接口與通道綜述

第3章輸入輸出接口與過程通道

主要內(nèi)容：3.5硬件抗干擾技術(shù)3.13.23.33.43.53.1輸入輸出與過程通道3.2模擬量輸入通道3.3模擬量輸出通道3.4D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的電源、接地與布線2第三章輸入輸出接口與過程通道3.1數(shù)字量輸入輸出通道

數(shù)字量（開關(guān)量）信號：開關(guān)的閉合與斷開繼電器或接觸器的吸合與釋放馬達的啟動與停止閥門的打開與關(guān)閉用“0”和“1”表示3第三章輸入輸出接口與過程通道1A11Y11A21Y21A31Y31A41Y41A51Y51A61Y61A71Y71A81Y8輸入接口D0D1D2D3D4D5D6D7PC總線2G1GCSIOR74LS2441.數(shù)字量輸入接口用三態(tài)門緩沖器74LS244取得狀態(tài)信息.隔離輸入和輸出線路，在兩者之間起緩沖作用。有八個通道,可同時輸入8個開關(guān)狀態(tài)。

MOVDX,PORTINAL,DX生產(chǎn)過程的狀態(tài)信息3.1.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)查閱有關(guān)74LS244的datashet,武漢力源4第三章輸入輸出接口與過程通道2.數(shù)字量輸出接口控制狀態(tài)需要保持，直到下次給出新的值為止。MOVAL,DATAMOVDX,PORTOUTDX,AL可用鎖存器74LS273對狀態(tài)輸出信號進行鎖存，數(shù)字量輸出接口

D0CLKCLR74LS273D2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC總線輸出接口3.1.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)查閱有關(guān)74LS273的datashet5第三章輸入輸出接口與過程通道數(shù)字量輸入通道主要由緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成

基本功能：接受外部裝置或生產(chǎn)過程的狀態(tài)信號。1，數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)輸入調(diào)理電路輸入緩沖器地址譯碼器生產(chǎn)過程PC總線3.1.2數(shù)字量輸入通道6第三章輸入輸出接口與過程通道輸入調(diào)理電路－把現(xiàn)場信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護、濾波、隔離轉(zhuǎn)換成計算機能夠接收的邏輯信號。小功率輸入調(diào)理電路

大功率輸入調(diào)理電路

2.輸入調(diào)理電路7第三章輸入輸出接口與過程通道（1）小功率輸入調(diào)理電路

－開關(guān)去抖電路圖3.4采用積分電路2.輸入調(diào)理電路查閱有關(guān)74LS04的datashet8第三章輸入輸出接口與過程通道RSQQ0110100111保持R—S觸發(fā)器去抖電路2.輸入調(diào)理電路9第三章輸入輸出接口與過程通道（2）大功率輸入調(diào)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以上的直流電壓,由于所帶電壓高，所以高壓與低壓之間，用光電耦合器進行隔離。圖3.6大功率信號輸入電路2.輸入調(diào)理電路10第三章輸入輸出接口與過程通道數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器，輸出驅(qū)動電路、輸出地址譯碼電路等組成

輸出驅(qū)動器輸出鎖存器地址譯碼器生產(chǎn)過程PC總線1，數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)3.1.3數(shù)字量輸出通道11第三章輸入輸出接口與過程通道2、輸出驅(qū)動電路小功率直流驅(qū)動電路

大功率驅(qū)動電路

（1）小功率直流驅(qū)動電路采用功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路采用高壓輸出的門電路驅(qū)動圖3.8繼電器驅(qū)動電路2、輸出驅(qū)動電路查閱有關(guān)74LS06的datashet12第三章輸入輸出接口與過程通道（2）大功率驅(qū)動電路

(b)交流固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)(a)直流固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)I/O接口+5V74LS04R可以利用固態(tài)繼電器(SSR)等實現(xiàn)

I/O接口+5V74LS04R13第三章輸入輸出接口與過程通道3.2模擬量輸入通道功能：是把從系統(tǒng)中檢測到的模擬信號，變成二進制數(shù)字信號，經(jīng)接口送往計算機。14第三章輸入輸出接口與過程通道3.2.1模擬量輸入通道的組成

過程參數(shù)PC總線模擬量輸入通道檢測信號調(diào)理多路轉(zhuǎn)換器采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器接口邏輯電路圖3.10模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu)如熱電偶溫度測量15第三章輸入輸出接口與過程通道信號調(diào)理部分依據(jù)檢測信號及受干擾情況的不同而不同。通常包括信號的放大、量程自動轉(zhuǎn)換、電流/電壓轉(zhuǎn)換、濾波、線性化、隔離等

1.量程自動轉(zhuǎn)換技術(shù)單參數(shù)測量系統(tǒng)傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換微型機顯示傳感器多路轉(zhuǎn)換開關(guān)放大電路A/D轉(zhuǎn)換微型機顯示傳感器傳感器傳感器多參數(shù)測量系統(tǒng)3.2.2信號調(diào)理16第三章輸入輸出接口與過程通道量程自動轉(zhuǎn)換就是指根據(jù)需要對所處理的信號利用可編程增益放大器進行放大倍數(shù)的自動調(diào)整，以滿足后續(xù)電路和系統(tǒng)的要求

可編程增益放大器(ProgrammableGainAmplifier)，簡稱PGA可編程增益放大器有兩種，組合PGA和集成PGA儀用測量放大器電路

A3A2A117第三章輸入輸出接口與過程通道圖3.13組合PGA18第三章輸入輸出接口與過程通道MCP6S系列產(chǎn)品主要特點：8種可編程增益選擇：+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16或+32V/V；SPI串行編程接口；級聯(lián)輸入和輸出；低增益誤差，最大：±1%；低漂移，最大：±275μV；高帶寬頻率，典型值：2～12MHz；低噪聲，典型值：10nV/rtHz@10kHz低電源電流，典型值：1mA；單電源供電，2.5V～5.5V；19第三章輸入輸出接口與過程通道集成PGA表3.2引腳說明引腳名稱功能Vout模擬輸出CH0～CH7模擬輸入Vss負電源VDD正電源SCKSPI時鐘輸入SISPI數(shù)據(jù)輸入SOSPI數(shù)據(jù)輸出CSSPI片選VREF外部參考電壓20第三章輸入輸出接口與過程通道圖3-20有源I/V變換電路A＋－R1R3R2R4R5CIVR1R2CIV+5V圖3-19無源I/V變換電路精密電阻ViA=1+R4/R3V=R2*IV=A*R1*I輸入阻抗高，輸出阻抗低輸出限流，保護運放無源I/V變換有源I/V變換

2.I/V變換21第三章輸入輸出接口與過程通道控制禁止端1：斷開0：由ABC選通CD4051的原理電路圖

3.2.3多路轉(zhuǎn)換器查閱有關(guān)CD4051的datashet22第三章輸入輸出接口與過程通道表3.4CD4051的真值表輸入狀態(tài)接通通道INHCBA

0000000011001020011301004010150110601117CD4051的真值表23第三章輸入輸出接口與過程通道1.信號的采樣

采樣過程（簡稱采樣）是用采樣開關(guān)（或采樣單元）將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程

圖3.22信號的采樣過程采樣頻率由香農(nóng)（Shannon）采樣定理確定，ωs≥(4～10)ωmax

3.2.4信號的采樣和量化24第三章輸入輸出接口與過程通道2.量化

采樣信號經(jīng)整量化后成為數(shù)字信號的過程稱為量化

量化過程就是用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，執(zhí)行量化動作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。字長為n的A/D轉(zhuǎn)換器把ymin~ymax范圍內(nèi)變化的采樣信號，變換為數(shù)字0~2n-1，其最低有效位（LSB）所對應的模擬量q稱為量化單位，其表達式為：25第三章輸入輸出接口與過程通道3.2.5采樣保持器

采樣保持器的主要作用是：(1)保持采樣信號不變，以便完成A/D轉(zhuǎn)換；(2)同時采樣幾個模擬量，以便進行數(shù)據(jù)處理和測量；(3)減少D/A轉(zhuǎn)換器的輸出毛刺，從而消除輸出電壓的峰值及縮短穩(wěn)定輸出值的建立時間；(4)把一個D/A轉(zhuǎn)換器的輸出分配到幾個輸出點，以保證輸出的穩(wěn)定性。常用的集成采樣保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/38926第三章輸入輸出接口與過程通道圖3.23LF198/298/398原理圖及引腳(a)LF198/298/398原理圖(b)LF198/298/398的引腳排列27第三章輸入輸出接口與過程通道3.2.6A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或裝置，是模擬輸入通道的核心部件。A/D轉(zhuǎn)換方法有逐次逼近式、雙積分式、并行比較式和二進制斜坡式、量化反饋式等。常用的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器有8位分辨率的ADC0801，ADC0809等，12位分辨率的AD574A等；常用的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器有3位半（相當于2進制11位分辨率）的MC14433，等28第三章輸入輸出接口與過程通道1.A/D轉(zhuǎn)換器的主要指標A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有轉(zhuǎn)換時間、分辨率、線性誤差、量程、對基準電源的要求等轉(zhuǎn)換時間：指完成一次模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需要的時間分辨率：分辨率表示A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號的反應能力，分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)n（字長）來表示量程：即所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍精度：精度有絕對精度和相對精度輸出邏輯電平：多數(shù)為TTL電平，有并行和串行兩種輸出形式工作溫度范圍：由于溫度會對運算放大器和電阻網(wǎng)絡產(chǎn)生影響，故只有在一定范圍內(nèi)才能保證額定的精度指標。基準電源的精度將對整個A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出精度產(chǎn)生影響29第三章輸入輸出接口與過程通道(1)8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

ADC0809是美國國家半導體公司生產(chǎn)的帶有8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，采用28腳雙列直插式封裝

表3.5C、B、A與通道關(guān)系表CBA所選通道000VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN72.常用的A/D轉(zhuǎn)換器

30第三章輸入輸出接口與過程通道圖3.25AD574內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(2)12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A

31第三章輸入輸出接口與過程通道表3.2AD574A控制信號狀態(tài)表CER/12/A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止100X0啟動12位轉(zhuǎn)換10001啟動8位轉(zhuǎn)換1011X一次讀取12位輸出數(shù)據(jù)10100輸出高8位輸出數(shù)據(jù)10101輸出低4位輸出數(shù)據(jù)尾隨4個0AD574A引腳功能

32第三章輸入輸出接口與過程通道硬件連接設計軟件程序設計

模擬量輸入信號的連接、數(shù)字量輸出引腳的連接、參考電平的連接、控制信號的連接

主要包括控制信號的編程，如：啟動信號、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出

3.2.7A/D轉(zhuǎn)換器接口設計

33第三章輸入輸出接口與過程通道

1．硬件設計

模擬量輸入信號的連接數(shù)字量輸出引腳的連接參考電平的連接時鐘的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的啟動方式轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的硬件連接有三種形式：①中斷方式：將轉(zhuǎn)換結(jié)束標志信號接到計算機系統(tǒng)的中斷申請引腳或允許中斷的I/O接口的相應引腳上。②查詢方式：把轉(zhuǎn)換結(jié)束信號經(jīng)三態(tài)門送到PC數(shù)據(jù)總線或I/O接口的某一位上。③轉(zhuǎn)換信號懸空：即該管腳與其它管腳之間無電氣連接。34第三章輸入輸出接口與過程通道2．軟件設計

啟動A/D轉(zhuǎn)換，中斷、查詢或延時等待轉(zhuǎn)換時間后根據(jù)數(shù)據(jù)輸出格式讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果(1)啟動A/D轉(zhuǎn)換(2)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出。①中斷方式：②查詢方式：③軟件延時方法：35第三章輸入輸出接口與過程通道D0D1D2D7～D0++圖3.27ADC0809與PC總線的連接

3.2.8A/D轉(zhuǎn)換器與PC接口

1．ADC0809與PC總線工業(yè)控制機接口36第三章輸入輸出接口與過程通道一次A/D轉(zhuǎn)換操作分兩步進行：(1)啟動ADC0809，并鎖存通道地址

(2)判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束并讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果

START：MOVAL，00H ；設定通道數(shù)OUT220H，AL；送通道地址、啟動A/D轉(zhuǎn)換

CALLDELAY；等待轉(zhuǎn)換完成

IN AL，220H；讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果設DAC端口地址為220H，要把0通道的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，利用軟件延時方式實現(xiàn)

37第三章輸入輸出接口與過程通道圖3.28AD574A通過8255A與PC總線的連接圖8255A首先進行8255A的初始化。實現(xiàn)一次A/D轉(zhuǎn)換包括A/D轉(zhuǎn)換的啟動、檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束、數(shù)據(jù)的讀出，采用查詢方式

2．AD574A與PC總線工業(yè)控制機接口38第三章輸入輸出接口與過程通道(1)8255A初始化設置INIT： MOV AL，9AH ；設置A、B口及C口的工作方式MOV DX，2D3H；8255A的控制寄存器OUT DX，AL；方式字送控制寄存器(2)啟動A/D轉(zhuǎn)換START：MOVAL，00HMOV DX，2D2H ；8255A的端口COUT DX，AL ；使=0，啟動A/D轉(zhuǎn)換(3)檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束及數(shù)據(jù)的讀出LOOP： MOV DX，2D2H ；8255A的端口C IN AL，DX ；查詢STS的狀態(tài) TEST AL，80H JNZLOOP；轉(zhuǎn)換未完成，繼續(xù)等待；轉(zhuǎn)換完成，向下執(zhí)行 MOV AL，01H ；置位，即=1 OUT DX，AL DEC DX ；指向8255A的端口B IN AL，DX ；讀入端口B高8位數(shù)據(jù) MOV [BX+1]，AL ；數(shù)據(jù)保存 DEC DX ；指向8255A的端口A IN AL，DX ；讀入端口A數(shù)據(jù) ANL AL，0F0H ；屏蔽低四位數(shù)據(jù)MOV [BX]，AL ；數(shù)據(jù)保存39第三章輸入輸出接口與過程通道3.3.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式

模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器、V/I變換等組成。

1.一個通路設置一個D/A轉(zhuǎn)換器的形式

接口D/AD/AV/I轉(zhuǎn)換器V/I轉(zhuǎn)換器PC總線通道1通道n圖3.29一個通路一個D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

3.3模擬量輸出通道

40第三章輸入輸出接口與過程通道2.多個通路共用一個D/A轉(zhuǎn)換器的形式

接口D/A多路開關(guān)采樣保持器采樣保持器V/I轉(zhuǎn)換器V/I轉(zhuǎn)換器通道1通道nPC總線圖3.30多個通路共用一個D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)41第三章輸入輸出接口與過程通道D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置，其模擬量輸出（電流或電壓）與參考電壓和二進制數(shù)成正比例。常用的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率有8位、10位、12位等，其結(jié)構(gòu)大同小異，通常都帶有兩級緩沖寄存器。

1.D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標

D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有分辨率、建立時間、非線性誤差等。

輸入輸出關(guān)系分辨率：分辨率用D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量的位數(shù)n（字長）來表示。

建立時間：指D/A轉(zhuǎn)換器中代碼有滿度的變化時，其輸出達到穩(wěn)定(離終值±1/2LSB相當?shù)哪M量范圍內(nèi))所需要的時間。

非線性誤差：實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，并以該偏差相對于滿量程的百分數(shù)度量。

輸入編碼：一般為并行或串行二進制碼輸入，也有BCD碼輸入

3.3.2D/A轉(zhuǎn)換器42第三章輸入輸出接口與過程通道2.D/A轉(zhuǎn)換器

8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC083243第三章輸入輸出接口與過程通道4圖3.33DAC1210的內(nèi)部結(jié)構(gòu)12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC121044第三章輸入輸出接口與過程通道

3.3.3D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

D/A轉(zhuǎn)換器應用接口的設計，主要包括數(shù)字量輸入信號的連接以及控制信號的連接。D/A編程相對簡單，包括：選中D/A轉(zhuǎn)換器、送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線，啟動D/A轉(zhuǎn)換。1.數(shù)字量輸入信號的連接

數(shù)字量輸入信號連接時要考慮數(shù)字量的位數(shù)，D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部是否有鎖存器。2.控制信號的連接

片選信號、寫信號及轉(zhuǎn)換啟動信號45第三章輸入輸出接口與過程通道圖3.34DAC0832與PC總線接口電路DI7～DI03.3.4D/A轉(zhuǎn)換器與PC接口

1.8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832與PC的連接

46第三章輸入輸出接口與過程通道若DAC0832的地址為：200H，則8位二進制數(shù)56H轉(zhuǎn)換為模擬電壓的接口程序如下：CONVERT： MOV DX，200H ；DAC0832地址 MOV AL，56H；要轉(zhuǎn)換的立即數(shù) OUT DX，AL；CS/=WR1/=0，啟動D/A轉(zhuǎn)換47第三章輸入輸出接口與過程通道圖3.35DAC1210與PC總線的連接2.12位D/A轉(zhuǎn)換器與PC的連接

48第三章輸入輸出接口與過程通道CONVERT：MOVAL，68H ；高8位數(shù)據(jù) MOV DX，220H ； OUT DX，AL；=0，=1，=0，高8位數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)線 INC DX ；修改地址指針，指向221H MOV AL，0F0H ；低4位數(shù)據(jù) OUT DX，AL；=0，=0，=0，低4位數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)線 INC DX ；修改地址指針，指向222H OUT DX，AL；啟動12位數(shù)據(jù)開始轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換12位二進制數(shù)68FH，則程序如下

49第三章輸入輸出接口與過程通道3.3.5D/A轉(zhuǎn)換器的輸出形式

D/A轉(zhuǎn)換器的輸出有電流和電壓兩種方式，一般電流輸出需經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換成電壓輸出。電壓輸出可以構(gòu)成單極性電壓輸出和雙極性電壓輸出電路D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式只與模擬量輸出端的連接方式有關(guān)，而與其位數(shù)無關(guān)。單極性電壓輸出指輸入值只有一個極性(或正或負)，D/A的輸出也只有一個極性。雙極性電壓輸出指當輸入值為符號數(shù)時，D/A的輸出反映正負極性。50第三章輸入輸出接口與過程通道利用DAC0832實現(xiàn)的單、雙極性輸出電路

圖3.36單、雙極性輸出電路R1=2RR3=2RR4=RR2=R51第三章輸入輸出接口與過程通道根據(jù)上面兩式，對于8位D/A轉(zhuǎn)換器，有：D=0時，；D=80H，D=FFH，實現(xiàn)了雙極性輸出。52第三章輸入輸出接口與過程通道1.V/I變換電路

圖3.37V/I轉(zhuǎn)換電路2.集成V/I變換器

圖3.38XTR110引腳排列3.3.6V/I變換

53第三章輸入輸出接口與過程通道圖3.39正確的地線連接3.4D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的電源、接地與布線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，接地點分為兩類：邏輯電路的返回端(數(shù)字地)和模擬公共端(模擬地)。在全部電路中的數(shù)字地和模擬地僅僅連在一點上，在芯片和其他電路中不可再有公共點接地54第三章輸入輸出接口與過程通道電源D/A、A/D轉(zhuǎn)換電路中，供電電源電壓的不穩(wěn)定會影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。一般要求紋波電壓小于1%?？刹捎勉g電容或電解電容濾波。為了改善高頻特性，還應用高頻濾波電容。電路板設計時，每個芯片的電源線與地線之間要加旁路電容，并應盡量靠近D/A、A/D轉(zhuǎn)換芯片，一般選用0.01～0.1μF的電容。布線印刷電路板布線的一般原則：盡量縮短傳輸導線長度；數(shù)字信號與模擬信號盡量遠離；電源線和地線的電流密度不應太大，以減少電源線和地線引入的干擾；印刷電路板中導線寬度與電流關(guān)系一般為2A/mm55第三章輸入輸出接口與過程通道3.5硬件抗干擾技術(shù)干擾就是有用信號以外的噪聲或造成計算機或設備不能正常工作的破壞因素外部干擾指與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，由外界環(huán)境決定的影響系統(tǒng)正常運行的因素，如空間或磁的影響，環(huán)境溫度、濕度等的影響等56第三章輸入輸出接口與過程通道內(nèi)部干擾指由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝等決定的影響系統(tǒng)正常運行的因素，如分布電容、分布電感引起的耦合、多點接地引起的電位差、寄生振蕩引起的干擾等57第三章輸入輸出接口與過程通道串模干擾(常態(tài)干擾)：串模干擾指疊加在被測信號上的干擾噪聲

共模干擾(共態(tài)干擾)：共模干擾是指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個輸入端上公有的干擾電壓

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