第二章過程輸入輸出通道

第二章過程輸入輸出通道第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

2、I/O通道也稱為過程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。信號(hào)輸入通路信號(hào)輸出通路模擬信號(hào)通路數(shù)字信號(hào)通路模擬量輸入通路模擬量輸出通路數(shù)字量輸入通路數(shù)字量輸出通路第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三f(t)Kf*(t)T3．采樣過程

用采樣開關(guān)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。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三香農(nóng)(Shannon)采樣定理：如果隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)的最高頻率為ωmax，只要按照采樣頻率ωS≥2ωmax進(jìn)行采樣，那么取出的樣品序列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

1）為什么要用保持器？

A/D轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，稱為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。

在轉(zhuǎn)換過程中采樣信號(hào)應(yīng)保持基本不變，否則影響轉(zhuǎn)換精度。4．保持器

2）采樣保持器的兩種工作狀態(tài)

采樣狀態(tài)：采樣保持器的輸出跟隨模擬量變化。保持狀態(tài)：采樣保持器維持輸出值不變。第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4．量化過程是用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼)來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三fmax：被轉(zhuǎn)換信號(hào)的最大值；fmin：被轉(zhuǎn)換信號(hào)的最小值；i：轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。

量化單位為：第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三§2.2模擬量輸入通道任務(wù)：完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三主要組成：

信號(hào)處理裝置（信號(hào)調(diào)理）、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器、數(shù)據(jù)放大器、A／D轉(zhuǎn)換器控制電路。第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

1、信號(hào)處理裝置（信號(hào)調(diào)理）組成：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?！飿?biāo)度變換器：作用：把經(jīng)由各種傳感器所得到的不同種類和不同電平的被測(cè)模擬信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)?！餅V波電路：作用：①濾掉干擾信號(hào)；②消除混頻現(xiàn)象?！锞€性化處理：有些電信號(hào)轉(zhuǎn)換后與被測(cè)參量呈現(xiàn)非線性。必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性化處理，使它接近線性化。

★電參量間的轉(zhuǎn)換電路：

主要進(jìn)行電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

2、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)

一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，多個(gè)信號(hào)需要轉(zhuǎn)換，利用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)多選一操作，把n路輸入信號(hào)依次（或隨機(jī)）地切換到后級(jí)，實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)各路模擬量分時(shí)采樣。

組成：開關(guān)矩陣及邏輯控制電路。開關(guān)矩陣——模擬開關(guān)的組合邏輯控制電路——在軟件或通道控制電路的控制下，以一定速度，按順序輸入被測(cè)模擬信號(hào)。第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中多采用集成電路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。如CD4051就是一種8通道的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)INH=高電平時(shí)，無論A、B、C為何值，8個(gè)開關(guān)均不通。此引腳可用于芯片擴(kuò)展。多路選擇開關(guān)的參數(shù)主要有：通道數(shù)、通道切換時(shí)間、導(dǎo)通電阻、通道間的串?dāng)n誤差等。

第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三例：CD405l組成：邏輯電平轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制譯碼器及8個(gè)開關(guān)電路。主要特性：直流供電電源：VDD＝+5V～+15V，數(shù)字信號(hào)電壓變化范圍：3～15V輸入電壓：UIN＝0～VDD，模擬信號(hào)峰峰值：15V第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三CD405l的應(yīng)用：第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三３、放大器可用儀用、可編程放大器。儀用放大器具有輸入阻抗高、零漂小、共模抑制比高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)各路信號(hào)相差較大時(shí)，可通過對(duì)放大器的編程來改變各通道放大器的放大倍數(shù)，使各路信號(hào)到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)具有大體上相同的大小，可使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號(hào)達(dá)到歸一化，提高多路數(shù)據(jù)采集的分辨力。

第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三４、采樣保持采樣保持電路：對(duì)變化的模擬信號(hào)快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過程中保持模擬信號(hào)基本不變。注：保持電容一般外接，其取值與采樣頻率和精度有關(guān)。減小CH可提高采樣頻率，但會(huì)降低精度。

第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三采樣保持器的主要參數(shù)有：采樣時(shí)間、電壓下降率等。

注：模擬信號(hào)一般不直接送A/D轉(zhuǎn)換器，而加保持器作信號(hào)保持。但是，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換速度很快且輸入信號(hào)變化緩慢時(shí)可不加保持器。

保持器的兩個(gè)工作狀態(tài)：

★

采樣狀態(tài)

★

保持狀態(tài)第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三采樣保持集成芯片LFl98主要特性：供電電源：±5V～

±18V；可以和TTL、PMOS、CMOS邏輯輸入兼容；典型保持電容：1000pF、0.01μF。第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5、A／D轉(zhuǎn)換器把通道輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過I/O接口電路送入CPU。A/D轉(zhuǎn)換器的作用：完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換方式：逐次逼近式和雙斜積分式。逐次逼近式：轉(zhuǎn)換時(shí)間短、抗干擾能力差。如ADC0809、AD574等。雙斜積分式：轉(zhuǎn)換時(shí)間長、抗干擾能力強(qiáng)。如MC14433、ILC7135等。

第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)有：１）轉(zhuǎn)換時(shí)間（轉(zhuǎn)換速度）：完成一次模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。目前常用ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾個(gè)納秒——２００納秒。２）分辨率（位數(shù)）：表示ADC對(duì)輸入信號(hào)變化的敏感程度，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)表示。如8位（ADC0809）、12位（AD574）等。分辨率為n位，表示可以對(duì)滿量程輸入的1/2n的增量作出反映，即數(shù)字量的最低有效位（LSB）對(duì)應(yīng)于滿量程輸入的1/2n。如n=8，VI=5.12v，則LSB對(duì)應(yīng)于5.12/28=20mv。第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三３）精度，也稱線性誤差：表示ADC的數(shù)字輸出量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入量的理論值和實(shí)際值之間的差值，常用最低有效位（LSB）的分?jǐn)?shù)表示，如±0.5LSB。

ADC的每個(gè)數(shù)字輸出量所對(duì)應(yīng)的模擬量不是單一的一個(gè)數(shù)值，而是一個(gè)范圍Δ。從理論上講，Δ的大小即輸出數(shù)字量的最低有效位（LSB），取決于ADC的分辨率，如對(duì)于12位的ADC，VI=5.12v，則Δ＝1.22mv。但實(shí)際上，由于外部環(huán)境的影響，Δ的大小往往偏離其理論值，偏離的程度就是ADC的精度。如上圖所示ADC的精度為。

第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三多通道模擬量輸入板：將多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、儀用放大器、接口電路集成在一塊板上。主要參數(shù)：分辨率、通道數(shù)、輸入量程（單極性和雙極性）、轉(zhuǎn)換時(shí)間、線性誤差、應(yīng)答方式（查詢、中斷）。采集過程：通道選擇、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束、讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三§2.3模擬量輸出通道功能：把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制操作。組成：D／A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。輸出保持器的作用：將前一采樣時(shí)刻的輸出信號(hào)保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻，重新得到新的連續(xù)輸出信號(hào)。第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三D/A轉(zhuǎn)換器作用：完成數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。輸出：有單極性輸出和雙極性輸出（如±５Ｖ）主要參數(shù)：１）建立時(shí)間：DAC的輸入數(shù)字量有滿量程的變化時(shí)，其輸出模擬量達(dá)到終值±1/2LSB時(shí)所需的時(shí)間，一般為幾微秒。２）分辨率（位數(shù)）：最小輸出電壓（對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量只有最低有效位為“1”）和最大輸出電壓（對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量所有有效位均“1”）之比。如N位DAC的分辨率為１／（２Ｎ－１）。常用輸入二進(jìn)制的位數(shù)來表示，如8位（DAC0832）、12位（DAC1208/1209/1210）等。分辨率為n位，表示D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制數(shù)的最低有效位LSB與滿量程輸出的1/2n相對(duì)應(yīng)。３）線性誤差：DAC理想輸入輸出特性的偏差和滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三多通道模擬輸出板將總線接口邏輯、D/A轉(zhuǎn)換器、信號(hào)變換電路等集成在一塊板上。第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1）一個(gè)輸出通路設(shè)置一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式

2）多個(gè)輸出通路共用一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式

第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字量（開關(guān)量）輸入輸出通道的基本結(jié)構(gòu)§2.4數(shù)字量（開關(guān)量）輸入輸出通道

第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字量（開關(guān)量）輸入輸出通道的組成：緩沖器：對(duì)輸入信號(hào)緩沖、放大、選通。鎖存器：將輸出信號(hào)鎖存。緩沖/鎖存功能可以由可編程接口電路（8255A等）實(shí)現(xiàn)。電氣轉(zhuǎn)換部分：濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離、功率驅(qū)動(dòng)等。第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三１輸入信號(hào)調(diào)理電路作用：對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、濾波、隔離等處理，使之成為計(jì)算機(jī)能接收的邏輯信號(hào)。

1）信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三?

直接和并行接口電路的輸入口連接?

加光電隔離電路第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2）濾波電路

用有源或無源濾波器抑制干擾。如RC低通濾波器。

第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三3）保護(hù)電路

用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬間沖擊電壓箝位在安全電平上。用二極管防止電壓反向輸入。用限流電阻和穩(wěn)壓電路作過電壓保護(hù)。

第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4）消除觸點(diǎn)抖