计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术).ppt

第三章 输入/输出通道和接口技术,第一节 工业控制常用传感器 第二节 模拟量输入/输出通道 第三节 模拟量输入/输出通道的 设计 第四节 开关量输入/输出通道,学习指导和要求,掌握模拟量输入/输出通道的组成； 学会模拟量输入/输出通道的设计方法； 掌握开关量输入/输出通道的构成和步进电机的控制方法。,在工业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量。 模拟量：如温度、压力、流量、电压和电流等； 由于计算机只能处理数字量，因此对于模拟量需要经过采集，放大，采样保持，A/D转换等步骤，将模拟量转换为数字量，才能送入计算机进行运算、分析和处理。 同样的，经过计算机处理后数据常常需要转换成模拟量来控制执行机构的执行。 上述转换过程需要用模拟量输入/输出通道来实现。 开关量：如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。,开关量的输入/输出较模拟量简单，计算机只需判断输入信息是“0”还是“1”，即可知道开关的状态；若控制某个继电器工作，只需经过输出通道送“0”或“1”即可。 工业现场存在着电、磁、震动、温度变化等干扰，各类执行器要求的开关电压、功率也不同，因此需要设置输入/输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施。 输入/输出通道和接口是计算机与被控对象进行信息交换的纽带，本章将重点介绍输入/输出通道和接口的组成和设计方法。 第一节 工业控制常用传感器 传感器是一种能感知某一被测量，并将被测量变换为相应的其它量的器件或装置。,在工业控制过程中，很多被测量都是非电量，在采集这些非电量并送入计算机控制系统前，需要将非电量转换为电量，因此也称传感器是一种将被测量变换成电量的装置。 传感器精度的高低会影响计算机控制系统的精度，选择合适的传感器是非常重要的。 1、 传感器的分类 传感器的分类方法很多，但常用的有两种：一种是按被测参数分类，另一种是按转换原理进行分类. 按被测参数分，传感器有以下类型： （1）热工参数 温度、热量、压力、流量、真空度、液位等 （2）机械量参数 位移、力、速度、重量、尺寸等,（3）物性参数 比重、浓度、酸碱度、成分等 （4）状态量参数 颜色、透明度、裂纹、泄漏等 按转换原理分类，有电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电等传感器。 2、传感器的构成 传感器由敏感元件和转换元件两个基本环节组成 （1）敏感元件 能够敏锐感受某种不能直接测量的信 息，并将其转换为可测量的非电量器件。 （2）转换元件 将非电量转换成电量的器件。,敏感元件 转换元件,非电量,电量,3、 传感器的主要技术指标 在选择传感器时，要注意以下的主要技术指标： （1）输入特性 l 量程 测量上限与下限的差 l 过载 超出传感器测量范围的最大允许输入值 （2）静态响应特性 l 精度 测量结果与“真值”的靠近程度 l 分辨率 对被测量相对变化的最高反应能力 l 灵敏性 输出量变化值与相应输入量变化值之比 l 稳定性 在一个较长时间内保持性能参数的能力,（3）动态特性 动态特性是指被测量在变化时，传感器的输出量是否能追随输入量的变化，分为阶跃响应和频率响应两类，可根据其特性曲线的特征值来判定。主要的指标是时间常数，上升时间Tr ，建立时间Ts ，过冲量，衰减比等。 4、选用传感器的一般规则 （1）与测量条件有关的事项 测量的目的、被测量的类型、测量的范围、测量所需的时间。 （2）与传感器性能有关的事项 静态响应特性和动态响应特性。,（3）与使用条件有的事项 场所、温度、湿度、是否与其它设备相连、外界干扰、功率容量、外形尺寸、重量等。 （4）其它 传感器的性能价格比、生产厂家的服务、交货时间、保修时间、零配件的供应等。 5、几种常用的传感器分类 表5-2列出了几种常用传感器的分类，在设计计算机控制系统时，可查阅有关手册，根据技术指标选择合适的传感器。,AYTD-30A电流传感器 采用霍尔效应、磁平衡电路设计，用于测量直流和交流电流。 主要技术参数： 输入IN 输出IOUT 精度 线性度 零点 外形尺寸 电源 重量 0-30A 0-100MA 0.5% 0.2% 可调 45*36*42 15V 50g 霍尔电流传感器的工作原理：当电流通过导线时，导线周围产生磁场，可通过软磁材料收集，并用霍尔器件进行检测。 根据磁平衡原理，主回路有电流IP流过时导线周围产生磁场，用聚磁环收集磁场并感应霍尔器件，经放大后获得补偿电流IA，当补偿电流IA产生的磁场与主回路电流IP产生的磁场相反时会达到磁平衡，其公式为 NP*IP=NA*IA，若已知NP、NA、IA，可求出IP。,第二节 模拟量输入/输出通道 一、模拟量输入通道 当被控对象的参数为模拟量时，由传感器和检测电路采集到的信号经转换后仍是模拟量，而且信号的输出比较小，不能直接送入计算机进行处理。 在被控对象和计算机之间必须设置信息调理和转换的模拟量输入通道，进行信号放大，滤波、A/D转换等工作。 图5-10为多路模拟量输入通道的原理框图。模拟量输入通道一般由： 信号调理装置、多路开关、采样保持和A/D转换组成。 它的任务是将传感器检测到的模拟信号，转换为计算机需要的数字信号。,（一）信号调理装置 信号调理装置量一般包括放大、信号转换、滤波等。 1、信号的放大 传感器检测到的模拟信号较弱，有很大的干扰电压。 随着电子技术的发展，目前放大电路除了常规的运算放大器外，还研制了许多新型放大器。 仪器放大器 隔离放大器 量程自动增益放大器等 这些新型放大器的输入阻抗高，零点漂移小，可靠性高并且使用方便，因此在工业控制领域得到广泛的应用。,（1）仪器放大器 美国B-B公司生产的INA101是一种典型的仪器放大器，能够有效的分离共模干扰，主要用于应变式传感器、热电偶和热电阻温度传感器的放大。 INA101的特点是： 低漂移，最大值为0.25uV/ 非线性误差小 输入阻抗高 共扼抑制比高 低噪声 INA101使用方便，除了放大增益电阻外，一般不需要其它附加器件，应当选用低温度系数的精密电阻，可提高器件的稳定性。,（2）隔离放大器 可消除回路、静电及电磁干扰。有变压器耦合和光电耦合两种。 变压器耦合：被测信号经滤波放大后调制为交流信号加到变压器的输入端，经变压器耦合到输出部分后，再经解调后输出。电路简单价格低廉，但体积较大。（AD公司Model 277) 光电耦合：输入和输出的信号耦合通过发光管LED和光电管D之间的光传输实现，其优点是体积小、频带寛、成本低。(B-B公司ISO100) （3）可编程增益放大器（PGA） 放大倍数可通过编程进行控制，通过程序可调节放大的倍数，使A/D转换的输入信号均一化，提高测量的精度。（B-B公司PGA102、PGA202/203）,2、信号的变换 在微机控制系统中，许多传感器的输出均为电压信号，而有些电动组合仪表的信号为4200mA的电流，许多执行器，如电机、控制阀门的输入信号也采用4200mA的电流，因此经常需要V/I和I/V间的变换。 目前常用的电压/电流变换电路有两种，一种是采用分立元件、运算放大器和阻容元件组成的电路；另一种是近年来发展起来的专用集成电路。 3、信号的滤波 生产现场存在着各种干扰，如果不加处理会影响控制系统的控制精度。可采用滤波电路来抑制进入输入通道的干扰。在选择滤波器时，要考虑被测信号的频率的特性，以及干扰信号的频率和所要求的抑制程度。对环境引起的噪声干扰，可以采取补偿和屏蔽等措施减少信号的误差。,010V 12.5K 1K 50K OP +15V,REF 10,INA105,420MA,10V,010V/420mA转换电路,50 50,RLOAD,VOUT,REF 10：稳压源 OP：运放 INA105：增益差动放大器 VOUT = - 0.08VIN 0.2V 当输入电压VIN为010V时，OP的输出VOUT为 0.2 -1V，经增益差动放大器组成的V/I电路变换，流过RLOAD的电流为420mA。,VIN,- +,（二）多路开关 多路开关有两个主要用途， 1、将待测控的多路参数分时接通，送入通道进行A/D转换； 2、将计算机处理后的数据分时的经D/A转换成模拟信号，控制执行器的执行。 尽管两种用途中采用同一种多路开关，但具体任务不同，常将前者称为多路开关，后者称为多路分配器。 传统的数控系统多采用干簧继电器作多路开关，其缺点是体积大，开关频率低。,半导体多路开关，由TTL电路或CMOS、HMOS电路组成。 优点是尺寸小、转换速度快、寿命长、兼容性好。（P107） 多路开关CD4051，是一种双向多路开关，共16个引脚。 芯片：07 8个分时输入端 OUT/IN 输出端 A、B、C 分时控制端的组合决定哪一路被选通 INH 禁止输入端，当INH = 0时，通道接通 CD4051由电平转换、译码、多路开关组成。 电平转换： CMOS到TTL的转换 3-8译码器：通过对分时控制端A、B、C的状态进行译码来选择某一路的接通。,（三）采样/保持 由传感器检测的模拟信号经过处理后仍是模拟量，要输入到计算机中，需要进行A/D转换。 由于A/D转换过程需要时间，因此要求输入A/D转换器的信号在转换过程中保持不变，在A/D转换结果后，此信号又能随传感器的采集信号变化而变化；完成上述过程的器件称采样/保持器，简称S/H（Sample/Hold）。 S/H有两个主要功能：采样和保持 采样：将模拟信号变为一串脉冲信号，采样的输出跟随 模拟量输入的变化。,保持：保持采样时的信号不变，直到保持命令撤消为止，以 便完成A/D转换。 1、采样/保持器的基本的组成电路 5-20所示为采样/保持器的基本组成电路。 采样/保持器由两个缓冲器A1、A2和采样开关S，保持电容CH组成。 （1）采样：S闭合，通过A1向CH快速充电，VOUT跟随VIN变化。 （2）保持：S断开，当A2的输入阻抗很高时，VOUT = VIN不变。采样/保持器一旦进入保持阶段，便可启动A/D转换器进行转换。,2、常用的采样/保持器 常用的采样/保持器有美国AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389和国家半导体公司的LF198/298/398等。 LF198是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样/保持器，它具有采样速度快，保持性能好，精度高等优点。 LF198芯片引脚和原理图如图5-21所示。 LF198芯片引脚的功能如下： （1） VIN：模拟量输入 （2）VOUT： 模拟量输出。 （3） 逻辑和逻辑参考：高电平时采样，低电平时保持。 （4）偏差 ： 可外接电阻调整采样/保持器的偏差。 （5）CH： 保持电容引脚端，外接保持电容器。,3、采样保持器的有关参数 (1) 孔径时间 TAP 孔径时间指保持命令发出后到逻辑输入控制的开关完全 断开所需时间。 TAP的存在影响A/D转换的精度。 (2) 捕捉时间 TAC 捕捉时间是采样命令发出后，输出值从保持值到达当前输入信号值所需时间。 TAC影响采样频率的提高。,（四）A/D转换器 完成模拟量转换成数字量的器件称为模/数转换器，简称A/D转换器。 1、A/D转换器的分类 A/D转换器的种类很多，通常有以下3种分类方法： （1） 按位数 有8位、10位、12位、16位等。位数越多，分辨率 越高，但价格也越贵。 （2）按结构 有单一的A/D转换器，内含多路开关的A/D转换器、 多功能A/D转换器（含多路开关、放大器和采样保持器）。 （3）按转换方式 有逐次逼近型、双积分型、V/F变换器。其中逐次逼近型A/D转换器具有精度高，转换速度快等优点， 得到了广泛的应用。,2、A/D转换器的主要技术指标 在选用A/D转换器时要考虑以下主要技术指标。 （1）分辨率 输入量达到满量程时，能识别的最小的输入增量称为分辨率。即能够转换的数字量的最低有效位（LSB），对应于满量程输入时的1/2n 。例如，当n=8，满量程输入为5.12V， LSB=20mA。 （2）转换时间 完成一次模拟量到数字量转换所需的时间。 （3）线性误差 实际转换结果与理想线性转换结果的误差，常用LSB表示。 （4）转换精度 转换结果相对于实际值的准确度。其误差一般由温度、环境等因素引起。,3、常用的A/D转换器 （1）普通型A/D转换器AD7574。 AD7574如图5-22所示。采用CMOS工艺，单片型，含有内部时钟振荡器，芯片内部设有比较器和控制逻辑，采用R-2R T型解码网络，采用逐次逼近方式进行A/D转换。 该芯片功耗低（30mW），转换速度快（15s），易于和微机连接，在过程控制和智能化仪表中得到广泛的应用。 （2）带仪器放大器的A/D转换器AD670。 AD670的结构如图5-23所示。片内集成有前级仪器放大器，A/D转换器，比较器和逐次逼近型寄存器（SAR）。 放大器配有输入电阻，可适应较大的输入范围。信号可以单极或双极输入，有较好的抗干扰能力并且使用方便。,（3）多通道A/D转换器ADC 0808/0809 ADC 0808/0809的结构原理图如图5-24所示。 由8位D/A转换器、8路多路开关、高阻抗比较器、模拟开关树组的256电阻分压器、逐次逼近型寄存器等组成。 转换时间128uS（CLOCK为500KHZ），线性误差1/2LSB（ADC 0808）、 1LSB（ADC 0809），功耗15mW，温度范围-40+85。 具有较高的转换速度和精度，受温度影响小，功耗低并带有8路模拟开关，是过程控制中比较理想的A/D转换器。 （4）12位高精度A/D转换器AD574 若想提高模拟量到数字量的转换精度，可采用10位、12位、16位的高精度A/D转换器，或采用双积分原理的高精度A/D转换器。,AD574是一种12位高精度A/D转换器，内部含与系统总线直接连接的接口逻辑和有三态缓冲电路，可与各种微处理器直接连接；配置高精度电压源和时钟电路，不需要外接任何电路就能完成A/D转换，应用方便。 AD574的原理图如图5-25。 AD574由模拟芯片和数字芯片两部分组成。模拟芯片由高性能12位D/A转换器AD565和参考电压组成。数字芯片由控制逻辑电路，逐次逼近型寄存器和三态输出缓冲器组成。 AD574的分辨率为12位，非线性误差1/2LSB，模拟输入可采用双极性（5V或10V）或单极性（0+10V或0+20V）。内部参考电平10001V，转换时间1535S，存放温度-6515。,（五）A/D转换器接口技术 A/D转换器与微型计算机连接时会遇到许多的实际技术问题，如连接的方法，A/D转换器的启动方式，参考电源的连接等。 1、模拟量输入信号的连接 许多A/D转换器要求的输入模拟量为05V的标准电压信号，有些A/D转换器，如AD574有单极性输入和双极性输入两种工作方式，使用时可根据模拟信号的性质选定。 （1）单极性输入。 AD574单极性模拟量输入有两种量程，010V和020V。其电路如图5-28（a）所示,调整R1和R2可进行零位和满量程的调整。,（2）双极性输入 如图5-28 (b)所示，模拟量输入为5V和10V。 2、A/D转换器的启动方式。 任何一个A/D转换器在开始转换前，都必须加一个启动信号才能开始工作，启动信号分为脉冲启动和电平启动两种。 （1）脉冲启动 在启动转换输入引脚加一个脉冲启动信号，即可启动A/D转换器工作，如ADC0809、AD574等。 （2）电平启动 在A/D转换器的启动引脚上加上要求的电平；一旦电平加上以后，A/D转换器即刻开始工作，如AD570，AD572等转换电路。在用电平启动方式时，A/D转换器在转换过程中必须保持此电平不变，否则将停止转换。,3、转换结束信号的处理。 A/D转换器在转换结束时会输出转换结束信号，CPU可根据此信号读取转换后数据。 判断A/D转换结束大致有以下三种方法，各方法示例程序见P116。 （1）中断方式 将转换结束信号接到CPU的中断申请端，转换结束信号作中断的申请信号，CPU响应中断后在中断服务程序中读取数据。此种方式适合于实时性强并且多参数的控制系统。 （2）查询方式 编写查询软件，使CPU不断的查询A/D转换是否结束，一旦查询到A/D转换结束信号，则读取数据。这种方法硬件简单，但占用CPU的机时较多。,（3）软件延时方式（无条件方式） 根据A/D转换器完成转换所需要的时间，调用一段软件延时程序（延时时间应大于A/D转换过程所需时间），延时程序执行完毕后，A/D转换也已结束，立即读取数据。这种方法用在CPU处理任务较少的控制系统中。 4、A/D转换器与采样/保持器的连接 采样/保持器LF398的工作状态由A/D转换器AD574的STS端控制：当AD574正在转换时STS为高电平，经反向器反向后输入到LF398的控制端，使LF398呈保持状态，以保证AD574的输入信号稳定；当AD574转换结束后STS变为低电平，经反向后使LF398呈采样状态。由于无需控制器对LF398进行控制，所以系统的速度加快，也保证了实时性，减小了误差。,二、模拟量输出通道 计算机控制系统中，大多数执行机构：如电动执行机构、气动执行机构等只能接收模拟量；需要将计算机输出的数字量转换成模拟量（简称D/A转换），由模拟量输出通道完成。 图5-32为模拟量输出通道的原理框图。模拟量输出通道一般由D/A转换器、信号调理、多路开关和执行器等部分组成。 （一） D/A转换器 1、转换原理 如图5-33所示（P119），D/A转换器由标准电源、数字开关电路、模拟转换、数字接口、放大器等部分组成。 待转换的数字量经数字接口控制各位相应的数字开关，接通或断开与开关配合的解码电阻，从而改变标准电源经电阻解码网络所产生的电流I；该电流经放大器放大后，输出与数字量相对应的模拟电压V。, 标准电源要求使用稳定度高并且漂移小的电源。 数字开关由晶体管或场效应管组成。 转换器主要由解码网络构成，主要有权电阻解码网络和T 型解码网络。 2、D/A转换器的主要技术指标 （1）静态误差 零位误差：输入数字量为0时，产生的非零模拟电压。 增益误差：输入数字量为满刻度时，实际输出模拟电压与理想模拟电压之差。 非线性误差：任意输入数字量的输出模拟电压与理想输出模拟电压之差。,（2）分辨率 单位数字量变化所引起的模拟输出值的变化。 R = 量化单位 / 满刻度电压值 （3）转换时间 规定误差范围内，输出信号达到要求值所需的时间。 3、几种常用的D/A转换器 （1）普通型D/A转换器DAC 0832。 原理结构图如图5-34。（P120） 由一个8位输入锁存器，一个8位DAC寄存器，一个以权电阻梯型网路为基础的8位D/A转换器及控制逻辑电路组成。其中，8位输入锁存器和8位DAC寄存器在逻辑电路控制下，起着双输入数据缓冲锁存器的功能。,图5-35是D/A转换器DAC 0832的引脚图，各引脚功能如下： 数据信号 D7-D0 ： 待转换的数字量，输入。 控制信号 ILE： 输入锁存允许信号，高电平有效。 CS： 片选信号，低电平有效。 WR1：写1信号，低电平有效。 WR1与ILE、CS配合使用，构成 第一级缓冲锁存的功能。 WR2： 写2信号，低电平有效。 XFER：传送控制信号，低电平有效。 XFER与WR2 配合使用， 构成第二级缓冲锁存的功能。 逻辑控制电路的控制原理及其控制信号的功能是通过编写相应的控制程序实现的。, 编程：（1）首先使WR1=0、ILE=1、CS=0，输入数据DI7DI0从数据总线进入到输入到锁存器中去。 （2）令WR1=1、ILE=1，CS=0，输入数据DI7DI0便被锁存在输入锁存中。 （3）令WR2=0、XFER=0，使被锁存在输入锁存器中的数据从锁存器中输出，进入DAC寄存器，且在WR2=1、XFER=1时，数据从DAC寄存器输出，进入D/A转换器进行数/模转换。 WR1、ILE、CS三个控制信号联合构成第一级输入锁功能，只有这三个信号同时有效时，才能更新输入锁存器的内容。WR2、XFER两个控制信号联合构成第二级输入锁存，担负着数据传递功能。,其它引脚信号： IOUT1：DAC 0832的电流输出1，当输入数据D0D7全为“1“时， IOUT1为最大值；当输入数据D0D7全为”0“时，为近似于0的最小值。 IOUT2：DAC 0832的电流输出2，在数值上IOUT2 = 常数-IOUT1。即IOUT2 + IOUT1 =常数。因此，在控制系统中，常常采用直接接地方式。 RFB：片内设置的反馈电阻输入端。它与外部运算放大器输出端连接，为运算放大器提供一个反馈电压。 VREF：参考电压输入端，它常被接至一精密电压源正极性端或负极性端。当为10V或5V时，可获得满量程的操作。,AGND：模拟地。 DGND：数字地。 系统器件连接时，分别先将AGND、DGND端各自接至系统的模拟地、数字地，然后才将系统的模拟地和数字地接在一起，以提高系统的抗干扰能力。 （2）12位D/A转换器AD667 为了提高D/A转换器精度，可以采10位、12位、14位和16位转换器，它们的原理与前述的8位转换器基本上相同，不同的只是在与微机进行接口时，需要分二次或三次输送数据。,图5-36是12位D/A转换器AD667的引脚图，图5-37是它的原理电路图。（P121） AD667的总线接口逻辑由四位独立寻址寄存器组成，分成两级。第一级包括三个4位寄存器，第二级包括12位D/A寄存器和12位高速D/A转换器。两级寄存器通过四位独立寻址寄存器，分别由AD667的地址总线及片选信号控制，所有控制信号均为低电平有效，表5-6 是 AD667的真值表。,AD667真值表 CS A3 A2 A1 A0 操 作 1 无操作 1 1 1 1 无操作 0 1 1 1 0 选通第一级低四位寄存器 0 1 1 0 1 选通第一级中四位寄存器 0 1 0 1 1 选通第一级高四位寄存器 0 0 1 1 1 从第一级向第二级置数 0 0 0 0 0 所有锁存器均选通 AD667允许同时有两个以上的锁存器被选通, 一旦12位数据字先后被装入第一级三个4位寄存器，在CS=0和A3A2A1A0=0111条件下，12位数据便被装入第二级12位寄存器和12高速D/A转换器，开始数/模转换。这种双缓冲锁存结构型式，避免了产生虚假的模拟量的输出值。,4、D/A转换器输出方式 D/A转换器的输出方式是指其模拟量输出端的型式，通常有电流输出型和电压输出型两种。因负载的性质和要求不同，又可以将它连接成为“单极性输出”和“双极性输出”两种方式。 （1）单极性输出 在电压输出型的D/A转换器中，因其片内含有一级运算放大器，已经将模拟电流量转换为模拟电压量输出，因而属于单极性输出类型。而电流输出型的D/A转换器中，常常将电流输出型的D/A转换器的电流输出端与一个电压放大器相连接，而构成单极性的电压输出方式。 对于8位单极性连接输出方式，其输入数字量与输出电压之间的关系为：VOUT= VREF D/256 其中，D为输入数字量，应取绝对值。,（2）双极性输出 在随动系统中，例如伺服电机控制系统中，要求D/A转换器为负载提供双极性电压， 因此D/A转换器应处于双极性输出方式。双极性输出转换器的连接方式是在单极性输出的基础上，再加一级电压放大器，如图5-39所示，就构成了D/A转换器的双极性输出的连接方式。 双极性输出时，8位D/A转换器的电压为: VOUT2 = -(R1/R2)VOUT1+(R3/R1)VREF) 若R1= R3 = R2，所以有：VOUT2 = -(VOUT1+VREF) 对于8位D/A转换器按双极性输出连接时，其输入数字量D与输出电压之间的关系应为： VOUT2 = -2(+VREFD/256)+ VREF ,5、D/A转换器与单片微机的接口 单片微机控制系统上，扩展D/A转换器时，主要考虑的问题是数字量输入端的连接和外部控制信号的连接两方面。 D/A转换器数字量输入端与CPU连接时，对于在8位CPU与8位D/A转换器的控制系统中，只需要将单片微机的数据总线与D/A转换器的数字输入端对应连接即可。 采用10位、12位、14位或16位D/A转换器，与8位CPU接口，如图5-40所示，常采用“向右对齐数据”或“向左对齐数据”的双字节方法，将数据“分步”进行传送的。 “向右对齐数据”时，除了将单片微机的数据总线与D/A转换器的数字输入端对应连接外，还必须将单片微机的数据总线中D3D0与D/A转换器的数字输入端D11 D8对应连接起来。, D11 D10 D9 D8 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D3 D2 D1 D0 （a）向右对齐数据格式 （b）向左对齐数据格式 “向左对齐数据”时，除了将单片微机的数据总线与D/A转换器的数字输入端D11 D4对应连接外，还必须将单片微机的数据总线中D7 D4与D/A转换器的数字输入端D3 D0对应连接起来。 这样，才能按双字节、“分步”方法，通过编程对数据进行正确传送的。也可以根据具体情况，采取其它方法进行连接，此处不作介绍。,外部控制信号主要指片选信号、写信号和起动信号。片选信号一般选择由地址译码器控制，写信号由单片机的写选通信号控制，并且常用片选信号和写信号的合成信号作起动信号；对于一个8位D/A转换器，其控制方式即可以用双缓冲器方式，也可用单缓冲器方式。但是，对于一个高于8位的D/A转换器，一般都采用双缓冲器控制方式。 （二）执行器 执行器是计算机控制系统的重要组成部件。执行器接受CPU发来的控制命令，按生产过程的要求完成规定的控制动作。选择和使用合理的执行器可以提高控制质量和生产效率。,常用的执行器有以下几种： 1、电动执行器。 分为电机式和电磁式两类。 电机式包括伺服电动机、步进电机等。 电磁式包括继电器、接触器、电磁阀、电磁离合器等。 电动执行器具有响应速度快，与计算机接口容易等优点， 成为计算机控制系统的主要执行机构。 其中步进电机由于可以直接接受数字量，并且执行速度快 、精度高，在计算机控制系统中得到了广泛的应用。,2、气动执行器。 气动执行器分为薄膜式和活塞式两种。 气动执行器由接收器、喷嘴挡板结构、气马达或作动筒等部分组成。接收器接受计算机发来的控制命令，将电量信号转变为气压信号，驱动气马达或作动筒运转，开启或关闭阀门，完成执行功能。 气动执行器的优点是结构简单、输出推力大、价格低廉、防火防爆，常用于石油、化工、冶金、电力等部门。 3、液压执行器。 液压执行器由控制部分（节流阀、射流喷管、可调泵）和执行部分（液压马达、动力作动简）组成，可将油液压力转变成机械能，驱动负载直线或回转运动。,液压执行器的优点是能进行无级变速、输出功率大、结构简单、维修方便，常用于传送大扭矩和推力的场所。 表5-13 列出了上述三种执行器的优缺点,选用执行器时可作为参考。 表5-13 三种执行器优缺点比较 种类 构造 体积 配管线 推力 动作滞后 维护 场合 价格 气动 执行器 简单 中 复杂 大 大 简单 防火防爆好 低 电动 执行器 复杂 小 简单 小 小 复杂 防火防爆差 高 液压 执行器 简单 大 复杂 大 小 简单 防火差 高,第三节 模拟量输入/输出通道的设计 一、A/D通道的几种结构形式 1、 不带采样保持器的单通道A/D转换 对于直流或者低频信号，通常可以不用采样保持器，这时模拟输入电压的最大变化率与转换器的转换速率有如下关系：转换时间TCONV、转换器的满刻度值VFS、分辨率（位数）n。 例如，n=11，TCONV=0.1s，则输入电压最大变化率为1/20（V/s），当实际电压V的 时，可不用采样保持器。,2、 带有采样保持器的单通道A/D转换 模拟输入信号变化率较大的通道需要用采样保持器，这时输入模拟信号最大变化率取决于采样保持器的孔径时间TAP，其输入模拟信号的最大变化率为： VFS/TAP 如果将保持命令提前发出，提前的时间与孔径时间相等时，则输入模拟信号的最大变化率仅取决于孔径时间的不稳定性tap（即TAP），并可由下式决定： VFS/tap 例如，采样频率fs=100KHZ VFS=10V tap=3ns n=11,此fs是否太高？因， 故此fs不高。,但是，当增大到200kHz时，若其它值都不变，则太高，整个D/A转换不能正常进行。所以并不是只要有采样保持电路，采样频率就不受限制，此时仍然存在一个最高采样频率。 3、 多路A/D通道 每通道有独自的采样保持器和A/D转换器，这种形式通常用于高速系统，如需要同时给出描述系统性能的各项数据时，各通道可以同时进行转换。,S/H A/D I/O,S/H A/D I/O CPU,S/H A/D I/O, ,模拟信号输入,4、 多路共享A/D转换器 多路共享A/D转换器较多路A/D通道转换器速度慢，因为每路转换是以串行方式进行的，由于采用多个采样保持器（S/H），故捕捉时间可以忽略不计。,S/H S/H S/H,多路开关,A/D CPU,5、多通道共享采样保持器和A/D转换器 这种电路与以上两种多通道形式相比，速度慢，但节省硬件。由于采用了公用的采样保持器，因此在启动A/D转换电路前，必须考虑采样保持器的捕捉时间。只有当保持电容器充放电的过渡过程结束后才允许启动A/D转换电路。,多路开关,S/H A/D CPU,模拟信号,D/A通道的几种结构形式 1、多通道D/A转换器 每个通道有独自的数字寄存器及D/A转换器,这种形式是由数字寄存器起保持作用，多用于高速系统。 2、多通道共享D/A转换器,寄存器 D/A,寄存器 D/A,CPU 模拟信号输出,CPU I/O D/A 模拟信号输出,保持器,保持器,多路 开关,两种保持器电路： 图5-46（a）采用了通用采样保持集成芯片，通路较多时，它的造价较高。图3-31（b）的保持器结构简单，造价低廉，它是由运算放大器和多路开关组成，但各通道之间相互干扰及漏电较大。 不论采用哪种形式，保持器都依赖电容记忆的功能，两者都不能长久保持模拟信息不变，而必须由软件定时刷新数据。 3、多通道系统 各通道有独自的缓冲寄存器、输入寄存器及D/A转换器。 图5-47是这种形式的框图。在这种结构中，各通道数字量依次送入相应的缓冲寄存器，然后同时输入各自的输入寄存器，各D/A通道同时进行转换。它用于对系统性能的各项数据描述需要同时给出的场合。,三、A/D、D/A通道设计原则 电路设计原则：（1）电路性能上达到或超过预期的性能指标 （2）设计的经济性 能够实现A/D、D/A转换、采样保持以及多路开关等功能的芯片种类众多，仅美国AD公司生产的A/D转换芯片就有19个系列，40多种芯片，D/A芯片有32个系列，100多种芯片，并且还在发展。 在芯片选择及电路设计时就要综合考虑：转换速度、转换精度、使用的环境温度以及经济性等各因素。 芯片的管脚封装大致可分为两种：一种是塑料封装，适用于070；另一种是陶瓷封装，一般适用于-25+85（或-55+125），陶瓷的价格要比塑料的高出一倍以上。,选择芯片时还应考虑精度与造价的相对关系，例如10位精度A/D转换芯片AD571要比8位芯片AD570价高出一倍。 设计时不能单纯追求超出性能要求的高速、高精度、高性能，对于系统的软硬件配置也要统一权衡。 软件与硬件的功能是可以互相补充，互相转化的。 例如实时控制与实时数据处理中，常需用到定时控制，定时的功能可用硬件实现，如选用一片可编程定时器，也可编写一段延时程序来完成定时要求。 因此设计时既要考虑CPU处理数据的速度，又要考虑存储器容量，在两者都允许时，就要充分利用微机的软件资源。由软件代替硬件的功能以节约硬件开支，这是设计中的经常遇到的问题，需要灵活处理。,（一）芯片的选择 A/D和D/A转换器、采样保持器及多路开关等电路的集成芯片种类繁多。用户必需对自己的系统要求及芯片的特性有充分了解后才能选择好满足要求的芯片。系统应对如下几方面提出明确要求： 1、信号 （1）模拟量输入、输出范围，信号源与负载阻抗是多少，输入输出电压的极性。 （2）数字量码制，弄清楚是二进制，还是二进制的补码形式。 （3）系统的逻辑电平是多大，系统电路类型是TTL，高压CMOS，还是低压CMOS。,（4）系统允许的漏码。 （5）输入信号的特性，是否为采样信号，是否经过滤波，以及信号的有限带宽频率是多少。 （6）系统环境条件，如温度范围，供电电源的可靠性，稳定性，期望的转换精度；有无特殊的环境限制，如高湿度、高功率、振动及空间的限制。 除以上一般考虑外，对每一部件还要专门考虑。 2、D/A转换电路 （1）需要的分辨率，精度，线性度各是多少。 （2）逻辑电平及数码形式，数据输入是串行还是并行。 （3）输出需要电压形式还是电流形式，满刻度是多少。,（4）参考电压类型是什么，是固定的还是可变的，内部的还是外部的。 （5）输出电压是单极性还是双极性。 （6）数字量接口的特性是什么，对速度有何要求，期望的数据变化间隔的最短时间是多少，系统要求数据刷新后到输出达到所期望的时间值多少。 （7）温度范围。 3、A/D通道 类似于D/A通道，而另一些是A/D所独有的。 （1）模拟信号输入范围，被测量信号的分辨率是多少。 （2）线性误差需要多少，相对精度及刻度的稳定性多少。,（3）当环境温度变化时，各种误差限制在什么范围内，在任何条件下是否允许漏码。 （4）完成一次转换所需要的时间。 （5）系统电源稳定性的要求是多少，由于电源变化引起的允许误差是多少。 （6）输入信号的特性是什么，是否为采样信号，是否经过滤波，信号的最高频率是多少。 （7）电源切断时是否损坏有源信号源的精度。,4）采样保持器 输入信号的范围是多少 多路通道切换频率是多少，期望采样保持器的采集时间是 多少 所需要的精度是多少，包括增益、线性度以及偏置误差 在保持期间允许的电压下降是多少 允许旁路电流在信号源内阻上产生的误差电压是多少 根据上述系统各项要求，选择满足性能指标且经济性好的芯片。,（二）电路设计中必须考虑的问题 1、接地 （1）电源地与信号地分开外，信号地中的数字地与模拟地也应分开。 （2） A/D、D/A转换电路中要特别注意地线的正确连接，否则转换结果将不准确，干扰影响也很严重。 A/D、D/A及采样保持器（S/H）芯片都提供了独立的模拟地和数字地，在线路设计中，在全部电路中模拟地与数字地的连接仅在一点上，在芯片和其它电路中切不可再有公共点，图5-48是地线的正确连接。否则数字回路通过模拟电路的地线到数字电路电源就会形成通路，数字量信息将对模拟电路产生干扰，不能正确完成A/D、D/A转换。,2、印刷电路板布线 采样保持电路是由逻辑输入信号（或逻辑控制信号）控制电路从采样模式进入保持模式的。如图5-49所示。若第8脚输入一个快速上升沿的逻辑输入信号，则将引起保持误差。这是由于采样保持器进入保持的同时，逻辑输入信号通过印刷电路板布线间的漏电耦合到模拟输入端引起保持误差。 为了减小该误差，印刷电路板布线时，使逻辑输入端的走线与模拟输入端尽可能距离远些，或者将模拟信号输入端用地线包围起来以隔断漏电通路。也可通过降低逻辑输入信号的幅度来达到减小保持误差的目的（例如从5V降到2.5V）。特别是对于高阻抗的信号源，保持误差尤其突出。,在逻辑输入端与保持电容器之间存在寄生电容，当逻辑输入端加一跳变的控制信号时，由于寄生电容的耦合作用，也将引起保持器的输出误差。 布线时同样可以采用上述类似的方法，逻辑输入端引线与保持电容端引线距离远些，降低逻辑输入信号电平，或用与保持器输出端相连接的短路环将电容器引出端包围起来，以减少寄生电容的影响，见图5-50所示。,3、电源供电 A/D、D/A转换电路中，电源电压的变化将影响转换精度，一般要求纹波电压小于1%，为此常采用钽电容或铝电解电容滤波。为了改善高频性能，还应有高频滤波电容。 在布线时，高频滤波电容器应尽量靠近A/D、D/A芯片，一般选用0.01uF左右的电容。参考电源应采用稳定性能好的专用电源。,四、A/D、D/A通道设计举例 （一）设计个微机数据采集系统的过程 1、设计要求 设计要求实际上是由用户提出的或者是根据控制任务经调研后拟出的，给定的设计的要求如下： （1）模拟输入信号为5V，信号源内阻10； （2）被测量回路有8个通道，顺序测量每一个通道，每一通道的扫描时间不超过50s； （3）系统最大允许误差不超过满刻度的0.5%； （4）系统逻辑电平是TTL电平，二进制码，数据传输采用并 行方式。 （5）温度范围是+25+55，现场提供+5V及15V电源，15V电源变化是150mV。,2、分析要求 （1）根据要求的主要指标，初选相应器件和芯片。比如A/D的主要指标有精度、转换时间、输入电压范围V1、工作温度范围、电源变化等。据此初选A/D、S/H、多路开关等的型号。 （2）校验这些器件和芯片的误差，是否满足设计要求。经仔细核算如满足就可设计电路，否则重新选择器件和芯片，直到满足设计要求为止。 （3）电路设计：根据所选定的芯片，配上相应的逻辑电路，进行硬件设计，这一步有时要与相应软件配合调节，因为有些电路功能可由软件完成。,（二）硬件设计 本设计选用AD570，其分辨率是8位，转换精度可达0.4%，转换时间为25s，并选用与AD570相配套的采样保持器AD582及多路开关AD7501。 采样保持器AD582的建立时间是5s，多路开关的建立时间（保持命令后采样值达到稳定值的时间）是2s，测量每一通道数据的总时间是32s，小于50s。 器件选定后，进一步根据手册中给的各器件相应参数，计算分析某些误差，检验这些误差是否在设计要求范围内。,1）多路开关AD7501 多路开关产生误差的原因主要有两个： 在多路开关中，未接通的开关中有漏电流的存在，与信号源的内阻形成回路后会在信号源上产生压降，使得信号被衰减。例如，多路开关漏电流（25）2nA，信号源内阻10，则：误差电压=10210-9=210-8V，可以忽略不计。 在多路开关中，开关本身的接通电阻使得输入模拟信号在该电阻上产生压降，则信号被衰减。 例如，多路开关接通电阻300（最大），采样保持器输入电阻30M，则： 衰减分压比=300/30M=110-5，小于满偏刻度的0.01%，可以忽略不计。 2）采样保持器AD582 AD582的线性度在10V范围内是0.01%，也就是1mV,输入旁路电流3A（最大）在信号源内阻上产生的误差电压为： 信号源内阻=10（模拟输入）+300（多路开关）=310欧 误差电压=3103A=93010-6V，相当于满刻度的0.01% 在保持时间内，要考虑输入模拟信号电压下降相对于保持电容引起的误差。在25s的A/D转换过程中，此电压下降值仅相当于满刻度的0.0025%，可以忽略不计。 除此之外，环境温度变化及供电电源电压的变化相当于引入了模拟输入误差电压，也应考虑在内，但在AD582的技术手册中并未给出这两个参数，如果考虑这个因素，设计的指标应该选的偏高一些。,3）A/D转换芯片AD570 AD570的相对精度是1/2LSB，即满刻度的0.2%。假设设计要求温度的变化为30，则由双极性偏差温度所引起的误差约为满刻度的0.26%。 上述各误差的算术和约为满刻度的0.48%，满足设计的要求。为了增强可靠性，可选用AD570SD来减少双极性偏差温度带来的影响，以保证有足够的可靠性。显然，满足系统设计的要求的不止一种方案，也可以采用高集成度的数据采集系统芯片，如DAS1128、AD363等。 图5-51是将上述选定的器件通过8155并行接口芯片8085 CPU接口组成一个微型数据采集系统的电路。该设计具有8通道模拟量输入，8通道模拟量输出，共16条I/O线。系统由模数转换芯片AD570、采样保持器AD582、数模转换芯片AD1408、多路开关AD5701、双向多路开关CD4051（这里用作反多路开关）及两片8155等组成。,第四节 开关量输入/输出通道和接口技术 在工业控制系统中，被测参数除了模拟量外，还有开关量，例如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。许多执行器，如继电器，步进电机，接触器，指示灯等到也需要开关量控制。对于开关量控制的器件，在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如不隔离可能造成计算机控制系统的损坏和误动作。因此在开关量输入/输出通道和接口设计中，必须考虑隔离问题。 一、光电隔离器 光电隔离器是通过电-光-电的转换来实现输入/输出设备的电气隔离和控制，光电隔离器可防止电磁干扰信号对控制系统的影响。,1、 光电隔离器的工作原理 光电隔离器由发光二极管和光敏三极管组成。 如图5-57所示（P138），当发光二极管有正向电流通过时，产生红外光，其光谱范围为7001000nm。光敏三极管接收到发光二极管发来的光时便立即导通；当发光二极管熄灭时，光敏三极管截止，利用此特性可实现对设备的控制。 由于计算机控制系统中大都采用TTL电平，不能直接驱动发光二极管，所以常加入驱动器，如74LS04，74LS06等。 2、 光电隔离器分类 常用的光电隔离器有发光二极管/光敏三极管、发光二极管/光敏复合晶体管、发光二极管/光敏电阻、发光二极管/光触发可控硅等。,光电隔离器有双列直插式塑料封装形式，耐压为2500V左右，陶管封装形式，一般为500010000V，可根据不同环境选用。 不同型号的光电隔离器其输入电流也不同，一般为10mA左右，用时可查阅有关手册。其输出电流决定控制外设的能力，一般负载电流比较小的外设可直接带动，若负载电流要求比较大时，可在输出端加驱动器驱动。 3、 典型的开关量输入电路 如图5-65（P142）所示，由RC滤波电路、二极管钳位电路、光电隔离器组成。外部开关信号经RC滤波、过电压和反电压保护、光电隔离输入计算机中，获得开关K的状态。,RC滤波器可抑制干扰，二极管用于防止反电压并