过程输入输出通道

沈阳建筑大学信息与控制工程学院

马斌、郭彤颖计算机控制技术

第2章过程输入输出通道过程通道:

是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道，即AI/AO、DI/DO。接口:

是计算机与外部设备（部件与部件之间）交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。接口技术:

是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。第2章过程输入输出通道设计2.0信号变换理论2.1

数字量输入输出通道2.2A/D转换器及其接口技术2.3模拟量输入通道2.4D/A转换器及其接口技术2.5模拟量输出通道2．0信号变换理论

1.连续信号的采样和量化

图1采样过程采样过程

在计算机控制系统中，采样信号是一数字序列，可分解成一系列单脉冲之和。式中，f0为t=0T

时刻的单脉冲，脉冲的幅值f(0T)

；

f1为t=1T

时刻的单脉冲，脉冲的幅值f(1T)

；

fk为t=kT

时刻的单脉冲，脉冲的幅值f(kT)；则：fk＝f(kT)δ(t－kT)

只有在t=kT时刻，才有δ(t－kT)≠0

，而在的所有t≠

kT时刻，都有δ(t－kT)＝0

。

。

图2对单位脉冲序列的调制

可以解释为连续时间信号被理想单位脉冲做了离散时间调制。

因此：量化过程

图3量化过程所谓量化，就是采用一组数码（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。这个经量化使采样信号成为数字信号的过程称为量化过程。

2.采样定理

图4、的频谱及从恢复（a)的频谱（b）的频谱（c）理想的滤波器（d）滤波器输出信号频谱

为保证采样信号的频谱是被采样信号的频谱无重叠的重复（沿频率轴方向），以便采样信号能反映被采样信号的变化规律，采样频率ωs(ω=2π/T=2πf)至少应是f(t)的频谱F(jω)的最高频率ωmax的两倍，即

采样定理奠定了选择采样频率的理论基础，但对于连续对象的离散控制，不易确定连续信号的最高频率。因此，采样定理给出了选择频率的准则，在实际应用中还要根据系统的实际情况综合考虑。采样定理3.采样信号的复现和采样保持器

保持器

保持器是一种基于时域外推原理、把采样信号转换成连续信号，实现采样点之间的插值的元件。零阶保持器

。

零阶保持器采用恒值外推原理，把每个采样值一直保持到下一个采样时刻

,从而把采样信号变成了阶梯连续信号。

图5零阶保持器的功能

2.1数字量输入输出通道2.1.1数字量输入输出接口技术

2.1.2数字量输入通道

2.1.3数字量输出通道明确概念1、数字量(开关量)信号开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。共同特征:这些信号的是以二进制的逻辑

“1”和“0”出现的，代表生产过程的一个状态。2、PC总线

2.1.1数字量输入输出接口技术1.数字量输入接口（DI）

作用：采集生产过程的状态信息。

完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号。当在执行IN指令周期时，产生I/O读信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器。设片选端口地址为port，可用如下指令来完成取数.MOVDX，portINAL，DX注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语言)

1G2G74LS244

输入接口

D0D1D2D3D4D5D6D7

1A11Y1

1A21Y2

1A31Y3

1A41Y4

1A51Y5

1A61Y6

1A71Y7

1A81Y8

IORCS图2.1数字量输入接口

PC总线2．数字量输出接口

作用：当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。

完成过程：用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。由于PC总线工业控制机的I/O端口写总线周期时序关系中，总线数据D0～D7比I/O写前沿(下降沿)稍晚，因此利用I/O写的后沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生I/O写信号。设片选端口地址为port，可用以下指令完成数据输出控制。

MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL

注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语言)

74LS273

CLR

CLK

输出接口

RESET

D0D1D2D3D4D5D6D7

PC总线

D1Q1

D2Q2

D3Q3

D4Q4

D5Q5

D6Q6

D7Q7

D8Q8

IOW

CS图2.2数字量输出接口

2.1.2数字量输入通道1.数字量输入通道的结构数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成。

PC总线

输入

缓冲

器

输入

调理

电路

地址译码器

来自生产过程

2.输入调理电路

数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。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、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。（1）小功率输入调理电路（2）大功率输入调理电路（1）小功率输入调理电路

开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。问题：利用什么原理消除了抖动？+5V

C

K

R2

R1

采用积分电路的小功率输入调理电路

目的：把开关K的状态转化成二进制状态。原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相为1；断开K时，电容C充电，反相器反相为0。R—S触发器消除开关两次反跳电路原理：当K在上时，输出上为1，下为0。当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。+5V

K

R45

R3

（2）大功率输入调理电路

当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，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。

光电隔离：通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号，在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可以互相的隔离。

原理：当K闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为1。当K断开时，光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为0。其中，用R1、R2进行分压，C进行滤波，要合理选择参数。+5V

R2

R3

C

R1

+48V

2.1.2数字量输出通道1.数字量输出通道的结构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。

去生产过程

PC总线

输

出

锁

存

器

输

出

驱

动

电

路

地址译码器

图

2.6

数字量输出通道结构

2.输出驱动电路在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。（1）小功率直流驱动电路①功率晶体管输出驱动继电器电路继电器包括线圈和触点。因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。

D的作用是泄流，通过D放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。

R的作用是限流。作用过程：当TTL电平为1时，晶体管截止，J不吸合当TTL电平为0时，晶体管导通，J吸合②达林顿阵列输出驱动继电器电路。

MC1416是达林顿阵列驱动器.

达林顿晶体管DT（Dar1ingtonTransistor）亦称复合晶体管。它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。(2)大功率交流驱动电路在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSR作交流开关使用。

SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。+5V

交流电源

RL

R2

C

SCR

R1

D

I/O

接口

零交叉电路

触发电路

～～SSR作交流开关，相当于有一个触点，左边是TTL电平，在0~5V之间：当TTL电平为高时，触点闭合；当TTL电平为低时，触点断开。当用计算机来控制电磁阀时，用固态继电器。零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。

A/D转换器的主要技术指标：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：通常用数字量的位数n(字长)来表示，如8位、12位、16位等。线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如(1/2)LSB或±1LSB。量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V～+5V,0～10V，0～5V等。对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。2.2A/D转换器及其接口技术A/D转换方式逐次逼近式：转换时间短(几个微秒～几百个微秒)，但抗干扰能力较差。常用的逐次逼近式A/D转换器ADC0809，AD574等；双斜积分式：转换时间长(几十个毫秒～几百个毫秒)，抗干扰能力较强。在信号变化缓慢、现场干扰严重的场合采用。常用的双斜积分式A/D转换器有3位半(相当于2进制11位分辨率)的MC14433，4位半(相当于2进制14位分辨率)的ICL7135等。逐次逼近式A/D转换器逻辑框图2.2.1A/D转换器

1.8位A/D转换器ADC08092.12位A/D转换器AD574A2.2.2A/D转换器接口技术

1.ADC0809与PC总线工业控制机接口

2.AD574A与PC总线工业控制机接口1.8位A/D转换器ADC0809ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为64个时钟周期（时钟频率为640KHZ时100μs左右），线性误差为(±1/2)LSB。采用28脚双立直插式封装。外加基准电源。逻辑组成：(1)8通模拟开关及通道选择逻辑

该部分的功能是实现8选1操作，由通道选择信号C、B、A，在ALE的作用下送入通道选择逻辑。

注意：转换时序。(3)三态输出锁存缓冲器

用于存放转换结果D，输出允许信号OE为高电平时，D由DO7～DO0上输出；OE为低电平输入时，数据输出线DO7～DO0为高阻态。(2)8位A/D转换器

在START上收到一个启动转换命令(正脉冲)后开始转换，100μs左右(64个时钟周期)后转换结束(相应的时钟频率为640KHZ)。转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。通过查询或中断方式读取。2．12位A/D转换器AD574A（AD1674）

AD574A（AD1674）是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25（10）μs，线性误差为±1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。

AD1674有S/H。AD574A由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器和10V基准电压源四部分构成。控制逻辑的任务包含：启动转换、控制转换过程和控制转换结果的输出。CE、CS均为片选信号，R/C为读/启动控制信号，12/8为数字量输出位数控制，A0为分辨率和字节选择：在转换启动时，A0=1代表选择AD574A作为12位转化器使用，在读数据时，A0=1代表读低字节。

STS为AD574A的状态输出信号。启动后，STS为高电平表示正在转换；25μs后转换结束，STS为低电平。CPU可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。2.2.2A/D转换器接口技术

A/D转换器通常都具有三态数据输出缓冲器，因而允许A/D转换器直接同系统总线相连接。为便于或简化接口电路设计，也常通过通用并行接口芯片8255A实现与系统的接口。

1.ADC0809与PC总线工业控制机接口

2.AD574A与PC总线工业控制机接口1．ADC0809与PC总线工业控制机接口ADC0809与PC总线工业控制机接口电路图（P28）P28程序：倒数第3行改为

MOVAL,00000110B分析程序流程：（1）确定选择模拟通道号（2）输出启动信号（3）查询是否转换结束（4）读取转换结果2．ADC574A与PC总线工业控制机接口2.3模拟量输入通道2.3.1模拟量输入通道的组成

2.3.2I/V变换

2.3.3多路转换器

2.3.4采样、量化及采样保持器

2.3.5模拟量输入通道设计

模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。传感器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0～10mA或4～20mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。2.3.1模拟量输入通道的组成

过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压)形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。2.3.2I/V变换变送器输出的信号为0～10mA或4～20mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-Ⅱ型的输出信号标准为0～10mA,而DDZ—Ⅲ型和DDZ—S系列的输出信号标准为4～20mA，因此，针对以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。1.无源I/V变换2.有源I/V变换问题：为什么我们经常用到的标准信号是电流信号？1.无源I/V变换I/V变换的基本思想：电流变换电路中各部分的作用：

r1:限流电阻

D:将电压钳制在5V+0.3V以内

r2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电阻，精度为0.1%。

C和r1：组成阻容低通滤波电路电压？2.有源I/V变换

利用有源器件—运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别在于信号的隔离上。电流不能直接流过R2,VI=I*R1。利用运算放大器的虚短和虚断的概念，我们可以求出该同相放大电炉的放大倍数。合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出。2.3.3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元件。作用：利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上，实现多路共享。

常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、MAX354、LF13508等。

CD4051原理图2.3.4采样、量化及采样保持器1.信号的采样采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻O、T、2T、…KT的一连串脉冲输出信号的过程。

采样周期：采样开关K每一个通断的时间间隔T，包括等待时间、闭合时间、断开时间等。采样宽度：采样开关闭合的时间。采样信号y*(t)：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。香农采样定理：如果模拟信号(包括噪声干扰在内)频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f≥2fmax进行采样，那么采样信号y*(t)就能唯一地复现y(t)。2.量化所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是怎样将离散模拟变量变为二进制码，二进制数的大小和量化单位有关。量化过程：将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。量化装置：执行量化动作的装置是A/D转换器。量化单位：字长为n的A/D转换器，其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位。量化误差：量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单位长度(毫米或其它)去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为(±1/2)q。例如，q=20mV时，量化误差为±10mV，0．990～1．009V范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字50。3.采样保持器（S/H）(1)采样保持电路的工作方式：采样和保持。在采样方式中，采/保电路的输出跟踪模拟输入电压。在保持方式中，采/保电路将保持采样命令撤销时刻的采样值，直到保持命令撤销并且再次接收到采样命令为止。(2)孔径时间和孔径误差在采/保电路中，由于模拟开关K有一定的动作滞后，在保持命令发出后直到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间。由于孔径时间的存在采样时间被额外延迟了，在孔径时间期间输出仍跟踪输入的变化。(3)常用的采样保持器常用的集成采样保持器有LF398、AD582等。选择采样保持器的主要因素有：获取时间，电压下降率。

LF398的CH取为0．01μF时，信号达到0．01%精度所需的获取时间(采样时间)为25μS，保持期间的输出电压下降率为每秒3mV。若A/D转换器的转换时间为100μS，转换期间，保持器输出电压下降约300μV。当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。

2.3.5模拟量输入通道设计

利用12位A/D转换器AD574A，采样保持器LF398、多路开关CD4051、I/V变换电路、8255A并行接口，我们能够设计出PC总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。该电路模板的主要技术指标为：

8通道模拟量输入

12位分辨率输入量程为单极性0～10VA/D转换时间为25μS

应答方式为查询该模板采集一个数据的过程1．通道选择2．启动AD574A进行A/D转换3．查询AD574A是否转换结束4．读取转换结果2.4D/A转换器及其接口技术D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它的模拟量输出(电流或电压)与参考电压和二进制数成比例。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。主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误差等。分辨率：通常用D/A转换器输入二进制数的位数来表示，如8位、10位、12位。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。

建立时间：输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值(±1/2)LSB所需的时间，一般为nμS。

线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如(1/2)LSB或±1LSB。与A/D转换器的线性误差定义相同。2.4.1D/A转换器

1.8位D/A转换器DAC08322.12位D/A转换器DAC12102.4.2D/A转换器接口技术

1.8位D/A转换器与PC总线工业控制机接口

2.12位D/A转换器与PC总线工业控制机接口1.8位D/A转换器DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、采用R—2R电阻网络的8位D/A转换器、相应的选通控制逻辑四部分组成。DAC0832的分辨率为8位，电流输出，采用20脚双立直插式封装。

2.12位D/A转换器DAC12102.4.2D/A转换器接口技术1．8位D/A转换器与PC总线工业控制机接口2.12位D/A转换器与PC总线工业控制机接口2.5模拟量输出通道2.5.1模拟量输出通道的结构型式

2.5.2单极性与双极性电压输出电路

2.5.3V/I变换和自动/手动切换

2.5.4模拟量输出通道设计2.5.1模拟量输出通道的结构型式1.一个通路设置一个数/模转换器的形式优点：转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其它通路的工作。缺点：使用了较多的D/A转换器2.多个通路共用一个数/模转换器的形式优点：节省了数/模转换器缺点：只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。它还要用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比较大。这种方案的可靠性较差。应用场合：适用于通道数量多而且速度要求不高的场合。2.5.2单极性与双极性电压输出电路

下图给出了D/A转换器的单极性与双极性输出电路。VOUT1为单极性输出，若D为输入数字量，VREF为基准参考电压，且为n位D/A转换器，则有

VOUT1=-VREF·D/2nVOUT2为双极性输出，且可推导得到VOUT2=-(R3/R1)VREF-(R3/R2)VOUT1=VREF[(D/2n-1)-1)]2.5.3V/I变换和自动/手动切换1．集成V/I转换器ZF2B202．集成V/I转换器AD6943．自动/手动切换1．集成V/I转换器ZF2B20ZF2B20是通过V/I变换的方式产生一个与输入电压成比例的输出电流。它的输入电压范围是0～10V，输出电流是4～20mA(加接地负载)，采用单正电源供电，电源电压范围为10～32V，它的特点是低漂移，在工作温度为-25～85℃范围内，最大漂移为0．005%/℃，可用于控制和遥测系统，作为子系统之间的信息传送和连接。

ZF2B20的输入电阻为10KΩ，动态响应时间小于25μS，非线性小于±0．025%。

(a)所示电路是一种带初值校准的0～10V到4～20mA转换电路。(b)则是一种带满度校准的0～10V到0～10mA转换电路。2．集成V/I转换器AD694AD694是一种4～20mA转换器，适当接线也可使其输出范围为0～20mA。AD694的主要特点是：

·输出范围：4～20mA,0～20mA。

·输入范围：0～2V或0～10V。

·电源范围：+4.5～36V。

·可与电流输出型D/A转换器直接配合使用，实现程控电流输出。

·具有开路或超限报警功能。经典V/I变换电路图从这个电路图可知，这是一种利用电压比较器方法来实现对输入电压的跟踪，从而保证输出电流为所需值。利用A1作比较器，将输入电压与反馈电压进行比较，通过比较器输出电压控制A2的输出电压，从而改变晶体管T1的输出电流IL,IL的大小又影响参考电压Vf,这种负反馈的结果是使得Vi=Vf,而此时流过负载的电流为：

3．自动/手动切换

12目的：在计算机出现故障时，可以手动操作电路的两个功能：①实现V/I变换②能够实现A/H切换①实现V/I变换当开关K1处于自动位置A时，它形成一个电压比较型跟随器，是自动控制输出方式。当Vf≠Vi时，电路能自动地使输出电流增大或减小。最终使Vf=Vi，于是有

IL=Vi／(R9+W)

从上式可以看出，只要电阻R9+W稳定性好，A1和A2具有较好的增益，该电路就有较高的线性精度。当R9+W=500Ω或250Ω时，IL就以0～10mA或4～20mA