第二章过程输入输出通道

第二章过程输入输出通道§2.1概述1、I/O接口电路是主机和外设之间交换信息的连接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完成信息交换。本章学习目的:解决控制计算机和被控对象的连接问题，使控制计算机和被控对象构成一个整体，能可靠、高效率的交换信息。这是设计一个计算机控制系统必须解决的问题。2、I/O通道也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。信号输入通路信号输出通路模拟信号通路数字信号通路模拟量输入通路模拟量输出通路数字量输入通路数字量输出通路f(t)Kf*(t)T3．采样过程用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。香农(Shannon)采样定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为ωmax，只要按照采样频率ωS≥2ωmax进行采样，那么取出的样品序列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢复)f(t)。1）为什么要用保持器？A/D转换需要时间，称为A/D转换时间。在转换过程中采样信号应保持基本不变，否则影响转换精度。4．保持器2）采样保持器的两种工作状态采样状态：采样保持器的输出跟随模拟量变化。保持状态：采样保持器维持输出值不变。4．量化过程是用一组数码(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。fmax：被转换信号的最大值；fmin：被转换信号的最小值；i：转换后二进制数的位数。量化单位为：iffq2minmax§2.2模拟量输入通道任务：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。主要组成：信号处理装置（信号调理）、多路转换开关、采样保持器、数据放大器、A／D转换器控制电路。1、信号处理装置（信号调理）组成：标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。★标度变换器：作用：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号。★滤波电路：作用：①滤掉干扰信号；②消除混频现象。★线性化处理：有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。★电参量间的转换电路：主要进行电信号之间的转换。2、多路转换开关一个A/D转换器，多个信号需要转换，利用多路转换开关实现。多路转换开关实现多选一操作，把n路输入信号依次（或随机）地切换到后级，实现CPU对各路模拟量分时采样。组成：开关矩阵及逻辑控制电路。开关矩阵——模拟开关的组合逻辑控制电路——在软件或通道控制电路的控制下，以一定速度，按顺序输入被测模拟信号。计算机控制系统中多采用集成电路多路转换开关。如CD4051就是一种8通道的多路转换开关。当INH=高电平时，无论A、B、C为何值，8个开关均不通。此引脚可用于芯片扩展。多路选择开关的参数主要有：通道数、通道切换时间、导通电阻、通道间的串拢误差等。例：CD405l组成：逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路。主要特性：直流供电电源：VDD＝+5V～+15V，数字信号电压变化范围：3～15V输入电压：UIN＝0～VDD，模拟信号峰峰值：15VCD405l的应用：３、放大器可用仪用、可编程放大器。仪用放大器具有输入阻抗高、零漂小、共模抑制比高等优点。当各路信号相差较大时，可通过对放大器的编程来改变各通道放大器的放大倍数，使各路信号到达A/D转换器时具有大体上相同的大小，可使A/D转换器满量程信号达到归一化，提高多路数据采集的分辨力。４、采样保持采样保持电路：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中保持模拟信号基本不变。注：保持电容一般外接，其取值与采样频率和精度有关。减小CH可提高采样频率，但会降低精度。采样保持器的主要参数有：采样时间、电压下降率等。注：模拟信号一般不直接送A/D转换器，而加保持器作信号保持。但是，当A/D转换速度很快且输入信号变化缓慢时可不加保持器。保持器的两个工作状态：★采样状态★保持状态采样保持集成芯片LFl98主要特性：供电电源：±5V～±18V；可以和TTL、PMOS、CMOS逻辑输入兼容；典型保持电容：1000pF、0.01μF。5、A／D转换器把通道输入的模拟量转换成数字量，通过I/O接口电路送入CPU。A/D转换器的作用：完成模拟量到数字量的转换。转换方式：逐次逼近式和双斜积分式。逐次逼近式：转换时间短、抗干扰能力差。如ADC0809、AD574等。双斜积分式：转换时间长、抗干扰能力强。如MC14433、ILC7135等。A/D转换器的主要参数有：１）转换时间（转换速度）：完成一次模拟信号到数字信号转换所需的时间。目前常用ADC的转换时间为几个纳秒——２００纳秒。２）分辨率（位数）：表示ADC对输入信号变化的敏感程度，用转换后的数字量的二进制位数表示。如8位（ADC0809）、12位（AD574）等。分辨率为n位，表示可以对满量程输入的1/2n的增量作出反映，即数字量的最低有效位（LSB）对应于满量程输入的1/2n。如n=8，VI=5.12v，则LSB对应于5.12/28=20mv。３）精度，也称线性误差：表示ADC的数字输出量所对应的模拟输入量的理论值和实际值之间的差值，常用最低有效位（LSB）的分数表示，如±0.5LSB。ADC的每个数字输出量所对应的模拟量不是单一的一个数值，而是一个范围Δ。从理论上讲，Δ的大小即输出数字量的最低有效位（LSB），取决于ADC的分辨率，如对于12位的ADC，VI=5.12v，则Δ＝1.22mv。但实际上，由于外部环境的影响，Δ的大小往往偏离其理论值，偏离的程度就是ADC的精度。如上图所示ADC的精度为。多通道模拟量输入板：将多路转换开关、采样保持器、A/D转换器、仪用放大器、接口电路集成在一块板上。主要参数：分辨率、通道数、输入量程（单极性和双极性）、转换时间、线性误差、应答方式（查询、中断）。采集过程：通道选择、启动A/D转换、查询转换是否结束、读取转换结果。§2.3模拟量输出通道功能：把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制操作。组成：D／A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路等。输出保持器的作用：将前一采样时刻的输出信号保持到下一个采样时刻，重新得到新的连续输出信号。D/A转换器作用：完成数字信号到模拟信号的转换。输出：有单极性输出和双极性输出（如±５Ｖ）主要参数：１）建立时间：DAC的输入数字量有满量程的变化时，其输出模拟量达到终值±1/2LSB时所需的时间，一般为几微秒。２）分辨率（位数）：最小输出电压（对应的输入数字量只有最低有效位为“1”）和最大输出电压（对应的输入数字量所有有效位均“1”）之比。如N位DAC的分辨率为１／（２Ｎ－１）。常用输入二进制的位数来表示，如8位（DAC0832）、12位（DAC1208/1209/1210）等。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。３）线性误差：DAC理想输入输出特性的偏差和满刻度输出之比的百分数。多通道模拟输出板将总线接口逻辑、D/A转换器、信号变换电路等集成在一块板上。1）一个输出通路设置一个D／A转换器的结构形式2）多个输出通路共用一个D／A转换器的结构形式结构形式数字量（开关量）输入输出通道的基本结构§2.4数字量（开关量）输入输出通道数字量（开关量）输入输出通道的组成：缓冲器：对输入信号缓冲、放大、选通。锁存器：将输出信号锁存。缓冲/锁存功能可以由可编程接口电路（8255A等）实现。电气转换部分：滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。１输入信号调理电路作用：对信号进行转换、放大、滤波、隔离等处理，使之成为计算机能接收的逻辑信号。1）信号转换电路►直接和并行接口电路的输入口连接►加光电隔离电路2）滤波电路用有源或无源滤波器抑制干扰。如RC低通滤波器。3）保护电路用稳压管或压敏电阻把瞬间冲击电压箝位在安全电平上。用二极管防止电压反向输入。用限流电阻和稳压电路作过电压保护。4）消除触点抖动当开关处于图示位置时，Ｑ＝０，此时动触点抖动不会改变触发器状态，除非抖动幅度使动静点与上方静触点接触了。当开关拔向上方时，第一次与上方静触点接触则使Ｑ＝１。此时开关动触点抖动不会改变触发器状态，除非抖动幅度使动静点与下方静触点接触了。２输出驱动电路(a)(c)