计算机控制技术第二章.doc

第二章 输入输出接口与过程通道在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的被控参数及运行状态，按要求的方式送人计算机处理，再将结果以数字量的形式输出，并将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机接口和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置，这个装置就称之为过程输入输出通道，也叫IO通道。2.1 过程输入输出通道概述 2.1.1 过程输入输出通道的类型及功能 根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道可分为模拟量输人通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道等几种类型。 生产过程的被调参数(如温度、压力、流量、速度、位移等)，一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件和变送器转换为对应的模拟电压和电流。由于计算机只识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入通道转化为数字量后，才能送人计算机。 对于生产现场的状态量(如开关、电平高低、脉冲量等)也不能为计算机直接接受，因此数字量(开关量)输入通道将状态信号转变为数字量送入计算机。 计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道和数字量输出通道。计算机输出的控制信号以数字形式给出，若执行元件要求提供模拟电压或电流，则采用模拟量输出通道将数字量转换为模拟电压或电流，若执行元件要求数字量(开关量)，则应采用数字量输出通道，将计算机输出的数字量经处理和放大后输出。 由此可见，过程输人输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。 2.1.2 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种： (1)数据信息 反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。 (2)状态信息 又叫应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。 (3)控制信号 用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。 接口电路含这三类信息交换的端口。 2.1.3 过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输人输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通道编址方式有两类编址方法，一类是直接编址，一类是间接编址方法。 1.直接编址方法 该方法将过程通道等同于端口，直接接受主机地址总线编址，从而有过程通道与存储器独立编址、过程通道与存储器统一编址等常用方式。 2.间接编址方法 通过接口对过程通道进行编址。此时的通道地址不与地址总线直接相连，通道的寻址通过端口提供寻址向量来实现。2.2 模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的结构模拟量输入通道的任务是对过程量(即模拟量)进行变换、放大、采样和模数转换，使其变为二进制数字量并输入到计算机，典型的模拟量输入通道的结构如图2.2.1所示。图2.2.1 模拟量输入通道结构由图2.2.1可见，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。模拟量输入通道各部分作用说明如下：1.传感器将过程量转换为电信号。2.放大电路对微弱的电信号进行放大。3.多路转换开关将多路模拟信号按要求分时输出。4.采样保持对模拟信号进行采样，在模一数转换期间对采样信号进行保持。5.AD转换即模数转换，将模拟信号转换为二进制数字量。6.控制器实现通道各环节在逻辑和时序上的协调。2.2.2 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变换变成电压信号才能处理。对于电动单元组合仪表，DDZII型的输出信号标准为010mA,而DDZ型和DDZS系列的输出信号标准为420mA，因此针对以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。1.无源I/V变换无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，如图2.2.2所示。图2.2.2 无源I/V变换电路对于010mA的输入信号，可取R1=100,R2=500，且R2为精密电阻，这样当输入的I为010mA电流时，输出的V为05V，对于420mA输入信号，可取R1=100,R2=250，且R2为精密电阻，这样当输入的I为420mA时，输出的V为15V。2.有源I/V变换有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成，如图2.2.3所示。图2.2.3 有源I/V变换利用同相放大电路，把电阻R1上产生的输入电压变成标准的输出电压。该同相放大电路的放大倍数为若取R3=100k,R4=150k，R1=200,则010mA输入对应于05V的电压输出。若取R3=100k,R4=25k，R1=200，则420mA输入对应于15V的电压输出。2.2.3 多路转换器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。利用多路开关可将输入信号依次德或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高过程参数地测量精度，对多路开关提出了较高地要求。理想地多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外。还希望切换速度快、噪音小、寿命长。工作可靠。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、LF13508等。2.2.4 信号的采样、量化及常用的采样保持器 1.信号的采样信号的采样过程如图2.2.4所示。执行采样动作的是采样器（采样开关）K，K每隔一个时间间隔T闭合一个时间。T称为采样周期，称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号y（t）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号y*(t)。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。图2.2.4 信号的采样过程采样信号y*(t)是否能如实地反映模拟信号y（t）的所有变化与特征呢？采样定时指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率fmax，只要按照采样频率f2 fmax，进行采样，那么采样信号y*(t)就能惟一地复现y（t）。采样定理给出了y*(t)惟一复现y(t)所必须地最低采样频率。实际应用中，常取f（510）fmax。2.信号的量化采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号y（t）幅值上的变化，也反映在采样信号y*(t)上。所以，采样信号仍不能进入微机。微机只能接受在时间上离散、幅值上变化也不连续的数字信号。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。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把yminymax范围内变化的采样信号，变换为数字信号02n1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。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（比如毫米）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1/2q。例如，q20mV时，量化误差为10mA，0.9901.009V范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字50。在A/D转换器的字长n足够长时，整量化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号。在这种假设下，数字系统便可沿用采样系统理论分析、设计。3.采样保持器（1）孔径时间和孔径误差在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称之为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，即为孔径误差。例如图2.14所示的正弦模拟信号，如果从t0时刻开始进行A/D转换。但转换结束时已为t1，模拟信号已发生u的变化。因此，对于一定的转换时间，最大的误差可能发生在信号过0的时刻。因为此时的du/dt最大，孔径时间tA/D一定，所以此时u为最大。令 U=Umsint式中，Um为正弦模拟信号的幅值；f为信号频率。在坐标原点上 取ttA/D，则得原点处转换的不确定电压误差为 误差的百分数 由此可知，对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和信号频率成正比。为了确保A/D转换精度，使它不低于0.1，不得不限制信号的频率范围。一个10位的A/D转换器（量化精度.01），孔径时间10s，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器。（2）采样保持原理A/D转换过程（即采样信号的量化过程）需要时间，这个时间称为A/D转换时间。2.2.3 模拟量输入通道逻辑设计的一般问题 模拟量输入通道是计算机控制系统的信号采集通道，从信号的传感、变换到计算机输入，都必须考虑信号拾取、信号调节、AD转换、电源配置和防止干扰等问题。 1.信号的拾取方式 模拟输入通道中，首先要将外界非电参量，如温度、压力、速度、位移等物理量转换为电量，这个环节可采用敏感元件、传感器或测量仪器来实现。 (1)通过敏感元件拾取被测信号一般来说，敏感元件可以随用户要求和使用环境特点做成各种探头。敏感元件将被测的物理量变换为电流、电压或RLC参量的变化，对RLC参量型敏感元件，要设计相应的电路使其变换为电压或电流信号。 (2)通过传感器拾取被测信号用敏感元件及相应的测量电路、信号传递机构配以适当外形可以制成各类传感器。尽管传感器测量的物理量及测量原理不同，但一般输出为模拟信号或频率量。模拟信号可以是电压或电流，大信号电压输出可直接与AD电路相连，小信号电压输出则经放大后与AD电路相连，而电流输出信号则需转化为电压信号后与AD电路相连。输出频率量传感器精度高、抗干扰能力强，便于远距离传送，它需采用特殊的转换方法才能变为二进制数字量。 (3)通过测量仪表拾取被测信号 目前应用在现场的调节测量仪表已经系列化，它一般采用标准化输出信号，如电压信号为05 V、5 V、O10 V、25 V等范围，而电流信号则为420 mA、O10 mA等范围，它们经适当处理后(如IV变换、滤波)后可直接与AD电路相连。 2.信号放大与处理 在模拟量输入通道中，信号放大与处理的任务是将传感器信号转换成满足AD电路要求的电平信号。在一般测量系统中，信号放大与处理的任务比较复杂，除小信号放大、滤波外，还应有零点校正、线性化处理、温度补偿、压力补偿、误差修正、量程切换等信号处理电路。目前部分信号处理工作可由计算机软件完成，从而使信号处理电路得以简化。 3.模数转换方式的选择 模拟量输入通道的模数转换方式有AD转换电路和VF变换方式，VF变换方式将信号电压变换为频率量，由计算机或计数电路计数来实现模拟量转化为数字量。AD转换电路一般采用专用的转换芯片或CPU内部的AD转换接口，选择时应从转换精度、转换速度及系统成本等方面综合考虑。 4.电源配置 信号拾取时，要考虑对传感器的供电，对于不同的信号调节电路中的芯片，一般会提出对电源的要求，必须很好地解决电源问题。 模拟输入通道与生产现场联系较紧，而且传感器输出信号较弱，电源配置时要充分考虑干扰的隔离与抑制。 5.抗干扰措施由于传感器拾取的信号来自生产现场，受干扰的因素很多，在设计过程中应采用可靠的抗干扰措施，如隔离、滤波等。 2.2.4模拟信号放大处理技术 信号放大电路将传感器的微弱电信号放大到AD转换电路需要的信号范围。信号放大电路主要由放大器构成，采用的放大器主要有四种类型： 1.测量放大器 对经传感器变换后得到的微弱模拟信号应经过放大处理后才能输入到后续电路。由于通用运算放大器具有较大的失调电压和温度漂移，一般不能用作微弱信号的放大器。在模拟输入通道中一般采用测量放大器来完成信号放大任务。测量放大器具有高输入阻抗、低失调电压、低温度漂移系数和稳定的放大倍数、低输出阻抗的特点。经典的测量放大器是用三个运算放大器组成(图2.2.5)，其中第一级是两个对称的同相放大器，它提高输入阻抗和共模抑制能力，将双端输入变为单端输入。图2.2.5 测量放大器的组成测量放大器的放大倍数由式(2.2.1)给出： (2.2.1)目前有许多型号的单片测量放大器集成芯片供选择，AD521AD522是应用非常普遍的芯片之一。 图2.2.6 AD521管脚与基本接法 AD52lAD522是AD公司推出的单片测量放大器，采用标准14脚双列直插管壳封装，其放大倍数由用户在外部加接精密电阻获得。AD52l的管脚功能及连接方法如图2.2.6所示。管脚4、6用来调整放大器零点。放大倍数在0.1到1000范围内调整，选用RS=100(115)k时，可以获得较稳定的放大倍数，放大倍数按式(2.2.1)计算： (2.2.2)AD522是单片集成精密测量放大器，K=100时非线性仅为O.005，在O.1 Hz到100 Hz频带内噪声峰值为1.5 mV，其模抑制比CMRR120 Db(K=1000时)。与AD521不同的是该芯片引出了电源地9和数据屏蔽端13，该端用于连接输入信号引线的屏蔽网，以减少外电场对输入信号的干扰。图2.2.7为AD522与测量电桥的连接方法。图2.2.7 AD522与电桥的连接 在使用测量放大器时，都要特别注意为偏置电流提供回路，因此输入端必须与电源的地构成回路。 2.小信号双线变送器 在计算机控制系统中经常会遇到一个棘手的问题：在恶劣环境下远距离可靠传送微弱电信号。小信号双线变送器是解决这个问题的有效方法。小信号双线变送器将现场的微弱信号转化为420 mA的标准电流输出，然后通过一对双绞线传送信号，这对双绞线能实现信号和电源一起传送。 XTRl01是BB公司生产的一种420 mA、低漂移双线变送器，它不仅可以放大电信号，而且还能完成电参量的变换，即把电阻参量变换为420 mA电流，环路电压为11.6 V到40 V。XTRl01的原理框图与基本接线如图2.2.8所示，它由高精度测量放大器(A1)、压控输出电流源和双匹配精密参考电流组成，它将加在引脚3和4上的差动电压变换为电流输出，电流输出大小由Rs决定。XTRl01可用于电阻类传感器测量电路，比如在-IN与+IN之间接人铂电阻进行温度测量，引脚7根据尺。提供相应的输出电流。3.隔离放大器测量放大器必须对输入偏流提供一条返回通路，而且大的共模电压会损坏输入电路，因此在输入电路和输出电路要求彼此隔离时应采用隔离放大器。图2.2.5 xTRl01双线变送器原理图 隔离放大器应用场合有： . 测量处于高共模电压下的低电平信号； 消除由于信号源地网络的干扰所引起的误差； 避免形成地回路及其寄生拾取问题(不需要对偏流提供返回通路)； 保护应用系统电路不至于被输入端大的共模电压损坏； 为仪器仪表提供安全接口。隔离放大器是一种既具有一般通用运放的特性，又在其输入电路和输出电路间（包括它所使用的电源间）无直接耦合通路的放大器，其信息传递是通过磁路和光路来实现。图2.2.6是AD公司生产的Model 277变压器耦合隔离放大器结构框图。从图2.2.6看出，放大器分为输入和输出两个独立供电回路，它包含有四个基本部件：高性能的输入放大器、调制和解调器、信号耦合变压器及输出运算放大器，其工作过程如下：直流信号经放大后由调制器变为交流，通过耦合变压器馈给输出电路，解调器把输入回路馈给的信号转换为直流信号并经滤波器送至输出运算放大器。输入电路的电源由逆变器提供。采用光路传送信息的隔离放大器称光耦合隔离放大器。BB公司生产的一种小型廉价的光耦合隔离放大器ISOl22124，它将发光二极管的光反向送回输入端(负反馈)，正向送至输出端，经过加工处理和仔细配对来保证放大器的精度、线 图2.2.6 Model277隔离放大器框图性度和时间温度的稳定性。读者可查阅相关资料。 4.程控增益运算放大器 在多通道或多参数的模拟输入通道中，多个通道或多个参数共用一个测量放大器，由于各通道或各参数送入放大器的信号电平不同，但都要放大至AD转换器输入要求的标准电压，因而对不同通道或参数，测量放大器的增益是不同的，解决上述问题的方法是采用程控增益放大器。程控增益放大器可由测量放大器、模拟开关及电阻网络来实现，也可采用集成程控测量放大器，如PGA200201、PGAl02、PGAl00、AD612614等。图2.2.7 PGA100管脚与接法 PGAlOO是B-B公司生产的8级二进制可编程增益控制运算放大器(如图2.2.7所示)PGAl0O有8个二进制增益l，2，4，8，16，32，64，128及相应有8个模拟通道，由A2A1A0选择模拟通道，由A5A4A3选择增益，选择方式如表2.2.1所示：表2.2.1 PGA100增益选择表A5A4A3增益A2A1A0通道0001000IN00012001IN10104010IN20118011IN310016100IN410132101IN511064110IN6111128111IN7通道的数字输入在时钟CP的上升沿锁存。 2.2.5 可编程模拟多路转换电路 模拟多路转换器又称多路开关。在分时检测时，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AD转换器上。为了提高过程参数的监测精度，对多路开关提出了较高的要求，例如接通电阻要很小、开路电阻很大、切换速度要快、寿命长、工作可靠等。 1.多路转换开关的类型 多路开关有两类：一类是机械触点式，如干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器；另一类是电子式开关，如晶体管、场效应管及集成电路开关等。 干簧继电器是较理想的触点式开关，优点是接触电阻小、断开时阻抗高，工作寿命较长，工作频率可达400 Hz，缺点是由于剩磁的影响，有时会有触点吸合不放的现象。干簧继电器适合于小信号中速度的采样单元使用。电子式开关开关速度高，工作频率在1000点秒以上，体积小、寿命长。缺点是导通电阻较大，驱动部分和开关元件部分不独立，影响小信号的测量精度。2.多路转换开关的连接方式多路转换器与公用放大器或AD转换器的方式有三种： （a）单端接法 （b）差动接法 （c）伪差动接法图2.2.8多路开关的连接方式 (1)单端接法将所有输入信号源一端接至同一个信号地，然后将信号地与模拟地相连。图2.2.8(a)为单端接法示意图。这种接法抑制共模干扰能力较弱，适合于高电平信号场合。(2)差动接法模拟量双端输入、双端输出接到放大器上如图2.2.8(b)所示，这种接法的共模干扰抑制能力强，一般用于低电平输入、现场干扰较严重、信号源和多路开关距离较远的场合，或者输入信号有各自独立的参考电压场合。 (3)伪差动接法 和单端接法不同点是模拟地和信号地接成一点，而且应该是所有信号的真正地，也是各个输入信号惟一参考地如图2.2.8(c)所示，这种方法可抑制信号源和多路开关所具有的共模干扰，适合于信号源距离较近的场合 3集成多路转换器常用的CMOS集成多路转换器由单端和差分两种类型，一般情况下，它们分别用于单端接法和差动接法应用场合。 单端集成多路转换器有16通道和8通道两种芯片，典型16通道芯片有AD7506、MAX306、DG406等，典型8通道芯片有A07501、MAX354、CD4501、DG407等。单端8通道集成多路转换器的电路结构原理如图3.3.9所时，控制逻辑列于表2.2.2中。 差分集成多路转换器也有4通道和8通道两种。典型8通道差分多路转换器有AD7502、CD4052、MAX359、DG409等。4通道差分多路转换器如图3.3.10所时，相应的通道控制逻辑如表2.2.3所示。图2.2.9 单端8通道多路转换器原理图集成多路转换器的通道控制逻辑有些是TTL/CMOS兼容，有些只是CMOS兼容，在设计电路时要注意。26表2.2.2 单端8通道多路转换器通道控制逻辑 A0A1A2ENS-ON000011110011001101010101011111111NONE12345678 表2.2.3 差分4通道多路转换器通道控制逻辑A0A1ENS-ON0011010101111NONE1234为了实现集成多路转换器通道的自由选择，在多路转换器和CPU之间应设置一个接口电路，该接口电路的基本要求是修改和锁存通道选择控制信号(如A0、A1、A2、EN)。集成多路转换器与单片机8031的接口实现有两种方法。第一种方法直接利用803l的IO口实现对集成多路转换器进行控制。图2.2.11为采用Pl口实现控制的原理图。选择通道时，只需将P1.3置1，其余置成相应逻辑就能进行控制。第二种方法采用锁存器实现对多路转换器进行控制。图2.2.12为实现原理图。74LSl75为四D触发图2.2.10差分4通道多路转换器结构原理图图2.2.11 单片机I/O口控制多路转换器 图2.2.12 利用锁存器控制多路转换器器，它的输出与多路转换器控制信号相连，其输入与CPU数据总线相连，D触发器选通脉冲由CPU地址信号和写控制信号WR联合形成。通道的选择只需要几条简单程序语句便可实现，例如：MOV A， #NumCH ；通道号+08H=NumCH MOV DPTR，#ADDRCH ；74LSl75锁存地址MOVX DRTR，A ；锁存控制采用多片集成多路转换器可实现更多通道的选择控制，采用单端集成多路转换器也可实现差分输入方式。 2.2.5 采样保持电路模数转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称为转换时间，对变化快的模拟信号来说，转换期间将引起转换误差，这个误差叫孔径误差(图2.2.13)。 设模拟信号为：，它的微分为：最大变化率为： 在信号与横坐标交点时，信号变化率最大，可能引起最大的信号误差，设孔径时间为，这时最大误差为：V图2.2.13 孔径误差 为满足模数转换精度要求，希望在出时间内，信号变化最大幅度应小于模数转换器的量化误差E。对于ADSl211的12位AD转换器，转换时间为100s，基准电压为10.24 V，其量化误差为： 若Vf5 V，由此要求输入信号的最高变化频率：0.5（Hz）因此当转换时间越长时，不影响转换精度所允许的信号最高频率就越低，这就大大限制了模数转换器的工作频率范围。 为了在满足转换精度的条件下提高信号允许的工作频率，可在模数转换前加入采样保持器。采样保持器又叫采样保持放大器(SHE)，它的原理如图2.2.14所示。它由模拟开关S、保持电容C。和缓冲放大器组成。其工作原理如下：图2.2.14 采样保持器原理图 在采样阶段，开关S闭合，输入信号对电容充电，通常要求充电时间越短越好，以使电容电压迅速达到输入电压值。在保持阶段，S断开，电容的放电回路断开，因而电容电压下降速度很慢，AD转换器就可根据此时的电容电压进行量化。采样保持器的主要性能参数有采样时间、孔径时间、输出电压衰减率、直通馈人等。 (1)采样时间 给出采样指令后，跟踪输入信号到满量程并稳定在终值误差(O2O005)内变化和滞留的最小时间。 (2)孔径时间 保持指令给出后到采样开关真正断开所需的时间；图2.2.15 LFl98原理图及典型接法 (3)输出电压衰减率 保持阶段中泄漏电压引起的放电速度。 (4)直通馈入 输入信号通过采样保持开关的极间电容穿通到保持电容上的现象。 常用的采样保持器有多种，图2.2.15为LFl98采样保持器的原理及典型接线图。LFl98具有采样速度高，保持电压下降速度慢及精度高特点。采用的电源电压为5 V18 V，最大输入模拟电压等于电源电压。LFl98的模拟开关采用脉冲控制，逻辑控制输入端用于控制采样或保持，可与各种类型的控制信号和逻辑电平兼容。保持电容C。的选择要折中考虑保持步长、采样时间、输出电压下降率等参数，当CB=O.Ol pF时，信号达到O.Ol的采样时间为6s，保持电压下降为3 mV/s。选择采样保持器时主要考虑的因素：输入信号范围、输入信号变化率、多路转换器的切换速度、采集时间等。若输入模拟信号变化缓慢、模数转换速度相对很快，可以不用采样保持器。2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道的任务是把微型机输出的数字量变换成模拟量，这个任务主要由数模转换器来完成的，对于模拟量输出通道，要求可靠性高，满足一定的精度，还必须具有保持的功能。 2.3.1模拟量输出逻辑的结构 在许多场合要求具有多路模拟量输出通道。对于多路模拟量输出通道的结构形式，主要取决于输出保持器的结构方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持和模拟保持两种方案，这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。 1. 独立数模转换器的形式图2.3.1是这种形式的结构图。在这种形式中，CPU和通道之间通过独立的接口缓冲器传送信息，因此这是数字保持的方案。它的优点是转换速度快、工作可靠，每条输出通路相互独立，不会由于某一路DA故障而影响其它通路的工作。但使用了较多的DA转换器，因而成本较高，随着大规模集成电路技术发展，成本将不成问题。图2.3.1 独立D/A转换器结构形式2共用数模转换器的形式这种形式的原理框图如图2.3.2所示。因为共用一个数模转换器，故它必须在PU控制下分时工作。即依次把DA转换器转换成的模拟电压(或电流)，通过多路模拟开关传送给输出保持器，这种结构节省了DA转换器，但因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。由于需要多路转换器，且要求输出采样保持器的保C持时间与采样时间之比很大，因而其可靠性较差。图2.3.2 公用D/A转换器结构2.3.2 V/I变换在工业控制系统中，常常以电流方式传输信号。因为电流信号适合于长距离传输，传输输中信号衰减小，抗干扰能力强。因此。大量的常规工业仪表是以电流方式互相配接。按仪器仪表标准，DDZ-系列仪表各单元之间的联络信号为010mA，而DDZ-系列仪表各单元之间的联络信号为420mA。一般D/A转换器的输出信号有的是电压方式，有的是电流方式，但是电流幅度大都在微安数量级。因此，D/A转换器的输出常常需要配接V/I转换器。常用的V/I转换器可以分为两种，一种为负载电源方式，另一种为负载共地方式，分别如图2.3.3（a）和（b）所示。图2.3.3 V/I转换电路（a）负载共电源方式； （b）负载共地方式对于负载共电源方式的V/I转换电路图 （a），由于运算放大器输入负载与输入正端电位基本相等，即ViVf,可得 在图 （b）所示负载共地方式的V/I转换电路中，Vi为输入电压，I0为输出电流，Rf为电流反馈采样电阻，RS为限流电阻，RL为负载电阻。Rf采集到的电流信号以电压形式加到运算放大器的输入端，而且极性与输入电压信号反相。所以，这是一个电流并联负反馈电路。由于运算放大器的输入阻抗很高，流入运算放大器输入端的电流可以忽略。在R2Rf条件下，流经R2的电流与I0相比也可以忽略。由于运算放大器正负输入端电位近似相等，可得 化简得 例如，如果取R1100k，R220k，Rf100，则当Vi在05V时，I0为010mA。使用图（b）电路时，需要注意以下几点：（1）电路中各电阻应当选用精密电阻，以保证足够得V/I转换精度。（2）V/I转换器的零位可以由运算放大器的调零端实现。如果采用没有调零端的运算放大器，就必须附加额外的高零电路。（3）正电源V的取值必须满足V(Rf+RL)XIomax,Iomax为I0的最大值。（4）如果需要改变输入电压范围，只需改变R2/R1的数值就可以实现。如果需要将单极性输入改变为双极性输入，则需要在运算放大器输入端附加偏置电压。2.4开关量输入逻辑 2.4.1开关量输入逻辑的结构开关量输入通道又可称为数字量输入通道，该通道将双值逻辑的开关量(数字量)变换为计算机能够接收的数字量，它的结构形式如图2.4.1所示。典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：1.信号变换器将过程的非电量开关量转换为电压或电流的双值逻辑值。2.整形电路混有毛刺之类干扰的双值逻辑信号或其信号前后沿不合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。图2.4.1 开关量输入通道结构框图 3.电平变换电路 将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的逻辑电平。 4.总线缓冲器 暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。 5.接口逻辑 协调通道的同步工作，向CPU传递状态信息并控制开关量到CPU的输入。 2.4.2过程开关量形式及变换 过程开关量(数字量)大致可分为三种形式：机械有触点开关量、电子无触点开关量和非电量开关量。不同的开关量要采用不同的变换方法。 1.机械有触点开关量 机械有触点开关量是工程中遇到的最典型的开关量，它由机械式开关(例如继电器、接触器、开关、行程开关、阀门、按钮等)产生，它有常开常闭两种方式，机械有触点开关量的显著特点是无源、开闭时产生抖动。同时这类开关通常安装在生产现场，在信号变换时应采取隔离措施。 机械有触点开关的变换方法通常有以下三种： (1)控制系统带电源方式这种方法一般用于开关安装位置离计算机控制装置较近的场合，供电电源为直流24 V以下，常用电路有串联和并联两种(如图2.4.2所示)。对于并联电，触点闭合时输出V0为高电平，触点打开时，V0为低电平。串联电路正好与之相反。图2.4.2 自带电源的开关量变换电路 (2)外接电源方式 它适合于开关安装在离控制设备位置较远的场合。外接电源可采用交流或直流的形式。采用直流形式的变换电路如图2.4.3所示。图2.4.3 外接直流电源开关量变换电路其中二极管为保护元件，对Rc的选择应考虑功率因素，则R。的选择式如下： RC=0.1VC(k)PC0.1RC(W)其中RC为k。外接电源采用交流时一般采用变压器，将高压交流(220 V或110 V)变为低压交流，电路如图2.4.4所示。这种电路的响应速度较慢，因而使用较少。图2.4.4 采用变压器的开关量变换电路 (3)恒流源方式这种方式适用于抗干扰能力要求高、传输距离较远的场合。电流一般取010 mA，即触点闭合时输出电流为10 mA，触点打开时输出电流为零。 2.无触点开关量无触点开关量指电子开关(例如固态继电器、功率电子器件、模拟开关等)产生的开关量。由于无触点开关通常没有辅助机构，其开关状态与主电路没有隔离，因而隔离电路是它的信号变换电路的重要部分。无触点开关量的采集可由两种方式实现。第一种方式与有触点开关处理方法相同，即把无触点开关当作有触点开关，按图2.4.5方式连接电路即可。所要注意的是连接极性不能随意更换。图2.4.5无触点开关变换电路无触点开关量的变换的第二种方法是从功率开关的负载电路取样法。这种方法的电路原理框图如图2.4.6所示。这种方法直接反映负载电路工作状态，而对开关状态的采样是间接的。图2.4.6开关量取样变换电路框图 3非电量开关量(数字量)通过采用磁、光、声等方式反映过程状态，在许多控制领域中得到广泛应用，这种非电量开关量(数字量)需要通过电量转换后才能以电的形式输出。实现非电量开关量(数字量)的信号变换电路包括非电量一电量变换、放大(或检波)电路、光电隔离电路等组成(图2.4.7)。图2.4.7非电量开关量转换在图2.4.7中，非电量一电量变换一般采用磁敏、光敏、声敏等元件，它将磁、光、声的变化以电压或电流形式输出。由于敏感元件输出信号较弱，输出电信号不一定是逻辑量(例如可能是交流电压)，因此对信号要进行放大和检波后才能变成具有一定驱动能力的逻辑电信号。隔离电路根据控制系统工作环境及信号拾取方式决定是否采用。 对于精度和稳定性要求较高的使用场合，可考虑采用紧密仪器或传感器(例如磁性编码器、光学编码器、感应同步器等)。 各种过程开关量经信号变换后转换成逻辑电信号或脉冲信号，但这种信号在脉冲宽度、脉冲波形形状、脉冲前后沿陡度及信号电平可能不很理想，通常需要进行波形整形及电平变换才能输入到计算机。 4波形整形 波形整形的目的是使逻辑信号变为较理想的电信号，并提高抗干扰能力。波形整形包括触点消抖、脉冲定宽、去除尖峰毛刺等。 (1)触点消抖 在机械有触点开关中，当触点闭合或打开时将产生抖动，使得开关量在动作瞬间的状态不稳，若是工作在计数方式或作为中断输入，将导致系统工作不正常，因此采用触点消抖是必要的。 实现触点消抖的方法很多，图2.4.8为采用定时器555的一种消抖电路。定时器555输出作为D触发器的时钟，而D触发器的D端则与输入相连，555工作在单稳态触发器方式，当触点闭合或打开时将触发555，产生一个脉冲宽度TO632RC的脉冲，只要该脉宽大于触点抖动时间，在D触发器输出便能获得与输入状态相同、没有抖动的信号。 (2)脉冲定宽 在许多控制系统中，有时要求在开关量变化时提供一个脉冲宽度稳定的脉冲，如上跳时产生脉冲、下跳时产生脉冲、上下跳变时都产生脉冲。采用单稳态触发器很容易实现这个功能。 图2.4.8触点消抖电路(3)消除毛刺 由于受环境干扰的影响，传输的开关量信号将产生毛刺。带有毛刺的开关量信号将对计算机控制系统工作可靠性产生一些影响。消除毛刺通常采用史密特触发器(如74LSl4等)或集成比较器。图2.4.9为采用比较器的整形电路及其电路特性。该电路具有史密特触发器相似的特性，门坎电平由P。调节，回环宽度由Rt调节。 图2.4.9回环比较器 5电平变换在计算机控制系统中，CPU一般只接受TTL电平信号，当开关量变换后的信号为非TTL电平时，则需要进行电平变换。 电平变换可采用光电隔离、晶体管或CMOSTTL电平变换芯片，电路如图2.4.10所示。其中光电隔离抗干扰性能好，但反应速度较慢，采用晶体管或CMOSTTL变换芯片则速度较快。图2.4.10 电平转换电路2.4.3开关量输入逻辑接口技术根据计算机控制系统的功能要求，CPU对开关量输入信号的处理形式主要有三种：开关状态检测、脉宽测量和脉冲计数。下面介绍开关状态检测及其接口。开关状态检测是指计算机在适当时刻将外部开关量的状态读入到计算机中。通常采用的方式为定时查询或中断。在定