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1、过程输入输出通道接口技术过程输入输出通道接口技术第1页，此课件共35页哦通道接口概述通道接口概述 一个实际应用的计算机控制系统一个实际应用的计算机控制系统中，需要输入计算机的工程量非常多，中，需要输入计算机的工程量非常多，需要计算机进行控制的执行机构也多需要计算机进行控制的执行机构也多种多样。计算机与测量及执行设备互种多样。计算机与测量及执行设备互通信息的载体即是通信息的载体即是通道接口通道接口。第2页，此课件共35页哦补充：接口通道及其功能补充：接口通道及其功能概述概述完整的计算机控制系统除计算机外，还完整的计算机控制系统除计算机外，还包含多种外围设备。无论哪种设备，都包含多种外围设备。无论
2、哪种设备，都必须通过接口和通道才能和必须通过接口和通道才能和CPU的总线的总线相连。相连。主要原因是外设种类繁多，工作速度各主要原因是外设种类繁多，工作速度各异，信息类型和传送方式不同，仅靠异，信息类型和传送方式不同，仅靠CPU及其总线无法承担外设的协调任务。及其总线无法承担外设的协调任务。第3页，此课件共35页哦补充：接口通道及其功能补充：接口通道及其功能接口功能接口功能1解决主机解决主机CPU和外围设备之间的时序配和外围设备之间的时序配合和通信联络问题。合和通信联络问题。nCPU是高速处理器件，而外设工作速度慢的是高速处理器件，而外设工作速度慢的多。多。CPU和外设处于异步工作状态，需要借
3、和外设处于异步工作状态，需要借助接口在二者之间进行协调和通信联络。助接口在二者之间进行协调和通信联络。n接口通常设有数据锁存器、缓冲器、状态寄接口通常设有数据锁存器、缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路。存器以及中断控制电路。第4页，此课件共35页哦补充：接口通道及其功能补充：接口通道及其功能接口功能接口功能2解决解决CPU和外围设备之间的数据格式转和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。换和匹配问题。nCPU在进行大量数据处理时，一般是并行的在进行大量数据处理时，一般是并行的读入和输出数据读入和输出数据n通信有时采用串行通信方式，有些外设需要通信有时采用串行通信方式，有些外设需要的是串行脉冲序
4、列。的是串行脉冲序列。第5页，此课件共35页哦补充：接口通道及其功能补充：接口通道及其功能接口功能接口功能3解决解决CPU负载能力和外围设备端口选择负载能力和外围设备端口选择问题问题nCPU负载能力有限，不能有过多的信号直接负载能力有限，不能有过多的信号直接接到总线上。接到总线上。nCPU上接有多个外设，上接有多个外设，CPU必须能够确定在必须能够确定在某一个时刻出现在数据线上的数据，是由哪某一个时刻出现在数据线上的数据，是由哪个外设输入的，或是输出到哪个外设的。个外设输入的，或是输出到哪个外设的。第6页，此课件共35页哦补充：接口通道及其功能补充：接口通道及其功能通道定义及功能通道定义及功能
5、通道：通道：计算机和控制对象之间信息传送计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。和变换的连接通道。功能：功能：将从被控对象采集的参量变换成将从被控对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量（或开关量）的计算机所要求的数字量（或开关量）的形式，送入计算机。计算机按某一数学形式，送入计算机。计算机按某一数学公式计算后，又将其结果以数字量形式公式计算后，又将其结果以数字量形式或转换成模拟量形式输出至被控对象。或转换成模拟量形式输出至被控对象。第7页，此课件共35页哦第第4章章 过程输入输出通道接口技术过程输入输出通道接口技术4.1 概述概述4.2 模拟量输入通道模拟量输入通道4.3 8位位A/D
6、转换器及其接口技术转换器及其接口技术4.6 模拟量输出通道模拟量输出通道4.7 8位位D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术4.10 数字量输入输出通道数字量输入输出通道4.12 过程通道的抗干扰与可靠性设计过程通道的抗干扰与可靠性设计第8页，此课件共35页哦4.1 概述概述知识要点知识要点计算机控制系统中的信号类计算机控制系统中的信号类型型采样的形式采样的形式采样定理采样定理采样保持器的作用采样保持器的作用第9页，此课件共35页哦4.1.1 信号和采样定理信号和采样定理1.信号类型信号类型模拟（连续）信号模拟（连续）信号 在时间上和幅值上都连续取值的信号，在计算机控制系统中一般为传感器输
7、出的信号或者控制对象需要的信号。离散模拟信号离散模拟信号 在时间上断续取值，在幅值上连续取值的信号，在计算机控制系统中一般为采样以后，A/D转换之前的信号。数字信号数字信号 在时间上和幅值上都断续取值的信号，A/D转换之后的信号，用二进制代码形式表示。信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第10页，此课件共35页哦各类信号在计算机控制系统中的分布各类信号在计算机控制系统中的分布连续模拟信号离散模拟信号信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第11页，此课件共35页哦2.采样过程的数学描述采样过程的数学描述采样定义：采
8、样定义：按一按一定的时间间隔定的时间间隔T对时间连续的对时间连续的模拟信号模拟信号x(t)取取值，得到值，得到 x*（t）或）或 x（nT)的过程。的过程。x(t)与与x*（t）是整体与局部的是整体与局部的关系。关系。信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第12页，此课件共35页哦采样形式采样形式周期采样：以相同的时间间隔进周期采样：以相同的时间间隔进行采样。行采样。多阶采样：（多阶采样：（tk+r-tk）是周期性）是周期性重复的。重复的。随机采样：采样周期不固定，任随机采样：采样周期不固定，任意采样。意采样。信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样
9、定理采样定理 采样保持器采样保持器第13页，此课件共35页哦采样原理采样原理X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a)(a)采样开关采样开关(b)(b)连续信号连续信号(c)(c)开关函数开关函数 信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第14页，此课件共35页哦采样原理采样原理X*(t)kT05T3TT7T1调制器X(t)X*(t)P(t)(d)(d)采样信号采样信号(e)(e)采样过程采样过程x*(t)=p(t)x(t)因因0T，所以分析时可近似认为，所以分析时可近似认为0为为0，以单位脉冲函数以单位脉冲函数(t)代替代替P(t
10、)。信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第15页，此课件共35页哦单位脉冲函数定义单位脉冲函数定义理论表达形式理论表达形式：(t)0 t=0t0工程表达形式工程表达形式：(t)0 1 1 t=0t0单位脉冲序列：单位脉冲序列：T(t)kT0数学表达式：数学表达式：信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第16页，此课件共35页哦采样过程数学描述采样过程数学描述考虑物理上可实现，又可近似为：考虑物理上可实现，又可近似为：可见，可见，x*(t)x*(t)具有离散信号的特性。具有离散信号的特性。信号类型信号类型 采样的形
11、式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第17页，此课件共35页哦采样定理采样定理由采样信号由采样信号x*(t)完全无失真的恢复原完全无失真的恢复原信号信号x(t)的条件是采样速度要满足下的条件是采样速度要满足下式式s s=2=2/T,/T,为采样角速度为采样角速度T T为采样周期为采样周期maxmax为原信号为原信号x(t)x(t)频谱中最高角频率频谱中最高角频率minmin为为x(t)x(t)的各信号分量中最小的时的各信号分量中最小的时间常数间常数 信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第18页，此课件共35页哦采样定理的应用采样定理的应
12、用由经验可知，采样频率越高，采样信号由经验可知，采样频率越高，采样信号 x*x*(t t)越接近原信号越接近原信号x x(t t)，但若采样频率过高，在实时，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号为了使采样信号x x*(*(t t)既不失真，又不会因频率太高既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，采样定理给出了而浪费时间，采样定理给出了x*x*(t t)唯一地复现唯一地复现x x(t t)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取所必需的最低采样频率。实际应用中，常
13、取 （5 51010）maxmax。信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第19页，此课件共35页哦采样的常用术语采样的常用术语采样器或采样开关采样器或采样开关n执行采样动作的装置，执行采样动作的装置，采样时间或采样宽度采样时间或采样宽度n采样开关每次闭合的时间采样开关每次闭合的时间采样周期采样周期Tn采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔在实际系统中，在实际系统中，T，也就是说，可以，也就是说，可以近似地认为采样信号近似地认为采样信号x*(t)是是x(t)在采样在采样开关闭合时的瞬时值。开关闭合时的瞬时值。信号类型信号类型 采样的形式采样
14、的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第20页，此课件共35页哦4.1.2 采样采样/保持器保持器 作用：在采样时，其输出能够跟随作用：在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输入变化；而在保持状态时，能使输出值不变输出值不变。最简单的采样最简单的采样/保持器是由开关和电保持器是由开关和电容组成：容组成：信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第21页，此课件共35页哦1.1.零阶采样保持器零阶采样保持器-零阶采样保持器是在两次采样的间隔零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。时间内，一直保持采样
15、值不变直到下一个采样时刻。采样期间，开关采样期间，开关S S闭合，输入电压闭合，输入电压V VININ通过通过A1A1对对CH快快速充电，输出电压速充电，输出电压V VOUTOUT跟随跟随V VININ变化；保持期间，开关变化；保持期间，开关S S断开，断开，由于由于A2A2的输入阻抗很高，理想情况下电容的输入阻抗很高，理想情况下电容C CH H将保持电压将保持电压V VC C不变，因而输出电压不变，因而输出电压V VOUTOUT=V VC C也保持恒定。也保持恒定。信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第22页，此课件共35页哦 显然，保持电容C H的
16、作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压VC的变化率为 式中：ID-为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电容CH值-增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为5101000pF。信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第23页，此课件共35页哦 A/D转换器完成一次A/D转换总需要
17、一定的时间。在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。如果输入信号变化很慢，如温度信号；或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，就不必再选用采样保持器。为什么为什么A/D转换之前需要加采样转换之前需要加采样/保持器？保持器？信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第24页，此课件共35页哦2、集成采样保持器-常用的零阶集成采样保LF198/298/398等，由场效应管构成的采样/保持电路，它具有采样速度高，保持电压下降速度慢以及精度高等特点。
18、集成采样保持器集成采样保持器LF198引脚图引脚图 信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器控制逻辑IN-保持电容CH控制逻辑IN+输出偏置输入V+V-12348765第25页，此课件共35页哦2、当控制逻辑当控制逻辑ININ接地时，控制电平与接地时，控制电平与TTLTTL电平兼容。电平兼容。保持电容保持电容C CH H的选取取决于保持时间的长短。当的选取取决于保持时间的长短。当C CH H=0.01F=0.01F，C CH H上的电压到达上的电压到达0.01%0.01%精度时，需精度时，需25s25s，C CH H上的电压下降率为上的电压下降率为3mV/
19、s3mV/s。若。若A/DA/D转换时间为转换时间为100s100s，C CH H上的电压下降约上的电压下降约0.3V0.3V。信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器1RHCH-15V+15VVOUT采样保持IN(+)VxLF3984576385V0V图4-9 输出保持采样输入平均值的电路第26页，此课件共35页哦4.1.3 模拟开关模拟开关 由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。信号类型信
20、号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第27页，此课件共35页哦模拟开关作用图示模拟开关作用图示飞渡电容V1VnC1CnRLRc浮地现场模入量至A/D 信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第28页，此课件共35页哦4.1.3 模拟开关模拟开关目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(CD4051(双向、单端、双向、单端、8 8路路)、CD4052(CD4052(单向、双端、单向、双端、4
21、4路路)、AD7506(AD7506(单向、单端、单向、单端、1616路路)等。等。双向双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换以完成一到多的切换单向单向则只能完成多到一的切换。则只能完成多到一的切换。双端双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第29页，此课件共35页哦 理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为理想工作状态：
22、开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快要求切换速度快。两大类：两大类：机械触点式机械触点式,干簧继电器干簧继电器,机械振子继电器接触电机械振子继电器接触电阻小阻小,断开电阻大断开电阻大;寿命长寿命长106107;工作频率工作频率400Hz;小信号中速度小信号中速度(10400点点/s)电子开关式电子开关式,晶体管开关晶体管开关,集成电路开关集成电路开关,场效应管场效应管工作频率高达工作频率高达1000点点/s,体积小体积小,寿命长寿命长.缺点导通电缺点导通电阻大阻大,小信号测量精度受影响。小信号测量精度受影响。信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器
23、第30页，此课件共35页哦 选择多路开关需要考虑的因素选择多路开关需要考虑的因素:通路多少通路多少;电平高低电平高低;单端单端/差动输入方式差动输入方式;寻址方式寻址方式;切换速率切换速率;切换时要多长时间才能稳定到要求精度切换时要多长时间才能稳定到要求精度 信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第31页，此课件共35页哦常用模拟开关CD4051:单端，8通道，低价格CD4051原理图 信号类型信号类型 采样的形式采样的形式 采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第32页，此课件共35页哦CD4051真值表真值表 信号类型信号类型 采样的形式采样的形式
24、采样定理采样定理 采样保持器采样保持器第33页，此课件共35页哦4.1.4 32通道模拟量输入电路设计实例通道模拟量输入电路设计实例在计算机控制系统中，往往有多个测量点，需要设计多路模拟量在计算机控制系统中，往往有多个测量点，需要设计多路模拟量输入通道，下面以输入通道，下面以32通道模拟量输入电路为例介绍其设计方法。通道模拟量输入电路为例介绍其设计方法。1硬件电路硬件电路32通道模拟量输入电路如图通道模拟量输入电路如图4-14所示。所示。第34页，此课件共35页哦0 00 01 11 10 00 01 10 032通通道道模模拟拟量量输输入入电电路路设设计计实实例例MOV DPTR,#CHSELMOV A,#4CHMOVX DPTR,AP0地址数据第35页，此课件共35页哦