1、 第三章第三章 輸入輸出接口與信息通道技術輸入輸出接口與信息通道技術3.1 3.1 數字量輸入輸出通道數字量輸入輸出通道3.2 3.2 模擬量輸入通道模擬量輸入通道3.3 3.3 模擬量輸入通道模擬量輸入通道3.4 3.4 人人- -機交互通道機交互通道一、信息通道的概念一、信息通道的概念信息通道包括信息通道包括過程通道過程通道和和人人- -機交互通道機交互通道。 計算機控制系統基本原理圖計算機控制系統基本原理圖r r給定值給定值計算機計算機 - -被控量被控量控制器控制器執行機構執行機構被控對象被控對象A/DA/DD/AD/A過程（輸入輸出）通道：是計算機和工業生產過程相互交過程（輸入輸出）

2、通道：是計算機和工業生產過程相互交換信息的橋梁。換信息的橋梁。 1.1.過程通道過程通道（掌握）（掌握）過程通道的組成過程通道的組成1根據過程信息的性質及傳遞方向，過程輸入輸出根據過程信息的性質及傳遞方向，過程輸入輸出通道分類如下：通道分類如下：模擬量輸入通道：模擬量輸入通道：模擬量輸出通道：模擬量輸出通道：生產過程的參數生產過程的參數( (如溫度、壓力、流量、速度、位如溫度、壓力、流量、速度、位移等移等) )一般是隨時間連續變化的模擬量，通過檢測一般是隨時間連續變化的模擬量，通過檢測元件或變送器將其元件或變送器將其轉換為對應的模擬電壓或電流，轉換為對應的模擬電壓或電流，并轉化為數字信號的過程

3、并轉化為數字信號的過程；把微機輸出的把微機輸出的數字控制信號轉換為模擬信號（電壓數字控制信號轉換為模擬信號（電壓或電流）或電流）并傳輸給被控對象的過程；并傳輸給被控對象的過程；數字量數字量( (開關量開關量) )輸入通道：輸入通道：數字量數字量( (開關量開關量) )輸出通道：輸出通道： 拾起或檢測反映生產過程或設備工況的拾起或檢測反映生產過程或設備工況的開關信號開關信號（如繼電器接點、行程開關、按紐等）、（如繼電器接點、行程開關、按紐等）、脈沖信號脈沖信號（如速度、位移、流量脈沖等）并傳輸給微機的過（如速度、位移、流量脈沖等）并傳輸給微機的過程；程；將數字信號從微機傳輸給那些將數字信號從微機

4、傳輸給那些接受數字信號的執接受數字信號的執行機構行機構和顯示、指示裝置的過程。和顯示、指示裝置的過程。過程輸入輸出通道示意圖過程輸入輸出通道示意圖過程通道過程通道與與CPUCPU交換的信息類型交換的信息類型2 3 3控制信息控制信息：用來控制過程通道的啟動和停止等：用來控制過程通道的啟動和停止等 信息，如三態門的打開和關閉、觸發器的啟動信息，如三態門的打開和關閉、觸發器的啟動 等。等。2 2狀態信息狀態信息：又叫協議信息，如應答信息、握手信：又叫協議信息，如應答信息、握手信 息，它反映過程通道的狀態，如準備就緒信號。息，它反映過程通道的狀態，如準備就緒信號。 過程輸入輸出通道與過程輸入輸出通道

5、與CPUCPU交換的信息類型有三種：交換的信息類型有三種：注意：注意：在過程輸入輸出通道中，必須設置一個與在過程輸入輸出通道中，必須設置一個與CPUCPU聯系的接口聯系的接口電路，傳送數據信息、狀態信息和控制信息。電路，傳送數據信息、狀態信息和控制信息。 1 1數據信息數據信息：反映生產現場的參數及狀態的信：反映生產現場的參數及狀態的信 息，它包括數字量、開關量和模擬量。息，它包括數字量、開關量和模擬量。過程通道的過程通道的編址方式編址方式3 2 2過程通道與存儲器獨立編址方式過程通道與存儲器獨立編址方式1 1過程通道與存儲器統一編址方式過程通道與存儲器統一編址方式 由于計算機控制系統一般都有

6、多個過程輸入輸出通由于計算機控制系統一般都有多個過程輸入輸出通道，因此需對每一個過程輸入輸出通道安排地址。道，因此需對每一個過程輸入輸出通道安排地址。過程通道編址方式有兩種：過程通道編址方式有兩種：2.2.人人- -機交互通道機交互通道 主要功能是實現人主要功能是實現人- -機對話，實現操作人員與計算機機對話，實現操作人員與計算機之間的信息交流。之間的信息交流。二、輸入輸出接口二、輸入輸出接口（掌握）（掌握） 接口電路起著連接過程通道與接口電路起著連接過程通道與CPUCPU的橋梁作用，的橋梁作用，它的基本任務有：它的基本任務有： 1 1控制信息的傳遞路徑：控制信息的傳遞路徑：即根據控制的任務在

7、即根據控制的任務在眾多的信息源中進行選擇；眾多的信息源中進行選擇； 2 2控制信息傳送的順序：控制信息傳送的順序：計算機控制的過程就計算機控制的過程就是執行程序的過程，為確保進程正確無誤，接口電是執行程序的過程，為確保進程正確無誤，接口電路應根據控制程序的要求，適時地發出一組有序的路應根據控制程序的要求，適時地發出一組有序的門控信號。以確定該信息傳送的路徑和目的地。門控信號。以確定該信息傳送的路徑和目的地。 在過程通道接口電路設計中應解決以下問題：在過程通道接口電路設計中應解決以下問題： 1 1觸發方式：觸發方式：有序的門控信號的主要作用就是有序的門控信號的主要作用就是嚴格遵循系統工作時序要求

8、，適時對系統中某個或某嚴格遵循系統工作時序要求，適時對系統中某個或某些特定部件發出開啟或關閉些特定部件發出開啟或關閉( (觸發觸發) )信號，這必然涉及信號，這必然涉及到同步觸發和異步觸發的方式。到同步觸發和異步觸發的方式。 2 2時序：時序：控制邏輯的結構有組合控制邏輯與存控制邏輯的結構有組合控制邏輯與存儲控制邏輯兩種類型，不管哪種類型都要嚴格遵守規儲控制邏輯兩種類型，不管哪種類型都要嚴格遵守規定的操作步驟，每一個操作步驟又都是在一組有序的定的操作步驟，每一個操作步驟又都是在一組有序的控制信號驅動下實現的。控制信號驅動下實現的。 3.3.負載能力：負載能力：一旦控制邏輯確定后，系統能否可一旦

9、控制邏輯確定后，系統能否可靠運行與器件的選擇關系密切，器件的選擇除了要考靠運行與器件的選擇關系密切，器件的選擇除了要考慮電平的擺幅、數值、延時外，還應考慮器件所帶負慮電平的擺幅、數值、延時外，還應考慮器件所帶負載是否匹配。載是否匹配。 3.1 3.1 數字量輸入輸出通道數字量輸入輸出通道數字量輸入信號：開關閉合與斷開，繼電器吸合與釋放（檢測）數字量輸入信號：開關閉合與斷開，繼電器吸合與釋放（檢測）數字量輸出信號：指示燈亮滅，電機的啟和停，閥門的開閉（控制）數字量輸出信號：指示燈亮滅，電機的啟和停，閥門的開閉（控制）數字量信號的兩個狀態：數字量信號的兩個狀態：導通導通和和截止截止變換為二進制變換

10、為二進制0 0和和1 1來表示來表示3.1.13.1.1數字量輸入輸出接口技術（掌握）數字量輸入輸出接口技術（掌握）1.1.數字量輸入接口數字量輸入接口2.2.數字量輸出接口數字量輸出接口3.1.23.1.2數字量輸入輸出通道數字量輸入輸出通道結構（掌握）： 數字量輸入輸出通道一般由三部分組成：輸入輸出地址譯碼電路、輸入緩沖器輸出鎖存器、輸入輸出電氣接口亦即數字量輸入信號調理輸出信號驅動電路。各種數字量輸入輸出電氣接口作用：主要完成濾波、電平轉換、隔離和功率驅動等功能。輸入緩沖器功能：對輸入信號緩沖、加強和選通；輸出鎖存器功能：對輸出信號鎖存供外圍設備使用；1 1）信號轉換處理）信號轉換處理

11、從工業現場獲取的開關量或數字量，在邏輯上從工業現場獲取的開關量或數字量，在邏輯上表現為邏輯表現為邏輯“1”1”或邏輯或邏輯“0”0”，信號形式則可能是，信號形式則可能是電壓、電流信號或開關的通斷，其幅值范圍也往往電壓、電流信號或開關的通斷，其幅值范圍也往往不符合數字電路的電平范圍要求，因此必須進行轉不符合數字電路的電平范圍要求，因此必須進行轉換處理。換處理。對于電壓輸入，V2某一值，為邏輯1對于電流輸入，V2某一值，為邏輯1數字量輸入信號調理和信號隔離（數字量輸入信號調理和信號隔離（了解了解）1電壓輸入電路如果是電壓輸入，R1和R2電阻分壓，使得V2符合TTL邏輯規范V1V212212VRRR

12、V電流輸入電路如果是電流輸入，I在電阻R2上的壓降符合TTL邏輯規范22RIV開關觸點輸入電路對于開關輸入，S斷開，V2=5V，為邏輯“1” S閉合，V2=0V，為邏輯“0”V22）安全保護措施 在設計一個計算機控制系統時，必須針對可能出現的輸入過電壓、瞬間尖峰或極性接反的情況，預先采取安全保護措施。 信號轉換電路，雖然也考慮邏輯電平問題，但在工業應用中，還可能出現意外的過電壓（電流），瞬間干擾等。 就是非工業控制應用也可能出現瞬間尖峰過電壓（過電流），例如雷電引起的等。因此還需要有安全保護電路。常用的保護電路為：輸入保護電路電平轉換與保護電路組合使用的一個例子：這時，我們可以把分壓電阻去掉，

13、用穩壓二極管3 3）隔離隔離處理處理 從工業現場獲取的開關量或數字量的信號電平往往高于計算機系統的邏輯電平； 即使輸入開關量電壓本身不高，也有可能從現場引入意外的高壓信號； 因此必須采取電隔離措施，以保障計算機系統的安全。 常用的隔離措施是采用光電耦合器件實現的。 下圖給出了兩種開關量光電耦合輸入電路，它們除了實現電氣隔離之外，還具有電平轉換功能。工業控制的現場開關，一般使用24VDC電源。注意：現場側和CPU側兩邊沒有電的聯系（獨立的電源和地線）現場側CPU側機械式按鍵再按下或釋放時，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才穩定下來。抖動時間的長短與開關的機械特

14、性有關，一般為510 ms。4 4）消除觸點抖動消除觸點抖動閉合穩定鍵按下前沿抖動后沿抖動去抖的方法：去抖的方法： 軟件（延時） 硬件 在硬件上可采用在輸出端加R-S觸發器(雙穩態觸發器)或單穩態觸發器構成去抖動電路。1）隔離處理 當計算機控制系統的開關量輸出信號用于控制較大功率的設備時，為防止現場設備上的強電磁干擾或高電壓通過輸出控制通道進入計算機系統，一般需要采取光電隔離措施隔離現場設備和計算機系統。 下圖是采用了光電隔離的開關量輸出電路。 數字量輸出信號數字量輸出信號隔離隔離和驅動電路（和驅動電路（了解了解）2低壓小功率開關量輸出2 ）開關量輸出驅動電路）開關量輸出驅動電路 小功率低壓開

15、關量輸出 功率場效應輸出 繼電器輸出 可控硅輸出 小功率低壓開關量輸出小功率低壓開關量輸出 對于低壓小功率開關量輸出，可采用晶體管、對于低壓小功率開關量輸出，可采用晶體管、OCOC門或運放等方式輸出。門或運放等方式輸出。 下圖給出的兩種電路一般僅能提供幾十毫安級的下圖給出的兩種電路一般僅能提供幾十毫安級的輸出驅動電流，可以驅動低壓電磁閥、指示燈等。輸出驅動電流，可以驅動低壓電磁閥、指示燈等。低壓小功率開關量輸出 功率場效應輸出功率場效應輸出 功率場效應管功率場效應管(MOSFET)(MOSFET)是壓控電子開關，只要在是壓控電子開關，只要在其柵極其柵極G G和源極和源極S S之間加上足夠的控制

16、電壓，漏極之間加上足夠的控制電壓，漏極D D和和源極源極S S之間可導通。之間可導通。 MOSFETMOSFET的柵極控制電流為微安級，而導通后漏極的柵極控制電流為微安級，而導通后漏極D D和源極和源極S S之間允許通過較大的電流。之間允許通過較大的電流。 例如例如IRF640IRF640導通時，導通時，D D、S S間允許通過的最大電流間允許通過的最大電流可達可達1818安培。安培。功率場效晶體管的典型使用方法 繼電器輸出繼電器輸出 繼電器經常用于計算機控制系統中的開關量輸出功率放大即利用繼電器作為計算機輸出的執行機構，通過繼電器的觸點控制較大功率設備或控制接觸器的通斷以驅動更大功率的負載，

17、從而完成從直流低壓到交流(或直流)高壓、從小功率到大功率的轉換。 使用繼電器輸出時，為克服線圈反電勢，常在繼電器的線圈上并聯一個反向二級管。繼電器輸出也可以提供電氣隔離功能，但其觸點在通斷瞬間往往容易產生火花而引起干擾，還是必須予以注意的，一般可采用阻容電路予以吸收。繼電器式開關量輸出繼電器式開關量輸出帶光電隔離的繼電器輸出接口電路 可控硅輸出可控硅輸出 作為一種大功率半導體無觸點開關器件，可控硅具有以較小的功率來控制大功率的特點，因此在計算機控制系統中被廣泛地用作功率執行元件，一般是由計算機發出數字觸發脈沖信號實現其通斷控制。光電隔離的雙向可控硅輸出3.2 3.2 模擬模擬量輸入通道量輸入通

18、道( (掌握掌握) ) 模擬輸入通道的作用是實現模擬待測信號與主控微處理器之間模擬輸入通道的作用是實現模擬待測信號與主控微處理器之間的接口，一般由傳感器、信號調理電路、多路模擬開關、放大器、的接口，一般由傳感器、信號調理電路、多路模擬開關、放大器、采樣保持器采樣保持器(S/H)(S/H)和和A/DA/D轉換器組成。其中轉換器組成。其中A/DA/D轉換器是實現模擬待轉換器是實現模擬待測信號到數字信號之間轉換的關鍵部件。測信號到數字信號之間轉換的關鍵部件。 模擬量輸入通道根據不同的應用要求，可以有不同的結構形式。模擬量輸入通道根據不同的應用要求，可以有不同的結構形式。1 1、單路模擬量輸入通道、單

19、路模擬量輸入通道2 2、多路模擬量輸入通道、多路模擬量輸入通道接口電路信號處理信號處理信號處理傳感器1傳感器2傳感器nA/D轉換器多路開關采樣保持微型計算機1 1、多路轉換器、多路轉換器多路轉換器又稱多路開關，它是用來多路轉換器又稱多路開關，它是用來切換切換模擬電壓模擬電壓信號的關鍵元件。信號的關鍵元件。多路開關功能：多路開關功能：把多個模擬量參數分時地接通并送入把多個模擬量參數分時地接通并送入A/DA/D轉換器，即完成多到一的轉換（轉換器，即完成多到一的轉換（輸入輸入）；或者把經）；或者把經計算機處理，且由計算機處理，且由D/AD/A轉換器轉換成的模擬信號按一定轉換器轉換成的模擬信號按一定的

20、順序輸出到不同的控制回路（或外部設備）中，即的順序輸出到不同的控制回路（或外部設備）中，即完成一到多的轉換（完成一到多的轉換（輸出輸出）。）。3.2.1模擬量輸入通道中的常用器件及電路模擬量輸入通道中的常用器件及電路理想多路開關要求：理想多路開關要求：開路電阻應為無窮大，接通時開路電阻應為無窮大，接通時的導通電阻應為零，切換速度快、噪聲小、壽命長、的導通電阻應為零，切換速度快、噪聲小、壽命長、工作可靠。工作可靠。實際多路開關性能：實際多路開關性能：導通電阻導通電阻1010幾歐，開關速度幾百幾歐，開關速度幾百納秒納秒多類開關的分類：多類開關的分類：1) 1) 單向多路開關單向多路開關(1(1對多

21、或多對對多或多對1)1)，如，如AD7501AD7501（8 8路）、路）、AD8506(16AD8506(16路路) )；2) 2) 雙向多路開關（雙向多路開關（1 1對多且多對對多且多對1 1），如），如CD4051CD4051；3 3）矩陣多路開關（多對多），如）矩陣多路開關（多對多），如MT8816MT8816；多路開關實例：多路開關實例：CD4051CD4051（雙向）（雙向） CD4051是8通道多路開關帶有3個通道選擇輸入端A、B、C，用于選擇8個通道之一一個禁止輸入端INH，高電平時，禁止模擬信號輸入；低電平時允許模擬信號輸入CD4051CD4051的真值表的真值表 輸入狀態輸

22、入狀態接通通道接通通道在實際應用中，如果被測參數多于8路，可以采用將多個CD4051 相連進行擴展。*由由D0D1D2D3來選擇來選擇16路路通道之一通道之一*其中其中D30，選中，選中1*其中其中D31，選中，選中2CD4051多路開關的擴展應用問題：問題：模擬信號進行模擬信號進行 A AD D 轉換時，從啟動轉換到轉換時，從啟動轉換到轉換結束輸出數字量，需要一定的轉換時間，轉換結束輸出數字量，需要一定的轉換時間，當輸入信號變化較大時，會造成很大的轉換當輸入信號變化較大時，會造成很大的轉換誤差。誤差。解決方法：解決方法： 采用一種器件，在采用一種器件，在A AD D轉換時保持住輸入轉換時保持

23、住輸入信號電平，在信號電平，在A AD D轉換結束后跟蹤輸入信轉換結束后跟蹤輸入信號的變化。號的變化。這種功能的器件就是采樣保持器。這種功能的器件就是采樣保持器。2 2、采樣保持器、采樣保持器采樣保持器的一般結構形式如圖所示。采樣保持器的一般結構形式如圖所示。 模擬信號模擬信號U Ui iK K驅動信號驅動信號A AC CH H模擬地模擬地U UO O組成組成 模擬開關模擬開關K K保持電容保持電容C CH H緩沖放大器緩沖放大器A A在在t1時刻前時刻前，控制電路的驅控制電路的驅動信號為高電平時，動信號為高電平時，模擬開模擬開關關K 閉合，模擬輸入信號閉合，模擬輸入信號Ui 通過模擬開關加到

24、電容通過模擬開關加到電容CH 上，使得上，使得CH端電壓端電壓UC 跟隨跟隨Ui 變化而變化。變化而變化。在在t1時刻，驅動信號為低電時刻，驅動信號為低電平，模擬開關平，模擬開關K斷開斷開，此時此時電容電容CH 上的電壓上的電壓UC 保持保持模擬開關斷開瞬間的模擬開關斷開瞬間的Ui 值值不變并等待不變并等待AD轉換器轉轉換器轉換換。工作原理如下：工作原理如下： t控控制制信信號號t模模擬擬輸輸入入At采采樣樣輸輸出出跟蹤跟蹤t1A2t2A1t3保持保持A3t4A圖圖5.2 采樣保持器工作原理采樣保持器工作原理而在而在t2時刻，保持結束，時刻，保持結束，新一個跟蹤時刻到新一個跟蹤時刻到 來，來，

25、此時驅動信號又為高電此時驅動信號又為高電平，模擬開關平，模擬開關K 重新閉重新閉合，合， CH 端電壓端電壓UC 又跟又跟隨隨Ui 變化而變變化而變 化；化；t3時刻，驅動信號為低時刻，驅動信號為低電平時，模擬開關電平時，模擬開關K斷斷開開，.。 從以上討論可知：從以上討論可知： 采樣采樣保持器是一種用邏輯電平控保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態的器件。制其工作狀態的器件。 采樣保持器的工作狀態：采樣保持器的工作狀態：跟蹤狀態跟蹤狀態 在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號，并精在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號，并精確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直

26、到接到保持指令為止。指令為止。保持狀態保持狀態 對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進行保對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進行保持。持。采樣保持器主要作用：采樣保持器主要作用：“穩定穩定” ” 快速變化的輸入信號，以減少轉換誤差。快速變化的輸入信號，以減少轉換誤差。 用來儲存模擬多路開關輸出的模擬信號，以便模用來儲存模擬多路開關輸出的模擬信號，以便模擬多路開關切換下一個模擬信號。擬多路開關切換下一個模擬信號。3 3）采樣保持器使用中應注意的問題）采樣保持器使用中應注意的問題采樣保持器和采樣保持器和A AD D轉換器各完成一次動作所轉換器各完成一次動作所需時間之和應小于采樣周期需時間之和

27、應小于采樣周期采樣保持器的性能在很大程度上取決于保持電容采樣保持器的性能在很大程度上取決于保持電容器的質量。因此，應該選擇優質電容器。器的質量。因此，應該選擇優質電容器。4 4）常用的采樣）常用的采樣/ /保持器保持器 常用的采樣常用的采樣/ /保持器集成電路有保持器集成電路有AD582AD582、AD583AD583、AD585AD585、AD346AD346、THS-0025THS-0025、LF198/298/398LF198/298/398等。下面以等。下面以LF398LF398為例，介紹集成電路為例，介紹集成電路S/HS/H的工作原理，其他的的工作原理，其他的S/HS/H的原理與其大

28、致相同。的原理與其大致相同。 LF398 LF398是一種反饋型采樣是一種反饋型采樣/ /保持器，也是較為通用保持器，也是較為通用的采樣的采樣/ /保持器，與保持器，與LF398LF398結構相同的還有結構相同的還有LF198LF198、LF298LF298等，都是由等，都是由場效應管場效應管構成，具有采樣速率高，構成，具有采樣速率高，保持性好和精度高等優點。其采樣時間小于保持性好和精度高等優點。其采樣時間小于10s10s，輸入阻抗為，保持電容為輸入阻抗為，保持電容為1F1F時，其下降速度為時，其下降速度為5mV/min5mV/min。雙電源供電，電源范圍寬，可以從。雙電源供電，電源范圍寬，可

29、以從5V5V到到18V18V。 LF398LF398的組成原理圖如圖所示。的組成原理圖如圖所示。引腳排列如圖所示。引腳排列如圖所示。各引腳功能如下：各引腳功能如下： V+ V+、V-V-：正負電源電壓輸入引腳，輸入范圍為：正負電源電壓輸入引腳，輸入范圍為5V5V到到18V18V。 OFFSET ADJOFFSET ADJ：偏置調整引腳。可用外接電阻調整：偏置調整引腳。可用外接電阻調整采樣采樣- -保持器的偏差。保持器的偏差。 V VININ：輸入引腳。：輸入引腳。 V VOUTOUT：輸出引腳。：輸出引腳。 C CH H：保持電容引腳。用來外接保持電容。：保持電容引腳。用來外接保持電容。 LO

30、GIC REFLOGIC REF：參考邏輯電平。：參考邏輯電平。 LOGICLOGIC：輸入控制邏輯。：輸入控制邏輯。LF398LF398典型的電源和信號的接法典型的電源和信號的接法保持電容保持電容C CH H可選用漏電流較小的可選用漏電流較小的聚苯乙烯電容、云母聚苯乙烯電容、云母電容或聚四氟乙烯電容電容或聚四氟乙烯電容。C CH H的數值直接影響采樣時的數值直接影響采樣時間及保持精度，為了提高精度，就需要增加保持電間及保持精度，為了提高精度，就需要增加保持電容容C CH H的容量，但的容量，但C CH H增大時又會使其采樣時間加長。增大時又會使其采樣時間加長。因此，當精度要求不高（因此，當精

31、度要求不高（1%1%）而速度要求較高時，）而速度要求較高時， C CH H可小至可小至100f100f。當精度要求高（。當精度要求高（0.01%0.01%）時，應）時，應取取C CH H =1000F =1000F。當。當C CH H 400F 400F時，采樣時間時，采樣時間t tACAC與與C CH H有經驗公式有經驗公式t tACAC=C=CH H/40 /40 式中，式中，C CH H為保持電容的容量，單位為為保持電容的容量，單位為FF；t tACAC為采樣為采樣時間，單位為時間，單位為s s。保持電容的選擇保持電容的選擇3.2.2模擬信號的調理模擬信號的調理在計算機控制系統中，模擬量

32、輸入信號類型：在計算機控制系統中，模擬量輸入信號類型：傳感器輸出的信號傳感器輸出的信號變送器輸出的信號變送器輸出的信號 電壓信號：一般為電壓信號：一般為mVmV或或VV信號。信號。 電阻信號：單位為電阻信號：單位為，如熱電阻（，如熱電阻（RTDRTD）信號，）信號，通過電橋轉換成通過電橋轉換成mVmV信號。信號。 電流信號：一般為電流信號：一般為mAmA或或AA信號。信號。 電流信號：一般為電流信號：一般為010mA（01.5k負載）或負載）或420mA（0500負載）。負載）。 電壓信號：一般為電壓信號：一般為05V或或15V信號。信號。1. I/V變換變換2 2、電流信號轉化為電壓信號；、

33、電流信號轉化為電壓信號；注意：注意：信號調理電路的設計主要是根據傳感器輸信號調理電路的設計主要是根據傳感器輸出的信號、變送器輸出的信號及出的信號、變送器輸出的信號及A/DA/D轉換器的具體轉換器的具體情況而有所不同。情況而有所不同。 3 3、非電壓信號轉化為電壓信號；、非電壓信號轉化為電壓信號；1 1、電壓信號的、電壓信號的“標準化標準化”； 電橋是將電阻、電容、電感等參數的變化變為電橋是將電阻、電容、電感等參數的變化變為電壓或電壓或電流輸出電流輸出的一種測量電路。的一種測量電路。其輸出既可用指示儀表直接測其輸出既可用指示儀表直接測量，也可以送入放大器進行放大。由于橋式測量電路結構量，也可以送

34、入放大器進行放大。由于橋式測量電路結構簡單，并具有較高的精確度和靈敏度，因此在測試裝置中簡單，并具有較高的精確度和靈敏度，因此在測試裝置中得到了廣泛應用。得到了廣泛應用。 與其他測試裝置的分類一樣，電橋亦有不同的分類方與其他測試裝置的分類一樣，電橋亦有不同的分類方式：按照激勵電源的性質可分為式：按照激勵電源的性質可分為直流電橋與交流電橋直流電橋與交流電橋；按；按照橋臂阻抗性質又可分為照橋臂阻抗性質又可分為電阻電橋、電容電橋和電感電橋。電阻電橋、電容電橋和電感電橋。2. 電橋電橋3.2.3模擬量輸入通道的設計模擬量輸入通道的設計模擬量輸入通道的應考慮的問題：模擬量輸入通道的應考慮的問題： 使用對

35、象和性能指標；使用對象和性能指標； 信號的調理；信號的調理； A/DA/D轉換器的選擇；轉換器的選擇； 采樣保持器和前置放大器的選用；采樣保持器和前置放大器的選用；3.3 3.3 模擬模擬量輸出通道量輸出通道( (掌握掌握) ) 模擬輸出通道的作用是將計算機輸出的數字量轉換為模擬電流模擬輸出通道的作用是將計算機輸出的數字量轉換為模擬電流或者電壓信號，以便驅動相應的執行機構，從而實現控制。一般由或者電壓信號，以便驅動相應的執行機構，從而實現控制。一般由接口電路、接口電路、D/AD/A轉換器、多路轉換開關、輸出保持器和轉換器、多路轉換開關、輸出保持器和I/VI/V變換等組變換等組成。成。 模擬量輸

36、出通道根據不同的應用要求，可以有不同的結構形式。模擬量輸出通道根據不同的應用要求，可以有不同的結構形式。1 1、單模擬量輸出通道的結構、單模擬量輸出通道的結構組成：接口電路、寄存器、組成：接口電路、寄存器、D DA A轉換器和放大變轉換器和放大變換電路換電路2 2、多模擬量輸出通道的結構、多模擬量輸出通道的結構 多路模擬量輸出通道的結構形式主要取決于多路模擬量輸出通道的結構形式主要取決于輸出保輸出保持器的構成方式持器的構成方式。 輸出保持器的作用主要是在新的控制信號到來之前，輸出保持器的作用主要是在新的控制信號到來之前，使本次控制信號維持不變。保持器一般有使本次控制信號維持不變。保持器一般有數

37、字保持方案數字保持方案和和模擬保持方案模擬保持方案兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結構形式。種基本結構形式。優點優點: :轉換速度快，工作可靠，即使某一路轉換速度快，工作可靠，即使某一路D/AD/A轉換轉換器發生故障，也不影響其他通道的工作。器發生故障，也不影響其他通道的工作。缺點缺點: :使用了較多的使用了較多的D/AD/A轉換器，使得這種結構的價轉換器，使得這種結構的價格很高。格很高。1） 一個通道設置一片一個通道設置一片D/A轉換器轉換器2 2）多個通道共用一片）多個通道共用一片D/AD/A轉換器轉換器 由于公用一個由于公用一個D/AD/A轉換器

38、，因此必須在計算機控制下分時工作，轉換器，因此必須在計算機控制下分時工作，即依次把即依次把D/AD/A轉換器轉換成的模擬電壓（或電流），通過多路轉換器轉換成的模擬電壓（或電流），通過多路開關傳送給輸出采樣開關傳送給輸出采樣保持器。保持器。優點優點: :節省了節省了D/AD/A轉換器。轉換器。缺點：因為分時工作，只適用于通道數量多且速率要求不高的場缺點：因為分時工作，只適用于通道數量多且速率要求不高的場合。它還要使用多路開關，且要求輸出采樣合。它還要使用多路開關，且要求輸出采樣保持器的保持時保持器的保持時間與采樣時間之比較大，這種方案工作可靠性較差。間與采樣時間之比較大，這種方案工作可靠性較差。

39、 3.2.13.2.1電壓電壓/ /電流轉化電路電流轉化電路 因為電流信號易于遠距離傳送，且不易受干擾，特別是在過程因為電流信號易于遠距離傳送，且不易受干擾，特別是在過程控制系統中，自動化儀表只接收電流信號，所以在微機控制輸出通控制系統中，自動化儀表只接收電流信號，所以在微機控制輸出通道中常以電流信號來傳送信息，這就需要將電壓信號再轉換成電流道中常以電流信號來傳送信息，這就需要將電壓信號再轉換成電流信號，完成電流輸出方式的電路稱為信號，完成電流輸出方式的電路稱為V/IV/I變換電路。變換電路。電流輸出方式電流輸出方式一般有兩種形式：一般有兩種形式： 1 1普通運放普通運放V/IV/I變換電路變

40、換電路 2 2集成轉換器集成轉換器V/IV/I變換電路變換電路 1 1） 普通運放普通運放V/IV/I變換電路變換電路 （1 1）010 mA010 mA的輸出的輸出 +-Vin010 VAT1T2I0Vf+ +VsR1R2R3R4R5R6RfRL 圖為010 V/010 mA的變換電路，由運放A和三極管T1、T2組成，R1 和 R2是輸入電阻，Rf 是反饋電阻，RL是負載的等效電阻。輸入電壓Vin 經輸入電阻進入運算放大器A，放大后進入三極管T1、T2。由于T2射極接有反饋電阻R f，得到反饋電壓Vf加至輸入端，形成運放A的差動輸入信號。該變換電路由于具有較強的電流反饋，所以有較好的恒流性能

41、。 （2 2）420 mA420 mA的輸出的輸出 圖為圖為15 V/ 420 mA15 V/ 420 mA的變換電路，兩個運放的變換電路，兩個運放A A1 1、A A2 2均接成射極輸出形式。均接成射極輸出形式。+-A1+-A2T2T1T3Vin15VR1R2RfRLR3CIfI2I0I1V1V2+VsV3 2 2）集成轉換器）集成轉換器V/IV/I變換電路變換電路 圖是集成圖是集成V/IV/I轉換器轉換器ZF2B20ZF2B20的引腳圖，采用單的引腳圖，采用單正電源供電，電源電壓范圍為正電源供電，電源電壓范圍為101032V32V，ZF2B20ZF2B20的的輸入電阻為輸入電阻為10K10

42、K，動態響應時間小于，動態響應時間小于25S25S，非，非線性小于土線性小于土 0.0250.025。 3.2.2 3.2.2 模擬量輸出通道設計舉例（了解）模擬量輸出通道設計舉例（了解） 模擬量輸出通道一般根據系統需求可由模擬量輸出通道一般根據系統需求可由多路開關多路開關、采樣保持器采樣保持器、D/AD/A轉換器轉換器及及接口電路接口電路等組成。采樣保持器的作用及工作原理如前等組成。采樣保持器的作用及工作原理如前中所述，多路開關在模擬量輸出通道中的作用是實現多選一操作，中所述，多路開關在模擬量輸出通道中的作用是實現多選一操作，即利用多路開關將一路即利用多路開關將一路D/AD/A轉換器的輸出分

43、時切換至后級的各執行轉換器的輸出分時切換至后級的各執行機構。機構。 1）模擬量輸出通道設計的基本方法 模擬量輸出通道的設計原則主要考慮以下幾點：l 安全可靠 盡量選用性能好的元器件，并采用光電隔離技術。l 性能價格比高 既要在性能上達到預定的技術指標，又要在技術路線、芯片元件上降低成本。l通用性 D/A轉換模板的設計應具有通用性，它主要體現在三個方面：符合總線標準，可選接口地址以及可選輸出方式。 對于電流輸出而言，常用的是010mA DC或420mA DC這兩種信號范圍，能滿足該范圍輸出的電路所示。2）模擬量輸出通道的設計 模擬量輸出通道設計步驟是：確定性能指標，設計電路原理圖，設計和制造印制

44、線路板，最后焊接和調試電路板。其中，數字電路和模擬電路應分別排列走線，盡量避免交叉，連線要盡量短。模擬地（AGND）和數字地（DGND）分別走線，通常在總線引腳附近一點接地。光電隔離前后的電源線和地線要相互獨立。調試時，一般是先調數字電路部分，再調模擬電路部分，并按性能指標逐項考核。 圖（a）、（b）給出了具有8路D/A轉換的模擬量輸出通道模板結構框圖和其中1路的電路原理圖。該模板由總線接口邏輯、8片DAC0832以及V/I變換電路等組成。8路D/A轉換模板(a)8路D/A轉換模板(b) 其中每路的其中每路的D/AD/A轉換器均接為單緩沖輸入工作方式，轉換器均接為單緩沖輸入工作方式，且均具有電

45、壓、電流兩種可選的輸出方式。這里的且均具有電壓、電流兩種可選的輸出方式。這里的V/IV/I變變換電路與負載共電源，輸出電流換電路與負載共電源，輸出電流I IOUTOUT=V=VCCCC/R5/R5。當。當R5 R5 =500=500，V VCCCC0 05V5V時，時，I IOUTOUT=0=010mA10mA；當；當R5R5250250，V VCCCC=1=15V5V時，時，I IOUTOUT=4=420mA20mA。 3.4 3.4 人人- -機交互機交互通道通道( (了解了解) )1 1、鍵盤接口、鍵盤接口按鍵按照結構原理可分為兩類，一類是觸點式開關按鍵，如按鍵按照結構原理可分為兩類，一

46、類是觸點式開關按鍵，如機械式開關；另一類是無觸點式開關按鍵，如電容式按鍵，薄膜機械式開關；另一類是無觸點式開關按鍵，如電容式按鍵，薄膜按鍵等。按鍵處理程序需完成下列工作按鍵等。按鍵處理程序需完成下列工作: 1）消抖）消抖機械按鍵開關在閉合或斷開時，會伴隨有一連串的抖動，一機械按鍵開關在閉合或斷開時，會伴隨有一連串的抖動，一般約為般約為510ms。為了保證。為了保證CPU對按鍵的一次閉合只作一次處理，對按鍵的一次閉合只作一次處理，必須消除抖動。常見消抖的方法有：必須消除抖動。常見消抖的方法有：（1）硬件方式）硬件方式RS觸發器消抖電路觸發器消抖電路RS觸發器消抖電路觸發器消抖電路，按鍵抖動時，利

47、用雙穩態電路的互鎖特，按鍵抖動時，利用雙穩態電路的互鎖特性，性，a端輸出可維持不變，消除了按鍵的抖動。端輸出可維持不變，消除了按鍵的抖動。 RC濾波消抖電路濾波消抖電路在按鍵輸出端到地接在按鍵輸出端到地接RC濾波電路。選擇合適的濾波電路時間常濾波電路。選擇合適的濾波電路時間常數，抖動信號可通過濾波電路濾除。數，抖動信號可通過濾波電路濾除。（2）軟件延時消抖。）軟件延時消抖。軟件消抖是在第一次檢測到按鍵按下的信號后，延時一段時間，軟件消抖是在第一次檢測到按鍵按下的信號后，延時一段時間，待鍵閉合穩定后，可再次檢測鍵入信號，若兩次檢測到的開關狀待鍵閉合穩定后，可再次檢測鍵入信號，若兩次檢測到的開關狀

48、態相同則認為有效。延時時間應大于抖動時間，一般延遲態相同則認為有效。延時時間應大于抖動時間，一般延遲1020ms。2 2）鍵盤接口電路）鍵盤接口電路多個按鍵構成的鍵盤中，不同的按鍵動作引起不同程序段的多個按鍵構成的鍵盤中，不同的按鍵動作引起不同程序段的執行，以完成不同的工作。如何識別動作的按鍵，并使其正確地執行，以完成不同的工作。如何識別動作的按鍵，并使其正確地方便地轉入相應的處理程序，需要編碼。方便地轉入相應的處理程序，需要編碼。（1 1）編碼鍵盤）編碼鍵盤鍵盤內部能自動檢測被按下的鍵，并提供與被按鍵功能對應鍵盤內部能自動檢測被按下的鍵，并提供與被按鍵功能對應的鍵碼（如的鍵碼（如ASCII碼），以并行或串行方式送給碼），以并行或串行方式送給CPU。鍵碼完全。鍵碼完全由硬件