1、第第3章章 I/O接口与过程通道接口与过程通道南京邮电大学南京邮电大学 电气信息工程系电气信息工程系3.1 输入输出与过程通道输入输出与过程通道3.2 模拟量输入通道模拟量输入通道3.3 模拟量输出通道模拟量输出通道3.4 D/A、A/D转换器的电源、接地与布线转换器的电源、接地与布线3.5 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术OUTLINE3.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 数字量（开关量）信号：数字量（开关量）信号： 开关的闭合与断开开关的闭合与断开 继电器或接触器的吸合与释放继电器或接触器的吸合与释放 马达的启动与停止马达的启动与停止 阀门的打开与关闭阀门的打开与关闭 用用 “0”和和
2、“1”表示表示1.数字量输入接口数字量输入接口 74LS244：隔离输入和输出隔离输入和输出起缓冲作用起缓冲作用八个通道，可同八个通道，可同时输入时输入8个开关状态个开关状态 MOV DX, PORT IN AL, DX生产过程的生产过程的状态信息状态信息3.1.1 数字量输入输出数字量输入输出接口技术接口技术1A1 1Y11A2 1Y21A3 1Y31A4 1Y41A5 1Y51A6 1Y61A7 1Y71A8 1Y8输输入入接接口口D0D1D2D3D4D5D6D7PC总总线线2G1GCSIOR74LS2442. 数字量输出接口数字量输出接口控制状态控制状态需要保持，直到下次需要保持，直到下
3、次给出新的值为止给出新的值为止MOV AL, DATAMOV DX, PORT OUT DX, AL可用锁存器可用锁存器74LS273对对状态输出信号进行锁存状态输出信号进行锁存数字量输出接口数字量输出接口 D0CLKCLR74LS273D2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC总总线线输输出出接接口口 基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号1、数字量输入通道结构、数字量输入通道结构输输 入入 调调 理理 电电 路路输输 入入 缓缓 冲冲 器器地址译码器地址译码器生生 产产
4、过过 程程P C 总总 线线3.1.2 数字量输入数字量输入通道通道输入调理电路输入调理电路 把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 计算机能够接收的逻辑信号计算机能够接收的逻辑信号 小功率输入调理电路小功率输入调理电路 大功率输入调理电路大功率输入调理电路 2. 输入调理电路输入调理电路开关去抖电路开关去抖电路图图3.4 采用积分电路采用积分电路（1）小功率输入调理电路）小功率输入调理电路 R S Q Q0 1 1 01 0 0 11 1 保保 持持RS触发器去抖电路触发器去抖电路（2）大功率输入调理电路）大功率输入调理电路大功率系统中，需从电磁离合
5、等大功率器件的接点输入信号大功率系统中，需从电磁离合等大功率器件的接点输入信号为使接点工作可靠，接点两端至少要加为使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压以上的直流电压由于所带电压高，故高、低压之间，用由于所带电压高，故高、低压之间，用光电耦合器光电耦合器进行隔离进行隔离图图3.6 大功率信号输入电路大功率信号输入电路输输 出出 驱驱 动动 器器输输 出出 锁锁 存存 器器地址译码器地址译码器生生 产产 过过 程程P C 总总 线线1、数字量输出通道结构、数字量输出通道结构3.1.3 数字量输出通道数字量输出通道 小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路 大功率驱动电路大功率驱动电路
6、2、输出驱动电路、输出驱动电路采用功率晶体管输出驱动继电器电路采用功率晶体管输出驱动继电器电路 采用高压输出的门电路驱动采用高压输出的门电路驱动图图3.8 继电器驱动电路继电器驱动电路（1）小功率直流驱动电路）小功率直流驱动电路达林顿阵列输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路（2）大功率驱动电路）大功率驱动电路 (a)直流固态继电器的结构直流固态继电器的结构可以利用固态继电器可以利用固态继电器(SSR)等实现等实现 I/O接接口口+5V74LS04R(b)交流固态继电器的结构交流固态继电器的结构I/O接接口口+5V74LS04R数字数字(开关开关)量输入量输入/输出通道模板举例输出通道
7、模板举例PCL-730PCL-730板卡组成框图板卡组成框图3.2 模拟量输入通道模拟量输入通道功能：功能：把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机数字信号，经接口送往计算机3.2.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成 过过程程参参数数PC总总线线模拟量输模拟量输入通道入通道检检测测信信号号调调理理多多路路转转换换器器采采样样保保持持器器A/D转转换换器器接接口口逻逻辑辑电电路路图图3.10 模拟量输入通道的组成结构模拟量输入通道的组成结构 信号调理部分将信号调理部分将非电量非电量和和非标准的电信号非标准的电信号转换成转换成
8、标标准的电信号准的电信号 依据检测信号及受干扰情况的不同而不同依据检测信号及受干扰情况的不同而不同 是传感器和是传感器和A/D之间以及之间以及D/A和执行机构之间的桥和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分梁，也是测控系统中重要的组成部分 通常包括信号的放大、量程自动转换、电流通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压电压转换、滤波、线性化、共模抑制及隔离等转换、滤波、线性化、共模抑制及隔离等3.2.2 信号调理信号调理1、量程自动转换技术、量程自动转换技术 单参数测量系统单参数测量系统传感传感器器放大放大电路电路A/D转换转换微型机微型机显示显示传感器传感器多多路路转转换换开开关
9、关放大放大电路电路A/D转换转换微型微型机机显示显示传感器传感器传感器传感器传感器传感器多参数测量系统多参数测量系统量程自动转换量程自动转换： 根据需要对所处理的信号利用根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器可编程增益放大器进行放大进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求 u 可编程增益放大器可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier)，简称，简称PGAu 可编程增益放大器有两种：可编程增益放大器有两种：组合组合PGA和和集成集成PGA 仪用测量放大器电路仪用测量放大器电路 A3A2A1 2 4 1 32(1
10、)VRRARR图图3.13 组合组合PGA组合组合PGAMCP6S系列产品主要特点：系列产品主要特点：l8种可编程增益选择：种可编程增益选择：+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16 或或+32 V/V；lSPI串行编程接口；串行编程接口；l级联输入和输出；级联输入和输出；l低增益误差，最大：低增益误差，最大：1%；l低漂移，最大：低漂移，最大：275V；l高带宽频率，典型值：高带宽频率，典型值：212MHz；l低噪声，典型值：低噪声，典型值：10 nV/rtHz 10 kHzl低电源电流，典型值：低电源电流，典型值：1mA；l单电源供电，单电源供电，2.5V5.5V；集成集成PGA 表表
11、3.2引脚说明引脚说明引脚名称引脚名称功能功能Vout模拟输出模拟输出CH0CH7模拟输入模拟输入Vss负电源负电源VDD正电源正电源SCKSPI时钟输入时钟输入SISPI数据输入数据输入SOSPI数据输出数据输出CSSPI片选片选VREF外部参考电压外部参考电压R1R2CIV+5V图图3-19 无源无源I/V变换电路变换电路精密电阻V=R2*I无源无源I/V变换变换2. I/V变换变换图图3-20 有源有源I/V变换电路变换电路 AR1R3R2R4R5CIVViA=1+R4/R3V=A*R1*I输入阻抗高，输出阻抗低输入阻抗高，输出阻抗低输出限流，保护运放输出限流，保护运放有源有源I/V变换
12、变换 2. I/V变换变换控制禁止端1：断开0：由ABC选通CD4051的原理电路图的原理电路图 3.2.3 多路转换器多路转换器 表表3.4 CD4051的真值表的真值表输入状态输入状态接通通道接通通道INHCBA 0000000011001020011301004010150110601117CD4051的真值表的真值表1. 信号的采样信号的采样 采样过程（简称采样过程（简称采样采样）是用采样开关（或采样单元）将模）是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程 图图3.22 信号的采样过程信号的采样过程f(t)t*f
13、 (t)t0T2T 3T 4T 5TSf(t)*f (t)3.2.4 信号的采样和量化信号的采样和量化 采样频率采样频率由香农（由香农（ShannonShannon）采样定理确定：）采样定理确定：s2max 一般取：一般取： s(410) max00*)()()()()()()(kkTkTtkTfkTttfttftf2. 量化量化 u 量化量化：采样信号经整量化后成为数字信号的过程：采样信号经整量化后成为数字信号的过程 量化过程就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟量化过程就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号，执行量化动作的装置是信号的幅值，将其转换成数
14、字信号，执行量化动作的装置是A/D转换器转换器 字长为字长为n的的A/D转换器把转换器把yminymax范围内变化的采样信号，变范围内变化的采样信号，变换为数字换为数字02n-1，其最低有效位（，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量）所对应的模拟量q称称为量化单位，其表达式为：为量化单位，其表达式为：maxmin21nyyq3.2.5 采样保持器采样保持器 孔径时间和孔径误差的消除孔径时间和孔径误差的消除 采样保持原理采样保持原理3.2.5 采样保持器采样保持器 采样保持器的主要作用：采样保持器的主要作用： (1) 保持采样信号不变，以便完成保持采样信号不变，以便完成A/D转换转换 (2) 同
15、时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量 (3) 减少减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间缩短稳定输出值的建立时间 (4) 把一个把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性的稳定性常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/389图图3.23 LF198/298/398原理图及引脚原理图及引脚(a)LF198/298/398原理图原理图(b)LF198/298
16、/398的引脚排列的引脚排列3.2.6 A/D转换器转换器lA/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件件或装置，是模拟输入通道的核心部件lA/D转换方法有转换方法有逐次逼近式逐次逼近式、双积分式双积分式、并行比较并行比较式式和和二进制斜坡式二进制斜坡式、量化反馈式量化反馈式等等 常用的逐次逼近式常用的逐次逼近式A/D转换器有转换器有8位分辨率的位分辨率的ADC0801、ADC0809等，等，12位分辨率的位分辨率的AD574A等；等； 常用的双积分式常用的双积分式A/D转换器有转换器有3位半（相当于位半（相当于2进制
17、进制11位分辨位分辨率）的率）的MC14433等等1、A/D转换器的主要指标转换器的主要指标lA/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等线性误差、量程、对基准电源的要求等l转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间的时间 l分辨率：分辨率表示分辨率：分辨率表示A/D转换器对模拟信号的反应转换器对模拟信号的反应能力能力 ，通常用数字量的位数，通常用数字量的位数n（字长）来表示（字长）来表示l量程：即所能转换的电压范围量程：即所能转换的电压范围 1、A/D转换器的主要指
18、标转换器的主要指标l精度：精度有绝对精度和相对精度精度：精度有绝对精度和相对精度 l输出逻辑电平：多数为输出逻辑电平：多数为TTL电平，有并行和串行两电平，有并行和串行两种输出形式种输出形式l工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定范围内才能保证额定的络产生影响，故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标精度指标l基准电源的精度将对整个基准电源的精度将对整个A/D转换结果的输出精度转换结果的输出精度产生影响产生影响 (1) 8位位A/D转换器转换器ADC0809 ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有是美国国家半导体公
19、司生产的带有8通道模拟开关的通道模拟开关的8位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器，采用转换器，采用28脚双列直插式封装脚双列直插式封装 表表3.5 C、B、A与通道关系表与通道关系表CBA所选通道所选通道0 00VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN72、常用的、常用的A/D转换器转换器图图3.25 AD574内部结构图内部结构图(2) 12位位A/D转换器转换器AD574ACSC8表3. 2 AD574A控制信号状态表CER/12/A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X一次
20、读取12位输出数据10100输出高8位输出数据10101输出低4位输出数据尾随4个0AD574A引脚功能引脚功能硬件连接设计硬件连接设计软件程序设计软件程序设计 模拟量输入信号的连接、数字量输模拟量输入信号的连接、数字量输出引脚的连接、参考电平的连接、出引脚的连接、参考电平的连接、控制信号的连接控制信号的连接 主要包括控制信号的编程，如：启主要包括控制信号的编程，如：启动信号、转换结束信号以及转换结动信号、转换结束信号以及转换结果的读出果的读出 3.2.7 A/D 转换器接口设计转换器接口设计 1硬件设计硬件设计l模拟量输入信号的连接模拟量输入信号的连接 l数字量输出引脚的连接数字量输出引脚的
21、连接 l参考电平的连接参考电平的连接 l时钟的选择时钟的选择 lA/D转换器的启动方式转换器的启动方式l转换结束信号的处理转换结束信号的处理 1硬件设计硬件设计 转换结束信号的硬件连接有三种形式：转换结束信号的硬件连接有三种形式：p中断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断中断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申请引脚或允许中断的申请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上。接口的相应引脚上。p查询方式：把转换结束信号经三态门送到查询方式：把转换结束信号经三态门送到PC数据总线或数据总线或I/O接口的某一位上。接口的某一位上。p转换信号悬空：即该管脚与其它管脚之间无电气连接。转换
22、信号悬空：即该管脚与其它管脚之间无电气连接。2软件设计软件设计l启动启动A/D转换，中断、查询或延时等待转换时间后转换，中断、查询或延时等待转换时间后根据数据输出格式读出转换结果根据数据输出格式读出转换结果 l(1)启动启动A/D转换转换 l(2) 转换结果的读出。转换结果的读出。u中断方式：中断方式：u查询方式：查询方式：u软件延时方法：软件延时方法：D0D1D2D7D0+图图3.27 ADC0809与与PC总线的连接总线的连接 3.2.8 A/D 转换器与转换器与PC接口接口1ADC0809与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口一次一次A/D转换操作分两步进行：转换操作分两步进行：(
23、1)启动启动ADC0809，并锁存通道地址，并锁存通道地址 (2)判断判断A/D转换结束并读出转换结果转换结束并读出转换结果 START： MOV AL，00H ； 设定通道数设定通道数 OUT 220H，AL ； 送通道地址、启动送通道地址、启动A/D转换转换 CALL DELAY ； 等待转换完成等待转换完成 IN AL，220H ； 读取读取A/D转换结果转换结果 设设ADC端口地址为端口地址为220H，要把，要把0通道的模拟量转换成数字通道的模拟量转换成数字量，利用软件延时方式实现量，利用软件延时方式实现 图图3.28 AD574A通过通过8255A与与PC总线的连接图总线的连接图2A
24、D574A与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口首先进行首先进行8255A的初始化的初始化实现一次实现一次A/D转换包括转换包括A/D转换的启动、检测转换是否结束、转换的启动、检测转换是否结束、数据的读出数据的读出采用查询方式采用查询方式 2AD574A与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口(1)8255A初始化设置初始化设置 INIT：MOV AL，9AH；设置；设置A、B口及口及C口的工作方式口的工作方式 MOV DX，2D3H ；8255A的控制寄存器的控制寄存器 OUT DX，AL ；方式字送控制寄存器；方式字送控制寄存器(2)启动启动A/D转换转换START：MOV AL
25、，00H MOVDX，2D2H；8255A的端口的端口C OUTDX，AL；使；使=0，启动，启动A/D转换转换(3) 检测转换是否结束及数据的读出检测转换是否结束及数据的读出 LOOP： MOV DX，2D2H ；8255A的端口的端口C IN AL，DX ；查询；查询STS的状态的状态 TESTAL，80H JNZ LOOP ；转换未完成则等待；转换未完成则等待 MOVAL，01H ；置位，即；置位，即=1 OUTDX，AL DECDX ；指向；指向8255A的端口的端口B INAL，DX ；读入端口；读入端口B高高8位数据位数据 MOVBX+1，AL ；数据保存；数据保存 DECDX ；
26、指向；指向8255A的端口的端口A INAL，DX ；读入端口；读入端口A数据数据 ANLAL，0F0H；屏蔽低四位数据；屏蔽低四位数据 MOVBX，AL；数据保存；数据保存3.3.1 模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式 模拟量输出通道一般由接口电路、模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开转换器、多路转换开关、采样保持器、关、采样保持器、V/I变换等组成。变换等组成。 1、一个通路设置一个、一个通路设置一个D/A转换器的形式转换器的形式 接接口口D/AD/AV/I转换器转换器V/I转换器转换器PC总线总线通道通道1通道通道n图图3.29 一个通路一个一个通路一个D
27、/A转换器的结构转换器的结构 3.3 模拟量输出通道模拟量输出通道2、多个通路共用一个、多个通路共用一个D/A转换器的形式转换器的形式 接接口口D/A多多路路开开关关采样采样保持器保持器采样采样保持器保持器V/I转换器转换器V/I转换器转换器通道通道1通道通道nPC总线总线图图3.30 多个通路共用一个多个通路共用一个D/A转换器的结构转换器的结构 D/A转换器：将数字量转换成模拟量的元件或装置，其模拟转换器：将数字量转换成模拟量的元件或装置，其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比例量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比例 输入输出关系：输入输出关系： VVrefD/(2
28、n1) 常用的常用的D/A转换器的分辨率有转换器的分辨率有8位、位、10位、位、12位等，其结构位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器3.3.2 D/A转换器转换器1. D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 主要技术指标有主要技术指标有分辨率分辨率、建立时间建立时间、非线性误差非线性误差等等n分辨率：用分辨率：用D/A转换器数字量的位数转换器数字量的位数n(字长字长)来表示来表示n 建立时间：指建立时间：指D/A转换器中代码有满度的变化时，其输出达转换器中代码有满度的变化时，其输出达到稳定到稳定(离终值离终值1/2LSB相当的模拟量范围内相当
29、的模拟量范围内)所需要的时间所需要的时间n 非线性误差：实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最非线性误差：实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量n 输出信号：不同型号的输出信号：不同型号的DAC输出信号相差较大，如输出信号相差较大，如05V、 010V、 030V、 03A等等n 输入编码：一般为并行或串行二进制码输入，也有输入编码：一般为并行或串行二进制码输入，也有BCD码码输入输入 2. D/A转换器转换器l 8位位D/A转换器转换器DAC08324图图3.33 DAC1210的内部结构的内部结构l12位位
30、D/A转换器转换器DAC1210 3.3.3 D/A转换器接口技术转换器接口技术lD/A转换器应用接口的设计，主要包括数字量输入信号的连转换器应用接口的设计，主要包括数字量输入信号的连接以及控制信号的连接接以及控制信号的连接lD/A编程相对简单，包括：选中编程相对简单，包括：选中D/A转换器、送转换数据到转换器、送转换数据到数据线，启动数据线，启动D/A转换转换l1.数字量输入信号的连接数字量输入信号的连接 数字量输入信号连接时要考虑数字量的位数，数字量输入信号连接时要考虑数字量的位数，D/A转换器内转换器内部是否有锁存器。部是否有锁存器。l2.控制信号的连接控制信号的连接 片选信号、写信号及
31、转换启动信号片选信号、写信号及转换启动信号图3.34 DAC0832与PC总线接口电路3.3.4 D/A转换器与转换器与PC接口接口1、8位位D/A转换器转换器DAC0832与与PC的连接的连接若若DAC0832的地址为：的地址为：200H，则，则8位二进制数位二进制数56H转换为模拟转换为模拟电压的接口程序如下：电压的接口程序如下： CONVERT： MOV DX，200H；DAC0832地址地址 MOV AL，56H ；要转换的立即数；要转换的立即数 OUT DX，AL ；CS/=WR1/=0，启动，启动D/A 转换转换DAC1210与与PC总线的连接总线的连接2. 12位位D/A转换器与
32、转换器与PC的连接的连接 CONVERT：MOV AL，68H ；高；高8位数据位数据 MOV DX，220H ；OUTDX，AL ；=0，=1，=0，高，高8位数据送位数据送数据线数据线INCDX ；修改地址指针，指向；修改地址指针，指向221HMOV AL，0F0H ；低；低4位数据位数据OUTDX，AL ；=0，=0，=0，低，低4位数据送位数据送数据线数据线INCDX ；修改地址指针，指向；修改地址指针，指向222HOUTDX，AL ；启动；启动12位数据开始转换位数据开始转换u转换转换12位二进制数位二进制数68FH，则程序如下，则程序如下 3.3.5 D/A转换器的输出形式转换器的
33、输出形式 D/A转换器的输出有转换器的输出有电流电流和和电压电压两种方式两种方式一般电流输出需经放大器转换成电压输出一般电流输出需经放大器转换成电压输出电压输出可构成电压输出可构成单极性电压输出单极性电压输出和和双极性电压输出双极性电压输出电路电路 单极性电压输出指输入值只有一个极性单极性电压输出指输入值只有一个极性(或正或负或正或负)，D/A的的输出也只有一个极性输出也只有一个极性 双极性电压输出指当输入值为符号数时，双极性电压输出指当输入值为符号数时，D/A的输出反映正的输出反映正负极性负极性 D/A转换器的转换器的输出方式输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，只与模拟量输出端的连接方式
34、有关，而与其位数无关而与其位数无关利用利用DAC0832实现的单、双极性输出电路实现的单、双极性输出电路 图图3.36 单、双极性输出电路单、双极性输出电路R1=2RR3=2RR4=RR2=R根据上面两式，对于根据上面两式，对于8位位D/A转换器，有：转换器，有：121nREFoutDVV) 1122(212)2313(12nREFnREFREFoutREFoutDVDVVRRVRRVVout1out2REFV=0,V=-VREFout1REFout2REF88V1282 128V=-V-,V=-V(-1)0212211288255255,(1)2121outREFREFoutREFREFVV
35、VVVV D=0时，时，D=80H时，时，D=FFH时，时，实现了双极性输出实现了双极性输出121nREFoutDVV) 1122(2nREFoutDVV1、V/I变换电路变换电路 图图3.37 V/I转换电路转换电路3.3.6 V/I变换变换2、集成、集成V/I变换器变换器ZF2B20 2、集成、集成V/I变换器变换器ZF2B20 集成集成V/I转换器转换器AD694集成集成V/I转换器转换器AD6943.4 D/A、A/D转换器的电源、接地与布线转换器的电源、接地与布线l数据采集系统中，接地点分为两类：数据采集系统中，接地点分为两类：逻辑电路的返回端逻辑电路的返回端(数字地数字地)和模拟公
36、共端和模拟公共端(模拟地模拟地)l模拟电源和数字电源分别接地，所有器件的模拟地模拟电源和数字电源分别接地，所有器件的模拟地和数字地也要分别连接，然后，再把这两种和数字地也要分别连接，然后，再把这两种“地地”用一根导线连接起来用一根导线连接起来l在全部电路中的数字地和模拟地仅仅连在一点上，在全部电路中的数字地和模拟地仅仅连在一点上，在芯片和其它电路中不可再有公共点在芯片和其它电路中不可再有公共点模拟电路电源数字电路电源模拟电路数字电路芯片芯片AGNDDGND图图3.39 正确的地线连接正确的地线连接3.4 D/A、A/D转换器的电源、接地与布线转换器的电源、接地与布线l接地接地l电源电源 D/A
37、、A/D转换电路中，供电电源电压的不稳转换电路中，供电电源电压的不稳定会影响转换结果定会影响转换结果一般要求纹波电压小于一般要求纹波电压小于1%，可采用钽电容或电解，可采用钽电容或电解电容滤波。为改善高频特性，还应用高频滤波电容电容滤波。为改善高频特性，还应用高频滤波电容电路板设计时，每个芯片的电源线与地线之间要加电路板设计时，每个芯片的电源线与地线之间要加旁路电容，并应尽量靠近旁路电容，并应尽量靠近D/A、A/D转换芯片，一转换芯片，一般选用般选用0.010.1F的电容的电容l布线布线印刷电路板布线的一般原则：印刷电路板布线的一般原则：n尽量缩短传输导线长度；尽量缩短传输导线长度；n数字信号
38、与模拟信号尽量远离；数字信号与模拟信号尽量远离；n电源线和地线的电流密度不应太大，以减少电电源线和地线的电流密度不应太大，以减少电源线和地线引入的干扰；源线和地线引入的干扰；n印刷电路板中导线宽度与电流关系一般为印刷电路板中导线宽度与电流关系一般为2A/mm模拟量输出通道模板举例模拟量输出通道模板举例PCL-726板卡组成框图板卡组成框图3.5 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术l干扰就是有用信号以外的噪声或造成计算机或设备干扰就是有用信号以外的噪声或造成计算机或设备不能正常工作的破坏因素不能正常工作的破坏因素l外部干扰指与系统结构无关，由外界环境决定的影外部干扰指与系统结构无关，由外界环境决定的影
39、响系统正常运行的因素，如空间或磁的影响，环境响系统正常运行的因素，如空间或磁的影响，环境温度、湿度等的影响等温度、湿度等的影响等 l内部干扰指由系统结构、制造工艺等决定的影响系内部干扰指由系统结构、制造工艺等决定的影响系统正常运行的因素，如分布电容、分布电感引起的统正常运行的因素，如分布电容、分布电感引起的耦合、多点接地引起的电位差、寄生振荡引起的干耦合、多点接地引起的电位差、寄生振荡引起的干扰等扰等串模干扰串模干扰(常态干扰常态干扰) ：串模干扰指叠加在被测：串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声信号上的干扰噪声 共模干扰共模干扰(共态干扰共态干扰) ：共模干扰是指模：共模干扰是指模/数转数转
40、换器两个输入端上公有的干扰电压换器两个输入端上公有的干扰电压 3.5.1 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术1、串模干扰的抑制、串模干扰的抑制 (1) 滤波法滤波法图图3.40 RC滤波器滤波器测控装置Ui500k1M0.1F0.1F测控装置Ui100k0.1F测控装置Ui7575500F500F75753.5.1 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术(2) 对于电磁感应产生的串模干扰，应对被测信号尽可能早的对于电磁感应产生的串模干扰，应对被测信号尽可能早的进行信号放大，以提高电路中的信号噪声比；或者尽可能早进行信号放大，以提高电路中的信号噪声比；或者尽可能早的完成的完成A/D转换再进行长线
41、传输；或者采用隔离和屏蔽等措施转换再进行长线传输；或者采用隔离和屏蔽等措施(3) 从选择元器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰，从选择元器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰，如采用双积分如采用双积分A/D转换器；也可以采用高抗干扰度的逻辑器件，转换器；也可以采用高抗干扰度的逻辑器件，通过提高阈值电平来抑制低频噪声的干扰；此外，也可以人通过提高阈值电平来抑制低频噪声的干扰；此外，也可以人为地附加电容器，以降低某个逻辑器件的工作速度来抑制高为地附加电容器，以降低某个逻辑器件的工作速度来抑制高频干扰频干扰(4) 利用数字滤波技术对已进入计算机的串模干扰进行数据处利用数字滤波技术对已进入计
42、算机的串模干扰进行数据处理，可以有效地滤去难以抑制的串模干扰理，可以有效地滤去难以抑制的串模干扰 模/数转换器UsUcm被测信号共模干扰示意图共模干扰示意图2、共模干扰的抑制、共模干扰的抑制(1) 利用双端输入的放大器作前置放大器，如利用双端输入的放大器作前置放大器，如AD521等等(2) 利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载和数字信号隔离，利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载和数字信号隔离，即即“模拟地模拟地”与与“数字地数字地”断开，被测信号通过变压器或光断开，被测信号通过变压器或光电耦合器获得通路，而共模干扰不能形成回路而得到抑制电耦合器获得通路，而共模干扰不能形成回路而得到抑制模/数转
43、换器Us被测信号变压器或光电隔离器图图3.42 输入隔离输入隔离(3)采用双层屏蔽采用双层屏蔽浮地输入方式浮地输入方式 该方法是将测量装置的模拟部分对机壳浮地，从而达到该方法是将测量装置的模拟部分对机壳浮地，从而达到抑制干扰的目的抑制干扰的目的Us被测信号Z1Z2模拟地内屏蔽盒外屏蔽盒RcRsUcmIcm1Icm2电缆屏蔽层图 3.43 双层屏蔽浮地方式接线 3、数字量传输通道的干扰抑制、数字量传输通道的干扰抑制 (1) 数字信号负逻辑传输数字信号负逻辑传输提高输入信号的电压等级提高输入信号的电压等级(2) 提高数字信号的电压等级提高数字信号的电压等级(3) 通过光电耦合隔离通过光电耦合隔离
44、(4) 提高输入端的门限电压提高输入端的门限电压 测控装置输入测控装置输入74LS14(a)(b)图图3.46 提高门限电压的抗干扰电路提高门限电压的抗干扰电路交流稳压器低通滤波器直流稳压器计算机220V整流滤波变压器直流稳压器直流低电设备图图3.47 一般供电结构一般供电结构过压、过流保护措施，过压、过流保护措施，在重要的场合要配有在重要的场合要配有UPS不间断电源不间断电源 3.5.2 系统供电与接地技术系统供电与接地技术1、接地分类、接地分类 (1)安全接地安全接地 ：保护接地、保护接零：保护接地、保护接零 (2)工作接地工作接地 ：浮地方式、直接接地方式、电容接地方式：浮地方式、直接接
45、地方式、电容接地方式(3)屏蔽接地屏蔽接地2接地技术接地技术(1)浮地浮地屏蔽接地屏蔽接地 (2)一点接地一点接地(3)多点接地多点接地 (4) 屏蔽接地屏蔽接地 (5)设备接地设备接地图图3.48 一点接地的两种方法一点接地的两种方法基于串行总线的计算机控制系统硬件技术基于串行总线的计算机控制系统硬件技术 基于基于RS-485的分布式测控系统结构图的分布式测控系统结构图智能远程智能远程I/O模块模块智能远程智能远程I/O模块模块是传感器和执行机构到计算机的多功能是传感器和执行机构到计算机的多功能远程远程I/O单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计，具有内置单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计，
46、具有内置的微处理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以独立提供智的微处理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以独立提供智能信号调理、能信号调理、I/O隔离、模拟量隔离、模拟量I/O、数字量、数字量I/O、数据显示和、数据显示和串行数字通信接口串行数字通信接口远程远程I/O模块可以安装在现场，就地完成模块可以安装在现场，就地完成A/D、D/A转换、转换、I/O操作及脉冲量的计数、累计等操作，以通信方式和计算机操作及脉冲量的计数、累计等操作，以通信方式和计算机交换信息，构成数据采集控制系统交换信息，构成数据采集控制系统智能远程智能远程I/O模块模块通过采用通过采用RS-485中继器，可以将多达中继器，可以
47、将多达256个远程模块连个远程模块连接到接到RS-485网络上，或者将最大通信距离延伸到网络上，或者将最大通信距离延伸到10km典型的远程典型的远程I/O模块有研华公司的模块有研华公司的ADAM-4000系列、研系列、研发公司的发公司的DAC-8000系列、研祥公司的系列、研祥公司的Ark-14000系列以及威系列以及威达公司的牛顿达公司的牛顿-7000系列系列智能调节器智能调节器智能调节器一般具有智能调节器一般具有RS-485数字通信接口，除了数字通信接口，除了在控制系统中作为常规的单机控制器使用外，在现代在控制系统中作为常规的单机控制器使用外，在现代工业控制中还可以作组态使用，常常与上位机
48、一起使工业控制中还可以作组态使用，常常与上位机一起使用构成计算机监督控制系统用构成计算机监督控制系统常用的智能调节器国外的品牌有：常用的智能调节器国外的品牌有：SHIMADEN（日本岛电）、（日本岛电）、YAKOGAWA（日本横河）、（日本横河）、HONEWELL（美国霍尼韦尔）、（美国霍尼韦尔）、OMRON（日本欧（日本欧姆龙）以及姆龙）以及RKC（日本理化）等（日本理化）等变频器变频器变频器的主要任务就是把变频器的主要任务就是把恒压恒频恒压恒频（constant voltage constant voltage constant frequencyconstant frequency，CV
49、CFCVCF）的交流电转换为）的交流电转换为变压变频变压变频（variable voltage variable frequencyvariable voltage variable frequency，VVVFVVVF）的交流电，）的交流电，以满足交流电机变频调速的需要以满足交流电机变频调速的需要从结构上分，变频器可以分为从结构上分，变频器可以分为交交- -交变频器交变频器（亦称直接变（亦称直接变频器）和频器）和交交- -直直- -交变频器交变频器（亦称间接变频器）。（亦称间接变频器）。变频器的使用日益普及，功能也越来越强，已经跳出了变频器的使用日益普及，功能也越来越强，已经跳出了仅作为交流
50、电机调速驱动器应用的范围，现在很多变频器具仅作为交流电机调速驱动器应用的范围，现在很多变频器具有有PIDPID调节功能，与温度、压力、流量等传感器配合使用，可调节功能，与温度、压力、流量等传感器配合使用，可以构成一个单独的控制系统应用，而省去了控制器以构成一个单独的控制系统应用，而省去了控制器变频器变频器新一代变频器均具有标准通信接口，用户可以利用通信新一代变频器均具有标准通信接口，用户可以利用通信接口在远处，如中央控制台对变频器进行集中控制，适应了接口在远处，如中央控制台对变频器进行集中控制，适应了自动化的要求自动化的要求也可以使多台变频器组网应用，与计算机连接构成分布也可以使多台变频器组网
