第4章过程输入输出通道接口技术精品PPT课件
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输入输出通道和接口技术优秀课件
0~10V
VIN
+15V
12.5K 50K
10V
REF 10
1K
-
OP
+
VOUT
0~10V/4~20mA转换电路
INA105
50Ω
50Ω
RLOAD
4~20MA
REF 10：稳压源 OP：运放 INA105：增益差动放大器
VOUT = - 0.08VIN – 0.2V
当输入电压VIN为0~10V时，OP的输出VOUT为 – 0.2~ -1V， 经增益差动放大器组成的V/I电路变换，流过RLOAD的电流为 4~20mA。
AYTD-30A电流传感器 采用霍尔效应、磁平衡电路设计，用于测量直流和交流电流。 主要技术参数：
输入IN 输出IOUT 精度 线性度 零点 外形尺寸 电源 重量
0-30A 0-100MA 0.5% 0.2% 可调 45*36*42 ±15V 50g
霍尔电流传感器的工作原理：当电流通过导线时，导线周 围产生磁场，可通过软磁材料收集，并用霍尔器件进行检测。
（二）多路开关
多路开关有两个主要用途，
1、将待测控的多路参数分时接通，送入通道进行A/D转换；
2、将计算机处理后的数据分时的经D/A转换成模拟信号，控制 执行器的执行。
尽管两种用途中采用同一种多路开关，但具体任务不同， 常将前者称为多路开关，后者称为多路分配器。
传统的数控系统多采用干簧继电器作多路开关，其缺点是 体积大，开关频率低。
●仪器放大器 ●隔离放大器 ●量程自动增益放大器等
这些新型放大器的输入阻抗高，零点漂移小，可靠性高并 且使用方便，因此在工业控制领域得到广泛的应用。
（1）仪器放大器
美国B-B公司生产的INA101是一种典型的仪器放大器，能 够有效的分离共模干扰，主要用于应变式传感器、热电偶和 热电阻温度传感器的放大。
(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。
输入输出接口与过程通道幻灯片
一般控制状态需进展保持，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，对状态输出信号进展
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D0～D7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
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。
2006
COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING, ZHEJIANG UNIVERSITY
2.1 数字量输入输出通道
❖ (2)大功率输入调理电路
工业控制机用于生产过程的自 动控制，需要处理一类最根本的输 入输出信号，即数字量〔开关量〕 信号。 2.1.1 数字量输入输出接口技术 1.数字量输入接口
对生产过程进展控制，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， 那么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存放器，设片选端口地 址为port，可用如下指令来完成取 数
❖ 在计算机控制系统中，工业控制机必须经过 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局部。
2006
COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING, ZHEJIANG UNIVERSITY
计算机控制系统 第2版 李正军 第4章
因此，除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D和D/A外，通 常采用公共的采样/保持及A/D转换电路，而要实现这种设计， 往往采用多路模拟开关。
1．模拟开关的参数
多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某 一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而到达信号切换 的目的。在多路开关选择时，常要考虑以下参数：
在多路开关的选用时，常要考虑许多因素，如需多少路？要 单端型还是差动型？开关电阻多大？控制电平多高？另外还 要考虑开关速度及开关间互扰等诸多方面。
4.1.4 32通道模拟量输入电路设计实例
在计算机控制系统中，往往有多个测量点，需要设计多路 模拟量输入通道，下面以32通道模拟量输入电路为例介绍 其设计方法。
4.1.3 模拟开关
在用计算机进行测量和控制中，经常需要有多路和多参数的 采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每 一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节，不仅本钱比单路 成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻 容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难；并且 对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回 路几乎是不可能的。
t
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 t/T
b）离散模拟信号
图4-2 模拟信号采样示意图
3．采样定理
采样定理：由采样信号x * ( k ) 完全无失真地恢复原信号x ( t )
的条件是采样速度要满足下式：
s
≥
2 max
或
T
≤
1 2
m
in
其中：s 2π /T，为采样角速度；T为采样周期； m ax 为原信
号 x (t ) 频谱中最高角频率； m i n 为 x (t ) 的各种信号分量中最
1．模拟开关的参数
多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某 一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而到达信号切换 的目的。在多路开关选择时，常要考虑以下参数：
在多路开关的选用时，常要考虑许多因素，如需多少路？要 单端型还是差动型？开关电阻多大？控制电平多高？另外还 要考虑开关速度及开关间互扰等诸多方面。
4.1.4 32通道模拟量输入电路设计实例
在计算机控制系统中，往往有多个测量点，需要设计多路 模拟量输入通道，下面以32通道模拟量输入电路为例介绍 其设计方法。
4.1.3 模拟开关
在用计算机进行测量和控制中，经常需要有多路和多参数的 采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每 一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节，不仅本钱比单路 成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻 容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难；并且 对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回 路几乎是不可能的。
t
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 t/T
b）离散模拟信号
图4-2 模拟信号采样示意图
3．采样定理
采样定理：由采样信号x * ( k ) 完全无失真地恢复原信号x ( t )
的条件是采样速度要满足下式：
s
≥
2 max
或
T
≤
1 2
m
in
其中：s 2π /T，为采样角速度；T为采样周期； m ax 为原信
号 x (t ) 频谱中最高角频率； m i n 为 x (t ) 的各种信号分量中最
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=常量（T）(k 0,1, 2, ）。T为采样周期。
多阶采样：在这种形式下，(tk+r tk ) 是周期性重复，即
tk+r tk =常量，r 1。
随机采样：采样周期是随机的，不固定的，可在任意时刻 进行采样。
模拟信号采样或离散化的示意图如图4-2所示。
x(t)
x* (t)
0 a）模拟信号
因此，除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D和D/A外，通 常采用公共的采样/保持及A/D转换电路，而要实现这种设计， 往往采用多路模拟开关。
1．模拟开关的参数
多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某 一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而达到信号切换 的目的。在多路开关选择时，常要考虑下列参数：
（1）通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精 度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电 容和泄漏电流通常也越大，尤其是在使用集成模拟开关时， 尽管只有其中一路导通，但由于其它模拟开关尽管断开， 只是处于高阻状态，仍存在漏电流对导通的那一路产生影 响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。
当控制信号为高电平时（保持阶段），开关S断开，A/D转换 器根据电容C上的电压进行转换，电容维持稳定电压的时间
越长越好。
2．常用采样/保持器 常用的采样/保持器有AD582、AD583、LF198/398等。 LF198/LF298/LF398是由场效应管构成的采样/保持电路，它
具有采样速度高，保持电压下降速度慢以及精度高等特点。
率0.3为μV3m。V/s。若A/D转换时间为100μs，CH上的电压下降约
LF398的应用如图4-9所示。
+15V -15V
Vx
IN(+) 5V
0V
1 3
LF398 8
7 采样 保持
4
6 RH CH
5 VOUT
图4-9 输出保持采样输入平均值的电路
4.1.3 模拟开关
在用计算机进行测量和控制中，经常需要有多路和多参数的 采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每 一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节，不仅成本比单路 成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻 容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难；并且 对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回 路几乎是不可能的。
计算机前后的信息转换如图4-1所示。
信息输入
模拟信号
采样器
A/D
信息处理 计算机
信息输出
D/A
保持器
模拟信号
时间 连续 信号 模拟
离散 模拟
离散 数字
离散 数字
离散 模拟
连续 模拟
图4-1 计算机前后的信息转换
2．采样过程的数学描述
离散系统的采样形式有：
周期采样，就是以相同的时间间隔进行采样，即 tk+1 tk
LF198/298/398的引脚如图4-8所示。
V+ 偏置
1
8
2
7
控制逻辑IN+ 控制逻辑IN-
输入 V-
3
6
4
5
保持电容CH
输出
图4-8 LF198系列引脚图
当控制逻辑IN－接地时，控制电平与TTL电平兼容。 保CH持上电的容电C压H的到选达取0.取01决%于精保度持时时，间需的25长μs短，。CH当上C的H=电0.压01下μF降，
（2）泄漏电流：如果信号源内阻很大，传输的是个电流 量，此时就更要考虑多路开关的泄漏电流，一般希望泄漏 电流越小越好。
（3）切换速度：对于需传输快速变化信号的场合，就要 求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段采保和 A/D的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的 切换速度。
（4）开关电阻：理想状态的多路开关其导通电阻为零， 而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法达到这个要 求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为 低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。
另外，多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作 考虑。
2．常用模拟开关
（1）CD4051
CD4051为单端8通道低价格模拟开关，引脚如图4-10所示。
4
1
16
VDD
6
2
15
2
COM
3
14
1
7
4
13
0
5
5123来自INH611
A
VEE
7
10
B
VSS
8
9
C
图4-10 CD4051引脚
其中INH为禁止端，当INH为高电平时，八个通道全部禁止； 当INH为低电平时，由A、B、C决定选通的通道，COM为 公共端，真值表如表4-1所示。
小的时间常数。
4.1.2 采样/保持器
1．采样/保持器的工作原理 采样/保持器主要由模拟开关、保持元件C、缓冲放大器组
成，如图4-7所示。
S
－
x* (t) R
x(t)
＋
C
VOUT
控制
图4-7 采样/保持器电路
当控制信号为低电平时（采样阶段），开关S闭合，输入信 号通过电阻向电容C充电，要求充电时间越短越好，以使电 容电压迅速达到输入电压值。
表4-1 CD4051通道
输入
接通通道
INH
C
B
A
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
2
0
0
1
1
3
0
1
0
0
4
0
1
0
1
5
0
1
1
0
6
0
1
1
1
7
1
X
X
X
禁止
（2）MAX354
MAX354是MAXIM公司生产的8选1多路模拟开关，引脚如 图4-11所示，真值表如表4-2所示。
t
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 t/T
b）离散模拟信号
图4-2 模拟信号采样示意图
3．采样定理
采样定理：由采样信号x * (k) 完全无失真地恢复原信号x(t)
的条件是采样速度要满足下式：
s ≥ 2max
或T
≤
1 2
min
其中：s 2π / T，为采样角速度；T为采样周期；max 为原信 号 x(t) 频谱中最高角频率； min 为 x(t) 的各种信号分量中最
第4章 过程输入输出通道接口技术
4.1 概述
4.1.1 信号和采样定理
1．信号类型 在计算机控制系统中，常用的信号有三种类型： （1）模拟（连续）信号 在时间上连续取值，在幅值上连续取值的信号，一般用十进
制表示。所谓连续就是连续变化不发生突变，这种是控制对 象需要的信号。 （2）离散模拟信号 在时间上断续取值，在幅值上连续取值的信号。这种是在信 号变换过程中需要的中间信号。 （3）数字（离散）信号 在时间上断续取值，在幅值上断续取值的信号，通常用二进 制代码形式表示。这是计算机需要的信号。
多阶采样：在这种形式下，(tk+r tk ) 是周期性重复，即
tk+r tk =常量，r 1。
随机采样：采样周期是随机的，不固定的，可在任意时刻 进行采样。
模拟信号采样或离散化的示意图如图4-2所示。
x(t)
x* (t)
0 a）模拟信号
因此，除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D和D/A外，通 常采用公共的采样/保持及A/D转换电路，而要实现这种设计， 往往采用多路模拟开关。
1．模拟开关的参数
多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某 一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而达到信号切换 的目的。在多路开关选择时，常要考虑下列参数：
（1）通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精 度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电 容和泄漏电流通常也越大，尤其是在使用集成模拟开关时， 尽管只有其中一路导通，但由于其它模拟开关尽管断开， 只是处于高阻状态，仍存在漏电流对导通的那一路产生影 响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。
当控制信号为高电平时（保持阶段），开关S断开，A/D转换 器根据电容C上的电压进行转换，电容维持稳定电压的时间
越长越好。
2．常用采样/保持器 常用的采样/保持器有AD582、AD583、LF198/398等。 LF198/LF298/LF398是由场效应管构成的采样/保持电路，它
具有采样速度高，保持电压下降速度慢以及精度高等特点。
率0.3为μV3m。V/s。若A/D转换时间为100μs，CH上的电压下降约
LF398的应用如图4-9所示。
+15V -15V
Vx
IN(+) 5V
0V
1 3
LF398 8
7 采样 保持
4
6 RH CH
5 VOUT
图4-9 输出保持采样输入平均值的电路
4.1.3 模拟开关
在用计算机进行测量和控制中，经常需要有多路和多参数的 采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每 一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节，不仅成本比单路 成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻 容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难；并且 对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回 路几乎是不可能的。
计算机前后的信息转换如图4-1所示。
信息输入
模拟信号
采样器
A/D
信息处理 计算机
信息输出
D/A
保持器
模拟信号
时间 连续 信号 模拟
离散 模拟
离散 数字
离散 数字
离散 模拟
连续 模拟
图4-1 计算机前后的信息转换
2．采样过程的数学描述
离散系统的采样形式有：
周期采样，就是以相同的时间间隔进行采样，即 tk+1 tk
LF198/298/398的引脚如图4-8所示。
V+ 偏置
1
8
2
7
控制逻辑IN+ 控制逻辑IN-
输入 V-
3
6
4
5
保持电容CH
输出
图4-8 LF198系列引脚图
当控制逻辑IN－接地时，控制电平与TTL电平兼容。 保CH持上电的容电C压H的到选达取0.取01决%于精保度持时时，间需的25长μs短，。CH当上C的H=电0.压01下μF降，
（2）泄漏电流：如果信号源内阻很大，传输的是个电流 量，此时就更要考虑多路开关的泄漏电流，一般希望泄漏 电流越小越好。
（3）切换速度：对于需传输快速变化信号的场合，就要 求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段采保和 A/D的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的 切换速度。
（4）开关电阻：理想状态的多路开关其导通电阻为零， 而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法达到这个要 求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为 低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。
另外，多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作 考虑。
2．常用模拟开关
（1）CD4051
CD4051为单端8通道低价格模拟开关，引脚如图4-10所示。
4
1
16
VDD
6
2
15
2
COM
3
14
1
7
4
13
0
5
5123来自INH611
A
VEE
7
10
B
VSS
8
9
C
图4-10 CD4051引脚
其中INH为禁止端，当INH为高电平时，八个通道全部禁止； 当INH为低电平时，由A、B、C决定选通的通道，COM为 公共端，真值表如表4-1所示。
小的时间常数。
4.1.2 采样/保持器
1．采样/保持器的工作原理 采样/保持器主要由模拟开关、保持元件C、缓冲放大器组
成，如图4-7所示。
S
－
x* (t) R
x(t)
＋
C
VOUT
控制
图4-7 采样/保持器电路
当控制信号为低电平时（采样阶段），开关S闭合，输入信 号通过电阻向电容C充电，要求充电时间越短越好，以使电 容电压迅速达到输入电压值。
表4-1 CD4051通道
输入
接通通道
INH
C
B
A
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
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0
1
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0
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1
5
0
1
1
0
6
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1
1
1
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1
X
X
X
禁止
（2）MAX354
MAX354是MAXIM公司生产的8选1多路模拟开关，引脚如 图4-11所示，真值表如表4-2所示。
t
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 t/T
b）离散模拟信号
图4-2 模拟信号采样示意图
3．采样定理
采样定理：由采样信号x * (k) 完全无失真地恢复原信号x(t)
的条件是采样速度要满足下式：
s ≥ 2max
或T
≤
1 2
min
其中：s 2π / T，为采样角速度；T为采样周期；max 为原信 号 x(t) 频谱中最高角频率； min 为 x(t) 的各种信号分量中最
第4章 过程输入输出通道接口技术
4.1 概述
4.1.1 信号和采样定理
1．信号类型 在计算机控制系统中，常用的信号有三种类型： （1）模拟（连续）信号 在时间上连续取值，在幅值上连续取值的信号，一般用十进
制表示。所谓连续就是连续变化不发生突变，这种是控制对 象需要的信号。 （2）离散模拟信号 在时间上断续取值，在幅值上连续取值的信号。这种是在信 号变换过程中需要的中间信号。 （3）数字（离散）信号 在时间上断续取值，在幅值上断续取值的信号，通常用二进 制代码形式表示。这是计算机需要的信号。