计算机控制技术第4章计算机过程输入输出通道.ppt

第4章计算机过程输入 输出通道 主要内容本章明确了计算机过程输入 输出通道的功能 介绍了模拟量和开关量输入 输出通道的基本结构和组成 简述了各输入 输出通道的实现方法 学习任务 熟悉模拟量输入 输出通道和开关量输入 输出通道的结构和组成 认知各输入 输出实现的必要条件和处理方法 掌握常用a d d a转换器的工作原理和微处理器的连接 4 1模拟量输入通道 4 1 1模拟量输入通道的结构形式1 单路模拟量输入通道单路模拟量输入通道一般由传感器 信号调理电路 放大器 采样保持器 a d转换器 接口电路等几部分组成 其结构如图4 1所示 图4 1单路模拟量输入通道一般结构 2 多路模拟量输入通道 1 共享a d转换器的结构形式共享a d转换器的结构形式是指所有输入模拟量共用一个a d转换器 实现分时a d转换 这种形式结构简单 成本低 其结构如图4 2所示 图4 2共享a d多路模拟量输入通道结构 2 多a d转换器的结构形式多a d转换器的结构形式是指每个输入模拟量分别采用对应的a d转换器 实现同时转换 这种形式结构复杂 成本高 但数据采集速度快 4 1 2模拟量输入信号的调理1 信号滤波滤波的方法有软件与硬件之分 图4 3是用来滤除工频干扰的无源双t形电阻网络窄带带阻滤波器 它可以有效地滤除工频干扰 r可以按式 4 1 进行选择 fn 4 1 图4 3无源双t形电阻网络窄带带阻滤波器 图4 4是有源双t形电阻网络窄带带阻滤波器 比无源双t形电阻网络窄带带阻滤波器有较高的品质因素 图中 c 1 f r按式 4 1 计算 图4 4有源双t形电阻网络窄带带阻滤波器用软件方法进行数字滤波 可以滤除频率更低的干扰 该部分内容将在6 1节中介绍 2 i v变换为了适应a d转换器的输入需要 必须把电流信号变换成统一的电压信号 这就需要采用电阻网络进行电流 电压 i v 变换 图4 5是一种无源i v变换电路 无源i v变换电路是利用无源电阻器件 加上rc滤波和二极管限幅等保护来实现的 图4 6是有源i v变换电路 它利用运算放大器构成同相放大电路 将电阻r1上产生的输入电压变换成输出电压 二者关系为 4 2 图4 5无源i v变换电路图4 6有源i v变换电路 3 信号放大信号的放大常使用运算放大器 根据要放大的信号的特点 运算放大器可连接成同相或反相 单端输入 及差分放大 双端输入 三种形式 其电路原理如图4 7所示 图4 7运算放大器另外 为了提高差分放大的线性度和共模抑制比 还可采用仪表放大器 常用的仪表放大器原理如图4 8所示 这里 4 3 图4 8仪表放大器原理图4 非线性补偿非线性的线性化可采用硬件和软件两种方法 硬件方法是利用运算放大器构成负反馈来实现 如对于铂铑 铂热电偶 而软件方法实现非线性补偿的过程将在6 2节中介绍 4 1 3多路开关1 多路开关的种类 按照构成元件性质 多路开关可分成机械接触式和电子式两类 下面介绍两种通用型多路开关 1 机械接触式多路开关常用的机械接触式多路开关是干簧继电器 其原理如图4 9所示 图4 9干簧继电器原理 2 电子式多路开关cd4051是双向 单端8通路多路开关 其内部结构和引脚排序图如图4 10所示 图4 10cd4051的内部结构和引脚排序图工作过程是当禁止端inh为低电平时 cd4051根据通道选择控制端a b c的数值 由片内二进制译码器译出8种状态 分别选中in out0 in out7中的一个开关与out in接通 当禁止端inh为高电平时 不论a b c为何值 8个通路都不能接通 禁止芯片使用 2 多路开关的扩展电路下面以cd4051扩展16路多路开关为例 介绍多路开关的扩展 图4 11由两片cd4051组成的16路多路开关原理图 4 1 4程控增益放大器程控增益放大器能够对不同的输入信号用程序来设置相应的放大系数 并进行量程自动转换 利用程控增益放大器进行量程自动转换的原理如图4 12所示 图4 12利用程控增益放大器进行量程自动转换的原理常用的程控增益仪表放大器有ad620 ad625等 其中ad625的原理图如图4 13所示 图4 14是ad625的简化电路图 图4 13ad625原理图图4 14ad625的简化电路图 4 1 5采样和采样定理1 采样过程计算机的测量控制过程如图4 15所示 首先输入信息 即将模拟信号加到a d转换器上 转换成数字信号输入计算机 然后执行数据处理或控制程序 计算出测量结果或控制量 最后输出 实际上这就是计算机的一次工作过程 当计算机不断重复上述过程 即实现了循环控制 计算机的每次循环时间都是固定的 它与采样周期有关 这说明计算机进行测量或控制只能每隔一定时间进行一次 因此 计算机每隔一定时间t采入一次模拟信号的瞬时值的过程 我们称之为采样 时间间隔t称为采样周期 图4 15计算机的测量控制过程 采样过程是由采样开关实现的 如图4 16 a 所示 采样开关每隔一定时间t闭合一次 于是原来在时间上连续的模拟信号f t 就变成了时间上离散的采样信号f t 如图4 16 b c 所示 图4 16信号的采样过程 通常采样的持续时间是非常短的 所以可以将采样信号f t 看作成一个有强度 无宽度的脉冲序列 也就是看作成单位脉冲序列被f t 调制的结果 如图4 17所示 图4 17f t 对单位脉冲序列的调制作用 图中脉冲函数 t t 的数学表达式为 t t 4 4 经过f t 调制 脉冲强度由f kt 所决定 因此采样信号f t 的表达式是f t 由于t 0时 f t 0 所以采样信号f t 的一般表达式为f t 4 5 2 采样定理由频谱分析可知 通常连续信号的频谱宽度是有限的 一般为一孤立频谱 其最高频率为 max 如图4 18 a 所示 而f t 的频谱是离散频谱 如图4 18 b c d 所示 图4 18f t 和f t 的频谱 可见 为了保证采样信号f t 的频谱是被采样信号f t 的频谱的无重叠的重复 沿频率轴方向 以便采样信号f t 能反映被采样信号f t 的变化规律 采样频率 s s 2 t 2 f 至少应该是f t 的频谱f j 的最高频率 max的两倍 即 s 2 max 4 6 这就是著名的采样定理 即香农定理 3 量化和a d转换器字长的选择假设fmin和fmax分别为采样信号的最小值和最大值 n为二进制字长 那么下式 4 7 称为最小量化单位 对采样信号进行量化编码变换为数字表示时 用的就是最小单位q的整数倍 量化有两种方法 一是 只舍不入 二是 有舍有入 只舍不入 方法误差较大 因此多使用 有舍有入 方法 图4 19给出了 有舍有入 的量化示意图 图4 19 有舍有入 的量化示意图通常执行量化的装置是a d转换器 为了把量化误差限制在允许的范围内 a d转换器字长的确定应考虑两方面 1 输入信号的动态范围若输入信号的最大值fmax和最小值fmin之差为fmax fmin 2n 1 q 4 8 则a d转换器字长为n log2 1 4 9 2 分辨率有时要求以分辨率的形式给出a d转换器的字长 若分辨率为d 4 10 则a d转换器字长为n log2 1 4 11 例4 1 测量1000 2000pa范围内的压力 要求分辨率不低于0 005 即5pa 则a d转换器的字长为多少 解 根据式 4 11 有n log2 1 log2 1 7 65即a d转换器的字长n应为8位 4 采样保持器为保证a d转换的精度 需要应用采样保持器 当然 如果输入的模拟信号变化缓慢 a d转换器转换时间也足够短时 也可省去采样保持器 采样保持器 s h 又称采样保持放大器 原理图如图4 20所示 图4 20采样保持器原理图采样保持器的工作过程分为两种状态 采样和保持 在采样状态时 控制信号in 有效输出电压vo跟随输入电压vi变化 在保持状态时 控制信号in 去除 因而输出电压vo vc也保持恒定 常用的采样保持器有ad582 lf391 lf392 lf398等 其原理图如图4 21所示 它们的采样或保持的控制电平采用ttl逻辑 lf398的采样控制电平为 1 保持电平为 0 ad582则相反 还有的采样保持器采用脉冲控制采样或保持 图4 21采样保持器的原理图 4 1 6a d转换器及其与微处理器的连接a d转换器是把模拟电压或电流转换成数字量的集成电路器件 1 12位a d转换器ad574a 1 ad574a芯片介绍ad574a是一种高性能的12位逐次逼近式a d转换器 如图4 22所示 图4 22ad574a的内部结构和引脚排序图 表4 3ad574a控制信号的作用 2 ad574a的输入方式单极性 双极性连接电路分别如图4 23 a b 所示 图4 23ad574a的输入方式连接电路 r 12 3 ad574a的工作原理ad574a的工作时序如图4 24所示 图4 24ad574a的工作时序 4 ad574a与微处理器的接口电路和转换方法ad574a与8051单片机的接口电路如图4 25所示 图4 25ad574a与8051单片机的接口电路 电路按图4 25连接 对一个模拟量输入进行12位a d转换 并将转换结果存放在内存30h和31h单元 程序清单如下 ad574a clrp3 7clrp3 6 经 与 门后使ce 1movdptr ff7ch a0 0 r 0 0movx dptr a 启动a dhd jbp1 0 hd 1未完 继续转换 询问完 movr0 30hmovdptr ff7eh 使r 1 a0 1movxa dptr 读高8位mov r0 a 存高8位movdptr ff7dh 使r 1 a0 0movxa dptr 读低4位anla 0fh 屏蔽掉高4位随机数incr0 指向下个单元地址mov r0 a 存低4位数字end sjmpend 停止 2 vfc与微处理器的连接v f变换器 vfc 的作用就是把电压信号转换为频率信号 1 lm331芯片介绍图4 26是lm331的内部结构和引脚排序图 图4 26lm331的内部结构和引脚排序图 2 lm331的工作原理lm331的转换定时波形如图4 27所示 图4 27lm331转换定时波形 3 lm331的接口电路和转换方法lm331与8051连接的最简便方法就是将频率输出端接至单片机的定时 计数器的输入端 通过测量输入脉冲信号的频率 求得输入电压vin 其接口电路如图4 28所示 图4 28lm331与8051的接口电路 4 1 7a d转换模板为了方便使用 设计者一般会将完成某一特定功能所需的输入电路和a d转换器及其接口集成在一块板卡上 这种板卡就称之为a d转换模板 设计者只需按照需要选用a d转换模板即可 但如果要自己设计一块a d转换模板 首先应考虑它的通用性 主要有以下几方面 1 符合总线标准符合总线标准 就可以方便地和该总线的微处理器组成完整的微型计算机控制系统 具体做法是把各种功能模块插到主板的任意一个插槽上 十分方便简捷 目前在微型计算机控制系统中 常用的总线有std isa pc eisa和pci等几种 2 用户可选择的接口地址微型计算机控制系统中可能有几块功能模板 应该允许用户对每块模板的接口地址有选择的余地 否则很容易引起冲突 接口地址一般包括基址和片址两部分 如图4 29所示 图4 29接口地址译码电路 3 选择输入方式输入方式可选主要是指模板既可接受单端输入信号也可接受双端差动输入信号 在结构组成上 a d转换模板也是按照i o电气接口 i o功能逻辑和总线接口逻辑三部分布局的 其中 i o电气接口完成电平转换 滤波 隔离等信号调理作用 i o功能逻辑实现采样 放大 模 数转换等功能 总线接口逻辑完成数据缓冲 地址译码等功能 其次 a d转换模板的设计还应考虑到采样保持器的使用与否 输入跟随或信号放大处理 多路模拟信号的切换技术和隔离技术 以及a d的转换精度和速度等 4 模拟量输入通道的设计实例图4 30是典型的12位32路高速模拟量输入通道原理图 图4 3012位32路高速模拟量输入通道原理图 4 2 1模拟量输出通道的结构形式1 单路模拟量输出通道如图4 31所示 单路模拟量输出通道一般由接口电路 寄存器 d a转换器和v i变换器等组成 图4 31单路模拟量输出通道的结构形式图4 32多个通道共享d a转换器的结构形式2 多路模拟量输出通道多路模拟量输出通道是指所有输出模拟量共用一个d a转换器 实现分时d a转换 如图4 32所示 4 2模拟量输出通道 4 2 2d a转换器及其与微处理器的连接d a转换器是将数字量转换成模拟量的集成电路器件 1 10位d a转换器dac1208 1 dac1208芯片介绍dac1208是电流型输出的12位d a转换芯片 如图4 33所示 图4 33dac1208的内部结构和引脚排序图 2 dac1208的工作原理dac1208工作时序如图4 34所示 图4 34dac1208的工作时序图 3 dac1208的接口电路和转换方法图4 35是12位dac1208与8051的接口电路 图4 3512位dac1208与8051的接口电路 设dac寄存器地址为42h 8位输入寄存器地址为41h 4位输入寄存器地址为40h 高8位数据存于30h 低4位数据存于31h 因此对应的转换程序如下 程序清单 dasub3 movr0 41h 8位输入寄存器地址movr1 30h 高8位数据地址mova r1 取高8位数据movx r0 a 输出到dac1208高8位输入寄存器decr0 低4位输入寄存器地址incr1 低4位数据地址mova r1 取低4位数据swapa 与高4位数据交换movx r0 a 输出到dac1208低4位输入寄存器movr0 42h dac寄存器地址movx r0 a 数据输入dac寄存器 完成d a转换 2 d a转换器字长的选择d a转换器一般都通过功率放大器推动执行器 设执行器的输入范围为vmin vmax 即最小值到最大值 灵敏度为 参照式 4 9 可得d a转换器的字长 4 13 3 用v i变换器实现电流输出常用的有两种形式 分别如图4 36 a b 所示 图4 36v i转换电路随着半导体技术的发展 也可使用各种性能优良的集成电路v i转换器 图4 37是高精度v i转换器zf2b20的引脚图 图4 38是利用zf2b20实现v i转换的接线图 图4 37zf2b20的引脚图图4 38用zf2b20实现v i转换的接线图4 d a转换模板的通用性在微型计算机控制系统中 同模拟量输入通道一样 模拟量输出通道也是以模板或板卡形式出现的 a d转换模板也需要遵循输入 输出模板的通用性原则 符号总线标准 接口地址可选以及输出方式可选 前两条同a d转换模板一样 而输出方式可选主要是指允许用户根据所用的执行机构选择输出方式 如有的执行器使用电流控制 而有的用电压控制 有的用单极性电压控制 有的则需要用双极性电压控制等 典型的开关量输入 输出通道结构如图4 39所示 一般由cpu接口逻辑 输入缓冲器和输出锁存器 输入 输出电气接口三部分组成 图4 39开关量输入 输出通道结构4 3 1开关量输入通道被控对象的开关信号可用三态门缓冲器74ls244取得 如图4 40所示 其结构如图4 41所示 另外 为了防止干扰通过开关量输入通道进入微型计算机控制系统 需要采用隔离技术 而现在普遍使用光电耦合器 4 3开关量输入 输出通道 图4 4074ls244的接口电路图4 41光电耦合器的结构图4 42为在输入缓冲器74ls244前增加光电耦合器的开关量输入通道 图4 42光电隔离开关量输入通道 4 3 2开关量输出通道在微型计算机控制系统中 输出的控制信号 都要锁存保持到下一个采样时刻 可以用74ls273作输出锁存器 如图4 43所示 图4 44是带光电隔离的开关量输出通道 图4 4374ls273的接口电路图4 44带光电隔离的开关量输出通道 本章小结 过程输入 输出通道是联系计算机和生产过程及外部世界的桥梁 是微型计算机控制系统 数字测量仪表及以单片机为核心组成的各种产品的重要组成部分 它可分为模拟量输入通道 模拟量输出通道 开关量输入通道和开关量输出通道四种类型 本章介绍了模拟量输入通道的基本结构 组成和模 数转换方法 首先将模拟量输入信号进行滤波 i v变换 放大 或衰减 和非线性补偿等必要处理 然后经多路开关和采样保持器的采样 再送由a d转换器量化成数字量信号 以供cpu读入 在模拟量输入通道中a d转换器是核心部件 它的字长n要根据输入信号的动态范围和对系统分辨率的要求来权衡确定 当输入信号变化较慢同时对抗干扰性要求较高时 也可采用v f转换器构成a d转换