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1、9/29/2023,计算机控制技术,1,第2章 输入输出接口与过程通道,概述采样和量化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工业控制计算机I/O模板,9/29/2023,计算机控制技术,2,2.1概述,9/29/2023,计算机控制技术,3,接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，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。在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程
2、通道中又包含有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。,9/29/2023,计算机控制技术,4,9/29/2023,计算机控制技术,5,模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温度、压力、流量速度、液位等），转换为数字信号送给计算机。模拟量输出通道则把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制。开关量输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号和脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给计算机。开关量输出通道把计算机的控制信号送给那些接受开关信号的执行机构和显示、指示装置：如两位阀门、指示灯、步进电机及
3、继电器灯装置。,过程通道的分类与基本结构,9/29/2023,计算机控制技术,6,模拟量输入通道,9/29/2023,计算机控制技术,7,模拟量输出通道,9/29/2023,计算机控制技术,8,数字量输入通道,9/29/2023,计算机控制技术,9,数字量输出通道,9/29/2023,计算机控制技术,10,LED显示器及其接口技术,LED（发光二极管）显示器件是计算机控制系统中的廉价输出设备，它由多个发光二极管组成，能显示许多种字符。图所示为7段LED显示器件的结构及外形图。,图 7段LED显示器件的结构及外形图,9/29/2023,计算机控制技术,11,LED显示器及其接口技术,表 显示字符
4、与7段控制显示代码的对应关系,9/29/2023,计算机控制技术,12,(1)LED静态显示方式：所谓静态显示就是将N位共阴极LED显示器的阴极连在一起接地，每一位LED的8位段选线与一个8位并行口相连，当显示某一个字符时，相应的发光二极管就恒定地导通或截止。一个4位静态显示电路如图所示。,9/29/2023,计算机控制技术,13,(2)LED动态显示方式：所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。特点是将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个8位IO控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。恰当地选择点亮LED的时
5、间间隔(15 ms)，会给人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在“同时”显示,9/29/2023,计算机控制技术,14,动态LED显示器接口技术,6位动态显示电路,9/29/2023,计算机控制技术,15,在图中，控制每个LED显示位轮流接地点亮的代码称为“位选码”。由IO(2)口输出8位代码控制。特点是每次输出只有一位是0(点亮)，其余7位均为1(熄灭)，因此每一位LED都有一个唯一的8位“位选码”。按从左向右轮流显示8位LED的位选码可用8031右移循环指令实现：MOV A，7FH；点亮左1 LED的位选码LOOP：MOVX DPTR，A；从IO(2)口输出位选码 RR A；右移一位，指向
6、下一个LED位 LCALL DELAY；调延时3 ms子程序 LJMP LOOP；返回显示下一位LED,9/29/2023,计算机控制技术,16,到底哪一位数码管显示，主要取决于位选码。只有位选信号PB端口对应的线经驱动器后变为低电平时，对应的位才会发光显示。写出动态扫描显示子程序。设8255端口PA、PB的地址分别为800H、801H，并且PA、PB已初始化为输出方式，则子程序的流程图如图所示。,动态扫描显示子程序流程图,9/29/2023,计算机控制技术,17,LCD显示器接口技术,LCD显示器的显示原理在许多的LCD显示装置上，都有背光光源。LCD显示器的基本结构如图所示。,图 LCD显
7、示器基本结构,9/29/2023,计算机控制技术,18,LCD显示器接口技术,LCD器件的驱动方式 LCD显示器的驱动方式一般分两种：静态驱动方式和时分隔驱动方式。1静态驱动方式 图（a）所示为一位LCD数码显示电路图。当某字段上两个电极的电压相位相同时，两极间的相对电压为0，该字段不显示。当字段上两个电极的电压相位相反时，两个电极的相对电压为两倍幅值电压，字段呈黑色显示。,9/29/2023,计算机控制技术,19,LCD显示器接口技术,图 一位LCD数码显示电路图及驱动波形图,9/29/2023,计算机控制技术,20,LCD显示器接口技术,对于LED，只要在其两端加上恒定的电压，便可控制其亮
8、、暗状态。而LCD必须采用交流驱动方式，以避免液晶材料在直流电压长时间的作用下产生电解，影响其使用寿命。时分隔驱动方式 当显示字符较多时，驱动电路将会变得非常复杂。在这种情况下，一般采用时分隔驱动方式。,图 在时分隔驱动方式下的电极引线方式图,9/29/2023,计算机控制技术,21,3.3 LCD显示器接口技术,从图中的驱动波形可以看出：a，e段上所加的驱动波形是峰值为UO的选择状态，而g段上所加的驱动波形是峰值为1/3UO的非选择状态。,图 工作电压波形图,9/29/2023,计算机控制技术,22,LCD显示器接口技术,点阵式LCD显示器的接口 当数码位段式显示器的位段缩变为一个点，许多的
9、点按一定的规则均匀地排列在一起时，便构成了点阵式LCD显示器。,图 采用MCS51系列单片机8051的接口原理图,9/29/2023,计算机控制技术,23,人机接口键盘,2.3.1 非编码键盘 非编码键盘是由一些按键排列成的一个行、列矩阵。按键的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应的程序与之配合，来解决按键的识别，键值的产生以及防止抖动等工作。因此，键盘接口电路和软件程序必须解决以下一些问题：(1)检查是否有键按下。(2)若有键按下，判断是哪一个键并确定其键号或键值。,9/29/2023,计算机控制技术,24,(3)去抖动：一个电压信号是通过机械触点的闭合、断开过程来实现信号传
10、递的，其波形如图2-18所示。抖动时间一般为510 ms。按键的稳定闭合期为几百毫秒到几秒钟时间。为了保证CPU对按键闭合仅作一次键输入处理，必须去除抖动影响,通常可用硬件或软件延时10 ms处理。(4)处理多键同时按下：对于同时有两个以上的键被按下的情况，有两种处理方法。第一，“双键同时按下”。用软件扫描键盘处理，当只有一个键按下时才读取键盘的输出，并认为最后按下的键为有效键。第二，“N键锁定”。多键按下时只处理一个键，任何其他按下又松开的键不产生任何键值；通常第一个被按下或最后一个被松开的键产生键值。这种方法简单实用。,9/29/2023,计算机控制技术,25,(5)键输入软件处理：当有键
11、按下时，单片机应能够完成该按键所设定的功能。一般键盘管理程序是整个应用程序的核心。8031的散转指令JMP A+DPTR可看成是键输入信息的软件接口。图2-19是单片机键输入处理流程图。键盘通过接口与CPU连接，CPU采用查询或中断方式检查有无键按下，再将该键号送A，然后通过散转指令JMP A+DPTR转入执行该键功能的处理程序入口，最后又返回到键盘管理程序的入口。,9/29/2023,计算机控制技术,26,图 单片机键输入处理流程图,9/29/2023,计算机控制技术,27,图2-18 按键闭合及断开时的电压抖动,9/29/2023,计算机控制技术,28,2.2 模拟量输入通道AI,2.2.
12、1 组成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、I/O接口及控制逻辑组成。,过程参数由传感元件和变送器测量并转换为标准的电流形式后送至I/V变换器；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，进行放大、采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。,9/29/2023,计算机控制技术,29,2.2.2 信号调理和I/V变换一、信号调理信号调理主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化及隔离等方法将非电信号和非标准信号转换成标准的电信号。是传感器和转换以及和执行机构之间的桥梁。1、非电信号的检测不平衡电桥作用：是将电阻、电感、电容等参数的变化变换
13、为电压或电流输出的一种测量电路。特点：具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点。,9/29/2023,计算机控制技术,30,下图为一个用热敏电阻来测量温度的测量电桥。电阻R1,R2,R3为精密电阻，RPt为热敏电阻，E端接激励源，A,B端接到后级的测量放大电路,一般情况下：R2R3,R1=100欧，0时，RPt为100欧，此时电桥平衡，输出为0。当温度变化时，RPt的阻值是温度的函数为：为电阻温度系数，t为温度,9/29/2023,计算机控制技术,31,因此，某温度下，产生不平衡电压,由不平衡电压推算出温度值。注意：工业中用热敏电阻测量温度，当测量电路离控制柜很远时，热敏电阻与调理电路
14、之间连接宜采用三线制，而不是两线制接法。因采用两线制，由于导线电阻存在，容易产生误差。热敏电阻与调理电路之间三线制接法如图,9/29/2023,计算机控制技术,32,2、信号放大电路作用：将弱电信号放大成需要的标准电信号。如上述电桥输出电压一般达不到要求的标准电压，故需要放大器放大。选择因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等常见器件：uA741,LF347(低精度)OP-07,OP-27(中等精度)ICL7650(高精度),两线制：仪表到控制柜或者计算机只有两根线三线制：仪表到控制柜或者计算机有三根线,9/29/2023,计算机控制技术,33,二、I/V变换1、无源I/V变换无源I/V变换如图所
15、示：R2为精密电阻,当输入电流I范围已知时，输出电压V的范围就确定。如：当输入I为010mA时，取R2=500欧，则V=05V 当输入I为420mA时，取R2=250欧，则V=15V思考：图中R1和电容C起什么作用？二极管D作用是什么？滤波和输出限幅,9/29/2023,计算机控制技术,34,2、有源I/V变换有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，图中电容C起滤波。,9/29/2023,计算机控制技术,35,2、有源I/V变换有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，图中电容C起滤波。根据理想运算放大器知识：,由短路特性得 故当输入I为010mA时，取R1=200欧
16、，则Vi=02V取R3=100千欧，R4=150千欧，则A=2.5,则输出为05V当输入I为420mA时，取R1=200欧，则Vi=0.84V取R3=100千欧，R4=25千欧，则A=1.25,则输出为15V,9/29/2023,计算机控制技术,36,2.2.3 多路转换器()多路转换器也称多路开关。作用：是用于切换模拟电压信号的关键元件，可将各个模拟输入信号依次或随即地接到公用放大器上或A/D转换器上，完成“多到一”的转换。要求：理想开关是开路状态时电阻无穷大，接通时电阻为0，切换快、噪音小、寿命长、工作可靠。常用多路开关有：CD4051,AD7501,LF13508等。,9/29/2023
17、,计算机控制技术,37,2.2.4 采样、量化及采样/保持器一、信号的采样：采样：计算机每隔一定的时间间隔逐点的采入模拟信号的瞬时值的过程。采样开关K（采样器）：执行采样过程的装置。采样周期：采样开关每次通断的时间间隔T。采样时间（采样宽度）：采样开关每次闭合的时间。理想采样开关：当，称为理想采样开关。采样开关的波形如下图,9/29/2023,计算机控制技术,38,采样信号y*(t)：时间上离散，幅值上连续的信号采样过程：将时间和幅值均连续的模拟信号y(t)变换为采样信号的过程称为采样过程或离散过程。信号的采样过程表示如下：,普通采样开关,理想采样开关,9/29/2023,计算机控制技术,39
18、,思考：由采样过程知，连续信号经过采样以后所得采样信号y*(t)不是取全部时间上的信号值，而是取某些时间上的值，即y*(t)是y(t)的取样？那么处理后的采样信号会不会造成原来信号的丢失呢？也就是说是否能由处理后的采样信号来复现原来的模拟信号y(t)呢？,问题就取决于采样周期T的大小。香农采样定理：当采样频率f2fmax(模拟信号的最高频率），那么采样信号y*(t)就能唯一地复现y(t)。实际应用中，常取 f（510）fmax。,9/29/2023,计算机控制技术,40,二、信号的量化背景：采样信号是时间上离散、幅值上连续的信号，本质是离散的模拟信号，不能直接进入计算机。含义：用一组二进制码来
19、逼近采样信号的幅值。将采样信号的幅值变为数字信号D。量化过程：将采样信号转化为数字信号的过程。物理器件：A/D转换器。量化单位q：设A/D 转换器的位数为n(分辨率)，采样信号的幅值变化范围为 则量化单位,9/29/2023,计算机控制技术,41,量化过程实际是一个用q去度量采样幅值高低的小数归整过程。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差是q/2。假如q20mV,则量化误差为10mV,当某时刻采样信号的幅值是1V时，量化结果是多少？,9/29/2023,计算机控制技术,42,当采样信号的幅值是0.990V时，量化结果是多少？,当某时刻采样信号的幅值是1.009V时，量化结
20、果是多少？,结论：q20mV,幅值为范围内时的采样信号，其量化结果都是50.因为量化误差为q/2 10mV,A/D转换器的位数越高，量化单位q越小，量化越精确。,9/29/2023,计算机控制技术,43,三、信号的保持因为A/D转换器转换过程（信号的量化过程）需要一定时间，如果在信号的量化过程中现场输入电压信号变化快且其幅值变化超过q/2，就不能保证A/D转换精度。因此，采样信号在进入A/D转换器之前一般需要将其保持。信号的保持：将采样信号T时刻的幅值保持到T+1时刻的过程。完成信号保持的装置：保持器,9/29/2023,计算机控制技术,44,保持器,信号保持过程,通常，将采样功能和保持功能集
21、成在一起，称其为采样保持器。,9/29/2023,计算机控制技术,45,四、采样保持器1、孔径时间和孔径误差的消除孔径时间：完成一次A/D转换所需要的时间。孔径误差：每一个采样时刻的最大转换误差。对于一个时变的模拟信号而言，孔径时间决定孔径误差。正弦模拟信号。对于一定的转换时间，因为 在0时刻最大，所以误差最大可能发生在信号过0的时刻。所以在原点有：,9/29/2023,计算机控制技术,46,2、原理采样保持器的基本组成电路如图：由输入输出缓冲器A1、A2和采样开关S、保持电容CH组成。,误差百分数为所以，为了确保A/D转换的精度，要么必须限制输入信号的频率范围。或者加采样保持器，提高模拟输入
22、信号的频率范围。结论：为达到转换所规定的精度，要求A/D转换器在转换时间内将输入模拟量的变化幅度应小于A/D转换量化误差,9/29/2023,计算机控制技术,47,工作原理：采样时，S闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，S断开，因A2的输入阻抗高，VOUTVC保持不变。采样器一旦进入保持，马上启动A/D转换器，确保转换期间输入恒定。3、常见采样保持器常用采样保持器有LF398、AD582等。注意：当被测量信号变化缓慢，A/D转换时间足够短，可以不加采样保持器。,9/29/2023,计算机控制技术,48,2.4.5 A/D转换器一、A/D转换器工作原理,定义：实现采
23、样和量化过程的器件原理：将输入电压与已知电压比较进行的。比较将按某一方式获得的数字量D转换成电压模拟量U0，同时将U0和输入模拟电压Ux比较，若两者相等，则数字量D就是对输入模拟量Ux转换的结果，若不等则进一步修数字量D，直至U0Ux为止。,二、A/D转换器基本结构根据采用的比较原理分直接比较式A/D转换器和间接比较式A/D转换器。直接比较式：计数式、逐次逼近式和并行比较式间接比较式：双积分A/D转换器,9/29/2023,计算机控制技术,49,1、并行A/D转换器 思想：,uI为输入电压，VREF为已知的参考电压。比较器输出uo为0或者1，因此该比较器就是输出为一位的A/D转换器。特点：由于
24、转换是并行的，因而是转换速度最快；随着分辨率n的提高，比较器数目按几何级数2n-1增加,因此该种A/D转换器分辨率较低。,9/29/2023,计算机控制技术,50,2、逐次逼近A/D转换器 思想：类似于用天平称重，由D/A转换器从高位到低位逐位增加转换位数，产生不同的已知电压，将输入电压逐次与这些电压比较而实现。其结构如图：转换过程为：启动开始，控制逻辑给逐次逼近寄存器SAR最高位置1，SAR的数字量给D/A转换输出Uc.Uc和模拟输入电压Ux在比较器上比较；若UcUx，则确认最高位为1的同时置次高位为1；若UcUx，则将最高位清零，同时转置次高位为1；如此由最高位至最低位逐一比较。SAR的输
25、出数字量即为Ux的转换数字量,9/29/2023,计算机控制技术,51,3、双积分式A/D转换器思想：对模拟输入电压和参考电压进行积分，变换成与模拟输入电压平均值成正比的时间间隔，然后将该时间间隔转换成计数脉冲，最后将代表模拟量输入电压大小的脉冲数转换成BCD码输出。特点：抗干扰能力强，转换速度慢。,特点：精度高，速度快，转换时间固定，易于微机接口，广泛应用于计算机控制系统中。,9/29/2023,计算机控制技术,52,三、A/D转换器主要技术指标（1）分辨率是衡量A/D转换器分辩模拟量最小变化程度的技术指标，通常用数字量的位数n（字长）来表示。分辨率为n位，表示能对满量程输入的1/2n的增量
26、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。假设n8，满量程输入为5.12V，则，LSB对应于模拟电压 5.12V/28=20mV即，q 20mV,9/29/2023,计算机控制技术,53,（2）转换时间是指A/D转换器完成一次模拟到数字转换所需要的时间。（3）线性误差是指A/D转换器的理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差通常用LSB表示，如LSB/2，或1LSB。（4）量程是指所能转换的输入电压范围，如55V，010V，05V。（5）对基准电源的要求 基准电源的精度对整个系
27、统的精度产生很大影响，可考虑外接精密基准电源。,9/29/2023,计算机控制技术,54,四、常用A/D转换器及其接口技术,ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式的A/D转换器，其转换时间100s，线性误差LSB/2。,8通道输入,通道选择,数字输出,A/D转换器,9/29/2023,计算机控制技术,55,（1）8通道模拟开关及通道选择逻辑，实现8选1操作。CBA的组合 000111，对应VIN0VIN7；,8通道输入,通道选择,数字输出,A/D转换器,9/29/2023,计算机控制技术,56,地址锁存允许信号ALE（正脉冲）完成通道选择信号CBA的锁存，并把CBA对应的通道的
28、模拟量送入A/D转换器。,A/D转换器,9/29/2023,计算机控制技术,57,8通道输入,通道选择,A/D转换器,（2）8位A/D转换器对输入端VINi进行转换。当START上收到一个启动转换命令（正脉冲），A/D转换器开始转换，100s左右后转换结束，结果D(D0 2n-1)存入三态锁存缓冲器。,VINi,D,9/29/2023,计算机控制技术,58,8通道输入,通道选择,A/D转换器,D,转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。CPU可用查询方式或中断方式读此数据。,9/29/2023,计算机控制技术,59,（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O
29、E高电平时，D由DO0DO7输出；输出允许信号OE低电平时，DO0DO7高阻。,8通道输入,通道选择,A/D转换器,VINi,D,9/29/2023,计算机控制技术,60,A/D转换器的接口技术,A/D转换器可直接与PC相连，但为便于简化接口，常通过通用并行接口，比如8255A。,接PC总线,8255A的A、C口工作于方式0，C口上半部分为输出，C口下半部分为输入，A口为输入。EOC信号连接到PC7，CPU通过查询PC7，控制数据输入,OE 输出允许,EOC 转换结束,START 启动转换,ALE 地址锁存,9/29/2023,计算机控制技术,61,2.2.6 模拟量输入通道模板设计举例一、举
30、例PCL-813B是研华公司推出的基于ISA总线的数据采集卡，分辨率为12位，A/D转换器为AD574A，转换时间为25us/10us；提供路单端隔离模拟量输入通道,9/29/2023,计算机控制技术,62,9/29/2023,计算机控制技术,63,2.3 模拟量输出通道AO,2.3.1 结构模拟量输出通道（简称AO通道）有两种基本的结构。（1）多个D/A结构,多D/A结构是一种数字保持方式，送给D/A转换器的数字信号不变，其模拟输出信号便保持不变。特点：输出速度快、工作可靠、精度高，普遍应用于工业控制领域。,9/29/2023,计算机控制技术,64,（2）共享D/A结构,共享D/A结构的模拟
31、量输出通道中的D/A转换器只起数字信号到模拟信号的转换作用，信号保持功能靠采样保持器完成。这是一种模拟保持方式，微机对通路 i(i=1，2，n）的控制信号被D/A转换器转换为模拟形式后，由采样保持器将其记忆下来，并保持到下一次控制信号的到来。,9/29/2023,计算机控制技术,65,2.3.2 D/A转换器及接口,模拟量输出通道的核心部件是D/A转换器。D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它输出的模拟量（电压或电流）与参考电压和二进制数成比例。一、D/A转换器的工作原理及构成二、D/A转换器的主要技术指标三、常用D/A转换器及其接口,9/29/2023,计算机控制技术,66,一
32、、D/A转换器的工作原理及构成,将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。,1、D/A转换器的工作原理,9/29/2023,计算机控制技术,67,2、D/A转换器的构成,T形电阻网络D/A转换器主要由四部分组成:基准电压VREF，R-2R T形电阻网络，电子开关Ki(i=0,1,n-1)和运算放大器A。,Di1时，Ki切换到右端（虚地），Di0时，Ki切换到左端（地）。不论哪一端，切换电压不变，只切换电流。,VREF,9/29/2023,计算机控制技术,68,VREF,I,9/29/2
33、023,计算机控制技术,69,VREF,I,9/29/2023,计算机控制技术,70,只有当Ki切换到右端，才能给运算放大器输入端提供电流。当满量程输入一个n位二进制时，流入运放的电流为：,VREF,I,9/29/2023,计算机控制技术,71,当Rfb=R时，相应的输出电压为：,VREF,VOUT,I,由于数字信号Di(i=0,1,n-1)1或0，故D/A转换器的输出电压VOUT与输入二进制数字量D=Dn-1 D0的关系式为：,9/29/2023,计算机控制技术,72,所以，输出电压Vout除了与输入的二进制数D有关外，还与运放的反馈电阻Rfb、基准电压 有关。当为8位A/D转换器时，D=0
34、28-1即0FFH,VREF,VOUT,VREF,9/29/2023,计算机控制技术,73,二、D/A转换器的主要技术指标,*分辨率是指当输入数字量发生单位数码（也称最低有效位LSB）变化时，输出模拟量对应的变化量。分辨率与数字量输入的位数n的关系：,实际使用中，常用输入数字量的位数来表示分辨率。比如，8位二进制D/A转换器，其分辨率是8位，或者说1/256。显然，数字量输入的位数越多，分辨率越高。与A/D转换器的分辨率的概念一样。,9/29/2023,计算机控制技术,74,*建立时间是指输入数字信号的满量程时，输出模拟信号达到离终值 LSB/2所需的时间，一般为几十纳秒几秒。*线性误差 理想
35、转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。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的分数来表示，如LSB/2或 1LSB。,9/29/2023,计算机控制技术,75,三、常用D/A转换器及其接口,(1)8位D/A转换器DAC0832的结构及工作原理8位D/A转换器DAC0832由 R2R电阻网络构成的8位D/A转换器、8位数据寄存器、8位DAC寄存器和相应的选通控制逻辑。,数字信号输入端,模拟电流输出端,IOUT1+IOUT2=常数C,DAC0832,9/29/2023,计算机控制技术,76,当ILE输入锁存允许、片选CS有效，写选通信号
36、WR1（负脉冲）将输入数字量D锁入8位数据寄存器；,输入锁存允许,片选,写选通信号,DAC0832,9/29/2023,计算机控制技术,77,传送控制,写选通信号,在传送控制XFER有效的条件下，写选通信号WR2（负脉冲）将数据寄存器中的数据传送到DAC寄存器。数据送入DAC寄存器后1s（建立时间），IOUT1和IOUT2稳定。,DAC0832,9/29/2023,计算机控制技术,78,写选通信号,传送控制,输入锁存允许,一般情况下，将XFER和WR2接地，此时DAC寄存器直通；将ILE输入接5V，总线直接接WR1和CS信号，数据D写入数据寄存器后即可改变其模拟输出。,DAC0832,9/29
37、/2023,计算机控制技术,79,在实际应用中，通常采用外加运放的方法，把DAC0832的电流输出转换为电压输出。（P44）单极性电压输出：,基准电压,输出电压,其中D为数字输入量，VREF为DAC0832的基准电压，当VREF为5V时，VOUT为05V；当VREF为10V时，VOUT为010V。,9/29/2023,计算机控制技术,80,双极性电压输出,其中D为数字输入量，VREF为D/A的基准电压，,对A2而言，由运算放大器特性知，,由叠加原理，当,当,9/29/2023,计算机控制技术,81,（2）D/A转换器的接口,假设DAC0832的CS端口地址是400H，将8位二进制数7FH转换为
38、模拟电压的转换程序段为：,接PC总线,MOV DX，400HMOV AL，7FHOUT DX，ALHLT,9/29/2023,计算机控制技术,82,2.3.4 V/I变换,1.集成V/I转换器ZF2B20,9/29/2023,计算机控制技术,83,2.集成V/I转换器AD694,9/29/2023,计算机控制技术,84,2.3.5 AO通道的典型设计,一、举例PCL-726是研华公司推出的基于ISA总线的数据采集卡，分辨率为12位，提供6路模拟量输出通道另外,它还提供16个DI和DO,结构见下图所示.,9/29/2023,计算机控制技术,85,2.4数字量输入通道（DI）,数字量输入接口电路：
39、把现场的各种开关信号变成计算机内部处理的标准信号。数字量（开关量）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、马达的启动和停止、可控硅的通和断，等等。这些信号的共同特征是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的，所以把这类信号统称为数字信号。本节内容包含：一、数字量输入通道的结构二、数字量输入调理电路三、数字量输入接口电路,9/29/2023,计算机控制技术,86,一、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、输入地址译码电路组成。其结构如下：,9/29/2023,计算机控制技术,87,二、输入调理电路,数字量（开关量）输入通道的基本功能就是接受外
40、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，必然引起瞬时高压、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受的逻辑信号，这些功能称为信号调理。,9/29/2023,计算机控制技术,88,1、小功率输入信号调理电路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，一般应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。下图是一种简单的采用积分电路消除开关抖动的方法。,9/29/2023,计算机控制技术,89,2、大功率输入信号调理电路
41、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。由于大功率开关电路采用较高的直流电源，在输入开关状态信号时可能对计算机控制系统带来干扰和破坏，故需要将这类开关信号经光电隔离后才能与计算机相连，以确保计算机正常运行。这种情况下，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压。,9/29/2023,计算机控制技术,90,常见开关量输入接口电路,1.直流输入接口电路：见下图,9/29/2023,计算机控制技术,91,2.交流输入接口电路：见下图,9/29/2023,计算机控制技术,92,3.交、直流输入接口电路：,9/29/2023,计算机控制技术,93,三、数字量输入接口技术,
42、1、输入接口元件数字量输入接口元件常用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。,特点：74LS244共有8个通道，可输入8个开关状态。作用：74LS244可用来隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。,9/29/2023,计算机控制技术,94,2、数字量输入接口,经过端口地址译码，得到片选信号CS，且在执行IN指令时，产生IOR信号，则被测的状态信息通过输入接口送到PC总线的数据线上，然后装入AL寄存器。,9/29/2023,计算机控制技术,95,（2）数字量输入接口,完成取数的指令：MOV DX,port 地址送DXIN AL,DX 从端口读数，送AL,9/29/2023,计算机控制技术,
43、96,2.5 数字量输出通道(DO),数字量输出通道：把计算机内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。本节内容包含：一、数字量输出通道的结构二、数字量输出驱动电路三、数字量输出接口电路,9/29/2023,计算机控制技术,97,一、数字量输出通道的结构组织量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路组成。,输 出驱 动器,输 出锁 存器,地址译码器,生产过程,PC总线,9/29/2023,计算机控制技术,98,二、输出驱动电路(drive circuit of output)要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。根据生产过程开关器件功率和工作电压的
44、不同，可有多种数字量放大电路的构成方式。如：功率晶体管、晶闸管、大功率场效应管和继电器。在开关信号从输出缓冲器到驱动电路之前，往往要对其进行隔离，以避免现场设备的开关和起停干扰计算机控制系统或引入强电进系统。,9/29/2023,计算机控制技术,99,1、输出接口光电隔离(photoelectricity isolating),在计算机控制系统中，输出开关量大部分都是TTL或CMOS电平，输出电流较小，一般不能直接驱动发光二极管，所以通常会加驱动电路，如7406、7407，或者加一级驱动三极管。,9/29/2023,计算机控制技术,100,为了保证输入与输出端在电气上隔离，两端的电源必须独立。
45、如图中VDD、VCC。,工作原理：在上图中，当开关量输出端PA0输出高电平时，经反相驱动电路后变为低电平，使发光二极管有电流通过并发光，光线使得光敏三极管导通，从而在集电极上产生输出电压UO，该电压便可以用来控制外部电路.,9/29/2023,计算机控制技术,101,（1）晶体管输出接口电路：只能带直流负载,2、三种接口输出电路,9/29/2023,计算机控制技术,102,（2）晶闸管输出接口电路：只能带交流负载,9/29/2023,计算机控制技术,103,（3）继电器输出接口电路：交直流负载均可带,9/29/2023,计算机控制技术,104,3、继电器(relay)输出驱动电路,（1）触点式
46、继电器输出继电器是电器控制中常用控制器件，由线圈和触点（常开和常闭）构成。原理：当线圈通电时，由于磁场作用，使开关触点闭合或断开，线圈不通电时，开关触点断开或闭合。,9/29/2023,计算机控制技术,105,工作原理：当开关量输出端PA0输出高电平时，经反相驱动器7406变为低电平，发光二极管发光，从而光敏三极管导通，使得晶体管VT导通，故使继电器K的线圈通电，继电器的触点闭合，使得负载RL与220V电源接通。反之则断开。图中二极管VD保护晶体管VT不被击穿。,9/29/2023,计算机控制技术,106,分析：当继电器K吸合时，二极管VD截至，电路正常工作。当继电器K释放时，由于继电器线圈电
47、感的存在，因而具有储存有电能，而此时晶体管VT截至，故在线圈两端产生较高的感应电势，此电势方向为上负下正，正端加到VT的集电极上，当感应电势与VCC的和大于VT的集电极反向电压时，VT被击穿。加入二极管VD后，继电器线圈产生的感应电势由二极管VD流过，钳住了VT集电极端的电压，因而VT得到保护。,9/29/2023,计算机控制技术,107,（2）固态继电器输出(solid state relay)优点：触点式继电器在开关瞬间，触点容易产生电火花，从而引起干扰。固态继电器（SSR）则克服了这方面问题。原理：SSR用晶体管或者可控硅代替常规继电器的触点开关，并用光电隔离器作为前级。因此固态继电器实
48、际上是一种光电隔离器的无触点开关。固态继电器分直流型和交流型两大类。下图为直流型SSR电路原理图：,9/29/2023,计算机控制技术,108,直流型SSR的输入级为光电隔离器，输出级为大功率晶体管（输出工作电压可达30V-180V）。应用：主要用于带动直流负载的场合，如直流电动机的控制、直流步进电机控制和电磁阀门的开启与关闭等。,9/29/2023,计算机控制技术,109,下图为采用直流SSR控制三相步进电机的电路原理图,上图中步进电机的A、B、C三相，每相由一个直流型SSR控制。,9/29/2023,计算机控制技术,110,三、数字量输出接口技术,1、输出接口元件当对生产过程进行控制时，一
49、般应对计算机送出的控制状态进行保持，直到重新刷新为止。所以需要利用输出接口对其进行锁存，一般采用锁存器74LS273。特点：74LS273有8个通道，可输出8个开关状态，并可驱动8个输出装置。,9/29/2023,计算机控制技术,111,2、数字量输出接口经过端口地址译码，得到片选信号CS，执行OUT指令时，产生IOW信号，利用IOW的后沿产生的上升沿可以锁存数据；,用下列指令完成数据输出控制：MOV AL,DATA MOV DX,port OUT DX,AL,9/29/2023,计算机控制技术,112,PCL-730是研华公司推出的32通道隔离型I/O板卡，提供16路开关量隔离输入和16路开
50、关量隔离输出，其结构图如下所示：,四、数字量输入输出通道模板举例,9/29/2023,计算机控制技术,113,D0-D7:数据线；A0-A9:地址线；CS1,CS2:寄存器选通信号;分别为低8位寄存器选通和高8位寄存器选通;IDI0-IDI15:16路隔离开关量输入通道,IDO0-IDO15:16路隔离开关量输出通道。,9/29/2023,计算机控制技术,114,2.6 系统的硬件抗干扰技术,(一)计算机控制系统中的干扰源及途径(二)抗干扰措施过程通道抗干扰技术系统供电接地技术CPU抗干扰技术,(一)干扰源及其转播路径 干扰源：外部干扰源与内部干扰源 外部：各种电气装置（电机、电焊机、家电和交
