第四讲 输入输出接口与过程通道-3

第2章输入输出接口与过程通道2.1总线技术2.2总线扩展技术2.3数字量输入输出接口与过程通道2.4模拟量输入接口与过程通道2.5模拟量输出接口与过程通道2.6基于串行总线的计算机控制系统硬件技术2.7硬件抗干扰技术ADC0809芯片及其接口ADC0809芯片及其接口ADC08091、8路输入模拟量选择电路：8路输入模拟量信号分别接到IN0～IN7端。A，B，C为输入地址选择线，地址信息由ALE的上2、逐次比较式A／D转换器：START为启动信号，其上升沿复位内部寄存器，下降沿启动A／D转换。EOC为转换结束标志位，“0”表示正在转换，“1”表示一次A/D转换的结束。CLOCK为外部时钟输入信号，当时钟频率取640kHz时，转换一次约需100μs时间（ADC0809所能容许的最短转换时间）。3、三态输出缓冲锁存器：A／D转换的结果由EOC信号上升沿打入三态输出缓冲锁存器。OE为输出允许信号，当向OE端输入一个高电平时，三态门电路被选通，这时便可读取结果。否则缓冲锁存器输出为高阻态。ADC0809芯片及其接口假设8255A已经初始化，地址为2C0H~2C3H。ADC0809PROCNEARMOVCX,8;计数CLDMOVBL,00H;模拟通道地址存BLLEADI,DATABUFNEXTA:MOVDX,02C2HMOVAL,BLOUTDX,ALINCDX；加1MOVAL,00000111B;输出启动信号//PC3置1OUTDX,AL//送到控制寄存器NOPMOVAL,00001110B//pc7置000000110B//pc3置0OUTDX,ALDECDXNOSC:INAL,DXTESTAL,80HJNZNOSC;EOC=1,则等待NOEOC:INAL,DXTESTAL,80HJZNOEOC;EOC=0,则等待MOVDX,02C0H;A口地址INAL,DXSTOSDATABUFINCBL;修改模拟通道地址LOOPNEXTA;CX-1,CX=0？RETADC0809ENDP2.5模拟量输出接口与过程通道模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键。它的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、V/I变换等组成。2.5.1模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式，主要取决于输出保持器的构成方式。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。1.一个通道设置一个数/模转换器的形式2.多个通道共用一个数/模转换器的形式图2-31一个通道一个D/A转换器结构图2-32共用D/A转换器的结构转换速度快、工作可靠。只适用于通路数量多且速度要求不高的场合，可靠性较差。8位D/A转换器DAC0832它主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、采用R-2R电阻网络的8位D/A转换器、相应的选通控制逻辑四部分组成。2.5.2D/A转换器及其接口技术1.8位D/A转换器接口2.5.2D/A转换器及其接口技术1.8位D/A转换器接口该电路由8位D/A转换芯片DAC0832、运算放大器、地址译码电路组成。图2-338位D/A转换器接口CS启动转换锁存数据转换为差动电流单极性电压输出nREFODVV22.5.2D/A转换器及其接口技术1.8位D/A转换器接口DAC0832工作在单缓冲寄存器方式；DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出，经过运算放大器A，将形成单极性电压输出0～＋5V；若要形成负电压输出，则需接正的基准电压。将数字量转换后得到的输出电流通过内部反馈电阻流到放大器的输出端。线性度：传感器的线性误差极限。线性误差：实测曲线与理想直线之间的偏差.置D/A置置置置置置置置置置8置置置置置置置D/A置置置用DAC0832实现8位D/A转换程序框图配合图2-33硬件接口，8位D/A转换程序框图如图。若DAC0832的口地址为BASE，则8位二进制数7EH转换为模拟电压的接口程序为：MOVDX，BASEMOVAL，7FHOUTDX，ALRET2.5.2D/A转换器及其接口技术2.12位D/A转换器DAC1210图中是DAC1210的内部原理框图，其原理和控制信号功能基本上同DAC0832两点不同：它是12位的，有12条数据输入线可以用字节控制信号BYTE1/BYTE2控制数据的输入2.5.2D/A转换器及其接口技术2.12位D/A转换器DAC1210该电路采用12位D/A转换芯片DAC1210、输出放大器电路组成。2.5.2D/A转换器及其接口技术图2-3412位D/A转换器接口A0=1,高8位写入A0=0,低4位写入,所有数据输入第二级寄存器，D/A转换开始端口地址译码器译出Y0地址为BASE，则D/A高8位地址为BASE+1,低8位地址为BASE+0.则接口程序为：MOVDX,BASE+1MOVAL,dataH;送高8位数据OUTDX,ALMOVDX,BASE+0MOVAL,dataL;送低4位数据OUTDX,AL;12数据进行转换RET2.5.3单极性与双极性电压输出电路在实际应用中，通常采用D/A转换器外加运算放大器的方法，把D/A转换器的电流输出转换为电压输出。图2-35给出D/A转换器的单极性与双极性输出电路如果参考电压为+5v,则Vout1为:0～-5v,Vout2为:±5v.图2-35D/A转换的单极性与双极性输出2.5.3单极性与双极性电压输出电路nREFOUTDVV21)12()(1123132nREFOUTREFOUTDVVRRVRRVVOUT1为单极性输出，若D为输入数字量，VREF为基准参考电压，且为n位D/A转换器，则有：VOUT2为双极性输出，则有：2.5.4V/I变换1.集成V/I转换器ZF2B20图2-36ZF2B20引脚图ZF2B20是通过V/I变换的方式产生一个与输入电压成比例的输出电流。它的输入电压范围是0～10V，输出电流是4～20mA(加接地负载)，采用单正电源供电，电源电压范围为10～32V，它的特点是低漂移，在工作温度为-25～85℃范围内，最大漂移为0．005%/℃，可用于控制和遥测系统，作为子系统之间的信息传送和连接。ZF2B20的输入电阻为10KΩ，动态响应时间小于25μS，非线性小于±0．025%。2.5.4V/I变换图2-37V/I转换图(a)所示电路是一种带初值校准的0～10V到4～20mA转换电路。(b)则是一种带满度校准的0～10V到0～10mA转换电路。2.集成V/I转换器AD6942.5.4V/I变换AD694是一种4～20mA转换器，适当接线也可使其输出范围为0～20mA。AD694输出范围：4～20mA,0～20mA。输入范围：0～2V或0～10V。电源范围：+4.5～36V。可与电流输出型D/A转换器直接配合使用，实现程控电流输出。具有开路或超限报警功能。图2-38AD694引脚图2.集成V/I转换器AD6942.5.4V/I变换图2-39AD694的基本应用图2-40DAC1210与AD694的接口对于0-10V输入，4-20mA输出，电源电压大于12.5V的情况输出能驱动的最大负载为：2.5.5模拟量输出通道模板举例图2-41PCL-726板卡组成框图D/A转换程序流程如下（以通道1为例）：（1）选择通道地址n=1（n=1～6）。（2）确定D/A高4位数据地址（基地址+00）。（3）置D/A高4位数据(D3～DO有效)。（4）确定D/A低8位数据地址（基地址+01）。（5）置D/A低8位数据并启动转换。2.D/A转换程序流程3.程序设计举例PCL-726的D/A输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，分辨率为12位，000H～0FFFH分别对应输出0%～100%，若输出50%，则对应的输出数字量为7FFH，设基地址为220H，D/A通道l输出50%的程序如下：C语言参考程序段如下：outportb(0x220,0x07)//D/A通道l输出50%outportb(0x221,0xff)汇编语言参考程序如下：（基地址为220H）：MOVAL，07H；D/A通道l输出50%MOVDX，0220HOUTDX，ALMOVDX，0221HMOVAL，0FFH2.6硬件抗干扰技术2.6.1过程通道抗干扰技术2.6.2主机抗干扰技术2.6.3系统供电与接地技术所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。克服干扰的措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施干扰的来源：外部干扰和内部干扰。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象条件。内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。分布电容：除电容器外，由于电路的分布特点而具有的电容叫分布电容．。分布电感：distributedinductance。2.6.1过程通道抗干扰技术1.串模干扰及其抑制方法(1)串模干扰(2)串模干扰的抑制方法2.共模干扰及其抑制方法(1)共模干扰(2)共模干扰的抑制方法①变压器隔离②光电隔离③浮地屏蔽④采用仪表放大器提高共模抑制比2.7.1过程通道抗干扰技术1.(1)串模干扰：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。图2-42串模干扰示意图（2）串模干扰的抑制方法①如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。图2-43二级阻容滤波网络②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测量信号的瞬时值。若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。③对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。④从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。⑤采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。2．共模干扰及其抑制方法所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm图2-44共模干扰示意图单端对地输入和双端不对地输入对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双端输入不对地方式，如右图所示。ZS、ZS1、ZS2为信号源US的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输入电路的输入阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A和B的共模电压111ccscmAZZZUU222ccscmBZZZUU图2-45被测信号的输入方式为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRatio)来表示，Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强。)(lg20dBUUCMRRncm(2)共模干扰的抑制方法①变压器隔离利用变压