第二章输入输出接口和通道

1、12 I/O接口技术和接口技术和I/O通道通道n2.1 概述概述n2.2 I/O控制方式控制方式n2.3 I/O接口设计接口设计n2.4 I/O通道通道n2.5 D/A转换器转换器n2.6 A/D转换器转换器22.4 I/O通道通道 工业生产过程中，被测参数一般都是连续变化的模拟量，而工业生产过程中，被测参数一般都是连续变化的模拟量，而微型计算机处理的数据只能是数字量，因此数据在进入微型计算微型计算机处理的数据只能是数字量，因此数据在进入微型计算机之前，需经机之前，需经A/D转换。由于大多数执行机构只能接收模拟量，转换。由于大多数执行机构只能接收模拟量，为了控制执行机构，经微型计算机处理后的数

2、据需经为了控制执行机构，经微型计算机处理后的数据需经D/A转换。转换。 I/O通道也称过程通道，是计算机与控制对象之间信息传送和通道也称过程通道，是计算机与控制对象之间信息传送和交换的连接通道。它的主要任务就是实现模拟量和数字量的转换。交换的连接通道。它的主要任务就是实现模拟量和数字量的转换。 由于微型计算机的速度很快，而模拟量的变化速度一般比较由于微型计算机的速度很快，而模拟量的变化速度一般比较慢，因此往往用一台计算机采样或控制多个参数。这样，参数需慢，因此往往用一台计算机采样或控制多个参数。这样，参数需被分时的进行采样和控制。被分时的进行采样和控制。 本节主要介绍多路开关、采样与量化。本节

3、主要介绍多路开关、采样与量化。32.4 I/O通道通道n2.4.1 I/O通道的组成通道的组成n2.4.2 模拟量输入通道模拟量输入通道n2.4.3 采样与量化采样与量化42.4.1 I/O通道的组成通道的组成CPUI/O接口电路工业对象A/D转换器放大器采样器D/A转换器输出保持功率放大数字量输入数字量输出传感器执行部件模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输入通道模拟量输入通道数字量输出通道数字量输出通道数字量输入通道数字量输入通道52.4.2 模拟量输入通道模拟量输入通道CPUI/O接口电路工业对象A/D采样保持和放大器采样单元信号处理1信号处理2信号处理n控制电路包括：标度变换器(变送器)

4、、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。又称：多路转换器或多路切换开关。CD4051等。从保证模拟信号采样精确度分析。信号大小匹配61 1）信号处理装置）信号处理装置标度变换器是把经由各种传感器所得到的不同种类和不同标度变换器是把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号：一般为电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号：一般为010 mA010 mA或或420 mA420 mA的电流信号，或的电流信号，或005V5V的电压信号。的电压信号。n 标度变换器标度变换器 在生产现场，由于各种干扰源的存在，所采集的模拟信号在生产现场，由于各种干扰源的存在，所采集的模

5、拟信号可能夹杂着干扰信号。通常被测参量的信号频率比较低（可能夹杂着干扰信号。通常被测参量的信号频率比较低（1Hz1Hz以以下），会夹杂许多高于下），会夹杂许多高于1Hz1Hz的干扰信号成分（如的干扰信号成分（如50Hz50Hz的电源干的电源干扰）。扰）。n 滤波电路滤波电路72）采样单元（）采样单元（多路转换器或多路切换开关）多路转换器或多路切换开关） 把已变换成统一电压信号的测量信号按序或随机的接到采样把已变换成统一电压信号的测量信号按序或随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。即：在多路模拟量输入的情况保持器或直接接到数据放大器上。即：在多路模拟量输入的情况下，只用一个下，只用一个A/

6、D转换器。借助采样单元，实现转换器。借助采样单元，实现CPU对各路模拟对各路模拟量量分时采样分时采样的目的。的目的。 采样单元由开关矩阵（模拟开关）和逻辑控制电路（保证速采样单元由开关矩阵（模拟开关）和逻辑控制电路（保证速度和次序）组成。度和次序）组成。 模拟量多路开关实际上就是模拟量多路开关实际上就是CMOS传输门。产品种类很多，传输门。产品种类很多，如：如：CD4051（8选选1模拟开关）、模拟开关）、CD4052（双双2选选1模拟开关）、模拟开关）、CD4067（16通道模拟开关）。通道模拟开关）。8CD4051CD4051引脚图引脚图 CD4051真值表真值表CD4051原理图原理图

7、9CD4051应用举例应用举例 当采样通道多至当采样通道多至16路时，可直接选用路时，可直接选用16路模拟开关的芯片路模拟开关的芯片（如（如CD4067、AD7506、MAX306等），也可以将等），也可以将2个个8路路4051并联起来，组成并联起来，组成1个单端的个单端的16路开关。路开关。为了提高抗共模干扰能力，为了提高抗共模干扰能力，可用差动输入方式。可用差动输入方式。 10n采样保持采样保持 当某一通道进行当某一通道进行A/DA/D转换时，转换时，A/D A/D 转换需要一定的时间（孔转换需要一定的时间（孔径时间）。为了保证输入到径时间）。为了保证输入到A/DA/D转换器的模拟量在整个

8、转换过程转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求中保持不变，但转换之后，又要求A/DA/D转换器的输入信号能够跟转换器的输入信号能够跟随模拟量变化，需用采样随模拟量变化，需用采样- -保持器（保持器（Sample/HoldSample/Hold，简写为，简写为S/HS/H）。）。 3）采样保持和放大器）采样保持和放大器11孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。t0t1tA/DU0ttUUmsintfUtUdtdUmmcos2cosfUtUtm20 时，取ttDA/tfUUDAm/2%1002%100/tfUUDAm1010位的

9、位的A/DA/D转换器，如果要求转换精度在转换器，如果要求转换精度在0.1%0.1%，孔径时间为，孔径时间为1010usus，则允许转换的正弦模拟信号的最大频率为：则允许转换的正弦模拟信号的最大频率为：HztfDA1610102%1 . 0%10026/因此，如被采样模拟信号的变化频率相对于因此，如被采样模拟信号的变化频率相对于A/DA/D转换器的转换速度来说是转换器的转换速度来说是较高，为保证转换精度，需在较高，为保证转换精度，需在A/DA/D转换器之前加采样保持电路。转换器之前加采样保持电路。12随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采样随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采

10、样/ /保保持器。如用于一般目的有持器。如用于一般目的有AD582AD582、AD583AD583、LF198/398LF198/398等；用于等；用于高速的有高速的有THS-0025THS-0025、THS-0060THS-0060、THC-0030THC-0030、THC-1500THC-1500等；等；用于高分辨率的有用于高分辨率的有SHA1144SHA1144、ADC1130ADC1130等。下面是等。下面是LF198LF198的原的原理图和典型应用。理图和典型应用。常用的采样常用的采样/ /保持器保持器13 由采样单元或采样保持器输出的被测电压信号通常是由采样单元或采样保持器输出的被

11、测电压信号通常是040mV的弱信号，而的弱信号，而A/D转换器要求输入电压一般都是转换器要求输入电压一般都是0+5V、0+10V、5V、10V。因此须经放大器，从而提因此须经放大器，从而提高输出电平，实现阻抗匹配。高输出电平，实现阻抗匹配。n 数据放大器数据放大器142.4.3 采样与量化采样与量化采样过程采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。散模拟信号的过程。采样信号采样信号f*(t)：是时间上离散，幅值上连续的脉冲信号，其为：是时间上离散，幅值上连续的脉冲信号，其为离散模拟信号。离散模拟信号。1）采样过程）采样过程

12、nnnTttfnTtnTftf)()()()()(0*15采样信号采样信号f*(t)能完全或近似地反映被采样信号能完全或近似地反映被采样信号f(t)的所的所有变化和特征吗？有变化和特征吗？ 香农香农(Shannon)定理告诉我们：如果随时间变化的模拟信号定理告诉我们：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为的最高频率为fmax，只要按照采样频率，只要按照采样频率fS2fmax进行采样，那么进行采样，那么取出的样品系列取出的样品系列(f1*(t)，f2*(t)，)就足以代表就足以代表(或恢复或恢复)f(t)。实际。实际使用中，常取使用中，常取fS(410)fmax，过程惯量越大，倍数可取得越大。，过

13、程惯量越大，倍数可取得越大。162）量化过程）量化过程量化过程量化过程：采样信号不能直接进入数字计算机。采样信号经量：采样信号不能直接进入数字计算机。采样信号经量化后成为数字信号的过程称为量化过程。化后成为数字信号的过程称为量化过程。 数字信号和采样信号的差别：数字信号和采样信号的差别：前者的幅值是断续的，后者的幅值前者的幅值是断续的，后者的幅值是连续的。若原始信号是连续的。若原始信号f(t)幅值有微小变化，只要这个变化不超过幅值有微小变化，只要这个变化不超过量化单位，则量化后的数字信号可以不变。所以，量化过程可以量化单位，则量化后的数字信号可以不变。所以，量化过程可以视为视为“数值分层数值分层”的过程。的过程。 数字计算机中的信号是以二进制数的代码来表示的，任何值数字计算机中的信号是以二进制数的代码来表示的，任何值只能表示成二进制数的整数倍。量化单位只能表示成二进制数的整数倍。量化单位q是是A/D转换器最低位二转换器最低位二进制位（进制位（LSB）所代表的物理量。）所代表的物理量。 2iminmax)t (f)t (fq17在量化过程中，采样值和量化值的对应关系如下。在量化过程中，