计算机控制技术输入输出接口与过程通道

1、YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN1第二章 输入输出通道YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN2本章主要内容本章主要内容YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN3输入输出输入输出通道通道什么是过程通道？什么是过程通道？ 过程通道是在过程通道是在计算机和生产过程计算机和生产过程之间设置的之间设置的信息传信息传送和转换的连接通道送和转换的连接通道。包括包括: :模拟量输入通道模拟量输入通道(AI(AIAnalog Input channel)Analog Input channel)模拟量输出通道模拟量输出通道(

2、AO(AOAnalog Output channel)Analog Output channel)数字量数字量( (开关量开关量) )输入通道输入通道(DI(DIDigital Input channel)Digital Input channel)数字量数字量( (开关量开关量) )输出通道输出通道(DO(DODigital Output channel)Digital Output channel) 在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过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，而程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输过程通道中又包含有输入输出接口入输出接口。

3、YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN4 计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图AIAODIDOInterfaceYANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN5 接口接口( (电路电路)-)-是计算机与外部设备交换信息的桥梁。是计算机与外部设备交换信息的桥梁。 输入接口输入接口：外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机。：外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机。输出接口输出接口：计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。：计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。 接口技术接口技术-是研究计算机与外部设备之间如何交换信是研究计算机与外部设备

4、之间如何交换信 息的技术。息的技术。 什么是接口？什么是接口？ 简单接口电路简单接口电路, , 接口芯片接口芯片 并行并行, , 串行串行 地址安排地址安排 速度匹配速度匹配: : 查询查询, , 中断中断, , 定时传送定时传送, DMA, DMAYANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN6 2.1.1 I/O端口与地址分配1. I/O端口及I/O操作 （1）数据端口(CPU与外设交换数据) （2）状态端口（外部设备忙？准备好？错误？） （3）命令端口（方式字、控制字）2. I/O端口编址方式 （1）统一编址（将端口看成特殊存储单元） （2）独立编址3. I/O端口地

5、址分配 （1）系统板上的I/O接口 （2）扩展卡上的I/O接口4. I/O端口地址选用原则2.1 2.1 总线扩展技术总线扩展技术YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN72.1.2 I/O地址译码技术三种译码方式： （1）线选法 （2）全译码法 （3）部分译码2.1 2.1 总线扩展技术总线扩展技术YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN82.I/O2.I/O端口地址译码电路信号（地址、控制信号端口地址译码电路信号（地址、控制信号AENAEN、IORIOR、IOWIOW等组合作为地址译码信号）等组合作为地址译码信号）3.I/O3.I/O端口

6、地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 （1 1）固定地址译码）固定地址译码YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN93.I/O3.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 （2 2）开关选择译码）开关选择译码YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN102.1.3 2.1.3 基于基于ISAISA总线端口扩展总线端口扩展1.1.板选译码与板选译码与板内译码板内译码2.2.总线驱动及总线驱动及逻辑控制逻辑控制3.3.端口及其读端口及其读写控制写控制YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN11

7、 设计过程通道时要考虑信息交换的效率、信息交设计过程通道时要考虑信息交换的效率、信息交换的形式等。换的形式等。 速度的匹配速度的匹配（快速的快速的CPUCPU与慢速的外设）与慢速的外设） CPUCPU与外设的同步与通信联络与外设的同步与通信联络 （何时可以发送数何时可以发送数 据及接收数据）据及接收数据） 输入输入/ /输出信号形式转换（输出信号形式转换（A/D A/D 、D/AD/A） 信号的放大、采样、保持、电平转换、整形、信号的放大、采样、保持、电平转换、整形、驱动等驱动等设计过程通道的注意点：设计过程通道的注意点：YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN122

8、.2 2.2 数字量输入输出通道数字量输入输出通道本节主要内容本节主要内容YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN13 数字量（开关量）的概念数字量（开关量）的概念开关的开断开关的开断触点的闭合触点的闭合电平的高低电平的高低电机的启停电机的启停阀门的开闭阀门的开闭指示灯的亮灭等等指示灯的亮灭等等特点：状态仅有两个，可用一位二进制数码表示特点：状态仅有两个，可用一位二进制数码表示YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN14 按类型分按类型分: : 电平式和触点式两种电平式和触点式两种电平式为高电平或低电平电平式为高电平或低电平触点式为触点闭合或

9、触点断开触点式为触点闭合或触点断开按电源分按电源分: : 有源和无源两种有源和无源两种有源即直接提供高、低电平有源即直接提供高、低电平无源即提供物理触点，或感应器件无源即提供物理触点，或感应器件数字量（开关量）的种类数字量（开关量）的种类YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN152.2.1 2.2.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术 对生产过程进行控制，往对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量。根据状态信息，再给出控制量。这里用三态缓冲器这里用三态缓冲器74LS24474LS244取取得

10、状态信息得状态信息YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN16 如下指令完成如下指令完成8 8个开关个开关量采集：量采集： MOV DX, port MOV DX, port IN AL, DXIN AL, DX 在执行在执行ININ指令时，指令时，经过端口地址译码，得经过端口地址译码，得到片选信号到片选信号/CS/CS，同时产，同时产生信号生信号/IOR/IOR，打开缓冲打开缓冲器，外部状态经总线到器，外部状态经总线到达达CPUCPU。 G=0 Y=A G=1 Y为高阻态 1 1 简单数字量输入接口简单数字量输入接口特点：简单，只能用无特点：简单，只能用无条件传送方

11、式工作条件传送方式工作YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN17 对生产过程进行控制对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就需要值为止，这时输出就需要锁存。可用锁存。可用74LS27374LS273作作8 8位位输出锁存口，对状态输出输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。这是简单信号进行锁存。这是简单数字量输出接口。数字量输出接口。 1 1 简单数字量输出接口简单数字量输出接口YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN18 可用下列指令完成可用下列指令完成8 8

12、位开关量位开关量的输出控制。的输出控制。MOV AL, DATAMOV AL, DATAMOV DX, portMOV DX, portOUT DX, AL OUT DX, AL 图中，图中，273273的的CLKCLK上升沿锁存数上升沿锁存数据。在执行据。在执行OUTOUT指令时指令时, , 经过端经过端口地址译码，得到片选信号口地址译码，得到片选信号/CS/CS，同时产生同时产生/IOW/IOW信号。两个信号都信号。两个信号都变低时，变低时，CLKCLK也变低，也变低，Q=D,Q=D,然后然后/IOW/IOW变高，变高，CLKCLK上升沿锁存输出。上升沿锁存输出。 简单数字量输出接口简单数

13、字量输出接口CLK锁存特点：简单，只能用无条件传特点：简单，只能用无条件传送方式工作送方式工作YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN.2 数字量输入通道数字量输入通道 数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲器、数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲器、输入地址译码电路等组成，如图所示。输入缓冲器即前面输入地址译码电路等组成，如图所示。输入缓冲器即前面介绍过的数字量输入接口。介绍过的数字量输入接口。数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构1. 1. 数字量输入通道结构数字量输入通道结构YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.E

14、DU.CN20 2. 2.输入调理电路输入调理电路 数字量数字量( (开关量开关量) )输入通道的基本功能就是接输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的收外部装置或生产过程的状态信号状态信号。 这些状态信号的形式可能是电压、电流、开这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。动等现象。 为了将外部开关量信号输入到计算机，必须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将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔转换、保护、滤波、隔离离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这等措施转换成计

15、算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为些功能称为信号调理信号调理。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN21（1 1）小功率输入调理电路）小功率输入调理电路 图图(a)(a)所示为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动所示为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法。图的方法。图(b)(b)所示为用所示为用R-SR-S触发器消除开关弹跳的方法。触发器消除开关弹跳的方法。 开关、继电器等触点状态（接通和断开），需转换成开关、继电器等触点状态（接通和断开），需转换成TTLTTL电平信号才能与计算机接口相连。为了清除开关接点机械抖电平信号才能与计算机接口相连。为了清除开关接点

16、机械抖动而产生的振荡信号，一般都应用去抖电路来消除这种振荡。动而产生的振荡信号，一般都应用去抖电路来消除这种振荡。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN22 在大功率系统在大功率系统中，需要从电磁开中，需要从电磁开关等大功率电气开关等大功率电气开关的接点输入信号，关的接点输入信号，检查开关的状态。检查开关的状态。这种情况下，为了这种情况下，为了使接点工作可靠，使接点工作可靠， 接点两端至少要加接点两端至少要加24V24V以上的直流电压。以上的直流电压。 因为直流电平的响应快，不易产生干扰，电路又简单，因为直流电平的响应快，不易产生干扰，电路又简单，因而被广泛采用。因

17、而被广泛采用。 这种电路，所用电压高，所以高压与低压之间，要用光这种电路，所用电压高，所以高压与低压之间，要用光电耦合器进行隔离，然后接入计算机接口，如图所示。电耦合器进行隔离，然后接入计算机接口，如图所示。 （2 2）大功率输入调理电路）大功率输入调理电路YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN23 光电耦合式处理电路的主要器件是光电隔离器光电耦合式处理电路的主要器件是光电隔离器OIOI，它，它由发光二极管和光敏三极管组成，如图（由发光二极管和光敏三极管组成，如图（a a）所示。）所示。 继电器耦合式信号处理电路如图（继电器耦合式信号处理电路如图（b b）所示。当开

18、关）所示。当开关（接点）（接点）S S断开时，继电器断开时，继电器K K线圈不通电，其接点断开，线圈不通电，其接点断开，“非非”门输入为高电平，输出门输入为高电平，输出u u0 0为低电平；当开关（接点）为低电平；当开关（接点）S S接通时，继电器励磁，其结果输出接通时，继电器励磁，其结果输出u u0 0变为高电平。变为高电平。（3 3）隔离式处理电路）隔离式处理电路YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN.3 数字量输出通道数字量输出通道 数字量输出通数字量输出通道主要由输出驱动道主要由输出驱动电路、输出锁存器、电路、输出锁存器、输出口地址译码电

19、输出口地址译码电路等组成，如图所路等组成，如图所示。示。输出锁存器即输出锁存器即前面介绍过的数字前面介绍过的数字量输出接口，或用量输出接口，或用可编程接口芯片构可编程接口芯片构成的输出接口。成的输出接口。 1. 1. 数字量输出通道结构数字量输出通道结构YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN25 采用功率晶体管输采用功率晶体管输出驱动继电器的电路如出驱动继电器的电路如图所示。图所示。 因负载呈电感性，因负载呈电感性，所以晶体管集电极必须所以晶体管集电极必须加装克服反电势的保护加装克服反电势的保护二极管二极管D D，J J为继电器的为继电器的线圈。线圈。 2. 2.

20、输出驱动电路输出驱动电路（1 1）功率晶体管驱动）功率晶体管驱动YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN26 MCl416MCl416是达林顿阵列驱是达林顿阵列驱动器，它内含动器，它内含7 7个达林顿复合个达林顿复合管，每个复合管的电流都在管，每个复合管的电流都在500mA500mA以上，截止时承受以上，截止时承受100V100V电压。为了防止电压。为了防止MCl416MCl416组件组件反向击穿，可使用内部保护反向击穿，可使用内部保护二极管。左图给出了二极管。左图给出了MCl416MCl416内部电路原理图和使用方法。内部电路原理图和使用方法。 （2 2）达林顿阵列

21、输出驱动）达林顿阵列输出驱动YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN27 固态继电器固态继电器( (SSRSSR) )是一种四端有源器件，上图为固态是一种四端有源器件，上图为固态继电器的结构和使用方法。继电器的结构和使用方法。输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。号。 （3 3）固态继电器驱动）固态继电器驱动YAN

22、GZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN28固态继电器固态继电器YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN29（4 4）光电隔离驱动）光电隔离驱动 图（图（a a）所示光电隔离式驱动电路，它输出的是电平信）所示光电隔离式驱动电路，它输出的是电平信号；图（号；图（b b）所示光电隔离与中间继电器（或干簧继电器）所示光电隔离与中间继电器（或干簧继电器）式驱动电路，它输出接点信号（称空接点），用以需要触点式驱动电路，它输出接点信号（称空接点），用以需要触点控制的回路。控制的回路。 图（图（a a）和（）和（b b）中设置反相器）中设置反相器B B及与非门及

23、与非门A A的目的，一是的目的，一是驱动发光二极管，因并行口带负载能力有限。二是采用与非驱动发光二极管，因并行口带负载能力有限。二是采用与非门后要同时满足两个条件才能使门后要同时满足两个条件才能使J J动作，增加了抗干扰能力。动作，增加了抗干扰能力。 YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN302.2.4 数字（开关）量输入数字（开关）量输入/输出通道模板举例输出通道模板举例图图2-19 PCL-7302-19 PCL-730板卡组成框图板卡组成框图YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN312.2.4 数字（开关）量输入数字（开关）量输入/

24、输出通道模板举例输出通道模板举例程序设计举例程序设计举例( (基地址设为基地址设为220H)220H)：PCL-730PCL-730板卡的开关量输入板卡的开关量输入/ / 输出都只需要二条指令就可以完成。输出都只需要二条指令就可以完成。C C语言程序如下：语言程序如下：outportb(0 x220outportb(0 x220，Ox55) Ox55) outportb(Ox221outportb(Ox221，0 x55)0 x55)inportb(Ox220) inportb(Ox220) inportb(Ox221)inportb(Ox221)汇编语言程序如下：汇编语言程序如下：MOV D

25、XMOV DX， 220H220HMOV ALMOV AL， 55H55HOUT DXOUT DX， ALALMOV DXMOV DX， 221H221HOUT DXOUT DX， ALALMOV DXMOV DX， 220H220HIN ALIN AL， DX DX MOV AHMOV AH， ALALMOV DXMOV DX， 221H221HIN ALIN AL， DXDXYANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN322.3 2.3 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道2.3.1 2.3.1 模拟量输入通道组成模拟量输入通道组成 模拟量输入通道的任务是

26、把从系统中检测到的模拟信号，模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 （I/VI/V变换），多路转换开关变换），多路转换开关,(,(前置放大器前置放大器),),采样保采样保持器持器, , 接口控制电路等接口控制电路等YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN332.3.2 2.3.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换1.信号调理电路信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。信号调理电路是传

27、感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。（1）非电信号的检测-不平衡电桥热电阻测量电桥热电阻测量电桥热电阻三线制接线图热电阻三线制接线图YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN342.3.2 2.3.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换（2）信号放大电路 (1)基于ILC7650的前置放大电路ILC7650是差分放大电路，能自校零，输入电阻为1012欧姆，共模抑制比为130db，增益K1500。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN352.3.2 2.3.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换

28、变换(2) 程控增益放大器程控增益放大器 为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。 可变增益放大器的增益由程序控制，这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。 YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN362.3.2 2.3.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换（2）AD526可编程仪用放大器AD526: 可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是x l、x 2、x 4、x 8、x16等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTL数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。 A2 A1 A0A2 A1

29、 A00 0 0 x10 0 0 x10 0 1 x20 0 1 x20 1 0 x40 1 0 x40 1 1 x80 1 1 x81 0 0 x16 1 0 0 x16 YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN3.2 I/V I/V变换变换 功能：将变送器输出的标准信号功能：将变送器输出的标准信号0 010mA10mA或或4 420mA20mA，变，变 换成标准换成标准0 05V5V电压信号。电压信号。 1. 1. 无源无源I/VI/V变换变换无源无源I IV V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输

30、出限幅等保护措施，如图所示。滤波和输出限幅等保护措施，如图所示。滤波保护输入：输入： 0 010mA10mA输出：输出： 0 05V 5V 电阻值：电阻值：R1=100 R1=100 R2=500( R2=500(精密电阻精密电阻) )输入：输入： 4 420mA20mA输出：输出： 1 15V5V电阻值：电阻值：R1=100R1=100， R2=250(R2=250(精密电阻）精密电阻）YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN382.2.有源有源I/VI/V变换变换有源有源I IV V变换用运算放大器、电阻等组成，如图所示。变换用运算放大器、电阻等组成，如图所示。同

31、相放大电路，把电阻同相放大电路，把电阻R R1 1上产生的输入电压变成标准的输出上产生的输入电压变成标准的输出电压。电压。输入：输入：0 010mA10mA，输出：，输出：0 05V5V电阻值：电阻值：R1=200R1=200, R3=100K, R4=150K, A=2.5 R3=100K, R4=150K, A=2.5输入：输入：4 420mA20mA，输出：输出：1 15V 5V 电阻值：电阻值： R1=200R1=200, R3=100K, R4=25K, A=1.25 R3=100K, R4=25K, A=1.25341RRA 该同相放大电路的该同相放大电路的放大倍数为放大倍数为YA

32、NGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN392.2.有源有源I/VI/V变换变换 电阻R2的精密电阻，阻值是250，R1=200将电流信号转换成电压信号。 R31k，Rf=4.7k, 通过调整Rf可以将输入的使得的输入电压变成标准的输出电压。输入：010mA，输出：05V输入：420mA，输出：15VYANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN40 2.3.3 多路转换器 功能：将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。要求：开路电阻无穷大、导通电阻无穷小、切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。常用的多路开关都采用电子开关，如CD

33、4051。 CD4051在Vdd和Vss之间的电压差为15V时，导通电阻为80欧姆。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN4. 1.1.信号的采样信号的采样 采样过程：采样过程：按一定的时间间隔按一定的时间间隔T T，把时间上连续和幅值，把时间上连续和幅值上也连续的模拟量信号、转变成在时刻上也连续的模拟量信号、转变成在时刻0 0、T T、2T2T、KTKT的一的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。 y(t)t采样器采样器y(t)y*(t)y*(t)2T4Tt原始过程信号原始过程信号信号通过采样器信号通过采样器采样

34、后的信号采样后的信号采样开关采样开关: : 执行采样动作的开关执行采样动作的开关K K称为采样开关或采样器。称为采样开关或采样器。 采样宽度采样宽度( (时间时间)：采样开关闭合的时间。：采样开关闭合的时间。 采样周期采样周期T:T: 采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔T T称为采样周期。称为采样周期。采样信号：采样信号： 采样后的脉冲序列，称为采样信号。它在时间上是离采样后的脉冲序列，称为采样信号。它在时间上是离 散的，但在幅值上仍是连续的。散的，但在幅值上仍是连续的。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN42采样器采样器 A/D计算机计算机D/

35、A保持器保持器y(t)y*(t) y(kT) u(kT) u*(kT) u(t)香农采样定理香农采样定理 如果连续模拟信号如果连续模拟信号频谱的最高频率为频谱的最高频率为f fmax，只要按照，只要按照采样频率采样频率f2ff2fmax进行采样，那么采样信号进行采样，那么采样信号就能唯一地复就能唯一地复现现y(t)y(t)。 香农采样定理是从信号恢复的观点对采样频率提出的要香农采样定理是从信号恢复的观点对采样频率提出的要求，在计算机控制实际应用中，所取的求，在计算机控制实际应用中，所取的采样频率采样频率f f远高于按远高于按香香农采样定理选择的农采样定理选择的采样频率。采样频率。YANGZHO

36、U UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN432.量化 量化：用有限字长二进制代码逼近采样信号幅值，转为 数字信号。量化过程：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转换器把满量程范围内变化的采样信号，分成2n-1个间隔，每个间隔与其最低有效位(LSB)所对应的模拟量相等。量化单位：最低有效位(LSB)所对应的模拟量。 q=(ymax-ymin)/2n M为被转换的模拟量电信号满量程，n为A/D的转换位数量化误差：由量化过程引起的误差。 e=q/2YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN44 使用使用采

37、样保持器采样保持器的必要性：保证的必要性：保证A/DA/D转换的精度。转换的精度。（1 1）孔径时间和孔径误差的消除）孔径时间和孔径误差的消除孔径时间：孔径时间：完成一次完成一次A/DA/D转换所需的时间，称为孔径时间。转换所需的时间，称为孔径时间。孔径误差：孔径误差：因孔径时间而产生的最大因孔径时间而产生的最大A/DA/D转换误差。对于转换误差。对于 一定的转换时间，误差的百分数和被转换信一定的转换时间，误差的百分数和被转换信 号频率成正比。号频率成正比。孔径误差的消除：孔径误差的消除：使用采样保持器。使用采样保持器。3.3.采样保持器采样保持器YANGZHOU UNIVERSITYWWW.

38、YZU.EDU.CN45A/DA/D转换器孔径误差的计算：转换器孔径误差的计算： 对图示正弦信号从对图示正弦信号从t t0 0时刻开始进行时刻开始进行A/DA/D转换，但转换结转换，但转换结束时已为时刻束时已为时刻t t1 1，信号已发生，信号已发生UU的变化。因此，对于一定的变化。因此，对于一定的转换时间，最大的误差可能发生在信号过的转换时间，最大的误差可能发生在信号过0 0的时刻。因为的时刻。因为此时此时dUdUdtdt最大，孔径时间最大，孔径时间t tA/DA/D一定，所以此时一定，所以此时UU为最大。为最大。tUUmsintfUtUdtdUmmcos2cost=0 时， ,设设则则1c

39、ostfUtUm2DAtt/DAmftUU/2%1002100/DAmftUU对一定的对一定的原点处转换的不确定电压误差原点处转换的不确定电压误差误差的百分数误差的百分数 YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN46 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。为确保A/D转换的精度，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0.1%)，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信号最大频率为：HztfDA9 . 010026/ 为提高模拟量输入信号的频率范围，可采用为提高模拟量输入信号

40、的频率范围，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器。带有保持电路的采样器，即采样保持器。 YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN47（2）采样保持器的原理 基本组成：输入输出缓冲器A1、A2、采样开关K、保持电容CH。工作原理： 采 样 时 ， K 闭 合 ， VI N通 过 A 1 对 CH快 速 充 电 ， 很 快 使 VC=VIN,VOUT=VIN； 保持期间，K断开，VC不受VIN的影响。 由于A2的输入阻抗很高，理想情况下，VOUT=Vc 保持不变。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN48 （3 3）常用的采样保持器）常用的

41、采样保持器 LF398LF398介绍：介绍： 采样电平：采样电平：1 1 保持电平：保持电平：0 0 保持电容：外接，常选保持电容：外接，常选5105101000PF1000PF。减小。减小C CH H可提可提高采样频率，但会降低精高采样频率，但会降低精度。一般选用聚苯乙烯、度。一般选用聚苯乙烯、聚四氟乙烯等高质量电容聚四氟乙烯等高质量电容器。器。 选择采样保持器的主要因素有：选择采样保持器的主要因素有： 获取时间获取时间，电压下降率电压下降率等。等。 LF398LF398的的C CH H1000P1000P时，信号达到时，信号达到0.010.01精度所需的获取时间精度所需的获取时间( (采样

42、时间采样时间) )为为4s4s，保持期间的输出电压下降率为，保持期间的输出电压下降率为30mV/S30mV/S。 若若A/DA/D转换器的转换时间为转换器的转换时间为100s100s，转换期间，保持器输出电压下降约，转换期间，保持器输出电压下降约3V3V。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN492.3.5 A/D2.3.5 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN50A/DA/D转换器转换器定义定义 A/DA/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或

43、装置。或装置。常用转换方式常用转换方式 逐次逼近式逐次逼近式：转换时间短（几微秒：转换时间短（几微秒- -几百微秒），抗干几百微秒），抗干扰能力差；扰能力差； 8 8位位 ADC0809, 12ADC0809, 12位位 AD574AD574 双斜积分式双斜积分式：转换时间长（几十毫秒：转换时间长（几十毫秒- -几百毫秒），抗几百毫秒），抗干扰能力强。干扰能力强。 3 3位半位半 MCl4433(11MCl4433(11位分辨率位分辨率) ) 4 4位半位半ICL7135(14ICL7135(14位分辨率位分辨率) ) YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN51 转

44、换时间：转换时间：完成一次模拟量到数字量转换所需的时间。完成一次模拟量到数字量转换所需的时间。 分辨率分辨率：用二进制位数：用二进制位数n n来表示，如来表示，如8 8位、位、1212位、位、1616位等。分辨率为位等。分辨率为n n位位表示它能对满量程输入的表示它能对满量程输入的1 12 2n n的增量作出反映。若的增量作出反映。若n n8 8，满量程输入为，满量程输入为5V5V，则能辨别的，则能辨别的 模拟电压增量是模拟电压增量是 5V5V2 28 819.5mV19.5mV。 线性误差：线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大

45、误差定义为线性误差。用为线性误差。用LSBLSB的分数表示，如的分数表示，如1/2LSB1/2LSB或或1LSB1LSB。 LSBLSB：数字量的最低有效位，对应于满量程输入的数字量的最低有效位，对应于满量程输入的1/1/2 2n n。 量程：量程：所能转换的输入电压的范围，如所能转换的输入电压的范围，如0 05V,5V,-5 -5+5V+5V等。等。 基准电源基准电源：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。在设计：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。时，应考虑是否要外接精密基准电源。 主要技术指标主要技术指标YANGZHOU UNIVER

46、SITYWWW.YZU.EDU.CN5 8 8位位A/DA/D转换器转换器接口技术接口技术 1. 81. 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809 8 8路路ADC0809ADC0809的内部逻辑结构和引脚的内部逻辑结构和引脚YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN53（1 1）8 8通道模拟开关及通道选择逻辑通道模拟开关及通道选择逻辑 功能：实现功能：实现8 8选选1 1操作操作2.2.1 ADC0809 在在STARTSTART发一个启动转换命令发一个启动转换命令( (正脉冲正脉冲) )后开始转换，经后开始转换，经1

47、00us100us左右转换结束左右转换结束(CLK(CLK为为640kHz)640kHz)。转换结束时，。转换结束时，EOCEOC信号由信号由低电平变为高电平，通知低电平变为高电平，通知CPUCPU读结果。读结果。（3 3）三态输出锁存缓冲器）三态输出锁存缓冲器 功能：存放转换结果功能：存放转换结果D D，输出允许信号，输出允许信号OEOE为高电平时，为高电平时，D D由由DODO7 7 -DO -DO0 0上输出。上输出。 （2 2）8 8位位A/DA/D转换器转换器 功能：对输入端信号功能：对输入端信号V Vi i 进行转换，转换结果进行转换，转换结果D D存入存入三态输出锁存缓冲器。三态

48、输出锁存缓冲器。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN54(4) ADC0809(4) ADC0809的转换时序的转换时序 2.2.1 ADC0809YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN551. 121. 12位位A/DA/D转换器转换器 AD574AAD574A （1 1）逻辑图和引脚功能）逻辑图和引脚功能 AD574AAD574A引脚排列图引脚排列图 1212位位A/DA/D转换器转换器接口技术接口技术YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN56 AD574 AD574是高性能的

49、是高性能的1212位逐次逼近式位逐次逼近式A AD D转换器，转换转换器，转换 时间约为时间约为25us25us，线性误差为，线性误差为 1/2LSB1/2LSB。 AD574AD574内部集成有时钟源，基准电压源和三态输出锁内部集成有时钟源，基准电压源和三态输出锁存器，因此使用方便，可直接和微机接口，不需要存器，因此使用方便，可直接和微机接口，不需要外接时钟电路。外接时钟电路。 AD574AD574的输入模拟电压既可是单极性也可是双极性。的输入模拟电压既可是单极性也可是双极性。 AD574AD574的数字量的位数可以设定为的数字量的位数可以设定为8 8位，也可设定为位，也可设定为1212位。

50、位。2.2.2 AD574（2 2）结构特点）结构特点YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN57（3 3）极性与量程设定）极性与量程设定单极性时单极性时: BIPOFF: BIPOFF接接0V0V，双极性时双极性时: BIPOFF: BIPOFF接接10V10V。量程量程: 10V(-5V: 10V(-5V5V)5V)， 输入信号接至输入信号接至10V10VININ；20V(-10V20V(-10V+10V), +10V), 输入信号接至输入信号接至20V20VININ。量化单位量化单位: 10V: 10V时时, 10V, 10V2 212122.44mV2.44m

51、V 20V 20V时时, 20V, 20V2 212124.88mV4.88mV。2.2.2 AD574YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN58VREF IN满量程满量程调整调整调零调零REF OUT10V2.2.2 AD574单极性输入：单极性输入：零位调整？零位调整？调整W1，使输入模拟量为量为1.22mV(1/2LSB对应的电压对应的电压)时，时，数字量从量从000000000000B变化到变化到000000000001B。增益调整？增益调整？调整W2，使输入模拟量为9.9963V(10V1.5LSB对应的电压)时，数字量从111111111110B变化到1

52、11111111111B。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN59VREF IN满量程满量程调整调整调零调零REF OUT10V2.2.2 AD574双极性输入：双极性输入：零位调整？零位调整？调整W1，使输入模拟量为量为-4.9988V(在在5V5V范围内范围内1/2LSB对应的电压对应的电压)时，时，数字量从量从000000000000B变化到变化到000000000001B。增益调整？增益调整？调整W2，使输入模拟量为4.9963V(在在5V范围内范围内5V1.5LSB对应的电压)时，数字量从111111111110B变化到111111111111B。YAN

53、GZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN60+5V接地（4 4）输出宽度选择）输出宽度选择 三态缓冲器用于存放三态缓冲器用于存放1212位转换结果位转换结果D(DD(D0 02 21212-1)-1)。D D的的输出方式有两种：输出方式有两种：引脚引脚 12/812/81 1时，时，D D的的D D1111D D0 0，并行输出；，并行输出； 12/812/80 0时，时，D D的高的高8 8位位D D1111D D4 4，与低，与低4 4位位D D3 3D D0 0分时输分时输出。出。2.2.2 AD574（5 5）控制逻辑）控制逻辑片选D3D2D1D0D11D10-D5

54、D4YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN612.2.2 AD574（6 6）启动与读时序）启动与读时序STS=1,STS=1,正在转换正在转换启动启动: : CS=0, CE=1, R/C=0CS=0, CE=1, R/C=0然后然后 CS=1, CE=0CS=1, CE=0 读结果：读结果：CS=0, CE=1, R/C=1CS=0, CE=1, R/C=1然后然后 CS=1, CE=0CS=1, CE=0 YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN62 A A0 0接地工作于接地工作于1212位转换方式，位转换方式，12/812/8控制

55、引脚接地，为控制引脚接地，为高高8位位D11D4，与低，与低4位位D3D0分时输出分时输出方式。方式。2.2.2 AD5743. AD5743. AD574与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 1）启动子程序ADStart：mov dx,base+0 out dx,al ret2)读数子程序ADRead：mov dx,base+2 in al,dx mov ah,al mov dx,base+3 in al,dx ret YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN6.6 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计 利用利用1212位位A/DA/D

56、转换器转换器AD574AAD574A，采样保持器，采样保持器LF398LF398、多路开关多路开关CD4051CD4051、8255A8255A并行接口，设计并行接口，设计PCPC总线工业总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。控制机的模拟量输入通道电路模板。该电路模板的主要技术指标为该电路模板的主要技术指标为 8 8通道模拟量输入通道模拟量输入 12 12位分辨率位分辨率 输入量程为单极性输入量程为单极性0 0l0Vl0V A/D A/D转换时间为转换时间为25s25s 应答方式为查询应答方式为查询 YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN64(1)(1) 8255

57、A 8255A 端口分配端口分配A A口口 结果高四位结果高四位 PAPA3 3PAPA0 0B B口口 结果低八位结果低八位 PBPB7 7PBPB0 0C C口口 控制控制(2) (2) 通道选择通道选择 8255A C8255A C口低口低4 4位位(PC(PC0 0PCPC3 3) ) 控制控制CD4051CD4051，选择模拟通，选择模拟通道。道。1 1原理电路图原理电路图(3) (3) 采样保持采样保持 LF39 LF39 采样保持控制采样保持控制端受端受AD574AAD574A的的STSSTS控制。控制。 AD574AAD574A未转换期间未转换期间STSSTS0 0，反相后，反

58、相后LF398 LF398 8 8端为高，处于采样端为高，处于采样状态。状态。转换开始，转换开始，STSSTS1 1，反相后反相后LF398 LF398 8 8端为端为低，处于保持状态。低，处于保持状态。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN652 2程序设计程序设计(1)(1)采集程序控制步骤采集程序控制步骤 (a) (a) 选通道选通道 由由8255A C8255A C口口PCPC0 0PCPC3 3送出送出 (b) (b) 启动启动A/D A/D 由由8255A C8255A C口口PCPC4 4PCPC6 6 控制控制 (c) (c) 查询转换结束否查询转换

59、结束否, , 读读8255A A8255A A口口 PAPA7 7，了解，了解STSSTS是否是否已由高电平变为低电平。已由高电平变为低电平。 (d) (d) 读取转换结果读取转换结果若查询到若查询到STSSTS由由l l变为变为0 0，则读，则读8255A8255A的端口的端口A A和端口和端口B B，便可得到转换结果。便可得到转换结果。(2) (2) 程序设计程序设计 设设8255A8255A的地址为的地址为2C0H2C0H2C3H2C3H，主过程已对，主过程已对8255A8255A初始化初始化, ,且已装填且已装填DSDS、ES(ES(两者段基值相同两者段基值相同) )，采样值存入数据段

60、中的，采样值存入数据段中的采样值缓冲区采样值缓冲区BUFBUF。 YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU.CN662.3.6 2.3.6 模拟量输入通道模板举例模拟量输入通道模板举例图2-30 PCL-813B数据采集卡组成框图 PCL-813B 是研华公司的基于ISA总线的数据采集卡，采用AD574，转换时间25微秒，32路单端隔离模拟量输入通道。可控制增益（X1,X2,X4,X8对应的量程：双极性时5V、 2.5V、 1.25V、 0.625V,单极性为：010V、 05V、 02.5V、 01.25V ）。YANGZHOU UNIVERSITYWWW.YZU.EDU