输入输出通道

1、SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1第二章 测控通道（输入输出通道）自动化学院沈阳航空工业学院SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 2计算机测控系统硬件构成传感器传感器调理电路调理电路采样采样/保持器保持器A / D多多路路切切换换器器传感器传感器调理电路调理电路执行器执行器保持器保持器D / A输输出出扫扫描描器器执行器执行器保持器保持器计计算算机机开关量输入电路开关量输入电路开关量输出电路开关量输出电路被被控控对对象象测控系统输入输出通道测控系统输入输出通道接口接口接口接口接口接口接口接口打印机显示

2、器（AI、AO、DI、DO）SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 32.1 模拟量输入通道模拟量输入通道一、模拟输入通道的基本类型与组成结构除数字传感器外，大多数传感器都是将模拟非电量转换为模拟电量，而且这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进行数字转换，还需进行适当的信号调理。因此，一般说来，模拟输入通道应由传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成，如图2 一1 一1 所示。实际的微机化测控系统往往需要同时测量多种物理量（多参数测量）或同一种物理量的多个测量点（多点巡回测量）。因此，多路模拟输入通道更具有普遍性。多路模拟输入通道可分为集中采集式

3、（简称集中式）和分散采集式（简称分布式）两大类。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 4集中采集式（集中式）集中采集式多路模拟输入通道的典型结构有分时采集型和同步采集型两种，分别如图2 一l 一2 ( a ）和（b ）所示。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 5特点：多路信号共同使用一个S / H 和A / D 电路，简化了电路结构，降低了成本。但对信号的采集由模拟多路切换器分时切换、轮流选通的，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集，不能获得同一时刻的数据。因此对于要求多路信号严格同步采集测试的系统不

4、适用，适用于多数中速和低速测试系统。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 6SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 7同步采集型的特点是在多路转换开关之前，给每路信号通路各加一个采样保持器，使多路信号的采样在同一时刻进行，即同步采样。然后由各自的保持器保持着采样信号幅值，等待多路转换开关分时切换进入公用的S / H 和A / D 电路将保持的采样幅值转换成数据输入主机。这样可以消除分时采集型结构的时间偏斜误差，这种结构既能满同步采集的要求，又比较简单。不足之处：由于各路信号保持时间不同，致使各个保持信号的衰

5、减量不同，因此，严格地说，这种结构不能获得真正的同步输入。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 82. 分散采集式（分布式）分散采集式的特点是每一路信号都有一个S / H 和A / D ，因而也不再需要模拟多路切换器 。每一个S / H 和A / D 只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机，如图2 一1 一3 所示。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 9二、二、 传感器的选用传感器的选用 现代传感器在原理与结构上千差万别，。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和

6、测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 101. 传感器选用的主要依据传感器选用的主要依据（1）具有将被测量转换为电量的功能，转换范围（如幅 度、频率等）与实际变化范围一致。（2）转换精度符合分配要求（一般高于系统精度10倍）。（3）转换速度符合系统要求。（4）满足环境要求（如高温、高压、腐蚀、体积小等）。（5）满足可靠性和可维护性要求。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 11传感器的选用传感器的选用 以温度传感器为例，现有的

7、温度传感器类型：热电偶、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、红外温度计、光纤温度传感器量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；环境要求：高温、高压、腐蚀、振动.SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 12接接触触式式温温度度传传感感器器主主要要类类型型 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 13工业温度传感器的种类工业温度传感器的种类SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 14目前一般可供选用的传感器类型（1）大信号输出传感器 放大电

8、路与传感器做成一体，直接输出0-5V电压信号 或4-20mA直流标准信号。（2）数字式传感器-一般输出频率，若是TTL电平，则可 直接接入计算机的I/O口。（3）集成传感器 将传感器与信号调理电路做成一体。（4）光纤传感器 信号拾取、变换、传输都通过光导纤维实现，可避免 电磁干扰。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 15传感器的选用传感器的选用如何选择合适的传感器？ 传感器精度一般应优于系统精度的十倍左右 .灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性 定制、自行研制，软测量 成本SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p

9、. 16三、三、 模拟量的输入通道模拟量的输入通道信号调理信号调理模拟量输入通道的一般组成：模拟量输入通道的一般组成：传感器、信号处理、多路转换器、放大器、采样传感器、信号处理、多路转换器、放大器、采样/ /保保持器和持器和A/DA/D转换器组成转换器组成SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 171. 信号调理的目的信号调理的目的1. 1. 大多数传感器的输出范围在大多数传感器的输出范围在mVmV级，而级，而A/DA/D转换设转换设备输入范围为备输入范围为VoltVolt级。因此我们需要使用信号调理级。因此我们需要使用信号调理模块对传感器的信号放大。

10、模块对传感器的信号放大。 ADS1210,ADS1210,其模拟输入范围是其模拟输入范围是0-5V.0-5V.某温度传感某温度传感器输出信号为器输出信号为0-5mV0-5mV，该传感器输出信号应放，该传感器输出信号应放大多少倍？大多少倍？！为了提高模拟信号转换成数字信号时的精度，我！为了提高模拟信号转换成数字信号时的精度，我们希望们希望 。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 182.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。需要去掉噪声，提高信噪比。3.3.某些场合，为便于信号

11、的远距离传输，需要对传某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。感器测量信号进行调制解调处理。 遥测、遥测、4-20mA 4-20mA SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 19n 小信号放大小信号放大n 滤波滤波n温度补偿温度补偿n误差修正误差修正n量程切换量程切换n零点校正零点校正n线性化处理线性化处理SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 203. 前置放大器前置放大器放大器为什么要设置在调理电路的最前端？放大器为什么要设置在调理电路的最前端？电路噪声电路噪声：由于电路内部

12、有各种噪声源存在，使：由于电路内部有各种噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅得电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压。度的波动电压。等效输入噪声等效输入噪声：把电路输出端测得的噪声有效值：把电路输出端测得的噪声有效值V VONON折算到该电路的输入端（除以电路增益折算到该电路的输入端（除以电路增益K K），），得到的电平值称为该电路的等效输入噪声得到的电平值称为该电路的等效输入噪声V VININ。电路增益电路增益KVONVINVIN= VON/KSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 21电路增益电路增益KVOUTVI

13、NVIS信号淹没信号淹没：如果如果V VISISVVININ，则信号则信号V VISIS将被将被V VININ淹没淹没VIN前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVISVIN0VOSVON为了不使小信号被噪声淹没，必须在该电路前面加一为了不使小信号被噪声淹没，必须在该电路前面加一级放大器，如下图所示。级放大器，如下图所示。等效输入噪声SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 22这里，这里，VIN0与与VIN是互不相关的随机噪声，因此图中的是互不相关的随机噪声，因此图中的电路总输出噪声为：电路总输出噪声为：VIN前置放大器前置放大器K0后级电路后级电

14、路KVISVIN0VOSVON总输出噪声折算到前置放大器输入端，总的等效输入总输出噪声折算到前置放大器输入端，总的等效输入噪声为：噪声为：SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 23VIN前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVISVIN0VOSVONVIN VIN，就必须使就必须使加入前置放大器后电路噪声加入前置放大器后电路噪声VIN11，即电路前端加入的电路必须是放大器，才能保证小信号不，即电路前端加入的电路必须是放大器，才能保证小信号不被电路噪声所淹没。被电路噪声所淹没。2.2.放大器本身的等效输入噪声比其后级电路的等效输入噪声低，即低噪声放

15、大器本身的等效输入噪声比其后级电路的等效输入噪声低，即低噪声放大器。放大器。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 25放大器为什么要放大器为什么要“前置前置”, ,设置在调理电路的最前端？设置在调理电路的最前端？两种调理电路的对比两种调理电路的对比 VIN0VIN1VIN1VIN0VONVONVIN1SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 26结结 论论SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 274. 仪表用放大器仪表用放大器：高速度放大器、高精度放大器、仪用放大器、

16、功高速度放大器、高精度放大器、仪用放大器、功率放大器、电荷放大器、隔离放大器率放大器、电荷放大器、隔离放大器足够大的放大倍数足够大的放大倍数低噪声低噪声高输入电阻高输入电阻高共模抑制比高共模抑制比n 仪用放大器仪用放大器（精密放大器）（精密放大器）主要用于传感器小信号放大主要用于传感器小信号放大检测系统中常使用检测系统中常使用SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 28仪表放大器的基本电路仪表放大器的基本电路V_V+i1ifSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 29仪用放大器上下对称，即仪用放大器上下对称，即

17、R1=R2, R4R6, R5R7。则放大器闭环增益为：则放大器闭环增益为：假设假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪，可以很方便地改变仪 用放大器的闭环增益。用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。一般为外接电阻。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 30集成程控仪用放大器：集成程控仪用放大器： INA102 datasheet.pd

18、fSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 31一、采样的折叠失真及消除条件一、采样的折叠失真及消除条件二、去混淆滤波器二、去混淆滤波器SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 32 设正弦波为：设正弦波为：设采样周期为设采样周期为T T，则正弦波的离散信号为：，则正弦波的离散信号为：SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 33SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 34SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006

19、Unit 2 p. 355.2 采样的折叠失真及消除条件采样的折叠失真及消除条件SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 36SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 37SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 38SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 39因此，要消除采样引起的折叠失真，必须满足以下条件：第一，必须使被采样信号为带限信号，即它的最高频率为有限值，即第二，必须使采样频率大于被采样信号最高频率的两倍，即采样周期T 满

20、足条件只要在满足上述两个条件的情况下进行采样，理论上就可从采样信号 中无失真地恢复出原被采样信号x(t )。这个结论就是著名的奈奎斯特采样定理。cfcfT21)(txsSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 40SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 41n 被采样频谱有用信号干扰噪声普遍存在高于fs/2的频率分量n 频率混淆：由于被采样频谱中高于频率混淆：由于被采样频谱中高于fs/2的频率分量采样后的频率分量采样后会出现在低于会出现在低于fs/2的信号频段上，污染有用信号。的信号频段上，污染有用信号。n 去混

21、淆滤波：为了消除频率混淆，在采样前先用一个截频fh2.4V4.95V11.5V1.5VECL-0.9V-1.7VSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 114开关量输入通道的关键问题SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 115开关量输入信号的调理 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 116开关量输入信号的调理SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 117开关量输入信号的调理SYIAEFall, 2006Zhang X.D.

22、 2006 Unit 2 p. 118开关量输入信号的调理SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 119开关量输入信号的调理n用稳压管或压敏电阻把瞬间冲击电压箝位在安全电平用稳压管或压敏电阻把瞬间冲击电压箝位在安全电平n用二极管防止电压反向输入用二极管防止电压反向输入n用限流电阻和稳压电路作过电压保护用限流电阻和稳压电路作过电压保护SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 120开关量输入信号的调理当开关处于图示位置时，当开关处于图示位置时，此时动触点抖动不会，此时动触点抖动不会改变触发器状态。改变触发器状态。当

23、开关拔向上方时，第一当开关拔向上方时，第一次与上方静触点接触则使次与上方静触点接触则使。此时开关动触点抖动不会。此时开关动触点抖动不会改变触发器状态。改变触发器状态。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 121开关量的输出通道开关量的输出通道SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 122开关量输出隔离1. 较大的地电位差造成较大的地电流回路，导致误动作或测控系统的损坏。2. 外界电磁场干扰产生感生电流。3. 执行机构的高电压或电流会串入其他电路。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 U

24、nit 2 p. 1231. 光电耦合器件 光电隔离由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光二极管作发光源，输出端配置光敏三极管作受光器，工作时以光作为媒介来传递信息，因而输入和输出在电气上是完全隔离的（如图所示）。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 124。 例如可实现例如可实现现场传感器与现场传感器与A/DA/D转换器或转换器或D/AD/A转换器转换器与现场执行器之间的与现场执行器之间的模拟信号的线性传送与隔离。模拟信号的线性传送与隔离。 例如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输例如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的入输出通

25、道中的A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU或或CPUCPU与与D/AD/A转换器之转换器之间的数字信号的耦合传送，都可用光耦的这种开关特间的数字信号的耦合传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔离。性对数字信号进行隔离。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1251）优点：使用少量的光耦，成本低；）优点：使用少量的光耦，成本低；2）缺点：调试困难，如果光耦挑选得不合适，会）缺点：调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响影响A/D或或D/A转换的精度和线性度。转换的精度和线性度。1）优点：调试简单，不影响系统精度和线性度；）优点：调试简单，不影

26、响系统精度和线性度；2）缺点：使用较多的光耦器件，成本较高。但因）缺点：使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因而在工程中使用的最多。来，因而在工程中使用的最多。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 126典型的光电耦合隔离电路有典型的光电耦合隔离电路有数字量同相传递数字量同相传递与与数字数字量反相传递量反相传递两种。两种。路电离隔合耦电光3-4图递传相同量字数递传相反量字数+5V+5V+5V+5Vccee+-D7D074LS273数据缓冲器选 通 脉 冲b (a

27、 (D7D074LS273数据缓冲器选 通 脉 冲SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 127 光电耦合隔离器按其输出级不同可分为光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型三极管型、单向晶闸管型单向晶闸管型、双向晶闸管型双向晶闸管型。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 128 体积小，重量轻，使用方便，性能稳定； 不受磁场影响，不需磁屏蔽，抗干扰能力强； 无触点，寿命长，响应速度快，可以传输高达几MHz的脉冲信号； 隔离电压等级高，输入和输出两端之间绝缘电压可达万伏以上； SYIAEFall, 2006Z

28、hang X.D. 2006 Unit 2 p. 129电磁继电器衔铁吸合继电器“动作”或“吸合”。衔铁复位继电器“释放”或“复位”。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 130电磁继电器继电器是自动控制电路中常用的一种元件。是的一种自动开关。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 131SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 132从整体上看，SSR只有两个输入端A和B、两个输出端C和D，是一种四端器件。工作时只要在A、B加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之

29、间的“通”和“断”，。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 133n输入输出之间采用输入输出之间采用“光耦合器光耦合器”，实现，实现电气隔离电气隔离。n由于输入端的负载是发光二极管，使控制信号所需的由于输入端的负载是发光二极管，使控制信号所需的功率极低功率极低( (约十余毫瓦就可正常工作约十余毫瓦就可正常工作) )，同时也使得，同时也使得SSRSSR输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，可直接与可直接与计算机输出接口相接计算机输出接口相接，即受，即受“1”1”与与“0”0”的逻辑电平的逻辑电平控制控制(TTL(T

30、TL、CMOS)CMOS)SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 134SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 135 SSR实现弱信号对强电(输出端负载电压)的控制。 由于光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦就可正常工作)，而且所需的工作电平与TTL、CMOS等常用集成电路兼容，可以实现直接联接。 这使SSR在数控和自控设备等方面得到广泛应用。在相当程度上可 取代传统的“线圈簧片触点式”继电器(简称“MER”)。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p.

31、 136n SSR由于是全固态电子元件组成，它没有任何可由于是全固态电子元件组成，它没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作；动的机械部件，工作中也没有任何机械动作；n SSR没有电接触点，具有一系列优点，即工作高没有电接触点，具有一系列优点，即工作高可靠、长寿命无动作噪声；可靠、长寿命无动作噪声；n 这些特点使这些特点使SSR可在军事可在军事(如飞行器、火炮、舰船、如飞行器、火炮、舰船、车载武器系统车载武器系统)、化工、井下采煤和各种工业民用、化工、井下采煤和各种工业民用电控设备的应用中大显身电控设备的应用中大显身 手，具有超越电磁继电手，具有超越电磁继电器的技术优势。器的技术优势。

32、 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 137开关量的输出通道开关量的输出通道SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 138n 执行机构：电机、阀门、继电器、接触器等。n 执行机构的动作需要较大的电流、电压或功率。因此在计算机与执行机构之间要增加一级驱动器。执行机构及驱动执行机构及驱动 常用的有常用的有三极管三极管输出驱动电路、输出驱动电路、电磁电磁继电继电器器输出驱动电路、输出驱动电路、晶闸管晶闸管输出驱动电路、输出驱动电路、固态固态继电器继电器输出驱动电路等。输出驱动电路等。SYIAEFall, 2006

33、Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 139一、一、三极管驱动电路三极管驱动电路1 .1 .普通三极管驱动电路普通三极管驱动电路6047K3 . 3管极三DELV5+033图4-6 小功率三极管输出电路Di 当驱动电流只有十几当驱动电流只有十几mAmA或几十或几十mAmA时，时，只要采用一个普通的功率三极管就能构成只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图所示。驱动电路，如图所示。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1402. 2. 达林顿驱动电路达林顿驱动电路图图 4-8 达达林林顿顿阵阵列列驱驱动动电电路路7406达达林林

34、顿顿复复合合管管负负荷荷线线圈圈+24VDi1B1CGND 当驱动电流达到几百毫安时，当驱动电流达到几百毫安时，如驱动中功率继电器、电磁开关等如驱动中功率继电器、电磁开关等装置，装置，输出电路输出电路可采用可采用构成：构成：高输入阻抗高输入阻抗、高增益、输、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点。出功率大及保护措施完善的特点。由于输入驱动电由于输入驱动电流很小，流很小，可直接用计算机可直接用计算机的的I/O口驱动口驱动SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 141SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 142二

35、、电磁继电器二、电磁继电器驱动电路驱动电路cVpV耦耦光光6047KA220V图图 4-9 继继电电器器输输出出驱驱动动电电路路DiSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 143 晶闸管晶闸管是晶体闸流管是晶体闸流管(Thyristor)(Thyristor)的简称，俗的简称，俗称称，它是一种大功率开关型半导体器件，在，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为电路中用文字符号为“V”V”、“VT”VT”表示（旧标准中表示（旧标准中用字母用字母“SCR”SCR”表示）。表示）。 晶闸管具有用晶闸管具有用、开关无触点、开关无触点等特点，能在高电

36、压、大电流条件下工作，且其工等特点，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，作过程可以控制， 在交直流电机调速系统、调功系在交直流电机调速系统、调功系统、随动系统中应用广泛。统、随动系统中应用广泛。 三、三、晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 144SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 145AGKT2T1GSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 146+5V6047180400470.01FT2GT1KSMOC304122

37、0V图图 4-11 双双向向晶晶闸闸管管输输出出驱驱动动电电路路RLDiSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1476047cVLRRSS_图 4-13固态继电器输出驱动电路交流电源+DiSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1485.5.试举出在隔离式试举出在隔离式I/OI/O接口电路中三种常用的隔离器接口电路中三种常用的隔离器件？并简要说明其工作原理。件？并简要说明其工作原理。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 149：主要用于流量控制：主要用于流量控制：主

38、要用于运动控制：主要用于运动控制：主要用于运动控制：主要用于运动控制SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 150n 工作原理工作原理 利用电磁铁线圈中电流接通与开断时产生的电磁利用电磁铁线圈中电流接通与开断时产生的电磁力使柱塞动作，从而控制阀门打开与闭合。（电磁力使柱塞动作，从而控制阀门打开与闭合。（电磁阀只有两种工作状态：阀只有两种工作状态：或或）SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 151n 工作原理工作原理 电动机带动执行机构连续动作，实现对阀门开度大电动机带动执行机构连续动作，实现对阀门开度大小的小

39、的。n 行程分类行程分类 直线行程直线行程 角度行程（蝶阀）角度行程（蝶阀）SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 152SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1531.1.开关形式开关形式：电磁阀：通过线圈驱动，只能开或关。电动阀：电机驱动，开关动作完成需一定时间。2.2.工作性质工作性质：电磁阀是快开和快关的，一般用在小流量和小压力，要求开关频率大的地方电动阀阀的开度可以控制，可以控制管道中介质的流量而电磁阀达不到这个要求。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p.

40、154五、 开关量输入输出通道设计举例一、步进电机正反转控制步进电机是自控系统中常用的执行部件，品种较多，现以三相电机为例。这种步进电机有三个绕组，当按不同的顺不同的顺序序向绕组通以电脉冲时，步进电机以不同的方向转动不同的方向转动，它的转速转速取决于通电脉冲的频率脉冲的频率。通电脉冲的不同组合方式决定了步进电机的不同步相控制方式： 单三拍控制方式： 通电顺序为A - B C - A （正转） 或A - C - B - A （反转）。 六拍控制方式： 通电顺序为A - AB - B - BC - C - CA -A （正转） 或A - AC - C - CB - B - BA - A （反转）。

41、 双三拍控制方式： 通电顺序为AB - BC - CA - AB （正转） 或AB - CA - BC - AB （反转）。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 155控制步进电机正反转的开关量输入输出电路，如图2-3-10。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 156要求开关S1闭合时，电机正转；S2 闭合时，电机反转；S1、S2 断开时停转；则可由8031 的Pl 口输入开关的通、断状态，经软件处理后，再由该端口输出控制信号。图中A 、B 、C 是三相电机的三个绕组，分别由功放电路1 、2 、3 通以驱

42、动脉冲。现采用六拍控制方式，端口输出位的代码和相应的通电绕组如表2-3-1 所列。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 157由表可知，若电路按一定的节拍依次送出XIH 、X3H 、X2H 、X6H 、X4H 和X5H 代码，则步进电机正转；若电路依次送出XIH 、X5H 、X4H 、X6H 、X2H 和X3H 则步进电机反转。8031 接口的控制程序: STEP : MOV R7 , # 06H ；06H to R7 LOOP: JNB PI.6 , POS ；若P1.6=0转POS JNB Pl.7, NEG ；若P1.7=0。转NEG AJMP

43、 LOOP POS : MOV DPTR , # TABLEI LOOPI: MOVX A , DPTR MOV Pl , A ；输出表格1 代码 INC DPTR CALL DELAY ；延时 DJNZ R7 , LOOPI AJMP STEP SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 158 NEG： MOV DPTR , # TABLE2 LOOP2 : MOVX A , DPTR MOV Pl , A ；输出表格2 代码 INC DPTR CALL DELAY ；延时 DJNZ R7 , LOOP2 AJMP STEP TABLEI： DB 0F

44、IH , 0F3H , 0F2H , 0F6H , 0F4H , 0F5HTABLE2：DB 0FIH , 0F5H , 0F4H , 0F6H , 0F2H , 0F3H SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 159二、直流马达的转速控制小功率直流马达的转速控制方法是先将马达启动一段时间，然后切断电源，由于马达转动具有惯性，所以将继续转动一段时间。在马达尚未停止转动之前，再次接通电源，于是马达再次加速。改变马达通断时间的比例，即可达到调速的目的。图2-3-11是直流马达控制曲线。这种调速方法称为脉冲宽度调速。设脉冲宽度为t , 脉冲周期为T ，马达

45、的平均转速Vd 为 Vd = VmaxD 式中，D =t / T ，称为占空比，称为占空比。占空比越大，转速越高，反之，转速就越低。对于特定的马达， 其最大速度Vmax 是确定的，因此， 控制平均速度就 是控制占空比。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 160图2-3-13是单片机实现的脉冲宽度调速控制系统。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 161EPROM2732用于固化控制程序，占用地址空间为0000H 一0FFFH ，片选控制端接地,处于常选通状态。8031 的Pl 口作为输入口，读设定的开关数

46、N , P3.4用做控制位，用于输出控制脉冲，经驱动器和晶体管开关加到马达上。当P3.4输出“ 1 ”时，晶体管开关接通，马达通电；当P3.4输出为0时，晶体管截止，马达断电。8 个单刀双掷开关用于设定占空比的给定值，当开关拨到上方时，该位为零，当开关拨到下方时，该位为“1 ”。 此时马达的平均转速Vd为 N-开关的给定值，N=00HFFH。 当N=00H=0时,Vd=0，当N=FFH=255时 D=255/256=1, Vd=Vmax 改变S7 一S0 中的8 位二进制数的值，就能改变脉冲占空比。因此，只要根据所期望的平均转速求出开关S 的给定值，然后人工设定各开关的状态即可。maxmax2

47、56VNVDVdSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 162SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 163SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 164程序清单如下： MOV Pl , # FFH ；Pl 口为输入 LOOP2 : MOV R4, FFH ；设循环计数器 SETB 70H ；设供电模型 MOV R3 , # 00H ；计数器赋初值 LOOPI : MOV A , PI ；读入N CLR C ；开关数与计数值比较， ；计数值小于N 时供电，否则断电 SU

48、BB A , R3 JNZ THL CLR 70H ；设断电模型 THL : MOV C , 70H MOV P3.4 , C ；输出模型 ACALL DELAY INC R3 DJNZ R4，LOOPI AJMP LOOP2 DELAY: MOV R5, #M LOOP2 : MOV A , # M1 LOOP3 : DEC A JNZ LOOP3 DJNZ R5 , LOOP2 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 165I/O通道小结通道小结传感器传感器调理电路调理电路采样采样/保持器保持器A / D多多路路切切换换器器传感器传感器调理电路调理

49、电路执行器执行器调理电路调理电路D / A多多路路切切换换器器执行器执行器调理电路调理电路计计算算机机开关量输入电路开关量输入电路开关量输出电路开关量输出电路被被控控对对象象测控系统输入输出通道测控系统输入输出通道接口接口接口接口接口接口接口接口打印机显示器（AI、AO、DI、DO）SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 166两种调理电路的对比两种调理电路的对比 VIN0VIN1VIN1VIN0VONVONVIN VINSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 167主要结论主要结论SYIAEFall, 200

50、6Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 168V_V+i1if仪用放大器上下对称，即仪用放大器上下对称，即R1=R2, R4R6, R5R7SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 169SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 170n 被采样频谱有用信号干扰噪声普遍存在高于fs/2的频率分量n 频率混淆：由于被采样频谱中高于频率混淆：由于被采样频谱中高于fs/2的频率分量采样后的频率分量采样后会出现在低于会出现在低于fs/2的信号频段上，污染有用信号。的信号频段上，污染有用信号。n 去混淆滤波：为

51、了消除频率混淆，在采样前先用一个截频fhfs/2低通滤波器把高于fs/2的频率分量滤掉，以保证被采样频谱只包含低于fs/2的频率分量，满足采样定理。n 去混淆滤波器：在采样之前设置的这种用途的低通滤波器去混淆滤波器：在采样之前设置的这种用途的低通滤波器称作去混淆滤波器。称作去混淆滤波器。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 171模拟量的输出通道模拟量的输出通道模拟量输出通道的一般组成模拟量输出通道的一般组成： D/A、多路开关、输出保持器和执行机构组成、多路开关、输出保持器和执行机构组成.SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006

52、 Unit 2 p. 172DACDAC输出方式可以分为输出方式可以分为电压输出电压输出、电流输出电流输出等方式。等方式。分为分为和和两种输出形式。两种输出形式。：V/IV/I变换电路变换电路 DAC的输出方式的输出方式SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 173开关量的输入通道开关量的输入通道SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 174开关量的输出通道开关量的输出通道SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 175SYIAEFall, 2006Zhang X.D.

53、2006 Unit 2 p. 176n 执行机构：电机、阀门、继电器、接触器等。n 在计算机与执行机构之间要增加一级驱动器。执行机构及驱动执行机构及驱动常用的有常用的有三极管三极管输出驱动电路、输出驱动电路、电磁电磁继电器继电器输输出驱动电路、出驱动电路、晶闸管晶闸管输出驱动电路、输出驱动电路、固态继电固态继电器器输出驱动电路等。输出驱动电路等。：主要用于流量控制：主要用于流量控制：主要用于运动控制：主要用于运动控制：主要用于运动控制：主要用于运动控制SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1772.4 单元电路的级联设计为使由各单元电路组成的测控系统

54、能正常工作，则必须考虑各单元电路之间的级联问题。如电气性能的相互匹配、信号的耦合方式以及时序配合等。一、电气性能的相互匹配（1）阻抗匹配 信息传输通道中两个环节之间的输入阻抗与输出阻抗要匹配，才能保证信息最有效传递。常用负载（或输入阻抗）ZL对信号源的输出阻抗Zi之比说明两个环节的匹配程度。 匹配程度ag 的大小决定于两个环节之间的匹配方式: 电压匹配电压匹配 要求信号源给负载的电压最大。应 1。 电流匹配电流匹配 要求信号源给负载的电流最大。应ag 1。 功率匹配功率匹配 要求信号源给负载的功率最大。应 ag =1。iLgZZa gaSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 200

55、6 Unit 2 p. 178（2）负载能力匹配 负载能力的匹配实际上是前一级单元电路能否驱动后一级单元电路。 系统各级之间均有负载能力匹配问题，但特别突出的是在最后一级单元电路中，因为末级电路往往需要驱动执行机构。如果驱动能力不够，则应增加一级功率驱动单元。 模拟电路：一般采用电压跟随器或功率集成电路。 数字电路：达林顿驱动器、单管反相器、射极跟随器等。（3）电平匹配 数字电路中,若高低电平不匹配，则不能保证正常的逻辑功能。尤其是CMOS 集成电路与TTL 集成电路之间的连接，当两者的工作电源不同时,必须增加电平转换电路（如 CMOS为+15V,TTL为+5V） 。SYIAEFall, 20

56、06Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 179二、信号耦合与时序配合信号耦合方式 单元电路之间的信号耦合常见4种方式：（1）直接耦合方式 上一级单元电路的输出直接（或通过电阻）与下一级 单元电路的输入相连接。 特点：简单；把上一级输出的任何波形的信号送到下一级单元电路。 两个单元电路互相影响。（2）阻容耦合方式 通过电容和电阻将上一级的输出信号耦合到下一级。 特点：隔直传交。静态情况下两单元电路互不影响。（3）变压器耦合方式 通过变压器的原副绕组将上一级的输出信号耦合到下一级。 特点：隔直传交（因变压器副边电压只反映变化的信号）。1. 不能集成化，体积大，现很少用。SYIAEF

57、all, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 180（4）光电耦合方式 通过光耦器件将信号传送到下一级。原理：上一级输出信号通过光耦器件中的发光二极管使其产 生光，光作用于达林顿光敏三极管基极，使管子导 通，从而将上一级信号传送到下一级。 既可传送模拟信号，又可传送数字信号。特点：电气隔离，可防止干扰侵入。2. 时序配合（1）时序在数字电路中非常重要。一个数字系统有一个固 定的时序，时序配合错乱，系统不能工作。（2）单纯的 模拟电路无时序问题。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 181三、电平转换接口（P48）在微机测控系统

58、中，习惯于用TTL 电路作为基本电路，根据需要可能采用HTL 、CMOS 、ECL 等芯片，因此，存在TTL 电路与这些数字电路的接口问题。 TTL与HTL电平转换接口 HTL 电路即高阀值逻辑集成电路，因为它的阀值电压比较高（一般在7 -8V ) ，所以，噪声容限比较大，抗干扰能力较强。但是，由于它的输入部分是二极管结构，所以，速度比较低。因此，这种数字集成电路适宜于速度不高但具有高可靠性的工业控制设备。HTL 电路的输出高电平VoH 11 . 5V ，输出低电平VoL 1 . 5V 1.（1）TTL HTL 电平转换利用电平转换器CH2017 可完成TTL HTL 电平转换。该电路输出能驱

59、动8 一10 个HTL 标准门负载，工作电源电压为15V 士10% ，其逻辑为反相器。CH2017 内共有六个反相器，完成TTL - HTL 转换。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 182(2) HTL TTL 转换 CH2016 具有HTL TTL 电平转换功能，其逻辑为反相器。该芯片使用二种电源，Vcc1=15V 士10 % , Vcc2=5V 士10 % ，电路输出高电平VoH 3V ，低电平VoL 0.4V ，能驱动8 -10 个标准TTL 门负载。 在HTL 与TTL 逻辑电平接口时，最简单的方法是采用电平转换器，如图2 一4 一1 所示。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2