1、第2章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)過程通道設(shè)計(jì)方法 2.1 數(shù)字量過程通道的設(shè)計(jì)方法2.2 模擬量輸入通道設(shè)計(jì)方法2.3 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)方法2.4 小 結(jié) 2.1 數(shù)字量過程通道的設(shè)計(jì)方法過程輸入輸出通道由模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量輸入輸出通道組成。過程輸入輸出通道在微型計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過程之間起著信號(hào)傳遞與變換的紐帶作用。開關(guān)量輸入通道結(jié)構(gòu)框圖 2.1.1數(shù)字量輸入通道設(shè)計(jì)方法注意兩個(gè)問題，一是輸入電平形式，二是使通道抗噪聲。由于數(shù)字量輸入電平一般與計(jì)算機(jī)的接口電平不同，需要進(jìn)行電平變換。電平變換和噪聲抑制過程叫做信號(hào)調(diào)理 可用如下指令來完成取數(shù) MOV DX，PROT IN AL，DX 三態(tài)門緩沖

2、器74LS244可用來隔離輸入和輸出線路，在兩者之間起緩沖作用。數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu) 1. 外部的開關(guān)信號(hào)及邏輯電平信號(hào)調(diào)理電路(1)直接分壓光電耦合技術(shù) 實(shí)現(xiàn)了電氣隔離外，還可以使電壓不同的子系統(tǒng)信號(hào)之間相互兼容，另外可防止電氣噪聲或其他尖峰電壓從接口電路傳到另一個(gè)電路。 直流接點(diǎn)信號(hào)輸入電路 交流接點(diǎn)信號(hào)輸入電路 2. 數(shù)字脈沖信號(hào)輸入調(diào)理電路 3. 系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)采用積分電路 采用R-S觸發(fā)器2.1.2 數(shù)字量輸出通道設(shè)計(jì)方法可用以下指令完成數(shù)據(jù)輸出控制。 MOV AL，DATA MOV DX，PROT OUT DX，AL 數(shù)字量輸出接口 數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu) CPU 鎖存 輸出 控制 邏輯

3、隔 離 功 放 執(zhí)行 機(jī)構(gòu)1. 小功率開關(guān)輸出電路 2. 中功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路 J開關(guān)量輸入50mA100mA(+24V)7406DRVCC3. 繼電器輸出接口電路 4. 固態(tài)繼電器輸出接口電路 5. 晶閘管 2.2 模擬量輸入通道設(shè)計(jì)方法 2.2.1 模擬量輸入通道的組成 模擬量輸入通道，也稱為AI通道。2.2.2 多路開關(guān)、儀用放大器、I/V變換及采樣保持器 在設(shè)計(jì)離散系統(tǒng)時(shí)，香農(nóng)采樣定理是必須嚴(yán)格遵守的一條準(zhǔn)則，它指明了從采樣信號(hào)中不失真地復(fù)現(xiàn)原來連續(xù)信號(hào)的最低采樣頻率。1. 信號(hào)調(diào)理電路(1) 無源I/V變換 +5VVDR2CR1I(2) 有源I/V變換 A-+R5R4R3R2R1CI

4、V(3) 專用I/V轉(zhuǎn)換電路 sRsRWW7575Reference+10VRVC420-in4mA20mA+in16 V+1358710 Ref fB111415 Rcv fB12 Ref inRcv OutRef Out321Fm1Fm+-+-+-+-Rcv公共Rev公共CrVO(0V5V)Ref NoiseReductionRef Trim3Im4 V-2. 多路開關(guān) CD4051真值表 3. 測(cè)量放大器 4. 采樣保持器 采樣保持器的作用是在兩次采樣的間隔時(shí)間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個(gè)采樣時(shí)刻。最常用的采樣保持器有AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389、ADSH

5、C-85，以及國家半導(dǎo)體公司的LF198/298/398。 如圖所示，它有兩種工作狀態(tài)，一種是采樣狀態(tài)，另一種是保持狀態(tài)。X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a) 采樣開關(guān)(b) 連續(xù)信號(hào)(c) 開關(guān)函數(shù)采樣過程與數(shù)學(xué)描述X*(t)kT05T3TT7T1調(diào)制器X(t)X*(t)P(t)(d) 采樣信號(hào)(e) 采樣過程x*(t)=p(t)x(t)0T因，所以分析時(shí)可近似認(rèn)為0為0，以單位脈沖函數(shù)(t)代替p(t)。理論表達(dá)形式：(t) 0 t=0t0工程表達(dá)形式：(t) 0 1 t=0t0單位脈沖序列：T(t)kT0數(shù)學(xué)表達(dá)式：?jiǎn)挝幻}沖函數(shù)定義：采樣過程數(shù)學(xué)描述:考慮物

6、理上可實(shí)現(xiàn)，又可近似為：可見，x*(t)具有離散信號(hào)的特性。采樣定理 對(duì)于角頻率范圍為( ) 的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣頻率 時(shí)，采樣器的輸出信號(hào)x*(t)就能充分表征原始的連續(xù)信號(hào)x(t)，換言之，為使采樣信號(hào)的頻譜能無失真地恢復(fù)原來的連續(xù)信號(hào)的頻譜，采樣周期T必須小于輸入信號(hào)變化最小周期 的1/2，即：由于被控對(duì)象一般具有低通濾波特性，因而x(t)的帶寬是有限的，其的振幅譜圖如下：（1）（2）2.2. 3 模擬量輸入通道的設(shè)計(jì) 1. A/D轉(zhuǎn)換器 (1) A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理逐次近似寄存器式原理如圖所示 圖2.38 集成采樣保持器的原理結(jié)構(gòu) （a）AD582 （b）LF198/298

7、/398 l(2) A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)及術(shù)語分辨率(Resolution);量化誤差(Quantizing error);線性度(Linearity);相對(duì)精度（Relative Accuracy）轉(zhuǎn)換時(shí)間(Conversion Time)。(3) 常見A/D轉(zhuǎn)換器及其外特性 由于逐次近似寄存器式轉(zhuǎn)換方式的快速性，因此在普通A/D元件市場(chǎng)上有相當(dāng)多的是采用該方法，如8位的ADC0801、0804、0808、0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582。 2. A/D轉(zhuǎn)換器接口及程序設(shè)計(jì)硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。 (1) A

8、/D轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù) 模擬量輸入與數(shù)字量輸出的連接 A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)束信號(hào)的處理(2) A/D轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)三個(gè)問題：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換；等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束；讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 并行A/D轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用ADC0809 是采用CMOS工藝制造的雙列直插式單片8 位并行A/D 轉(zhuǎn)換器。分辨率8 位，精度7 位，帶8 個(gè)模擬量輸入通道，有通道地址譯碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。 ADC0809的邏輯框圖ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序t DATAOUT ALE C.B.A START EOC OE DO70查詢法接口電路中斷法接口電路ADC0809與8031單片機(jī)接口電路 串行A/D轉(zhuǎn)換器的

9、典型應(yīng)用 TLC2543是TI公司生產(chǎn)的12位串行A/D轉(zhuǎn)換器使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡(jiǎn)單的3線SPI串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接。P1.0P1.1P1.2P1.38031TLC2543I/O CLOCKDATA INPUTDATA OUTPUTCS3. 模擬量輸入模塊 ADAM-4000系列是研華科技股份有限公司生產(chǎn)的高性能輸入輸出模塊。ADAM-4000系列提供了完整的模擬量I/O系列，包括：模擬量輸入、熱電偶輸入、RTD輸入和模擬量輸出模塊。ADAM-4017+是ADAM-4000系列中的一款8路差分輸入、16位分辨率的模擬量采集模塊。采樣

10、速度快、輸入信號(hào)范圍廣、輸入阻抗高，可以輸入電壓或電流形式的模擬信號(hào)。 2.3 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)方法 2.3.1 模擬量輸出通道的組成 2.3.2 模擬量輸出通道的設(shè)計(jì) 1. D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是一種能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件。D/A轉(zhuǎn)換器的輸出有電流和電壓兩種方式，其中電壓輸出型又有單極性電壓輸出和雙極性電壓輸出兩種方式。(1) D/A轉(zhuǎn)換器的原理D/A轉(zhuǎn)換器一般由 基準(zhǔn)電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器和模擬電子開關(guān)組成。其中核心是“解碼網(wǎng)絡(luò)”，常見有“權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)”和“T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)”。 權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò) T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò) (2) D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率 精度 線性度

11、 轉(zhuǎn)換時(shí)間 2. D/A轉(zhuǎn)換器接口及程序設(shè)計(jì) (1) D/A轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù) D/A轉(zhuǎn)換器中是否包含寄存器 D/A轉(zhuǎn)換器控制信號(hào)的連接DAC0832的結(jié)構(gòu) (2) D/A轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì) 并行A/D轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用DAC0832 是采用CMOS/Si-Cr工藝制造的雙列直插式單片8 位D/A 轉(zhuǎn)換器。 8位D/A轉(zhuǎn)換器與PC系統(tǒng)總線的接口 譯 碼 器D0D1:D6D7接系統(tǒng) 總線A0A1A9AENIOW DI0 DI1 : : DI6 DI7 Vcc VREF RfbIOUT2IOUT1 AGNDDGNDXFERWR1WR2CSAV0 DAC0832 +5V VRY0 串行A/D轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)

12、用 TLC5628是TI公司生產(chǎn)的可輸出8路模擬電壓信號(hào)的串行D/A轉(zhuǎn)換器 3. 模擬量輸出模塊 ADAM-4024是一款具有4路模擬輸出、12位分辨率的模擬輸出模塊。輸出誤差小、低輸出電阻。輸入信號(hào)使用RS-485串行總線傳送，輸出信號(hào)可以是電壓或電流信號(hào)。其中電壓輸出范圍為0V10V，電流信號(hào)輸出范圍可以選擇0mA20mA或4mA20mA。 2.4 小 結(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過程通道有數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道、模擬量輸入通道和模擬量輸出通道。數(shù)字量輸入輸出通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成。數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出口地址譯碼電路等組成。模擬量輸入通道主要由多路開關(guān)、放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)