第2章-輸入輸出接口與過程通道教學(xué)講義

第2章輸入輸出接口與過程通道接口:是計算機與外部設(shè)備（部件與部件之間）交換

信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。接口技術(shù):是研究計算機與外部設(shè)備之間如何交換信

息的技術(shù)。過程通道:是在計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳

送和轉(zhuǎn)換的連接通道，它包括模擬量輸入

通道AI、模擬量輸出通道AO、數(shù)字量(開關(guān)

量)輸入通道DI、數(shù)字量(開關(guān)量)輸出通道DO。

2.1數(shù)字量輸入輸出通道

明確概念:1.數(shù)字量(開關(guān)量)信號開關(guān)的閉合與斷開，指示燈的亮與滅，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)閉等。共同特征:這些信號的是以二進制的邏輯“1”和“0”出現(xiàn)的，代表生產(chǎn)過程的一個狀態(tài)。2.PC總線2.1.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)1.數(shù)字量輸入接口（DI）

作用：采集生產(chǎn)過程的狀態(tài)信息。

完成過程：用三態(tài)門緩沖器74LS244取得狀態(tài)信息。經(jīng)過端口地址譯碼，得到片選信號。當(dāng)在執(zhí)行IN指令周期時，產(chǎn)生I/O讀信號，則被測的狀態(tài)信息可通過三態(tài)門送到PC總線工業(yè)控制機的數(shù)據(jù)總線，然后裝入AL寄存器。設(shè)片選端口地址為port，可用如下指令來完成取數(shù).MOVDX，portINAL，DX

注意：硬件組成、軟件設(shè)計

（匯編、C語言)

1G2G74LS244

輸入接口

D0D1D2D3D4D5D6D7

1A11Y1

1A21Y2

1A31Y3

1A41Y4

1A51Y5

1A61Y6

1A71Y7

1A81Y8

IORCS圖2.1數(shù)字量輸入接口

PC總線2.1.2數(shù)字量輸入通道1.數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入口地址譯碼電路等組成。

PC總線

輸入

緩沖

器

輸入

調(diào)理

電路

地址譯碼器

來自生產(chǎn)過程

2.輸入調(diào)理電路

數(shù)字量(開關(guān)量)輸入通道的基本功能就是接收外部裝置或生產(chǎn)過程的狀態(tài)信號。這些狀態(tài)信號的形式可能是電壓、電流、開關(guān)的觸點，因此引起瞬時高壓、過電壓、接觸抖動等現(xiàn)象。為了將外部開關(guān)量信號輸入到計算機，必須將現(xiàn)場輸入的狀態(tài)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計算機能夠接收的邏輯信號，這些功能稱為信號調(diào)理。（1）小功率輸入調(diào)理電路（2）大功率輸入調(diào)理電路（1）小功率輸入調(diào)理電路

開關(guān)、繼電器等接點接通和斷開動作，被轉(zhuǎn)換成TTL電平信號與計算機相連。為了清除由于接點的機械抖動而產(chǎn)生的振蕩信號，一般都應(yīng)加入有較長時間常數(shù)的積分電路來消除這種振蕩。問題：利用什么原理消除了抖動？+5V

C

K

R2

R1

采用積分電路的小功率輸入調(diào)理電路

目的：把開關(guān)K的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成二進制狀態(tài)。原理：閉和K時，電容C放電，反相器反相為1；斷開K時，電容C充電，反相器反相為0。R—S觸發(fā)器消除開關(guān)兩次反跳電路原理：當(dāng)K在上時，輸出上為1，下為0。當(dāng)K按下時，因為鍵的機械特性，使按鍵因抖動而產(chǎn)

生瞬間不閉合，造成R-S觸發(fā)器輸入為雙1，故狀態(tài)

不改變。+5V

K

R45

R3

（2）大功率輸入調(diào)理電路

當(dāng)從電磁離合等大功率器件的接點輸入信號時，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（因為直流電平的響應(yīng)快，不易產(chǎn)生干擾）。但是這種電路，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。光電隔離：通常使用一個光耦將電子信號轉(zhuǎn)換為光信號，在另一邊再將光信號轉(zhuǎn)換回電子信號。如此，這兩個電路就可以互相的隔離。

原理：當(dāng)K閉合時，光電二極管導(dǎo)通，發(fā)光使晶體管導(dǎo)通，經(jīng)反相器反相輸出為1。當(dāng)K斷開時，光電二極管不導(dǎo)通，晶體管不導(dǎo)通，經(jīng)反相器反相輸出為0。其中，用R1、R2進行限流分壓，C進行濾波，要合理選擇參數(shù)。+5V

R2

R3

C

R1

+48V

2.1.2數(shù)字量輸出通道1.數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。

去生產(chǎn)過程

PC總線

輸

出

鎖

存

器

輸

出

驅(qū)

動

電

路

地址譯碼器

圖

2.6

數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)

2.輸出驅(qū)動電路

在數(shù)字量輸出通道中，關(guān)鍵是驅(qū)動，因為從鎖存器中出來的是TTL電平，驅(qū)動能力有限，所以要加上驅(qū)動電路。（1）小功率直流驅(qū)動電路

a.功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路繼電器包括線圈和觸點。因負載呈電感性，所以輸出必須加裝克服反電勢的保護二極管D，J為繼電器的線圈。

D的作用是泄流，通過D放掉J上所帶的電荷，防止反向擊穿。

R的作用是限流。作用過程：當(dāng)輸入TTL電平為1時，晶體管截止，J不吸合。當(dāng)輸入TTL電平為0時，晶體管導(dǎo)通，J吸合。b.達林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路

MC1416(16腳,含有7達林頓復(fù)合晶體管)是達林頓陣列驅(qū)動器。

達林頓晶體管DT（Dar1ingtonTransistor）亦稱復(fù)合晶體管。它采用復(fù)合過接方式，將兩只或更多只晶體管的集電極連在一起，而將第一只晶體管的發(fā)射極直接耦合到第二只晶體管的基極，依次級連而成，最后引出E、B、C三個電極。

MC1416(2)大功率交流驅(qū)動電路

在大功率交流驅(qū)動電路中，固態(tài)繼電器SSR作交流開關(guān)使用。

SSR是一種無觸點通斷電子開關(guān)，是一種有源器件，其中兩個端子為輸入控制端，另外兩個為輸出受控端，為實現(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離，器件中采用了高耐壓的專用光電耦合器。SSR作交流開關(guān)，相當(dāng)于有一個觸點，左邊是TTL電平，在0~5V之間：當(dāng)輸入TTL電平為高時，觸點閉合；當(dāng)輸入TTL電平為低時，觸點斷開。當(dāng)用計算機來控制電磁閥時，用固態(tài)繼電器。注意：零交叉電路在交流電過零時,會產(chǎn)

生觸發(fā)信號，從而減少干擾。

2.2A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：

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：通常用數(shù)字量的位數(shù)n(字長)來表示，如8位、12

位、16位等。

線性誤差：理想轉(zhuǎn)換特性(量化特性)應(yīng)該是線性的，但實

際轉(zhuǎn)換特征并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi)，

偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。

線性誤差常用LSB(數(shù)字量的最低有效位)的分數(shù)

表示,如(1/2)LSB或±1LSB。

量程：即所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍，如-5V～+5V,0～10V，0～5V等。

對基準電源的要求：基準電源的精度對整個系統(tǒng)的精度產(chǎn)生

很大影響。故在設(shè)計時，應(yīng)考慮是否要

外接精密基準電源。A/D轉(zhuǎn)換方式：逐次逼近式：轉(zhuǎn)換時間短(幾個微秒～幾百個微

秒)，但抗干擾能力較差。常用的逐

次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，AD574

等；雙斜積分式：轉(zhuǎn)換時間長(幾十個毫秒～幾百個毫

秒)，抗干擾能力較強。在信號變化

緩慢、現(xiàn)場干擾嚴重的場合采用。常

用的雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器有3位半(相當(dāng)于2進制11位分辨率)的MC14433，4位半(相當(dāng)于2進制14位分辨率)的ICL7135等。

2.2.1A/D轉(zhuǎn)換器

ADC0809是一種帶有8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為64個時鐘周期（時鐘頻率為640KHZ時100μs左右），線性誤差為(±1/2)LSB。采用28腳雙立直插式封裝。外加基準電源。1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

ADC0809邏輯組成：(1)8通模擬開關(guān)及通道選擇邏輯該部分的功能是實現(xiàn)8選1操作，由通道選擇信號C、B、A，在ALE的作用下送入通道選擇邏輯。

注意：轉(zhuǎn)換時序。(3)三態(tài)輸出鎖存緩沖器

用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果D，輸出允許信號OE為高電平時，D由DO7～DO0上輸出；OE為低電平輸入時，數(shù)據(jù)輸出線DO7～DO0為高阻態(tài)。(2)8位A/D轉(zhuǎn)換器在START上收到一個啟動轉(zhuǎn)換命令(正脈沖)后開始轉(zhuǎn)換，100μs左右(64個時鐘周期)后轉(zhuǎn)換結(jié)束(相應(yīng)的時鐘頻率為640KHZ)。轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，通知CPU讀結(jié)果。通過查詢或中斷方式讀取。ADC0809的轉(zhuǎn)換時序

2．12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A（AD1674）

AD574A（AD1674）是一種高性能的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間約為25（10）μs，線性誤差為±1/2LSB，內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準電壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采用28腳雙立直插式封裝。

AD1674有S/H。AD574A原理結(jié)構(gòu)

模擬輸入信號編程:AD574的輸入信號連接方法

AD574A由12位A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、三態(tài)輸出鎖存緩沖器和10V基準電壓源四部分構(gòu)成。1.12位A/D轉(zhuǎn)換器:模擬輸入信號有單極性和雙極性兩

種輸入形式。2.三態(tài)輸出鎖存緩沖器:用于存放12位轉(zhuǎn)換結(jié)果D。3.控制邏輯：控制啟動轉(zhuǎn)換、控制轉(zhuǎn)換過程和控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。CE、CS均為片選信號，R/C為讀/啟動控制信號，12/8為數(shù)字量輸出位數(shù)控制，A0為分辨率和字節(jié)選擇：在轉(zhuǎn)換啟動時，A0=1代表選擇AD574A作為12位轉(zhuǎn)換器使用，在讀數(shù)據(jù)時，A0=1代表讀低字節(jié)。

STS為AD574A的狀態(tài)輸出信號。啟動后，STS為高電平表示正在轉(zhuǎn)換；25μs后轉(zhuǎn)換結(jié)束，STS為低電平。CPU可用查詢或中斷方式了解轉(zhuǎn)換過程是否結(jié)束。

2.2.2A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器通常都具有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出緩沖器，因而允許A/D轉(zhuǎn)換器直接同系統(tǒng)總線相連接。為便于或簡化接口電路設(shè)計，常通過通用并行接口芯片8255A實現(xiàn)與系統(tǒng)的接口。

1.ADC0809與PC總線工業(yè)控制機接口

2.AD574A與PC總線工業(yè)控制機接口1．ADC0809與PC總線工業(yè)控制機接口ADC0809與PC總線工業(yè)控制機接口(8255A)電路圖8255A的引腳功能

8255A端口功能選擇

2．ADC574A與PC總線工業(yè)控制機接口2.3模擬量輸入通道模擬量輸入通道的任務(wù)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。傳感器是將生產(chǎn)過程工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的裝置，大多數(shù)傳感器的輸出是直流電壓(或電流)信號，也有一些傳感器把電阻值、電容值、電感值的變化作為輸出量。為了避免低電平模擬信號傳輸帶來的麻煩，經(jīng)常要將測量元件的輸出信號經(jīng)變送器變送，如溫度變送器、壓力變送器、流量變送器等，將溫度、壓力、流量的電信號變成0～10mA或4～20mA的統(tǒng)一電信號，然后經(jīng)過模擬量輸入通道來處理。2.3.1模擬量輸入通道的組成

過程參數(shù)由傳感元件和變送器測量并轉(zhuǎn)換為電流(或電壓)形式后，再送至多路開關(guān)；在微機的控制下，由多路開關(guān)將各個過程參數(shù)依次地切換到后級，進行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)過程參數(shù)的巡回檢測。模擬量輸入通道一般由I/V變換，多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯等組成。2.3.2I/V變換變送器輸出的信號為0～10mA或4～20mA的統(tǒng)一信號，需要經(jīng)過I/V變換變成電壓信號后才能處理。對于電動單元組合儀表，DDZ-Ⅱ型的輸出信號標(biāo)準為0～10mA,而DDZ—Ⅲ型和DDZ—S系列的輸出信號標(biāo)準為4～20mA。I/V變換的實現(xiàn)方法:

1.無源I/V變換2.有源I/V變換問題：為什么我們經(jīng)常用到的標(biāo)準信號是電流信號？1.無源I/V變換I/V變換的基本思想：電流變換電路中各部分的作用：

r1:限流電阻

D:將電壓鉗制在5V+0.3V以內(nèi)

r2:電壓采樣電阻，其壓降即為輸出電壓，精密電阻，精度為0.1%。

C和r1：組成阻容低通濾波電路電壓？2.有源I/V變換

利用有源器件—運算放大器和電阻組成。與無源變換的區(qū)別在于信號的隔離上。電流不能直接流過R2,VI=I*R1。利用運算放大器的虛短和虛斷的概念，可求出該同相放大電路的放大倍數(shù)。合理選擇相應(yīng)的電阻，就可以得到相應(yīng)的電壓輸出。2.3.3多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，多路開關(guān)是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。作用：利用多路開關(guān)可將各個輸入信號依次地或隨機地連接到

公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上，實現(xiàn)多路共享。常用的多路開關(guān)有CD4051(或MC14051)、AD7501、MAX354、LF13508、ADG408等。CD4051原理圖2.3.4采樣、量化及采樣保持器1.信號的采樣

采樣過程：按一定的時間間隔T，把時間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬信號，轉(zhuǎn)變成在時刻O、T、2T、…KT的一連串脈沖輸出信號的過程。

采樣周期：采樣開關(guān)K每一個通斷的時間間隔T，包括等待時間、閉合時間、斷開時間等。

采樣寬度：采樣開關(guān)閉合的時間。

采樣信號y*(t)：幅值連續(xù)但是時間上離散的模擬信號。

香農(nóng)采樣定理：如果模擬信號(包括噪聲干擾在內(nèi))頻譜的最高頻率為fmax，只要按照采樣頻率f≥2fmax進行采樣，那么采樣信號y*(t)就能唯一地復(fù)現(xiàn)y(t)。2.量化所謂量化，就是采用一組數(shù)碼(如二進制碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。也就是怎樣將離散模擬變量變?yōu)槎M制碼，二進制數(shù)的大小和量化單位有關(guān)。量化過程：將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程。量化裝置：執(zhí)行量化動作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。量化單位：字長為n的A/D轉(zhuǎn)換器，其最低有效位(LSB)所對應(yīng)的模

擬量q稱為量化單位。量化誤差：量化過程實際上是一個用q去度量采樣值幅值高低的小

數(shù)歸整過程，如同人們用單位長度(毫米或其它)去度量

人的身高一樣。由于量化過程是一個小數(shù)歸整過程，因

而存在量化誤差，量化誤差為(±1/2)q。

例如:q=20mV時，量化誤差為±10mV，0.990～1.009V范圍內(nèi)

的采樣值，其量化結(jié)果是相同的，都是數(shù)字50。3.采樣保持器（S/H）(1)采樣保持電路的工作方式：采樣和保持。在采樣方式中，采/保電路的輸出為采樣的模擬輸入電壓。在保持方式中，采/保電路將保持采樣命令撤銷時刻的采樣值，直到保持命令撤銷并且再次接收到采樣命令為止。(2)孔徑時間和孔徑誤差孔徑時間:在模擬量輸入通道中，完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間

tA/D

?？讖秸`差:對于隨時間變化的模擬信號來說，孔徑時間決定了每一個采樣時刻的最大轉(zhuǎn)換誤差為孔徑誤差。(3)采樣保持原理

常用的集成采樣保持器有LF398、AD582等。選擇采樣保持器的主要因素有：獲取時間，電壓下降率。

(4)常用的采樣保持器LF398的CH取為0．01μF時，信號達到0．01%精度所需的獲取時間(采樣時間)為25μS，保持期間的輸出電壓下降率為每秒3mV。若A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為100μS，轉(zhuǎn)換期間，保持器輸出電壓下降約300μV。

當(dāng)被測信號變化緩慢時，若A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間足夠短，可以不加采樣保持器。

2.3.5模擬量輸入通道設(shè)計

利用12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A，采樣保持器LF398、多路開關(guān)CD4051、I/V變換電路、8255A并行接口，我們能夠設(shè)計出PC總線工業(yè)控制機的模擬量輸入通道電路模板。該電路模板的主要技術(shù)指標(biāo)為：

1.8通道模擬量輸入

2.12位分辨率

3.輸入量程為單極性0～10V4.A/D轉(zhuǎn)換時間為25μS5.應(yīng)答方式為查詢

模板采集一個數(shù)據(jù)的過程:1．通道選擇2．啟動AD574A進行A/D轉(zhuǎn)換3．查詢AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束4．讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果8通道數(shù)據(jù)采集程序流程圖2.4D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)

D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置，它的模擬量輸出(電流或電壓)與參考電壓和二進制數(shù)成比例。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。主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、建立時間、線性誤差等。分辨率：通常用D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進制數(shù)的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位。分辨率為n位，表示D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進制數(shù)的最低有效位LSB與滿量程輸出的1/2n相對應(yīng)。

建立時間：輸入數(shù)字信號的變化量是滿量程時，輸出模擬信號達到離終值(±1/2)LSB所需的時間，一般為nμS。

線性誤差：理想轉(zhuǎn)換特性(量化特性)應(yīng)該是線性的，但實際轉(zhuǎn)換特征并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。線性誤差常用LSB的分數(shù)表示，如(1/2)LSB或±1LSB。

2.4.1D/A轉(zhuǎn)換器

1.8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、采用R—2R電阻網(wǎng)絡(luò)的8位D/A轉(zhuǎn)換器、相應(yīng)的選通控制邏輯四部分組成。DAC0832的分辨率為8位，電流輸出，采用20腳雙立直插式封裝。模擬電流輸出端IOUT1和IOUT1與數(shù)字量D的關(guān)系2.12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC12102.4.2D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)1．8位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機接口2.12位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機接口

2.5模擬量輸出通道

2.5.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)型式1.一個通路設(shè)置一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的形式

優(yōu)點：轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠，即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器有故障，也不會影響其它通路的工作。缺點：使用了較多的D/A轉(zhuǎn)換器

2.多個通路共用一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的形式優(yōu)點：節(jié)省了數(shù)/模轉(zhuǎn)換器缺點：只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場合。它

還要用多路開關(guān)，且要求輸出采樣保持器的保持

時間與采樣時間之比較大。這種方案的可靠性較

差。應(yīng)用場合：適用于通道數(shù)量多而且速度要求不高的場合。2.5.2單極性與雙極性電壓輸出電路

D/A轉(zhuǎn)換器的單極性與雙極性輸出電路：Vout1為單極性輸出，若D為輸入數(shù)字量，VREF為基準參考電壓，且為n位D/A轉(zhuǎn)換器，則有:

VOUT1=-VREF·D/2n

Vout2為雙極性輸出，且可推導(dǎo)得到:

Vout2=-(R3/R1)VREF-(R3/R2)Vout1

=VREF[(D/2n-1)-1]R—2R電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2.5.3V/I變換和自動/手動切換1．集成V/I轉(zhuǎn)換器ZF2B20主要特點：輸入電壓范圍:0～10V輸出電流:4～20mA(加接地負載)電源電壓范圍:10～32V低漂移:在工作溫度為-25～85℃范圍內(nèi)，最大漂移0.005%/℃。

可用于控制和遙測系統(tǒng)，作為子系統(tǒng)之間的信息傳送和連接。

ZF2B20的輸入電阻為10KΩ，動態(tài)響應(yīng)時間小于25μS，非線性小于±0．025%。

(a)一種帶初值校準的0～10V到4～20mA轉(zhuǎn)換電路。

(b)一種帶滿度校準的0～10V到0～10mA轉(zhuǎn)換電路。2．集成V/I轉(zhuǎn)換器AD694AD694是一種4～20mA轉(zhuǎn)換器，適當(dāng)接線也可使其輸出范圍為0～20mA。AD694的主要特點：

·輸出范圍：4～20mA,0～20mA。

·輸入范圍：0～2V或0～10V。

·電源范圍：+4.5～36V。

·可與電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器直接配合使用，實現(xiàn)程控電流輸出。

·具有開路或超限報警功能。

AD694的基本應(yīng)用輸出能驅(qū)動的最大負載RL:RL=(VS-2)/20mADAC1210與AD694的接口輸出電流范圍：4～20mA3.經(jīng)典V/I變換電路圖由電路圖可知，這是一種利用電壓比較器方法來實現(xiàn)對輸入電壓的跟蹤，從而保證輸出電流為所需值。利用A1作比較器，將輸入電壓與反饋電壓進行比較，通過比較器輸出電壓控制A2的輸出電壓，從而改變晶體管T1的輸出電流IL,IL的大小又影響參考電壓Vf,這種負反饋的結(jié)果是使得Vi=Vf,而此時流過負載的電流為：

4．自動/手動切換

12自動/手動切換目的：在調(diào)試或在計算機出現(xiàn)故障時，可以手動操作。電路的兩個功能：①實現(xiàn)V/I變換

②能夠?qū)崿F(xiàn)A/H切換①實現(xiàn)V/I變換當(dāng)開關(guān)K1處于自動位置A時，它形成一個電壓比較型跟隨器，是自動控制輸出方式。當(dāng)Vf≠Vi時，電路能自動地使輸出電流增大或減小。最終使Vf=Vi，于是有IL=Vi／(R9+W)

從上式可以看出，只要電阻R9+W穩(wěn)定性好，A1和A2具有較好的增益，該電路就有較高的線性精度。當(dāng)R9+W=500Ω或250Ω時，IL就以0～10mA或4～20mA的直流電流信號線性地對應(yīng)Vi的0～5V或1～5V的直流電壓信號。②能夠?qū)崿F(xiàn)A/H切換當(dāng)開關(guān)K1、K2和K3都處于H位置時，即為手動操作方式，此時運算放大器A1和A2脫開，A2成為一個保持型反相積分器。當(dāng)按下“增”按鈕時，V2以一定的速率上升，從而使IL也以同樣的速率上升；當(dāng)按下“減”按鈕時，V2以一定的速率下降，IL也就以同樣的速率下降。輸出電流IL的升降速率取決于R6、R7、C和電源電壓±E的大小。當(dāng)兩按鈕都斷開時，由于A2為一高輸入阻抗保持器，V2幾乎保持不變，維持輸出電流恒定。當(dāng)開關(guān)K1、K2、K3都從自動(A)切換為手動(H)時，A2為一保持器。輸出電流IL保持不變，實現(xiàn)了自動到手動方向的無擾動切換。從手動到自動的切換：當(dāng)開關(guān)K1、K2、K3處于手動方式(H)，要做到無擾動還必須使圖中的輸出電路具有輸出跟蹤功能，即在手動狀態(tài)下，來自微機D/A電路的自動輸入信號Vi總等于反映手動輸出的信號Vf(Vf與IL總是一一對應(yīng)的)。要達到這個目的，必須有相應(yīng)的微機配合，我們把這樣的程序稱為跟蹤程序。跟蹤程序的工作過程：在每個控制周期中，計算機首先由數(shù)字量輸入通道(DI)讀入開關(guān)K2的狀態(tài)，以判斷輸出電路是處于手動狀態(tài)還是自動狀態(tài)。若是自動狀態(tài)，則程序執(zhí)行本回路預(yù)先規(guī)定的控制運算，最終輸出Vi；若為手動狀態(tài)，則首先由A/D轉(zhuǎn)換器讀入Vf，然后原封不動地將該輸入數(shù)字信號送至調(diào)節(jié)器的輸出單元，再由D/A轉(zhuǎn)換器將該數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送至輸出電路的輸入端Vi，這樣就使Vi總與Vf相等，處于平衡狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)K1從手動切換到自動時，V1、V2和IL都保持不變，從而實現(xiàn)了手動到自動方向的無擾動切換。2.5.4模擬量輸出通道設(shè)計

8通道的模擬量輸出通道的電路原理圖電路采用DAC0832作8位D/A轉(zhuǎn)換器，通過一多路開關(guān)CD4051，可由程序控制，將轉(zhuǎn)換結(jié)果從八通道中的某一通道中送出，送出的結(jié)果以電流形式輸出。工作過程是：由工業(yè)控制機PC總線送出的數(shù)據(jù)，由DAC0832進行轉(zhuǎn)換。然后再用OUT指令，通過D0、D1、D2位打開多路開關(guān)的某一通道而送出，其輸出端所接的保持器是為了保持D/A輸出穩(wěn)定，起到電壓保持作用，由V/I轉(zhuǎn)換器來輸出4～20mA的電流信號。該電路使用兩個口地址，它由譯碼器譯出，設(shè)300H為DAC0832的端口地址，301H為CD4051的端口地址。2.6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設(shè)備不能正常工作的破壞因素?？垢蓴_措施：硬件措施，軟件措施，軟硬結(jié)合的措施。干擾的來源：外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾：是與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，而是由外界環(huán)境因素決定的干擾。外部干擾主要是空間電或磁的影響，環(huán)境溫度、濕度等氣象條件的影響。內(nèi)部干擾：是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝等決定的。內(nèi)部干擾主要是分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場輻射感應(yīng)，長線傳輸?shù)牟ǚ瓷洌帱c接地造成的電位差引起的干擾，寄生振蕩引起的干擾，甚至元器件產(chǎn)生的噪聲。2.6.1過程通道抗干擾技術(shù)1.串模干擾及其抑制方法

(1)串模干擾所謂串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲。也稱為常態(tài)干擾。

（2）串模干擾的抑制方法

①采用濾波器一般串模干擾信號的頻率比有用信號的頻率快，所以，常用二級阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。

②當(dāng)尖峰型串模干擾成為主要干擾源時，用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。

③盡可能早地將有用信號進行前置放大，盡可能早地完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換，或采取隔離和屏蔽等措施。

④從選擇邏輯器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。通過高閾值電平來抑制低噪聲的干擾，也可采用低速邏輯器件來抑制高頻干擾。

⑤采用雙絞線作信號引線的目的是減少電磁感應(yīng)。選用帶屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號線，并且要求具有良好的接地。

2．共模干擾及其抑制方法

(1)共模干擾所謂共模干擾是指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個輸入端上公有的干擾電壓。共模干擾也稱為共態(tài)干擾。被測信號Us的參考接地點和計算機輸入信號的參考接地點之間往往存在著一定的電位差Ucm。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端分別有信號：（Us+Ucm）和Ucm。單端對地輸入注意：對于存在共模干擾的場合，不能采用單端對地輸入方式，因為此時的共模干擾電壓將全部成為串模干擾電壓：雙端不對地輸入

Ucm引起的電壓：UA=[Ucm/(Zs1+Zc1)]*Zc1UB=[Ucm/(Zs2+Zc2)]*Zc2UAB=UA-UB=[Zc1/(Zs1+Zc1)-Zc2/(Zs2+Zc2)]*Ucm

當(dāng)Zs1=Zs2，Zc1=Zc2時，UAB=0

常用共模抑制比CMRR來表示系統(tǒng)抗干擾能力。

CMRR=20lg(Ucm/Un)dB

注意：Un是Ucm轉(zhuǎn)換成的串模干擾電壓。

(2)共模干擾的抑制方法

①變壓器隔離

②光電隔離

③浮地屏蔽利用屏蔽方法使輸入信號的“模擬地”浮空，從而達到抑制共模干擾的目的。Z1:模擬地與內(nèi)屏蔽盒之間的絕緣阻抗。Z2:內(nèi)屏蔽與外屏蔽層（機殼）之間的絕緣阻抗。共模電流：Icm1=Ucm/(Rc+Z2)（不會產(chǎn)生串模干擾）共模電流：Icm2=VB/(Zs+Z1),VB=Ucm/(Rc+Z2)*Rc，（會產(chǎn)生串模干擾）

因為Rc<<Z2,Zs<<Z1,所以Icm2很小，引人的串模干擾信號也很小。

④采用儀表放大器提高共模抑制比

儀表放大器具有共模抑制能力強、輸入阻抗高、漂移低及增益可調(diào)的特點。儀表放大器將兩個信號的差值放大。抑制共模分量是使用儀表放大器的唯一原因。

AD620（低功耗、低成本的集成儀表放大器），還有AD623等等.3.長線傳輸干擾及其抑制方法(1)長線傳輸干擾①長線的“長”是相對的；②信號在長線中傳輸遇到三個問題：

a.易受到外界干擾；

b.具有信號延時；

c.高速度變化的信號在長線中傳輸時，還會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。波反射現(xiàn)象：當(dāng)信號在長線中傳輸時，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號會在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生正向前進的電壓波和電流波，稱為入射波；另外如果傳輸線的終端阻抗與傳輸線的阻抗不匹配，那么當(dāng)入射波到達終端時，便會引起反射；同樣，反射波到達傳輸線始端時，如果傳輸線的始端阻抗與傳輸線的阻抗不匹配還會引起新的反射。這種信號的多次反射現(xiàn)象，使信號波形嚴重失真和畸變，并且引起干擾脈沖。(2)長線傳輸干擾的抑制方法

采用終端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除長線傳輸中的波反射或者把它抑制到最低限度。①終端匹配：終端并聯(lián)電阻

當(dāng)R=Rp時，門A輸出的波形不畸變，波反射完全消失。

最簡單的終端匹配方法

當(dāng)R=Rp時，消除波反射。此時終端波形和始端波形的形狀一致，只是時間上有遲后，終端波形的高電平有所下降，高電平抗干擾能力降低了。

等效電阻RR=R1R2/(R1+R2)

當(dāng)R=Rp時，消除波反射。此時終端波形和始端波形的形狀一致，終端波形的高電平下降較少，但是，低電平抬高了，降低了低電平的抗干擾能力。②始端匹配：始端串聯(lián)電阻

當(dāng)R=Rp-Rsc時，消除波反射。終端波形的高電平不變，低電平有所抬高，低電平抗干擾能力降低了。

Rsc是門A輸出低電平時的輸出阻抗。2.6.2CPU抗干擾技術(shù)計算機控制系統(tǒng)的CPU抗干擾措施常常采用：①Watchdog(俗稱看門狗)②電源監(jiān)控(掉電檢測及保護)③復(fù)位MAX1232是微處理器監(jiān)控電路，另外常用的集成電路還有X5045、IMP813等。1．MAX1232的結(jié)構(gòu)原理

MAX1232引腳圖MAX1232內(nèi)部原理圖

2．MAX1232的主要功能(1)電源監(jiān)控電壓檢測器監(jiān)控Vcc

每當(dāng)Vcc低于所選擇的容限時(5%容限時的電壓典型時為4.62V，10%容限時的電壓典型時為4.37V)就輸出并保持復(fù)位信號。選