第2章计算机控制系统的硬件设计技术

1、第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-1-第2章 计算机控制系统的硬件设计技术 2.1 2.1 总线技术总线技术2.2 2.2 总线扩展技术总线扩展技术2.3 2.3 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道2.4 2.4 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道 2.5 2.5 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道2.6 2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件基于串行总线的计算机控制系统硬件2.7 2.7 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术1.计算机控制计算机控制系统选用总

2、线系统选用总线和通道很重要和通道很重要2.先测后控，先测后控，测为了控。测为了控。3.由于数据传由于数据传输串行总线输串行总线-首首选。选。4. 必须滤波抗必须滤波抗干扰干扰第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-2-2.1 2.1 总线技术总线技术2.1.1 2.1.1 总线的定义、层次结构及种类总线的定义、层次结构及种类 所谓总线所谓总线，就是计算机各模块之间互联和传送信息（指令或地址和数据）的一组信号线。 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

3、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，在工业控制中，还定义了其它总线， 如：如：VMEVME、STDSTD、PC-104PC-104、Compact PCICompact PCI等。等。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-3-2.1.2 PC/ISA/EISA2.1.2 PC/ISA/EISA

4、总总线简介线简介1.PC/ISA1.PC/ISA总线的发展总线的发展 IBM PCIBM PC总线规范总线规范2.ISA2.ISA信号线定义信号线定义3.EISA3.EISA（Extended Extended Industry Standard Industry Standard ArchitectureArchitecture） 32 32位中央处理器的总线扩展位中央处理器的总线扩展工业标准工业标准第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-4-2.1.3 PCI/Compact PCI2.1.3 PCI/C

5、ompact PCI总线简介总线简介 1.PCI 1.PCI总线的主要性能总线的主要性能 2.2.其它性能其它性能PCI(Peripheral Component Interconnect)PCI(Peripheral Component Interconnect)是美国是美国SIG(Special Interest Group of Association for SIG(Special Interest Group of Association for Computer Machinery)Computer Machinery)集团推出的集团推出的6464位总线。该总线的最高总位总线。该总

6、线的最高总线频率为线频率为33MHz33MHz，数据传输率为，数据传输率为80Mby/s(80Mby/s(峰值传输率为峰值传输率为133Mby/s)133Mby/s)。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-5-3.PCI3.PCI总线信号定义总线信号定义主控设备主控设备4949条，目标设备条，目标设备4747条，条，可选引脚可选引脚 5151条（主要用于条（主要用于6464位位扩展、中断请求、高速缓存支持扩展、中断请求、高速缓存支持等），总引脚数等），总引脚数 120120条（包含电条（包含电源、地、保留引

7、脚等）。源、地、保留引脚等）。4.Compact PCI4.Compact PCI总线总线 热插拔技术热插拔技术第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-6-2.1.4 2.1.4 其它总线简介其它总线简介 1.PC/104 1.PC/104总线总线 2.PC/104 plus2.PC/104 plus总线总线 3.STD3.STD总线总线 (1)STD(1)STD总线信号总线信号 (2)STD32(2)STD32总线总线军品，便携设备，武器系统常用军品，便携设备，武器系统常用工业自动生产线多用工业自动生产线多

8、用第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-7-2.1.5 2.1.5 串行外部总线简介串行外部总线简介1.RS-232/RS-422/RS-4851.RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线串行通信总线 （1 1）平衡和不平衡传输方式）平衡和不平衡传输方式 （2 2）RS-232CRS-232C为什么测控系为什么测控系统中多用各类统中多用各类串行总线？串行总线？第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-8-（3 3

9、）RS-422A/ RS-485RS-422A/ RS-485增加传输距离和增加传输距离和提高抗干扰性。提高抗干扰性。注意注意RS422和和RS485的区别？的区别？第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-9-（4 4）RS-485RS-485多点互连多点互连第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-10-2.1.5 2.1.5 串行外部总线简介串行外部总线简介2. USB2. USB（UniversalUniversal S

10、irialSirial Bus Bus）总线总线 （1 1）具有热插拔功能）具有热插拔功能 （2 2）USBUSB采用采用“级联级联”方式连方式连接各个外部设备接各个外部设备 （3 3）适用于低速外设连接）适用于低速外设连接USBUSB的简介的简介1. 1. 自带电源，借口简自带电源，借口简单单2.2.在便携设备，室内多在便携设备，室内多用。用。3.3.速度随版本升高增。速度随版本升高增。4.4.传输距离受限。传输距离受限。5. 5. 有取代有取代IEEE1394IEEE1394趋趋势势第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处

11、理研究所课件制作-11-2.2 2.2 总线扩展技术总线扩展技术2.2.1 2.2.1 微型计算机系统微型计算机系统I/OI/O端口与地址分配端口与地址分配 1.I/O1.I/O端口及端口及I/OI/O操作操作 （1 1）数据端口）数据端口 （2 2）状态端口）状态端口 （3 3）命令端口）命令端口 2. I/O2. I/O端口编址方式端口编址方式 （1 1）统一编址）统一编址 （2 2）独立编址）独立编址 3.I/O3.I/O端口地址分配端口地址分配 （1 1）系统板上的）系统板上的I/OI/O接口接口 （2 2）扩展卡上的）扩展卡上的I/OI/O接口接口 4.I/O4.I/O端口地址选用原

12、则端口地址选用原则第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-12-2.2.2 2.2.2 I I/O/O端口地址译码技术端口地址译码技术1.1.三种译码方式三种译码方式 （3 3）部分译码）部分译码（2 2）全译码法）全译码法唯一的确定一个端口或寄存器的地址，需要所有地唯一的确定一个端口或寄存器的地址，需要所有地址线都参加译码。译码电路复杂。址线都参加译码。译码电路复杂。片内寻址外的高位地址的一部分译码产生片选信号，但片内寻址外的高位地址的一部分译码产生片选信号，但存在地址重叠区。存在地址重叠区。高位地址线不经

13、过译码，直接分别接各芯片的片选段高位地址线不经过译码，直接分别接各芯片的片选段来区别各芯片或端口的地址。来区别各芯片或端口的地址。（1 1）线选法）线选法第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-13-2.I/O2.I/O端口地址译码电路信号端口地址译码电路信号译码电路信号不仅与地址信号有关，而且译码电路信号不仅与地址信号有关，而且与控制信号有关。与控制信号有关。在设计地址译码电路时，不仅要选择地址在设计地址译码电路时，不仅要选择地址范围，还要根据范围，还要根据CPUCPU与与I/OI/O端口交换数据时的流端口

14、交换数据时的流向（读向（读/ /写）、数据宽度（写）、数据宽度（8 8位位/16/16位），以及位），以及是否采用奇偶地址等要求来引入相应的控制信是否采用奇偶地址等要求来引入相应的控制信号，从而形成端口地址译码电路。号，从而形成端口地址译码电路。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-14-3.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基于基于ISAISA总线的工控机系统由主板和系列工业总线的工控机系统由主板和系列工业过程通道板卡组成。过程通道板卡组成。ISAISA总线底板的每个插槽

15、的总线信号是互连互总线底板的每个插槽的总线信号是互连互通的，可以将多块过程通道板卡插在机箱内的总通的，可以将多块过程通道板卡插在机箱内的总线底板的各个插槽。线底板的各个插槽。为避免多个板卡出现总线争用情况，必须为每为避免多个板卡出现总线争用情况，必须为每块过程通道板卡和外设接口板卡设置不同的块过程通道板卡和外设接口板卡设置不同的I/OI/O地地址空间。址空间。在设计通道板卡时，一般使用地址空间在设计通道板卡时，一般使用地址空间I/OI/O端端口的译码电路来实现这一要求。口的译码电路来实现这一要求。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电

16、科大信息处理研究所课件制作-15-I/OI/O端口地址译码通常可由地址信号和控制信端口地址译码通常可由地址信号和控制信号的不同组合来选择端口地址。号的不同组合来选择端口地址。一般是把地址信号分为两部分：一般是把地址信号分为两部分：另一部分是低位地址线直接连到另一部分是低位地址线直接连到I/OI/O接口芯片，经接口芯片，经过接口芯片内部的地址译码电路选择该接口电路的某个过接口芯片内部的地址译码电路选择该接口电路的某个寄存器端口，实现接口芯片的片内寻址。寄存器端口，实现接口芯片的片内寻址。一部分是高位地址线与一部分是高位地址线与CPUCPU或总线的控制信号组或总线的控制信号组合，经过译码电路产生一

17、个片选信号去选择某个合，经过译码电路产生一个片选信号去选择某个I/OI/O接口芯片，从而实现接口芯片的片间选择。接口芯片，从而实现接口芯片的片间选择。3.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第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-16-（1 1）固定地址译码）固定地址译码在在CPU工作周期，工作周期，AEN输出逻辑为输出逻辑为0，该扩展卡是可，该扩展卡是可以被访问的。以被访问的。地址选择：地址选择： 3A0H3A7HY0端地址码：端地址码： 3A0HA15A14A13A12 A

18、11A10A9A8 x x x x 0 0 1 1A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 1 0 0 0 0 0第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-17-（2 2）开关选择译码）开关选择译码数数据据比比较较器器逻辑开关闭合ISAISA板卡的地址一般设计成用户可以设置的，通常采用板卡的地址一般设计成用户可以设置的，通常采用数据数据比较器比较器和一组逻辑开关来实现和一组逻辑开关来实现ISAISA板卡高位地址的设定。板卡高位地址的设定。Y0端地址码：端地址码： 03E0HA15A14A13A12

19、 A11A10A9A8 0 0 0 0 0 0 1 1A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 0 0 0 0 0Y1端地址码：端地址码： 03E2HA15A14A13A12 A11A10A9A8 0 0 0 0 0 0 1 1A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 0 0 0 1 0第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-18-2.2.3 2.2.3 基于基于ISAISA总线端口扩展总线端口扩展1.1.板选译码与板内译码板选译码与板内译码基于基于ISAISA总线扩展的总

20、线扩展的8 8位数据传送的数字量输入、输出模板线路原理图位数据传送的数字量输入、输出模板线路原理图采用开关式全采用开关式全译码电路。译码电路。板内译码板内译码数数据据总总线线驱驱动动器器Y0Y0选通地址：选通地址： 基地址基地址+0+0Y1Y1选通地址：选通地址： 基地址基地址+1+1Y2Y2选通地址：选通地址： 基地址基地址+2+2Y3Y3选通地址：选通地址： 基地址基地址+3+3开关开关状态状态决定决定模板模板的基的基地址地址第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-19-成品成品ISA总线用总线用AD+D

21、A卡卡第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-20-第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-21-2.2.3 2.2.3 基于基于ISAISA总线端口扩展总线端口扩展2.2.总线驱动及逻辑控制总线驱动及逻辑控制74HCT12574HCT125驱动控制总线，控制版内有关信号驱动控制总线，控制版内有关信号基于基于ISAISA总线扩展的总线扩展的8 8位数据传送的数字量输入、输出模板线路原理图位数据传送的数字量输入、输出模板线路原

22、理图板内译码板内译码数数据据总总线线驱驱动动器器开关开关状态状态决定决定模板模板的基的基地址地址第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-22-3.3.端口及其读写控制端口及其读写控制2.2.3 2.2.3 基于基于ISAISA总线端口扩展总线端口扩展74HCT12574HCT125驱动控制总线，控制版内有关信号驱动控制总线，控制版内有关信号基于基于ISAISA总线扩展的总线扩展的8 8位数据传送的数字量输入、输出模板线路原理图位数据传送的数字量输入、输出模板线路原理图板内译码板内译码数数据据总总线线驱驱动动器

23、器开关开关状态状态决定决定模板模板的基的基地址地址第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-23-2.3 2.3 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道2.3.1 2.3.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术 1.1.数字量输入接口数字量输入接口 2.2.数字量输出接口数字量输出接口第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-24-2.3.2 2.3.2 数字量输入通道数字量输入通道1.1.数字量输入

24、通道的结构数字量输入通道的结构第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-25-.3数字量输出通道数字量输出通道1.1.数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-26-.3数字量输出通道数字量输出通道第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-27-2.3.4 2.3.4 数字（

25、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第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-28-2.3.4 数字（开关）量输入/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 x220outp

26、ortb(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 DXMOV DX， 220H220HMOV ALMOV AL， 55H55HOUT DXOUT DX， ALALMOV DXMOV DX， 221H221H OUT DXOUT DX， ALALMOV DXMOV DX， 220H220HIN ALIN AL， DX DX MOV AHMOV AH， ALAL

27、MOV DXMOV DX， 221H221HIN ALIN AL， DXDX第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-29-2.42.4 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-30-模拟量输入通道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。二进制数字信号，经接口送往计算机。传感器传感器是将生产过程工

28、艺参数转换为电参数的装置，大多数是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，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。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传输带来的麻烦，经常要将测量元为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成送器等，将温度、压力、流量的电信号变成010mA010mA或或420mA42

29、0mA的统一的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。信号，然后经过模拟量输入通道来处理。2.4 2.4 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道变送器的作用变送器的作用是什么？是什么？第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-31-2.4.1 2.4.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成2.4 2.4 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道补充补充第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-32-2.4

30、.2 2.4.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换1.1.信号调理电路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。信号调理电路是传非标准的电信号转换成标准的电信号。信号调理电路是传感器和感器和A/DA/D之间以及之间以及D/AD/A和执行机构之间的桥梁，也是测控和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。系统中重要的组成部分。（1 1）非）非电信号电信号的检测的检测- -不平衡电桥不

31、平衡电桥 （2 2）信号放大电路）信号放大电路 1) 1)基于基于ILC7650ILC7650的前置放大电路的前置放大电路第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-33-2.4.2 2.4.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换2 2）AD526AD526可编程仪用放大器可编程仪用放大器AD526AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入是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的仪用放大器，器件本身所提供的增益是x lx l、x 2x 2、x 4x 4、x 8x 8、x

32、16x16等五挡。它等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTLTTL数字逻辑电路的器件，使用时不需外数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。加任何元件就可工作。 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-34-2.4.2 2.4.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换2. I/V2. I/V变换变换 （1 1）无源）无源I/VI/V变换变换 （2 2）有源）有源I/VI/V变换变换第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术20

33、22年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-35-2.4.3 2.4.3 多路转换器多路转换器 多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。元件。 图图2-27 CD40512-27 CD4051原理图原理图第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-36-2.4.4 2.4.4 采样、量化及采样保持器采样、量化及采样保持器1.1.信号的采样信号的采样香农采样定理：香农采样定理：如果模拟信号频谱的最高频率为如果模拟信号频谱

34、的最高频率为fmaxfmax，只要按照采样频率，只要按照采样频率f=2fmaxf=2fmax进行采样，那么采样信号进行采样，那么采样信号y y* *(t)(t)就能唯一的复现就能唯一的复现y(t)y(t)。实际应用中：实际应用中：max105ff 甚至更高。甚至更高。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-37-就是采用一组数码就是采用一组数码( (如二进制码如二进制码) )来逼近离散模拟信号的幅值，将其来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为转换为数字信号。将采样信号

35、转换为数字信号的过程称为量化过程量化过程，执，执行量化动作的装置是行量化动作的装置是A/DA/D转换器。转换器。 12minmaxnyyq2.2.量化量化量化单位：量化单位：字长为字长为n n的的A/DA/D转换器把转换器把 范围内变化的范围内变化的采样信号变换为数字采样信号变换为数字 ，其最低有效位（，其最低有效位（LSBLSB）所对应的模拟量所对应的模拟量q q称为量化单位。称为量化单位。 120nyymaxmin2.4.4 2.4.4 采样、量化及采样保持器采样、量化及采样保持器第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理

36、研究所课件制作-38-(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(2)(2)采样保持原理采样保持原理3.3.采样保持器采样保持器完成一次完成一次A/DA/D转换所需的时间为转换所需的时间为孔径时间孔径时间。完成一次完成一次A/DA/D转换所造成的最大误转换所造成的最大误差称为差称为孔径误差孔径误差。用用t tA/D A/D 表示。表示。保持器把保持器把t=kTt=kT时刻的采样值时刻的采样值保持到保持到A/DA/D转换结束。转换结束。A A2 2的输入阻抗很高的输入阻抗很高, ,理想情况理想情况下下V Voutout=V=Vc c保持不变。保持不变。2.4.4 2.4.4 采

37、样、量化及采样保持器采样、量化及采样保持器第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-39-常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有LF398LF398、AD582AD582等，等，LF398LF398的采样控制电平为的采样控制电平为“1 1”，保持电平为，保持电平为“0 0”，AD582AD582相反。相反。3.3.采样保持器采样保持器（3 3）常用的采样保持器）常用的采样保持器第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-40

38、-保持电容保持电容CHCH通常是外接通常是外接的，其取值与采样频率和精的，其取值与采样频率和精度有关，常选度有关，常选5101000pF5101000pF。减小保持电容减小保持电容C CH H可提高采可提高采样频率，但会降低精度。样频率，但会降低精度。一般选用聚苯乙烯、聚一般选用聚苯乙烯、聚四氟乙烯等高质量电容做四氟乙烯等高质量电容做C CH H。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-41-第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课

39、件制作-42-2.4.5 A/D2.4.5 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术1. 81. 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809 (1) 8 (1) 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 (2) 8(2) 8位位A/DA/D转换器转换器 (3) (3) 三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器2 21212位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A (1)12 (1)12位位A/DA/D转换器转换器 (2)(2)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 (3)(3)控制逻辑控制逻辑3. AD574A/16743. AD574A/1674与与PC

40、PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-43-ADC0809的引脚如图所示。它共有的引脚如图所示。它共有28个引脚，其中：个引脚，其中： D0(2-8)D7(2-1)：输出数据线；：输出数据线； IN0IN7：8路模拟电压输入端；路模拟电压输入端； ADDA，ADDB，ADDC：路地址输入，：路地址输入，ADDA是最低位，是最低位，ADDC是最高位；是最高位； START：启动信号输入端，下降沿有效；：启动信号输入端，下降沿有效； ALE：地址锁存信号，用来锁存：地址锁

41、存信号，用来锁存ADDAADDC的地的地址输入，上升沿有效；址输入，上升沿有效； EOC：变换结束状态信号，高电平表示一次转：变换结束状态信号，高电平表示一次转换已结束；换已结束； OE：读允许信号，高电平有效；：读允许信号，高电平有效； CLK：时钟输入端；：时钟输入端； VREF(+)、VREF(-)：参考电压输入端；：参考电压输入端； VCC：5V电源输入；电源输入； GND：地。：地。 1、8位位A/D变换器芯片变换器芯片ADC0809图图7.71 ADC0808引线图引线图图图 ADC0809工作时序图工作时序图 2.4.5 A/D2.4.5 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技

42、术第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-44-8031第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-45-结合图，并假定系统初始化时已将结合图，并假定系统初始化时已将74LS273的的Q7初始化为初始化为0，则采集程序可如下：，则采集程序可如下： ACQ09 ：MOV AX，SEGDATA MOV DS，AX MOV SI，OFFSETDATA MOV BL，0 MOV CL，8 GOON：MOV AL，BL MOV DX，00

43、7AH OUT DX，AL；送出路地址；送出路地址 OR AL，80H OUT DX，AL ；送；送ALE上升沿上升沿 AND AL，7FH OUT DX，AL；输出；输出START NOP MOV DX，0079H PWAT：IN AL，DX；读；读EOC状态状态 AND AL，01H JZ PWAT MOV DX，007AH MOV AL，BL图图 ADC0809工作时序图工作时序图 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-46-图图7.73 ADC0809的一种接口电路的一种接口电路 D0D71CBAG

44、2AGA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3G2BIOR&D0D7DI0DI1DI7EEA2A1A074LS1381174LS244D0D7DI0EED0D7Q7Q6CP74LS2731D0D1D7ADC0809EOCSTARTALEOEQ2Q1Q0ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7IOWY2Y1Y074LS244MOV DX，007AHMOV AL，0OUT DX，ALRET OR AL，40HOUT DX，AL ；使；使OE=1MOV DX，0078HIN AL，DX ；读；读A/D变换器数据变换器数据MOVSI，AL

45、 ；存入内存；存入内存INC SIINC BLDEC CLJNZ GOON1 1、8 8位位A/DA/D变换器芯片变换器芯片ADC0809ADC0809第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-47-(3)12 位A/D变换器芯片AD574。 AD574 的引脚及功能。AD574 变换器的引脚如图8.29所示。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-48-图图8.29 AD574 的引脚图的引脚图 第第2章章 计算机控制系统的

46、硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-49-各引脚的定义如下：REFOUT：内部参考电源电压输出(10 V)。REFIN：参考电压输入。BIP：偏置电压输入。10VIN：5 V输入或 010 V输入。20VIN：10 V输入或 020 V输入。DB0DB11：高字节为DB8DB11，低字节为DB0DB7。STS：“忙”信号输出，高电平有效。12/8：变换输出字长选择端，输入为高电平时，变换字长输出为12位；输入为低电平时按8位输出。 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大

47、信息处理研究所课件制作-50-CS：片选信号。：片选信号。A0：字节地址控制输入，在启动：字节地址控制输入，在启动A/D时时(R/0)，用来控制转换长度。用来控制转换长度。A00 时转换长度为时转换长度为12位，位，A01时时转换长度为转换长度为8位。在变换数据输出时，在位。在变换数据输出时，在12/0的情况下，的情况下，A00，输出高，输出高8位数据位数据DB4DB11；A01时，输出低时，输出低4位数据位数据DB0DB3。R/C：数据读输出和转换控制输入。：数据读输出和转换控制输入。 CE：工作允许信号，高电平有效。：工作允许信号，高电平有效。15 V、15 V：15 V、15 V电源输入

48、端。电源输入端。AGND：模拟地。：模拟地。DGND：数字地。：数字地。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-51- AD574的的工作时序。时序。AD574的控制功能如表的控制功能如表8.6所示。所示。 AD574的控制功能的控制功能第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-52- A/D变换器芯片内部集成有高精度参考电压形成电路，变换器芯片内部集成有高精度参考电压形成电路，可满足可满足12位位A/D变换的要求。同时，其内

49、部还集成有变变换的要求。同时，其内部还集成有变换时钟电路，故无需外接时钟。这些都为使用者提供了换时钟电路，故无需外接时钟。这些都为使用者提供了很大的方便。很大的方便。AD574的一次变换时间大约为的一次变换时间大约为1535 s，该时间随型，该时间随型号的不同而有所区别，其变换过程的时序关系如图号的不同而有所区别，其变换过程的时序关系如图8.30所示。所示。 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-53-图图 AD574的工作时序的工作时序 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术

50、2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-54- AD574 的应用。下面对以的应用。下面对以AD574 芯片构成的芯片构成的A/D变换器变换器电路实例进行说明。通过实例使读者能较清楚地了解设计电路实例进行说明。通过实例使读者能较清楚地了解设计A/D变换器电路的基本内容和方法。变换器电路的基本内容和方法。a. AD574的模拟输入电路。的模拟输入电路。 模拟输入电路的极性选择。由模拟输入电路的极性选择。由AD574 引脚图可知，它引脚图可知，它有两个模拟电压输入引脚，即有两个模拟电压输入引脚，即 10VIN和和20VIN，具有，具有10 V和和20 V的动态范围。这两个引脚的输

51、入电压可以是单极性的的动态范围。这两个引脚的输入电压可以是单极性的也可以是双极性的，可通过改变输入电路的连接形式来进也可以是双极性的，可通过改变输入电路的连接形式来进行选择，如图所示。行选择，如图所示。 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-55- 输入路数的扩展。一般输入路数的扩展。一般A/D芯片只有一个或两个模拟输入端。芯片只有一个或两个模拟输入端。但是，实际的系统往往需要对多路模拟输入信号进行但是，实际的系统往往需要对多路模拟输入信号进行A/D变变换。利用多块换。利用多块A/D芯片虽可解决这个问题，但

52、从价格上讲是芯片虽可解决这个问题，但从价格上讲是不可取的。为了充分发挥不可取的。为了充分发挥A/D芯片的作用，可以采用模拟开芯片的作用，可以采用模拟开关来对输入路数进行扩展。关来对输入路数进行扩展。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-56-图图 AD574AD574的模拟电压输入的模拟电压输入(a) 单极性输入；单极性输入；(b) 双极性输入双极性输入 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-57-模拟开关有多个模拟输入

53、端和一个模拟输出端。在某一时刻模拟开关有多个模拟输入端和一个模拟输出端。在某一时刻究竟哪一个输入端和输出端相通取决于路地址输入端的输入究竟哪一个输入端和输出端相通取决于路地址输入端的输入状态。例如，状态。例如，H1508 是一个是一个8路的模拟开关，如图路的模拟开关，如图8.32所示。所示。它有它有 8 路模拟输入端路模拟输入端IN0IN7，1 个模拟输出端个模拟输出端OUT，3个个路地址输入端路地址输入端A0A2和一个选通端和一个选通端EN。当。当EN1，A2A1A0000B时，时，IN0 输入端和输入端和OUT输出端接通。同理，当输出端接通。同理，当EN1，A2A1A0001B时，时，IN

54、1与与OUT接通。当接通。当EN0时，时，OUT为为高阻。这样，只要将输出端高阻。这样，只要将输出端OUT和和AD574的模拟输入端相连的模拟输入端相连接，在变换前给接，在变换前给H1508送一个送一个EN有效和路地址信号，则可对有效和路地址信号，则可对相应路的模拟输入信号进行相应路的模拟输入信号进行A/D变换，从而将变换，从而将1路模拟输入扩路模拟输入扩展为展为8路模拟输入。路模拟输入。 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-58- 如想扩展成如想扩展成64路，则在该路，则在该H1508 的各输入端的各输

55、入端IN0IN7上再各上再各接一块接一块H1508，将每个输入端再扩展为，将每个输入端再扩展为8路就可以了。这样路就可以了。这样一来，一来， 9块块H1508就可以将一路模拟输入扩展为就可以将一路模拟输入扩展为 64路模拟输路模拟输入。请读者注意，这种扩展并不是可以无限延伸的。每个入。请读者注意，这种扩展并不是可以无限延伸的。每个模拟开关在导通时都是有内阻的，串联级数多了，内阻相模拟开关在导通时都是有内阻的，串联级数多了，内阻相应就会增大，精度也就随之降低。一般的串联不要超过两应就会增大，精度也就随之降低。一般的串联不要超过两级。级。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件

56、设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-59-图图 8路模拟开关路模拟开关H1508引脚图引脚图 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-60- 采样保持电路。采样保持电路。A/D变换器从变换开始到结束需要一段时变换器从变换开始到结束需要一段时间，这段时间的长短随各种变换器速度的不同而不同。在变间，这段时间的长短随各种变换器速度的不同而不同。在变换器工作期间一般要求输入电压保持不变，否则就会造成不换器工作期间一般要求输入电压保持不变，否则就会造成不必要的误差。为此，在必要的误差。为此

57、，在A/D变换器输入端之前总要插入一个变换器输入端之前总要插入一个采样保持电路，如图采样保持电路，如图8.33所示。在启动变换器时，对模拟输所示。在启动变换器时，对模拟输入电压进行采样，采样保持电路的输出就一直保持采样时的入电压进行采样，采样保持电路的输出就一直保持采样时的电压不变，从而为电压不变，从而为A/D变换器的输入端提供一个稳定的模拟变换器的输入端提供一个稳定的模拟输入电压。当然，采样保持电路的电压保持时间是有限的，输入电压。当然，采样保持电路的电压保持时间是有限的，但与变换时间相比，已是足够长了。但与变换时间相比，已是足够长了。显然，若在显然，若在A/D变换时间内，模拟输入信号的变化

58、对所要变换时间内，模拟输入信号的变化对所要求的精度产生的影响可以忽略，则可以不用采样保持电路。求的精度产生的影响可以忽略，则可以不用采样保持电路。第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-61- 滤波电容的连接。为了平滑输入模拟电压和减小干扰，在滤波电容的连接。为了平滑输入模拟电压和减小干扰，在A/D变换器的模变换器的模拟输入端与地之间通常接有一个滤波电容。其电容值的大小应不至于对拟输入端与地之间通常接有一个滤波电容。其电容值的大小应不至于对正常变化产生太大影响，即由模拟信号源内阻与该滤波电容所构成的时正常变化

59、产生太大影响，即由模拟信号源内阻与该滤波电容所构成的时间常数的倒数，应大于模拟信号中有用分量的最高频率分量。例如，模间常数的倒数，应大于模拟信号中有用分量的最高频率分量。例如，模拟信号的最高频率分量为拟信号的最高频率分量为2 kHz，那么该时常数应选择为：，那么该时常数应选择为： 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-62-ms5.0kHz21RC滤波时常数第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-63-图图 采样保持电路的

60、连接采样保持电路的连接 第第2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术2022年5月24日星期二西电科大信息处理研究所课件制作-64- 另外，滤波电容的连接点也应该仔细选择，否则会造成很大的人为误差。另外，滤波电容的连接点也应该仔细选择，否则会造成很大的人为误差。一般应接在模拟信号输入的最外端。例如，在图一般应接在模拟信号输入的最外端。例如，在图8.32中，我们可以将滤波中，我们可以将滤波电容接在电容接在H1508的的OUT端，也可以接在端，也可以接在H1508的的IN0IN7各输入端。前者各输入端。前者只要接只要接1个，后者却要接个，后者却要接8个。个。 到底哪一种接法好到底哪