输入输出接口与过程通道.pptx

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1、20062.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 工业控制机用于生产过程的自动控制，需要处理一类最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）信号。数字量输入输出接口技术 1.数字量输入接口 对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量，因此，可用三态门缓冲器74LS244取得状态信息，如图2.1所示。经过端口地址译码，得到片选信号CS，当在执行IN指令周期时，产生IOR信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器，设片选端口地址为port，可用如下指令来完成取数 MOV DX，port IN AL，DX 三态门缓冲器74

2、LS244用来隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。第1页/共63页20062.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2.数字量输出接口 当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。因此，可用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存，如图2.2所示。由于PC总线工业控制机的I/O端口写总线周期时序关系中，总线数据D0D7比IOW前沿(下降沿)稍晚,因此在图2.2的电路中,利用IOW的后沿产生的上升沿锁存数据.经过端口地址译码,得到片选信号CS,当在执行OUT指令周期时,产生IOW信号,设片选端口地址为port,可用以下指令完成数

3、据输出控制.MOV AL,DATA MOV DX,port OUT DX,AL第2页/共63页20062.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 2.输入调理电路 数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接受外部装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点,因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象.为了将外部开关量信号输入到计算机,必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号,这些功能称为信号调理。数字量输入通道数字量输入通道 1.数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构 数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址

4、译码电路等组成,如图2.3所示。第3页/共63页20062.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道(1)小功率输入调理电路 图2.4所示为从开关、继电器等接点输入信号的电路。它将接点的接通和断开动作,转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号,一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。图2.4(a)所示为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法。图2.4(b)所示为R-S触发器消除开关两次反跳的方法。第4页/共63页20062.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道(2)大功率输入调理电路在大功率系统中,需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号

5、。这种情况下,为了使接点工作可靠,接点两端至少要加24V以上的直流电压。因为直流电平的响应快,不易产生干扰,电路又简单,因而被广泛采用。但是这种电路,由于所带电压高,所以高压与低压之间,用光电藕合器进行隔离,如图2.5所示。第5页/共63页20062.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道数字量输出通道1.数字量输出通道的结构 数字量的通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成,如图2.6所示。2.输出驱动电路 (1)小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 采用功率晶体管输出驱动继电器的电路如图2.7所示。因负载呈电感性,所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D,

6、J为继电器的线圈。第6页/共63页20062.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道达林顿阵列输出驱动继电器电路MC1416是达林顿阵列驱动器,它内含7个达林顿复合管,每个复合管的电流都在500mA以上,截止时承受100V电压。为了防止MC1416组件反向击穿,可使用内部保护二极管。图2.8给出了MC1416内部电路原理图和使用方法。第7页/共63页20062.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道(2)大功率交流驱动电路 固态继电器(SSR)是一种四端有源器件,图2.9为固态继电器的结构和使用方法。输入输出之间采用光电藕合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通,从而

7、减少干扰。电路接通以后,由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。第8页/共63页20062.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 A/D转换器通常都具有三态数据输出缓冲器,因而允许A/D转换器直接同系统总线相连接。为便于或简化接口电路设计,也常通过通用并行接口芯片实现与系统的接口。下面以8255A作为系统与A/D转换器接口为例讨论A/D转换器的接口方法。1.ADC0809与PC总线工业控制机接口 图2.15给出了ADC0809通过8255A的转换器接口方法。8255A的A组和B组都工作于方式0,端口A为输入口,端口C上半部分为输入而下半部分为输出口。ADC0809的ALE与START引脚相连接,

8、将PC0PC2输出的3位地址锁存入ADC0809的地址锁存器并启动A/D转换。ADC0809的EOC输出信号端同OE输入控制端相连接,当转换结束时,开放数据输出缓冲器,EOC信号还连接到PC7,CPU通过查询PC7的状态而控制数据的输入过程。第9页/共63页20062.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 下列过程是以图2.15的接口方法为例完成采集ADC0809 8路模拟量的程序。假定在住程序中已完成对8255A的初始化编程,并已装填了ES和DS,使它们有相同的段基值,系统分配给8255A的地址为2C0H2C3H。ADC0809 PROC NEAR MOV CX,8 CLD MOV BL,

9、00H ;模拟通道地址存BL LEA DI,DATABUFNEXTA:MOV DX,02C2H MOV AL,BL OUT DX,AL INC DX MOV AL,00000111B ;输出启动信号 OUT DX,AL NOP NOP NOP MOV AL,00001110B OUT DX,AL DEC DXNOSC:IN AL,DX TEST AL,80H JNZ NOSC ;EOC=1,则等待NOEOC:IN AL,DX TEST AL,80H JZ NOEOC ;EOC=0,则等待 MOV DX,02C0H ;读转换结果 IN AL,DX STOS DATABUF INC BL ;修改模

10、拟通道地址 LOOP NEXTA RETADC0809 ENDP第10页/共63页20062.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 2.AD574与PC总线工业控制机接口 图2.16给出了12位转换方式的AD574A的接口例子。AD574A的12/8控制引脚和VLOGIC相连,A0接地,是工作于12位转换和读出方式。CE、CS和R/C的控制通过PC2PC0输出适当的控制信号实现。8255A的A组和B组都工作于方式0,端口A、B和端口C上半部分规定为输入,端口C的下半部分规定为输出。第11页/共63页20062.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 下面给出通过上述接口启动和读取AD574A

11、数据的程序段,仍假定已完成对8255A的初始化编程,8255A地址为2C0H2C3H。MOV DX,02C2H ;使CS,R/C为低电平 MOV AL,00H OUT DX,AL NOP NOP MOV AL,04H ;使CE=1,启动转换 OUT DX,AL NOP NOP MOV AL,03H ;使CE=0,CS=1 OUT DX,ALPOLLING:IN AL,DX ;查询STS状态 TEST AL,80H JNZ POLLING ;STS=1,则等待 MOV AL,01H ;使CS=0,R/C=1 OUT DX,AL NOP MOV AL,05H ;使CE=1,允许读出 OUT DX,

12、AL MOV DX,02C0H ;读取数据,存于BX中 IN AL,DX ;读DB11DB8 AND AL,0FH MOV BH,AL INC DX IN AL,DX ;读DB7DB0 MOV BL,AL INC DX MOV AL,03H ;使CE=0,CS=1 OUT DX,AL ;结束读出操作第12页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号,变成二进制数字信号,经接口送往计算机。传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置,大多数传感器的输出是直流电压(或电流)信号。为了避免电平模拟信号传输带来的麻烦,经常要将测量元件的输出

13、信号经变送器变送,如温度变送器、压力变送器流量变送器等,将温度、压力、流量的电信号变成010mA或420mA的统一信号,然后经过模拟量输入通道来处理。模拟量输入通道的组成 模拟量输入通道的一般结构如图2.17所示。过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压)形式后,再送至多路开关;在微机的控制下,由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级,进行采样和A/D转换,实现过程参数的巡回检测。第13页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输入通道一般由I/V变换,多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。变换 变送器输出的信号为010mA或420mA的统

14、一信号,需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。1.无源I/V变换 无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现,并加滤波和输出限幅等保护措施,如图2.18所示。对于010mA输入信号,可取R1=100欧,R2=500欧,且R2为精密电阻,这样当输入的I为420mA输入信号,可取R1=100欧,R2=250欧,且R2为精密电阻,这样当输入的I为420mA时,输出的V为15V。2.有源I/V变换 有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成,如图2.19所示。利用同相放大电路,把电阻R1上产生的输入电压变成标准2的输出电压。该同相放大电路的放大倍数为A=1+R4/R3,若取R3=100千

15、欧,R4=150千欧,R1=200欧,则010mA输入对应于05V的电压输出。若取R3=100千欧,R4=25千欧,R1=200欧,则420mA输入对应于15V的电压输出。第14页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 多路转换器 多路转换器又称多路开关,多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高过程参数的测量精度,对多路开关提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大,其接通时的导通电阻为零。此外,还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。常用的多路开关有CD4051等。CD4051的

16、原理如图2.20所示,它是单端的8通开关,它有三根二进制的控制输入端和一根禁止输入端INH(高电平禁止)。片上有二进制译码器,可由A、B、C三个二进制信号在8个通道中选择一个,使输入和输出接通。而当INH为高电平时,不论A、B、C为何值,8个通道均不通。通道选择表如下。第15页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 采样、量化及常用的采样保持器1.信号的采样 采样过程如图2.21所示。按一定的时间间隔T,把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号,转变成在时刻O、T、2T、KT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。执行采样动作的开关K称为采样开关或采样器。T称为采样宽度,代表采样开

17、关闭合的时间。采样后的脉冲序列y*(t)称为采样信号,采样器的输入信号y(t)称为原信号,采样开关每次通断的时间间隔T称为采样周期。采样信号y*(t)在时间上是离散的，但在幅值上仍是连续的,所以采样信号是一个离散的模拟信号。第16页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 从信号的采样过程可知,经过采样,不是取全部时间上的信号值,而是取某些时间上的值。这样处理后会不会造成信号的丢失呢?香农(Shannon)采样定理指出:如果模拟信号(包括噪声干扰在内)频谱的最高频率为fmax,只要按照采样频率f2fmax进行采样,那么采样信号y*(t)就能唯一地复现y(t)。采样定理给出了y*(

18、t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中,常取f(510)fmax,甚至更高。2.量化 所谓量化,就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值,将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程,执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把yminymax范围内变化的采样信号,变换为数字02n-1,其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位。q=(ymax-ymin)/2n-1。量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程,由于量化过程是一个小数归整过程,因而存在量化误差,量化误差为1/2q。例如,q=20mV时,量化误差

19、为10mV,0.9901.009V范围内的采样值,其量化结果是相同的,都是数字50。在A/D转换器的字长n足够长时,整量化误差足够小,可以认为数字信号近似于采样信号。在这种假设下,数字系统便可沿用采样系统理论分析、设计。第17页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 3.采样保持器 (1)孔径时间和孔径误差的消除 在模拟量输入通道中,A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间,完成一次A/D转换所需的时间称之为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说,孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差,即为孔径误差。例如图2.22所示的正弦模拟信号,如果从t0时刻开始进行A/D转

20、换,但转换结束时已为t1,模拟信号已发生U的变化。因此,对于一定的转换时间,最大的误差可能发生在信号过0的时刻。因为此时dU/dt最大,孔径时间 t A/D一定,所以此时U为最大。第18页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 令 式中,Um为正弦模拟信号的幅值;f为信号频率。在坐标的原点上 取t=t A/D,则得原点处转换的不确定电压误差为 ：误差的百分数：由此可知,对于一定的转换时间t A/D,误差的百分数和信号频率成正比。为了确保A/D转换的精度,使它不低于0.1%,不得不限制信号的频率范围。一个10位的A/D转换器(量化精度0.1%),孔径时间10s,如果要求转换误差在

21、转换精度内,则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为 ：为了提高模拟量输入信号的频率范围,以适应某些随时间变化较快的信号的要求,可采用带有保持电路的采样器,即采样保持器。第19页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道(2)采样保持原理 A/D转换过程(即采样信号的量化过程)需要时间,这个时间称为A/D转换时间。在A/D转换期间,如果输入信号变化较大,就会引起转换误差。所以,一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换,还需加保持器作信号保持。保持器把t=kT时刻的采样值保持到A/D转换结束。T为采样周期,k=0,1,2,为采样序列。采样保持器的基本组成电路,由输入输出缓冲器A1

22、、A2和采样开关K、保持电容CH等组成。采样时,K闭合,VIN通过A1对CH快速充电,VOUT跟随VIN;保持期间,K断开,由于A2的输入阻抗很高,理想情况下VOUT=VC保持不变,采样保持器一旦进入保持期,便应立即启动A/D转换器,保证A/D转换期间输入恒定。第20页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道(3)常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有LF398、AD582等,其原理结构如图2.24(a)、(b)所示。采用TTL逻辑电平控制2采样和保持。LF398的采样控制电平为”1”,保持电平为”0”,AD582相反。OFFSET用于零位调整。保持电容CH通常是外接的,其取值

23、与采样频率和精度有关,常选5101000PF。减小CH可提高采样频率,但会降低精度。第21页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 选择采样保持器的主要因素有,获取时间,电压下降率等。LF398的CH取为0.01F时,信号达到0.01%精度所需的获取时间(采样时间)为25s,保持期间的输出电压下降率为每秒3mV。若A/D转换器的转换时间为100s,转换期间,保持器输出电压下降约300V。当被测信号变化缓慢时,若A/D转换器时间足够短,可以不加采样保持器。模拟量输入通道设计 利用12位A/D转换器AD574A,采样保持器LF398、多路开关CD4051、8255A并行接口,我们能

24、够设计出PC总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。该电路模板的主要技术指标为8通道模拟量输入12位分辨率输入量程为单极性010VA/D转换时间为25s应答方式为查询 图2.25给出该模拟量输入通道的详细原理电路图。该模板采集一个数据的过程如下:第22页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道第23页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道(1)通道选择将模拟量输入的通道号写入8255A未转换期间STS=0,LF398处于采样状态。(2)启动AD574A进行A/D转换通过8255A的端口C的PC4PC6输出控制信号启动AD574A。AD574A转换期间,STS=1,

25、LF398处于保持状态。(3)查询AD574A是否转换结束读8255A的端口A,了解STS是否已由高电平变为低电平。(4)读取转换结果若查询到STS由1变为0,则读8255A的端口A和端口B,便可得到转换结果。设8255A的地址为2C0H2C3H,主过程已对8255A初始化,且已装填DS、ES(两者段基值相同),采样值存入数据段中的采样值缓冲区BUF。其8通道数据采集的程序流程图如图2.26所示。第24页/共63页20062.3 模拟量输入通道模拟量输入通道AD574A PROC NEAR CLD LEA DI,BUFMOV BL,00000000B ;CE=0,CS=0,R/C=0 MOV

26、CX,8ADC:MOV DX,2C2H ;8255A端口C地址 MOV AL,BL OUT DX,AL ;选通多路开关 NOP OR AL,01000000B ;CE=1,启动A/D OUT DX,AL MOV DX,2C0H ;8255A端口A地址PULLING IN AL,DX ;测试STS TEST AL,80H JNZ POLLING MOV AL,BL OR AL,00010000B ;R/C=1 MOV DX,2C2H OUT DX,AL OR AL,01000000B ;CE=1 OUT DX,AL MOV DX,2C0H ;读高4位 IN AL,DX AND AL,OFH MO

27、V AH,AL INC DX ;读低8位 IN AL,DX STOSW ;存入内存 INC BL LOOP ADC MOV AL,00111000B ;CE=0,CS=R/C=1 MOV DX,2C2H OUT DX,AL RETAD574A ENDP第25页/共63页20062.4 D/A转换器接口技术转换器接口技术 1.8位D/A转换器与PC总线工业控制机接口 该电路由8位D/A转换芯片DAC0832、运算放大器、地址译码电路组成。整个电路逻辑如图2.29所示,DAC0832工作在单缓冲寄存器方式,即当CS信号来时,D0D7数据线送来的数据直通进行D/A转换，当IOW变高时，则此数据变被锁

28、存在输出寄存器中，因此D/A转换的输出也保持不变。DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出（IOUT1和IOUT2），为了使其能变成电压输出，所以又经过运算放大器A，将形成单极性电压输出0+5V（VREF为-5V）或0+10V（VREF为-10V）。若要形成负电压输出，则VREF需接正的基准电压。为了保证输出电流的线性度，两个电流输出端IOUT1和IOUT2的电位应尽可能地接近0电位，只有这样，将数字量转换后得到的输出电流将通过内部的反馈电阻Rfb(=15k)流到放大器的输出端，否则运算放大器两输入端微小的电位差，将导致很大的线性误差。第26页/共63页20062.4 D/A转换器接口

29、技术转换器接口技术 第27页/共63页20062.4 D/A转换器接口技术转换器接口技术 若DAC0832CS的口地址为300H，则8位二进制数7FH转换为模拟电压的接口程序为 MOV DX，300H MOV AL，7FH OUT DX，AL HLT2.12位D/A转换器与PC总线工业控制机接口 该电路采用12位D/A转换芯片DAC1210、输出放大器、地址译码器等电路组成。整个电路逻辑如图2.30所示，端口地址译码器译出Y0、Y1、Y2三个口地址，设为300H、301H、302H，这三个口地址用来控制DAC1210工作方式和进行12位转换。从图2.30中可以看出，CS片选信号接地，DAC12

30、10的低4位输入寄存器的数据线接至PC总线的D7、D6、D5、D4上。由于DAC1210为电流型输出，因此，接运算放大器A1，使之成为负极性电压输出，再加上运算放大器A2进行极性变换，使之成为正极性电压输出。第28页/共63页20062.4 D/A转换器接口技术转换器接口技术 第29页/共63页20062.4 D/A转换器接口技术转换器接口技术 该电路的转换过程是：当送出口地址Y0信号，则BYTE1/BYTE2为高电平，同时当IOW信号来时，高8位数据被写入DAC1210的高8位输入寄存器和低4位输入寄存器。当又一次IOW信号来，且口地址Y1信号来时，由于BYTE1/BYTE2为低电平，则高8

31、位输入数据被锁存，低4位数据写入低4位输入寄存器，原先写入的内容被冲掉。当Y2信号和IOW信号来时，则DAC1210内的12位DAC寄存器和高8位及低4位输入寄存器直通，因而这一新的数据由片内的12位D/A转换器开始转换，当IOW或Y2信号结束时，12位DAC寄存器将锁存这一数据，直到下一次又送入新的数据为止。前面已假设端口译码器译出的Y0、Y1、Y2三个地址分别为300H、301H、302H，若将12位二进制数83FH转换为模拟电压，则接口程序为2 MOV DX，300H MOV AL，83H ；送高8位数据 OUT DX，AL MOV DX，301H MOV AL，0F0H ；送低4位数据

32、 OUT DX，AL MOV DX，302H OUT DX，AL ；12位数据进行转换 HLT第30页/共63页20062.5 模拟量输出通道模拟量输出通道 变换在实现05V、010V、15V直流电压信号到010mA、420mA转换时，可直接采用集成V/I转换电路来完成，下面以高精度V/I变换器ZF2B20和AD694为例来分析其使用方法。1.集成V/I转换器ZF2B20ZF2B20是通过V/I变换的方式产生一个与输入电压成比例的输出电流。它的输入电压范围是010V，输出电流是420mA（加接地负载），采用单正电源供电，电源电压范围1032V，它的特点是低漂移，在工作温度为-2585范围内，最

33、大漂移为0.005%/，可用于控制和遥测系统，作为子系统之间的信息传送和连接。图2.34是ZF2B20引脚图，它的的输入电阻为10k，动态响应时间小于25s，非线性小于0.025%。第31页/共63页20062.5 模拟量输出通道模拟量输出通道 利用ZF2B20实现V/I转换极为方便，图2.35（a）所示电路是一种带初值校准的010V到420mA转换电路；图2.35（b）则是一种带满度校准的010V到010mA转换电路。第32页/共63页20062.5 模拟量输出通道模拟量输出通道 2.集成V/I转换器AD694AD694是一种420mA转换器，适当接线也可使其输出范围为020mA。AD694

34、的主要特点是：输出范围420mA，020mA。输入范围02V或010V。电源范围+4.536V。可与电流输出型D/A转换器直接配合使用，实现程控电流输出。具有开路或超限报警功能。图2.36为AD694的引脚图，对于不同的电源电压、输入和输出范围，其引脚接线也各不相同。表2.1为不同场合使用时的接线表。第33页/共63页20062.5 模拟量输出通道模拟量输出通道 第34页/共63页20062.5 模拟量输出通道模拟量输出通道 AD694的使用也较为简单，对于010V输入，420mA输出，电源电压大于12.5V的情况，可参考图2.37的基本接法，在这种情况下，输出能驱动的最大负载为 RL=（VS

35、-2）/20mA 如当电源电压为12.5V时，其最大负载电阻为525。第35页/共63页20062.5 模拟量输出通道模拟量输出通道 AD694还可与8位、10位、12位等电流型D/A转换器直接配合使用，如利用12位D/A转换器DAC1210时，可参考图2.38的接法。其中DAC1210用单电源供电，AD694输出范围为420mA。AD694还设有调零端和满度调整端，具体调整方法可参考其使用手册，这里不再讨论。第36页/共63页20062.5 模拟量输出通道模拟量输出通道 模拟量输出通道设计 图2.40是一种8通道的模拟量输出通道的电路原理图。该电路采用DAC0832作8位D/A转换器，通过一

36、多路开关CD4051，可由程序控制，将转换结果从8通道中的某一通道中送出，送出的结果以电流形式输出。它的工作过程是：由工业控制机PC总线送出的数据，通过OUT指令，由DAC0832进行转换。然后再用OUT指令，通过D0、D1、D2位打开多路开关的某一通道而送出，其输出端所接的保持器是为了保持D/A输出稳定，起到电压保持作用，由V/I转换器输出420mA的电流信号。给电路使用两个口地址，它由译码器译出，设300H为DAC0832的端口地址，301H为CD4051的端口地址。第37页/共63页20062.5 模拟量输出通道模拟量输出通道 这8个输出数据存放在内存数据段BUF0BUF7这8个连续单元

37、中，主过程已填装DS，输出子程序如下：DOUT PROC NEAR MOV DX，300H MOV CX，8 MOV AH，0 MOV BX，OFFSET BUF0NEXT：MOV AL，BX OUT DX，AL INC DX MOV AL，AH OUT DX，AL CALL DELAY INC AH DEC DX INC BX LOOP NEXT RETDOUT ENDP 其中，过程DELAY是一段延时程序。第38页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 过程通道抗干扰技术1.串模干扰及其抑制方法（1）串模干扰 所谓串模干扰是指迭加在被测信号上的干扰噪声。这里的被测信号是指有

38、用的直流信号或缓慢变化的交变信号，而干扰噪声是指无用的变化较快的杂乱交变信号。如图2.41所示。（2）串模干扰的抑制方法 串模干扰的抑制方法应从干扰信号的特性和来源入手，分别对不同情况采取相应的措施。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器，如图2.42所示，它可使50HZ的串模干扰信号衰减600倍左右，该滤波器的时间常数小于200ms，因此，当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。第39页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的

39、影响。对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。第40页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 2.共模干扰及其抑制方法（1）共模干扰 所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。被测信号US的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm，如图2.43所示。对于模/数转换器的两个输入端来

40、说，分别有US+Ucm和Ucm两个输入信号。Ucm是共模干扰电压。第41页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式，如图2.44所示。对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如图2.44（a）所示。所以必须采用双端不对地输入方式，如图2.44（b）所示。第42页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 上图中，Zs、Zs1、Zs2为信号源Us的内阻抗，Zc、Zc1、Zc2为输入电路的输入阻抗。由图2.44（b）可见，共模干扰电压对Ucm对两

41、个输入端形成两个电流回路，每个输入端A和B的共模电压分别为：（）（）两个输入端之间的共模电压为：（）如果此时Zs1=Zs2，Zc1=Zc2，那么UAB=0，表示不会引入共模干扰，但上述条件实际上无法满足，只能做到Zs1接近Zs2，Zc1接近Zc2，因此有UAB0，也就是说实际上总存在一定的共模干扰电压。显然，当Zs1和Zs2越小，Zc1和Zc2越大，并且Zc1与Zc2越接近时，共模干扰的影响就越小。一般情况下，共模干扰电压UCM总是转化成一定的串模干扰Un出现在两个输入端之间。为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR（Common Mode Rejection Ratio

42、）来表示，即：（）第43页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 式中，Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，有Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强。（2）共模干扰的抑制方法 变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地短开，以使共模干扰电压Ucm不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。第44页/共63页20062.6

43、硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 光电隔离 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。光电耦合器有以下几个特点：首先，由于是密封在一个管壳内，或者是模压塑料封装的，所以不会受到外界光的干扰。其次，由于是靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系。第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入端的干扰信号就变得很小。第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰

44、信号那样灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。在图2.46中，模拟信号Us经放大后，再利用光电耦合器的线性区，直接对模拟信号进行光电耦合传送。光电隔离与变压器隔离相比，实现起来比较容易，成本低，体积也小。第45页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图2.47所示。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。图中Z1和Z2分别为模拟地与内屏蔽盒之间和内屏蔽盒与

45、外屏蔽层（机壳）之间的绝缘阻抗，它们由漏电阻和分布电容组成，所以此阻抗值很大。图中，用于传送信号的屏蔽线的屏蔽层和Z2为共模电压Ucm提供了共模电流Icm1的通路，但此电流不会产生串模干扰，因为此时模拟地与内屏蔽盒是隔离的。由于屏蔽线的屏蔽层存在电阻Rc，因此共模电压Ucm在Rc电阻上会产生较小的共模信号，它将在模拟量输入回路中产生共模电流Icm2，此Icm2在模拟量输入回路中产生串模干扰电压。显然，由RcZ2，ZsZ1，故由Ucm引入的串模干扰电压是非常弱的。第46页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 3.长线传输干扰及其抑制方法（1）长线传输干扰 信号在长线中传输遇到三

46、个问题：一是长线传输易受到外界干扰，二是具有信号延时，三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。（2）长线传输干扰的抑制方法 采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。终端匹配 为了进行阻抗匹配，必须事先知道传输线的波阻抗RP，波阻抗的测量如图2.48所示。调节可变电阻R，并用示波器观察门A的波形，当达到完全匹配时，即R=RP时，门A输出的波形不畸变，反射波完全消失，这时的R值就是该传输线的波阻抗。第47页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 双绞线的波阻抗一般在100200之间，绞花越密，波阻抗越低。同轴电缆的波阻抗约5

47、0100范围。根据传输线的基本理论，无损耗导线的波阻抗RP为：（）其中，L0为单位长度的电感（H），C0为单位长度的电容（F）。最简单的终端匹配方法如图2.49（a）所示，如果传输线的波阻抗是RP，那么当R=RP时，便实现了终端匹配，消除了波反射。由于终端电阻变低，则加大负载，使波形的高电平下降，从而降低了高电平的抗干扰能力，但对波形的低电平没有影响。为了克服上述匹配方法的缺点，可采用图2.49（b）所示的终端匹配方法。其等效电阻R为：R=R1R2/(R1+R2)适当调整R1和R2的阻值，可使R=RP。这种匹配方法也能消除波反射，优点是波形的高电平下降较少，缺点是低电平抬高，从而降低了低电平的

48、抗干扰能力。为了同时兼顾高电平和低电平两种情况，可选取R1=R2=2RP，此时等效电阻R=Rp。第48页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 始端匹配 在传输始端串入电阻R，如图2.50所示，也能基本上消除反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻R为：R=RP-RSC。其中，Rsc为门A输出低电平时的输出阻抗。抗干扰技术抗干扰技术 计算机控制系统的计算机控制系统的CPU抗干扰措施常常采用抗干扰措施常常采用Watchdog（俗称看门狗）、（俗称看门狗）、电源监控（掉电检测及保护）、复位等方法。这些方法可用微处理器监控电路电源监控（掉电检测及保护）、复位等方法。这些方法可用

49、微处理器监控电路MAX1232来实现。来实现。1.MAX1232的结构原理的结构原理 MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能，能，MAX1232通过监控微处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电路通过监控微处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的（无锁的）手动复位输入。的可靠性，它提供一个反弹的（无锁的）手动复位输入。第49页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 当电源过压、欠压时，MAX1232将提供至少250ms宽度的复位脉冲，其中的容许极限能用数

50、字式的方法来选择5%或10%的容限，这个复位脉冲也可以由无锁的手动复位输入；MAX1232有一个可编程的监控定时器（即Watchdog）监督软件的执行，该Watchdog可编程为150ms、600ms或1.2s的超时设置。图2.51（a）给出了MAC1232的引脚图，图2.51（b）给出了MAX1232的内部结构框图。第50页/共63页20062.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 其中：PBRST为按键复位输入。反弹式低电平有效输入，忽略小于1ms宽度的脉冲，确保识别20ms或更宽的输入脉冲。TD为时间延迟，Watchdog时基选择输入。TD=0V时，tTD=150ms；TD悬空时tTD=60