第二章 輸入輸出接口和輸入輸出通道2-3

第四節(jié)I/O通道本節(jié)主要內(nèi)容：模擬、數(shù)字I/O通道的構成、功能和設計方法；D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇和使用方法；會設計常用的I/O通道。I/O通道是連接計算機和工業(yè)對象（生產(chǎn)過程或生產(chǎn)機械等）的必不可少的重要部分。I/O通道的分類：1.模擬量輸入通道2.模擬量輸出通道3.數(shù)字量輸入通道4.數(shù)字量輸出通道I/O通道的任務：將檢測器件測取的各種參量變換成計算機所能接受的信息形式送入計算機；計算機按某種算法計算后，又將其計算結果以數(shù)字量或轉(zhuǎn)換成模擬量的形式輸出至被控對象，以控制執(zhí)行機構動作。一、模擬量輸入通道模擬量輸入通道完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計算機的任務。由圖2-35可以看到，它主要由信號處理裝置、采樣單元、采樣保持器、數(shù)據(jù)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和控制電路等部分組成。（一）信號處理裝置一般包括標度變換器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等。標度變換器：把經(jīng)由各種傳感器得到的被測模擬信號轉(zhuǎn)成統(tǒng)一標準信號。標度變換器包含在變送器中，電路通常為電阻網(wǎng)絡或電橋。濾波：模擬濾波、數(shù)字濾波線性化處理，在硬件上可采用加負反饋放大器或采用線性化處理電路（如冷端補償）的辦法達到目的。軟件上可用計算機進行分段線性化數(shù)字處理的辦法。(二)采樣單元采樣單元也稱為多路轉(zhuǎn)換器或多路切換開關。作用：把已轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一電壓信號（0~40mV）的測量信號按序或隨機的接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放大器上。即：在模擬輸入通道中，借助采樣單元把多路模擬量分時接到A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了CPU對各路模擬量分時采集的目的。組成：開關矩陣及其邏輯控制電路組成。1.邏輯控制電路：在軟件或通道控制電路的控制下，保證以一定的速度和所要求的次序一個一個的選擇被測模擬信號的輸入。2.開關矩陣：由模擬開關構成。模擬開關：以某種方式接通或斷開模擬信號的元件或電路。要求：接通時，接觸電阻小，以減少開關壓降，精密傳送信號；斷開時，截止電阻極大，可靠的斷開與其它電路的聯(lián)系；動作速度快、驅(qū)動功率?。皇褂脡勖L。分類：

1.機械式觸點或開關，如干簧（或濕簧）繼電器、水銀繼電器等，其優(yōu)點：導電電阻小，開路電阻大，但響應速度比較慢，使用久了觸點不易清洗，易誤動作。多用于100～200點/s以下的采樣系統(tǒng)2.晶體管開關、場效應管開關和光電耦合開關。其優(yōu)點：開關速度快（可達1000點/s），使用壽命長，無機械磨損，接觸電阻低（一般小于100Ω）斷開電阻高（109Ω以上），已制成集成電路。有8通道，16通道，32通道，如CD4051、CD4052、LF11508、LF13508。CD4051原理框圖改變OUT/IN和IN/OUT的接法，可完成“多到一”或“一到多”的轉(zhuǎn)換。前者稱為多路開關，后者稱為多路調(diào)制器或多路解調(diào)器。直流供電電源VDD=+5V~+15V，輸入電壓UIN=0~VDD，能傳送的數(shù)字信號電位變化范圍位3~15V，模擬信號峰峰值15V。VEE接負電源時，正負模擬電壓均可通過。表2-9CD4051真值表輸入狀態(tài)INHCBA接通通道號CD4051輸入狀態(tài)接通通道號INHCBACD4051000000000101001110010111011100000#1#2#3#4#5#6#7#(三)采樣保持

在一般的A/D轉(zhuǎn)換電路中，由于輸入的模擬量變化頻率較高，而且A/D轉(zhuǎn)換速度又不是很高，以及多個過程參量輸入的情況下，僅僅靠A/D轉(zhuǎn)換器難以保證轉(zhuǎn)換的精度。這時候一般要在A/D轉(zhuǎn)換之前加上采樣保持器，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間保持輸入模擬信號不變。

采樣保持器的作用：保證模擬信號采樣的準確度?？讖綍r間：A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量總需要一定的時間，完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間。對于隨時間變化的模擬信號來說，孔徑時間決定了每一個采樣時刻的最大轉(zhuǎn)化誤差。0UttA/Dt1t0△U圖2-38由tA/D引起的不確定誤差電壓令正弦模擬信號 U=UmsinωtdUdt=Umω

cosωt=Um2πf

cosωt結論：對于一定的轉(zhuǎn)換時間，最大可能的誤差發(fā)生在信號過0的時刻Um為正弦模擬信號的幅值；f為信號頻率在坐標原點上dUdt=Um2πf

取△t=tA/D，則原點處轉(zhuǎn)換的不確定電壓誤差為△U=Um2πf

tA/D誤差的百分數(shù)σ=△U×100Um=2πf

tA/D×100例：一個10位的A/D轉(zhuǎn)換器，若要求轉(zhuǎn)換精度為0.1%，孔徑時間10μs，則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號的最大頻率為 f=0.12π×10×10-6×102s≈16Hz采樣保持電路組成：輸入緩沖放大器A1、模擬開關AS、模擬信號存儲電容CH、輸出緩沖放大器A2

+-A2-+A1輸入控制信號ASCH輸出采樣保持電路的兩個工作狀態(tài)：１采樣狀態(tài)：當模擬開關AS閉合時，進入采樣狀態(tài)２保持狀態(tài)：當模擬開關AS斷開時，進入保持狀態(tài)快速系統(tǒng)需要采樣保持電路：在模擬輸入通道中，只有在信號變化頻率較高而A/D轉(zhuǎn)換速度又不高，以致孔徑誤差影響轉(zhuǎn)換精度時，或者要求同時（還是有先有后）采樣多個過程參量的情況下，才需要設置采樣保持電路，對于石油、化工等變化緩慢的生產(chǎn)過程（一般信號頻率在1Hz之內(nèi)）只需要采樣單元，采樣保持電路是不必要的。（四）數(shù)據(jù)放大器

由采樣單元或采樣保持器輸出的被測電壓信號通常是0~40mV的弱信號，而A/D轉(zhuǎn)換器要求輸入電壓一般都是0~+5V、0~+10V、±5V、±10V。因此須經(jīng)放大器，從而提高輸出電平，實現(xiàn)阻抗匹配。或經(jīng)差分放大提高共模抑制比，然后才能送A/D轉(zhuǎn)換器。（五）A/D轉(zhuǎn)換器

在第六節(jié)專門介紹模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程可以劃分為采樣過程和量化過程。（一）采樣過程將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。二、采樣與量化采樣周期T采樣時間采樣時刻Shannon定理：ωs≥2ωmaxωmax為被采樣的輸入信號f(t)中所含最高頻率（角頻率）；ωs為采樣頻率（角頻率）；即當滿足采樣頻率大于或等于模擬輸入信號所含最高頻率的兩倍時，就可以通過理想的低通濾波器，由f*(t)完全恢復出f(t)。工程上，一般總?cè)嶋H采樣頻率ωs比2ωmax大[ωs≥（4～10）ωmax]，過程慣性越大，倍數(shù)可取得越大。（二）量化過程用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。量化單位：量化后二進制數(shù)的最低位所對應的模擬量的值

。量化誤差最大值為fmax和fmin分別為轉(zhuǎn)換信號的最大值和最小值i—轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)的位數(shù)例：模擬信號fmax=16V、fmin=0V，取i=4，則q=1V，量化誤差最大值emax=±=±0.5Vq2采樣時刻采樣值(V)量化值采樣時刻采樣值(V)量化值

0T4.901011T4.101002T7.510003T9.410015T11.210116T11.010117T8.810018T6.70111三、模擬量輸出通道功能：把計算機的運算結果（數(shù)字量）轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對執(zhí)行機構的控制動作。組成：D/A轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路切換開關、低通濾波電路和功放電路等。零階保持器定義：前一采樣時刻的輸出值原封不動的（理想化大）保持到下一采樣時刻到來。零階保持器的種類：

1.采用步進電動機帶動多圈電位器2.采用和模擬量輸入通道中的采樣保持器一樣的電容保持電路加輸出保持器后的輸出信號為階梯狀的模擬信號，必須經(jīng)濾波電路，使階梯變得平滑。有的執(zhí)行部件（電動機）能起濾波作用。

四、模擬量輸入輸出通道的工作過程分析五、數(shù)字量輸入輸出通道

1）TTL電平編碼數(shù)字

TTL電平的編碼數(shù)字—直接接到輸入端口上

可靠性要求很高的場合—加光電隔離電路

2）脈沖序列

頻率不高—軟件計數(shù)（查詢或中斷方式對輸入脈沖計數(shù)）

頻率高—外加硬件電路，用計數(shù)器/定時器8253，計數(shù)值隨時準確的讀入CPU

3）開關量

接通或斷開的信號（如按鈕、轉(zhuǎn)換開關、撥碼開關、繼電器或來自現(xiàn)場的行程開關）—先經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路，將觸點的通斷轉(zhuǎn)換成高電平或低電平，同時要考慮濾波，防觸頭抖動以及采用光電隔離或繼電器隔離等。(一）數(shù)字量輸入輸出通道開關量輸入電路一電平轉(zhuǎn)換及濾波電路：+5VS0.1μF5.1kΩ74LS0416S繼電器隔離及電平轉(zhuǎn)換電路：+5VK0.1μF5.1kΩ74LS0416KK+24VSK開關量輸入電路二開關量輸入電路三消除開關二次反跳觸發(fā)器電路：S5.1kΩ5.1kΩ74LS04+5VS&&開關量輸入電路四光電隔離及電平轉(zhuǎn)換電路：+5V+24VSS1.5kΩ1216151kΩ74LS0416TLP521-4141（二）數(shù)字量輸出通道數(shù)字信號種類：1.編碼數(shù)字（二進制或二—十進制）2.“1”或“0”的開關信號3.脈沖信號（步進電機）開關量輸出通常有：

1.TTL電平邏輯信號輸出2.電子無觸點開關輸出3.繼電器輸出開關量輸出電路a)TTL電平輸出+5V+5V