计算机控制技术第二章

3、双向总线驱动器
74LS245是我们常用的芯片，用来驱动 led或者其他的设备, 74LS245是8路同相三态 双向总线收发器，可双向传输数据。 *74LS245还具有双向三态功能，既可以输 出，也可以输入数据。 *当8051单片机的P0口总线负载达到或超过 P0最大负载能力时，必须接入74LS245等 总线驱动器。 *当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”， 信号由 B 向 A 传输；（接收） *DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送） 当/CE为高电平时，A、B均为高
2.4 I/O通道的组成及工作原理
计算机控制系统包含多种信号形式，因 此对应包含了多种I/O通道。 I/O通道连接计算机和生产过程，负责完 成数据的传送。 计算机控制系统中的I/O通道按照数据流 向分为输入通道和输出通道。按照信号 类型分为模拟量通道和数字量通道。因 此一个完整的计算机控制系统中包括了 四种I/O通道。

概述
模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温 度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机 可以接收的数字量信号。
结构组成如图所示，来自于工业现场传感器或变送器
的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模 拟开关，分时切换到后级进行前臵放大、采样保持和模/数 转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完 成对过程参数的巡回检测任务。
Sm
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
A 译 码 驱 动 电 平 转 换 B C INH
图 图2 -3 CD4051结构原理图 CD4051结构原理图 链接动画
2 扩展电路
当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，
也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。
4、地址译码器和地址比较器
例1 设74LS244地址为90H，74LS273或 74LS373 地址为91H，设计硬件电路并编 写控制程序，实现8位数据的输入缓冲和 输出锁存。 例2 设用1块集成芯片实现数据的双向传送， 设计硬件电路并编写控制程序。 例3 用74LS688和74LS138实现地址跳线功 能，选择地址范围为200-29FH。 例4 用计算机控制一台并行式打印机，设 计接口电路并编写控制程序。
V
IN -
+ A1 -
R
2
R
S
(外接) R
G
R R
(外接)
1
A3
V O UT
1
负载
R A2 V
I N+
2
R
S
外接地 (a) 经典的前置放大器
前臵放大器图 链接动画
图中RG是外接电阻，专用来调整放大器增 益的。因此，放大器的增益G与这个外接电阻 RG有着密切的关系。增益公式为
VOUT RS 2 R1 G (1 ) VIN VIN R2 RG
1、输入缓冲器 G 使能端，低电平有效 A 输入端 Y 输出端 G=0，Y=A
2、输出锁存器
74LS273和74LS373的区别
74LS273是带公共时钟复位八D触发 器 ;74LS373 是 三态同相八D锁存器 273与373的引脚排列是相同的,唯一的差别是 两者1、11脚的功能不同. 对273 (1).1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电 平时,输出脚全部输出0,即全部复位; (2).当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制 端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升 沿,立即锁存输入脚的电平状态,并且立即呈现 在在输出脚上.
2.2 I/O接口的控制方式
1、程序控制方式 （1）无条件控制方式 （2）条件查询控制方式 2、中断方式 3、DMA控制方式
2.3 I/O接口电路设计步骤及举例
一、设计步骤 1、分析外设和CPU数据交换的要求，进 行功能分配。 2、统计信号类型、流向、数目 3、硬件设计 4、编程 5、调试
二、常用的接口芯片
1. 无源I/V变换
2. 有源I/V变换
1.无源I/V变换
无源I/V变换电路是利用无源器件—电阻 来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如 图（a）所示，其中R2为精密电阻。对于0- 10
mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=500Ω，这样
当输入电流在0 -10 mA量程变化时，输出的电
压就为0 -5 V范围；而对于4 -20 mA输入信号，
有源I/V变换是利用有源器件——运算放大 器和电阻电容组成，如图（b）所示。利用同 相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准 输出电压。该同相放大电路的放大倍数为
R4 V G 1 IR1 R3
若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ， 则输入电流 I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出V的 0 ~ 5 V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ， R4=25kΩ，则4 ~ 20 mA的输入电流对应于1 ~ 5 V的电压输出。
2.4.1 模拟量输入通道
本节要点
1．模拟量输入通道的结构组成。 2．多路开关，前臵放大、采样保持等各环节 的功能作用。 3．A/D转换器芯片及其接口电路
本节主要内容
引言 2.4.1.1 信号调理电路 2.4.1.2 多路模拟开关 2.4.1.3 前臵放大器 2.4.1.4 采样保持器 小结
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。 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CD4051(双向、单端、 8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16 路)等。所谓双向，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；而单向则只能完成多到一的切换。 双端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。
显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常 把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。
2.4.1.1 信号调理电路
在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种 类型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压 法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下 是两种变换电路。
集成I/V变换器RCV420
RCV420高精度的电流环接收器，可以将 4-20mA的电流输出信号转换为0-5V的电 压信号。 同学们自己上网查阅RCV420的使用手册 ，学习如何使用该芯片实现I/V变换。
2.4.1.2 多路模拟开关
主要知识点
引言 1 结构原理 2 扩展电路
引言
由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此
目前这种测量放大器的集成电路芯片有多 种，如AD521/522、INA102等。
2 可变增益放大器
在A/D转换通道中，多路被测信号常常共用一个 测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都 要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此，对应于各
路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。
具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程 放大器，如图所示。
可取R1=100Ω，R2=250Ω，这样当输入电流为4 -20 mA时，输出的电压为1 - 5 V。
D R1 I C R2
+5V I + V R1 + C
R2 + R3 A R4 (b) 有源I/V变换电路 R5 V
(a) 无源I/V变换电路
电流/电压变换电路 图 2-2 电流/电压变换电路
2. 有源I/V变换
译 码 驱 动
电 平 转 换
A B C INH
D3 D2 D1 D0
图 多路模拟开关的扩展电路
图2-4 多路模拟开关的扩展电路
链接动画
2.4.1.3 前置放大器
主要知识点
引言 1 测量放大器 2 可变增益放大器
引言
前臵放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D 转换的量程范围之内，如0-5VDC; 对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单 端同相放大或单端反相放大。如图所示，信号源的一 端若接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的放 大倍数G =1+R2/R1；
在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的
共模干扰， 而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制
作用。 因此，A/D通道中的前臵放大器常采用由一组运放构成 的测量放大器，也称仪表放大器，如图所示。 经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放 大器的差动输入端VIN和VIN分别是两个运放A1、A2的同相输 入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连， 因而有着极强的抑制共模干扰能力。
1 结构原理
现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构
原理如图所示。CD4051由电平转换、译码驱动及
开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级 通道断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通；当为 “0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端 C、B、A的数值，就可选通8个通道S0~S7中的一 路。比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、 B、A=001时，通道S通；……当C、B、A = 111时， 通道S7选通。其真值表如表所示。
对373: (1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效, 当1脚是高电平时,不管输入如何,也不 管11脚(锁存控制端,G)如何,输出全部 呈现高阻状态(或者叫浮空状态); (2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存 控制端,G)上出现一个下降沿,输出立 即呈现输入脚的状态.
所以,如果分别用273和373来 作为单片机的地址存器的话, 对273来说,1(CLR)脚必须接高 电平,ALE信号经过反相后接11 脚(因为单片机的ALE信号是以 下降沿方式出现) 对373来说,1脚接低电平,保证 使能,11脚直接接单片机的ALE 信号.