3接口与通道

高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第3章输入输出接口与过程通道高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道2主要内容：3.5硬件抗干扰技术3.13.23.33.43.53.1输入输出与过程通道3.2模拟量输入通道3.3模拟量输出通道3.4D/A、A/D转换器的电源、接地与布线高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道33.1数字量输入输出通道•数字量（开关量）信号：•开关的闭合与断开•继电器或接触器的吸合与释放•马达的启动与停止•阀门的打开与关闭•用“0”和“1”表示高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道41A11Y11A21Y21A31Y31A41Y41A51Y51A61Y61A71Y71A81Y8输入接口D0D1D2D3D4D5D6D7PC总线2G1GCSIOR74LS2441.数字量输入接口用三态门缓冲器74LS244取得状态信息.隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。有八个通道,可同时输入8个开关状态。MOVDX,PORTINAL,DX生产过程的状态信息3.1.1数字量输入输出接口技术查阅有关74LS244的datashet武汉力源高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道52.数字量输出接口控制状态需要保持，直到下次给出新的值为止。MOVAL,DATAMOVDX,PORTOUTDX,AL可用锁存器74LS273对状态输出信号进行锁存，数字量输出接口D0CLKCLR74LS273D2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC总线输出接口3.1.1数字量输入输出接口技术查阅有关74LS273的datashet高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道6数字量输入通道主要由缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号。1，数字量输入通道结构输入调理电路输入缓冲器地址译码器生产过程PC总线3.1.2数字量输入通道高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道7•输入调理电路－把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成计算机能够接收的逻辑信号。•小功率输入调理电路•大功率输入调理电路2.输入调理电路高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道8（1）小功率输入调理电路－开关去抖电路图3.4采用积分电路2.输入调理电路查阅有关74LS04的datashet高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道9RSQQ0110100111保持R—S触发器去抖电路2.输入调理电路高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道10（2）大功率输入调理电路在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压,由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。图3.6大功率信号输入电路2.输入调理电路高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道11数字量输出通道主要由输出锁存器，输出驱动电路、输出地址译码电路等组成输出驱动器输出锁存器地址译码器生产过程PC总线1，数字量输出通道结构3.1.3数字量输出通道高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道122、输出驱动电路小功率直流驱动电路大功率驱动电路（1）小功率直流驱动电路采用功率晶体管输出驱动继电器电路采用高压输出的门电路驱动图3.8继电器驱动电路2、输出驱动电路查阅有关74LS06的datashet高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道13（2）大功率驱动电路(b)交流固态继电器的结构(a)直流固态继电器的结构I/O接口+5V74LS04R可以利用固态继电器(SSR)等实现I/O接口+5V74LS04R高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道143.2模拟量输入通道•功能：是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道153.2.1模拟量输入通道的组成过程参数PC总线模拟量输入通道检测信号调理多路转换器采样保持器A/D转换器接口逻辑电路图3.10模拟量输入通道的组成结构如热电偶温度测量高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道16信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同。通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压转换、滤波、线性化、隔离等1.量程自动转换技术单参数测量系统传感器放大电路A/D转换微型机显示传感器多路转换开关放大电路A/D转换微型机显示传感器传感器传感器多参数测量系统3.2.2信号调理高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道17量程自动转换就是指根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求可编程增益放大器(ProgrammableGainAmplifier)，简称PGA可编程增益放大器有两种，组合PGA和集成PGA仪用测量放大器电路A3A2A124132(1)VRRARR高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道18图3.13组合PGA高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道19MCP6S系列产品主要特点：•8种可编程增益选择：+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16或+32V/V；•SPI串行编程接口；•级联输入和输出；•低增益误差，最大：±1%；•低漂移，最大：±275μV；•高带宽频率，典型值：2～12MHz；•低噪声，典型值：10nV/rtHz@10kHz•低电源电流，典型值：1mA；•单电源供电，2.5V～5.5V；高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道20集成PGA表3.2引脚说明引脚名称功能Vout模拟输出CH0～CH7模拟输入Vss负电源VDD正电源SCKSPI时钟输入SISPI数据输入SOSPI数据输出CSSPI片选VREF外部参考电压高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道21图3-20有源I/V变换电路A＋－R1R3R2R4R5CIVR1R2CIV+5V图3-19无源I/V变换电路精密电阻ViA=1+R4/R3V=R2*IV=A*R1*I输入阻抗高，输出阻抗低输出限流，保护运放无源I/V变换有源I/V变换2.I/V变换高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道22控制禁止端1：断开0：由ABC选通CD4051的原理电路图3.2.3多路转换器查阅有关CD4051的datashet高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道23表3.4CD4051的真值表输入状态接通通道INHCBA0000000011001020011301004010150110601117CD4051的真值表高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道241.信号的采样采样过程（简称采样）是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程图3.22信号的采样过程f(t)t*f(t)t0T2T3T4T5TSf(t)*f(t)*00()()()()()()()TkkftfttfttkTfkTtkT采样频率由香农（Shannon）采样定理确定，ωs≥(4～10)ωmax3.2.4信号的采样和量化高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道252.量化采样信号经整量化后成为数字信号的过程称为量化量化过程就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号，执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把ymin~ymax范围内变化的采样信号，变换为数字0~2n-1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位，其表达式为：maxmin21nyyq高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道263.2.5采样保持器•采样保持器的主要作用是：•(1)保持采样信号不变，以便完成A/D转换；•(2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；•(3)减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；•(4)把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。•常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/389高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道27图3.23LF198/298/398原理图及引脚(a)LF198/298/398原理图(b)LF198/298/398的引脚排列高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道283.2.6A/D转换器•A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件。•A/D转换方法有逐次逼近式、双积分式、并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈式等。•常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0801，ADC0809等，12位分辨率的AD574A等；常用的双积分式A/D转换器有3位半（相当于2进制11位分辨率）的MC14433，等高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道291.A/D转换器的主要指标•A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等•转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间•分辨率：分辨率表示A/D转换器对模拟信号的反应能力，分辨率通常用数字量的位数n（字长）来表示•量程：即所能转换的电压范围•精度：精度有绝对精度和相对精度•输出逻辑电平：多数为TTL电平，有并行和串行两种输出形式•工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标。•基准电源的精度将对整个A/D转换结果的输出精度产生影响高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道30(1)8位A/D转换器ADC0809ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装VREF(+)CLKGND23478262522211285692724232010191112131418171615ADDAOEEOCSTARTIN4ADC08080809IN3IN5IN6IN75_2Vcc7_2IN2IN1IN0ADDBADDCALE1_2(MSB)2_23_24_28_2VREF(-)6_2(LSB)表3.5C、B、A与通道关系表CBA所选通道000VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN72.常用的A/D转换器高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道31图3.25AD574内部结构图(2)12位A/D转换器AD574A高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术第三章输入输出接口与过程通道3223478262522211285692724232010191112131418171615AD574VL12/8CSA0R/CCEVccREFOUTAGNDREFINVEEBIPOFF10VIN20VINSTSDB11MSBDB10DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LSBDGNDCSC8表3.2AD574A控制信号状态表CER/12/A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止