计算机控制技术第二章接口与通道课件.ppt

计算机控制技术第二章接口与通道第1页，此课件共81页哦第一节 概述计算机控制系统硬件组成：主机、外围设备外围设备：1.常规外围设备：键盘、CRT显示器、打印机、磁盘机等 2.被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等外围设备分类：1.机械式、机电式、电子式 2.输入设备、输出设备、既可输入又可输出的设备信息类型：数字量、模拟量、开关量信息传送方式：并行传送、串行传送第2页，此课件共81页哦门电路门电路&与非门或门1=11异或非第3页，此课件共81页哦第一节内容第一节内容一、接口、通道及其功能二、I/O信号的种类三、计算机和外部的通信方式第4页，此课件共81页哦一、接口、通道及其功能一、接口、通道及其功能（一）（一）I/O接口电路接口电路（二）（二）I/O通道通道第5页，此课件共81页哦（一）（一）I/O接口电路接口电路I/O接口电路：接口电路：是主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。为什么要设置接口电路？为什么要设置接口电路？1.解决主机CPU和外围设备之间达到时序配合和通信联络问题 接口组成：接口组成：数据锁存器、缓冲器、状态寄存器、中断控制电路 2.解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题 3.解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题第6页，此课件共81页哦（二）（二）I/O通道通道I/O通道：通道：也称过程通道。是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。数据采集的参量分两类：数据采集的参量分两类：1.模拟量：时间上和数值上都连续变化的物理量，如温度、压力、流量、速度、位移等。2.数字量（开关量）：时间上和数值上都不连续的量，如表示开关闭合或断开二个状态的量，按一定编码的数字量和串行脉冲序列等。I/O通道的功能：通道的功能：1.将从被控对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量（或开关量）的形式，送入计算机。（A/D转换器完成）2.计算机按某一数学公式计算后，又将其结果以数字量形式或转换成模拟量形式输出至被控对象。（D/A转换器完成）第7页，此课件共81页哦二、二、I/O信号的种类信号的种类主机和外围设备间交换的信息分为：主机和外围设备间交换的信息分为：（一）数据信息一）数据信息:主机和外围设备交换的基本信息（8位或16位、串行或并行）1.数字量：数字量：是二进制码的数据或是以ASCII码表示的数据或字符（通常为8位）2.模拟量：模拟量：模拟量所代表的数据信息都必须经过变换才能实现交换。3.开关量开关量：表示两个状态，用一位二进制数表示 4.脉冲量：脉冲量：一个一个传送的脉冲列。脉冲的频率和脉冲的个数可以表示某种物理量。如检测装在电机轴上的脉冲信号发生器发出的脉冲，可以获得电机的转速和角位移数据信息（二）状态信息二）状态信息:外围设备通过接口向CPU提供的反映外围设备所处的工作状态的信息。它作为两者交换信息的联络信号。（输入信号）（三）控制信息三）控制信息:CPU通过接口传送给外围设备的。（输出信号）第8页，此课件共81页哦示意图示意图主机系统外围设备数据信息状态信息控制信息第9页，此课件共81页哦三、计算机和外部的通信方式三、计算机和外部的通信方式数据传送方式分为两种基本方式：（一）并行通信 定义：定义：把传送数据的n位数用n条传输线同时传送。特点：特点：传送速度快、信息率高，是计算机系统和计算机控制系统中常用的通信方式。（二）串行通信 定义：定义：数据按位进行传送的。1.全双工方式和半双工方式 2.同步传送方式和异步传送方式第10页，此课件共81页哦第二节 I/O控制方式控制方式：控制方式：为了使各个外围设备在CPU控制下成为一个有机的整体，协调的、高效率的、可靠的工作，就要规定一个CPU控制（调度）各个外围设备的控制策略，或者叫控制方式。第11页，此课件共81页哦第二节 I/O控制方式一、程序控制方式二、中断控制I/O方式三、直接存储器存取方式DMA方式第12页，此课件共81页哦若干问题若干问题P22 查询查询I/O方式中，实时控制要求的使用条件：方式中，实时控制要求的使用条件：所有外围设备的服务时间的总和必须小于或等于任一外围设备的最短响应时间（也称危险时间）即 各外设的服务时间 任一外设的最短响应时间P26 中断控制中断控制I/O方式时，实时响应的条件：方式时，实时响应的条件：设：系统有n个中断方式控制的外围设备，按最短响应时间由小到大的排列顺序（查询顺序）是1,2,3,n。最短响应时间是C1,C2,C3,Cn ,实际服务时间是S1,S2,S3,Sn ,令Smax=Si,(第i个外围设备的服务时间最长）则：外围设备1：C1 Smax+S1 外围设备2：C2 Smax+S1+S2 :外围设备I：Ci Smax+S1+S2Sk 第13页，此课件共81页哦第三节第三节 I/O接口设计接口设计I/O接口设计的任务：接口设计的任务：根据生产过程和生产机械控制或管理的要求及外围设备的特性，选定个被控设备的 I/O 控制方式，设计出合适的I/O接口硬件电路和相应的接口控制程序，使 CPU和被控设备之间能适时、可靠的交换信息，从而保证满足实时控制、数据采集或管理所提出的要求。第14页，此课件共81页哦第三节第三节 内容内容一、I/O接口的编址方式二、I/O接口与系统的连接三、I/O接口扩展四、I/O接口设计的方法、步骤及设计举例第15页，此课件共81页哦一、一、I/O接口的编址方式接口的编址方式（一）I/O接口独立编址方式（二）I/O接口与存储器统一编址方式第16页，此课件共81页哦（一）（一）I/O接口独立编址方式接口独立编址方式将存储器地址空间和I/O地址空间分开设置，互不影响。设有专门的输入指令（IN）和输出指令（OUT）来完成I/O操作，8086CPU的I/O接口采用独立编址方式，它允许有65536（64K）个8位的I/O端口，两个编号相邻的8位端口可以组合成一个16位端口8086CPU的输入输出指令分为两类：1.直接的输入输出指令 IN AL，50H OUT 60H，AL 2.间接的输入输出指令 IN AL，DX OUT DX，AL第17页，此课件共81页哦独立编址方式示意图独立编址方式示意图存储器I/O端口00000HFFFFFH0000HFFFFH执行指令MOV，ADD，SHL，执行指令IN，OUT第18页，此课件共81页哦（一）（一）I/O接口独立编址方式接口独立编址方式表2-1信号M/IO、RD、WR和读/写操作的对应关系M/IORDWR 0 0 1 I/O读功能 0 1 0 I/O写功能WRRDM/IO 1 0 1 存储器读 1 1 0 存储器写问题问题：写出下列指令执行时，M/IO、RD、WR的信号如何？MOV AL，NUM MOV BX，AL IN AL，50H OUT DX，AL第19页，此课件共81页哦（二）（二）I/O接口与存储器统一编址方式接口与存储器统一编址方式不区分存储器地址和I/O接口地址空间，把所有的I/O接口的端口都当作是存储器的一个单元对待每个接口芯片都安排一个或几个与存储器统一编号的地址号。不设专门的输入/输出指令，所有传送和访问存储器的指令都可用来对I/O接口操作。第20页，此课件共81页哦（二）（二）I/O接口与存储器统一编址方式接口与存储器统一编址方式存储器I/O端口00000H -EFFFFHF0000H-FFFFFH例：MOV AL，1000H若DS=0000H，则将内存01000H单元的内容送AL中若DS=F000H，则将端口F1000HD的内容输入到AL中第21页，此课件共81页哦两种编址方式比较两种编址方式比较独立编址方式：独立编址方式：独立编址方式：独立编址方式：优点：优点：优点：优点：内存地址空间与I/O接口地址空间分开，互不影响，译码电路较简单，并设有专门的I/O指令，所编 程序易于区分，且执行时间短，快速性好。缺点：缺点：缺点：缺点：只用I/O指令访问I/O端口，功能有限且要采用专门I/O周期和专用的I/O控制线，使微处理器复杂化。统一编址方式：统一编址方式：优点：优点：优点：优点：访问的指令都可用于I/O操作，数据处理功能强；I/O接口可与存储器部分公用译码和控制电路。缺点：缺点：缺点：缺点：I/O接口要占用存储器地址空间的一部分；因不用专门的I/O指令，程序中较难区分I/O操作第22页，此课件共81页哦二、二、I/O接口与系统的连接接口与系统的连接地址总线控制总线数据总线数据输入寄存器数据输出寄存器控制寄存器状态寄存器I/O接口电路读/写复位时钟地址译码中断请求中断回答寄存器选择片选控制数据总线I/O和存储器选择信号常用外围设备或被控设备数据线控制线地址线第23页，此课件共81页哦8255A与与CPU和外设的连接和外设的连接外外围围设设备备D0-D7RDWRA0A1CSRESETPA0-PA7PB0-PB7PC0-PC78255AD0-D7RDWR地址线M/IORESET8086主机主机译码器端口A端口B端口C数据总线第24页，此课件共81页哦三、三、I/O接口扩展接口扩展 (一）地址译码器的扩展（二）负载能力的扩展第25页，此课件共81页哦(一）地址译码器的扩展一）地址译码器的扩展解决I/O接口的端口（寄存器）的编址、选址问题译码器ABCG2AG2BG1Y7地VccY0Y1Y2Y3Y4Y5 Y674LS138116第26页，此课件共81页哦表表2-2 74LS138译码器功能表译码器功能表输入输出（Y0Y7）允许输入端选择输入端G1 G2A G2B C B A 1 0 0 有效其余无效 0 0 0Y0=0 高电平 0 0 1Y1=0 高电平 0 1 0Y2=0 高电平 0 1 1Y3=0 高电平 1 0 0Y4=0 高电平 1 0 1Y5=0 高电平 1 1 0Y6=0 高电平 1 1 1Y7=0 高电平其它组合*均为无效（高电平）第27页，此课件共81页哦（二）负载能力的扩展（二）负载能力的扩展系统总线具有一定的负载能力负载过重时，各信号线的电平就会偏离正常值，“0”电平偏高，或“1”电平偏低，造成系统工作不稳定、不可靠、抗干扰能力差，严重时甚至会损坏器件。总线负载能力的扩展也是I/O接口扩展设计中必须考虑的问题之一。表2-4第28页，此课件共81页哦四、四、I/O接口设计的方法、步骤及设计举例接口设计的方法、步骤及设计举例（一）I/O接口设计的方法、步骤（二）I/O接口设计举例第29页，此课件共81页哦（一）（一）I/O接口设计的方法、步骤接口设计的方法、步骤I/O接口设计步骤：1.分析常用外围设备或被控设备与CPU之间信息交换的要求，如要求什么联络信号、I/O数据格式、I/O线数量、最短响应时间和服务时间估算、确定I/O控制方式。2.考虑硬件和软件的功能分配，综合考虑速度、成本、特性、设计难易程度等因素，合理的分配硬件和软件完成功能。3.进行I/O端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配。4.I/O接口硬件电路的扩展设计，包括扩展方案选择、地址译码器扩展和负载能力扩展等。5.I/O接口控制软件设计。6.进行接口硬件和软件联调，如发现问题，修改系统直至满足要求。第30页，此课件共81页哦（一）（一）I/O接口设计的方法、步骤接口设计的方法、步骤I/O接口扩展的方案选择：接口扩展的方案选择：1.购置厂家生产的现成的多功能I/O接口板 2.自己设计、安装I/O接口电路第31页，此课件共81页哦（二）（二）I/O接口设计举例接口设计举例例1：8088CPU系统，有8组8位的数字量和开关量由外部输入，同时有8组8位的控制和显示数据输出到外部。若指定8个输入端口号为E8HEFH，8个输出端口地址号为F0H F7H，所有输入输出信息交换均可采用无条件传送方式。试按此要求为该微机系统设计I/O接口电路。第32页，此课件共81页哦地址分析地址分析输入端口8个用74LS244，端口地址号为E8HEFH地址总线译码器有效信号 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4Y5 Y6 Y7译码器A输出244片选输入CEACEBCECCEDCEECEFCEGCEH G1 G2B G2A C B A 1 0 0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A01 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 第33页，此课件共81页哦I/O接口电路设计接口电路设计8088G1G2BG2ACBAY0G1G2BG2ACBA1IOR74LS244CE:A0A1A2A3A4A5A6A7174LS138A74LS138B74LS321第34页，此课件共81页哦I/O接口电路设计接口电路设计8088G1G2BG2ACBAY0G1G2BG2ACBA1IOR74LS244CE:A0A1A2A3A4A5A6A774LS138A74LS138B74LS32数据输入11第35页，此课件共81页哦地址分析地址分析输出端口8个用74LS273，端口地址号为F0H F7H地址总线译码器有效信号 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4Y5 Y6 Y7译码器B输出273片选输入 G1 G2B G2A C B A 1 0 0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A01 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 CPACPBCPCCPDCPECPFCPGCPH第36页，此课件共81页哦I/O接口电路设计接口电路设计8088G1G2BG2ACBAY0G1G2BG2ACBA1IOR74LS244ACE:A0A1A2A3A4A5A6A7174LS138A74LS138B174LS3274LS3274LS273HCP:数据输入Y71第37页，此课件共81页哦（二）（二）I/O接口设计举例接口设计举例例2：8086最小模式系统中，采用8255A作为连接打印机的接口，若指定分配给8255A的A、B、C和控制口的地址号为FFF8H、FFFAH、FFFCH、FFFEH，试设计接口电路和有关的软件。第38页，此课件共81页哦设计方案采用程序控制方式来设计A口工作于方式0，输出方式，B口不工作，C口用于传送状态和控制信息，工作于方式0打印机状态信号BUSY=1时，打印机忙，BUSY=0时，打印机闲，可以输出字符数据，和PC2相连。PC6作为CPU把数据输出给打印机的选通脉冲信号DATASTORBE的输出端第39页，此课件共81页哦+5VMN/MXAD0 AD19 BHEALTHLDARDWRRESETD0 D7A0A1RDWRRESETCSPA0 PA7PC6 PC2BUSY打印机DATASTORBE Y7 Y6 。Y074LS138 G1 G2B G2A C B AG0C74LS373（三片）8255AA5 A4 A3M/IOBHE&A6 A7:A15A1A2接译码器A3 A15BHE第40页，此课件共81页哦 G2A G1 G2B C B A 0 1 0 1 1 1A15。A6 BHE M/IO A5 A4 A3地址分析地址分析地址总线译码器有效信号 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4Y5 Y6 Y7有效电平执行IN，OUT指令时，M/IO=0高8位数据总线允许，BHE=0高8位数据线上数据有效在总线周期的T1状态0 0 0：Y7=01 1 18255AA2 A100 A01 B10 C11 控制有效端口1 1第41页，此课件共81页哦控控 制制 程程 序序8255A初始化程序INIT：MOV AL，81H OUT FFFEH，AL MOV AL，ODH OUT FFFEH，ALINIT：MOV AX，FFFFH MOV DX，AX MOV AL，81H OUT DX，AL MOV AX，FFFFH MOV DX，AX MOV AL，ODH OUT DX，AL第42页，此课件共81页哦控控 制制 程程 序序输出一个字符数据至打印机的子程序LPST：IN AL，FFFCH AND AL，04H JNZ LPST MOV AL，CL OUT FFF8H，AL MOV AL，0CH OUT FFFEH，AL INC AL OUT FFFEH，AL RET第43页，此课件共81页哦作作 业业例：8086CPU系统，按控制要求需扩展一个并行接口芯片8255A，一个计数器/定时器8253，一个8位A/D转换器ADC0809和一个8位DAC0832。若指定它们的地址分别为40H 43H、44H 47H、58H、5CH，试设计译码电路。第44页，此课件共81页哦第四节第四节 I/O通道通道I/O通道是连接计算机和工业对象（生产过程或生产机械等）的必不可少的重要部分。I/O通道的主要任务是1.将由检测器件测取的各种参量变换成计算机所能接收的信息形式送入计算机。2.计算机按某种算法计算。3.将计算结果以数字量或转换成模拟量的形式输出至被控对象。I/O通道的分类：1.模拟量输入通道 2.模拟量输出通道 3.数字量输入通道 4.模拟量输出通道第45页，此课件共81页哦I/O通道的组成通道的组成CPUI/O接口电路A/D转换器放大器采样器工工业业对对象象传感器执行机构D/A转换器输出保持功率放大数字量输入数字量输出第46页，此课件共81页哦第三节第三节 内容内容一、模拟量输入通道二、采样与量化三、模拟量输出通道四、模拟量输入输出通道工作过程分析五、数字量输入输出通道第47页，此课件共81页哦一、模拟量输入通道一、模拟量输入通道模拟量输入通道：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。结构形式：公用运算放大器和A/D转换器组成：信号处理装置、采样保持器、数据放大器、A/D转换器和控制电路等。第48页，此课件共81页哦模拟量输入通道方框图模拟量输入通道方框图CPUI/O接口电路A/D采样保持和放大器采样单元工工业业装装置置控制电路信号处理装置1信号处理装置2信号处理装置n：第49页，此课件共81页哦（一）信号处理装置（一）信号处理装置组成：标度变换器、滤波电路、线性化处理及参量间的转换电路等。1.标度变换器：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号。A.传感器：压敏元件、热敏元件、光敏元件、气敏元件等。B.检测元件输出：直流电流（或电压）、经变送器送出的统一规格的直流电流（020mA或420mA）或电压（05V）C.变送器（包括标度变换器）种类：压力变送器、温度变送器、变送器等 2.滤波电路：被测参量信号为低频信号（一般为1Hz以下）3.线性化处理：硬件处理：负反馈放大器、线性化处理电路 软件处理：分段线性化第50页，此课件共81页哦（二）采样单元（二）采样单元采样单元（多路转换器或多路切换开关）：作用：把已变换成统一电压信号（040mV）的测量信号按顺序或 随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。组成：开关矩阵及其逻辑控制电路 1.逻辑控制电路：在软件或通道控制电路的控制下，保证以一定的速度和所要求的次序一个一个的选择被测模拟信号的输入。2.开关矩阵：由模拟开关构成。第51页，此课件共81页哦（二）采样单元（二）采样单元模拟开关：以某种方式接通或断开模拟信号的元件或电路。要求：接通时，接触电阻小，以减少开关压降，精密传送信号；断开时，截止电阻极大，可靠的断开与其它电路的联系；动作速度快、驱动功率小；使用寿命长。分类：1.机械式触点或开关，如干簧（或湿簧）继电器、水银继电器等，其优点：导电电阻小，开路电阻大，但响应速度比较慢，使用久了触点不易清洗，易误动作。多用于100200点/s以下的采样系统 2.晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关。其优点：开关速度快（可达1000点/s），使用寿命长，无机械磨损，接触电阻低（一般小于100）断开电阻高（109 以上），已制成集成电路。有8通道，16通道，32通道，如CD4051、CD4052、LF11508、LF13508。第52页，此课件共81页哦CD4051引脚图引脚图CD4051IN/OUTOUT/ININ/OUTINHVEEVSSVDD46752103IN/OUTIN/OUTABC12785634161510912111413直流供电电源VDD=+5V+15V，输入电压UIN=0 VDD，它所能传送数字信号电位变化范围为315V，模拟信号峰值15V，当VEE接负电源时，正负模拟电压均可通过。第53页，此课件共81页哦CD4051逻辑电平转换带禁止线的二进制译码器ABCINHVDDVEEVSS7811109616TG 3 公共端OUT/IN通道IN/OUTTG：4 2 5 1 12 15 14 13第54页，此课件共81页哦CD4051逻辑电平转换带禁止线的二进制译码器ABCINHVDDVEEVSS7811109616TG 3 公共端OUT/IN通道IN/OUTTG：4 2 5 1 12 15 14 13开关电路C、B、A通道选择通道允许输入端第55页，此课件共81页哦表2-9 CD4051真值表真值表输入状态INHC B A接通通道号CD4051输入状态接通通道号INHC B ACD405100000 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 100000#1#2#3#4#5#6#7#第56页，此课件共81页哦（三）采样保持（三）采样保持采样保持器大作用：保证模拟信号采样的准确度。孔径时间：A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转化误差。第57页，此课件共81页哦（三）采样保持（三）采样保持0UttA/Dt1t0U图2-38 由tA/D引起的不确定误差电压第58页，此课件共81页哦（三）采样保持（三）采样保持令正弦模拟信号U=UmsintdUdt=Um cost=Um 2 f costUm为正弦模拟信号的幅值；f为信号频率结论：对于一定的转换时间，最大可能的误差发结论：对于一定的转换时间，最大可能的误差发生在信号过生在信号过0的时刻的时刻在坐标原点上dUdt=Um 2 f 取t=tA/D，则原点处转换的不确定电压误差为 U=Um 2 f tA/D误差的百分数=U100 Um=2 f tA/D 100第59页，此课件共81页哦（三）采样保持（三）采样保持例：一个10位的A/D转换器，若要求转换精度为0.1%，孔径时间10s，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为 f=0.12 10 10-6 102s 16Hz第60页，此课件共81页哦（三）采样保持（三）采样保持采样保持电路组成：采样保持电路组成：输入缓冲放大器A1、模拟开关AS、模拟信号存储电容CH 输出缓冲放大器A2+-A2-+A1输入控制信号ASCH输出第61页，此课件共81页哦（三）采样保持（三）采样保持采样保持电路的两个工作状态：采样保持电路的两个工作状态：1.采样状态：当模拟开关AS闭合时，进入采样状态2.保持状态：当模拟开关AS断开时，进入保持状态快速系统需要采样保持电路：快速系统需要采样保持电路：在模拟输入通道中，只有在信号变化频率较高而A/D转换速度又不高，以致孔径误差影响转换精度时，或者要求同时（还是有先有后）采样多个过程参量的情况下，才需要设置采样保持电路，对于石油、化工等变化缓慢的生产过程（一般信号频率在1Hz之内）只需要采样单元，采样保持电路是不必要的。第62页，此课件共81页哦（四）数据放大器（四）数据放大器数据放大器：数据放大器：采样单元或经采样保持电路后的被测电压信号通常是 040mV的弱信号，许经过运算放大器放大，从而提高输出电平，实现阻抗匹配，或经差分放大提高共模抑制比，然后才能送A/D转换器A/D转换器要求输入电压：转换器要求输入电压：0+5V、0+10V、5V、10V等第63页，此课件共81页哦二、采样与量化二、采样与量化模拟信号转换成数字信号的过程：模拟信号转换成数字信号的过程：采样过程和量化过程第64页，此课件共81页哦（一）采样过程（一）采样过程采样过程（采样）：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。f(t)543210543210 f(t)被采样的模拟信号，时间上连续且幅值上也连续的信号。f*(t)时间上离散而幅值上连续的离散模拟信号，它是一连串的脉冲信号，又称为采样信号。采样周期：采样开关两次采样的间隔时间T采样时间：采样开关闭合的时间，采样时刻：0、T、2T、3T、4T。T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T f*(2T)f*(3T)第65页，此课件共81页哦（一）采样过程（一）采样过程Shannon定理：s2 max max 为被采样的输入信号f(t)中所含最高频率（角频率）；s 为采样频率（角频率）；即当满足采样频率大于或等于模拟输入信号所含最高频率两倍时，就可以通过理想的低通滤波器，由f*(t)完全恢复出f(t)。工程上，一般总取实际采样频率s比2 max大s（410）max，过程惯性越大，倍数可取得越大。第66页，此课件共81页哦（二）量化过程（二）量化过程量化过程：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，如图2-43，这种逼近是近似的。量化单位q：指量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值。设：fmax和fmin分别为转换信号的最大值和最小值，则量化单位为：量化误差的最大值为 q=fmax fmin2ii转换后的二进制数的位数 q 2第67页，此课件共81页哦例例模拟信号fmax=16V、fmin=0V，取i=4，则q=1V，量化误差最大值emax=0.5V q 2采样时刻 采样值(V)量化值采样时刻 采样值(V)量化值 0T 4.9 01011T 4.1 01002T 7.5 10003T 9.4 10015T 11.2 10116T 11.0 10117T 8.8 10018T 6.7 0111第68页，此课件共81页哦思考：由图2-43和表2-10：量化后的数列f(m)与理想的采样信号f*(t)在数学处理上是等价的，它们之间仅差一个量化误差。思考：如何减少量化误差？经采用采样量化或得到的一系列离散的二进制数字量来表示某一时间上连续的模拟信号，从而有计算机来进行控制计算和处理。第69页，此课件共81页哦三、模拟量输出通道三、模拟量输出通道功能：功能：把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。组成：组成：D/A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路、和功放电路等。模拟量输出通道中，为什么要加输出保持器？输出保持方案：数字量保持方案、模拟量保持方案。第70页，此课件共81页哦（一）一个输出通路设置一个（一）一个输出通路设置一个D/A转换器的结转换器的结构形式（图构形式（图2-44)微型机I/O接口电路：通路1通路n数字保持方案：数字保持方案：D/A转换器D/A转换器第71页，此课件共81页哦（二）多个输出通路共用（二）多个输出通路共用 一个一个D/A转换器的转换器的结构形式（图结构形式（图2-45)微型机I/O接口电路多路开关：通路1通路n模拟量保持方案：模拟量保持方案：D/A转换器输出保持输出保持零阶保持器第72页，此课件共81页哦零阶保持器零阶保持器定义：定义：前一采样时刻的输出值原封不动的（理想化大）保持到下一采样时刻到来。零阶保持器的种类：零阶保持器的种类：1.采用步进电动机带动多圈电位器 2.采用和模拟量输入通道中的采样保持器一样 的电容保持电路加输出保持器后的输出信号为阶梯状的模拟信号，必须经滤波电路，使阶梯变得平滑。（有的执行部件（电动机）能起滤波作用。第73页，此课件共81页哦五、数字量输入输出通道五、数字量输入输出通道数字量输入通道数字量输出通道第74页，此课件共81页哦（一）数字量输入通道（一）数字量输入通道数字量输入的情况：数字量输入的情况：1.拨码开关设置控制给定值或控制参数 2.用绝对编码器检测位置 3.用光电脉冲编码器检测速度 4.用按钮或转换开关控制系统的启停或选择工作状态 5.同行程开关反映生产设备的运行状态等分三类：分三类：1.编码数字（二进制数或十进制数）2.开关量 3.脉冲量第75页，此课件共81页哦（一）数字量输入通道（一）数字量输入通道输入通道的结构：输入通道的结构：1.TTL电平的编码数字直接接到输入端口上 2.可靠性要求很高的场合加光电隔离电路 3.脉冲列，频率不高软件计数（查询或中断方式对输入脉冲计数）4.脉冲列，频率高外加硬件电路，用计数器/定时器8253，计数值随时准确的读入CPU 5.接通或断开的信号（如按钮、转换开关、拨码开关、继电器或来自现场的行程开关）先经电平转换电路，将触点的通断转换成高电平或低电平，同时要考虑 滤波，防触头抖动以及采用光电隔离或继电器隔离等。第76页，此课件共81页哦开关量输入电路一开关量输入电路一+5VS0.1 F5.1k 74LS04 16S电平转换及滤波电路：电平转换及滤波电路：第77页，此课件共81页哦开关量输入电路二开关量输入电路二+5VK0.1 F5.1k 74LS04 16KK+24VSK继电器隔离及电平转换电路：继电器隔离及电平转换电路：第78页，此课件共81页哦开关量输入电路三开关量输入电路三消除开关二次反跳触发器电路：消除开关二次反跳触发器电路：S5.1k 5.1k 74LS04+5VS&第79页，此课件共81页哦开关量输入电路四开关量输入电路四光电隔离及电平转换电路：光电隔离及电平转换电路：+5V+24VSS1.5k 1 2 1615 1k 74LS04 16TLP521-4 141第80页，此课件共81页哦（二）数字量输出通道（二）数字量输出通道数字信号种类：1.编码数字（二进制或二十进制）2.“1”或“0”的开关信号 3.脉冲信号（步进电机）开关量输出通常有：1.TTL电平逻辑信号输出 2.电子无触点开关输出 3.继电器输出第81页，此课件共81页哦