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．數(shù)字量輸入輸出通道及其設計2．模擬量輸入通道及其設計

3．模擬量輸出通道及其設計

2/6/20231

在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，要將生產(chǎn)現(xiàn)場的各種被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字計算機能夠接受的形式，計算機經(jīng)過計算、處理后的結(jié)果還須變換成適合于對生產(chǎn)進行控制的信號量。這個在計算機和生產(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。

計算機控制系統(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是把被控對象的開關狀態(tài)信號（或數(shù)字信號）傳送給計算機，簡稱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、繼電器等接點輸入信號。將接點的接通和斷開動作，轉(zhuǎn)換成TTL電平信號與計算機相連。為了清除由于接點的機械抖動而產(chǎn)生的振蕩信號，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輸入信號。為了使接點工作可靠，接點兩端至少要加24V或24V以上的直流電壓。因為直流電平的響應快，不易產(chǎn)生干擾，電路又簡單，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緩沖電路和接口地址譯碼。當CPU執(zhí)行輸入指令IN時，接口地址譯碼電路產(chǎn)生片選信號，將經(jīng)過輸入調(diào)理電路送來的過程狀態(tài)（開關信號），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寄存器設采用PC總線，接口程序為：2/6/202362.數(shù)字量輸出通道

數(shù)字量輸出通道的任務是把計算機輸出的數(shù)字信號（或開關信號）傳送給開關器件（如繼電器或指示燈），控制它們的通、斷或亮、滅，簡稱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)動電路等組成。

DO接口電路2/6/202371）數(shù)字量輸出驅(qū)動電路

輸出驅(qū)動電路的功能有兩個，一是進行信號隔離，二是驅(qū)動開關器件。

①低電壓開關信號輸出

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

圖7－7繼電器輸出驅(qū)動

一般在驅(qū)動大型設備時，往往利用繼電器作為控制系統(tǒng)輸出到輸出驅(qū)動級之間的第一級執(zhí)行機構(gòu)，通過第一級繼電器輸出，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體器件。在計算機控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅(qū)動器件，具有用較小功率控制大功率、開關無觸點等特點，在交直流電動機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中有著廣泛的應用。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CPU執(zhí)行輸出指令OUT時，接口地址譯碼電路產(chǎn)生寫數(shù)據(jù)信號，將計算機發(fā)出的控制信號送到鎖存器的輸出端，再經(jīng)輸出驅(qū)動電路送到開關器件。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)→鎖存器的輸出端設采用PC總線，接口程序為：2/6/202310

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預處理、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信號預處理

信號預處理的功能是對來自傳感器或變送器的信號進行處理。如將4mA～20mA或0～10mA電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，將熱電?Pt100或Cu50)的電阻信號經(jīng)過橋路變?yōu)殡妷盒盘柕取o源I/V變換圖7—9無源I/V變換電路無源I/V變換可以利用一個的精密電阻，將0～10mA的電流信號轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號。

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，產(chǎn)生2V的輸入電壓。該電路的放大倍數(shù)為若取，，則0～10mA輸入對應于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，多路開關的作用是用來將各路被測信號依次地或隨機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

前置放大器的任務是將模擬輸入小信號放大到轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)。當多路輸入的信號源電平相差較懸殊時，用同一增益的放大器去放大高電平和低電平的信號，就有可能使低電平信號測量精度降低，而高電平則有可能超出模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。可設計可變增益放大器，圖7－12可變增益前置放大器2/6/202315④采樣保持器采樣時，k閉合，VIN通過A1對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，采樣保持器一旦進入保持期，便應立即啟動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)和計算機之間的接口。分辨率：通常用數(shù)字量的位數(shù)n（字長）來表示，若n＝8，滿量程輸入為5.12V，則LSB對應于模擬電壓。轉(zhuǎn)換時間：從發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號有效的時間間隔，即完成n

位轉(zhuǎn)換所需要的時間。

A／D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標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的分數(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：絕對精度指滿量程輸出情況下模擬量輸入電壓的實際值與理想值之間的差值；相對精度指在滿量程已校準的情況下，整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)任一數(shù)字量輸出所對應的模擬量輸入電壓的實際值與理想值之間的最大差值。轉(zhuǎn)換精度用LSB的分數(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)換器與計算機的接口8位A/D轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機接口圖7－17ADC0809與PC總線工業(yè)控制機接口

設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A/D轉(zhuǎn)換；

ADC0809的EOC同OE輸入控制端相連接，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時，開放數(shù)據(jù)輸出緩沖器；EOC信號還連接到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(假設在主程序中已完成對8255A的初始化編程)。

圖7—18用ADC0809實現(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?shù)目刂菩盘枌崿F(xiàn)。12位A/D轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機接口AD574片內(nèi)有時鐘，無需外加時鐘信號;。該電路采用雙極性輸入方式，可對±5v或±10v模擬信號進行轉(zhuǎn)換;12／控制引腳和VLOGIC相連,接+5v;圖7-19AD574A與PC總線工業(yè)控制機接口

設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，啟動和讀取數(shù)據(jù)的程序框圖。假定已完成對8255A的初始化編程。

圖7—20啟動和讀取AD574A數(shù)據(jù)程序流程圖

2/6/2023243.模擬量輸入通道設計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增益兩種，前者適用于信號范圍固定的傳感器，后者適用于信號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)測量精度。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間或轉(zhuǎn)換速率的選擇取決于使用對象。采樣保持器(S/H)的選用取決于測量信號的變化頻率，原則上直流信號或變化緩慢的信號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輸入信號的動態(tài)范圍設輸入信號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)換當量，則動態(tài)范圍為

因此，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)為2/6/202326②輸入信號的分辨率有時對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)控制機的模擬量輸入通道模板設計為例。單極性0～10V12位分辨率轉(zhuǎn)換時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AD574A進行A/D轉(zhuǎn)換通過8255A的端口C的PC4～PC6輸出控制信號啟動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)榈碗娖健＃?）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—22一個通路一個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，是計算機和模擬系統(tǒng)之間的接口。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標分辨率：

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨串定義為基準電壓與之比值，其中n為D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。穩(wěn)定時間：輸入二進制數(shù)變化量是滿刻度時，輸出達到離終值時所需的時間。2/6/202331轉(zhuǎn)換精度：其中絕對精度是指輸入滿刻度數(shù)字量時，D/A轉(zhuǎn)換器的實際輸出值與理論值之間的最大偏差；相對精度是指在滿刻度己校準的情況下，整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)對應于任一輸入數(shù)據(jù)的實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的分數(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是線性的。在滿刻度范圍內(nèi)，實際特性與理想特性的最大偏移稱為非線性度，用LSB的分數(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)換器與計算機的接口

8位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機接口

圖7—26DAC0832與PC總線工業(yè)控制機接口

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

若要形成負電壓輸出，則需接正的基準電壓。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)控制機接口

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

端口地址譯碼器譯、、三個口地址，這三個口地址用來控制DAC1210工作方式和進行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現(xiàn)方法

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

這種雙極性輸出方式，是把最高位當作符號位使用，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／手動切換

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，當運放開環(huán)增益足夠大時，輸出電流與輸入電壓的關系只與反饋電阻有關，因而具有恒流性能。反饋電阻的值由組件的