第二章 过程通道设计方法

1、信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-261第第2章章 计算机控制系统计算机控制系统过程通道设计方法过程通道设计方法第二讲第二讲- -第四讲第四讲信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-262 过程输入输出通道由过程输入输出通道由模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道(AI, AO)和和数字量输入输出通道数字量输入输出通道(DI, DO)组组成。成。 过程输入输出通道在微型计算机和工业生过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程之间起着产过程之间起着信号传递与变换信号传递与变换的纽带作用。的纽带作用。第二讲第二讲信息与电气工程学院

2、计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2632.1 数字量过程通道的设计方法数字量过程通道的设计方法2.2 模拟量输入通道设计方法模拟量输入通道设计方法2.3 模拟量输出通道设计方法模拟量输出通道设计方法2.4 小小 结结信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2642.1 数字量过程通道的设计方法数字量过程通道的设计方法 数字量数字量(开关量开关量)：用：用“0”和和“1” 两个量进行描述，两个量进行描述，如电动机的启动和停止，继电器的吸合与释放，指示灯如电动机的启动和停止，继电器的吸合

3、与释放，指示灯的亮和灭等。的亮和灭等。 数字量过程通道分为数字量输入通道数字量过程通道分为数字量输入通道(DI)和数字量和数字量输出通道输出通道(DO)。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统 2.1.1 数字量输入通道设计方法数字量输入通道设计方法 2.1.2 数字量输出通道设计方法数字量输出通道设计方法山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2652.1.1 数字量输入通道设计方法数字量输入通道设计方法 数字量输入通道，主要用于将生产过程中的数字数字量输入通道，主要用于将生产过程中的数字信号转换成计算机能够接收的形式。信号转换成计算机能够

4、接收的形式。设计时注意两个问题：设计时注意两个问题：(1) 输入电平的形式输入电平的形式。由于数字量输入电平一般与计。由于数字量输入电平一般与计算机的接口电平不同，需要进行电平变换。算机的接口电平不同，需要进行电平变换。(2) 使通道具备抗噪声的能力，防止噪声引发误动作使通道具备抗噪声的能力，防止噪声引发误动作。 为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场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转换、保护、滤波、隔离等措施转换输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能接收的逻辑信号，这个过程称为成计算机能接收的逻辑信号，这个过程称为信号调理信号调理。(电平

5、变换和噪声抑制过程称为信号调理。电平变换和噪声抑制过程称为信号调理。)信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-266信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统输输 入入 调调 理理 电电 路路输输 入入 缓缓 冲冲 器器地址译码器地址译码器生生 产产 过过 程程PC 总总 线线数字量输入通道结构数字量输入通道结构山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-267信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统数字量输入通道结构框图数字量输入通道结构框图 数字量输入

6、的三种形态数字量输入的三种形态山东科技大学输入调理电路设计的好坏直输入调理电路设计的好坏直接影响系统的性能接影响系统的性能信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-268信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统三态门缓冲器三态门缓冲器74LS244可可用来隔离输入和输出线路，用来隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲、加强在两者之间起缓冲、加强作用。作用。可用如下指令来完成取数可用如下指令来完成取数 MOV DX，PROT IN AL，DX三态门缓冲器三态门缓冲器74LS244山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-

7、2691. 外部的开关信号及逻辑电平信号调理电路外部的开关信号及逻辑电平信号调理电路(1)直接分压直接分压:对数字量的电压信号进行衰减。对数字量的电压信号进行衰减。 开关信号系统与计算机系统在电气上没有隔离，开关信号系统与计算机系统在电气上没有隔离，开关信号系统的电气噪声容易进入计算机系统，从开关信号系统的电气噪声容易进入计算机系统，从而导致系统不稳定甚至损坏的情况。故设计中很少而导致系统不稳定甚至损坏的情况。故设计中很少采用这种方式。采用这种方式。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统UU山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2610来自

8、外部的开关信号及逻辑电平信号有三种形式：来自外部的开关信号及逻辑电平信号有三种形式： 空接点空接点继电器的辅助触点继电器的辅助触点 带直流电压接点带直流电压接点 带交流电压接点带交流电压接点(2) 直流接点信号输入电路直流接点信号输入电路 信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统尖峰电路稳压电路“0”山东科技大学归于归于限流限流信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2611(3) 交流接点信号输入电路交流接点信号输入电路信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学交流输入电路交流输入电路保护整流桥保护整流桥滤波电路滤波电路交流信号交流信号

9、直流信号直流信号“0”信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-26122. 数字脉冲信号输入调理电路数字脉冲信号输入调理电路-计脉冲个数计脉冲个数信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统光耦去计数器+12VR1R2R3+VCCCZ山东科技大学选择不同稳压值的稳压管选择不同稳压值的稳压管来调节输出矩形波的占空比来调节输出矩形波的占空比信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-26133. 系统系统设置开关设置开关(小功率输入调理电路小功率输入调理电路)信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统采用积分电路消除开关抖动采用积分

10、电路消除开关抖动山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2614 采用采用R-S触发器消除开关两次反跳触发器消除开关两次反跳01信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-26152.1.2 数字量输出通道设计方法数字量输出通道设计方法 数字量输出通道用于将计算机输出的数字量信数字量输出通道用于将计算机输出的数字量信号进行转换，以达到能够驱动被控对象动作的目的。号进行转换，以达到能够驱动被控对象动作的目的。在对开关功率进行匹配设计的同时，应考虑内部与在对开关功率进行匹配设计的同时，应考虑内部与外部公共地的隔离。外部公共地的

11、隔离。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2616输 出 驱 动 器输 出 锁 存 器地址译码器生 产 过 程P C 总 线数字量输出通道结构数字量输出通道结构信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2617可用以下指令完成数可用以下指令完成数据输出控制。据输出控制。 MOV AL，DATA MOV DX，PROT OUT DX，AL锁存器锁存器74LS273利用利用IOW上升沿锁存上升沿锁存信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-26181. 小功率开关输出电路小功率开关输出电路VIR1OC门

12、光耦R2+VCC+VO0011信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-26192. 中功率晶体管驱动电路中功率晶体管驱动电路续流二极管续流二极管限流限流继电器线圈继电器线圈信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2620信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统3. (电磁电磁)继电器输出接口电路继电器输出接口电路JR开关量输入D+VCC继电器光耦220V弱电控制强电弱电控制强电1缺点？缺点？山东科技大学机械式触点机械式触点信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2621信息与电气工程学院计算机

13、控制系统计算机控制系统4. (双向双向)晶闸管输出电路晶闸管输出电路山东科技大学无触点开关无触点开关广泛应用与交直流电机调速系统、随动系统中。广泛应用与交直流电机调速系统、随动系统中。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2622信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统5. 固态继电器输出接口电路固态继电器输出接口电路零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。山东科技大学无触点开关无触点开关信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2623 输入调理电路和输出驱动电路属于

14、输入调理电路和输出驱动电路属于I/O电气转换部电气转换部分，其主要功能是：分，其主要功能是： 滤波、电平转换、隔离、功率驱动等滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。 所采用的一般方法为：所采用的一般方法为：信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统 用齐纳二极管或压敏电阻将瞬态尖峰箝位在安全电用齐纳二极管或压敏电阻将瞬态尖峰箝位在安全电平上；平上； 串联一个二极管来防止反电压输入；串联一个二极管来防止反电压输入； 用限流电阻齐纳二极管构成稳压电路做过电压保护；用限流电阻齐纳二极管构成稳压电路做过电压保护； 用光电隔离实现信号完全隔离；用光电隔离实现信号完全隔离； 用用RC滤波器抑制干扰。滤波器

15、抑制干扰。山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-26242.1 数字量过程通道的设计方法数字量过程通道的设计方法2.2 模拟量输入通道设计方法模拟量输入通道设计方法2.3 模拟量输出通道设计方法模拟量输出通道设计方法2.4 小小 结结信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学第三讲第三讲信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2625信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统2.2 模拟量输入通道设计方法模拟量输入通道设计方法 模拟量输入通道的任务：完成模拟量信号模拟量输入通道的任务：完成模拟量信

16、号到数字量信号的转换。到数字量信号的转换。 2.2.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成 2.2.2 I/V变换、多路开关、仪用放大器变换、多路开关、仪用放大器及采样保持器及采样保持器 2.2.3 模拟量输入通道的设计模拟量输入通道的设计 山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2626信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统2.2.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成 AI通道的任务是把生产现场被控对象通道的任务是把生产现场被控对象(如温度、如温度、压力、流量、液位、电流、电压、成分等压力、流量、液位、电流、电压、成分等)模拟

17、量模拟量信号转换成计算机可以识别的数字量信号。信号转换成计算机可以识别的数字量信号。模拟量输入通道的结构组成图模拟量输入通道的结构组成图4-20mA1-5V山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2627信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统2.2.2 I/V变换、多路开关、仪用放大器变换、多路开关、仪用放大器及采样保持器及采样保持器 在设计离散系统时，在设计离散系统时，香农采样定理香农采样定理是必须严是必须严格遵守的一条准则，它指明了从采样信号中格遵守的一条准则，它指明了从采样信号中不失不失真地复现真地复现原来连续信号的最低采样频率。原来连

18、续信号的最低采样频率。香农定理：香农定理：设输入信号设输入信号 的频率分量为的频率分量为 ，采，采样频率为样频率为 ，则要从采样信号，则要从采样信号 中完整地复现中完整地复现信号信号 ，则必须满足：，则必须满足： 。maxfsfmax2 ffs)(tx)(tx)(*tx山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2628信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统1. I/V变换变换 传感器和变送器输出的信号为传感器和变送器输出的信号为15V或或420mA，而而A/D转换器所接收的模拟信号为转换器所接收的模拟信号为010V或或05V。思考思考：(1)

19、DDZ-II型与型与DDZ-III型电动单元组合仪表型电动单元组合仪表的区别？的区别？ (2) DDZ-III型电动仪表为何型电动仪表为何在控制室使用电在控制室使用电压传输，在现场与控制室间使用电流传输？压传输，在现场与控制室间使用电流传输？420mA电流信号适用在现场与控制室之间远距离传输，可以避免传电流信号适用在现场与控制室之间远距离传输，可以避免传输导线上的压降损失引起的误差。输导线上的压降损失引起的误差。15V电压信号适于控制室内短距离联络，仪表之间可以并联连接，便电压信号适于控制室内短距离联络，仪表之间可以并联连接，便于仪表安装和维修。于仪表安装和维修。山东科技大学信息与电气工程学院

20、计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2629信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统为什么选取这样的标准信号？为什么选取这样的标准信号？ (a) 30V电压，电压，30mA电流所引起的火花能量足以达到危险气电流所引起的火花能量足以达到危险气体燃点的平均下限，因此多数仪表采用体燃点的平均下限，因此多数仪表采用24V供电，为了留有供电，为了留有余量，电流信号上限定为余量，电流信号上限定为20mA。 (b) 为了区分无信号和信号为零，信号起始值不为零。为了区分无信号和信号为零，信号起始值不为零。 (c) 两线制仪表在信号为零时仍需要一定的能量供应。两线制仪表在信号为零时仍需要

21、一定的能量供应。 (d) 4-20mA电流作用在电流作用在250电阻上刚好得到电压电阻上刚好得到电压1-5V。 山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2630(1) 无源无源I/V变换变换信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统50010021RR 输入输入 输出输出010mA 05V25010021RR420mA 15V精密电阻精密电阻限幅限幅山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2631信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(2) 有源有源I/V变换变换KRKRR25100200431

22、，A-+R5R4R3R2R1CIVKRKRR150100200431， 输入输入 输出输出010mA 05V420mA 15V为何选用运为何选用运算放大器？算放大器？341RRA+精密电阻精密电阻山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2632信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(3) 专用专用I/V转换电路转换电路sRsR 75757575ReferenceReference+10V+10VRVC420RVC420-in-in4mA4mA20mA20mA+in+in16 V+16 V+13135 58 87 710 Ref f10 Ref

23、 fB B1111141415 Rcv f15 Rcv fB B12 Ref in12 Ref inRcv OutRcv OutRef OutRef Out3 32 21 Fm m1 Fm m+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -RcvRcv公共公共RevRev公共公共CrCrV VO O(0V(0V5V)5V)Ref NoiseRef NoiseReductionReductionRef TrimRef Trim3 3I Im m4 V-4 V-山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2633信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统

24、2. 多路开关多路开关(多选一多选一)CD4051原理图原理图山东科技大学CMOS的模拟开关电路：通过的模拟开关电路：通过数字量来控制传输门数字量来控制传输门(TG)的接的接通和断开以传输数字信号或模通和断开以传输数字信号或模拟信号拟信号信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2634信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统图2 -3 CD4051结构原理图0S2S3S4S5S6S7S1S动动驱驱码码译译换换转转平平电电ABCINHmSCD4051CD4051结构原理图结构原理图 并非实际的开关，而是并非实际的开关，而是CMOS的模拟开关，若的模拟开关，若

25、VEE，VSS的电压匹配不的电压匹配不足，开关就相当于一个足，开关就相当于一个大内阻大内阻山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2635信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统CD4051真值表真值表山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学山东科技大学2022-6-2636信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统补：扩展电路补：扩展电路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，也可以将也可以将2个个8路路4051并联起来，组成并联起来，组成1个单

26、端的个单端的16路开关。路开关。 D3D2D1D0动驱码译动驱码译换转平电换转平电0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS图2-4 多路模拟开关的扩展电路INHINH信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2637信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统3. 测量放大器测量放大器 在实际工程中，传感器或变送器输出的模拟信在实际工程中，传感器或变送器输出的模拟信号一般较弱，故需要将其号一般较弱，故需要将其放大放大以达到以达到A/D转换所需的转换所需的量程范围。量程范围。 运算放大器：运算放大器：具有毫伏

27、级的失调电压和温漂具有毫伏级的失调电压和温漂放大器放大器 测量放大器：测量放大器：高输入阻抗、低输出阻抗，低温高输入阻抗、低输出阻抗，低温 漂，低失调电压和高稳定增益，抗共模干扰能力强漂，低失调电压和高稳定增益，抗共模干扰能力强 常用的测量放大器为常用的测量放大器为AD521，AD522等。等。山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2638信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统 AD521基本连接方法基本连接方法山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2639 来自生产现场的传感器信号往往带有较大

28、的来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共共模干扰模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。好的抑制作用。 因此，因此，A/D通道中常采用由通道中常采用由一组运一组运放构成的测量放大器放构成的测量放大器，也称仪表放大器。，也称仪表放大器。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2640信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(a) 经典测量放大器经典测量放大器(AD521结构图结构图)21 (12GsRRRRG+山东科技大学调整放大器增益调整放大

29、器增益可抑制共模干扰可抑制共模干扰信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2641信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(b) 可变增益放大器可变增益放大器山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2642信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统4. 采样保持器采样保持器 当某一通道进行当某一通道进行A/D转换时，由于转换时，由于A/D 转换需转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证较大的转换误差。为了保证A/D转换的精度，需要转

30、换的精度，需要应用应用采样保持器采样保持器。 采样保持器的采样保持器的作用作用是在两次采样的间隔时间内，是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2643信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统 如图所示，它有如图所示，它有两种工作状态，一种两种工作状态，一种是是采样状态采样状态，另一种，另一种是是保持状态保持状态。采样保持器工作状态采样保持器工作状态时间上离散时间上离散幅值上连续幅值上连续离散模拟信号离散模拟信号山东科技大学信息与电气工程学院计

31、算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2644 对于同步系统，几个并联的参量均取自同一瞬对于同步系统，几个并联的参量均取自同一瞬时，如电力系统监控中的功率计算，就是同一时刻时，如电力系统监控中的功率计算，就是同一时刻的交流电流和电压值。而各参数要共享一个的交流电流和电压值。而各参数要共享一个A/D转转换器，就必须保持其信号直到本次换器，就必须保持其信号直到本次A/D转换全部完转换全部完成。但转换完成后，又要求成。但转换完成后，又要求A/D转换器的输入信号转换器的输入信号能够随模拟量的变换而变化。能够随模拟量的变换而变化。 最常用的采样保持器有最常用的采样保持器有AD公司的公司的A

32、D582、AD585、AD346、AD389、ADSHC-85，以及国家，以及国家半导体公司的半导体公司的LF198/298/398。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2645信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统0t0T2T 3Tt采样器y( t )*y( t )*y( t )y( t ) T图2-7 信号的采样过程常用术语：常用术语：采样器或采样开关采样器或采样开关-执行采样动作的装置，执行采样动作的装置，采样时间或采样宽度采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时间采样开关每次闭合的时间

33、采样周期采样周期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 在实际系统中，在实际系统中， ，也就是说，可以近似地认，也就是说，可以近似地认为采样信号为采样信号y*(t)是是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。在采样开关闭合时的瞬时值。数据采样过程数据采样过程山东科技大学T信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2646X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT005T3TT7T1(a)采样开关采样开关(b)连续信号连续信号(c)开关函数开关函数信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东

34、科技大学2022-6-2647X*(t)kT05T3TT7T1调制器X(t)X*(t)P(t)(d) 采样信号采样信号(e) 采样过程采样过程x*(t)=p(t)x(t)因因 ，所以分析时可近似认为，所以分析时可近似认为 ，以单，以单位脉冲函数位脉冲函数 来代替来代替p(t)。信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统T00)(t山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2648单位脉冲序列：单位脉冲序列：T(t)kT0数学表达式：数学表达式：单位脉冲函数定义：单位脉冲函数定义：-+-kTkTtt)()(信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系

35、统理论表达形式：理论表达形式：工程表达形式：工程表达形式：0, 00,)(ttt0, 00, 1)(ttt山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2649信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统采样过程数学描述采样过程数学描述: :考虑物理上可实现，又可近似为：考虑物理上可实现，又可近似为：+-kTkTttxttxtx)()()()()(*+-0*)()()()()(kTkTttxttxtx思考：为何可以这样地近似表示？思考：为何可以这样地近似表示？可见，可见， 具有离散信号的特性。具有离散信号的特性。)(*tx山东科技大学信息与电气工程学院计

36、算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2650信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统采样保持器采样保持器采样保持器结构图采样保持器结构图山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2651信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统零阶保持器零阶保持器INV1A2AHCOUTVSOUTVINVtt图 2-8 采样保持器 路电理原)a (性波作工) b(采样保持1( )sTheG ss-山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2652信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统2.2.3

37、 模拟量输入通道的设计模拟量输入通道的设计 模拟量输入通道中模拟量输入通道中主要器件主要器件就是就是A/D转换器转换器。 设计稳定、优良的模拟量输入通道的设计稳定、优良的模拟量输入通道的基础：基础：了解了解A/D转换器的转换器的原理原理和和外部特性外部特性。 模拟量输入通道设计过程中需要主要模拟量输入通道设计过程中需要主要解决的问题解决的问题：A/D转换器与计算机的接口及其程序设计转换器与计算机的接口及其程序设计。山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2653信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统1. A/D转换器转换器 常见结构：逐次逼近

38、寄存器常见结构：逐次逼近寄存器 双积分双积分 - 高速流水线高速流水线山东科技大学逐次逼近式速度为双积分式逐次逼近式速度为双积分式的的100倍以上倍以上精度高于精度高于16位位信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2654信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(1) 逐次逼近寄存器式逐次逼近寄存器式A/D转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理nrefrefrefIVVVVB2-+山东科技大学比较器比较器优点：转换速度快，转换时间固定优点：转换速度快，转换时间固定缺点：抗干扰能力差缺点：抗干扰能力差信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技

39、大学2022-6-2655信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(2) A/D转换器主要性能指标及术语转换器主要性能指标及术语 分辨率分辨率(Resolution) 量化误差量化误差(Quantizing error) 线性度线性度(Linearity) 转换精度转换精度(Conversion Accuracy) 绝对精度绝对精度 相对精度相对精度 转换时间转换时间(Conversion Time)山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2656信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(3) 常见常见A/D转换器及其外特性转换器及其外特

40、性 由于逐次近似寄存器式转换方式的快速性，因由于逐次近似寄存器式转换方式的快速性，因此在普通此在普通A/D元件市场上有相当多的是采用该方法，元件市场上有相当多的是采用该方法，如如 8位的位的ADC0801、0804、0808、0809； 10位的位的AD7570、AD573、AD575、AD579； 12位的位的AD574、AD578、AD7582。 山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2657信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统2. A/D转换器接口及程序设计转换器接口及程序设计 在模拟量输入通道设计中，在模拟量输入通道设计中，A/D

41、转换器与计算转换器与计算机的连接机的连接(硬件设计硬件设计)及及程序设计程序设计(软件设计软件设计)是其重是其重要组成部分。要组成部分。 (1) A/D转换器的接口技术转换器的接口技术 模拟量输入与数字量输出的连接模拟量输入与数字量输出的连接 A/D转换器的启动转换器的启动 A/D转换器结束信号的处理转换器结束信号的处理(2) A/D转换器的程序设计转换器的程序设计 如何启动如何启动A/D转换转换 如何判断如何判断A/D转换结束转换结束 如何读取并存放转换结果如何读取并存放转换结果山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2658信息与电气工程学院计算

42、机控制系统计算机控制系统 并行并行A/D转换器的典型应用转换器的典型应用(ADC0809) 8 位位逐次逼近式逐次逼近式A/D 转换器转换器 分辨率分辨率8 位，精度位，精度7 位位 8 个模拟量输入通道个模拟量输入通道 通道地址译码锁存器通道地址译码锁存器 输出带三态数据锁存器输出带三态数据锁存器 启动方式为脉冲启动启动方式为脉冲启动 输入电压范围为输入电压范围为05V山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2659信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统ADC0809内部结构及引脚内部结构及引脚山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计

43、算机控制系统山东科技大学2022-6-2660信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统各引脚功能如下：各引脚功能如下： IN0IN7：8路模拟量输入端。允许路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。转换器。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通位通道选择信号。道选择信号。 C、B、A：3位地址线即模拟量通道选择线。位地址线即模拟量通道选择线。 START：启动：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，

44、下降沿时启动内部清零，下降沿时启动A/D转换。转换。 EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。：转换结束信号，输出，高电平有效。 OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将缓冲器，将A/D转换得到的转换得到的8位数字量送到数据总线上。位数字量送到数据总线上。 D0D7：8位数字量输出。位数字量输出。D0为最低位，为最低位，D7为最高位。由于有三态为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。输出锁存，可与主机数据总线直接相连。 CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频

45、率为640kHz时，时，A/D转换转换时间为时间为100m ms。 VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常通常VR+ = + +5V DC，VR- = 0V DC。 Vcc：工作电源，：工作电源， + +5VDC。 GND：电源地。：电源地。山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2661信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统ALEC.B.ASTARTEOCOEDO7DO0图2-12 ADC0809的转换时序ADC0809的转换时序的转换时序地址锁存，译码地址锁存

46、，译码选通模拟开关的某一路选通模拟开关的某一路启动启动A/D转换转换内部清零内部清零A/D转换结束转换结束输出输出转换结果转换结果山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2662信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统 ADC0809的的工作过程工作过程是：首先是：首先ALE的上升沿将输入的的上升沿将输入的3位地址位地址(C,B,A) 存入地址锁存器中。此地址经译码选通存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模路模拟输入之一到拟输入之一到A/D转换器。转换器。START上升沿将上升沿将SAR复位，下降复位，下降沿启动沿启动 A/D转换，此时转换，

47、此时EOC输出信号变低电平，指示转换正输出信号变低电平，指示转换正在进行，直到在进行，直到A/D转换完成，转换完成，EOC变为高电平，指示变为高电平，指示A/D转转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。输出到数据总线上。山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2663信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统ADC0809与与8031采用查询方式的接口电路采用查

48、询方式的接口电路山东科技大学滤除低频干扰滤除低频干扰滤除高频干扰滤除高频干扰信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2664信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统 下面的程序是采用查询方式，下面的程序是采用查询方式，分别对分别对8路模拟信号轮流采路模拟信号轮流采样一次样一次，并，并依次把结果转存到内部数据存储区依次把结果转存到内部数据存储区的采样存储程的采样存储程序。序。 ORG 8000HSTART：MOV R1, #DATA ；置数据区地址指针；置数据区地址指针 MOV DPTH, #0DFH ；P2.5=0 MOV DPTL, #80H ；指向模拟

49、通道；指向模拟通道0 MOV R7, #08H ；置通道数；置通道数LP1: MOVX DPTR，A ；所存模拟通道地址，启动；所存模拟通道地址，启动A/D转换转换LP2: MOV C, P1.0 ；读；读EOC状态状态 JNC LP2 ；非；非1，循环等待，循环等待 MOVX A，DPTR ；读；读A/D转换结果转换结果 MOV R1，A ；存结果；存结果 INC R1 ；调整数据区指针；调整数据区指针 INC DPTR ；模拟量通道加；模拟量通道加1 DJNZ R7, LP1 ；8个通道全采样完否？未完继续个通道全采样完否？未完继续RET ；返回；返回 山东科技大学信息与电气工程学院计算机

50、控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2665信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统 串行串行A/D转换器的典型应用转换器的典型应用(TLC2543) TLC2543是是TI公司生产的公司生产的12位位串行串行A/D转换器，使用转换器，使用开开关电容逐次逼近技术关电容逐次逼近技术完成完成A/D转换过程。它具有转换过程。它具有三个控制输三个控制输入端入端，采用简单的，采用简单的3线线SPI串行接口可方便地与微机进行连接。串行接口可方便地与微机进行连接。P1.0P1.0P1.1P1.1P1.2P1.2P1.3P1.380318031TLC2543TLC2543I/O CLOCKI

51、/O CLOCKDATA INPUTDATA INPUTDATA OUTPUTDATA OUTPUTCSCS接口电路：接口电路： TLC2543与与8031单片机接口原理图单片机接口原理图山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2666信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统3. 模拟量输入模块模拟量输入模块(ADAM-4017+) 8路差分输入、路差分输入、16位分辨率位分辨率 采样速度快、输入信号范围广、输入阻抗高采样速度快、输入信号范围广、输入阻抗高 输入电压或电流形式的模拟信号输入电压或电流形式的模拟信号 采用采用RS-485总线输出形

52、式，传送距离最远可达总线输出形式，传送距离最远可达1200m 支持支持8路差分输入信号，支持路差分输入信号，支持Modbus协议协议 增加了增加了420mA的输入范围的输入范围山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-26672.1 数字量过程通道的设计方法数字量过程通道的设计方法2.2 模拟量输入通道设计方法模拟量输入通道设计方法2.3 模拟量输出通道设计方法模拟量输出通道设计方法2.4 小小 结结信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学第四讲第四讲信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2668信息

53、与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统2.3 模拟量输出通道设计方法模拟量输出通道设计方法 模拟量输出通道的模拟量输出通道的任务任务：将计算机处理后的数：将计算机处理后的数字量转换为模拟量，转换输出的模拟信号可能是电字量转换为模拟量，转换输出的模拟信号可能是电压或电流信号。这些转换后的信号送入执行机构，压或电流信号。这些转换后的信号送入执行机构，引起执行机构动作从而达到系统对被控对象调节的引起执行机构动作从而达到系统对被控对象调节的目的。目的。 2.3.1 模拟量输出通道的组成模拟量输出通道的组成 2.3.2 模拟量输出通道的设计模拟量输出通道的设计山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制

54、系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2669信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统2.3.1 模拟量输出通道的组成模拟量输出通道的组成 AO通道的通道的任务任务是把经过计算机或控制器处理得是把经过计算机或控制器处理得到的某些数据送回物理系统，对系统物理量进行调到的某些数据送回物理系统，对系统物理量进行调节和控制。节和控制。 AO通道一般由通道一般由接口电路接口电路、数数/模模(D/A)转换器转换器、输出保持器输出保持器、多路开关多路开关和和电压电压/电流电流(V/I)变换器变换器等构等构成。成。山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-

55、2670信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(a) 每个通道单独设置每个通道单独设置D/A转换器结构转换器结构模拟量输出通道结构图模拟量输出通道结构图特点：特点：1. 一路输出通道使用一个一路输出通道使用一个D/A转换器转换器 2. D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器转换器芯片内部一般都带有数据锁存器 3. D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保 持作用持作用 4. 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较 高、通道独立高、通道独立 5. 缺点是所需缺点是所需D/A转换器芯片较多转换器芯片较多为何不

56、需要为何不需要多路开关？多路开关？山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2671信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(b) 多通道共享多通道共享D/A转换器结构转换器结构特点：特点：1. 多路输出通道共用一个多路输出通道共用一个D/A转换器转换器 2. 每一路通道都配有一个采样保持放大器每一路通道都配有一个采样保持放大器 3. D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用转换器只起数字到模拟信号的转换作用 4. 采样保持器实现模拟信号保持功能采样保持器实现模拟信号保持功能 5. 节省节省D/A转换器，但电路复杂，精度差，可靠低、占用转换器，但

57、电路复杂，精度差，可靠低、占用 主机时间主机时间 山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2672信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统2.3.2 模拟量输出通道的设计模拟量输出通道的设计关键问题：关键问题：D/A转换器与计算机的接口转换器与计算机的接口(硬件设计硬件设计)及及其程序设计其程序设计(软件设计软件设计)1. D/A转换器转换器 将数字量转换成模拟量将数字量转换成模拟量 输出有电流和电压两种方式输出有电流和电压两种方式 电压输出又有单极性和双极性两种方式电压输出又有单极性和双极性两种方式山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统

58、计算机控制系统山东科技大学2022-6-2673信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(1) D/A转换器的原理转换器的原理 D/A转换器一般由转换器一般由基准电压基准电压、解码网络解码网络、运算放大器运算放大器和和模拟电子开关模拟电子开关组成。组成。 其中核心是其中核心是“解码网络解码网络”，常见有，常见有“权电阻解码网络权电阻解码网络”和和“T型电阻解码网络型电阻解码网络”。山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2674信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统 权电阻解码网络权电阻解码网络4位位D/A转换器转换器 可以把数字可以把

59、数字00001111B转换成大小不同的电流，从而在运转换成大小不同的电流，从而在运算放大器输出端得到大小不同的电压。算放大器输出端得到大小不同的电压。权电阻解码网络权电阻解码网络4位位D/A转换器的原理图转换器的原理图权电阻权电阻山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2675信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统 T T型电阻解码网络型电阻解码网络T型电阻解码网络型电阻解码网络4位位D/A转换器的原理图转换器的原理图运放输出端的电压通式为：运放输出端的电压通式为：RRVDDDDRIVff+-4REF00112233fROUT2)2222(山

60、东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2676信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统(2) D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 分辨率分辨率 精度精度 线性度线性度 转换时间转换时间 输出方式：输出方式：510V或或20mA3A山东科技大学信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统山东科技大学2022-6-2677信息与电气工程学院计算机控制系统计算机控制系统2. D/A转换器接口及程序设计转换器接口及程序设计 一个一个D/A转换器接口，必须根据系统的需要选转换器接口，必须根据系统的需要选择合适的择合适的D/A转换芯片，通过外