計算機控制技術教案(第二章)

《計算機控制技術教案》第二章輸入輸出接口與過程通道

《計算機控制技術教案》輸入輸出通道《計算機控制技術教案》y(t)

控制規(guī)律D(Z)D/A被控對象反饋裝置A/Du(t)u*(t)b(t)b*(t)r(nT)—A/D：模數(shù)轉換器，將模擬信號轉換為數(shù)字信號D/A：數(shù)模轉換器，將數(shù)字信號轉換為模擬信號b*(t):對模擬信號b(t)進行采樣所得到的數(shù)字信號u*(t):計算機控制輸出的數(shù)字信號被連續(xù)化為u(t)

《計算機控制技術教案》幾個常見問題怎樣獲得和控制外界溫度？計算機怎樣測量交流電壓？計算機怎樣知道你按下的是哪一個控制按鈕？計算機怎樣控制電機的啟動和停止？計算機怎樣控制電機轉速？《計算機控制技術教案》1基本概念(1)

接口就是計算機與外部設備之間交換信息的橋梁。過程通道計算機與生產(chǎn)過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。（物理上連接）

（數(shù)字量）（數(shù)字量/模擬量）數(shù)字量數(shù)字量過程通道輸入通道輸出通道數(shù)字量輸入通道模擬量輸入通道數(shù)字量輸出通道模擬量輸出通道《計算機控制技術教案》1基本概念(2)數(shù)字量（開關量）

0、1兩個數(shù)來表示某信號的兩種狀態(tài)，如開關的開合，指示燈亮滅，繼電器、接觸器的吸合與釋放等。模擬量

連續(xù)信號，信號是時間的連續(xù)函數(shù)。如溫度量，濕度，電壓，電流，壓力等。tA《計算機控制技術教案》2數(shù)字量輸入通道（1）通道結構

主要有輸入緩沖器、輸入調理電路和地址譯碼電路等

輸入緩沖器輸入調理電路地址譯碼器PC總線來自生產(chǎn)過程《計算機控制技術教案》2數(shù)字量輸入通道（2）輸入緩沖器將調理好的數(shù)字邏輯信號暫存起來信號調理將現(xiàn)場輸入的開關量狀態(tài)信號經(jīng)轉換、保護、濾波、隔離等措施轉換成計算機能夠接收的邏輯信號的過程叫信號調理。輸入調理電路1.小功率輸入調理電路2.大功率輸入調理電路《計算機控制技術教案》2數(shù)字量輸入通道（3）小功率輸入調理電路+5VK+5V采用積分電路（小功率）采用R-S觸發(fā)器（小功率）《計算機控制技術教案》2數(shù)字量輸入通道（4）接口硬件通常采用三態(tài)門緩沖器74LS244，獲取數(shù)字量信息。讀數(shù)程序

MOVDX，PortINAL，DXPort是系統(tǒng)分配給該輸入通道的地址值。《計算機控制技術教案》2數(shù)字量輸入通道（5）地址譯碼器選通緩沖器，讀入數(shù)字量譯碼器地址線片選練習：請設計電機啟停按鈕輸入電路?《計算機控制技術教案》2數(shù)字量輸入通道（6）大功率輸入調理電路+48V+5V《計算機控制技術教案》3數(shù)字量輸出通道（1）

通道結構：由輸出鎖存器、輸出驅動電路、輸出口地址譯碼電路輸出鎖存器輸出驅動器地址譯碼器PC總線來自生產(chǎn)過程《計算機控制技術教案》3數(shù)字量輸出通道（2）輸出鎖存器

8位輸出鎖存器74LS273（常用）輸出驅動電路

小功率直流驅動電路功率晶體管輸出驅動繼電器電路達林頓陣列輸出驅動繼電器電路大功率輸出驅動電路固態(tài)繼電器SSR大功率交流驅動電路《計算機控制技術教案》3數(shù)字量輸出通道（3）小功率直流驅動電路功率晶體管J+24V

功率晶體管輸出驅動繼電器MC1416驅動7個繼電器練習：請設計電機啟停控制輸出電路？《計算機控制技術教案》3數(shù)字量輸出通道（4）大功率驅動電路

1）直流SSR2）交流SSRSSR采用光電耦合技術進行隔離。輸入電流小，輸出無觸點，體積小，重量輕，無機械噪聲，無抖動，開關速度快，工作可靠等優(yōu)點。《計算機控制技術教案》3數(shù)字量輸出通道（5）《計算機控制技術教案》課堂討論題系統(tǒng)名稱：自助銀行門禁系統(tǒng)要求：能采用兩種方式開關門；能自動記錄自動門開關次數(shù)；請設計開關門控制系統(tǒng)結構《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道（1）

完整的模擬量輸入通道結構圖生產(chǎn)過程傳感器變送器多路開關I/V放大器采樣保持器A/D接口電路PC總線《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道（2）1)傳感器用于將被測物理信號轉化為電信號的器件。常用傳感器舉例：溫度測量：熱電阻（0–200度） 熱電偶（200–1500度）壓力測量：彈簧位移、壓敏器件流量測量：壓力差原理位移測量：電位器、光柵…速度測量：電磁感應……

…《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道（3）2)變送器用于將傳感器信號進行初步處理。包括：

a.信號濾波：實現(xiàn)一個低通濾波器，濾除常見高頻干擾

b.小信號放大：小信號易受干擾，不易傳輸，要進行放大。

c.I與V變換：將電壓、電流、電阻信號統(tǒng)一變換為規(guī)定標準信號，以利于傳輸使用。常見標準：計算機接口標準：范圍0~5v

П型儀表標準：范圍0~10mA

Ш型儀表標準：范圍4~20mA

d.非線性補償：對實際物理信號與電信號成非線性關系的情況進行補償操作，使其成為線性關系，這部分工作亦可由計算機軟件完成。

《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道（4）3)多路開關

用于分時選擇某一路信號通過進行后續(xù)處理。

1.功能：可用作多對一多路選擇器或一對多多路分配器。模擬多路開關一般均是雙向的。

2.原理：采用輸入地址譯碼，用譯碼信號控制開關，任一時刻至多只有一個開關閉合。譯碼輸出/入地址輸入/出《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(5)

多路開關有機械式和電子式兩類：

(1)機械式一般用干簧繼電器實現(xiàn)：通過外部線圈產(chǎn)生磁場，使之吸合或斷開。其特點是結構簡單，導通電阻小，斷路電阻大，但速度慢，工作頻率低。

(2)電子式一般用MOS場效應三級管實現(xiàn)。特點是速度快，工作頻率高，缺點是開、閉時都有一定的電阻。而普通的硅三級管導通有壓降，不適用。MOS管導通只有較小的電阻。信號信號信號信號控制《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(6)CMOS4000系列中的CD40518選一

CD40524選一*2CD40532選一*3以CD4051為例，是一個16pin封裝雙列直插式芯片管腳包括：電源腳3個模擬信號線9個地線3個使能端1個INH使用中Uss、Uee可共地，Udd工作電壓在3~15V，INH接片選18169in4in6outin7in5INHuEEuSSin2uDDin1in0in3BAC地址《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(7)4)I/V放大器用于改善電路特性，主要是加大輸入阻抗，增加驅動能力，亦用于無變送器時的小信號放大。用于改善電路特性時，放大倍數(shù)為1。無源I/V變換VIR1R2+5VI=0～10mAV=0～5V

I=4～20mAV=1～5V《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(8)有源I/V變換放大系數(shù)A=?虛短路虛斷路（1）線性放大區(qū)；（2）負反饋狀態(tài)。《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(9)5)A/D轉換器

模數(shù)轉換器，將模擬信號轉換為數(shù)字信號。數(shù)字量模擬量A/DA/D轉換器原理

逐次逼近式轉換器原理雙斜積分式轉換原理電壓頻率（V/F）原理《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(10)逐次逼近式轉換原理

精度高，速度快、抗干擾性能相對較差常用的有8位ADC0809，12位AD574

《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(11)采樣采樣是按一定時間間隔重復進行的，這個時間間隔稱為：采樣周期，用T表示。計算機控制系統(tǒng)以數(shù)字系統(tǒng)控制模擬對象，其特征是采樣,故又稱其為：采樣控制系統(tǒng)將A/D轉換過程用每隔采樣周期T瞬間閉合一次的理想開關來等效：采樣開關?！队嬎銠C控制技術教案》4模擬量輸入通道(12)采樣數(shù)學模型e(t)t理想的單位脈沖序列T：采樣周期，n：整數(shù)0t5T《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(13)采樣過程可以看成是脈沖調制過程,模擬信號e(t)采樣后：t0e*(t)0e(t)t0t5TT多大時信號不失真？《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(14)采樣特性連續(xù)信號采樣后，采樣間隔內(nèi)的信號信息丟失，存在失真;采樣周期T小，采樣頻率Ws高，則有利于減少失真;連續(xù)信號本身變化慢，即其最高頻率分量Wmax低，則允許較慢的采樣頻率;問題：Ws和Wmax間怎樣的關系可以滿足要求？香農(nóng)(Shannon)定理：

如果隨時間變化的模擬信號的最高頻率為ωmax，只要按照采樣頻率ωs≥2ωmax進行采樣，那么取出的樣品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復)f(t)。實際當中，常取Ws≥(5-10)Wmax。《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(15)量化

將采樣信號的幅值一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近，量化執(zhí)行者就是A/D轉換器。量化單位——也就是數(shù)字量最低能表示的模擬量的值，也就是最小能分辨率的值。假設采樣信號幅值變化范圍為Ymin～Ymax

，A/D字長為n，數(shù)字量范圍0～，量化單位如果現(xiàn)在幅值為y，則A/D轉換后數(shù)字量為存在的誤差——稱為量化誤差

《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(16)A/D轉換器主要技術指標轉換時間——由模擬量到數(shù)字量轉換所需時間，反應A/D的速度；分辯率——通常用轉換后的數(shù)子量的位數(shù)表示，最小能分辯出滿量程的1/(2n-1)的增量值；線性誤差——轉換都是基于線性系統(tǒng)得到的數(shù)子量，但實際并非如此，在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉換值的最大誤差定義為線性誤差；量程——輸入電壓范圍，一般-5～+5V，0～5V，0～10V等；基準電源的精度要求，使用精密電源。

《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(17)MCS-51系列單片機和ADC0809的接口《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(18)《計算機控制技術教案》4模擬量輸入通道(17)6)采樣保持器用于在A/D轉換期間保持輸入電平,常用采樣保持器：LF398，AD582等。1.孔徑誤差：由于A/D轉換時間內(nèi)輸入信號變化而引起的誤差2.保持器工作原理：a.控制信號有效，K閉合，CH充電至模擬輸入IN的電平。b.控制信號撤消，K斷開，CH保持的電平經(jīng)運放由模擬輸出OUT端送出。閉合時充電快（R小），斷開時運放內(nèi)阻大，無或少漏流。因為充電采樣時間遠小于A/D轉換時間，所以減少了孔徑誤差。K+_CHOUT控制信號RIN《計算機控制技術教案》傳感器輸入通道接口請設計溫度采集電路《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(1)模擬量輸出通道結構型式根據(jù)輸出信號方式，可以有兩種基本結構型式：一個通道設置一個D/A轉換器(一對一)

多一個通道共用一個D/A轉換器(多對一)

模擬信號PC總線接口D/AV/I和自動/手動切換《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(2)一對一模擬量輸出通道組成模擬PC選通信號緩沖寄存器緩沖高存器輸出寄存器D/AV/I和自/手動切換輸出寄存器D/AV/I和自/手動切換《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(3)多對一模擬量輸出通道組成模擬PC選通信號接口D/AV/I和自/手動切換V/I和自/手動切換多路開關采樣保持采樣保持《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(4)數(shù)模轉換（D/A）：將數(shù)字量轉換成模擬量的過程n位D/A轉換器（T型電阻網(wǎng)絡：由T型電阻解碼網(wǎng)絡，參考電壓UR，n位切換開關Si，電阻網(wǎng)絡，運算放大器等構成）ADD/A《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(5)T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換

UR

R

S1

S2

S3

R

A1

d1

d2

d3

(MSB)

2RI8RI4RI2RI2R

2R

2R

4RIUo

R

dn-1

dn

(LSB)

1R2-nInI2RnI2R1R2-nI2R

2R

2R

Io

Sn-1

Sn

R1

A2

A3

An-1

An

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

∞

-

+

+

N

《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(6)假設4位D/A轉換，則上式中D不是0就是1，0表示切換開關與參考電壓UR接通，該位有電流輸入。當為n位二進制輸入時，則《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(7)當輸入數(shù)字全為零時：當輸入數(shù)字全為1時，即滿刻度輸出為最低有效位LSB為由此可見，D/A轉換器是提供電流的器件，所以在D/A的輸出加運算放大器才能轉換成模擬電壓信號。D/A的輸出電壓不僅與二進制碼有關，而且與運算放大器的反饋電阻R1，基準電壓UREF有關。《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(8)D/A轉換器主要參數(shù)①

分辨率：與A/D相同②

精度：實際值與理論值的誤差③

穩(wěn)定時間：輸入為滿刻度值時，其輸出達到穩(wěn)定所需的時間。④

輸入編碼：二進制，BCD碼等。

《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(9)8位D/A轉換器DAC0832

引腳說明：D0~D7：數(shù)據(jù)線CS：片選Xfer：傳輸片選ILE：數(shù)據(jù)輸入允許WR1/WR2：寫信號Iout1/Iout2:電流互補輸出。即：Iout1+

Iout2=常數(shù)Rfb：反饋電阻VREF/AGND：基準源，模擬地VCC/GND：邏輯電源電流輸出反饋電阻標準源寫信號Iout1Iout2RfbVrefVGNDWR1WR2數(shù)據(jù)XferD0~D7ILE傳輸片選片選輸入允許《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(10)DAC0832內(nèi)部結構《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(11)單極性與雙極性電壓輸出電路

單極性電壓輸出電路R3RfbIout1Iout2AGNDVout1C2R2R1C1-12V《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(12)雙極性電壓輸出電路i1i2Vout2i=0R3=2RR2=RR1=2RVout1VREFu=0《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(13)DAC0832應用電路《計算機控制技術教案》4模擬量輸出通道(12)作業(yè)：模擬量輸出通道設計要求：

8通道模擬量輸出

D/A選用DAC0832多路開關CD4051

《計算機控制技術教案》5硬件抗干擾技術

干擾——造成計算機的設備不能正常工作的破壞因素干擾源——產(chǎn)生干擾的源泉

內(nèi)干擾——由系統(tǒng)結構，制造工藝等決定外部干擾——主要是來自空間電或磁的影響，還有環(huán)境溫度、濕度等電網(wǎng)噪聲——電網(wǎng)中大功率設備感性負載的啟動等產(chǎn)生分布電容，電感引起的耦合感應電磁輻射感應長線傳輸?shù)牟ǚ瓷涠帱c接地引起電位差熱噪聲《計算機控制技術教案》5硬件抗干擾技術干擾的分類不論什么樣的干擾源，對計算機的干擾總是通過傳導和直接輻射兩種途徑進入計算機控制系統(tǒng)的，其耦合的方式有靜電耦合、互感耦合、共阻抗耦合、電磁場輻射耦合等。按干擾的作用方式不同，可以分為常態(tài)和共態(tài)干擾兩種?！队嬎銠C控制技術教案》5硬件抗干擾技術常態(tài)干擾：疊加在被測信號上的干擾噪聲，又稱為串模干擾。《計算機控制技術教案》5硬件抗干擾技術共態(tài)干擾：A/D轉換器兩個輸入端上公有的干擾電壓，又稱為共模干擾?！队嬎銠C控制技術教案》5硬件抗干擾技術常用抗干擾措施

硬件措施,可抗絕大多數(shù)的干擾;軟件措施,軟件濾波，軟件糾錯技術等,可作為第二道防線;過程通常抗干擾技術(硬件)

串模