接口与通道综述

1、23.5 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术3.13.23.33.43.53.1 输入输出与过程通道输入输出与过程通道3.2 模拟量输入通道模拟量输入通道3.3 模拟量输出通道模拟量输出通道3.4 D/A、A/D转换器的电源、接地与布线转换器的电源、接地与布线3 数字量（开关量）信号：数字量（开关量）信号： 开关的闭合与断开开关的闭合与断开 继电器或接触器的吸合与释放继电器或接触器的吸合与释放 马达的启动与停止马达的启动与停止 阀门的打开与关闭阀门的打开与关闭 用用 “0”和和“1”表示表示41A1 1Y11A2 1Y21A3 1Y31A4 1Y41A5 1Y51A6 1Y61A7 1Y71A8 1

2、Y8输输入入接接口口D0D1D2D3D4D5D6D7PC总总线线2G1GCSIOR74LS2441.数字量输入接口 用三态门缓冲器用三态门缓冲器74LS244取得状态信取得状态信息息 . 隔离输入和输隔离输入和输出线路，在两者之出线路，在两者之间起缓冲作用。有间起缓冲作用。有八个通道八个通道, ,可同时输可同时输入入8个开关状态。个开关状态。 MOV DX, PORT IN AL, DX生产过程的状态信息查阅有关查阅有关74LS244的的,武汉力源武汉力源52. 数字量输出接口控制状态控制状态需要保持，直到下次需要保持，直到下次给出新的值为止。给出新的值为止。MOV AL, DATAMOV D

3、X, PORT OUT DX, AL可用锁存器可用锁存器74LS27374LS273对状态输出信号进行对状态输出信号进行锁存，锁存，数字量输出接口 D0CLKCLR74LS273D2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC总线输出接口查阅有关查阅有关74LS273的的datashet6数字量输入通道主要由缓冲器、输入调理电路、输入地址译数字量输入通道主要由缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成码电路等组成 基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号。1，数字量输入通道结构输

4、入 调 理 电 路输 入 缓 冲 器地址译码器生 产 过 程P C 总 线7输入调理电路 把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 计算机能够接收的逻辑信号。小功率输入调理电路小功率输入调理电路 大功率输入调理电路大功率输入调理电路8（1 1）小功率输入调理电路 开关去抖电路图3.4 采用积分电路查阅有关查阅有关74LS04的的datashet9R S Q Q0 1 1 01 0 0 11 1 保持RS触发器去抖电路10（2 2）大功率输入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信号。为了使接点工作可靠，接点两端至少要

5、加为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V24V以上的直以上的直流电压流电压, ,由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离器进行隔离 。图3.6 大功率信号输入电路11数字量输出通道主要由输出锁存器，输出驱动电路、输数字量输出通道主要由输出锁存器，输出驱动电路、输出地址译码电路等组成出地址译码电路等组成 输 出 驱 动 器输 出 锁 存 器地址译码器生 产 过 程P C 总 线1，数字量输出通道结构122、输出驱动电路小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路 大功率驱动电路大功率驱动电路 （1 1）小功率直流驱动电路）小功率直流驱动电

6、路采用功率晶体管输出驱动继电器电路采用功率晶体管输出驱动继电器电路 采用高压输出的门电路驱动采用高压输出的门电路驱动图图3.8继电器驱动电路继电器驱动电路查阅有关查阅有关74LS06的的datashet13（2 2）大功率驱动电路）大功率驱动电路 (b)交流固态继电器的结构交流固态继电器的结构(a)直流固态继电器的结构直流固态继电器的结构I / O接接口口+5V74LS04R可以利用固态继电器可以利用固态继电器(SSR)(SSR)等实现等实现 I / O接接口口+5V74LS04R14 功能：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。15过过程程参参数数PC总总线线模

7、拟量输模拟量输入通道入通道检检测测信信号号调调理理多路多路转换转换器器采 样采 样保 持保 持器器A / D转转换换器器接 口接 口逻 辑逻 辑电路电路图图3.10 模拟量输入通道的组成结构模拟量输入通道的组成结构如热电偶温度测量16信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同。信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同。通常包括信号的放大、量程自动转换、电流通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压转换、电压转换、滤波、线性化、隔离等滤波、线性化、隔离等 1.量程自动转换技术 单参数测量系统单参数测量系统传感传感器器放大放大电路电路A/D转换转换微型机微型机显示显示传感器传感器多

8、多路路转转换换开开关关放大放大电路电路A/D转换转换微型微型机机显示显示传感器传感器传感器传感器传感器传感器多参数测量系统多参数测量系统17量程自动转换量程自动转换就是指根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求 可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier)，简称PGA可编程增益放大器有两种，组合PGA和集成PGA 仪用测量放大器电路 A3A2A1 2 4 1 32(1)VRRARR18图3.13 组合PGA19 8种可编程增益选择：+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16 或+32 V/V； SPI串行编程接

9、口； 级联输入和输出； 低增益误差，最大：1%； 低漂移，最大：275V； 高带宽频率，典型值：212MHz； 低噪声，典型值：10 nV/rtHz 10 kHz 低电源电流，典型值：1mA； 单电源供电，2.5V5.5V；20集成PGA 表3.2引脚说明引脚名称功能Vout模拟输出CH0CH7模拟输入Vss负电源VDD正电源SCKSPI时钟输入SISPI数据输入SOSPI数据输出CSSPI片选VREF外部参考电压21图3-20 有源I/V变换电路 AR1R3R2R4R5CIVR1R2CIV+5V图3-19 无源I/V变换电路精密电阻ViA=1+R4/R3V=R2*IV=A*R1*I输入阻抗高

10、，输出阻抗低输出限流，保护运放无源无源I/V变换变换有源有源I/V变换变换 22控制禁止端1：断开0：由ABC选通CD4051的原理电路图 查阅有关查阅有关CD4051的的datashet23表3.4 CD4051的真值表输入状态接通通道INHCBA 0000000011001020011301004010150110601117241. 信号的采样 采样过程（简称采样）是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程 图3.22 信号的采样过程f(t)t*f (t)t0T2T 3T 4T 5TSf(t)*f (t)*00( )( )( )( ) ()() ()Tkk

11、ftf ttf ttkTf kTtkT采样频率由香农（Shannon）采样定理确定，s(410)max 252.量化量化 采样信号经整量化后成为数字信号的过程称为量化 量化过程就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号，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02n-1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位，其表达式为：maxmin21nyyq26 采样保持器的主要作用是：采样保持器的主要作用是： (1)保持采样信号不变，以便完成保持采样信号不变，以便完成A/D转换；转换； (2)同时

12、采样几个模拟量，以便进行数据处理同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；和测量； (3)减少减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间； (4)把一个把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。以保证输出的稳定性。 常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/38927图3.23 LF198/298/398原理图及引脚(a)LF198/298/398原理图(b)LF198/298/398

13、的引脚排列28 A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件。核心部件。 A/D转换方法有逐次逼近式、双积分式、转换方法有逐次逼近式、双积分式、并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈式等。式等。 常用的逐次逼近式常用的逐次逼近式A/D转换器有转换器有8位分辨位分辨率的率的ADC0801，ADC0809等，等，12位分辨位分辨率的率的AD574A等；常用的双积分式等；常用的双积分式A/D转转换器有换器有3位半（相当于位半（相当于2进制进制11位分辨率）位分辨率）的的

14、MC14433， 等等29 A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等量程、对基准电源的要求等 转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间 分辨率：分辨率表示分辨率：分辨率表示A/D转换器对模拟信号的反应能力转换器对模拟信号的反应能力 ，分，分辨率通常用数字量的位数辨率通常用数字量的位数n（字长）来表示（字长）来表示 量程：即所能转换的电压范围量程：即所能转换的电压范围 精度：精度有绝对精度和相对精度精度：精度有绝对精度和相对精度 输出逻辑电平：多数

15、为输出逻辑电平：多数为TTL电平，有并行和串行两种输出形电平，有并行和串行两种输出形式式 工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标。响，故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标。 基准电源的精度将对整个基准电源的精度将对整个A/D转换结果的输出精度产生影响转换结果的输出精度产生影响 30(1) 8位A/D转换器ADC0809 ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装 表3.5 C、B、A与通道关系表 CBA所选通道

16、000VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN731图3.25 AD574内部结构图32CSC8表3. 2 AD574A控制信号状态表CER/12/A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X一次读取12位输出数据10100输出高8位输出数据10101输出低4位输出数据尾随4个033硬件连接设计软件程序设计 模拟量输入信号的连接、数字量输出引脚的连接、参考电平的连接、控制信号的连接 主要包括控制信号的编程，如：启动信号、转换结束信号以及转换结果的读出 34 模拟量输入信号的连接模拟量

17、输入信号的连接 数字量输出引脚的连接数字量输出引脚的连接 参考电平的连接参考电平的连接 时钟的选择时钟的选择 A/D转换器的启动方式转换器的启动方式 转换结束信号的处理转换结束信号的处理 转换结束信号的硬件连接有三种形式：转换结束信号的硬件连接有三种形式：p 中断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申中断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申请引脚或允许中断的请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上。接口的相应引脚上。p 查询方式：把转换结束信号经三态门送到查询方式：把转换结束信号经三态门送到PC数据总线或数据总线或I/O接口的某一位上。接口的某一位上。p 转换信号悬空：即该管

18、脚与其它管脚之间无电气连接。转换信号悬空：即该管脚与其它管脚之间无电气连接。35 启动启动A/D转换，中断、查询或延时等待转转换，中断、查询或延时等待转换时间后根据数据输出格式读出转换结换时间后根据数据输出格式读出转换结果果 (1)启动启动A/D转换转换 (2) 转换结果的读出。转换结果的读出。u中断方式：中断方式：u查询方式：查询方式：u软件延时方法：软件延时方法：36D0D1D2D7D0+图3.27 ADC0809与PC总线的连接 1ADC0809与PC总线工业控制机接口37一次A/D转换操作分两步进行：(1)启动ADC0809，并锁存通道地址 (2)判断A/D转换结束并读出转换结果 ST

19、ART： MOV AL，00H； 设定通道数 OUT 220H，AL ； 送通道地址、启动A/D转换 CALL DELAY ； 等待转换完成 INAL，220H ；读取A/D转换结果设DAC端口地址为220H，要把0通道的模拟量转换成数字量，利用软件延时方式实现 38图3.28 AD574A通过8255A与PC总线的连接图8255A首先进行8255A的初始化。实现一次A/D转换包括A/D转换的启动、检测转换是否结束、数据的读出，采用查询方式 39(1)8255A初始化设置初始化设置 INIT： MOVAL，9AH ；设置；设置A、B口及口及C口的工作方式口的工作方式MOVDX，2D3H ；82

20、55A的控制寄存器的控制寄存器OUTDX，AL ；方式字送控制寄存器；方式字送控制寄存器(2)启动启动A/D转换转换START：MOV AL，00HMOVDX，2D2H；8255A的端口的端口COUTDX，AL；使；使=0，启动，启动A/D转换转换(3) 检测转换是否结束及数据的读出检测转换是否结束及数据的读出LOOP：MOVDX，2D2H；8255A的端口的端口CINAL，DX；查询；查询STS的状态的状态TESTAL，80HJNZ LOOP；转换未完成，继续等待；转换完成，向下执行；转换未完成，继续等待；转换完成，向下执行MOVAL，01H；置位，即；置位，即=1OUTDX，ALDECDX

21、；指向；指向8255A的端口的端口BINAL，DX；读入端口；读入端口B高高8位数据位数据MOVBX+1，AL；数据保存；数据保存DECDX；指向；指向8255A的端口的端口AINAL，DX；读入端口；读入端口A数据数据ANLAL，0F0H ；屏蔽低四位数据；屏蔽低四位数据 MOVBX，AL ；数据保存；数据保存 403.3.1 模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式 模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、采样保持器、V/I变换等组成。 1.一个通路设置一个一个通路设置一个D/A转换器的形式转换器的形式 接口D/AD/AV/I转换器V/I转换器PC总线通道1通道n

22、图3.29 一个通路一个D/A转换器的结构 412.2.多个通路共用一个多个通路共用一个D/A转换器的形式转换器的形式 接口D/A多路开关采样保持器采样保持器V/I转换器V/I转换器通道1通道nPC总线图3.30 多个通路共用一个D/A转换器的结构42D/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或装置，其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比例。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器。 1. D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 D/A转换器的主要技术指标有分辨率、建立时间、非线性误差等。 n 输入输出关系n分辨率：分辨率

23、用D/A转换器数字量的位数n（字长）来表示。 n建立时间：指D/A转换器中代码有满度的变化时，其输出达到稳定(离终值1/2LSB相当的模拟量范围内)所需要的时间。 n非线性误差：实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。 n输入编码：一般为并行或串行二进制码输入，也有BCD码输入 43 8位位D/A转换器转换器DAC0832444图3.33 DAC1210的内部结构 12位位D/A转换器转换器DAC121045 D/A转换器应用接口的设计，主要包括数转换器应用接口的设计，主要包括数字量输入信号的连接以及控制信号的连字量输入信号的连接以及控制信号的连接。接

24、。D/A编程相对简单，包括：选中编程相对简单，包括：选中D/A转换器、送转换数据到数据线，启动转换器、送转换数据到数据线，启动D/A转换。转换。 l1.数字量输入信号的连接 数字量输入信号连接时要考虑数字量的数字量输入信号连接时要考虑数字量的位数，位数，D/A转换器内部是否有锁存器。转换器内部是否有锁存器。l2.控制信号的连接 片选信号、写信号及转换启动信号片选信号、写信号及转换启动信号46图3.34 DAC0832与PC总线接口电路DI7DI01. 8位D/A转换器DAC0832与PC的连接 47若若DAC0832的地址为：的地址为：200H，则，则8位二进制数位二进制数56H转换为模拟电压

25、的接口程序如下：转换为模拟电压的接口程序如下：CONVERT： MOVDX，200H；DAC0832地址地址 MOVAL，56H；要转换的立；要转换的立即数即数 OUTDX，AL； CS/=WR1/=0，启动启动D/A转换转换48图3.35 DAC1210与PC总线的连接2. 12位D/A转换器与PC的连接 49CONVERT：MOV AL，68H；高8位数据 MOVDX，220H；OUTDX，AL；=0，=1，=0，高8位数据送数据线INCDX；修改地址指针，指向221HMOVAL，0F0H；低4位数据OUTDX，AL；=0，=0，=0，低4位数据送数据线INCDX；修改地址指针，指向222

26、HOUTDX，AL；启动12位数据开始转换转换12位二进制数68FH，则程序如下 50 D/A转换器的输出有电流和电压两种方式，转换器的输出有电流和电压两种方式，一般电流输出需经放大器转换成电压输一般电流输出需经放大器转换成电压输出。电压输出可以构成单极性电压输出出。电压输出可以构成单极性电压输出和双极性电压输出电路和双极性电压输出电路 D/A转换器的输出方式只与模拟量输出端转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，而与其位数无关。的连接方式有关，而与其位数无关。 单极性电压输出指输入值只有一个极性单极性电压输出指输入值只有一个极性(或正或负或正或负)，D/A的输出也只有一个极性。的输出

27、也只有一个极性。双极性电压输出指当输入值为符号数时，双极性电压输出指当输入值为符号数时，D/A的输出反映正负极性。的输出反映正负极性。51利用DAC0832实现的单、双极性输出电路 图3.36 单、双极性输出电路R1=2RR3=2RR4=RR2=R52根据上面两式，对于8位D/A转换器，有：D=0时，；D=80H，D=FFH，实现了双极性输出。out1REFnDV=-V2121332-()-2(-1)122121outREFoutREFREFREFnnRRDDVVVVVVRR out1out2REFV=0,V=-VREFout1REFout2REF88V1282 128V=-V-,V=-V(-

28、1)0212211288255255,(1)2121outREFREFoutREFREFVVVVVV 531. V/I变换电路变换电路 图3.37 V/I转换电路2.集成集成V/I变换器变换器 图3.38 XTR110引脚排列54模拟电路电源数字电路电源模拟电路数字电路芯片芯片AGNDDGND图3.39 正确的地线连接 数据采集系统中，接地点分为两类：逻辑电路的返回数据采集系统中，接地点分为两类：逻辑电路的返回端端(数字地数字地)和模拟公共端和模拟公共端(模拟地模拟地)。 在全部电路中的数字地和模拟地仅仅连在一点上，在在全部电路中的数字地和模拟地仅仅连在一点上，在芯片和其他电路中不可再有公共点

29、芯片和其他电路中不可再有公共点 接地接地55 电源电源 D/A、A/D转换电路中，供电电源电压的不稳定会影响转换结转换电路中，供电电源电压的不稳定会影响转换结果。一般要求纹波电压小于果。一般要求纹波电压小于1%。可采用钽电容或电解电容。可采用钽电容或电解电容滤波。为了改善高频特性，还应用高频滤波电容。电路板设滤波。为了改善高频特性，还应用高频滤波电容。电路板设计时，每个芯片的电源线与地线之间要加旁路电容，并应尽计时，每个芯片的电源线与地线之间要加旁路电容，并应尽量靠近量靠近D/A、A/D转换芯片，一般选用转换芯片，一般选用0.010.1F的电容。的电容。 布线布线n 印刷电路板布线的一般原则：

30、印刷电路板布线的一般原则：n 尽量缩短传输导线长度；尽量缩短传输导线长度；n 数字信号与模拟信号尽量远离；数字信号与模拟信号尽量远离；n 电源线和地线的电流密度不应太大，以减少电源线和地线引电源线和地线的电流密度不应太大，以减少电源线和地线引入的干扰；入的干扰；n 印刷电路板中导线宽度与电流关系一般为印刷电路板中导线宽度与电流关系一般为2A/mm56 干扰就是有用信号以外的噪声或造成计干扰就是有用信号以外的噪声或造成计算机或设备不能正常工作的破坏因素算机或设备不能正常工作的破坏因素 外部干扰指与系统结构无关，由外界环外部干扰指与系统结构无关，由外界环境决定的影响系统正常运行的因素，如境决定的影

31、响系统正常运行的因素，如空间或磁的影响，环境温度、湿度等的空间或磁的影响，环境温度、湿度等的影响等影响等 57 内部干扰指由系统结构、制造工艺等决内部干扰指由系统结构、制造工艺等决定的影响系统正常运行的因素，如分布定的影响系统正常运行的因素，如分布电容、分布电感引起的耦合、多点接地电容、分布电感引起的耦合、多点接地引起的电位差、寄生振荡引起的干扰等引起的电位差、寄生振荡引起的干扰等58串模干扰(常态干扰) ：串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声 共模干扰(共态干扰) ：共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压 1.串模干扰的抑制串模干扰的抑制 (1)滤波法图3.40 RC滤波器测控装置Ui