1、第二章第二章 计算机控制系统的计算机控制系统的I/OI/O接口和接口和I/OI/O通道通道 本章要点本章要点1.I/O1.I/O接口电路的功能和设计；接口电路的功能和设计；2.I/O2.I/O通道的类型及组成通道的类型及组成3.I/O3.I/O通道的工作过程通道的工作过程4.I/O4.I/O通道的抗干扰措施通道的抗干扰措施2.1 I/O接口在系统中的应用 1、数据格式的匹配（1）并/串，串/并（2）字/字节，字节/字（3）电平转换2、速度匹配输入缓冲74LS244，输出锁存74LS273、74LS3733、地址的分配和扩展地址译码器74LS138，地址比较器74LS6884、负载能力的扩展总线
2、驱动器74LS2452.2 I/O 控制方式1、程序控制方式（1）无条件传送方式（2）程序查询传送方式2、中断控制方式3、存储器直接存取（DMA）方式2.3 I/O接口设计方法及举例1、数字量的输入输出输入缓冲输出锁存地址分配总线扩充74LS273和74LS373的区别74LS273是带公共时钟复位八D触发器;74LS373 是 三态同相八D锁存器273与373的引脚排列是相同的,唯一的差别是两者1、11脚的功能不同.对273(1).1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚全部输出0,即全部复位;(2).当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11
3、脚有一个上升沿,立即锁存输入脚的电平状态,并且立即呈现在在输出脚上.对373:(1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);(2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出立即呈现输入脚的状态.所以,如果分别用273和373来作为单片机的地址存器的话,对273来说,1(CLR)脚必须接高电平,ALE信号经过反相后接11脚(因为单片机的ALE信号是以下降沿方式出现)对373来说,1脚接低电平,保证使能,11脚直接接单片机的ALE信号.74LS245是我们常用的芯
4、片，用来驱动led或者其他的设备,74LS245是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。*74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。*当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。*当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）*DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当/CE为高电平时，A、B均为高 例1 设74LS244地址为90H，74LS273地址为91H，设计硬件电路并编写控制程序，实现数据的输入缓冲和输出锁存。例2 设用1块集成芯片实现数据的双向传送，设计硬件电路
5、并编写控制程序。例3 用74LS688和74LS138实现地址跳线功能，选择地址范围为200-3FFH。2 开关量的输入输出一、开关量的输入接口电路1、分压开关量的电压信号比较大，可以采用分压的方式对开关量的电压信号进行衰减R1和R2构成分压网络，可根据开关电压决定其阻值比例。另外为了增加抗干扰能力，非门可以采用输入端带施密特触发器的非门。这种接口电路比较简单，但是当开关信号系统与计算机系统在电气上互连时，如果开关信号系统的电气噪声大，那么这些噪声将串入计算机系统，从而可能导致系统不稳定。2、光电耦合 这种方式使开关信号系统与计算机系统在电气上相互隔离，其信号的传递是通过光信号进行耦合。电阻R
6、2的作用是限流，使得产生的开关电流在红外发光二极管的额定电流范围内。电阻R1的作用是上拉，产生数字信号的高电平。二、开关量的输出接口电路1、小功率开关输出电路2、继电器输出接口电路三、模拟量输入输出通道A/D、D/A、滤波器、信号处理电路、传感器、驱动电路等。2.4 I/O通道的组成及工作原理计算机控制系统包含多种信号形式，因此对应包含了多种I/O通道。I/O通道连接计算机和生产过程，负责完成数据的传送。计算机控制系统中的I/O通道按照数据流向分为输入通道和输出通道。按照信号类型分为模拟量通道和数字量通道。因此一个完整的计算机控制系统中包括了四种I/O通道。2.4.1 2.4.1 模拟量输入通
7、道模拟量输入通道 本节要点本节要点 1 1模拟量输入通道的结构组成。模拟量输入通道的结构组成。2 2多路开关，前置放大、采样保持等各环节多路开关，前置放大、采样保持等各环节 的功能作用。的功能作用。3 3A/DA/D转换器芯片及其接口电路转换器芯片及其接口电路 v 引言引言v 2.4.1.1 2.4.1.1 信号调理电路信号调理电路 v 2.4.1.22.4.1.2 多路模拟开关多路模拟开关v 2.4.1.32.4.1.3 前置放大器前置放大器v 2.4.1.2.4.1.4 4 采样保持器采样保持器 小结小结 本节主要内容概述 模拟量输入通道的任务模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温
8、是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。可以接收的数字量信号。结构组成如图所示，来自于工业现场传感器或变送器的结构组成如图所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。对过程
9、参数的巡回检测任务。显然，该通道的核心是模显然，该通道的核心是模/数转换器即数转换器即A/DA/D转换器，通常转换器，通常把模拟量输入通道称为把模拟量输入通道称为A/DA/D通道或通道或AIAI通道。通道。2.4.1.1 信号调理电路 在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器，当它们的输出信号为类型的测量变送器，当它们的输出信号为0-10 0-10 mAmA或或4-20 mA4-20 mA的电流信号时，的电流信号时，一般是采用电阻分压一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下
10、是两种变换电路。是两种变换电路。1.1.无源无源I/VI/V变换变换 2.2.有源有源I/VI/V变换变换 1.无源I/V变换 无源无源I/VI/V变换电路是利用无源器件变换电路是利用无源器件电阻电阻来实现，加上来实现，加上RCRC滤波和二极管限幅等保护，如滤波和二极管限幅等保护，如图（图（a a）所示，其中）所示，其中R2R2为精密电阻。对于为精密电阻。对于0-10 0-10 mAmA输入信号，可取输入信号，可取R1=100R1=100，R2=500R2=500，这样，这样当输入电流在当输入电流在0-10 mA0-10 mA量程变化时，输出的电量程变化时，输出的电压就为压就为0-5 V0-5
11、 V范围；而对于范围；而对于4-20 mA4-20 mA输入信号，输入信号，可取可取R1=100R1=100，R2=250R2=250，这样当输入电流为，这样当输入电流为4 4-20 mA-20 mA时，输出的电压为时，输出的电压为1-5 V1-5 V。电流/电压变换电路-+A2R1RVI(a)无无 源源 I I/V V 变变 换换 电电 路路(b)有有 源源 I I/V V 变变 换换 电电 路路图图 2-2 电电 流流/电电 压压 变变 换换 电电 路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5 V2.有源I/V变换 有源有源I/V变换是利用有源器件变换是利用有源器件运算放大运算放大器和电阻
12、电容组成，如图（器和电阻电容组成，如图（b）所示。利用同）所示。利用同相放大电路，把电阻相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准上的输入电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为输出电压。该同相放大电路的放大倍数为 若取若取R1=200，R3=100k，R4=150k，则输入电流则输入电流 I 的的0 10 mA就对应电压输出就对应电压输出V的的0 5 V；若取；若取R1=200，R3=100k，R4=25k，则，则4 20 mA的输入电流对应于的输入电流对应于1 5 V的电压输出。的电压输出。3411RRIRVG 集成I/V变换器RCV420RCV420高精度的电流环接收器，可以将4
13、-20mA的电流输出信号转换为0-5V的电压信号。同学们自己上网查阅RCV420的使用手册，学习如何使用该芯片实现I/V变换。2.4.1.2 多路模拟开关主要知识点 引言引言1 1 结构原理结构原理2 2 扩展电路扩展电路引言 由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选关实现多选1 1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。的
14、操作，将多路输入信号依次地切换到后级。目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(CD4051(双向、单端、双向、单端、8 8路路)、CD4052(CD4052(单向、双端、单向、双端、4 4路路)、AD7506(AD7506(单向、单端、单向、单端、1616路路)等。所谓等。所谓双向双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而也可以完成一到多的切换；而单向单向则只能完成多到一的切换。则只能完成多到一的切换
15、。双端双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。1 1 结构原理结构原理 现以常用的现以常用的CD4051为例，为例，8路模拟开关的结构路模拟开关的结构原理如图所示。原理如图所示。CD4051由电平转换、译码驱动及由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级时，前后级通道断开，即通道断开，即S0S7端与端与Sm端不可能接通；当为端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端时，则通道可以被接通，
16、通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通的数值，就可选通8个通道个通道S0S7中的一中的一路。比如：当路。比如：当C、B、A=000时，通道时，通道S0选通；当选通；当C、B、A=001时，通道时，通道S通；通；当当C、B、A=111时，时，通道通道S7选通。其真值表如表所示。选通。其真值表如表所示。图2-3 CD4051结构原理图0S2S3S4S5S6S7S1S动动驱驱码码译译换换转转平平电电ABCINHmS图图 CD4051CD4051结构原理图结构原理图 链接动画链接动画2 扩展电路 当采样通道多至当采样通道多至16路时，可直接选用路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，路模拟开关的芯
17、片，也可以将也可以将2个个8路路4051并联起来，组成并联起来，组成1个单端的个单端的16路开关。路开关。例题例题3-1 试用两个试用两个CD4051扩展成一个扩展成一个116路的模拟开关。路的模拟开关。例题分析：例题分析：下下图给出了两个图给出了两个CD4051扩展为扩展为116路模拟开关的路模拟开关的电路。数据总线电路。数据总线D3D0作为通道选择信号，作为通道选择信号，D3用来控制两个用来控制两个多路开关的禁止端。当多路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当时，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、D0从从000变为变为111，则依次选通，则依次选通S0S7通道；当通道；
18、当D3=1时，时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0从从000变为变为111，则依次选通，则依次选通S8S15通道。如此，组成一个通道。如此，组成一个16路的模拟开关。路的模拟开关。图图 多路模拟开关的扩展电路多路模拟开关的扩展电路D3D2D1D0动驱码译动驱码译换转平电换转平电0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS图2-4 多路模拟开关的扩展电路INHINH链接动画链接动画2.4.1.3 前置放大器主要知识点 引言引言1 1 测量放大器测量放大器 2 2 可变增
19、益放大器可变增益放大器 引言 前置放大器的任务前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到是将模拟输入小信号放大到A/DA/D转换的量程范围之内，如转换的量程范围之内，如0-5VDC;0-5VDC;对单纯的微弱信号对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如图所示，信号源的一端同相放大或单端反相放大。如图所示，信号源的一端若接放大器的正端为端若接放大器的正端为同相放大同相放大，同相放大电路的放，同相放大电路的放大倍数大倍数G G=1+R2/R1=1+R2/R1；若信号源的一端接放大器的负端为若信号源的一端接放大器的负端为反相放大反相放大，反，反相
20、放大电路的放大倍数相放大电路的放大倍数G G=R2/R1R2/R1。当然，这两种电。当然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。另一个输入端共地。放大电路图VIVO1R2R图 2-5 放大电路VIVO1R2R(a)同相放大UsUs(b)反相放大链接动画链接动画1 测量放大器 在实际工程中在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。作用。因此，因此，A/DA/D
21、通道中的前置放大器通道中的前置放大器常采用由一组运放构成常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图所示。的测量放大器，也称仪表放大器，如图所示。经典的测量放大器经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端大器的差动输入端V VININ 和和V VININ 分别是两个运放分别是两个运放A1A1、A2A2的同相输的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。因而有着极强的抑制共模干扰能力。-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-
22、NIVGRNIV+负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV(外接外接)(a)经典的前置放大器经典的前置放大器前置放大器图前置放大器图链接动画链接动画 图中图中RGRG是外接电阻，专用来调整放大器增是外接电阻，专用来调整放大器增益的。因此，放大器的增益益的。因此，放大器的增益G G与这个外接电阻与这个外接电阻RGRG有着密切的关系。增益公式为有着密切的关系。增益公式为 目前这种测量放大器的集成电路芯片有多目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种，如种，如AD521/522AD521/522、INA102INA102等。等。)21(12ININOUTGSRRRRVVVG2 2 可变增益放大器可变增益
23、放大器 在在A/DA/D转换通道中，多路被测信号常常共用一个转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到要放大到A/DA/D转换器的同一量程范围。因此，对应于各转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器，如图所示。放大器，如图所示。3A2A-NIN负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV16K16K16K16K2481
24、6326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+可变增益前置放大器可变增益前置放大器 链接动画链接动画 把前置放大器中的外接电阻把前置放大器中的外接电阻RGRG换成一组精密的电阻换成一组精密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增断就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为分别为2 2、4 4、8 8、1616
25、、3232、6464、128128、256256倍。显然，这一倍。显然，这一组开关如果用多路模拟开关组开关如果用多路模拟开关(类似类似CD4051)CD4051)就可方便地进行就可方便地进行增益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路芯片有增益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路芯片有AD612/614AD612/614等。等。2.4.1.4 采样保持器 当某一通道进行当某一通道进行A/DA/D转换时，由于转换时，由于A/D A/D 转换需要转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证的转换误差。为了保证A/DA/D转
26、换的精度，需要应用采转换的精度，需要应用采样保持器。样保持器。v1 1 数据采样定理数据采样定理 v2 2 采样保持器采样保持器 1 1 数据采样定理数据采样定理离散系统或采样数据系统离散系统或采样数据系统-把连续变化的量变成离把连续变化的量变成离 散量后再进行处理的计算机控制系统。散量后再进行处理的计算机控制系统。离散系统的采样形式离散系统的采样形式-有周期采样、多阶采样和随有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。机采样。应用最多的是周期采样。周期采样周期采样-就是以相同的时间间隔进行采样，即把就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号一个连续变化的模拟信号y y
27、(t t)，按一定，按一定的时间间隔的时间间隔T T 转变为在瞬时转变为在瞬时0 0，T T，2 2T T，的一连串脉冲序列信号的一连串脉冲序列信号 y y*(t t)，如图所示。如图所示。0t0T2T3Tt采样器y(t)*y(t)*y(t)y(t)T图2-7 信号的采样过程采样器的常用术语：采样器的常用术语：采样器或采样开关采样器或采样开关-执行采样动作的装置，执行采样动作的装置，采样时间或采样宽度采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时间采样开关每次闭合的时间采样周期采样周期T-T-采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔 在实际系统中，在实际系统中，T T ，也就是说，可以近
28、似地认为采样，也就是说，可以近似地认为采样信号信号y y*(t t)是是y y(t t)在采样开关闭合时的瞬时值在采样开关闭合时的瞬时值。图 信号的采样过程 链接动画链接动画 由经验可知，采样频率越高，采样信号由经验可知，采样频率越高，采样信号 y y*(t t)越接近原越接近原信号信号y y(t t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号采样信号y y*(t t)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我既不失真，又不会因频率
29、太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号y y*(t t)能完全复现原信号能完全复现原信号y y(t t)，采样频率，采样频率f f 至少要为原信号最高有效至少要为原信号最高有效频率频率f fmaxmax的的2 2倍，即倍，即f f 2f 2fmaxmax。采样定理给出了采样定理给出了y y*(t t)唯一地复现唯一地复现y y(t t)所必需的最低采样所必需的最低采样频率。实际应用中，常取频率。实际应用中，常取f f （5 51010）f fmaxmax。2 2采样保持器采样保持器 1、零阶采样保持器零阶采样保持器
30、-零阶采样保持器是在两次采样零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如图它的组成原理电路与工作波性如图 (a)(a)、(b)(b)所示。所示。采样保持器由输入输出缓冲放大器采样保持器由输入输出缓冲放大器A1A1、A2A2和采样开关和采样开关S S、保持电容保持电容CH等组成。采样期间，开关等组成。采样期间，开关S S闭合，输入电压闭合，输入电压V VININ通通过过A1A1对对CH快速充电，输出电压快速充电，输出电压V VOUTOUT跟随跟随V VININ变化；保持期间，变化；保
31、持期间，开关开关S S断开，由于断开，由于A2A2的输入阻抗很高，理想情况下电容的输入阻抗很高，理想情况下电容C CH H将保将保持电压持电压VCVC不变，因而输出电压不变，因而输出电压V VOUT=OUT=VCVC也保持恒定。也保持恒定。INV1A2AHCOUTVSOUTVINVtt图 2-8 采样保持器 路电理原)a(性波作工)b(采样保持采样保持器图采样保持器图链接动画链接动画 显然，保持电容显然，保持电容C H的作用十分重要。实际上保持的作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压期间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保持电在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压容的漏电流
32、所致。保持电压VC的变化率为的变化率为 式中：式中：ID-为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电容电容CH值值-增大电容增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又值可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等是外接的，所以
33、要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为高质量的电容器，容量为5101000pF。HDdcdCItV2 2、零阶集成采样保持器、零阶集成采样保持器-常用的零阶集成采样保持器有常用的零阶集成采样保持器有AD582AD582、LF198/298/398LF198/298/398等，其内部结构和引脚如图所示。这等，其内部结构和引脚如图所示。这里，用里，用TTLTTL逻辑电平控制采样和保持状态，如逻辑电平控制采样和保持状态，如AD582AD582的采样电的采样电平为平为“0 0”，保持电平为，保持电平为“1 1”，而，而LF198LF198的则相反。的则相反。在在A/DA/D通道中，采样保持
34、器的采样和保持电通道中，采样保持器的采样和保持电平应与后级的平应与后级的A/DA/D转换相配合，该电平信号既可以转换相配合，该电平信号既可以由其它控制电路产生，也可以由由其它控制电路产生，也可以由A/DA/D转换器直接提转换器直接提供。供。总之，保持器在采样期间，不启动总之，保持器在采样期间，不启动A/DA/D转换转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动器，而一旦进入保持期间，则立即启动A/DA/D转换器，转换器，从而保证从而保证A/D A/D 转换时的模拟输入电压恒定，以确转换时的模拟输入电压恒定，以确保保A/DA/D转换精度。转换精度。2.4.2 模拟量输出通道模拟量输出通道本节主要内容本节
35、主要内容 2.42.4.2.1 .2.1 模拟量输出通道的组成模拟量输出通道的组成 2.42.4.2.2.2.2 输出方式输出方式v模拟量输出通道的任务模拟量输出通道的任务-把计算机处理后的数字量信号把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的从而达到控制的目的;v模拟量输出通道模拟量输出通道(称为称为D/AD/A通道或通道或AOAO通道通道)构成构成-一般是由一般是由接口电路、数接口电路、数/模转换器模转换器(简称简称D/AD/A或或DAC)DAC)和电压和电压/电流变电流变换器等换器等;v模拟量
36、输出通道基本构成模拟量输出通道基本构成-多多D/AD/A结构（图结构（图(a)(a)）和共享）和共享D/AD/A结构（图结构（图(b)(b)）2.4.2.12.4.2.1模拟量输出通道的组成模拟量输出通道的组成 图接口电路通道1通道nD/AD/AV/IV/I(a)多D/A结构PC总线特点：特点：1、一路输出通道使用一个一路输出通道使用一个D/A转换器转换器 2 2、D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器转换器芯片内部一般都带有数据锁存器 3 3、D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用 4 4、结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通
37、道独立结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立 5 5、缺点是所需缺点是所需D/A转换器芯片较多转换器芯片较多接口电路通道 1通道nD/AV/IV/I多路开关采样保持器采样保持器（b）共享D/A结构PC总线图特点：特点：1、多路输出通道共用一个多路输出通道共用一个D/A转换器转换器 2 2、每一路通道都配有一个采样保持放大器、每一路通道都配有一个采样保持放大器 3 3、D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用转换器只起数字到模拟信号的转换作用 4 4、采样保持器实现模拟信号保持功能、采样保持器实现模拟信号保持功能 5 5、节省、节省D/A转换器，转换器，但电路复杂，精度差，可靠但电路
38、复杂，精度差，可靠低、占用主低、占用主机时间机时间 2.4.2.2 2.4.2.2 输出方式输出方式 1 1 电压输出方式电压输出方式2 2 电流输出方式电流输出方式3 3 自动自动/手动输出方式手动输出方式 多数多数D/AD/A转换芯片输出的是弱电流信号，要转换芯片输出的是弱电流信号，要驱动后面的自动化装置，需在电流输出端外接驱动后面的自动化装置，需在电流输出端外接运算放大器。根据不同控制系统自动化装置需运算放大器。根据不同控制系统自动化装置需求的不同，输出方式可以分为电压输出、电流求的不同，输出方式可以分为电压输出、电流输出以及自动输出以及自动/手动切换输出等多种方式。手动切换输出等多种方
39、式。1 1 电压输出方式电压输出方式 由于系统要求不同，电压输出方式又由于系统要求不同，电压输出方式又可分为可分为单极性输出单极性输出和和双极性输出双极性输出两种形式。两种形式。下面以下面以8 8位的位的DAC0832DAC0832芯片为例作一说明。芯片为例作一说明。1 1DAC单极性输出单极性输出 图 3-8 D A C 单 极 性 输 出 方 式D A C 0832R fb1TUOI2TUOIAVFERVTUOFERVD I7D I6D I5D I4D I3D I2D I1D I0D7D6D5D4D3D2D1D0256REFOUTVBV001166772222 DDDDB式中：式中：VRE
40、F/256是常数是常数 显然，显然，V VOUTOUT和和 B B 成正比关系，输入成正比关系，输入数字量数字量 B B 为为 00H 00H 时，时，V VOUTOUT也为也为 0 0；输；输入数字量入数字量 B B 为为FFHFFH即即255255时，时，V VOUTOUT 为与为与 V VREFREF 极性相反的最大值。极性相反的最大值。DAC单极性输出方式如图单极性输出方式如图 所示，所示，由式由式(3-1)可得输出电压可得输出电压VOUT的单极性输出表的单极性输出表达式为：达式为：2 2DACDAC双极性输出方式双极性输出方式 DAC DAC双极性输出方式如图双极性输出方式如图 所示
41、。所示。图 3-9 DAC双极性输出方式DAC0832RfbI1TUO2TUOI2RVR2RA2A1I2I3IFERVFERVTUODI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0D7D6D5D4D3D2D1D0V1TUOA1A A1 1 和和 A A2 2 为运算放大器，为运算放大器，A A点为虚地，故可得：点为虚地，故可得：解上述方程可得双极性输出表达式：解上述方程可得双极性输出表达式：0321III256REF1OUTVBVRVI2REF1RVI22OUT2RVIOUT13 图中运放图中运放 A A2 2 的作用是将运放的作用是将运放 A A1 1 的单向输出变为的单向输出变为双向输出。
42、当输入数字量小于双向输出。当输入数字量小于 80 H80 H即即128128时，输出模拟时，输出模拟电压为负；当输入数字量大于电压为负；当输入数字量大于 80 H80 H即即128128时，输出模拟时，输出模拟电压为正。其它电压为正。其它n n位位D/AD/A转换器的输出电路与转换器的输出电路与DAC0832 DAC0832 相相同，计算表达式中只要把同，计算表达式中只要把 2 28-18-1改为改为2 2n n-1-1即可。即可。18REF18OUT22)2(VBV12B1-8REFOUT2VV或或2 2 电流输出方式电流输出方式 因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特别因为电流信号易
43、于远距离传送，且不易受干扰，特别是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流信号，所以是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流信号，所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息，这就需在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息，这就需要将电压信号再转换成电流信号，完成电流输出方式的电要将电压信号再转换成电流信号，完成电流输出方式的电路称为路称为V/IV/I变换电路。变换电路。电流输出方式电流输出方式一般有两种形式：一般有两种形式：1 1普通运放普通运放V/IV/I变换电路变换电路 2 2集成转换器集成转换器V/IV/I变换电路变换电路 1 1普通运放普通运放V/IV/I变换电路变换电路 （1 1
44、）0 10 mA0 10 mA的输出的输出 +-Vin010 VAT1T2I0Vf+VsR1R2R3R4R5R6RfRL图图 0 10 V/010 mA的变换电路的变换电路 010 V/010 mA 010 V/010 mA的变换电路，由运放的变换电路，由运放A A和三极管和三极管T T1 1、T T2 2组成，组成，R R1 1 和和 R R2 2是输是输入电阻，入电阻，R Rf f 是反馈电阻，是反馈电阻，R RL L是负载的等效电阻。输入电压是负载的等效电阻。输入电压V Vin in 经输入电阻进入经输入电阻进入运算放大器运算放大器A A，放大后进入三极管，放大后进入三极管T T1 1、
45、T T2 2。由于。由于T T2 2射极接有反馈电阻射极接有反馈电阻R R f f，得到反，得到反馈电压馈电压V Vf f加至输入端，形成运放加至输入端，形成运放A A的差动输入信号。该变换电路由于具有较强的差动输入信号。该变换电路由于具有较强的电流反馈，所以有较好的恒流性能。的电流反馈，所以有较好的恒流性能。输入电压输入电压 V Vin in 和输出电流和输出电流 I Io o 之间关系如下：之间关系如下：若若 R R3 3、R R4 4R Rf f、R RL L，可以认为，可以认为 I Io o 全部流经全部流经 R Rf f，由此可得，由此可得:V V V VininR R4 4/（R
46、R1 1R R4 4）I Io oR RL LR R1 1/（R R1 1R R4 4）V V I Io o（R Rf fR RL L）R R2 2/（R R2 2R R3 3）对于运放，有对于运放，有V V V V，则，则 V VininR R4 4/（R R1 1R R4 4）I Io oR RL LR R1 1/（R R1 1R R4 4）=I=Io o（R Rf fR RL L）R R2 2/（R R2 2R R3 3）若取若取R R1 1=R=R2 2 ，R R3 3=R=R4 4，则由上式整理可得，则由上式整理可得 I Io o=V=VininR R3 3/（R R1 1R Rf
47、f ）可以看出，输出电流可以看出，输出电流 I Io o 和输人电压和输人电压 V Vinin 呈线性对应的单值函数关呈线性对应的单值函数关系。系。R R3 3/（R R1 1R Rf f）为一常教，与其他参数无关。）为一常教，与其他参数无关。若取若取V Vinin 0 010 V10 V，R R1 1=R=R2 2=100 k=100 k，R R3 3=R=R4 4=20 k=20 k，R Rf f 200 200，则输出电流，则输出电流I Io o=0 10 mA=0 10 mA。（2 2）4 20 mA4 20 mA的输出的输出1 5 V/4 20 mA的变换电路中两个运放A1、A2均接
48、成射极输出形式。+-A1+-A2T2T1T3Vin15VR1R2RfRLR3CIfI2I0I1V1V2+Vs图图15V/420mA的变换电路的变换电路V3 在稳定工作时在稳定工作时 Vin V1;所以所以 I1=V1/R1=Vin/R1 又因为又因为 I1 I2 所以所以 Vin/R1=I2=（VS-V2）/R2 即即 V2=VS-VinR2/R1在稳定状态下在稳定状态下，V2 V3，If Io，故故 Io If =（VS-V3）/Rf=（VS-V2）/Rf 将上式代入得将上式代入得 Io=（VS-VS+VinR2/R1）/Rf =VinR2/（R1Rf）其中其中 R R1 1 、R R2 2
49、 、R Rf f 均为精密电阻，所以输出电流均为精密电阻，所以输出电流 I Io o 线性比线性比例于输入电压例于输入电压V Vinin，且与负载无关，接近于恒流。，且与负载无关，接近于恒流。若若R1=5 k，R2=2 k，R3=100，当当 Vin=15 V 时时输输出电流出电流Io=420 mA。2 2集成转换器集成转换器V/IV/I变换电路变换电路集成集成V/IV/I转换器转换器ZF2B20ZF2B20采用单正电源供电，电源电压范围采用单正电源供电，电源电压范围为为101032V32V，ZF2B20ZF2B20的输入电阻为的输入电阻为10K10K，动态响应时，动态响应时间小于间小于25S
50、25S，非线性小于土，非线性小于土 0.0250.025。通过通过ZF2B20ZF2B20可以产生一个与输入电压成比例的输出电流，其可以产生一个与输入电压成比例的输出电流，其输入电压范围是输入电压范围是0 010V10V，输出电流是，输出电流是4 420mA20mA。它的特点是低漂移，。它的特点是低漂移，在工作温度为在工作温度为-25-258585范围内，最大温漂为范围内，最大温漂为0.0050.005/。利用。利用 ZF2B20ZF2B20实现实现V/IV/I转换的电路非常简单。转换的电路非常简单。3 3 自动自动/手动输出方式手动输出方式 如图所示，是在普通运放如图所示，是在普通运放V/I
