第二章过程输入输出通道PPT讲稿.ppt

第二章过程输入输出通道第1页，共40页，编辑于2022年，星期二 2 2、I/OI/O通道通道 也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。送和变换的连接通道。信号输入通路信号输入通路信号输出通路信号输出通路模拟信号通路模拟信号通路数字信号通路数字信号通路模拟量输入通路模拟量输入通路模拟量输出通路模拟量输出通路数字量输入通路数字量输入通路数字量输出通路数字量输出通路第2页，共40页，编辑于2022年，星期二第3页，共40页，编辑于2022年，星期二f(t)K f*(t)T3 3采样过程采样过程 用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。信号的过程。第4页，共40页，编辑于2022年，星期二香香农农(Shannon)(Shannon)采采样样定定理理：如如果果随随时时间间变变化化的的模模拟拟信信号号的的最最高高频频率率为为maxmax，只只要要按按照照采采样样频频率率S S22maxmax进进行行采采样样，那那么么取取出出的的样样品品序序列列(f(f1 1*(t)*(t)，f f2 2*(t)*(t)，)就足以代表就足以代表(或恢复或恢复)f(t)f(t)。第5页，共40页，编辑于2022年，星期二 1）为什么要用保持器？）为什么要用保持器？A/DA/D转换需要时间，称为转换需要时间，称为A/DA/D转换时间。转换时间。在转换过程中采样信号应保持基本不变，否则影响转在转换过程中采样信号应保持基本不变，否则影响转换精度。换精度。4 4保持器保持器 2）采样保持器的两种工作状态）采样保持器的两种工作状态 采样状态：采样保持器的输出跟随模拟量变化。采样状态：采样保持器的输出跟随模拟量变化。保持状态：采样保持器维持输出值不变。保持状态：采样保持器维持输出值不变。第6页，共40页，编辑于2022年，星期二第7页，共40页，编辑于2022年，星期二4 4量化过程量化过程 是用一组数码是用一组数码(如二进制码如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。将其转换成数字信号。第8页，共40页，编辑于2022年，星期二fmax：被转换信号的最大值；：被转换信号的最大值；fmin：被转换信号的最小值；：被转换信号的最小值；i：转换后二进制数的位数。：转换后二进制数的位数。量化单位为：量化单位为：第9页，共40页，编辑于2022年，星期二2.2 2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道任务：任务：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。第10页，共40页，编辑于2022年，星期二主要组成：主要组成：信号处理装置（信号调理）、多路转换开关、采样保持信号处理装置（信号调理）、多路转换开关、采样保持器、数据放大器、器、数据放大器、AD转换器控制电路。转换器控制电路。第11页，共40页，编辑于2022年，星期二 1 1、信号处理装置（信号调理）、信号处理装置（信号调理）组成：组成：标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。换电路等。标度变换器：标度变换器：作用：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测作用：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。模拟信号变换成统一的标准信号。滤波电路：滤波电路：作用：作用：滤掉干扰信号；滤掉干扰信号；消除混频现象消除混频现象。线性化处理：线性化处理：有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。电参量间的转换电路：电参量间的转换电路：主要进行电信号之间的转换。主要进行电信号之间的转换。第12页，共40页，编辑于2022年，星期二 2 2、多路转换开关、多路转换开关 一个一个A/D转换器，多个信号需要转换，利用多路转换开关实现。转换器，多个信号需要转换，利用多路转换开关实现。多多路路转转换换开开关关实实现现多多选选一一操操作作，把把n路路输输入入信信号号依依次次（或或随随机机）地地切换到后级，实现切换到后级，实现CPU对各路模拟量分时采样。对各路模拟量分时采样。组成：组成：开关矩阵及逻辑控制电路。开关矩阵及逻辑控制电路。开关矩阵开关矩阵 模拟开关的组合模拟开关的组合 逻辑控制电路逻辑控制电路 在软件或通道控制电路的控制下，在软件或通道控制电路的控制下，以一定速度，按顺序输入被测模拟信号。以一定速度，按顺序输入被测模拟信号。第13页，共40页，编辑于2022年，星期二计计算算机机控控制制系系统统中中多多采采用用集集成成电电路路多多路路转转换换开开关关。如如CD4051就就是是一一种种8通通道道的的多多路路转转换换开开关关。当当INH=高高电电平平时时，无无论论A、B、C为为何何值值，8个个开开关关均均不不通通。此此引引脚脚可可用用于于芯芯片片扩扩展。展。多路选择开关的参数主要有：通道数、通道切换时间、多路选择开关的参数主要有：通道数、通道切换时间、导通电阻、通道间的串拢误差等。导通电阻、通道间的串拢误差等。第14页，共40页，编辑于2022年，星期二例：例：CD405l 组成：组成：逻辑电平转换、二进制译码器及逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路。个开关电路。主要特性：主要特性：直流供电电源：直流供电电源：VDD+5V+15V，数字信号电压变化范围：数字信号电压变化范围：315V 输入电压：输入电压：UIN0VDD，模拟信号峰峰值：模拟信号峰峰值：15V第15页，共40页，编辑于2022年，星期二第16页，共40页，编辑于2022年，星期二CD405lCD405l的应用：的应用：第17页，共40页，编辑于2022年，星期二、放大器、放大器可用仪用、可编程放大器。可用仪用、可编程放大器。仪仪用用放放大大器器具具有有输输入入阻阻抗抗高高、零零漂漂小小、共共模模抑抑制制比比高高等等优优点。点。当各路信号相差较大时，可通过对放大器的编程来改变各通道放当各路信号相差较大时，可通过对放大器的编程来改变各通道放大器的放大倍数，使各路信号到达大器的放大倍数，使各路信号到达A/D转换器时具有大体上相同转换器时具有大体上相同的大小，可使的大小，可使A/D转换器满量程信号达到归一化，提高多路数转换器满量程信号达到归一化，提高多路数据采集的分辨力。据采集的分辨力。第18页，共40页，编辑于2022年，星期二、采样保持、采样保持采样保持电路：采样保持电路：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中保持模拟信号基本不变。保持模拟信号基本不变。注：保持电容一般外接注：保持电容一般外接，其取值与采样频率和精度有关。，其取值与采样频率和精度有关。减小减小CH可提高采样频率，但会降低精度。可提高采样频率，但会降低精度。第19页，共40页，编辑于2022年，星期二采样保持器的主要参数有：采样保持器的主要参数有：采样时间、电压下降率等。注：注：模拟信号一般不直接送模拟信号一般不直接送A/D转换器，而加保持器作信号保持。但是，当转换器，而加保持器作信号保持。但是，当A/D转换速度很快且输入信号变化缓慢时可不加保持器。转换速度很快且输入信号变化缓慢时可不加保持器。保持器的两个工作状态：保持器的两个工作状态：采样状态采样状态 保持状态保持状态 第20页，共40页，编辑于2022年，星期二采样保持集成芯片采样保持集成芯片LFl98 主要特性：主要特性：供电电源：供电电源：5V18V；可以和可以和TTL、PMOS、CMOS逻辑输入兼容；逻辑输入兼容；典型保持电容：典型保持电容：1000pF、0.01F。第21页，共40页，编辑于2022年，星期二5 5、A AD D转换器转换器把通道输入的模拟量转换成数字量，通过把通道输入的模拟量转换成数字量，通过I/O接口电路送入接口电路送入CPU。A/D转换器的作用：完成模拟量到数字量的转换。转换器的作用：完成模拟量到数字量的转换。转换方式：逐次逼近式和双斜积分式。转换方式：逐次逼近式和双斜积分式。逐次逼近式：转换时间短、抗干扰能力差。逐次逼近式：转换时间短、抗干扰能力差。如如ADC0809、AD574等。等。双斜积分式：转换时间长、抗干扰能力强。双斜积分式：转换时间长、抗干扰能力强。如如MC14433、ILC7135等。等。第22页，共40页，编辑于2022年，星期二A/D转换器的主要参数有：转换器的主要参数有：）转转换换时时间间（转转换换速速度度）：完完成成一一次次模模拟拟信信号号到到数数字字信信号号转转换换所所需需的的时时间间。目目前前常常用用ADC的的转转换换时时间间为为几几个个纳纳秒秒纳秒。纳秒。）分分辨辨率率（位位数数）：表表示示ADC对对输输入入信信号号变变化化的的敏敏感感程程度度，用用转转换换后后的的数数字字量量的的二二进进制制位位数数表表示示。如如8位位（ADC0809）、12位位（AD574）等等。分分辨辨率率为为n位位，表表示示可可以以对对满满量量程程输输入入的的1/2n的的增增量量作作出出反反映映，即即数数字字量量的的最最低低有有效效位位（LSB）对对应应于于满满量量程程输输入的入的1/2n。如。如n=8，VI=5.12v，则，则LSB对应于对应于5.12/28=20mv。第23页，共40页，编辑于2022年，星期二）精度，也称线性误差：表）精度，也称线性误差：表示示ADC的数字输出量所对应的模的数字输出量所对应的模拟输入量的理论值和实际值之间的拟输入量的理论值和实际值之间的差值，常用最低有效位差值，常用最低有效位（LSB）的）的分数表示，如分数表示，如0.50.5LSBLSB。ADC的每个数字输出量所对应的模拟量不是单一的一个数值，的每个数字输出量所对应的模拟量不是单一的一个数值，而是一个范围而是一个范围。从理论上讲，。从理论上讲，的大小即输出数字量的最低的大小即输出数字量的最低有效位有效位（LSB），取决于），取决于ADC的分辨率，如对于的分辨率，如对于12位的位的ADC，V VI I=5.12v=5.12v，则，则 1.22mv1.22mv。但实际上，由于外部环境的影响，。但实际上，由于外部环境的影响，的大的大小往往偏离其理论值，偏离的程度就是小往往偏离其理论值，偏离的程度就是ADC的精度。如上图所示的精度。如上图所示ADC的精度为。的精度为。第24页，共40页，编辑于2022年，星期二多通道模拟量输入板：多通道模拟量输入板：将将多多路路转转换换开开关关、采采样样保保持持器器、A/D转转换换器器、仪仪用用放放大大器器、接接口口电电路集成在一块板上。路集成在一块板上。主主要要参参数数：分分辨辨率率、通通道道数数、输输入入量量程程（单单极极性性和和双双极极性性）、转换时间、线性误差、应答方式（查询、中断）。转换时间、线性误差、应答方式（查询、中断）。采集过程：通道选择、启动采集过程：通道选择、启动A/D转换、查询转换是否结束、读转换、查询转换是否结束、读取转换结果。取转换结果。第25页，共40页，编辑于2022年，星期二2.3 2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道功能：功能：把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中的把计算机的运算结果转换成模拟量，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操作。某一控制回路上，完成对执行机构的控制操作。组成：组成：DA转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路等。波电路和功放电路等。输出保持器的作用：输出保持器的作用：将前一采样时刻的输出信号保持到下一将前一采样时刻的输出信号保持到下一个采样时刻，重新得到新的连续输出信号。个采样时刻，重新得到新的连续输出信号。第26页，共40页，编辑于2022年，星期二 D/A D/A转换器转换器作用：完成数字信号到模拟信号的转换。作用：完成数字信号到模拟信号的转换。输出：有单极性输出和双极性输出（如输出：有单极性输出和双极性输出（如）主要参数：主要参数：）建建立立时时间间：DACDAC的的输输入入数数字字量量有有满满量量程程的的变变化化时时，其其输输出模拟量达到终值出模拟量达到终值1/2LSB时时所需的时间，一般为几微秒。所需的时间，一般为几微秒。）分分辨辨率率（位位数数）：最最小小输输出出电电压压（对对应应的的输输入入数数字字量量只只有有最最低低有有效效位位为为“1”“1”）和和最最大大输输出出电电压压（对对应应的的输输入入数数字字量量所所有有有有效效位位均均“1”“1”）之之比比。如如N N位位DACDAC的的分分辨辨率率为为（）。常常用用输输入入二二 进进 制制 的的 位位 数数 来来 表表 示示，如如 8 8位位（DAC0832DAC0832）、1212位位（DAC1208/1209/1210DAC1208/1209/1210）等等。分分辨辨率率为为n n位位，表表示示D/AD/A转转换换器器输输入入二二进进制数的最低有效位制数的最低有效位LSBLSB与满量程输出的与满量程输出的1/21/2n n相对应。相对应。）线线性性误误差差：DACDAC理理想想输输入入输输出出特特性性的的偏偏差差和和满满刻刻度度输输出出之之比比的百分数。的百分数。第27页，共40页，编辑于2022年，星期二多通道模拟输出板多通道模拟输出板 将总线接口逻辑、将总线接口逻辑、D/AD/A转换器、信号变换电路等集成在一转换器、信号变换电路等集成在一块板上。块板上。第28页，共40页，编辑于2022年，星期二1 1）一个输出通路设置）一个输出通路设置一个一个D DA A转换器的结构转换器的结构形式形式 2 2）多个输出通路共用一个）多个输出通路共用一个D DA A转换器的结构形式转换器的结构形式结构形式结构形式 第29页，共40页，编辑于2022年，星期二数字量（开关量）输入输出通道的基本结构数字量（开关量）输入输出通道的基本结构2.4 2.4 数字量（开关量）输入输出通道数字量（开关量）输入输出通道 第30页，共40页，编辑于2022年，星期二数字量（开关量）输入输出通道的组成：数字量（开关量）输入输出通道的组成：缓冲器：对输入信号缓冲、放大、选通。缓冲器：对输入信号缓冲、放大、选通。锁存器：将输出信号锁存。锁存器：将输出信号锁存。缓冲缓冲/锁存功能可以由可编程接口电路（锁存功能可以由可编程接口电路（8255A等）实现。等）实现。电气转换部分：滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。电气转换部分：滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。第31页，共40页，编辑于2022年，星期二输入信号调理电路输入信号调理电路作用：对信号进行转换、放大、滤波、隔离等处理，使作用：对信号进行转换、放大、滤波、隔离等处理，使之成为计算机能接收的逻辑信号。之成为计算机能接收的逻辑信号。1）信号转换电路信号转换电路 第32页，共40页，编辑于2022年，星期二 直接和并行接口电路的输入口连接直接和并行接口电路的输入口连接 加光电隔离电路加光电隔离电路 第33页，共40页，编辑于2022年，星期二第34页，共40页，编辑于2022年，星期二2）滤波电路滤波电路用有源或无源滤波器抑制干扰。如用有源或无源滤波器抑制干扰。如RC低通滤波器。低通滤波器。第35页，共40页，编辑于2022年，星期二3）保护电路保护电路 用稳压管或压敏电阻把瞬间冲击电压箝位在安全电平上。用稳压管或压敏电阻把瞬间冲击电压箝位在安全电平上。用二极管防止电压反向输入。用二极管防止电压反向输入。用限流电阻和稳压电路作过电压保护。用限流电阻和稳压电路作过电压保护。第36页，共40页，编辑于2022年，星期二4）消除触点抖动消除触点抖动 当开关处于图示位置当开关处于图示位置时，此时动触点时，此时动触点抖动不会改变触发器状态，抖动不会改变触发器状态，除非抖动幅度使动静点与除非抖动幅度使动静点与上方静触点接触了。上方静触点接触了。当开关拔向上方时，第当开关拔向上方时，第一次与上方静触点接触则使一次与上方静触点接触则使。此时开关动触点抖。此时开关动触点抖动不会改变触发器状态，除动不会改变触发器状态，除非抖动幅度使动静点与下方非抖动幅度使动静点与下方静触点接触了。静触点接触了。第37页，共40页，编辑于2022年，星期二输出驱动电路输出驱动电路第38页，共40页，编辑于2022年，星期二(a)第39页，共40页，编辑于2022年，星期二(c)第40页，共40页，编辑于2022年，星期二