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文檔簡介

1、指令冗余技術(shù)當計算機系統(tǒng)受到外界干擾,破壞了 CPU正常的工作時序,可能造成程序計數(shù)器PC的值發(fā)生改變,跳轉(zhuǎn)到隨機的程序存儲區(qū)。當程序跑飛到某一單字節(jié)指令上,程序便自動納入正軌;當程序跑飛到某一雙字節(jié)指令上,有可能落到其操作數(shù)上,則CPU會誤將操作數(shù)當操作碼執(zhí)行;當程序跑飛到三字節(jié)指令上,因它有兩個操作數(shù),出錯的機率會更大。為了解決這一問題,可采用在程序中人為地插入一些空操作指令NOP或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重復書寫,此即指令冗余技術(shù)。由于空操作指令為單字節(jié)指令,且對計算機的工作狀態(tài)無任何影響,這樣就會使失控的程序 在遇到該指令后,能夠調(diào)整其PC值至正確的軌道,使后續(xù)的指令得以正確地執(zhí)行。但我們不

2、能在程序中加入太多的冗余指令,以免降低程序正常運行的效率。一般是在對程序流向起決定作用的指令之前以及影響系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要指令之前都應插入兩、三條NOP指令,還可以每隔一定數(shù)目的指令插入NOP指令,以保證跑飛的程序迅速納入正確軌道。指令冗余技術(shù)可以減少程序出現(xiàn)錯誤跳轉(zhuǎn)的次數(shù),但不能保證在失控期間不干壞事,更不能保證程序納入正常軌道后就太平無事了。解決這個問題還必須采用軟件容錯技術(shù),使系統(tǒng)的誤動作減少,并消滅重大誤動作。軟件陷阱技術(shù)指令冗余使跑飛的程序安定下來是有條件的,首先跑飛的程序必須落到程序區(qū),其次必須執(zhí)行到冗余指令。當跑飛的程序落到非程序區(qū) (如EPROM中未使用的空間、程序中的數(shù)據(jù)表格

3、區(qū))時,對此情況采取的措施就是設立軟件陷阱。軟件陷阱,就是在非程序區(qū)設置攔截措施,使程序進入陷阱,即通過一條引導指令,強行將跑飛的程序引向 一個指定的地址,在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。如果我們把這段程序的入口標號稱為ERROR的話,軟件陷阱即為一條JMP ERRORS令。為加強其捕捉效果,一般還在它前面加上兩條NOP指令,因此真正的軟件陷阱是由 3條指令構(gòu)成:NOPNOPJMP ERROR軟件陷阱安排在以下四種地方:1 )未使用的中斷向量區(qū),2)未使用的大片 ROM空間,3)程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū),4)程序區(qū)中一些指令串中間的斷裂點處。由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方,故不

4、影響程序的執(zhí)行效率, 在當前EPROM容量不成問題的條件下,還應多多安插軟件陷阱指令。Watchdog Timer 工作原理為了保證程序運行監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性,監(jiān)視系統(tǒng)中必須包括一定的硬件部分,且應完全獨立于CPU之外,但又要與CPU保持時時刻刻的聯(lián)系。 因此,程序運行監(jiān)視系統(tǒng)是硬件電路與軟件程序的巧妙結(jié)合。圖8-30給出了 Watchdog Timer的工作原理。CPU可設計成由程序確定的定時器1,看門狗被設計成另一個定時器2,它的計時啟動將因 CPU的定時訪問脈沖P1的到來而重新開始,定時器 2的定時到脈沖 P2連到CPU的復位端。兩個定時周期必須是T1v T2, T1就是CPU定時訪問定時

5、器2的周期,也就是在CPU執(zhí)行的應用程序中每隔 T1時間安插一條訪問 指令。在正常情況下,CPU每隔T1時間便會定時訪問定時器 2,從而使定時器 2重新開始計時而不會產(chǎn)生溢 出脈沖P2;而一旦CPU受到干擾陷入死循環(huán),便不能及時訪問定時器2,那么定時器2會在T2時間到達時產(chǎn)生定時溢出脈沖 P2,從而引起CPU的復位,自動恢復系統(tǒng)的正常運行程序。通信系統(tǒng)構(gòu)成信息源:需要發(fā)送的數(shù)據(jù) 發(fā)送設備:使不同種類和速率的信息源與傳輸介質(zhì)相匹配 傳輸介質(zhì):是發(fā)送設備與接收設備之間信號傳遞所經(jīng)過的媒介。例如:電磁波,紅外線,電纜、光纜、雙絞線等 接收設備:完成對發(fā)送設備的反變換數(shù)據(jù)通信的基本傳輸方式有:( 1)

6、并行通信 傳送數(shù)據(jù)的各位同時發(fā)送或接收( 2)串行通信 傳送數(shù)據(jù)的各位按順序一位一位進行發(fā)送和接收 數(shù)字信息的數(shù)字信號的編碼: 單極性編碼,雙極性編碼,歸零編碼,曼徹斯特碼,差動曼徹斯特碼將數(shù)字信號調(diào)制為模擬信號有3種方式調(diào)幅(ASK):用原始信號控制載波振幅變化,容易受干擾調(diào)頻(FSK):用原始信號控制載波頻率變化,占用較寬頻帶,受介質(zhì)制約大調(diào)相(PSK):用原始信號控制載波相率變化,抗干擾性能較好正交調(diào)制(QAM) : SAK與PSK吉合第五章I 在計算機控制系統(tǒng)中,一般要對測量數(shù)據(jù)進行哪些予處理技術(shù)? 答:在計算機控制系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)采集是最基本的一種模式。一般是通過傳感器、變送器把生產(chǎn)過程

7、的各種物理參 數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號,然后經(jīng) A/D 通道或 DI 通道,把數(shù)字量送入計算機中。計算機在對這些數(shù)字量進行顯示和控制 之前,還必須根據(jù)需要進行相應的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理離不開數(shù)值計算,而最基本的數(shù)值計算為四則運算。由于控制系統(tǒng)中遇到的現(xiàn)場環(huán)境不同,采集的 數(shù)據(jù)種類與數(shù)值范圍不同,精度要求也不一樣,各種數(shù)據(jù)的輸入方法及表示方法也各不相同。因此,為了滿足不 同系統(tǒng)的需要,設計出了許多有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)方法,如預處理,數(shù)字濾波,標度變換,查表和越限報警等。2何為數(shù)字調(diào)零?何為系統(tǒng)校準? 答:零點偏移是造成系統(tǒng)誤差的主要原因之一,因此零點的自動調(diào)整在實際應用中最多,常把這種用軟件程序進 行零點調(diào)整

8、的方法稱為數(shù)字調(diào)零。上述數(shù)字調(diào)零不能校正由傳感器本身引入的誤差。為了克服這種缺點,可采用系統(tǒng)校準處理技術(shù)。 系統(tǒng)校準的原理與數(shù)字調(diào)零差不多,只是把測量電路擴展到包括現(xiàn)場的傳感器,而且不是在每次采集數(shù)據(jù)時都 進行校準,而是在需要時人工接入標準參數(shù)進行校準測量,把測得的數(shù)據(jù)存儲起來,供以后實際測量使用。一般 自動校準系統(tǒng)只測一個標準輸入信號VR,零點漂移的補償仍由數(shù)字調(diào)零來完成。3簡述數(shù)字濾波及其特點。答:數(shù)字濾波,就是計算機系統(tǒng)對輸入信號采樣多次,然后用某種計算方法進行數(shù)字處理,以削弱或濾除干擾噪聲造成的隨機誤差,從而獲得一個真實信號的過程。這種濾波方法只是根據(jù)預定的濾波算法編制相應的程序,實

9、質(zhì)上是一種程序濾波。因而可靠性高,穩(wěn)定性好,修改濾波參數(shù)也容易,而且一種濾波子程序可以被多個通道所 共用,因而成本很低。另外,數(shù)字濾波可以對各種干擾信號,甚至極低頻率的信號進行濾波。它的不足之處是需 要占用CPU的機時。總之,數(shù)字濾波與硬件濾波器相比優(yōu)點甚多,因此得到了普遍的應用。4 簡述各種數(shù)字濾波方法的原理或算法及適用場合。答:平均值濾波就是對多個采樣值進行平均算法,這是消除隨機誤差最常用的方法。中值濾波是將信號 y的連續(xù)m次采樣值按大小進行排序,取其中間值作為本次的有效采樣值。本算法為取中值,故采樣次數(shù)m應為奇數(shù),一般35次即可。限幅濾波就是把兩次相鄰的采樣值相減,求其增量的絕對值,再與

10、兩次采樣所允許的最大差值:Y進行比較,如果小于或等于Y,表示本次采樣值y(k)是真實的,則取y(k)為有效采樣值;反之,y(k)是不真實的,則取上次采樣值y(k 1)作為本次有效采樣值。慣性濾波是模擬硬件 RC低通濾波器的數(shù)字實現(xiàn)1 簡述干擾的來源與傳播途徑。 干擾有的來自外部,有的來自內(nèi)部。外部干擾由使用條件和外部環(huán)境因素決定。如雷電或大氣電離作用以及其他氣象引起的干擾電波;天體干擾,如 太陽或其他星球輻射的電磁波;電氣設備的干擾,如廣播電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波,動力機械、高頻爐、 電焊機等都會產(chǎn)生干擾;此外,熒光燈、開關(guān)、電流斷路器、過載繼電器、指示燈等具有瞬變過程的設備也會產(chǎn) 生較大

11、的干擾;來自電源的工頻干擾也可視為外部干擾。內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝所引入的。內(nèi)部干擾環(huán)境如圖6-2所示,有分布電容、分布電感引起的耦合感應,電磁場輻射感應,長線傳輸造成的波反射;多點接地造成的電位差引入的干擾;裝置及設備中各種 寄生振蕩引入的干擾以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等引入的干擾;甚至元器件產(chǎn)生的噪聲等。干擾傳播的途徑主要有三種:靜電耦合,磁場耦合,公共阻抗耦合。2串模干擾的成因是什么?如何抑制串模干擾?答:串模干擾是指迭加在被測信號上的干擾噪聲,即干擾源串聯(lián)在信號源回路中。對串模干擾的抑制較為困難, 因為干擾Un直接與信號Us串聯(lián)。目前常采用雙絞線與濾波器兩種措施。3

12、 共模干擾的成因是什么?如何抑制共模干擾?答:共模干擾是指計算機控制系統(tǒng)輸入通道中信號放大器兩個輸入端上共有的干擾電壓,可以是直流電壓,也可 以是交流電壓,其幅值達幾伏甚至更高,這取決于現(xiàn)場產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和計算機等設備的接地情況。共模干擾電壓的抑制就應當是有效的隔離兩個地之間的電聯(lián)系,以及采用被測信號的雙端差動輸入方式。具體的 有變壓器隔離、光電隔離與浮地屏蔽等三種措施。5 在計算機控制系統(tǒng)中,敷設信號線時應注意哪些問題?選擇了合適的信號線,還必須合理地進行敷設。否則,不僅達不到抗干擾的效果,反而會引進干擾。信號線的敷 設要注意以下事項:(1)模擬信號線與數(shù)字信號線不能合用同一根電纜,要絕

13、對避免信號線與電源線合用同一根 電纜。(2)屏蔽信號線的屏蔽層要一端接地,同時要避免多點接地。(3)信號線的敷設要盡量遠離干擾源,如避免敷設在大容量變壓器、電動機等電器設備的附近。如果有條件,將信號線單獨穿管配線,在電纜溝內(nèi)從上到下 依次架設信號電纜、直流電源電纜、交流低壓電纜、交流高壓電纜。(4 )信號電纜與電源電纜必須分開,并盡量避免平行敷設。6 在計算機控制系統(tǒng)中,大致有哪幾種地?最終如何接地?在計算機控制系統(tǒng)中,大致有以下幾種地線:模擬地、數(shù)字地、信號地、系統(tǒng)地、交流地和保護地。模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。數(shù)字地作為計算機各種數(shù)字電路的零電

14、位,應該與模擬地分開,避免模擬信號受數(shù)字脈沖的干擾 系統(tǒng)地是上述幾種地的最終回流點,直接與大地相連作為基準零電位。交流地是計算機交流供電的動力線地或稱零線,它的零電位很不穩(wěn)定。保護地也叫安全地、機殼地或屏蔽地,目的是使設備機殼與大地等電位,以避免機殼帶電影響人身及設備安全。第一章一.計算機控制系統(tǒng)的分類? 1計算機控制系統(tǒng)是由常規(guī)儀表控制系統(tǒng)演變而來的,一般分成閉環(huán)控制與開環(huán)控制2閉環(huán)控制系統(tǒng)中,測量變送器對被控對象進行檢測,把被控量如溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電信號再反饋到控制器中,控制器將此測量值與給定值進行比較形成偏差輸入,并按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應的控制信號驅(qū)動 執(zhí)行器工作,執(zhí)行器產(chǎn)生

15、的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值,從而實現(xiàn)自動控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號傳遞形成了閉合回路,所以稱此為按偏差進行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。3開環(huán)控制系統(tǒng)-不同于閉環(huán)系統(tǒng),它不需要被控對象的測量反饋信號,控制器直接根據(jù)給定值驅(qū)動執(zhí)行器去控 制被控對象,所以這種信號的傳遞是單方向的。二基本計算機控制系統(tǒng)的組成?1計算機控制系統(tǒng)硬件一般包括:1主機-CPU + RAM+ ROM+系統(tǒng)總線2常規(guī)外部設備-輸入/輸出設備、3外存儲器等過程5輸入輸出通道AI、AO、DI、DO6操作臺一CRT LED LCD等7通信設備一交換機、modem、集線器等軟件組成:軟件通常分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類;

16、系統(tǒng)軟件一般由計算機廠家提供,專門用來使用和管理計 算機本身的程序;應用軟件是用戶針對生產(chǎn)過程要求而編制的各種應用程序。3控制系統(tǒng)分類:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)( DAS) 2.操作指導控制系統(tǒng)(OGC).3直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC) 4監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)(SCC .5分散控制系統(tǒng)(DCS .6現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS第二章1. 畫圖分析說明三極管型光電耦合隔離器的工作原理?,F(xiàn)以最簡單的亠極管型光電耦合隔離器為例來說明它的結(jié)構(gòu)原理,如圖2-2所示。圖光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理答:光電耦合隔離器的輸入輸出類似普通三極管的輸入輸出特性,即存在著截止區(qū)、飽和區(qū)與線性區(qū)三部分。利 用光耦隔離器的開關(guān)特性(即光敏三極

17、管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)),可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾,簡稱對數(shù)字信號進行隔離。例如在數(shù)字量輸入輸出通道中,以及在模擬量輸入輸出通道中的A/D轉(zhuǎn)換器與CPU或CPU與D/A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號的耦合傳送,都可用光耦的這種開關(guān)特性對數(shù)字信號進行隔離。2. 分析說明光耦隔離器的兩種特性及其隔離電磁干擾的作用機理。答:光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點。模擬信號隔離方法的優(yōu)點是使用少量的光耦,成本低;缺點是調(diào)試困難,如果光耦挑選得不合適,會影響A/D或D/A轉(zhuǎn)換的精度和線性度。數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)點是調(diào)試簡單,不影響系統(tǒng)的精度和線性度;缺點是使用較多的光耦器件,成本較高。但因光耦越來越價廉,數(shù)字信號隔離

18、方法的優(yōu)勢 凸現(xiàn)出來,因而在工程中使用的最多。3. 結(jié)合圖4-4,簡述信號調(diào)理電路的構(gòu)成及其各元器件的作用。答:典型的開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路如圖 2-4所示。點劃線右邊是由開關(guān) S與電源組成的外部電路,(a)是直 流輸入電路,(b)是交流輸入電路。交流輸入電路比直流輸入電路多一個降壓電容和整流橋塊,可把高壓交流(如380VAC變換為低壓直流(如5VDC)。開關(guān)S的狀態(tài)經(jīng) RC濾波、穩(wěn)壓管D1箝位保護、電阻R2限流、二極管D2 防止反極性電壓輸入以及光耦隔離等措施處理后送至輸入緩沖器,主機通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關(guān)S的狀態(tài)。比如,當開關(guān)S閉合時,輸入回路有電流流過,光耦中的發(fā)光管發(fā)光,光敏管導

19、通,數(shù)據(jù)線上為低電平,即輸入信號為“ 0”對應外電路開關(guān) S的閉合;反之,開關(guān) S斷開,光耦中的發(fā)光管無電流流過,光敏管截止,數(shù) 據(jù)線上為高電平,即輸入信號為“1”對應外電路開關(guān) S的斷開4.分析說明圖4-5脈沖計數(shù)電路的工作過程及其用途。+12VIfccg系如鐘rLrLTL<oim8253/8254TsHlGATE1CLK1ounCR n | CE |OL和光耦VCLK2計數(shù)通迪oimGATED45V o-tGATE2S易it沖計蠡輸入取賂答:圖2-5為一種定時計數(shù)輸入接口電路,傳感器發(fā)出的脈沖頻率信號,計數(shù)通道1的CLK1 口。8254是具有3個16位計數(shù)器通道的可編程計數(shù)器 式3,

20、CLK0用于接收系統(tǒng)時鐘脈沖,OUT0輸出一個周期為系統(tǒng)時鐘脈沖方波脈沖,其高、低電平時段是計數(shù)通道1的采樣時間和采樣間隔時間,分別記為為工作模式2,且OUT1串接到CLK2,使兩者構(gòu)成一個計數(shù)長度為 232的脈沖計數(shù)器, 如果獲得Ts時間內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)為n,則單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)即脈沖頻率為流量或電機的轉(zhuǎn)速值。比如,發(fā)出脈沖頻率信號的是渦輪流量計或磁電式速度傳感器, 沖相當?shù)牧髁炕蜣D(zhuǎn)數(shù))為K,則介質(zhì)的流量或電機的轉(zhuǎn)數(shù)就為n/TsK。經(jīng)過簡單的信號調(diào)理,引到8254芯片的/定時器。圖中,計數(shù)通道 0工作于模N倍(N為通道0的計數(shù)初值)的連續(xù)TS Tw;計數(shù)通道1和2均選 以對TS內(nèi)的輸入脈沖

21、計數(shù)。 n/Ts,從而可換算出介質(zhì)的 它們的脈沖當量(即一個脈5.簡述數(shù)字量輸出通道的功能及其常用的輸出驅(qū)動電路。答:數(shù)字量輸出通道簡稱 DO通道,它的任務是把計算機輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進行控制的數(shù) 字驅(qū)動信號。根據(jù)現(xiàn)場負荷的不同,如指示燈、繼電器、接觸器、電機、閥門等,可以選用不同的功率放大器件 構(gòu)成不同的開關(guān)量驅(qū)動輸出通道。常用的有三極管輸出驅(qū)動電路、繼電器輸出驅(qū)動電路、晶閘管輸出驅(qū)動電路、 固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路等。6.對比分析說明三極管輸出驅(qū)動與繼電器輸出驅(qū)動電路的異同點。答:1對于低壓情況下的小電流開關(guān)量,用功率三極管就可作開關(guān)驅(qū)動組件,其輸出電流就是輸入電流與三 極

22、管增益的乘積。2電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成,簡稱為繼電器,它分為電壓繼電器、 電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式,通過弱電控制外界交 流或直流的高電壓、大電流設備。7對比分析說明晶閘管輸出驅(qū)動與固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路的異同點。答:晶閘管又稱可控硅 (SCR,是一種大功率的半導體器件,具有用小功率控制大功率、開關(guān)無觸點等特點,在交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中應用廣泛。晶閘管是一個三端器件,其符號表示如圖2-10所示,(a)為單向晶閘管,有陽極 A、陰極K、控制極(門極)G三個極。當陽、陰極之間加正壓時,控制極與陰極兩端也

23、施加正壓使控制極電流增大到觸發(fā)電流值時,晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導通;只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小到維持電流以下,晶閘管才由導通變?yōu)榻刂?。?向晶閘管具有單向?qū)щ姽δ?,在控制系統(tǒng)中多用于直流大電流場合,也可在交流系統(tǒng)中用于大功率整流回路。固態(tài)繼電器 SSR (Solid State Relay)是一種新型的無觸點開關(guān)的電子繼電器,它利用電子技術(shù)實現(xiàn)了控制 回路與負載回路之間的電隔離和信號耦合,而且沒有任何可動部件或觸點,卻能實現(xiàn)電磁繼電器的功能,故稱為 固態(tài)繼電器。它具有體積小、開關(guān)速度快、無機械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點, 在計算機控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用,大

24、有取代電磁繼電器之勢。8結(jié)合圖2-14,簡述數(shù)字量I/O模板電路的結(jié)構(gòu)組成。2.1.4 DI/DO模板把上述數(shù)字量輸入通道或數(shù)字量輸出通道設計在一塊模板上,就稱為DI模板或DO模板,也可統(tǒng)稱為數(shù)字量I/O模板。圖2-14為含有DI通道和DO通道的PC總線數(shù)字量I/O模板的結(jié)構(gòu)框圖,由PC總線接口 邏輯、I/O功能邏輯、I/O電氣接口等三部分組成。如圖 2-14所示。七總魏接口邂無 to功能霆輯 一 悶電氣播口 、1PC總線接口邏輯部分由 8位數(shù)據(jù)總線緩沖器、基址譯碼器、輸入和輸出片址譯碼器組成。2 I/O功能邏輯部分只有簡單的輸入緩沖器和輸出鎖存器。其中,輸入緩沖器起著對外部輸入信號的緩沖、加

25、 強和選通作用;輸出鎖存器鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)或控制信號,供外部設備使用。I/O緩沖功能可以用可編程接口芯片如8255A構(gòu)成,也可以用 74LS240 244、373、273等芯片實現(xiàn)。3 I/O電氣接口部分的功能主要是:電平轉(zhuǎn)換、濾波、保護、隔離、功率驅(qū)動等。4各種數(shù)字量I/O模板的前兩部分大同小異,不同的主要在于I/O電氣接口部分,即輸入信號的調(diào)理和輸出信號的驅(qū)動,這是由生產(chǎn)過程的不同需求所決定的。第三章1 畫圖說明模擬量輸入通道的功能、各組成部分及其作用?答:模擬量輸入通道的任務(功能)是把被控對象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號 轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的數(shù)字量信號。結(jié)

26、構(gòu)組成如圖3-1所示,來自于工業(yè)現(xiàn)場傳感器或變送器的多個模擬量信號首先需要進行信號調(diào)理,然后經(jīng) 多路模擬開關(guān),分時切換到后級進行前置放大、采樣保持和模/數(shù)轉(zhuǎn)換,通過接口電路以數(shù)字量信號進入主機系統(tǒng),從而完成對過程參數(shù)的巡回檢測任務。1?"號調(diào)1AD口411111PC總戰(zhàn) LI冬逐詩入進遣腫建構(gòu)至成2.分析說明8路模擬開關(guān)CD4051的結(jié)構(gòu)原理圖,結(jié)合真值表設計出兩個CD4051擴展為一個8路雙端模擬開關(guān)的示意圖。答:現(xiàn)以常用的 CD4051為例,8路模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖3-3所示。CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路三部分組成。當禁止端為“1”時,前后級通道斷開,即S0S7端

27、與Sm端不可能接通;當為“ 0”時,則通道可以被接通,通過改變控制輸入端CB、A的數(shù)值,就可選通8個通道S0S7中的一路。比如:當C、B、A=000時,通道 S0選通;當 C B、A=001時,通道 S1通;當C、B、A = 111時,通道 S7選通。其真值表如表 3-1所示。0 12 3 4 5 6 7 SSSSSSSS譯碼驅(qū)動電平轉(zhuǎn)換A B CIN圖3-3 CD4O51結(jié)構(gòu)原理圖表3-1 CD4051的真值表輸 入卩所選通道QINH C E0 0 0 2Sh0 0 0 1001 Op0 0 12P S3*3 j0 10 0S4疳10 10 1S護0 112S護0 112S”1XXX無心注:

28、表中X表示1或0都可以。A前置放大器原理介紹前置放大器的任務是將模擬輸入小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi),如 0-5VDC;對單純的微弱信號,可用一個運算放大器進行單端同相放大或單端反相放大。如圖3-5所示,信號源的一端若接放大器的正端為同相放大,同相放大電路的放大倍數(shù)G =1+R2R1;若信號源的一端接放大器的負端為反相放大,反相放大電路的放大倍數(shù)G = -R2R1。當然,這兩種電路都是單端放大,所以信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地。在實際工程中,來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號往往帶有較大的共模干擾,而單個運放電路的差動輸入端難以起到很好的抑制作用。因此,A/D通道中的前置放大器常采

29、用由一組運放構(gòu)成的測量放大器,也稱儀表放大器,如圖3-6(a)所示。經(jīng)典的測量放大器是由三個運放組成的對稱結(jié)構(gòu),測量放大器的差動輸入端VIN 和VIN 分別是兩個運放A1、A2的同相輸入端,輸入阻抗很高,而且完全對稱地直接與被測信號相連,因而有著極強的抑制共模干擾能 力。(a)經(jīng)典的前葩大器3-6前置放大器圖中RG是外接電阻,專用來調(diào)整放大器增益的。因此,放大器的增益 系。增益公式為G與這個外接電阻 RG有著密切的關(guān)VOUT=電(2R1)Vn Vn_R2Rg目前這種測量放大器的集成電路芯片有多種,如AD521/522、INA102 等。3什么叫周期采樣?采樣時間?采樣周期?答:(1 )周期采樣

30、-就是以相同的時間間隔進行采樣,即把一個連續(xù)變化的模擬信號y(t),按一定的時間間隔 T轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r0, T, 2T,的一連串脈沖序列信號y*(t) (2)采樣時間或采樣寬度 t -采樣開關(guān)每次閉合的時間(3)采樣周期T-采樣開關(guān)每次通斷的時間間隔4 分析圖3-8采樣保持器的原理電路及工作過程。1、零階采樣保持器-零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時間內(nèi),一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻。它的組成原理電路與工作波性如圖3-8(a)、(b)所示。采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器 Ai、A和采樣開關(guān)S保持電容Ch等組成。采樣期間,開關(guān)S閉合, 輸入電壓Vin通過A1對Ch快速充電,輸出電壓 Vou

31、t跟隨Vin變化;保持期間,開關(guān) S斷開,由于A2的輸入阻抗 很高,理想情況下電容 Ch將保持電壓Vc不變,因而輸出電壓 Vout=Vc也保持恒定。釆樣 保持(町原理電路(切工作波性圖3-8采樣保持器顯然,保持電容 C H的作用十分重要。實際上保持期間的電容保持電壓VC在緩慢下降,這是由于保持電容的漏電流所致。保持電壓 VC的變化率為dVc(3-3)式中:dtChId-為保持期間電容的總泄漏電流,它包括放大器的輸入電流、開關(guān)截止時的漏電流與電容內(nèi)部的漏電流等。電容Ch值-增大電容Ch值可以減小電壓變化率,但同時又會增加充電即采樣時間,因此保持電容的容量大小與采樣精度成正比而與采樣頻率成反比。一

32、般情況下,保持電容Ch是外接的,所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高質(zhì)量的電容器,容量為5101000pF。5簡述逐位逼近式、雙積分式、電壓/頻率式的A/D轉(zhuǎn)換原理。說明逐位逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。如圖3-10所示。反饋電壓模擬量 輸入控制時序和 邏輯電路逐位逼近寄 存 5S(sar)數(shù)字量 輸出鎖存器圖3-10逐位逼近式A/Dft換原理圖當啟動信號作用后,時鐘信號在控制邏輯作用下,1首先使寄存器的最高位 D3 1,其余為0,此數(shù)字量1000經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即 VO 8, 送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量 VIN = 9進行比較,控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進行判斷。 當VIN

33、VO, 則保留D3 = 1;2再對下一位D2進行比較,同樣先使 D2 1,與上一位D3位一起即1100進入D/A轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換為 VO 12再進入比較器,與 VIN 9比較,因 VIN VO,則使D2 0;3再下一位 D1位也是如此,D1 1即1010,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO = 10,再與VIN 9比較,因VIN VO, 則使D1 0;4最后一位DO 1-即1001經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為V0 9,再與VIN 9比較,因VINVO,保留DO 1。比較完畢,寄存器中的數(shù)字量1001即為模擬量9的轉(zhuǎn)換結(jié)果,存在輸出鎖存器中等待輸出。例題3-2: 個8位A/D轉(zhuǎn)換器,設 V r+ = 5.02 V, VR = 0

34、 V,計算當VIN分別為0 V、2.5 V、5 V時所對應的 轉(zhuǎn)換數(shù)字量。解:把已知數(shù)代入公式(3-4):B = VNVR2n 二VN _ 028Vr一 Vr_5. 02 一 00 V、2.5 V、5 V時所對應的轉(zhuǎn)換數(shù)字量分別為00H、80H、FFH此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有普通型8位單路 ADC0801ADC0805 8位8路ADC08080809、8位16路ADC08180817等,混合集成高速型12位單路 AD574A、ADC803等。(a)電路組成框圖(b )雙積分原理圖20雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖在轉(zhuǎn)換開始信號控制下,開關(guān)接通模擬輸入端,輸入的模擬電壓Vin在固定時間T內(nèi)對積分器

35、上的電容 C充電(正向積分),時間一到,控制邏輯將開關(guān)切換到與Vn極性相反的基準電源上,此時電容C開始放電(反向積分),同時計數(shù)器開始計數(shù)。當比較器判定電容C放電完畢時就輸出信號,由控制邏輯停止計數(shù)器的計數(shù),并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正比于放電時間。放電時間T1或T2又正比于輸入電壓 Vn,即輸入電壓大,則放電時間長,計數(shù)器的計數(shù)值越大。因此,計數(shù) 器計數(shù)值的大小反映了輸入電壓Vin在固定積分時間T內(nèi)的平均值。此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為3位半BCD碼(二進制編碼的十進制數(shù))的ICL7107、MC14433、輸出為4位半BCD碼的ICL7135等。電壓/頻率式轉(zhuǎn)換器-簡

36、稱V/F轉(zhuǎn)換器,是把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的器件。V/F轉(zhuǎn)換的方法-實現(xiàn)V/F轉(zhuǎn)換的方法很多,現(xiàn)以常見的電荷平衡 V/F轉(zhuǎn)換法說明其轉(zhuǎn)換原理,如圖3-12( a)、( b)所示。6.結(jié)合圖3-13與圖3-14,分析說明ADC0809的結(jié)構(gòu)組成及其引腳作用。各引腳功能如下:IN0IN7: 8路模擬量輸入端。允許 8路模擬量分時輸入,共用一個A/D轉(zhuǎn)換器。ALE:地址鎖存允許信號,輸入,高電平有效。上升沿時鎖存3位通道選擇信號。A、B、C: 3位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時,地址譯碼與對應通道選擇見表3-2。START啟動A/D轉(zhuǎn)換信號,輸入,高電平有效。上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零

37、,下降沿時啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,輸出,高電平有效。0E:輸出允許信號,輸入,高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器,將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0D7: 8位數(shù)字量輸出。D0為最低位,D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存,可與主機數(shù)據(jù)總線直接相連。 CLOCK外部時鐘脈沖輸入端。當脈沖頻率為640kHz時,A/D轉(zhuǎn)換時間為100 s。VR+, VR-:基準電壓源正、負端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍,通常VR+ = 5V DC, VR- = 0V DCVcc:工作電源,5VDGGND :電源地。7.試分析圖3-15、圖3-16 ADC0809接口電路的啟動、轉(zhuǎn)換、查

38、詢或定時讀入數(shù)據(jù)的工作過程。比較說明這 兩種接口電路在硬軟件上的異同點。查詢方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)138為3線8線譯碼器,共有 54/74S138和54/74LS138兩種線路結(jié)構(gòu)型式,其主要電特性的典型值如下:當一個選通端(G1)為高電平,另兩個選通端(/(G2A)和/(G2B)為低電平時,可將地址端(A、B、C)的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。利用G1、/(G2A)和/(G2B)可級聯(lián)擴展成 24線譯碼器;若外接一個反相器還可級聯(lián)擴展成32線譯碼器?,F(xiàn)說明啟動轉(zhuǎn)換過程:MrA OUTPUTSL,1 El ECTVcc YD Yt YT T3 U Y5 YB1W1514131?1Q3

39、<) Jsti IO廠1h -a ,490HaA B C CH W Cl Y7 GND %* s*' OUTPUT接口程序如下:MOV BX BUFF ;置米樣數(shù)據(jù)區(qū)首址MOV CX, 08H;8路輸入START OUTREOC INPA AL;啟動A/D轉(zhuǎn)換AL, PB;讀 EOCRCRAL, 01;判斷 EOCJNCREOC;若EOC=Q繼續(xù)查詢INAL, PA;若EOC=1讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)MOVBX, AL;存 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)INCBX;存 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)地址加 1INCPA;接口地址加 1LOOPSTART;循環(huán)首先主機執(zhí)行一條啟動轉(zhuǎn)換第1路的輸出指令,即是把AL中的數(shù)據(jù)送

40、到地址為 PA的接口電路中,此時AL中的內(nèi)容無關(guān)緊要, 而地址PA=40H使138譯碼器的輸出一個低電平, 連同OUT輸出指令造成的低電 平,從而使非與門 02(3)產(chǎn)生脈沖信號到引腳 ALE和START ALE的上升沿將通道地址代碼 000鎖存并進行 譯碼,選通模擬開關(guān)中的第一路Vin0,使該路模擬量進入到 A/D轉(zhuǎn)換器中;同時 START的上升沿將 ADC0809中的逐位逼近寄存器 SAR清零,下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換,即在時鐘的作用下,逐位逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程開始。接著,主機查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC的狀態(tài),通過執(zhí)行輸入指令,即是把地址為PB的轉(zhuǎn)換接口電路的數(shù)據(jù)讀入AL中,此時地址PB= 0100

41、 1000 ( 48H),使138譯碼器的輸出一個低電平, 連同IN輸入指令造成的低電平, 從而使非與門02( 1)產(chǎn)生脈沖信號并選通 126三態(tài)緩沖器,使EOC電平狀態(tài)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線 D0上。然后將讀 入的8位數(shù)據(jù)進行帶進位循環(huán)右移,以判斷EOC的電平狀態(tài)。如果 EOC為0”表示A/D轉(zhuǎn)換正在進行,程序再跳回REOC反復查詢;當EOC為1”,表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。然后,主機便執(zhí)行一條輸入指令,把接口地址為PA的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入 AL中,即是輸出一個低電平,連同 IN輸入指令造成的低電平,從而使非與門 02( 2)產(chǎn)生脈沖信號,即產(chǎn)生輸出允許信號到 OE,使ADC0809內(nèi)部的 三態(tài)輸出鎖存器釋放轉(zhuǎn)換

42、數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上,并被讀入到AL中。接下來,把 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入寄存器 BX所指的數(shù)據(jù)區(qū)首地址 0000H中,數(shù)據(jù)區(qū)地址加 1,為第2路 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存放作準備; 接口地址加 1,準備接通第 2 路模擬量信號; 計數(shù)器減 1,不為 0 則返回到 START, 繼續(xù)進行下一路的 A/D 轉(zhuǎn)換。如此循環(huán),直至完成 8 路 A/D 轉(zhuǎn)換。定時方式讀 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)定時方式讀 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)的電路組成如圖 3-16 所示, 它與查詢方式不同的僅僅在于啟動 A/D 轉(zhuǎn)換后, 無需查詢 EOC引腳狀態(tài)而只需等待轉(zhuǎn)換時間,然后讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)。因此,硬件電路可以取消126三態(tài)緩沖器及其控制電路,軟件上

43、也相應地去掉查詢EOC電平的REOC程序段,而換之以調(diào)用定時子程序( CALL DELAY即可。這里定時時間應略大于 ADC0809的實際轉(zhuǎn)換時間。圖中, ADC0809的CLOCK引I腳(輸入時鐘頻率) 為640KHZ,因此轉(zhuǎn)換時間為 8X 8個時鐘周期,相當于 100卩S。這兩種方法的共同點是硬軟件接口簡單,但在轉(zhuǎn)換期間獨占了CPU時間,好在這種逐位逼近式 A/D轉(zhuǎn)換的時間只在微秒數(shù)量級。當選用雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器時,因其轉(zhuǎn)換時間在毫秒級,因此采用中斷法讀 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)的方式更為適宜。 因此, 在設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時, 究竟采用何種接口方式要根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器芯片而定。8分析說明圖

44、3-19 的 8 路 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換模板的工作原理。圖 3-19是一種 8 路 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換模板的示例。圖中只給出了總線接口與 I/O 功能實現(xiàn)部分,由 8 路模擬開 關(guān)CD4051、采樣保持器LF398、12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A和并行接口芯片8255A等組成。該模板的主要技術(shù)指標如下:分辨率:12位通道數(shù):單端8路輸入量程:單極性 010V轉(zhuǎn)換時間:25卩s 傳送應答方式:查詢 該模板采集數(shù)據(jù)的過程如下:(1) 通道選擇將模擬量輸入通道號寫入 8255A的端口 C低4位(PC3 PC0,可以依次選通8路通道。(2) 采樣保持控制把AD574A的信號通過反相器連到 LF

45、398的信號采樣保持端,當AD574A未轉(zhuǎn)換期間或轉(zhuǎn)換結(jié)束時=0,使LF398處于采樣狀態(tài),當 AD574A轉(zhuǎn)換期間=1,使LF398處于保持狀態(tài)。啟動AD574A進行A/D轉(zhuǎn)換通過8255A的端口 PC6PC4輸出控制信號啟動 AD574A。(4) 查詢AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束讀8255A的端口 A,查詢是否已由高電平變?yōu)榈碗娖健?5) 讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果若已由高電平變?yōu)榈碗娖?,則讀8255A端口 A、B,便可得到12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。設8255A的A、B、C端口與控制寄存器的地址為 2C0H-2C3H,主過程已對8255A初始化,且已裝填DS ES兩者段基值相同),采樣值存入數(shù)據(jù)段中的采樣值緩沖區(qū)BU

46、F,另定義一個8位內(nèi)存單元BUF1。該過程的數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖 3-20所示,數(shù)據(jù)采集程序如下:第四章1、D/A轉(zhuǎn)換器工作原理現(xiàn)以4位D/A轉(zhuǎn)換器為例說明其工作原理,如圖4-2所示。R-2R電阻網(wǎng)絡圖4 一 2 D / A轉(zhuǎn)換器原理圖BH0假設D3、D2、DI、DO全為 1, 端相連。根據(jù)電流定律,有:則BS3、BS2、BS1、BSO全部與 “1"I. =REF2R2" R-鬆瞌鴛瞿磐霞離課諾艦如D2、,OUT = D3 X 厶 + I)2 X 厶 + D X Z + Dq x Zq/out = (A x2 +Ax22 +D X,+A x2°)x 鵜考慮到放大器

47、反相端為虛地,故:,Rfb = OUT選取心二斤,可以得到:卩out二 /存與二-(加2+ 2x22 + 2x2'+ D。x2°)x_對于77位D/A轉(zhuǎn)換器,它的輸岀電壓&r與輸入二進制數(shù) B( Dn Do)的關(guān)系式可寫成:2"卩0豚=譏衛(wèi)加+心2+恥21 +恥2°"勢=-Bx結(jié)論:由上述推導可見,輸出電壓除了與輸入的二進制數(shù)有關(guān)還與運算放大器的反饋電阻 心以及基準電壓僉卩有關(guān)。4.2.1 DAC0832gnffiVour0-5Vo-5VVccFta ;DACO832D Qsfi 輸入 寄存器D QAGND1 V觸I ocm |Icud

48、| 曾DCS dnJ1WRiIXFER|DGNDD-74LS13S0 14 2 3 4 <J 7 yyyyyyyy GIgAigbc b a彷DeD5DJD3D2DlDOA1HASA-A6EN加As止AlAtw AEroV錢H總5 DAC0832與FC總線的單緩沖接口電路由于DAC0832內(nèi)部有輸入寄存器,所以它的數(shù)據(jù)總線可直接與主機的數(shù)據(jù)總線相連,圖4-5為DAC0832與PC總線的單緩沖接口電路,它是由DAC0832轉(zhuǎn)換芯片、運算放大器以及74LS138譯碼器和門電路構(gòu)成的的地址譯碼電路組成。圖中,0832內(nèi)的DAC寄存器控制端的和直接接地,使DAC寄存器的輸入到輸出始終直通;而輸入寄存器的控制端分別受地址譯碼信號與輸入輸出指令控制,即PC的地址線A9A0經(jīng)138譯碼器和門電路產(chǎn)生接口地址信號作為 DAC0832的片選信號,輸入輸出寫信號作為DAC0832的寫信號Dill Dlla DI« DIS DI?D16D"DI43 2 1 OO I I I I BD DD D SBVTE1/BYTE2USWRlXFETR.WRjjRn>JtoLTl/CT.T2Pfel

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