輸入輸出過程通道

第7章輸入輸出過程通道本章主要內(nèi)容1．?dāng)?shù)字量輸入輸出通道及其設(shè)計(jì)2．模擬量輸入通道及其設(shè)計(jì)

3．模擬量輸出通道及其設(shè)計(jì)

2/6/20231

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，要將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字計(jì)算機(jī)能夠接受的形式，計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)算、處理后的結(jié)果還須變換成適合于對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行控制的信號(hào)量。這個(gè)在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間傳遞和變換信息的裝置稱為輸入輸出過程通道。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過程通道分為四類：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。

2/6/202321.數(shù)字量輸入通道

7．1數(shù)字量輸入輸出通道數(shù)字量輸入通道的任務(wù)是把被控對(duì)象的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)（或數(shù)字信號(hào)）傳送給計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱DI通道。

圖7－1數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸入通道由信號(hào)調(diào)理電路和輸入接口電路構(gòu)成。

DI接口電路2/6/202331)數(shù)字量輸入調(diào)理電路

①小功率輸入調(diào)理電路圖7—2小功率輸入調(diào)理電路

（a）采用RC濾波電路（b）采用RS觸發(fā)器從開關(guān)、繼電器等接點(diǎn)輸入信號(hào)。將接點(diǎn)的接通和斷開動(dòng)作，轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)與計(jì)算機(jī)相連。為了清除由于接點(diǎn)的機(jī)械抖動(dòng)而產(chǎn)生的振蕩信號(hào)，通常采用RC濾波電路或RS觸發(fā)電路。2/6/20234②大功率輸入調(diào)理電路

圖7—3大功率輸入調(diào)理電路

在大功率系統(tǒng)中，需要從電磁離合等大功率器件的接點(diǎn)輸入信號(hào)。為了使接點(diǎn)工作可靠，接點(diǎn)兩端至少要加24V或24V以上的直流電壓。因?yàn)橹绷麟娖降捻憫?yīng)快，不易產(chǎn)生干擾，電路又簡(jiǎn)單，因而被廣泛采用。但是這種電路所帶電壓高，容易帶有干擾，通常采用光電耦合器進(jìn)行隔離。2/6/202352）數(shù)字量輸入接口

數(shù)字量輸入接口包括信號(hào)緩沖電路和接口地址譯碼。當(dāng)CPU執(zhí)行輸入指令I(lǐng)N時(shí)，接口地址譯碼電路產(chǎn)生片選信號(hào)，將經(jīng)過輸入調(diào)理電路送來的過程狀態(tài)（開關(guān)信號(hào)），通過輸入緩沖器送到數(shù)據(jù)總線上，再送到CPU中。MOVDX,DI_PORT；接口地址DI_PORT→DXINAL,DX；過程狀態(tài)→AL寄存器設(shè)采用PC總線，接口程序?yàn)椋?/6/202362.數(shù)字量輸出通道

數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)（或開關(guān)信號(hào)）傳送給開關(guān)器件（如繼電器或指示燈），控制它們的通、斷或亮、滅，簡(jiǎn)稱DO通道。

圖7—4數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸出通道主要由輸出接口電路和輸出驅(qū)動(dòng)電路等組成。

DO接口電路2/6/202371）數(shù)字量輸出驅(qū)動(dòng)電路

輸出驅(qū)動(dòng)電路的功能有兩個(gè)，一是進(jìn)行信號(hào)隔離，二是驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件。

①低電壓開關(guān)信號(hào)輸出

圖7－5低電壓開關(guān)輸出圖7－6三極管輸出驅(qū)動(dòng)對(duì)于低電壓情況下開關(guān)量控制輸出，可采用三極管、OC門或運(yùn)放等方式輸出。2/6/20238②繼電器輸出接口

圖7－7繼電器輸出驅(qū)動(dòng)

一般在驅(qū)動(dòng)大型設(shè)備時(shí)，往往利用繼電器作為控制系統(tǒng)輸出到輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)之間的第一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過第一級(jí)繼電器輸出，可完成從低電壓直流到高電壓交流的過渡。③晶閘管輸出接口技術(shù)晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅(qū)動(dòng)器件，具有用較小功率控制大功率、開關(guān)無(wú)觸點(diǎn)等特點(diǎn)，在交直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。2/6/202392）數(shù)字量輸出接口

數(shù)字量輸出(DO)接口包括輸出鎖存器和接口地址譯碼。當(dāng)CPU執(zhí)行輸出指令OUT時(shí)，接口地址譯碼電路產(chǎn)生寫數(shù)據(jù)信號(hào)，將計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)送到鎖存器的輸出端，再經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路送到開關(guān)器件。MOVAL，DATA；DO數(shù)據(jù)→AL寄存器MOVDX，DO_PORT；接口地址DO_PORT→DXOUTDX，AL；DO數(shù)據(jù)→鎖存器的輸出端設(shè)采用PC總線，接口程序?yàn)椋?/6/202310

7．2模擬量輸入通道

1.模擬量輸入通道的一般組成

圖7—8模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu)

模擬量輸入通道一般由信號(hào)預(yù)處理、多路轉(zhuǎn)換器、前置放大器、采樣保持器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和接口邏輯電路等組成。其核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2/6/2023112.模擬量輸入通道中常用器件和電路

①信號(hào)預(yù)處理

信號(hào)預(yù)處理的功能是對(duì)來自傳感器或變送器的信號(hào)進(jìn)行處理。如將4mA～20mA或0～10mA電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，將熱電阻(Pt100或Cu50)的電阻信號(hào)經(jīng)過橋路變?yōu)殡妷盒盘?hào)等。無(wú)源I/V變換圖7—9無(wú)源I/V變換電路無(wú)源I/V變換可以利用一個(gè)的精密電阻，將0～10mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號(hào)。

2/6/202312

有源I/V變換圖7—10有源I/V變換電路有源I/V變換是利用有源器件運(yùn)算放大器和電阻組成。

利用0～10mA電流在電阻R上產(chǎn)生的輸入電壓，若取，則時(shí)，產(chǎn)生2V的輸入電壓。該電路的放大倍數(shù)為若取，，則0～10mA輸入對(duì)應(yīng)于0～5V的電壓輸出。

2/6/202313②多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，多路開關(guān)的作用是用來將各路被測(cè)信號(hào)依次地或隨機(jī)地切換到公共放大器或A/D轉(zhuǎn)換上。

CBAX接通0000X00001X1…

…0111X7

1×

×

×

全不通

圖7—11CD4051原理圖表7—1CD4051通道選擇表2/6/202314③前置放大器

前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)。當(dāng)多路輸入的信號(hào)源電平相差較懸殊時(shí)，用同一增益的放大器去放大高電平和低電平的信號(hào)，就有可能使低電平信號(hào)測(cè)量精度降低，而高電平則有可能超出模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。可設(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯笃?，圖7－12可變?cè)鲆媲爸梅糯笃?/6/202315④采樣保持器采樣時(shí)，k閉合，VIN通過A1對(duì)CH快速充電，VOUT跟隨VIN；保持期間，k斷開，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下VOUT=VC保持不變，采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，保證A/D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。圖7—14集成采樣保持器LF398的原理圖圖7—13采樣保持器的組成2/6/202316⑤A／D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，它是模擬量輸入通道的核心部件，是模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口。分辨率：通常用數(shù)字量的位數(shù)n（字長(zhǎng)）來表示，若n＝8，滿量程輸入為5.12V，則LSB對(duì)應(yīng)于模擬電壓。轉(zhuǎn)換時(shí)間：從發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號(hào)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)有效的時(shí)間間隔，即完成n

位轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。

A／D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2/6/202317線性誤差：在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。線性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示，如1/2LSB、1/4LSB等。轉(zhuǎn)換量程：所能轉(zhuǎn)換的模擬量輸入電壓范圍，如0～5V，0~10V，－5V～十5V等。

轉(zhuǎn)換精度：絕對(duì)精度指滿量程輸出情況下模擬量輸入電壓的實(shí)際值與理想值之間的差值；相對(duì)精度指在滿量程已校準(zhǔn)的情況下，整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)任一數(shù)字量輸出所對(duì)應(yīng)的模擬量輸入電壓的實(shí)際值與理想值之間的最大差值。轉(zhuǎn)換精度用LSB的分?jǐn)?shù)值來表示。

2/6/2023188位A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809圖7－15ADC0809的原理框圖及引腳2/6/20231912位A／D轉(zhuǎn)換器AD574A

圖7—16AD574A的原理框圖及引腳2/6/202320⑥A／D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口8位A/D轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口圖7－17ADC0809與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口

設(shè)8255A的A組和B組都工作于方式0，端口A為輸入口，端口C上半部分為輸入而下半部分為輸出口。ADC0809的ALE與START引腳相連接，將PC0～PC2輸出的3位地址鎖存入0809的地址鎖存器并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；

ADC0809的EOC同OE輸入控制端相連接，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，開放數(shù)據(jù)輸出緩沖器；EOC信號(hào)還連接到8255A的C口，CPU通過查詢PC7的狀態(tài)而控制數(shù)據(jù)的輸入過程。2/6/202321根據(jù)圖7－17接口方法，采用查詢方式完成8路模擬量數(shù)據(jù)采集的程序框圖(假設(shè)在主程序中已完成對(duì)8255A的初始化編程)。

圖7—18用ADC0809實(shí)現(xiàn)8路數(shù)據(jù)采集程序流程圖2/6/202322CE、和的控制通過PC2～PC0輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)實(shí)現(xiàn)。12位A/D轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口AD574片內(nèi)有時(shí)鐘，無(wú)需外加時(shí)鐘信號(hào);。該電路采用雙極性輸入方式，可對(duì)±5v或±10v模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換;12／控制引腳和VLOGIC相連,接+5v;圖7-19AD574A與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口

設(shè)8255A的A組和B組都工作于方式0，端口A、B和端口C上半部分規(guī)定為輸入，端口C的下半部分規(guī)定為輸出。A0接地，使工作于12位轉(zhuǎn)換和讀出方式;2/6/202323通過圖7－19硬件接口，在查詢方式下，啟動(dòng)和讀取數(shù)據(jù)的程序框圖。假定已完成對(duì)8255A的初始化編程。

圖7—20啟動(dòng)和讀取AD574A數(shù)據(jù)程序流程圖

2/6/2023243.模擬量輸入通道設(shè)計(jì)如果模擬輸入電壓已滿足A/D轉(zhuǎn)換量程要求，就不必再用前置放大器，前置放大器可分為固定增益和可變?cè)鲆鎯煞N，前者適用于信號(hào)范圍固定的傳感器，后者適用于信號(hào)范圍不固定的傳感器；如果在A/D轉(zhuǎn)換期間，模擬輸入電壓信號(hào)變化微小，且在A/D轉(zhuǎn)換精度之內(nèi)，也就不必選用采樣保持器。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇主要取決于系統(tǒng)測(cè)量精度。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間或轉(zhuǎn)換速率的選擇取決于使用對(duì)象。采樣保持器(S/H)的選用取決于測(cè)量信號(hào)的變化頻率，原則上直流信號(hào)或變化緩慢的信號(hào)可以不用采樣保持器。2/6/202325確定A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的方法有以下兩種：①輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)輸入信號(hào)的最大值和最小值分別為

式中n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，為轉(zhuǎn)換當(dāng)量，則動(dòng)態(tài)范圍為

因此，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)為2/6/202326②輸入信號(hào)的分辨率有時(shí)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)要求以分辨率形式給出，其定義為如果所要求的分辨率為D0，則位數(shù)例如，某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為0℃至200℃，要求分辨率為0.005（相當(dāng)于1℃），可求出A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)因此，取A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n為8位。2/6/202327

圖7－218通道12位A/D轉(zhuǎn)換模板以PC總線工業(yè)控制機(jī)的模擬量輸入通道模板設(shè)計(jì)為例。單極性0～10V12位分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)間程序查詢工作方式2/6/202328該模板采集一組數(shù)據(jù)的過程如下：（1）通道選擇將模擬量輸入的通道號(hào)寫入8255A的端口C低4位，使LF398的工作狀態(tài)受AD574A的STS控制，A/D未轉(zhuǎn)換期間，LF398處于采樣狀態(tài)。（2）啟動(dòng)AD574A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換通過8255A的端口C的PC4～PC6輸出控制信號(hào)啟動(dòng)A/D。在A/D轉(zhuǎn)換期間，，LF398處于保持狀態(tài)。（3）查詢AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束讀8255A的端口A，了解STS是否已由高電平變?yōu)榈碗娖?。?）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果若查詢到STS由1變?yōu)?，則讀8255A的端口A和B，便可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2/6/2023297．3模擬量輸出通道1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式圖7—23共用D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

圖7—22一個(gè)通路一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場(chǎng)合，可靠性較差。轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠。2/6/2023302模擬量輸出通道中常用器件和電路

①

D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，它是模擬量輸出通道的核心部件，是計(jì)算機(jī)和模擬系統(tǒng)之間的接口。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨串定義為基準(zhǔn)電壓與之比值，其中n為D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。穩(wěn)定時(shí)間：輸入二進(jìn)制數(shù)變化量是滿刻度時(shí)，輸出達(dá)到離終值時(shí)所需的時(shí)間。2/6/202331轉(zhuǎn)換精度：其中絕對(duì)精度是指輸入滿刻度數(shù)字量時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差；相對(duì)精度是指在滿刻度己校準(zhǔn)的情況下，整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)于任一輸入數(shù)據(jù)的實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差。轉(zhuǎn)換精度用最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)來表示，如土1/2LSB、土1/4LSB等。

線性度：理想的D/A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性應(yīng)是線性的。在滿刻度范圍內(nèi)，實(shí)際特性與理想特性的最大偏移稱為非線性度，用LSB的分?jǐn)?shù)來表示，如土1/2LSB、土1/4LSB等。2/6/202332

8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832圖7—24DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2/6/202333

圖7—25DAC1210內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC12102/6/202334②D/A轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口

8位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口

圖7—26DAC0832與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口

DAC0832工作在單緩沖寄存器方式；DAC0832將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成差動(dòng)的電流輸出，經(jīng)過運(yùn)算放大器A，將形成單極性電壓輸出0～＋5V；

若要形成負(fù)電壓輸出，則需接正的基準(zhǔn)電壓。將數(shù)字量轉(zhuǎn)換后得到的輸出電流通過內(nèi)部反饋電阻流到放大器的輸出端。2/6/202335圖7—27用DAC0832實(shí)現(xiàn)8位D/A轉(zhuǎn)換程序框圖

配合圖7—26硬件接口，8位D/A轉(zhuǎn)換程序框圖如圖。2/6/20233612位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口

圖7－28DAC1210轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口

端口地址譯碼器譯、、三個(gè)口地址，這三個(gè)口地址用來控制DAC1210工作方式和進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換。2/6/202337以圖7－28接口為例，其轉(zhuǎn)換接口程序框圖如圖

圖7－2912位D/A轉(zhuǎn)換程序框圖

2/6/202338③雙極性模擬量輸出的實(shí)現(xiàn)方法

為單極性輸出，若D為輸入數(shù)字量，為基準(zhǔn)參考電壓，且為位D／A轉(zhuǎn)換器，則有為雙極性輸出，且可推導(dǎo)得到

這種雙極性輸出方式，是把最高位當(dāng)作符號(hào)位使用，與單極性輸出比較，使分辨率降低1位。圖7－30D/A轉(zhuǎn)換器雙極性輸出電路2/6/202339④V／I轉(zhuǎn)換和自動(dòng)／手動(dòng)切換

電壓／電流轉(zhuǎn)換

0～10V/0～l0mA轉(zhuǎn)換圖7－310～10V/0～l0mA的轉(zhuǎn)換電路如圖，當(dāng)運(yùn)放開環(huán)增益足夠大時(shí)，輸出電流與輸入電壓的關(guān)系只與反饋電阻有關(guān)，因而具有恒流性能。反饋電阻的值由組件的