1、计算机控制技术计算机控制技术Computer Controlled System中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院袁袁 艳艳2022年年8月月16日日中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道第二章输入输出接口与过程通道第二章输入输出接口与过程通道 概概述述 2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2.2 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道2.4 D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术2.5 模拟量输出通道模拟量输出通道2.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术中南大学信息科学与工程学院自动
2、化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道概述概述 接口接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括它包括输入接口和输出接口输入接口和输出接口。接口技术接口技术是研究计算机与外部设备之间如何是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。交换信息的技术。过程通道过程通道是在计算机和生产过程之间设置的是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，信息传送和转换的连接通道，根据信息的来源和根据信息的来源和类型不同，可以分为类型不同，可以分为模拟量输入模拟量输入/输出通道输出通道（AI/AO），数字量（或开关量）输入），数字量（或开关量）输入/输出
3、通道输出通道（DI/DO）四种。四种。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道输入通道输入通道又称为又称为检测通道检测通道。一般，反映生。一般，反映生产过程状态的各种参数产过程状态的各种参数(如压力、流量、温度、如压力、流量、温度、速度、位置等速度、位置等)都是随时间变化的模拟量，它都是随时间变化的模拟量，它们通过检测元件和变送器转换成相应的模拟电们通过检测元件和变送器转换成相应的模拟电流或电压信号后，必须通过模拟量输入通道转流或电压信号后，必须通过模拟量输入通道转换成相应的数字信号后才能送入计算机。而生换成相应的数字信号后才能送入计算机。而生产过程中
4、的一些开关量、电平信号、脉冲量，产过程中的一些开关量、电平信号、脉冲量，以及一些数字传感器等产生的数字信号等，则以及一些数字传感器等产生的数字信号等，则可直接通过数字量输入通道送入计算机。可直接通过数字量输入通道送入计算机。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道输出通道输出通道又称为又称为控制通道控制通道。由于计算机输由于计算机输出的控制信号是数字量，而很多生产过程的执出的控制信号是数字量，而很多生产过程的执行机构却要求提供模拟电压或电流，这就必须行机构却要求提供模拟电压或电流，这就必须采用模拟量输出通道，将数字量转换成模拟电采用模拟量输出通道，将数
5、字量转换成模拟电压或电流。如果执行机构只要求提供数字量压或电流。如果执行机构只要求提供数字量(如如开关量、脉冲量或其他形式的数字量开关量、脉冲量或其他形式的数字量)，则应采，则应采用数字量输出通道。用数字量输出通道。输入输出接口和过程通道是计算机控制系输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。统的重要组成部分。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道1、过程通道的组成框图如、过程通道的组成框图如图图2.1所示。所示。2、通道与接口、通道与接口通道：信号变换电路；通道：信号变换电路；接口：主机与外设的连接电路（信号传输控接口：主机与外设的连接
6、电路（信号传输控制电路）制电路）。3、显示、报警、时钟的作用、显示、报警、时钟的作用显示：指示运行状态；显示：指示运行状态；报警：报告故障状态；报警：报告故障状态；时钟：提供系统时钟。时钟：提供系统时钟。返回返回中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道图图2.1 计算机控制系统的过程通道计算机控制系统的过程通道显 示打 印报 警计算机接口电路模拟量输入通道数字量输入通道生产过程模拟量输出通道模拟量输出通道数字量输出通道数字量输出通道中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出
7、通道返回返回2.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术2.1.2 数字量输入通道数字量输入通道 2.1.3 数字量输出通道数字量输出通道中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道2.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术1、数字量、数字量数值量信号是以二进制的逻辑数值量信号是以二进制的逻辑“1”和和“0”出现的。如：开关的合与开，指示灯的亮与灭，出现的。如：开关的合与开，指示灯的亮与灭，继电器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀继电器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。门的打开与关闭等。开关量（数字量）的种类开关
8、量（数字量）的种类按类型分有电平式和触点式两种按类型分有电平式和触点式两种电平式为高电平或低电平；电平式为高电平或低电平；触点式为触点闭合或触点断开。触点式为触点闭合或触点断开。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道按电源分有有源和无源两种按电源分有有源和无源两种有源即直接提供高、低电平有源即直接提供高、低电平;无源即提供物理触点，或感应器件。无源即提供物理触点，或感应器件。常见的数字信号有：常见的数字信号有：编码数字（二进制或十进制）：如成组拔码编码数字（二进制或十进制）：如成组拔码开关设置控制给定值或控制参数，用绝对编码的开关设置控制给定值或控制
9、参数，用绝对编码的编码器检测位置等。编码器检测位置等。开关量：如按钮或转换开关的启开关量：如按钮或转换开关的启/停、阀门停、阀门的开的开/闭，指示灯亮闭，指示灯亮/灭等。灭等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道数字脉冲列信号：如光电脉冲编码器检测速度、晶闸数字脉冲列信号：如光电脉冲编码器检测速度、晶闸管的脉冲触发器等。管的脉冲触发器等。特点：幅值离散，可用一位或多位二进制码表示。特点：幅值离散，可用一位或多位二进制码表示。2、数字量输入接口、数字量输入接口缓冲器缓冲器防止外设数据干扰数据总线。防止外设数据干扰数据总线。三态门缓冲器三态门缓冲器74
10、LS244，用来取得设备的输入状态信，用来取得设备的输入状态信息，可同时输入息，可同时输入8个开关状态。个开关状态。原理：经过端口地址译码得到片选信号原理：经过端口地址译码得到片选信号CS，当在执行，当在执行IN指令周期时，产生指令周期时，产生IOR信号，则被测的状态信息可通过信号，则被测的状态信息可通过三态门送到三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器。寄存器。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道数字量输入接口数字量输入接口中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口
11、与过程通道中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道实现：实现：可用如下指令完成可用如下指令完成8个开关量的状态采个开关量的状态采集：集：MOV DX,port IN AL,DX 其中其中port为片选端口的地址，在初始化程为片选端口的地址，在初始化程序中分配。序中分配。三态门缓冲器三态门缓冲器74LS244用来隔离输入和输用来隔离输入和输出线路，起缓冲作用。出线路，起缓冲作用。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道3、数字量输出接口、数字量输出接口锁存器锁存器 用用74LS273作为作为8位输出锁存口，对状态
12、位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。保持到下次给出新的状态输出信号进行锁存。保持到下次给出新的状态输出信号。输出信号。原理：经过端口地址译码，得到片选信号原理：经过端口地址译码，得到片选信号CS，当执行，当执行OUT指令周期时，产生指令周期时，产生IOW信号。信号。由于由于PC总线工业控制机的总线工业控制机的I/O端口写总线周期端口写总线周期时序关系中，总线数据时序关系中，总线数据D0D7比比IOW下降沿稍下降沿稍晚，因此可利用晚，因此可利用IOW的的后沿后沿产生的上升沿锁存产生的上升沿锁存数据。数据。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道中南大学
13、信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道返回返回经过端口地址译码，得到片选信号经过端口地址译码，得到片选信号CS，当在执行当在执行OUT指令周期时，产生指令周期时，产生IOW信号。信号。实现：可用下列指令完成实现：可用下列指令完成8位开关量的输位开关量的输出控制。出控制。MOV AL,DATAMOV DX,portOUT DX,AL中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道2.1.2 数字量输入通道数字量输入通道1、数字量输入通道的结构、数
14、字量输入通道的结构如如图图2.2所示。主要由输入缓冲器、输入调理电路、输所示。主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。入地址译码电路等组成。2、输入调理电路、输入调理电路作用：将信号经转换、安全保护、消除抖动、滤波、作用：将信号经转换、安全保护、消除抖动、滤波、隔离处理后转换成计算机能接收的逻辑信号。隔离处理后转换成计算机能接收的逻辑信号。(1)信号转换处理信号转换处理逻辑上表现为逻辑上表现为“1”或或“0”，信号形式为电压、电流信，信号形式为电压、电流信号或开关的通断，幅值范围不符合数字电路的要求（标准号或开关的通断，幅值范围不符合数字电路的要求（标准TTL电平电平05V），
15、需经转换处理。），需经转换处理。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道输入缓冲器输入调理电路地址译码器来自生产过程PC总线 图2.2数字量输入通道结构74LS244中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道(2)安全保护措施安全保护措施对可能出现的输入过电压（稳压管）、瞬对可能出现的输入过电压（稳压管）、瞬间尖峰（稳压管、压敏电阻）或极性接反（二间尖峰（稳压管、压敏电阻）或极性接反（二极管）的情况，采取安全保护措施。极管）的情况，采取安全保护措施。(3)消除机械抖动影响消除机械抖动影响操作按钮、继电器触点、行程
16、开关等机械操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在通装置在通/断时会产生机械抖动，体现在计算断时会产生机械抖动，体现在计算机输入上是输入信号在机输入上是输入信号在0、1间多次振荡，可能间多次振荡，可能导致错误控制。导致错误控制。方法：方法：积分电路或积分电路或R-S触发器触发器消除消除消除消除（P21图图2.4所示）。所示）。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道消除抖动电路消除抖动电路中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道双稳态消抖电路工作原理：该电路主要由两个双稳态消抖电路工作原理：该电路主要由两个R
17、S触发触发器构成，当开关器构成，当开关S处于常闭位置时，处于常闭位置时，1端为低电平，输出端端为低电平，输出端A则为高电平；此时则为高电平；此时3、4端均为高电平，输出端端均为高电平，输出端B则为低则为低电平，电平，2端被锁定。这样，开关触头即使在常闭端产生振端被锁定。这样，开关触头即使在常闭端产生振颤，但只要不和常开端连接，颤，但只要不和常开端连接，B端端(2端端)电位不变，则输出电位不变，则输出端端A始终处于高电平。同理，开关处于常开位置时也是如始终处于高电平。同理，开关处于常开位置时也是如此。因此，该电路在开关闭合或断开时只产生一个脉冲，此。因此，该电路在开关闭合或断开时只产生一个脉冲，
18、触点抖动现象被消除。触点抖动现象被消除。111235VS输出A输出B4中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道(4)滤波处理滤波处理长线传输、电路内外部干扰，使输入信号长线传输、电路内外部干扰，使输入信号中带有干扰信号，造成计算机的误读出错。中带有干扰信号，造成计算机的误读出错。方法：方法：RC滤波电路等。滤波电路等。(5)隔离处理隔离处理用于现场输入设备与计算机系统间的隔离用于现场输入设备与计算机系统间的隔离保护，保障计算机系统安全。使测控装置与现保护，保障计算机系统安全。使测控装置与现场仅保持场仅保持信号联系信号联系，但不直接发生，但不直接发生电的
19、联系电的联系。价格低廉，可靠性好。价格低廉，可靠性好。方法：光电耦合器件隔离、变压器磁隔离。方法：光电耦合器件隔离、变压器磁隔离。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道光电耦合器又称光隔离器，能实现输入与光电耦合器又称光隔离器，能实现输入与输出之间隔离。它通过光传输信号，输入端为输出之间隔离。它通过光传输信号，输入端为发光二极管，输出端为光敏三极管。当输入端发光二极管，输出端为光敏三极管。当输入端有电流输入时，发光二极管会发光，输出端由有电流输入时，发光二极管会发光，输出端由于光敏效应三极管导通，产生相应的电信号。于光敏效应三极管导通，产生相应的电信
20、号。因为器件的输入和输出在电气上是绝缘的，故因为器件的输入和输出在电气上是绝缘的，故可以起到隔离干扰的作用。可以起到隔离干扰的作用。原理：光的有原理：光的有/无无光敏管的通光敏管的通/断断电位电位的高的高/低。低。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道光电隔离及电平转换电路光电隔离及电平转换电路当开关当开关S闭合时，发光二极管导通发光，光耦合作用使光闭合时，发光二极管导通发光，光耦合作用使光敏三极管导通，对应敏三极管导通，对应“1”状态输入；反之，开关状态输入；反之，开关S打开，打开，则发光二极管不发光，光敏三极管截止，对应则发光二极管不发光，光敏三
21、极管截止，对应“0”状态状态输入。输入。光敏三极管光敏三极管发光二极管发光二极管+48VC1中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道光电耦合器的种类：一般隔离用光耦，交流用光电耦合器的种类：一般隔离用光耦，交流用光耦，高速光耦光耦，高速光耦(6N137系列系列)，PhotoMOS继电继电器器(输出为输出为MOSFET)。(6)应用实例应用实例小功率输入调理电路：如图小功率输入调理电路：如图2.4（P21）所）所示。示。大功率输入调理电路：如图大功率输入调理电路：如图2.5（P21）所）所示示。返回返回中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲
22、义第二章输入输出接口与过程通道2.1.3 数字量输出通道数字量输出通道1、数字量输出通道的结构、数字量输出通道的结构如如图图2.3所示。主要由输出锁存器、输出所示。主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。驱动电路、输出口地址译码电路等组成。2、输出驱动电路、输出驱动电路功能：输出锁存器输出的信号的功能：输出锁存器输出的信号的电压等级、电压等级、输出功率输出功率无法满足执行机构的要求，应进行无法满足执行机构的要求，应进行隔隔离处理、电平转换和功率放大离处理、电平转换和功率放大。根据被控对象。根据被控对象控制信号的作用要求，将开关量输出信号转变控制信号的作用要求，将开关量输出信号
23、转变为以下形式：为以下形式：TTL电平逻辑信号、电子无触点电平逻辑信号、电子无触点开关输出和继电器输出等。开关输出和继电器输出等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道输出锁存器输出驱动器地址译码器去生产过程PC总线 图2.3数字量输出通道结构74LS273中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道实现：实现：(1)中小功率直流驱动电路中小功率直流驱动电路这类电路一般用于驱动发光二极管、这类电路一般用于驱动发光二极管、LED显示器、小功率继电器等元件或装置，要求电显示器、小功率继电器等元件或装置，要求电路的驱动
24、能力为路的驱动能力为1040mA或或50500mA。一般采用一般采用功率晶体管功率晶体管输出驱动继电器的电输出驱动继电器的电路，如路，如P22图图2.7所示。所示。除此以外，目前还较多采用除此以外，目前还较多采用达林顿阵列达林顿阵列输输出驱动继电器的电路。出驱动继电器的电路。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道功率晶体管输出驱动继电器功率晶体管输出驱动继电器 因为继电器线圈是感性负载，所以继电器线圈因为继电器线圈是感性负载，所以继电器线圈J两端必须并联反电势保护用续流二极管两端必须并联反电势保护用续流二极管VD。JR功率晶体管VD24V中南大学信息
25、科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道MC1413（国产型号为（国产型号为5G1413）是七路达林顿驱动器）是七路达林顿驱动器阵列，每一路为集电极开路的反相器（相当于阵列，每一路为集电极开路的反相器（相当于OC门），门），其电流放大系数其电流放大系数hFE1500倍，倍，ICM200mA。但七路同。但七路同时工作时，每路的电流应小于时工作时，每路的电流应小于40mA。每个内部反相器。每个内部反相器的输出端还接有续流二极管的输出端还接有续流二极管VD。MC1413的内部结构如的内部结构如图图2.8(P22)所示。所示。MC1413亦可用亦可用ULN2003A来代替
26、。来代替。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道(2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路如图如图2.9(P23)所示。通过所示。通过固态继电器固态继电器的触点的触点控制大功率接触器的通断，完成从直流低压到交控制大功率接触器的通断，完成从直流低压到交流高压，小功率到大功率的转换。输入输出间采流高压，小功率到大功率的转换。输入输出间采用用光电耦合器光电耦合器进行隔离。进行隔离。固态继电器（固态继电器（SSR）是一种无触点功率型电子开关。）是一种无触点功率型电子开关。它利用光电隔离技术实现了控制端（输入端）与负载回它利用光电隔离技术实现了控制端（输入端）
27、与负载回路（输出端）之间的电气隔离，同时又能控制电子开关路（输出端）之间的电气隔离，同时又能控制电子开关的动作。它具有驱动功率小、噪声低、抗干扰能力强、的动作。它具有驱动功率小、噪声低、抗干扰能力强、开关速度快、体积小、寿命长、无触点、能与开关速度快、体积小、寿命长、无触点、能与CMOS、TTL电路兼容等优点，在许多场合可取代电磁继电器电路兼容等优点，在许多场合可取代电磁继电器（EMR）用于自动控制。）用于自动控制。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道按照负载电源来划分，按照负载电源来划分，SSR有直流固态继电器有直流固态继电器(DC-SSR)、交
28、流固态继电器交流固态继电器(AC-SSR)两种。两种。DC-SSR属于五端器件，属于五端器件，它以功率晶体管为开关器件，控制直流负载电源的通断。它以功率晶体管为开关器件，控制直流负载电源的通断。AC-SSR属于四端器件，以双向晶闸管（属于四端器件，以双向晶闸管（TRIAC）作开关）作开关器件，用来控制交流负载电源的通断。它们至少包括以下器件，用来控制交流负载电源的通断。它们至少包括以下四部分：四部分：输入电路，隔离电路（一般为光耦合器），开关输入电路，隔离电路（一般为光耦合器），开关电路（功率晶体管或双向晶闸管），保护电路（续流二极电路（功率晶体管或双向晶闸管），保护电路（续流二极管或管或RC
29、吸收网络）吸收网络）。对于过零型。对于过零型AC-SSR，还有过零触发，还有过零触发器和过零检测器，仅当交流电源电压器和过零检测器，仅当交流电源电压u通过零点时才被接通过零点时才被接通。通。SSR典型产品有美国国际整流器公司（典型产品有美国国际整流器公司（IR）生产的）生产的16045580（DC-SSR，驱动电流，驱动电流IS38mA）；）；SP2210（AC-SSR，IS1020mA）。）。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道直流型固态继电器的结构和工作原理直流型固态继电器的结构和工作原理其结构一般由其结构一般由耦合电路、整形放大电路、开耦合电
30、路、整形放大电路、开关电路和吸收电路关电路和吸收电路四部分构成，结构如图所示。四部分构成，结构如图所示。T-+4 3 2 1 负载 S RL D R2 R1 整形放大电路 直流电源 直流电源 中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道各部分作用各部分作用 耦合电路由光电耦合器组成，作用是耦合控耦合电路由光电耦合器组成，作用是耦合控制信号同时实现隔离；制信号同时实现隔离；整形放大电路的作用是将光电管接收到的控整形放大电路的作用是将光电管接收到的控制信号进行整形放大用于触发电子开关；制信号进行整形放大用于触发电子开关；开关电路的作用是使电子开关开关电路的作用
31、是使电子开关T导通与负载导通与负载构成回路；构成回路；吸收电路吸收电路D的作用是用于防止从负载电源传的作用是用于防止从负载电源传来的尖峰、浪涌电压对开关器件的冲击。来的尖峰、浪涌电压对开关器件的冲击。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道过零型固态继电器（过零型固态继电器（AC-SSR）的结构和工作原理）的结构和工作原理过零检测电路（零交叉电路）可使交流电压变化到零状过零检测电路（零交叉电路）可使交流电压变化到零状态附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由态附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。触发
32、电路给出晶闸管器件的触发信号。R1R2RLCSCRI/O接口+5V过零检测触发电路交流电源DR1R2RLCI/O接口+5V过零检测交流电源D中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道SSR应用中应注意的问题应用中应注意的问题 直流型和交流型用途不同，不能互换。直流型和交流型用途不同，不能互换。交流型有过零型和移相型两种，要求射频干扰小的场交流型有过零型和移相型两种，要求射频干扰小的场合应使用过零型。合应使用过零型。使用交流型应有吸收电路。使用交流型应有吸收电路。SSR的输入均为发光二极管，可直接由的输入均为发光二极管，可直接由TTL驱动，也驱动，也可以用
33、可以用CMOS电路再加一级跟随器驱动。驱动电流约电路再加一级跟随器驱动。驱动电流约510mA时输出端导通，时输出端导通，1mA以下输出端断开。以下输出端断开。选用选用SSR时，电压和电流是两个最重要的参数。时，电压和电流是两个最重要的参数。为减少为减少SSR的射频干扰，可在电源变压器原边处与电的射频干扰，可在电源变压器原边处与电源引线之间并接源引线之间并接0.047F电容。电容。切忌负载短路。切忌负载短路。返回返回中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道2.2 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术返回返回2.2.1 A/D转换器转换器2.2.2
34、A/D转换器接口技术转换器接口技术中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道2.2.1 A/D转换器转换器 定义：定义：A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。器件或装置。转换方式包括：转换方式包括：双斜积分式双斜积分式(间接比较式间接比较式)：转换时间长（几十毫秒转换时间长（几十毫秒几百几百毫秒），精度高，抗干扰能力强；毫秒），精度高，抗干扰能力强；常用的双斜积分式常用的双斜积分式A/D转换器转换器有有3位半的位半的MC14433，4位半的位半的ICL7135等。等。逐次逼近式逐次逼近式(直接比较式
35、直接比较式)：转换时间短（几微秒转换时间短（几微秒几百微几百微秒），可很好地兼顾速度和精度，抗干扰能力差，在秒），可很好地兼顾速度和精度，抗干扰能力差，在16位以下的位以下的A/D转换器中广泛应用。转换器中广泛应用。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位分辨位分辨率的率的ADC0809，12位分辨率的位分辨率的AD574等。等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道1、主要技术指标、主要技术指标转换时间：转换时间：完成一次模拟量到数字量转换所需的时完成一次模拟量到数字量转换所需的时间。低速：间。低速：130毫秒；中速：毫秒；中速：
36、50 微秒左右；高速：微秒左右；高速：50纳秒左右。逐次逼近式纳秒左右。逐次逼近式A/D转换器的转换时间为转换器的转换时间为1200s。分辨率分辨率（字长字长）：转换器对微小输入量变化的敏感转换器对微小输入量变化的敏感程度。用数字量的位数程度。用数字量的位数n来表示，如来表示，如8位、位、12位、位、16位位等。等。线性误差：线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。用性的最大误差定义为线性误差。用LSB的分数表示，的分数表示，如如1/2LSB或或1LSB。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与
37、过程通道量程：量程：指所能转换的电压范围，如指所能转换的电压范围，如05V、-5V+5V、010V等。等。转换精度：转换精度：指转换后所得结果相对于实际值的准确指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有度，有绝对精度与相对精度绝对精度与相对精度两种表示。绝对精度常用数两种表示。绝对精度常用数字量的位数表示，如绝对精度为字量的位数表示，如绝对精度为(1/2)LSB。相对精度。相对精度用相对于满量程的百分比表示。例如，满量程为用相对于满量程的百分比表示。例如，满量程为10V的的8位位A/D转换器，其绝对精度为转换器，其绝对精度为1/210/2819.5mV，而相对精度为而相对精度为1/281000.
38、39。应该注意，精度和。应该注意，精度和分辨率是两个不同的概念。即使分辨率很高，但由于温分辨率是两个不同的概念。即使分辨率很高，但由于温度漂移、线性不良等原因，也可以造成精度不是很高。度漂移、线性不良等原因，也可以造成精度不是很高。LSB：数字量的最低有效位，对应于满量程输入的数字量的最低有效位，对应于满量程输入的。(Least Significant Bit)n21中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道理想输出理想输出模拟模拟输出输出数字数字输入输入实际输出实际输出偏差偏差实际转换关系曲线上的模拟值与理想直线的偏差。实际转换关系曲线上的模拟值与理想
39、直线的偏差。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道对基准电源的要求：对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。（是否外接精密基准电源。）生很大影响。（是否外接精密基准电源。）功耗及对总线的兼容性功耗及对总线的兼容性 在选择和使用在选择和使用A/D转换器芯片时，除满足转换速度和转换器芯片时，除满足转换速度和分辨率要求之外，要注意分辨率要求之外，要注意A/D转换器的转换器的连接特性连接特性，有以下，有以下几点：几点：（1）A/D转换器芯片的转换启动信号是用电位启动还是脉转换器芯片的转换启动信号是用电位启
40、动还是脉冲沿启动。冲沿启动。（2）A/D转换器芯片内是否带有三态门输出锁存器来输出转换器芯片内是否带有三态门输出锁存器来输出数字量。数字量。（3）输出数字量的形式，是二进制还是）输出数字量的形式，是二进制还是BCD码。码。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道2、8位位A/D转换器转换器ADC0809NS公司（公司（National Semiconductor，美国国，美国国家半导体公司）生产。家半导体公司）生产。主 要 性 能：分 辨 率 为主 要 性 能：分 辨 率 为 8 位；线 性 误 差位；线 性 误 差(1/2)LSB；转换时间为；转换时
41、间为100s左右；模拟输入左右；模拟输入电压范围为电压范围为05V，对应，对应A/D转换值为转换值为00HFFH；内部带内部带8路模拟开关，可以输入路模拟开关，可以输入8路模拟信号；有路模拟信号；有输出锁存功能；工作频率为输出锁存功能；工作频率为500kHz。28脚双列直脚双列直插式封装。逻辑结构图如插式封装。逻辑结构图如图图2.4所示。所示。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道D1D3D7D6D5D4D0D2中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道图图2.4ADC0809逻辑结构图逻辑结构图地址锁存允许地
42、址锁存允许转换结束转换结束输出允许输出允许中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道(1)8通道模拟开关及通道选择逻辑通道模拟开关及通道选择逻辑功能：实现功能：实现8选选1操作。通道选择信号操作。通道选择信号C、B、A与所选通道之间的关系见与所选通道之间的关系见P24表。表。(2)8位位A/D转换器转换器功能：对输入端信号功能：对输入端信号V进行转换，进行转换，转换结果转换结果D存入三态输出锁存缓冲器。存入三态输出锁存缓冲器。(3)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器功能：存放转换结果功能：存放转换结果D，输出允许信号，输出允许信号OE为高电平时，为高电
43、平时，D由由DO7 DO0上输出。上输出。OE为低为低电平时，输出数据线电平时，输出数据线DO7 DO0为高阻态。为高阻态。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道各管脚的功能如下：各管脚的功能如下：IN0IN7 8路路05V模拟电压输入端。模拟电压输入端。D0D7 8位数字量输出线，输出位数字量输出线，输出A/D转换结果。转换结果。START 启动启动A/D转换输入端，若在此引脚加一个正转换输入端，若在此引脚加一个正脉冲，脉冲的上升沿将内部寄存器清脉冲，脉冲的上升沿将内部寄存器清0；其下降沿启动；其下降沿启动A/D进行一次新的转换。进行一次新的转换。
44、EOC A/D转换结束输出信号，高电平有效。从启动转换结束输出信号，高电平有效。从启动A/D转换信号转换信号START有效开始有效开始EOC为为0，表示，表示A/D转换转换正在进行中；当转换一结束，正在进行中；当转换一结束，EOC即为即为1。它可供。它可供CPU查询查询A/D转换是否结束，也可用来向转换是否结束，也可用来向CPU发中断发中断请求信号。请求信号。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道OE 输出允许信号，高电平有效。当输出允许信号，高电平有效。当OE=1时，三态时，三态门打开，转换后得到的门打开，转换后得到的8位数字量输出到数据线位数字量
45、输出到数据线D0D7上。上。CLOCK 时钟脉冲输入端，频率为时钟脉冲输入端，频率为101280kHz。转换速度取决于时钟频率，转换速度取决于时钟频率，CLK=640kHz，转换速度，转换速度为为100s。A、B、C 模拟量输入通道模拟量输入通道IN0IN7的地址选择线，的地址选择线，可以控制可以控制8路转换开关进行路转换开关进行8选选1接通。接通。ALE 地址锁存允许输入信号，锁存地址锁存允许输入信号，锁存A、B、C。VREF(+)、VREF(-)参考电压端。参考电压端。VCC +5V，工作电源。，工作电源。GND 0V，电源地。，电源地。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲
46、义第二章输入输出接口与过程通道从使用的角度来看，任何一种从使用的角度来看，任何一种A/D转换器芯片一般具有转换器芯片一般具有以下输出信号线：以下输出信号线：1转换启动线（输入）：由系统控制器发出的控制信转换启动线（输入）：由系统控制器发出的控制信号，此信号有效，转换开始。号，此信号有效，转换开始。2转换结束线（输出）：转换完毕后由转换结束线（输出）：转换完毕后由A/D转换器发转换器发出的状态信号，由它中断或作查询之用。出的状态信号，由它中断或作查询之用。3模拟信号输入线：来自被转换的对象，有单通道输模拟信号输入线：来自被转换的对象，有单通道输入与多通道输入之分。入与多通道输入之分。4数字信号输
47、出线数字信号输出线:由由A/D转换器将数字量送给转换器将数字量送给CPU的数据线。数据线的根数表示的数据线。数据线的根数表示A/D转换器的分辨率。转换器的分辨率。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道(4)转换过程转换过程转换时序见转换时序见P25图图2.11。ALE高电平有效，在上升沿将高电平有效，在上升沿将A、B、C三线状态锁三线状态锁存，存，8选选1选择器开始工作选择器开始工作,选择将要转换的模拟通道。选择将要转换的模拟通道。在在START上收到启动转换命令（正脉冲）后，在正上收到启动转换命令（正脉冲）后，在正脉冲的上升沿将内部所有寄存器清零，
48、下降沿开始转换，脉冲的上升沿将内部所有寄存器清零，下降沿开始转换，转换期间转换期间EOC信号为低电平信号为低电平(比比START信号下降沿延迟信号下降沿延迟t)，100s后转换结束，后转换结束，EOC信号由低电平变为高电平，信号由低电平变为高电平，OE信号由低变高，通知信号由低变高，通知CPU读结果。读结果。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道启动启动地址地址锁存锁存ADDAADDCALE/STARTEOCOED0D7转换时间转换时间中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道CPU可采用可采用查询方式查询方式
49、（EOC接到一条接到一条I/O线上）或线上）或中断方式中断方式（EOC作为中断请求信号引入中断逻辑）了作为中断请求信号引入中断逻辑）了解转换过程是否结束。若转换结束，则解转换过程是否结束。若转换结束，则OE为高电平时为高电平时由由DO7DO0上读入转换结果。上读入转换结果。(5)ADC0809的量化单位的量化单位q=VREF(+)VREF(-)/256。通常基准电压通常基准电压VREF(+)=5.12V，VREF(-)=0V，此时，此时q=20mV，转换结果，转换结果D=VIN(mV)/q(mV)。如如VIN=2.5V时，时，D=2500/20=125。量化过程是一个非线性处理过程，经量化给出
50、的数量化过程是一个非线性处理过程，经量化给出的数字量，其精度取决于量化单位字量，其精度取决于量化单位q。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义第二章输入输出接口与过程通道3、12位位A/D转换器转换器AD574A美国模拟器件公司美国模拟器件公司(Analog Devices)生产。生产。技术参数：技术参数：12位逐次逼近式快速位逐次逼近式快速A/D转换器，转换转换器，转换时间约为时间约为25s，线性误差为，线性误差为(1/2)LSB，内部有时，内部有时钟脉冲源和钟脉冲源和10v基准电压源，单通道单极性基准电压源，单通道单极性(010v或或020v)或双极性电压输入或双极性电压输
