输入输出接口与过程通道.ppt

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1、LOGO 计算机控制技术计算机控制技术 COLLEGE 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，它包括模拟量输入信息传送和转换的连接通道，它包括模拟

2、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。20062.1 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

3、输动控制，需要处理一类最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）入输出信号，即数字量（开关量）信号。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，根据状收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量，因此，可态信息，再给出控制量，因此，可用三态门缓冲器用三态门缓冲器74LS244取得状取得状态信息，如图所示。经过端口地址态信息，如图所示。经过端口地址译码，得到片选信号译码，得到片选信号CS，当在执当在执行行IN指令周期时，产生指令周期时，产生IOR信号，信号，则

4、被测的状态信息可通过三态门送则被测的状态信息可通过三态门送到到PC总线工业控制机的数据总线，总线工业控制机的数据总线，然后装入然后装入AL寄存器，设片选端口寄存器，设片选端口地址为地址为port，可用如下指令来完成，可用如下指令来完成取数取数 MOV DX，port IN AL，DX 三态门缓冲器三态门缓冲器74LS244用来用来隔离输入和输出线路，在两者之间隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。起缓冲作用。20062.1 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，直到下次般控制状态需进

5、行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁给出新的值为止，这时输出就要锁存。因此，可用存。因此，可用74LS273作作8位位输出锁存口，对状态输出信号进行输出锁存口，对状态输出信号进行锁存，如图所示。由于锁存，如图所示。由于PC总线工总线工业控制机的业控制机的I/O端口写总线周期时端口写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前沿前沿(下降沿下降沿)稍晚稍晚,因此在图因此在图的电路中的电路中,利用利用IOW的后沿产生的的后沿产生的上升沿锁存数据上升沿锁存数据.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指指令周期时令周期时,

6、产生产生IOW信号信号,设片选端设片选端口地址为口地址为port,可用以下指令完成可用以下指令完成数据输出控制数据输出控制.MOV AL,DATA MOV DX,port OUT DX,AL20062.1 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、开关的触点态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点,因此引起瞬时因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象高压、过电压、接触抖动等现象.为了将外部

7、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逻辑信号接收的逻辑信号,这些功能称为信号调理。这些功能称为信号调理。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,如图所示。20062.1 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。它将接点的接图所示为

8、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作通和断开动作,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积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。图分电路来消除这种振荡。图2.4(a)所示为一种简单的、采用积分电所示为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法。图路消除开关抖动的方法。图2.4(b)所示为所示为R-S触发器消除开关两次触发器消除开关两次反跳的方法。反跳的方法。20062.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道v(2)大功

9、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。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以上的直流以上的直流电压。因为直流电平的响应快电压。因为直流电平的响应快,不易产生干扰不易产生干扰,电路又简单电路又简单,因而被广泛因而被广泛采用。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,用光电藕合用光电藕合器进行隔离器进行隔离,如图所示。如图所示。20062.1 数字量输入输出通道数字量输入输

10、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数字量的通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成口地址译码电路等组成,如图所如图所示。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 功率晶体管输出驱动继电功率晶体管输出驱动继电器电路器电路 采用功率晶体管输出驱动采用功率晶体管输出驱动继电器的电路如图所示。因负继电器的电路如图所示。因负载呈电感性载呈电感性,所以输出必须加装所以输出必须加装克服反电势的保护二极管克服反电势的保护二极管D,J为为继电

11、器的线圈。继电器的线圈。20062.1 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。图给出了图给出了MC1416内部电内部电路原理图和使用方法。路原理图和使用方法。20062.1 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

12、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,图为固态继电器的结构图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零伏附近时让电路接通使交流电压变化到零伏附近时让电路接通,从而减少干扰。电路接通从而减少干扰。电路接通以后以后,由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。20062.2 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

13、线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相连接。为便于或简化接口电路设计,也常通过通用并行接口芯片实现与系统的接口。也常通过通用并行接口芯片实现与系统的接口。下面以下面以8255A作为系统与作为系统与A/D转换器接口为例讨论转换器接口为例讨论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 图给出了图给出了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组都工组都工作于方式作于方式0,端口端口A为输入口为输入口,端口端口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

14、分为输出口。ADC0809的的ALE与与START引脚相连接引脚相连接,将将PC0PC2输出的输出的3位地址锁存入位地址锁存入ADC0809的地址锁的地址锁存器并启动存器并启动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,当转换当转换结束时结束时,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的状态而控的状态而控制数据的输入过程。制数据的输入过程。20062.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 v 下列过程是以图的接口方法为例完成采集下列过程是以图的接口方法为例完成采集ADC

15、0809 8路模拟量的程序。假定在住程序中已完路模拟量的程序。假定在住程序中已完成对成对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的地址的地址为为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 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 D

16、X,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 STOS DATABUFv INC BL ;修改模拟通道地址修改模拟通道地址v LOOP NEXTAv RETvADC0809 ENDP20062.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 v2.AD574与

17、与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 图给出了图给出了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控制引脚和控制引脚和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。CE、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组组都工作于方式都工作于方式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的下半部分规的下半部分规定为输出。定为输出。20062.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 v下面给出

18、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 PO

19、LLING ;STS=1,则等待则等待v MOV AL,01H ;使使CS=0,R/C=1v OUT DX,ALv NOPv MOV 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20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 v

20、模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,大多数传感器的输大多数传感器的输出是直流电压出是直流电压(或电流或电流)信号。为了避免电平模拟信号传输带来的麻烦信号。为了避免电平模拟信号传输带来的麻烦,经常要将测量元经常要将测量元件的输出信号经变送器变送件的输出信号经变送器变送,如温度变送器、压力变送器如温度变送器、压力变送器流量变送器等流量变送器等,将温度、压力、将温度、压力、流量

21、的电信号变成流量的电信号变成010mA或或420mA的统一信号的统一信号,然后经过模拟量输入通道来处然后经过模拟量输入通道来处理。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所示。过程参数由传感元件和变送器测量并转换模拟量输入通道的一般结构如图所示。过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流为电流(或电压或电压)形式后形式后,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由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级依次地切换到后级,进行采样和进行采样和A/D转换转换,实现过程参数的巡回检测。实现过程参数的巡回检测。

22、20062.3 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、多路转换器、采样保持器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组转换器、接口及控制逻辑等组成。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的统一信号的统一信号,需要经过需要经过I/V变换变成电压信变换变成电压信号后才能处理。号后才能处理。v1.无源无源I/V变换变换 无源无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实变换主要是利用无源器件电阻来实现现,并加滤波和输出限幅等保护措施并加滤波和输出限幅等保护措施,如图所示。如图所示。对于对

23、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变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成器、电阻组成,如图所示。如图所示。利用同相放大电路利用同相放大电路,把电阻把电阻R1上产生的输入上产生的输入电压变成标准电压变成标准2的输出电压。该同相放大电路的放的输出电压。

24、该同相放大电路的放大倍数为大倍数为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输入输入对应于对应于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输入对输入对应于应于15V的电压输出。的电压输出。20062.3 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

25、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A/D转换器上。为了提转换器上。为了提高过程参数的测量精度高过程参数的测量精度,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,还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。靠。v 常用的多路开关有常用的多路开关有CD4051等。等。CD4051的原理如图所示的原理如图所示,它是单端的它是单端的8通开关通开关,它有三根二进制的控制输入端和一根禁止输入端它有三根二进制的控制输

26、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。片上有二进制译码器码器,可由可由A、B、C三个二进制信号在三个二进制信号在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个通道均不通。通道选择表如下。个通道均不通。通道选择表如下。20062.3 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 采样过程如图所示。按一定的时间间隔采样过程如图所示。按一定的时间间隔T,把时间上连续和幅值上也连续把时间上连续

27、和幅值上也连续的模拟信号的模拟信号,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。执行采样动作的开关称为采样过程。执行采样动作的开关K称为采样开关或采样器。称为采样开关或采样器。T称为采样宽称为采样宽度度,代表采样开关闭合的时间。采样后的脉冲序列代表采样开关闭合的时间。采样后的脉冲序列y*(t)称为采样信号称为采样信号,采样器采样器的输入信号的输入信号y(t)称为原信号称为原信号,采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔T称为采样周期。称为采样周期。采样信号采样信号y*(t)在时间上是离散的，但在幅值上仍是连续的在时间上

28、是离散的，但在幅值上仍是连续的,所以采样信号是所以采样信号是一个离散的模拟信号。一个离散的模拟信号。20062.3 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些时间上的值。这样处理后会不会造成信号的丢失呢?香农香农(Shannon)采样采样定理指出定理指出:如果模拟信号如果模拟信号(包括噪声干扰在内包括噪声干扰在内)频谱的最高频率为频谱的最高频率为fmax,只要按只要按照采样频率照采样频率f2fmax进行采样进行采样,那么采样信号那

29、么采样信号y*(t)就能唯一地复现就能唯一地复现y(t)。采样。采样定理给出了定理给出了y*(t)唯一地复现唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中所必需的最低采样频率。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,将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程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,执行执行量化动作的装置是量化动作的装置是A/D转换器。字长为转换器。字长为n的的A/D转换

30、器把转换器把yminymax范围内范围内变化的采样信号变化的采样信号,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去度量采样值幅去度量采样值幅值高低的小数归整过程值高低的小数归整过程,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,因而存在量化误因而存在量化误差差,量化误差为量化误差为1/2q。例如。例如,q=20mV时时,量化误差为范围内的采样值量化误差为范围内的采样值,其量化结果是相同的其量化结果是相同的,都是数

31、字都是数字50。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,可以认为数字信号可以认为数字信号近似于采样信号。在这种假设下近似于采样信号。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。20062.3 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总需要一定的转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间时间,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

32、随时间变化的模拟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信号来说,孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差,即为孔径误差。即为孔径误差。例如图所示的正弦模拟信号例如图所示的正弦模拟信号,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,但转换结束时但转换结束时已为已为t1,模拟信号已发生模拟信号已发生U的变化。因此的变化。因此,对于一定的转换时间对于一定的转换时间,最大的误差最大的误差可能发生在信号过可能发生在信号过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

33、最大。为最大。20062.3 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一定的转换时间t A/D,误差的百分数和信号频率成误差的百分数和信号频率成正比。为了确保正比。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%,不得不限制信号不得不限制信号的频率范围。的频率范围。v 一个一个10位的位的A/D转换器转换器(

34、量化精度量化精度0.1%),孔径时间孔径时间10s,如如果要求转换误差在转换精度内果要求转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则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为频率为 ：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以适应某些随时间变化较快的信号的要求快的信号的要求,可采用带有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。20062.3 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,这这个时间称为个时

35、间称为A/D转换时间。在转换时间。在A/D转换期间转换期间,如果输入信如果输入信号变化较大号变化较大,就会引起转换误差。所以就会引起转换误差。所以,一般情况下采样信一般情况下采样信号都不直接送至号都不直接送至A/D转换器转换转换器转换,还需加保持器作信号保还需加保持器作信号保持。保持器把持。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和采样开关和采样开关K、保持电容、保持电容CH等组成。采样时等组成。采

36、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的输入阻抗很高的输入阻抗很高,理想情况下理想情况下VOUT=VC保持不变保持不变,采样保持器一旦进入保持期采样保持器一旦进入保持期,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。20062.3 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

37、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”1”,保持电平为保持电平为”0”,AD582相反。相反。OFFSET用用于零位调整。保持电容于零位调整。保持电容CH通常是外接的通常是外接的,其取值与采样频率和精度有其取值与采样频率和精度有关关,常选常选5101000PF。减小。减小CH可提高采样频率可提高采样频率,但会降低精度。但会降低精度。20062.3 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取为时取为时,信号达到信号达到0.01%精度所需的获取

38、时间精度所需的获取时间(采样时间采样时间)为为25s,保持期间的输出电压下降率为每秒保持期间的输出电压下降率为每秒3mV。若。若A/D转换器的转转换器的转换时间为换时间为100s,转换期间转换期间,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,可以不加采样可以不加采样保持器。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、8255A并行接口并行接口,我们能够设计出我们能够设计出PC总

39、线工业控制机的总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。模拟量输入通道电路模板。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。该模板采集一个数图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据的过程如下:20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道20062.3 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

40、期间未转换期间STS=0,LF398处于采样状态。处于采样状态。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,便可得便可得到转换结果。到转换结果。设设82

41、55A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采样值存入数据段中的采样值缓冲区缓冲区BUF。其。其8通道数据采集的程序流程图如图所示。通道数据采集的程序流程图如图所示。20062.3 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

42、 ;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 DX,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

43、;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,00111000B ;CE=0,CS=R/C=1v MOV DX,2C2Hv OUT DX,ALv RETvAD574A ENDP20062.4 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、运算放大器、地址译码电路组成。整个电路逻辑如图所示器、地址译码电路组成。整个电路逻辑如图所示,DAC0832工作在单缓冲寄存器方式工作在单缓冲寄存器

44、方式,即当即当CS信号来时信号来时,D0D7数据线送来的数据直通进行数据线送来的数据直通进行D/A转换，当转换，当IOW变高时，则此数据变被锁存在输出寄存器中，因此变高时，则此数据变被锁存在输出寄存器中，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），为了使其能变成电压输出，所以又经过运算放大器又经过运算放大器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

45、出，则若要形成负电压输出，则VREF需接正的基准电压。为了需接正的基准电压。为了保证输出电流的线性度，两个电流输出端保证输出电流的线性度，两个电流输出端IOUT1和和IOUT2的电位应尽可能地接近的电位应尽可能地接近0电位，只有这样，将数电位，只有这样，将数字量转换后得到的输出电流将通过内部的反馈电阻字量转换后得到的输出电流将通过内部的反馈电阻Rfb(=15k)流到放大器的输出端，否则运算放大器两流到放大器的输出端，否则运算放大器两输入端微小的电位差，将导致很大的线性误差。输入端微小的电位差，将导致很大的线性误差。20062.4 D/A转换器接口技术转换器接口技术 20062.4 D/A转换器

46、接口技术转换器接口技术 若若DAC0832CS的口地址为的口地址为300H，则，则8位二进制数位二进制数7FH转换转换为模拟电压的接口程序为为模拟电压的接口程序为 MOV DX，300H MOV AL，7FH OUT DX，AL HLTv2.12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 该电路采用该电路采用12位位D/A转换芯片转换芯片DAC1210、输出放大器、地址、输出放大器、地址译码器等电路组成。整个电路逻辑如图所示，端口地址译码器译出译码器等电路组成。整个电路逻辑如图所示，端口地址译码器译出Y0、Y1、Y2三个口地址，设为三个口地址，设为300H、301H、3

47、02H，这三个口，这三个口地址用来控制地址用来控制DAC1210工作方式和进行工作方式和进行12位转换。位转换。从图中可以看出，从图中可以看出，CS片选信号接地，片选信号接地，DAC1210的低的低4位输入位输入寄存器的数据线接至寄存器的数据线接至PC总线的总线的D7、D6、D5、D4上。由于上。由于DAC1210为电流型输出，因此，接运算放大器为电流型输出，因此，接运算放大器A1，使之成为负极，使之成为负极性电压输出，再加上运算放大器性电压输出，再加上运算放大器A2进行极性变换，使之成为正极性进行极性变换，使之成为正极性电压输出。电压输出。20062.4 D/A转换器接口技术转换器接口技术

48、20062.4 D/A转换器接口技术转换器接口技术 该电路的转换过程是：当送出口地址该电路的转换过程是：当送出口地址Y0信号，则信号，则BYTE1/BYTE2为高为高电平，同时当电平，同时当IOW信号来时，高信号来时，高8位数据被写入位数据被写入DAC1210的高的高8位输入寄位输入寄存器和低存器和低4位输入寄存器。当又一次位输入寄存器。当又一次IOW信号来，且口地址信号来，且口地址Y1信号来时，由信号来时，由于于BYTE1/BYTE2为低电平，则高为低电平，则高8位输入数据被锁存，低位输入数据被锁存，低4位数据写入低位数据写入低4位输入寄存器，原先写入的内容被冲掉。当位输入寄存器，原先写入的

49、内容被冲掉。当Y2信号和信号和IOW信号来时，则信号来时，则DAC1210内的内的12位位DAC寄存器和高寄存器和高8位及低位及低4位输入寄存器直通，因而这位输入寄存器直通，因而这一新的数据由片内的一新的数据由片内的12位位D/A转换器开始转换，当转换器开始转换，当IOW或或Y2信号结束时，信号结束时，12位位DAC寄存器将锁存这一数据，直到下一次又送入新的数据为止。寄存器将锁存这一数据，直到下一次又送入新的数据为止。前面已假设端口译码器译出的前面已假设端口译码器译出的Y0、Y1、Y2三个地址分别为三个地址分别为300H、301H、302H，若将，若将12位二进制数位二进制数83FH转换为模拟

50、电压，则接口程序为转换为模拟电压，则接口程序为2 MOV DX，300H MOV AL，83H ；送高；送高8位数据位数据 OUT DX，AL MOV DX，301H MOV AL，0F0H ；送低；送低4位数据位数据 OUT DX，AL MOV DX，302H OUT DX，AL ；12位数据进行转换位数据进行转换 HLT20062.5 模拟量输出通道模拟量输出通道 v2.5.3 V/I变换变换在实现在实现05V、010V、15V直流电压信号到直流电压信号到010mA、420mA转换时，可直接采用集成转换时，可直接采用集成V/I转换电路来完成，下面以高精度转换电路来完成，下面以高精度V/I变