計(jì)算機(jī)控制課件第二章

第二章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的

I/O接口和I/O通道

本章要點(diǎn)

?1.I/O接口電路的功能和設(shè)計(jì)；

?2.I/O通道的類型及組成

?3.I/O通道的工作過程

?4.I/O通道的抗干擾措施

2.1I/O接口在系統(tǒng)中的應(yīng)用

廣1、數(shù)據(jù)格式的匹配

(1)并/串，串/并

(2)字/字節(jié)，字節(jié)/字

「(3)電平轉(zhuǎn)換

r2、速度匹配

廣輸入緩沖74LS244,輸出鎖存74LS273、74LS373

3、地址的分配和擴(kuò)展

，地址譯碼器74LS138,地址比較器74LS688

4、負(fù)載能力的擴(kuò)展

總線驅(qū)動(dòng)器74LS245

HS

2.2I/O接口的控制方式

ri,程序控制方式

r(1)無條件控制方式

r(2)條件查詢控制方式

/2、中斷方式

3、DMA控制方式

2.3I/O接口電路設(shè)計(jì)步驟及舉例

廠一、設(shè)計(jì)步驟

/1、分析外設(shè)和CPU數(shù)據(jù)交換的要求，進(jìn)

行功能分配。

廠2、統(tǒng)計(jì)信號(hào)類型、流向、數(shù)目

/3、硬件設(shè)計(jì)

「4、編程

5、調(diào)試

、常用的接口芯片

1、輸入緩沖器

/G使能端，低電平有效

rA輸入端

，丫輸出端

G=0,Y=A

2、輸出鎖存器

1

3

,ADOQO

DIQl

7

D2Q2；

8

D3Q3:

13

D4

14Q4

D5Q5

17

D6Q6J

18

D7Q7

1

MOE

11

LE

74S373

74LS273和74LS373的區(qū)別

r74LS273是帶公共時(shí)鐘復(fù)位八D觸發(fā)

器;74LS373是三態(tài)同相八D鎖存器

廠273與373的引腳排列是相同的，唯一的差別是

兩者1、11腳的功能不同.

r對273

(1),1腳是復(fù)位CLR/氐電平有效，當(dāng)1腳是低電

平時(shí)，輸出腳全部輸出0,即全部復(fù)位；

(2),當(dāng)1腳為高電平時(shí),11(CLK)腳是鎖存控制

端，并且是上升沿觸發(fā)鎖方，當(dāng)11腳有一個(gè)上升

沿，立即鎖存輸入腳的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)

在在屆出腳上.―一____

r對373:

（1）.1腳是輸出使能（OE）,是低電平有效,

當(dāng)1腳是高電平時(shí)（不管輸入如何，也不

管11腳（鎖存控制端,G）如何，輸出全部

呈現(xiàn)高誼狀態(tài)（或者叫停空狀態(tài)）；

（2）.當(dāng)1腳是低電平時(shí)，只要11腳（鎖存

掛制端,G）上出現(xiàn)一個(gè)下降沿，輸出立

即呈現(xiàn)輸入腳的狀態(tài).

u

所以加喋￡團(tuán)用乃和夕天

作為單片機(jī)的^址存器的

4話，

c

U

2

對7贊卑腳必須高

切n接

電F登合反相后

，於接以

腳區(qū)％機(jī)的信號(hào)

是

下第型弦

對7密腳低電平證

使接接單片

育匕機(jī)」

信號(hào)

3、雙向總線驅(qū)動(dòng)器

u?

i2A0B018

3A1B117

A2B216

5A3B315

4B4

、14

"7'A5B513

6B6

亙?nèi)?2

7B7

3A1T

＜：-E

DIR

74LS245

：

74LS245是我們常用的芯片，用來驅(qū)動(dòng).

fed或者其他的設(shè)備;74LSC45是8路同相三態(tài)

雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。

*74LS245還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸

出，也可以輸入數(shù)據(jù)。

*當(dāng)8051單片機(jī)的P0口總線負(fù)載達(dá)到或超過

P0最大負(fù)載能力時(shí)，必須接入74LS245等

總線驅(qū)動(dòng)器。

*當(dāng)片選端/CE低電平有效時(shí)，DIR—OL

信號(hào)由B向A傳輸；（接收）

*DIR="1L信號(hào)由A向B傳輸；（發(fā)送）

當(dāng)/CE為高電平時(shí)，ATB均為高同網(wǎng)一

4、地址譯

例1設(shè)74LS244地址為90H,74LS273或

74LS373地址為91H,設(shè)計(jì)硬件電路并編

寫控制程序，實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的輸入緩沖和

輸出鎖存。

例2設(shè)用1塊集成芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送,

設(shè)計(jì)硬件電路并編寫控制程序。

例3用74LS688和74LS138實(shí)現(xiàn)地址跳線功

能，選擇地址范圍為200-29FH。

例4用計(jì)算機(jī)控制一臺(tái)并行式打印機(jī)，設(shè)

計(jì)接口電路并編寫控制程序。

24I/O通道的組成及工作原理

/計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包含多種信號(hào)形式，因

此對應(yīng)包含了多種I/O通道。

I/O通道連接計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程，負(fù)責(zé)完

成數(shù)據(jù)的傳送。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的I/O通道按照數(shù)據(jù)流

向分為輸入通道和輸出通道。按照信號(hào)

類型分為模擬量通道和數(shù)字量通道。因

此一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中包括了

四種I/O通道。

2.4.1模擬量輸入通道

本節(jié)要點(diǎn)

1.模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成。

2.多路開關(guān)，前置放大、采樣保持等各環(huán)節(jié)

的功能作用。

3.A/D轉(zhuǎn)換器芯片及其接口電路

本節(jié)主要內(nèi)容一

2.4.1.1信號(hào)調(diào)理電路

?2?4.1.2多路模擬開關(guān)

?：?2.4.1.3前置放大器

?2.4.1.4采樣保持器

小結(jié)

概述

模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對象的過程參數(shù)如溫

度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)

可以接收的數(shù)字量信號(hào)。

結(jié)構(gòu)組成如圖所示，來自于工業(yè)現(xiàn)場傳感器或變送器

的多個(gè)模擬量信號(hào)首先需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后經(jīng)多路模

擬開關(guān)，分時(shí)切換到后級(jí)進(jìn)行前置放大、采樣保持和模/數(shù)

轉(zhuǎn)換，通過接口電路以數(shù)字量信號(hào)進(jìn)入主機(jī)系統(tǒng)，從而完

成對過程參數(shù)的巡回檢測任務(wù)。

a

過

程

參P總C

數(shù)線

圖模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成

顯然，該通道的核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，通常

把模擬量輸入通道稱為A/D通道或AI通道。

2.4.1.1信號(hào)調(diào)理電路

在控制系統(tǒng)中，對被控量的檢測往往采用各種

類型的測量變送器，當(dāng)它們的輸出信號(hào)為o-10

mA或4-20mA的電流信號(hào)時(shí)，一般是采用電阻分壓

法把現(xiàn)場傳送來的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以下

是兩種變換電路。

1.無源I/V變換

2.有源I/V變換

1.無源I/V變換

無源i/v變換電路是利用無源器件一電阻

來實(shí)現(xiàn)，加上RC濾波和二極管限幅等保護(hù)，如

圖（a）所示，其中R2為精密電阻。對于0-10

mA輸入信號(hào)，可取Rl=100Q,R2=500Q,這樣

當(dāng)輸入電流在0TOmA量程變化時(shí)，輸出的電

壓就為0-5V范圍；而對于4-20mA輸入信號(hào),

可取R1=1OOQ,R2=250Q,這樣當(dāng)輸入電流為4

-20mA時(shí)，輸出的電壓為1-5Vo

電流/電壓變換電路

2.有源I/V變換

有源i/v變換是利用有源器件——運(yùn)算放大

器和電阻電容組成，如圖（b）所示。利用同

相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)

輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為

V

G二—~=L-\-------

IR1火3

若取Rl=200dR3=100k￡2,R4=150k￡l,

則輸入電流/的0?10mA就對應(yīng)電壓輸出P的

0?5V;若取Rl=200dR3=100k￡2,

R4=25k￡l,則4?20mA的輸入電流對應(yīng)于1

5V的電壓輸出o

集成I/V變換器RCV420

RCV420高精度的電流環(huán)接收器，可以將

4-20mA的電流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5V的電

壓信號(hào)。

同學(xué)們自己上網(wǎng)查閱RCV420的使用手冊

，學(xué)習(xí)如何使用該芯片實(shí)現(xiàn)I/V變換。

2.4.1.2多路模擬開關(guān)

主要知識(shí)點(diǎn)

B引言

?1結(jié)構(gòu)原理

?2擴(kuò)展電路

U一

引言

由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測參數(shù)的變化，因此

一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一

時(shí)刻只能接收一個(gè)回路的信號(hào)。所以，必須通過多路模擬開

關(guān)實(shí)現(xiàn)多選1的操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。

目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開關(guān)種類很多，并具

有不同的功能和用途。如集成電路芯片CD405M雙向、單端、

8路）、CD4052（單向、雙端、4路）、AD7506（單向、單端、16

路）等。所謂雙向，就是該芯片既可以實(shí)現(xiàn)多到一的切換，

也可以完成一到多的切換；而單向則只能完成多到一的切換。

雙端是指芯片內(nèi)的一對開關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信

號(hào)的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。

1結(jié)構(gòu)原理

現(xiàn)以常用的CD4051為例，8路模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)

原理如圖所示。CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動(dòng)及

開關(guān)電路三部分組成。當(dāng)禁止端為“1”時(shí)，前后級(jí)

通道斷開，即SO?S7端與Sm端不可能接通；當(dāng)為

“0”時(shí)，則通道可以被接通，通過改變控制輸入端

C、B、A的數(shù)值，就可選通8個(gè)通道S0?S7中的一

路。比如：當(dāng)C、B、A=000時(shí)，通道S0選通；當(dāng)C、

B、A=001時(shí)，通道S通；...當(dāng)C、B、A=111H±,

通道S7選通。其真值表如表所示。

SoA

譯

Si電

碼

s平B

驅(qū)

2轉(zhuǎn)

動(dòng)

S3換

s4C

s5

s6

INH

s7

圖CD4051結(jié)構(gòu)原理圖

鏈接動(dòng)畫

q

ill0

q

nnnn

qqfiq▼tF

0HNn寸r

S6SSs6ssML

W

7

3QWQ44q

￡<0L0L0IOL

7X

0oLL00LL

X

?X

0o00LHUEXfr

您0

….4

150o000000L

16

2擴(kuò)展電路

當(dāng)采樣通道多至16路時(shí)，可直接選用16路模擬開關(guān)的芯片,

也可以羽^2個(gè)8路4051并聯(lián)起來，組成1個(gè)單端的16路開關(guān)。

例：試用兩個(gè)CD4051擴(kuò)展成一個(gè)1x16路的模擬開關(guān)。

例題分析：下圖給出了兩個(gè)CD4051擴(kuò)展為1x16路模擬開關(guān)的

電路。數(shù)據(jù)總線D3?D0作為通道選擇信號(hào)，D3用來控制兩個(gè)多

路開關(guān)的禁止端。當(dāng)D3=0時(shí)，選中上面的多路開關(guān)，此時(shí)當(dāng)D2、

DI、D0從000變?yōu)?1L則依次選通S0?S7通道；當(dāng)D3=l時(shí)，經(jīng)

反相器變成低電平，選中下面的多路開關(guān)，此時(shí)當(dāng)D2、DI、D0

從000變?yōu)?1L則依次選通S8?S15通道。如此，組成一個(gè)16路的

模擬開關(guān)。

13了?一

譯電

碼平

驅(qū)轉(zhuǎn)

動(dòng)換

圖多路模擬開關(guān)的擴(kuò)展電路

,

2.4.1.3前置放大器

主要知識(shí)點(diǎn)

＞引言

?1測量放大器

?2可變增益放大器

引言

前置放大器的任務(wù)是修模擬輸入小信號(hào)放大到A/D

轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;

對單純的微弱信號(hào)，可用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行單

端同相放大或單端反相放大。如圖所示，信號(hào)源的一

端若接放大器的正端為同相放大，同相放大電路的放

大倍數(shù)。=1+R2/R1;

若信號(hào)源的一端接放大器的負(fù)端為反相放大，反

相放大電路的放大倍數(shù)。=-R2/RL當(dāng)然，這兩種電

路都是單端放大，所以信號(hào)源的另一端是與放大器的

另一個(gè)輸入端共地。宿

(a)同相放大(b)反相放大

放大電路圖

1測量放大器

在實(shí)際工程中，來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號(hào)往往帶有較大的

共模干擾，而單個(gè)運(yùn)放電路的差動(dòng)輸入端難以起到很好的抑制

作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一組運(yùn)放構(gòu)成

的測量放大器，也稱儀表放大器，如圖所示。

經(jīng)典的測量放大器是由三個(gè)運(yùn)放組成的對稱結(jié)構(gòu)，測量放

大器的差動(dòng)輸入端HN+和幾N-分別是兩個(gè)運(yùn)放Al、A2的同相輸

入端，輸入阻抗很高，而且完全對稱地直接與被測信號(hào)相連，

因而有著極強(qiáng)的抑制共模干擾能力。

前置放大器圖

鏈接動(dòng)1M

圖中RG是外接電阻，專用來調(diào)整放大器增

益的。因此，放大器的增益G與這個(gè)外接電阻

RG有著密切的關(guān)系。增益公式為

G=——=3（1+L）

yv

VIN+-VIN-R八2R八G

目前這種測量放大器的集成電路芯片有多

種，如AD521/522、INA102等。

a

2可變增益放大器

在A/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測信號(hào)常常共用一個(gè)

測量放大器，而各路的輸入信號(hào)大小往往不同，但都

要放大到A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對應(yīng)于各

路不同大小的輸入信號(hào)，測量放大器的增益也應(yīng)不同。

具有這種性能的放大器稱為可變增益放大器或可編程

放大器，如圖所示。

N

16K16K

一

——

80K

早

26.67K

中

11.43K，

中

5.33K

電

2.58K工

——

1.27Ki.

6300

314。

可變增益前置放大器

鏈接動(dòng)畫s回:

把前置放大器中的外接電阻AG換成一組精密的電阻

網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)電阻支路上有一個(gè)開關(guān)，通過支路開關(guān)依次通

斷就可改變放大器的增益，根據(jù)開關(guān)支路上的電阻值與增

益公式，就可算得支路開關(guān)自上而下閉合時(shí)的放大器增益

分別為2、4、8、16、32、64、128、256倍。顯然，這一

組開關(guān)如果用多路模擬開關(guān)（類似CD4051）就可方便地進(jìn)行

增益可變的計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制。此類集成電路芯片有

AD612/614等。

2.4.1.4采樣保持器

當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由于A/D轉(zhuǎn)換需要

一定的時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化較快，就會(huì)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。

〃數(shù)據(jù)采樣定理

?：.2采樣保持器

U一

1數(shù)據(jù)采樣定理

離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)一把連續(xù)變化的量變成離

散量后再進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

離散系統(tǒng)的采樣形式一有周期采樣、多階采樣和隨

機(jī)采樣。應(yīng)用最多的是周期采樣。

周期采樣一就是以相同的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，即把

一個(gè)連續(xù)變化的模擬信號(hào)江力，按一定

的時(shí)間間隔7轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r(shí)0,北

2北…的一連串脈沖序列信號(hào)產(chǎn)

如圖所示。

U一

圖信號(hào)的采樣過程

采樣器的常用術(shù)語：

采樣器或采樣開關(guān)一執(zhí)行采樣動(dòng)作的裝置，

采樣時(shí)間或采樣寬度T—采樣開關(guān)每次閉合的時(shí)間

采樣周期/一采樣開關(guān)每次通斷的時(shí)間間隔

在實(shí)際系統(tǒng)中，r?T,也就是說，可以近似地認(rèn)為采樣

信號(hào)產(chǎn)（。是爪力在采樣開關(guān)閉合時(shí)的瞬時(shí)值。

由經(jīng)驗(yàn)可知，采樣頻率越高，采樣信號(hào)P*(力越接近原

信號(hào)y(%),但若采樣頻率過高，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中將會(huì)把許多

寶貴的時(shí)間用在采樣上，從而失去了實(shí)時(shí)控制的機(jī)會(huì)。為了使

采樣信號(hào)產(chǎn)⑺既不失真，又不會(huì)因頻率太高而浪費(fèi)時(shí)間，我

們可依據(jù)香農(nóng)采樣定理。香農(nóng)定理指出：為了使采樣信號(hào)廠⑺

能完全復(fù)現(xiàn)原信號(hào)網(wǎng)力，采樣頻率了至少要為原信號(hào)最高有效

頻率/hiax的2倍，即F〉2/maxo

采樣定理給出了/"(力唯一地復(fù)現(xiàn)江t)所必需的最低采樣

頻率。實(shí)際應(yīng)用中，常取尸2(5?10)/maxo

2采樣保持器

1、零階采樣保持器--零階采樣保持器是在兩次采樣

的間隔時(shí)間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個(gè)采樣時(shí)刻。

它的組成原理電路與工作波性如圖（a）、（b）所示。

采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器Al、A2和采樣開關(guān)S、

保持電容CH等組成。采樣期間，開關(guān)S閉合，輸入電壓PIN通

過A1對CH快速充電，輸出電壓⑷UT跟隨幾N變化；保持期間，

開關(guān)S斷開，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下電容6H將保

持電壓上不變，因而輸出電壓H）UT=QL保持恒定。

小上股/[_告"同如1

________Uu_^z

JT，A1III,I

l

CH丁°!

11

V--------------------1111

V1<1i

采樣保持

(a)原理電路(b)工作波性

采樣保持器圖

_..___________________.MM.

顯然，保持電容CH的作，周十分重要。實(shí)際上保持

期間的電容保持電壓FC在緩慢下降，這是由于保持電

容的漏電流所致。保持電壓PC的變化率為

dFc_/D

dt~

rl

式中：

-為保持期間電容的總泄漏電流，它包括放大器的輸入

電流、開關(guān)截止時(shí)的漏電流與電容內(nèi)部的漏電流等。

電容超值-增大電容品值可以減小電壓變化率，但同時(shí)又

會(huì)增加充電即采樣時(shí)間，因此保持電容的容量大小與采

樣精度成正比而與采樣頻率成反比。一般情況下，保持

電容。是外接的，所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯

等高質(zhì)量的電容器，容量為510?lOOOpF。

AD582、LF198/298/398等,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖所示。這

里，用TTL邏輯電平控制采樣和保持狀態(tài)，如AD582的采樣電

平為“0”,保持電平為T,而LF198的則相反。

在A/D通道中，采樣保持器的采樣和保持電

平應(yīng)與后級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換相配合，該電平信號(hào)既可以

由其它控制電路產(chǎn)生，也可以由A/D轉(zhuǎn)換器直接提

供。

總之，保持器在采樣期間，不啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器,

而一旦進(jìn)入保持期間，則立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，從

而保證A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的模擬輸入電壓恒定，以確保

A/D轉(zhuǎn)換精度。

2.4.2模擬量輸出通道

B2.4.2.1模擬量輸出通道的組成

B2.4.2.2輸出方式

S

-7

2.4.2.1模擬量輸出通道的組成

?模擬量輸出通道的任務(wù)一把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量信號(hào)

轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器，

從而達(dá)到控制的目的；

?模擬量輸出通道（稱為D/A通道或A0通道）構(gòu)成一一般是由

接口電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A或DAC）和電壓/電流變

換器等；

?模擬量輸出通道基本構(gòu)成一多D/A結(jié)構(gòu)（圖（a））和共享

D/A結(jié)構(gòu)（圖⑹）

■

一通道1

一通道n

圖（a）多D/A結(jié)構(gòu)

特點(diǎn)：1、一路輸出通道使用一個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)、信號(hào)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(dú)立

5、缺點(diǎn)是所需D/A轉(zhuǎn)換器芯片較多

—?采樣保持器

PC

總小力

線

f采樣保持器+通道n

圖（b）共享D/A結(jié)構(gòu)

特點(diǎn)：1、多路輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器

2、每一路通道都配有一個(gè)采樣保持放大器

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

4、采樣保持器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)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(jī)時(shí)間

2.4.2.2輸出方式

”電壓輸出方式

22電流輸出方式

B

多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出的是弱電流信號(hào)，要

驅(qū)動(dòng)后面的自動(dòng)化裝置，需在電流輸出端外接

運(yùn)算放大器。根據(jù)不同控制系統(tǒng)自動(dòng)化裝置需

求的不同，輸出方式可以分為電壓輸出、電流

輸出以及自動(dòng)/手動(dòng)切換輸出等多種方式。

1電壓輸出方式

由于系統(tǒng)要求不同，電壓輸出方式又

可分為單極性輸出和雙極性輸出兩種形式。

下面以8位的DAC0832芯片為例作一說明。

7,DAC單極榴輸出

DAC單極性輸出方式如圖所示，由式

DAC0832

(3-1)可得輸出電壓％UT的單極性輸出表

達(dá)式為：D7fDb'"EF0VREF

D6fDl6

Vy

REFD5fDhRfb

匕DUT=—BX

256D4fDl4

式中：D3fDl3

D2fDhIOUTI

761DifDIi

5=D7x2+n6x2+---+D1x2+D0x2°-0

DofDio

Vot'T

%EF/256是常數(shù)IOUT2

顯然，"UT和夕成正比關(guān)系，輸入

數(shù)字量B為00H時(shí)，也為0；輸

入數(shù)字量3為FFH即255時(shí)，場叮為與

%EF極性相反的最大值。I3-8DACiftftSOS

2.DAC雙極性輸出方式

DAC雙極性輸出方式如圖所示。

圖3-9DAC雙極性輸出方式

E

A1和人2為運(yùn)算放大器，入點(diǎn)、為虛地,故可得：

/1+，2+，3=。^OUTI=-Bx

J—^EFJ—.%UT2/_匕UT1

1-2R22R3-丁

斛上述方程可得雙極性輸出表達(dá)式：

匕皿=3—2'T)x芳或匕皿=心-m—1

2I/1

圖中運(yùn)放A2的作用是將運(yùn)放A1的單向輸出變?yōu)?/p>

雙向輸出。當(dāng)輸入數(shù)字量小于80H即128時(shí)，輸出模擬

電壓為負(fù)；當(dāng)輸入數(shù)字量大于80H即128時(shí)，輸出模擬

電壓為正。其它〃位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電路與DAC0832相

同，計(jì)算表達(dá)式中只要把28T改為2〃T即可。

■

2電流輸出方式

因?yàn)殡娏餍盘?hào)易于遠(yuǎn)距離傳送，且不易受干擾，特別

是在過程控制系統(tǒng)中，自動(dòng)化儀表只接收電流信號(hào)，所以

在微機(jī)控制輸出通道中常以電流信號(hào)來傳送信息，這就需

要將電壓信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，完成電流輸出方式的電

路稱為v/i變換電路。電流輸出方式一般有兩種形式：

1.普通運(yùn)放V/I變換電路

2.集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路

1.普通運(yùn)放V/I變換電路

0-10V/0_10mA的變換電路，由運(yùn)放A和三極管T］、T?組成，4和%是輸

入電阻，％是反饋電阻，4是負(fù)載的等效電阻。輸入電壓匕0經(jīng)輸入電阻進(jìn)入

運(yùn)算放大器A,放大后進(jìn)入三極管TrT2O由于丁2射極接有反饋電阻Af，得到

反饋電壓彳加至輸入端，形成運(yùn)放A的差動(dòng)輸入信號(hào)。該變換電路由于具有較

強(qiáng)的電流反饋，所以有較好的恒流性能。

------――_rriiw

(2)4~20mA的輸出

1~5V/4~20mA的變換電路中兩個(gè)運(yùn)數(shù)ArA2構(gòu)接鼠射極輸出形式。

圖1?5V/4?20mA的變換電路

2.集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路

集成V/I轉(zhuǎn)換器ZF2B20采用單正電源供電，電源電壓范圍

為10?32V,ZF2B20的輸入電阻為10KQ,動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)

間小于25RS,非線性小于土0.025%o

REF”

ZF2B20

滿度調(diào)節(jié)

REF。RE%

as

通過ZF2B20可以產(chǎn)生一個(gè)與輸入電壓成比例的輸出電流，其

輸入電壓范圍是。?10V,輸出電流是4?20mA。它的特點(diǎn)是低漂移,

在工作溫度為-25?85℃范圍內(nèi)，最大溫漂為0.005%/℃。利用

ZF2B20實(shí)現(xiàn)V/I轉(zhuǎn)換的電路非常簡單。

2.4.3數(shù)字量輸入/輸出通道

學(xué)習(xí)要點(diǎn)

1、光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理及其隔離電

路；

2、數(shù)字量輸入通道中幾種典型電路；

3、數(shù)字量輸出通道幾種典型驅(qū)動(dòng)電路；

?2.4.3.1光電耦合隔離技術(shù)

?2.4.3.2數(shù)字量輸入通道

?2.4.3.3數(shù)字量輸出通道

?2.4.3.4DI/DO模板

r在微機(jī)控制系統(tǒng)中，除了要處理模擬量

信號(hào)以外，還要處理另一類數(shù)字信號(hào)，包

括開關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)。它們是以二進(jìn)制

的邏輯“1”和“0”或電平的高和低出現(xiàn)

居。如開關(guān)觸點(diǎn)的閉合和斷開,指示燈的

亮和滅，繼電器或接觸器的吸合和釋放，

馬達(dá)的啟動(dòng)和停止）晶閘管的通和斷，閥

門的打開和關(guān)閉，儀器儀裝的BCD碼，以及

脈力信號(hào)的計(jì)數(shù)和定時(shí)等等。

2.4.3.1光電耦合隔離技術(shù)

主要知識(shí)點(diǎn)

?:T光電耦合隔離器

?*2光電耦合隔離電路

1光電翻合隔離器

光電耦合隔離器按其輸出級(jí)不同可分為三極管型、

單向晶閘管型、雙向晶閘管型等幾種，如圖4?工所示。

它們的原理是相同的，即都是通過電光電這種信號(hào)轉(zhuǎn)換,

利用光信號(hào)的傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。

6

2SS526^52535

3谷243力NC%43卜NC94

三極管型單向可控硅型雙向可控硅型

84-1死電耦合隔離器的幾種類型

現(xiàn)以最簡單的三極管型光電耦合隔離器

為例來說明它的結(jié)構(gòu)原理，如圖4-2所示。

+5V+5V

OO

輸入端-SZ-輸出端

-O--Oe

圖4-2光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理

鋌接劭面<AU

例如在現(xiàn)場傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器或D/A

轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場執(zhí)行器之間的模擬信號(hào)的線

性傳送，可用光耦的這種線性區(qū)對模擬信

號(hào)進(jìn)行隔離。

光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。模

擬信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是使用少量的光耦,

成本低；缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy，如果光耦挑選

得不合適，會(huì)影響A/D或D/A轉(zhuǎn)換的精度

和線性度。數(shù)字信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)

試簡單，不影響系統(tǒng)的精度和線性度；缺

點(diǎn)是使用較多的光耦器件，成本較高。但

因光耦越來越價(jià)廉，數(shù)字信號(hào)隔離方法的

優(yōu)勢凸現(xiàn)出來，因而在工程中使用的最多。

要注意的是，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光管的電源

與驅(qū)動(dòng)光敏管的電源不應(yīng)是共地的同一個(gè)

電源，必須分開單獨(dú)供電，才能有效避免

輸出端與輸入端相互間的反饋和干擾；另

外，發(fā)光二極管的動(dòng)態(tài)電阻很小，也可以

抑制系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾。因此，利用光

耦隔離器可用來傳遞信號(hào)而有效地隔離電

楹場白9電干擾。

為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的需求，

目前已生產(chǎn)出各種集成的多路光耦隔離器,

如TLP系列就是常用的一種。

■下面以控制系統(tǒng)中常用的數(shù)字信號(hào)的隔離方法為

例說明光電耦合隔離電路。

數(shù)字量同相傳遞如圖4?3(a)所示，光耦的輸入

正端接正電源，輸入負(fù)端接到與數(shù)據(jù)總線相連的數(shù)

據(jù)緩沖器上，光耦的集電極c端通過電阻接另一個(gè)正

電源，發(fā)射極e端直接接地，光耦輸出端即從集電極

c端引出。當(dāng)數(shù)據(jù)線為低電平“0”時(shí)，發(fā)光管導(dǎo)通且

發(fā)光，使得光敏管導(dǎo)通，輸出c端接地而獲得低電平

“0”；當(dāng)數(shù)據(jù)線為高電平“O時(shí)，發(fā)光管截止不發(fā)

光，則光敏管也截止使輸出c端從電源處獲儂電平

“工乙如此，完成了數(shù)字信號(hào)的同相傳遞。＜AU

數(shù)

數(shù)

據(jù)

據(jù)

緩

緩

沖

沖

器

器"I

選通脈沖

(a)數(shù)字量同相傳遞(b)數(shù)字量反相傳遞

圖4-3光電耦合隔離電路

鋌接劭畫

數(shù)字量反相傳遞如圖4-3(b)所示，與(a)

不同的是光耦的集電極c端直接接另一'個(gè)正

電源，而發(fā)射極e端通過電阻接地，則光耦輸

出端從發(fā)射極e端引出。從而完成了數(shù)字信號(hào)

的反相傳遞。

2.4.3.2數(shù)字號(hào)輸入通道

主要知識(shí)點(diǎn)

?引言

?31開關(guān)輸入電路

?:I脈沖計(jì)數(shù)電路

<AU

弓I

>數(shù)字量輸入通道（DI通道）的任務(wù)--

是把生產(chǎn)過程中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)

易于接受的形式。

A信號(hào)調(diào)理電路一雖然都是數(shù)字信號(hào)，不需

進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，但對通道中可能引入的各

種干擾必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，即在外

部信號(hào)與單片機(jī)之間要設(shè)置輸入信號(hào)調(diào)理

電路。<AU

--------------------------------------is目一

〃1開關(guān)輸入電路

?凡在電路中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點(diǎn)、開

關(guān)，其端子引出均統(tǒng)稱為開關(guān)信號(hào)。在開關(guān)輸入電

路中，主要是考慮信號(hào)調(diào)理技術(shù)，如電平轉(zhuǎn)換，RC

濾波，過電壓保護(hù)，反電壓保護(hù)，光電隔離等。

?(1)電平轉(zhuǎn)換是用電阻分壓法把現(xiàn)場的電流信號(hào)轉(zhuǎn)

換為電壓信號(hào)。

(2)RC濾波是用RC濾波器濾出高頻干擾。

(3)過電壓保護(hù)是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保

護(hù)；用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬態(tài)尖峰電壓箝位在安

全電平上。

(4)反疝壓保護(hù)是串聯(lián)一個(gè)二極管防止反邛怯電理

輸入。<AU

~~—?1?

一?（5）光電隔離用贏椅靄器則價(jià)算機(jī)與外部的完全電

隔離。

?典型的開關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理電路如圖4?4所示。點(diǎn)劃線右

邊是由開關(guān)S與電源組成的外部電路，（a）是直流輸入

電路，（b）是交流輸入電路。交流輸入電路比直流輸入

電路多一個(gè)降壓電容和整流橋塊，可把高壓交流（如

380VAC）變換為低壓直流（如5VDC）。開關(guān)S的狀態(tài)

經(jīng)RC濾波、穩(wěn)壓管D工箝位保護(hù)、電阻R2限流、二極

管D2防止反極性電壓輸入以及光耦隔離等措施處理后送

至輸入緩沖器，主機(jī)通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關(guān)S的

狀態(tài)。比如,當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，輸入回路有電流流過，光

耦中的發(fā)光管發(fā)光，光敏管導(dǎo)通，數(shù)據(jù)線上為低電平，

即輸入信號(hào)為“0”對應(yīng)外電路開關(guān)S的閉合；反之，開

關(guān)S斷開，光耦中的發(fā)光管無電流流過，光敏管截止，數(shù)

據(jù)線上為高電平，即輸入信號(hào)為“O對應(yīng)外電路開關(guān)S的

斷開。<AU

到輸

緩沖

圖4-4開關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理電路

鋌接劭離

2脈沖計(jì)數(shù)電路

有些用于檢測流量、轉(zhuǎn)速的傳感器發(fā)出

的是脈沖頻率信號(hào)，對于大量程可以設(shè)計(jì)一

種定時(shí)計(jì)數(shù)輸入接口電路，即在一定的采樣

時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)輸入的脈沖個(gè)數(shù)，然后根據(jù)傳感

器的比例系數(shù)可換算出所檢測的物理量。

系統(tǒng)時(shí)鐘8253/8254

_n_jn_n_o-^

+12VVccOUT0

QQ

Ts

_rn_irr

CR

GATEl~n~PC總線

)—CE<=>

CLK1~n-

OL

OUT1

計(jì)數(shù)通道1

CLK2-I

OUT2

GATEO

+5VO-f---------------

GATE2

圖4-5脈沖計(jì)數(shù)輸入電路

鋌接劭離

2.4.3.3數(shù)字量輸出通道

主要知識(shí)點(diǎn)

?引言

4?]三極管司區(qū)動(dòng)電路

?:*2繼電器驅(qū)動(dòng)電路

*3晶閘管驅(qū)動(dòng)電路

?:*4固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路

??U

回回一

.引言

數(shù)字量輸出通道簡稱DO通道，它的任務(wù)

是把計(jì)算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成能對生

產(chǎn)過程進(jìn)行控制的數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)。根據(jù)現(xiàn)場負(fù)

荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機(jī)、

閥門等，可以選用不同的功率放大器件構(gòu)成不

同的開關(guān)量驅(qū)動(dòng)輸出通道。常用的有三極管輸

出驅(qū)動(dòng)電路、繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管輸

出驅(qū)動(dòng)電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路等。

三極管驅(qū)動(dòng)電路

對于低壓情況下的小電流開關(guān)量，用功率三

極管就可作開關(guān)驅(qū)動(dòng)組件，其輸出電流就是輸入

電流與三極管增益的乘積。

(1).普通三極管驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流只有十幾mA或幾十mA時(shí)，只要采用一

個(gè)普通的功率三極管就能構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，如圖4-6所示。

3(2).達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)電路一

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流需要達(dá)到幾百毫安時(shí)，如驅(qū)

動(dòng)中功率繼電器、電磁開關(guān)等裝置，輸出電

路必須采取多級(jí)放大或提高三極管增益的辦

法。達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)器是由多對兩個(gè)三極管

組成的達(dá)林頓復(fù)合管構(gòu)成，它具有高輸入阻

抗、高增益、輸出功率大及保護(hù)措施完善的

特點(diǎn)，同時(shí)多對復(fù)合管也非常適用于計(jì)算機(jī)

控制系統(tǒng)中的多路負(fù)荷。

圖4?7給出即叫有題動(dòng)器MC1416

的結(jié)構(gòu)圖與每對復(fù)合管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，MC1416內(nèi)

含7對達(dá)林頓復(fù)合管，每個(gè)復(fù)合管的集電極電流

可達(dá)500mA,截止時(shí)能承受100V電壓，其輸入

輸出端均有箝位二極管，輸出箝位二極管D2抑制

高電位上發(fā)生的正向過沖，DI、D3可抑制低電

平上的負(fù)向過沖。

S

S

三

鬻

襄

出

宜

g型

w

g

S

^

§

A

圖4-8為達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)中的一路驅(qū)動(dòng)

電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Dj輸出數(shù)字“0”即低

電平時(shí)，經(jīng)7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖剑?/p>

使達(dá)林頓復(fù)合管導(dǎo)通，產(chǎn)生的幾百毫安集

電極電流足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載線圈，而且利用復(fù)

合管內(nèi)的保護(hù)二極管構(gòu)成了負(fù)荷線圈斷電

時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢的泄流回路。

O+24V

TVl負(fù)荷線圈

---------|ic

達(dá)林頓復(fù)合管

7406!1_Kj

I_

GND

弋鏈接劭離

圖4-8達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)電路?AU

sa

也2繼電器驅(qū)動(dòng)電露

電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸

點(diǎn)等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼

電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。

繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用的輸出

方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、

大電流設(shè)備。

?AU

銜鐵

4-10繼電器原理

繼電器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要根據(jù)所用繼

電器線圈的吸合電壓和電流而定，控制電

流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼

電器可靠地工作。

常用的繼電器有電壓繼電器、電流繼電

器、中間繼電器等幾種類型。由于繼電器線

哄聲要一定的電流才能動(dòng)作，所以必須采取

出加以驅(qū)動(dòng)。

繼電器的驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要根據(jù)所用繼電器線圈的

吸合電壓和電流而定，一定要大于繼電器的吸

合電流才能使繼電器可靠地工作。

圖4?9為經(jīng)光耦褊籬I麗維由器輸出驅(qū)動(dòng)電路，

當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di輸