輸入輸出通道和接口技術(shù)

輸入輸出通道和接口技術(shù)第一頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二學(xué)習(xí)指導(dǎo)和要求掌握模擬量輸入/輸出通道的組成；學(xué)會(huì)模擬量輸入/輸出通道的設(shè)計(jì)方法；掌握開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道的構(gòu)成和步進(jìn)電機(jī)的控制方法。第二頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

在工業(yè)控制過(guò)程中，被測(cè)參數(shù)一般分為模擬量和開(kāi)關(guān)量。

●模擬量：如溫度、壓力、流量、電壓和電流等；由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字量，因此對(duì)于模擬量需要經(jīng)過(guò)采集，放大，采樣保持，A/D轉(zhuǎn)換等步驟，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理。同樣的，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后數(shù)據(jù)常常需要轉(zhuǎn)換成模擬量來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行。上述轉(zhuǎn)換過(guò)程需要用模擬量輸入/輸出通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。

●開(kāi)關(guān)量：如繼電器的合上和斷開(kāi)，按鈕的按下和松開(kāi)等。第三頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出較模擬量簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)只需判斷輸入信息是“0”還是“1”，即可知道開(kāi)關(guān)的狀態(tài)；若控制某個(gè)繼電器工作，只需經(jīng)過(guò)輸出通道送“0”或“1”即可。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在著電、磁、震動(dòng)、溫度變化等干擾，各類(lèi)執(zhí)行器要求的開(kāi)關(guān)電壓、功率也不同，因此需要設(shè)置輸入/輸出通道進(jìn)行信息的緩沖、隔離、驅(qū)動(dòng)等措施。輸入/輸出通道和接口是計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象進(jìn)行信息交換的紐帶，本章將重點(diǎn)介紹輸入/輸出通道和接口的組成和設(shè)計(jì)方法。

第一節(jié)工業(yè)控制常用傳感器傳感器是一種能感知某一被測(cè)量，并將被測(cè)量變換為相應(yīng)的其它量的器件或裝置。第四頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

在工業(yè)控制過(guò)程中，很多被測(cè)量都是非電量，在采集這些非電量并送入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)前，需要將非電量轉(zhuǎn)換為電量，因此也稱(chēng)傳感器是一種將被測(cè)量變換成電量的裝置。傳感器精度的高低會(huì)影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的精度，選擇合適的傳感器是非常重要的。1、傳感器的分類(lèi)

傳感器的分類(lèi)方法很多，但常用的有兩種：一種是按被測(cè)參數(shù)分類(lèi)，另一種是按轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行分類(lèi).按被測(cè)參數(shù)分，傳感器有以下類(lèi)型：（1）熱工參數(shù)溫度、熱量、壓力、流量、真空度、液位等（2）機(jī)械量參數(shù)位移、力、速度、重量、尺寸等第五頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）物性參數(shù)比重、濃度、酸堿度、成分等（4）狀態(tài)量參數(shù)顏色、透明度、裂紋、泄漏等按轉(zhuǎn)換原理分類(lèi)，有電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電等傳感器。2、傳感器的構(gòu)成

傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個(gè)基本環(huán)節(jié)組成（1）敏感元件能夠敏銳感受某種不能直接測(cè)量的信 息，并將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的非電量器件。（2）轉(zhuǎn)換元件 將非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件。敏感元件 轉(zhuǎn)換元件非電量電量第六頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)在選擇傳感器時(shí)，要注意以下的主要技術(shù)指標(biāo)：（1）輸入特性l

量程測(cè)量上限與下限的差l

過(guò)載超出傳感器測(cè)量范圍的最大允許輸入值（2）靜態(tài)響應(yīng)特性l

精度測(cè)量結(jié)果與“真值”的靠近程度l

分辨率對(duì)被測(cè)量相對(duì)變化的最高反應(yīng)能力l

靈敏性輸出量變化值與相應(yīng)輸入量變化值之比l

穩(wěn)定性在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持性能參數(shù)的能力第七頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是指被測(cè)量在變化時(shí)，傳感器的輸出量是否能追隨輸入量的變化，分為階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)兩類(lèi)，可根據(jù)其特性曲線的特征值來(lái)判定。主要的指標(biāo)是時(shí)間常數(shù)τ，上升時(shí)間Tr，建立時(shí)間Ts，過(guò)沖量α，衰減比δ等。4、選用傳感器的一般規(guī)則（1）與測(cè)量條件有關(guān)的事項(xiàng)測(cè)量的目的、被測(cè)量的類(lèi)型、測(cè)量的范圍、測(cè)量所需的時(shí)間。（2）與傳感器性能有關(guān)的事項(xiàng)靜態(tài)響應(yīng)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。第八頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（3）與使用條件有的事項(xiàng)場(chǎng)所、溫度、濕度、是否與其它設(shè)備相連、外界干擾、功率容量、外形尺寸、重量等。（4）其它傳感器的性能價(jià)格比、生產(chǎn)廠家的服務(wù)、交貨時(shí)間、保修時(shí)間、零配件的供應(yīng)等。

5、幾種常用的傳感器分類(lèi)表5-2列出了幾種常用傳感器的分類(lèi)，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，可查閱有關(guān)手冊(cè)，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)選擇合適的傳感器。第九頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二AYTD-30A電流傳感器采用霍爾效應(yīng)、磁平衡電路設(shè)計(jì)，用于測(cè)量直流和交流電流。主要技術(shù)參數(shù)：輸入IN 輸出IOUT

精度線性度零點(diǎn)外形尺寸電源重量

0-30A0-100MA0.5%0.2%可調(diào)

45*36*42±15V50g

霍爾電流傳感器的工作原理：當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，可通過(guò)軟磁材料收集，并用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)磁平衡原理，主回路有電流IP流過(guò)時(shí)導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，用聚磁環(huán)收集磁場(chǎng)并感應(yīng)霍爾器件，經(jīng)放大后獲得補(bǔ)償電流IA，當(dāng)補(bǔ)償電流IA產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主回路電流IP產(chǎn)生的磁場(chǎng)相反時(shí)會(huì)達(dá)到磁平衡，其公式為NP*IP=NA*IA，若已知NP、NA、IA，可求出IP。第十頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

第二節(jié)模擬量輸入/輸出通道一、模擬量輸入通道當(dāng)被控對(duì)象的參數(shù)為模擬量時(shí)，由傳感器和檢測(cè)電路采集到的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后仍是模擬量，而且信號(hào)的輸出比較小，不能直接送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在被控對(duì)象和計(jì)算機(jī)之間必須設(shè)置信息調(diào)理和轉(zhuǎn)換的模擬量輸入通道，進(jìn)行信號(hào)放大，濾波、A/D轉(zhuǎn)換等工作。圖5-10為多路模擬量輸入通道的原理框圖。模擬量輸入通道一般由：信號(hào)調(diào)理裝置、多路開(kāi)關(guān)、采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換組成。它的任務(wù)是將傳感器檢測(cè)到的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)需要的數(shù)字信號(hào)。第十一頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（一）信號(hào)調(diào)理裝置信號(hào)調(diào)理裝置量一般包括放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換、濾波等。

1、信號(hào)的放大傳感器檢測(cè)到的模擬信號(hào)較弱，有很大的干擾電壓。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前放大電路除了常規(guī)的運(yùn)算放大器外，還研制了許多新型放大器。

●儀器放大器●隔離放大器

●量程自動(dòng)增益放大器等

這些新型放大器的輸入阻抗高，零點(diǎn)漂移小，可靠性高并且使用方便，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。第十二頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（1）儀器放大器美國(guó)B-B公司生產(chǎn)的INA101是一種典型的儀器放大器，能夠有效的分離共模干擾，主要用于應(yīng)變式傳感器、熱電偶和熱電阻溫度傳感器的放大。

INA101的特點(diǎn)是：●低漂移，最大值為0.25uV/℃●非線性誤差小●輸入阻抗高 ●共扼抑制比高●低噪聲

INA101使用方便，除了放大增益電阻外，一般不需要其它附加器件，應(yīng)當(dāng)選用低溫度系數(shù)的精密電阻，可提高器件的穩(wěn)定性。第十三頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）隔離放大器可消除回路、靜電及電磁干擾。有變壓器耦合和光電耦合兩種。變壓器耦合：被測(cè)信號(hào)經(jīng)濾波放大后調(diào)制為交流信號(hào)加到變壓器的輸入端，經(jīng)變壓器耦合到輸出部分后，再經(jīng)解調(diào)后輸出。電路簡(jiǎn)單價(jià)格低廉，但體積較大。（AD公司Model277)光電耦合：輸入和輸出的信號(hào)耦合通過(guò)發(fā)光管LED和光電管D之間的光傳輸實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、頻帶寛、成本低。(B-B公司ISO100)（3）可編程增益放大器（PGA）放大倍數(shù)可通過(guò)編程進(jìn)行控制，通過(guò)程序可調(diào)節(jié)放大的倍數(shù)，使A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)均一化，提高測(cè)量的精度。（B-B公司PGA102、PGA202/203）第十四頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、信號(hào)的變換在微機(jī)控制系統(tǒng)中，許多傳感器的輸出均為電壓信號(hào)，而有些電動(dòng)組合儀表的信號(hào)為4~200mA的電流，許多執(zhí)行器，如電機(jī)、控制閥門(mén)的輸入信號(hào)也采用4~200mA的電流，因此經(jīng)常需要V/I和I/V間的變換。目前常用的電壓/電流變換電路有兩種，一種是采用分立元件、運(yùn)算放大器和阻容元件組成的電路；另一種是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的專(zhuān)用集成電路。3、信號(hào)的濾波生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在著各種干擾，如果不加處理會(huì)影響控制系統(tǒng)的控制精度?？刹捎脼V波電路來(lái)抑制進(jìn)入輸入通道的干擾。在選擇濾波器時(shí)，要考慮被測(cè)信號(hào)的頻率的特性，以及干擾信號(hào)的頻率和所要求的抑制程度。對(duì)環(huán)境引起的噪聲干擾，可以采取補(bǔ)償和屏蔽等措施減少信號(hào)的誤差。第十五頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二0~10V12.5K1K 50K

OP+15VREF10INA1054~20MA10V0~10V/4~20mA轉(zhuǎn)換電路50Ω50ΩRLOADVOUTREF10：穩(wěn)壓源 OP：運(yùn)放 INA105：增益差動(dòng)放大器VOUT=-0.08VIN–0.2V

當(dāng)輸入電壓VIN為0~10V時(shí)，OP的輸出VOUT為–0.2~-1V，經(jīng)增益差動(dòng)放大器組成的V/I電路變換，流過(guò)RLOAD的電流為4~20mA。VIN-+第十六頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（二）多路開(kāi)關(guān)多路開(kāi)關(guān)有兩個(gè)主要用途，1、將待測(cè)控的多路參數(shù)分時(shí)接通，送入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；2、將計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)分時(shí)的經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，控制執(zhí)行器的執(zhí)行。

盡管兩種用途中采用同一種多路開(kāi)關(guān)，但具體任務(wù)不同，常將前者稱(chēng)為多路開(kāi)關(guān)，后者稱(chēng)為多路分配器。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)多采用干簧繼電器作多路開(kāi)關(guān)，其缺點(diǎn)是體積大，開(kāi)關(guān)頻率低。第十七頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

半導(dǎo)體多路開(kāi)關(guān)，由TTL電路或CMOS、HMOS電路組成。優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、轉(zhuǎn)換速度快、壽命長(zhǎng)、兼容性好。（P107）多路開(kāi)關(guān)CD4051，是一種雙向多路開(kāi)關(guān)，共16個(gè)引腳。

芯片：0~78個(gè)分時(shí)輸入端

OUT/IN輸出端

A、B、C分時(shí)控制端的組合決定哪一路被選通

INH禁止輸入端，當(dāng)INH=0時(shí)，通道接通

CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼、多路開(kāi)關(guān)組成。電平轉(zhuǎn)換：CMOS到TTL的轉(zhuǎn)換3-8譯碼器：通過(guò)對(duì)分時(shí)控制端A、B、C的狀態(tài)進(jìn)行譯碼來(lái)選擇某一路的接通。 第十八頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（三）采樣/保持由傳感器檢測(cè)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后仍是模擬量，要輸入到計(jì)算機(jī)中，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程需要時(shí)間，因此要求輸入A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持不變，在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果后，此信號(hào)又能隨傳感器的采集信號(hào)變化而變化；完成上述過(guò)程的器件稱(chēng)采樣/保持器，簡(jiǎn)稱(chēng)S/H（Sample/Hold）。

S/H有兩個(gè)主要功能：采樣和保持采樣：將模擬信號(hào)變?yōu)橐淮}沖信號(hào)，采樣的輸出跟隨 模擬量輸入的變化。第十九頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

保持：保持采樣時(shí)的信號(hào)不變，直到保持命令撤消為止，以 便完成A/D轉(zhuǎn)換。

1、采樣/保持器的基本的組成電路

5-20所示為采樣/保持器的基本組成電路。采樣/保持器由兩個(gè)緩沖器A1、A2和采樣開(kāi)關(guān)S，保持電容CH組成。（1）采樣：S閉合，通過(guò)A1向CH快速充電，VOUT跟隨VIN變化。（2）保持：S斷開(kāi)，當(dāng)A2的輸入阻抗很高時(shí)，VOUT=VIN不變。采樣/保持器一旦進(jìn)入保持階段，便可啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。第二十頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、常用的采樣/保持器常用的采樣/保持器有美國(guó)AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389和國(guó)家半導(dǎo)體公司的LF198/298/398等。

LF198是由雙極型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管組成的采樣/保持器，它具有采樣速度快，保持性能好，精度高等優(yōu)點(diǎn)。

LF198芯片引腳和原理圖如圖5-21所示。

LF198芯片引腳的功能如下：（1）VIN：模擬量輸入（2）VOUT：模擬量輸出。（3）邏輯和邏輯參考：高電平時(shí)采樣，低電平時(shí)保持。（4）偏差：可外接電阻調(diào)整采樣/保持器的偏差。（5）CH：保持電容引腳端，外接保持電容器。第二十一頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、采樣保持器的有關(guān)參數(shù)(1)孔徑時(shí)間TAP

孔徑時(shí)間指保持命令發(fā)出后到邏輯輸入控制的開(kāi)關(guān)完全斷開(kāi)所需時(shí)間。TAP的存在影響A/D轉(zhuǎn)換的精度。(2)捕捉時(shí)間TAC

捕捉時(shí)間是采樣命令發(fā)出后，輸出值從保持值到達(dá)當(dāng)前輸入信號(hào)值所需時(shí)間。TAC影響采樣頻率的提高。

第二十二頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（四）A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱(chēng)為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)A/D轉(zhuǎn)換器。

1、A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)

A/D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多，通常有以下3種分類(lèi)方法：（1）按位數(shù)有8位、10位、12位、16位等。位數(shù)越多，分辨率 越高，但價(jià)格也越貴。（2）按結(jié)構(gòu)有單一的A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含多路開(kāi)關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換器、 多功能A/D轉(zhuǎn)換器（含多路開(kāi)關(guān)、放大器和采樣保持器）。（3）按轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近型、雙積分型、V/F變換器。其中逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器具有精度高，轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

第二十三頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

2、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)在選用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)要考慮以下主要技術(shù)指標(biāo)。（1）分辨率 輸入量達(dá)到滿量程時(shí)，能識(shí)別的最小的輸入增量稱(chēng)為分辨率。即能夠轉(zhuǎn)換的數(shù)字量的最低有效位（LSB），對(duì)應(yīng)于滿量程輸入時(shí)的1/2n

。例如，當(dāng)n=8，滿量程輸入為5.12V，LSB=20mA。（2）轉(zhuǎn)換時(shí)間完成一次模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。（3）線性誤差實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)果與理想線性轉(zhuǎn)換結(jié)果的誤差，常用±LSB表示。（4）轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度。其誤差一般由溫度、環(huán)境等因素引起。第二十四頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、常用的A/D轉(zhuǎn)換器（1）普通型A/D轉(zhuǎn)換器AD7574。

AD7574如圖5-22所示。采用CMOS工藝，單片型，含有內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器，芯片內(nèi)部設(shè)有比較器和控制邏輯，采用R-2RT型解碼網(wǎng)絡(luò)，采用逐次逼近方式進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。該芯片功耗低（30mW），轉(zhuǎn)換速度快（15μs），易于和微機(jī)連接，在過(guò)程控制和智能化儀表中得到廣泛的應(yīng)用。（2）帶儀器放大器的A/D轉(zhuǎn)換器AD670。

AD670的結(jié)構(gòu)如圖5-23所示。片內(nèi)集成有前級(jí)儀器放大器，A/D轉(zhuǎn)換器，比較器和逐次逼近型寄存器（SAR）。放大器配有輸入電阻，可適應(yīng)較大的輸入范圍。信號(hào)可以單極或雙極輸入，有較好的抗干擾能力并且使用方便。第二十五頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）多通道A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808/0809ADC0808/0809的結(jié)構(gòu)原理圖如圖5-24所示。由8位D/A轉(zhuǎn)換器、8路多路開(kāi)關(guān)、高阻抗比較器、模擬開(kāi)關(guān)樹(shù)組的256電阻分壓器、逐次逼近型寄存器等組成。轉(zhuǎn)換時(shí)間128uS（CLOCK為500KHZ），線性誤差±1/2LSB（ADC0808）、±

1LSB（ADC0809），功耗15mW，溫度范圍-40℃~+85℃。具有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，受溫度影響小，功耗低并帶有8路模擬開(kāi)關(guān)，是過(guò)程控制中比較理想的A/D轉(zhuǎn)換器。（4）12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD574

若想提高模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換精度，可采用10位、12位、16位的高精度A/D轉(zhuǎn)換器，或采用雙積分原理的高精度A/D轉(zhuǎn)換器。第二十六頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

AD574是一種12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部含與系統(tǒng)總線直接連接的接口邏輯和有三態(tài)緩沖電路，可與各種微處理器直接連接；配置高精度電壓源和時(shí)鐘電路，不需要外接任何電路就能完成A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)用方便。

AD574的原理圖如圖5-25。

AD574由模擬芯片和數(shù)字芯片兩部分組成。模擬芯片由高性能12位D/A轉(zhuǎn)換器AD565和參考電壓組成。數(shù)字芯片由控制邏輯電路，逐次逼近型寄存器和三態(tài)輸出緩沖器組成。

AD574的分辨率為12位，非線性誤差±1/2LSB，模擬輸入可采用雙極性（±5V或±10V）或單極性（0~+10V或0~+20V）。內(nèi)部參考電平10．00±０．1V，轉(zhuǎn)換時(shí)間15~35μS，存放溫度-65~15℃。第二十七頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（五）A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器與微型計(jì)算機(jī)連接時(shí)會(huì)遇到許多的實(shí)際技術(shù)問(wèn)題，如連接的方法，A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)方式，參考電源的連接等。

1、模擬量輸入信號(hào)的連接許多A/D轉(zhuǎn)換器要求的輸入模擬量為0~5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，有些A/D轉(zhuǎn)換器，如AD574有單極性輸入和雙極性輸入兩種工作方式，使用時(shí)可根據(jù)模擬信號(hào)的性質(zhì)選定。（1）單極性輸入。

AD574單極性模擬量輸入有兩種量程，0~10V和0~20V。其電路如圖5-28（a）所示,調(diào)整R1和R2可進(jìn)行零位和滿量程的調(diào)整。第二十八頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（2）雙極性輸入如圖5-28(b)所示，模擬量輸入為±5V和±10V。

2、A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)方式。任何一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器在開(kāi)始轉(zhuǎn)換前，都必須加一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)才能開(kāi)始工作，啟動(dòng)信號(hào)分為脈沖啟動(dòng)和電平啟動(dòng)兩種。（1）脈沖啟動(dòng)在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入引腳加一個(gè)脈沖啟動(dòng)信號(hào)，即可啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器工作，如ADC0809、AD574等。（2）電平啟動(dòng)在A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)引腳上加上要求的電平；一旦電平加上以后，A/D轉(zhuǎn)換器即刻開(kāi)始工作，如AD570，AD572等轉(zhuǎn)換電路。在用電平啟動(dòng)方式時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過(guò)程中必須保持此電平不變，否則將停止轉(zhuǎn)換。第二十九頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理。

A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)會(huì)輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，CPU可根據(jù)此信號(hào)讀取轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)。

判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束大致有以下三種方法，各方法示例程序見(jiàn)P116。（1）中斷方式將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)接到CPU的中斷申請(qǐng)端，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)作中斷的申請(qǐng)信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷后在中斷服務(wù)程序中讀取數(shù)據(jù)。此種方式適合于實(shí)時(shí)性強(qiáng)并且多參數(shù)的控制系統(tǒng)。（2）查詢方式編寫(xiě)查詢軟件，使CPU不斷的查詢A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，一旦查詢到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，則讀取數(shù)據(jù)。這種方法硬件簡(jiǎn)單，但占用CPU的機(jī)時(shí)較多。第三十頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）軟件延時(shí)方式（無(wú)條件方式）根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，調(diào)用一段軟件延時(shí)程序（延時(shí)時(shí)間應(yīng)大于A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程所需時(shí)間），延時(shí)程序執(zhí)行完畢后，A/D轉(zhuǎn)換也已結(jié)束，立即讀取數(shù)據(jù)。這種方法用在CPU處理任務(wù)較少的控制系統(tǒng)中。4、A/D轉(zhuǎn)換器與采樣/保持器的連接采樣/保持器LF398的工作狀態(tài)由A/D轉(zhuǎn)換器AD574的STS端控制：當(dāng)AD574正在轉(zhuǎn)換時(shí)STS為高電平，經(jīng)反向器反向后輸入到LF398的控制端，使LF398呈保持狀態(tài)，以保證AD574的輸入信號(hào)穩(wěn)定；當(dāng)AD574轉(zhuǎn)換結(jié)束后STS變?yōu)榈碗娖?，?jīng)反向后使LF398呈采樣狀態(tài)。由于無(wú)需控制器對(duì)LF398進(jìn)行控制，所以系統(tǒng)的速度加快，也保證了實(shí)時(shí)性，減小了誤差。第三十一頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、模擬量輸出通道計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：如電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等只能接收模擬量；需要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量（簡(jiǎn)稱(chēng)D/A轉(zhuǎn)換），由模擬量輸出通道完成。

圖5-32為模擬量輸出通道的原理框圖。模擬量輸出通道一般由D/A轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理、多路開(kāi)關(guān)和執(zhí)行器等部分組成。

（一）D/A轉(zhuǎn)換器

1、轉(zhuǎn)換原理

如圖5-33所示（P119），D/A轉(zhuǎn)換器由標(biāo)準(zhǔn)電源、數(shù)字開(kāi)關(guān)電路、模擬轉(zhuǎn)換、數(shù)字接口、放大器等部分組成。待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量經(jīng)數(shù)字接口控制各位相應(yīng)的數(shù)字開(kāi)關(guān)，接通或斷開(kāi)與開(kāi)關(guān)配合的解碼電阻，從而改變標(biāo)準(zhǔn)電源經(jīng)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的電流I；該電流經(jīng)放大器放大后，輸出與數(shù)字量相對(duì)應(yīng)的模擬電壓V。第三十二頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

□標(biāo)準(zhǔn)電源要求使用穩(wěn)定度高并且漂移小的電源。 □數(shù)字開(kāi)關(guān)由晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管組成。 □轉(zhuǎn)換器主要由解碼網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，主要有權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)和T型解碼網(wǎng)絡(luò)。

2、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）靜態(tài)誤差零位誤差：輸入數(shù)字量為0時(shí)，產(chǎn)生的非零模擬電壓。增益誤差：輸入數(shù)字量為滿刻度時(shí)，實(shí)際輸出模擬電壓與理想模擬電壓之差。非線性誤差：任意輸入數(shù)字量的輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓之差。第三十三頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）分辨率單位數(shù)字量變化所引起的模擬輸出值的變化。

R=量化單位/滿刻度電壓值（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間規(guī)定誤差范圍內(nèi)，輸出信號(hào)達(dá)到要求值所需的時(shí)間。3、幾種常用的D/A轉(zhuǎn)換器（1）普通型D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832。原理結(jié)構(gòu)圖如圖5-34。（P120）由一個(gè)8位輸入鎖存器，一個(gè)8位DAC寄存器，一個(gè)以權(quán)電阻梯型網(wǎng)路為基礎(chǔ)的8位D/A轉(zhuǎn)換器及控制邏輯電路組成。其中，8位輸入鎖存器和8位DAC寄存器在邏輯電路控制下，起著雙輸入數(shù)據(jù)緩沖鎖存器的功能。第三十四頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖5-35是D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的引腳圖，各引腳功能如下：數(shù)據(jù)信號(hào)D7-D0：待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，輸入。控制信號(hào)ILE：輸入鎖存允許信號(hào)，高電平有效。

CS：片選信號(hào)，低電平有效。

WR1：寫(xiě)1信號(hào)，低電平有效。WR1與ILE、CS配合使用，構(gòu)成第一級(jí)緩沖鎖存的功能。

WR2：寫(xiě)2信號(hào)，低電平有效。

XFER：傳送控制信號(hào)，低電平有效。XFER與WR2配合使用，構(gòu)成第二級(jí)緩沖鎖存的功能?！踹壿嬁刂齐娐返目刂圃砑捌淇刂菩盘?hào)的功能是通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序?qū)崿F(xiàn)的。

第三十五頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二□編程：（1）首先使WR1=0、ILE=1、CS=0，輸入數(shù)據(jù)DI7~DI0從數(shù)據(jù)總線進(jìn)入到輸入到鎖存器中去。（2）令WR1=1、ILE=1，CS=0，輸入數(shù)據(jù)DI7~DI0便被鎖存在輸入鎖存中。（3）令WR2=0、XFER=0，使被鎖存在輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)從鎖存器中輸出，進(jìn)入DAC寄存器，且在WR2=1、XFER=1時(shí)，數(shù)據(jù)從DAC寄存器輸出，進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。□WR1、ILE、CS三個(gè)控制信號(hào)聯(lián)合構(gòu)成第一級(jí)輸入鎖功能，只有這三個(gè)信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，才能更新輸入鎖存器的內(nèi)容。WR2、XFER兩個(gè)控制信號(hào)聯(lián)合構(gòu)成第二級(jí)輸入鎖存，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)傳遞功能。第三十六頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

其它引腳信號(hào)：IOUT1：DAC0832的電流輸出1，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)D0~D7全為“1“時(shí)，IOUT1為最大值；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)D0~D7全為”0“時(shí)，為近似于0的最小值。IOUT2：DAC0832的電流輸出2，在數(shù)值上IOUT2=常數(shù)-IOUT1。即IOUT2+IOUT1=常數(shù)。因此，在控制系統(tǒng)中，常常采用直接接地方式。RFB：片內(nèi)設(shè)置的反饋電阻輸入端。它與外部運(yùn)算放大器輸出端連接，為運(yùn)算放大器提供一個(gè)反饋電壓。VREF：參考電壓輸入端，它常被接至一精密電壓源正極性端或負(fù)極性端。當(dāng)為±10V或±5V時(shí)，可獲得滿量程的操作。第三十七頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二AGND：模擬地。DGND：數(shù)字地。系統(tǒng)器件連接時(shí)，分別先將AGND、DGND端各自接至系統(tǒng)的模擬地、數(shù)字地，然后才將系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地接在一起，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。（2）12位D/A轉(zhuǎn)換器AD667

為了提高D/A轉(zhuǎn)換器精度，可以采10位、12位、14位和16位轉(zhuǎn)換器，它們的原理與前述的8位轉(zhuǎn)換器基本上相同，不同的只是在與微機(jī)進(jìn)行接口時(shí)，需要分二次或三次輸送數(shù)據(jù)。第三十八頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

圖5-36是12位D/A轉(zhuǎn)換器AD667的引腳圖，圖5-37是它的原理電路圖。（P121）

AD667的總線接口邏輯由四位獨(dú)立尋址寄存器組成，分成兩級(jí)。第一級(jí)包括三個(gè)4位寄存器，第二級(jí)包括12位D/A寄存器和12位高速D/A轉(zhuǎn)換器。兩級(jí)寄存器通過(guò)四位獨(dú)立尋址寄存器，分別由AD667的地址總線及片選信號(hào)控制，所有控制信號(hào)均為低電平有效，表5-6是AD667的真值表。第三十九頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二AD667真值表

CSA3

A2A1A0 操作

1×××× 無(wú)操作

×1111 無(wú)操作

01110 選通第一級(jí)低四位寄存器

01101 選通第一級(jí)中四位寄存器

01011 選通第一級(jí)高四位寄存器

00111 從第一級(jí)向第二級(jí)置數(shù)

00000 所有鎖存器均選通

AD667允許同時(shí)有兩個(gè)以上的鎖存器被選通,一旦12位數(shù)據(jù)字先后被裝入第一級(jí)三個(gè)4位寄存器，在CS=0和A3A2A1A0=0111條件下，12位數(shù)據(jù)便被裝入第二級(jí)12位寄存器和12高速D/A轉(zhuǎn)換器，開(kāi)始數(shù)/模轉(zhuǎn)換。這種雙緩沖鎖存結(jié)構(gòu)型式，避免了產(chǎn)生虛假的模擬量的輸出值。第四十頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

4、D/A轉(zhuǎn)換器輸出方式

D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式是指其模擬量輸出端的型式，通常有電流輸出型和電壓輸出型兩種。因負(fù)載的性質(zhì)和要求不同，又可以將它連接成為“單極性輸出”和“雙極性輸出”兩種方式。（1）單極性輸出在電壓輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器中，因其片內(nèi)含有一級(jí)運(yùn)算放大器，已經(jīng)將模擬電流量轉(zhuǎn)換為模擬電壓量輸出，因而屬于單極性輸出類(lèi)型。而電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器中，常常將電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器的電流輸出端與一個(gè)電壓放大器相連接，而構(gòu)成單極性的電壓輸出方式。對(duì)于8位單極性連接輸出方式，其輸入數(shù)字量與輸出電壓之間的關(guān)系為：VOUT=±VREF×D/256

其中，D為輸入數(shù)字量，應(yīng)取絕對(duì)值。第四十一頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）雙極性輸出在隨動(dòng)系統(tǒng)中，例如伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，要求D/A轉(zhuǎn)換器為負(fù)載提供雙極性電壓，因此D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)處于雙極性輸出方式。雙極性輸出轉(zhuǎn)換器的連接方式是在單極性輸出的基礎(chǔ)上，再加一級(jí)電壓放大器，如圖5-39所示，就構(gòu)成了D/A轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出的連接方式。雙極性輸出時(shí)，8位D/A轉(zhuǎn)換器的電壓為: VOUT2=-((R1/R2)×VOUT1+(R3/R1)×VREF) 若R1=R3=R2，所以有：VOUT2=-(VOUT1+VREF)

對(duì)于8位D/A轉(zhuǎn)換器按雙極性輸出連接時(shí)，其輸入數(shù)字量D與輸出電壓之間的關(guān)系應(yīng)為：

VOUT2=-〔2(+VREF×D/256)+VREF〕第四十二頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二5、D/A轉(zhuǎn)換器與單片微機(jī)的接口單片微機(jī)控制系統(tǒng)上，擴(kuò)展D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，主要考慮的問(wèn)題是數(shù)字量輸入端的連接和外部控制信號(hào)的連接兩方面。

D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入端與CPU連接時(shí)，對(duì)于在8位CPU與8位D/A轉(zhuǎn)換器的控制系統(tǒng)中，只需要將單片微機(jī)的數(shù)據(jù)總線與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端對(duì)應(yīng)連接即可。采用10位、12位、14位或16位D/A轉(zhuǎn)換器，與8位CPU接口，如圖5-40所示，常采用“向右對(duì)齊數(shù)據(jù)”或“向左對(duì)齊數(shù)據(jù)”的雙字節(jié)方法，將數(shù)據(jù)“分步”進(jìn)行傳送的?！跋蛴覍?duì)齊數(shù)據(jù)”時(shí)，除了將單片微機(jī)的數(shù)據(jù)總線與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端對(duì)應(yīng)連接外，還必須將單片微機(jī)的數(shù)據(jù)總線中D3~D0與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端D11~D8對(duì)應(yīng)連接起來(lái)。

第四十三頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二××××D11D10D9D8 D11D10D9D8D7D6D5D4D7D6D5D4D3D2D1D0

D3D2D1D0××××

（a）向右對(duì)齊數(shù)據(jù)格式（b）向左對(duì)齊數(shù)據(jù)格式“向左對(duì)齊數(shù)據(jù)”時(shí)，除了將單片微機(jī)的數(shù)據(jù)總線與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端D11~D4對(duì)應(yīng)連接外，還必須將單片微機(jī)的數(shù)據(jù)總線中D7~D4與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端D3~D0對(duì)應(yīng)連接起來(lái)。這樣，才能按雙字節(jié)、“分步”方法，通過(guò)編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確傳送的。也可以根據(jù)具體情況，采取其它方法進(jìn)行連接，此處不作介紹。第四十四頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

外部控制信號(hào)主要指片選信號(hào)、寫(xiě)信號(hào)和起動(dòng)信號(hào)。片選信號(hào)一般選擇由地址譯碼器控制，寫(xiě)信號(hào)由單片機(jī)的寫(xiě)選通信號(hào)控制，并且常用片選信號(hào)和寫(xiě)信號(hào)的合成信號(hào)作起動(dòng)信號(hào)；對(duì)于一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器，其控制方式即可以用雙緩沖器方式，也可用單緩沖器方式。但是，對(duì)于一個(gè)高于8位的D/A轉(zhuǎn)換器，一般都采用雙緩沖器控制方式。（二）執(zhí)行器執(zhí)行器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部件。執(zhí)行器接受CPU發(fā)來(lái)的控制命令，按生產(chǎn)過(guò)程的要求完成規(guī)定的控制動(dòng)作。選擇和使用合理的執(zhí)行器可以提高控制質(zhì)量和生產(chǎn)效率。第四十五頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

常用的執(zhí)行器有以下幾種：

1、電動(dòng)執(zhí)行器。

●分為電機(jī)式和電磁式兩類(lèi)。電機(jī)式包括伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。電磁式包括繼電器、接觸器、電磁閥、電磁離合器等。

●電動(dòng)執(zhí)行器具有響應(yīng)速度快，與計(jì)算機(jī)接口容易等優(yōu)點(diǎn)，成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

●其中步進(jìn)電機(jī)由于可以直接接受數(shù)字量，并且執(zhí)行速度快、精度高，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

第四十六頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、氣動(dòng)執(zhí)行器。

●氣動(dòng)執(zhí)行器分為薄膜式和活塞式兩種。

●氣動(dòng)執(zhí)行器由接收器、噴嘴擋板結(jié)構(gòu)、氣馬達(dá)或作動(dòng)筒等部分組成。接收器接受計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令，將電量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮盒盘?hào)，驅(qū)動(dòng)氣馬達(dá)或作動(dòng)筒運(yùn)轉(zhuǎn)，開(kāi)啟或關(guān)閉閥門(mén)，完成執(zhí)行功能。

●氣動(dòng)執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出推力大、價(jià)格低廉、防火防爆，常用于石油、化工、冶金、電力等部門(mén)。3、液壓執(zhí)行器?！褚簤簣?zhí)行器由控制部分（節(jié)流閥、射流噴管、可調(diào)泵）和執(zhí)行部分（液壓馬達(dá)、動(dòng)力作動(dòng)簡(jiǎn)）組成，可將油液壓力轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第四十七頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二●液壓執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行無(wú)級(jí)變速、輸出功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，常用于傳送大扭矩和推力的場(chǎng)所。表5-13列出了上述三種執(zhí)行器的優(yōu)缺點(diǎn),選用執(zhí)行器時(shí)可作為參考。 表5-13三種執(zhí)行器優(yōu)缺點(diǎn)比較種類(lèi) 構(gòu)造體積配管線推力動(dòng)作滯后維護(hù) 場(chǎng)合價(jià)格 氣動(dòng)執(zhí)行器 簡(jiǎn)單 中復(fù)雜大 大簡(jiǎn)單防火防爆好低 電動(dòng)執(zhí)行器 復(fù)雜 小 簡(jiǎn)單 小 小復(fù)雜防火防爆差高 液壓執(zhí)行器 簡(jiǎn)單 大 復(fù)雜 大 小簡(jiǎn)單 防火差高 第四十八頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三節(jié)模擬量輸入/輸出通道的設(shè)計(jì)一、A/D通道的幾種結(jié)構(gòu)形式1、不帶采樣保持器的單通道A/D轉(zhuǎn)換對(duì)于直流或者低頻信號(hào)，通?？梢圆挥貌蓸颖３制鳎@時(shí)模擬輸入電壓的最大變化率與轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率有如下關(guān)系：轉(zhuǎn)換時(shí)間TCONV、轉(zhuǎn)換器的滿刻度值VFS、分辨率（位數(shù)）n。例如，n=11，TCONV=0.1s，則輸入電壓最大變化率為1/20（V/s），當(dāng)實(shí)際電壓V的時(shí)，可不用采樣保持器。

第四十九頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、

帶有采樣保持器的單通道A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入信號(hào)變化率較大的通道需要用采樣保持器，這時(shí)輸入模擬信號(hào)最大變化率取決于采樣保持器的孔徑時(shí)間TAP，其輸入模擬信號(hào)的最大變化率為： VFS/TAP如果將保持命令提前發(fā)出，提前的時(shí)間與孔徑時(shí)間相等時(shí)，則輸入模擬信號(hào)的最大變化率僅取決于孔徑時(shí)間的不穩(wěn)定性tap（即△TAP），并可由下式?jīng)Q定： VFS/tap例如，采樣頻率fs=100KHZVFS=10Vtap=3nsn=11,此fs是否太高？因， 故此fs不高。第五十頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

但是，當(dāng)增大到200kHz時(shí)，若其它值都不變，則太高，整個(gè)D/A轉(zhuǎn)換不能正常進(jìn)行。所以并不是只要有采樣保持電路，采樣頻率就不受限制，此時(shí)仍然存在一個(gè)最高采樣頻率。3、多路A/D通道每通道有獨(dú)自的采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，這種形式通常用于高速系統(tǒng)，如需要同時(shí)給出描述系統(tǒng)性能的各項(xiàng)數(shù)據(jù)時(shí)，各通道可以同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。S/H A/DI/O

S/H A/DI/O CPUS/H A/DI/O… …模擬信號(hào)輸入第五十一頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二4、多路共享A/D轉(zhuǎn)換器多路共享A/D轉(zhuǎn)換器較多路A/D通道轉(zhuǎn)換器速度慢，因?yàn)槊柯忿D(zhuǎn)換是以串行方式進(jìn)行的，由于采用多個(gè)采樣保持器（S/H），故捕捉時(shí)間可以忽略不計(jì)。

S/HS/H‥‥S/H多路開(kāi)關(guān)A/DCPU第五十二頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二5、多通道共享采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器這種電路與以上兩種多通道形式相比，速度慢，但節(jié)省硬件。由于采用了公用的采樣保持器，因此在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換電路前，必須考慮采樣保持器的捕捉時(shí)間。只有當(dāng)保持電容器充放電的過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后才允許啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換電路。多路開(kāi)關(guān)S/HA/DCPU模擬信號(hào)…第五十三頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二D/A通道的幾種結(jié)構(gòu)形式1、多通道D/A轉(zhuǎn)換器

每個(gè)通道有獨(dú)自的數(shù)字寄存器及D/A轉(zhuǎn)換器,這種形式是由數(shù)字寄存器起保持作用，多用于高速系統(tǒng)。2、多通道共享D/A轉(zhuǎn)換器

寄存器 D/A寄存器 D/A

CPU … … 模擬信號(hào)輸出CPUI/OD/A …模擬信號(hào)輸出

保持器保持器多路開(kāi)關(guān)第五十四頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

兩種保持器電路：

圖5-46（a）采用了通用采樣保持集成芯片，通路較多時(shí)，它的造價(jià)較高。圖3-31（b）的保持器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，它是由運(yùn)算放大器和多路開(kāi)關(guān)組成，但各通道之間相互干擾及漏電較大。 不論采用哪種形式，保持器都依賴電容記憶的功能，兩者都不能長(zhǎng)久保持模擬信息不變，而必須由軟件定時(shí)刷新數(shù)據(jù)。

3、多通道系統(tǒng) 各通道有獨(dú)自的緩沖寄存器、輸入寄存器及D/A轉(zhuǎn)換器。 圖5-47是這種形式的框圖。在這種結(jié)構(gòu)中，各通道數(shù)字量依次送入相應(yīng)的緩沖寄存器，然后同時(shí)輸入各自的輸入寄存器，各D/A通道同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它用于對(duì)系統(tǒng)性能的各項(xiàng)數(shù)據(jù)描述需要同時(shí)給出的場(chǎng)合。第五十五頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

三、A/D、D/A通道設(shè)計(jì)原則電路設(shè)計(jì)原則：（1）電路性能上達(dá)到或超過(guò)預(yù)期的性能指標(biāo) （2）設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性能夠?qū)崿F(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換、采樣保持以及多路開(kāi)關(guān)等功能的芯片種類(lèi)眾多，僅美國(guó)AD公司生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換芯片就有19個(gè)系列，40多種芯片，D/A芯片有32個(gè)系列，100多種芯片，并且還在發(fā)展。在芯片選擇及電路設(shè)計(jì)時(shí)就要綜合考慮：轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、使用的環(huán)境溫度以及經(jīng)濟(jì)性等各因素。芯片的管腳封裝大致可分為兩種：一種是塑料封裝，適用于0℃～70℃；另一種是陶瓷封裝，一般適用于-25℃～+85℃（或-55℃～+125℃），陶瓷的價(jià)格要比塑料的高出一倍以上。第五十六頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

選擇芯片時(shí)還應(yīng)考慮精度與造價(jià)的相對(duì)關(guān)系，例如10位精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD571要比8位芯片AD570價(jià)高出一倍。 設(shè)計(jì)時(shí)不能單純追求超出性能要求的高速、高精度、高性能，對(duì)于系統(tǒng)的軟硬件配置也要統(tǒng)一權(quán)衡。 軟件與硬件的功能是可以互相補(bǔ)充，互相轉(zhuǎn)化的。 例如實(shí)時(shí)控制與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理中，常需用到定時(shí)控制，定時(shí)的功能可用硬件實(shí)現(xiàn)，如選用一片可編程定時(shí)器，也可編寫(xiě)一段延時(shí)程序來(lái)完成定時(shí)要求。 因此設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮CPU處理數(shù)據(jù)的速度，又要考慮存儲(chǔ)器容量，在兩者都允許時(shí)，就要充分利用微機(jī)的軟件資源。由軟件代替硬件的功能以節(jié)約硬件開(kāi)支，這是設(shè)計(jì)中的經(jīng)常遇到的問(wèn)題，需要靈活處理。第五十七頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（一）芯片的選擇

A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、采樣保持器及多路開(kāi)關(guān)等電路的集成芯片種類(lèi)繁多。用戶必需對(duì)自己的系統(tǒng)要求及芯片的特性有充分了解后才能選擇好滿足要求的芯片。系統(tǒng)應(yīng)對(duì)如下幾方面提出明確要求：

1、信號(hào)（1）模擬量輸入、輸出范圍，信號(hào)源與負(fù)載阻抗是多少，輸入輸出電壓的極性。（2）數(shù)字量碼制，弄清楚是二進(jìn)制，還是二進(jìn)制的補(bǔ)碼形式。（3）系統(tǒng)的邏輯電平是多大，系統(tǒng)電路類(lèi)型是TTL，高壓CMOS，還是低壓CMOS。第五十八頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（4）系統(tǒng)允許的漏碼。（5）輸入信號(hào)的特性，是否為采樣信號(hào)，是否經(jīng)過(guò)濾波，以及信號(hào)的有限帶寬頻率是多少。（6）系統(tǒng)環(huán)境條件，如溫度范圍，供電電源的可靠性，穩(wěn)定性，期望的轉(zhuǎn)換精度；有無(wú)特殊的環(huán)境限制，如高濕度、高功率、振動(dòng)及空間的限制。除以上一般考慮外，對(duì)每一部件還要專(zhuān)門(mén)考慮。2、D/A轉(zhuǎn)換電路（1）需要的分辨率，精度，線性度各是多少。（2）邏輯電平及數(shù)碼形式，數(shù)據(jù)輸入是串行還是并行。（3）輸出需要電壓形式還是電流形式，滿刻度是多少。第五十九頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（4）參考電壓類(lèi)型是什么，是固定的還是可變的，內(nèi)部的還是外部的。（5）輸出電壓是單極性還是雙極性。（6）數(shù)字量接口的特性是什么，對(duì)速度有何要求，期望的數(shù)據(jù)變化間隔的最短時(shí)間是多少，系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)刷新后到輸出達(dá)到所期望的時(shí)間值多少。（7）溫度范圍。

3、A/D通道類(lèi)似于D/A通道，而另一些是A/D所獨(dú)有的。（1）模擬信號(hào)輸入范圍，被測(cè)量信號(hào)的分辨率是多少。（2）線性誤差需要多少，相對(duì)精度及刻度的穩(wěn)定性多少。第六十頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，各種誤差限制在什么范圍內(nèi)，在任何條件下是否允許漏碼。（4）完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。（5）系統(tǒng)電源穩(wěn)定性的要求是多少，由于電源變化引起的允許誤差是多少。（6）輸入信號(hào)的特性是什么，是否為采樣信號(hào)，是否經(jīng)過(guò)濾波，信號(hào)的最高頻率是多少。（7）電源切斷時(shí)是否損壞有源信號(hào)源的精度。

第六十一頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

4）采樣保持器①輸入信號(hào)的范圍是多少②多路通道切換頻率是多少，期望采樣保持器的采集時(shí)間是多少③所需要的精度是多少，包括增益、線性度以及偏置誤差④在保持期間允許的電壓下降是多少⑤允許旁路電流在信號(hào)源內(nèi)阻上產(chǎn)生的誤差電壓是多少根據(jù)上述系統(tǒng)各項(xiàng)要求，選擇滿足性能指標(biāo)且經(jīng)濟(jì)性好的芯片。第六十二頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）電路設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題1、接地（1）電源地與信號(hào)地分開(kāi)外，信號(hào)地中的數(shù)字地與模擬地也應(yīng)分開(kāi)。（2）A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路中要特別注意地線的正確連接，否則轉(zhuǎn)換結(jié)果將不準(zhǔn)確，干擾影響也很?chē)?yán)重。

A/D、D/A及采樣保持器（S/H）芯片都提供了獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地，在線路設(shè)計(jì)中，在全部電路中模擬地與數(shù)字地的連接僅在一點(diǎn)上，在芯片和其它電路中切不可再有公共點(diǎn)，圖5-48是地線的正確連接。否則數(shù)字回路通過(guò)模擬電路的地線到數(shù)字電路電源就會(huì)形成通路，數(shù)字量信息將對(duì)模擬電路產(chǎn)生干擾，不能正確完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換。第六十三頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、印刷電路板布線采樣保持電路是由邏輯輸入信號(hào)（或邏輯控制信號(hào)）控制電路從采樣模式進(jìn)入保持模式的。如圖5-49所示。若第8腳輸入一個(gè)快速上升沿的邏輯輸入信號(hào)，則將引起保持誤差。這是由于采樣保持器進(jìn)入保持的同時(shí)，邏輯輸入信號(hào)通過(guò)印刷電路板布線間的漏電耦合到模擬輸入端引起保持誤差。為了減小該誤差，印刷電路板布線時(shí)，使邏輯輸入端的走線與模擬輸入端盡可能距離遠(yuǎn)些，或者將模擬信號(hào)輸入端用地線包圍起來(lái)以隔斷漏電通路。也可通過(guò)降低邏輯輸入信號(hào)的幅度來(lái)達(dá)到減小保持誤差的目的（例如從5V降到2.5V）。特別是對(duì)于高阻抗的信號(hào)源，保持誤差尤其突出。第六十四頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

在邏輯輸入端與保持電容器之間存在寄生電容，當(dāng)邏輯輸入端加一跳變的控制信號(hào)時(shí)，由于寄生電容的耦合作用，也將引起保持器的輸出誤差。布線時(shí)同樣可以采用上述類(lèi)似的方法，邏輯輸入端引線與保持電容端引線距離遠(yuǎn)些，降低邏輯輸入信號(hào)電平，或用與保持器輸出端相連接的短路環(huán)將電容器引出端包圍起來(lái)，以減少寄生電容的影響，見(jiàn)圖5-50所示。第六十五頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、電源供電

A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路中，電源電壓的變化將影響轉(zhuǎn)換精度，一般要求紋波電壓小于1%，為此常采用鉭電容或鋁電解電容濾波。為了改善高頻性能，還應(yīng)有高頻濾波電容。在布線時(shí)，高頻濾波電容器應(yīng)盡量靠近A/D、D/A芯片，一般選用0.01uF左右的電容。參考電源應(yīng)采用穩(wěn)定性能好的專(zhuān)用電源。第六十六頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、A/D、D/A通道設(shè)計(jì)舉例（一）設(shè)計(jì)—個(gè)微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的過(guò)程1、設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求實(shí)際上是由用戶提出的或者是根據(jù)控制任務(wù)經(jīng)調(diào)研后擬出的，給定的設(shè)計(jì)的要求如下：（1）模擬輸入信號(hào)為±5V，信號(hào)源內(nèi)阻10Ω；（2）被測(cè)量回路有8個(gè)通道，順序測(cè)量每一個(gè)通道，每一通道的掃描時(shí)間不超過(guò)50μs；（3）系統(tǒng)最大允許誤差不超過(guò)滿刻度的0.5%；（4）系統(tǒng)邏輯電平是TTL電平，二進(jìn)制碼，數(shù)據(jù)傳輸采用并 行方式。（5）溫度范圍是+25℃～+55℃，現(xiàn)場(chǎng)提供+5V及±15V電源，±15V電源變化是150mV。

第六十七頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、分析要求（1）根據(jù)要求的主要指標(biāo)，初選相應(yīng)器件和芯片。比如A/D的主要指標(biāo)有精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、輸入電壓范圍V1、工作溫度范圍、電源變化等。據(jù)此初選A/D、S/H、多路開(kāi)關(guān)等的型號(hào)。（2）校驗(yàn)這些器件和芯片的誤差，是否滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)仔細(xì)核算如滿足就可設(shè)計(jì)電路，否則重新選擇器件和芯片，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。（3）電路設(shè)計(jì)：根據(jù)所選定的芯片，配上相應(yīng)的邏輯電路，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，這一步有時(shí)要與相應(yīng)軟件配合調(diào)節(jié)，因?yàn)橛行╇娐饭δ芸捎绍浖瓿伞５诹隧?yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

（二）硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用AD570，其分辨率是8位，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.4%，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，并選用與AD570相配套的采樣保持器AD582及多路開(kāi)關(guān)AD7501。采樣保持器AD582的建立時(shí)間是5μs，多路開(kāi)關(guān)的建立時(shí)間（保持命令后采樣值達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間）是2μs，測(cè)量每一通道數(shù)據(jù)的總時(shí)間是32μs，小于50μs。器件選定后，進(jìn)一步根據(jù)手冊(cè)中給的各器件相應(yīng)參數(shù)，計(jì)算分析某些誤差，檢驗(yàn)這些誤差是否在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。第六十九頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二1）多路開(kāi)關(guān)AD7501多路開(kāi)關(guān)產(chǎn)生誤差的原因主要有兩個(gè)：①在多路開(kāi)關(guān)中，未接通的開(kāi)關(guān)中有漏電流的存在，與信號(hào)源的內(nèi)阻形成回路后會(huì)在信號(hào)源上產(chǎn)生壓降，使得信號(hào)被衰減。例如，多路開(kāi)關(guān)漏電流（25℃）2nA，信號(hào)源內(nèi)阻10Ω，則：誤差電壓=10×2×10-9=2×10-8V，可以忽略不計(jì)。②在多路開(kāi)關(guān)中，開(kāi)關(guān)本身的接通電阻使得輸入模擬信號(hào)在該電阻上產(chǎn)生壓降，則信號(hào)被衰減。例如，多路開(kāi)關(guān)接通電阻300Ω（最大），采樣保持器輸入電阻30MΩ，則：衰減分壓比=300Ω/30MΩ=1×10-5，小于滿偏刻度的0.01%，可以忽略不計(jì)。2）采樣保持器AD582①AD582的線性度在10V范圍內(nèi)是±0.01%，也就是±1mV第七十頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二②輸入旁路電流3μA（最大）在信號(hào)源內(nèi)阻上產(chǎn)生的誤差電壓為：信號(hào)源內(nèi)阻=10（模擬輸入）+300（多路開(kāi)關(guān)）=310歐誤差電壓=310×3μA=930×10-6V，相當(dāng)于滿刻度的0.01%③在保持時(shí)間內(nèi)，要考慮輸入模擬信號(hào)電壓下降相對(duì)于保持電容引起的誤差。在25μs的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，此電壓下降值僅相當(dāng)于滿刻度的0.0025%，可以忽略不計(jì)。④除此之外，環(huán)境溫度變化及供電電源電壓的變化相當(dāng)于引入了模擬輸入誤差電壓，也應(yīng)考慮在內(nèi)，但在AD582的技術(shù)手冊(cè)中并未給出這兩個(gè)參數(shù)，如果考慮這個(gè)因素，設(shè)計(jì)的指標(biāo)應(yīng)該選的偏高一些。第七十一頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二3）A/D轉(zhuǎn)換芯片AD570AD570的相對(duì)精度是1/2LSB，即滿刻度的0.2%。假設(shè)設(shè)計(jì)要求溫度的變化為30℃，則由雙極性偏差溫度所引起的誤差約為滿刻度的0.26%。上述各誤差的算術(shù)和約為滿刻度的0.48%，滿足設(shè)計(jì)的要求。為了增強(qiáng)可靠性，可選用AD570SD來(lái)減少雙極性偏差溫度帶來(lái)的影響，以保證有足夠的可靠性。顯然，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求的不止一種方案，也可以采用高集成度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片，如DAS1128、AD363等。圖5-51是將上述選定的器件通過(guò)8155并行接口芯片8085CPU接口組成一個(gè)微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路。該設(shè)計(jì)具有8通道模擬量輸入，8通道模擬量輸出，共16條I/O線。系統(tǒng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD570、采樣保持器AD582、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD1408、多路開(kāi)關(guān)AD5701、雙向多路開(kāi)關(guān)CD4051（這里用作反多路開(kāi)關(guān)）及兩片8155等組成。第七十二頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第七十三頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四節(jié)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道和接口技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中，被測(cè)參數(shù)除了模擬量外，還有開(kāi)關(guān)量，例如繼電器的合上和斷開(kāi)，按鈕的按下和松開(kāi)等。許多執(zhí)行器，如繼電器，步進(jìn)電機(jī)，接觸器，指示燈等到也需要開(kāi)關(guān)量控制。對(duì)于開(kāi)關(guān)量控制的器件，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)，如不隔離可能造成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的損壞和誤動(dòng)作。因此在開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道和接口設(shè)計(jì)中，必須考慮隔離問(wèn)題。一、光電隔離器光電隔離器是通過(guò)電-光-電的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入/輸出設(shè)備的電氣隔離和控制，光電隔離器可防止電磁干擾信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。第七十四頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二1、光電隔離器的工作原理 光電隔離器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。 如圖5-57所示（P138），當(dāng)發(fā)光二極管有正向電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生紅外光，其光譜范圍為700～1000nm。光敏三極管接收到發(fā)光二極管發(fā)來(lái)的光時(shí)便立即導(dǎo)通；當(dāng)發(fā)光二極管熄滅時(shí)，光敏三極管截止，利用此特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。 由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中大都采用TTL電平，不能直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，所以常加入驅(qū)動(dòng)器，如74LS04，74LS06等。

2、光電隔離器分類(lèi)常用的光電隔離器有發(fā)光二極管/光敏三極管、發(fā)光二極管/光敏復(fù)合晶體管、發(fā)光二極管/光敏電阻、發(fā)光二極管/光觸發(fā)可控硅等。第七十五頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

光電隔離器有雙列直插式塑料封裝形式，耐壓為2500V左右，陶管封裝形式，一般為5000～10000V，可根據(jù)不同環(huán)境選用。不同型號(hào)的光電隔離器其輸入電流也不同，一般為10mA左右，用時(shí)可查閱有關(guān)手冊(cè)。其輸出電流決定控制外設(shè)的能力，一般負(fù)載電流比較小的外設(shè)可直接帶動(dòng)，若負(fù)載電流要求比較大時(shí)，可在輸出端加驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。3、典型的開(kāi)關(guān)量輸入電路如圖5-65（P142）所示，由RC濾波電路、二極管鉗位電路、光電隔離器組成。外部開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)RC濾波、過(guò)電壓和反電壓保護(hù)、光電隔離輸入計(jì)算機(jī)中，獲得開(kāi)關(guān)K的狀態(tài)。第七十六頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二RC濾波器可抑制干擾，二極管用于防止反電壓并對(duì)瞬態(tài)尖峰電壓進(jìn)行鉗位。注意輸入和輸出應(yīng)當(dāng)分別供電，以避免外部干擾信號(hào)經(jīng)電源串入到控制系統(tǒng)中來(lái)。 二、繼電器繼電器是電器控制中最常用的一種控制器。 繼電器由通電線圈和觸點(diǎn)（常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)）構(gòu)成。 工作原理是當(dāng)線圈通電時(shí)，由于磁場(chǎng)的作用，使開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合或打開(kāi)，接通或斷開(kāi)執(zhí)行器，完成控制功能。通電線圈用直流低電壓控制（如5V、12V、24V），觸點(diǎn)輸出部分可以直接與220V或380V市電和工業(yè)用電相連。 繼電器本身帶有隔離功能，可以單獨(dú)和低壓電器配合使用。在和微型計(jì)算機(jī)接口相連時(shí)，通常還可采用光電隔離器進(jìn)行隔離，共同組成輸出通道。第七十七頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第七十八頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

圖5-66（P142）為一個(gè)由繼電器和光電隔離組成的開(kāi)關(guān)量輸出電路。計(jì)算機(jī)采用8031單片機(jī)。當(dāng)8031的P1.0輸出的開(kāi)關(guān)量為高電平時(shí)，經(jīng)7406反相驅(qū)動(dòng)輸出低電平，使IIL117光電隔離器的發(fā)光二極管導(dǎo)通，從而使光敏三極管接通，同時(shí)使驅(qū)動(dòng)三極管接通，繼電器T線圈通電，觸點(diǎn)閉合接通220V電源，帶動(dòng)執(zhí)行器工作。二極管D用于保護(hù)三極管T不被感應(yīng)電壓損壞。R1和R2為限流電阻。 選用繼電器時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮下面因素：

1、繼電器的額定工作電壓（或電流）。

2、接點(diǎn)的數(shù)量、種類(lèi)和負(fù)荷、吸合和釋放的時(shí)間。

3、繼電器的體積和封裝形式。

4、繼電器的工作環(huán)境。第七十九頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

三、固態(tài)繼電器SSR

在繼電器控制中，開(kāi)關(guān)瞬間觸點(diǎn)的吸合易產(chǎn)生火花，引起干擾。對(duì)于交流高壓場(chǎng)合，觸點(diǎn)由于高溫容易氧化，因而影響系統(tǒng)的可靠性。為了克服上述缺點(diǎn)，人們研究出一種新型的控制器件-固態(tài)繼電器，簡(jiǎn)稱(chēng)SSR（SolidStateRelay）。

SSR用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，并將光電隔離器熔為一體，因此，固態(tài)繼電器是一種帶光電隔離的無(wú)觸點(diǎn)通斷型大功率電子開(kāi)關(guān)。由于它比電磁繼電器工作可靠，并具有壽命長(zhǎng)、對(duì)外干擾小、抗干擾能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)速度快、輸入與TTL和COMS電平兼容等特點(diǎn)，在工業(yè)控制當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用。（一）固態(tài)繼電器的分類(lèi)按輸出功能分，SSR分為直流型和交流型兩種。第八十頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二1、直流型SSR

如圖5-69所示，直流型SSR由光電隔離器，整形放大電路，功率放大器，負(fù)載等部分組成，直流SSR用于直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和電磁閥等直流負(fù)載的控制。2、交流型SSR

交流型SSR分為過(guò)零型和非過(guò)零型兩類(lèi)。對(duì)于非過(guò)零型SSR，在輸入信號(hào)時(shí)，不管負(fù)載電流的相位如何，負(fù)載立即導(dǎo)通；而過(guò)零型SSR必須在負(fù)載電源電壓接近零且輸入控制信號(hào)有效時(shí)，負(fù)載才導(dǎo)通。

第八十一頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第八十二頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二交流型SSR的原理電路見(jiàn)圖5-67以及5-68。由光電隔離器、過(guò)零電路、雙向可控硅、負(fù)載等組成。交流型SSR用于交流大功率驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，如交流電機(jī)控制，交流電磁閥控制等。 應(yīng)用：通過(guò)控制AC-SSR的導(dǎo)通，改變交流電機(jī)通道繞組可控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，分別使交流電通過(guò)A繞組或者B繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。使用交流型SSR時(shí)須輔以涌浪電壓吸收回路，過(guò)壓保護(hù)等保護(hù)電路。在選用交流型SSR時(shí)主要注意它的額定電壓和工作電流。第八十三頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、大功率場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)接口技術(shù) 在開(kāi)關(guān)量輸出控制中，除固態(tài)繼電器之外，還可以用大功率場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)量輸出控制元件。由于場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高，關(guān)斷漏電流小，響應(yīng)速度快，而且與同功率繼電器相比，價(jià)格便宜，體積較小，所以常作開(kāi)關(guān)元件使用。 場(chǎng)效應(yīng)管的種類(lèi)很多，電流可從幾個(gè)mA～幾十A，耐壓可從幾十V～幾百V，可適用于任何場(chǎng)合。大功率場(chǎng)效應(yīng)管的表示符號(hào)如圖5-77（a）所示，其中G為控制柵極，D為漏極，S為源極。對(duì)于NPN型場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)講，當(dāng)G為高電平時(shí)，源極與漏極導(dǎo)通，允許電流通過(guò)，否則關(guān)斷。第八十四頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

大功率場(chǎng)效應(yīng)管本身無(wú)隔離作用，因此在使用時(shí)通常在它的前邊加一級(jí)光電隔離器，如4N25、TIL113等，防止高壓對(duì)系統(tǒng)的干擾。 圖5-77（b）為大功率場(chǎng)效應(yīng)管控制步進(jìn)電機(jī)的原理電路，圖中，當(dāng)某一控制輸出端（如P1.0）輸出高電平時(shí)，經(jīng)7406反相器變?yōu)榈碗娖?，使光電隔離器通電并導(dǎo)通，從而使電阻R1（R2或R3）輸出為高電平，控制場(chǎng)效應(yīng)管IRF640導(dǎo)通，使A相（B相或C相）通電；反之，當(dāng)P1.0為低電平時(shí)，則IRF640截止，A相無(wú)電流通過(guò)。改變步進(jìn)電機(jī)A、B、C三相的通電順序，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，圖中的電阻、電容、二極管均為保護(hù)元件。第八十五頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第八十六頁(yè)，共一百零三頁(yè)，編輯于2023年，星期二五、可控硅接口技術(shù)可控硅（SiliconControlledRectifier）簡(jiǎn)稱(chēng)SCR，是一種大功率電器元件，也稱(chēng)晶閘管；它具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，它可作為大功率驅(qū)動(dòng)器件，以實(shí)現(xiàn)用小功率控制大功率。在交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)以及隨動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

可控硅有單向可控硅和雙向可控硅兩種。（一）

單向可控硅單向可控硅的表示符號(hào)，如圖5-78（a）所示。它有三個(gè)引腳，其中A陽(yáng)極，K為陰極，G為控制極。