計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第三章

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第三章第一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一一、信息通道的概念信息通道包括過(guò)程通道和人-機(jī)交互通道。第二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本原理圖r給定值計(jì)算機(jī)

-被控量控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象A/DD/A過(guò)程（輸入輸出）通道：是計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程相互交換信息的橋梁。1.過(guò)程通道（掌握）第三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一過(guò)程通道的組成1根據(jù)過(guò)程信息的性質(zhì)及傳遞方向，過(guò)程輸入輸出通道分類如下：模擬量輸入通道：模擬量輸出通道：生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)(如溫度、壓力、流量、速度、位移等)一般是隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量，通過(guò)檢測(cè)元件或變送器將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬電壓或電流，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程；把微機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（電壓或電流）并傳輸給被控對(duì)象的過(guò)程；第四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量)輸入通道：數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量)輸出通道：

拾起或檢測(cè)反映生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備工況的開(kāi)關(guān)信號(hào)（如繼電器接點(diǎn)、行程開(kāi)關(guān)、按紐等）、脈沖信號(hào)（如速度、位移、流量脈沖等）并傳輸給微機(jī)的過(guò)程；將數(shù)字信號(hào)從微機(jī)傳輸給那些接受數(shù)字信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和顯示、指示裝置的過(guò)程。第五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一過(guò)程輸入輸出通道示意圖第六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一過(guò)程通道與CPU交換的信息類型23．控制信息：用來(lái)控制過(guò)程通道的啟動(dòng)和停止等信息，如三態(tài)門的打開(kāi)和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動(dòng)等。2．狀態(tài)信息：又叫協(xié)議信息，如應(yīng)答信息、握手信息，它反映過(guò)程通道的狀態(tài)，如準(zhǔn)備就緒信號(hào)。

過(guò)程輸入輸出通道與CPU交換的信息類型有三種：注意：在過(guò)程輸入輸出通道中，必須設(shè)置一個(gè)與CPU聯(lián)系的接口電路，傳送數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。

1．?dāng)?shù)據(jù)信息：反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)及狀態(tài)的信息，它包括數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量和模擬量。第七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一過(guò)程通道的編址方式3

2．過(guò)程通道與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式1．過(guò)程通道與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式

由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般都有多個(gè)過(guò)程輸入輸出通道，因此需對(duì)每一個(gè)過(guò)程輸入輸出通道安排地址。過(guò)程通道編址方式有兩種：第八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2.人-機(jī)交互通道

主要功能是實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)操作人員與計(jì)算機(jī)之間的信息交流。第九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一二、輸入輸出接口（掌握）

接口電路起著連接過(guò)程通道與CPU的橋梁作用，它的基本任務(wù)有：

1．控制信息的傳遞路徑：即根據(jù)控制的任務(wù)在眾多的信息源中進(jìn)行選擇；

2．控制信息傳送的順序：計(jì)算機(jī)控制的過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程，為確保進(jìn)程正確無(wú)誤，接口電路應(yīng)根據(jù)控制程序的要求，適時(shí)地發(fā)出一組有序的門控信號(hào)。以確定該信息傳送的路徑和目的地。第十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

在過(guò)程通道接口電路設(shè)計(jì)中應(yīng)解決以下問(wèn)題：

1．觸發(fā)方式：有序的門控信號(hào)的主要作用就是嚴(yán)格遵循系統(tǒng)工作時(shí)序要求，適時(shí)對(duì)系統(tǒng)中某個(gè)或某些特定部件發(fā)出開(kāi)啟或關(guān)閉(觸發(fā))信號(hào)，這必然涉及到同步觸發(fā)和異步觸發(fā)的方式。

2．時(shí)序：控制邏輯的結(jié)構(gòu)有組合控制邏輯與存儲(chǔ)控制邏輯兩種類型，不管哪種類型都要嚴(yán)格遵守規(guī)定的操作步驟，每一個(gè)操作步驟又都是在一組有序的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的。

3.負(fù)載能力：一旦控制邏輯確定后，系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行與器件的選擇關(guān)系密切，器件的選擇除了要考慮電平的擺幅、數(shù)值、延時(shí)外，還應(yīng)考慮器件所帶負(fù)載是否匹配。第十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.1數(shù)字量輸入輸出通道數(shù)字量輸入信號(hào)：開(kāi)關(guān)閉合與斷開(kāi)，繼電器吸合與釋放（檢測(cè)）數(shù)字量輸出信號(hào)：指示燈亮滅，電機(jī)的啟和停，閥門的開(kāi)閉（控制）數(shù)字量信號(hào)的兩個(gè)狀態(tài)：導(dǎo)通和截止變換為二進(jìn)制0和1來(lái)表示第十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.1.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)（掌握）1.數(shù)字量輸入接口2.數(shù)字量輸出接口第十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.1.2數(shù)字量輸入／輸出通道數(shù)字量輸入輸出通道結(jié)構(gòu)（掌握）：

數(shù)字量輸入／輸出通道一般由三部分組成：輸入／輸出地址譯碼電路、輸入緩沖器／輸出鎖存器、輸入／輸出電氣接口亦即數(shù)字量輸入信號(hào)調(diào)理／輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。第十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一各種數(shù)字量輸入／輸出電氣接口作用：主要完成濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離和功率驅(qū)動(dòng)等功能。輸入緩沖器功能：對(duì)輸入信號(hào)緩沖、加強(qiáng)和選通；輸出鎖存器功能：對(duì)輸出信號(hào)鎖存供外圍設(shè)備使用；第十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一1）信號(hào)轉(zhuǎn)換處理

從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲取的開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量，在邏輯上表現(xiàn)為邏輯“1”或邏輯“0”，信號(hào)形式則可能是電壓、電流信號(hào)或開(kāi)關(guān)的通斷，其幅值范圍也往往不符合數(shù)字電路的電平范圍要求，因此必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。對(duì)于電壓輸入，V2>某一值，為邏輯1對(duì)于電流輸入，V2>某一值，為邏輯1數(shù)字量輸入信號(hào)調(diào)理和信號(hào)隔離（了解）1第十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一電壓輸入電路如果是電壓輸入，R1和R2電阻分壓，使得V2符合TTL邏輯規(guī)范V1V2第十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一電流輸入電路如果是電流輸入，I在電阻R2上的壓降符合TTL邏輯規(guī)范第十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)輸入電路對(duì)于開(kāi)關(guān)輸入，S斷開(kāi)，V2=5V，為邏輯“1”S閉合，V2=0V，為邏輯“0”V2第十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）安全保護(hù)措施

在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，必須針對(duì)可能出現(xiàn)的輸入過(guò)電壓、瞬間尖峰或極性接反的情況，預(yù)先采取安全保護(hù)措施。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，雖然也考慮邏輯電平問(wèn)題，但在工業(yè)應(yīng)用中，還可能出現(xiàn)意外的過(guò)電壓（電流），瞬間干擾等。就是非工業(yè)控制應(yīng)用也可能出現(xiàn)瞬間尖峰過(guò)電壓（過(guò)電流），例如雷電引起的等。因此還需要有安全保護(hù)電路。常用的保護(hù)電路為：第二十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一輸入保護(hù)電路第二十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一電平轉(zhuǎn)換與保護(hù)電路組合使用的一個(gè)例子：這時(shí)，我們可以把分壓電阻去掉，用穩(wěn)壓二極管第二十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3）隔離處理

從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲取的開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量的信號(hào)電平往往高于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯電平；即使輸入開(kāi)關(guān)量電壓本身不高，也有可能從現(xiàn)場(chǎng)引入意外的高壓信號(hào)；因此必須采取電隔離措施，以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。常用的隔離措施是采用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)的。下圖給出了兩種開(kāi)關(guān)量光電耦合輸入電路，它們除了實(shí)現(xiàn)電氣隔離之外，還具有電平轉(zhuǎn)換功能。第二十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一工業(yè)控制的現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)，一般使用24VDC電源。注意：現(xiàn)場(chǎng)側(cè)和CPU側(cè)兩邊沒(méi)有電的聯(lián)系（獨(dú)立的電源和地線）現(xiàn)場(chǎng)側(cè)CPU側(cè)第二十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一機(jī)械式按鍵再按下或釋放時(shí)，由于機(jī)械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時(shí)間的觸點(diǎn)機(jī)械抖動(dòng)，然后其觸點(diǎn)才穩(wěn)定下來(lái)。抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短與開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為510ms。4）消除觸點(diǎn)抖動(dòng)第二十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一去抖的方法：軟件（延時(shí)）硬件在硬件上可采用在輸出端加R-S觸發(fā)器(雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器)或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成去抖動(dòng)電路。第二十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一1）隔離處理

當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)用于控制較大功率的設(shè)備時(shí)，為防止現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上的強(qiáng)電磁干擾或高電壓通過(guò)輸出控制通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般需要采取光電隔離措施隔離現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。下圖是采用了光電隔離的開(kāi)關(guān)量輸出電路。數(shù)字量輸出信號(hào)隔離和驅(qū)動(dòng)電路（了解）2第二十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一低壓小功率開(kāi)關(guān)量輸出第二十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路小功率低壓開(kāi)關(guān)量輸出功率場(chǎng)效應(yīng)輸出繼電器輸出可控硅輸出第二十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一①小功率低壓開(kāi)關(guān)量輸出

對(duì)于低壓小功率開(kāi)關(guān)量輸出，可采用晶體管、OC門或運(yùn)放等方式輸出。下圖給出的兩種電路一般僅能提供幾十毫安級(jí)的輸出驅(qū)動(dòng)電流，可以驅(qū)動(dòng)低壓電磁閥、指示燈等。第三十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一低壓小功率開(kāi)關(guān)量輸出第三十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一②功率場(chǎng)效應(yīng)輸出

功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)是壓控電子開(kāi)關(guān)，只要在其柵極G和源極S之間加上足夠的控制電壓，漏極D和源極S之間可導(dǎo)通。

MOSFET的柵極控制電流為微安級(jí)，而導(dǎo)通后漏極D和源極S之間允許通過(guò)較大的電流。例如IRF640導(dǎo)通時(shí)，D、S間允許通過(guò)的最大電流可達(dá)18安培。第三十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一功率場(chǎng)效晶體管的典型使用方法第三十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一③繼電器輸出

繼電器經(jīng)常用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)量輸出功率放大——即利用繼電器作為計(jì)算機(jī)輸出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)控制較大功率設(shè)備或控制接觸器的通斷以驅(qū)動(dòng)更大功率的負(fù)載，從而完成從直流低壓到交流(或直流)高壓、從小功率到大功率的轉(zhuǎn)換。使用繼電器輸出時(shí)，為克服線圈反電勢(shì)，常在繼電器的線圈上并聯(lián)一個(gè)反向二級(jí)管。繼電器輸出也可以提供電氣隔離功能，但其觸點(diǎn)在通斷瞬間往往容易產(chǎn)生火花而引起干擾，還是必須予以注意的，一般可采用阻容電路予以吸收。第三十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一繼電器式開(kāi)關(guān)量輸出第三十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一繼電器式開(kāi)關(guān)量輸出帶光電隔離的繼電器輸出接口電路第三十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一④可控硅輸出

作為一種大功率半導(dǎo)體無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，可控硅具有以較小的功率來(lái)控制大功率的特點(diǎn)，因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中被廣泛地用作功率執(zhí)行元件，一般是由計(jì)算機(jī)發(fā)出數(shù)字觸發(fā)脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)其通斷控制。第三十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一光電隔離的雙向可控硅輸出第三十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.2模擬量輸入通道(掌握)模擬輸入通道的作用是實(shí)現(xiàn)模擬待測(cè)信號(hào)與主控微處理器之間的接口，一般由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、多路模擬開(kāi)關(guān)、放大器、采樣保持器(S/H)和A/D轉(zhuǎn)換器組成。其中A/D轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)模擬待測(cè)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)之間轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。

模擬量輸入通道根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式。第三十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一1、單路模擬量輸入通道2、多路模擬量輸入通道接口電路信號(hào)處理信號(hào)處理信號(hào)處理傳感器1傳感器2傳感器nA/D轉(zhuǎn)換器多路開(kāi)關(guān)采樣保持微型計(jì)算機(jī)第四十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一1、多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開(kāi)關(guān)，它是用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。多路開(kāi)關(guān)功能：把多個(gè)模擬量參數(shù)分時(shí)地接通并送入A/D轉(zhuǎn)換器，即完成多到一的轉(zhuǎn)換（輸入）；或者把經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，且由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號(hào)按一定的順序輸出到不同的控制回路（或外部設(shè)備）中，即完成一到多的轉(zhuǎn)換（輸出）。3.2.1模擬量輸入通道中的常用器件及電路第四十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一理想多路開(kāi)關(guān)要求：開(kāi)路電阻應(yīng)為無(wú)窮大，接通時(shí)的導(dǎo)通電阻應(yīng)為零，切換速度快、噪聲小、壽命長(zhǎng)、工作可靠。實(shí)際多路開(kāi)關(guān)性能：導(dǎo)通電阻10幾歐，開(kāi)關(guān)速度幾百納秒多類開(kāi)關(guān)的分類：1)單向多路開(kāi)關(guān)(1對(duì)多或多對(duì)1)，如AD7501（8路）、AD8506(16路)；2)雙向多路開(kāi)關(guān)（1對(duì)多且多對(duì)1），如CD4051；3）矩陣多路開(kāi)關(guān)（多對(duì)多），如MT8816；第四十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一多路開(kāi)關(guān)實(shí)例：CD4051（雙向）

CD4051是8通道多路開(kāi)關(guān)帶有3個(gè)通道選擇輸入端A、B、C，用于選擇8個(gè)通道之一一個(gè)禁止輸入端INH，高電平時(shí)，禁止模擬信號(hào)輸入；低電平時(shí)允許模擬信號(hào)輸入第四十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

CD4051的真值表

０１１１７輸入狀態(tài)接通通道ＩＮＨＣＢＡ００００００００１１００１０２００１１３０１００４０１０１５０１１０６ＣＤ４０５１第四十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一在實(shí)際應(yīng)用中，如果被測(cè)參數(shù)多于8路，可以采用將多個(gè)CD4051相連進(jìn)行擴(kuò)展。*由D0D1D2D3來(lái)選擇16路通道之一*其中D3＝0，選中1＃*其中D3＝1，選中2＃CD4051多路開(kāi)關(guān)的擴(kuò)展應(yīng)用第四十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一1）

概述問(wèn)題：模擬信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，當(dāng)輸入信號(hào)變化較大時(shí)，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。解決方法：采用一種器件，在A／D轉(zhuǎn)換時(shí)保持住輸入信號(hào)電平，在A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后跟蹤輸入信號(hào)的變化。這種功能的器件就是采樣／保持器。2、采樣保持器第四十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）

采樣／保持器的工作原理采樣／保持器的一般結(jié)構(gòu)形式如圖所示。模擬信號(hào)UiK驅(qū)動(dòng)信號(hào)ACH模擬地UO組成模擬開(kāi)關(guān)K保持電容CH緩沖放大器A第四十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一在t1時(shí)刻前，控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)K

閉合，模擬輸入信號(hào)Ui

通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)加到電容CH上，使得CH端電壓UC

跟隨Ui變化而變化。在t1時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，模擬開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，此時(shí)電容CH

上的電壓UC

保持模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間的Ui

值不變并等待A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。工作原理如下：t控制信號(hào)t模擬輸入At采樣輸出跟蹤t1A2t2A1t3保持A3t4A圖5.2采樣／保持器工作原理而在t2時(shí)刻，保持結(jié)束，新一個(gè)跟蹤時(shí)刻到來(lái)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)又為高電平，模擬開(kāi)關(guān)K

重新閉合，

CH

端電壓UC又跟隨Ui變化而變化；t3時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，......。第四十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一從以上討論可知：

采樣／保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件。

第四十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一采樣保持器的工作狀態(tài)：跟蹤狀態(tài)在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號(hào)，并精確地跟蹤模擬輸入信號(hào)的變化，一直到接到保持指令為止。保持狀態(tài)對(duì)接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行保持。采樣／保持器主要作用：“穩(wěn)定”快速變化的輸入信號(hào)，以減少轉(zhuǎn)換誤差。用來(lái)儲(chǔ)存模擬多路開(kāi)關(guān)輸出的模擬信號(hào)，以便模擬多路開(kāi)關(guān)切換下一個(gè)模擬信號(hào)。第五十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3）采樣／保持器使用中應(yīng)注意的問(wèn)題采樣／保持器和A／D轉(zhuǎn)換器各完成一次動(dòng)作所需時(shí)間之和應(yīng)小于采樣周期采樣／保持器的性能在很大程度上取決于保持電容器的質(zhì)量。因此，應(yīng)該選擇優(yōu)質(zhì)電容器。第五十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一4）常用的采樣/保持器

常用的采樣/保持器集成電路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398為例，介紹集成電路S/H的工作原理，其他的S/H的原理與其大致相同。LF398是一種反饋型采樣/保持器，也是較為通用的采樣/保持器，與LF398結(jié)構(gòu)相同的還有LF198、LF298等，都是由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，具有采樣速率高，保持性好和精度高等優(yōu)點(diǎn)。其采樣時(shí)間小于10μs，輸入阻抗為，保持電容為1μF時(shí)，其下降速度為5mV/min。雙電源供電，電源范圍寬，可以從±5V到±18V。第五十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一LF398的組成原理圖如圖所示。引腳排列如圖所示。第五十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一各引腳功能如下：V+、V-：正負(fù)電源電壓輸入引腳，輸入范圍為±5V到±18V。

OFFSETADJ：偏置調(diào)整引腳?？捎猛饨与娮枵{(diào)整采樣-保持器的偏差。

VIN：輸入引腳。

VOUT：輸出引腳。

CH：保持電容引腳。用來(lái)外接保持電容。

LOGICREF：參考邏輯電平。

LOGIC：輸入控制邏輯。第五十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一LF398典型的電源和信號(hào)的接法第五十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一保持電容CH可選用漏電流較小的聚苯乙烯電容、云母電容或聚四氟乙烯電容。CH的數(shù)值直接影響采樣時(shí)間及保持精度，為了提高精度，就需要增加保持電容CH的容量，但CH增大時(shí)又會(huì)使其采樣時(shí)間加長(zhǎng)。因此，當(dāng)精度要求不高（±1%）而速度要求較高時(shí)，

CH可小至100μf。當(dāng)精度要求高（±0.01%）時(shí)，應(yīng)取CH=1000μF。當(dāng)CH≥400μF時(shí)，采樣時(shí)間tAC與CH有經(jīng)驗(yàn)公式tAC=CH/40式中，CH為保持電容的容量，單位為μF；tAC為采樣時(shí)間，單位為s。保持電容的選擇第五十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.2.2模擬信號(hào)的調(diào)理在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸入信號(hào)類型：傳感器輸出的信號(hào)變送器輸出的信號(hào)①電壓信號(hào)：一般為mV或μV信號(hào)。②電阻信號(hào)：?jiǎn)挝粸棣?，如熱電阻（RTD）信號(hào)，通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成mV信號(hào)。③電流信號(hào)：一般為mA或μA信號(hào)。①電流信號(hào)：一般為0~10mA（0~1.5kΩ負(fù)載）或4~20mA（0~500Ω負(fù)載）。②電壓信號(hào)：一般為0~5V或1~5V信號(hào)。第五十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.

I/V變換2、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；注意：信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)傳感器輸出的信號(hào)、變送器輸出的信號(hào)及A/D轉(zhuǎn)換器的具體情況而有所不同。3、非電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；1、電壓信號(hào)的“標(biāo)準(zhǔn)化”；第五十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一電橋是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測(cè)量電路。其輸出既可用指示儀表直接測(cè)量，也可以送入放大器進(jìn)行放大。由于橋式測(cè)量電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并具有較高的精確度和靈敏度，因此在測(cè)試裝置中得到了廣泛應(yīng)用。與其他測(cè)試裝置的分類一樣，電橋亦有不同的分類方式：按照激勵(lì)電源的性質(zhì)可分為直流電橋與交流電橋；按照橋臂阻抗性質(zhì)又可分為電阻電橋、電容電橋和電感電橋。2.電橋第五十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.2.3模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)模擬量輸入通道的應(yīng)考慮的問(wèn)題：①使用對(duì)象和性能指標(biāo)；②信號(hào)的調(diào)理；③A/D轉(zhuǎn)換器的選擇；④采樣保持器和前置放大器的選用；第六十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.3模擬量輸出通道(掌握)模擬輸出通道的作用是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電流或者電壓信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)控制。一般由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、輸出保持器和I/V變換等組成。

模擬量輸出通道根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式。第六十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一1、單模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)組成：接口電路、寄存器、D／A轉(zhuǎn)換器和放大變換電路第六十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2、多模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)

多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式主要取決于輸出保持器的構(gòu)成方式。輸出保持器的作用主要是在新的控制信號(hào)到來(lái)之前，使本次控制信號(hào)維持不變。保持器一般有數(shù)字保持方案和模擬保持方案兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。第六十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一優(yōu)點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障，也不影響其他通道的工作。缺點(diǎn):使用了較多的D/A轉(zhuǎn)換器，使得這種結(jié)構(gòu)的價(jià)格很高。1）

一個(gè)通道設(shè)置一片D/A轉(zhuǎn)換器第六十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）多個(gè)通道共用一片D/A轉(zhuǎn)換器由于公用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，因此必須在計(jì)算機(jī)控制下分時(shí)工作，即依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓（或電流），通過(guò)多路開(kāi)關(guān)傳送給輸出采樣—保持器。優(yōu)點(diǎn):節(jié)省了D/A轉(zhuǎn)換器。缺點(diǎn)：因?yàn)榉謺r(shí)工作，只適用于通道數(shù)量多且速率要求不高的場(chǎng)合。它還要使用多路開(kāi)關(guān)，且要求輸出采樣—保持器的保持時(shí)間與采樣時(shí)間之比較大，這種方案工作可靠性較差。第六十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.2.1電壓/電流轉(zhuǎn)化電路因?yàn)殡娏餍盘?hào)易于遠(yuǎn)距離傳送，且不易受干擾，特別是在過(guò)程控制系統(tǒng)中，自動(dòng)化儀表只接收電流信號(hào)，所以在微機(jī)控制輸出通道中常以電流信號(hào)來(lái)傳送信息，這就需要將電壓信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，完成電流輸出方式的電路稱為V/I變換電路。電流輸出方式一般有兩種形式：

1．普通運(yùn)放V/I變換電路

2．集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路第六十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一1）

普通運(yùn)放V/I變換電路

（1）0~10mA的輸出

+-Vin0~10VAT1T2I0Vf+VsR1R2R3R4R5R6RfRL

圖為0~10V/0~10mA的變換電路，由運(yùn)放A和三極管T1、T2組成，R1

和R2是輸入電阻，Rf是反饋電阻，RL是負(fù)載的等效電阻。輸入電壓Vin經(jīng)輸入電阻進(jìn)入運(yùn)算放大器A，放大后進(jìn)入三極管T1、T2。由于T2射極接有反饋電阻Rf，得到反饋電壓Vf加至輸入端，形成運(yùn)放A的差動(dòng)輸入信號(hào)。該變換電路由于具有較強(qiáng)的電流反饋，所以有較好的恒流性能。第六十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一（2）4~20mA的輸出圖為1~5V/4~20mA的變換電路，兩個(gè)運(yùn)放A1、A2均接成射極輸出形式。+-A1+-A2T2T1T3Vin1~5VR1R2RfRLR3CIfI2I0I1V1V2+VsV3第六十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路

圖是集成V/I轉(zhuǎn)換器ZF2B20的引腳圖，采用單正電源供電，電源電壓范圍為10～32V，ZF2B20的輸入電阻為10KΩ，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于25μS，非線性小于土0.025％。第六十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.2.2模擬量輸出通道設(shè)計(jì)舉例（了解）模擬量輸出通道一般根據(jù)系統(tǒng)需求可由多路開(kāi)關(guān)、采樣保持器、D/A轉(zhuǎn)換器及接口電路等組成。采樣保持器的作用及工作原理如前中所述，多路開(kāi)關(guān)在模擬量輸出通道中的作用是實(shí)現(xiàn)多選一操作，即利用多路開(kāi)關(guān)將一路D/A轉(zhuǎn)換器的輸出分時(shí)切換至后級(jí)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

第七十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一1）模擬量輸出通道設(shè)計(jì)的基本方法模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)原則主要考慮以下幾點(diǎn)：安全可靠盡量選用性能好的元器件，并采用光電隔離技術(shù)。性能價(jià)格比高既要在性能上達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，又要在技術(shù)路線、芯片元件上降低成本。通用性

D/A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)應(yīng)具有通用性，它主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：符合總線標(biāo)準(zhǔn)，可選接口地址以及可選輸出方式。

對(duì)于電流輸出而言，常用的是0～10mADC或4～20mADC這兩種信號(hào)范圍，能滿足該范圍輸出的電路所示。第七十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)模擬量輸出通道設(shè)計(jì)步驟是：確定性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)電路原理圖，設(shè)計(jì)和制造印制線路板，最后焊接和調(diào)試電路板。其中，數(shù)字電路和模擬電路應(yīng)分別排列走線，盡量避免交叉，連線要盡量短。模擬地（AGND）和數(shù)字地（DGND）分別走線，通常在總線引腳附近一點(diǎn)接地。光電隔離前后的電源線和地線要相互獨(dú)立。調(diào)試時(shí)，一般是先調(diào)數(shù)字電路部分，再調(diào)模擬電路部分，并按性能指標(biāo)逐項(xiàng)考核。圖（a）、（b）給出了具有8路D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出通道模板結(jié)構(gòu)框圖和其中1路的電路原理圖。該模板由總線接口邏輯、8片DAC0832以及V/I變換電路等組成。第七十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一8路D/A轉(zhuǎn)換模板(a)第七十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一8路D/A轉(zhuǎn)換模板(b)第七十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

其中每路的D/A轉(zhuǎn)換器均接為單緩沖輸入工作方式，且均具有電壓、電流兩種可選的輸出方式。這里的V/I變換電路與負(fù)載共電源，輸出電流IOUT=VCC/R5。當(dāng)R5=500Ω，VCC＝0～5V時(shí)，IOUT=0～10mA；當(dāng)R5＝250Ω，VCC=1～5V時(shí)，IOUT=4～20mA。

第七十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.4人-機(jī)交互通道(了解)1、鍵盤接口按鍵按照結(jié)構(gòu)原理可分為兩類，一類是觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵，如機(jī)械式開(kāi)關(guān)；另一類是無(wú)觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵，如電容式按鍵，薄膜按鍵等。按鍵處理程序需完成下列工作:第七十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編