計算機控制技術2

2023/2/2第二章過程通道1第二章模擬量輸入/輸出通道接口的設計本章主要內容：

1采樣周期的選擇

2模擬量輸入通道原理和設計方法：A/D3模擬量輸出通道原理和設計方法：D/A4開關量輸入、輸出通道的原理和設計方法：電平轉換和驅動電路的設計2023/2/2第二章過程通道22.1多路開關及采樣保持器（1）為什么要使用多路開關？計算機控制系統(tǒng)中，有時需要對多路或多種參數(shù)進行采集和控制，由于計算機的工作速度很快，而被測參數(shù)的變化較慢，因此，一臺計算機可供多個回路使用。然而，計算機在某一個時刻只能接收一個通道的信號，因此，必須通過多路模擬開關進行切換，使各路被測參數(shù)分時進入計算機。（2）為什么在過程通道中要加入采樣保持器？ 模擬量必須轉換為數(shù)字量才能進入計算機，由于A/D轉換需要一定的時間，為了保證轉換精度，必須保證在轉換時保持轉換值不變，同時，在轉換結束后轉換值又能跟蹤模擬量的變化。在多路模擬量輸出時，為了使各個通道得到一個平滑的模擬量輸出，在分時輸出期間，必須保持一個恒定值。2023/2/2第二章過程通道32.1多路開關及采樣保持器——采樣定理2.1.1采樣定理

Shannon采樣定理：

一個具有有限頻譜的連續(xù)函數(shù)，它的頻帶為：對進行采樣，僅當采樣頻率，采樣函數(shù)才能不失真地恢復原函數(shù)。x(t)t0連續(xù)函數(shù)x(t)tT2T3T4TnT離散序列2023/2/2第二章過程通道42.1多路開關及采樣保持器——采樣定理采樣周期的選擇

<1>采樣周期的選擇與下列因素有關：（1）生產過程的擾動程度；（2）被控對象的動態(tài)特性；（3）采用的控制方式和執(zhí)行機構的類型；（4）被控對象所要求的控制品質指標.<2>采樣周期的選擇流量：1~5s(優(yōu)選1~2s）；壓力：3~10s(優(yōu)選6~8s）；液位：6~8s；溫度：15~20s；成分：15~20s；

2023/2/2第二章過程通道52.1多路開關及采樣保持器——多路開關2.1.2多路開關 多路開關的作用：把多個模擬量參數(shù)分時地接入A/D轉換器，實現(xiàn)多到一的轉換；或者把計算機處理后的控制量，由D/A轉換器轉換成模擬量按一定的順序輸出到不同的控制回路中，實現(xiàn)一到多的轉換。 一、多路開關的特性（1）斷開（開路）電阻無窮大；（2）導通電阻為0；（3）頻帶寬度無窮大，功耗為0；（4）通斷過渡時間為0；（5）導通時，只允許有用的電信號通過，而無其他信號耦合到回路中。2023/2/2第二章過程通道62.1多路開關及采樣保持器——多路開關二、常用模擬開關：機械式：干簧、濕簧繼電器及機械振子組成。特點：近似理想的靜態(tài)特性。采樣速度低，觸點壽命短。使用：高精度、低速采樣。電子式：集成電路，晶體管、場效應管、CMOS

特點：采樣速度高，體積小、壽命長。對溫度敏感使用：高速采樣。2023/2/2第二章過程通道72.1多路開關及采樣保持器——多路開關三、常用多路開關集成電路芯片（半導體多路開關）公司型號規(guī)格種類CDCD40518路雙向CD4052雙4路雙向CD40533重2通道雙向CD406716路雙向CD4097雙8路雙向ADAD75018路單向AD7502雙4路單向AD75038路單向AD750616路單向AD7507雙8路單向MAXMAX3088路雙向MAX309雙4路雙向MAX3068路雙向MAX307雙8路雙向2023/2/2第二章過程通道82.1多路開關及采樣保持器——多路開關CD4051—八選一多路開關電路的工作原理VDD：+5~+15V，X0~X7模擬電壓的范圍。VEE，VSS：模擬電壓及數(shù)字信號允許輸入的下限值。

模擬信號的峰－峰值：15V;數(shù)字信號：3～15V

電平轉換VDDVSSVEEINHABCX0X1X7X譯碼器（1）組成：邏輯電平轉換、二進制譯碼和8個模擬開關組成。2023/2/2第二章過程通道92.1多路開關及采樣保持器——多路開關

（2）工作原理：

INH＝1，禁止工作，INH＝0，允許工作；

INH＝0時，由A、B、C指定通道，000～111，通過譯碼器可以譯出8種狀態(tài)，選中一個通道工作。

CD4051可以雙向工作，改變IN/OUT和OUT/IN接法，可以實現(xiàn)8入1出、8出1入。2023/2/2第二章過程通道102.1多路開關及采樣保持器——多路開關的擴展四、多路開關的擴展（1）16選1路開關的擴展INHINHA3A2A1A0A2A1A0A2A1A0輸出0~7路輸入8~15路輸入CD40511#CD40512#A3=0，選中1#，則1#CD4051的8個通道0~7的地址編碼（A3A2A1A0）為0000-0111。A3=1，選中2#，則2#CD4051的8個通道0~7的地址編碼（A3A2A1A0）為1000-1111。因此，每一時刻只有唯一的通道與輸出接通。2023/2/2第二章過程通道112.1多路開關及采樣保持器——多路開關的擴展（2）16路差動輸入開關電路X1X2X3X7ABINHCXX1X2X3X7ABINHCXX1X2X3X7ABINHCXX1X2X3X7ABINHCXQ0Q2Q3Q1D0D1D2D3選通通道編碼信息Vs1Vs2模擬信號輸入CD4051CD4051CD4051CD4051Vs1(0~7)Vs2(0~7)Vs1(8~15)Vs2(8~15)#0#1#2#3D3=0，#0，#1工作D3=1，#2，#3工作2023/2/2第二章過程通道122.1多路開關及采樣保持器——多路開關的選擇1）考慮通道數(shù)、尋址方式、是否需要擴展、單端輸入還是差動輸入；

2）對傳輸信號電平較低的場合，可選用低壓型多路開關，但在電路中必須考慮抗干擾措施。

3）對傳輸精度較高而信號變化較慢的場合，可選用機械式多路開關以減小導通電阻。

4）對切換速度較高、且通道路數(shù)較多的場合，選用集成電路多路模擬開關。盡可能采用單片實現(xiàn)，以保證各路的特性參數(shù)一致；若采用多片組合，盡可能選用同一類芯片。

5）對模擬開關的速度選擇應高于采樣保持電路和A/D轉換電路的工作速度。

6）考慮多路開關的傳輸精度，漂移特性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。2023/2/2第二章過程通道132.1多路開關及采樣保持器——采樣保持器2.1.3采樣保持器（Sample/Hold,S/H）

由A/D轉換理解加入采樣保持器的作用。變化較快的模擬信號在A/D轉換的過程期間，會引起轉換誤差： 設模擬信號：u=Umsin2ft

信號隨時間的變化率：du/dt=2fUmcos2ft 顯然，t=0,存在最大轉換誤差：u=2fUmt

。當A/D轉換時間t一定時，u

與信號的頻率f成正比，所以，在保證一定轉換精度（u(f)<)的前提下，可以使用采樣保持器。

結論：

在A/D轉換期間（很短的一段時間內），讓信號保持不變，不受信號本身變化的影響，待轉換結束后，再引入新的信號，進行下一次采樣，可以保證轉換精度。2023/2/2第二章過程通道142.1多路開關及采樣保持器——采樣保持器一、采樣保持器的工作方式：

S/H有2種工作方式：采樣方式和保持方式。采樣方式時，S/H輸出隨輸入信號變化。保持方式時，S/H的輸出將保持在命令發(fā)出時刻的輸入信號值，直到保持命令結束。2023/2/2第二章過程通道152.1多路開關及采樣保持器——采樣保持器二、采樣保持器在A/D轉換中的作用： （1）在采樣時間內，快速跟蹤輸入信號的變化，在保持時間內，保持采樣值不變，為A/D轉換提供穩(wěn)定的轉換信號。（2）在多路采樣系統(tǒng)中，跟蹤采樣信號，當采樣/保持器進入保持方式時，多路開關進行下一路信號的采樣，從而構成高速的重疊采樣的模式。（3)在保證精度的前提下，提高A/D轉換器的頻率。A/D轉換需要時間，在轉換過程中應保持一個恒定的值，否則無法得到精確的轉換結果，只能犧牲被轉換信號的頻率來達到高精度轉換。2023/2/2第二章過程通道162.1多路開關及采樣保持器——采樣保持器三、采樣/保持器在D/A轉換中的作用： （1）把D/A轉換器輸出的時間上離散模擬量變換為時間上連續(xù)的模擬量，即將前一個時刻D/A轉換器的輸出值保持到下一個時刻新的輸出值到來之前。 （2）減少D/A轉換器的輸出毛刺，從而消除輸出信號的峰值及縮短穩(wěn)定輸出值的建立時間。 （3）把一個D/A轉換器的輸出分配到幾個輸出通道，以保持輸出的穩(wěn)定性。2023/2/2第二章過程通道172.1多路開關及采樣保持器——采樣保持器四、采樣保持器的工作原理+-A1+-A2UiUoKC方式控制

當控制信號為高電平時，K閉合，Ui通過放大器A1向C充電，可經放大器A2輸出——采樣階段。充電時間越小越好，使C很快達到輸入電壓值。1

當控制信號為低電平時，K斷開，C保持K斷開前的一瞬間的輸入信號，經放大器A2輸出——保持階段。C上的電壓穩(wěn)定時間越長越好。+-A1+-A2UiUoKC方式控制02023/2/2第二章過程通道182.1多路開關及采樣保持器——采樣保持器五、常用采樣保持器芯片：

LF198、LF298、LF398、AD582

特點：采樣速度高，保持電壓下降時間長，精度高。+-A1+-A2UinUoutKC（外接電容）R2R1OFFSET偏置控制邏輯參考電平LR238765V+——1V-——4控制=0，保持控制=1，采樣LF198/LF298/LF398A32023/2/2第二章過程通道192.1多路開關及采樣保持器——采樣保持器六、采樣保持器的應用（1）LF3983814576VinVoutC0+5V控制V+V-采樣保持器電路holdSample2023/2/2第二章過程通道202.1多路開關及采樣保持器——采樣保持器六、采樣保持器的應用（2）393＋－＋5V采樣脈沖LF3983814576VinC1150pFV+V-RVout接A/D大于1小于0tf(t)11000AA峰值檢測電路2023/2/2第二章過程通道212.2模擬量輸出通道接口技術模擬量輸出通道的作用：完成數(shù)字量到模擬量的轉換。2.2.1模擬量輸出通道結構形式 （1）一個通道配置一個D/A轉換器(多路D/A輸出形式）CPUI/O接口D/A轉換器D/A轉換器通道通道CPU與各個模擬量通道之間通過獨立的接口傳遞信息；速度快、可靠性高；成本較高2023/2/2第二章過程通道222.2模擬量輸出通道接口技術—模擬量輸出通道結構形式（2)多個通道共享一個D/A轉換器CPU多路開關D/A轉換器保持電路I/O接口保持電路通道通道

各個通道分時工作；輸出保持器將D/A轉換器輸出的離散模擬量轉換成執(zhí)行機構能夠接受的連續(xù)信號，將D/A本時刻的輸出值保持到下一個時刻；速度較慢，可靠性較差。2023/2/2第二章過程通道232.2模擬量輸出通道接口技術—模擬量輸出通道結構形式（3）多個通道同時進行D/A轉換（同步方式）緩沖寄存器緩沖寄存器D/A緩沖寄存器緩沖寄存器D/A緩沖寄存器緩沖寄存器D/A地址譯碼器模擬量輸出CPUDBAB2023/2/2第二章過程通道242.2模擬量輸出通道接口技術——D/A轉換原理2.2.2D/A轉換原理

轉換的數(shù)字量經接口控制各位相應的開關，以接通或斷開各自的解碼電阻，從而改變標準參考電源經解碼電阻網絡所產生的總電流，然后經放大器輸出與數(shù)字量相對應的模擬量。（1）D/A轉換原理2023/2/2第二章過程通道252.2模擬量輸出通道接口技術——D/A轉換原理（2）R-2RT型解碼網絡工作原理數(shù)字量anan-1…a1，模擬量輸出為：2023/2/2第二章過程通道26數(shù)字量為：a4a3a2a1=00012023/2/2第二章過程通道27數(shù)字量為：a4a3a2a1=00102023/2/2第二章過程通道28數(shù)字量為：a4a3a2a1=01002023/2/2第二章過程通道29數(shù)字量為：a4a3a2a1=1000對于任意的數(shù)字量a4a3a2a1，輸出為：2023/2/2第二章過程通道302.2模擬量輸出通道接口技術——8位D/A接口技術1普通型A/D轉換器——DAC08322023/2/2第二章過程通道312.2模擬量輸出通道接口技術——8位D/A接口技術2電壓型輸出D/A轉換器——AD558（1——補充）2023/2/2第二章過程通道322.2模擬量輸出通道接口技術——8位D/A接口技術2電壓型輸出D/A轉換器——AD558（2——補充） （1）內部含有運算放大器； （2）內部含有高精度的參考電源。 （3）電壓輸出范圍有2種：0～2.56V，0～10V?？梢酝ㄟ^改變輸出電路的連接方式實現(xiàn)輸出量程的選擇。0～2.56V0～10V2023/2/2第二章過程通道332.2模擬量輸出通道接口技術——8位D/A接口技術34通道D/A轉換器——AD7226（1——補充）2023/2/2第二章過程通道342.2模擬量輸出通道接口技術——D/A的輸出方式4D/A轉換器的輸出方式

D/A轉換器的輸出有電流和電壓兩種方式，電壓型輸出可分為單極性電壓輸出和雙極性電壓輸出。

D/A轉換器的輸出方式與D/A轉換器的位數(shù)沒有關系，只與模擬量輸出端的電路連接方式有關。

（1）單極性電壓輸出 電流輸出型的D/A轉換器，外接一級運放，且Iout2接地。運放的電壓輸出范圍和極性與VREF有關。IOUT1RfbIOUT2VOUT+-A0832單極性電壓2023/2/2第二章過程通道352.2模擬量輸出通道接口技術——D/A的輸出方式（2）雙極性電壓輸出 對于電流型輸出的D/A轉換器采用2級運放實現(xiàn)雙向電壓輸出。VREF15KIOUT1RfbIOUT2+-A10832+-A215K7.5K+5VVOUT雙極性電壓0~-5VR1R2R3VO2023/2/2第二章過程通道362.2模擬量輸出通道接口技術——接口及程序設計58位D/A轉換器的接口與程序設計（1） （1）芯片內部不含鎖存器 方法一：在CPU與D/A轉換器之間增加數(shù)據(jù)鎖存器或I/O接口芯片。 IOUT1IOUT2+-A0808803174373WREAP0P2ALEGA0~A7A8~A15CLK＋A0~A7CLR5V74273VOUT2023/2/2第二章過程通道372.2模擬量輸出通道接口技術——接口及程序設計58位D/A轉換器的接口與程序設計（2） （1）芯片內部不含鎖存器 方法二：直接利用單片機I/O口作為數(shù)據(jù)鎖存器。8031IOUT1IOUT2+-A0808EAP1P2A0~A7VOUT2023/2/2第二章過程通道382.2模擬量輸出通道接口技術——接口及程序設計58位D/A轉換器的接口與程序設計（3） （2）芯片內部含鎖存器IOUT1RfbIOUT2+-A083274373WREAP0P2ALEGA0~A7A8~A15CSXFERWR1WR2D0~D7VOUTP2.02023/2/2第二章過程通道392.2模擬量輸出通道接口技術——接口及程序設計6大于8位D/A轉換器的接口與程序設計 由于MCS-51單片機的數(shù)據(jù)總線為8位，因此，轉換數(shù)據(jù)需要多次輸入D/A轉換器中。

（1）AD667——12位D/A轉換器的接口設計

12位D/A轉換器，片內含有2級數(shù)據(jù)輸入鎖存器。2023/2/2第二章過程通道402.2模擬量輸出通道接口技術——接口及程序設計AD667與單片機的接口MOVR0,#DATA；數(shù)據(jù)存儲區(qū)MOVDPTR,#PORTL；D/A口MOVA,@R0;取低八位數(shù)據(jù)MOVX@DPTR,A;送低八位到D/AMOVDPTR,#PORTH；D/A口INCR0MOVA,@R0;取高4位數(shù)據(jù)MOVX@DPTR,A;送高4位到D/A，并啟動D/A高4低82023/2/2第二章過程通道412.2模擬量輸出通道接口技術——接口及程序設計（2）12D/A轉換器——DAC1210(補充)IOUT1RfbIOUT2+-ADAC121074373WREAP0P2.5ALEGA0~A7CSXFERWR1WR2D4~D11VOUTD0~D3P2.6P2.774138CBA4000H6000HA0BYTE1/BYTE280312023/2/2第二章過程通道422.3模擬量輸入通道接口技術

輸入輸出通道在計算機和生產過程之間，實現(xiàn)信息的傳遞和變換的連接裝置。 輸入輸出通道是計算機和生產過程之間進行信息交換的橋梁。 用戶可以根據(jù)信號的性質，在控制系統(tǒng)中配置相應的過程通道。2023/2/2第二章過程通道432.3模擬量輸入通道接口技術——通道結構1輸入通道的結構 （1）一般結構AS/HI/OA/D多路模擬量時序控制邏輯地址鎖存BUS多路轉換器采樣保持器放大器A/D轉換器I/O口多路開關：分時將各路模擬量信號按順序或隨機地接入；放大器：將傳感器傳送的弱信號按比例地放大到A/D轉換器所需的輸入電平；采樣保持器：用來對變化的模擬信號進行快速采樣，并在轉換的過程中保持該信號不變；A/D轉換器：將模擬量轉換為數(shù)字量；輸入輸出接口：鎖存A/D轉換后的數(shù)字量?？刂撇糠郑合蚨嗦忿D換開關發(fā)送通道選通控制信號；控制放大器增益；控制采樣保持器的工作；啟動A/D轉換器。2023/2/2第二章過程通道442.3模擬量輸入通道接口技術——通道結構（2）一個通道設置一個A/D轉換器一個通道設置一個A/D轉換器I/O接口采樣保持器A/D轉換器采樣保持器A/D轉換器CPU輸入信號輸入信號2023/2/2第二章過程通道452.3模擬量輸入通道接口技術——通道結構（3）多個通道共享一個A/D轉換器I/O接口采樣保持器A/D轉換器采樣保持器多路轉換開關CPU多個通道共享一個A/D轉換器輸入信號輸入信號2023/2/2第二章過程通道462.3模擬量輸入通道接口技術——通道結構（4）多個通道共享采樣保持器和A/D轉換器多個通道共享采樣保持器和A/D轉換器I/O接口A/D轉換器多路轉換開關CPU輸入信號輸入信號采樣保持器2023/2/2第二章過程通道472.3模擬量輸入通道接口技術——A/D轉換器2.3.1A/D轉換器原理 （1）直接比較型：待轉換的模擬信號直接與一個特定的基準源比較，獲得數(shù)字信號。連續(xù)比較、逐次比較、斜波電壓比較。 （2）間接比較型：模擬信號不直接與基準源比較，而是將其轉換為一個中間物理量。然后再轉換為數(shù)字量。積分型電壓/頻率、電壓/時間轉換器。查閱資料了解各種A/D轉換器的轉換原理2023/2/2第二章過程通道482.3模擬量輸入通道接口技術——A/D轉換器常見芯片：

8位：ADC0801~ADC0805， 多通道：ADC0808/ADC0809,ADC0816\0817 10位：AD7570,AD573,AD575,AD579 12位：ADC1210/1211,ADC574,AD578,AD7582,ADC679BCD碼：5G14433(3位半）、ICL7135(4位半）查閱資料了解各種A/D轉換器的功能和特點2023/2/2第二章過程通道492.3模擬量輸入通道接口技術——8位A/D轉換器2.3.28位A/D轉換器

1、普通型A/D轉換器AD7574

單片型、內含時鐘振蕩器、＋5V供電、內設比較器和控制邏輯的逐次比較A/D轉換器。

2、含儀用放大器的A/D轉換器AD670

片內集成了儀用放大器，放大器輸入端配有定標電阻以適應輸入范圍的變化：0～2.55mV,0～2.55V,信號可以是單極性或雙極性輸入。差分輸入，具有較強的抗干擾能力。

3、多通道A/D轉換器AD0808/0809

片內含有8個通道，單極性信號輸入。2023/2/2第二章過程通道502.3模擬量輸入通道接口技術——8位A/D接口技術2.3.38位A/D接口技術

1、數(shù)據(jù)線的連接： （1）芯片含有輸出鎖存器和三態(tài)輸出控制時，直接與CPU數(shù)據(jù)總線連接。（2）芯片無輸出鎖存器和三態(tài)輸出控制時，必須通過I/O接口與數(shù)據(jù)總線連接。

2、選通信號、啟動信號和讀出控制信號的連接片選信號選通芯片、啟動A/D轉換、檢測轉換結束信號、讀取轉換結果。

3、電源和地線的處理 數(shù)字地、