第二章 输入输出接口和过程通道
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第2章 输入输出接口与过程通道
2.多个输出通路共用一个D／A转换器的结构形式
图2.32 共用D/A转换器的结构
2.4.2 D/A转换器及其接口技术
D/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或 装置。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、 12位等。
主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误 差等。基本上与A/D转换器的指标相一致。
1. 8位A／D转换器ADC0809 主要特点： 分辨率 8 位；
转换时间100s； 温度范围-40 ～ +85 ℃； 可使用单一的 +5V电源； 可直接与CPU连接； 输出带锁存器； 逻辑电平与TTL兼容。
电路组成及引脚功能
ADC0809有28条引脚。
OE
2. 12位A／D转换器AD574
（1）非电信号的检测-不平衡电桥
（2）信号放大电路
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。
若信号源的一端接放大器的负端为反相放大。当 然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一 端是与放大器的另一个输入端共地。
第2章 输入输出接口与过程通道
基本概念
输入输出接口 —— 简称“接口” 输入输出接口技术 —— 研究微处理器和外部设
备之间信息交换的技术。 接口电路：是主机和外围设备之间交换信息的连
接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完 成信息交换。 通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对象 之间信息传送和变换的连接通道。
为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随 时间变化较快信号的要求，可采用带有保持电路的采样 器，即采样保持器。
（2）采样保持原理
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。
计算机控制技术课件 第二章输入输出接口与过程通道
（1）线选法
（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
（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
计算机控制系统——chapter2输入输出接口与过程通道
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
输入通道又称为检测通道。一般，反映生 产过程状态的各种参数(如压力、流量、温度、 速度、位置等)都是随时间变化的模拟量，它 们通过检测元件和变送器转换成相应的模拟电 流或电压信号后，必须通过模拟量输入通道转 换成相应的数字信号后才能送入计算机。而生 产过程中的一些开关量、电平信号、脉冲量， 以及一些数字传感器等产生的数字信号等，则 可直接通过数字量输入通道送入计算机。
开关量：如按钮或转换开关的启/停、阀门 的开/闭，指示灯亮/灭等。
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
数字脉冲列信号：如光电脉冲编码器检测速度、晶闸 管的脉冲触发器等。 特点：幅值离散，可用一位或多位二进制码表示。
2、数字量输入接口
缓冲器－防止外设数据干扰数据总线。
计算机控制技术
Computer Controlled System
中南大学信息科学与工程学院 袁艳
2019年6月26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
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
概述
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， 它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。
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，根据信息的来源和 类型不同，可以分为模拟量输入/输出通道 （AI/AO），数字量（或开关量）输入/输出通道 （DI/DO）四种。
第二章输入输出接口与过程通道-青岛大学
2.5.2
主机抗干扰技术
监控电路MAX1232的典型应用
2.5.2
主机抗干扰技术
3.掉电保护和恢复运行
掉电信号由监控电路MAX1232检测得到，加到微处理器 (CPU)的外部中断输入端。软件中将掉电中断规定为高级中 断，使系统能够及时对掉电作出反映。其软件工作流程如下： ①在掉电中断服务子程序中，首先进行现场保护，把当 时的重要状态参数、中间结果、某些专用寄存器的内容转移 到专用的有后备电源的RAM中。 ②其次是对有关外设作出妥善处理，如关闭各输入输出 口，使外设处于某一个非工作状态等。
2.5.2
主机抗干扰技术
③最后必须在专用的有后备电源的RAM中某一个或两个 单元作上特定标记即掉电标记。 ④当电源恢复正常时，CPU重新上电复位，复位后应首 先检查是否有掉电标记，如果没有，按一般开机程序执行 (系统初始化等)。如果有掉电标记，不应将系统初始化，而 应按掉电中断服务子程序相反的方式恢复现场，以一种合理 的安全方式使系统继续未完成的工作。
2.5.3
系统供电与接地技术
在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、 数字地、安全地、系统地、交流地。 模拟地作为传感器、变送器、放大器、 A/D 和 D/A 转换 器中模拟电路的零电位。 数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与 模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。
2.5.3
2.5.3
系统供电与接地技术
1．供电技术
(1)供电系统的保护措施
2.5.3
系统供电与接地技术
(2)电源异常的保护措施 计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响 生产。为此，可采用不间断电源UPS 。
220V AC 电 池 充电器 交 流 稳压器 电池组 逆变器 计算机
第2章 输入输出接口与过程通道
P
C
输入
总
缓冲
线
器
地址译码器
生
输入
产
调理
过
电路
程
•输入调理电路 －把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 计算机能够接收的逻辑信号。 •小功率输入调理电路 －开关去抖电路
A1
A
O
O
A
积分电路
O
RS触发器 去抖
RS触发器 “ 1” 负脉冲 “ 0” 高电平
•大功率输入调理电路 －采用光电隔离
2.1.3 数字量输出通道 1、数字量输出通道结构
ห้องสมุดไป่ตู้
作业 P62 －2.1, 2.2, 2.3
常用指令说明
• CLD：清除方向标志 说明：在字符串指令被执行时，如果事先用CLD指
令使DF清零，则地址在串操作过程中自动增量。
• LEA：取有效地址 说明：把变量、标号或偏移地址送指定寄存器
• STOS：存储字节串或字串 说明：将AL( AX) 中的字节或字存入ES：DI所指单 元。
P
生
C
输出
输出
产
总
锁存
驱动
过
线
器
器
程
地址译码器
2、输出驱动电路 •小功率直流驱动电路
－功率晶体管输出驱动继电器电路 续流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器线
圈产生的反电动势提供旁路通道，保护晶体管。
•
－达林顿阵列输出驱动继电器电路 MC1416，7路驱动，带保护二极管
•
•大功率直流驱动电路 －固态继电器。零交叉电路在交流电过零时产生 触发信号，减少干扰。
第2章 输入输出接口与过程通道
接口：计算机与外部设备交换信息的桥梁，包 括输入和输出接口。
计算机控制系统第2章输入输出接口与过程通道技术
图2-22 正弦模拟信号
d du tU m cost2fU mcost
(2-10)
u t
2
fUm
(2-11)
U2fUmtA/D
(2-12)
UU 1 m 00%2ftA /D100%
(2-13)
2．采样保持器的组成与工作原理 采样保持电路由输入缓冲放大器A1、模拟开
关AS、模拟信号存储电容CH和输出缓冲放大器A2 组成，如图2-23所示。
图2-36 DAC1210与PC/XT总线的接口
2.3.3 电压/电流（V/I）转换器
工业现场的智能仪表和执行器常常要以电流方 式传输，这是因为在长距离传输信号时容易引入干 扰，而电流传输具有较强的抗干扰能力。因此，许 多场合必须经过电压/电流（V/I）转换电路，将电压 信号转换成电流信号。
图2-37 V/I转换电路
所以要求这些设备有很强的抗干扰能力，而 且要设法削弱来自公共地线的干扰，以提高过程 通道的抗干扰性能。
图2-56 干扰信号形式
1．串模干扰及其抑制 叠加在被测信号上的干扰信号称为串模干扰，
用Vg表示。串模干扰使接收电路的一个输入端相 对于另一输入端产生电位差，因此也称为差模干 扰，如图2-57所示。
图2-57 串模干扰示意图
图2-58 热电偶线路中的串模噪声
抑制串模干扰的措施有： (1)采用输入滤波器 (2)采用双积分式或-调制式A/D转换器 (3)用双绞线作信号引线 (4)电磁屏蔽和良好的接地
图2-59 二级阻容滤波器网络
2．共模干扰及其抑制 共模干扰产生的主要原因是不同“地”之间存
在共模电压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。 共模干扰通过过程通道串入主机，其一般表现形式 如图2-60所示，其中VS为信号源，Vg为共模噪声电 压。
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2章 输入输出接口与过程通道 教案
板书 编语言程序，鼓励学生将其写成 C 语言程序（参考第六章第一节，高级语言编程）。
设计， 在模拟量输入通道中，要注意无源 I/V 变换电路与有源 I/V 变换电路，介绍教材中出现的
重点 两个电路，难度都不大，需要注意的是电路中各个元件的作用；采样的采样过程由教材图
如何 2.21 描述，信号的采样频率由香农采样定理给出；量化及量化单位，量化误差描述了 A/D 转
计算机控制技术教案
章 节
讲授 主要 内容
重 点 难 点
要求 掌握 知识 点和 分析 方法
第 2 章 共 7 学时
2.1 总线扩展技术 2.2 数字量输入输出接口与过程通道 2.3 模拟量输入接口与过程通道 2.4 模拟量输出接口与过程通道 2.5 硬件抗干扰技术 在计算机控制系统中，工业控制机必须经过输入输出接口和过程通道与生产过程相连， 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。 接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它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， 而计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。 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、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。 生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机，计算机经过计 算和处理后的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生产过 程的控制。 分析硬件抗干扰技术，包括过程通道抗干扰技术（串模干扰及其抑制方法、共模干扰及其抑 制方法、长线传输干扰及其抑制方法），CPU 抗干扰技术和系统供电与接地技术。 1、输入缓冲器与输出锁存器 这里要正确理解缓冲器与锁存器的功能，并结合输入、输出过程来体会为什么在输入时需 用缓冲器，输出时需用锁存器。 2、关于 8 位 D/A 转换器 0832 及其接口 对于 0832 要重点掌握其内部结构，特别是 WR1 对输入寄存器的控制，WR2 对 DAC 寄 存器的控制。 3、模拟量输出通道设计 进行通道接口设计时，要搞清数据、地址、控制三总线之间的关系。 本书中，地址用来选择芯片，不同芯片分配不同地址，数据用来传送操作数，同时在 4051 中，数据线则用来完成 8 选 1 功能。 4、数字量、模拟量输入输出板卡的应用 正确的选择所需要的板卡，插入工控机相应的插槽，安装好提供的驱动程序，学习例程 提供的函数，设计与所做工程相关的界面，这需要一定的上位机编程基础。 5、抗干扰技术 硬件抗干扰技术的通道抗干扰技术，分为串模干扰和共模干扰，要针对不同的干扰，选 择不同的抗干扰措施。CPU 抗干扰中的看门狗电路的应用、长线传输选择终端电阻对于波反射 的抑制，这些抗干扰措施在工业工程中，用到的非常多。 1.总线的定义 2.总线扩展技术 3.基于 ISA 总线端口扩展 4.无源 I/V 变换电路与有源 I/V 变换电路，电路分析 5.模拟量输入通道设计及 8 通道数据采集程序设计，程序分析 6.D/A 转换器及其与 PC 总线工业控制机接口技术，接口电路与工作时序分析，板卡的应用 7.8 通道模拟量输出电路设计，程序分析，板卡的应用 8.共模干扰及其抑制方法 9.长线传输干扰与匹配电阻 10.CPU 抗干扰技术
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
第2章输入输出接口与过程通道
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2.1 数字量输入输出通道
• 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,它内含7个 达林顿复合管,每个复 合管的电流都在 500mA以上,截止时承 受100V电压。为了防 止MC1416组件反向击 穿,可使用内部保护二 极管。图2.8给出了 202M0/3/C27 1416内部电路原理
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2.3 模拟量输入通道
• 2.3.4 样、量化及常用的采样保持器
• 1.信号的采样
•
采样过程如图2.21所示。按一定的时间间隔T,把时间上连续和幅值上也连
续的模拟信号,转变成在时刻O、T、2T、…KT的一连串脉冲输出信号的过程
称为采样过程。执行采样动作的开关K称为采样开关或采样器。T称为采样宽
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2.3 模拟量输入通道
• 2.3.3 多路转换器
•
多路转换器又称多路开关,多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。利用多
路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高
过程参数的测量精度,对多路开关提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无
穷大,其接通时的导通电阻为零。此外,还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠
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第2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，它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。
• 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、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。
•
OUT DX,AL
2.1 数字量输入输出通道
• 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,它内含7个 达林顿复合管,每个复 合管的电流都在 500mA以上,截止时承 受100V电压。为了防 止MC1416组件反向击 穿,可使用内部保护二 极管。图2.8给出了 202M0/3/C27 1416内部电路原理
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2.3 模拟量输入通道
• 2.3.4 样、量化及常用的采样保持器
• 1.信号的采样
•
采样过程如图2.21所示。按一定的时间间隔T,把时间上连续和幅值上也连
续的模拟信号,转变成在时刻O、T、2T、…KT的一连串脉冲输出信号的过程
称为采样过程。执行采样动作的开关K称为采样开关或采样器。T称为采样宽
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2.3 模拟量输入通道
• 2.3.3 多路转换器
•
多路转换器又称多路开关,多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。利用多
路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高
过程参数的测量精度,对多路开关提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无
穷大,其接通时的导通电阻为零。此外,还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠
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第2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，它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。
• 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、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。
•
OUT DX,AL
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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+5V
+48V
R1
R2
极管导通，发光使晶体管导通， 经反相器反相为1。
R3
当K断开时，光电二极管不
导通，晶体管不导通，经反相
C
器反相输出为0。
其中，用R1、R2进行分压， C进行滤波，要合理选择参数。
2.1.2 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 。
D0
D1
D2
D3
D4
PC D5
总
D6
线
D7
74LS273
D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 D4 Q4 D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7 D8 Q8
CLK
CLR
CS
IOW RESET
图 2 .2 数字量输出接口
输出接口
设片选端口地址为port，可用以下指 令完成数据输出控制。
MOV AL， DATA MOV DX， port OUT DX， AL
逐次逼近式A/D转换器逻辑框图
模拟输入Vx
数字输出
- 比较器
OA
Vc +
N位寄存器
N位 D/A转换器
启动 CK
控制逻辑
DONE
2.2.1 A/D转换器 1. 8位A/D转换器ADC0809 2. 12位A/D转换器AD574A
2.2.2 A/D转换器接口技术 1. ADC0809与PC总线工业控制机接口 2. AD574A与PC总线工业控制机接口
kT t
图2 对单位脉冲序列的调制
f*(t)f(kT )(tkT ) k0
量化过程
所谓量化，就是采用 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。这个 经量化使采样信号成 为数字信号的过程称 为量化过程。
f (t)
6 5
A4
A3
A5 A6
4
A2
3
A7 A8
开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTL电 平信号与计算机相连。
为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，一般 都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。
+5V
R1 R2
K
C
采用积分电路的小功率输入调理电路
目的：把开关K的状态转化成二进制状态。 原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相
息的桥梁，它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。
第2章 过程输入输出通道设计
2.0 信号变换理论 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
2．0 信号变换理论
F ( j) F * ( j)
2s G1( j)
s
0
(b)
C( j) F ( j)
s C( j)
2s
s /2 0 s /2 (c)
s /2 0 s/2
(d )
图4 f、(t ) 的f *频(t谱) 及从F( j) 恢复 F*(j) F( j)
这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触 点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。
为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场 输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换 成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调 理。
（1）小功率输入调理电路 （2）大功率输入调理电路
（1）小功率输入调理电路
所有 t kT时刻，都有(tkT )0。
可以解释为连续时间信号 f (t ) 被理想单位脉冲 (t )
做了离散时间调制。
(t)
f (t)
f (t)
调制器
f (t)
(t)
f (t)
0
因此：
f2 f3 f4
f1
f0
f5
f6
fk
t
0 T 2T 3T 4T 5T 6T
kT t 0 T 2T 3T 4T 5T 6T
2 A1
1
0
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8
f *(t)
6 5
4 3
A
' 4
A3'
A5'
A
' 2
A
' 6
A
' 7
A8'
2
A1'
1
0
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8
图3 量化过程
q t
t
2. 采样定理
F ( j)
F * ( j)
s / 2 0 s / 2 (a)
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
明确概念
1、数字量(开关量)信号 开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器
或接触器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门 的打开与关闭等。
共同特征:这些信号的是以二进制的逻辑 “1” 和“0”出现的，代表生产过程的一个状态。 2、PC总线
1. 8位A/D转换器ADC0809
ADC0809是一种带 有8通道模拟开关的8 位逐次逼近式A/D转换 器，转换时间为64个 时钟周期（时钟频率 为640KHZ 时100μs左 右），线性误差为 (±1/2)LSB。
计算机控制技术
沈阳建筑大学 信息与控制工程学院
马斌
第2章过程输入输出通道
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、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，即AI/AO、DI/DO。
接口: 是计算机与外部设备（部件与部件之间）交换信
A/D转换方式
逐次逼近式：转换时间短(几个微秒～几 百个微秒)，但抗干扰能力较差。常用的逐次 逼近式A/D转换器ADC0809，AD574等；
双斜积分式：转换时间长(几十个毫秒～ 几百个毫秒)，抗干扰能力较强。在信号变化 缓慢、现场干扰严重的场合采用。常用的双 斜积分式A/D转换器有3位半(相当于2进制11 位分辨率)的MC14433，4位半(相当于2进制14 位分辨率)的ICL7135
2.1.1 数字量输入输出接口技术
1.数字量输入接口（DI）
作用：采集生产过程的状态信息。
完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过 端口地址译码，得到片选信号。当在执行IN指令周期时，产生 I/O读信号，则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寄存器。
点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流 电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所带电 压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。
光电隔离：通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号， 在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可 以互相的隔离。
原理：当K 闭合时，光电二
1. 连续信号的采样和量化
采样过程
f (t)
f (t)
T
f (t)
f (t)
0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T t / T
0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T t / T
图1 采样过程
在计算机控制系统中，采样信号 f *(t) 是一数
字序列，可分解成一系列单脉冲之和。 f* (t)f0f1 ＋ fk
74LS244
1A1 1Y1
D0
1A2 1Y2
D1
1A3 1Y3
D2
1A4 1Y4
D3
1A5 1Y5
D4
1A6 1Y6
D5
1A7 1Y7
D6
1A8 1Y8
D7
设片选端口地址为port，可 用如下指令来完成取数.
MOV DX， port
IN AL， DX
PC总线 输入接口
2G 1G
CS
IOR
图 2 .1 数字量输入接口
去生产过程
PC
输出
输出
总
锁存
驱动
线
器
电路
地址译码器 图 2.6 数字量输出通道结构
2.输出驱动电路
在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的 是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。 （1）小功率直流驱动电路
①功率晶体管输出驱动继电器电路
继电器包括线圈和触点。 因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极 管D，J为继电器的线圈。 D的作用是泄流，通过D放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。 R的作用是限流。 作用过程：当TTL电平为1时，晶体管截止，J不吸合
(2)大功率交流驱动电路
在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSR作交流开关使用。
SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两个 端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为实现输入与输出 之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。
+5V R1
D I/O 接 口
零触 交发 叉 电 SCR 电路 路
零阶保持器
e* (t )
e* (t) 零阶保持器
eh (t)
(b)
eh (t)
。
0
T
2T
t /T0T 2T Nhomakorabea2T
t /T
(a)
(c)
图5 零阶保持器的功能
零阶保持器采用恒值外推原理，把每个采样值 e(kT)一直 保持到下一个采样时刻 (k1)T,从而把采样信号 e*(kT )变成