输入输出通道接口技术
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检测与控制技术
第四章 输入输出通道接口技术
◆课时授课计划
◆提
纲
精
品 课
◆课 程 内 容
程
第四章 输入输出通道接口技术
课题： 第4章 输入输出通道接口技术
4.1 数据采集与处理技术基础 4.2 模拟量输入通道 4.3 模拟量输出通道 4.4 开关量输入／输出通道 4.5 电机、步进电机接口技术 4.6 数据采集系统举例 目的与要求：
CRT 打印机 键盘 磁盘 驱动器
基淮。
Leabharlann Baidu
计算机数据采集系统
② 将现场检测传感器送来的模拟电信号按一定的次序巡回地采
样、进行A／D转换并存储数据，即完成数据的采集。
③ 对数字量按预定算法进行处理。
课④⑤
显示和打印输出。 当过程参数越限时进行报警。
程
内
容
2
第四章 输入输出通道接口技术
2.设计数据采集系统所涉及的主要问题
课4.6.1 数据采集系统的技术要求 程4.6.2 数据采集系统的设计举例 提思考题与习题：P167 2. 4. 7. 10. 11. 12.
纲
第四章 输入输出通道接口技术
第4章 输入输出通道接口技术
微机测控系统实质上是在微机最小应用系统的基础上根据现
场
被测、被控对象的情况，通过扩展相应的接口并在软件的支持下实
课堂讨论： 模拟信号调理的主要功能是什么？ 采样定理与采样周期的确定。 模拟量输入通道中，模/数转换的方式有哪些？
现代教学方法与手段： 微型计算机测控技术网络课程 PowerPoint
课复习（提问）： 时 在模拟输入通道中，采样/保持器有什么作用？是否模拟输入通 授道中必须采用采样/保持器？为什么？ 课 光电耦合器使用时应注意什么？
（1）分辨率和精度
（2）模拟量输入通道的数量
（3）采样频率
（4）数据处理的要求
3.数据采集系统的发展
课
① 新型快速、高分辨率的数据转换器件的发展；
程
② 数据采集与信号处理紧密结合；
内
③ 智能传感器的发展；
容 3
④ 分布式数据采集系统，适合不同环境的要求。
第四章 输入输出通道接口技术
4.1.2 数据采集系统的一般结构
③ 以电流为输出信号的传感器或传感仪表则应通过I/V转换，将电
流信号转换成电压信号。
④ 频率信号，能满足TTL电平要求的直接输入I/O口；不满足则应通
过放大、整形变换成TTL电平信号后再送入。
⑤ 开关信号，若能满足TTL电平要求时，可直接输入到I/O口，否则，
就应进行整形处理。
（2）输入通道的结构
传
4.2.1 模拟量输入通道的一般结构
课程44..22..23
模拟量输入通道中的常用器件及电路 模拟量输入通道设计
提
纲
第四章 输入输出通道接口技术
4.3 模拟量输出通道 4.3.1 模拟量输出通道的一般结构 4.3.2 模拟量输出通道常用器件及电路 4.3.3 模拟量输出通道设计 4.4 开关量输入/输出通道 4.4.1 开关量I/O通道的一般结构 4.4.2 开关量输入信号的调理 4.4.3 开关量输出驱动电路 4.4.4 开关量I/O通道设计 4.5 电机、步进电机接口技术 4.5.1 电动机控制接口 4.5.2 步进电机控制接口技术 4.6 数据采集系统举例
放大
A/D
放大
V/F
单片机 单片机
大信号电流 0~10mA 4~20mA
I/V
A/D
I/V
V/F
单片机 单片机
小信号电流
I/V
放大
A/D
单片机
课
mA、μA
I/V
放大
V/F
单片机
程
频率 小信号
放大
整形
单片机
内
TTL
容
信号 电平信号
单片机
5
开关 非 TTL
防抖
整形
单片机
信号 TTL 电平
单片机
第四章 输入输出通道接口技术
数据采集系统的硬件主要由输入通道、输出通道组成的。
1.输入通道的一般结构
（1）输入通道的内容
输入通道是将被测对象信号传送到单片机数据总线上的数据通
路。结构型式取决于被测对象的环境、输出信号的类型、数量、大
小等。根据传感器输出信号的大小、类型，输入通道的结构类型如
课 表所示。
程 ① 传感器输出信号为大信号模拟电压
了解微机测控系统中输入/输出通道的作用； 课 了解信号调理的一般方法和信号调理电路中常用的器件和电路 ； 时 掌握数据采集系统的基本概念； 授 掌握输入/输出通道的一般结构和常用器件的使用方法； 课 学会输入/输出通道的及软、硬件设计方法。
计
划
第四章 输入输出通道接口技术
重点与难点： 重点：输入/输出通道的设计方法； 难点：模拟量输入通道的信号调理。
计 划
第四章 输入输出通道接口技术
第4章 输入输出通道接口技术
4.1 数据采集与处理技术基础
4.1.1 数据采集系统概论
4.1.2 数据采集系统的一般结构
4.1.3 采样定理
4.1.4 信号的放大与隔离技术及常用器件
4.1.5 V/I和I/V转换电路
4.1.6 数据采集中的误差分析
4.2 模拟量输入通道
放
课 ① 单通道数据采集系统。如图所示。 感
大
S/H
A/D
CPU
程
器
器
模拟信号经放大器放大，通过采
内 样/保持器（S/H）送入A/D转换器。
容
单通道数据采集系统结构
6
第四章 输入输出通道接口技术
② 多通道典型数据采集系统
传感器
利用多路开关（MUX）让 多个被测对象共用同一个采集 通道，这就是多通道数据采集 系统的实质。
现由模拟量到数字量再到模拟量的转换，从而完成系统所要求的测
控目标。
课 程
“测” ，即所谓的数据采集过程。它是通过被测信号的输入 通
内 道，将传感器送来的过程参数，转换成数字量送入微机； “控” ，
容 即所谓的数字信号转换成模拟信号的过程。它是由输出通道将微机
1
运算的结果变成控制参量送到执行机构取得相应的控制效果。
内 容
若直接满足A/D转换输入的要求，则可直接送入A/D转换器。
4 ② 传感器输出的是小信号模拟电压
应将该信号电压放大，以满足A/D、V/F转换所要求的输入电压。
第四章 输入输出通道接口技术
输入通道结构类型表
传感器输出信号
大信号
A/D
模拟电压
V
V/F
输入通道结构
单片机 单片机
小信号模拟电 压 mV、μV
第四章 输入输出通道接口技术
4.1 数据采集与处理技术基础
4.1.1 数据采集系统概论
微机测控系统的任务就是对生产
主机箱
现场的过程参数进行检测、记录、存
信号 数据
通
储1①.、数数时处据据钟理采、采功集打集能系印系。统、统即的显的确基示功定本及能数功报： 据能警采。样周期，同时也能信输输为号出入 系采与制统道集控通提供时用计算机间
第四章 输入输出通道接口技术
◆课时授课计划
◆提
纲
精
品 课
◆课 程 内 容
程
第四章 输入输出通道接口技术
课题： 第4章 输入输出通道接口技术
4.1 数据采集与处理技术基础 4.2 模拟量输入通道 4.3 模拟量输出通道 4.4 开关量输入／输出通道 4.5 电机、步进电机接口技术 4.6 数据采集系统举例 目的与要求：
CRT 打印机 键盘 磁盘 驱动器
基淮。
Leabharlann Baidu
计算机数据采集系统
② 将现场检测传感器送来的模拟电信号按一定的次序巡回地采
样、进行A／D转换并存储数据，即完成数据的采集。
③ 对数字量按预定算法进行处理。
课④⑤
显示和打印输出。 当过程参数越限时进行报警。
程
内
容
2
第四章 输入输出通道接口技术
2.设计数据采集系统所涉及的主要问题
课4.6.1 数据采集系统的技术要求 程4.6.2 数据采集系统的设计举例 提思考题与习题：P167 2. 4. 7. 10. 11. 12.
纲
第四章 输入输出通道接口技术
第4章 输入输出通道接口技术
微机测控系统实质上是在微机最小应用系统的基础上根据现
场
被测、被控对象的情况，通过扩展相应的接口并在软件的支持下实
课堂讨论： 模拟信号调理的主要功能是什么？ 采样定理与采样周期的确定。 模拟量输入通道中，模/数转换的方式有哪些？
现代教学方法与手段： 微型计算机测控技术网络课程 PowerPoint
课复习（提问）： 时 在模拟输入通道中，采样/保持器有什么作用？是否模拟输入通 授道中必须采用采样/保持器？为什么？ 课 光电耦合器使用时应注意什么？
（1）分辨率和精度
（2）模拟量输入通道的数量
（3）采样频率
（4）数据处理的要求
3.数据采集系统的发展
课
① 新型快速、高分辨率的数据转换器件的发展；
程
② 数据采集与信号处理紧密结合；
内
③ 智能传感器的发展；
容 3
④ 分布式数据采集系统，适合不同环境的要求。
第四章 输入输出通道接口技术
4.1.2 数据采集系统的一般结构
③ 以电流为输出信号的传感器或传感仪表则应通过I/V转换，将电
流信号转换成电压信号。
④ 频率信号，能满足TTL电平要求的直接输入I/O口；不满足则应通
过放大、整形变换成TTL电平信号后再送入。
⑤ 开关信号，若能满足TTL电平要求时，可直接输入到I/O口，否则，
就应进行整形处理。
（2）输入通道的结构
传
4.2.1 模拟量输入通道的一般结构
课程44..22..23
模拟量输入通道中的常用器件及电路 模拟量输入通道设计
提
纲
第四章 输入输出通道接口技术
4.3 模拟量输出通道 4.3.1 模拟量输出通道的一般结构 4.3.2 模拟量输出通道常用器件及电路 4.3.3 模拟量输出通道设计 4.4 开关量输入/输出通道 4.4.1 开关量I/O通道的一般结构 4.4.2 开关量输入信号的调理 4.4.3 开关量输出驱动电路 4.4.4 开关量I/O通道设计 4.5 电机、步进电机接口技术 4.5.1 电动机控制接口 4.5.2 步进电机控制接口技术 4.6 数据采集系统举例
放大
A/D
放大
V/F
单片机 单片机
大信号电流 0~10mA 4~20mA
I/V
A/D
I/V
V/F
单片机 单片机
小信号电流
I/V
放大
A/D
单片机
课
mA、μA
I/V
放大
V/F
单片机
程
频率 小信号
放大
整形
单片机
内
TTL
容
信号 电平信号
单片机
5
开关 非 TTL
防抖
整形
单片机
信号 TTL 电平
单片机
第四章 输入输出通道接口技术
数据采集系统的硬件主要由输入通道、输出通道组成的。
1.输入通道的一般结构
（1）输入通道的内容
输入通道是将被测对象信号传送到单片机数据总线上的数据通
路。结构型式取决于被测对象的环境、输出信号的类型、数量、大
小等。根据传感器输出信号的大小、类型，输入通道的结构类型如
课 表所示。
程 ① 传感器输出信号为大信号模拟电压
了解微机测控系统中输入/输出通道的作用； 课 了解信号调理的一般方法和信号调理电路中常用的器件和电路 ； 时 掌握数据采集系统的基本概念； 授 掌握输入/输出通道的一般结构和常用器件的使用方法； 课 学会输入/输出通道的及软、硬件设计方法。
计
划
第四章 输入输出通道接口技术
重点与难点： 重点：输入/输出通道的设计方法； 难点：模拟量输入通道的信号调理。
计 划
第四章 输入输出通道接口技术
第4章 输入输出通道接口技术
4.1 数据采集与处理技术基础
4.1.1 数据采集系统概论
4.1.2 数据采集系统的一般结构
4.1.3 采样定理
4.1.4 信号的放大与隔离技术及常用器件
4.1.5 V/I和I/V转换电路
4.1.6 数据采集中的误差分析
4.2 模拟量输入通道
放
课 ① 单通道数据采集系统。如图所示。 感
大
S/H
A/D
CPU
程
器
器
模拟信号经放大器放大，通过采
内 样/保持器（S/H）送入A/D转换器。
容
单通道数据采集系统结构
6
第四章 输入输出通道接口技术
② 多通道典型数据采集系统
传感器
利用多路开关（MUX）让 多个被测对象共用同一个采集 通道，这就是多通道数据采集 系统的实质。
现由模拟量到数字量再到模拟量的转换，从而完成系统所要求的测
控目标。
课 程
“测” ，即所谓的数据采集过程。它是通过被测信号的输入 通
内 道，将传感器送来的过程参数，转换成数字量送入微机； “控” ，
容 即所谓的数字信号转换成模拟信号的过程。它是由输出通道将微机
1
运算的结果变成控制参量送到执行机构取得相应的控制效果。
内 容
若直接满足A/D转换输入的要求，则可直接送入A/D转换器。
4 ② 传感器输出的是小信号模拟电压
应将该信号电压放大，以满足A/D、V/F转换所要求的输入电压。
第四章 输入输出通道接口技术
输入通道结构类型表
传感器输出信号
大信号
A/D
模拟电压
V
V/F
输入通道结构
单片机 单片机
小信号模拟电 压 mV、μV
第四章 输入输出通道接口技术
4.1 数据采集与处理技术基础
4.1.1 数据采集系统概论
微机测控系统的任务就是对生产
主机箱
现场的过程参数进行检测、记录、存
信号 数据
通
储1①.、数数时处据据钟理采、采功集打集能系印系。统、统即的显的确基示功定本及能数功报： 据能警采。样周期，同时也能信输输为号出入 系采与制统道集控通提供时用计算机间