第二章過程通道設(shè)計方法

2023/2/51第2章計算機控制系統(tǒng)

過程通道設(shè)計方法第二講-第四講2023/2/52

過程輸入輸出通道由模擬量輸入輸出通道(AI,AO)和數(shù)字量輸入輸出通道(DI,DO)組成。過程輸入輸出通道在微型計算機和工業(yè)生產(chǎn)過程之間起著信號傳遞與變換的紐帶作用。第二講2023/2/532.1數(shù)字量過程通道的設(shè)計方法 2.2模擬量輸入通道設(shè)計方法 2.3模擬量輸出通道設(shè)計方法 2.4小結(jié)

信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)2023/2/542.1數(shù)字量過程通道的設(shè)計方法

數(shù)字量(開關(guān)量)：用“0”和“1”兩個量進行描述，如電動機的啟動和停止，繼電器的吸合與釋放，指示燈的亮和滅等。數(shù)字量過程通道分為數(shù)字量輸入通道(DI)和數(shù)字量輸出通道(DO)。信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.1.1數(shù)字量輸入通道設(shè)計方法

2.1.2數(shù)字量輸出通道設(shè)計方法山東科技大學(xué)2023/2/552.1.1數(shù)字量輸入通道設(shè)計方法數(shù)字量輸入通道，主要用于將生產(chǎn)過程中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠接收的形式。設(shè)計時注意兩個問題：(1)輸入電平的形式。由于數(shù)字量輸入電平一般與計算機的接口電平不同，需要進行電平變換。(2)使通道具備抗噪聲的能力，防止噪聲引發(fā)誤動作。

為了將外部開關(guān)量信號輸入到計算機，必須將現(xiàn)場輸入的狀態(tài)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計算機能接收的邏輯信號，這個過程稱為信號調(diào)理。(電平變換和噪聲抑制過程稱為信號調(diào)理。)信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)2023/2/56信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)輸

入調(diào)

理電

路輸

入緩

沖器地址譯碼器生產(chǎn)過程PC總線數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)山東科技大學(xué)2023/2/57信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字量輸入的三種形態(tài)山東科技大學(xué)輸入調(diào)理電路設(shè)計的好壞直接影響系統(tǒng)的性能2023/2/58信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)三態(tài)門緩沖器74LS244可用來隔離輸入和輸出線路，在兩者之間起緩沖、加強作用?？捎萌缦轮噶顏硗瓿扇?shù)

MOVDX，PROTINAL，DX三態(tài)門緩沖器74LS244山東科技大學(xué)2023/2/591.外部的開關(guān)信號及邏輯電平信號調(diào)理電路直接分壓:對數(shù)字量的電壓信號進行衰減。開關(guān)信號系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)在電氣上沒有隔離，開關(guān)信號系統(tǒng)的電氣噪聲容易進入計算機系統(tǒng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至損壞的情況。故設(shè)計中很少采用這種方式。信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)UU’山東科技大學(xué)2023/2/510來自外部的開關(guān)信號及邏輯電平信號有三種形式：空接點—繼電器的輔助觸點帶直流電壓接點帶交流電壓接點(2)直流接點信號輸入電路

信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)尖峰電路穩(wěn)壓電路“0”山東科技大學(xué)歸于限流2023/2/511(3)交流接點信號輸入電路信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)交流輸入電路保護整流橋濾波電路交流信號→直流信號“0”2023/2/5122.數(shù)字脈沖信號輸入調(diào)理電路-計脈沖個數(shù)信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)選擇不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管來調(diào)節(jié)輸出矩形波的占空比2023/2/5133.系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)(小功率輸入調(diào)理電路)

信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)采用積分電路消除開關(guān)抖動山東科技大學(xué)2023/2/514

采用R-S觸發(fā)器消除開關(guān)兩次反跳012023/2/5152.1.2數(shù)字量輸出通道設(shè)計方法

數(shù)字量輸出通道用于將計算機輸出的數(shù)字量信號進行轉(zhuǎn)換，以達到能夠驅(qū)動被控對象動作的目的。在對開關(guān)功率進行匹配設(shè)計的同時，應(yīng)考慮內(nèi)部與外部公共地的隔離。2023/2/516輸

出驅(qū)

動器輸

出鎖

存器地址譯碼器生產(chǎn)過程PC總線數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)2023/2/517可用以下指令完成數(shù)據(jù)輸出控制。

MOVAL，DATAMOVDX，PROTOUTDX，AL鎖存器74LS273利用IOW上升沿鎖存2023/2/5181.小功率開關(guān)輸出電路00112023/2/5192.中功率晶體管驅(qū)動電路續(xù)流二極管限流繼電器線圈2023/2/520信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)3.(電磁)繼電器輸出接口電路弱電控制強電1缺點？山東科技大學(xué)機械式觸點2023/2/521信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)4.(雙向)晶閘管輸出電路山東科技大學(xué)無觸點開關(guān)廣泛應(yīng)用與交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中。2023/2/522信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)5.固態(tài)繼電器輸出接口電路零交叉電路在交流電過零時產(chǎn)生觸發(fā)信號，減少干擾。山東科技大學(xué)無觸點開關(guān)2023/2/523

輸入調(diào)理電路和輸出驅(qū)動電路屬于I/O電氣轉(zhuǎn)換部分，其主要功能是：

濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離、功率驅(qū)動等。

所采用的一般方法為：信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)

用齊納二極管或壓敏電阻將瞬態(tài)尖峰箝位在安全電平上；串聯(lián)一個二極管來防止反電壓輸入；用限流電阻齊納二極管構(gòu)成穩(wěn)壓電路做過電壓保護；用光電隔離實現(xiàn)信號完全隔離；用RC濾波器抑制干擾。山東科技大學(xué)2023/2/5242.1數(shù)字量過程通道的設(shè)計方法

2.2模擬量輸入通道設(shè)計方法

2.3模擬量輸出通道設(shè)計方法 2.4小結(jié)

信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)第三講2023/2/525信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.2模擬量輸入通道設(shè)計方法

模擬量輸入通道的任務(wù)：完成模擬量信號到數(shù)字量信號的轉(zhuǎn)換。2.2.1模擬量輸入通道的組成

2.2.2I/V變換、多路開關(guān)、儀用放大器及采樣保持器

2.2.3模擬量輸入通道的設(shè)計

山東科技大學(xué)2023/2/526信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.2.1模擬量輸入通道的組成

AI通道的任務(wù)是把生產(chǎn)現(xiàn)場被控對象(如溫度、壓力、流量、液位、電流、電壓、成分等)模擬量信號轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字量信號。模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成圖4-20mA1-5V山東科技大學(xué)2023/2/527信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.2.2I/V變換、多路開關(guān)、儀用放大器及采樣保持器

在設(shè)計離散系統(tǒng)時，香農(nóng)采樣定理是必須嚴格遵守的一條準則，它指明了從采樣信號中不失真地復(fù)現(xiàn)原來連續(xù)信號的最低采樣頻率。香農(nóng)定理：設(shè)輸入信號的頻率分量為，采樣頻率為，則要從采樣信號中完整地復(fù)現(xiàn)信號，則必須滿足：。山東科技大學(xué)2023/2/528信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)I/V變換傳感器和變送器輸出的信號為1~5V或4~20mA，而A/D轉(zhuǎn)換器所接收的模擬信號為0~10V或0~5V。思考：(1)DDZ-II型與DDZ-III型電動單元組合儀表的區(qū)別？

(2)DDZ-III型電動儀表為何在控制室使用電壓傳輸，在現(xiàn)場與控制室間使用電流傳輸？⑴4～20mA電流信號適用在現(xiàn)場與控制室之間遠距離傳輸，可以避免傳輸導(dǎo)線上的壓降損失引起的誤差。

⑵1～5V電壓信號適于控制室內(nèi)短距離聯(lián)絡(luò)，儀表之間可以并聯(lián)連接，便于儀表安裝和維修。山東科技大學(xué)2023/2/529信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)為什么選取這樣的標準信號？30V電壓，30mA電流所引起的火花能量足以達到危險氣體燃點的平均下限，因此多數(shù)儀表采用24V供電，為了留有余量，電流信號上限定為20mA。(b)為了區(qū)分無信號和信號為零，信號起始值不為零。(c)兩線制儀表在信號為零時仍需要一定的能量供應(yīng)。(d)4-20mA電流作用在250Ω電阻上剛好得到電壓1-5V。山東科技大學(xué)2023/2/530無源I/V變換信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)

輸入輸出0~10mA

0~5V4~20mA

1~5V精密電阻限幅山東科技大學(xué)2023/2/531信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(2)有源I/V變換A-+R5R4R3R2R1CIV

輸入輸出0~10mA

0~5V4~20mA

1~5V為何選用運算放大器？精密電阻山東科技大學(xué)2023/2/532信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(3)專用I/V轉(zhuǎn)換電路sRsRWW7575Reference+10VRCV420-in4mA～20mA+in16V+1358710ReffB111415RcvfB12RefinRcvOutRefOut321Fm1Fm+-+-+-+-Rcv公共Rev公共CrVO(0V～5V)RefNoiseReductionRefTrim3Im4V-山東科技大學(xué)2023/2/533信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.多路開關(guān)(多選一)CD4051原理圖山東科技大學(xué)CMOS的模擬開關(guān)電路：通過數(shù)字量來控制傳輸門(TG)的接通和斷開以傳輸數(shù)字信號或模擬信號2023/2/534信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)CD4051結(jié)構(gòu)原理圖

并非實際的開關(guān)，而是CMOS的模擬開關(guān)，若VEE，VSS的電壓匹配不足，開關(guān)就相當(dāng)于一個大內(nèi)阻山東科技大學(xué)2023/2/535信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)CD4051真值表山東科技大學(xué)山東科技大學(xué)2023/2/536信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)補：擴展電路當(dāng)采樣通道多至16路時，可直接選用16路模擬開關(guān)的芯片，也可以將2個8路4051并聯(lián)起來，組成1個單端的16路開關(guān)。

2023/2/537信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)3.測量放大器

在實際工程中，傳感器或變送器輸出的模擬信號一般較弱，故需要將其放大以達到A/D轉(zhuǎn)換所需的量程范圍。運算放大器：具有毫伏級的失調(diào)電壓和溫漂放大器測量放大器：高輸入阻抗、低輸出阻抗，低溫漂，低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益，抗共模干擾能力強

常用的測量放大器為AD521，AD522等。山東科技大學(xué)2023/2/538信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)

AD521基本連接方法山東科技大學(xué)2023/2/539

來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號往往帶有較大的共模干擾，而單個運放電路的差動輸入端難以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中常采用由一組運放構(gòu)成的測量放大器，也稱儀表放大器。信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)2023/2/540信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(a)經(jīng)典測量放大器(AD521結(jié)構(gòu)圖)山東科技大學(xué)調(diào)整放大器增益可抑制共模干擾2023/2/541信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(b)可變增益放大器山東科技大學(xué)2023/2/542信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)4.采樣保持器

當(dāng)某一通道進行A/D轉(zhuǎn)換時，由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，如果輸入信號變化較快，就會引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器。采樣保持器的作用是在兩次采樣的間隔時間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻。山東科技大學(xué)2023/2/543信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)

如圖所示，它有兩種工作狀態(tài)，一種是采樣狀態(tài)，另一種是保持狀態(tài)。采樣保持器工作狀態(tài)時間上離散幅值上連續(xù)離散模擬信號山東科技大學(xué)2023/2/544

對于同步系統(tǒng)，幾個并聯(lián)的參量均取自同一瞬時，如電力系統(tǒng)監(jiān)控中的功率計算，就是同一時刻的交流電流和電壓值。而各參數(shù)要共享一個A/D轉(zhuǎn)換器，就必須保持其信號直到本次A/D轉(zhuǎn)換全部完成。但轉(zhuǎn)換完成后，又要求A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號能夠隨模擬量的變換而變化。最常用的采樣保持器有AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389、ADSHC-85，以及國家半導(dǎo)體公司的LF198/298/398。信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)2023/2/545信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)常用術(shù)語：采樣器或采樣開關(guān)--執(zhí)行采樣動作的裝置，采樣時間或采樣寬度τ--采樣開關(guān)每次閉合的時間采樣周期T--采樣開關(guān)每次通斷的時間間隔在實際系統(tǒng)中，，也就是說，可以近似地認為采樣信號y*(t)是y(t)在采樣開關(guān)閉合時的瞬時值。數(shù)據(jù)采樣過程山東科技大學(xué)2023/2/546X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a)采樣開關(guān)(b)連續(xù)信號(c)開關(guān)函數(shù)信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)2023/2/547X*(t)kT05T3TT7T1調(diào)制器X(t)X*(t)P(t)(d)采樣信號(e)采樣過程x*(t)=p(t)x(t)因，所以分析時可近似認為，以單位脈沖函數(shù)來代替p(t)。信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)2023/2/548單位脈沖序列：δT(t)kT0數(shù)學(xué)表達式：單位脈沖函數(shù)定義：信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)理論表達形式：工程表達形式：山東科技大學(xué)2023/2/549信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)采樣過程數(shù)學(xué)描述:考慮物理上可實現(xiàn)，又可近似為：思考：為何可以這樣地近似表示？？可見，具有離散信號的特性。山東科技大學(xué)2023/2/550信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)采樣保持器采樣保持器結(jié)構(gòu)圖山東科技大學(xué)2023/2/551信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)零階保持器山東科技大學(xué)2023/2/552信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.2.3模擬量輸入通道的設(shè)計

模擬量輸入通道中主要器件就是A/D轉(zhuǎn)換器。設(shè)計穩(wěn)定、優(yōu)良的模擬量輸入通道的基礎(chǔ)：了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理和外部特性。模擬量輸入通道設(shè)計過程中需要主要解決的問題：A/D轉(zhuǎn)換器與計算機的接口及其程序設(shè)計。山東科技大學(xué)2023/2/553信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)1.A/D轉(zhuǎn)換器常見結(jié)構(gòu)：逐次逼近寄存器

雙積分△-∑

高速流水線山東科技大學(xué)逐次逼近式速度為雙積分式的100倍以上精度高于16位√2023/2/554信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(1)逐次逼近寄存器式A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理山東科技大學(xué)比較器優(yōu)點：轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時間固定缺點：抗干擾能力差2023/2/555信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(2)A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標及術(shù)語

分辨率(Resolution)

量化誤差(Quantizingerror)

線性度(Linearity)

轉(zhuǎn)換精度(ConversionAccuracy)

絕對精度相對精度轉(zhuǎn)換時間(ConversionTime)山東科技大學(xué)2023/2/556信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(3)常見A/D轉(zhuǎn)換器及其外特性

由于逐次近似寄存器式轉(zhuǎn)換方式的快速性，因此在普通A/D元件市場上有相當(dāng)多的是采用該方法，如

8位的ADC0801、0804、0808、0809；

10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；

12位的AD574、AD578、AD7582。

山東科技大學(xué)2023/2/557信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.A/D轉(zhuǎn)換器接口及程序設(shè)計

在模擬量輸入通道設(shè)計中，A/D轉(zhuǎn)換器與計算機的連接(硬件設(shè)計)及程序設(shè)計(軟件設(shè)計)是其重要組成部分。(1)A/D轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)①模擬量輸入與數(shù)字量輸出的連接②A/D轉(zhuǎn)換器的啟動③A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)束信號的處理(2)A/D轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計①如何啟動A/D轉(zhuǎn)換②如何判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束③如何讀取并存放轉(zhuǎn)換結(jié)果山東科技大學(xué)2023/2/558信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)①并行A/D轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用(ADC0809)8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率8位，精度7位

8個模擬量輸入通道通道地址譯碼鎖存器輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器啟動方式為脈沖啟動輸入電壓范圍為0~5V山東科技大學(xué)2023/2/559信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳山東科技大學(xué)2023/2/560信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)各引腳功能如下：

IN0～IN7：8路模擬量輸入端。允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。上升沿時鎖存3位通道選擇信號。C、B、A：3位地址線即模擬量通道選擇線。START：啟動A/D轉(zhuǎn)換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0～D7：8位數(shù)字量輸出。D0為最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機數(shù)據(jù)總線直接相連。CLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時，A/D轉(zhuǎn)換時間為100s。VR+，VR-：基準電壓源正、負端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作電源，5VDC。GND：電源地。山東科技大學(xué)2023/2/561信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)ADC0809的轉(zhuǎn)換時序地址鎖存，譯碼選通模擬開關(guān)的某一路啟動A/D轉(zhuǎn)換內(nèi)部清零A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果山東科技大學(xué)2023/2/562信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)ADC0809的工作過程是：首先ALE的上升沿將輸入的3位地址(C,B,A)存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到A/D轉(zhuǎn)換器。START上升沿將SAR復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，此時EOC輸出信號變低電平，指示轉(zhuǎn)換正在進行，直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。山東科技大學(xué)2023/2/563信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)ADC0809與8031采用查詢方式的接口電路山東科技大學(xué)濾除低頻干擾濾除高頻干擾2023/2/564信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)

下面的程序是采用查詢方式，分別對8路模擬信號輪流采樣一次，并依次把結(jié)果轉(zhuǎn)存到內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)的采樣存儲程序。

ORG8000HSTART：MOVR1,#DATA；置數(shù)據(jù)區(qū)地址指針

MOVDPTH,#0DFH；P2.5=0MOVDPTL,#80H；指向模擬通道0MOVR7,#08H；置通道數(shù)LP1:MOVX@DPTR，A；所存模擬通道地址，啟動A/D轉(zhuǎn)換LP2:MOVC,P1.0；讀EOC狀態(tài)

JNCLP2；非1，循環(huán)等待

MOVXA，@DPTR；讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOV@R1，A；存結(jié)果

INCR1；調(diào)整數(shù)據(jù)區(qū)指針

INCDPTR；模擬量通道加1DJNZR7,LP1；8個通道全采樣完否？未完繼續(xù)RET；返回山東科技大學(xué)2023/2/565信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)②串行A/D轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用(TLC2543)TLC2543是TI公司生產(chǎn)的12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。它具有三個控制輸入端，采用簡單的3線SPI串行接口可方便地與微機進行連接。P1.0P1.1P1.2P1.38031TLC2543I/OCLOCKDATAINPUTDATAOUTPUTCS接口電路：TLC2543與8031單片機接口原理圖山東科技大學(xué)2023/2/566信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)3.模擬量輸入模塊(ADAM-4017+)8路差分輸入、16位分辨率采樣速度快、輸入信號范圍廣、輸入阻抗高輸入電壓或電流形式的模擬信號采用RS-485總線輸出形式，傳送距離最遠可達1200m

支持8路差分輸入信號，支持Modbus協(xié)議增加了4~20mA的輸入范圍山東科技大學(xué)2023/2/5672.1數(shù)字量過程通道的設(shè)計方法

2.2模擬量輸入通道設(shè)計方法 2.3模擬量輸出通道設(shè)計方法

2.4小結(jié)

信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)第四講2023/2/568信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.3模擬量輸出通道設(shè)計方法

模擬量輸出通道的任務(wù)：將計算機處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號可能是電壓或電流信號。這些轉(zhuǎn)換后的信號送入執(zhí)行機構(gòu)，引起執(zhí)行機構(gòu)動作從而達到系統(tǒng)對被控對象調(diào)節(jié)的目的。2.3.1模擬量輸出通道的組成

2.3.2模擬量輸出通道的設(shè)計山東科技大學(xué)2023/2/569信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.3.1模擬量輸出通道的組成AO通道的任務(wù)是把經(jīng)過計算機或控制器處理得到的某些數(shù)據(jù)送回物理系統(tǒng)，對系統(tǒng)物理量進行調(diào)節(jié)和控制。

AO通道一般由接口電路、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路開關(guān)和電壓/電流(V/I)變換器等構(gòu)成。山東科技大學(xué)2023/2/570信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(a)每個通道單獨設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)圖特點：1.一路輸出通道使用一個D/A轉(zhuǎn)換器

2.D/A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部一般都帶有數(shù)據(jù)鎖存器

3.D/A轉(zhuǎn)換器具有數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模擬信號、信號保持作用

4.結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，精度較高、通道獨立

5.缺點是所需D/A轉(zhuǎn)換器芯片較多為何不需要多路開關(guān)？山東科技大學(xué)2023/2/571信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(b)多通道共享D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)特點：1.多路輸出通道共用一個D/A轉(zhuǎn)換器

2.每一路通道都配有一個采樣保持放大器

3.D/A轉(zhuǎn)換器只起數(shù)字到模擬信號的轉(zhuǎn)換作用

4.采樣保持器實現(xiàn)模擬信號保持功能

5.節(jié)省D/A轉(zhuǎn)換器，但電路復(fù)雜，精度差，可靠低、占用主機時間

山東科技大學(xué)2023/2/572信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.3.2模擬量輸出通道的設(shè)計關(guān)鍵問題：D/A轉(zhuǎn)換器與計算機的接口(硬件設(shè)計)及其程序設(shè)計(軟件設(shè)計)1.D/A轉(zhuǎn)換器

將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出有電流和電壓兩種方式電壓輸出又有單極性和雙極性兩種方式山東科技大學(xué)2023/2/573信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(1)D/A轉(zhuǎn)換器的原理

D/A轉(zhuǎn)換器一般由基準電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)、運算放大器和模擬電子開關(guān)組成。其中核心是“解碼網(wǎng)絡(luò)”，常見有“權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)”和“T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)”。山東科技大學(xué)2023/2/574信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)①

權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)—4位D/A轉(zhuǎn)換器

可以把數(shù)字0000~1111B轉(zhuǎn)換成大小不同的電流，從而在運算放大器輸出端得到大小不同的電壓。權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖權(quán)電阻山東科技大學(xué)2023/2/575信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)②T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖運放輸出端的電壓通式為：山東科技大學(xué)2023/2/576信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(2)D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標

分辨率精度線性度轉(zhuǎn)換時間輸出方式：5~10V或20mA~3A山東科技大學(xué)2023/2/577信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)2.D/A轉(zhuǎn)換器接口及程序設(shè)計

一個D/A轉(zhuǎn)換器接口，必須根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇合適的D/A轉(zhuǎn)換芯片，通過外圍接口電路及器件，完成D/A轉(zhuǎn)換的信號處理。D/A轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)計算機與D/A轉(zhuǎn)換器一般是通過接口電路完成連接的。接口電路主要完成地址譯碼、產(chǎn)生控制信號等功能。需要考慮的問題如下：

①D/A轉(zhuǎn)換器中是否包含寄存器②D/A轉(zhuǎn)換器控制信號的連接(片選信號、寫信號、啟動信號)山東科技大學(xué)2023/2/578信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)(2)D/A轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計①并行D/A轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用(DAC0832)8位D/A轉(zhuǎn)換器帶兩個輸入鎖存，可直接與CPU或8031單片機相連以電流形式輸出；當(dāng)轉(zhuǎn)換為電壓輸出時，應(yīng)外接運算放大器數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式三種方法多芯片工作時，同步信號實現(xiàn)各模擬量的同時輸出同系列芯片還有DAC0830、DAC0831山東科技大學(xué)2023/2/579⑴單緩沖方式：單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時接收資料，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。⑵雙緩沖方式：雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情形。

⑶直通方式：直通方式是資料不經(jīng)兩級鎖存器鎖存，即CS，XFER，WR1，WR2均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路和不帶微機的控制系統(tǒng)，不過在使用時，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換。信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)山東科技大學(xué)2023/2/580信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)DAC0832結(jié)構(gòu)圖及引腳選通邏輯控制山東科技大學(xué)2023/2/581信息與電氣工程學(xué)院計算機控制系統(tǒng)各引腳功能如下：DI0-DI7：數(shù)據(jù)輸入，其中DI0為最低有效位LSB，DI7為最高有效位MSB。CS：片選信號，輸入，低電平有效。WR1：寫信號1，輸入，低電平有效。ILE：輸入允許鎖存信號，輸入，高電平有效

WR2：寫信號2，輸入，低電平有效。XFER(TransferControlSignal):傳送控制信號，輸入，低電平有效。Iout1：DAC電流輸出端1，一般作為運算放大器差動輸入信號之一。Iout2：DAC電流輸出端2，一般作為運算放大器另一個差動輸入信號。Rfb：固化在芯片內(nèi)的反饋電阻連接端，用于連接運算放大器的輸出端。Vref：基準電壓源端，輸入，10VDC~10VDC。VCC：工作電壓源端，輸入，5VDC~15VDC。AGND：模擬電路地DGND：數(shù)字電路地山東科技大學(xué)2023/2/582

當(dāng)ILE、CS和WR1同時有效時，8位輸入寄存器端為高電平“1”，此時寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D的電平變化；反之，當(dāng)LE1端為低電平“0”時，原D端輸入數(shù)據(jù)被鎖存于Q端，在此期間D端電平的變化不影響Q端。當(dāng)WR2和XFER同時有效時，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此時DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之，當(dāng)LE2端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC