位D/A转换器1210与PC总线工业控制机接口,76,工作过程： 1. 锁存高8位数据：Y0有效 B

34、YTE1/BYTE2 高电平当 IOW 有效 D4-D11 写入高8位输入寄存器， D0-D3 写入低4位输入寄存器。 2.锁存低4位数据：Y1有效BYTE1/BYTE2 低电平当IOW有效高8位输入数据被锁存，D3-D0写入低4位输入寄存器，原内容被冲掉。 3.输入寄存器数据送到DAC寄存器： Y2有效 XFER低电平当 IOW 有效输入寄存器数据传送到DAC寄存器，并开始D/A转换。 4. DAC寄存器锁存， D/A 输出保持： Y2, IOW 变高电平 DAC寄存器锁存数据，保持D/A转换输出。,77,2.5 模拟量输出通道,2.5.1 模拟量输出通道的结构形式 2.5.2 单极性与双极

35、性电压输出电路 2.5.3 V/I 变换和自动/手动切换 2.5.4 模拟量输出通道设计,78,2.5.1 模拟量输出通道的结构形式,1.一个通路设置一个D/A转换器的形式数字保持 优点：转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其它通路的工作。 缺点：使用了较多的D/A转换器,模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、采样保持器、V/I变换等组成。,79,2.多个通路共用一个数/模转换器的形式模拟保持 优点：节省了数/模转换器 缺点：由于需要分时工作，只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。,80,2.5.2 单极性与双极性电压输出电路,通常采用D/A转换

36、器外加运算放大器的方法，把D/A转换器的电流输出转换为电压输出。,1、VOUT1为单极性输出,2、VOUT2为双极性输出,81,若D为输入数字量，VREF为基准参考电压，且为n位D/A转换器，则有：,对于DAC0832，n=8，则VREF/256是常数。 显然，VOUT1和 D 成正比关系，输入数字量 D 为 00H 时， VOUT1也为 0 ；输入数字量 D 为FFH即255时，VOUT1 为与 VREF 极性相反的最大值。,1、VOUT1为单极性输出,82,2、VOUT2为双极性输出,83,对于双极性的情况： 当输入数字量D小于 80 H即128时，输出模拟电压为负； 当输入数字量D大于

37、80 H即128时，输出模拟电压为正。,由上式，对于8位D/A转换器，有： D=0时， D=80H， D=FFH，,84,2.5.3 V/I 变换和自动/手动切换,1集成V/I转换器ZF2B20 2集成V/I转换器AD694 3带有自动/手动切换的V/I变换,85,1集成V/I转换器ZF2B20 ZF2B20是通过V/I变换的方式产生一个与输入电压成比例的输出电流。它的输入电压范围是010V，输出电流是420mA(加接地负载)，采用单正电源供电，电源电压范围为1032V，它的特点是低漂移（Low excursion），在工作温度为-2585范围内，最大漂移为0.005%/，可用于控制和遥测系统

38、(Telemetry system)，作为子系统之间的信息传送和连接。,86,是一种带初值校准的010V到420mA转换电路。 是一种带满度校准的010V到010mA转换电路。,87,2集成V/I转换器AD694,AD694的主要特点是： 输出范围：420mA,020mA。 输入范围：02V或010V。 可与电流输出型D/A转换器直接配合使用，实现程控( program control )电流输出。 具有开路或超限报警（open circuit / overrun alarm）功能。,88,3带有自动/手动切换的V/I变换,1,2,89,（1）手动/自动切换目的： 在计算机出现故障时，可以手动

39、操作。 （2）电路的两个功能： 实现V/I变换 能够实现A/H切换,3带有自动/手动切换的V/I变换,90, 实现V/I变换 (Vi=05VIL=010mA) 当K1处于A时，形成一个电压比较型跟随器(Voltage comparison follower ) 。当VfVi时，电路能自动地使输出电流增大或减小。最终使Vf=Vi，于是有IL=Vi(R9+W)。 ,1,当R9+W=500或250时，IL以010mA 或420mA的直流电流信号线性地对应Vi 的05V或15V的直流电压信号。,91, 能够实现A/H切换 AH 当开关K1、K2和K3都处于H位置时，即为手动操作方式，此时运算放大器A1

40、和A2脱开，A2成为一个保持型反相积分器(Holding Inversion Integrator)。,92,当按下“增”按钮时，V2以一定速率上升，IL以一定速率上升； 当按下“减”按钮时，V2以一定速率下降，IL以一定速率下降。 当两按钮都断开时，由于A2为一高输入阻抗保持器，V2几乎 保持不变，维持输出电流恒定。,93,H A 当开关K1、K2、K3处于 H，要做到无扰动必须使图中的输出电路具有输出跟踪功能，即在手动状态下，Vi等于Vf 。,94,计算机由DI读入K2的状态，判断输出电路A还是H。,A程序执行预先规定的运算，最终输出Vi; HA/D读入Vf，送至输出单元；D/A 输出Vi

41、。,Vi=Vf,跟踪程序的工作过程,95,2.5.4 模拟量输出通道设计,目的：设计8通道的模拟量输出通道的电路原理图。 器件： DAC0832， CD4051 要求：利用DAC0832作8位D/A转换器，通过多路开关CD4051，可由程序控制，将转换结果从8通道中的某 一通道中送出，送出的结果以电流形式输出。,96,工作过程： PC总线送出的数据由DAC0832进行转换。用OUT指令，通过D0、D1、D2位打开多路开关的某一通道而送出，其输出端所接的保持器是为了保持D/A输出稳定，起到电压保持作用,由V/I转换器来输出420mA的电流信号。,97,2.6 硬件抗干扰技术Hardware An

42、ti-interference Technology,2.6.1 过程通道抗干扰技术 2.6.2 CPU抗干扰技术 2.6.3 系统供电与接地技术,98,所谓干扰，就是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。 克服干扰的措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。 干扰的来源：外部干扰和内部干扰。 外部干扰与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的； 内部干扰则是由系统结构、制造工艺等决定的。 外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度(humidity) 等气象条件。 内部干扰主要是分布电容(distributed capacitance)、分布电感引起的耦合感应(coup

43、ling induction)，电磁场辐射感应(radiation induction)，长线传输的波反射(wave reflect)，多点接地造成的电位差(potential difference)引起的干扰，寄生振荡(parasitic oscillation)引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。,99,分布电容：distributed capacitance 除电容器外，由于电路的分布特点而具有的电容叫分布电容例如线圈的相邻两匝之间，两根相邻的导线间都具有一定的电容它对电路的影响等效于给电路并联上一个电容器，这个电容值就是分布电容 由于分布电容的数值一般不大，在低频交流电路中，分布电容的容

44、抗很大，对电路的影响不大，因此在低额交流电路中，一般可以不考虑分布电容的影响，但对于高额交流电路，分布电容的影响就不能忽略不计了。 分布电感：distributed inductance,100,2.6.1 过程通道抗干扰技术,1.串模干扰(Series Mode interference )及其抑制方法 (1)串模干扰：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。,101,（2）串模干扰的抑制方法, 如果串模干扰频率fc比被测信号频率f 高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰； 如果fc 比f 低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰； 如果fc落在f频谱的两侧，则应用带

45、通滤波器(band-pass filter)。 一般情况下，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模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。,串模干扰示意图,102, 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测量信号的瞬时值。若干扰信号是周期性(periodicity)的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高

46、回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。 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。 采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。,103,2共模干扰及其抑制方法,(1)共模干扰(Common Mode interference) 是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。 被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm 。,共模干扰示意图,104,单端对地输入和

47、双端不对地输入,对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双端输入不对地方式，如右图所示。 ZS、ZS1、ZS2为信号源US的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输入电路的输入阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：,105,为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比 CMRR (Common Mode Rejection Ratio)来表示，即 Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un

48、=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强。,如果ZS1=ZS2，ZC1=ZC2，那么UAB=0，表示不引入共模干扰，但实际上无法满足，只能ZS1接近ZS2，ZC1接近ZC2，则UAB0，即实际上总存在一定的共模干扰电压。 当ZS1和ZS2越小，ZC1和ZC2越大，并且ZC1与ZC2越接近时，共模干扰的影响就越小。一般情况下，共模干扰电压Ucm总是转化成一定的串模干扰Un出现在两个输入端之间。,106,(2)共模干扰的抑制方法, 变压器隔离 （transformer isolation ）

49、利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压cm不成回路，从而抑制了共模干扰。,107,光电隔离 ( Photoelectric isolation) 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。,108,浮地屏蔽(Floating Shield ) 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图所示。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。,

50、109,采用仪表放大器提高共模抑制比 (Using instrument amplifier to improve common mode rejection ratio ) 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。 仪表放大器将两个信号的差值放大，用来抑制共模分量。 AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器），AD623。,110,3.长线传输干扰及其抑制方法,(1)长线传输干扰 长线的“长”是相对的； 信号在长线中传输遇到三个问题： 一是长线传输易受到外界干扰， 二是具有信号延时， 三是高速度变化的信号在长线中传输时，

51、还会出现波反射现象。,111,(2)长线传输干扰的抑制方法,采用终端阻抗匹配(Terminal impedance matching)或始端阻抗匹配(Before impedance matching），可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。 为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线（twisted pair）和同轴电缆（coaxial cable）作信号线。 终端匹配： 终端并联电阻 始端匹配： 始端串联电阻,112,2.6.2 CPU抗干扰技术,计算机控制系统的CPU抗干扰措施常采用 ： Watchdog(俗称看门狗) 电源监控 (Power monitoring掉电检

52、测及保护) 复位,MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能。MAX1232通过监控 微处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的(rebound，unlock 无锁的)手动复位输入。 另外常用的集成电路还有X5045、IMP813等。,113,1MAX1232的结构原理,MAX1232引脚图 PBRST 按键复位输入 TD 时间延迟 TOL 容差输入 RST 复位输出 ST 选通输入,MAX1232 内部原理图,114,2MAX1232的主要功能,(1)电源监控 (2)按钮复位输入 (3)监控定时器(Watchdog),115,(1

53、)电源监控,电压检测器监控Vcc。每当Vcc低于所选择的容限时(5%容限时的电压典型时为462V，10%容限时的电压典型时为437V)就输出并保持复位信号。 选择5%的容许极限时，TOL端接地； 选择10%的容许极限时，TOL端接Vcc。 当Vcc恢复到容许极限内，复位输出信号至少保持250ms的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。,116,(2)按钮复位输入,MAX1232的PBRST端靠手动强制复位输出，该端保持tPBD是按钮复位延迟时间，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。 一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST ，无锁按钮输入至少忽

54、略了1ms的输入抖动，并且被保证能识别出20ms或更大的脉冲宽度。,117,(3)监控定时器(Watchdog),用于因干扰引起的系统“飞程序”等出错的检测和自动恢复。 微处理器用一根I/O线来驱动输入ST，微处理器必须在一定时间内触发ST端(其时间取决于TD)，以便来检测正常的软件执行。如果一个硬件或软件的失误导致没被触发，在一个最小超时间间隔内，ST的触发只能被脉冲的下降沿作用，这时MAX1232的复位输出至少保持250ms的宽度。,118,1供电技术 （1）从交流电网输入、直流输出的全过程，包括： 、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 、整

55、流(rectification)与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。,119,263 系统供电与接地技术,、逆变(Inverter )：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。 、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。,120,(2)电源异常(Power anomaly )的保护措施 计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响生产。为此，可采用不间断电源UPS ( Uninterruptable Power Supply) 。,UPS自身逆变器的输入直流总线和外接电池组均与用户原有的48V通信电源无任何直接的电气连接，所以不会对程控机产生任何传导干扰。 输入电压偏高或偏低时，即转为电池放电 。通过改进控制器的工作，可以减轻电池组放电的频率，减少电池损坏。,121,2接地技术,(1)地线系统分析 什么是地线？地线有安全地和信号地两类。 安全地是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线，信