2019年上海工程技術(shù)大學(xué)工控機(jī)復(fù)習(xí)資料.doc

1、3什么叫周期采樣？采樣時間？采樣周期？答：（ 1）周期采樣 -就是以相同的時間間隔進(jìn)行采樣， 即把一個連續(xù)變化的模擬信號 y(t)，按一定的時間間隔 T 轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r 0， T， 2T， 的一連串脈沖序列信號 y*( t )（ 2）采樣時間或采樣寬度 -采樣開關(guān)每次閉合的時間（ 3）采樣周期T-采樣開關(guān)每次通斷的時間間隔2. 分析說明光耦隔離器的兩種特性及其隔離電磁干擾的作用機(jī)理。答：光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點。 模擬信號隔離方法的優(yōu)點是使用少量的光耦， 成本低； 缺點是調(diào)試?yán)щy，如果光耦挑選得不合適，會影響 A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換的精度和線性度。數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)點是調(diào)試簡單，不影響

2、系統(tǒng)的精度和線性度；缺點是使用較多的光耦器件，成本較高。但因光耦越來越價廉，數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)勢凸現(xiàn)出來，因而在工程中使用的最多。5. 簡述數(shù)字量輸出通道的功能及其常用的輸出驅(qū)動電路。答：數(shù)字量輸出通道簡稱 DO 通道，它的任務(wù)是把計算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的數(shù)字驅(qū)動信號。根據(jù)現(xiàn)場負(fù)荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機(jī)、閥門等，可以選用不同的功率放大器件構(gòu)成不同的開關(guān)量驅(qū)動輸出通道。常用的有三極管輸出驅(qū)動電路、繼電器輸出驅(qū)動電路、晶閘管輸出驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路等。6. 對比分析說明三極管輸出驅(qū)動與繼電器輸出驅(qū)動電路的異同點。答： 1 對于低壓情況下的小

3、電流開關(guān)量，用功率三極管就可作開關(guān)驅(qū)動組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。 2 電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設(shè)備。7.對比分析說明晶閘管輸出驅(qū)動與固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路的異同點。答：晶閘管又稱可控硅（ SCR），是一種大功率的半導(dǎo)體器件，具有用小功率控制大功率、開關(guān)無觸點等特點，在交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖 2-10 所示，（ a）為單向晶閘管，有陽

4、極 A、陰極 K、控制極（門極） G 三個極。當(dāng)陽、陰極之間加正壓時，控制極與陰極兩端也施加正壓使控制極電流增大到觸發(fā)電流值時，晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通；只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小到維持電流以下，晶閘管才由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。單向晶閘管具有單向?qū)щ姽δ埽诳刂葡到y(tǒng)中多用于直流大電流場合，也可在交流系統(tǒng)中用于大功率整流回路。固態(tài)繼電器 SSR （( Solid State Relay） )是一種新型的無觸點開關(guān)的電子繼電器，它利用電子技術(shù)實現(xiàn)了控制回路與負(fù)載回路之間的電隔離和信號耦合，而且沒有任何可動部件或觸點，卻能實現(xiàn)電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。它具有體積小、開關(guān)速度快、無機(jī)械噪

5、聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點，在計算機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，大有取代電磁繼電器之勢。指令冗余技術(shù)當(dāng)計算機(jī)系統(tǒng)受到外界干擾，破壞了CPU正常的工作時序，可能造成程序計數(shù)器PC 的值發(fā)生改變，跳轉(zhuǎn)到隨機(jī)的程序存儲區(qū)。為了解決這一問題，可采用在程序中人為地插入一些空操作指令NOP或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重復(fù)書寫，此即指令冗余技術(shù)。由于空操作指令為單字節(jié)指令，且對計算機(jī)的工作狀態(tài)無任何影響，這樣就會使失控的程序在遇到該指令后，能夠調(diào)整其PC 值至正確的軌道，使后續(xù)的指令得以正確地執(zhí)行。但我們不能在程序中加入太多的冗余指令，以免降低程序正常運行的效率。一般是在對程序流向起決定作用的

6、指令之前以及影響系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要指令之前都應(yīng)插入兩、三條 NOP 指令，還可以每隔一定數(shù)目的指令插入NOP 指令，以保證跑飛的程序迅速納入正確軌道。指令冗余技術(shù)可以減少程序出現(xiàn)錯誤跳轉(zhuǎn)的次數(shù)，但不能保證在失控期間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后就太平無事了。解決這個問題還必須采用軟件容錯技術(shù)，使系統(tǒng)的誤動作減少，并消滅重大誤動作。軟件陷阱技術(shù)軟件陷阱，就是在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，即通過一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將跑飛的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進(jìn)行處理的程序。如果我們把這段程序的入口標(biāo)號稱為的話，軟件陷阱即為一條 JMP ERROR指令。為加強(qiáng)其捕捉效果

7、，一般還在它前面加上兩條ERRORNOP指令，因此真正 鍵入文字1的軟件陷阱是由3 條指令構(gòu)成： NOPNOP JMP ERROR軟件陷阱安排在以下四種地方：1）未使用的中斷向量區(qū)，2）未使用的大片ROM 空間， 3）程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū)， 4）程序區(qū)中一些指令串中間的斷裂點處。由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序的執(zhí)行效率，在當(dāng)前EPROM 容量不成問題的條件下，還應(yīng)多多安插軟件陷阱指令。Watchdog Timer 工作原理為了保證程序運行監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性，監(jiān)視系統(tǒng)中必須包括一定的硬件部分，且應(yīng)完全獨立于CPU 之外，但又要與CPU保持時時刻刻的聯(lián)系。因此，程序運行監(jiān)視系

8、統(tǒng)是硬件電路與軟件程序的巧妙結(jié)合。圖8-30 給出了Watchdog Timer 的工作原理。CPU可設(shè)計成由程序確定的定時器1，看門狗被設(shè)計成另一個定時器2，它的計時啟動將因CPU 的定時訪問脈沖 P1 的到來而重新開始，定時器2 的定時到脈沖P2 連到 CPU的復(fù)位端。兩個定時周期必須是T1 T2， T1 就是 CPU定時訪問定時器2 的周期，也就是在CPU執(zhí)行的應(yīng)用程序中每隔T1 時間安插一條訪問指令。在正常情況下，CPU每隔 T1 時間便會定時訪問定時器2 ，從而使定時器2 重新開始計時而不會產(chǎn)生溢出脈沖P2；而一旦CPU 受到干擾陷入死循環(huán)，便不能及時訪問定時器2，那么定時器2 會在

9、 T2 時間到達(dá)時產(chǎn)生定時溢出脈沖 P2，從而引起CPU 的復(fù)位，自動恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行程序。第六章通信系統(tǒng)構(gòu)成有信息源：需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送設(shè)備：使不同種類和速率的信息源與傳輸介質(zhì)相匹配傳輸介質(zhì)：是發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備之間信號傳遞所經(jīng)過的媒介。例如：電磁波，紅外線，電纜、光纜、雙絞線等接收設(shè)備：完成對發(fā)送設(shè)備的反變換數(shù)據(jù)通信的基本傳輸方式有 （ 1）并行通信 ：傳送數(shù)據(jù)的各位同時發(fā)送或接收（ 2）串行通信 ：傳送數(shù)據(jù)的各位按順序一位一位進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)字信息的數(shù)字信號的編碼： 單極性編碼，雙極性編碼，歸零編碼，曼徹斯特碼，差動曼徹斯特碼將數(shù)字信號調(diào)制為模擬信號有種方式調(diào)幅（） ：用原始信號控制

10、載波振幅變化，容易受干擾調(diào)頻（） ：用原始信號控制載波頻率變化，占用較寬頻帶，受介質(zhì)制約大調(diào)相（） ：用原始信號控制載波相率變化，抗干擾性能較好第五章l在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行哪些予處理技術(shù)？答：在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是最基本的一種模式。一般是通過傳感器、變送器把生產(chǎn)過程的各種物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng) A/D 通道或 DI 通道，把數(shù)字量送入計算機(jī)中。計算機(jī)在對這些數(shù)字量進(jìn)行顯示和控制之前，還必須根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理離不開數(shù)值計算，而最基本的數(shù)值計算為四則運算。由于控制系統(tǒng)中遇到的現(xiàn)場環(huán)境不同，采集的數(shù)據(jù)種類與數(shù)值范圍不同，精度要求也不一樣，各種數(shù)據(jù)的

11、輸入方法及表示方法也各不相同。因此，為了滿足不同系統(tǒng)的需要，設(shè)計出了許多有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)方法，如預(yù)處理，數(shù)字濾波，標(biāo)度變換，查表和越限報警等。2何為數(shù)字調(diào)零？何為系統(tǒng)校準(zhǔn)？答：零點偏移是造成系統(tǒng)誤差的主要原因之一，因此零點的自動調(diào)整在實際應(yīng)用中最多，常把這種用軟件程序進(jìn)行零點調(diào)整的方法稱為數(shù)字調(diào)零。上述數(shù)字調(diào)零不能校正由傳感器本身引入的誤差。為了克服這種缺點，可采用系統(tǒng)校準(zhǔn)處理技術(shù)。系統(tǒng)校準(zhǔn)的原理與數(shù)字調(diào)零差不多，只是把測量電路擴(kuò)展到包括現(xiàn)場的傳感器，而且不是在每次采集數(shù)據(jù)時都進(jìn)行校準(zhǔn)，而是在需要時人工接入標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)測量，把測得的數(shù)據(jù)存儲起來，供以后實際測量使用。一般自動校準(zhǔn)系統(tǒng)只測一

12、個標(biāo)準(zhǔn)輸入信號VR，零點漂移的補償仍由數(shù)字調(diào)零來完成。鍵入文字 23簡述數(shù)字濾波及其特點。答：數(shù)字濾波，就是計算機(jī)系統(tǒng)對輸入信號采樣多次，然后用某種計算方法進(jìn)行數(shù)字處理，以削弱或濾除干擾噪聲造成的隨機(jī)誤差，從而獲得一個真實信號的過程。這種濾波方法只是根據(jù)預(yù)定的濾波算法編制相應(yīng)的程序，實質(zhì)上是一種程序濾波。因而可靠性高，穩(wěn)定性好，修改濾波參數(shù)也容易，而且一種濾波子程序可以被多個通道所共用，因而成本很低。另外，數(shù)字濾波可以對各種干擾信號，甚至極低頻率的信號進(jìn)行濾波。它的不足之處是需要占用 CPU的機(jī)時?？傊?，數(shù)字濾波與硬件濾波器相比優(yōu)點甚多，因此得到了普遍的應(yīng)用。4簡述各種數(shù)字濾波方法的原理或算法

13、及適用場合。答：平均值濾波就是對多個采樣值進(jìn)行平均算法，這是消除隨機(jī)誤差最常用的方法。中值濾波是將信號y的連續(xù) m 次采樣值按大小進(jìn)行排序，取其中間值作為本次的有效采樣值。本算法為取中值，故采樣次數(shù)m 應(yīng)為奇數(shù)，一般35 次即可。限幅濾波就是把兩次相鄰的采樣值相減，求其增量的絕對值，再與兩次采樣所允許的最大差值Y進(jìn)行比較，如果小于或等于Y，表示本次采樣值y(k)是真實的， 則取y(k)為有效采樣值； 反之， y(k)是不真實的，則取上次采樣值y(k1)作為本次有效采樣值。慣性濾波是模擬硬件RC低通濾波器的數(shù)字實現(xiàn)第六章1簡述干擾的來源與傳播途徑。干擾有的來自外部，有的來自內(nèi)部。外部干擾由使用條

14、件和外部環(huán)境因素決定。如雷電或大氣電離作用以及其他氣象引起的干擾電波；天體干擾，如太陽或其他星球輻射的電磁波；電氣設(shè)備的干擾，如廣播電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波，動力機(jī)械、高頻爐、電焊機(jī)等都會產(chǎn)生干擾；此外，熒光燈、開關(guān)、電流斷路器、過載繼電器、指示燈等具有瞬變過程的設(shè)備也會產(chǎn)生較大的干擾；來自電源的工頻干擾也可視為外部干擾。內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝所引入的。內(nèi)部干擾環(huán)境如圖 -所示，有分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場輻射感應(yīng)，長線傳輸造成的波反射；多點接地造成的電位差引入的干擾；裝置及設(shè)備中各種寄生振蕩引入的干擾以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等引入的干擾；甚至元器件產(chǎn)生

15、的噪聲等。干擾傳播的途徑主要有三種：靜電耦合，磁場耦合，公共阻抗耦合。2串模干擾的成因是什么？如何抑制串模干擾？答：串模干擾是指迭加在被測信號上的干擾噪聲，即干擾源串聯(lián)在信號源回路中。對串模干擾的抑制較為困難，因為干擾 Un 直接與信號 Us 串聯(lián)。目前常采用雙絞線與濾波器兩種措施。3共模干擾的成因是什么？如何抑制共模干擾？答：共模干擾是指計算機(jī)控制系統(tǒng)輸入通道中信號放大器兩個輸入端上共有的干擾電壓，可以是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值達(dá)幾伏甚至更高，這取決于現(xiàn)場產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和計算機(jī)等設(shè)備的接地情況。共模干擾電壓的抑制就應(yīng)當(dāng)是有效的隔離兩個地之間的電聯(lián)系，以及采用被測信號的雙端差動輸

16、入方式。具體的有變壓器隔離、光電隔離與浮地屏蔽等三種措施。5在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，敷設(shè)信號線時應(yīng)注意哪些問題？選擇了合適的信號線，還必須合理地進(jìn)行敷設(shè)。否則，不僅達(dá)不到抗干擾的效果，反而會引進(jìn)干擾。信號線的敷設(shè)要注意以下事項： （ 1）模擬信號線與數(shù)字信號線不能合用同一根電纜，要絕對避免信號線與電源線合用同一根電纜。（ 2）屏蔽信號線的屏蔽層要一端接地，同時要避免多點接地。 （ 3）信號線的敷設(shè)要盡量遠(yuǎn)離干擾源，如避免敷設(shè)在大容量變壓器、電動機(jī)等電器設(shè)備的附近。如果有條件，將信號線單獨穿管配線，在電纜溝內(nèi)從上到下依次架設(shè)信號電纜、直流電源電纜、交流低壓電纜、交流高壓電纜。 （ 4）信號電纜與電源

17、電纜必須分開，并盡量避免平行敷設(shè)。6在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，大致有哪幾種地？最終如何接地？在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，大致有以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、信號地、系統(tǒng)地、交流地和保護(hù)地。模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。 鍵入文字3數(shù)字地作為計算機(jī)各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開，避免模擬信號受數(shù)字脈沖的干擾系統(tǒng)地是上述幾種地的最終回流點，直接與大地相連作為基準(zhǔn)零電位。交流地是計算機(jī)交流供電的動力線地或稱零線，它的零電位很不穩(wěn)定。保護(hù)地也叫安全地、機(jī)殼地或屏蔽地，目的是使設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電影響人身及設(shè)備安全。第一章一計算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

18、？ 1 計算機(jī)控制系統(tǒng)是由常規(guī)儀表控制系統(tǒng)演變而來的，一般分成閉環(huán)控制與開環(huán)控制 2 閉環(huán)控制系統(tǒng)中， 測量變送器對被控對象進(jìn)行檢測， 把被控量如溫度、 壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電信號再反饋到控制器中，控制器將此測量值與給定值進(jìn)行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號驅(qū)動執(zhí)行器工作，執(zhí)行器產(chǎn)生的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實現(xiàn)自動控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。3 開環(huán)控制系統(tǒng) -不同于閉環(huán)系統(tǒng)，它不需要被控對象的測量反饋信號，控制器直接根據(jù)給定值驅(qū)動執(zhí)行器去控制被控對象，所以這種信號的傳遞是單方向的。二

19、基本計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成？1 計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件一般包括： 1 主機(jī) -CPU RAM ROM系統(tǒng)總線 2 常規(guī)外部設(shè)備 -輸入 / 輸出設(shè)備、 3 外存儲器等過程 5 輸入輸出通道 AI、AO、 DI、 DO6 操作臺 CRT、 LED、 LCD 等 7 通信設(shè)備 交換機(jī)、 modem 、集線器等軟件組成：軟件通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類；系統(tǒng)軟件一般由計算機(jī)廠家提供，專門用來使用和管理計算機(jī)本身的程序；應(yīng)用軟件是用戶針對生產(chǎn)過程要求而編制的各種應(yīng)用程序。3 控制系統(tǒng)分類：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）2. 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC).3直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）4監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC）.

20、5分散控制系統(tǒng)（DCS） .6現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）第二章1. 畫圖分析說明三極管型光電耦合隔離器的工作原理。答：光電耦合隔離器的輸入輸出類似普通三極管的輸入輸出特性，即存在著截止區(qū)、飽和區(qū)與線性區(qū)三部分。利用光耦隔離器的開關(guān)特性（即光敏三極管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾，簡稱對數(shù)字信號進(jìn)行隔離。例如在數(shù)字量輸入輸出通道中，以及在模擬量輸入輸出通道中的A/D 轉(zhuǎn)換器與 CPU 或 CPU與 D/A 轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號的耦合傳送，都可用光耦的這種開關(guān)特性對數(shù)字信號進(jìn)行隔離。鍵入文字 43. 結(jié)合圖 4-4，簡述信號調(diào)理電路的構(gòu)成及其各元器件的作用。答：典型的開關(guān)量輸

21、入信號調(diào)理電路如圖2-4 所示。點劃線右邊是由開關(guān)S 與電源組成的外部電路， （ a）是直流輸入電路，（b）是交流輸入電路。交流輸入電路比直流輸入電路多一個降壓電容和整流橋塊，可把高壓交流 (如 380VAC)變換為低壓直流 (如 5VDC)。開關(guān) S 的狀態(tài)經(jīng)RC 濾波、穩(wěn)壓管 D1箝位保護(hù)、電阻R2限流、二極管D2 防止反極性電壓輸入以及光耦隔離等措施處理后送至輸入緩沖器， 主機(jī)通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關(guān) S 的狀態(tài)。比如 ,當(dāng)開關(guān) S 閉合時，輸入回路有電流流過，光耦中的發(fā)光管發(fā)光，光敏管導(dǎo)通，數(shù)據(jù)線上為低電平，即輸入信號為“ 0”對應(yīng)外電路開關(guān)S 的閉合；反之，開關(guān)S 斷開，光耦中的

22、發(fā)光管無電流流過，光敏管截止，數(shù)據(jù)線上為高電平，即輸入信號為“ 1”對應(yīng)外電路開關(guān)S 的斷開4. 分析說明圖 4-5 脈沖計數(shù)電路的工作過程及其用途。答：圖 2-5 為一種定時計數(shù)輸入接口電路，傳感器發(fā)出的脈沖頻率信號， 經(jīng)過簡單的信號調(diào)理，引到 8254 芯片的計數(shù)通道 1 的 CLK1口。8254 是具有 3 個 16 位計數(shù)器通道的可編程計數(shù)器 / 定時器。圖中，計數(shù)通道0 工作于模式 3，CLK0用于接收系統(tǒng)時鐘脈沖，OUT0 輸出一個周期為系統(tǒng)時鐘脈沖 N 倍（ N 為通道0 的計數(shù)初值）的連續(xù)方波脈沖，其高、低電平時段是計數(shù)通道 1 的采樣時間和采樣間隔時間， 分別記為 TS、TW

23、；計數(shù)通道 1 和 2 均選為工作模式2，且 OUT1 串接到 CLK2，使兩者構(gòu)成一個計數(shù)長度為 232 的脈沖計數(shù)器，以對TS 內(nèi)的輸入脈沖計數(shù)。如果獲得 TS 時間內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)為n，則單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)即脈沖頻率為n/T S，從而可換算出介質(zhì)的流量或電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。比如，發(fā)出脈沖頻率信號的是渦輪流量計或磁電式速度傳感器，它們的脈沖當(dāng)量 (即一個脈沖相當(dāng)?shù)牧髁炕蜣D(zhuǎn)數(shù))為 K，則介質(zhì)的流量或電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)就為n/TSK。鍵入文字 58. 結(jié)合圖2-14，簡述數(shù)字量I/O 模板電路的結(jié)構(gòu)組成？答：DI/DO 模板把上述數(shù)字量輸入通道或數(shù)字量輸出通道設(shè)計在一塊模板上, 就稱為 DI 模板或 DO

24、 模板，也可統(tǒng)稱為數(shù)字量I/O模板。圖2-14 為含有 DI 通道和 DO 通道的PC 總線數(shù)字量I/O 模板的結(jié)構(gòu)框圖，由PC總線接口邏輯、 I/O 功能邏輯、 I/O 電氣接口等三部分組成。如圖2-14 所示。1PC總線接口邏輯部分由8 位數(shù)據(jù)總線緩沖器、基址譯碼器、 輸入和輸出片址譯碼器組成。2I/O 功能邏輯部分只有簡單的輸入緩沖器和輸出鎖存器。其中，輸入緩沖器起著對外部輸入信號的緩沖、加強(qiáng)和選通作用；輸出鎖存器鎖存CPU 輸出的數(shù)據(jù)或控制信號，供外部設(shè)備使用。I/O 緩沖功能可以用可編程接口芯片如8255A 構(gòu)成，也可以用74LS240、 244、373、 273 等芯片實現(xiàn)。3 I

25、/O 電氣接口部分的功能主要是：電平轉(zhuǎn)換、濾波、保護(hù)、隔離、功率驅(qū)動等。4 各種數(shù)字量I/O 模板的前兩部分大同小異，不同的主要在于I/O 電氣接口部分，即輸入信號的調(diào)理和輸出信號的驅(qū)動，這是由生產(chǎn)過程的不同需求所決定的。第三章1畫圖說明模擬量輸入通道的功能、各組成部分及其作用？答：模擬量輸入通道的任務(wù)(功能）是把被控對象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號。結(jié)構(gòu)組成如圖3-1 所示，來自于工業(yè)現(xiàn)場傳感器或變送器的多個模擬量信號首先需要進(jìn)行信號調(diào)理，然后經(jīng)多路模擬開關(guān)，分時切換到后級進(jìn)行前置放大、采樣保持和模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換， 通過接口電路以數(shù)字量信

26、號進(jìn)入主機(jī)系統(tǒng)，從而完成對過程參數(shù)的巡回檢測任務(wù)。鍵入文字 62分析說明 8 路模擬開關(guān) CD4051 的結(jié)構(gòu)原理圖，結(jié)合真值表設(shè)計出兩個 CD4051 擴(kuò)展為一個 8 路雙端模擬開關(guān)的示意圖。 答： 現(xiàn)以常用的 CD4051 為例， 8 路模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖 3-3 所示。 CD4051 由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路三部分組成。 當(dāng)禁止端為“ 1”時， 前后級通道斷開， 即 S0S7端與 Sm 端不可能接通； 當(dāng)為“ 0” 時，則通道可以被接通，通過改變控制輸入端 C、B、A 的數(shù)值，就可選通 8 個通道 S0S7中的一路。比如：當(dāng) C、B、A=000 時，通道 S0 選通；當(dāng) C、

27、B、 A=001 時，通道 S1 通； 當(dāng) C、 B、 A = 111 時，通道 S7 選通。其真值表如表 3-1 所示。前置放大器原理介紹前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號放大到A/D 轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進(jìn)行單端同相放大或單端反相放大。如圖3-5 所示，信號源的一端若接放大器的正端為同相放大，同相放大電路的放大倍數(shù) G =1+R2/R1 ；若信號源的一端接放大器的負(fù)端為反相放大，反相放大電路的放大倍數(shù)G =R2/R1。當(dāng)然，這兩種電路都是單端放大，所以信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地。在實際工程中 ,來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號往往

28、帶有較大的共模干擾，而單個運放電路的差動輸入端難以起到很好的抑制作用。因此， A/D 通道中的前置放大器常采用由一組運放構(gòu)成的測量放大器，也稱儀表放大器，如圖3-6(a)所示。經(jīng)典的測量放大器是由三個運放組成的對稱結(jié)構(gòu)，測量放大器的差動輸入端VIN 和 VIN 分別是兩個運放A1、A2 的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對稱地直接與被測信號相連，因而有著極強(qiáng)的抑制共模干擾能力。圖中 RG 是外接電阻，專用來調(diào)整放大器增益的。因此，放大器的增益G 與這個外接電阻 RG有著密切的關(guān)系。增益公式為VOUTRS (12R1 )GVINVINR2RG4分析圖 3-8 采樣保持器的原理電路及工作過程。

29、鍵入文字 71、 零階采樣保持器-零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻。它的組成原理電路與工作波性如圖3-8(a)、 (b)所示。采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器 A1 、A2 和采樣開關(guān) S、保持電容 CH 等組成。 采樣期間， 開關(guān) S 閉合，輸入電壓 VIN 通過 A1 對 CH 快速充電，輸出電壓 VOUT 跟隨 VIN 變化；保持期間，開關(guān) S 斷開，由于 A2 的輸入阻抗很高，理想情況下電容 CH 將保持電壓 VC 不變，因而輸出電壓 VOUT=VC也保持恒定。dVcI DdtCH顯然，保持電容C H 的作用十分重要。實際上保持期間的電容保持電

30、壓VC在緩慢下降，這是由于保持電容的漏電流所致。保持電壓VC 的變化率為公式ID-為保持期間電容的總泄漏電流，它包括放大器的輸入電流、開關(guān)截止時的漏電流與電容內(nèi)部的漏電流等。電容 CH 值 -增大電容CH 值可以減小電壓變化率，但同時又會增加充電即采樣時間，因此保持電容的容量大小與采樣精度成正比而與采樣頻率成反比。一般情況下， 保持電容 CH 是外接的， 所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高質(zhì)量的電容器，容量為5101000pF。5簡述逐位逼近式、雙積分式、電壓/ 頻率式的A/D 轉(zhuǎn)換原理。當(dāng)啟動信號作用后， 時鐘信號在控制邏輯作用下，1 首先使寄存器的最高位 D31，其余為 0， 此數(shù)字量 1

31、000 經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即VO8，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量VIN = 9 進(jìn)行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進(jìn)行判斷。當(dāng)VINVO，則保留 D3 = 1；2 再對下一位D2 進(jìn)行比較，同樣先使D21，與上一位D3 位一起即1100進(jìn)入D/A 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為VO12 再進(jìn)入比較器，與VIN9 比較，因VIN3 再下一位使D10；VO，則使 D2 D1 位也是如此，0；D11 即1010，經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換為VO = 10，再與VIN9 比較，因VINVO，則4 最后一位D0寄存器中的數(shù)字量1-即 1001 經(jīng) D/A1001 即為模擬量轉(zhuǎn)換為 VO9，再與 VIN9 比較，因

32、 VIN9 的轉(zhuǎn)換結(jié)果，存在輸出鎖存器中等待輸出。VO，保留D01。比較完畢，例題 3-2：一個 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，設(shè)V R+= 5.02 V， VR= 0 V，計算當(dāng) VIN 分別為 0 V、 2.5 V、5 V 時所對應(yīng)的轉(zhuǎn) 鍵入文字 8換數(shù)字量。解：把已知數(shù)代入公式（3-4）：BVINVR2nVIN028VRVR5. 0200 V、2.5 V、5 V 時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量分別為00H、 80H、 FFH。此種 A/D 轉(zhuǎn)換器的常用品種有普通型8位單路 ADC0801 ADC0805、 8位 8 路 ADC0808/0809、 8位16路ADC0816/0817 等，混合集成高速型1

33、2 位單路 AD574A、 ADC803 等。雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換原理如圖3-11 所示，模擬輸入開關(guān)VI N積分器比較器基準(zhǔn)電源斜率固定時鐘控制邏輯轉(zhuǎn)換開始轉(zhuǎn)換結(jié)束計數(shù)器T 1數(shù)字量輸出T2Dn-1 D0固定積分時間 T1 和 T2正比于輸入電壓( a ) 電路組成框圖( b ) 雙積分原理在轉(zhuǎn)換開始信號控制下，開關(guān)接通模擬輸入端，輸入的模擬電壓 VIN 在固定時間 T 內(nèi)對積分器上的電容C 充電圖 210 雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換原理圖VIN 極性相反的基準(zhǔn)電源上，此時電容 C 開始放電（反向積分），（正向積分） ，時間一到，控制邏輯將開關(guān)切換到與同時計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)比較器判定電容 C

34、放電完畢時就輸出信號，由控制邏輯停止計數(shù)器的計數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正比于放電時間。放電時間T1 或 T2 又正比于輸入電壓VIN，即輸入電壓大，則放電時間長，計數(shù)器的計數(shù)值越大。因此，計數(shù)器計數(shù)值的大小反映了輸入電壓VIN 在固定積分時間T 內(nèi)的平均值。此種 A/D 轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為3 位半 BCD 碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)）的ICL7107、MC14433 、輸出為4 位半 BCD碼的 ICL7135 等。6結(jié)合圖3-13 與圖 3-14，分析說明ADC0809 的結(jié)構(gòu)組成及其引腳作用。各引腳功能如下：IN0 IN7： 8 路模擬量輸入端。允許8 路模擬量

35、分時輸入，共用一個A/D 轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。上升沿時鎖存3 位通道選擇信號。A、 B、C：3 位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時，地址譯碼與對應(yīng)通道選擇見表3-2 。START：啟動 A/D 轉(zhuǎn)換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時啟動A/D 轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將A/D 轉(zhuǎn)換得到的8 位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0 D7： 8 位數(shù)字量輸出。D0 為最低位， D7 為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)總線直接相連。CLOCK：外部

36、時鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz 時， A/D 轉(zhuǎn)換時間為100 s。VR+， VR-：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常VR+ = 5V DC，VR- = 0V DC。Vcc：工作電源，5VDC。GND：電源地。鍵入文字 97試分析圖 3-15、圖 3-16 ADC0809 接口電路的啟動、轉(zhuǎn)換、查詢或定時讀入數(shù)據(jù)的工作過程。比較說明這兩種接口電路在硬軟件上的異同點。查詢方式讀A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)138 為 3 線 8 線譯碼器，共有54/74S138 和 54/74LS138 兩種線路結(jié)構(gòu)型式，其主要電特性的典型值如下：當(dāng)一個選通端（ G1）為高電平，另兩個選通端（ /

37、(G2A) 和 /(G2B)）為低電平時，可將地址端（ A、 B、 C）的二進(jìn)制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。利用G1、/(G2A) 和 /(G2B)可級聯(lián)擴(kuò)展成24 線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯(lián)擴(kuò)展成32 線譯碼器?，F(xiàn)說明啟動轉(zhuǎn)換過程：接口程序如下：MOVBX， BUFF ；置采樣數(shù)據(jù)區(qū)首址MOV CX， 08H；路輸入START： OUTPA， AL；啟動 A/D 轉(zhuǎn)換REOC： INAL， PB；讀 EOCRCRAL， 01；判斷 EOCJNCREOC；若 EOC=0，繼續(xù)查詢INAL， PA；若 EOC=1，讀 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)MOVBX，AL；存 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)INCBX；

38、存 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)地址加 1INCPA；接口地址加 1LOOPSTART；循環(huán) 鍵入文字 10首先主機(jī)執(zhí)行一條啟動轉(zhuǎn)換第1 路的輸出指令，即是把AL 中的數(shù)據(jù)送到地址為PA 的接口電路中，此時中的內(nèi)容無關(guān)緊要，而地址PA=40H 使 138 譯碼器的輸出一個低電平，連同OUT 輸出指令造成的低電平，從而使非與門 02（3）產(chǎn)生脈沖信號到引腳ALE和 START，ALE的上升沿將通道地址代碼000 鎖存并進(jìn)行譯碼，選通模擬開關(guān)中的第一路VIN0，使該路模擬量進(jìn)入到A/D 轉(zhuǎn)換器中；同時START的上升沿將ADC0809 中的逐位逼近寄存器SAR清零 ,下降沿啟動A/D 轉(zhuǎn)換，即在時鐘的作用下，逐

39、位逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程開始。接著，主機(jī)查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC的狀態(tài)，通過執(zhí)行輸入指令，即是把地址為PB 的轉(zhuǎn)換接口電路的數(shù)據(jù)讀入ALAL 中，此時地址PB= 0100 1000（ 48H），使 138 譯碼器的輸出一個低電平，連同IN 輸入指令造成的低電平，從而使非與門02（ 1）產(chǎn)生脈沖信號并選通126 三態(tài)緩沖器，使EOC電平狀態(tài)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線D0 上。然后將讀入的8位數(shù)據(jù)進(jìn)行帶進(jìn)位循環(huán)右移，以判斷 EOC的電平狀態(tài)。如果 EOC為 “0”，表示 A/D 轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行， 程序再跳回REOC，反復(fù)查詢；當(dāng)EOC為“1”，表示 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束。然后，主機(jī)便執(zhí)行一條輸入指令，把接口地址為PA 的轉(zhuǎn)

40、換數(shù)據(jù)讀入AL 中，即是輸出一個低電平，連同IN 輸入指令造成的低電平，從而使非與門02（ 2）產(chǎn)生脈沖信號，即產(chǎn)生輸出允許信號到OE，使 ADC0809 內(nèi)部的三態(tài)輸出鎖存器釋放轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，并被讀入到AL 中。接下來，把A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入寄存器BX所指的數(shù)據(jù)區(qū)首地址0000H 中，數(shù)據(jù)區(qū)地址加1，為第 2 路 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存放作準(zhǔn)備；接口地址加1，準(zhǔn)備接通第2 路模擬量信號；計數(shù)器減1，不為 0 則返回到START，繼續(xù)進(jìn)行下一路的A/D 轉(zhuǎn)換。如此循環(huán)，直至完成8 路 A/D 轉(zhuǎn)換。定時方式讀A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)定時方式讀A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)的電路組成如圖3-16 所示，它與查詢方式不

41、同的僅僅在于啟動A/D 轉(zhuǎn)換后，無需查詢EOC引腳狀態(tài)而只需等待轉(zhuǎn)換時間，然后讀取A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)。因此，硬件電路可以取消126 三態(tài)緩沖器及其控制電路，軟件上也相應(yīng)地去掉查詢EOC電平的 REOC程序段，而換之以調(diào)用定時子程序（CALLDELAY）即可。這里定時時間應(yīng)略大于ADC0809 的實際轉(zhuǎn)換時間。圖中， ADC0809 的 CLOCK引腳（輸入時鐘頻率）為 640KHz，因此轉(zhuǎn)換時間為8 8 個時鐘周期，相當(dāng)于100 S。這兩種方法的共同點是硬軟件接口簡單，但在轉(zhuǎn)換期間獨占了CPU時間，好在這種逐位逼近式A/D 轉(zhuǎn)換的時間只在微秒數(shù)量級。當(dāng)選用雙積分式A/D 轉(zhuǎn)換器時，因其轉(zhuǎn)換時間在毫

42、秒級，因此采用中斷法讀A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)的方式更為適宜。因此，在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，究竟采用何種接口方式要根據(jù)A/D 轉(zhuǎn)換器芯片而定。8分析說明圖3-19 的 8 路 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換模板的工作原理。圖 3-19 是一種 8 路 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換模板的示例。圖中只給出了總線接口與關(guān) CD4051、采樣保持器LF398、 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A 和并行接口芯片I/O 功能實現(xiàn)部分，由8255A 等組成。8 路模擬開該模板采集數(shù)據(jù)的過程如下：(1) 通道選擇：將模擬量輸入通道號寫入8255A 的端口 C 低 4 位（ PC3 PC0），可以依次選通8 路通道。(2) 采樣保

43、持控制：把AD574A 的信號通過反相器連到LF398 的信號采樣保持端，當(dāng)AD574A 未轉(zhuǎn)換期間或轉(zhuǎn)換結(jié)束時 0，使 LF398 處于采樣狀態(tài)，當(dāng)AD574A 轉(zhuǎn)換期間 1，使 LF398 處于保持狀態(tài)。(3) 啟動 AD574A 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換：通過 8255A 的端口 PC6PC4輸出控制信號啟動AD574A。（ 4）查詢 AD574A 是否轉(zhuǎn)換結(jié)束讀 8255A 的端口 A，查詢是否已由高電平變?yōu)榈碗娖?。?5）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果若已由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑒t讀8255A 端口 A、 B，便可得到12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果。設(shè) 8255A 的 A、 B、 C 端口與控制寄存器的地址為2C0H-2C3

44、H，主過程已對8255A 初始化，且已裝填DS、 ES(兩者段基值相同)，采樣值存入數(shù)據(jù)段中的采樣值緩沖區(qū)BUF，另定義一個8 位內(nèi)存單元BUF1。該過程的數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖3-20 所示，數(shù)據(jù)采集程序如下：第四章 鍵入文字 111、 D/A 轉(zhuǎn)換器工作原理現(xiàn)以4 位 D/A 轉(zhuǎn)換器為例說明其工作原理，如圖 -2 所示。 鍵入文字 12DAC0832工作原理由于 DAC0832 內(nèi)部有輸入寄存器，所以它的數(shù)據(jù)總線可直接與主機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，圖-5 為DAC0832與 PC總線的單緩沖接口電路，它是由DAC0832 轉(zhuǎn)換芯片、運算放大器以及74LS138 譯碼器和門電路構(gòu)成的的地址譯碼電路組成。圖中， 0832 內(nèi)的 DAC寄存器控制端的和直接接地，使DAC 寄存器的輸入到輸出始終直通；而輸入寄存器的控制端分別受地址譯碼信號與輸入輸出指令控制，即PC 的地址線A9 A0 經(jīng) 138 譯碼器和門電路產(chǎn)生接口地址信號作為DAC0832 的片選信號，輸入輸