ch02 计算机控制系统过程通道设计方法

1、第2章 计算机控制系统过程通道设计方法 2.1 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2.3 模拟量输出通道设计方法2.4 小 结 2.1 数字量过程通道的设计方法过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道组成。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信号传递与变换的纽带作用。开关量输入通道结构框图 2.1.1数字量输入通道设计方法注意两个问题，一是输入电平形式，二是使通道抗噪声。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。电平变换和噪声抑制过程叫做信号调理 可用如下指令来完成取数 MOV DX，PROT IN AL，DX 三态门缓冲

2、器74LS244可用来隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。数字量输入通道结构 1. 外部的开关信号及逻辑电平信号调理电路(1)直接分压光电耦合技术 实现了电气隔离外，还可以使电压不同的子系统信号之间相互兼容，另外可防止电气噪声或其他尖峰电压从接口电路传到另一个电路。 直流接点信号输入电路 交流接点信号输入电路 2. 数字脉冲信号输入调理电路 3. 系统设置开关采用积分电路 采用R-S触发器2.1.2 数字量输出通道设计方法可用以下指令完成数据输出控制。 MOV AL，DATA MOV DX，PROT OUT DX，AL 数字量输出接口 数字量输出通道结构 CPU 锁存 输出 控制 逻辑

3、隔 离 功 放 执行 机构1. 小功率开关输出电路 2. 中功率晶体管驱动电路 J开关量输入50mA100mA(+24V)7406DRVCC3. 继电器输出接口电路 4. 固态继电器输出接口电路 5. 晶闸管 2.2 模拟量输入通道设计方法 2.2.1 模拟量输入通道的组成 模拟量输入通道，也称为AI通道。2.2.2 多路开关、仪用放大器、I/V变换及采样保持器 在设计离散系统时，香农采样定理是必须严格遵守的一条准则，它指明了从采样信号中不失真地复现原来连续信号的最低采样频率。1. 信号调理电路(1) 无源I/V变换 +5VVDR2CR1I(2) 有源I/V变换 A-+R5R4R3R2R1CI

4、V(3) 专用I/V转换电路 sRsRWW7575Reference+10VRVC420-in4mA20mA+in16 V+1358710 Ref fB111415 Rcv fB12 Ref inRcv OutRef Out321Fm1Fm+-+-+-+-Rcv公共Rev公共CrVO(0V5V)Ref NoiseReductionRef Trim3Im4 V-2. 多路开关 CD4051真值表 3. 测量放大器 4. 采样保持器 采样保持器的作用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。最常用的采样保持器有AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389、ADSH

5、C-85，以及国家半导体公司的LF198/298/398。 如图所示，它有两种工作状态，一种是采样状态，另一种是保持状态。X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a) 采样开关(b) 连续信号(c) 开关函数采样过程与数学描述X*(t)kT05T3TT7T1调制器X(t)X*(t)P(t)(d) 采样信号(e) 采样过程x*(t)=p(t)x(t)0T因，所以分析时可近似认为0为0，以单位脉冲函数(t)代替p(t)。理论表达形式：(t) 0 t=0t0工程表达形式：(t) 0 1 t=0t0单位脉冲序列：T(t)kT0数学表达式：单位脉冲函数定义：采样过程数学描述:考虑物

6、理上可实现，又可近似为：可见，x*(t)具有离散信号的特性。采样定理 对于角频率范围为( ) 的连续信号进行采样，当采样频率 时，采样器的输出信号x*(t)就能充分表征原始的连续信号x(t)，换言之，为使采样信号的频谱能无失真地恢复原来的连续信号的频谱，采样周期T必须小于输入信号变化最小周期 的1/2，即：由于被控对象一般具有低通滤波特性，因而x(t)的带宽是有限的，其的振幅谱图如下：（1）（2）2.2. 3 模拟量输入通道的设计 1. A/D转换器 (1) A/D转换器的基本工作原理逐次近似寄存器式原理如图所示 图2.38 集成采样保持器的原理结构 （a）AD582 （b）LF198/298

7、/398 l(2) A/D转换器主要性能指标及术语分辨率(Resolution);量化误差(Quantizing error);线性度(Linearity);相对精度（Relative Accuracy）转换时间(Conversion Time)。(3) 常见A/D转换器及其外特性 由于逐次近似寄存器式转换方式的快速性，因此在普通A/D元件市场上有相当多的是采用该方法，如8位的ADC0801、0804、0808、0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582。 2. A/D转换器接口及程序设计硬件是基础，软件是灵魂。 (1) A

8、/D转换器的接口技术 模拟量输入与数字量输出的连接 A/D转换器的启动 A/D转换器结束信号的处理(2) A/D转换器的程序设计三个问题：启动A/D转换；等待A/D转换结束；读取转换结果。 并行A/D转换器的典型应用ADC0809 是采用CMOS工艺制造的双列直插式单片8 位并行A/D 转换器。分辨率8 位，精度7 位，带8 个模拟量输入通道，有通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器。 ADC0809的逻辑框图ADC0809的转换时序t DATAOUT ALE C.B.A START EOC OE DO70查询法接口电路中断法接口电路ADC0809与8031单片机接口电路 串行A/D转换器的

9、典型应用 TLC2543是TI公司生产的12位串行A/D转换器使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接。P1.0P1.1P1.2P1.38031TLC2543I/O CLOCKDATA INPUTDATA OUTPUTCS3. 模拟量输入模块 ADAM-4000系列是研华科技股份有限公司生产的高性能输入输出模块。ADAM-4000系列提供了完整的模拟量I/O系列，包括：模拟量输入、热电偶输入、RTD输入和模拟量输出模块。ADAM-4017+是ADAM-4000系列中的一款8路差分输入、16位分辨率的模拟量采集模块。采样

10、速度快、输入信号范围广、输入阻抗高，可以输入电压或电流形式的模拟信号。 2.3 模拟量输出通道设计方法 2.3.1 模拟量输出通道的组成 2.3.2 模拟量输出通道的设计 1. D/A转换器D/A转换器是一种能将数字量转换成模拟量的电子器件。D/A转换器的输出有电流和电压两种方式，其中电压输出型又有单极性电压输出和双极性电压输出两种方式。(1) D/A转换器的原理D/A转换器一般由 基准电压、解码网络、运算放大器和模拟电子开关组成。其中核心是“解码网络”，常见有“权电阻解码网络”和“T型电阻解码网络”。 权电阻解码网络 T型电阻解码网络 (2) D/A转换器的主要技术指标 分辨率 精度 线性度

11、 转换时间 2. D/A转换器接口及程序设计 (1) D/A转换器的接口技术 D/A转换器中是否包含寄存器 D/A转换器控制信号的连接DAC0832的结构 (2) D/A转换器的程序设计 并行A/D转换器的典型应用DAC0832 是采用CMOS/Si-Cr工艺制造的双列直插式单片8 位D/A 转换器。 8位D/A转换器与PC系统总线的接口 译 码 器D0D1:D6D7接系统 总线A0A1A9AENIOW DI0 DI1 : : DI6 DI7 Vcc VREF RfbIOUT2IOUT1 AGNDDGNDXFERWR1WR2CSAV0 DAC0832 +5V VRY0 串行A/D转换器的典型应

12、用 TLC5628是TI公司生产的可输出8路模拟电压信号的串行D/A转换器 3. 模拟量输出模块 ADAM-4024是一款具有4路模拟输出、12位分辨率的模拟输出模块。输出误差小、低输出电阻。输入信号使用RS-485串行总线传送，输出信号可以是电压或电流信号。其中电压输出范围为0V10V，电流信号输出范围可以选择0mA20mA或4mA20mA。 2.4 小 结 计算机控制系统的过程通道有数字量输入通道、数字量输出通道、模拟量输入通道和模拟量输出通道。数字量输入输出通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。模拟量输入通道主要由多路开关、放大器、采样保持器、A/D转