第8章-計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)

1、 本章首先概述了計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的基本概念、組成、類型及發(fā)展方向，然后介紹了數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)母拍罴胺椒?。在?jì)算機(jī)過程控制常規(guī)算法介紹中，主要介紹了數(shù)字PID算法及PID參數(shù)的整定方法。隨后，以力控組態(tài)軟件為例，介紹了工業(yè)控制組態(tài)軟件及其應(yīng)用。最后，概述了集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術(shù)。本章重點(diǎn)要求掌握數(shù)字PID算法及PID參數(shù)的整定方法，了解工業(yè)控制組態(tài)軟件及其應(yīng)用方法、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術(shù)基本概念。 近年來，現(xiàn)代工業(yè)過程不斷地向大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也日漸復(fù)雜，導(dǎo)致了對過程控制系統(tǒng)的要求越來越高，因此僅用常規(guī)儀表已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)的控制要求了。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅

2、速發(fā)展，運(yùn)算速度快、精度高、存儲量大、編程方便、通信能力強(qiáng)這些特點(diǎn)，使計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于過程控制系統(tǒng)中，并由此產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)。 將計(jì)算機(jī)用于過程控制系統(tǒng)，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由被控對象、測量變送裝置、計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。8.1.1 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)簡介統(tǒng)的核心部件不同；二是控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)方法不同；三是控制功能有顯著的差異。常規(guī)系統(tǒng)的控制器為模擬控制器，其電路模擬器件構(gòu)成，控制器的參數(shù)主要依靠具體的器件進(jìn)行調(diào)整，控制方案的改變要通過更換器件來完成。計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的核心器件是微型計(jì)算機(jī)、微處理器、單片機(jī)或PLC，其控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)軟

3、件實(shí)現(xiàn)，通過軟編程，即可改變系統(tǒng)的控制方案，十分靈活。由此可見，計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的功能強(qiáng)大、方便靈活，易于變更與擴(kuò)展。圖8-1 典型的計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 計(jì)算機(jī)過程控制綜合了計(jì)算機(jī)、生產(chǎn)過程及自動(dòng)控制理論方面的知識。計(jì)算機(jī)過程控制以自動(dòng)控制理論為支柱，反過來又促進(jìn)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展及應(yīng)用。 與常規(guī)的過程控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是控制系8.1.2 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的組成 盡管工業(yè)生產(chǎn)過程千變?nèi)f化，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)多種多樣，但有一個(gè)共同點(diǎn)，即計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)都是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其組成可分為硬件和軟件兩大部分。（一）硬件計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的硬件主要由主機(jī)、

4、被控對象、外部設(shè)備、過程輸入/輸出設(shè)備、操作控制臺組成。主機(jī)通常由中央處理器、時(shí)鐘電路及內(nèi)存儲器構(gòu)成，是組成計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的核心部分。 過程輸入/輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過程之間的信息傳輸通道。過程輸入/輸出設(shè)備包括模擬量輸入通道、開關(guān)量輸入通道、模擬量輸出通道及開關(guān)量輸出通道。按功能分，外部設(shè)備通?？煞譃檩斎朐O(shè)備、輸出設(shè)備和外存儲器三類。計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)中，需要有一套專供運(yùn)行操作人員使用的控制臺，稱為運(yùn)行操作控制臺。操作控制臺一般包括各種控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲訊器、數(shù)字顯示器或CRT顯示器等。（二）軟件計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有配置了相應(yīng)的軟件后，系統(tǒng)才

5、能針對生產(chǎn)過程的運(yùn)行狀態(tài)，按照既定的目標(biāo)，完成相應(yīng)的控制功能。從功能上劃分，軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩類。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、匯編語言、高級算法語言、過程控制語言、通信網(wǎng)絡(luò)軟件和診斷程序等。應(yīng)用軟件則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對某一個(gè)具體的生產(chǎn)過程而編制的軟件，也即控制管理程序。8.1.3 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的類型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與其控制的生產(chǎn)對象關(guān)系密切，根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制方案、控制目的和系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)的功能和發(fā)展進(jìn)程，計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)大體上可以分成五種類型，即操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。圖8-2 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)一

6、、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8-2所示，這種系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集和處理功能，主要由人來手動(dòng)控制生產(chǎn)過程，系統(tǒng)能夠給出操作指導(dǎo)信息，供操作人員參考。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是靈活安全，缺點(diǎn)是由于受到人工操作的速度限制，不能控制多個(gè)對象。 該系統(tǒng)屬于一種開環(huán)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的控制算法，依靠測量元件測得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出供操作人員選擇的最優(yōu)操作參數(shù)及操作方案。操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)的輸出信息，手動(dòng)改變控制器的給定值，或直接操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。8.1.3 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的類型圖8-3 直接數(shù)字控制系統(tǒng)二、直接數(shù)字控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Digital Control，DDC）直接面

7、向生產(chǎn)過程的底層應(yīng)用。在這種系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)通過自動(dòng)化儀表、輸入通道、輸出通道采集現(xiàn)場參數(shù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并按一定控制規(guī)律的控制算法運(yùn)算，隨后向生產(chǎn)過程輸出控制信號，直接參與對過程系統(tǒng)的監(jiān)視。其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8-3所示，是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。直接數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、計(jì)算能力強(qiáng)。其優(yōu)點(diǎn)是控制方案均由軟件實(shí)現(xiàn)，所以修改靈活、方便，除能實(shí)現(xiàn)PID控制規(guī)律外，還能實(shí)現(xiàn)多回路的串級控制、前饋控制、純滯后補(bǔ)償控制、多變量解耦控制及自適應(yīng)控制和智能控制等復(fù)雜控制規(guī)律的控制。8.1.3 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的類型 監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（Supervisory Computer Cont

8、rol，SCC）是一個(gè)分級的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，具體控制過程如下：首先上一級的監(jiān)督計(jì)算機(jī)從生產(chǎn)過程中采集生產(chǎn)參數(shù)，通過計(jì)算，得出當(dāng)前工況下的最佳控制值，提供給下一級執(zhí)行DDC控制的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對過程的控制。SCC有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，即SCC加上模擬控制器的控制系統(tǒng)和SCC加上DDC的分級控制系統(tǒng)。前一種系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)巡回檢測各物理量，對生產(chǎn)工況進(jìn)行分析、計(jì)算后將得出的對象參數(shù)的最優(yōu)給定值送給控制器，使生產(chǎn)工況保持最優(yōu)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖8-4（a）所示。后一種實(shí)質(zhì)上是一個(gè)二級控制系統(tǒng)，SCC計(jì)算機(jī)可完成整個(gè)工段、車間一級的優(yōu)化分析和計(jì)算，得出最優(yōu)給定值，交由DDC級執(zhí)行過程控制，系統(tǒng)

9、的結(jié)構(gòu)原理如圖8-4（b）所示。SCC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制，使控制的目標(biāo)值達(dá)到最佳，還可以提高系統(tǒng)的可靠性，尤其當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，下一級的DDC可以獨(dú)立完成控制操作，當(dāng)DDC出現(xiàn)故障時(shí)，上層的監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)可以代替執(zhí)行其控制任務(wù)。三、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)8.1.3 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的類型三、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖8-4 監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（a）SCC+模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)；（b）SCC+DDC系統(tǒng)8.1.3 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的類型 集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）又稱分布式控制系統(tǒng)，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和顯示技術(shù)結(jié)合起來的新

10、型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。DCS采用集中操作、分散控制、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，通過數(shù)據(jù)高速公路或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地方，執(zhí)行不同功能的計(jì)算機(jī)連接起來，實(shí)現(xiàn)這些計(jì)算機(jī)之間的信息共享、集中管理和總體配置，并下放任務(wù)，實(shí)施分散控制，分散在不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)各司其職，共同構(gòu)成高性能、高可靠性的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是安全、可靠、便于維護(hù)和擴(kuò)展，它集合上述三種控制系統(tǒng)的功能于一身，功能強(qiáng)大。四、集散控制系統(tǒng)五、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）采用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，將自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場控制裝置與現(xiàn)場智能儀表互相連接起來構(gòu)成整

11、體系統(tǒng)，是連接工業(yè)工程現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向、多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，與控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表聯(lián)用組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。比起DCS系統(tǒng)，現(xiàn)場總線的最大優(yōu)勢是用數(shù)字儀表代替了DCS中的模擬儀表，它不僅僅是一種通信技術(shù)，而是用新一代的現(xiàn)場FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)DCS，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。8.1.4 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢 與模擬連續(xù)過程控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。（一）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)模擬連續(xù)過程控制系統(tǒng)中全部采用模擬器件，調(diào)節(jié)器也是依賴運(yùn)算放大器等模擬器件來實(shí)現(xiàn)各種控制規(guī)律，硬件電路復(fù)雜，且控制規(guī)律與硬件結(jié)構(gòu)對應(yīng)，修改控制規(guī)律

12、必須改變硬件結(jié)構(gòu)。而計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能的核心部件是計(jì)算機(jī)，只有外圍的測量裝置、執(zhí)行裝置等采用模擬器件，因此計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字部件的混合體，控制規(guī)律也是依靠程序?qū)崿F(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，并能在線修改，修改控制規(guī)律一般無需修改硬件電路，只需改變程序即可，具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。（二）信號特點(diǎn)模擬連續(xù)過程控制系統(tǒng)中各處的信號均為連續(xù)模擬信號，而計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)中除了有連續(xù)模擬信號，還存在離散模擬、離散數(shù)字等多種信號形式。（三）功能特點(diǎn)計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)具有多種數(shù)據(jù)存儲方式和強(qiáng)大的狀態(tài)、數(shù)據(jù)顯示功能，在分析、解決問題時(shí)可以減少盲目性，提高研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，系統(tǒng)在運(yùn)

13、行時(shí)可以清楚地顯示工作狀態(tài)及控制效果。聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)管理，實(shí)現(xiàn)資源共享和最優(yōu)化管理，也可構(gòu)成分級分布集散控制系統(tǒng)，滿足更高的控制要求。一、計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)8.1.4 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)經(jīng)歷了操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)幾個(gè)過程，隨著生產(chǎn)過程的大型化和復(fù)雜化，系統(tǒng)的功能也會越來越復(fù)雜。（一）集散控制系統(tǒng)近年來，在過程控制領(lǐng)域，集散控制系統(tǒng)技術(shù)已日趨完善并逐步成為廣泛使用的主流系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)又被稱為以微處理器為基礎(chǔ)的分散型信息綜合控制系統(tǒng)。集散控制在其發(fā)展初期以實(shí)

14、現(xiàn)分散控制為主，進(jìn)入上世紀(jì)80年代以后，集散控制系統(tǒng)的技術(shù)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向全系統(tǒng)信息的綜合管理。因考慮其分散控制和綜合管理兩方面特征，故稱為分散型綜合控制系統(tǒng)，一般簡稱為集散系統(tǒng)。（二）可編程控制器20世紀(jì)80年代以來，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯運(yùn)算、順序控制的范圍，高檔的PLC還能如微型計(jì)算機(jī)那樣進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運(yùn)算、聯(lián)網(wǎng)通信等。因此，把它們統(tǒng)稱為可編程控制器（Programmable Controller，PC）。 二、計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢8.2.1 模擬量輸入通道在計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)要不斷地采集外部設(shè)備的數(shù)據(jù)，

15、通過所獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、運(yùn)算及判斷，對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制或干預(yù)。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及傳輸主要包括模擬量輸入和模擬量輸出兩大部分。這兩個(gè)部分要通過兩個(gè)通道來完成，即模擬量輸入通道和模擬量輸出通道。一、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對象的模擬量信號（如溫度、壓力、流量、料位和成分等）轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字量信號。模擬量輸入通道一般是由多路模擬開關(guān)、前置放大器、采樣保持器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、接口電路和控制電路等組成的。其核心是模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，通常也會把模擬量輸入通道簡稱為A/D通道。目前的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，大多數(shù)采用中、低速大規(guī)模集成A/D轉(zhuǎn)換芯片。這類芯

16、片的轉(zhuǎn)換方式通常有計(jì)數(shù)比較式、雙斜積分式和逐次逼近型三種。其中，計(jì)數(shù)比較式結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜，但缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢，現(xiàn)在已較少采用。雙斜積分式精度高，有時(shí)還在采用。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)由于能很好地兼顧速度和精度，故這種方式在16位以下的A/D轉(zhuǎn)換器中得到了廣泛的應(yīng)用。8.2.1 模擬量輸入通道一、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理 （一）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換原理 圖8-5所示為逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路框圖。該電路主要由逐次逼近寄存器SAR、數(shù)字/電壓轉(zhuǎn)換器、比較器、時(shí)序及邏輯控制等部分組成。 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換是把設(shè)定在SAR中的數(shù)字量所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓與要被轉(zhuǎn)換的模擬電壓進(jìn)行比較，從S

17、AR的最高位開始，逐位確定各數(shù)碼是“1”還是“0”，它的工作過程如下。 當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出“轉(zhuǎn)換命令”并清除SAR寄存器后，控制電路先設(shè)定SAR的最高位為“1”，其余位為“0”，此預(yù)測數(shù)據(jù)被送至A/D轉(zhuǎn)圖8-5 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路框圖 換器，轉(zhuǎn)換成電壓VC，然后將VC與輸入模擬電壓VX在高增益的輸出為邏輯0或邏輯1的比較器中進(jìn)行比較。如果 VXVC，說明此位置“1”是對的，應(yīng)予保留。如果VXVC ，說明此位置“1”是不對的，應(yīng)予清除。然后按照上述方法繼續(xù)對次高位進(jìn)行轉(zhuǎn)換、比較和判斷，決定次高位應(yīng)取“1”還是取“0”。重復(fù)上述過程，直至確定SAR最低位為止。該過程完成后，狀態(tài)線就改變狀態(tài)，表示已

18、經(jīng)完成后一次完整的轉(zhuǎn)換。最后，SAR中的狀態(tài)就是與輸入的模擬電壓相對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字代碼。 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn):是精度較高，轉(zhuǎn)換速度較快;缺點(diǎn)是抗干擾能力不強(qiáng)，而且當(dāng)信號變化較快時(shí)，會產(chǎn)生較大的線性誤差。8.2.1 模擬量輸入通道一、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理 （二）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換原理 該方法的基礎(chǔ)是測量兩個(gè)時(shí)間，一個(gè)是模擬輸入電壓向電容器充電的固定時(shí)間，另一個(gè)是在已知參考電壓下放電所需的時(shí)間。模擬輸入電壓與參考電壓的比值就等于上述兩個(gè)時(shí)間之比。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的組成框圖和原理圖如圖8-6和圖8-7所示。 在“轉(zhuǎn)換開始”有效信號控制下，模擬輸入電壓VX在固定時(shí)間內(nèi)充電n個(gè)時(shí)鐘脈沖

19、，時(shí)間一到，控制邏輯就將模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換到與VX極性相反的基準(zhǔn)電源上，開始使電容放電。放電器件計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖的多少反映了放電時(shí)間的長短，從而決定模擬輸入電壓的大小。放電時(shí)間長，則表明輸入的模擬電壓大。當(dāng)比較器判定電容放電完畢時(shí)就輸出信號使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并通過控制邏輯發(fā)出“轉(zhuǎn)換結(jié)束”信號，計(jì)數(shù)器中的數(shù)值大小反映了輸入電壓VX在固定積分時(shí)間T內(nèi)的平均值。圖8-6 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器組成框圖 這種轉(zhuǎn)換方法的優(yōu)點(diǎn)是消除干擾和電源噪聲的能力強(qiáng)、精度高，但轉(zhuǎn)換速度慢。因此，該類型A/D轉(zhuǎn)換器適用于信號變化緩慢、模擬量輸入速率較低、轉(zhuǎn)換精度要求較高且現(xiàn)場存在較嚴(yán)重干擾信號的場合。圖8-7 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器原

20、理圖8.2.1 模擬量輸入通道二、A/D轉(zhuǎn)換器的量化 （一）量化與量化誤差 將在時(shí)間和幅值上均連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間和幅值上均離散的，以二進(jìn)制數(shù)碼表示的數(shù)字量過程是一個(gè)采樣和量化的過程。 所謂“量化”，就是用有限字長的一組二進(jìn)制數(shù)碼去整量化或逼近時(shí)間離散、幅值連續(xù)的采樣信號。 量化處理給出的數(shù)字信號只代表某一瞬間的相應(yīng)模擬信號的近似量。也就是說，在量值上，數(shù)字信號是整量化了的信息，該信息的變化只能由類似于階躍變化的量值變化反映出來。例如二進(jìn)制數(shù)0100和0101表示的數(shù)字信號，后者表示比前者變化了一個(gè)最低有效位所代表的量值。在量化理論中，這一最低有效位所代表的量值，稱為量化單位q。在理論及實(shí)

21、踐中，量化單位q被用作對采樣信號幅值量化的標(biāo)準(zhǔn)尺度。 例如，對n位字長的A/D轉(zhuǎn)換器，若滿量程輸入的模擬量表示為FRS，則量化單 位q由下式計(jì)算：/ 2nqF R S 上式說明，對于同一個(gè)FRS值，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，量化單位q所代表的量值就越小。 由上例能看出，量化過程是一種非線性的處理過程。經(jīng)量化后給出的數(shù)字量，其精度取決于所選定的量化單位q。這種由量化所引起的誤差稱為量化誤差，可表征 為 (1/2)q。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，其量化轉(zhuǎn)換的精度越高、量化誤差越小。8.2.1 模擬量輸入通道二、A/D轉(zhuǎn)換器的量化 （二）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的編碼 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中采用的編碼形式有許多種。選取

22、不同的編碼形式將影響到處理這一數(shù)字量時(shí)的編碼操作。下面介紹幾種常用的能反映被測模擬量信號極性的單極性編碼和雙極性編碼。 （1）單極性編碼。常用的單極性編碼形式是二進(jìn)制代碼。在這種編碼中，n位數(shù)字量D用加權(quán)和來表示，即 其中，ai是0還是1取決于相應(yīng)位數(shù)是0還是1；2i表示相應(yīng)位數(shù)的權(quán)值。 （2）雙極性編碼。常用的雙極性編碼有三種形式，分別是符號數(shù)值碼、偏移二進(jìn)制碼和補(bǔ)碼。 1）符號數(shù)值碼。它是在單極性編碼的基礎(chǔ)上增加一個(gè)符號位構(gòu)成的。通常情況下，數(shù)值為正時(shí)符號位用0表示，反之用1表示。這一編碼的優(yōu)點(diǎn)能確保A/D轉(zhuǎn)換器精確的零輸出，且當(dāng)從小的正值變化到負(fù)值或相反變化時(shí)，變化的碼位數(shù)較少。 2）偏

23、移二進(jìn)制碼。這是一種滿量程加偏移量的直接二進(jìn)制編碼。數(shù)值為正時(shí)符號位均為1，數(shù)值為負(fù)時(shí)則均為0。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，這一編碼形式常用于實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量雙極性轉(zhuǎn)換。 3）補(bǔ)碼表示。這是二進(jìn)制的補(bǔ)碼表示法。它的特點(diǎn)是符號位恰好與偏移二進(jìn)制碼的相反，但數(shù)值相同。112101210022222ninninniDaaaaa8.2.1 模擬量輸入通道 三、A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)很多，主要有分辨率、量程、精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、電源靈敏度及基準(zhǔn)電壓精度。（一）分辨率 分辨率越高，則相對于輸入信號的變化，A/D轉(zhuǎn)換器的反應(yīng)就越靈敏。分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示。如8位、10位、12位

24、、16位等。例如，分辨率為8位的A/D轉(zhuǎn)換器，表示它可對滿量程的1/28=256的增量做出反應(yīng)。故n位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨率。 分辨率=滿量程/2n，n為轉(zhuǎn)換器二進(jìn)制數(shù)字量的位數(shù)。（二）量程 量程是A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。（三）精度 有絕對精度和相對精度兩種表示方法。常用數(shù)字量的位數(shù)作為度量絕對精度的 單位，如精度為最低位LSB的( 1/2)位即( 1/2)LSB。例如滿量程為10V，則10位 絕對精度是4.88mV。若用百分比來表示滿量程時(shí)的相對誤差，則10位的相對精度為0.1%。注意，精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念；精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實(shí)際值的準(zhǔn)確度，而分辨率

25、指的是能對轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。如滿量程是10V時(shí)其10位分辨率為9.77mV。但是，即使分辨率很高，如果受到溫度漂移、線性度不良等因素的影響，也會降低其轉(zhuǎn)換精度。8.2.1 模擬量輸入通道 三、A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)（四）轉(zhuǎn)換時(shí)間 逐次逼近型單片A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間的典型值是1200s。（五）電源靈敏度 當(dāng)電源變化時(shí)，也會引起A/D轉(zhuǎn)換器的輸出發(fā)生變化。這種變化的實(shí)際作用相對于A/D轉(zhuǎn)換器輸入量的變化，因而產(chǎn)生誤差。通常A/D轉(zhuǎn)換器對電源變化的靈敏度用相當(dāng)于同樣變化的模擬輸入值的百分?jǐn)?shù)來表示。例如，電源靈敏度為0.05%/%Us時(shí)，其含義是電源電壓Us的1%時(shí)，相當(dāng)于引入0.05%的

26、模擬量輸入值的變化。（六）基準(zhǔn)電壓精度基準(zhǔn)電壓的精度將對整個(gè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響，故選片時(shí)要考慮是否要外加精密參考電源。8.2.2 8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) 一、ADC0808/ADC0809簡介 8位A/D轉(zhuǎn)換器的種類較多，一般采用逐次逼近型的轉(zhuǎn)換原理，有單輸入和多輸入之分。下面以最為常用的8輸入、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808/ADC0809為例，介紹8位A/D轉(zhuǎn)換器的原理及其接口技術(shù)。 ADC0808/ADC0809是NS（National Semiconductor）公司的產(chǎn)品，是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，該芯片是一種非常經(jīng)典的COMS器件，包括8位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、8通道多路轉(zhuǎn)換器

27、和微處理器或微控制器兼容的控制邏輯。8通道多路轉(zhuǎn)換器能直接連通8路單極性模擬信號中的任何一個(gè)。 （一）ADC0808/ADC0809引腳功能 該類型芯片的片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對8路05V輸入模擬信號分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外，片內(nèi)還有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存電路、比較器、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器SAR、控制與時(shí)序電路等。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連在單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。 ADC0808/ADC0809的主要性能如下：分辨率為8位；線性誤差A(yù)DC0808為LSB，ADC0809為LSB；單一的+5V供電，模擬輸入范圍為05V；可鎖存三態(tài)輸出，輸出信號

28、與TTL兼容；功耗為15mW；不需進(jìn)行零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整。 ADC0808/ADC0809的轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率范圍為101280kHz，例如，當(dāng)CLK=640kHz時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s。8.2.2 8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) 一、ADC0808/ADC0809簡介 ADC0808/ADC0809芯片引腳如圖8-8所示。各引腳功能介紹如下：IN0IN7為8路輸入通道的模擬量輸入端口，D0D7為8位數(shù)字量輸出端口，START為啟動(dòng)控制輸入端口，ALE為地址鎖存控制信號端口，這兩個(gè)信號端口可連在一起，當(dāng)通過軟件輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，便立刻啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號脈沖輸出端

29、口，OE為輸出允許控制端口，這兩個(gè)信號端也可連接在一起，表示A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。OE端的低電平由低變高，將打開三態(tài)輸出鎖存器，把轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。VREF(+)和VREF(-)為參考電壓輸入端，VCC為主電源輸入端，GND為接地端，一般可將VREF(+)與VCC連接在一起，VREF(-)與GND連接在一起。CLOCK為時(shí)鐘輸入端，ADD A、ADD B、ADD C為8路模擬開關(guān)的3位地址選通輸入端，以選擇對應(yīng)的輸入通道，其對應(yīng)關(guān)系見表8-1。圖8-8 ADC0808/ADC0809引腳圖8.2.2 8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) 一、ADC0808/ADC0809簡介 表8-1 地

30、址碼與輸入通道對應(yīng)關(guān)系8.2.2 8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) 一、ADC0808/ADC0809簡介 （二）ADC0808/ADC0809的工作過程 8位A/D轉(zhuǎn)換器對選送至輸入端信號INi進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果DD=0-(28-1)存入鎖存緩沖器。它在START上接收到一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令（正脈沖）后，開始轉(zhuǎn)換，100s左右（64個(gè)時(shí)鐘周期）后轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)通知CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。啟動(dòng)后，CPU可用查詢方式（例如，可將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號接至CPU的一條I/O線上）或中斷方式（可將EOC作為中斷請求信號引入中斷邏輯）判斷A/D轉(zhuǎn)換過程是否結(jié)束。 三態(tài)輸出鎖存緩沖器用于存

31、放轉(zhuǎn)換結(jié)果D，允許輸出信號OE為高電平時(shí)，D由D0D7上輸出；OE為低電平輸入時(shí)，數(shù)據(jù)輸出線為高阻態(tài)。ADC0808/ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖8-9所示。圖8-9 ADC0808/ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序圖8.2.2 8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) 二、8位A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的接口 8位A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間的接口既可以采用直接方式，也可通過8255A、三態(tài)緩沖器等擴(kuò)展端口方式進(jìn)行連接。下面以ADC0809為例，介紹8位A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的直接連接方式。 當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器具有三態(tài)輸出緩沖器時(shí)，可直接與CPU相連，如圖8-10所示。 在圖8-10中，VIN0VIN7為8位05V的模擬信號輸

32、入，8088CPU的地址線A3A15經(jīng)過譯碼器譯碼后，生成一個(gè)片選信號 ， 與 邏輯組合接至ADC0809的START和ALE引腳，在8088CPU的低三位地址總線A0A2的配合下，選擇希望輸入的模擬信號通道，并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC變?yōu)橛行Вㄟ^8259A的中斷控制器向8088CPU發(fā)出中斷請求信號。片選信號 和控制信號 相組合接到ADC0809的輸出允許信號（OE）端，在中斷服務(wù)子程序中讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖8-10 8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809與CPU直接連接電路CSIOWCSCSIOR8.2.3 8位A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器與

33、CPU的連接方式及控制系統(tǒng)本身的要求不同，編寫A/D轉(zhuǎn)換程序的方法也不同。常用的編程方法有程序查詢方式、定時(shí)采樣方式和中斷方式。 （一）程序查詢方式 該編程方式的特點(diǎn)是，先由CPU向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)脈沖，然后再讀取轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的狀態(tài)，判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。如果已經(jīng)結(jié)束，可以讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。否則，要繼續(xù)查詢，直到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。這種程序設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)比較簡單、可靠性高，但實(shí)時(shí)性差，因?yàn)槲C(jī)將大量的時(shí)間都用于在“查詢”上，因此該編程方法只能應(yīng)用在對實(shí)時(shí)性要求不太高或控制回路較少的控制系統(tǒng)中。由于大多數(shù)控制系統(tǒng)對于這樣少許的時(shí)間是允許的，因此，這種方法是在三種方法中

34、用得最多的一種。 （二）定時(shí)采樣方式 定時(shí)采樣方式是指在CPU向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)脈沖后，先進(jìn)行軟件延時(shí)，此延時(shí)時(shí)間由A/D轉(zhuǎn)換器完成A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間（例如ADC0809為100s），經(jīng)過延時(shí)后可讀取數(shù)據(jù)。 在這種方式下，有時(shí)為了確保轉(zhuǎn)換能夠完成，需將延時(shí)時(shí)間適當(dāng)?shù)匮娱L，因此，該方式比查詢方式的轉(zhuǎn)換速度還慢，故應(yīng)用較少。 （三）中斷方式 在前兩種方式中，由于需要等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后才能讀取數(shù)據(jù)，無論CPU是否暫停，對于控制過程來說都是處于等待的狀態(tài)，所以速度較慢。 為了充分發(fā)揮CPU的效率，有時(shí)會采用中斷方式。在這種方式中，CPU啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，即可去處理其他的事情，而不必考慮A/D

35、轉(zhuǎn)換是否完成。一旦A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，則由A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號到8088CPU的INTR引腳，CPU響應(yīng)中斷后，在中斷處理子程序中讀入轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。這種工作方式使得CPU與A/D轉(zhuǎn)換器是并行工作的，因而提高了工作效率。8.2.4 其他常用A/D轉(zhuǎn)換器簡介 除了8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809外，目前在一些對精度要求高的場合也使用更高精度的常用A/D轉(zhuǎn)換器，如12位和24位A / D 轉(zhuǎn) 換 器 ， 其 中 較 為 常 見 的 有 ， 1 2 位 A / D 轉(zhuǎn) 換 器AD574/AD1674，24位-型A/D轉(zhuǎn)換器AD7714。其工作原理和與CPU的連接方式與8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0

36、809相似。限于篇幅，這里不過多介紹。讀者在具體應(yīng)用時(shí)，請查閱芯片的產(chǎn)品手冊和相關(guān)的應(yīng)用電路。8.2.5 模擬量輸出通道 模擬量輸出通道的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。這一任務(wù)主要是由D/A轉(zhuǎn)換器來完成。對該通道的要求是，除了可靠性高、滿足一定的精度要求外，輸出還需有信號保持的功能，用以保證被控對象能可靠地工作。 當(dāng)模擬量的輸出通道為單路時(shí)，其電路組成較簡單，但在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，常常采用的是多路模擬量輸出通道。 多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式主要由輸出保持器的構(gòu)成方式?jīng)Q定。輸出保持器的作用主要是在新的信號到來前，使本次輸出控制信號維持不變。保持器一般分為數(shù)字保持和模擬保持方案兩種。這

37、也決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。 （一）一個(gè)通道設(shè)置一片D/A轉(zhuǎn)換器 在這種結(jié)構(gòu)形式下，CPU和模擬量通路之間通過獨(dú)立的接口緩沖器傳遞信息。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，即便是一路D/A轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障，也不會影響其他通道的工作。缺點(diǎn)是使用較多的D/A轉(zhuǎn)換器。但隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)缺點(diǎn)正在逐步得以克服。一個(gè)通道設(shè)置一片D/A轉(zhuǎn)換器的形式，如圖8-11所示。 一、模擬量輸出通道的組成圖8-11 一個(gè)通道設(shè)置一片D/A轉(zhuǎn)換器8.2.5 模擬量輸出通道 （二）多個(gè)通道共用一片D/A轉(zhuǎn)換器 由于共用一片D/A轉(zhuǎn)換器，所以必須在計(jì)算機(jī)控制下分時(shí)工作，即逐次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電

38、壓（或電流），經(jīng)過多路模擬開關(guān)傳送給輸出采樣保持器。這種結(jié)構(gòu)形式的好處是節(jié)省了D/A轉(zhuǎn)換器，但是由于分時(shí)工作，只適用于通路數(shù)量較多且對速率要求不高的場合。它還需使用多路模擬開關(guān)，而且要求輸出采樣保持器的保持時(shí)間與采樣時(shí)間之比較大，這種方案工作可靠性較差。共用D/A轉(zhuǎn)換器的形式如圖8-12所示。 一、模擬量輸出通道的組成圖8-12 共用一片D/A轉(zhuǎn)換器8.2.5 模擬量輸出通道 D/A轉(zhuǎn)換器有并行和串行兩種，下面僅介紹并行D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理。 并行D/A轉(zhuǎn)換器由4部分組成，即電子開關(guān)、S1Sn電阻網(wǎng)絡(luò)、放大器A、標(biāo)準(zhǔn)電壓VB。每一位二進(jìn)制數(shù)接一個(gè)電子開關(guān)，并用二進(jìn)制數(shù)控制電子開關(guān)。當(dāng)Di=1

39、時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電壓接入電阻網(wǎng)絡(luò)，而Di=0時(shí)，開關(guān)斷開。電阻網(wǎng)絡(luò)把標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流，并將其求和放大輸出。并行D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為權(quán)電阻譯碼D/A轉(zhuǎn)換器，T型網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，以及變形權(quán)電阻譯碼D/A轉(zhuǎn)換器等。下面通過權(quán)電阻譯碼D/A轉(zhuǎn)換器，說明并行D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理。 權(quán)電阻型數(shù)/模轉(zhuǎn)換就是將某一數(shù)字量的二進(jìn)制代碼各位按它的“權(quán)”的數(shù)值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流，然后再把代表各位數(shù)值的電流加起來。一個(gè)8位的權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖8-13所示。 圖8-13中左側(cè)為二進(jìn)制，電路中每一位的電阻值是與這一位的“權(quán)”相對應(yīng)的，“權(quán)”越大，電阻值越小，因此稱之為權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)。 這

40、是一個(gè)線性電阻網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用疊加原理來分析網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓。其做法是，先逐個(gè)求出每個(gè)開關(guān)單獨(dú)接通標(biāo)準(zhǔn)電壓，再計(jì)算其余開關(guān)量均接地時(shí)網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓分量，然后將所有接標(biāo)準(zhǔn)電壓開關(guān)的輸出分量相加，就可以得到總的輸出電壓。 在圖8-13中，Di=0時(shí)，Si接地，Di=1時(shí)，Si接VB（i=0，1，7）。 對于權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器，其簡化電路如圖8-14所示。圖中，V0=a7VB，V1=a6VB，V2=a5VB，V3=a4VB，V4=a3VB，V5=a2VB，V6=a1VB，V7=a0VB，a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7=0或1。 二、D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理8.2.5 模擬量輸出通道二、D/

41、A轉(zhuǎn)換器的工作原理圖8-13 權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器圖8-14 權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器簡化電路8.2.5 模擬量輸出通道 當(dāng)R=2Rf時(shí)，代入式（8-1）得 二、D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理fffOUT017017222RRRVVVVRRR 8-17BOUT8022iiiVVa 8-2由此得 BOUT82VVD 8-38.2.5 模擬量輸出通道 D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)主要有分辨率、穩(wěn)定時(shí)間、輸出電平、輸入編碼等。其中，分辨率的含義與A/D轉(zhuǎn)換器相同。 穩(wěn)定時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間是指D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換代碼出現(xiàn)滿讀值變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定（通常指穩(wěn)定到與1/2最低位位值相當(dāng)?shù)哪M量范圍內(nèi)）所需的時(shí)間。一般為幾十毫秒到幾微

42、秒。 輸出電平。不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電平相差較大，一般為510V，也有一些高電壓輸出型的為2430V。還有些電流輸出型，低的為20mA，高的可達(dá)3A。 輸入編碼。如二進(jìn)制、BCD碼、雙極性的符號數(shù)值碼、補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制碼等。必需時(shí)可在D/A轉(zhuǎn)換前用計(jì)算機(jī)進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換。 三、D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)8.2.6 8位D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) （一）DAC0832的結(jié)構(gòu)及工作原理 DAC0832屬于8位D/A轉(zhuǎn)換器，該器件采用先進(jìn)的CMOS/Si-Cr工藝，可與8088及其他常用的微處理器直接連接。在電路中使用了CMOS電流開關(guān)和控制邏輯，從而實(shí)現(xiàn)了工作中較低的功耗和輸出漏電流誤差。采用特殊的

43、電路結(jié)構(gòu)可與TTL邏輯輸入電平相互兼容。 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部，具有雙輸入數(shù)據(jù)緩沖器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器，其原理如圖8-15所示。 一、DAC0832介紹圖8-15 DAC0832原理圖8.2.6 8位D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) （一）DAC0832的結(jié)構(gòu)及工作原理 DAC0832屬于8位D/A轉(zhuǎn)換器，該器件采用先進(jìn)的CMOS/Si-Cr工藝，可與8088及其他常用的微處理器直接連接。在電路中使用了CMOS電流開關(guān)和控制邏輯，從而實(shí)現(xiàn)了工作中較低的功耗和輸出漏電流誤差。采用特殊的電路結(jié)構(gòu)可與TTL邏輯輸入電平相互兼容。 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部，具有雙輸入數(shù)據(jù)緩沖器和一個(gè)8位D

44、/A轉(zhuǎn)換器，其原理如圖8-15所示。 在圖8-15中， 為寄存命令，當(dāng) 時(shí)，寄存器的輸出隨著輸入而變化；當(dāng) 時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存在寄存器中，而不隨輸入數(shù)據(jù)的變化而變化。故其邏輯表達(dá)式為 由上式知，當(dāng) ， 時(shí)， ，允許數(shù)據(jù)輸入。而當(dāng) 時(shí)， ， 則數(shù)據(jù)被鎖存。能否進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，除了取決于 外，還取決于 ，由圖8-15可知，當(dāng) 和 均為低電平時(shí)， ，此時(shí)允許D/A轉(zhuǎn)換，否則 ，就會停止D/A轉(zhuǎn)換。 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器在使用時(shí)，可采取雙緩沖方式（兩級輸入鎖存），也可采取單緩沖的方式（即只用一級輸入鎖存，另一極始終直通），或者接為完全直通的形式。所以，這種轉(zhuǎn)換器用起來非常方便靈活。 一、DAC0832介

45、紹LE1LE0LELE1LE(1) CS WRILE1I1CSWR0LE(1) 11WR1LE(1) 0LE(1)LE(2)2WRXFERLE(2)1LE(2)08.2.6 8位D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) （二）DAC0832的引腳功能介紹 （1）控制信號。DAC0832芯片的引腳排列如圖8-16所示。各引腳功能如下： ：片選信號（低電平有效）。 ：輸入鎖存允許信號（高電平有效）。 ：寫信號1（低電平有效）。當(dāng)其為低電平時(shí)，用來將輸入的數(shù)據(jù)傳送至輸入鎖存器；當(dāng)其為高電平時(shí)，輸入鎖存器中的數(shù)字被鎖存；當(dāng) 為高電平，且 和 必須同時(shí)為低電平時(shí)，才能將鎖存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。以上三個(gè)控制信號構(gòu)成一級輸

46、入鎖存。 ：寫信號2（低電平有效）。該信號與 相配合，可將鎖存器中的數(shù)據(jù)送到DAC寄存器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 ：傳送控制信號（低電平有效）。 將 與 配 一、DAC0832介紹LEI1WR2WRXFER圖8-16 DAC0832引腳圖 CS LEI CS 2WRXFERXFER2WR （2）其他引腳的作用。D0-D7：數(shù)字輸入量。D0為最低位（LSB），D7為最高位（MSB）。IOUT1：DAC電流輸出1。當(dāng)DAC寄存器全為1時(shí)，表示IOUT1為最大值；當(dāng)DAC寄存器 全為0時(shí)，表示IOUT1為0。IOUT2：DAC電流輸出2。IOUT2為常數(shù)減去IOUT1，或IOUT1+ IOUT2 = 常數(shù)。在單

47、極性輸出 時(shí)，IOUT2常常接地。Rfb：反饋電阻，目的是為外部運(yùn)算放大器提供一個(gè)反饋電壓，Rfb可由內(nèi)部提供，也 可由外部提供。合使用，構(gòu)成二級鎖存。8.2.6 8位D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) VREF：參考電壓輸入，要求外部接一個(gè)精密的電源。當(dāng)VREF為10V（或5V）時(shí)，可獲得滿量程四象限的可乘操作。VCC：數(shù)字電路供電電壓，一般為+5+15V。AGND：模擬地。DGND：數(shù)字地。 注意，這是兩種不同的地，但在一般情況下，這兩個(gè)地最后總有一點(diǎn)接在一起，以便提高抗干擾的能力。（3）DAC0832的技術(shù)指標(biāo)。DAC0809的主要技術(shù)指標(biāo)如下：分辨率：8位。電流建立時(shí)間：1s。線性度（在整個(gè)溫度

48、范圍內(nèi)）：8位。增益溫度系數(shù)：0.0002%或FS/。低功耗：20mW。單一電源：+5+15（直流）。 一、DAC0832介紹圖8-16 DAC0832引腳圖 8.2.6 8位D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) 二、8位D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的接口 8位D/A轉(zhuǎn)換器有三種方式與CPU進(jìn)行連接，通過鎖存器連接、使用可編程并行口8255A連接、直接連接。至于采用哪種方法，應(yīng)根據(jù)各種D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式及系統(tǒng)的要求來進(jìn)行選擇。 （1）用鎖存器連接。如D/A轉(zhuǎn)換器本身沒有傳送器，則在D/A轉(zhuǎn)換器與CPU之間必須通過一個(gè)鎖存器進(jìn)行連接，鎖存器可選74HC273或74HC373等。鎖存器的作用是：鎖存器的選通脈沖作

49、為DAC I/O地址選通信號，該信號出現(xiàn)正跳變時(shí)，則鎖存器D輸入端的信號被送到Q輸出端，然后再加到D/A轉(zhuǎn)換器的8位數(shù)據(jù)線上，以便進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換；當(dāng)選通信號為低電平，輸出Q端將保持D端的輸入數(shù)據(jù)，以便維持D/A轉(zhuǎn)換。 （2）通過8255A連接。當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器沒有鎖存器，或即使有鎖存器，但為了控制靈活、方便，通常用8255A并行口將CPU與D/A轉(zhuǎn)換器連接起來。在這種接口方法中，例如將8255A的A口和C口設(shè)置為輸出口，A口用來向D/A轉(zhuǎn)換器傳輸數(shù)據(jù)，C口用來控制D/A轉(zhuǎn)換。 （3）D/A轉(zhuǎn)換器與CPU直接相連。對于帶有鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器，可采用直接連接方式。例如DAC0832與CPU的連接，

50、如圖8-17所示。8.2.6 8位D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)圖8-17 DAC0832與CPU的直接連接法 二、8位D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的接口 從圖8-17中可看出，由于DAC0832內(nèi)部自帶有輸入鎖存器，故不需要其他接口芯片，可直接與CPU的數(shù)據(jù)總線相連，也不需要保持器，只要沒有新的數(shù)據(jù)輸入，它將保持原來的輸出值。在圖8-17中， 和 需接成低電平，CPU輸入的數(shù)據(jù)存入DAC0832的8位輸入存儲器，再經(jīng)過8位DAC緩沖器送進(jìn)D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 輸出電壓信號 。 除DAC0832外，還有一些更高精度的D/A轉(zhuǎn)換器，如12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1028系列，DAC1230系列，4路并行D/A

51、轉(zhuǎn)換器DAC7624和DAC7625等。由于其工作原理及與CPU接口方式都與前面所述的DAC0832類似，限于篇幅，這里不再一一詳述，有興趣的讀者可自行查閱相關(guān)的技術(shù)資料和用戶手冊。W R2X FEROUTREF82DVV8.2.7 數(shù)字量輸入輸出通道圖8-18 三極管輸出的光耦合器 一、光耦合器 光耦合器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中常用的光電隔離保護(hù)器件，它能實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的隔離。根據(jù)其自身特點(diǎn)和應(yīng)用場合的不同，大致分為一般隔離用光耦合器，AC交流用光耦合器，高速光耦合器等。這里只介紹一般隔離用光耦合器和PhotoMos繼電器。三極管輸出的光耦合器如圖8-18所示。 光耦合器的輸入端為發(fā)光二極管，

52、輸出端為光敏三極管。當(dāng)發(fā)光二極管中流過一定強(qiáng)度的電流時(shí)就會發(fā)出一定的光，該光被光敏三極管接收，光敏三極管便會處于導(dǎo)通的狀態(tài)。如果將該電流撤去，發(fā)光二極管熄滅，光敏三極管截止，這種特性被用來實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制的目的。不同的光耦合器，其特性和參數(shù)也有所不同。 （一）一般隔離用的光耦合器 該類產(chǎn)品主要有Toshiba公司的TLP521-1/TLP521-2/ TLP521-4；NEC公司的PS2501-1；Sharp公司的PC817；Motorola公司的4N25。 （二）PhotoMos繼電器 該類器件的特點(diǎn)是，輸入端為發(fā)光二極管，輸出為MOSFET。生產(chǎn)PhotoMos繼電器的主要廠商有NEC公司和N

53、ational公司。（1）PS7341。PS7341為NEC公司生產(chǎn)的一款常開PhotoMos繼電器。（2）AQV214。AQV214為National公司生產(chǎn)的一款常開PhotoMos繼電器。8.2.7 數(shù)字量輸入輸出通道圖8-19 數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu) 二、數(shù)字量輸入通道 數(shù)字量輸入通道將現(xiàn)場開關(guān)信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可接受的電平信號，以二進(jìn)制高低電平的數(shù)字量形式輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過三態(tài)緩沖器讀取狀態(tài)信息。數(shù)字量輸入通道主要由三態(tài)緩沖器、輸入調(diào)理多路，輸入口地址譯碼器等電路組成，如圖8-19所示。 數(shù)字量也稱開關(guān)量，其輸入通道接收的信號可能是電壓、電流、開關(guān)等觸點(diǎn)，很容易引發(fā)瞬時(shí)高壓、過電壓、接

54、觸抖動(dòng)等現(xiàn)象。為了將合格的外部開關(guān)量信號送入計(jì)算機(jī)，必須將現(xiàn)場輸入的狀態(tài)信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的邏輯電平信號，這一過程稱為信號調(diào)理。8.2.7 數(shù)字量輸入輸出通道圖8-20 數(shù)字量輸入實(shí)用電路 二、數(shù)字量輸入通道 （一）數(shù)字量輸入電路 數(shù)字量輸入實(shí)用電路如圖8-20所示。當(dāng)JP1跳線器1-2短路，JP2跳線器1-2斷開、2-3短路時(shí)，輸入端DI+ 和DI-可接一干接點(diǎn)信號。 當(dāng)JP1跳線器1-2斷開，JP2跳線器1-2短路、2-3斷開時(shí)，輸入端DI+和DI-可接有源接點(diǎn)。8.2.7 數(shù)字量輸入輸出通道圖8-21 交流輸入信號檢測電路 二、數(shù)字量輸入通道 （二）

55、交流輸入信號檢測電路 交流輸入檢測電路如圖8-21所示。圖中，L1、L2為電感，一般取為1000H，RV1為壓敏電阻，當(dāng)交流輸入信號為110V時(shí)，RV1取270V；當(dāng)交流輸入信號為220V時(shí)，RV1取470V。R1取510k /0.5W電阻，R2取3W電阻，電阻R3取2.4 k/0.25W，電阻R4取100/0.25W，電容C1取10F/25V，光耦合器可取TLP620或PS2505-1。 L、N為交流側(cè)輸入端，當(dāng)S按鈕按下時(shí)，IO=0；當(dāng)S按鈕未按下時(shí)，IO=1。8.2.7 數(shù)字量輸入輸出通道圖8-22 數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu) 三、數(shù)字量輸出通道 （二）交流輸入信號檢測電路 數(shù)字量輸出通道的作用

56、是將計(jì)算機(jī)的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場各種開關(guān)設(shè)備所需的信號。計(jì)算機(jī)通過鎖存器輸出控制信號。 數(shù)字量的輸出通道主要由鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出口地址譯碼器等電路組成，如圖8-22所示。8.2.7 數(shù)字量輸入輸出通道 圖8-23 低壓開關(guān)量輸出 圖8-24 三極管輸出驅(qū)動(dòng)三、數(shù)字量輸出通道 （一）低電壓開關(guān)量信號輸出技術(shù) 在低電壓情況下，可采用晶體管、OC門或運(yùn)放等方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制輸出。例如，輸出的開關(guān)量可驅(qū)動(dòng)電磁閥、指示燈、直流電動(dòng)機(jī)等，如圖8-23所示。當(dāng)使用OC門時(shí)，由于其為集電極開路輸出形式，在其輸出為“高”電平狀態(tài)時(shí)，實(shí)質(zhì)只是一種高阻狀態(tài)，必須外接上拉電阻，此時(shí)的輸出驅(qū)動(dòng)電流主要靠VC提供，

57、屬于直流驅(qū)動(dòng)，且OC門的驅(qū)動(dòng)電流不大，通常為幾十毫安。如果驅(qū)動(dòng)設(shè)備所需驅(qū)動(dòng)電流較大，還可采用三極管輸出方式，如圖8-24所示。8.2.7 數(shù)字量輸入輸出通道 圖8-25 繼電器輸出電路三、數(shù)字量輸出通道 （二）繼電器輸出接口技術(shù) 以繼電器方式進(jìn)行輸出的開關(guān)量輸出，是目前最常用的一種數(shù)字量輸出方式。尤其是在驅(qū)動(dòng)大型設(shè)備時(shí)，經(jīng)常要用繼電器作為控制系統(tǒng)輸出到輸出驅(qū)動(dòng)級之間的第一級執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過第一級繼電器的輸出，可完成從低壓直流到高壓交流的過渡。輸出電路如圖8-25所示，在經(jīng)光耦合后，由直流部分給繼電器供電，而其輸出部分可直接與220V三相交流電源相連。8.2.7 數(shù)字量輸入輸出通道三、數(shù)字量輸出通

58、道 繼電器輸出也能用作低壓場合，與晶體管等低壓輸出驅(qū)動(dòng)器相比，當(dāng)繼電器輸入時(shí)，輸入端與輸出端有一定的隔離功能。但是，由于開關(guān)采用了電磁吸合的方式，在開關(guān)的一瞬間，在觸點(diǎn)處容易產(chǎn)生電火花，從而引起干擾現(xiàn)象發(fā)生；在應(yīng)用于交流高電壓這樣的場合時(shí)，觸點(diǎn)容易氧化；由于繼電器的驅(qū)動(dòng)線圈上有一定的電感，在關(guān)斷瞬間可能會產(chǎn)生較大的電壓，所以在繼電器的驅(qū)動(dòng)電路上常常反接一個(gè)保護(hù)二極管用于反向放電。 不同繼電器允許的驅(qū)動(dòng)電流也不一樣，因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可適當(dāng)加一限流電阻，如圖8-25所示的電阻R3，在該圖中，用達(dá)林頓輸出的光耦合器直接接驅(qū)動(dòng)繼電器，而在某些需要較大驅(qū)動(dòng)電路的場合，則可在光耦合器和繼電器之間再接一個(gè)

59、一級三極管以增加驅(qū)動(dòng)電流。 在圖8-25中，VT1可取9013三極管，OPI光耦合器可取達(dá)林頓輸出的4N29或TIL113。加二極管的目的是消除繼電器廠的線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢，R4、C1為滅弧電路。8.2.7 數(shù)字量輸入輸出通道三、數(shù)字量輸出通道 （三）晶閘管輸出接口技術(shù) 晶閘管屬于功率較大的半導(dǎo)體器件，可分為單向晶閘管和雙向晶閘管，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅(qū)動(dòng)器件，其優(yōu)點(diǎn)是以較小功率控制大功率、開關(guān)無觸點(diǎn)。因此，在交直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。8.2.7 數(shù)字量輸入輸出通道圖8-26 脈沖量輸入通道電路原理圖 四、脈沖量輸入輸出通道 脈沖量輸入輸出通道是數(shù)字

60、量輸入輸出通道的一種特殊形式，脈沖量是工業(yè)測控領(lǐng)域中比較典型的一種信號，如工業(yè)電度表輸出的電能脈沖信號，圖書館、公共場所人員出入次數(shù)通過光電傳感器發(fā)出的脈沖信號等，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將上述信號的輸入輸出電路稱為脈沖量輸入輸出通道。如果脈沖量的頻率不太高，則其接口電路與數(shù)字量輸入輸出通道的一樣；如果脈沖量的頻率較高，應(yīng)該使用高速光耦合器。 （一）脈沖量輸入通道 脈沖量輸入通道的電路原理圖如圖8-26所示。圖中，R1、C1構(gòu)成RC低通濾波電路，過零電壓比較器LM311接成施密特電路，輸出信號通過光耦合器OP1隔離后，送往計(jì)算機(jī)測量脈沖的I/O口。除了可采用8253對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)外，也可以采用單片機(jī)微控