計(jì)算機(jī)控制輸入輸出課件(PPT 77頁(yè))

1、第一講思考題問(wèn)答1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)的主要異同點(diǎn)是什么？2分析說(shuō)明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成及其作用。3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件由哪些部分構(gòu)成？4按控制方案來(lái)分，計(jì)算機(jī)控系統(tǒng)劃分成那幾大類？ 第1頁(yè)，共77頁(yè)。第二講 過(guò)程輸入輸出通道技術(shù)概論 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制，要將對(duì)象的控制參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)按規(guī)定的方式送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算、處理后，將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出，此時(shí)需將數(shù)字量變換為適合生產(chǎn)過(guò)程控制的量，因此在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間，必須設(shè)置完成信息的傳遞和變換裝置，這個(gè)裝置稱為過(guò)程輸入輸出通道，也叫I/O通道。 本章內(nèi)容其實(shí)質(zhì)是微機(jī)原理與應(yīng)用課程中的知識(shí)第2頁(yè)

2、，共77頁(yè)。第3頁(yè)，共77頁(yè)。2.1過(guò)程輸入輸出通道概述 過(guò)程輸入輸出通道由模擬量輸入輸出通道和開關(guān)量（包含脈沖量）輸入輸出通道組成。模擬量輸入通道把反映生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備工況的模擬信號(hào)（如溫度、壓力、流量、速度、液位等）、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給微型計(jì)算機(jī)；模擬量輸出通道則把微型計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（電壓或電流）作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備的控制。開關(guān)量（脈沖量、數(shù)字量）輸入通道把反映生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備工況的開關(guān)信號(hào)（如繼電器接點(diǎn)、行程開關(guān)、按扭等）、脈沖信號(hào)（如速度、位移、流量脈沖等）送給微型計(jì)算機(jī)；微型計(jì)算機(jī)通過(guò)開關(guān)量輸出通道控制那些接受開關(guān)（數(shù)字）信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和顯示、指示

3、裝置。 由此可見，過(guò)程輸入輸出通道在微型計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程之間起著信號(hào)傳遞與變換的紐帶作用。第4頁(yè)，共77頁(yè)。2.1.1 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu) 模擬量輸入通道（簡(jiǎn)稱AI通道）的一般結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。過(guò)程參數(shù)由傳感元件和變送器測(cè)量并轉(zhuǎn)換為電壓（或電流）形式后送至多路開關(guān)；在微機(jī)的控制下，由多路開關(guān)將各個(gè)過(guò)程參數(shù)依次地切換到后級(jí)，進(jìn)行放大、采樣和A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的巡回檢測(cè)。第5頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.1 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)第6頁(yè)，共77頁(yè)。2.1.2 模擬量輸出通道的基本結(jié)構(gòu) 模擬量輸出通道（簡(jiǎn)稱AO通道）的兩種基本結(jié)構(gòu)形式如圖2.2所示。多D/A結(jié)構(gòu)的模擬量輸出通道中的D/A

4、轉(zhuǎn)換器除承擔(dān)數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的任務(wù)外，還兼有信號(hào)保持作用，即把微機(jī)在 t=kT 時(shí)刻對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制作用維持到下一個(gè)輸出時(shí)刻t=(k+1)T。這是一種數(shù)字保持方式，送給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)不變，其模擬輸出信號(hào)便保持不變。 共享D/A結(jié)構(gòu)的模擬量輸出通道中的D/A轉(zhuǎn)換器只起數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換作用，信號(hào)保持功能靠采樣保持器完成。這是一種模擬保持方式，微機(jī)對(duì)通路i（i=1，2，.，n）的控制信號(hào)被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬形式后，由采樣保持器將其記憶下來(lái)，并保持到下一次控制信號(hào)的到來(lái)。多D/A形式輸出速度快、工作可靠、精度高，是工業(yè)控制領(lǐng)域普遍采用的形式。 第7頁(yè)，共77頁(yè)。 主 機(jī) 接口

5、 電路D/AD/A.通道1通道n 主 機(jī) 接 口 電 路D/A.通道1通道n多路開關(guān) 采樣 保持器 采樣 保持器（b）共享D/A結(jié)構(gòu) 圖2.2 模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式（a）多D/A結(jié)構(gòu) 第8頁(yè)，共77頁(yè)。2.1.3 開關(guān)量（數(shù)字量）輸入通道的基本結(jié)構(gòu) 開關(guān)量輸入通道又稱為數(shù)字量輸入通道，該通道的任務(wù)是把被控對(duì)象的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)（或數(shù)字信號(hào)）送給計(jì)算機(jī)、或把雙值邏輯的開關(guān)量變換為計(jì)算機(jī)能夠接收的數(shù)字量送給計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱DI通道。它的結(jié)構(gòu)形式如圖2.3所示。第9頁(yè)，共77頁(yè)。 信號(hào)變換器 信號(hào)變換器 整形 變換 整形 變換 電平 變換 電平 變換總線緩沖器CPU接口邏輯圖2.3 開關(guān)量輸入通

6、道結(jié)構(gòu)框圖第10頁(yè)，共77頁(yè)。典型的開關(guān)量輸入通道通常由以下幾部分組成：1信號(hào)變換器：將生產(chǎn)過(guò)程的非電量開關(guān)量轉(zhuǎn)換為電壓或電流 的雙值邏輯值。2整形變換電路：將混有毛刺之類干擾的輸入雙值邏輯信號(hào)或 其信號(hào)前后沿不符合要求的輸入信號(hào)整形為接近理想狀態(tài)的 方波或矩形波，然后再根據(jù)系統(tǒng)要求變換為相應(yīng)形狀的脈沖 信號(hào)。3電平變換電路：將輸入的雙值邏輯電平轉(zhuǎn)換為與CPU兼容的 邏輯電平。4總線緩沖器：暫存數(shù)字量信息并實(shí)現(xiàn)與CPU數(shù)據(jù)總線的連接。5接口邏輯電路：協(xié)調(diào)各通道的同步工作，向CPU傳遞狀態(tài)信 息并控制開關(guān)量的輸入、輸出。第11頁(yè)，共77頁(yè)。2.1.4 開關(guān)量（數(shù)字量）輸出通道的基本結(jié)構(gòu) 開關(guān)量（

7、數(shù)字量）輸出通道的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)（或開關(guān)信號(hào)）傳送給開關(guān)型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如繼電器或指示燈等），控制它們的通、斷或亮、滅，簡(jiǎn)稱DO通道。其典型結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖中鎖存輸出的主要作用是鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)或控制信號(hào)，供外部設(shè)備使用；隔離部件的作用是為防止干擾；功放的作用則是為把計(jì)算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。第12頁(yè)，共77頁(yè)。CPU 鎖存 輸出 控制 邏輯 隔 離 功 放 執(zhí)行 機(jī)構(gòu)圖2.4 開關(guān)量輸出通道結(jié)構(gòu)框圖 第13頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.11 功率晶體管輸 出驅(qū)動(dòng)繼電器 圖2.12 MC1416 驅(qū)動(dòng)7個(gè)繼電器 第14頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.13

8、為固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)，固態(tài)繼電器（SSR）是一種四端有源器件，。輸入輸出之間采用光電耦合器進(jìn)行隔離。零交叉電路可使交流電壓變化到零伏附近時(shí)讓電路接通，從而減少干擾。電路接通以后，由觸發(fā)電路給出晶閘管器件的觸發(fā)信號(hào)。第15頁(yè)，共77頁(yè)。2.3 模擬量輸出通道 2.3.1 D/A轉(zhuǎn)換器概述 模擬量輸出通道的核心部件是D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置，它輸出的模擬量（電壓或電流）與參考電壓和二進(jìn)制數(shù)成比例。D/A轉(zhuǎn)換器品種繁多，但在集成D/A產(chǎn)品中多按T型和倒T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換，故下面將以倒T型電阻D/A為例介紹D/A轉(zhuǎn)換原理。1D/A轉(zhuǎn)換器工作原理

9、 D/A轉(zhuǎn)換器主要由四部分組成：基準(zhǔn)電壓VREF，R-2R T型電阻網(wǎng)絡(luò)，電子開關(guān)Ki（i=0，1，.，n-1）和運(yùn)算放大器A。一個(gè)4位的D/A轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖2.14所示。第16頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.14 R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 第17頁(yè)，共77頁(yè)。2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率 分辨率是指當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化即最低有效位LSB產(chǎn)生一次變化時(shí)，輸出模擬量對(duì)應(yīng)的變化量。分辨率與數(shù)字量輸入的位數(shù)n呈下列關(guān)系：=VREF/2n 實(shí)際使用中，表示分辨率高低的更常用方法是用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示。例如，8位二進(jìn)制D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為8位，或者=1/255。顯然，位數(shù)越多，分辨率

10、越高。建立時(shí)間 建立時(shí)間是指輸入數(shù)字信號(hào)的變化量是滿量程時(shí)，輸出模擬信號(hào)達(dá)到離終值1/2 LSB所需的時(shí)間，一般為幾十納秒到幾秒。線性誤差 理想轉(zhuǎn)換特性（量化特性）應(yīng)該是線性的，但實(shí)際轉(zhuǎn)換特性并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。線性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示，如1/2LSB，或1LSB。第18頁(yè)，共77頁(yè)。 2.3.2 常用D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)1D/A轉(zhuǎn)換器 8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 DAC0832的結(jié)構(gòu)如圖2.15所示，它主要由兩部分組成，即：由R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的8位D/A轉(zhuǎn)換器以及兩個(gè)8位寄存器和相應(yīng)的選通控制邏輯。DI7DI0是DAC083

11、2的數(shù)字信號(hào)輸入端；IOUT1和IOUT2是它的模擬電流輸出端，IOUT1+IOUT2常數(shù)C，IOUT1和IOUT2與輸入數(shù)字D之間的關(guān)系如下：輸入數(shù)字D IOUT1 IOUT1 00H 0 80H 1/2C1/2C FFH C 0 第19頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.15 DAC0832的結(jié)構(gòu) 第20頁(yè)，共77頁(yè)。IOAGNDR1=2RR3=2RR2=RR4 + 系統(tǒng) 總線VOUT1VOUT2 圖2.16 DAC0832的單、雙極性輸出 第21頁(yè)，共77頁(yè)。 12位的D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208/1209/1210 圖2.17是DAC1210的結(jié)構(gòu)圖，其原理和引腳與DAC0832基本相同，不同之處僅在

12、于： 輸入寄存器和DAC寄存器均為12位，數(shù)據(jù)輸入線為12條。 輸入寄存器由高8位輸入寄存器和低4位輸入寄存器兩個(gè)寄存器構(gòu)成，BYTE1/ BYTE2為高電平時(shí)，選中高8位輸入寄存器和低4位輸入寄存器，否則只選中低4位輸入寄存器。 一個(gè)12位的待轉(zhuǎn)換數(shù)D必須在輸入級(jí)裝配好后，才能送至DAC寄 存器，所以，DAC1210與8位微機(jī)接口時(shí)，應(yīng)接為雙緩沖形式。第22頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.17 DAC1210的結(jié)構(gòu) 第23頁(yè)，共77頁(yè)。2D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù) 8位D/A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的接口 為使CPU能向D/A轉(zhuǎn)換器傳送數(shù)據(jù)，必須在兩者之間設(shè)置接口電路。接口電路的功能是進(jìn)行地址譯碼、產(chǎn)生片選信號(hào)或?qū)懶盘?hào)

13、。如果D/A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部無(wú)輸入寄存器，則要外加寄存器。因此，D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的連接方式可有三種：直接連接、用可編程并行接口8255連接、用鎖存器連接。具體采用哪種方法，應(yīng)根據(jù)各種D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式以及系統(tǒng)的要求進(jìn)行選擇。下面以直接連接方式為例介紹D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的接口。 第24頁(yè)，共77頁(yè)。 譯 碼 器D0D1:D6D7接系統(tǒng) 總線A0A1A9AENIOW DI0 DI1 : : DI6 DI7 Vcc VREF RfbIOUT2IOUT1 AGNDDGNDXFERWR1WR2CSAV0 DAC0832 +5V VRY0 圖2.18 8位D/A轉(zhuǎn)換器與PC系統(tǒng)總線的接口 第25頁(yè)

14、，共77頁(yè)。第26頁(yè)，共77頁(yè)。若DAC0832 CS的口地址為400H，則將8位二進(jìn)制數(shù)7FH轉(zhuǎn)換為模擬電壓的轉(zhuǎn)換程序段為： MOV DX，400H MOV AL，7FH OUT DX，AL HLT第27頁(yè)，共77頁(yè)。12位D/A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)總線的接口 12位D/A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)總線的接口電路如圖2.19所示，該電路采用12位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC1210、輸出放大器、地址譯碼器等組成。端口地址譯碼器譯出、 三個(gè)口地址，設(shè)為200H、201H、202H，這三個(gè)口地址用來(lái)控制DAC1210工作方式和進(jìn)行12位的D/A轉(zhuǎn)換。 第28頁(yè)，共77頁(yè)。圖2.1912位D/A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)總線的接口第29頁(yè)，

15、共77頁(yè)。第30頁(yè)，共77頁(yè)。 前面已假設(shè)端口譯碼器譯出的Y0、Y1、Y2三個(gè)地址分別為200H、201H、202H，若將12位二進(jìn)制數(shù)190H轉(zhuǎn)換為模擬電壓，其轉(zhuǎn)換程序段為： MOV DX，200H MOV AL，83H ；送高8位數(shù)據(jù) OUT DX，AL MOV DX，201H MOV AL，0F0H ；送低4位數(shù)據(jù) OUT DX，AL MOV DX，202H OUT DX，AL ；12位數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 HLT第31頁(yè)，共77頁(yè)。2.3.3 D/A轉(zhuǎn)換模板 通常對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器而言，都只能完成一路數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。而實(shí)際的控制系統(tǒng)，往往需要將多路的數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬量。如前所述，總線式工控機(jī)中

16、的D/A轉(zhuǎn)換模板有單D/A結(jié)構(gòu)和多D/A結(jié)構(gòu)兩種。1D/A轉(zhuǎn)換模板的通用性 為了便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的使用，D/A轉(zhuǎn)換模板應(yīng)具有通用性，它主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：符合總線標(biāo)準(zhǔn)，可選接口地址以及可選輸出方式。第32頁(yè)，共77頁(yè)。符合總線標(biāo)準(zhǔn) 這里的總線是指計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu)，D/A轉(zhuǎn)換模板及其他所有電路模板都應(yīng)符合統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)，以便設(shè)計(jì)者在組合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件時(shí)，只需往總線插槽上插上選用的功能模板而無(wú)需連線，十分方便靈活。例如，STD總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定模板尺寸為165mm114mm，模板總線引腳共有56根，并詳細(xì)規(guī)定了每只引腳的功能。接口地址可選 一套控制系統(tǒng)往往需配置多塊功能模板，或者同一種功能模板可

17、能被組合在不同的系統(tǒng)中。因此，每塊模板應(yīng)具有接口地址的可選性。一般接口地址可由基址（或稱板址）和片址（或稱口址）組成，如圖2.20所示。第33頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.20 接口地址可選的譯碼電路 第34頁(yè)，共77頁(yè)。輸出方式可選 D/A轉(zhuǎn)換器輸出方式有電流輸出和電壓輸出兩類，而每一類又有多種情形。 在過(guò)程控制中，各自動(dòng)化裝置之間通常是采用010mA DC或420mA DC的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系。因此，D/A轉(zhuǎn)換器最常用的是這兩種信號(hào)范圍可選的電流輸出方式，如圖2.21所示。DAC0832輸出電流經(jīng)運(yùn)算放大器Al和A2變換成輸出電壓V2，再經(jīng)三級(jí)管T1和T2變換成輸出電流IOUT。當(dāng)短接柱KA的1

18、2短接時(shí)，通過(guò)調(diào)零點(diǎn)電位器W1和量程電位器W2，為外接負(fù)載RL提供010mA DC電流；當(dāng)KA的13短接時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)W1和W2，為RL提供 420mA DC電流。第35頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.21 D/A轉(zhuǎn)換的電流輸出 第36頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.22 D/A轉(zhuǎn)換的單/雙極性電壓輸出 第37頁(yè)，共77頁(yè)。2D/A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)舉例 前面討論了幾種典型的D/A轉(zhuǎn)換器、接口電路以及通用性等問(wèn)題，這就為D/A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。 硬件設(shè)計(jì)中一般并不需要復(fù)雜的電路參數(shù)計(jì)算，但需會(huì)查閱集成電路手冊(cè)，掌握各類芯片的外特性及其功能，以及與D/A轉(zhuǎn)換模板連接的CPU或計(jì)算機(jī)總線的功能及其特點(diǎn)。在硬件設(shè)計(jì)的

19、同時(shí)還必須考慮軟件的設(shè)計(jì)。D/A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)原則主要考慮以下幾點(diǎn)：安全可靠盡量選用性能好的元器件，并采用光電隔離技術(shù) 。性能價(jià)格比高 既要在性能上達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，又要在技術(shù)路線、芯片元件上降低成本。比如，在選擇集成電路芯片時(shí)，應(yīng)綜合考慮其轉(zhuǎn)換速度、精度、工作環(huán)境溫度和經(jīng)濟(jì)性等諸因素。 第38頁(yè)，共77頁(yè)。通用性 D/A 轉(zhuǎn)換模板應(yīng)符合總線標(biāo)準(zhǔn)，其接口地址及輸出方式應(yīng)具備可選性。 D/A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)步驟是：確定性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)電路原理圖，設(shè)計(jì)和制造印制線路板，最后焊接和調(diào)試電路板。其中，數(shù)字電路和模擬電路應(yīng)分別排列走線，盡量避免交叉，連線要盡量短。模擬地（AGND）和數(shù)字地（DGND）分別

20、走線，通常在總線引腳附近一點(diǎn)接地。光電隔離前后的電源線和地線要相互獨(dú)立。調(diào)試時(shí)，一般是先調(diào)數(shù)字電路部分，再調(diào)模擬電路部分，并按性能指標(biāo)逐項(xiàng)考核。圖2.23（a）、（b）給出了8路D/A轉(zhuǎn)換模板的結(jié)構(gòu)框圖和其中一路的電路原理圖。該模板由總線接口邏輯、8片DAC0832以及VI變換電路等組成。 其中每路的D/A轉(zhuǎn)換器均接為單級(jí)輸入工作方式，而且具有電壓、電流兩種可選的輸出方式。這里的VI變換電路與負(fù)載共電源，輸出電流IOUT=VCCR5。當(dāng)凡R5 = 500，VCC05V時(shí)，IOUT=010mA；當(dāng)R5250，VCC=15V時(shí)，IOUT=420mA。第39頁(yè)，共77頁(yè)。 8路 結(jié)構(gòu)圖 單路 原理圖

21、 第40頁(yè)，共77頁(yè)。2.4 模擬量輸入通道 2.4.1 模擬量輸入通道中的信號(hào)變換 模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換包含信號(hào)的采樣和量化兩個(gè)過(guò)程。 1信號(hào)的采樣 信號(hào)的采樣過(guò)程如圖2.24所示。執(zhí)行采樣動(dòng)作的是采樣器 （采樣開關(guān)）K，K每隔一個(gè)時(shí)間間隔T閉合一個(gè)時(shí)間。T稱為 采樣周期，稱為采樣寬度。時(shí)間和幅值上均連續(xù)的模擬信 號(hào)y（t）通過(guò)采樣器后，被變換為時(shí)間上離散的采樣信號(hào)y* （t）。模擬信號(hào)到采樣信號(hào)的變換過(guò)程稱為采樣過(guò)程或離散 過(guò)程。 第41頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.24 信號(hào)的采樣過(guò)程 第42頁(yè)，共77頁(yè)。 采樣信號(hào)y*（t）是否能如實(shí)地反映模擬信號(hào)y（t）的所有變化與特征呢？采樣定時(shí)指出：

22、如果模擬信號(hào)（包括噪聲干擾在內(nèi)）頻譜的最高頻率為fmax，只要按照采樣頻率f 2fmax進(jìn)行采樣，那么采樣信號(hào)y*（t）就能唯一地復(fù)現(xiàn)y（t）。采樣定理給出了y*（t）唯一地復(fù)現(xiàn)y（t）所必需地最低采樣頻率。實(shí)際應(yīng)用中，常取f （510）fmax。2信號(hào)的量化 采樣信號(hào)在時(shí)間軸上是離散的，但在函數(shù)軸上仍然是連續(xù)的，因?yàn)檫B續(xù)信號(hào)y（t）幅值上的變化，也反映在采樣信號(hào)y*（t）上。所以，采樣信號(hào)仍不能進(jìn)入微機(jī)。微機(jī)只能接受在時(shí)間上離散、幅值上變化也不連續(xù)的數(shù)字信號(hào)。 將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為量化過(guò)程，執(zhí)行量化動(dòng)作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。字長(zhǎng)為n的A/D轉(zhuǎn)換器把yminymax 范圍內(nèi)變化的

23、采樣信號(hào)，變換為數(shù)字02n1，其最低有效位（LSB）所對(duì)應(yīng)的模擬量q稱為量化單位。第43頁(yè)，共77頁(yè)。 量化過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)用q去度量采樣值幅值高低的小數(shù)歸整過(guò)程，如同人們用單位長(zhǎng)度（毫米或其它）去度量人的身高一樣。由于量化過(guò)程是一個(gè)小數(shù)歸整過(guò)程，因而存在量化誤差，量化誤差為1/2q。例如，q=20mV時(shí)，量化誤差為10Mv，0.9901.009V范圍內(nèi)的采樣值，其量化結(jié)果是相同的，都是數(shù)字50。 在A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)n足夠長(zhǎng)時(shí)，整量化誤差足夠小，可以認(rèn)為數(shù)字信號(hào)近似于采樣信號(hào)。在這種假設(shè)下，數(shù)字系統(tǒng)便可沿用采樣系統(tǒng)理論分析、設(shè)計(jì)。 2.4.2 A/D轉(zhuǎn)換器1主要技術(shù)指標(biāo) A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬

24、量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個(gè)模擬量泛指電壓、電阻、電流、時(shí)間等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而言的。第44頁(yè)，共77頁(yè)。A/D轉(zhuǎn)換器常用以下幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其質(zhì)量水平。 分辨率 分辨率是衡量A/D轉(zhuǎn)換器分辨輸入模擬量最小變化程度的技術(shù)指標(biāo)。分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)n（字長(zhǎng)）來(lái)表示，如8位、12位、16位等。分辨率為n位，表示它能對(duì)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(duì)應(yīng)于滿量程輸入的1/2n。若n=8，滿量程輸入為5.12V，則LSB對(duì)應(yīng)于模擬電壓5.12V/2820mV。 轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。第45頁(yè)，共7

25、7頁(yè)。 線性誤差 線性誤差是指A/D轉(zhuǎn)換器的理想轉(zhuǎn)換特性（量化特性）應(yīng)該是線性的，但實(shí)際轉(zhuǎn)換特性并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏移理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。線性誤差通常用LSB的分?jǐn)?shù)表示，如1/2 LSB或1 LSB。A/D轉(zhuǎn)換器的種類繁多，常見的A/D轉(zhuǎn)換器主要有逐次逼近式、積分式、并行式等。 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換精度比較適中，轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在us級(jí)，轉(zhuǎn)換精度一般在0.1上下，適用于一般場(chǎng)合。 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器的核心部件是積分器，因此速度較慢，其轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在ms級(jí)或更長(zhǎng)。但抗干擾性能強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.01或更高。適于在數(shù)字電壓表類儀器中采用。 并行式又稱

26、閃爍式，由于采用并行比較，因而轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到很高，其轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)ns級(jí)，但抗干擾性能較差，由于工藝限置，其分辨率一般不高于8位。這類A/D轉(zhuǎn)換器可用于數(shù)字示波器等要求轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中。第46頁(yè)，共77頁(yè)。2A/D轉(zhuǎn)換原理逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器第47頁(yè)，共77頁(yè)。 2.4.3 常用A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)18位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 ADC0809是一種帶有8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us左右，線性誤差為L(zhǎng)SB，其結(jié)構(gòu)如圖2.28所示。第48頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.28 ADC0809的邏輯框圖 第49頁(yè)，共77

27、頁(yè)。t DATAOUT ALE C.B.A START EOC OE DO70 圖2.29 ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序第50頁(yè)，共77頁(yè)。第51頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.30 AD574A的原理結(jié)構(gòu) 第52頁(yè)，共77頁(yè)。 AD574A由12位A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、三態(tài)輸出鎖存緩沖器、10V基準(zhǔn)電壓源4部分構(gòu)成。 12位A/D轉(zhuǎn)換器 這個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入可以是單極性的，也可以是雙極性的。單極性應(yīng)用時(shí)，將BIPOFF接0V，雙極性時(shí)接10V。量程可以是10V，也可以是20V。輸入信號(hào)在10V范圍內(nèi)變化時(shí)，將輸入信號(hào)接至10VIN；在20V范圍內(nèi)變化時(shí)，接至20VIN。量程為10V和20V時(shí)

28、，AD574A的量化單位分別為10V/212和20V/212。模擬輸入信號(hào)的編程： 圖2.31是AD574A的單、雙極性應(yīng)用時(shí)的線路連接方法，以及零點(diǎn)和滿度調(diào)整方法。引腳單級(jí)性雙級(jí)性BIPOFF0V10V10VIN010V-5V+5V20VIN020V-10V+10V第53頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.31 AD574A的輸入信號(hào)連接方法 （a）單極性 （b）雙極性 第54頁(yè)，共77頁(yè)。三態(tài)輸出鎖存緩沖器 該緩沖器用于存放12位轉(zhuǎn)換結(jié)果D（D=0212-1）。D的輸出方式有兩種，引腳12/ 8=1時(shí)，D的D11D0并行輸出；12/ 8 =0時(shí)，D的高8位D11D4與D3D0分時(shí)輸出?？刂七壿?控制邏輯

29、的任務(wù)包含：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換、控制轉(zhuǎn)換過(guò)程和控制轉(zhuǎn)換結(jié)果D的輸出。有關(guān)控制信號(hào)的作用如下表。CE、CS均為片選信號(hào)，R/C為讀/啟動(dòng)控制信號(hào)。啟動(dòng)與讀操作時(shí)序如圖2.32所示。第55頁(yè)，共77頁(yè)。第56頁(yè)，共77頁(yè)。2.4.4 A/D轉(zhuǎn)換模板 A/D轉(zhuǎn)換模板一般由多路開關(guān)、數(shù)據(jù)放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器及接口電路組成。A/D轉(zhuǎn)換模板同D/A轉(zhuǎn)換模板一樣，應(yīng)具有通用性，且必須符合總線標(biāo)準(zhǔn)，接口地址可選，輸入方式可選，有時(shí)還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)放大器的增益可選。下面將對(duì)有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行討論。1多路開關(guān) 多路開關(guān)在模擬量輸入通道中的作用是實(shí)現(xiàn)n選一操作，即利用多路開關(guān)將n路輸入依次地（或隨機(jī)地）切換到后級(jí)。切換過(guò)程

30、是在CPU控制下完成的（也可以用其它控制邏輯實(shí)現(xiàn)）。微機(jī)控制系統(tǒng)中多采用集成電路多路開關(guān)，圖2.36是常用的集成多路開關(guān)CD4051的結(jié)構(gòu)原理。 第57頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.36 CD4051的結(jié)構(gòu)原理 第58頁(yè)，共77頁(yè)。2采樣保持器 A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程（即采樣信號(hào)量化過(guò)程）需要時(shí)間，這個(gè)時(shí)間稱為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。在A/D轉(zhuǎn)換期間，如果輸入信號(hào)變化較大，就會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差。所以，一般情況下采樣信號(hào)都不直接送至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，還需加保持器作信號(hào)保持。保持器把 t=kT時(shí)刻的采樣值保持到A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束。T為采樣周期，k=0，1，2，.為采樣序號(hào)。 采樣保持器的基本組成電路如圖2.37（a）所示，由輸

31、入輸出緩沖器A1、A2和采樣開關(guān)K、保持電容CH等組成。采樣時(shí)，K閉合，VIN通過(guò)A1對(duì)CH快速充電，VOUT跟隨VIN；保持期間，K 斷開，由于A2 的輸入阻抗很高，理想情況下VOUT = VC 保持不變。采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，保證A/D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。采樣保持器的工作波形見圖2.37（b）。第59頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2-37 采樣保持器 (a) 原理電路 (b) 工作波 第60頁(yè)，共77頁(yè)。 常用的集成采樣保持器有LF198/298/398、AD582等，其原理結(jié)構(gòu)如圖2.38（a）、（b）所示。采用TTL邏輯電平控制采樣和保持。LF198的采樣控制電平為“1

32、”，保持電平為“0”，AD582相反。OFFSET用于零位調(diào)整。保持電容CH通常是外接的，其取值與采樣頻率和精度有關(guān)，常選5101000pF。減小CH可提高采樣頻率，但會(huì)降低精度。一般選用聚苯乙稀、聚四氟乙稀等高質(zhì)量電容器作CH。 選擇采樣保持器的主要因素有，獲取時(shí)間、電壓下降率等。LF198的CH取為0.01F時(shí)，信號(hào)達(dá)到0.01精度所需的獲取時(shí)間（采樣時(shí)間）為25s ，保持期間的輸出電壓下降率為每秒3V。若A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s， 轉(zhuǎn)換期間保持器輸出電壓下降約300V 。當(dāng)被測(cè)信號(hào)變化緩慢時(shí)，若A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間足夠短，可以不加采樣保持器 第61頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.38 集成

33、采樣保持器的原理結(jié)構(gòu) （a）AD582 （b）LF198/298/398 第62頁(yè)，共77頁(yè)。3A/D轉(zhuǎn)換模板舉例 圖2.39是一種8通道模擬輸入板。它由2片多路開關(guān)CD4051（8路）、采樣保持器LF398、12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A、儀用放大器AD625和接口電路8255A等組成。第63頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.39 8路A/D轉(zhuǎn)換模板 第64頁(yè)，共77頁(yè)。該模擬輸入板的主要技術(shù)指標(biāo)如下： 分辨率 12位 通道數(shù) 雙端8路 輸入量程 單極性 010V 雙極性-5V+5V 轉(zhuǎn)換時(shí)間 （A/D）25s 線路誤差 不大于 0.02% 應(yīng)答方式 查詢第65頁(yè)，共77頁(yè)。該模板采集一個(gè)數(shù)據(jù)的過(guò)程如下

34、： 通道選擇 目的通道號(hào)寫入端口C低4位，使LF398對(duì)目的通道采樣 （LF398的工作狀態(tài)受AD574A的STS控制，AD574未轉(zhuǎn)換期間 STS=0，LF398處于采樣狀態(tài)）。 啟動(dòng)AD574A轉(zhuǎn)換 通過(guò)PC6PC4輸出控制信號(hào)啟動(dòng)AD574A。 查詢AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束 讀端口A，了解STS是否已由高電平變?yōu)榈碗娖健?讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果 讀8255A端口A、B，便可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。第66頁(yè)，共77頁(yè)。2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采用小型機(jī)或微型機(jī)構(gòu)成。以微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用單總線結(jié)構(gòu)，目前比較流行的總線有STD總線、S100總線、MULTIBUS總線、IBM

35、-PC總線等。它的主要特點(diǎn)是： 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，能夠滿足中、小規(guī)模數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)的要求； 微型計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境的要求不太高，能夠在比較惡劣的環(huán)境 下工作； 微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格低廉，可降低數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的投資，即 使是比較小的系統(tǒng)，也可以采用它； 采用微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以作為分布式數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的一個(gè)基本組成部分進(jìn)一步擴(kuò)充； 微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用有比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，各種I/O模板及應(yīng)用 軟件都比較齊全，便于使用，便于維修。第67頁(yè)，共77頁(yè)。2.5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及基本功能 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DAS（Data Acquisition System）, 微型計(jì)算機(jī)與DAS相配合可以完成各

36、種測(cè)量任務(wù)，并具有很強(qiáng)的通用性。目前已有許多與各種微機(jī)系統(tǒng)相匹配的DAS插件板問(wèn)世。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有了較大的變化，但其基本工作過(guò)程及基本組成仍保持不變。圖2.40給出了一個(gè)典型的DAS的基本結(jié)構(gòu)圖。第68頁(yè)，共77頁(yè)。 圖2.40 DAS的基本結(jié)構(gòu)圖 第69頁(yè)，共77頁(yè)。 圖中的多路開關(guān)、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成了DAS的數(shù)據(jù)輸入通道，多路模擬輸入信號(hào)經(jīng)多路開關(guān)依次接通并順序輸入，再經(jīng)放大及濾波后被采樣/保持器（S/H）采樣并保持，使輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量在保持時(shí)間內(nèi)恒定，以保證A/D轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量可經(jīng)三態(tài)門送入總線，以便由微型計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖中的D/A轉(zhuǎn)換器、多路分配器、采樣/保持器等構(gòu)成了DAS的數(shù)據(jù)輸出通道，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)微機(jī)處理后通過(guò)鎖存器送到D/A轉(zhuǎn)換器，然后再在多路分配器的作用下依次輸出。為了保持輸出量的連續(xù)性，各路也要接入采樣/保持電路。由此可見，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集工作過(guò)程大致可分為三步：第70頁(yè)，共77頁(yè)。1數(shù)據(jù)采集 被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波，A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。這里要考慮干擾抑制、帶通選擇、轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度、采樣/保持及計(jì)算機(jī)接口等問(wèn)題。2數(shù)據(jù)處理 由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)不同的要求對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。3結(jié)果處理 將數(shù)據(jù)處理后的