第二章 輸入輸出接口和輸入輸出通道2-3

1、第四節(jié)第四節(jié) I/O通道通道本節(jié)主要內(nèi)容：本節(jié)主要內(nèi)容：模擬、數(shù)字模擬、數(shù)字I/O通道的構(gòu)成、功能和設(shè)計(jì)方法；通道的構(gòu)成、功能和設(shè)計(jì)方法；D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇和使用方法；轉(zhuǎn)換器的選擇和使用方法；會(huì)設(shè)計(jì)常用的會(huì)設(shè)計(jì)常用的I/O通道。通道。I/O通道是連接計(jì)算機(jī)和工業(yè)對(duì)象（生通道是連接計(jì)算機(jī)和工業(yè)對(duì)象（生產(chǎn)過程或生產(chǎn)機(jī)械等）的必不可少的重產(chǎn)過程或生產(chǎn)機(jī)械等）的必不可少的重要部分。要部分。I/O通道的分類：通道的分類： 1. 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 2. 模擬量輸出通道模擬量輸出通道 3. 數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道 4. 數(shù)字量數(shù)字量輸出通道輸出通道I/O通道的任務(wù)：通道的任務(wù)：將檢

2、測(cè)器件測(cè)取的各種參量變換成計(jì)算機(jī)所能接受將檢測(cè)器件測(cè)取的各種參量變換成計(jì)算機(jī)所能接受的信息形式送入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)按某種算法計(jì)算后，的信息形式送入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)按某種算法計(jì)算后，又將其計(jì)算結(jié)果以數(shù)字量或轉(zhuǎn)換成模擬量的形式輸又將其計(jì)算結(jié)果以數(shù)字量或轉(zhuǎn)換成模擬量的形式輸出至被控對(duì)象，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。出至被控對(duì)象，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。一、模擬量輸入通道一、模擬量輸入通道 模擬量輸入通道完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字模擬量輸入通道完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)的任務(wù)。量送入計(jì)算機(jī)的任務(wù)。 由圖由圖2-35可以看到，它主要由信號(hào)處理裝置、采樣可以看到，它主要由信號(hào)處理裝置、采樣單元、采樣保持器

3、、數(shù)據(jù)放大器、單元、采樣保持器、數(shù)據(jù)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和控制轉(zhuǎn)換器和控制電路等部分組成。電路等部分組成。（一）信號(hào)處理裝置（一）信號(hào)處理裝置 一般包括標(biāo)度變換器、濾波電路、線性化處理及一般包括標(biāo)度變換器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等。電參量間的轉(zhuǎn)換電路等。標(biāo)度變換器：標(biāo)度變換器：把經(jīng)由各種傳感器得到的被測(cè)模擬信把經(jīng)由各種傳感器得到的被測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。號(hào)轉(zhuǎn)成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。標(biāo)度變換器包含在變送器中，電路通常為電阻網(wǎng)絡(luò)標(biāo)度變換器包含在變送器中，電路通常為電阻網(wǎng)絡(luò)或電橋。或電橋。濾波：濾波：模擬濾波、數(shù)字濾波模擬濾波、數(shù)字濾波線性化處理，線性化處理，在硬件上可采用加負(fù)反饋放

4、大器或采在硬件上可采用加負(fù)反饋放大器或采用線性化處理電路（如冷端補(bǔ)償）的辦法達(dá)到目的。用線性化處理電路（如冷端補(bǔ)償）的辦法達(dá)到目的。軟件上可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分段線性化數(shù)字處理的辦法。軟件上可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分段線性化數(shù)字處理的辦法。(二二) 采樣單元采樣單元 采樣單元也稱為多路轉(zhuǎn)換器或多路切換開關(guān)。采樣單元也稱為多路轉(zhuǎn)換器或多路切換開關(guān)。作用：把已轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一電壓信號(hào)（作用：把已轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一電壓信號(hào)（040mV）的測(cè)量）的測(cè)量信號(hào)按序或隨機(jī)的接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放信號(hào)按序或隨機(jī)的接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放大器上。即：在模擬輸入通道中，借助采樣單元把多大器上。即：在模擬輸入通道中，借助采樣單元把

5、多路模擬量分時(shí)接到路模擬量分時(shí)接到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了CPU對(duì)各路模擬量分時(shí)采集的目的。對(duì)各路模擬量分時(shí)采集的目的。組成：開關(guān)矩陣及其邏輯控制電路組成。組成：開關(guān)矩陣及其邏輯控制電路組成。1. 邏輯控制電路：在軟件或通道控制電路的控制下，保證以一邏輯控制電路：在軟件或通道控制電路的控制下，保證以一定的速度和所要求的次序一個(gè)一個(gè)的選擇被測(cè)模擬信號(hào)的輸入。定的速度和所要求的次序一個(gè)一個(gè)的選擇被測(cè)模擬信號(hào)的輸入。2.開關(guān)矩陣：由模擬開關(guān)構(gòu)成。開關(guān)矩陣：由模擬開關(guān)構(gòu)成。模擬開關(guān)：以某種方式接通或斷開模擬信號(hào)的元模擬開關(guān)：以某種方式接通或斷開模擬信號(hào)的元件或電路。件或電路。

6、要求：接通時(shí)，接觸電阻小，以減少開關(guān)壓降，要求：接通時(shí)，接觸電阻小，以減少開關(guān)壓降，精密傳送信號(hào)；斷開時(shí)，截止電阻極大，可靠的斷精密傳送信號(hào)；斷開時(shí)，截止電阻極大，可靠的斷開與其它電路的聯(lián)系；動(dòng)作速度快、驅(qū)動(dòng)功率??；開與其它電路的聯(lián)系；動(dòng)作速度快、驅(qū)動(dòng)功率??；使用壽命長(zhǎng)。使用壽命長(zhǎng)。分類：分類： 1. 機(jī)械式觸點(diǎn)或開關(guān)，如干簧（或濕簧）繼電器、水銀繼電機(jī)械式觸點(diǎn)或開關(guān)，如干簧（或濕簧）繼電器、水銀繼電器等，其優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電電阻小，開路電阻大，但響應(yīng)速度比較器等，其優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電電阻小，開路電阻大，但響應(yīng)速度比較慢，使用久了觸點(diǎn)不易清洗，易誤動(dòng)作。多用于慢，使用久了觸點(diǎn)不易清洗，易誤動(dòng)作。多用于1002

7、00點(diǎn)點(diǎn)/s以下的采樣系統(tǒng)以下的采樣系統(tǒng) 2. 晶體管開關(guān)、場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)和光電耦合開關(guān)。其優(yōu)點(diǎn)：開晶體管開關(guān)、場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)和光電耦合開關(guān)。其優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度快（可達(dá)關(guān)速度快（可達(dá)1000點(diǎn)點(diǎn)/s），使用壽命長(zhǎng)，無(wú)機(jī)械磨損，接觸），使用壽命長(zhǎng)，無(wú)機(jī)械磨損，接觸電阻低（一般小于電阻低（一般小于100 ）斷開電阻高（）斷開電阻高（109 以上），已制成以上），已制成集成電路。有集成電路。有8通道，通道，16通道，通道，32通道，如通道，如CD4051、CD4052、LF11508、LF13508。CD4051原理框圖原理框圖 改變改變OUT/IN和和IN/OUT的接法，可完成的接法，可完成“多到一多到

8、一”或或“一到多一到多”的轉(zhuǎn)換。前者稱為多路開關(guān)，后者稱為的轉(zhuǎn)換。前者稱為多路開關(guān)，后者稱為多 路 調(diào) 制 器 或 多 路 解 調(diào) 器 。 直 流 供 電 電 源多 路 調(diào) 制 器 或 多 路 解 調(diào) 器 。 直 流 供 電 電 源VDD=+5V+15V，輸入電壓，輸入電壓UIN=0VDD，能傳送的數(shù)字，能傳送的數(shù)字信號(hào)電位變化范圍位信號(hào)電位變化范圍位315V，模擬信號(hào)峰峰值，模擬信號(hào)峰峰值15V。VEE接負(fù)電源時(shí)，正負(fù)模擬電壓均可通過。接負(fù)電源時(shí)，正負(fù)模擬電壓均可通過。表表2-9 CD4051真值表真值表輸入狀態(tài)輸入狀態(tài)INHC B A接通通道號(hào)接通通道號(hào)CD4051輸入狀態(tài)輸入狀態(tài)接通通道

9、號(hào)接通通道號(hào)INHC B ACD405100000 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 100000#1#2#3#4#5#6#7#(三三) 采樣保持采樣保持 在一般的在一般的A/D轉(zhuǎn)換電路中，由于輸入的模擬轉(zhuǎn)換電路中，由于輸入的模擬量變化頻率較高，而且量變化頻率較高，而且A/D轉(zhuǎn)換速度又不是很轉(zhuǎn)換速度又不是很高，以及多個(gè)過程參量輸入的情況下，僅僅高，以及多個(gè)過程參量輸入的情況下，僅僅靠靠A/D轉(zhuǎn)換器難以保證轉(zhuǎn)換的精度。這時(shí)候一轉(zhuǎn)換器難以保證轉(zhuǎn)換的精度。這時(shí)候一般要在般要在A/D轉(zhuǎn)換之前加上采樣保持器，使得在轉(zhuǎn)換之前加上采樣保持器，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間保持輸

10、入模擬信號(hào)不變。轉(zhuǎn)換期間保持輸入模擬信號(hào)不變。 采樣保持器的作用：保證模擬信號(hào)采樣的準(zhǔn)采樣保持器的作用：保證模擬信號(hào)采樣的準(zhǔn)確度。確度?？讖綍r(shí)間：孔徑時(shí)間：A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量總需要一定的時(shí)間，完成一次字量總需要一定的時(shí)間，完成一次A/D轉(zhuǎn)換所轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)來說，需要的時(shí)間。對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)來說，孔徑時(shí)間決定了每一個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)化誤孔徑時(shí)間決定了每一個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)化誤差。差。0UttA/Dt1t0U圖2-38 由tA/D引起的不確定誤差電壓令正弦模擬信號(hào)令正弦模擬信號(hào) U=UmsintdUdt= Um cost=

11、 Um 2 f cost結(jié)論：對(duì)于一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，最大可能的誤結(jié)論：對(duì)于一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，最大可能的誤差發(fā)生在信號(hào)過差發(fā)生在信號(hào)過0的時(shí)刻的時(shí)刻Um為正弦模擬信號(hào)的幅值；為正弦模擬信號(hào)的幅值；f為信號(hào)頻率為信號(hào)頻率在坐標(biāo)原點(diǎn)上在坐標(biāo)原點(diǎn)上dUdt= Um 2 f 取取t = tA/D，則原點(diǎn)處轉(zhuǎn)換的不確定電壓誤差為，則原點(diǎn)處轉(zhuǎn)換的不確定電壓誤差為 U= Um 2 f tA/D誤差的百分?jǐn)?shù)誤差的百分?jǐn)?shù) =U100 Um=2 f tA/D 100例：一個(gè)例：一個(gè)10位的位的A/D轉(zhuǎn)換器，若要求轉(zhuǎn)換精度為轉(zhuǎn)換器，若要求轉(zhuǎn)換精度為0.1%，孔徑時(shí)間，孔徑時(shí)間10s，則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信，則允許轉(zhuǎn)換的

12、正弦波模擬信號(hào)的最大頻率為號(hào)的最大頻率為 f = 0.12 10 10-6 102s 16Hz采樣保持電路組成：輸入緩沖放大器采樣保持電路組成：輸入緩沖放大器A1 、模擬、模擬開關(guān)開關(guān)AS、模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容、模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容CH、輸出緩沖放大輸出緩沖放大器器A2+-A2-+A1輸入控制信號(hào)ASCH輸出采樣保持電路的兩個(gè)工作狀態(tài)：采樣保持電路的兩個(gè)工作狀態(tài)：采樣狀態(tài)：當(dāng)模擬開關(guān)采樣狀態(tài)：當(dāng)模擬開關(guān)AS閉合時(shí)，進(jìn)入采樣狀態(tài)閉合時(shí)，進(jìn)入采樣狀態(tài)保持狀態(tài)：當(dāng)模擬開關(guān)保持狀態(tài)：當(dāng)模擬開關(guān)AS斷開時(shí)，進(jìn)入保持狀態(tài)斷開時(shí)，進(jìn)入保持狀態(tài)快速系統(tǒng)需要采樣保持電路：快速系統(tǒng)需要采樣保持電路：在模擬輸入通道中，只有

13、在信號(hào)變化頻率較高在模擬輸入通道中，只有在信號(hào)變化頻率較高而而A/D轉(zhuǎn)換速度又不高，以致孔徑誤差影響轉(zhuǎn)換精轉(zhuǎn)換速度又不高，以致孔徑誤差影響轉(zhuǎn)換精度時(shí)，或者要求同時(shí)（還是有先有后）采樣多個(gè)過度時(shí)，或者要求同時(shí)（還是有先有后）采樣多個(gè)過程參量的情況下，才需要設(shè)置采樣保持電路，對(duì)于程參量的情況下，才需要設(shè)置采樣保持電路，對(duì)于石油、化工等變化緩慢的生產(chǎn)過程（一般信號(hào)頻率石油、化工等變化緩慢的生產(chǎn)過程（一般信號(hào)頻率在在1Hz之內(nèi)）只需要采樣單元，采樣保持電路是不之內(nèi)）只需要采樣單元，采樣保持電路是不必要的。必要的。（四）數(shù)據(jù)放大器（四）數(shù)據(jù)放大器 由采樣單元或采樣保持器輸出的被測(cè)電壓由采樣單元或采樣保持

14、器輸出的被測(cè)電壓信號(hào)通常是信號(hào)通常是040mV的弱信號(hào)，而的弱信號(hào)，而A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器要求輸入電壓一般都是要求輸入電壓一般都是0+5V、0+10V、5V、10V。因此須經(jīng)放大器，從而提高。因此須經(jīng)放大器，從而提高輸出電平，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配?；蚪?jīng)差分放大提輸出電平，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配?；蚪?jīng)差分放大提高共模抑制比，然后才能送高共模抑制比，然后才能送A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。（五）（五）A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 在第六節(jié)專門介紹在第六節(jié)專門介紹模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的過程可以劃分為模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的過程可以劃分為采采樣過程樣過程和和量化過程量化過程。（一）采樣過程（一）采樣過程 將模擬信號(hào)按一定時(shí)間間隔抽樣成離

15、散模將模擬信號(hào)按一定時(shí)間間隔抽樣成離散模擬信號(hào)的過程。擬信號(hào)的過程。二、采樣與量化二、采樣與量化采樣周期采樣周期T采樣時(shí)間采樣時(shí)間采樣時(shí)刻采樣時(shí)刻Shannon定理：定理：s2 max max 為被采樣的輸入信號(hào)為被采樣的輸入信號(hào)f(t)中所含最高頻率（角頻中所含最高頻率（角頻率）；率）； s 為采樣頻率（角頻率）；為采樣頻率（角頻率）；即當(dāng)滿足采樣頻率大于或等于模擬輸入信號(hào)所含最即當(dāng)滿足采樣頻率大于或等于模擬輸入信號(hào)所含最高頻率的兩倍時(shí)，就可以通過理想的低通濾波器，高頻率的兩倍時(shí)，就可以通過理想的低通濾波器，由由f*(t)完全恢復(fù)出完全恢復(fù)出f (t)。工程上，一般總?cè)?shí)際采樣頻率工程上，一

16、般總?cè)?shí)際采樣頻率s比比2 max大大s（410 ）max，過程慣性越大，倍數(shù)可取得，過程慣性越大，倍數(shù)可取得越大。越大。（二）量化過程（二）量化過程 用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近逼近離散模擬信號(hào)的離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 量化單位：量化后二進(jìn)制數(shù)的最低位所對(duì)應(yīng)的模擬量化單位：量化后二進(jìn)制數(shù)的最低位所對(duì)應(yīng)的模擬量的值量的值 。 量化誤差最大值為量化誤差最大值為12minmaxiffq2qfmax和和fmin分別為轉(zhuǎn)換信號(hào)的最大值和最小值分別為轉(zhuǎn)換信號(hào)的最大值和最小值i轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)例：例：模擬信

17、號(hào)模擬信號(hào)fmax=16V、fmin=0V，取，取i=4，則，則q=1V，量化誤差最大值量化誤差最大值emax= = 0.5V q 2采樣時(shí)刻采樣時(shí)刻 采樣值采樣值(V) 量化值量化值采樣時(shí)刻采樣時(shí)刻 采樣值采樣值(V) 量化值量化值 0T 4.9 01011T 4.1 01002T 7.5 10003T 9.4 10015T 11.2 10116T 11 .0 10117T 8.8 10018T 6.7 0111三、模擬量輸出通道三、模擬量輸出通道功能：把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）轉(zhuǎn)功能：把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回?fù)Q成模擬量，并輸出到被選中的某一控制

18、回路上，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動(dòng)作。路上，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動(dòng)作。組成：組成：D/A轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路切轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路切換開關(guān)、低通濾波電路和功放電路等。換開關(guān)、低通濾波電路和功放電路等。零階保持器零階保持器定義：前一采樣時(shí)刻的輸出值原封不動(dòng)的定義：前一采樣時(shí)刻的輸出值原封不動(dòng)的（理想化大）保持到下一采樣時(shí)刻到來。（理想化大）保持到下一采樣時(shí)刻到來。零階保持器的種類：零階保持器的種類： 1. 采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多圈電位器采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多圈電位器 2. 采用和模擬量輸入通道中的采樣保持器一樣采用和模擬量輸入通道中的采樣保持器一樣 的電的電容保持電路容保持電路加輸出保持器后的輸

19、出信號(hào)為階梯狀的模擬加輸出保持器后的輸出信號(hào)為階梯狀的模擬信號(hào)，必須經(jīng)濾波電路，使階梯變得平滑。有信號(hào)，必須經(jīng)濾波電路，使階梯變得平滑。有的執(zhí)行部件（電動(dòng)機(jī)）能起濾波作用。的執(zhí)行部件（電動(dòng)機(jī)）能起濾波作用。 四、模擬量輸入輸出通道的工作過程分析四、模擬量輸入輸出通道的工作過程分析五、數(shù)字量輸入輸出通道五、數(shù)字量輸入輸出通道1）TTL電平編碼數(shù)字電平編碼數(shù)字 TTL電平的編碼數(shù)字電平的編碼數(shù)字直接接到輸入端口上直接接到輸入端口上 可靠性要求很高的場(chǎng)合可靠性要求很高的場(chǎng)合加光電隔離電路加光電隔離電路2）脈沖序列）脈沖序列頻率不高頻率不高軟件計(jì)數(shù)（查詢或中斷方式對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)）軟件計(jì)數(shù)（查詢或中斷方式對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)）頻率高頻率高外加硬件電路，用計(jì)數(shù)器外加硬件電路，用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器定時(shí)器8253，計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)值隨時(shí)準(zhǔn)確的讀入隨時(shí)準(zhǔn)確的讀入CPU3）開關(guān)量）開關(guān)量接通或斷開的信號(hào)（如按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、撥碼開關(guān)、繼接通或斷開的信號(hào)（如按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、撥碼開關(guān)、繼電器或來自現(xiàn)場(chǎng)的行程開關(guān)）電器或來自現(xiàn)場(chǎng)的行程開關(guān)）先經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路，將先經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路，將觸點(diǎn)的通斷轉(zhuǎn)換成高電平或低電平，同時(shí)要考慮觸點(diǎn)的通斷轉(zhuǎn)換成高電平或低電平，同時(shí)要考慮 濾波，濾波，