第2章输入输出接口与过程通道精.ppt

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1、第第2章章 输入入输出接口与出接口与过程通道程通道第1页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY第第2章章 输入输出接口与过程通道输入输出接口与过程通道v 接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，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。算机与外部设备之间如何交换信息的技术。v 过程通道是在计算机和生产过程之间设置的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

2、输入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、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。通道、数字量（开关量）输出通道。v 在计算机控制系统中，工业控制机必须经过在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。是计算机控制系统的重要组成部分。第2页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERIN

3、G,ZHEJIANG UNIVERSITY2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 工业控制机用于生产过程的自动控工业控制机用于生产过程的自动控制，需要处理一类最基本的输入输出信制，需要处理一类最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）信号。号，即数字量（开关量）信号。v2.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术v 1.数字量输入接口数字量输入接口 对生产过程进行控制，往往要收集生产对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量，因此，可用三态门缓冲器制量，因此，可用三态门缓冲器74LS244取得状态信息，如图

4、取得状态信息，如图2.1所示。经过端所示。经过端口地址译码，得到片选信号口地址译码，得到片选信号CS，当在当在执行执行IN指令周期时，产生指令周期时，产生IOR信号，则信号，则被测的状态信息可通过三态门送到被测的状态信息可通过三态门送到PC总线总线工业控制机的数据总线，然后装入工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器，设片选端口地址为寄存器，设片选端口地址为port，可用，可用如下指令来完成取数如下指令来完成取数 MOV DX，port IN AL，DX 三态门缓冲器三态门缓冲器74LS244用来隔离用来隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。第3页，本

5、讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道v2.数字量输出接口数字量输出接口 当对生产过程进行控制时，一般控制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。因此，可用止，这时输出就要锁存。因此，可用74LS273作作8位输出锁存口，对状态输出位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存，如图信号进行锁存，如图2.2所示。由于所示。由于PC总总线工业控制机的线工业控制机的I/O端口写总线周期时端口写

6、总线周期时序关系中，总线数据序关系中，总线数据D0D7比比IOW前前沿沿(下降沿下降沿)稍晚稍晚,因此在图因此在图2.2的电路中的电路中,利用利用IOW的后沿产生的上升沿锁存数的后沿产生的上升沿锁存数据据.经过端口地址译码经过端口地址译码,得到片选信号得到片选信号CS,当在执行当在执行OUT指令周期时指令周期时,产生产生IOW信号信号,设片选端口地址为设片选端口地址为port,可用以下指令完可用以下指令完成数据输出控制成数据输出控制.MOV AL,DATA MOV DX,port OUT DX,AL第4页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING

7、,ZHEJIANG UNIVERSITY2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 2.输入调理电路输入调理电路 数字量数字量(开关量开关量)输入通道的基本功能就是接受外部装置或生产过程的状态信号。输入通道的基本功能就是接受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、因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象接触抖动等现象.为了将外部开关量信号输入到计算机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

8、逻辑信号转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号,这些功能称为信号这些功能称为信号调理。调理。2.1.2 数字量输入通道数字量输入通道 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、输入地址译码电路等组成,如图2.3所示。第5页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道v(1)小功率输入调理电路小功率输入调理电路 图图2.4所示为从开关、继电器等接点输入信号的电路。它将接点的接通和断开动所示为从开关、

9、继电器等接点输入信号的电路。它将接点的接通和断开动作作,转换成转换成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。图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。图2.4(a)所示为一所示为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法。图种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法。图2.4(b)所示为所示为R-S触发器触发器消除开关两次反跳的方法。消除开关两次反跳的方法。第6页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGI

10、NEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道v(2)大功率输入调理电路大功率输入调理电路在大功率系统中在大功率系统中,需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。这种情况下需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。这种情况下,为了使接点工作可靠为了使接点工作可靠,接点两端至少要加接点两端至少要加24V以上的直流电压。因为直流电以上的直流电压。因为直流电平的响应快平的响应快,不易产生干扰不易产生干扰,电路又简单电路又简单,因而被广泛采用。因而被广泛采用。但是这种电路但是这种电路,由于所带电压高由于所带电压高,所以高压与低压之间所以高压与低压之间

11、,用光电藕合器进行隔用光电藕合器进行隔离离,如图如图2.5所示。所示。第7页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道v2.1.3 数字量输出通道数字量输出通道v1.数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构 数字量的通道主要由输出锁存器、数字量的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输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成组成,如图如图2.6所示。所示。v2.输出驱动电路输出驱动电路v (1)小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路v 功率晶体管输出驱

12、动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路 采用功率晶体管输出驱动继电器采用功率晶体管输出驱动继电器的电路如图的电路如图2.7所示。因负载呈电所示。因负载呈电感性感性,所以输出必须加装克服反电势的所以输出必须加装克服反电势的保护二极管保护二极管D,J为继电器的线圈。为继电器的线圈。第8页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道v达林顿阵列输出驱动继达林顿阵列输出驱动继电器电路电器电路MC1416是达林顿阵是达林顿阵列驱动器列驱动器,它内含它内含7个达林个达林顿复合

13、管顿复合管,每个复合管的电每个复合管的电流都在流都在500mA以上以上,截止截止时承受时承受100V电压。为了电压。为了防止防止MC1416组件反向击组件反向击穿穿,可使用内部保护二极管。可使用内部保护二极管。图图2.8给出了给出了MC1416内内部电路原理图和使用方法。部电路原理图和使用方法。第9页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道v(2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路 固态继电器固态继电器(SSR)是一种四端有源器件是一种四端有源器件,图图2.9

14、为固态继电器的结构和使用为固态继电器的结构和使用方法。输入输出之间采用光电藕合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到方法。输入输出之间采用光电藕合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通零伏附近时让电路接通,从而减少干扰。电路接通以后从而减少干扰。电路接通以后,由触发电路给出晶闸由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。管器件的触发信号。第10页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 A/D转换器通常都具有三态数据输出缓冲器转换器通常都具有三态数

15、据输出缓冲器,因而允许因而允许A/D转换器直接同系统总线相连接。为便于或简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化接口电路设计,也常通过通用并行接口芯片实现与系统的接口。下面以也常通过通用并行接口芯片实现与系统的接口。下面以8255A作为系统与作为系统与A/D转换器转换器接口为例讨论接口为例讨论A/D转换器的接口方法。转换器的接口方法。v1.ADC0809与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 图图2.15给出了给出了ADC0809通过通过8255A的转换器接口方法。的转换器接口方法。8255A的的A组和组和B组都工作于方式组都工作于方式0,端口端口A为输入口为输入口,端口

16、端口C上半部分为输入而下半部分为输出口。上半部分为输入而下半部分为输出口。ADC0809的的ALE与与START引脚引脚相连接相连接,将将PC0PC2输出的输出的3位地址锁存入位地址锁存入ADC0809的地址锁存器并启动的地址锁存器并启动A/D转换。转换。ADC0809的的EOC输出信号端同输出信号端同OE输入控制端相连接输入控制端相连接,当转换结束时当转换结束时,开放数据输出缓冲器开放数据输出缓冲器,EOC信号还连接到信号还连接到PC7,CPU通过查询通过查询PC7的状态而控制数据的输入过程。的状态而控制数据的输入过程。第11页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICA

17、L ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 v 下列过程是以图下列过程是以图2.15的接口方法为例完成采集的接口方法为例完成采集ADC0809 8路模拟量的程序。假定在住程序中已完成对路模拟量的程序。假定在住程序中已完成对8255A的初始化编程的初始化编程,并已装填了并已装填了ES和和DS,使它们有相同的段基值使它们有相同的段基值,系统分配给系统分配给8255A的地址为的地址为2C0H2C3H。vADC0809 PROC NEARv MOV CX,8v CLDv MOV BL,00H ;模拟通道地址存模拟通道地址存BLv LEA

18、 DI,DATABUFvNEXTA:MOV DX,02C2Hv MOV AL,BLv OUT DX,AL v INC DXv MOV AL,00000111B ;输出启动信号输出启动信号v OUT DX,ALv NOPv NOPv NOPv MOV AL,00001110Bv OUT DX,ALv DEC DXvNOSC:IN AL,DXv TEST AL,80Hv JNZ NOSC ;EOC=1,则等待则等待vNOEOC:IN AL,DXv TEST AL,80Hv JZ NOEOC ;EOC=0,则等待则等待v MOV DX,02C0H ;读转换结果读转换结果v IN AL,DXv STO

19、S DATABUFv INC BL ;修改模拟通道地址修改模拟通道地址v LOOP NEXTAv RETvADC0809 ENDP第12页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 v2.AD574与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 图图2.16给出了给出了12位转换方式的位转换方式的AD574A的接口例子。的接口例子。AD574A的的12/8控制引控制引脚和脚和VLOGIC相连相连,A0接地接地,是工作于是工作于12位转换和读出方式。位转换和读出方式。C

20、E、CS和和R/C的控制通过的控制通过PC2PC0输出适当的控制信号实现。输出适当的控制信号实现。8255A的的A组和组和B组都工作于方式组都工作于方式0,端口端口A、B和端口和端口C上半部分规定为输入上半部分规定为输入,端口端口C的下半部分规定为输出。的下半部分规定为输出。第13页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 v下面给出通过上述接口启动和读取下面给出通过上述接口启动和读取AD574A数据的程序段数据的程序段,仍假定已完成对仍假定已完成对8255A的初

21、始化编程的初始化编程,8255A地址为地址为2C0H2C3H。v MOV DX,02C2H ;使使CS,R/C为低电平为低电平v MOV AL,00H v OUT DX,ALv NOPv NOPv MOV AL,04H ;使使CE=1,启动转换启动转换v OUT DX,ALv NOPv NOPv MOV AL,03H ;使使CE=0,CS=1v OUT DX,ALvPOLLING:IN AL,DX ;查询查询STS状态状态v TEST AL,80Hv JNZ POLLING ;STS=1,则等待则等待v MOV AL,01H ;使使CS=0,R/C=1v OUT DX,ALv NOPv MOV

22、 AL,05H ;使使CE=1,允许读出允许读出v OUT DX,ALv MOV DX,02C0H ;读取数据读取数据,存于存于BX中中v IN AL,DX ;读读DB11DB8v AND AL,0FHv MOV BH,ALv INC DXv IN AL,DX ;读读DB7DB0v MOV BL,ALv INC DXv MOV AL,03H ;使使CE=0,CS=1v OUT DX,AL ;结束读出操作结束读出操作第14页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 v 模

23、拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号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变成二进制数字信号,经接口送往计算机。传经接口送往计算机。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大多数传感器的输出是直流电压(或电流或电流)信号。为信号。为了避免电平模拟信号传输带来的麻烦了避免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、压力变如温度变送器、压力变送器送器流量变送器等流量变送器等,将温度、压力、流量的电信号变成将温

24、度、压力、流量的电信号变成010mA或或420mA的统一信号的统一信号,然后然后经过模拟量输入通道来处理。经过模拟量输入通道来处理。v2.3.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成v 模拟量输入通道的一般结构如图模拟量输入通道的一般结构如图2.17所示。过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流所示。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)形式形式后后,再送至多路开关再送至多路开关;在微机的控制下在微机的控制下,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,进行采样和进行采样和A/D转转换换,实现过程参数的巡回检测。实现过程参数的巡回

25、检测。第15页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输入通道一般由模拟量输入通道一般由I/V变换变换,多路转换器、采样保持多路转换器、采样保持器、器、A/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。v2.3.2 I/V变换变换 变送器输出的信号为变送器输出的信号为010mA或或420mA的统一信的统一信号号,需要经过需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。变换变成电压信号后才能处理。v1.无源无源I/V变换变换 无源无源I/V变换主要是利用

26、无源器件电阻来实现变换主要是利用无源器件电阻来实现,并加滤波和并加滤波和输出限幅等保护措施输出限幅等保护措施,如图如图2.18所示。所示。对于对于010mA输入信号输入信号,可取可取R1=100欧欧,R2=500欧欧,且且R2为精密电阻为精密电阻,这样当输入的这样当输入的I为为420mA输入信号输入信号,可取可取R1=100欧欧,R2=250欧欧,且且R2为精密电阻为精密电阻,这样当输入的这样当输入的I为为420mA时时,输出的输出的V为为15V。v2.有源有源I/V变换变换 有源有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成组成,如图如图2.19所

27、示。所示。利用同相放大电路利用同相放大电路,把电阻把电阻R1上产生的输入电压变成标上产生的输入电压变成标准准2的输出电压。该同相放大电路的放大倍数为的输出电压。该同相放大电路的放大倍数为A=1+R4/R3,若取若取R3=100千欧千欧,R4=150千欧千欧,R1=200欧欧,则则010mA输入对应于输入对应于05V的电压输出。若取的电压输出。若取R3=100千欧千欧,R4=25千欧千欧,R1=200欧欧,则则420mA输输入对应于入对应于15V的电压输出。的电压输出。第16页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVE

28、RSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 v2.3.3 多路转换器多路转换器v 多路转换器又称多路开关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。利用多路开关可将多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。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。为了提高过程参数的测量精度转换器上。为了提高过程参数的测量精度,对多对多路开关提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大路开关提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大,其接通时的导通电阻为零。此外其接通时的导通电阻为零。此外,还希

29、还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。v 常用的多路开关有常用的多路开关有CD4051等。等。CD4051的原理如图的原理如图2.20所示所示,它是单端的它是单端的8通开关通开关,它有三根二它有三根二进制的控制输入端和一根禁止输入端进制的控制输入端和一根禁止输入端INH(高电平禁止高电平禁止)。片上有二进制译码器。片上有二进制译码器,可由可由A、B、C三个二进制三个二进制信号在信号在8个通道中选择一个个通道中选择一个,使输入和输出接通。而当使输入和输出接通。而当INH为高电平时为高电平时,不论不论A、B、C为何值为何值,8个通道均个通道均不通。通道

30、选择表如下。不通。通道选择表如下。第17页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 v2.3.4 采样、量化及常用的采样保持器采样、量化及常用的采样保持器v1.信号的采样信号的采样v 采样过程如图采样过程如图2.21所示。按一定的时间间隔所示。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把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号,转变成在时刻转变成在时刻O、T、2T、KT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。执行采样动作的开的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程

31、。执行采样动作的开关关K称为采样开关或采样器。称为采样开关或采样器。T称为采样宽度称为采样宽度,代表采样开关闭合的时间。采样后的脉代表采样开关闭合的时间。采样后的脉冲序列冲序列y*(t)称为采样信号称为采样信号,采样器的输入信号采样器的输入信号y(t)称为原信号称为原信号,采样开关每次通断的时采样开关每次通断的时间间隔间间隔T称为采样周期。采样信号称为采样周期。采样信号y*(t)在时间上是离散的，但在幅值上仍是连续的在时间上是离散的，但在幅值上仍是连续的,所以采所以采样信号是一个离散的模拟信号。样信号是一个离散的模拟信号。第18页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICA

32、L ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 v 从信号的采样过程可知从信号的采样过程可知,经过采样经过采样,不是取全部时间上的信号值不是取全部时间上的信号值,而是取某些时间而是取某些时间上的值。这样处理后会不会造成信号的丢失呢上的值。这样处理后会不会造成信号的丢失呢?香农香农(Shannon)采样定理指出采样定理指出:如果如果模拟信号模拟信号(包括噪声干扰在内包括噪声干扰在内)频谱的最高频率为频谱的最高频率为fmax,只要按照采样频率只要按照采样频率f2fmax进行采样进行采样,那么采样信号那么采样信号y*(t)就能唯一地复现就能唯一

33、地复现y(t)。采样定理给出了。采样定理给出了y*(t)唯一地复现唯一地复现y(t)所必需的最低所必需的最低采样频率。实际应用中采样频率。实际应用中,常取常取f(510)fmax,甚至更高。甚至更高。v2.量化量化v 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,将其转换为数将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程,执行量化动作的装置是执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为转换器。字长为n的的A/D转换器把转换器把yminymax范围内变化的采

34、样信号范围内变化的采样信号,变换为数字变换为数字02n-1,其最低有效位其最低有效位(LSB)所对应的模拟量所对应的模拟量q称为量化单位。称为量化单位。q=(ymax-ymin)/2n-1。量化过程实际上是一个用。量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小去度量采样值幅值高低的小数归整过程数归整过程,由于量化过程是一个小数归整过程由于量化过程是一个小数归整过程,因而存在量化误差因而存在量化误差,量化误差为量化误差为1/2q。例如例如,q=20mV时时,量化误差为量化误差为10mV,0.9901.009V范围内的采样值范围内的采样值,其量化结其量化结果是相同的果是相同的,都是数字都是数字5

35、0。v 在在A/D转换器的字长转换器的字长n足够长时足够长时,整量化误差足够小整量化误差足够小,可以认为数字信号近似于采样可以认为数字信号近似于采样信号。在这种假设下信号。在这种假设下,数字系统便可沿用采样系统理论分析、设计。数字系统便可沿用采样系统理论分析、设计。第19页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 v3.采样保持器采样保持器v (1)孔径时间和孔径误差的消除孔径时间和孔径误差的消除 在模拟量输入通道中在模拟量输入通道中,A/D转换器将模拟信号转换成数字量

36、总需要一定的时间转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间,完成一次完成一次A/D转换所需的时间称之为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说转换所需的时间称之为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说,孔径时间孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差决定了每一个采样时刻的最大转换误差,即为孔径误差。例如图即为孔径误差。例如图2.22所示的正弦模拟所示的正弦模拟信号信号,如果从如果从t0时刻开始进行时刻开始进行A/D转换转换,但转换结束时已为但转换结束时已为t1,模拟信号已发生模拟信号已发生U的变化。的变化。因此因此,对于一定的转换时间对于一定的转换时间,最大的误差可能发生在信号过最大的误差可

37、能发生在信号过0的时刻。因为此时的时刻。因为此时dU/dt最大最大,孔径时间孔径时间 t A/D一定一定,所以此时所以此时U为最大。为最大。第20页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 v令令 v式中式中,Um为正弦模拟信号的幅值为正弦模拟信号的幅值;f为信号频率。为信号频率。v在坐标的原点上在坐标的原点上 v 取取t=t A/D,则得原点处转换的不确定电压误差为则得原点处转换的不确定电压误差为 ：误差的百分数：误差的百分数：由此可知由此可知,对于一定的转换时间对于

38、一定的转换时间t A/D,误差的百分数和信号频率成正比。为了确保误差的百分数和信号频率成正比。为了确保A/D转换的精度转换的精度,使它不低于使它不低于0.1%,不得不限制信号的频率范围。不得不限制信号的频率范围。v 一个一个10位的位的A/D转换器转换器(量化精度量化精度0.1%),孔径时间孔径时间10s,如果要求转如果要求转换误差在转换精度内换误差在转换精度内,则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为 ：v 为了提高模拟量输入信号的频率范围为了提高模拟量输入信号的频率范围,以适应某些随时间变化较快的信号以适应某些随时间变化较快的信号的要求的要求,可采用带有

39、保持电路的采样器可采用带有保持电路的采样器,即采样保持器。即采样保持器。第21页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 v(2)采样保持原理采样保持原理v A/D转换过程转换过程(即采样信号的量化过程即采样信号的量化过程)需要时间需要时间,这个时间这个时间称为称为A/D转换时间。在转换时间。在A/D转换期间转换期间,如果输入信号变化较大如果输入信号变化较大,就会引起转换误差。所以就会引起转换误差。所以,一般情况下采样信号都不直接送至一般情况下采样信号都不直接送至A/D

40、转换器转换转换器转换,还需加保持器作信号保持。保持器把还需加保持器作信号保持。保持器把t=kT时刻的采样值保持到时刻的采样值保持到A/D转换结束。转换结束。T为采样周期为采样周期,k=0,1,2,为采样序列。为采样序列。v 采样保持器的基本组成电路采样保持器的基本组成电路,由输入输出缓冲器由输入输出缓冲器A1、A2和和采样开关采样开关K、保持电容、保持电容CH等组成。采样时等组成。采样时,K闭合闭合,VIN通过通过A1对对CH快速充电快速充电,VOUT跟随跟随VIN;保持期间保持期间,K断开断开,由于由于A2的输的输入阻抗很高入阻抗很高,理想情况下理想情况下VOUT=VC保持不变保持不变,采样

41、保持器一旦进采样保持器一旦进入保持期入保持期,便应立即启动便应立即启动A/D转换器转换器,保证保证A/D转换期间输入恒定。转换期间输入恒定。第22页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 v(3)常用的采样保持器常用的采样保持器v 常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有LF398、AD582等等,其原理结构如图其原理结构如图2.24(a)、(b)所示。采用所示。采用TTL逻辑电平控制逻辑电平控制2采样和保持。采样和保持。LF398的采样控制电平为的采样控制电平为

42、”1”,保持电平为保持电平为”0”,AD582相反。相反。OFFSET用于零位调整。保持电容用于零位调整。保持电容CH通常是通常是外接的外接的,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,常选常选5101000PF。减小。减小CH可提高采样可提高采样频率频率,但会降低精度。但会降低精度。第23页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 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,获取时间获取时间,电压下降率等。电压下降率等。LF398的的CH取取为为

43、0.01F时时,信号达到信号达到0.01%精度所需的获取时间精度所需的获取时间(采样时间采样时间)为为25s,保持保持期间的输出电压下降率为每秒期间的输出电压下降率为每秒3mV。若。若A/D转换器的转换时间为转换器的转换时间为100s,转换转换期间期间,保持器输出电压下降约保持器输出电压下降约300V。当被测信号变化缓慢时当被测信号变化缓慢时,若若A/D转换器时间足够短转换器时间足够短,可以不加采样保持器。可以不加采样保持器。v2.3.5 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计 利用利用12位位A/D转换器转换器AD574A,采样保持器采样保持器LF398、多路开关、多路开关CD4051、825

44、5A并行接口并行接口,我们能够设计出我们能够设计出PC总线工业控制机的模拟量输入通道电路总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。模板。v 该电路模板的主要技术指标为该电路模板的主要技术指标为8通道模拟量输入通道模拟量输入12位分辨率位分辨率输入量程为单极性输入量程为单极性010VA/D转换时间为转换时间为25s应答方式为查询应答方式为查询 图图2.25给出该模拟量输入通道的详细原理电路图。该模板采集一个数据给出该模拟量输入通道的详细原理电路图。该模板采集一个数据的过程如下的过程如下:第24页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIA

45、NG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道第25页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道v(1)通道选择通道选择将模拟量输入的通道号写入将模拟量输入的通道号写入8255A未转换期间未转换期间STS=0,LF398处于采样处于采样状态。状态。v(2)启动启动AD574A进行进行A/D转换转换通过通过8255A的端口的端口C的的PC4PC6输出控制信号启动输出控制信号启动AD574A。AD574A转换期间转换期间,STS=1,LF398处于保持状态。处

46、于保持状态。v(3)查询查询AD574A是否转换结束是否转换结束读读8255A的端口的端口A,了解了解STS是否已由高电平变为低电平。是否已由高电平变为低电平。v(4)读取转换结果读取转换结果若查询到若查询到STS由由1变为变为0,则读则读8255A的端口的端口A和端口和端口B,便可得到转换便可得到转换结果。结果。设设8255A的地址为的地址为2C0H2C3H,主过程已对主过程已对8255A初始化初始化,且已装填且已装填DS、ES(两者段基值相同两者段基值相同),采样值存入数据段中的采样值缓冲区采样值存入数据段中的采样值缓冲区BUF。其。其8通通道数据采集的程序流程图如图道数据采集的程序流程图

47、如图2.26所示。所示。第26页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道vAD574A PROC NEARv CLDv LEA DI,BUFvMOV BL,00000000B ;CE=0,CS=0,R/C=0v MOV CX,8vADC:MOV DX,2C2H ;8255A端口端口C地址地址v MOV AL,BLv OUT DX,AL ;选通多路开关选通多路开关v NOP v OR AL,01000000B ;CE=1,启动启动A/Dv OUT DX,ALv MOV D

48、X,2C0H ;8255A端口端口A地址地址vPULLING IN AL,DX ;测试测试STSv TEST AL,80Hv JNZ POLLINGv MOV AL,BLv OR AL,00010000B ;R/C=1v MOV DX,2C2Hv OUT DX,ALv OR AL,01000000B ;CE=1v OUT DX,ALv MOV DX,2C0H ;读高读高4位位v IN AL,DXv AND AL,OFHv MOV AH,ALv INC DX ;读低读低8位位v IN AL,DXv STOSW ;存入内存存入内存v INC BLv LOOP ADCv MOV AL,0011100

49、0B ;CE=0,CS=R/C=1v MOV DX,2C2Hv OUT DX,ALv RETvAD574A ENDP第27页，本讲稿共64页2006COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING,ZHEJIANG UNIVERSITY2.4 D/A转换器接口技术转换器接口技术 v1.8位位D/A转换器与转换器与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 该电路由该电路由8位位D/A转换芯片转换芯片DAC0832、运算放大器、地、运算放大器、地址译码电路组成。整个电路逻辑如图址译码电路组成。整个电路逻辑如图2.29所示所示,DAC0832工作工作在单缓冲寄存器方式在单缓冲寄存器

50、方式,即当即当CS信号来时信号来时,D0D7数据线送来的数据线送来的数据直通进行数据直通进行D/A转换，当转换，当IOW变高时，则此数据变被锁存变高时，则此数据变被锁存在输出寄存器中，因此在输出寄存器中，因此D/A转换的输出也保持不变。转换的输出也保持不变。DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出（将输入的数字量转换成差动的电流输出（IOUT1和和IOUT2），为了使其能变成电压输出，所以又经过运算放大器），为了使其能变成电压输出，所以又经过运算放大器A，将形成单极性电压输出，将形成单极性电压输出0+5V（VREF为为-5V）或）或0+10V（VREF为为-10V）。若要形成负电压输出