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于海生第章输入输出接口与过程通道 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2.1 2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 2.1.1 2.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术 2.1.2 2.1.2 数字量输入通道数字量输入通道 2.1.3 2.1.3 数字量输出通道数字量输出通道 明确概念1 1、数字量、数字量(开关量开关量)信号信号 开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器开关的闭合与断开，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。的打开与关闭等。共同特征共同特征:这些信号的是以二进制的逻辑这些信号的是以二进制的逻辑 “1 1”和和“0 0”出现的，代表生产过程的一个状态。出现的，代表生产过程的一个状态。2 2、PCPC总线总线 2.1.1 2.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术1.1.数字量输入接口（数字量输入接口（DIDI）作用：作用：采集生产过程的状态信息。采集生产过程的状态信息。完成过程：完成过程：用三态门缓冲器用三态门缓冲器74LS24474LS244取得状态信息。经过取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号。当在执行端口地址译码，得到片选信号。当在执行ININ指令周期时，产生指令周期时，产生I/OI/O读信号，则被测的状态信息可通过三态门送到读信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PCPC总线工业总线工业控制机的数据总线，然后装入控制机的数据总线，然后装入ALAL寄存器。寄存器。设设片片选选端端口口地地址址为为portport，可可用如下指令来完成取数用如下指令来完成取数.MOV DX MOV DX，port port IN AL IN AL，DX DX注意：硬件组成、软件设计注意：硬件组成、软件设计（汇编、（汇编、C C语言语言)1G2G74LS244 输入接口 D0D1D2D3D4D5D6D7 1A1 1Y1 1A2 1Y2 1A3 1Y3 1A4 1Y4 1A5 1Y5 1A6 1Y6 1A7 1Y7 1A8 1Y8 IORCS图 2.1 数字量输入接口 PC总线2 2数字量输出接口数字量输出接口 作用：作用：当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保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。持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。完成过程：完成过程：用用74LS27374LS273作作8 8位输出锁存口，对状态输出信号位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。由于进行锁存。由于PCPC总线工业控制机的总线工业控制机的I/OI/O端口写总线周期时序关端口写总线周期时序关系中，总线数据系中，总线数据D D0 0D D7 7比比I/OI/O写前沿写前沿(下降沿下降沿)稍晚，因此利用稍晚，因此利用I/OI/O写写的后沿的后沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行片选信号，当在执行OUTOUT指令周期时，产生指令周期时，产生I/OI/O写信号。写信号。设设片片选选端端口口地地址址为为portport，可可用用以以下下指指令完成数据输出控制。令完成数据输出控制。MOV AL MOV AL，DATA DATA MOV DX MOV DX，port port OUT DX OUT DX，AL AL 注意：硬件组成、软件设计（汇编、注意：硬件组成、软件设计（汇编、C C语语 言言)74LS273 CLR CLK 输出接口 RESET D0D1D2D3D4D5D6D7 PC总线 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 D4 Q4 D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7 D8 Q8 IOW CS图 2.2 数字量输出接口 2.1.2 数字量输入通道1.1.数字量输入通道的结构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。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 2.2.输入调理电路输入调理电路输入调理电路输入调理电路 数字量数字量(开关量开关量)输入通道的输入通道的基本功能基本功能就是接收外部就是接收外部装置或生产过程的状态信号。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、开关的这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触触点点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。，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输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离转换、保护、滤波、隔离等措施转换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成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理 。（1 1）小功率输入调理电路）小功率输入调理电路 （2 2）大功率输入调理电路）大功率输入调理电路（1）小功率输入调理电）小功率输入调理电路路 开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTLTTL电电平信号与计算机相连。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都应加入有较长时间常数的积分电路积分电路来消除这种振荡。来消除这种振荡。问题：利用什么原理消除了抖动？问题：利用什么原理消除了抖动？+5V C K R2 R1 n n采用采用积分电路积分电路的的小功率输入调理电路小功率输入调理电路 目的：把开关目的：把开关K K的状态转化成二进制状态。的状态转化成二进制状态。原理：闭和原理：闭和K K时，电容时，电容C C放电，反相器反相放电，反相器反相 为为1 1；断开断开K K时，电容时，电容C C充电，反相器反相充电，反相器反相 为为0 0。n nR RS S触发器消除开关两次反跳电路触发器消除开关两次反跳电路触发器消除开关两次反跳电路触发器消除开关两次反跳电路原理：原理：当当K K在上时，输出上为在上时，输出上为1 1，下为，下为0 0。当当K K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成生瞬间不闭合，造成R-SR-S触发器输入为双触发器输入为双1 1，故状态不改变。，故状态不改变。+5V K R45 R3 （2 2）大功率输入调理电路）大功率输入调理电路 当当从从电电磁磁离离合合等等大大功功率率器器件件的的接接点点输输入入信信号号时时，为为了了使使接接点点工工作作可可靠靠，接接点点两两端端至至少少要要加加24V24V以以上上的的直直流流电电压压（因因为为直直流流电电平平的的响响应应快快，不不易易产产生生干干扰扰）。但但是是这这种种电电路路，由由于于所所带带电电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。光光电电隔隔离离：通通常常使使用用一一个个光光耦耦将将电电子子信信号号转转换换为为光光信信号号，在在另另一一边边再再将将光光信信号号转转换换回回电电子子信信号号。如如此此，这这两两个个电电路路就就可可以互相的隔离。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1.1.数字量输出通道的结构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 2.2.输出驱动电路输出驱动电路 在数字量输出通道中，关键是在数字量输出通道中，关键是驱动驱动，因为从锁存器中出来的，因为从锁存器中出来的是是TTLTTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。（1 1）小功率直流驱动电路）小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路 继电器包括线圈和触点。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管D D，J J为继电器的线圈。为继电器的线圈。D D的作用是泄流，通过的作用是泄流，通过D D放掉放掉J J上所带的电荷，防止反向击穿。上所带的电荷，防止反向击穿。R R的作用是限流。的作用是限流。作用过程：当作用过程：当TTLTTL电平为电平为1 1时，晶体管截止，时，晶体管截止，J J不吸合不吸合 当当TTLTTL电平为电平为0 0时，晶体管导通，时，晶体管导通，J J吸合吸合达林顿阵列输出驱动继电器电路。达林顿阵列输出驱动继电器电路。MC1416 MC1416是达林顿阵列驱动器是达林顿阵列驱动器.达林顿晶体管达林顿晶体管DTDT（Dar1ington TransistorDar1ington Transistor）亦称复合晶体管。）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，最后引出极，依次级连而成，最后引出E E、B B、C C三个电极。三个电极。(2)(2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路 在大功率交流驱动电路中，固态继电器在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSRSSR作交流开关使用。作交流开关使用。SSR SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两个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。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 SSRSSR作交流开关，相当作交流开关，相当于有一个触点，左边于有一个触点，左边是是TTLTTL电平，在电平，在05V05V之之间：间：当当TTLTTL电平为高时，电平为高时，触点闭合；触点闭合；当当TTLTTL电平为低时，电平为低时，触点断开。触点断开。当用计算机来控制当用计算机来控制电磁阀时，用固态继电磁阀时，用固态继电器。电器。零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。n nA/DA/D转换器的主要技术指标：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。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分辨率：通常用数字量的位数n(n(字长字长)来表示，如来表示，如8 8位、位、1212位、位、1616位等。位等。线性误差：理想转换特性线性误差：理想转换特性(量化特性量化特性)应该是线性的，但实应该是线性的，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。线性误差常用性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSBLSB的分数表示，的分数表示，如如(1/2)LSB(1/2)LSB或或1LSB1LSB。量程：即所能转换的输入电压范围，如量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V-5V+5V,0+5V,010V10V，0 05V5V等。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。生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。2.2 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术n nA/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。逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器逻辑框图转换器逻辑框图2.2.1 A/D转换器 1.8位A/D转换器ADC0809 2.12位A/D转换器AD574A 2.2.2 A/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 1.81.8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809 ADC0809 ADC0809 ADC0809是一种带是一种带有有8 8通道模拟开关的通道模拟开关的8 8位逐次逼近式位逐次逼近式A/DA/D转换转换器，转换时间为器，转换时间为6464个个时钟周期（时钟频率时钟周期（时钟频率为为640KHZ 640KHZ 时时100s100s左左右），线性误差为右），线性误差为(1/2)LSB1/2)LSB。采用采用2828脚双立直插脚双立直插式封装。式封装。外加基准电源。外加基准电源。逻辑组成：逻辑组成：(1)8(1)8通模拟开关及通道选择通模拟开关及通道选择 逻辑逻辑 该部分的功能是实现该部分的功能是实现8 8选选1 1操作，操作，由通道选择信号由通道选择信号C C、B B、A A，在，在ALEALE的的作用下送入通道选择逻辑。作用下送入通道选择逻辑。注意：转换时序。注意：转换时序。(3)(3)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 用于存放转换结果用于存放转换结果D D，输出允许信号，输出允许信号OEOE为高电平时，为高电平时，D D由由DO7DO7DO0DO0上输出；上输出；OEOE为低电平输入时，数据输出线为低电平输入时，数据输出线DO7DO7DO0DO0为高阻态。为高阻态。(2)8(2)8位位A/DA/D转换器转换器 在在STARTSTART上收到一个启动转换命令上收到一个启动转换命令(正脉冲正脉冲)后开始转换，后开始转换，100s100s左右左右(64(64个个时钟周期时钟周期)后转换结束后转换结束(相应的时钟频率为相应的时钟频率为640KHZ)640KHZ)。转换结束时，。转换结束时，EOCEOC信号由低信号由低电平变为高电平，通知电平变为高电平，通知CPUCPU读结果。读结果。通过查询或中断方式读取。通过查询或中断方式读取。2 2 2 212121212位位位位A/DA/DA/DA/D转换器转换器转换器转换器AD574A AD574A AD574A AD574A（AD1674AD1674）AD574AAD574A（AD1674AD1674）是是一一种种高高性性能能的的1212位位逐逐次次逼逼近近式式A/DA/D转转换换器器，转转换换时时间间约约为为2525（1010）ss，线线性性误误差差为为1/2LSB1/2LSB，内内部部有有时时钟钟脉脉冲冲源源和和基基准准电电压压源源，单单通通道道单单极极性性或或双双极极性性电电压压输输入入，采采用用2828脚脚双双立立直直插插式式封封装。装。AD1674 AD1674有有S/HS/H。AD574A AD574A由由1212位位A/DA/D转换器、控制逻辑、三态输出转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器和锁存缓冲器和10V10V基准电压源四部分构成。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。程和控制转换结果的输出。CECE、CSCS均为片选信号，均为片选信号，R/CR/C为读为读/启动控制信号，启动控制信号，12/812/8为数字量输出位数控为数字量输出位数控制，制，A0A0为分辨率和字节选择：在转换启动时，为分辨率和字节选择：在转换启动时，A0=1A0=1代表选择代表选择AD574AAD574A作为作为1212位转化器使用，在读数据时，位转化器使用，在读数据时，A0=1A0=1代表读低字节。代表读低字节。STS STS为为AD574AAD574A的状态输出信号。启动后，的状态输出信号。启动后，STSSTS为为高电平表示正在转换；高电平表示正在转换；25s25s后转换结束，后转换结束，STSSTS为低为低电平。电平。CPUCPU可用查询或中断方式了解转换过程是否可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。结束。2.2.2 A/D2.2.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 A/DA/D转转换换器器通通常常都都具具有有三三态态数数据据输输出出缓缓冲冲器器，因因而而允允许许A/DA/D转转换换器器直直接接同同系系统统总总线线相相连连接接。为为便便于于或或简简化化接接口口电电路路设设计计，也也常常通通过过通通用用并并行行接接口口芯芯片片8255A8255A实实现现与系统的接口。与系统的接口。1.ADC08091.ADC0809与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 2.AD574A 2.AD574A与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 1ADC0809与PC总线工业控制机接口n nADC0809ADC0809与与PCPC总线工业控制机接口电路图总线工业控制机接口电路图（P28P28）n nP28程序：倒数第3行改为 MOV AL,00000110Bn n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2ADC574A与PC总线工业控制机接口2.3 2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 2.3.1 模拟量输入通道的组成 2.3.2 I/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 模模拟拟量量输输入入通通道道的的任任务务是是把把从从系系统统中中检检测测到到的的模模拟拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。传传感感器器是是将将生生产产过过程程工工艺艺参参数数转转换换为为电电参参数数的的装装置置，大大多多数数传传感感器器的的输输出出是是直直流流电电压压(或或电电流流)信信号号，也也有有一一些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。为为了了避避免免低低电电平平模模拟拟信信号号传传输输带带来来的的麻麻烦烦，经经常常要要将将测测量量元元件件的的输输出出信信号号经经变变送送器器变变送送，如如温温度度变变送送器器、压压力力变变送送器器、流流量量变变送送器器等等，将将温温度度、压压力力、流流量量的的电电信信号号变变成成0 010mA10mA或或4 420mA20mA的的统统一一信信号号，然然后后经经过过模模拟拟量输入通道来处理。量输入通道来处理。2.3.1 2.3.1 模拟量输入通道的组成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过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压或电压)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，进行采样和个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/DA/D转换，实现过转换，实现过程参数的巡回检测。程参数的巡回检测。模拟量输入通道一般由模拟量输入通道一般由I/VI/V变换，多路转换器、采样保持变换，多路转换器、采样保持器、器、A/DA/D转换器、接口及控制逻辑等组成。转换器、接口及控制逻辑等组成。2.3.2 I/V2.3.2 I/V变换变换n n变变送送器器输输出出的的信信号号为为0 010mA10mA或或4 420mA20mA的的统统一一信信号号，需需要要经经过过I/VI/V变变换换变变成成电电压压信信号号后后才才能能处处理理。对对于于电电动动单单元元组组合合仪仪表表，DDZ-DDZ-型型的的输输出出信信号号标标准准为为0 010mA,10mA,而而DDZDDZ 型型和和DDZDDZ S S系系列列的的输输出出信信号号标标准准为为4 420mA20mA，因因此此，针针对对以以上上情情况况我我们们来来讨讨论论I/VI/V变变换的实现方法。换的实现方法。n n1.1.无源无源I/VI/V变换变换 n n2.2.有源有源I/VI/V变换变换 问问题题：为为什什么么我我们们经经常常用用到到的的标标准准信信号号是是电电流流信信号号？1 1 1 1.无源无源无源无源I/VI/VI/VI/V变换变换变换变换n nI/VI/V变换的基本思想：电流变换的基本思想：电流n n变换电路中各部分的作用：变换电路中各部分的作用：r1:r1:限流电阻限流电阻 D:D:将电压钳制在将电压钳制在5V+0.3V5V+0.3V以内以内 r2:r2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电阻，精度为电阻，精度为0.1%0.1%。C C和和r1r1：组成阻容低通滤波电路：组成阻容低通滤波电路电压？电压？电压？电压？2.2.有源有源I/VI/V变换变换 利用有源器件利用有源器件利用有源器件利用有源器件运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别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。电流不能直接流过在于信号的隔离上。电流不能直接流过在于信号的隔离上。电流不能直接流过在于信号的隔离上。电流不能直接流过R2,VI=I*R1R2,VI=I*R1R2,VI=I*R1R2,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。放大电炉的放大倍数。放大电炉的放大倍数。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。合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出。合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出。合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出。2.3.3 2.3.3 多路转换器多路转换器n n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。号的关键元件。号的关键元件。号的关键元件。n n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到公用放大器或到公用放大器或到公用放大器或A/DA/D转换器上，实现多路共享。转换器上，实现多路共享。转换器上，实现多路共享。转换器上，实现多路共享。n n 常用的多路开关有常用的多路开关有常用的多路开关有常用的多路开关有CD4051(CD4051(或或或或MC14051)MC14051)、AD7501AD7501、MAX354MAX354MAX354MAX354、LF13508LF13508等。等。等。等。CD4051原理图原理图 2.3.4 2.3.4 采样、量化及采样保持器采样、量化及采样保持器1.1.信号的采样信号的采样 采样过程：按一定的时间间隔采样过程：按一定的时间间隔T T，把时间上连续和幅值上也，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻连续的模拟信号，转变成在时刻O O、T T、2T2T、KTKT的一连串脉冲的一连串脉冲输出信号的过程。输出信号的过程。采样周期：采样开关采样周期：采样开关K K每一个通断的时间间隔每一个通断的时间间隔T T，包括等待，包括等待时间、闭合时间、断开时间等。时间、闭合时间、断开时间等。采样宽度：采样开关闭合的时间。采样宽度：采样开关闭合的时间。采样信号采样信号y*(t)y*(t)：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。香农采样定理：如果模拟信号香农采样定理：如果模拟信号(包括噪声干扰在内包括噪声干扰在内)频谱的最频谱的最高频率为高频率为fmaxfmax，只要按照采样频率，只要按照采样频率f2fmaxf2fmax进行采样，那么采进行采样，那么采样信号样信号y*(t)y*(t)就能唯一地复现就能唯一地复现y(t)y(t)。n n2.2.量化量化所谓量化所谓量化，就是采用一组数码，就是采用一组数码(如二进制码如二进制码)来来逼近逼近离散模拟信号的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。制码，二进制数的大小和量化单位有关。量化过程量化过程：将采将采样样信号信号转换为转换为数字信号的数字信号的过过程称程称为为量化量化过过程。程。量化装置量化装置：执执行量化行量化动动作的装置是作的装置是A/DA/D转换转换器。器。量化单位量化单位：字字长为长为n n的的A/DA/D转换转换器，其最低有效位器，其最低有效位(LSB)(LSB)所所对应对应的模的模拟拟量量q q称称为为量化量化单单位。位。量化误差量化误差：量化量化过过程程实际实际上是一个用上是一个用q q去度量采去度量采样值样值幅幅值值高低的小高低的小数数归归整整过过程，如同人程，如同人们们用用单单位位长长度度(毫米或其它毫米或其它)去度量人的身高一去度量人的身高一样样。由于量化。由于量化过过程是一个小数程是一个小数归归整整过过程，因而存在量化程，因而存在量化误误差，量化差，量化误误差差为为(1/2)q1/2)q。例如，例如，q=20mVq=20mV时时，量化，量化误误差差为为 10mV10mV，0 09909901 1009V009V范范围围内内的采的采样值样值，其量化，其量化结结果是相同的，都是数字果是相同的，都是数字5050。n n3.3.采样保持器（采样保持器（S/HS/H）(1)(1)采样保持电路的工作方式：采样和保持。采样保持电路的工作方式：采样和保持。在采样方式中，采在采样方式中，采/保电路的输出跟踪模拟输入电压。保电路的输出跟踪模拟输入电压。在保持方式中，采在保持方式中，采/保电路将保持采样命令撤销时刻的采样值，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。直到保持命令撤销并且再次接收到采样命令为止。(2)(2)孔径时间和孔径误差孔径时间和孔径误差 在采在采/保电路中，由于模拟开关保电路中，由于模拟开关K K有一定的动作滞后，在保持有一定的动作滞后，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。仍跟踪输入的变化。(3)(3)常用的采样保持器常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有LF398LF398、AD582AD582等。等。选择采样保持器的主要因素有：选择采样保持器的主要因素有：获取时间，电压下降率。获取时间，电压下降率。LF398 LF398的的C CH H取取为为0 001F01F时时，信号达到，信号达到0 001%01%精度所需的精度所需的获获取取时间时间(采采样时间样时间)为为25S25S，保持期，保持期间间的的输输出出电压电压下降率下降率为为每秒每秒3mV3mV。若若A/DA/D转换转换器的器的转换时间为转换时间为100S100S，转换转换期期间间，保持器，保持器输输出出电压电压下下降降约约300V300V。当当被被测测信信号号变变化化缓缓慢慢时时，若若A/DA/D转转换换器器转转换换时时间间足足够够短短，可可以以不加采不加采样样保持器。保持器。2.3.5 模拟量输入通道设计n n 利利用用1212位位A/DA/D转转换换器器AD574AAD574A，采采样样保保持持器器LF398LF398、多多路路开开关关CD4051CD4051、I/VI/V变变换换电电路路、8255A8255A并并行行接接口口，我我们们能能够够设设计计出出PCPC总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。该电该电路模板的主要技路模板的主要技术术指指标为标为：8 8通道模通道模拟拟量量输输入入 12 12位分辨率位分辨率 输输入量程入量程为单为单极性极性0 010V10V A/D A/D转换时间为转换时间为25S25S 应应答方式答方式为查询为查询该模板采集一个数据的过程1 1通道选择通道选择2 2启动启动AD574AAD574A进行进行A/DA/D转换转换3 3查询查询AD574AAD574A是否转换结束是否转换结束4 4读取转换结果读取转换结果 2.4 D/A转换器及其接口技术 D/AD/A转转换换器器是是指指将将数数字字量量转转换换成成模模拟拟量量的的元元件件或或装装置置，它它的的模模拟拟量量输输出出(电电流流或或电电压压)与与参参考考电电压压和和二二进进制制数数成成比比例例。常常用用的的D/AD/A转转换换器器的的分分辨辨率率有有8 8位位、1010位位、1212位位等等，其其结结构构大大同同小小异异，通通常常都都带带有有两两级级缓缓冲冲寄寄存存器器。主主要要技技术术指指标标有有分分辨辨率率、建建立立时时间、线性误差等。间、线性误差等。分分辨辨率率：通通常常用用D/AD/A转转换换器器输输入入二二进进制制数数的的位位数数来来表表示示，如如8 8位位、1010位位、1212位位。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制数的最低有效位数的最低有效位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。建建立立时时间间：输输入入数数字字信信号号的的变变化化量量是是满满量量程程时时，输输出出模模拟拟信号达到离终值信号达到离终值(1/2)LSB1/2)LSB所需的时间，一般为所需的时间，一般为nSnS。线性误差线性误差：理想转换特性：理想转换特性(量化特性量化特性)应该是线性的，但实应该是线性的，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。线性误差常用性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSBLSB的分数表示，的分数表示，如如(1/2)LSB(1/2)LSB或或 1LSB1LSB。与。与A/DA/D转换器的线性误差定义相同。转换器的线性误差定义相同。2.4.1 D/A 2.4.1 D/A转换器转换器 1.8 1.8位位D/AD/A转换器转换器DAC0832 DAC0832 2.12 2.12位位D/AD/A转换器转换器DAC1210 DAC1210 2.4.2 D/A 2.4.2 D/A转换器接口技术转换器接口技术 1.8 1.8位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 2.2.12121212位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 1.8位D/A转换器DAC0832n n主要由主要由8 8位输入寄存位输入寄存器、器、8 8位位DACDAC寄存器、寄存器、采用采用R R2R2R电阻网络的电阻网络的8 8位位D/AD/A转换器、相应转换器、相应的选通控制逻辑四部的选通控制逻辑四部分组成。分组成。n nDAC0832DAC0832的分辨率为的分辨率为8 8位，电流输出，采用位，电流输出，采用2020脚双立直插式封装。脚双立直插式封装。2.12位D/A转换器DAC12102.4.2 D/A转换器接口技术1 18 8位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口2.2.12 12 12 12位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口2.5 2.5 模拟量输出通道模拟量输出通道n n 2.5.1 模拟量输出通道的结构型式n n 2.5.2 单极性与双极性电压输出电路n n 2.5.3 V/I 变换和自动/手动切换n n 2.5.4 模拟量输出通道设计 2.5.1 2.5.1 2.5.1 2.5.1 模拟量输出通道的结构型式模拟量输出通道的结构型式模拟量输出通道的结构型式模拟量输出通道的结构型式1.1.一个通路设置一个数一个通路设置一个数/模转换器的形式模转换器的形式 优点：转换速度快、工作可靠，即使某一路优点：转换速度快、工作可靠，即使某一路D/AD/A转换器有故障，也不会影响其它通路的工作。转换器有故障，也不会影响其它通路的工作。缺点：使用了较多的缺点：使用了较多的D/AD/A转换器转换器2.2.多个通路共用一个数多个通路共用一个数/模转换器的形式模转换器的形式 优点：节省了数优点：节省了数/模转换器模转换器 缺点：缺点：只适用于通路数量多且速度要求不高的只适用于通路数量多且速度要求不高的场场合。它合。它还还要用多路开关，且要求要用多路开关，且要求输输出采出采样样保持器保持器的保持的保持时间时间与采与采样时间样时间之比之比较较大。大。这这种方案的可靠种方案的可靠性性较较差。差。应用场合：适用于通道数量多而且速度要求不应用场合：适用于通道数量多而且速度要求不高的场合。高的场合。2.5.2 单极性与双极性电压输出电路n n下图给出了下图给出了D/AD/A转换器的单极性与双极性输出电路。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=-VREFD/2n VOUT2为双极性输出，且可推导得到VOUT2=-(R3/R1)VREF-(R3/R2)VOUT1 =VREF(D/2n-1)-1)2.5.3 V/I 变换和自动/手动切换n n1 1集成集成V/IV/I转换器转换器ZF2B20ZF2B20n n2 2集成集成V/IV/I转换器转换器AD694AD694n n3 3自动自动/手动切换手动切换 1 1集成集成V/IV/I转换器转换器ZF2B20ZF2B20 ZF2B20 ZF2B20是通过是通过V/IV/I变换的方式产生一个与输入电压成比例的输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出电流。它的输入电压范围是0 010V10V，输出电流是，输出电流是4 420mA(20mA(加接加接地负载地负载)，采用单正电源供电，电源电压范围为，采用单正电源供电，电源电压范围为101032V32V，它的特，它的特点是低漂移，在工作温度为点是低漂移，在工作温度为-25-258585范围内，最大漂移为范围内，最大漂移为0 0005%/005%/，可用于控制和遥测系统，作为子系统之间的信息传送和，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。连接。ZF2B20 ZF2B20的输入电阻为的输入电阻为10K10K，动态响应时间小于，动态响应时间小于25S25S，非线，非线性小于性小于00025%025%。(a)(a)所示电路是一种带初值校准的所示电路是一