输入输出过程通道
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计算机控制技术第二章输入输出接口与过程通道
0～10V，0～5V
精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精 密基准电源。
NEPU
21
3. 逐位逼近法
• 逐位逼近式A/D的工作原理
——从SAR输出的数码送至D/A，其输出电压Vf与 模拟量输入Vin 比较后，再控制SAR的数字逼近。
Vf（反馈电压） D/A转换器
比较器： Vi＞Vf输出“1” Vi≤Vf输出“0”
NEPU
23
例： 天平称量与A/D转换
一个 27.4 克重物的称量过程 一个 27.4 克重物的称量过程 一个 27.4 一个 27 克重物的称量过程 一个27.4克重物的称量过程 克重物的称量过程 次序 次序 次序 次序 1 11 2 22
3 33 4 4 44
加砝码 加砝码 加砝码 加砝码 32 克 32 克 32克 克 16 克 16克 克
1 0
0
1
NEPU
14
② 达林顿阵列输出驱动继电器电路
MC1416是达林顿阵列驱动器. 达林顿晶体管DT（Darlington Transistor）亦称复合晶体管。 它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一 起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基 极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。
R1 零 交 叉 D I/O 接 口 电 触 发 电 路 C SCR R2 RL 交 ～ 流 ～ 电 源
路
固态继电器SSR结构及用法
SSR作交流开关，相 当于有一个触点，左 边是TTL电平，在0～ 5V之间： 当TTL电平为高 时，触点闭合； 当TTL电平为低 时，触点断开。
零交叉电路在交流电压变化到零 附近时产生触发信号，减少干扰。
第3章 过程输入输出通道
；读转换值低4位地址
；读A/D转换低4位 ； 送R2 ；读转换值高8位地址 ；读A/D转换高8 位 ；送R3 ；结束
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3.3 模拟量输出通道
一、模拟量输出通道的结构
1. 共用D/A 转换器形式结构图
保持器
放大变换
通道1
微型 计算 机
D/A 接口 电路 转 换 器
多 路 开 关
保持器
放大变换
线编址，从而有过程通道与存储器独立编址、过程
通道与存储器统一编址等常用方法。
2. 间接编址方式
通过接口对过程通道进行编址，此时的通道地址 不与地址总线相连。
3.2 模拟量输入通道
模入通道的功能是对过程量（即模拟量）进行 变换、放大、采样和模/数转换，使其变为二进制数 字信号并送入计算机 。
一、模拟量输入通道的结构
(2) 器件主要结构特性和应用特性
数字量输入特性
包括码制、数据格式以及逻辑电平。
模拟输出特性
目前D/A芯片多为电流输出型
锁存特性及转换控制
有些 D/A芯片内部不带锁存器，必须外加。
参考电源
参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量。
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三、D/A转换器与单片机的接口 1. DAC0832与8051的接口 （1） 直通方式
INC DPTR MOVX @DPTR , A DJNZ R7,LOOP CLR EX0
； 修改RAM区地址
； 修改通道号 ；启动A/D转换 ；8路未采集完，返回 ；采集完，关中断
LOOP: RETI
；中断返回
AD574（12位）与8051单片机的硬件接口电路。
8051
八、A/D转换器软件编程
CPU获取A/D转换的结果有两种办法：一是用查询、一 是用中断。
讲义 第二章 输入输出接口与过程通道
第二章输入输出接口与过程通道接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。
接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。
外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机进行处理，计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备进行控制。
尤其在工业过程的计算机控制系统中，输入输出接口无时无刻都在起着重要的作用，因为信息的交换是时刻发生的。
过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道（AI），模拟量输出通道（AO），数字量（开关量）输入通道（DI），数字量（开关量）输出通道（DO）。
在计算机控制系统中，工控机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。
本章对工业控制机的输入输出接口和过程通道进行设计和分析。
【补充知识】采用输入输出（I/O）接口的必要性：键盘，鼠标，磁盘，扫描仪，U盘等是大家熟悉的输入设备，而磁盘，CRT，打印机，绘图仪等则是最常见的输出设备。
所有这些设备可以统称为计算机的外围设备，简称外设（Peripherals），或I/O设备。
为了让这些设备能够按照计算机的要求有次序的输入或接收数据，CPU必须能够控制这些输入输出设备的启动和停止，以及了解它们的当前工作状态，并据此送出相应的控制命令。
通常，我们把计算机与外设之间的这种交换数据，状态，和控制命令的过程统称为通信（Communication）。
CPU与外设交换信息的过程，和它与存储器的交换数据一样，也是在控制信号的作用下，通过数据总线来完成的。
但后者要简单的多。
因为存储器芯片的存取速度与CPU是在同一数量级的，而且存储器本身具有数据缓冲的能力。
因此，CPU可以通过数据总线方便，迅速的与存储器进行数据交换。
而外设则不同，因为外部设备的种类繁多，要求也各不相同，容易带来以下许多问题，因此大多不能直接通过数据总线直接连接。
第二章 过程通道与输入输出接口
第二章过程通道与输入输出接口§1概述本章学习目的: 解决计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个计算机控制系统必须解决的基本问题。
重点介绍计算机过程控制中的过程通道和输入输出接口电路的设计技术。
一、通道、接口及其功能实现在过程信号与计算机数据之间变换传递的电路称为输入输出过程通道，简称过程通道。
过程通道按变换传递信号的种类分为模拟量通道和数字量通道。
模拟量是指在生产过程中连续变化的模拟信号，如电压、电流、有功功率、频率、压力、流量、温度、液位、转速等；数字量是指离散的数字信号，如表示开关、触点等开合位置的状态信号（开关量），电平高低、脉冲等。
过程通道按信号传输的方向分为输入通道和输出通道，或前向通道和后向通道。
输入输出接口技术——研究处理器和外部设备之间信息交换的技术。
外界的各种数据和信息通过输入设备送到微处理器，而处理器将计算结果或控制信号输出外部设备，以便显示、打印或实现各种控制。
外部设备品种很多，有机械式的、机电式的或电子式的等，其原理也多种多样，各不相同。
它们在与计算机系统交换信息时，往往存在着速度不匹配、数据类型不一样等问题，为了解决这些问题，必须设计一套介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件，这就是所谓输入输出接口或简称接口。
I／O通道（过程通道）：是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。
如图，I／O通道分为：模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道二、I／O信号的种类外部设备与CPU之间交换信息，如图2—1所示，通常有三类信息。
(1)数据信息在微型机中，数据通常为8位或16位，它可以分为以下三种：1)数字量: 由键盘、光电输入机、卡片机等读入的信息一般是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数或字符。
2)模拟量: 当微处理器用于实时控制时，大量的现场信息经过传感器把非电量转换成的电量以及执行机构所能接受的控制量。
(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道
03
输出通道技术
模拟量输出通道
模拟量输出通道的作用是将计 算机输出的数字信号转换为模 拟信号，以驱动各种执行机构
。
常见的模拟量输出通道有电压 输出型和电流输出型两种，它 们通过不同的方式将数字信号
转换为模拟信号。
电压输出型模拟量输出通道的 优点是电路简单、成本低，适 用于输出信号较小、对精度要 求不高的场合。
03
输出通道的驱动能力是指其能够驱动执行机构或控制设备的能力，包 括最大输出电压、最大输出电流等参数。
04
选择具有足够驱动能力的输出通道可以保证系统的正常运行和稳定性。
04
输入输出通道的信号处 理与接口技术
信号的预处理技术
信号的放大与衰减
根据信号的幅度调整，确 保信号在传输过程中保持 稳定。
信号的滤波
去除噪声和其他干扰，提 高信号质量。
信号的整形
将不规则或非标准信号转 换为适合传输和处理的信 号。
信号的转换技术
A/D转换将模拟信号转换为数字信号，源自 于计算机处理。D/A转换
将数字信号转换为模拟信号，便于 实际应用。
光电转换
将光信号转换为电信号，或反之。
信号的传输与接口技术
总线技术
实现多个设备之间的数据传输和通信。
数字量输出通道的作用是将计算机输出的数字 信号转换为控制信号，以驱动各种控制设备。
晶体管输出型数字量输出通道的优点是响应速度 快、驱动能力强，适用于需要快速响应的场合。
输出通道的负载特性与驱动能力
01
输出通道的负载特性是指执行机构或控制设备的输入阻抗、输入电压、 输入电流等参数。
02
了解负载特性有助于选择合适的输出通道类型和规格，以确保系统的 稳定性和可靠性。
第2章 IO通道基本知识
查询方式、中断控制方式和直接存储器存取(DMA)
方式。
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第2章 输入输出过程通道
（1）程序查询方式
是
CPU向过程通道发启动命令
过程通道准备就绪？
过程通道服务程序
继续原来程序的运行
河南机电高等专科学校
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第2章 输入输出过程通道
一、I/O接口电路
I/O接口电路也简称接口电路。它是主机和外围设备之间交换
信息的连接部件。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和 纽带作用。为什么要设置接口电路？其必要性可归纳成如下几点。
5. 数字量输入输出通道（DI、DO）
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第2章 输入输出过程通道
2.1
几个常见概念：
I/O通道简介
1. 模拟信号的常用规格： 1~5v电压信号：易受干扰，常用于仪表中 4~20mA电流信号：抗干扰性好，常用于信号传输 2. 阻抗匹配： 信号源输出最大功率的条件：输出阻抗=输入阻抗，即阻抗匹配 高阻抗匹配：电压信号 低阻抗匹配：电流信号 3. 理想的压流源的特点： 理想电压源：内阻为0 理想电流源：内阻无穷大
第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校henanmechanicalandelectricalengineeringcollege信息种类输入信息来源或输出信息的用途模拟量输入数字量输入脉冲计数器模拟量输出数字量输出温度压力物位转速成分等接点的通断状态电平高低状态数字装置的输出数码等流量积算电功率计算转速及脉冲形式的输入信号等控制执行装置显示记录等对执行器进行控制报警显示等表1生产过程输入输出信息来源与用途
计算机控制系统第7章输入输出过程通道
过
变
程 参 数
送 器
信号
多路
前置
采样
A/D
接口
PC
预处
转换
放大
保持
转换
逻辑
总
理
器
器
器
器
电路
线
模拟输入通道
图7—8 模拟量输入通道的组成结构
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12
2. 模拟量输入通道中常用器件和电路
① 信号预处理
信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信 号进行处理。如将4mA～20mA或0～10mA电流信号 变为电压信号，将热电阻(Pt100或Cu50)的电阻信号 经过桥路变为电压信号等。
图7－7 继电器输出驱动
晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系 统中，可作为大功率驱动器件，具有用较小功率控制大 功率、开关无触点等特点，在交直流电动机调速系统、 调功系统、随动系统中有着广泛的应用。
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10
2）数字量输出接口
数字量输出(DO)接口包括输出锁存器和接口地址译 码。当CPU执行输出指令OUT时，接口地址译码电路产 生写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的 输出端，再经输出驱动电路送到开关器件。
计算机，简称DI 通道。
图7－1 数字量输入通道结构
数字量输入通道由信号调理电路和输入接口电路
构成。 2020/6/9
4
1) 数字量输入调理电路
① 小功率输入调理电路
5V R1 R2
C
S
S
R1
+5V
R2
（a） 采用RC滤波电路
（b）采用RS触发器
图7—2 小功率输入调理电路
从开关、继电器等接点输入信号。将接点的接通和断开
计算机控制技术 第3章 过程输入输出通道
第3章 过程输入输出通道
3.2 数字量输入/输出通道
3.2.1 数字量输入通道
数字量输入通道的
任务是把被控对象的开关 状态信号（或数字信号） 传送给计算机。这种通道 简称DI（Digital Input） 通道。
为了防止干扰常采用
光电隔离技术，TLP521 光耦内部结构图及引脚图 如图3－2所示。
8/48
第3章 过程输入输出通道
LF198/298/398由三个部分组成： 1) 输入电路 2) 输出电路 3) 逻辑控制电路 当控制逻辑IN（+）为高电平时，通过A3电路控制开关K闭合， 使输入电压经过A1放大并输出，与此同时，向保持电容（接6端） 充电。 当控制逻辑IN（+）为低电平时，开关K打开，保持电容上 的电压维持输出，以达到保持原来输出的目的。IN（－）一般接 地。 LF198/298/398的典型应用如图3-7和图3-8。
所
示
。
30kΩ
1 V+ V+
1
8
控制逻
辑
输入 2
-
偏置 3
+A1
4 V- 偏置
2
7
逻辑参
K
+A
5 输出
LF198
考
LF298
2
LF398
VIN
3
6
Cb
逻辑 8
-
逻辑 参考 7
+ A3
300Ω
V-
4
5
VOU
T
6 保持电容
（a）原理框图
（b）引脚排列图（双列直插 式）
图3-6 LF198/298/398原理框图及引脚排列
第3章 过程输入输出通道
第二章 输入输出过程通道
采样保持器工作原理
采样保持器的原理结构图
输入输出特性
A/D转换器的接口电路
ADC0809接口电路图
AD574接口电路图
模拟量输入通道的设计
模拟量输入通道的光电隔离 设计A/D转换器接口要解决的几个问题 模拟量输入通道的精度 A/D转换器字长的选择
模拟量输入通道的光电隔离
A/D转换器接口的设计
微 型 计 算
接 口 电 路
D/A 转 换
功 率 放 大
V/I 变 换
机
D/A转换器的接口电路
V/I变换电路
模拟量输出通道的设计
模拟量输出通道的结构形式 电压输出电路 模拟量输出的光电隔离 D/A转换器的字长选择
模拟量输出通道的结构形式
分用D/A转换器结构 共用D/A转换器结构
双极性电压输出电路
转换成二进制数字信号，经过接口送至 计算机。
模拟量输入通道的结构
模拟量输入通道的组成
I/V变换 多路转换开关 采样保持器 A/D转换器
I/V变换
将变送器输出的电流信号变换成师 与A/D转换器适用的电压信号。 无源I/V变换 有源I/V变换 专用I/V转换电路
无源I/V变换
有源I/V变换
第二章 输入输出过程通道
第一节 第二节 第三节 第四节
数字量输入通道 数字量输出通道 模拟量输入通道 模拟量输出通道
数字量输入通道的结构
数字量的信号调理
信号的转换 安全保护 消除抖动 隔离处理
信号的转换
电压或电流数字量输 入转换电路
开关触点信号输入 电路
常用的保护电路
消除抖动电路
启动A/D转换的方法 输入模拟电压的连接 数据输出线和系统总线的连接 ADC和CPU间的时间配合
计算机控制系统第7章输入输出过程通道
计算机控制系统的过程通道分为四类：模拟 量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道 和数字量输出通道。
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3
7．1 数字量输入输出通道
1 .数字量输入通道
数字量输入
DI接口电路
输
通道的任务是把
PC 总
入 缓
被控对象的开关 线
冲 器
输
来
入
自
调
生
理
产
电
过
路
程
状态信号（或数
字信号）传送给
地址译码器
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② 多路转换器
多路转换器又称 多路开关，多路开关 的作用是用来将各路 被测信号依次地或随 机地切换到公共放大 器或A/D转换上。
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VDD
VSS
INH A B C
VEE X0 X1
┇
X7
电平 转化
译码驱动电路
┅
X
┇
图7—11 CD4051原理图
表7—1 CD4051通道选择表
断或亮、灭， 数字量输出通道主要由输出接口电
简称DO通道。 路和输出驱动电路等组成。
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8
1）数字量输出驱动电路
输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离， 二是驱动开关器件。
① 低电压开关信号输出
5V
Vc
R1
R2
R1
VC
RL
R2
图7－5 低电压开关输出
图7－6 三极管输出驱动
对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管、
过
变
程 参 数
送 器
信号
多路
前置
采样
计算机控制技术第二章
第二章输入输出接口与过程通道在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的被控参数及运行状态，按要求的方式送人计算机处理，再将结果以数字量的形式输出，并将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机接口和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置，这个装置就称之为过程输入输出通道，也叫I／O通道。
2.1 过程输入输出通道概述2.1.1 过程输入输出通道的类型及功能根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道可分为模拟量输人通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道等几种类型。
生产过程的被调参数(如温度、压力、流量、速度、位移等)，一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件和变送器转换为对应的模拟电压和电流。
由于计算机只识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入通道转化为数字量后，才能送人计算机。
对于生产现场的状态量(如开关、电平高低、脉冲量等)也不能为计算机直接接受，因此数字量(开关量)输入通道将状态信号转变为数字量送入计算机。
计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道和数字量输出通道。
计算机输出的控制信号以数字形式给出，若执行元件要求提供模拟电压或电流，则采用模拟量输出通道将数字量转换为模拟电压或电流，若执行元件要求数字量(开关量)，则应采用数字量输出通道，将计算机输出的数字量经处理和放大后输出。
由此可见，过程输人输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。
2.1.2 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：(1)数据信息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。
(2)状态信息又叫应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。
(3)控制信号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、触发器的启动等。
接口电路含这三类信息交换的端口。
2.1.3 过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输人输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。
第二章输入输出接口与过程通道资料
NEPU 6
3. 逐位逼近法
• 对一个n位的逐位逼近式A/D 转换输出的二进制数
字量B与输入模拟电压VIN、正基准电压VREF+、负 基准电压VREF-的关系为
B VIN VREF 2n VREF VREF
例题: 假设有一个8位的ADC ，VREF+ = 5.00V，VREF= 0V，则VIN=0V、2.5V对应的数字量输出分别为多 少? 00H 80H
NEPU 7
ADC0809 逻辑组成
V
A/D
V
V
V V V
V V
trapezoidal
ADC0809引脚图
NEPU 8
逻辑组成：
C
B
A
所选通道
(1)8通道模拟开关及通道选 0
0
0
VIN0
择逻辑
0
0
1
VIN1
该部分的功能是实现8选1 0
1
0
VIN2
操作，由通道选择信号C、B、0
1
1
VIN3
A，在ALE的作用下(正脉冲) 1
原理：
S
Q
当K在上时，输出上为1，下为0。
当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生 瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。
NEPU 2
2.1.3 数字量输出通道
1.数字量输出通道的结构 数字量输出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 。
去生产过程
PC
DO7～DO0上输出；OE为低电平输入时，数据输出线DO7～ DO0为高阻态。
NEPU 9
1) 12位A/D转换器
－ 15 V 100 k ＋ 15 V
输入输出接口与过程通道
微机控制技术
2.1.1 接口技术
• 微机系统运行时，外部设备（简称外设）与CPU 之间的信息交换是十分频繁的。CPU与外设所交 换的信息有数据信息、控制信息和状态信息，为 了CPU对外设寻址，还需要有地址信息。为了保 证信息的正确传送，I/O接口设有三种端口，即数 据端口、状态端口和控制端口，负责对应信息的 传送。接口技术就是研究CPU与外设之间如何交 换信息的技术。
微机控制技术
2.1.4 I/O接口设计
• I/O接口设计的任务是根据生产过程的要求 和外围设备的特性，选定各被控设备的I/O 控制方式，设计出合适的I/O接口电路和相 应的接口控制程序。使CPU和被控设备之 间能实时、可靠地交换信息，从而保证满 足实时控制、数据采集等提出的要求。
微机控制技术
I/O接口设计方案选择：
74XXX IIH 输入为高电平时的输入电流 74LSXXX MOS
40A
20A
0.4mA
10A
0.1mA
IIL
输入为低电平时的输入电流
1.6mA
0.4mA
IOH 输出为高电平时的拉电流
IOL 输出为低电平时的灌电流
0.2 ~ 1.2mA 0.2mA
16mA
8 ~ 16 mA
微机控制技术
3．控制信息
• 控制信息是CPU通过接口传送给外围设备 的信息，如外部设备的选通、控制外围设 备启动、停止，控制数据流向，控制输入 输出等。
微机控制技术
• I/O对外连接分为两大部分：
• 一部分是与外围设备相连的。为保证信息 的正确传送，I/O接口往往开辟不同的端口 来传送数据信息、状态信息和控制信息。 • 另一部分是与系统总线相连的。CPU通过 系统总线与I/O接口相连。
输入输出接口与过程通道
D/A
V/I
D/A
V/I
图2.18
多D/A结构
特点:1、一路输出通道使用一个D/A转换器
2、 D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器
3、 D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用
4、 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立
5、 缺点是所需D/A转换器芯片较多
通道 1 通道 n
量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的; ❖ 模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成--一般是由接口电路
、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等; ❖ 模拟量输出通道基本构成--多D/A结构（图2.18）和共享D/A结构（
图2.19）
PC 总 线
接 口 电 路
中断服务子程序：
ORG 0003H
AJMP RDDAT
RDDAT:MOVX A，@DRTR
;读转换结果
MOVX @R0，A ;存数到缓冲区
INC R0 ;修改缓冲区指针
INC R1 ;修改通道号（通道号加1）
REP: MOV A，R1
CJNE A，#08H，REP1
;完成8通道采样吗？
MOV R1，#00H
常用的集成采样保持器有LF198/298/398等， LF398它有8个引脚，2脚接1 k 电阻，用于调节漂移电压，7脚和8脚是两个控制端，控制开关的关断。7脚 接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。
LF398的采样保持控制引脚8：
高电平1，采样
低电平0，保持
CH为保持电容，将其减小
逻辑结构图如下图所示。
START：启动转换命令输入端， OE：输出使能端，高电平有效。A、B、C地址 输入线，用于选通8路模拟输入中的一路进入A/D转换。ALE：地址锁存允许信 号。EOC：转换结束信号输出。CLOCK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640 kHz。REF（+）与REF（-）：基准电压。
第二章输入输出接口与过程通道
NOP
v 作业2： v P68 1,2,3,4
2、 12位A/D转换器AD574A AD574A是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，
原理图如下：
图2.12 AD574A的原理结构
2.3.5 A/D 转换器及其接口技术
（1）12位A/D转换器 12位A/D转换器的模拟输入可以是单极性的也可以是双极性的。 模拟输入信号的编程如下
2.2 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如图，输入输出
之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路可使交流电 压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干扰。电路 接通后，由触发器给出晶闸管器件的触发信号
图2.9 固态继电器及用法
2.3.4 数字（开关）量输入/输出通道模板举例
2.2 数字量输入输出通道
（2）大功率输入调理电路 在高压和低压间用光电耦合器 进行隔离
图2.8 大功率输入调理电路
1、数字量输出通道的结构 主要由输出锁存器、输出驱动电路、 输出口地址译码器电路等组成
图2.9 数字量输出通道结构
2.2 数字量输入输出通道
2、输出驱动电路 （1）小功率直流驱动电路 a、功率晶体管输出驱动继电器电路
主要由输入缓冲器、输入调理电路、 输入地址译码器等组成，如图2.3：
2、输入调理电路 （1）小功率输入调理电路
图示为从开关、继电器等接点输入 信号的电路。将开关动作转换成TTL 电平信号与计算机相连。
图（a）采用积分电路消除开关抖动的方法
图（b）为R-S触发器消除开关两次
反跳的方法
图2.7 小功率输入调理电路
2.1.3 基于ISA总线端口扩展
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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2017/1/15
；DO数据→AL寄存器 ；DO数据→锁存器的输出端
10
MOV DX，DO_PORT ；接口地址DO_PORT→DX
7．2 模拟量输入通道
1. 模拟量输入通道的一般组成
模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、 前置放大器、采样保持器、模/数转换器和接口逻辑电 路等组成。其核心是模/数转换器。
2017/1/15
17
转换精度：绝对精度指满量程输出情况下模拟量输入
电压的实际值与理想值之间的差值；相对精度指在满量 程已校准的情况下，整个转换范围内任一数字量输出所 对应的模拟量输入电压的实际值与理想值之间的最大差 值。转换精度用LSB的分数值来表示。
线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特性 的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数 表示，如1/2LSB、1/4LSB等。 转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如0～ 5V，0~10V，－5V～十5V等。
2017/1/15
逻辑控制
CH
图7—13
2
采样保持器的组成
R1
OFFSET
V1
V2
VIN
IN IN
3 8 7
A1
K
A2
5
VO
A3
R2
6 CH
图7—14 集成采样保持器LF398的原理图
16
⑤ A／D转换器
A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是 模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间 的接口。 A／D转换器的主要技术指标 分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，若 n＝8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电 压 5.12V / 28 mV。 转换时间：从发出转换命令信号到转换结束信号有 效的时间间隔，即完成 n 位转换所需要的时间。
2017/1/15
18
8位A／D转换器 ADC0809
START
CLOCK
10 7
6
VIN0 VIN1 VIN2 VIN3 VIN4 VIN5 VIN6 VIN7
26 27 28 1 2 3 4 5 A/D 8路 模 拟 开 关 控制与时序
EOC
SAR 三态输 出锁存 缓冲器 开关树
17 14 15 8 18 19 20 21 9
点的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用RC滤波电路或 2017/1/15 RS触发电路。
4
② 大功率输入调理电路
24V K
R1 R2
+5V
R3
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。
10μF
C
图 7—3
大功率输入调理电路
为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V或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。但是这种电路所带电压高， 容易带有干扰，通常采用光电耦合器进行隔离。
通道。
数字量输入通道由信号调理电路和输入接口电路 2017/1/15 3 构成。
1) 数字量输入调理电路
① 小功率输入调理电路
5V
R1
R2
S
R1
+5V
S
C
R2
（a） 采用RC滤波电路
（b）采用RS触发器
图7—2 小功率输入调理电路
从开关、继电器等接点输入信号。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
2017/1/15
6
2 . 数字量输出通道
DO接口电路
数字量输出通 DO接口电路 输 输 道的任务是把 PC 出 出 总 驱 锁 计算机输出的 线 动 存 器 器 数字信号（或 开关信号）传 送给开关器件 地址译码器 （如继电器或 图 7—4 数字量输出通道结构 指示灯），控 制它们的通、 断或亮、灭， 数字量输出通道主要由输出接口电 简称DO通道。 路和输出驱动电路等组成。
DO 0 (LSB) DO1 DO 2
DO 3 DO 4 DO 5 DO 6 DO 7 (MSB)
比较器
A B C ALE
25 24 23 22
地址 锁存 与译码 11
Vcc
DAC
256R T型电阻网络 12
VRDF
OE
117/1/15
图7－15
ADC0809的原理框图及引脚
DO 7 DO 6 DO 5 DO 4 DO 3 DO 2 DO1 DO 0
DGND
10VIN
13
5K
3K
时钟 三态输
BIP OFF
REF IN
12 10
9.95K
+
COMP
SAR
出锁存 缓冲器
19.95K
VEE
I REF
I DAC
11 + DAC
图7—16
2017/1/15
AD574A的原理框图及引脚
和数字量输出通道。
2017/1/15 2
7．1 数字量输入输出通道
1 .数字量输入通道 数字量输入
DI接口电路
通道的任务是把
被控对象的开关 状态信号（或数 字信号）传送给 计算机，简称DI
PC 总 线
输 入 缓 冲 器
输 入 调 理 电 路
来 自 生 产 过 程
地址译码器
图7－1
数字量输入通道结构
19
12位A／D转换器 AD574A
AGND REF OUT VCC CE
R/ C A 0 CS 12 / 8 VLOGIC
20VIN
14
5K
9
8
7
6
5
4
3
2
1
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
10VREF
控制逻辑
STS
DO11 DO10 DO 9 DO 8
R11 R12
1k
S1 S2
2
500
250
3 5 9
A1
R4
15V
C3
10 k
15V
R1 500 R2 500
R13
R14 VI VI
S3
S4
A3
125
R6 10 k
10 k
W1
15V
15V
C2 A2
1 2 KA
3 4
R5
10 k
R3 10 k
2017/1/15 13
VDD
② 多路转换器
多路转换器又称 多路开关，多路开关 的作用是用来将各路 被测信号依次地或随 机地切换到公共放大 器或A/D转换上。
VSS
INH A
B C
VEE
电平 转化
译码驱动电路
┅
X
X0 X1
┇
X7
┇
图7—11 表 7 —1
CD4051原理图
CD4051通道选择表
C 0 0 … B 0 0 A 0 1 X接通 X0 X1
2017/1/15
I
R
V
R1
0～10mA
C
0～5V
RP
图7—9
无源I/V 变换电路
12
• 有源I/V变换
I 0～10mA
R
C
R2
A
R1
R4
V
有源I/V变换是利用 有源器件运算放大 器和电阻组成。
图 7—10
R3 RP
Rf
有源I/V变换电路
利用0～10mA电流在电阻R上产生的输入电压，若 取 R 200 ，则 I 10 m A 时，产生2V的输入电压。该电 路的放大倍数为 Rf A 1 R1 若取 R1 100k ，Rf 150KΩ ，则0～10mA输入对应于 0～5V的电压输出。
2017/1/15 8
② 继电器输出接口
一般在驱动大型设备 时，往往利用继电器作为 控制系统输出到输出驱动 级之间的第一级执行机构， 通过第一级继电器输出， 可完成从低电压直流到高 电压交流的过渡。
③晶闸管输出接口技术
5V
K J
R2
Vc
VD1
OP
R4 R1
负载
K1 - 1
VT1
R3
L
C1
AC220V
过 程 参 数
变 送 器
信号 预处 理
多路 转换 器
前置 放大 器
采样 保持 器
A/D 转换 器
接口 逻辑 电路
PC 总 线
模拟输入通道
2017/1/15
图 7 —8
模拟量输入通道的组成结构
11
2. 模拟量输入通道中常用器件和电路 ① 信号预处理
信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信 号进行处理。如将4mA～20mA或0～10mA电流信号 变为电压信号，将热电阻(Pt100或Cu50)的电阻信号 经过桥路变为电压信号等。 • 无源I/V变换 无源I/V变换可以利用一 个的精密电阻，将0～ 10mA的电流信号转换为 0～5V的电压信号。
N
图7－7 继电器输出驱动
晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系 统中，可作为大功率驱动器件，具有用较小功率控制大 功率、开关无触点等特点，在交直流电动机调速系统、 调功系统、随动系统中有着广泛的应用。
2017/1/15 9
2）数字量输出接口 数字量输出(DO)接口包括输出锁存器和接口地址译 码。当CPU执行输出指令OUT时，接口地址译码电路产 生写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的 输出端，再经输出驱动电路送到开关器件。 设采用PC总线，接口程序为： MOV AL，DATA OUT DX，AL
；DO数据→AL寄存器 ；DO数据→锁存器的输出端
10
MOV DX，DO_PORT ；接口地址DO_PORT→DX
7．2 模拟量输入通道
1. 模拟量输入通道的一般组成
模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、 前置放大器、采样保持器、模/数转换器和接口逻辑电 路等组成。其核心是模/数转换器。
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17
转换精度：绝对精度指满量程输出情况下模拟量输入
电压的实际值与理想值之间的差值；相对精度指在满量 程已校准的情况下，整个转换范围内任一数字量输出所 对应的模拟量输入电压的实际值与理想值之间的最大差 值。转换精度用LSB的分数值来表示。
线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特性 的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数 表示，如1/2LSB、1/4LSB等。 转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如0～ 5V，0~10V，－5V～十5V等。
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逻辑控制
CH
图7—13
2
采样保持器的组成
R1
OFFSET
V1
V2
VIN
IN IN
3 8 7
A1
K
A2
5
VO
A3
R2
6 CH
图7—14 集成采样保持器LF398的原理图
16
⑤ A／D转换器
A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是 模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间 的接口。 A／D转换器的主要技术指标 分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，若 n＝8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电 压 5.12V / 28 mV。 转换时间：从发出转换命令信号到转换结束信号有 效的时间间隔，即完成 n 位转换所需要的时间。
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18
8位A／D转换器 ADC0809
START
CLOCK
10 7
6
VIN0 VIN1 VIN2 VIN3 VIN4 VIN5 VIN6 VIN7
26 27 28 1 2 3 4 5 A/D 8路 模 拟 开 关 控制与时序
EOC
SAR 三态输 出锁存 缓冲器 开关树
17 14 15 8 18 19 20 21 9
点的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用RC滤波电路或 2017/1/15 RS触发电路。
4
② 大功率输入调理电路
24V K
R1 R2
+5V
R3
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。
10μF
C
图 7—3
大功率输入调理电路
为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V或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。但是这种电路所带电压高， 容易带有干扰，通常采用光电耦合器进行隔离。
通道。
数字量输入通道由信号调理电路和输入接口电路 2017/1/15 3 构成。
1) 数字量输入调理电路
① 小功率输入调理电路
5V
R1
R2
S
R1
+5V
S
C
R2
（a） 采用RC滤波电路
（b）采用RS触发器
图7—2 小功率输入调理电路
从开关、继电器等接点输入信号。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
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2 . 数字量输出通道
DO接口电路
数字量输出通 DO接口电路 输 输 道的任务是把 PC 出 出 总 驱 锁 计算机输出的 线 动 存 器 器 数字信号（或 开关信号）传 送给开关器件 地址译码器 （如继电器或 图 7—4 数字量输出通道结构 指示灯），控 制它们的通、 断或亮、灭， 数字量输出通道主要由输出接口电 简称DO通道。 路和输出驱动电路等组成。
DO 0 (LSB) DO1 DO 2
DO 3 DO 4 DO 5 DO 6 DO 7 (MSB)
比较器
A B C ALE
25 24 23 22
地址 锁存 与译码 11
Vcc
DAC
256R T型电阻网络 12
VRDF
OE
117/1/15
图7－15
ADC0809的原理框图及引脚
DO 7 DO 6 DO 5 DO 4 DO 3 DO 2 DO1 DO 0
DGND
10VIN
13
5K
3K
时钟 三态输
BIP OFF
REF IN
12 10
9.95K
+
COMP
SAR
出锁存 缓冲器
19.95K
VEE
I REF
I DAC
11 + DAC
图7—16
2017/1/15
AD574A的原理框图及引脚
和数字量输出通道。
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7．1 数字量输入输出通道
1 .数字量输入通道 数字量输入
DI接口电路
通道的任务是把
被控对象的开关 状态信号（或数 字信号）传送给 计算机，简称DI
PC 总 线
输 入 缓 冲 器
输 入 调 理 电 路
来 自 生 产 过 程
地址译码器
图7－1
数字量输入通道结构
19
12位A／D转换器 AD574A
AGND REF OUT VCC CE
R/ C A 0 CS 12 / 8 VLOGIC
20VIN
14
5K
9
8
7
6
5
4
3
2
1
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
10VREF
控制逻辑
STS
DO11 DO10 DO 9 DO 8
R11 R12
1k
S1 S2
2
500
250
3 5 9
A1
R4
15V
C3
10 k
15V
R1 500 R2 500
R13
R14 VI VI
S3
S4
A3
125
R6 10 k
10 k
W1
15V
15V
C2 A2
1 2 KA
3 4
R5
10 k
R3 10 k
2017/1/15 13
VDD
② 多路转换器
多路转换器又称 多路开关，多路开关 的作用是用来将各路 被测信号依次地或随 机地切换到公共放大 器或A/D转换上。
VSS
INH A
B C
VEE
电平 转化
译码驱动电路
┅
X
X0 X1
┇
X7
┇
图7—11 表 7 —1
CD4051原理图
CD4051通道选择表
C 0 0 … B 0 0 A 0 1 X接通 X0 X1
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I
R
V
R1
0～10mA
C
0～5V
RP
图7—9
无源I/V 变换电路
12
• 有源I/V变换
I 0～10mA
R
C
R2
A
R1
R4
V
有源I/V变换是利用 有源器件运算放大 器和电阻组成。
图 7—10
R3 RP
Rf
有源I/V变换电路
利用0～10mA电流在电阻R上产生的输入电压，若 取 R 200 ，则 I 10 m A 时，产生2V的输入电压。该电 路的放大倍数为 Rf A 1 R1 若取 R1 100k ，Rf 150KΩ ，则0～10mA输入对应于 0～5V的电压输出。
2017/1/15 8
② 继电器输出接口
一般在驱动大型设备 时，往往利用继电器作为 控制系统输出到输出驱动 级之间的第一级执行机构， 通过第一级继电器输出， 可完成从低电压直流到高 电压交流的过渡。
③晶闸管输出接口技术
5V
K J
R2
Vc
VD1
OP
R4 R1
负载
K1 - 1
VT1
R3
L
C1
AC220V
过 程 参 数
变 送 器
信号 预处 理
多路 转换 器
前置 放大 器
采样 保持 器
A/D 转换 器
接口 逻辑 电路
PC 总 线
模拟输入通道
2017/1/15
图 7 —8
模拟量输入通道的组成结构
11
2. 模拟量输入通道中常用器件和电路 ① 信号预处理
信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信 号进行处理。如将4mA～20mA或0～10mA电流信号 变为电压信号，将热电阻(Pt100或Cu50)的电阻信号 经过桥路变为电压信号等。 • 无源I/V变换 无源I/V变换可以利用一 个的精密电阻，将0～ 10mA的电流信号转换为 0～5V的电压信号。
N
图7－7 继电器输出驱动
晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系 统中，可作为大功率驱动器件，具有用较小功率控制大 功率、开关无触点等特点，在交直流电动机调速系统、 调功系统、随动系统中有着广泛的应用。
2017/1/15 9
2）数字量输出接口 数字量输出(DO)接口包括输出锁存器和接口地址译 码。当CPU执行输出指令OUT时，接口地址译码电路产 生写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的 输出端，再经输出驱动电路送到开关器件。 设采用PC总线，接口程序为： MOV AL，DATA OUT DX，AL