輸入輸出過程通道.ppt

2020 3 22 1 第7章輸入輸出過程通道 本章主要內容 1 數(shù)字量輸入輸出通道及其設計2 模擬量輸入通道及其設計3 模擬量輸出通道及其設計 2020 3 22 2 在計算機控制系統(tǒng)中 為了實現(xiàn)對生產過程的控制 要將生產現(xiàn)場的各種被測參數(shù)轉換成數(shù)字計算機能夠接受的形式 計算機經過計算 處理后的結果還須變換成適合于對生產進行控制的信號量 這個在計算機和生產過程之間傳遞和變換信息的裝置稱為輸入輸出過程通道 計算機控制系統(tǒng)的過程通道分為四類 模擬量輸入通道 模擬量輸出通道 數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道 2020 3 22 3 1 數(shù)字量輸入通道 7 1數(shù)字量輸入輸出通道 數(shù)字量輸入通道的任務是把被控對象的開關狀態(tài)信號 或數(shù)字信號 傳送給計算機 簡稱DI通道 圖7 1數(shù)字量輸入通道結構 數(shù)字量輸入通道由信號調理電路和輸入接口電路構成 DI接口電路 2020 3 22 4 1 數(shù)字量輸入調理電路 小功率輸入調理電路 圖7 2小功率輸入調理電路 a 采用RC濾波電路 b 采用RS觸發(fā)器 從開關 繼電器等接點輸入信號 將接點的接通和斷開動作 轉換成TTL電平信號與計算機相連 為了清除由于接點的機械抖動而產生的振蕩信號 通常采用RC濾波電路或RS觸發(fā)電路 2020 3 22 5 大功率輸入調理電路 圖7 3大功率輸入調理電路 在大功率系統(tǒng)中 需要從電磁離合等大功率器件的接點輸入信號 為了使接點工作可靠 接點兩端至少要加24V或24V以上的直流電壓 因為直流電平的響應快 不易產生干擾 電路又簡單 因而被廣泛采用 但是這種電路所帶電壓高 容易帶有干擾 通常采用光電耦合器進行隔離 2020 3 22 6 2 數(shù)字量輸入接口 數(shù)字量輸入接口包括信號緩沖電路和接口地址譯碼 當CPU執(zhí)行輸入指令IN時 接口地址譯碼電路產生片選信號 將經過輸入調理電路送來的過程狀態(tài) 開關信號 通過輸入緩沖器送到數(shù)據(jù)總線上 再送到CPU中 MOVDX DI PORT 接口地址DI PORT DXINAL DX 過程狀態(tài) AL寄存器 設采用PC總線 接口程序為 2020 3 22 7 2 數(shù)字量輸出通道 數(shù)字量輸出通道的任務是把計算機輸出的數(shù)字信號 或開關信號 傳送給開關器件 如繼電器或指示燈 控制它們的通 斷或亮 滅 簡稱DO通道 圖7 4數(shù)字量輸出通道結構 數(shù)字量輸出通道主要由輸出接口電路和輸出驅動電路等組成 DO接口電路 2020 3 22 8 1 數(shù)字量輸出驅動電路 輸出驅動電路的功能有兩個 一是進行信號隔離 二是驅動開關器件 低電壓開關信號輸出 圖7 5低電壓開關輸出 圖7 6三極管輸出驅動 對于低電壓情況下開關量控制輸出 可采用三極管 OC門或運放等方式輸出 2020 3 22 9 繼電器輸出接口 圖7 7繼電器輸出驅動 一般在驅動大型設備時 往往利用繼電器作為控制系統(tǒng)輸出到輸出驅動級之間的第一級執(zhí)行機構 通過第一級繼電器輸出 可完成從低電壓直流到高電壓交流的過渡 晶閘管輸出接口技術 晶閘管是一種大功率半導體器件 在計算機控制系統(tǒng)中 可作為大功率驅動器件 具有用較小功率控制大功率 開關無觸點等特點 在交直流電動機調速系統(tǒng) 調功系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)中有著廣泛的應用 2020 3 22 10 2 數(shù)字量輸出接口 數(shù)字量輸出 DO 接口包括輸出鎖存器和接口地址譯碼 當CPU執(zhí)行輸出指令OUT時 接口地址譯碼電路產生寫數(shù)據(jù)信號 將計算機發(fā)出的控制信號送到鎖存器的輸出端 再經輸出驅動電路送到開關器件 MOVAL DATA DO數(shù)據(jù) AL寄存器MOVDX DO PORT 接口地址DO PORT DXOUTDX AL DO數(shù)據(jù) 鎖存器的輸出端 設采用PC總線 接口程序為 2020 3 22 11 7 2模擬量輸入通道 1 模擬量輸入通道的一般組成 圖7 8模擬量輸入通道的組成結構 模擬量輸入通道一般由信號預處理 多路轉換器 前置放大器 采樣保持器 模 數(shù)轉換器和接口邏輯電路等組成 其核心是模 數(shù)轉換器 2020 3 22 12 2 模擬量輸入通道中常用器件和電路 信號預處理 信號預處理的功能是對來自傳感器或變送器的信號進行處理 如將4mA 20mA或0 10mA電流信號變?yōu)殡妷盒盘?將熱電阻 Pt100或Cu50 的電阻信號經過橋路變?yōu)殡妷盒盘柕?無源I V變換 圖7 9無源I V變換電路 無源I V變換可以利用一個的精密電阻 將0 10mA的電流信號轉換為0 5V的電壓信號 2020 3 22 13 有源I V變換 圖7 10有源I V變換電路 有源I V變換是利用有源器件運算放大器和電阻組成 利用0 10mA電流在電阻R上產生的輸入電壓 若取 則時 產生2V的輸入電壓 該電路的放大倍數(shù)為 若取 則0 10mA輸入對應于0 5V的電壓輸出 2020 3 22 14 多路轉換器 多路轉換器又稱多路開關 多路開關的作用是用來將各路被測信號依次地或隨機地切換到公共放大器或A D轉換上 圖7 11CD4051原理圖 表7 1CD4051通道選擇表 2020 3 22 15 前置放大器 前置放大器的任務是將模擬輸入小信號放大到轉換的量程范圍之內 當多路輸入的信號源電平相差較懸殊時 用同一增益的放大器去放大高電平和低電平的信號 就有可能使低電平信號測量精度降低 而高電平則有可能超出模 數(shù)轉換器的輸入范圍 可設計可變增益放大器 圖7 12可變增益前置放大器 2020 3 22 16 采樣保持器 采樣時 k閉合 VIN通過A1對CH快速充電 VOUT跟隨VIN 保持期間 k斷開 由于A2的輸入阻抗很高 理想情況下VOUT VC保持不變 采樣保持器一旦進入保持期 便應立即啟動A D轉換器 保證A D轉換期間輸入恒定 圖7 14集成采樣保持器LF398的原理圖 圖7 13采樣保持器的組成 2020 3 22 17 A D轉換器 A D轉換器的作用是將模擬量轉換為數(shù)字量 它是模擬量輸入通道的核心部件 是模擬系統(tǒng)和計算機之間的接口 分辨率 通常用數(shù)字量的位數(shù)n 字長 來表示 若n 8 滿量程輸入為5 12V 則LSB對應于模擬電壓 轉換時間 從發(fā)出轉換命令信號到轉換結束信號有效的時間間隔 即完成n位轉換所需要的時間 A D轉換器的主要技術指標 2020 3 22 18 線性誤差 在滿量程輸入范圍內 偏離理想轉換特性的最大誤差定義為線性誤差 線性誤差常用LSB的分數(shù)表示 如1 2LSB 1 4LSB等 轉換量程 所能轉換的模擬量輸入電壓范圍 如0 5V 0 10V 5V 十5V等 轉換精度 絕對精度指滿量程輸出情況下模擬量輸入電壓的實際值與理想值之間的差值 相對精度指在滿量程已校準的情況下 整個轉換范圍內任一數(shù)字量輸出所對應的模擬量輸入電壓的實際值與理想值之間的最大差值 轉換精度用LSB的分數(shù)值來表示 2020 3 22 19 8位A D轉換器ADC0809 圖7 15ADC0809的原理框圖及引腳 2020 3 22 20 12位A D轉換器AD574A 圖7 16AD574A的原理框圖及引腳 2020 3 22 21 A D轉換器與計算機的接口 8位A D轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口 圖7 17ADC0809與PC總線工業(yè)控制機接口 設8255A的A組和B組都工作于方式0 端口A為輸入口 端口C上半部分為輸入而下半部分為輸出口 ADC0809的ALE與START引腳相連接 將PC0 PC2輸出的3位地址鎖存入0809的地址鎖存器并啟動A D轉換 ADC0809的EOC同OE輸入控制端相連接 當轉換結束時 開放數(shù)據(jù)輸出緩沖器 EOC信號還連接到8255A的C口 CPU通過查詢PC7的狀態(tài)而控制數(shù)據(jù)的輸入過程 2020 3 22 22 根據(jù)圖7 17接口方法 采用查詢方式完成8路模擬量數(shù)據(jù)采集的程序框圖 假設在主程序中已完成對8255A的初始化編程 圖7 18用ADC0809實現(xiàn)8路數(shù)據(jù)采集程序流程圖 2020 3 22 23 CE 和的控制通過PC2 PC0輸出適當?shù)目刂菩盘枌崿F(xiàn) 12位A D轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口 AD574片內有時鐘 無需外加時鐘信號 該電路采用雙極性輸入方式 可對 5v或 10v模擬信號進行轉換 12 控制引腳和VLOGIC相連 接 5v 圖7 19AD574A與PC總線工業(yè)控制機接口 設8255A的A組和B組都工作于方式0 端口A B和端口C上半部分規(guī)定為輸入 端口C的下半部分規(guī)定為輸出 A0接地 使工作于12位轉換和讀出方式 2020 3 22 24 通過圖7 19硬件接口 在查詢方式下 啟動和讀取數(shù)據(jù)的程序框圖 假定已完成對8255A的初始化編程 圖7 20啟動和讀取AD574A數(shù)據(jù)程序流程圖 2020 3 22 25 3 模擬量輸入通道設計 如果模擬輸入電壓已滿足A D轉換量程要求 就不必再用前置放大器 前置放大器可分為固定增益和可變增益兩種 前者適用于信號范圍固定的傳感器 后者適用于信號范圍不固定的傳感器 如果在A D轉換期間 模擬輸入電壓信號變化微小 且在A D轉換精度之內 也就不必選用采樣保持器 A D轉換器位數(shù)的選擇主要取決于系統(tǒng)測量精度 A D轉換器的轉換時間或轉換速率的選擇取決于使用對象 采樣保持器 S H 的選用取決于測量信號的變化頻率 原則上直流信號或變化緩慢的信號可以不用采樣保持器 2020 3 22 26 確定A D轉換器位數(shù)的方法有以下兩種 輸入信號的動態(tài)范圍 設輸入信號的最大值和最小值分別為 式中n為A D轉換器的位數(shù) 為轉換當量 則動態(tài)范圍為 因此 A D轉換器位數(shù)為 2020 3 22 27 輸入信號的分辨率 有時對A D轉換器的位數(shù)要求以分辨率形式給出 其定義為 如果所要求的分辨率為D0 則位數(shù) 例如 某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為0 至200 要求分辨率為0 005 相當于1 可求出A D轉換器的位數(shù) 因此 取A D轉換器的位數(shù)n為8位 2020 3 22 28 圖7 218通道12位A D轉換模板 以PC總線工業(yè)控制機的模擬量輸入通道模板設計為例 單極性0 10V 12位分辨率 轉換時間 程序查詢工作方式 2020 3 22 29 該模板采集一組數(shù)據(jù)的過程如下 1 通道選擇將模擬量輸入的通道號寫入8255A的端口C低4位 使LF398的工作狀態(tài)受AD574A的STS控制 A D未轉換期間 LF398處于采樣狀態(tài) 2 啟動AD574A進行A D轉換通過8255A的端口C的PC4 PC6輸出控制信號啟動A D 在A D轉換期間 LF398處于保持狀態(tài) 3 查詢AD574A是否轉換結束讀8255A的端口A 了解STS是否已由高電平變?yōu)榈碗娖?4 讀取轉換結果若查詢到STS由1變?yōu)? 則讀8255A的端口A和B 便可得到轉換結果 2020 3 22 30 7 3模擬量輸出通道 1模擬量輸出通道的結構形式 圖7 23共用D A轉換器的結構 圖7 22一個通路一個D A轉換器的結構 只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場合 可靠性較差 轉換速度快 工作可靠 2020 3 22 31 2模擬量輸出通道中常用器件和電路 D A轉換器 D A轉換器的作用是將數(shù)字量轉換為模擬量 它是模擬量輸出通道的核心部件 是計算機和模擬系統(tǒng)之間的接口 D A轉換器的主要技術指標 分辨率 D A轉換器的分辨串定義為基準電壓與之比值 其中n為D A轉換器的位數(shù) 穩(wěn)定時間 輸入二進制數(shù)變化量是滿刻度時 輸出達到離終值時所需的時間 2020 3 22 32 轉換精度 其中絕對精度是指輸入滿刻度數(shù)字量時 D A轉換器的實際輸出值與理論值之間的最大偏差 相對精度是指在滿刻度己校準的情況下 整個轉換范圍內對應于任一輸入數(shù)據(jù)的實際輸出值與理論值之間的最大偏差 轉換精度用最低有效位LSB的分數(shù)來表示 如土1 2LSB 土1 4LSB等 線性度 理想的D A轉換器的輸入輸出特性應是線性的 在滿刻度范圍內 實際特性與理想特性的最大偏移稱為非線性度 用LSB的分數(shù)來表示 如土1 2LSB 土1 4LSB等 2020 3 22 33 8位D A轉換器DAC0832 圖7 24DAC0832的內部結構圖 2020 3 22 34 圖7 25DAC1210內部結構圖 12位D A轉換器DAC1210 2020 3 22 35 D A轉換器與計算機的接口 8位D A轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口 圖7 26DAC0832與PC總線工業(yè)控制機接口 DAC0832工作在單緩沖寄存器方式 DAC0832將輸入的數(shù)字量轉換成差動的電流輸出 經過運算放大器A 將形成單極性電壓輸出0 5V 若要形成負電壓輸出 則需接正的基準電壓 將數(shù)字量轉換后得到的輸出電流通過內部反饋電阻流到放大器的輸出端 2020 3 22 36 圖7 27用DAC0832實現(xiàn)8位D A轉換程序框圖 配合圖7 26硬件接口 8位D A轉換程序框圖如圖 2020 3 22 37 12位D A轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口 圖7 28DAC1210轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口 端口地址譯碼器譯 三個口地址 這三個口地址用來控制DAC1210工作方式和進行12位轉換 2020 3 22 38 以圖7 28接口為例 其轉換接口程序框圖如圖 圖7 2912位D A轉換程序框圖 2020 3 22 39 2020 3 22 40 V I轉換和自動 手動切換 電壓 電流轉換 0 10V 0 l0mA轉換 圖7 310 10V 0 l0mA的轉換電路 如圖 當運放開環(huán)增益足夠大時 輸出電流