第二章 过程输入输出接口技术 I／O接口设计的方法、步骤及设计举例
微机控制技术项目2_输入输出通道及接口技术
max min
q 2 要转换的采样信号的最大值、最小值； n
n：ADC的字长。
若转换范围相同，n↑，q↓，则精确度↑，但量化误差不可避免
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3、量化误差（δ） 指某个采样时刻的幅值与其量化后所对应的数字量之间的差值。
➢四舍五入
➢截尾q q ，即 q222
0 q
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AI通道中的信号变换过程如图2.4所示。
改变图中IN/OUT0～7及OUT/IN的传递方向，则可用作多 路开关或反多路开关。
CD4051引脚图
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多路转换开关（多到一的转换）： IN：1、2、4、5、12、13、14、15 OUT：3
反多路转换开关（一到多的转换）： IN：3 OUT： 1、2、4、5、12、13、14、15
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项目2 输入输出通道的接口技术
原因
反映现场工况的信号类型 1.模拟量：连续变化的物理量； 2.数字量 （开关量） ①以二进制或ASCII码形式 ②两个状态的量，通常可用一位二进制数表示 ③脉冲量
计算机能够接收的信号类型 数字量
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输入输出通道(含义)
即I/O通道，指在计算机和工业对象(过程)之间所设置的信息传递和转换的连 接装置。输入/输出通道由模拟量输入/输出通道和数字量（开关量）输入/输出通 道组成。
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。
解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和 T型电阻解码网络。
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AD转换器(ADC)
一、A/D转换的常用方法 1、计数式A/D转换(转换线路简单、转换速度慢，淘汰) 2、逐次逼近型A/D转换（转换速度快，精度高） 3、双积分式A/D转换（精度高、转换速度慢） 4、V/F变换型A/D转换（远距离串行传送） 5、并行A/D转换（电路复杂成本高、转换速度要求高的场合）
实验二_I_O输入输出实验
a b cde f gh(dp) 实验二 I/O 口输入、输出实验一、实验目的1. 学习I/O 口的使用方法。
2. 学习延时子程序、查表程序的编写和使用。
二、实验说明本实验1通过单片机的I/O 口控制LED 的亮灭，从而观察I/O 口的输出。
实验2通过单片机的I/O 口接受按键动作信息，然后通过LED 和数码管指示。
通过本实验学生可以掌握单片机I/O 口输入输出的控制方法，同时也可以掌握单片机延时子程序、查表程序的编写和调试方法。
要求预先编写好程序并通过伟福仿真软件调试。
三、实验内容1、P0口做输出口，接八只LED (L1—L8)，编写程序，使LED 循环点亮,间隔0.5秒。
2、P1.0--P1.7作输入口接拨动开关K1—K8；P0.0--P0.7作输出口，接发光二极管L1—L8，编写程序读取开关状态，将此状态在对应的发光二极管上显示出来，同时将开关编号（1—8）显示在共阴极LED 数码管上。
编程时应注意P1作为输入口时应先置1，才能正确读入值。
四、实验电路连线P0．0 ---- L1 P1．0 ----- K1 P0．1 ---- L2 P1．1 ----- K2 P0．2 ---- L3 P1．2 ----- K3 P0．3 ---- L4 P1．3 ----- K4 P0．4 ---- L5 P1．4 ----- K5 P0．5 ---- L6 P1．5 ----- K6P0．6 ---- L7 P1．6 ----- K7 P0．7 ---- L8 P1．7 ----- K8实验1：P0口循环点灯 实验2：P1、P0口输入输出a b c d e f g h(dp)P2.0P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7实验2： 共阴极LED 数码管各段与I/O 的连接五、实验仪器和设备PC 机、WA VE 软件、仿真器+仿真头、实验板、电源等。
六、参考程序框图P1口输入/输出框图七、思考题1、实验1欲改变LED循环的方向程序应如何修改？循环的时间间隔由什么决定？写出间隔时间为1秒的延时程序并说明计算方法。
第二章输入输出接口和输入输出通道2-2
本节主要任务： 学会对存储器、I/O端口的编址； 掌握I/O接口与系统的连接，I/O接口的扩展 技术； 设计一般的I/O接口硬件电路。
25.07.2020
1
I/O接口设计任务：
（1）根据生产过程和生产机械或管理的要 求及外设的特性选定I/O控制方式；（这取 决于对信息交换的速度和CPU的工作效率的 要求）
分析：16K存储器芯片的地址为14位，而64K存储器 的地址应有16位。连接时，各芯片的14位地址线可 直接接地址总线的A0~A13，而地址总线的A15、 A14则接到2—4译码器的输入端，其输出端四根选择 线分别接到四片芯片的片选CS端。
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4000H
19
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用16KX8B的存储器芯片组成64KX8B存储器
或字数（字扩充）。
a）存储器位扩充——举例说明 用1K X 1B的SRAM芯片位扩充形成1K X 8B的芯片 组，所需芯片为：
1K8B8(片) 1K1B
16
位扩展示意图
这8篇芯片地址线A0~A9、片选信号CS以及读/写控 制信号WE都分别连到一起，只有数据输出端8片各自 独立，每片代表一位。当CPU访问该芯片组时，其发 出的地址和控制信号同时传给8个芯片，选中每个芯 片的同一单元（一位），其单元内容被同时读至数据 线的相应位或数据总线上的内容分别同时写入相应单 元。
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字扩展示意图
存储器位数满足要求需要扩充字数（单元数）时， 同样需要多个芯片组成芯片组。如，用上述的1KX8B 芯片组扩充成4KX8B芯片组，则需要的芯片组数
4K8B4(组) 1K8B
Байду номын сангаас
第二章 输入输出通道及接口技术(1)
开环输出电阻Ro
运放开环时，其输出级输出电阻，用Ro表示。
Ro的大小表示了运放的负载驱动能力。
上升速率SR
运放在大幅度信号的作用下，输出电压随时间
滤波器后置的等效输入噪声滤波器前置的等效输入噪声223信号调理通道中的常用放大器智能仪器的信号调理通道中针对被放大信号的特点并结合数据采集电路的现场要求目前使用较多的放大器有通用集成运算放大器仪表放大器程控增益放大器以及隔离放大器1通用集成运算放大器集成运算放大器一般由偏置电路差动输入电路中间放大级输出级输出及过载保护电路组成
6）稳定性的选择
传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称 为稳定性。影响稳定性的因素除了传感器本身的结构外， 主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好 的稳定性，必须使传感器有较强的环境适应能力。在选 择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体 的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减 小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，超过使用 期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能 是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能 轻易更换或标定的场合，所选用的传感器的稳定性要求 更严格，要能够经受住长时间的考验。
因此应根据以上要求，传感器的选用主要从以下 几方面进行。 1）类型的选择
要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何 种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能 确定。因为即使是测量同一物理量，也有多种原理的 传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则 需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑，具 体包括：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求； 测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方式是 有线还是非接触测量；传感器的来源是国产、进口还 是自行研制；价格能否承受等。
计算机控制技术课件 第二章输入输出接口与过程通道
（2）全译码法 译码（电3 ）路部不分仅译与码地址信号有关，而且与控制信号有关。使 用A0～A9 、IOW、IOR、AEN 等信号组合。
2.I/O端口地址译码方法及电路形式 （1）固定地址译码
（2）开关选择译 码
2.1.2 I/O端口地址译码技术
• 除了上述两种地址译码方法外，可编程逻辑器件(PLD) 也被广泛地应用于译码电路，如: • 通用阵列逻辑（GAL)； • 可编程阵列逻辑（PAL）器件； • 可擦除可编程门阵列EPLD； • 现场可编程门阵列FPLD； • 复杂可编程门阵列CPLD等。
1.板选译码与板内译码 板选译码采用开关式全译码电路，常选用
74HCT688。 板内译码电路采用74HCT138/74HCT139。
2.总线驱动及逻辑控制 数据总线缓冲器采用74HCT245，地址总线驱动采
用 74HCT244。
3.端口及其读写控制
2.1.3 基于ISA总线的端口扩展
2.2 数字量输入输出接口与过程通道
2.1.1 I/O端口与编址方式
2. I/O端口编址方式
（1）统一编址 把端口看作特殊的内存单元，和存储器统一编址，称
为存储器映射方式 。Motorola的MC6800、及68HC05等 处理器采用这种方式访问I/O设备。
（2）独立编址 把I/O端口和存储单位分，独立编址，称为I/O映射
方式。Intel的80x86系列机采用单独编址方式访问外设。
信号调理: 将外部开关量信号，经信号转换、滤波、隔离等措施 转换成计算机能够接收的逻辑信号，称之信号调理。 实现信号调理功能的电路，称之为信号调理电路。 (1)小功率输入调理电路
2.2.2 数字量输入通道
(2)大功率输入调理电路
输入输出接口技术和输入输出通道精品文档
串行通信： 数据按位进行传送的
串行通信
全双工方式
半双工方式 同步通信 异步通信
全双工方式: 数据信息能沿相反两个方向传送。
数据
发送
应答
A
数据
接收
应答
接收 B 发送
接口与外围设备间有2条数据传输线 优点：同时收发，传输效率高 缺点：线多。
半双工方式: 数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但 同一时刻只能沿一个方向传送。
第二章 输入输出接口技术和 输入输出通道
本章学习目的:
解决微型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，这是设计一个微机控制系统必须 解决的基本问题
主要内容
概述：接口、通道、IO信号种类、通信方式 IO控制方式：程序控制、中断控制、直接存取 IO接口设计 DA、AD转换器 抗干扰措施
查询式输出接口电路
_____
WR
地址总线
端
口
____M/ IO译码_____
RD
1 74LS32 4
≥1
数据总线
≥1
≥1
1 74LS32 4
输入缓冲器 数据输入
输出锁存器 数据输出
三态缓冲器 外设状态
CPU不断读入并测试__状__ 态口的状态，只有当状态口的信号为“1”时，CPU才发出输入 输出指令，此时M/ IO才为低电平，译码器才开始工作。
I／O通道： 单信号输入通道：
高电压大电流 低电压小电流 频率信号 开关信号
多信号输入通道
2、I／O信号的种类
2、I／O信号的种类
CPU
数据 状态 控制
外部 设备
外部设备与CPU之间交换信息，通常有三类信息
IO口输入、输出实验
实验一I/O口输入、输出实验2010.04.20一、实验目的：了解LED二极管的工作原理。
掌握LED二极管亮灭左右移的编程方法。
二、实验原理：八个发光二极管L1－L8分别接在单片机的P1.0－P1.7接口上，输出“0”时，发光二极管亮。
我们可以运用输出端口指令MOV P1，A或MOV P1，＃DATA，只要给累加器值或常数值，然后执行上述的指令，即可达到输出控制的动作。
表1三、实验电路原理图四、程序框图实验程序：START: MOV ACC,#0FEH ;ACC中先装入LED1亮的数据（二进制的11111110）MOV P1,ACC ;将ACC的数据送P1口MOV R0,#7LOOP1: RL A ;将ACC中的数据左移一位MOV P1,A ;把ACC左移后的数据送p1口显示ACALL DELAY ;调用延时子程序DJNZ R0,LOOP1 ;没有移动够7次继续移动MOV R1,#7LOOP2: RR A ;将ACC中的数据右移一位MOV P1,A ;把ACC右移后的数据送p1口显示ACALL DELAYDJNZ R1,LOOP2AJMP START ;移动完7次后跳到开始重来，以达到循环流动效果;----- 延时子程序 -----DELAY: MOV R2,#255D1: MOV R3,#255DJNZ R3,$DJNZ R2,D1RET ;延时子程序结束，返回到调用处的下一句END ;程序结束实验现象：实验实现了单一灯的左移右移。
开始时P1.0口的LED点亮，然后P1.1→P1.2→P1.3→┅→P1.7的LED依次点亮，实现了右移。
当P1.7的LED点亮后，P1.6→P1.5→P1.4→┅→P1.0口的LED又依次点亮，实现了左移。
然后循环，从而实现灯的循环左右移。
实验结论：通过单片机对P1口赋值，然后利用移位RL和RR指令使相应的LED点亮，可以实现灯的左右移。
计算机控制系统——chapter2输入输出接口与过程通道
Computer Controlled System
中南大学信息科学与工程学院 袁艳
2019年9月2日
中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义
第二章输入输出接口与过程通道
第二章 输入输出接口与过程通道
概述 2.1 数字量输入输出通道 2.2 A/D转换器及其接口技术 2.3 模拟量输入通道 2.4 D/A转换器及其接口技术 2.5 模拟量输出通道 2.6 硬件抗干扰技术
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中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义
第二章输入输出接口与过程通道
生 产 过 程
模 拟 量 输 入 通 道 模拟量输出通道 数字量输出通道 数 字 量 输 入 通 道
接 口 电 路
计 算 机
显示 打印 报警
图2.1 计算机控制系统的过程通道
中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义
第二章输入输出接口与过程通道
2.1 数字量输入输出通道
2.1.1 数字量输入输出接口技术 2.1.2 数字量输入通道 2.1.3 数字量输出通道
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中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义
第二章输入输出接口与过程通道
2.1.1 数字量输入输出接口技术
1、数字量
数值量信号是以二进制的逻辑“1”和“0” 出现的。如：开关的合与开，指示灯的亮与灭， 继电器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀 门的打开与关闭等。
第二章输入输出接口与过程通道
消除抖动电路
中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义
1
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第二章输入输出接口与过程通道
输出A
2 S
＋5V 3 1
单片机实验-IO口的输入输出实验
实验二I/O口输入、输出实验一、实验目的1. 学习I/O口的使用方法。
2. 学习延时子程序、查表程序的编写和使用。
二、参考程序框图三、程序设计1、P0口循环点亮程序ORG 0030HSTART : MOV P2,#00H; //消影MOV A ,#01H; //LOOP : MOV P2 ,A; //点亮一个led灯ACALL DELAY; //延时500msRL A; //左移一位AJMP LOOP; //跳转循环DELAY : MOV R7,#10; //延时程序DE1 : MOV R6,#200;DE2 : MOV R5,#123;DJNZ R5,$;DJNZ R6,DE2;DJNZ R7,DE1;RETEND2、I/O口输入输出（方法一）ORG 0000H;START : MOV P2,#00H; //初始化MOV P0,#00H;MOV P1,#0FFH; //p1口初始化给ffh值MOV DPTR,#TABLE; //表地址存入DPTRMOV 50H,#0FEH; //比较初值载入地址50hL0 :MOV A,P1; //按键消抖CJNE A,#0FFH,L1;AJMP L0;L1 :MOV A,P1;CJNE A,#0FFH,LL1;AJMP L0;LL1 :CJNE A,50H,LL2; //是否与地址50h中数据相等MOV P0,A; //相等输出对应led灯MOV A,#00H;MOVC A,@A+DPTR;MOV P2,A; //输出表格数据到数码管LCALL DELAY; //延时LJMP START; //返回程序开头LL2 :XCH A,50H; //交换数据RL A; //左移XCH A,50H; //再次交换，此时地址50h中数据左移一位INC DPTR; //表格数据地址加一LJMP LL1; //返回继续比较DELAY : MOV R7,#01H; //延时程序DE1 : MOV R6,#28H;DE2 : MOV R5,#5AH;DJNZ R5,$;DJNZ R7,DE1;RETTABLE : ;//DB 0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H;DB 06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH; //表格数据END程序二（方法二）ORG 0000HMOV P2,#00H; //I./O口初始化MOV P1,#0FFH; //P1口赋FFH初值MOV P0,#00H;START : MOV P2,#00H; //P2清0；MOV P0,#00H; //P0清0；MOV R1 ,P1;MOV A,R1; //读P1口CJNE A,#0FFH,L1; //是否有数据输入AJMP START; //无输入则跳转，继续查询LCALL DELAY;L1 : MOV R1,P1; //消除按键抖动MOV A,R1;CJNE A, #0FFH,LL1;AJMP START;LL1 : CJNE A,#0FEH,LL2; //是否按键1输入MOV P2,#06H; //是则P2输出相应的按键号码CPL A; //A取反MOV P0,A; //输出到P0口LCALL DELAY; //延迟AJMP LP; //跳转到LPLL2 : CJNE A,#0FDH,LL3; //是否按键2输入MOV P2,#5BH; //以下同上CPL A;MOV P0,A;LCALL DELAY;AJMP LP;LL3 : CJNE A,#0FBH,LL4; //判断按键3是否按下MOV P2,#4FH;CPL A;MOV P0,A;LCALL DELAY;AJMP LP;LL4 : CJNE A,#0F7H,LL5; //判断按键4是否按下CPL A;MOV P0,A;LCALL DELAY;AJMP LP;LL5 : CJNE A,#0EFH,LL6; //判断按键5是否按下MOV P2,#6DH;CPL A;MOV P0,A;LCALL DELAY;AJMP LP;LL6 : CJNE A,#0DFH,LL7; //判断按键6是否按下MOV P2,#7DH;CPL A;MOV P0,A;LCALL DELAY;AJMP LP;LL7 : CJNE A,#0BFH,LL8; //判断按键7是否按下MOV P2,#07H;CPL A;MOV P0,A;LCALL DELAY;AJMP LP;LL8 : CJNE A,#7FH,LP; //判断按键8是否按下MOV P2,#7FH;CPL A;MOV P0,A;LCALL DELAY;LP : AJMP START; //跳转回程序开头DELAY : MOV R7,#01H; //延时程序DE1 : MOV R6,#28H;DE2 : MOV R5,#5AH;DJNZ R5,$;DJNZ R6,DE2;DJNZ R7,DE1;RETEND四、思考题1、LED循环方向更改：RL A; 改成RR A;1S的延时程序: DELAY : MOV R7,#20; //延时程序DE1 : MOV R6,#200;DE2 : MOV R5,#123;DJNZ R5,$;DJNZ R6,DE2;DJNZ R7,DE1;RET2、提高电阻阻值3、一般为5V或者3.3V。
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
第二章 过程输入输出接口技术 I／O接口设计的方法、步骤及设计举例
2．量化过程
量化过程：是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信 号的幅值，将其转换成数字信号。
量化单位为：
f max f min q 2i fmax：转换信号的最大值； fmin：转换信号的最小值；
i：转换后二进制数的位数。
3、量化误差
对于同一电压转换范围，i越大、既转换后的位数越 多，q就越小，而量化后的数据是以量化单位为单 位逼近模拟信号的幅值，总存在误差，既量化误差。 按四舍五入规则，量化误差的最大值为±q/2，而
组成： 逻辑电平转换、 二进制译码器 及8个开关电
路。 主要特性： 直流供电电源：VDD＝+5V～+15V，
数字信号电位变化范围：3～15V 输入电压：UIN＝0～VDD，
模拟信号峰峰值：15V
2.CD405l的应用扩展：Leabharlann 2.1.5采样/保持器
采样保持电路：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中
保持模拟信号。
两个工作状态： ★ 采样状态 ★ 保持状态
采样保持集成芯片LFl98 主要特性：
供电电源：±5V～±18V；
信号获取时间：<10μ s； 可以和TTL、PMOS、 CMOS逻辑输入兼容； 典型保持电容：1000pF、 0.01μF。
采样保持器的选择
当模拟信号变化频率较高而A/D转换速度又不 高时，以至转换时间影响转换精度，或要求多 个模拟信号同时采样比较（此时还是有先后） 时，需要考虑采样保持器。 当为过程模拟信号时，因其模拟信号的最大频 率较低，约小于1HZ，只需要采样单元（多路 转换开关），不需要采样保持器，直接把采样 的信号加入A/D转换器即可。
主要组成： 信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据 放大器、A／D转换器控制电路。
第二章 过程输入输出接口技术
8
2.1.3 信号的编码
1、符号—数值码(原码) 数值为正时，符号位为0；数值为负时，符号位为1； 改进符号—数值码 数值为正时，符号位为1；数值为负时，符号位为0；
2、偏移二进制码(反码)
数值为正(包括0)时，符号位为1；数值为负时，符号位为0；
用途——双极性模拟量转换；
9
2.1.3 信号的编码
2、离散/采样过程——时间连续信号变成一连串时间不连续的
脉冲信号的过程； 3、采样信号————采样后的脉冲序列是离散信号；
4
1）周期采样： t(k+1)-t(k)=T
K=0,1,2…..，
T为采样周期
2）多阶采样： t(k+1)-t(k)周期性重复； 3）随机采样：采样周期随机不固定，可在任意时刻进行采样（最常用）
(2)采样/保持器的工作状态
采样状态——采样/保持器跟随模拟量输入电压变化； 保持状态——输出量保持在进入保持状态时刻的输入电压不变；
(3)采样/保持器的用途
保持模拟量信号不变，以便完成A/D转换；
同时采样几个模拟信号，以便进行数据处理和测量；
减少D/A转换器的输出“毛刺”； 把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保输出电压的稳定性。
2）控制逻辑IN(+) 为高电平时，通过A3控制开关K闭合，使输入电压经过A1放大器进入 A2放大并输出，同时向保持电容充电；(采样状态) 为低电平时，通过A3控制开关K断开，保持电容上的电压维持输出， 以达到非采样时间内保持器仍保持原来的输出的目的；(保持状态) 3）控制逻辑IN(－)——通常接地
3、补码表示法(补码)
①
正基准——当数字值增加时，模拟信号向正满度方向增加；
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1．CD4051
TTL电平： 输出 L： <0.8V ； H：>2.4V。 输入 L： <1.2V ； H：>2.0V
CMOS电平： 输出 L： <0.1*Vcc ； H：>0.9*Vcc。 输入 L： <0.3*Vcc ； H：>0.7*Vcc.
TTL电平是5V，CMOS电平一般是12V。
CD405l
f(t)
K
T
f*(t)
香农(Shannon)定理：如果随时间变化的模拟
信号的最高频率为ωmax ，只要按照采样频率 ωS≥2ωmax 进 行 采 样， 那 么取 出 的样 品 系列 (f1*(t) ， f2*(t) ， …) 就 足 以 代 表 ( 或 恢 复)f(t)。 工程上：由于实时控制，不能超前采样，所以 通常采样频率ωS≥（4~10）ωmax
开关量输入：生产过程中的很多状态 信息，例如开关、按钮、继电器的触点 等，它们通常只有通或断两种状态；
此外，计算机控制系统内部各芯片 引脚状态标志信息，例如：计数器芯片 计数结束后输出引脚发出的脉冲信号、 A/D模/数转换过程中状态引脚发出高低 电平信号等，也属于这类范畴。
开关量输出：在生产过程中，指示灯的亮
不是±q，或±LSB/2。
§2.1.3 信号的编码
在模拟量转换过程中，对双极性（正、负）信息
通常有3种表示方法。
1．符号—数位码
类似于原码表示法，增加一位符号位，其它数
值与单极性一样。通常，数值为正时，符号位为0；
数值为负时，符号位为1。
2．偏移二进制码 它是一种直接的二进制编码，用满 刻度来加以偏移。 符号位在正值（包括零在内）时， 均为1；而在负值时，均为 0 。这种编
★ I／O接口扩展的方案选择: ► 购置多功能I／O接口板 ► 自行设计I／O接口电路
►采用通用的大规模集成电路接口芯片扩展I／O接口 电路
►采用普通的缓冲器、锁存器和译码器等集成电路扩 展I／O接口
2.I／O接口设计举例一 设计要求： 设计8088CPU微机系统I／O接口电路，有8
组8位的数字量外部输入，8组8位的控制和显 示数据输出到外部。8个输入端口地址号为 E8H～EFH，8个输出端口地址为F0H～F7H。
4、
数据放大器
—— 把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的A／D转 换器输入电平。（0~5V，0~10V，±5V， ±10V）
•当有变送器时，不必加数据放大器。
•当无有变送器时，因传感器的输出电压信号为0~40mv，加直
流放大器，或直流差动放大器，提高共模抑制比。有时为了使
各路转换信号同一幅值，采用数字控制可变增益放大器。
组成： 逻辑电平转换、 二进制译码器 及8个开关电
路。 主要特性： 直流供电电源：VDD＝+5V～+15V，
数字信号电位变化范围：3～15V 输入电压：UIN＝0～VDD，
模拟信号峰峰值：15V
2.CD405l的应用扩展：
2.1.5
采样/保持器
采样保持电路：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中
码常用于计算机控示，于计算机 内的补码相同。其符号位的特征正好与 偏移二进制码相反，而数值相同。
码制转换表
表 2-2 常用的双极性编码的关系 将右列代码变换成下 述代码 符号—数 2 的补码 偏移二进制 符号—数 不变 若最高位=1，则其余各 位取反，再加 00…01 最高位取反，若取反后 最高位=0，则其余各位 取反，再加 00…01 2 的补码 若最高位=1，则其余各 位取反，再加 00…01 不变 最高位取反 偏移二进制 最高位取反，若取反后 最高位=1，则其余各位 取反，再加 00…01 最高位取反 不变
过程之间，必须设置完成信息传递和变换装置， 这个装置称为过程输入输出通道。 即专业术语中的I/O通道。
I/O接口通常包括开关量和模拟 量的输入与输出，分别称为开入DI、开
出DO、模入AI、模出AO几个类型，涉及
到输入信号的调理、输出信号的放大以 及抗干扰等技术问题。
模拟量输入通道
任务：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。
主要组成： 信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据 放大器、A／D转换器控制电路。
1、信号处理装置
组成：标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转 换电路等。 ★ 标度变换器： 作用：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被
测模拟信号变换成统一的标准信号。
★ 滤波电路： 作用：滤掉或消除干扰信号，保留或增强有用信号。 ★ 线性化处理：有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。 所以必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。
设计：
A7A6A5A4A3A2A1A0
1 1 1 1 1 1 Χ Χ X 1 1 0 0 X X Χ
IN AL, 0F0H, AL OUT 0E8H
§2.0.5
I／O通道
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
在计算机控制系统中，因此在计算机和生产
功能：把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中 的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。
组成：D／A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤
波电路和功放电路。 输出保持器的作用：将前一采样时刻的输出信号保持到下一个 采样时刻，重新得到新的输出信号。 输出保持方案：数字量保持方案；模拟量保持方案。
★ 电参量间的转换电路： 主要进行电信号之间的转换。
2、采样单元
作用：把各路模拟量分时接到A／D转换器进行转换，实现
CPU对各路模拟量分时采样。
组成：开关矩阵及逻辑控制电路。 开关矩阵 —— 模拟开关的组合 逻辑控制电路 —— 在软件或通道控制电路的控制下，以一 定速度，按顺序输入被测模拟信号。
模拟量输出通道
5、A／D转换器
——把通道输入的模拟量转换成数字量，通过I/O接口电路送
入CPU。
2．量化过程
量化过程：是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信 号的幅值，将其转换成数字信号。
量化单位为：
f max f min q 2i fmax：转换信号的最大值； fmin：转换信号的最小值；
i：转换后二进制数的位数。
3、量化误差
对于同一电压转换范围，i越大、既转换后的位数越 多，q就越小，而量化后的数据是以量化单位为单 位逼近模拟信号的幅值，总存在误差，既量化误差。 按四舍五入规则，量化误差的最大值为±q/2，而
四、 I／O接口设计的方法、步骤及设计举例
1. I／O接口设计的方法、步骤
★ I／O接口设计步骤 ► 了解常用外围设备或被控设备与CPU之间信息交换的要求， 确定控制方式； ► 考虑硬件和软件的功能分配；
► 进行I／O端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配；
► I／O接口硬件电路的扩展设计； ► I／O接口控制软件设计； ► 进行接口硬件和软件联调。
和灭、电动机的启动和停止、晶闸管的通和断、 阀门的打开和关闭，以及变频器等执行机构控 制脉冲信号等，对它们的控制只需要通过二值 逻辑的“1”和“0”并通过相应的隔离和功率 放大即可实现。
§
2.1
数据的采样及保持
§2.1.1
采样与量化
1．采样过程
采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽
样成离散模拟信号的过程。
保持模拟信号。
两个工作状态： ★ 采样状态 ★ 保持状态
采样保持集成芯片LFl98 主要特性：
供电电源：±5V～±18V；
信号获取时间：<10μ s； 可以和TTL、PMOS、 CMOS逻辑输入兼容； 典型保持电容：1000pF、 0.01μF。
采样保持器的选择
当模拟信号变化频率较高而A/D转换速度又不 高时，以至转换时间影响转换精度，或要求多 个模拟信号同时采样比较（此时还是有先后） 时，需要考虑采样保持器。 当为过程模拟信号时，因其模拟信号的最大频 率较低，约小于1HZ，只需要采样单元（多路 转换开关），不需要采样保持器，直接把采样 的信号加入A/D转换器即可。