第二章過程輸入輸出通道

第二章過程輸入輸出通道第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

2、I/O通道也稱為過程通道。它是計算機和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。信號輸入通路信號輸出通路模擬信號通路數(shù)字信號通路模擬量輸入通路模擬量輸出通路數(shù)字量輸入通路數(shù)字量輸出通路第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三f(t)Kf*(t)T3．采樣過程

用采樣開關(guān)將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三香農(nóng)(Shannon)采樣定理：如果隨時間變化的模擬信號的最高頻率為ωmax，只要按照采樣頻率ωS≥2ωmax進行采樣，那么取出的樣品序列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

1）為什么要用保持器？

A/D轉(zhuǎn)換需要時間，稱為A/D轉(zhuǎn)換時間。

在轉(zhuǎn)換過程中采樣信號應(yīng)保持基本不變，否則影響轉(zhuǎn)換精度。4．保持器

2）采樣保持器的兩種工作狀態(tài)

采樣狀態(tài)：采樣保持器的輸出跟隨模擬量變化。保持狀態(tài)：采樣保持器維持輸出值不變。第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4．量化過程是用一組數(shù)碼(如二進制碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三fmax：被轉(zhuǎn)換信號的最大值；fmin：被轉(zhuǎn)換信號的最小值；i：轉(zhuǎn)換后二進制數(shù)的位數(shù)。

量化單位為：第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三§2.2模擬量輸入通道任務(wù)：完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計算機。第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三主要組成：

信號處理裝置（信號調(diào)理）、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器、數(shù)據(jù)放大器、A／D轉(zhuǎn)換器控制電路。第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

1、信號處理裝置（信號調(diào)理）組成：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?！飿?biāo)度變換器：作用：把經(jīng)由各種傳感器所得到的不同種類和不同電平的被測模擬信號變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號?！餅V波電路：作用：①濾掉干擾信號；②消除混頻現(xiàn)象?！锞€性化處理：有些電信號轉(zhuǎn)換后與被測參量呈現(xiàn)非線性。必須對信號進行線性化處理，使它接近線性化。

★電參量間的轉(zhuǎn)換電路：

主要進行電信號之間的轉(zhuǎn)換。第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

2、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)

一個A/D轉(zhuǎn)換器，多個信號需要轉(zhuǎn)換，利用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)。

多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)多選一操作，把n路輸入信號依次（或隨機）地切換到后級，實現(xiàn)CPU對各路模擬量分時采樣。

組成：開關(guān)矩陣及邏輯控制電路。開關(guān)矩陣——模擬開關(guān)的組合邏輯控制電路——在軟件或通道控制電路的控制下，以一定速度，按順序輸入被測模擬信號。第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

計算機控制系統(tǒng)中多采用集成電路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。如CD4051就是一種8通道的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)INH=高電平時，無論A、B、C為何值，8個開關(guān)均不通。此引腳可用于芯片擴展。多路選擇開關(guān)的參數(shù)主要有：通道數(shù)、通道切換時間、導(dǎo)通電阻、通道間的串?dāng)n誤差等。

第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三例：CD405l組成：邏輯電平轉(zhuǎn)換、二進制譯碼器及8個開關(guān)電路。主要特性：直流供電電源：VDD＝+5V～+15V，數(shù)字信號電壓變化范圍：3～15V輸入電壓：UIN＝0～VDD，模擬信號峰峰值：15V第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三CD405l的應(yīng)用：第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三３、放大器可用儀用、可編程放大器。儀用放大器具有輸入阻抗高、零漂小、共模抑制比高等優(yōu)點。當(dāng)各路信號相差較大時，可通過對放大器的編程來改變各通道放大器的放大倍數(shù)，使各路信號到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器時具有大體上相同的大小，可使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號達(dá)到歸一化，提高多路數(shù)據(jù)采集的分辨力。

第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三４、采樣保持采樣保持電路：對變化的模擬信號快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過程中保持模擬信號基本不變。注：保持電容一般外接，其取值與采樣頻率和精度有關(guān)。減小CH可提高采樣頻率，但會降低精度。

第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三采樣保持器的主要參數(shù)有：采樣時間、電壓下降率等。

注：模擬信號一般不直接送A/D轉(zhuǎn)換器，而加保持器作信號保持。但是，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換速度很快且輸入信號變化緩慢時可不加保持器。

保持器的兩個工作狀態(tài)：

★

采樣狀態(tài)

★

保持狀態(tài)第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三采樣保持集成芯片LFl98主要特性：供電電源：±5V～

±18V；可以和TTL、PMOS、CMOS邏輯輸入兼容；典型保持電容：1000pF、0.01μF。第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5、A／D轉(zhuǎn)換器把通道輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過I/O接口電路送入CPU。A/D轉(zhuǎn)換器的作用：完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換方式：逐次逼近式和雙斜積分式。逐次逼近式：轉(zhuǎn)換時間短、抗干擾能力差。如ADC0809、AD574等。雙斜積分式：轉(zhuǎn)換時間長、抗干擾能力強。如MC14433、ILC7135等。

第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)有：１）轉(zhuǎn)換時間（轉(zhuǎn)換速度）：完成一次模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換所需的時間。目前常用ADC的轉(zhuǎn)換時間為幾個納秒——２００納秒。２）分辨率（位數(shù)）：表示ADC對輸入信號變化的敏感程度，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的二進制位數(shù)表示。如8位（ADC0809）、12位（AD574）等。分辨率為n位，表示可以對滿量程輸入的1/2n的增量作出反映，即數(shù)字量的最低有效位（LSB）對應(yīng)于滿量程輸入的1/2n。如n=8，VI=5.12v，則LSB對應(yīng)于5.12/28=20mv。第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三３）精度，也稱線性誤差：表示ADC的數(shù)字輸出量所對應(yīng)的模擬輸入量的理論值和實際值之間的差值，常用最低有效位（LSB）的分?jǐn)?shù)表示，如±0.5LSB。

ADC的每個數(shù)字輸出量所對應(yīng)的模擬量不是單一的一個數(shù)值，而是一個范圍Δ。從理論上講，Δ的大小即輸出數(shù)字量的最低有效位（LSB），取決于ADC的分辨率，如對于12位的ADC，VI=5.12v，則Δ＝1.22mv。但實際上，由于外部環(huán)境的影響，Δ的大小往往偏離其理論值，偏離的程度就是ADC的精度。如上圖所示ADC的精度為。

第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三多通道模擬量輸入板：將多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、儀用放大器、接口電路集成在一塊板上。主要參數(shù)：分辨率、通道數(shù)、輸入量程（單極性和雙極性）、轉(zhuǎn)換時間、線性誤差、應(yīng)答方式（查詢、中斷）。采集過程：通道選擇、啟動A/D轉(zhuǎn)換、查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束、讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三§2.3模擬量輸出通道功能：把計算機的運算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對執(zhí)行機構(gòu)的控制操作。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。輸出保持器的作用：將前一采樣時刻的輸出信號保持到下一個采樣時刻，重新得到新的連續(xù)輸出信號。第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三D/A轉(zhuǎn)換器作用：完成數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。輸出：有單極性輸出和雙極性輸出（如±５Ｖ）主要參數(shù)：１）建立時間：DAC的輸入數(shù)字量有滿量程的變化時，其輸出模擬量達(dá)到終值±1/2LSB時所需的時間，一般為幾微秒。２）分辨率（位數(shù)）：最小輸出電壓（對應(yīng)的輸入數(shù)字量只有最低有效位為“1”）和最大輸出電壓（對應(yīng)的輸入數(shù)字量所有有效位均“1”）之比。如N位DAC的分辨率為１／（２Ｎ－１）。常用輸入二進制的位數(shù)來表示，如8位（DAC0832）、12位（DAC1208/1209/1210）等。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)。３）線性誤差：DAC理想輸入輸出特性的偏差和滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三多通道模擬輸出板將總線接口邏輯、D/A轉(zhuǎn)換器、信號變換電路等集成在一塊板上。第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1）一個輸出通路設(shè)置一個D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式

2）多個輸出通路共用一個D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式

第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字量（開關(guān)量）輸入輸出通道的基本結(jié)構(gòu)§2.4數(shù)字量（開關(guān)量）輸入輸出通道

第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字量（開關(guān)量）輸入輸出通道的組成：緩沖器：對輸入信號緩沖、放大、選通。鎖存器：將輸出信號鎖存。緩沖/鎖存功能可以由可編程接口電路（8255A等）實現(xiàn)。電氣轉(zhuǎn)換部分：濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離、功率驅(qū)動等。第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三１輸入信號調(diào)理電路作用：對信號進行轉(zhuǎn)換、放大、濾波、隔離等處理，使之成為計算機能接收的邏輯信號。

1）信號轉(zhuǎn)換電路

第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三?

直接和并行接口電路的輸入口連接?

加光電隔離電路第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2）濾波電路

用有源或無源濾波器抑制干擾。如RC低通濾波器。

第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三3）保護電路

用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬間沖擊電壓箝位在安全電平上。用二極管防止電壓反向輸入。用限流電阻和穩(wěn)壓電路作過電壓保護。

第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4）消除觸點抖