计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术).ppt

第三章第三章输入输入/输出通道和接口技术输出通道和接口技术第一节 工业控制常用传感器第二节 模拟量输入/输出通道第三节 模拟量输入/输出通道的 设计第四节 开关量输入/输出通道学习指导和要求n n掌握模拟量输入/输出通道的组成；n n学会模拟量输入/输出通道的设计方法；n n掌握开关量输入/输出通道的构成和步进电机的控制方法。在工业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量。在工业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量。模拟量：如温度、压力、流量、电压和电流等；模拟量：如温度、压力、流量、电压和电流等；由由于于计计算算机机只只能能处处理理数数字字量量，因因此此对对于于模模拟拟量量需需要要经经过过采采集集，放放大大，采采样样保保持持，A/DA/D转转换换等等步步骤骤，将将模模拟拟量量转转换换为为数数字字量，才能送入计算机进行运算、分析和处理。量，才能送入计算机进行运算、分析和处理。同同样样的的，经经过过计计算算机机处处理理后后数数据据常常常常需需要要转转换换成成模模拟拟量量来来控制执行机构的执行。控制执行机构的执行。上述转换过程需要用模拟量输入上述转换过程需要用模拟量输入/输出通道来实现。输出通道来实现。开关量：如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。开关量：如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。开开关关量量的的输输入入/输输出出较较模模拟拟量量简简单单，计计算算机机只只需需判判断断输输入入信信息息是是“0”0”还还是是“1”1”，即即可可知知道道开开关关的的状状态态；若若控控制制某某个继电器工作，只需经过输出通道送个继电器工作，只需经过输出通道送“0”0”或或“1”1”即可。即可。工工业业现现场场存存在在着着电电、磁磁、震震动动、温温度度变变化化等等干干扰扰，各各类类执执行行器器要要求求的的开开关关电电压压、功功率率也也不不同同，因因此此需需要要设设置置输输入入/输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施。输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施。输输入入/输输出出通通道道和和接接口口是是计计算算机机与与被被控控对对象象进进行行信信息息交交换换的的纽纽带带，本本章章将将重重点点介介绍绍输输入入/输输出出通通道道和和接接口口的的组组成成和和设计方法。设计方法。第一节第一节第一节第一节 工业控制常用传感器工业控制常用传感器工业控制常用传感器工业控制常用传感器 传传感感器器是是一一种种能能感感知知某某一一被被测测量量，并并将将被被测测量量变变换换为为相相应的其它量的器件或装置。应的其它量的器件或装置。在工业控制过程中，很多被测量都是非电量，在采集这在工业控制过程中，很多被测量都是非电量，在采集这些非电量并送入计算机控制系统前，需要将非电量转换为电些非电量并送入计算机控制系统前，需要将非电量转换为电量，因此也称传感器是一种将被测量变换成电量的装置。量，因此也称传感器是一种将被测量变换成电量的装置。传传感感器器精精度度的的高高低低会会影影响响计计算算机机控控制制系系统统的的精精度度，选选择择合适的传感器是非常重要的。合适的传感器是非常重要的。1 1、传感器的分类传感器的分类传感器的分类传感器的分类 传传感感器器的的分分类类方方法法很很多多，但但常常用用的的有有两两种种：一一种种是是按按被被测参数分类，另一种是按转换原理进行分类测参数分类，另一种是按转换原理进行分类.按被测参数分，传感器有以下类型：按被测参数分，传感器有以下类型：（1 1）热工参数）热工参数温度、热量、压力、流量、真空度、液位等温度、热量、压力、流量、真空度、液位等（2 2）机械量参数）机械量参数 位移、力、速度、重量、尺寸等位移、力、速度、重量、尺寸等（3 3）物性参数）物性参数比重、浓度、酸碱度、成分等比重、浓度、酸碱度、成分等（4 4）状态量参数）状态量参数 颜色、透明度、裂纹、泄漏等颜色、透明度、裂纹、泄漏等 按按转转换换原原理理分分类类，有有电电阻阻、电电容容、电电感感、电电压压、霍霍尔尔、光光电等传感器。电等传感器。2 2、传感器的构成、传感器的构成、传感器的构成、传感器的构成传感器由敏感元件和转换元件两个基本环节组成传感器由敏感元件和转换元件两个基本环节组成（1 1）敏感元件）敏感元件能够敏锐感受某种不能直接测量的信能够敏锐感受某种不能直接测量的信息，并将其转换为可测量的非电量器件。息，并将其转换为可测量的非电量器件。（2 2）转换元件）转换元件将非电量转换成电量的器件。将非电量转换成电量的器件。敏感元件敏感元件 转换元件转换元件 非电量非电量电量电量3 3、传感器的主要技术指标传感器的主要技术指标传感器的主要技术指标传感器的主要技术指标在选择传感器时，要注意以下的主要技术指标：在选择传感器时，要注意以下的主要技术指标：（1 1）输入特性）输入特性l l 量程量程测量上限与下限的差测量上限与下限的差l l 过载过载超出传感器测量范围的最大允许输入值超出传感器测量范围的最大允许输入值（2 2）静态响应特性）静态响应特性l l 精度精度测量结果与测量结果与“真值真值”的靠近程度的靠近程度l l 分辨率分辨率 对被测量相对变化的最高反应能力对被测量相对变化的最高反应能力l l 灵敏性灵敏性 输出量变化值与相应输入量变化值之比输出量变化值与相应输入量变化值之比l l 稳定性稳定性 在一个较长时间内保持性能参数的能力在一个较长时间内保持性能参数的能力（3 3）动态特性）动态特性 动动态态特特性性是是指指被被测测量量在在变变化化时时，传传感感器器的的输输出出量量是是否否能能追追随随输输入入量量的的变变化化，分分为为阶阶跃跃响响应应和和频频率率响响应应两两类类，可可根根据据其其特特性性曲曲线线的的特特征征值值来来判判定定。主主要要的的指指标标是是时时间间常常数数，上上升升时间时间T Tr r，建立时间，建立时间T Ts s，过冲量，过冲量，衰减比，衰减比 等。等。4 4、选用传感器的一般规则选用传感器的一般规则选用传感器的一般规则选用传感器的一般规则（1 1）与测量条件有关的事项）与测量条件有关的事项 测测量量的的目目的的、被被测测量量的的类类型型、测测量量的的范范围围、测测量量所所需需的的时间。时间。（2 2）与传感器性能有关的事项）与传感器性能有关的事项静态响应特性和动态响应特性。静态响应特性和动态响应特性。（3 3）与使用条件有的事项）与使用条件有的事项 场场所所、温温度度、湿湿度度、是是否否与与其其它它设设备备相相连连、外外界界干干扰扰、功功率率容量、外形尺寸、重量等。容量、外形尺寸、重量等。（4 4）其它）其它 传传感感器器的的性性能能价价格格比比、生生产产厂厂家家的的服服务务、交交货货时时间间、保保修修时间、零配件的供应等。时间、零配件的供应等。5 5、几种常用的传感器分类、几种常用的传感器分类、几种常用的传感器分类、几种常用的传感器分类 表表5-25-2列列出出了了几几种种常常用用传传感感器器的的分分类类，在在设设计计计计算算机机控控制制系系统时，可查阅有关手册，根据技术指标选择合适的传感器。统时，可查阅有关手册，根据技术指标选择合适的传感器。AYTD-30A电流传感器采用霍尔效应、磁平衡电路设计，用于测量直流和交流电流。主要技术参数：输入IN输出IOUT精度线性度零点外形尺寸电源重量0-30A0-100MA0.5%0.2%可调45*36*4215V50g霍尔电流传感器的工作原理：当电流通过导线时，导线周围产生磁场，可通过软磁材料收集，并用霍尔器件进行检测。根据磁平衡原理，主回路有电流IP流过时导线周围产生磁场，用聚磁环收集磁场并感应霍尔器件，经放大后获得补偿电流IA，当补偿电流IA产生的磁场与主回路电流IP产生的磁场相反时会达到磁平衡，其公式为NP*IP=NA*IA，若已知NP、NA、IA，可求出IP。第二节第二节模拟量输入模拟量输入/输出通道输出通道一、模拟量输入通道一、模拟量输入通道当被控对象的参数为模拟量时，由传感器和检测电路采集到的信号经转换后仍是模拟量，而且信号的输出比较小，不能直接送入计算机进行处理。在被控对象和计算机之间必须设置信息调理和转换的模拟量输入通道，进行信号放大，滤波、A/D转换等工作。图5-10为多路模拟量输入通道的原理框图。模拟量输入通道一般由：信号调理装置、多路开关、采样保持和信号调理装置、多路开关、采样保持和A/D转换组成。转换组成。它的任务是将传感器检测到的模拟信号，转换为计算机需要的数字信号。（一）信号调理装置（一）信号调理装置信号调理装置量一般包括放大、信号转换、滤波等。1、信号的放大、信号的放大传感器检测到的模拟信号较弱，有很大的干扰电压。随着电子技术的发展，目前放大电路除了常规的运算放大器外，还研制了许多新型放大器。仪器放大器隔离放大器量程自动增益放大器等这些新型放大器的输入阻抗高，零点漂移小，可靠性高并且使用方便，因此在工业控制领域得到广泛的应用。（1 1）仪器放大器）仪器放大器 美国美国B-BB-B公司生产的公司生产的INA101INA101是一种典型的仪器放大器，能是一种典型的仪器放大器，能够有效的分离共模干扰，主要用于应变式传感器、热电偶和够有效的分离共模干扰，主要用于应变式传感器、热电偶和热电阻温度传感器的放大。热电阻温度传感器的放大。INA101INA101的特点是：的特点是：低漂移，最大值为低漂移，最大值为0.25uV/0.25uV/非线性误差小非线性误差小输入阻抗高输入阻抗高共扼抑制比高共扼抑制比高低噪声低噪声INA101INA101使用方便，除了放大增益电阻外，一般不需要其使用方便，除了放大增益电阻外，一般不需要其它附加器件，应当选用低温度系数的精密电阻，可提高器件它附加器件，应当选用低温度系数的精密电阻，可提高器件的稳定性。的稳定性。（2）隔离放大器可消除回路、静电及电磁干扰。有变压器耦合和光电耦合两种。变压器耦合：被测信号经滤波放大后调制为交流信号加到变压器的输入端，经变压器耦合到输出部分后，再经解调后输出。电路简单价格低廉，但体积较大。（AD公司Model277)光电耦合：输入和输出的信号耦合通过发光管LED和光电管D之间的光传输实现，其优点是体积小、频带寛、成本低。(B-B公司ISO100)（3）可编程增益放大器（PGA）放大倍数可通过编程进行控制，通过程序可调节放大的倍数，使A/D转换的输入信号均一化，提高测量的精度。（B-B公司PGA102、PGA202/203）2、信号的变换、信号的变换在微机控制系统中，许多传感器的输出均为电压信号，而有些电动组合仪表的信号为4200mA的电流，许多执行器，如电机、控制阀门的输入信号也采用4200mA的电流，因此经常需要V/I和I/V间的变换。目前常用的电压/电流变换电路有两种，一种是采用分立元件、运算放大器和阻容元件组成的电路；另一种是近年来发展起来的专用集成电路。3、信号的滤波、信号的滤波生产现场存在着各种干扰，如果不加处理会影响控制系统的控制精度。可采用滤波电路来抑制进入输入通道的干扰。在选择滤波器时，要考虑被测信号的频率的特性，以及干扰信号的频率和所要求的抑制程度。对环境引起的噪声干扰，可以采取补偿和屏蔽等措施减少信号的误差。010V12.5K1K50KOPOP+15VREFREF1010INA105INA105420MA420MA10V010V/420mA010V/420mA转换电路转换电路5050R RLOADLOADVOUTREF10：稳压源OP：运放INA105：增益差动放大器V VOUTOUT=-0.08VIN0.2V当输入电压VIN为010V时，OP的输出VOUT为0.2-1V，经增益差动放大器组成的V/I电路变换，流过RLOAD的电流为420mA。V VIN-+（二）多路开关（二）多路开关多路开关有两个主要用途，1、将待测控的多路参数分时接通，送入通道进行A/D转换；2、将计算机处理后的数据分时的经D/A转换成模拟信号，控制执行器的执行。尽管两种用途中采用同一种多路开关，但具体任务不同，常将前者称为多路开关，后者称为多路分配器。传统的数控系统多采用干簧继电器作多路开关，其缺点是体积大，开关频率低。半导体多路开关，由TTL电路或CMOS、HMOS电路组成。优点是尺寸小、转换速度快、寿命长、兼容性好。（P107）多路开关CD4051，是一种双向多路开关，共16个引脚。芯片：078个分时输入端OUT/IN输出端A、B、C分时控制端的组合决定哪一路被选通INH禁止输入端，当INH=0时，通道接通CD4051由电平转换、译码、多路开关组成。电平转换：CMOS到TTL的转换3-8译码器：通过对分时控制端A、B、C的状态进行译码来选择某一路的接通。（三）采样（三）采样（三）采样（三）采样/保持保持保持保持 由由传传感感器器检检测测的的模模拟拟信信号号经经过过处处理理后后仍仍是是模模拟拟量量，要要输输入入到计算机中，需要进行到计算机中，需要进行A/DA/D转换。转换。由由于于A/DA/D转转换换过过程程需需要要时时间间，因因此此要要求求输输入入A/DA/D转转换换器器的的信信号号在在转转换换过过程程中中保保持持不不变变，在在A/DA/D转转换换结结果果后后，此此信信号号又又能能随随传传感感器器的的采采集集信信号号变变化化而而变变化化；完完成成上上述述过过程程的的器器件件称称采采样样/保保持器，简称持器，简称S/HS/H（Sample/HoldSample/Hold）。）。S/HS/H有两个主要功能：采样和保持有两个主要功能：采样和保持采样：将模拟信号变为一串脉冲信号，采样的输出跟随采样：将模拟信号变为一串脉冲信号，采样的输出跟随 模拟量输入的变化。模拟量输入的变化。保持：保持采样时的信号不变，直到保持命令撤消为止，以便完成A/D转换。1、采样、采样/保持器的基本的组成电路保持器的基本的组成电路5-20所示为采样/保持器的基本组成电路。采样/保持器由两个缓冲器A1、A2和采样开关S，保持电容CH组成。（1）采样：S闭合，通过A1向CH快速充电，VOUT跟随VIN变化。（2）保持：S断开，当A2的输入阻抗很高时，VOUT=VIN不变。采样/保持器一旦进入保持阶段，便可启动A/D转换器进行转换。2、常用的采样、常用的采样/保持器保持器常用的采样/保持器有美国AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389和国家半导体公司的LF198/298/398等。LF198是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样/保持器，它具有采样速度快，保持性能好，精度高等优点。LF198芯片引脚和原理图如图5-21所示。LF198芯片引脚的功能如下：（1）VIN：模拟量输入（2）VOUT：模拟量输出。（3）逻辑和逻辑参考：高电平时采样，低电平时保持。（4）偏差：可外接电阻调整采样/保持器的偏差。（5）CH：保持电容引脚端，外接保持电容器。3、采样保持器的有关参数、采样保持器的有关参数(1)孔径时间TAP孔径时间指保持命令发出后到逻辑输入控制的开关完全断开所需时间。TAP的存在影响A/D转换的精度。(2)捕捉时间TAC捕捉时间是采样命令发出后，输出值从保持值到达当前输入信号值所需时间。TAC影响采样频率的提高。（四）A/D转换器完成模拟量转换成数字量的器件称为模/数转换器，简称A/D转换器。1、A/D转换器的分类转换器的分类A/D转换器的种类很多，通常有以下3种分类方法：（1）按位数有8位、10位、12位、16位等。位数越多，分辨率越高，但价格也越贵。（2）按结构有单一的A/D转换器，内含多路开关的A/D转换器、多功能A/D转换器（含多路开关、放大器和采样保持器）。（3）按转换方式有逐次逼近型、双积分型、V/F变换器。其中逐次逼近型A/D转换器具有精度高，转换速度快等优点，得到了广泛的应用。2 2、A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标在选用在选用A/DA/D转换器时要考虑以下主要技术指标。转换器时要考虑以下主要技术指标。（1 1）分辨率）分辨率 输输入入量量达达到到满满量量程程时时，能能识识别别的的最最小小的的输输入入增增量量称称为为分分辨辨率率。即即能能够够转转换换的的数数字字量量的的最最低低有有效效位位（LSBLSB），对对应应于于满满量量程程 输输 入入 时时 的的 1/21/2n n 。例例 如如，当当 n=8n=8，满满 量量 程程 输输 入入 为为 5.12V5.12V，LSB=20mALSB=20mA。（2 2）转换时间）转换时间完成一次模拟量到数字量转换所需的时间。完成一次模拟量到数字量转换所需的时间。（3 3）线性误差）线性误差实际转换结果与理想线性转换结果的误差，常用实际转换结果与理想线性转换结果的误差，常用LSBLSB表示。表示。（4 4）转换精度）转换精度 转转换换结结果果相相对对于于实实际际值值的的准准确确度度。其其误误差差一一般般由由温温度度、环环境境等因素引起。等因素引起。33、常用的、常用的、常用的、常用的A/DA/D转换器转换器转换器转换器（1 1）普通型）普通型A/DA/D转换器转换器AD7574AD7574。AD7574AD7574如如图图5-225-22所所示示。采采用用CMOSCMOS工工艺艺，单单片片型型，含含有有内内部部时时钟钟振振荡荡器器，芯芯片片内内部部设设有有比比较较器器和和控控制制逻逻辑辑，采采用用R-2RR-2RT T型解码网络，采用逐次逼近方式进行型解码网络，采用逐次逼近方式进行A/DA/D转换。转换。该该芯芯片片功功耗耗低低（30mW30mW），转转换换速速度度快快（1515s s），易易于于和和微微机连接，在过程控制和智能化仪表中得到广泛的应用。机连接，在过程控制和智能化仪表中得到广泛的应用。（2 2）带仪器放大器的）带仪器放大器的A/DA/D转换器转换器AD67AD670 0。AD67AD670 0的的结结构构如如图图5-235-23所所示示。片片内内集集成成有有前前级级仪仪器器放放大大器器，A/DA/D转换器，比较器和逐次逼近型寄存器（转换器，比较器和逐次逼近型寄存器（SARSAR）。）。放放大大器器配配有有输输入入电电阻阻，可可适适应应较较大大的的输输入入范范围围。信信号号可可以以单极或双极输入，有较好的抗干扰能力并且使用方便。单极或双极输入，有较好的抗干扰能力并且使用方便。（3）多通道A/D转换器ADC0808/0809ADC0808/0809的结构原理图如图5-24所示。由8位D/A转换器、8路多路开关、高阻抗比较器、模拟开关树组的256电阻分压器、逐次逼近型寄存器等组成。转 换 时 间 128uS（CLOCK为 500KHZ），线 性 误 差1/2LSB（ADC0808）、1LSB（ADC0809），功耗15mW，温度范围-40+85。具有较高的转换速度和精度，受温度影响小，功耗低并带有8路模拟开关，是过程控制中比较理想的A/D转换器。（4）12位高精度A/D转换器AD574若想提高模拟量到数字量的转换精度，可采用10位、12位、16位的高精度A/D转换器，或采用双积分原理的高精度A/D转换器。AD574AD574是一种是一种1212位高精度位高精度A/DA/D转换器，内部含与系统总线转换器，内部含与系统总线直接连接的接口逻辑和有三态缓冲电路，可与各种微处理器直直接连接的接口逻辑和有三态缓冲电路，可与各种微处理器直接连接；配置高精度电压源和时钟电路，不需要外接任何电路接连接；配置高精度电压源和时钟电路，不需要外接任何电路就能完成就能完成A/DA/D转换，应用方便。转换，应用方便。AD574AD574的原理图如图的原理图如图5-255-25。AD574AD574由模拟芯片和数字芯片两部分组成。模拟芯片由高性由模拟芯片和数字芯片两部分组成。模拟芯片由高性能能1212位位D/AD/A转换器转换器AD565AD565和参考电压组成。数字芯片由控制逻和参考电压组成。数字芯片由控制逻辑电路，逐次逼近型寄存器和三态输出缓冲器组成。辑电路，逐次逼近型寄存器和三态输出缓冲器组成。AD574AD574的的分分辨辨率率为为1212位位，非非线线性性误误差差1/2LSB1/2LSB，模模拟拟输输入入可可采采用用双双极极性性（5V5V或或10V10V）或或单单极极性性（0+10V0+10V或或0+20V0+20V）。内内部部参参考考电电平平101000001V1V，转转换换时时间间15351535S S，存存放放温温度度-65156515。（五）五）五）五）A/DA/D转换器接口技术转换器接口技术转换器接口技术转换器接口技术 A/DA/D转转换换器器与与微微型型计计算算机机连连接接时时会会遇遇到到许许多多的的实实际际技技术术问问题题，如连接的方法，如连接的方法，A/DA/D转换器的启动方式，参考电源的连接等。转换器的启动方式，参考电源的连接等。1 1、模拟量输入信号的连接、模拟量输入信号的连接、模拟量输入信号的连接、模拟量输入信号的连接 许许多多A/DA/D转转换换器器要要求求的的输输入入模模拟拟量量为为05V05V的的标标准准电电压压信信号号，有有些些A/DA/D转转换换器器，如如AD574AD574有有单单极极性性输输入入和和双双极极性性输输入入两两种种工工作方式，使用时可根据模拟信号的性质选定。作方式，使用时可根据模拟信号的性质选定。（1 1）单极性输入。）单极性输入。AD574AD574单单极极性性模模拟拟量量输输入入有有两两种种量量程程，010V010V和和020V020V。其其电电路路如如图图5-285-28（a a）所所示示,调调整整R1R1和和R2R2可可进进行行零零位位和和满满量量程程的的调调整。整。（2 2）双极性输入）双极性输入如图如图5-28(b)5-28(b)所示，模拟量输入为所示，模拟量输入为5V5V和和10V10V。2 2、A/DA/D转换器的启动方式。转换器的启动方式。转换器的启动方式。转换器的启动方式。任任何何一一个个A/DA/D转转换换器器在在开开始始转转换换前前，都都必必须须加加一一个个启启动动信信号才能开始工作，启动信号分为脉冲启动和电平启动两种。号才能开始工作，启动信号分为脉冲启动和电平启动两种。（1 1）脉冲启动）脉冲启动 在在启启动动转转换换输输入入引引脚脚加加一一个个脉脉冲冲启启动动信信号号，即即可可启启动动A/DA/D转换器工作，如转换器工作，如ADC0809ADC0809、AD574AD574等。等。（2 2）电平启动）电平启动 在在A/DA/D转转换换器器的的启启动动引引脚脚上上加加上上要要求求的的电电平平；一一旦旦电电平平加加上上以以后后，A/DA/D转转换换器器即即刻刻开开始始工工作作，如如AD570AD570，AD572AD572等等转转换换电电路路。在在用用电电平平启启动动方方式式时时，A/DA/D转转换换器器在在转转换换过过程程中中必必须须保保持此电平不变，否则将停止转换。持此电平不变，否则将停止转换。33、转换结束信号的处理、转换结束信号的处理、转换结束信号的处理、转换结束信号的处理。A/DA/D转换器在转换结束时会输出转换结束信号，转换器在转换结束时会输出转换结束信号，CPUCPU可根可根据此信号读取转换后数据。据此信号读取转换后数据。判断判断A/DA/D转换结束大致有以下三种方法，各方法示例程序转换结束大致有以下三种方法，各方法示例程序见见P116P116。（1 1）中断方式）中断方式将转换结束信号接到将转换结束信号接到CPUCPU的中断申请端，转换结束信号作的中断申请端，转换结束信号作中断的申请信号，中断的申请信号，CPUCPU响应中断后在中断服务程序中读取数响应中断后在中断服务程序中读取数据。此种方式适合于实时性强并且多参数的控制系统。据。此种方式适合于实时性强并且多参数的控制系统。（2 2）查询方式）查询方式编写查询软件，使编写查询软件，使CPUCPU不断的查询不断的查询A/DA/D转换是否结束，一转换是否结束，一旦查询到旦查询到A/DA/D转换结束信号，则读取数据。这种方法硬件简单，转换结束信号，则读取数据。这种方法硬件简单，但占用但占用CPUCPU的机时较多。的机时较多。（3）软件延时方式（无条件方式）根据A/D转换器完成转换所需要的时间，调用一段软件延时程序（延时时间应大于A/D转换过程所需时间），延时程序执行完毕后，A/D转换也已结束，立即读取数据。这种方法用在CPU处理任务较少的控制系统中。4、A/D转换器与采样/保持器的连接采样/保持器LF398的工作状态由A/D转换器AD574的STS端控制：当AD574正在转换时STS为高电平，经反向器反向后输入到LF398的控制端，使LF398呈保持状态，以保证AD574的输入信号稳定；当AD574转换结束后STS变为低电平，经反向后使LF398呈采样状态。由于无需控制器对LF398进行控制，所以系统的速度加快，也保证了实时性，减小了误差。二、模拟量输出通道二、模拟量输出通道计算机控制系统中，大多数执行机构：如电动执行机构、气动执行机构等只能接收模拟量；需要将计算机输出的数字量转换成模拟量（简称D/A转换），由模拟量输出通道完成。图5-32为模拟量输出通道的原理框图。模拟量输出通道一般由D/A转换器、信号调理、多路开关和执行器等部分组成。（一）（一）D/A转换器转换器1、转换原理、转换原理如图5-33所示（P119），D/A转换器由标准电源、数字开关电路、模拟转换、数字接口、放大器等部分组成。待转换的数字量经数字接口控制各位相应的数字开关，接通或断开与开关配合的解码电阻，从而改变标准电源经电阻解码网络所产生的电流I；该电流经放大器放大后，输出与数字量相对应的模拟电压V。标准电源要求使用稳定度高并且漂移小的电源。标准电源要求使用稳定度高并且漂移小的电源。数字开关由晶体管或场效应管组成。数字开关由晶体管或场效应管组成。转转换换器器主主要要由由解解码码网网络络构构成成，主主要要有有权权电电阻阻解解码码网网络络和和TT 型解码网络。型解码网络。2 2、D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1 1）静态误差）静态误差l l零位误差：输入数字量为零位误差：输入数字量为0 0时，产生的非零模拟电压。时，产生的非零模拟电压。l l增益误差：输入数字量为满刻度时，实际输出模拟电压与理增益误差：输入数字量为满刻度时，实际输出模拟电压与理想模拟电压之差。想模拟电压之差。l l非线性误差：任意输入数字量的输出模拟电压与理想输出模非线性误差：任意输入数字量的输出模拟电压与理想输出模拟电压之差。拟电压之差。（2）分辨率单位数字量变化所引起的模拟输出值的变化。R=量化单位/满刻度电压值（3）转换时间规定误差范围内，输出信号达到要求值所需的时间。3、几种常用的、几种常用的D/A转换器转换器（1）普通型D/A转换器DAC0832。原理结构图如图5-34。（P120）由一个8位输入锁存器，一个8位DAC寄存器，一个以权电阻梯型网路为基础的8位D/A转换器及控制逻辑电路组成。其中，8位输入锁存器和8位DAC寄存器在逻辑电路控制下，起着双输入数据缓冲锁存器的功能。图图5-355-35是是D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832的引脚图，各引脚功能如下：的引脚图，各引脚功能如下：数据信号数据信号D7-D0D7-D0：待转换的数字量，输入。待转换的数字量，输入。控制信号控制信号ILEILE：输入锁存允许信号，高电平有效。输入锁存允许信号，高电平有效。CSCS：片选信号，低电平有效。片选信号，低电平有效。WR1WR1：写：写1 1信号，低电平有效。信号，低电平有效。WR1WR1与与ILEILE、CSCS配合使用，构成配合使用，构成 第一级缓冲锁存的功能。第一级缓冲锁存的功能。WR2WR2：写写2 2信号，低电平有效。信号，低电平有效。XFERXFER：传送控制信号，低电平有效。：传送控制信号，低电平有效。XFERXFER与与WR2WR2配合使用，配合使用，构成第二级缓冲锁存的功能。构成第二级缓冲锁存的功能。逻逻辑辑控控制制电电路路的的控控制制原原理理及及其其控控制制信信号号的的功功能能是是通通过过编编写写相相应应的控制程序实现的。的控制程序实现的。编程：（1）首先使WR1=0、ILE=1、CS=0，输入数据DI7DI0从数据总线进入到输入到锁存器中去。（2）令WR1=1、ILE=1，CS=0，输入数据DI7DI0便被锁存在输入锁存中。（3）令WR2=0、XFER=0，使被锁存在输入锁存器中的数据从锁存器中输出，进入DAC寄存器，且在WR2=1、XFER=1时，数据从DAC寄存器输出，进入D/A转换器进行数/模转换。WR1、ILE、CS三个控制信号联合构成第一级输入锁功能，只有这三个信号同时有效时，才能更新输入锁存器的内容。WR2、XFER两个控制信号联合构成第二级输入锁存，担负着数据传递功能。其它引脚信号：其它引脚信号：I IOUT1OUT1：DACDAC08320832的的电电流流输输出出1 1，当当输输入入数数据据D0D7D0D7全全为为“1“1“时时，I IOUT1OUT1为为最最大大值值；当当输输入入数数据据D0D7D0D7全全为为”0“0“时时，为为近近似似于于0 0的最小值。的最小值。I IOUT2OUT2：DACDAC08320832的的电电流流输输出出2 2，在在数数值值上上I IOUT2OUT2=常常数数-I-IOUT1OUT1。即即I IOUT2OUT2+I IOUT1OUT1=常常数数。因因此此，在在控控制制系系统统中中，常常常常采采用用直直接接接地方式。接地方式。R RFBFB：片片内内设设置置的的反反馈馈电电阻阻输输入入端端。它它与与外外部部运运算算放放大大器器输输出出端端连接，为运算放大器提供一个反馈电压。连接，为运算放大器提供一个反馈电压。V VREFREF：参参考考电电压压输输入入端端，它它常常被被接接至至一一精精密密电电压压源源正正极极性性端端或或负极性端。当为负极性端。当为10V10V或或5V5V时，可获得满量程的操作。时，可获得满量程的操作。AGND：模拟地。DGND：数字地。系统器件连接时，分别先将AGND、DGND端各自接至系统的模拟地、数字地，然后才将系统的模拟地和数字地接在一起，以提高系统的抗干扰能力。（2）12位D/A转换器AD667为了提高D/A转换器精度，可以采10位、12位、14位和16位转换器，它们的原理与前述的8位转换器基本上相同，不同的只是在与微机进行接口时，需要分二次或三次输送数据。图图5-365-36是是1212位位D/AD/A转转换换器器AD667AD667的的引引脚脚图图，图图5-375-37是是它它的原理电路图。（的原理电路图。（P121P121）AD667AD667的的总总线线接接口口逻逻辑辑由由四四位位独独立立寻寻址址寄寄存存器器组组成成，分分成成两两级级。第第一一级级包包括括三三个个4 4位位寄寄存存器器，第第二二级级包包括括1212位位D/AD/A寄寄存存器器和和1212位位高高速速D/AD/A转转换换器器。两两级级寄寄存存器器通通过过四四位位独独立立寻寻址址寄寄存存器器，分分别别由由AD667AD667的的地地址址总总线线及及片片选选信信号号控控制制，所有控制信号均为低电平有效，表所有控制信号均为低电平有效，表5-65-6是是 AD667AD667的真值表。的真值表。AD667AD667真值表真值表CSACSA33 A A22AA11A A00操操 作作11 无操作无操作11111111无操作无操作0111001110选通第一级低四位寄存器选通第一级低四位寄存器0110101101选通第一级中四位寄存器选通第一级中四位寄存器0101101011选通第一级高四位寄存器选通第一级高四位寄存器0011100111从第一级向第二级置数从第一级向第二级置数0000000000所有锁存器均选通所有锁存器均选通 AD667AD667允允许许同同时时有有两两个个以以上上的的锁锁存存器器被被选选通通,一一旦旦1212位位数数据据字字先先后后被被装装入入第第一一级级三三个个4 4位位寄寄存存器器，在在CS=0CS=0和和A A3 3A A2 2A A1 1A A0 0=0111=0111条条件件下下，1212位位数数据据便便被被装装入入第第二二级级1212位位寄寄存存器器和和1212高高速速D/AD/A转转换换器器，开开始始数数/模模转转换换。这这种种双双缓缓冲冲锁存结构型式，避免了产生虚假的模拟量的输出值。锁存结构型式，避免了产生虚假的模拟量的输出值。4、D/A转换器输出方式转换器输出方式D/A转换器的输出方式是指其模拟量输出端的型式，通常有电流输出型和电压输出型两种。因负载的性质和要求不同，又可以将它连接成为“单极性输出”和“双极性输出”两种方式。（1）单极性输出在电压输出型的D/A转换器中，因其片内含有一级运算放大器，已经将模拟电流量转换为模拟电压量输出，因而属于单极性输出类型。而电流输出型的D/A转换器中，常常将电流输出型的D/A转换器的电流输出端与一个电压放大器相连接，而构成单极性的电压输出方式。对于8位单极性连接输出方式，其输入数字量与输出电压之间的关系为：VOUT=VREFD/256其中，D为输入数字量，应取绝对值。（2 2）双极性输出）双极性输出 在在随随动动系系统统中中，例例如如伺伺服服电电机机控控制制系系统统中中，要要求求D/AD/A转转换换器器为为负负载载提提供供双双极极性性电电压压，因因此此D/AD/A转转换换器器应应处处于于双双极极性性输输出出方方式式。双双极极性性输输出出转转换换器器的的连连接接方方式式是是在在单单极极性性输输出出的的基基础础上上，再再加加一一级级电电压压放放大大器器，如如图图5-395-39所所示示，就就构构成成了了D/AD/A转转换换器器的的双双极性输出的连接方式。极性输出的连接方式。双极性输出时，双极性输出时，8 8位位D/AD/A转换器的电压为转换器的电压为:V VOUT2OUT2=-(R1/R2)V=-(R1/R2)VOUT1OUT1+(R3/R1)V+(R3/R1)VREFREF)若若R R1 1=R=R3 3=R=R2 2，所以有：，所以有：V VOUT2OUT2=-(V=-(VOUT1OUT1+V+VREFREF)对对于于8 8位位D/AD/A转转换换器器按按双双极极性性输输出出连连接接时时，其其输输入入数数字字量量D D与输出电压之间的关系应为：与输出电压之间的关系应为：V VOUT2OUT2=-=-2(+V2(+VREFREFD/256)+VD/256)+VREFREF 5 5、D/AD/A转换器与单片微机的接口转换器与单片微机的接口转换器与单片微机的接口转换器与单片微机的接口 单单片片微微机机控控制制系系统统上上，扩扩展展D/AD/A转转换换器器时时，主主要要考考虑虑的的问问题题是数字量输入端的连接和外部控制信号的连接两方面。是数字量输入端的连接和外部控制信号的连接两方面。D/AD/A转转换换器器数数字字量量输输入入端端与与CPUCPU连连接接时时，对对于于在在8 8位位CPUCPU与与8 8位位D/AD/A转转换换器器的的控控制制系系统统中中，只只需需要要将将单单片片微微机机的的数数据据总总线线与与D/AD/A转换器的数字输入端对应连接即可。转换器的数字输入端对应连接即可。采采用用1010位位、1212位位、1414位位或或1616位位D/AD/A转转换换器器，与与8 8位位CPUCPU接接口口，如如图图5-405-40所所示示，常常采采用用“向向右右对对齐齐数数据据”或或“向向左左对对齐齐数数据据”的的双字节方法，将数据双字节方法，将数据“分步分步”进行传送的。进行传送的。“向向右右对对齐齐数数据据”时时，除除了了将将单单片片微微机机的的数数据据总总线线与与D/AD/A转转换换器器的的数数字字输输入入端端对对应应连连接接外外，还还必必须须将将单单片片微微机机的的数数据据总总线线中