第3章 过程输入输出通道

输入信息的分类
信息种类 开关量输入 数据数码 脉冲量输入 中断输入 电流信号 模拟量 电压信号 信息来源 阀门的开、关，接点的通、断， 电平的高、低 各类数字传感器、控制器等 长度、转速、流量测定转换等 操作人员请求、过程报警等 数字量输入 通道 通道类型
数字量
压力、温度、液位、速度、重 模拟量输入 量、位移等 通道
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。
最低有效位（LSB）具有的权值表示它的相对分
辨率，即2-m 。
A/D转换器的位数越多，分辨率越高，价格
也越贵。
2. 转换精度 信号的实际转换结果相对于理论值的准确程度， 常以量化误差1/2 LSB 作为精度来选择 A/D芯片。 3. 转换速度
目前芯片的工艺水平不断提高， 相对与CPU工
作速度来说A/D转换速度已不成问题。
二、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。
（2）状态信息
（3）控制信息
反映过程通道的状态。
用来控制过程通道的启动和停止
等信息。
三、过程通道的编址方式 过程通道有以下两种编址方法： 1. 直接编址方式 该方法将通道等同于端口，直接接受主机地址总
输 出 驱 动
工 业 现 场 设 备
工业现场设备
微 型 计 算 机
输出锁存 器
输出驱 动
数字量输入/输出通道一般由三部分组成：CPU
接口逻辑电路、输入缓冲器和输出锁存器、输入/输
出电气接口亦即数字量输入信号调理和输出信号驱
动电路。 输入缓冲器用来对外部输入信号起缓冲、暂存 和选通作用，CPU通过一定的端口地址和读信号来 读缓冲器以取得输入数据。
独立D/A 转换器形式的优点是转换速度快、工作 可靠，每条输出通路相互独立，互不影响。但
使用了较多的D/A转换器，成本较高 。
二、D/A转换器 1. D/A转换器的原理
D/A转换器有并行和串行两种，在工业控制中， 主要使用并行D/A转换器。D/A转换器的原理可以 归纳为“按权展开，然后相加”。也就是说：D/A 转换器能把输入数字量中的每位都按其权值分别转 换成模拟量，并通过运算放大器求和相加。因此， D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按 权值分别进行D/A转换。
信 号 拾 传 取 感 电 器 路
A/D 转换 转换 器
CPU 总 线
各部分的作用：
信号拾取电路：将过程量（非电参量）转换为电信
号。
多路开关：将多路模拟信号按要求分时输出。
放大电路：对微弱电信号进行放大。
采样保持电路：对模拟信号进行采样，在模数转换
期间对采样信号进行保持。
A/D转换：将模拟信号转换为二进制数字量。 控制器：实现通道各环节在逻辑和时序上的协调。
第三章 过程通道配置技术
3.1 过程输入输出通道概述
3.2 模拟量输入通道 3.3 模拟量输出通道 3.4 数字量输入/输出通道
3.1 过程输入输出通道概述
一、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入通道、模拟量输出通道、 数字量（开关量）输入通道和数字量输出通道。 输入通道的作用是将生产过程的模拟量或开关量 转换为数字量送入计算机。 输出通道的作用是将计算机输出的数字量转换为 执行元件所需要的模拟量或数字量（开关量）。
¡ ¡ -
通道2
¡ -
保持器
放大变换
通道n
2. 独立D/A 转换器形式结构图
D/A 放大隔离 通道1
微型 计算 机
接口 电路
D/A
放大隔离
¡ -
通道2
D/A
¡ -
放大隔离
通道n
共用D/A 转换器形式的优点是节省了价格较贵的 D/A转换器，但由于各通道是分时工作的，工作速
度受到限制。另外可靠性也差一些 。
片的扩展 。
多 路 转 换 器 原 理 示 意 图
CD4051真值表
多路开关的扩展 当采样的通道比较多，可将两个以上的多路开
关并联起来，进行通道扩展。下图为CD4051的扩
展方法。
模拟输出
模拟输入 （0 ~ 7）
S0
IN
S7
INH CD4051 C B A
IN
IN
D3 D 2 D 1 D 0
{
{
化输出。
三、放大器
放大器的作用是将传感器的微弱信号放大到A/D 转换电路需要的信号范围。 信号放大电路主要由放大器构成，另外附加一些 零点校正、线性化处理、温度补偿、压力补偿、误
差修正、量程切换等信号处理电路。信号处理电路
可以通过软件完成。
通常采用的放大器有以下四种类型：
1. 测量放大器
测量放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、低 失调电压、低温度漂移系数和稳定的放大倍数 。可
Vin
Vout
Vin
采样
S/H
Vout
工作方式
保持
采样保持过程示意图
最简单的采样保持器由模拟开关、电容和缓冲放
大器组成，如图所示。在采样阶段，开关K闭合，电
容快速充电到输入电压值；在保持阶段，开关K断开， 电容缓慢放电。
K Vx Vx
.
C
+
.
Vout
采样保持器原理图
LF198是常用的采样保持器。
DAC0832单极性输出电路图
DAC0832双极性输出电路图
4. D/A转换器的选择
在选择D/A转换器时，主要考虑芯片的性能、 结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换器 技术要求；在结构及应用特性满足借口方便、外 围电路简单、价格低廉等特点。
(1) D/A转换器的位数
一般选输出通道D/A转换器的位数与输入通 道A/D转换器的位数相同。
（2）单缓冲方式
所谓的单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器 中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。 在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模 拟量但并不要求同步输出的情况下，可采用单缓冲方式。 单缓冲方式接线如图所示（反相输入）。
（3）双缓冲方式
所谓双缓冲方式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成 受控锁存方式。双缓冲方式DAC0832的连接如图所示。
二、信号拾取电路 1. 通过敏感元件拾取被测信号
敏感元件可以随用户要求和使用环境特点作成各种探
头。需要设计相应的电路使其转换为电压或电流。 2. 通过传感器拾取被测信号 将敏感元件制作成各类传感器。传感器输出信
号一般为模拟信号（电压或电流）或频率量。
3. 通过测量仪表拾取被测信号
目前各种测量仪表已经系列化，一般采用标准
解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和 T型电阻网络。
2. DAC0832（8位）
DAC0832原理框图
3. 单极性与双极性输出
若执行机构需要0~10mA或4~20mA信号，则应用单极
性输出方式。执行机构的控制信号要求是双极性的电信号 （如±5V或±10mA），模拟量输出通道必须用双极性输出。
其信息传递通过磁路和光路来实现。Model277是一
种变压器耦合的隔离放大器。
在输入信号与输出信号需要隔离时使用：


测量处于高共模电压下的低电平信号；
消除由于信号源地网络的干扰所引起的误差；


避免形成地回路及其寄生拾取问题；
保护应用系统电路不被输入端大的共模电压损坏；

为仪器仪表提供安全接口。
小信号双线变送器将现场微弱信号转换为 4~20mA的标准电流输出，然后通过一对双绞线传 送信号。这对双线能实现信号和电源一起传送。
XTR101是一种小信号双线变送器。它可将输入
的差动电压变换为电流输出，电流的大小可调，由
外接电阻决定。图3-5所示。
3. 隔离放大器
隔离放大器是一种既具有一般通用运放特性， 又在输入和输出电路间无直接耦合通路的放大器，
其它指标还有， A/D芯片的工作电压、是否外
接基准电压源等。
七、A/D转换器与单片机的接口电路
ADC0809（8位）和8051的硬件接线如图所示。
8051
中断服务子程序：
ORG 0200H
INDER: MOVX A,@DPTR ；输入AD转换值 ；存入片内RAM区 MOV @R0，A
INC R0
转换子程序：（查询方式）
MOV DPTR,#8000H MOV A, #00H MOVX A,@DPTR STATE: JB P1.0, STATE ；启动A/D转换I/O地址 ；选择AD574地址 ；启动A/D转换 ；查询STS
MOV DPTR ， #8001H
MOVX A,@DPTR MOV R2,A MOV DPTR ， #8001H MOVX A,@DPTR MOV R3,A RET
4. 增益放大器 对不同通道的参数增益进行放大。常采用程控增益 放大器。
PGA100是一种8级二进制程控增益放大器。其增益
分别为× 1， × 2， × 4， × 8， × 16， × 32， ×
64， × 128，有8个模拟输入通道。由地址码选择相应
的通道和增益。P58表3-1。
四、多路转换器 目前常用的多路开关有 CD4051， 其A、B、C 三个信号组合将对应的通道开关接通，INH用于芯
8051
2. 8051和DAC1208（12位）的硬件接口
8051
3.4 数字量输入/输出通道
一、数字量输入/输出通道的结构
数 据 缓 冲、 地 址 译 码、 控 制 逻 辑 输 入 缓 冲 器 输 入 调 理
输入缓冲 器
Βιβλιοθήκη Baidu
数据缓冲、地址译码、控制逻 辑
输入调 理
微 型 计 算 机
输 出 锁 存 器
；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
IN
OUT
. . . . .
OUT S0 INH C CD4051 B S7 A
模拟输入 （8 ~ 15）
五、采样保持器 采样保持器有两种工作状态，一种是采样状态， 另一种是保持状态。两种状态的切换由采样/保持命
令完成。
采样状态时，输出跟随模拟量输入电压变化； 保持状态时，输出则维持采样原态不变。
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
15V 直流调整 2 1 VIN LF198 6 8 7 CB 5 VOUT
交流调整
六、A/D转换器
1. 转换位数
Least significant bit
有8位、10位、12位、14位、16位等，它表
示了对输入模拟信号变化的反应灵敏度。如将
0~5V变化的信号，转换成8位的数字量，则分辨 率是5V× 2-8=19.5mV 。m位的A/D转换器可用其
以采用运算放大器构成，也可采用集成放大器芯片 。
AD521/522 是常用的单片测量放大器。其放大
倍数取决于外加的电阻值。
V+ RS +IN 1 14 RG 2 -IN 3 4 5 10k VAD521 6 8 10 13 12 11 7 VOUT
RS 其放大倍数为： K RG
2. 小信号双线变送器
对于转换速度较慢的A/D，不用查询方法，因为太浪费 CPU 时间了。可以用中断申请的办法通知 CPU 来取A/D 转 换的结果。 对于转换速度在十几微妙以下的A/D芯片，采样周期又 很短的场合，用中断也许更花费 CPU 时间。因为中断服务 程序地址进栈、出栈、保护现场、恢复现场所占时间这时不 可忽略了。也许用查询法比中断法更省时间，应视具体情况 而定。