輸入輸出通道

1、SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1第二章 測控通道（輸入輸出通道）自動化學院沈陽航空工業(yè)學院SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 2計算機測控系統硬件構成傳感器傳感器調理電路調理電路采樣采樣/保持器保持器A / D多多路路切切換換器器傳感器傳感器調理電路調理電路執(zhí)行器執(zhí)行器保持器保持器D / A輸輸出出掃掃描描器器執(zhí)行器執(zhí)行器保持器保持器計計算算機機開關量輸入電路開關量輸入電路開關量輸出電路開關量輸出電路被被控控對對象象測控系統輸入輸出通道測控系統輸入輸出通道接口接口接口接口接口接口接口接口打印機顯示

2、器（AI、AO、DI、DO）SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 32.1 模擬量輸入通道模擬量輸入通道一、模擬輸入通道的基本類型與組成結構除數字傳感器外，大多數傳感器都是將模擬非電量轉換為模擬電量，而且這些模擬電量通常不宜直接用數據采集電路進行數字轉換，還需進行適當的信號調理。因此，一般說來，模擬輸入通道應由傳感器、信號調理電路、數據采集電路三部分組成，如圖2 一1 一1 所示。實際的微機化測控系統往往需要同時測量多種物理量（多參數測量）或同一種物理量的多個測量點（多點巡回測量）。因此，多路模擬輸入通道更具有普遍性。多路模擬輸入通道可分為集中采集式

3、（簡稱集中式）和分散采集式（簡稱分布式）兩大類。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 4集中采集式（集中式）集中采集式多路模擬輸入通道的典型結構有分時采集型和同步采集型兩種，分別如圖2 一l 一2 ( a ）和（b ）所示。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 5特點：多路信號共同使用一個S / H 和A / D 電路，簡化了電路結構，降低了成本。但對信號的采集由模擬多路切換器分時切換、輪流選通的，因而相鄰兩路信號在時間上是依次被采集，不能獲得同一時刻的數據。因此對于要求多路信號嚴格同步采集測試的系統不

4、適用，適用于多數中速和低速測試系統。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 6SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 7同步采集型的特點是在多路轉換開關之前，給每路信號通路各加一個采樣保持器，使多路信號的采樣在同一時刻進行，即同步采樣。然后由各自的保持器保持著采樣信號幅值，等待多路轉換開關分時切換進入公用的S / H 和A / D 電路將保持的采樣幅值轉換成數據輸入主機。這樣可以消除分時采集型結構的時間偏斜誤差，這種結構既能滿同步采集的要求，又比較簡單。不足之處：由于各路信號保持時間不同，致使各個保持信號的衰

5、減量不同，因此，嚴格地說，這種結構不能獲得真正的同步輸入。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 82. 分散采集式（分布式）分散采集式的特點是每一路信號都有一個S / H 和A / D ，因而也不再需要模擬多路切換器 。每一個S / H 和A / D 只對本路模擬信號進行數字轉換即數據采集，采集的數據按一定順序或隨機地輸入計算機，如圖2 一1 一3 所示。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 9二、二、 傳感器的選用傳感器的選用 現代傳感器在原理與結構上千差萬別，。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和

6、測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 101. 傳感器選用的主要依據傳感器選用的主要依據（1）具有將被測量轉換為電量的功能，轉換范圍（如幅 度、頻率等）與實際變化范圍一致。（2）轉換精度符合分配要求（一般高于系統精度10倍）。（3）轉換速度符合系統要求。（4）滿足環(huán)境要求（如高溫、高壓、腐蝕、體積小等）。（5）滿足可靠性和可維護性要求。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 11傳感器的選用傳感器的選用 以溫度傳感器為例，現有的

7、溫度傳感器類型：熱電偶、熱敏電阻、半導體PN結、IC溫度傳感器、紅外溫度計、光纖溫度傳感器量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；環(huán)境要求：高溫、高壓、腐蝕、振動.SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 12接接觸觸式式溫溫度度傳傳感感器器主主要要類類型型 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 13工業(yè)溫度傳感器的種類工業(yè)溫度傳感器的種類SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 14目前一般可供選用的傳感器類型（1）大信號輸出傳感器 放大電

8、路與傳感器做成一體，直接輸出0-5V電壓信號 或4-20mA直流標準信號。（2）數字式傳感器-一般輸出頻率，若是TTL電平，則可 直接接入計算機的I/O口。（3）集成傳感器 將傳感器與信號調理電路做成一體。（4）光纖傳感器 信號拾取、變換、傳輸都通過光導纖維實現，可避免 電磁干擾。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 15傳感器的選用傳感器的選用如何選擇合適的傳感器？ 傳感器精度一般應優(yōu)于系統精度的十倍左右 .靈敏度、響應特性、線性范圍、穩(wěn)定性 定制、自行研制，軟測量 成本SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p

9、. 16三、三、 模擬量的輸入通道模擬量的輸入通道信號調理信號調理模擬量輸入通道的一般組成：模擬量輸入通道的一般組成：傳感器、信號處理、多路轉換器、放大器、采樣傳感器、信號處理、多路轉換器、放大器、采樣/ /保保持器和持器和A/DA/D轉換器組成轉換器組成SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 171. 信號調理的目的信號調理的目的1. 1. 大多數傳感器的輸出范圍在大多數傳感器的輸出范圍在mVmV級，而級，而A/DA/D轉換設轉換設備輸入范圍為備輸入范圍為VoltVolt級。因此我們需要使用信號調理級。因此我們需要使用信號調理模塊對傳感器的信號放大。

10、模塊對傳感器的信號放大。 ADS1210,ADS1210,其模擬輸入范圍是其模擬輸入范圍是0-5V.0-5V.某溫度傳感某溫度傳感器輸出信號為器輸出信號為0-5mV0-5mV，該傳感器輸出信號應放，該傳感器輸出信號應放大多少倍？大多少倍？！為了提高模擬信號轉換成數字信號時的精度，我！為了提高模擬信號轉換成數字信號時的精度，我們希望們希望 。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 182.2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。需要去掉噪聲，提高信噪比。3.3.某些場合，為便于信號

11、的遠距離傳輸，需要對傳某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調制解調處理。感器測量信號進行調制解調處理。 遙測、遙測、4-20mA 4-20mA SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 19n 小信號放大小信號放大n 濾波濾波n溫度補償溫度補償n誤差修正誤差修正n量程切換量程切換n零點校正零點校正n線性化處理線性化處理SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 203. 前置放大器前置放大器放大器為什么要設置在調理電路的最前端？放大器為什么要設置在調理電路的最前端？電路噪聲電路噪聲：由于電路內部

12、有各種噪聲源存在，使：由于電路內部有各種噪聲源存在，使得電路在沒有信號輸入時，輸出端仍存在一定幅得電路在沒有信號輸入時，輸出端仍存在一定幅度的波動電壓。度的波動電壓。等效輸入噪聲等效輸入噪聲：把電路輸出端測得的噪聲有效值：把電路輸出端測得的噪聲有效值V VONON折算到該電路的輸入端（除以電路增益折算到該電路的輸入端（除以電路增益K K），），得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲V VININ。電路增益電路增益KVONVINVIN= VON/KSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 21電路增益電路增益KVOUTVI

13、NVIS信號淹沒信號淹沒：如果如果V VISISVVININ，則信號則信號V VISIS將被將被V VININ淹沒淹沒VIN前置放大器前置放大器K0后級電路后級電路KVISVIN0VOSVON為了不使小信號被噪聲淹沒，必須在該電路前面加一為了不使小信號被噪聲淹沒，必須在該電路前面加一級放大器，如下圖所示。級放大器，如下圖所示。等效輸入噪聲SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 22這里，這里，VIN0與與VIN是互不相關的隨機噪聲，因此圖中的是互不相關的隨機噪聲，因此圖中的電路總輸出噪聲為：電路總輸出噪聲為：VIN前置放大器前置放大器K0后級電路后級電

14、路KVISVIN0VOSVON總輸出噪聲折算到前置放大器輸入端，總的等效輸入總輸出噪聲折算到前置放大器輸入端，總的等效輸入噪聲為：噪聲為：SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 23VIN前置放大器前置放大器K0后級電路后級電路KVISVIN0VOSVONVIN VIN，就必須使就必須使加入前置放大器后電路噪聲加入前置放大器后電路噪聲VIN11，即電路前端加入的電路必須是放大器，才能保證小信號不，即電路前端加入的電路必須是放大器，才能保證小信號不被電路噪聲所淹沒。被電路噪聲所淹沒。2.2.放大器本身的等效輸入噪聲比其后級電路的等效輸入噪聲低，即低噪聲放

15、大器本身的等效輸入噪聲比其后級電路的等效輸入噪聲低，即低噪聲放大器。放大器。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 25放大器為什么要放大器為什么要“前置前置”, ,設置在調理電路的最前端？設置在調理電路的最前端？兩種調理電路的對比兩種調理電路的對比 VIN0VIN1VIN1VIN0VONVONVIN1SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 26結結 論論SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 274. 儀表用放大器儀表用放大器：高速度放大器、高精度放大器、儀用放大器、

16、功高速度放大器、高精度放大器、儀用放大器、功率放大器、電荷放大器、隔離放大器率放大器、電荷放大器、隔離放大器足夠大的放大倍數足夠大的放大倍數低噪聲低噪聲高輸入電阻高輸入電阻高共模抑制比高共模抑制比n 儀用放大器儀用放大器（精密放大器）（精密放大器）主要用于傳感器小信號放大主要用于傳感器小信號放大檢測系統中常使用檢測系統中常使用SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 28儀表放大器的基本電路儀表放大器的基本電路V_V+i1ifSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 29儀用放大器上下對稱，即儀用放大器上下對稱，即

17、R1=R2, R4R6, R5R7。則放大器閉環(huán)增益為：則放大器閉環(huán)增益為：假設假設R4=R5，即第二級運算放大器增益為，即第二級運算放大器增益為1，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：由上式可知，通過調節(jié)電阻由上式可知，通過調節(jié)電阻RG，可以很方便地改變儀，可以很方便地改變儀 用放大器的閉環(huán)增益。用放大器的閉環(huán)增益。當采用集成儀用放大器時，當采用集成儀用放大器時，RG一般為外接電阻。一般為外接電阻。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 30集成程控儀用放大器：集成程控儀用放大器： INA102 datasheet.pd

18、fSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 31一、采樣的折疊失真及消除條件一、采樣的折疊失真及消除條件二、去混淆濾波器二、去混淆濾波器SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 32 設正弦波為：設正弦波為：設采樣周期為設采樣周期為T T，則正弦波的離散信號為：，則正弦波的離散信號為：SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 33SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 34SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006

19、Unit 2 p. 355.2 采樣的折疊失真及消除條件采樣的折疊失真及消除條件SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 36SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 37SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 38SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 39因此，要消除采樣引起的折疊失真，必須滿足以下條件：第一，必須使被采樣信號為帶限信號，即它的最高頻率為有限值，即第二，必須使采樣頻率大于被采樣信號最高頻率的兩倍，即采樣周期T 滿

20、足條件只要在滿足上述兩個條件的情況下進行采樣，理論上就可從采樣信號 中無失真地恢復出原被采樣信號x(t )。這個結論就是著名的奈奎斯特采樣定理。cfcfT21)(txsSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 40SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 41n 被采樣頻譜有用信號干擾噪聲普遍存在高于fs/2的頻率分量n 頻率混淆：由于被采樣頻譜中高于頻率混淆：由于被采樣頻譜中高于fs/2的頻率分量采樣后的頻率分量采樣后會出現在低于會出現在低于fs/2的信號頻段上，污染有用信號。的信號頻段上，污染有用信號。n 去混

21、淆濾波：為了消除頻率混淆，在采樣前先用一個截頻fh2.4V4.95V11.5V1.5VECL-0.9V-1.7VSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 114開關量輸入通道的關鍵問題SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 115開關量輸入信號的調理 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 116開關量輸入信號的調理SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 117開關量輸入信號的調理SYIAEFall, 2006Zhang X.D.

22、 2006 Unit 2 p. 118開關量輸入信號的調理SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 119開關量輸入信號的調理n用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬間沖擊電壓箝位在安全電平用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬間沖擊電壓箝位在安全電平n用二極管防止電壓反向輸入用二極管防止電壓反向輸入n用限流電阻和穩(wěn)壓電路作過電壓保護用限流電阻和穩(wěn)壓電路作過電壓保護SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 120開關量輸入信號的調理當開關處于圖示位置時，當開關處于圖示位置時，此時動觸點抖動不會，此時動觸點抖動不會改變觸發(fā)器狀態(tài)。改變觸發(fā)器狀態(tài)。當

23、開關拔向上方時，第一當開關拔向上方時，第一次與上方靜觸點接觸則使次與上方靜觸點接觸則使。此時開關動觸點抖動不會。此時開關動觸點抖動不會改變觸發(fā)器狀態(tài)。改變觸發(fā)器狀態(tài)。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 121開關量的輸出通道開關量的輸出通道SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 122開關量輸出隔離1. 較大的地電位差造成較大的地電流回路，導致誤動作或測控系統的損壞。2. 外界電磁場干擾產生感生電流。3. 執(zhí)行機構的高電壓或電流會串入其他電路。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 U

24、nit 2 p. 1231. 光電耦合器件 光電隔離由光電耦合器件來完成的。其輸入端配置發(fā)光二極管作發(fā)光源，輸出端配置光敏三極管作受光器，工作時以光作為媒介來傳遞信息，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的（如圖所示）。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 124。 例如可實現例如可實現現場傳感器與現場傳感器與A/DA/D轉換器或轉換器或D/AD/A轉換器轉換器與現場執(zhí)行器之間的與現場執(zhí)行器之間的模擬信號的線性傳送與隔離。模擬信號的線性傳送與隔離。 例如在數字量輸入輸出通道中，以及在模擬量輸例如在數字量輸入輸出通道中，以及在模擬量輸入輸出通道中的入輸出通

25、道中的A/DA/D轉換器與轉換器與CPUCPU或或CPUCPU與與D/AD/A轉換器之轉換器之間的數字信號的耦合傳送，都可用光耦的這種開關特間的數字信號的耦合傳送，都可用光耦的這種開關特性對數字信號進行隔離。性對數字信號進行隔離。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1251）優(yōu)點：使用少量的光耦，成本低；）優(yōu)點：使用少量的光耦，成本低；2）缺點：調試困難，如果光耦挑選得不合適，會）缺點：調試困難，如果光耦挑選得不合適，會影響影響A/D或或D/A轉換的精度和線性度。轉換的精度和線性度。1）優(yōu)點：調試簡單，不影響系統精度和線性度；）優(yōu)點：調試簡單，不影

26、響系統精度和線性度；2）缺點：使用較多的光耦器件，成本較高。但因）缺點：使用較多的光耦器件，成本較高。但因光耦越來越價廉，數字信號隔離方法的優(yōu)勢凸現出光耦越來越價廉，數字信號隔離方法的優(yōu)勢凸現出來，因而在工程中使用的最多。來，因而在工程中使用的最多。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 126典型的光電耦合隔離電路有典型的光電耦合隔離電路有數字量同相傳遞數字量同相傳遞與與數字數字量反相傳遞量反相傳遞兩種。兩種。路電離隔合耦電光3-4圖遞傳相同量字數遞傳相反量字數+5V+5V+5V+5Vccee+-D7D074LS273數據緩沖器選 通 脈 沖b (a

27、 (D7D074LS273數據緩沖器選 通 脈 沖SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 127 光電耦合隔離器按其輸出級不同可分為光電耦合隔離器按其輸出級不同可分為三極管型三極管型、單向晶閘管型單向晶閘管型、雙向晶閘管型雙向晶閘管型。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 128 體積小，重量輕，使用方便，性能穩(wěn)定； 不受磁場影響，不需磁屏蔽，抗干擾能力強； 無觸點，壽命長，響應速度快，可以傳輸高達幾MHz的脈沖信號； 隔離電壓等級高，輸入和輸出兩端之間絕緣電壓可達萬伏以上； SYIAEFall, 2006Z

28、hang X.D. 2006 Unit 2 p. 129電磁繼電器銜鐵吸合繼電器“動作”或“吸合”。銜鐵復位繼電器“釋放”或“復位”。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 130電磁繼電器繼電器是自動控制電路中常用的一種元件。是的一種自動開關。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 131SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 132從整體上看，SSR只有兩個輸入端A和B、兩個輸出端C和D，是一種四端器件。工作時只要在A、B加上一定的控制信號，就可以控制C、D兩端之

29、間的“通”和“斷”，。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 133n輸入輸出之間采用輸入輸出之間采用“光耦合器光耦合器”，實現，實現電氣隔離電氣隔離。n由于輸入端的負載是發(fā)光二極管，使控制信號所需的由于輸入端的負載是發(fā)光二極管，使控制信號所需的功率極低功率極低( (約十余毫瓦就可正常工作約十余毫瓦就可正常工作) )，同時也使得，同時也使得SSRSSR輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，可直接與可直接與計算機輸出接口相接計算機輸出接口相接，即受，即受“1”1”與與“0”0”的邏輯電平的邏輯電平控制控制(TTL(T

30、TL、CMOS)CMOS)SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 134SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 135 SSR實現弱信號對強電(輸出端負載電壓)的控制。 由于光耦合器的應用，使控制信號所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且所需的工作電平與TTL、CMOS等常用集成電路兼容，可以實現直接聯接。 這使SSR在數控和自控設備等方面得到廣泛應用。在相當程度上可 取代傳統的“線圈簧片觸點式”繼電器(簡稱“MER”)。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p.

31、 136n SSR由于是全固態(tài)電子元件組成，它沒有任何可由于是全固態(tài)電子元件組成，它沒有任何可動的機械部件，工作中也沒有任何機械動作；動的機械部件，工作中也沒有任何機械動作；n SSR沒有電接觸點，具有一系列優(yōu)點，即工作高沒有電接觸點，具有一系列優(yōu)點，即工作高可靠、長壽命無動作噪聲；可靠、長壽命無動作噪聲；n 這些特點使這些特點使SSR可在軍事可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、如飛行器、火炮、艦船、車載武器系統車載武器系統)、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用、化工、井下采煤和各種工業(yè)民用電控設備的應用中大顯身電控設備的應用中大顯身 手，具有超越電磁繼電手，具有超越電磁繼電器的技術優(yōu)勢。器的技術優(yōu)勢。

32、 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 137開關量的輸出通道開關量的輸出通道SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 138n 執(zhí)行機構：電機、閥門、繼電器、接觸器等。n 執(zhí)行機構的動作需要較大的電流、電壓或功率。因此在計算機與執(zhí)行機構之間要增加一級驅動器。執(zhí)行機構及驅動執(zhí)行機構及驅動 常用的有常用的有三極管三極管輸出驅動電路、輸出驅動電路、電磁電磁繼電繼電器器輸出驅動電路、輸出驅動電路、晶閘管晶閘管輸出驅動電路、輸出驅動電路、固態(tài)固態(tài)繼電器繼電器輸出驅動電路等。輸出驅動電路等。SYIAEFall, 2006

33、Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 139一、一、三極管驅動電路三極管驅動電路1 .1 .普通三極管驅動電路普通三極管驅動電路6047K3 . 3管極三DELV5+033圖4-6 小功率三極管輸出電路Di 當驅動電流只有十幾當驅動電流只有十幾mAmA或幾十或幾十mAmA時，時，只要采用一個普通的功率三極管就能構成只要采用一個普通的功率三極管就能構成驅動電路，如圖所示。驅動電路，如圖所示。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1402. 2. 達林頓驅動電路達林頓驅動電路圖圖 4-8 達達林林頓頓陣陣列列驅驅動動電電路路7406達達林林

34、頓頓復復合合管管負負荷荷線線圈圈+24VDi1B1CGND 當驅動電流達到幾百毫安時，當驅動電流達到幾百毫安時，如驅動中功率繼電器、電磁開關等如驅動中功率繼電器、電磁開關等裝置，裝置，輸出電路輸出電路可采用可采用構成：構成：高輸入阻抗高輸入阻抗、高增益、輸、高增益、輸出功率大及保護措施完善的特點。出功率大及保護措施完善的特點。由于輸入驅動電由于輸入驅動電流很小，流很小，可直接用計算機可直接用計算機的的I/O口驅動口驅動SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 141SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 142二

35、、電磁繼電器二、電磁繼電器驅動電路驅動電路cVpV耦耦光光6047KA220V圖圖 4-9 繼繼電電器器輸輸出出驅驅動動電電路路DiSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 143 晶閘管晶閘管是晶體閘流管是晶體閘流管(Thyristor)(Thyristor)的簡稱，俗的簡稱，俗稱稱，它是一種大功率開關型半導體器件，在，它是一種大功率開關型半導體器件，在電路中用文字符號為電路中用文字符號為“V”V”、“VT”VT”表示（舊標準中表示（舊標準中用字母用字母“SCR”SCR”表示）。表示）。 晶閘管具有用晶閘管具有用、開關無觸點、開關無觸點等特點，能在高電

36、壓、大電流條件下工作，且其工等特點，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制，作過程可以控制， 在交直流電機調速系統、調功系在交直流電機調速系統、調功系統、隨動系統中應用廣泛。統、隨動系統中應用廣泛。 三、三、晶閘管驅動電路晶閘管驅動電路SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 144SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 145AGKT2T1GSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 146+5V6047180400470.01FT2GT1KSMOC304122

37、0V圖圖 4-11 雙雙向向晶晶閘閘管管輸輸出出驅驅動動電電路路RLDiSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1476047cVLRRSS_圖 4-13固態(tài)繼電器輸出驅動電路交流電源+DiSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1485.5.試舉出在隔離式試舉出在隔離式I/OI/O接口電路中三種常用的隔離器接口電路中三種常用的隔離器件？并簡要說明其工作原理。件？并簡要說明其工作原理。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 149：主要用于流量控制：主要用于流量控制：主

38、要用于運動控制：主要用于運動控制：主要用于運動控制：主要用于運動控制SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 150n 工作原理工作原理 利用電磁鐵線圈中電流接通與開斷時產生的電磁利用電磁鐵線圈中電流接通與開斷時產生的電磁力使柱塞動作，從而控制閥門打開與閉合。（電磁力使柱塞動作，從而控制閥門打開與閉合。（電磁閥只有兩種工作狀態(tài)：閥只有兩種工作狀態(tài)：或或）SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 151n 工作原理工作原理 電動機帶動執(zhí)行機構連續(xù)動作，實現對閥門開度大電動機帶動執(zhí)行機構連續(xù)動作，實現對閥門開度大小的小

39、的。n 行程分類行程分類 直線行程直線行程 角度行程（蝶閥）角度行程（蝶閥）SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 152SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1531.1.開關形式開關形式：電磁閥：通過線圈驅動，只能開或關。電動閥：電機驅動，開關動作完成需一定時間。2.2.工作性質工作性質：電磁閥是快開和快關的，一般用在小流量和小壓力，要求開關頻率大的地方電動閥閥的開度可以控制，可以控制管道中介質的流量而電磁閥達不到這個要求。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p.

40、154五、 開關量輸入輸出通道設計舉例一、步進電機正反轉控制步進電機是自控系統中常用的執(zhí)行部件，品種較多，現以三相電機為例。這種步進電機有三個繞組，當按不同的順不同的順序序向繞組通以電脈沖時，步進電機以不同的方向轉動不同的方向轉動，它的轉速轉速取決于通電脈沖的頻率脈沖的頻率。通電脈沖的不同組合方式決定了步進電機的不同步相控制方式： 單三拍控制方式： 通電順序為A - B C - A （正轉） 或A - C - B - A （反轉）。 六拍控制方式： 通電順序為A - AB - B - BC - C - CA -A （正轉） 或A - AC - C - CB - B - BA - A （反轉）。

41、 雙三拍控制方式： 通電順序為AB - BC - CA - AB （正轉） 或AB - CA - BC - AB （反轉）。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 155控制步進電機正反轉的開關量輸入輸出電路，如圖2-3-10。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 156要求開關S1閉合時，電機正轉；S2 閉合時，電機反轉；S1、S2 斷開時停轉；則可由8031 的Pl 口輸入開關的通、斷狀態(tài)，經軟件處理后，再由該端口輸出控制信號。圖中A 、B 、C 是三相電機的三個繞組，分別由功放電路1 、2 、3 通以驅

42、動脈沖?，F采用六拍控制方式，端口輸出位的代碼和相應的通電繞組如表2-3-1 所列。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 157由表可知，若電路按一定的節(jié)拍依次送出XIH 、X3H 、X2H 、X6H 、X4H 和X5H 代碼，則步進電機正轉；若電路依次送出XIH 、X5H 、X4H 、X6H 、X2H 和X3H 則步進電機反轉。8031 接口的控制程序: STEP : MOV R7 , # 06H ；06H to R7 LOOP: JNB PI.6 , POS ；若P1.6=0轉POS JNB Pl.7, NEG ；若P1.7=0。轉NEG AJMP

43、 LOOP POS : MOV DPTR , # TABLEI LOOPI: MOVX A , DPTR MOV Pl , A ；輸出表格1 代碼 INC DPTR CALL DELAY ；延時 DJNZ R7 , LOOPI AJMP STEP SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 158 NEG： MOV DPTR , # TABLE2 LOOP2 : MOVX A , DPTR MOV Pl , A ；輸出表格2 代碼 INC DPTR CALL DELAY ；延時 DJNZ R7 , LOOP2 AJMP STEP TABLEI： DB 0F

44、IH , 0F3H , 0F2H , 0F6H , 0F4H , 0F5HTABLE2：DB 0FIH , 0F5H , 0F4H , 0F6H , 0F2H , 0F3H SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 159二、直流馬達的轉速控制小功率直流馬達的轉速控制方法是先將馬達啟動一段時間，然后切斷電源，由于馬達轉動具有慣性，所以將繼續(xù)轉動一段時間。在馬達尚未停止轉動之前，再次接通電源，于是馬達再次加速。改變馬達通斷時間的比例，即可達到調速的目的。圖2-3-11是直流馬達控制曲線。這種調速方法稱為脈沖寬度調速。設脈沖寬度為t , 脈沖周期為T ，馬達

45、的平均轉速Vd 為 Vd = VmaxD 式中，D =t / T ，稱為占空比，稱為占空比。占空比越大，轉速越高，反之，轉速就越低。對于特定的馬達， 其最大速度Vmax 是確定的，因此， 控制平均速度就 是控制占空比。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 160圖2-3-13是單片機實現的脈沖寬度調速控制系統。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 161EPROM2732用于固化控制程序，占用地址空間為0000H 一0FFFH ，片選控制端接地,處于常選通狀態(tài)。8031 的Pl 口作為輸入口，讀設定的開關數

46、N , P3.4用做控制位，用于輸出控制脈沖，經驅動器和晶體管開關加到馬達上。當P3.4輸出“ 1 ”時，晶體管開關接通，馬達通電；當P3.4輸出為0時，晶體管截止，馬達斷電。8 個單刀雙擲開關用于設定占空比的給定值，當開關撥到上方時，該位為零，當開關撥到下方時，該位為“1 ”。 此時馬達的平均轉速Vd為 N-開關的給定值，N=00HFFH。 當N=00H=0時,Vd=0，當N=FFH=255時 D=255/256=1, Vd=Vmax 改變S7 一S0 中的8 位二進制數的值，就能改變脈沖占空比。因此，只要根據所期望的平均轉速求出開關S 的給定值，然后人工設定各開關的狀態(tài)即可。maxmax2

47、56VNVDVdSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 162SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 163SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 164程序清單如下： MOV Pl , # FFH ；Pl 口為輸入 LOOP2 : MOV R4, FFH ；設循環(huán)計數器 SETB 70H ；設供電模型 MOV R3 , # 00H ；計數器賦初值 LOOPI : MOV A , PI ；讀入N CLR C ；開關數與計數值比較， ；計數值小于N 時供電，否則斷電 SU

48、BB A , R3 JNZ THL CLR 70H ；設斷電模型 THL : MOV C , 70H MOV P3.4 , C ；輸出模型 ACALL DELAY INC R3 DJNZ R4，LOOPI AJMP LOOP2 DELAY: MOV R5, #M LOOP2 : MOV A , # M1 LOOP3 : DEC A JNZ LOOP3 DJNZ R5 , LOOP2 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 165I/O通道小結通道小結傳感器傳感器調理電路調理電路采樣采樣/保持器保持器A / D多多路路切切換換器器傳感器傳感器調理電路調理

49、電路執(zhí)行器執(zhí)行器調理電路調理電路D / A多多路路切切換換器器執(zhí)行器執(zhí)行器調理電路調理電路計計算算機機開關量輸入電路開關量輸入電路開關量輸出電路開關量輸出電路被被控控對對象象測控系統輸入輸出通道測控系統輸入輸出通道接口接口接口接口接口接口接口接口打印機顯示器（AI、AO、DI、DO）SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 166兩種調理電路的對比兩種調理電路的對比 VIN0VIN1VIN1VIN0VONVONVIN VINSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 167主要結論主要結論SYIAEFall, 200

50、6Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 168V_V+i1if儀用放大器上下對稱，即儀用放大器上下對稱，即R1=R2, R4R6, R5R7SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 169SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 170n 被采樣頻譜有用信號干擾噪聲普遍存在高于fs/2的頻率分量n 頻率混淆：由于被采樣頻譜中高于頻率混淆：由于被采樣頻譜中高于fs/2的頻率分量采樣后的頻率分量采樣后會出現在低于會出現在低于fs/2的信號頻段上，污染有用信號。的信號頻段上，污染有用信號。n 去混淆濾波：為

51、了消除頻率混淆，在采樣前先用一個截頻fhfs/2低通濾波器把高于fs/2的頻率分量濾掉，以保證被采樣頻譜只包含低于fs/2的頻率分量，滿足采樣定理。n 去混淆濾波器：在采樣之前設置的這種用途的低通濾波器去混淆濾波器：在采樣之前設置的這種用途的低通濾波器稱作去混淆濾波器。稱作去混淆濾波器。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 171模擬量的輸出通道模擬量的輸出通道模擬量輸出通道的一般組成模擬量輸出通道的一般組成： D/A、多路開關、輸出保持器和執(zhí)行機構組成、多路開關、輸出保持器和執(zhí)行機構組成.SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006

52、 Unit 2 p. 172DACDAC輸出方式可以分為輸出方式可以分為電壓輸出電壓輸出、電流輸出電流輸出等方式。等方式。分為分為和和兩種輸出形式。兩種輸出形式。：V/IV/I變換電路變換電路 DAC的輸出方式的輸出方式SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 173開關量的輸入通道開關量的輸入通道SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 174開關量的輸出通道開關量的輸出通道SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 175SYIAEFall, 2006Zhang X.D.

53、2006 Unit 2 p. 176n 執(zhí)行機構：電機、閥門、繼電器、接觸器等。n 在計算機與執(zhí)行機構之間要增加一級驅動器。執(zhí)行機構及驅動執(zhí)行機構及驅動常用的有常用的有三極管三極管輸出驅動電路、輸出驅動電路、電磁電磁繼電器繼電器輸輸出驅動電路、出驅動電路、晶閘管晶閘管輸出驅動電路、輸出驅動電路、固態(tài)繼電固態(tài)繼電器器輸出驅動電路等。輸出驅動電路等。：主要用于流量控制：主要用于流量控制：主要用于運動控制：主要用于運動控制：主要用于運動控制：主要用于運動控制SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 1772.4 單元電路的級聯設計為使由各單元電路組成的測控系統

54、能正常工作，則必須考慮各單元電路之間的級聯問題。如電氣性能的相互匹配、信號的耦合方式以及時序配合等。一、電氣性能的相互匹配（1）阻抗匹配 信息傳輸通道中兩個環(huán)節(jié)之間的輸入阻抗與輸出阻抗要匹配，才能保證信息最有效傳遞。常用負載（或輸入阻抗）ZL對信號源的輸出阻抗Zi之比說明兩個環(huán)節(jié)的匹配程度。 匹配程度ag 的大小決定于兩個環(huán)節(jié)之間的匹配方式: 電壓匹配電壓匹配 要求信號源給負載的電壓最大。應 1。 電流匹配電流匹配 要求信號源給負載的電流最大。應ag 1。 功率匹配功率匹配 要求信號源給負載的功率最大。應 ag =1。iLgZZa gaSYIAEFall, 2006Zhang X.D. 200

55、6 Unit 2 p. 178（2）負載能力匹配 負載能力的匹配實際上是前一級單元電路能否驅動后一級單元電路。 系統各級之間均有負載能力匹配問題，但特別突出的是在最后一級單元電路中，因為末級電路往往需要驅動執(zhí)行機構。如果驅動能力不夠，則應增加一級功率驅動單元。 模擬電路：一般采用電壓跟隨器或功率集成電路。 數字電路：達林頓驅動器、單管反相器、射極跟隨器等。（3）電平匹配 數字電路中,若高低電平不匹配，則不能保證正常的邏輯功能。尤其是CMOS 集成電路與TTL 集成電路之間的連接，當兩者的工作電源不同時,必須增加電平轉換電路（如 CMOS為+15V,TTL為+5V） 。SYIAEFall, 20

56、06Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 179二、信號耦合與時序配合信號耦合方式 單元電路之間的信號耦合常見4種方式：（1）直接耦合方式 上一級單元電路的輸出直接（或通過電阻）與下一級 單元電路的輸入相連接。 特點：簡單；把上一級輸出的任何波形的信號送到下一級單元電路。 兩個單元電路互相影響。（2）阻容耦合方式 通過電容和電阻將上一級的輸出信號耦合到下一級。 特點：隔直傳交。靜態(tài)情況下兩單元電路互不影響。（3）變壓器耦合方式 通過變壓器的原副繞組將上一級的輸出信號耦合到下一級。 特點：隔直傳交（因變壓器副邊電壓只反映變化的信號）。1. 不能集成化，體積大，現很少用。SYIAEF

57、all, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 180（4）光電耦合方式 通過光耦器件將信號傳送到下一級。原理：上一級輸出信號通過光耦器件中的發(fā)光二極管使其產 生光，光作用于達林頓光敏三極管基極，使管子導 通，從而將上一級信號傳送到下一級。 既可傳送模擬信號，又可傳送數字信號。特點：電氣隔離，可防止干擾侵入。2. 時序配合（1）時序在數字電路中非常重要。一個數字系統有一個固 定的時序，時序配合錯亂，系統不能工作。（2）單純的 模擬電路無時序問題。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 181三、電平轉換接口（P48）在微機測控系統

58、中，習慣于用TTL 電路作為基本電路，根據需要可能采用HTL 、CMOS 、ECL 等芯片，因此，存在TTL 電路與這些數字電路的接口問題。 TTL與HTL電平轉換接口 HTL 電路即高閥值邏輯集成電路，因為它的閥值電壓比較高（一般在7 -8V ) ，所以，噪聲容限比較大，抗干擾能力較強。但是，由于它的輸入部分是二極管結構，所以，速度比較低。因此，這種數字集成電路適宜于速度不高但具有高可靠性的工業(yè)控制設備。HTL 電路的輸出高電平VoH 11 . 5V ，輸出低電平VoL 1 . 5V 1.（1）TTL HTL 電平轉換利用電平轉換器CH2017 可完成TTL HTL 電平轉換。該電路輸出能驅

59、動8 一10 個HTL 標準門負載，工作電源電壓為15V 士10% ，其邏輯為反相器。CH2017 內共有六個反相器，完成TTL - HTL 轉換。SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2 p. 182(2) HTL TTL 轉換 CH2016 具有HTL TTL 電平轉換功能，其邏輯為反相器。該芯片使用二種電源，Vcc1=15V 士10 % , Vcc2=5V 士10 % ，電路輸出高電平VoH 3V ，低電平VoL 0.4V ，能驅動8 -10 個標準TTL 門負載。 在HTL 與TTL 邏輯電平接口時，最簡單的方法是采用電平轉換器，如圖2 一4 一1 所示。 SYIAEFall, 2006Zhang X.D. 2006 Unit 2