第二章 輸入輸出接口和輸入輸出通道2-3

第四節(jié)I/O通道本節(jié)主要內(nèi)容：模擬、數(shù)字I/O通道的構(gòu)成、功能和設(shè)計(jì)方法；D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇和使用方法；會(huì)設(shè)計(jì)常用的I/O通道。I/O通道是連接計(jì)算機(jī)和工業(yè)對(duì)象（生產(chǎn)過(guò)程或生產(chǎn)機(jī)械等）的必不可少的重要部分。I/O通道的分類：1.模擬量輸入通道2.模擬量輸出通道3.數(shù)字量輸入通道4.數(shù)字量輸出通道I/O通道的任務(wù)：將檢測(cè)器件測(cè)取的各種參量變換成計(jì)算機(jī)所能接受的信息形式送入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)按某種算法計(jì)算后，又將其計(jì)算結(jié)果以數(shù)字量或轉(zhuǎn)換成模擬量的形式輸出至被控對(duì)象，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。一、模擬量輸入通道模擬量輸入通道完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)的任務(wù)。由圖2-35可以看到，它主要由信號(hào)處理裝置、采樣單元、采樣保持器、數(shù)據(jù)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和控制電路等部分組成。（一）信號(hào)處理裝置一般包括標(biāo)度變換器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等。標(biāo)度變換器：把經(jīng)由各種傳感器得到的被測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。標(biāo)度變換器包含在變送器中，電路通常為電阻網(wǎng)絡(luò)或電橋。濾波：模擬濾波、數(shù)字濾波線性化處理，在硬件上可采用加負(fù)反饋放大器或采用線性化處理電路（如冷端補(bǔ)償）的辦法達(dá)到目的。軟件上可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分段線性化數(shù)字處理的辦法。(二)采樣單元采樣單元也稱為多路轉(zhuǎn)換器或多路切換開關(guān)。作用：把已轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一電壓信號(hào)（0~40mV）的測(cè)量信號(hào)按序或隨機(jī)的接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放大器上。即：在模擬輸入通道中，借助采樣單元把多路模擬量分時(shí)接到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了CPU對(duì)各路模擬量分時(shí)采集的目的。組成：開關(guān)矩陣及其邏輯控制電路組成。1.邏輯控制電路：在軟件或通道控制電路的控制下，保證以一定的速度和所要求的次序一個(gè)一個(gè)的選擇被測(cè)模擬信號(hào)的輸入。2.開關(guān)矩陣：由模擬開關(guān)構(gòu)成。模擬開關(guān)：以某種方式接通或斷開模擬信號(hào)的元件或電路。要求：接通時(shí)，接觸電阻小，以減少開關(guān)壓降，精密傳送信號(hào)；斷開時(shí)，截止電阻極大，可靠的斷開與其它電路的聯(lián)系；動(dòng)作速度快、驅(qū)動(dòng)功率??；使用壽命長(zhǎng)。分類：

1.機(jī)械式觸點(diǎn)或開關(guān)，如干簧（或濕簧）繼電器、水銀繼電器等，其優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電電阻小，開路電阻大，但響應(yīng)速度比較慢，使用久了觸點(diǎn)不易清洗，易誤動(dòng)作。多用于100～200點(diǎn)/s以下的采樣系統(tǒng)2.晶體管開關(guān)、場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)和光電耦合開關(guān)。其優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度快（可達(dá)1000點(diǎn)/s），使用壽命長(zhǎng)，無(wú)機(jī)械磨損，接觸電阻低（一般小于100Ω）斷開電阻高（109Ω以上），已制成集成電路。有8通道，16通道，32通道，如CD4051、CD4052、LF11508、LF13508。CD4051原理框圖改變OUT/IN和IN/OUT的接法，可完成“多到一”或“一到多”的轉(zhuǎn)換。前者稱為多路開關(guān)，后者稱為多路調(diào)制器或多路解調(diào)器。直流供電電源VDD=+5V~+15V，輸入電壓UIN=0~VDD，能傳送的數(shù)字信號(hào)電位變化范圍位3~15V，模擬信號(hào)峰峰值15V。VEE接負(fù)電源時(shí)，正負(fù)模擬電壓均可通過(guò)。表2-9CD4051真值表輸入狀態(tài)INHCBA接通通道號(hào)CD4051輸入狀態(tài)接通通道號(hào)INHCBACD4051000000000101001110010111011100000#1#2#3#4#5#6#7#(三)采樣保持

在一般的A/D轉(zhuǎn)換電路中，由于輸入的模擬量變化頻率較高，而且A/D轉(zhuǎn)換速度又不是很高，以及多個(gè)過(guò)程參量輸入的情況下，僅僅靠A/D轉(zhuǎn)換器難以保證轉(zhuǎn)換的精度。這時(shí)候一般要在A/D轉(zhuǎn)換之前加上采樣保持器，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間保持輸入模擬信號(hào)不變。

采樣保持器的作用：保證模擬信號(hào)采樣的準(zhǔn)確度?？讖綍r(shí)間：A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量總需要一定的時(shí)間，完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，孔徑時(shí)間決定了每一個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)化誤差。0UttA/Dt1t0△U圖2-38由tA/D引起的不確定誤差電壓令正弦模擬信號(hào) U=UmsinωtdUdt=Umω

cosωt=Um2πf

cosωt結(jié)論：對(duì)于一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，最大可能的誤差發(fā)生在信號(hào)過(guò)0的時(shí)刻Um為正弦模擬信號(hào)的幅值；f為信號(hào)頻率在坐標(biāo)原點(diǎn)上dUdt=Um2πf

取△t=tA/D，則原點(diǎn)處轉(zhuǎn)換的不確定電壓誤差為△U=Um2πf

tA/D誤差的百分?jǐn)?shù)σ=△U×100Um=2πf

tA/D×100例：一個(gè)10位的A/D轉(zhuǎn)換器，若要求轉(zhuǎn)換精度為0.1%，孔徑時(shí)間10μs，則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率為 f=0.12π×10×10-6×102s≈16Hz采樣保持電路組成：輸入緩沖放大器A1、模擬開關(guān)AS、模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容CH、輸出緩沖放大器A2

+-A2-+A1輸入控制信號(hào)ASCH輸出采樣保持電路的兩個(gè)工作狀態(tài)：１采樣狀態(tài)：當(dāng)模擬開關(guān)AS閉合時(shí)，進(jìn)入采樣狀態(tài)２保持狀態(tài)：當(dāng)模擬開關(guān)AS斷開時(shí)，進(jìn)入保持狀態(tài)快速系統(tǒng)需要采樣保持電路：在模擬輸入通道中，只有在信號(hào)變化頻率較高而A/D轉(zhuǎn)換速度又不高，以致孔徑誤差影響轉(zhuǎn)換精度時(shí)，或者要求同時(shí)（還是有先有后）采樣多個(gè)過(guò)程參量的情況下，才需要設(shè)置采樣保持電路，對(duì)于石油、化工等變化緩慢的生產(chǎn)過(guò)程（一般信號(hào)頻率在1Hz之內(nèi)）只需要采樣單元，采樣保持電路是不必要的。（四）數(shù)據(jù)放大器

由采樣單元或采樣保持器輸出的被測(cè)電壓信號(hào)通常是0~40mV的弱信號(hào)，而A/D轉(zhuǎn)換器要求輸入電壓一般都是0~+5V、0~+10V、±5V、±10V。因此須經(jīng)放大器，從而提高輸出電平，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配?；蚪?jīng)差分放大提高共模抑制比，然后才能送A/D轉(zhuǎn)換器。（五）A/D轉(zhuǎn)換器

在第六節(jié)專門介紹模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程可以劃分為采樣過(guò)程和量化過(guò)程。（一）采樣過(guò)程將模擬信號(hào)按一定時(shí)間間隔抽樣成離散模擬信號(hào)的過(guò)程。二、采樣與量化采樣周期T采樣時(shí)間采樣時(shí)刻Shannon定理：ωs≥2ωmaxωmax為被采樣的輸入信號(hào)f(t)中所含最高頻率（角頻率）；ωs為采樣頻率（角頻率）；即當(dāng)滿足采樣頻率大于或等于模擬輸入信號(hào)所含最高頻率的兩倍時(shí)，就可以通過(guò)理想的低通濾波器，由f*(t)完全恢復(fù)出f(t)。工程上，一般總?cè)?shí)際采樣頻率ωs比2ωmax大[ωs≥（4～10）ωmax]，過(guò)程慣性越大，倍數(shù)可取得越大。（二）量化過(guò)程用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。量化單位：量化后二進(jìn)制數(shù)的最低位所對(duì)應(yīng)的模擬量的值

。量化誤差最大值為fmax和fmin分別為轉(zhuǎn)換信號(hào)的最大值和最小值i—轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)例：模擬信號(hào)fmax=16V、fmin=0V，取i=4，則q=1V，量化誤差最大值emax=±=±0.5Vq2采樣時(shí)刻采樣值(V)量化值采樣時(shí)刻采樣值(V)量化值

0T4.901011T4.101002T7.510003T9.410015T11.210116T11.010117T8.810018T6.70111三、模擬量輸出通道功能：把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動(dòng)作。組成：D/A轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路切換開關(guān)、低通濾波電路和功放電路等。零階保持器定義：前一采樣時(shí)刻的輸出值原封不動(dòng)的（理想化大）保持到下一采樣時(shí)刻到來(lái)。零階保持器的種類：

1.采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多圈電位器2.采用和模擬量輸入通道中的采樣保持器一樣的電容保持電路加輸出保持器后的輸出信號(hào)為階梯狀的模擬信號(hào)，必須經(jīng)濾波電路，使階梯變得平滑。有的執(zhí)行部件（電動(dòng)機(jī)）能起濾波作用。

四、模擬量輸入輸出通道的工作過(guò)程分析五、數(shù)字量輸入輸出通道

1）TTL電平編碼數(shù)字

TTL電平的編碼數(shù)字—直接接到輸入端口上

可靠性要求很高的場(chǎng)合—加光電隔離電路

2）脈沖序列

頻率不高—軟件計(jì)數(shù)（查詢或中斷方式對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)）

頻率高—外加硬件電路，用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253，計(jì)數(shù)值隨時(shí)準(zhǔn)確的讀入CPU

3）開關(guān)量

接通或斷開的信號(hào)（如按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、撥碼開關(guān)、繼電器或來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的行程開關(guān)）—先經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路，將觸點(diǎn)的通斷轉(zhuǎn)換成高電平或低電平，同時(shí)要考慮濾波，防觸頭抖動(dòng)以及采用光電隔離或繼電器隔離等。(一）數(shù)字量輸入輸出通道開關(guān)量輸入電路一電平轉(zhuǎn)換及濾波電路：+5VS0.1μF5.1kΩ74LS0416S繼電器隔離及電平轉(zhuǎn)換電路：+5VK0.1μF5.1kΩ74LS0416KK+24VSK開關(guān)量輸入電路二開關(guān)量輸入電路三消除開關(guān)二次反跳觸發(fā)器電路：S5.1kΩ5.1kΩ74LS04+5VS&&開關(guān)量輸入電路四光電隔離及電平轉(zhuǎn)換電路：+5V+24VSS1.5kΩ1216151kΩ74LS0416TLP521-4141（二）數(shù)字量輸出通道數(shù)字信號(hào)種類：1.編碼數(shù)字（二進(jìn)制或二—十進(jìn)制）2.“1”或“0”的開關(guān)信號(hào)3.脈沖信號(hào)（步進(jìn)電機(jī)）開關(guān)量輸出通常有：

1.TTL電平邏輯信號(hào)輸出2.電子無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)輸出3.繼電器輸出開關(guān)量輸出電路a)TTL電平輸出+5V+5V