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1、计算机控制技术第三章第1页，此课件共83页哦一、信息通道的概念一、信息通道的概念信息通道包括信息通道包括过程通道过程通道和和人人-机交互通道机交互通道。第2页，此课件共83页哦计算机控制系统基本原理图计算机控制系统基本原理图r给定值给定值计算机计算机-被控量被控量控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象A/DD/A过程（输入输出）通道：是计算机和工业生产过程相互交换信息过程（输入输出）通道：是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。的桥梁。1.1.过程通道过程通道（掌握）（掌握）第3页，此课件共83页哦过程通道的组成过程通道的组成1根据根据过过程信息的性程信息的性质质及及传递传递方向，方向
2、，过过程程输输入入输输出通道分出通道分类类如下：如下：模模拟拟量量输输入通道：入通道：模模拟拟量量输输出通道：出通道：生生产过产过程的参数程的参数(如温度、如温度、压压力、流量、速度、位移等力、流量、速度、位移等)一般是随一般是随时间连续变时间连续变化的模化的模拟拟量，通量，通过检测过检测元件或元件或变变送器将其送器将其转换为对应转换为对应的模的模拟电压拟电压或或电电流，并流，并转转化化为为数字信号的数字信号的过过程程；把微机把微机输输出的出的数字控制信号数字控制信号转换为转换为模模拟拟信号（信号（电压电压或或电电流）流）并并传输给传输给被控被控对对象的象的过过程；程；第4页，此课件共83页哦
3、数字量数字量(开关量开关量)输输入通道：入通道：数字量数字量(开关量开关量)输输出通道：出通道：拾起或拾起或检测检测反映生反映生产过产过程或程或设备设备工况的工况的开关信号开关信号（如（如继电继电器接点、行程开关、按器接点、行程开关、按纽纽等）、等）、脉冲信号脉冲信号（如速度、位移、（如速度、位移、流量脉冲等）并流量脉冲等）并传输给传输给微机的微机的过过程；程；将数字信号从微机将数字信号从微机传输给传输给那些那些接受数字信号的接受数字信号的执执行机构行机构和和显显示、指示装置的示、指示装置的过过程。程。第5页，此课件共83页哦过程输入输出通道示意图过程输入输出通道示意图第6页，此课件共83页哦
4、过程通道过程通道与与CPUCPU交交换换的信息的信息类类型型2 3控制信息控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等：用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。等。2状态信息状态信息：又叫协议信息，如应答信息、握手信：又叫协议信息，如应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号。息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号。过程输入输出通道与过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：交换的信息类型有三种：注注意意：在在过过程程输输入入输输出出通通道道中中，必必须须设设置置一一个个与与CPU联联系系的的接接口口电电
5、路路，传送数据信息、状态信息和控制信息。传送数据信息、状态信息和控制信息。1数据信息数据信息：反映生产现场的参数及状态的信：反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。息，它包括数字量、开关量和模拟量。第7页，此课件共83页哦过程通道的过程通道的编编址方式址方式3 2 2过程通道与存储器独立编址方式过程通道与存储器独立编址方式1 1过过程通道与存程通道与存储储器器统统一一编编址方式址方式 由于由于计计算机控制系算机控制系统统一般都有多个一般都有多个过过程程输输入入输输出通道，出通道，因此需因此需对对每一个每一个过过程程输输入入输输出通道安排地址。出通道安排地址。过过程通道程通
6、道编编址方式有两种：址方式有两种：第8页，此课件共83页哦2.2.人人-机交互通道机交互通道 主要功能是主要功能是实现实现人人-机机对话对话，实现实现操作人操作人员员与与计计算机之算机之间间的信息交流。的信息交流。第9页，此课件共83页哦二、输入输出接口二、输入输出接口（掌握）（掌握）接接口口电电路路起起着着连连接接过过程程通通道道与与CPU的的桥桥梁梁作作用用，它它的的基基本本任务有：任务有：1控控制制信信息息的的传传递递路路径径：即即根根据据控控制制的的任任务务在在众众多多的的信息源中进行选择；信息源中进行选择；2控控制制信信息息传传送送的的顺顺序序：计计算算机机控控制制的的过过程程就就是
7、是执执行行程程序序的的过过程程，为为确确保保进进程程正正确确无无误误，接接口口电电路路应应根根据据控控制制程程序序的的要要求求，适适时时地地发发出出一一组组有有序序的的门门控控信信号号。以以确定该信息传送的路径和目的地。确定该信息传送的路径和目的地。第10页，此课件共83页哦 在过程通道接口电路设计中应解决以下问题：在过程通道接口电路设计中应解决以下问题：1触发方式：触发方式：有序的门控信号的主要作用就是严格遵有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭发出开启或关闭(触发触发)信号，这必然
8、涉及到同步触发和异步信号，这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。触发的方式。2时序：时序：控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的。实现的。3.负载能力：负载能力：一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考虑运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件
9、所带负载电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负载是否匹配。是否匹配。第11页，此课件共83页哦3.1 3.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道数字量输入信号：开关闭合与断开，继电器吸合与释放（检测）数字量输入信号：开关闭合与断开，继电器吸合与释放（检测）数字量输出信号：指示灯亮灭，电机的启和停，阀门的开闭（控制）数字量输出信号：指示灯亮灭，电机的启和停，阀门的开闭（控制）数字量信号的两个状态：数字量信号的两个状态：导通导通和和截止截止变换为二进制变换为二进制0 0和和1 1来表示来表示第12页，此课件共83页哦3.1.13.1.1数字量输入输出接口技术（掌握）数字量输入输出接口技术（
10、掌握）1.数字量输入接口数字量输入接口2.2.数字量输出接口数字量输出接口第13页，此课件共83页哦3.1.23.1.2数字量输入输出通道数字量输入输出通道结构（掌握）：数字量输入输出通道一般由三部分组成：输入输出地址译码电路、输入缓冲器输出锁存器、输入输出电气接口亦即数字量输入信号调理输出信号驱动电路。第14页，此课件共83页哦各种数字量输入输出电气接口作用：主要完成滤波、电平转换、隔离和功率驱动等功能。输入缓冲器功能：对输入信号缓冲、加强和选通；输出锁存器功能：对输出信号锁存供外围设备使用；第15页，此课件共83页哦1 1）信号转换处理）信号转换处理 从从工工业业现现场场获获取取的的开开关
11、关量量或或数数字字量量，在在逻逻辑辑上上表表现现为为逻逻辑辑“1”1”或或逻逻辑辑“0”0”，信信号号形形式式则则可可能能是是电电压压、电电流流信信号号或或开开关关的的通通断断，其其幅幅值值范范围围也也往往往往不不符符合合数数字字电路的电平范围要求，因此必须进行转换处理。电路的电平范围要求，因此必须进行转换处理。对于电压输入，V2某一值，为逻辑1对于电流输入，V2某一值，为逻辑1数字量输入信号调理和信号隔离（数字量输入信号调理和信号隔离（了解了解）1第16页，此课件共83页哦电压输入电路如果是电压输入，R1和R2电阻分压，使得V2符合TTL逻辑规范V1V2第17页，此课件共83页哦电流输入电路
12、如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范第18页，此课件共83页哦开关触点输入电路对于开关输入，S断开，V2=5V，为逻辑“1”S闭合，V2=0V，为逻辑“0”V2第19页，此课件共83页哦2）安全保护措施 在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取安全保护措施。信号转换电路，虽然也考虑逻辑电平问题，但在工业应用中，还可能出现意外的过电压（电流），瞬间干扰等。就是非工业控制应用也可能出现瞬间尖峰过电压（过电流），例如雷电引起的等。因此还需要有安全保护电路。常用的保护电路为：第20页，此课件共83页哦输入保护电路第21页，此课件共8
13、3页哦电平转换与保护电路组合使用的一个例子：这时，我们可以把分压电阻去掉，用稳压二极管第22页，此课件共83页哦3 3）隔离隔离处理处理 从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平；即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号；因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。下图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。第23页，此课件共83页哦工业控制的现场开关，一般使用24VDC电源。注意：现场侧和CPU侧两边没有电的联系（独立的电源和地线）现场侧CPU侧第24页，此课件
14、共83页哦机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510 ms。4 4）消除触点抖动）消除触点抖动第25页，此课件共83页哦去抖的方法：去抖的方法：1.软件（延时）2.硬件 在硬件上可采用在输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路。第26页，此课件共83页哦1）隔离处理 当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电压通过输出控制通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和计算机系统。下图是采用了光电隔离
15、的开关量输出电路。数字量输出信号数字量输出信号隔离隔离和驱动电路（和驱动电路（了解了解）2第27页，此课件共83页哦低压小功率开关量输出第28页，此课件共83页哦2）开关量输出驱动电路）开关量输出驱动电路小功率低压开关量输出 功率场效应输出 继电器输出可控硅输出第29页，此课件共83页哦 小功率低压开关量输出小功率低压开关量输出 对对于于低低压压小小功功率率开开关关量量输输出出，可可采采用用晶晶体体管管、OCOC门门或运放等方式输出。或运放等方式输出。下下图图给给出出的的两两种种电电路路一一般般仅仅能能提提供供几几十十毫毫安安级级的的输输出出驱驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。动电流，可
16、以驱动低压电磁阀、指示灯等。第30页，此课件共83页哦低压小功率开关量输出第31页，此课件共83页哦 功率场效应输出功率场效应输出 功功率率场场效效应应管管(MOSFET)(MOSFET)是是压压控控电电子子开开关关，只只要要在在其其栅栅极极G G和和源源极极S S之之间间加加上上足足够够的的控控制制电电压压，漏漏极极D D和和源源极极S S之之间可导通。间可导通。MOSFETMOSFET的的栅栅极极控控制制电电流流为为微微安安级级，而而导导通通后后漏漏极极D D和和源源极极S S之间允许通过较大的电流。之间允许通过较大的电流。例例如如IRF640IRF640导导通通时时，D D、S S间间允
17、允许许通通过过的的最最大大电电流流可可达达1818安培。安培。第32页，此课件共83页哦功率场效晶体管的典型使用方法第33页，此课件共83页哦 继电器输出继电器输出 继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大即利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成从直流低压到交流(或直流)高压、从小功率到大功率的转换。使用继电器输出时，为克服线圈反电势，常在继电器的线圈上并联一个反向二级管。继电器输出也可以提供电气隔离功能，但其触点在通断瞬间往往容易产生火花而引起干扰，还是必须予以注意的，一般可采用阻容电路予以吸收。第34页
18、，此课件共83页哦继电器式开关量输出第35页，此课件共83页哦继电器式开关量输出带光电隔离的继电器输出接口电路第36页，此课件共83页哦 可控硅输出可控硅输出 作为一种大功率半导体无触点开关器件，可控硅具有以较小的功率来控制大功率的特点，因此在计算机控制系统中被广泛地用作功率执行元件，一般是由计算机发出数字触发脉冲信号实现其通断控制。第37页，此课件共83页哦光电隔离的双向可控硅输出第38页，此课件共83页哦3.2 3.2 模拟模拟量输入通道量输入通道(掌握掌握)模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号与主控微处理器之间的模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号与主控微处理器之间的接口，一般由传感器、
19、信号调理电路、多路模拟开关、放大器、采样接口，一般由传感器、信号调理电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器保持器(S/H)(S/H)和和A/DA/D转换器组成。其中转换器组成。其中A/DA/D转换器是实现模拟待测信号到数转换器是实现模拟待测信号到数字信号之间转换的关键部件。字信号之间转换的关键部件。模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式。模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式。第39页，此课件共83页哦1 1、单路模拟量输入通道、单路模拟量输入通道2 2、多路模拟量输入通道、多路模拟量输入通道接口电路信号处理信号处理信号处理传感器1传感器2传感器nA/D转换器多
20、路开关采样保持微型计算机第40页，此课件共83页哦1 1、多路转换器、多路转换器多路转换器又称多路开关，它是用来多路转换器又称多路开关，它是用来切换切换模拟电压信号模拟电压信号的关键元件。的关键元件。多路开关功能：多路开关功能：把多个模拟量参数分时地接通并送入把多个模拟量参数分时地接通并送入A/DA/D转换器，即完成多到一的转换（转换器，即完成多到一的转换（输入输入）；或者把经计算机处）；或者把经计算机处理，且由理，且由D/AD/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换（的控制回路（或外部设备）中，
21、即完成一到多的转换（输出输出）。）。3.2.1模拟量输入通道中的常用器件及电路模拟量输入通道中的常用器件及电路第41页，此课件共83页哦理想多路开关要求：理想多路开关要求：开路电阻应为无穷大，接通时的导通电开路电阻应为无穷大，接通时的导通电阻应为零，切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。阻应为零，切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。实际多路开关性能：实际多路开关性能：导通电阻导通电阻1010几欧，开关速度几百纳秒几欧，开关速度几百纳秒多类开关的分类：多类开关的分类：1)1)单向多路开关单向多路开关(1(1对多或多对对多或多对1)1)，如，如AD7501AD7501（8 8路）、路）、AD85
22、06(16AD8506(16路路)；2)2)双向多路开关（双向多路开关（1 1对多且多对对多且多对1 1），如），如CD4051CD4051；3 3）矩阵多路开关（多对多），如）矩阵多路开关（多对多），如MT8816MT8816；第42页，此课件共83页哦多路开关多路开关实实例：例：CD4051CD4051（双向）（双向）CD4051是8通道多路开关带有3个通道选择输入端A、B、C，用于选择8个通道之一一个禁止输入端INH，高电平时，禁止模拟信号输入；低电平时允许模拟信号输入第43页，此课件共83页哦CD4051的真值表的真值表 输入状态输入状态接通通道接通通道第44页，此课件共83页哦在实际
23、应用中，如果被测参数多于8路，可以采用将多个CD4051 相连进行扩展。*由由D0D1D2D3来选择来选择16路通道路通道之一之一*其中其中D30，选中，选中1*其中其中D31，选中，选中2CD4051多路开关的扩展应用第45页，此课件共83页哦1 1 1 1）概述概述概述概述问题：问题：模拟信号进行模拟信号进行 A AD D 转换时，从启动转换到转换转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号变化较大时，会造成很大的转换误差。号变化较大时，会造成很大的转换误差。解决方法：解决方法：采用一种器件，在采用一种器件，在A AD
24、D转换时保持住输入信转换时保持住输入信号电平，在号电平，在A AD D转换结束后跟踪输入信号的转换结束后跟踪输入信号的变化。变化。这种功能的器件就是采样保持器。这种功能的器件就是采样保持器。2 2、采样保持器、采样保持器第46页，此课件共83页哦2 2 2 2）采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理采样保持器的一般结构形式如图所示。采样保持器的一般结构形式如图所示。模拟信号模拟信号U Ui iK K驱动信号驱动信号A AC CH H模拟地模拟地U UO O组成组成 模拟开关模拟开关K K保持电容保持电容C CH H缓冲放大器缓冲放大器A A第47页，此
25、课件共83页哦在在t1时刻前时刻前，控制电路的驱控制电路的驱动信号为高电平时，动信号为高电平时，模拟开模拟开关关K 闭合，模拟输入信号闭合，模拟输入信号Ui 通过模拟开关加到电容通过模拟开关加到电容CH 上，使得上，使得CH端电压端电压UC 跟随跟随Ui 变化而变化。变化而变化。在在t1时刻，驱动信号为低电时刻，驱动信号为低电平，模拟开关平，模拟开关K断开断开，此时此时电容电容CH 上的电压上的电压UC 保持保持模拟开关断开瞬间的模拟开关断开瞬间的Ui 值值不变并等待不变并等待AD转换器转转换器转换换。工作原理如下：工作原理如下：t控控制制信信号号t模模拟拟输输入入At采采样样输输出出跟踪跟踪
26、t1A2t2A1t3保持保持A3t4A图图5.2 采样保持器工作原理采样保持器工作原理而在而在t2时刻，保持结束，时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到新一个跟踪时刻到 来，来，此时驱动信号又为高电此时驱动信号又为高电平，模拟开关平，模拟开关K 重新闭重新闭合，合，CH 端电压端电压UC 又跟又跟随随Ui 变化而变变化而变 化；化；t3时刻，驱动信号为低时刻，驱动信号为低电平时，模拟开关电平时，模拟开关K断断开开，.。第48页，此课件共83页哦从以上讨论可知：从以上讨论可知：采样采样保持器是一种用逻辑电平控保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。制其工作状态的器件。第49页，此课件共83页哦采样
27、保持器的工作状态：采样保持器的工作状态：跟踪状态跟踪状态 在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。为止。保持状态保持状态 对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。持。采样保持器主要作用：采样保持器主要作用：“稳定稳定”快速变化的输入信号，以减少转换误差。快速变化的输入信号，以减少转换误差。用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。
28、多路开关切换下一个模拟信号。第50页，此课件共83页哦3 3）采样保持器使用中应注意的问题）采样保持器使用中应注意的问题采样保持器和采样保持器和A AD D转换器各完成一次动作所需转换器各完成一次动作所需时间之和应小于采样周期时间之和应小于采样周期采样保持器的性能在很大程度上取决于保持电容器采样保持器的性能在很大程度上取决于保持电容器的质量。因此，应该选择优质电容器。的质量。因此，应该选择优质电容器。第51页，此课件共83页哦4 4）常用的采样）常用的采样/保持器保持器 常用的采样常用的采样/保持器集成电路有保持器集成电路有AD582AD582、AD583AD583、AD585AD585、AD
29、346AD346、THS-0025THS-0025、LF198/298/398LF198/298/398等。下面以等。下面以LF398LF398为例，为例，介绍集成电路介绍集成电路S/HS/H的工作原理，其他的的工作原理，其他的S/HS/H的原理与其大致相同。的原理与其大致相同。LF398 LF398是一种反馈型采样是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样保持器，也是较为通用的采样/保持器，与保持器，与LF398LF398结构相同的还有结构相同的还有LF198LF198、LF298LF298等，都是等，都是由由场效应管场效应管构成，具有采样速率高，保持性好和精度高等优构成，具有采样速率高，
30、保持性好和精度高等优点。其采样时间小于点。其采样时间小于10s10s，输入阻抗为，保持电容为，输入阻抗为，保持电容为1F1F时，其下降速度为时，其下降速度为5mV/min5mV/min。双电源供电，电源范围宽，。双电源供电，电源范围宽，可以从可以从5V5V到到18V18V。第52页，此课件共83页哦LF398LF398的组成原理图如图所示。的组成原理图如图所示。引脚排列如图所示。引脚排列如图所示。第53页，此课件共83页哦各引脚功能如下：各引脚功能如下：V+V+、V-V-：正负电源电压输入引脚，输入范围为：正负电源电压输入引脚，输入范围为5V5V到到18V18V。OFFSET ADJOFFSE
31、T ADJ：偏置调整引脚。可用外接电阻调整采样：偏置调整引脚。可用外接电阻调整采样-保持器的偏差。保持器的偏差。V VININ：输入引脚。：输入引脚。V VOUTOUT：输出引脚。：输出引脚。C CH H：保持电容引脚。用来外接保持电容。：保持电容引脚。用来外接保持电容。LOGIC REFLOGIC REF：参考逻辑电平。：参考逻辑电平。LOGICLOGIC：输入控制逻辑。：输入控制逻辑。第54页，此课件共83页哦LF398LF398典型的电源和信号的接法典型的电源和信号的接法第55页，此课件共83页哦保持电容保持电容C CH H可选用漏电流较小的可选用漏电流较小的聚苯乙烯电容、云母电容聚苯乙
32、烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容或聚四氟乙烯电容。C CH H的数值直接影响采样时间及保持的数值直接影响采样时间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电容精度，为了提高精度，就需要增加保持电容C CH H的容量，的容量，但但C CH H增大时又会使其采样时间加长。因此，当精度要求不高增大时又会使其采样时间加长。因此，当精度要求不高（1%）而速度要求较高时，）而速度要求较高时，C CH H可小至可小至100f f。当精度。当精度要求高（要求高（0.01%）时，应取）时，应取C CH H=1000F F。当。当C CH H 400F F时，采样时间时，采样时间t tACAC与与C CH H有经验
33、公式有经验公式t tACAC=C=CH H/40/40 式中，式中，C CH H为保持电容的容量，单位为为保持电容的容量，单位为FF；t tACAC为采样时间，为采样时间，单位为单位为s s。保持电容的选择保持电容的选择第56页，此课件共83页哦3.2.2模拟信号的调理模拟信号的调理在计算机控制系统中，模拟量输入信号类型：在计算机控制系统中，模拟量输入信号类型：传感器输出的信号传感器输出的信号变送器输出的信号变送器输出的信号 电压信号：一般为电压信号：一般为mVmV或或VV信号。信号。电阻信号：单位为电阻信号：单位为，如热电阻（，如热电阻（RTDRTD）信号，通过）信号，通过电桥转换成电桥转换
34、成mVmV信号。信号。电流信号：一般为电流信号：一般为mAmA或或AA信号。信号。电流信号：一般为电流信号：一般为010mA（01.5k负载）或负载）或420mA（0500负载）。负载）。电压信号：一般为电压信号：一般为05V或或15V信号。信号。第57页，此课件共83页哦1.I/V变换变换2 2、电流信号转化为电压信号；、电流信号转化为电压信号；注意：注意：信号调理电路的设计主要是根据传感器输出信号调理电路的设计主要是根据传感器输出的信号、变送器输出的信号及的信号、变送器输出的信号及A/DA/D转换器的具体情况转换器的具体情况而有所不同。而有所不同。3 3、非电压信号转化为电压信号；、非电压
35、信号转化为电压信号；1 1、电压信号的、电压信号的“标准化标准化”；第58页，此课件共83页哦 电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流电压或电流输出输出的一种测量电路。的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可以其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，并具有较高送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛应用。的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛应用。与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：按照与其他测试装置的分类一样，
36、电桥亦有不同的分类方式：按照激励电源的性质可分为激励电源的性质可分为直流电桥与交流电桥直流电桥与交流电桥；按照桥臂阻抗性质；按照桥臂阻抗性质又可分为又可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥。电阻电桥、电容电桥和电感电桥。2.电桥电桥第59页，此课件共83页哦3.2.3模拟量输入通道的设计模拟量输入通道的设计模拟量输入通道的应考虑的问题：模拟量输入通道的应考虑的问题：使用对象和性能指标；使用对象和性能指标；信号的调理；信号的调理；A/DA/D转换器的选择；转换器的选择；采样保持器和前置放大器的选用；采样保持器和前置放大器的选用；第60页，此课件共83页哦3.3 3.3 模拟模拟量输出通道量输出通道(
37、掌握掌握)模拟输出通道的作用是将计算机输出的数字量转换为模拟电流或者模拟输出通道的作用是将计算机输出的数字量转换为模拟电流或者电压信号，以便驱动相应的执行机构，从而实现控制。一般由接口电路、电压信号，以便驱动相应的执行机构，从而实现控制。一般由接口电路、D/AD/A转换器、多路转换开关、输出保持器和转换器、多路转换开关、输出保持器和I/VI/V变换等组成。变换等组成。模拟量输出通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式。模拟量输出通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式。第61页，此课件共83页哦1 1、单模拟量输出通道的结构、单模拟量输出通道的结构组成：接口电路、寄存器、组成：接口电路
38、、寄存器、D DA A转换器和放大变换电转换器和放大变换电路路第62页，此课件共83页哦2 2、多模拟量输出通道的结构、多模拟量输出通道的结构 多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器输出保持器的构成方式的构成方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持方案数字保持方案和和模拟模拟保持方案保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。形式。第63页，此课件共83
39、页哦优点优点:转换速度快，工作可靠，即使某一路转换速度快，工作可靠，即使某一路D/AD/A转换器发生转换器发生故障，也不影响其他通道的工作。故障，也不影响其他通道的工作。缺点缺点:使用了较多的使用了较多的D/AD/A转换器，使得这种结构的价格很转换器，使得这种结构的价格很高。高。1）一个通道设置一片一个通道设置一片D/A转换器转换器第64页，此课件共83页哦2 2）多个通道共用一片）多个通道共用一片D/AD/A转换器转换器 由于公用一个由于公用一个D/AD/A转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即依转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即依次把次把D/AD/A转换器转换成的模拟电压（或电
40、流），通过多路开关传送给输转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给输出采样出采样保持器。保持器。优点优点:节省了节省了D/AD/A转换器。转换器。缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。它还要使用多路开关，且要求输出采样它还要使用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样保持器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。第65页，此课件共83页哦3.2.13.2.1电压电压/电流转化电路电流转化电路 因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特别是在过
41、程控制系统中，因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特别是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流信号，所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信自动化仪表只接收电流信号，所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息，这就需要将电压信号再转换成电流信号，完成电流输出方式的电路称为息，这就需要将电压信号再转换成电流信号，完成电流输出方式的电路称为V/IV/I变换电路。变换电路。电流输出方式电流输出方式一般有两种形式：一般有两种形式：1 1普通运放普通运放V/IV/I变换电路变换电路 2 2集成转换器集成转换器V/IV/I变换电路变换电路第66页，此课件共83页哦 1 1）普通运放普通运放V
42、/IV/I变换电路变换电路 （1 1）010 mA010 mA的输出的输出 +-Vin010 VAT1T2I0Vf+VsR1R2R3R4R5R6RfRL 图为010 V/010 mA的变换电路，由运放A和三极管T1、T2组成，R1 和 R2是输入电阻，Rf 是反馈电阻，RL是负载的等效电阻。输入电压Vin 经输入电阻进入运算放大器A，放大后进入三极管T1、T2。由于T2射极接有反馈电阻R f，得到反馈电压Vf加至输入端，形成运放A的差动输入信号。该变换电路由于具有较强的电流反馈，所以有较好的恒流性能。第67页，此课件共83页哦（2 2）420 mA420 mA的输出的输出 图为图为15 V/4
43、20 mA15 V/420 mA的变换电路，两个运放的变换电路，两个运放A A1 1、A A2 2均接均接成射极输出形式。成射极输出形式。+-A1+-A2T2T1T3Vin15VR1R2RfRLR3CIfI2I0I1V1V2+VsV3第68页，此课件共83页哦 2 2）集成转换器）集成转换器V/IV/I变换电路变换电路 图是集成图是集成V/IV/I转换器转换器ZF2B20ZF2B20的引脚图，采用单正的引脚图，采用单正电源供电，电源电压范围为电源供电，电源电压范围为101032V32V，ZF2B20ZF2B20的输入电的输入电阻为阻为10K10K，动态响应时间小于，动态响应时间小于25S25S
44、，非线性小于土，非线性小于土 0.0250.025。第69页，此课件共83页哦3.2.2 3.2.2 模拟量输出通道设计举例（了解）模拟量输出通道设计举例（了解）模拟量输出通道一般根据系统需求可由模拟量输出通道一般根据系统需求可由多路开关多路开关、采样保持器采样保持器、D/AD/A转换器转换器及及接口电路接口电路等组成。采样保持器的作用及工作原理如前中所述，多等组成。采样保持器的作用及工作原理如前中所述，多路开关在模拟量输出通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路开关路开关在模拟量输出通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路开关将一路将一路D/AD/A转换器的输出分时切换至后级的各执行机构。转
45、换器的输出分时切换至后级的各执行机构。第70页，此课件共83页哦1）模拟量输出通道设计的基本方法 模拟量输出通道的设计原则主要考虑以下几点：安全可靠 尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术。性能价格比高 既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术路线、芯片元件上降低成本。通用性 D/A转换模板的设计应具有通用性，它主要体现在三个方面：符合总线标准，可选接口地址以及可选输出方式。对于电流输出而言，常用的是010mA DC或420mA DC这两种信号范围，能满足该范围输出的电路所示。第71页，此课件共83页哦2）模拟量输出通道的设计 模拟量输出通道设计步骤是：确定性能指标，设计电路原理图，设计
46、和制造印制线路板，最后焊接和调试电路板。其中，数字电路和模拟电路应分别排列走线，尽量避免交叉，连线要尽量短。模拟地（AGND）和数字地（DGND）分别走线，通常在总线引脚附近一点接地。光电隔离前后的电源线和地线要相互独立。调试时，一般是先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性能指标逐项考核。图（a）、（b）给出了具有8路D/A转换的模拟量输出通道模板结构框图和其中1路的电路原理图。该模板由总线接口逻辑、8片DAC0832以及V/I变换电路等组成。第72页，此课件共83页哦8路D/A转换模板(a)第73页，此课件共83页哦8路D/A转换模板(b)第74页，此课件共83页哦 其中每路的其中每路的
47、D/AD/A转换器均接为单缓冲输入工作方式，且均具有转换器均接为单缓冲输入工作方式，且均具有电压、电流两种可选的输出方式。这里的电压、电流两种可选的输出方式。这里的V/IV/I变换电路与负载共电变换电路与负载共电源，输出电流源，输出电流I IOUTOUT=V=VCCCC/R5/R5。当。当R5=500R5=500，V VCCCC0 05V5V时，时，I IOUTOUT=0=010mA10mA；当；当R5R5250250，V VCCCC=1=15V5V时，时，I IOUTOUT=4=420mA20mA。第75页，此课件共83页哦3.4 3.4 人人-机交互机交互通道通道(了解了解)1 1、键盘接
48、口、键盘接口按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关；另一类是无触点式开关按键，如电容式按键，薄膜按键械式开关；另一类是无触点式开关按键，如电容式按键，薄膜按键等。按键处理程序需完成下列工作等。按键处理程序需完成下列工作:第76页，此课件共83页哦1）消抖）消抖机械按键开关在闭合或断开时，会伴随有一连串的抖动，一般约为机械按键开关在闭合或断开时，会伴随有一连串的抖动，一般约为510ms。为了保证。为了保证CPU对按键的一次闭合只作一次处理，必须消除抖动。对按键的一次闭合只作一次处理，必须消除抖动。常见消抖的方法有：常见
49、消抖的方法有：（1）硬件方式）硬件方式RS触发器消抖电路触发器消抖电路RS触发器消抖电路触发器消抖电路，按键抖动时，利用双稳态电路的互锁特性，按键抖动时，利用双稳态电路的互锁特性，a端输出可维持不变，消除了按键的抖动。端输出可维持不变，消除了按键的抖动。RC滤波消抖电路滤波消抖电路在按键输出在按键输出端到地接端到地接RC滤波电路。选择合适的滤波电路时间常数，抖动信号可通滤波电路。选择合适的滤波电路时间常数，抖动信号可通过滤波电路滤除。过滤波电路滤除。第77页，此课件共83页哦（2）软件延时消抖。）软件延时消抖。软件消抖是在第一次检测到按键按下的信号后，延时一段时间，待键闭合软件消抖是在第一次检
50、测到按键按下的信号后，延时一段时间，待键闭合稳定后，可再次检测键入信号，若两次检测到的开关状态相同则认为有效。延稳定后，可再次检测键入信号，若两次检测到的开关状态相同则认为有效。延时时间应大于抖动时间，一般延迟时时间应大于抖动时间，一般延迟1020ms。第78页，此课件共83页哦2 2）键盘接口电路）键盘接口电路多个按键构成的键盘中，不同的按键动作引起不同程序段的执行，以完多个按键构成的键盘中，不同的按键动作引起不同程序段的执行，以完成不同的工作。如何识别动作的按键，并使其正确地方便地转入相应的处理成不同的工作。如何识别动作的按键，并使其正确地方便地转入相应的处理程序，需要编码。程序，需要编码