计算机控制系统的硬件设计技术.ppt

第2章计算机控制系统的硬件设计技术 接口 是计算机与外围设备交换信息的桥梁过程输入输出通道 微机与生产过程之间信号传递与转换的过程通道 包括模拟量和开关量输入输出通道 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 步进电机及继电器等装置 2 1总线技术2 2总线扩展技术2 3数字量输入输出接口与过程通道2 4模拟量输入接口与过程通道2 5模拟量输出接口与过程通道2 6硬件抗干扰技术2 7本章小结 本章主要内容 2 1总线技术 2 1 1总线的定义 层次结构及种类总线 一组信号线的集合 以微处理器为核心 总线可以分为内部总线和外部总线 而内部总线又可分为片级总线和系统总线 片级总线包括数据总线 地址总线 控制总线 I2C总线 SPI总线 SCI总线等 系统总线包括ISA总线 EISA总线 VESA总线 PCI总线等 外部总线包括RS 232C RS 485 IEEE 488 USB等总线 另外 在工业控制中 还定义了其它总线 如 VME STD PC 104 CompactPCI等 2 1 2PC ISA EISA总线简介 1 PC ISA总线的发展 1981年 伴随以intel8088为CPU的IBMPC PC XT 问世 62线的IBMPC总线诞生 1984年 PC AT 16位总线 为了开发与IBMPC变容的外围设备 行业内逐渐确立了以IBMPC总线规范为基础的ISA IndustryStandardArchitecture 总线 1987年 IEEE正式制定了ISA总线标准 16位ISA总线规范要求与8位PC向下兼容 总线插槽由两部分组成 8位基本插槽和16位扩充插槽 8位基本插槽为62芯 16位扩展插槽为36芯 基本插槽可以独立使用 但只有8位数据和20位地址 如果需要16位的数据或者20位以上的地址 则需要8位基本插槽 16位扩充插槽的方式16位扩充插槽还扩充了中断和DMA请求 2 ISA信号线定义 高位字节选择信号 DMA地址使用信号 通常用于连接地址译码器的输入功能 用来选择DMA要访问的的设备或CPU要访问的设备 地址锁存信号 存储器的读写和I O读写信号 1MB以上存储空间的读写信号 I O通道检验错信号 系统时钟信号 固定频率8MHz DMA应答信号 I O通道准备好 输入为低电平表示请求插入等待周期 所有DMA通道的计数结束信号 16位存储器 I O 传送请求 总线主设备确认 只有该信号与DMA控制器配合使用 ISA设备才真正体现主模块功能 零等待信号 如果某个ISA上扩展的设备不需要插入这个等待周期 可使该板的0ws信号为低电平 中断请求信号 3 EISA ExtendedIndustryStandardArchitecture EISA为32位中央处理器设计的总线扩展工业标准 总线宽度从16位扩展为32位 总线频率8MHz提高到16MHz ISA对于386DX以上具有32位地址和数据宽度的微机系统不够 影响其性能的发挥 为此 IBM推出了32位微机采用的MCA微通道总线技术 但采用了严格的许可证制度 其它厂商不能采用 且与PC XT AT总线不兼容 为与之抗衡 Compaq HP NEC Epson等9家公司联合在ISA基础上于1988年推出了为32位机设计的 扩展工业标准结构 EISA 2 1 3PCI CompactPCI总线简介 PCI PeripheralComponentInterconnect 是美国SIG SpecialInterestGroupofAssociationforComputerMachinery 集团推出的64位总线 该总线的最高总线频率为33MHz 数据传输率为80MB s 峰值传输率为133MB s PCI是不依附于某个具体处理器的局部总线 从结构上看 PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线 具体由一个桥接电路实现对这一层的管理 并实现上下之间的接口以协调数据的传送 1 PCI总线的主要性能 1 支持10台外设2 总线时钟频率为33 3MHz 66MHz3 最大数据传输速度为133MB s4 时钟同步方式5 与CPU及时钟频率无关6 总线宽度为32位 64位7 能自动识别外设8 特别适合于Intel的CPU协同工作 2 其它性能 1 具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力2 具有隐含的中央仲裁器3 采用多路复用方式 减少了引脚4 支持64为寻址5 完全的多总线主控能力6 提供地址和数据的奇偶校验7 可以转换5V和3 3V的信号环境 3 PCI总线信号定义 主控设备49条 目标设备47条 可选引脚51条 主要用于64位扩展 中断请求 高速缓存支持等 总引脚数188条 包含电源 地 保留引脚等 PCI总线结构连接方式 CPU总线与PCI总线由桥接电路 北桥芯片 相连 芯片上除有桥接电路外 还有Cache 高速缓存 控制器和DRAM控制器等 PCI上挂高速设备 PCI和ISA EISA总线也通过桥接电路 南桥芯片 相连 ISA EISA挂慢速设备 继承原有资源 4 CompactPCI总线 CompactPCI是一种新的开放式工业计算机标准 是PCI总线技术与成熟的欧式卡组装技术的结合最具吸引力的特点是热插拔 hotswap 不切断电源的情况下从机箱内拔出或插入 依靠先进的软件 系统能够自动调整配置 2 1 4其它总线简介 1 PC 104总线 PC 104是一种嵌入式的总线规范 是ISA IEEE 996 标准的延伸 1992年被作为基本文件采纳 叫IEEE P996 1兼容PC嵌入式模块标准 其信号定义域PC AT基本一致 但电气和机械规范不同 是一种优化 小型 堆栈式结构的嵌入式控制系统 是专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线 PC 104plus为单列三排120个总线管脚 有效信号线和PCI总线完全兼容 一个计算机主板可以同时拥有PC AT和PCI总线 一个PC 104CPU模块可同时拥有PC 104和PC 104plus总线 2 PC 104plus总线 3 STD总线 1 STD总线信号 56根信号线 按其功能可分为四类 电源线 引脚1 6 53 36 数据总线 8 16位 引脚7 14 16位扩展16 30 地址总线 16 24 引脚15 30 7 14 控制总线 引脚31 52 2 STD32总线 STD总线56脚信号线称为P金手指 P1 P2 STD32是在P金手指之间插入了附加E金手指 E1 E2 增加了58条信号线 扩展了总线仲裁 附加的中断线 DMA以及地址线和数据线 以适应32位高性能微处理器的发展 采用公共母板结构 采用56线双列插座 是8 16位微处理器总线标准 2 1 5串行外部总线简介 外部总线 计算机与计算机之间或计算机与其他智能设备之间进行通信的连线 常用的外部总线有RS 232C USB串行总线 1 RS 232 RS 422 RS 485串行通信总线 1 平衡和不平衡传输方式 不平衡方式用单线传输信号 地线作为信号回路 信号线上所感应到的干扰和地线上的干扰叠加后影响接收信号 平衡方式用双绞线传输信号 信号在双绞线中自成回路 双绞线上的干扰互相抵消 地线上的干扰不影响接收端 具有好的抗干扰能力 并适合远距离传输 2 RS 232C 目前应用最广泛的串行通信接口标准 RS 232C的电气接口是单端的 双极性电源供电电路 数据传输局限于20kb s 传输距离为15米 没有规定连接器 产生了25插针等方案 各方案不兼容 每个信号只有一根导线 两个传输方向仅用一根地线 接口使用不平衡的发送器和接收器 可能在各信号间产生干扰 不能区分由驱动电路产生的有用信号和外部引入的干扰信号 由于发送器和接收器之间有公共信号地线 共模干扰信号不可避免地进入信号传送系统 因此 RS 232C要采用大幅度的电压摆动来避开干扰信号 3 RS 422A RS 485 采用平衡驱动和差分接收 这种驱动器相当于两个单端驱动器 输入相同 一个的输出是另一个的反向 当干扰信号作为共模信号出现时 接收器则接收差分输入电压 在较长距离内明显的提高数据速率 在1200m距离内把速率提高到100kb s 差分平衡结构能从地线的干扰中分离出有效信号 两对平衡差分电路形成全双工传输电路 半双工传输 任何时候只有一点处于发送状态 以此 发送电路必须有使能信号加以控制 在实际应用中 将远距离的两台或多台带RS 232C接口的系统连接起来 进行通信或组建分布式系统 可以用RS 232C 422A转换环节来解决 两个转换装置之间用RS 422A连接原理 通过光电隔离器件将RS 232C的1489与RS 422A的75174相连 而RS 422A的75175与RS 232C的1488相连 完成电气接口标准的转换 4 RS 485多点互连 任何时候只有一个主控模块发送数据 其他模块接收数据 于是便产生了主从结构形式的RS 485标准 2 USB总线 USB称为通用串行总线 由Compaq IBM等7家公司推出 是一种连接外部设备的机外总线 1 具有热插拔功能 2 USB采用 级联 方式连接各个外部设备 3 适用于低速外设连接 2 2总线扩展技术 2 2 1微型计算机系统I O端口与地址分配 1 I O端口及I O操作 接口内部一般设置若干寄存器 用以暂存CPU和外设之间传输的数据 状态 和控制信息 相应的寄存器分别为数据寄存器 状态寄存器和控制寄存器 这些能被CPU直接访问的寄存器统称为端口 分别叫数据端口 状态端口和控制端口 每个端口有独立的地址 作为CPU区分各端口的依据 数据端口 存放外设送往CPU及CPU输出到外设的数据 起数据缓冲作用 状态端口 用来指示外设的状态 每种状态用一个二进制位表示 每个外设可有几个状态位 被CPU读取 以测试或检查外设的状态 决定程序流程 命令端口 用来存放CPU向外设发出的各种命令和控制字 以便控制接口或设备的动作 CPU可对端口进行读写操作 CPU与外设的数据交换实质就是CPU的内部寄存器与接口内部的端口之间的数据交换 2 I O端口编址方式 类似于CPU读写存储器需要通过存储器的地址来区分内存单元 CPU通过端口地址实现对多个端口的读写选择 给I O端口编址的方式 统一编址 存储器映射方式 独立编址 I O映射方式 统一编址 把系统中的每个I O看成存储单元 与存储单元统一编址 访问存储器的所有命令可用来访问I O端口 不用设置专门的I O指令 所以也称为存储器映射I O编址方式 实质是把I O地址映射到存储空间 作为整个存储空间的一部分 优点 简化了指令系统设计 可使用种类多 功能强的存储器指令访问外设端口 I O地址空间可大可小 灵活性强 缺点 I O地址具有和存储器地址相同的长度 增加了译码的复杂度 延长了译码时间 降低了输入输出效率 独立编址 对系统中的I O端口单独编址 采用专门的I O指令来访问具有独立空间的I O端口 称为I O映射方式 优点 将输入输出指令和访问存储器的指令明显区分开 使程序清晰 I O地址较短 I O指令长度短 译码电路简单 指令执行速度快 缺点 必须设置专门的I O指令 其功能不如存储器指令强大 3 I O端口地址分配 不同类型的计算机采用不同的I O地址空间划分 80 x86 采用独立编址方式 端口地址为16位 最大寻址范围为64k个地址 PC系列微机 主板上只用了10位I O端口地址线 支持的端口数为1024个 地址空间为000H 3FFH 有效地址线为A0 A9 按接口电路的复杂程度及应用形式 可以把I O接口硬件分为两类 板内接口和扩展接口 PC系列微机的I O端口地址空间分为两部分 把1024端口的前256个 000H 0FFH 专供系统板上的I O接口芯片使用 后768个 100H 3FFH 为I O接口扩展卡使用 系统板上的I O接口 也称为板内接口 寻址到的都是可编程大规模集成电路 完成相应的板内接口操作 扩展卡上的I O接口 扩展卡主要指插接在主板插槽上的接口卡 通过系统与CPU相连 这些扩展卡一般由若干个集成电路按一定的逻辑组成一个部件 如图形卡 串行通信卡等 4 I O端口地址选用原则 为避免端口地址发生冲突 设计I O接口电路时 需要遵循一些原则 1 系统配置已使用的地址不能用2 未被使用 但厂家申明保留的地址不要用3 用户可以使用PC微机300H 31FH的地址 2 2 2I O端口地址译码技术 1 三种译码方式 把CPU送出的地址转变为芯片选择或端口区分的依据就是地址译码电路 1 线选法 高位地址线不经过译码 直接或反向后接各存储器芯片或端口的片选来区分各芯片或端口地址会造成地址重叠 且各芯片地址不连续 必须在软件上保证片选线每次寻址只有一个部件有效 2 全译码法 最终目标唯一确定一个端口地址或寄存器地址 所有地址线都参与译码 优点是每个芯片的地址范围唯一确定 且各片之间是连续的 缺点是译码电路复杂 3 部分译码 用片内寻址外的高位地址的一部分译码产生片选信号 部分译码简单 但存在地址重叠区 因此 必须通过软件保证这些片选线每次寻址只能有一个部件有效 2 I O端口地址译码电路信号 译码电路不仅与地址信号有关 还跟控制信号有关 要根据CPU与I O端口交换数据的流向 数据宽度 以及是否采用奇偶地址等要求来形成相应的控制信号 从而形成端口地址译码电路 以ISA总线为例 I O译码除了受A0 A9确定的地址范围限制外 还要用其他一些控制信号 如利用IOR或IOW信号控制对端口的读写 利用AEN DMA使用信号 控制非DMA传送 用IO16控制对8位还是16位端口操作 用SBHE控制端口的奇偶地址 3 I O端口地址译码方法及电路形式 1 固定地址译码 根据确定的地址字段来设计译码电路 AEN是ISA总线上的DMA使能信号 CPU控制总线时 AEN为0 DMA控制时 AEN为1 把AEN连接在译码器的低电平上 就保证该数据采集卡是在CPU控制下工作 2 开关选择译码 用户可以设置的 采用数据比较器和一组逻辑开关来实现ISA板卡高位地址的设定 逻辑开关全闭 则该板卡的高12位为03ExH 2 2 3基于ISA总线端口扩展 1 板选译码与板内译码2 总线驱动及逻辑控制3 端口及其读写控制 2 3数字量输入输出接口与过程通道 DI 在计算机控制系统中 当需对生产过程进行自动控制时 需要处理一类最基本的输入输出信号 即数字量 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 1 数字量输入输出接口2 数字量输入通道3 数字量输出通道4 数字量输入输出通道模板应用举例 2 3 1数字量输入输出接口技术 1 数字量输入接口 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 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 完成取数的指令 MOVDX port地址送DXINAL DX从端口读数 送AL 2 数字量输出接口 当对生产过程进行控制时 一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 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 MOVAL DATAMOVDX portOUTDX AL 2 3 2数字量输入通道 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 输入地址译码电路组成 其结构如下 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受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 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 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 1 小功率输入信号调理电路 下图是采用R S触发器来消除开关两次反跳引起抖动的方法 试阐述其如何来消除抖动的 分析 当开关S处于常闭位置时 1端为低电平 输出A为高电平 此时3 4端均为高电平 输出B为低电平 2端为低电平 从而2端被锁定 所以 即使在S端产生抖动 但只要不与常开端连接 输出A始终处于高电平 同理 当开关处于常开位置时也如此 因此 在开关闭合或断开时只产生一个脉冲 触点抖动现象被消除 2 大功率输入信号调理电路 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 2 3 3数字量输出通道 数字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 输出驱动电路 输出锁存器 地址译码器 生产过程 PC总线 1 数字量输出通道的结构 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 关键在于输出通道中的功率放大电路 根据生产过程开关器件功率的不同 可有多种数字量放大电路的构成方式 如 功率晶体管 大功率场效应管 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 因此 驱动电路实质上包含隔离和放大两部分 2 输出驱动电路 drivecircuitofoutput 输出锁存 flip latch 锁存CPU输出的数据或控制信号 隔离 isolating 为了防止干扰 放大 amplifying 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 因此 DO通道结构也可表示如下 1 输出接口光电隔离 photoelectricityisolating 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 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 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 2 晶体管输出驱动继电器 relay 电路 1 触点式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 触点式继电器工作原理 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 分析 当继电器K吸合时 二极管VD截止 电路正常工作 当继电器K释放时 由于继电器线圈电感的存在 因而储存有电能 而此时晶体管VT截止 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 达林顿阵列输出驱动继电器电路 MC1416是达林顿阵列驱动器 内含7个达林顿复合管 每个驱动电流大于500mA 截止时承受100V电压 右图是MC1416驱动7个继电器 2 固态继电器输出 solidstaterelay 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 下图为交流型SSR电路原理图 零交叉电路使交流电压变化到零伏附近时让电路接通 减少干扰 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 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路开关量隔离输出 其结构图如下所示 2 3 4数字量输入输出通道模板 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 程序设计举例 基地址设为220H PCL 730板卡的开关量输入 输出都只需要二条指令就可以完成 C语言程序如下 outportb 0 x220 Ox55 隔离开关量输出的奇数通道输出低电平outportb Ox221 0 x55 inportb Ox220 读入隔离开关量输入通道0 7的输入电平inportb Ox221 读入隔离开关量输入通道8 15的输入电平 汇编语言程序如下 MOVDX 220H 隔离开关量输出的奇数通道输出低电平MOVAL 55HOUTDX AL MOVDX 221H OUTDX ALMOVDX 220H 读入隔离开关量输入通道0 7的输入电平INAL DXMOVAH ALMOVDX 221H 读入隔离开关量输入通道8 15的输入电平INAL DX 2 4模拟量输入接口与过程通道 在计算机控制系统中 模拟量输入通道的任务是把从系统中检测的模拟信号 变成二进制的数字信号 经接口送往计算机 传感器将生产过程的工艺参数转换成电参数的装置 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 如压力变送器 温度变送器 流量变送器等 将温度 压力 流量的电信号变成0 10mA 或4 20mA的统一信号 2 4 1模拟量输入通道的组成 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 作用 是将电阻 电感 电容等参数的变化变换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 2 4 2信号调理和I V变换 1 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 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 R2 R3 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 Rpt t R0 a t t R0 dRa t 为电阻温度系数 t为温度 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A和B分别接在两个互相抵消的桥臂上 引线引起的误差和温度变化引起的误差一起被补偿掉 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 2 信号放大电路 基于ILC7650的前置放大电路 AD526可编程仪用放大器 自校零放大器 R2为精密电阻 2 I V变换 变送器输出的信号为0 10mA或4 20mA统一信号 需要经过IV变换变成电压后才成处理 1 无源I V变换 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0 10mA时 取R1 100欧R2 500欧 则V 0 5V当输入I为4 20mA时 取R1 100欧R2 250欧 则V 1 5V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 利用有源器件运算放大器和电阻组成 图中电容C起滤波 R2精密取样电阻 250欧 V1 I R2 V I R2 Rf R3R3 1K欧 R4为4 7K欧电位器 平衡电阻 调节Rf使0 10mA对应0 5V 2 有源I V变换 V1 也可用同相放大电路 A 1 R4 R3若取R3 100K R4 150K R1 200 则0 10mA输入对应于0 5V的电压输出 若取R3 100K R4 25K R1 200 则4 20mA输入对应于1 5V的电压输出 2 4 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机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 CD4051的原理 INH为高电平时 8个通道均不通 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 把时间上连续 幅值上也连续的模拟信号转变成一连串脉冲输出信号 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 2 4 4采样 量化及采样 保持器 1 信号的采样 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 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f 2fmax 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 5 10 fmax 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 用一组数码 二进制码 来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 2 信号的量化 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q 20mV 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 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 量化结果是多少 结论 q 20mV 幅值为0 990V 1 009V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 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 如图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 3 采样保持器 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K 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 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输入模拟量的变化幅度应小于A D转换量化误差 2 原理 工作原理 采样时 K闭合 VIN通过A1对CH快速充电 VOUT跟随VIN 保持期间 K断开 因A2的输入阻抗高 VOUT VC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 LF398采样保持控制引脚8 高电平 采样 低电平 保持CH外接高品质电容 其减小可以提高采样频率 但会减低精度 获取时间 CH为0 01uF时 信号精度0 01 的获取时间为25us 保持期间 电压下降每秒3mV 若A D转换时间为100us时 保持器输出电压下降约300uV 定义 实现采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U0 Ux为止 逐次逼近式双积分A D转换器 2 4 5A D转换器及其接口技术 1 A D转换器工作原理 2 A D转换器基本结构 1 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 转换过程 启动开始 控制逻辑给逐次逼近寄存器SAR SuccessiveApproximationRegister 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Uc Ux 则确认最高位为1的同时置次高位为1 若Uc Ux 则将最高位清零 同时置次高位为1 如此由最高位至最低位逐一比较 SAR的输出数字量即为Ux的转换数字量 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 2 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 1 分辨率是衡量A D转换器分辨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 3 A D转换器主要技术指标 假设n 8 满量程输入为5 12V 则 LSB对应于模拟电压 即 q 20mV 分辨率为n位 表示能对满量程输入的的增量作出反应 即数字量的最低有效位 LSB 对应于满量程输入的 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 LeastSignificantBit 4 量程是指所能转换的输入电压范围 如 5 5V 0 10V 0 5V 5 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 可考虑外接精密基准电源 4 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100 s 线性误差 LSB 2 8通道输入 通道选择 数字输出 A D转换器 1 8位A D转换器ADC0809 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000 111 对应VIN0 VIN7 8通道输入 通道选择 数字输出 A D转换器 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对应的通道的模拟量送入A D转换器 8通道输入 通道选择 数字输出 A D转换器 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 100 s左右后转换结束 结果D D 0 2n 1 存入三态锁存缓冲器 VINi D 8通道输入 通道选择 A D转换器 VINi 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 8通道输入 通道选择 A D转换器 VINi D 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高电平时 D由DO0 DO7输出 输出允许信号OE低电平时 DO0 DO7高阻 单通道12位逐次逼近A D转换器转换时间25us 误差 1 2LSB 单极性或双极性输入 量程10V或20V 2 12位A D转换器AD574A AD1674 10us 单 双极性应用 单极性 BIPOFF接0V 双极性 BIPOFF接10V 调零 调零 量程 量程 转换结果输出 引脚12 8 1 D11 D0并行输出 引脚12 8 0 D11 D4和D3 D0分时输出 控制逻辑 A0 转换数据长度选择控制信号 转换进行 STS为高电平转换结束 STS从高电平转为低电平转换时序 启动 转换时序 读 3 AD574A 1674与PC总线工业控制机接口 8位输出方式 若片选有效 高位地址为BASE 则12为A D启动控制端地址为BASE 0 A D数据输出高8位端口地址为BASE 2 低4位端口地址为BASE 3 A D转换子程序段如下 启动 ADSTART MOVDX BASE 0 OUTDX AL NOPRET 读数 ADREAD MOVDX BASE 2 INAL DX MOVAH ALMOVDX BASE 3INAL DXRET 2 4 6模拟量输入通道模板应用举例 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32路单端隔离模拟量输入通道 采 样 保 持 器 I O 主 机 控制逻辑 A D转换 多 路 转 换 器 信号调理或I V变换 过 程 参 数 接 口 电 路 模拟量输入通道 传感器或变送器 PCL 813B的寄存器地址基地址 04 A D转换结果的低字节 只读 基地址 05 A D转换结果的高字节 只读 包括转换准备位 基地址 09 增益控制 只写 基地址 10 多路转换控制 只写 基地址 12 A D转换软件触发程序设计举例PCL 813BA D转换基于查询方式 由软件触发 A D转换器被触发后 利用程序检查A D状态寄存器的数据准备位 DRDY 位4 如果检测到该位为 1 则A D转换正在进行 当A D转换完成后 该位变为低电平 此时转换数据可由程序读出 C语言参考程序如下 基地址为220H 单极性输入 inti adch adcloutportb 0 x229 0 x01 置增益地址 选择0 5V输入范围for i 0 i 20 i 延时outportb ox22a chno 写入通道号for i 0 i 50 i 延时outportb 0 x22c 0 启动A D转换do adch inportb 0 x225 读A D转换器状态 while adch 拼装成整数 汇编语言参考程序如下 基地址为220H 单极性输入 MOVDX 0229H 置增益地址MOVAL 01H 选择0 5V输入范围OUTDX ALCALLL1 L1为延时5us子程序MOVDX 022AH 写入通道号MOVAL 00HOUTDX ALCALLL2 L2为延时20us子程序MOVDX 022CH 写入通道号MOVAL 00H 启动A D转换OUTDX ALMOVDX 0225H POLLING INAL DX 读A D转换器状态TESTAL 00010000B 检测DRDY是否为1JNZPOLLINGMOVDX 0225H 读高字节 存入BH中INAL DXANDAL 0FHMOVBH ALMOVDX 0224H 读低字节 存入BL中INDX ALMOVBL AL 2 5模拟量输出接口与过程通道 模拟量输出通道 简称AO通道 有两种基本的结构 1 一个通道设置一个数模转换器 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 模拟输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键 它的任务是把计算机的数字量转换成模拟电压或电流信号 以便驱动相应的执行机构 达到控制的目的 由接口电路 D A转换器和V I变换等组成 2 5 1模拟量输出通道的结构形式 2 多通道共用一个数模转换器形式 共享D A结构的模拟量输出通道中的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 共用一个D A转换器 故必须在微型机控制下分时工作 适合于通道数量多且速度要求不高的场合 且要用多路开关 要求采样保持时间和采样时间比较大 可靠性较差 2 5 2D A转换器及其接口技术 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 1 D A转换器的工作原理及构成2 D A转换器的主要技术指标3 常用D A转换器及其接口 1 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 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 2RT形电阻网络 电子开关Ki i 0 1 n 1 和运算放大器A Di 1时 Ki切换到右端 虚地 Di 0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 VREF VREF 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 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 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D A转换器时 D 0 28 1即0 FFH VREF VOUT 2 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 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 常见D A转换器类型 电流输出型 通常要转为电压 因外接放大器有滞后 电压输出型 速度快 仅用于高阻抗负载 乘算型 在基准电压输入上加交变信号 能输出数字输入和基准电压输入相乘的结果 完成乘法运算 1bitD A转换器 将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出 然后用数字滤波器作平均化而得到电压输出 又称位流方式 3 常用D A转换器 8位D A转换器DAC0832由R 2R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 1 8位D A转换器DAC0832的结构及工作原理 当输入锁存允许ILE 片选CS有效 写选通信号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 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1 s 建立时间 IOUT1和IOUT2稳定 DAC0832 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 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0 5V 当VREF为 10V时 VOUT为0 10V 为了保证输入输出的线性度 两个输出端Iout1和Iout2的电位应尽可能接近零 只有这样 转换后得到的输出电流将经过内部的反馈电阻Rfb流到放大器的输出端 否则 运放两输入端微小的电位差将导致很大的线性误差 若DAC0832的CS口地址为BASE 则将7FH转换为模拟电压的接口程序为 DAOUT MOVDX BASEMOVAL 7FHOUTDX ALRET 2 12位D A转换器DAC1210 12位电流输出型D A转换器 内部具有两个锁存器 输入锁存器和DAC锁存器 分别由LE控制 BYTE1 BYTE2输入控制端高电平 DI0 DI11同时锁存到输入寄存器低电平 DI0 DI3锁存到4位输入寄存器 DAC寄存器的锁存控制端LE高电平 Q D 输入寄存器与DAC寄存器直通低电平 DAC寄存器锁存 WR1 WR2 CS XFER Rfb VREF