计算机控制技术课件.ppt

《计算机控制技术课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制技术课件.ppt（91页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、计算机控制技术第1页，此课件共91页哦计算机输入输出通道分类计算机输入输出通道分类第一类：第一类：模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量是模拟量是连续变换连续变换的量，许多参数（温度、的量，许多参数（温度、压力、流量等）先通过检测装置转换成相压力、流量等）先通过检测装置转换成相应的模拟量信号，然后转换成数字量信号应的模拟量信号，然后转换成数字量信号输入计算机；输入计算机；第二类：第二类：模拟量输出通道模拟量输出通道 执行机构要用执行机构要用模拟信号模拟信号控制，而计算机控制，而计算机输出的是数字信号，这就要求用相应的电输出的是数字信号，这就要求用相应的电路将数字量输出，并转换成模拟量；路将数字量

2、输出，并转换成模拟量；第2页，此课件共91页哦第三类：第三类：数字量（开关量）输入通道数字量（开关量）输入通道 控制信息的状态，如开关、按钮和继电器控制信息的状态，如开关、按钮和继电器的触点等，他们只有的触点等，他们只有两种状态两种状态：断开和闭断开和闭合合，对这类信号的拾取需要通过数字量输，对这类信号的拾取需要通过数字量输入通道来实现；入通道来实现；第四类：第四类：数字量（开关量）输出通道数字量（开关量）输出通道 有一类对象的控制只需有一类对象的控制只需二值逻辑二值逻辑就可实现，就可实现，如指示灯的亮和灭、电机的运行和停止、如指示灯的亮和灭、电机的运行和停止、晶闸管的通和断以及闸门的开和关等

3、，数晶闸管的通和断以及闸门的开和关等，数字量输出通道就是担当这个任务的。字量输出通道就是担当这个任务的。第3页，此课件共91页哦第一节第一节 信号的采样与复现信号的采样与复现生产过程的状态和参数输入到计算机是通生产过程的状态和参数输入到计算机是通过过采样采样来完成的，采样来完成的，采样保留保留了连续信号在了连续信号在采样时刻的信息，而采样时刻的信息，而不计不计采样间隔之间采样间隔之间的信息。的信息。采样采样频率频率高时，采到的信号密集，采样信高时，采到的信号密集，采样信号就可以近似代表原来的连续信号。号就可以近似代表原来的连续信号。第4页，此课件共91页哦信号的采样与重构信号的采样与重构控制系

4、统中信号的分类控制系统中信号的分类模拟信号模拟信号：信号是时间的连续函数：信号是时间的连续函数离散信号离散信号：信号是时间上的离散序列：信号是时间上的离散序列采样采样 计算机每隔一定时间计算机每隔一定时间T采入一次模拟信号采入一次模拟信号的瞬时值的过程，我们称之为的瞬时值的过程，我们称之为采样采样，时间，时间间隔间隔 T称为称为采样周期采样周期。采样过程也称为。采样过程也称为连续连续信号的时间离散化信号的时间离散化过程。过程。第5页，此课件共91页哦 1.1.1.1.采样过程采样过程 采样过程是由采样过程是由采样开关采样开关实现的，如图实现的，如图（a a）所示。采样开关每隔一定时间）所示。采

5、样开关每隔一定时间T T闭合闭合一次，于是原来在时间上连续的一次，于是原来在时间上连续的模拟信号模拟信号 f f（t t）就变成了时间上离散的）就变成了时间上离散的采样信号采样信号 f*（t t），如图（），如图（b b）、（）、（c c）所示。）所示。第6页，此课件共91页哦 通常采样的持续时间是非常短的，所以可以将采通常采样的持续时间是非常短的，所以可以将采样信号样信号 f *（t）看作成一个有强度、无宽度的脉冲序）看作成一个有强度、无宽度的脉冲序）看作成一个有强度、无宽度的脉冲序）看作成一个有强度、无宽度的脉冲序列，也就是看作成单位脉冲序列被列，也就是看作成单位脉冲序列被列，也就是看作成

6、单位脉冲序列被列，也就是看作成单位脉冲序列被f（t）调制的结）调制的结果，如下图所示。果，如下图所示。f f（t t）对单位脉冲序列的调制作用）对单位脉冲序列的调制作用）对单位脉冲序列的调制作用）对单位脉冲序列的调制作用第7页，此课件共91页哦2.2.采样定理采样定理几个频率：几个频率：最高频率最高频率 max采样频率采样频率 s乃奎斯特频率（折叠频率）乃奎斯特频率（折叠频率）s2第8页，此课件共91页哦问题：问题：s 和和 max间怎样的关系可以满间怎样的关系可以满 足要求？足要求？通常连续信号的频谱宽度是有限的，一通常连续信号的频谱宽度是有限的，一般为一孤立频谱，其最高频率为般为一孤立频谱

7、，其最高频率为maxmax，如，如图（图（a a）所示，而）所示，而f f*（t t）的频谱是离散频）的频谱是离散频谱，如图（谱，如图（b b）、（）、（c c）、（）、（d d）所示。）所示。第9页，此课件共91页哦f（t）和）和f*（t）的频谱）的频谱第10页，此课件共91页哦采样定理（香农定理）采样定理（香农定理）为了保证采样信号为了保证采样信号f*（t）的频谱是被采）的频谱是被采样信号样信号 f（t）的频谱的无重叠的重复（沿）的频谱的无重叠的重复（沿 频率轴方向），以便采样信号频率轴方向），以便采样信号f*（t）能反）能反映被采样信号映被采样信号f（t）的变化规律，采样频率）的变化规律

8、，采样频率s（s=2/T=2f）至少应该是）至少应该是f（t）的频谱的频谱F（j）的最高频率）的最高频率max的两倍，的两倍，即即 s2max 这就是著名的这就是著名的采样定理采样定理，即，即香农定理香农定理。第11页，此课件共91页哦用采样周期来描述采样定理用采样周期来描述采样定理 若连续信号的最高频率为若连续信号的最高频率为max，那么那么它完全可以用周期它完全可以用周期T max的均匀采的均匀采样值来描述。样值来描述。采样定理的采样定理的物理意义物理意义：对连续信号中所含：对连续信号中所含的最高频率的正弦分量来讲，能够做到在的最高频率的正弦分量来讲，能够做到在一个采样周期内采样一个采样周

9、期内采样2次以上，那么次以上，那么经采经采样所得的脉冲序列就能包含连续信号的全样所得的脉冲序列就能包含连续信号的全部信息。部信息。第12页，此课件共91页哦3.混叠现象（假频现象）与滤波混叠现象（假频现象）与滤波 如果由离散序列得到的频谱无法恢复如果由离散序列得到的频谱无法恢复原信号，这种由连续信号的离散化，导致原信号，这种由连续信号的离散化，导致离散前后频谱发生变化的现象叫离散前后频谱发生变化的现象叫假频现象假频现象，也叫也叫混叠现象混叠现象。第13页，此课件共91页哦滤波滤波 采样后的周期频谱分量是分离的采样后的周期频谱分量是分离的（不混叠），则可以通过一个理想低通（不混叠），则可以通过一

10、个理想低通滤波器把所有派生的滤波器把所有派生的高频频谱高频频谱滤去，只滤去，只保留保留基本频谱基本频谱，这样，连续信号的频谱就，这样，连续信号的频谱就可以从采样信号的频谱中不失真的获得。可以从采样信号的频谱中不失真的获得。第14页，此课件共91页哦4.信号复现与零阶保持器信号复现与零阶保持器信号的复现和保持信号的复现和保持实现方法：理想的实现方法：理想的低通滤波器低通滤波器实际使用的方法：接近理想的低通滤波特性的实际使用的方法：接近理想的低通滤波特性的保持器保持器采样保持器采样保持器零阶保持器零阶保持器：采用恒值外推原理，广泛应用于离散系统中采用恒值外推原理，广泛应用于离散系统中一阶保持器一阶

11、保持器高阶保持器高阶保持器第15页，此课件共91页哦信号的复现信号的复现 从从时域时域来说，采样信号的恢复过程就是通过离来说，采样信号的恢复过程就是通过离散的采样值得到连续的时间函数，散的采样值得到连续的时间函数，如图如图2-1；从；从频域频域来说，就是要去除采样的旁带，保留基频分来说，就是要去除采样的旁带，保留基频分量，量，（课本）图（课本）图2-4。第16页，此课件共91页哦理想的不失真的恢复需要具备理想的不失真的恢复需要具备3个条件个条件1.原连续信号的频谱必须是有限带宽，原连续信号的频谱必须是有限带宽，即即2.满足采样定理满足采样定理，s s22maxmax 3.具有理想的低通滤波器特

12、性具有理想的低通滤波器特性 理想低通滤波器的理想低通滤波器的截止频率，取截止频率，取第17页，此课件共91页哦设滤波器输出信号的频谱为设滤波器输出信号的频谱为 ，由于，由于 在在 后均为后均为0，所以只有基本频谱才，所以只有基本频谱才能通过理想滤波器，其余所有旁带均被滤去，能通过理想滤波器，其余所有旁带均被滤去，所以滤波器的输出可以无失真的恢复出原连续所以滤波器的输出可以无失真的恢复出原连续信号，即信号，即第18页，此课件共91页哦 S/H(Sample/Hold)在计算机控制系统的在计算机控制系统的A/D转换中，为了适转换中，为了适应转换时间的要求，在应转换时间的要求，在采样开关采样开关之后

13、，总之后，总是连接着是连接着零阶保持器零阶保持器，对采样开关输出的，对采样开关输出的采样信号进行保持，这种结构称为采样保采样信号进行保持，这种结构称为采样保持结构，持结构，S/H(Sample/Hold)，连续信号，连续信号通过采样开关和零阶保持器两个转换环节通过采样开关和零阶保持器两个转换环节作用后，变为阶梯形采样保持信号。作用后，变为阶梯形采样保持信号。第19页，此课件共91页哦第二节第二节 模拟量输入通道模拟量输入通道 由于由于计算机计算机控制时都是对数字量进行控制时都是对数字量进行处理，而处理，而被控对象被控对象往往是模拟量，因此需往往是模拟量，因此需要设计电路将模拟量转化为数字量输入

14、计要设计电路将模拟量转化为数字量输入计算机，实现计算机对被控对象的控制，实算机，实现计算机对被控对象的控制，实现这一功能的电路就是模拟量输入通道。现这一功能的电路就是模拟量输入通道。第20页，此课件共91页哦模拟量输入通道的结构模拟量输入通道的结构 模拟量输入通道根据不同的应用要求，模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式。本文主要介绍可以有不同的结构形式。本文主要介绍典型的典型的多路模拟量输入通道结构多路模拟量输入通道结构。典型的。典型的模拟量输入通道一般由模拟量输入通道一般由信号调理电路、多信号调理电路、多路转换器、放大器、采样保持器、路转换器、放大器、采样保持器、A/D转换

15、器、总线接口转换器、总线接口等组成。等组成。第21页，此课件共91页哦多路模拟量输入通道结构图多路模拟量输入通道结构图第22页，此课件共91页哦各部分的作用各部分的作用传感器传感器：把被测对象的各种：把被测对象的各种非电物理量非电物理量检检测出来，并转换成测出来，并转换成电信号电信号。如。如热电偶热电偶能能把温度转换成热电动势，把温度转换成热电动势，应变桥式荷重应变桥式荷重传感器传感器把受力大小转换成电位差（即将所把受力大小转换成电位差（即将所有非电量转换成电参数）。有非电量转换成电参数）。第23页，此课件共91页哦信号调理电路信号调理电路：将传感器的输出信号做：将传感器的输出信号做适当处理，

16、使之成为适合适当处理，使之成为适合A/D转换的转换的电电压信号压信号。根据需要信号调理可选择的内容包括根据需要信号调理可选择的内容包括小小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿匹配、电平变换、非线性补偿和和电流电流/电压转换电压转换等。等。第24页，此课件共91页哦多路转换器：多路转换器：一般多路模拟量输入通道只一般多路模拟量输入通道只设一个设一个A/DA/D转换器，多路转换器的作用是将转换器，多路转换器的作用是将多个传感器来的信号按多个传感器来的信号按一定顺序一定顺序换接到换接到A/DA/D转换器。转换器。放大器：放大器：把从传感器来的

17、低电平信号放大，把从传感器来的低电平信号放大，以达到合适的输入电压。以达到合适的输入电压。实际上实际上在采用变送在采用变送器时其输出均为标准信号（如器时其输出均为标准信号（如0-5,4-20mA),0-5,4-20mA),这时通道中可不设放大器。这时通道中可不设放大器。第25页，此课件共91页哦采样保持器采样保持器:计算机在对连续信号进行离计算机在对连续信号进行离散采样时，需要连续信号的某一时刻瞬散采样时，需要连续信号的某一时刻瞬时值，并能将这一瞬时值时值，并能将这一瞬时值保持到保持到A/DA/D转换转换结束结束，采样保持器就是实现这一功能的电，采样保持器就是实现这一功能的电路。路。第26页，

18、此课件共91页哦多路转换器多路转换器 多路转换器又称多路转换器又称多路开关多路开关，它是用来切换，它是用来切换模拟电压信号的关键元件。受控的多路开模拟电压信号的关键元件。受控的多路开关可将各信号按要求接关可将各信号按要求接公共公共放大器或放大器或A/D转换器上，以实现分时使用系统的重要资转换器上，以实现分时使用系统的重要资源。源。第27页，此课件共91页哦CD4051CD4051结构原理图结构原理图 第28页，此课件共91页哦 CD4051由由电平转换、译码驱动电平转换、译码驱动及及开关电开关电路路三部分组成。当禁止端三部分组成。当禁止端INH为为“1”时，前时，前后级通道断开，即后级通道断开

19、，即S0S7端与端与Sm端不可能接端不可能接通；当通；当INH为为“0”时，则通道可以被接通，时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端通过改变控制输入端C、B、A的数值，就的数值，就可选通可选通8个通道个通道S0S7中的一路。比如：当中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道时，通道S0选通；当选通；当C、B、A=001时，通道时，通道S1选通；选通；当当C、B、A=111时，时，通道通道S7选通。其真值表如表选通。其真值表如表3-1所示。所示。第29页，此课件共91页哦第30页，此课件共91页哦另外另外1 1：理想的多路开关的：理想的多路开关的开路开路电阻应为无穷大，电阻应为无穷大，接通接

20、通时的电阻应为零。时的电阻应为零。2 2：由于：由于机械开关机械开关速度、寿命、噪声、体积方面速度、寿命、噪声、体积方面的原因，已经很少采用。目前多采用的原因，已经很少采用。目前多采用电子开关电子开关，其速度快、寿命长、体积小，不足之处是其速度快、寿命长、体积小，不足之处是导通电阻稍大，因此，为保证精度，只能导通电阻稍大，因此，为保证精度，只能进行电压切换。（若是电流信号则由于存进行电压切换。（若是电流信号则由于存在电阻，会产生压降，降低精度）在电阻，会产生压降，降低精度）第31页，此课件共91页哦采样保持器的工作过程 零阶采样保持器零阶采样保持器是在两次采样的间隔是在两次采样的间隔时间内，一

21、直保持采样值不变直到下一个时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如图如图(a)(a)、(b)(b)所示。所示。第32页，此课件共91页哦 采样保持器采样保持器由由输入输出缓冲放大器输入输出缓冲放大器A1A1、A2A2和和采样开关采样开关S S、保持电容、保持电容CH等组成。等组成。采样期间采样期间，开关，开关S S闭合，输入电压闭合，输入电压V VININ通过通过A1A1对对CH快速充电，输出电压快速充电，输出电压V VOUTOUT跟随跟随V VININ变化；变化；保持期间保持期间，开关，开关S S断开，由于断开，由于A2A

22、2的输入阻抗很高，理想情况下电容的输入阻抗很高，理想情况下电容C CH H将将保持电压保持电压VCVC不变，因而输出电压不变，因而输出电压V VOUT=OUT=VCVC也保持恒定。也保持恒定。第33页，此课件共91页哦采样保持器采样保持器第34页，此课件共91页哦另外：另外：1：实际采样时要注意它的：实际采样时要注意它的获取时间获取时间的大小，获取的大小，获取时间是指从发出采样指令到采样保持输出与其输入时间是指从发出采样指令到采样保持输出与其输入相等所需要的时间。相等所需要的时间。缩短缩短获取时间可提高采样速率，获取时间可提高采样速率，获取时间与保持电容的容量相关。获取时间与保持电容的容量相关

23、。2：另一个相关指标是：另一个相关指标是电压衰减率电压衰减率，即在保持期的采，即在保持期的采样保持器输出电压的下降率。较大的下降率会影响样保持器输出电压的下降率。较大的下降率会影响A/D转换结果的精度。转换结果的精度。增加保持电容的电容能量能降低下降率，但是又会延增加保持电容的电容能量能降低下降率，但是又会延长获取时间。因此，选择保持电容时要综合考虑。长获取时间。因此，选择保持电容时要综合考虑。第35页，此课件共91页哦A/D转换器的选择转换器的选择A/D转换器输入通道的转换器输入通道的核心部件核心部件，正确的，正确的选择选择A/D转换器很重要。转换器很重要。主要技术指标主要技术指标1、分辨率

24、（分辨率（Resolution）分辨率是衡量分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。量最小变化程度的技术指标。A/D转换器转换器的分辨率取决于的分辨率取决于A/D转换器的位数，转换器的位数，位数位数越多，分辨率越高。越多，分辨率越高。第36页，此课件共91页哦分辨率的表示式为：分辨率的表示式为：分辨率分辨率=V=Vrefref/2/2位数位数其中，其中，V Vrefref为满量程为满量程例子：例子：若若V Vrefref=5V=5V，8 8位的位的D/AD/A转换器分辨率为转换器分辨率为5/256=20mV5/256=20mV则可计算出它能分辨输入模拟电

25、压的最小则可计算出它能分辨输入模拟电压的最小变化量为变化量为20mV20mV第37页，此课件共91页哦2、转换精度（误差）、转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差，实际输出值与理论值之间的最大偏差，转换精度反映了一个实际转换精度反映了一个实际A/D转换器与一转换器与一个理想个理想A/D转换器的差值。转换器的差值。注：注：即使分辨率很高，但是可能由于温度漂即使分辨率很高，但是可能由于温度漂移、线性不良等原因造成转换值与实际值移、线性不良等原因造成转换值与实际值相差大，从而转换精度变低。相差大，从而转换精度变低。第38页，此课件共91页哦3、转换速率与转换速率与转换时间转换时间 转换速率

26、转换速率是指是指A/DA/D转换器在每秒钟内所转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这个指标也可表述为能完成的转换次数。这个指标也可表述为转换时间转换时间，即，即A/DA/D转换从启动到结束所需转换从启动到结束所需的时间，两者互为的时间，两者互为倒数倒数。例如，某。例如，某A/DA/D转转换器的转换速率为换器的转换速率为5MHz5MHz，则其转换时间是，则其转换时间是200ns200ns。第39页，此课件共91页哦第40页，此课件共91页哦逐位逼近式逐位逼近式A/D转换原理转换原理 一个一个n位位A/D转换器是由转换器是由n位寄存器位寄存器、n位位D/A转换器转换器、运算比较器运算比较器、控制逻

27、辑电路控制逻辑电路、输出锁存器输出锁存器等五部分组成。现以等五部分组成。现以4位位A/D转转换器把模拟量换器把模拟量9转换为二进制数转换为二进制数1001为例，为例，说明逐位逼近式说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。转换器的工作原理。第41页，此课件共91页哦逐位逼近式逐位逼近式A/DA/D转换原理图转换原理图 第42页，此课件共91页哦 当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，1 1、首先使寄存器的最高位、首先使寄存器的最高位D3 D3 1 1，其余为，其余为0,0,此数字量此数字量10001000经经D/AD/A转换器转换成模拟电压即转换器

28、转换成模拟电压即VO VO 8 8，送到比较器输入端与被转，送到比较器输入端与被转换的模拟量换的模拟量VIN=9VIN=9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当判断。当VIN VIN VO VO，则保留，则保留D3=1D3=1；2 2、再对下一位、再对下一位D2D2进行比较，同样先使进行比较，同样先使D2 D2 1,1,与上一位与上一位D3D3位位一起即一起即11001100进入进入D/AD/A转换器，转换为转换器，转换为VO VO 12 12再进入比较器，与再进入比较器，与VIN VIN 9 9比较，因比较，因VIN VIN VO VO，则使，则

29、使D2 D2 0 0；3 3、再下一位、再下一位D1D1位也是如此，位也是如此，D1 D1 1 1即即10101010，经经D/AD/A转换为转换为VO=VO=1010，再与，再与VIN VIN 9 9比较，因比较，因VIN VIN VO VO，则使，则使D1 D1 0 0；4 4 、最后一位、最后一位D0 D0 1-1-即即10011001经经D/AD/A转换为转换为VO VO 9 9，再与，再与VIN VIN 9 9比较，比较，因因VIN VIN VO VO，保留，保留D0 D0 1 1。比较完毕，寄存器中的数字。比较完毕，寄存器中的数字量量10011001即为模拟量即为模拟量9 9的转换

30、结果，存在输出锁存器中等待输出。的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。第43页，此课件共91页哦 一个一个 n n 位位A/DA/D转换器的模数转换表达式是转换器的模数转换表达式是 式中式中 n n n n位位A/DA/D转换器；转换器；VR+VR+、VRVR-基准电压源的正、负输入；基准电压源的正、负输入；VINVIN要转换的输入模拟量；要转换的输入模拟量；B B转换后的输出数字量。转换后的输出数字量。即当基准电压源确定之后，即当基准电压源确定之后，n n位位A/DA/D转换器的转换器的输出数字量输出数字量B B与要转换的输入模拟量与要转换的输入模拟量VINVIN呈正比。呈正比。第44页，此

31、课件共91页哦 例题例题3-2：一个：一个8位位A/D转换器，设转换器，设VR+=5.02 V，VR=0 V，计算当，计算当VIN分别为分别为0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量。时所对应的转换数字量。解：把已知数代入公式（解：把已知数代入公式（2-1）：）：0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量分别时所对应的转换数字量分别为为00H、80H、FFH。第45页，此课件共91页哦一一 模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式1.单路模拟量输出通道单路模拟量输出通道 如图所示，单路模拟量输出通道一般由接口电路、如图所示，单路模拟量输出通道一般由接口电路、寄存器、寄存器、D

32、/A转换器和转换器和V/I变换器等组成。变换器等组成。单路模拟量输出通道的结构形式单路模拟量输出通道的结构形式第三节第三节 模拟量输出通道模拟量输出通道第46页，此课件共91页哦2.多路模拟量输出通道多路模拟量输出通道 多路模拟量输出通道是指所有输出模拟量共用一个多路模拟量输出通道是指所有输出模拟量共用一个D/A转换器，实现分时转换器，实现分时D/A转换，如图转换，如图4-32所示。所示。多个通道共享多个通道共享D/A转换器的结构形式转换器的结构形式第47页，此课件共91页哦二二 数数/模转换模转换1 概述概述2 数数/模（模（D/A）转换）转换第48页，此课件共91页哦1 概述概述一、问题的

33、提出一、问题的提出 当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量（模拟量）进行需要对连接变化的物理量（模拟量）进行采样、保采样、保持持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。存等。A/DA/D转换器完成模拟量转换器完成模拟量数字量的转换，数字量的转换，D/AD/A转换器完成数字量转换器完成数字量模拟量的转换。模拟量

34、的转换。第49页，此课件共91页哦 二、模拟接口二、模拟接口定义：定义：A/D D/A转换器可视作一外部设备转换器可视作一外部设备功能：功能：将微机系统的离散的将微机系统的离散的数字信号数字信号和设备中和设备中连续变化的连续变化的模拟量模拟量两者建立适配关系，使两者建立适配关系，使CPU能进行控制与监测。能进行控制与监测。第50页，此课件共91页哦三、模拟输入输出系统三、模拟输入输出系统数字信号数字信号模拟信号模拟信号现场信号现场信号1现场信号现场信号2现场信号现场信号n微型微型计算机计算机放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路开开关关低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传

35、感器低通滤波低通滤波传感器传感器A/D转换器转换器采样保持器采样保持器数字信号数字信号受控对象受控对象控制信号控制信号模拟信号模拟信号D/A转换器转换器放大驱动电路放大驱动电路传感器传感器将各种现场的物理量测量出来将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）并转换成电信号（模拟电压或电流）放大器放大器把传感器输出的信号放大到把传感器输出的信号放大到ADC所需所需的量程范围的量程范围低通滤波器低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比以增加信噪比多路开关多路开关把多个现场信号分时地接通到把多个现场信号分时地接通到A/D转换器转换器采样保持器采样保

36、持器周期性地采样连续信号，周期性地采样连续信号，并在并在A/D转换期间保持不变转换期间保持不变第51页，此课件共91页哦一、一、D/A变换器的基本构成变换器的基本构成 模拟开关 电阻网络 运算放大器权电阻网络权电阻网络R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络VrefRf 模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量 2 2 数数/模（模（D/AD/A）转换）转换第52页，此课件共91页哦二、基本变换原理二、基本变换原理运放的放大倍数足够大时，输出电压运放的放大倍数足够大时，输出电压V VO O与输入电压与输入电压V Vinin的关系为：的关系为：VinRf VOR 第53页，此课件共91页哦若输入

37、端有若输入端有n个支路个支路,则输出电压则输出电压VO与输入与输入电压电压Vi的关系为：的关系为：VinRf VOR1Rn第54页，此课件共91页哦令每个支路的输入电阻为令每个支路的输入电阻为2 2i iR Rf f,并令并令V Vinin为一为一基准电压基准电压V Vrefref，则有，则有第55页，此课件共91页哦如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为若若Si=1,该项对该项对VO有贡献；有贡献；若若Si=0,该项对该项对VO无贡献无贡献对应的电路对应的电路第56页，此课件共91页哦权电阻网络权电阻网络2R4R8R16R32R64R128R

38、256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8这里，上式中的这里，上式中的n=8第57页，此课件共91页哦如果用如果用8位二进制代码来控制图中的位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时时Si闭合；闭合；Di=0时时Si断开断开)，则不同的二进制代码就对应不同输，则不同的二进制代码就对应不同输出电压出电压VO；当代码在当代码在0FFH之间变化时，之间变化时，VO相应地在相应地在0-(255/256)Vref之间变化；之间变化；为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换转换器采用器采用R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络，它只用两种阻值的

39、电阻，它只用两种阻值的电阻(R和和2R)。第58页，此课件共91页哦R-2R梯形电阻网络第59页，此课件共91页哦 DACDAC（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输功能器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不同的要求，入输出有不同的要求，DACDAC的输入输出特性一般考虑以下的输入输出特性一般考虑以下几方面：几方面：（1 1）输入缓冲能力输入缓冲能力：DACDAC的输入缓冲能力是非常重要的，的输入缓冲能力是非常重要的，具有缓冲能力（具有缓冲能力（数据寄存器数据寄存器）的）的DACD

40、AC芯片可直接与芯片可直接与CPUCPU或或系统总线相连，否则必须添加系统总线相连，否则必须添加锁存器锁存器。（2 2）输入码制输入码制：DACDAC输入有二进制和输入有二进制和BCDBCD码两种，对于单极码两种，对于单极性性DACDAC可接收二进制和可接收二进制和BCDBCD码；双极性码；双极性DACDAC接收偏移二进制接收偏移二进制或补码。或补码。三、三、DAC的输入输出特性：的输入输出特性：第60页，此课件共91页哦（3 3）输出类型输出类型：DACDAC输出有电流型和电压型两输出有电流型和电压型两种，用户可根据需要选择，也可进行电流种，用户可根据需要选择，也可进行电流电电压转换。压转换

41、。（4 4）输出极性输出极性：DACDAC有单极性和双极性两种，有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DACDAC芯片。芯片。第61页，此课件共91页哦 1.DAC0832与与CPU的接口的接口 （1）DAC0832的性能参数的性能参数 DAC0832DAC0832是一片典型的是一片典型的8 8位位DACDAC芯片芯片分辨率：分辨率：8位位 电流型：内部有电流型：内部有2级缓冲器级缓冲器功耗：功耗：20mW 转换时间：转换时间：1mS 四、四、D/A转换器接口的设计转换器接口的设计第62页，此课件共91页哦（2 2）DAC0832

42、DAC0832引脚引脚和和内部结构内部结构如图所示如图所示 2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGND第63页，此课件共91页哦DAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入输入寄寄存存器器DGNDDI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER第64页，此课件共91页哦2.DAC0832的数字接口的数字接口8位数字输入端位数字输入端DI0DI7（DI0为最

43、低位）为最低位）输入寄存器（第输入寄存器（第1级锁存）的控制端级锁存）的控制端ILE、CS*、WR1*DAC寄存器（第寄存器（第2级锁存）的控制端级锁存）的控制端XFER*、WR2*第65页，此课件共91页哦直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE1，直通（输出等于输入）LE0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1第66页，此课件共91页哦DAC0832的工作方式：的工作方式：直通方式直通方式LE1LE21输入的数字数据直接进入输入的数字数据直接进入D/A转换器转换器LE2LE1DAC0832输

44、入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1第67页，此课件共91页哦DAC0832的工作方式：的工作方式：单缓冲方式单缓冲方式LE11，或者，或者LE21两个寄存器之一始终处于直通状态两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1第68页，此课件共91页哦DAC0832的工作方式：的工作方式：双缓冲方式双缓冲方式两个寄存器都处于受控（缓冲）状态两个寄存器都处于受控（缓冲）状态能够对一个数据进行能够对一个

45、数据进行D/A转换的同时；输入另转换的同时；输入另一个数据一个数据LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1第69页，此课件共91页哦3.DAC0832的模拟输出的模拟输出Iout1、Iout2电流输出端电流输出端Rfb反馈电阻引出端（电阻在芯片内）反馈电阻引出端（电阻在芯片内）VREF参考电压输入端参考电压输入端AGND模拟信号地模拟信号地VCC电源电压输入端电源电压输入端 DGND数字信号地数字信号地第70页，此课件共91页哦单极性电压输出VoutIout1Rfb（D/28）VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGND

46、ADIVREF第71页，此课件共91页哦4.124.12位位DACDAC连接连接 由于微机的由于微机的I/OI/O指令一次只能输出指令一次只能输出8 8位数位数据，因此对于数据宽度大于据，因此对于数据宽度大于8 8位位DACDAC只能分只能分两次输入数据，为此一般大于两次输入数据，为此一般大于8 8位数据宽位数据宽度的度的DACDAC内部均设计有两级数据缓冲，如内部均设计有两级数据缓冲，如1212位位DAC1210DAC1210内部就有两级数据缓冲，内内部就有两级数据缓冲，内部结构如图所示。部结构如图所示。第76页，此课件共91页哦8位输入位输入锁存器锁存器4位输入位输入锁存器锁存器12位位D

47、AC存储器存储器12位相乘型位相乘型D/A转换器转换器LELELELSBMSBDI11 15DI10 16DI9 17DI8 18DI7 19DI6 20DI5 4DI4 5DI3 6DI2 7DI1 8DI0 9BYTE1 23/BYTE2CS 1 WR1 2WR1 21WR2 2210 Vref14 Iout213 Iout111 Rfb24 Vcc3 AGND24 DGND DAC1210内部结构内部结构第77页，此课件共91页哦第78页，此课件共91页哦第四节第四节 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输出通道模拟量输出通道 数字量（开关量）输入通

48、道数字量（开关量）输入通道 数字量（开关量）输出通道数字量（开关量）输出通道通道分为通道分为第79页，此课件共91页哦1数字量输入通道（数字量输入通道（书上图书上图2-16）通道结构：由通道结构：由输入缓冲器、输入调理电输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路路、输入口地址译码电路构成构成输入缓冲器：三态门缓冲器输入缓冲器：三态门缓冲器74LS244（较为常见）（较为常见）输入输入缓缓冲器冲器输入输入调理调理电路电路地址译码器地址译码器PC总总线线来来自自生生产产过过程程第80页，此课件共91页哦信号调理信号调理：将现场输入的开关量状：将现场输入的开关量状态信号经态信号经转换、滤波、保护、

49、隔离转换、滤波、保护、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号的过程叫信号调理。辑信号的过程叫信号调理。K+5V+5V采用积分电路（小功率）采用积分电路（小功率）采用采用R-S触发器（小功率）触发器（小功率）第81页，此课件共91页哦信号转换电路信号转换电路1).无源无源I/V变换电路变换电路 无源无源I/V变换电路变换电路是利用是利用无源器件无源器件电电阻阻来实现，加上来实现，加上RC滤波滤波和和二极管二极管限幅限幅等保等保护，如图护，如图2-2（a）所示，其中）所示，其中R1、R2为为精密电阻。对于精密电阻。对于0 10 mA输入信号，可输入信号，可取取R1=

50、100，R2=500，这样当输入电，这样当输入电流在流在0 10 mA量程变化时，输出的电压量程变化时，输出的电压就为就为0 5 V范围；而对于范围；而对于4 20 mA输入输入信号，可取信号，可取R1=100，R2=250，这样，这样当输入电流为当输入电流为4 20 mA时，输出的电压时，输出的电压为为1 5 V。第82页，此课件共91页哦第83页，此课件共91页哦 2).2).有源有源I/VI/V变换变换 有源有源I/V变换变换是利用是利用有源器件有源器件运算放大器运算放大器和和电电阻阻电电容容组组成，如成，如图图2-2（b）所示。）所示。若取若取R1=200，R3=100k，R4=150