計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(第三章輸入輸出通道和接口技術(shù)).ppt

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第三章輸入/輸出通道和接口技術(shù),第一節(jié)工業(yè)控制常用傳感器第二節(jié)模擬量輸入/輸出通道第三節(jié)模擬量輸入/輸出通道的設(shè)計(jì)第四節(jié)開關(guān)量輸入/輸出通道,學(xué)習(xí)指導(dǎo)和要求,掌握模擬量輸入/輸出通道的組成；學(xué)會模擬量輸入/輸出通道的設(shè)計(jì)方法；掌握開關(guān)量輸入/輸出通道的構(gòu)成和步進(jìn)電機(jī)的控制方法。,在工業(yè)控制過程中，被測參數(shù)一般分為模擬量和開關(guān)量。●模擬量：如溫度、壓力、流量、電壓和電流等；由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字量，因此對于模擬量需要經(jīng)過采集，放大，采樣保持，A/D轉(zhuǎn)換等步驟，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理。同樣的，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后數(shù)據(jù)常常需要轉(zhuǎn)換成模擬量來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行。上述轉(zhuǎn)換過程需要用模擬量輸入/輸出通道來實(shí)現(xiàn)。●開關(guān)量：如繼電器的合上和斷開，按鈕的按下和松開等。,開關(guān)量的輸入/輸出較模擬量簡單，計(jì)算機(jī)只需判斷輸入信息是“0”還是“1”，即可知道開關(guān)的狀態(tài)；若控制某個繼電器工作，只需經(jīng)過輸出通道送“0”或“1”即可。工業(yè)現(xiàn)場存在著電、磁、震動、溫度變化等干擾，各類執(zhí)行器要求的開關(guān)電壓、功率也不同，因此需要設(shè)置輸入/輸出通道進(jìn)行信息的緩沖、隔離、驅(qū)動等措施。輸入/輸出通道和接口是計(jì)算機(jī)與被控對象進(jìn)行信息交換的紐帶，本章將重點(diǎn)介紹輸入/輸出通道和接口的組成和設(shè)計(jì)方法。第一節(jié)工業(yè)控制常用傳感器傳感器是一種能感知某一被測量，并將被測量變換為相應(yīng)的其它量的器件或裝置。,在工業(yè)控制過程中，很多被測量都是非電量，在采集這些非電量并送入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)前，需要將非電量轉(zhuǎn)換為電量，因此也稱傳感器是一種將被測量變換成電量的裝置。傳感器精度的高低會影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的精度，選擇合適的傳感器是非常重要的。1、傳感器的分類傳感器的分類方法很多，但常用的有兩種：一種是按被測參數(shù)分類，另一種是按轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行分類.按被測參數(shù)分，傳感器有以下類型：（1）熱工參數(shù)溫度、熱量、壓力、流量、真空度、液位等（2）機(jī)械量參數(shù)位移、力、速度、重量、尺寸等,（3）物性參數(shù)比重、濃度、酸堿度、成分等（4）狀態(tài)量參數(shù)顏色、透明度、裂紋、泄漏等按轉(zhuǎn)換原理分類，有電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電等傳感器。2、傳感器的構(gòu)成傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個基本環(huán)節(jié)組成（1）敏感元件能夠敏銳感受某種不能直接測量的信息，并將其轉(zhuǎn)換為可測量的非電量器件。（2）轉(zhuǎn)換元件將非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件。,,,,,敏感元件轉(zhuǎn)換元件,,非電量,電量,3、傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)在選擇傳感器時，要注意以下的主要技術(shù)指標(biāo)：（1）輸入特性l量程測量上限與下限的差l過載超出傳感器測量范圍的最大允許輸入值（2）靜態(tài)響應(yīng)特性l精度測量結(jié)果與“真值”的靠近程度l分辨率對被測量相對變化的最高反應(yīng)能力l靈敏性輸出量變化值與相應(yīng)輸入量變化值之比l穩(wěn)定性在一個較長時間內(nèi)保持性能參數(shù)的能力,（3）動態(tài)特性動態(tài)特性是指被測量在變化時，傳感器的輸出量是否能追隨輸入量的變化，分為階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)兩類，可根據(jù)其特性曲線的特征值來判定。主要的指標(biāo)是時間常數(shù)τ，上升時間Tr，建立時間Ts，過沖量α，衰減比δ等。4、選用傳感器的一般規(guī)則（1）與測量條件有關(guān)的事項(xiàng)測量的目的、被測量的類型、測量的范圍、測量所需的時間。（2）與傳感器性能有關(guān)的事項(xiàng)靜態(tài)響應(yīng)特性和動態(tài)響應(yīng)特性。,（3）與使用條件有的事項(xiàng)場所、溫度、濕度、是否與其它設(shè)備相連、外界干擾、功率容量、外形尺寸、重量等。（4）其它傳感器的性能價格比、生產(chǎn)廠家的服務(wù)、交貨時間、保修時間、零配件的供應(yīng)等。5、幾種常用的傳感器分類表5-2列出了幾種常用傳感器的分類，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時，可查閱有關(guān)手冊，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)選擇合適的傳感器。,AYTD-30A電流傳感器采用霍爾效應(yīng)、磁平衡電路設(shè)計(jì)，用于測量直流和交流電流。主要技術(shù)參數(shù)：輸入IN輸出IOUT精度線性度零點(diǎn)外形尺寸電源重量0-30A0-100MA0.5%0.2%可調(diào)45*36*4215V50g霍爾電流傳感器的工作原理：當(dāng)電流通過導(dǎo)線時，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，可通過軟磁材料收集，并用霍爾器件進(jìn)行檢測。根據(jù)磁平衡原理，主回路有電流IP流過時導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，用聚磁環(huán)收集磁場并感應(yīng)霍爾器件，經(jīng)放大后獲得補(bǔ)償電流IA，當(dāng)補(bǔ)償電流IA產(chǎn)生的磁場與主回路電流IP產(chǎn)生的磁場相反時會達(dá)到磁平衡，其公式為NP*IP=NA*IA，若已知NP、NA、IA，可求出IP。,,,,,,,,,,第二節(jié)模擬量輸入/輸出通道一、模擬量輸入通道當(dāng)被控對象的參數(shù)為模擬量時，由傳感器和檢測電路采集到的信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后仍是模擬量，而且信號的輸出比較小，不能直接送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在被控對象和計(jì)算機(jī)之間必須設(shè)置信息調(diào)理和轉(zhuǎn)換的模擬量輸入通道，進(jìn)行信號放大，濾波、A/D轉(zhuǎn)換等工作。圖5-10為多路模擬量輸入通道的原理框圖。模擬量輸入通道一般由：信號調(diào)理裝置、多路開關(guān)、采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換組成。它的任務(wù)是將傳感器檢測到的模擬信號，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)需要的數(shù)字信號。,（一）信號調(diào)理裝置信號調(diào)理裝置量一般包括放大、信號轉(zhuǎn)換、濾波等。1、信號的放大傳感器檢測到的模擬信號較弱，有很大的干擾電壓。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前放大電路除了常規(guī)的運(yùn)算放大器外，還研制了許多新型放大器?！駜x器放大器●隔離放大器●量程自動增益放大器等這些新型放大器的輸入阻抗高，零點(diǎn)漂移小，可靠性高并且使用方便，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。,（1）儀器放大器美國B-B公司生產(chǎn)的INA101是一種典型的儀器放大器，能夠有效的分離共模干擾，主要用于應(yīng)變式傳感器、熱電偶和熱電阻溫度傳感器的放大。INA101的特點(diǎn)是：●低漂移，最大值為0.25uV/℃●非線性誤差小●輸入阻抗高●共扼抑制比高●低噪聲INA101使用方便，除了放大增益電阻外，一般不需要其它附加器件，應(yīng)當(dāng)選用低溫度系數(shù)的精密電阻，可提高器件的穩(wěn)定性。,（2）隔離放大器可消除回路、靜電及電磁干擾。有變壓器耦合和光電耦合兩種。變壓器耦合：被測信號經(jīng)濾波放大后調(diào)制為交流信號加到變壓器的輸入端，經(jīng)變壓器耦合到輸出部分后，再經(jīng)解調(diào)后輸出。電路簡單價格低廉，但體積較大。（AD公司Model277)光電耦合：輸入和輸出的信號耦合通過發(fā)光管LED和光電管D之間的光傳輸實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、頻帶寛、成本低。(B-B公司ISO100)（3）可編程增益放大器（PGA）放大倍數(shù)可通過編程進(jìn)行控制，通過程序可調(diào)節(jié)放大的倍數(shù)，使A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號均一化，提高測量的精度。（B-B公司PGA102、PGA202/203）,2、信號的變換在微機(jī)控制系統(tǒng)中，許多傳感器的輸出均為電壓信號，而有些電動組合儀表的信號為4~200mA的電流，許多執(zhí)行器，如電機(jī)、控制閥門的輸入信號也采用4~200mA的電流，因此經(jīng)常需要V/I和I/V間的變換。目前常用的電壓/電流變換電路有兩種，一種是采用分立元件、運(yùn)算放大器和阻容元件組成的電路；另一種是近年來發(fā)展起來的專用集成電路。3、信號的濾波生產(chǎn)現(xiàn)場存在著各種干擾，如果不加處理會影響控制系統(tǒng)的控制精度。可采用濾波電路來抑制進(jìn)入輸入通道的干擾。在選擇濾波器時，要考慮被測信號的頻率的特性，以及干擾信號的頻率和所要求的抑制程度。對環(huán)境引起的噪聲干擾，可以采取補(bǔ)償和屏蔽等措施減少信號的誤差。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0~10V12.5K1K50KOP+15V,,,,REF10,INA105,,4~20MA,10V,0~10V/4~20mA轉(zhuǎn)換電路,50Ω50Ω,RLOAD,VOUT,REF10：穩(wěn)壓源OP：運(yùn)放INA105：增益差動放大器VOUT=-0.08VIN–0.2V當(dāng)輸入電壓VIN為0~10V時，OP的輸出VOUT為–0.2~-1V，經(jīng)增益差動放大器組成的V/I電路變換，流過RLOAD的電流為4~20mA。,VIN,-+,（二）多路開關(guān)多路開關(guān)有兩個主要用途，1、將待測控的多路參數(shù)分時接通，送入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；2、將計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)分時的經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號，控制執(zhí)行器的執(zhí)行。盡管兩種用途中采用同一種多路開關(guān)，但具體任務(wù)不同，常將前者稱為多路開關(guān)，后者稱為多路分配器。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)多采用干簧繼電器作多路開關(guān)，其缺點(diǎn)是體積大，開關(guān)頻率低。,半導(dǎo)體多路開關(guān)，由TTL電路或CMOS、HMOS電路組成。優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、轉(zhuǎn)換速度快、壽命長、兼容性好。（P107）多路開關(guān)CD4051，是一種雙向多路開關(guān)，共16個引腳。芯片：0~78個分時輸入端OUT/IN輸出端A、B、C分時控制端的組合決定哪一路被選通INH禁止輸入端，當(dāng)INH=0時，通道接通CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼、多路開關(guān)組成。電平轉(zhuǎn)換：CMOS到TTL的轉(zhuǎn)換3-8譯碼器：通過對分時控制端A、B、C的狀態(tài)進(jìn)行譯碼來選擇某一路的接通。,（三）采樣/保持由傳感器檢測的模擬信號經(jīng)過處理后仍是模擬量，要輸入到計(jì)算機(jī)中，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于A/D轉(zhuǎn)換過程需要時間，因此要求輸入A/D轉(zhuǎn)換器的信號在轉(zhuǎn)換過程中保持不變，在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果后，此信號又能隨傳感器的采集信號變化而變化；完成上述過程的器件稱采樣/保持器，簡稱S/H（Sample/Hold）。S/H有兩個主要功能：采樣和保持采樣：將模擬信號變?yōu)橐淮}沖信號，采樣的輸出跟隨模擬量輸入的變化。,保持：保持采樣時的信號不變，直到保持命令撤消為止，以便完成A/D轉(zhuǎn)換。1、采樣/保持器的基本的組成電路5-20所示為采樣/保持器的基本組成電路。采樣/保持器由兩個緩沖器A1、A2和采樣開關(guān)S，保持電容CH組成。（1）采樣：S閉合，通過A1向CH快速充電，VOUT跟隨VIN變化。（2）保持：S斷開，當(dāng)A2的輸入阻抗很高時，VOUT=VIN不變。采樣/保持器一旦進(jìn)入保持階段，便可啟動A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。,2、常用的采樣/保持器常用的采樣/保持器有美國AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389和國家半導(dǎo)體公司的LF198/298/398等。LF198是由雙極型絕緣柵場效應(yīng)管組成的采樣/保持器，它具有采樣速度快，保持性能好，精度高等優(yōu)點(diǎn)。LF198芯片引腳和原理圖如圖5-21所示。LF198芯片引腳的功能如下：（1）VIN：模擬量輸入（2）VOUT：模擬量輸出。（3）邏輯和邏輯參考：高電平時采樣，低電平時保持。（4）偏差：可外接電阻調(diào)整采樣/保持器的偏差。（5）CH：保持電容引腳端，外接保持電容器。,3、采樣保持器的有關(guān)參數(shù)(1)孔徑時間TAP孔徑時間指保持命令發(fā)出后到邏輯輸入控制的開關(guān)完全斷開所需時間。TAP的存在影響A/D轉(zhuǎn)換的精度。(2)捕捉時間TAC捕捉時間是采樣命令發(fā)出后，輸出值從保持值到達(dá)當(dāng)前輸入信號值所需時間。TAC影響采樣頻率的提高。,（四）A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器。1、A/D轉(zhuǎn)換器的分類A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，通常有以下3種分類方法：（1）按位數(shù)有8位、10位、12位、16位等。位數(shù)越多，分辨率越高，但價格也越貴。（2）按結(jié)構(gòu)有單一的A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含多路開關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換器、多功能A/D轉(zhuǎn)換器（含多路開關(guān)、放大器和采樣保持器）。（3）按轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近型、雙積分型、V/F變換器。其中逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器具有精度高，轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。,2、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)在選用A/D轉(zhuǎn)換器時要考慮以下主要技術(shù)指標(biāo)。（1）分辨率輸入量達(dá)到滿量程時，能識別的最小的輸入增量稱為分辨率。即能夠轉(zhuǎn)換的數(shù)字量的最低有效位（LSB），對應(yīng)于滿量程輸入時的1/2n。例如，當(dāng)n=8，滿量程輸入為5.12V，LSB=20mA。（2）轉(zhuǎn)換時間完成一次模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需的時間。（3）線性誤差實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)果與理想線性轉(zhuǎn)換結(jié)果的誤差，常用LSB表示。（4）轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換結(jié)果相對于實(shí)際值的準(zhǔn)確度。其誤差一般由溫度、環(huán)境等因素引起。,3、常用的A/D轉(zhuǎn)換器（1）普通型A/D轉(zhuǎn)換器AD7574。AD7574如圖5-22所示。采用CMOS工藝，單片型，含有內(nèi)部時鐘振蕩器，芯片內(nèi)部設(shè)有比較器和控制邏輯，采用R-2RT型解碼網(wǎng)絡(luò)，采用逐次逼近方式進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。該芯片功耗低（30mW），轉(zhuǎn)換速度快（15μs），易于和微機(jī)連接，在過程控制和智能化儀表中得到廣泛的應(yīng)用。（2）帶儀器放大器的A/D轉(zhuǎn)換器AD670。AD670的結(jié)構(gòu)如圖5-23所示。片內(nèi)集成有前級儀器放大器，A/D轉(zhuǎn)換器，比較器和逐次逼近型寄存器（SAR）。放大器配有輸入電阻，可適應(yīng)較大的輸入范圍。信號可以單極或雙極輸入，有較好的抗干擾能力并且使用方便。,（3）多通道A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808/0809ADC0808/0809的結(jié)構(gòu)原理圖如圖5-24所示。由8位D/A轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)、高阻抗比較器、模擬開關(guān)樹組的256電阻分壓器、逐次逼近型寄存器等組成。轉(zhuǎn)換時間128uS（CLOCK為500KHZ），線性誤差1/2LSB（ADC0808）、1LSB（ADC0809），功耗15mW，溫度范圍-40℃~+85℃。具有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，受溫度影響小，功耗低并帶有8路模擬開關(guān)，是過程控制中比較理想的A/D轉(zhuǎn)換器。（4）12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD574若想提高模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換精度，可采用10位、12位、16位的高精度A/D轉(zhuǎn)換器，或采用雙積分原理的高精度A/D轉(zhuǎn)換器。,AD574是一種12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部含與系統(tǒng)總線直接連接的接口邏輯和有三態(tài)緩沖電路，可與各種微處理器直接連接；配置高精度電壓源和時鐘電路，不需要外接任何電路就能完成A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)用方便。AD574的原理圖如圖5-25。AD574由模擬芯片和數(shù)字芯片兩部分組成。模擬芯片由高性能12位D/A轉(zhuǎn)換器AD565和參考電壓組成。數(shù)字芯片由控制邏輯電路，逐次逼近型寄存器和三態(tài)輸出緩沖器組成。AD574的分辨率為12位，非線性誤差1/2LSB，模擬輸入可采用雙極性（5V或10V）或單極性（0~+10V或0~+20V）。內(nèi)部參考電平10．00０．1V，轉(zhuǎn)換時間15~35μS，存放溫度-65~15℃。,（五）A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器與微型計(jì)算機(jī)連接時會遇到許多的實(shí)際技術(shù)問題，如連接的方法，A/D轉(zhuǎn)換器的啟動方式，參考電源的連接等。1、模擬量輸入信號的連接許多A/D轉(zhuǎn)換器要求的輸入模擬量為0~5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，有些A/D轉(zhuǎn)換器，如AD574有單極性輸入和雙極性輸入兩種工作方式，使用時可根據(jù)模擬信號的性質(zhì)選定。（1）單極性輸入。AD574單極性模擬量輸入有兩種量程，0~10V和0~20V。其電路如圖5-28（a）所示,調(diào)整R1和R2可進(jìn)行零位和滿量程的調(diào)整。,（2）雙極性輸入如圖5-28(b)所示，模擬量輸入為5V和10V。2、A/D轉(zhuǎn)換器的啟動方式。任何一個A/D轉(zhuǎn)換器在開始轉(zhuǎn)換前，都必須加一個啟動信號才能開始工作，啟動信號分為脈沖啟動和電平啟動兩種。（1）脈沖啟動在啟動轉(zhuǎn)換輸入引腳加一個脈沖啟動信號，即可啟動A/D轉(zhuǎn)換器工作，如ADC0809、AD574等。（2）電平啟動在A/D轉(zhuǎn)換器的啟動引腳上加上要求的電平；一旦電平加上以后，A/D轉(zhuǎn)換器即刻開始工作，如AD570，AD572等轉(zhuǎn)換電路。在用電平啟動方式時，A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中必須保持此電平不變，否則將停止轉(zhuǎn)換。,3、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理。A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換結(jié)束時會輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，CPU可根據(jù)此信號讀取轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)。判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束大致有以下三種方法，各方法示例程序見P116。（1）中斷方式將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號接到CPU的中斷申請端，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號作中斷的申請信號，CPU響應(yīng)中斷后在中斷服務(wù)程序中讀取數(shù)據(jù)。此種方式適合于實(shí)時性強(qiáng)并且多參數(shù)的控制系統(tǒng)。（2）查詢方式編寫查詢軟件，使CPU不斷的查詢A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，一旦查詢到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，則讀取數(shù)據(jù)。這種方法硬件簡單，但占用CPU的機(jī)時較多。,（3）軟件延時方式（無條件方式）根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換所需要的時間，調(diào)用一段軟件延時程序（延時時間應(yīng)大于A/D轉(zhuǎn)換過程所需時間），延時程序執(zhí)行完畢后，A/D轉(zhuǎn)換也已結(jié)束，立即讀取數(shù)據(jù)。這種方法用在CPU處理任務(wù)較少的控制系統(tǒng)中。4、A/D轉(zhuǎn)換器與采樣/保持器的連接采樣/保持器LF398的工作狀態(tài)由A/D轉(zhuǎn)換器AD574的STS端控制：當(dāng)AD574正在轉(zhuǎn)換時STS為高電平，經(jīng)反向器反向后輸入到LF398的控制端，使LF398呈保持狀態(tài)，以保證AD574的輸入信號穩(wěn)定；當(dāng)AD574轉(zhuǎn)換結(jié)束后STS變?yōu)榈碗娖?，?jīng)反向后使LF398呈采樣狀態(tài)。由于無需控制器對LF398進(jìn)行控制，所以系統(tǒng)的速度加快，也保證了實(shí)時性，減小了誤差。,,二、模擬量輸出通道計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：如電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等只能接收模擬量；需要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量（簡稱D/A轉(zhuǎn)換），由模擬量輸出通道完成。圖5-32為模擬量輸出通道的原理框圖。模擬量輸出通道一般由D/A轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理、多路開關(guān)和執(zhí)行器等部分組成。（一）D/A轉(zhuǎn)換器1、轉(zhuǎn)換原理如圖5-33所示（P119），D/A轉(zhuǎn)換器由標(biāo)準(zhǔn)電源、數(shù)字開關(guān)電路、模擬轉(zhuǎn)換、數(shù)字接口、放大器等部分組成。待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量經(jīng)數(shù)字接口控制各位相應(yīng)的數(shù)字開關(guān)，接通或斷開與開關(guān)配合的解碼電阻，從而改變標(biāo)準(zhǔn)電源經(jīng)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的電流I；該電流經(jīng)放大器放大后，輸出與數(shù)字量相對應(yīng)的模擬電壓V。,□標(biāo)準(zhǔn)電源要求使用穩(wěn)定度高并且漂移小的電源?！鯏?shù)字開關(guān)由晶體管或場效應(yīng)管組成?！蹀D(zhuǎn)換器主要由解碼網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，主要有權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)和T型解碼網(wǎng)絡(luò)。2、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）靜態(tài)誤差零位誤差：輸入數(shù)字量為0時，產(chǎn)生的非零模擬電壓。增益誤差：輸入數(shù)字量為滿刻度時，實(shí)際輸出模擬電壓與理想模擬電壓之差。非線性誤差：任意輸入數(shù)字量的輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓之差。,,（2）分辨率單位數(shù)字量變化所引起的模擬輸出值的變化。R=量化單位/滿刻度電壓值（3）轉(zhuǎn)換時間規(guī)定誤差范圍內(nèi)，輸出信號達(dá)到要求值所需的時間。3、幾種常用的D/A轉(zhuǎn)換器（1）普通型D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832。原理結(jié)構(gòu)圖如圖5-34。（P120）由一個8位輸入鎖存器，一個8位DAC寄存器，一個以權(quán)電阻梯型網(wǎng)路為基礎(chǔ)的8位D/A轉(zhuǎn)換器及控制邏輯電路組成。其中，8位輸入鎖存器和8位DAC寄存器在邏輯電路控制下，起著雙輸入數(shù)據(jù)緩沖鎖存器的功能。,圖5-35是D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的引腳圖，各引腳功能如下：數(shù)據(jù)信號D7-D0：待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，輸入?？刂菩盘朓LE：輸入鎖存允許信號，高電平有效。CS：片選信號，低電平有效。WR1：寫1信號，低電平有效。WR1與ILE、CS配合使用，構(gòu)成第一級緩沖鎖存的功能。WR2：寫2信號，低電平有效。XFER：傳送控制信號，低電平有效。XFER與WR2配合使用，構(gòu)成第二級緩沖鎖存的功能。□邏輯控制電路的控制原理及其控制信號的功能是通過編寫相應(yīng)的控制程序?qū)崿F(xiàn)的。,,,,,,,,,□編程：（1）首先使WR1=0、ILE=1、CS=0，輸入數(shù)據(jù)DI7~DI0從數(shù)據(jù)總線進(jìn)入到輸入到鎖存器中去。（2）令WR1=1、ILE=1，CS=0，輸入數(shù)據(jù)DI7~DI0便被鎖存在輸入鎖存中。（3）令WR2=0、XFER=0，使被鎖存在輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)從鎖存器中輸出，進(jìn)入DAC寄存器，且在WR2=1、XFER=1時，數(shù)據(jù)從DAC寄存器輸出，進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換?！鮓R1、ILE、CS三個控制信號聯(lián)合構(gòu)成第一級輸入鎖功能，只有這三個信號同時有效時，才能更新輸入鎖存器的內(nèi)容。WR2、XFER兩個控制信號聯(lián)合構(gòu)成第二級輸入鎖存，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)傳遞功能。,,,,,,,,,,,,,其它引腳信號：IOUT1：DAC0832的電流輸出1，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)D0~D7全為“1“時，IOUT1為最大值；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)D0~D7全為”0“時，為近似于0的最小值。IOUT2：DAC0832的電流輸出2，在數(shù)值上IOUT2=常數(shù)-IOUT1。即IOUT2+IOUT1=常數(shù)。因此，在控制系統(tǒng)中，常常采用直接接地方式。RFB：片內(nèi)設(shè)置的反饋電阻輸入端。它與外部運(yùn)算放大器輸出端連接，為運(yùn)算放大器提供一個反饋電壓。VREF：參考電壓輸入端，它常被接至一精密電壓源正極性端或負(fù)極性端。當(dāng)為10V或5V時，可獲得滿量程的操作。,AGND：模擬地。DGND：數(shù)字地。系統(tǒng)器件連接時，分別先將AGND、DGND端各自接至系統(tǒng)的模擬地、數(shù)字地，然后才將系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地接在一起，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。（2）12位D/A轉(zhuǎn)換器AD667為了提高D/A轉(zhuǎn)換器精度，可以采10位、12位、14位和16位轉(zhuǎn)換器，它們的原理與前述的8位轉(zhuǎn)換器基本上相同，不同的只是在與微機(jī)進(jìn)行接口時，需要分二次或三次輸送數(shù)據(jù)。,圖5-36是12位D/A轉(zhuǎn)換器AD667的引腳圖，圖5-37是它的原理電路圖。（P121）AD667的總線接口邏輯由四位獨(dú)立尋址寄存器組成，分成兩級。第一級包括三個4位寄存器，第二級包括12位D/A寄存器和12位高速D/A轉(zhuǎn)換器。兩級寄存器通過四位獨(dú)立尋址寄存器，分別由AD667的地址總線及片選信號控制，所有控制信號均為低電平有效，表5-6是AD667的真值表。,AD667真值表CSA3A2A1A0操作1無操作1111無操作01110選通第一級低四位寄存器01101選通第一級中四位寄存器01011選通第一級高四位寄存器00111從第一級向第二級置數(shù)00000所有鎖存器均選通AD667允許同時有兩個以上的鎖存器被選通,一旦12位數(shù)據(jù)字先后被裝入第一級三個4位寄存器，在CS=0和A3A2A1A0=0111條件下，12位數(shù)據(jù)便被裝入第二級12位寄存器和12高速D/A轉(zhuǎn)換器，開始數(shù)/模轉(zhuǎn)換。這種雙緩沖鎖存結(jié)構(gòu)型式，避免了產(chǎn)生虛假的模擬量的輸出值。,,,,4、D/A轉(zhuǎn)換器輸出方式D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式是指其模擬量輸出端的型式，通常有電流輸出型和電壓輸出型兩種。因負(fù)載的性質(zhì)和要求不同，又可以將它連接成為“單極性輸出”和“雙極性輸出”兩種方式。（1）單極性輸出在電壓輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器中，因其片內(nèi)含有一級運(yùn)算放大器，已經(jīng)將模擬電流量轉(zhuǎn)換為模擬電壓量輸出，因而屬于單極性輸出類型。而電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器中，常常將電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器的電流輸出端與一個電壓放大器相連接，而構(gòu)成單極性的電壓輸出方式。對于8位單極性連接輸出方式，其輸入數(shù)字量與輸出電壓之間的關(guān)系為：VOUT=VREFD/256其中，D為輸入數(shù)字量，應(yīng)取絕對值。,（2）雙極性輸出在隨動系統(tǒng)中，例如伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，要求D/A轉(zhuǎn)換器為負(fù)載提供雙極性電壓，因此D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)處于雙極性輸出方式。雙極性輸出轉(zhuǎn)換器的連接方式是在單極性輸出的基礎(chǔ)上，再加一級電壓放大器，如圖5-39所示，就構(gòu)成了D/A轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出的連接方式。雙極性輸出時，8位D/A轉(zhuǎn)換器的電壓為:VOUT2=-((R1/R2)VOUT1+(R3/R1)VREF)若R1=R3=R2，所以有：VOUT2=-(VOUT1+VREF)對于8位D/A轉(zhuǎn)換器按雙極性輸出連接時，其輸入數(shù)字量D與輸出電壓之間的關(guān)系應(yīng)為：VOUT2=-〔2(+VREFD/256)+VREF〕,,,5、D/A轉(zhuǎn)換器與單片微機(jī)的接口單片微機(jī)控制系統(tǒng)上，擴(kuò)展D/A轉(zhuǎn)換器時，主要考慮的問題是數(shù)字量輸入端的連接和外部控制信號的連接兩方面。D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入端與CPU連接時，對于在8位CPU與8位D/A轉(zhuǎn)換器的控制系統(tǒng)中，只需要將單片微機(jī)的數(shù)據(jù)總線與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端對應(yīng)連接即可。采用10位、12位、14位或16位D/A轉(zhuǎn)換器，與8位CPU接口，如圖5-40所示，常采用“向右對齊數(shù)據(jù)”或“向左對齊數(shù)據(jù)”的雙字節(jié)方法，將數(shù)據(jù)“分步”進(jìn)行傳送的?！跋蛴覍R數(shù)據(jù)”時，除了將單片微機(jī)的數(shù)據(jù)總線與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端對應(yīng)連接外，還必須將單片微機(jī)的數(shù)據(jù)總線中D3~D0與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端D11~D8對應(yīng)連接起來。,D11D10D9D8D11D10D9D8D7D6D5D4D7D6D5D4D3D2D1D0D3D2D1D0（a）向右對齊數(shù)據(jù)格式（b）向左對齊數(shù)據(jù)格式“向左對齊數(shù)據(jù)”時，除了將單片微機(jī)的數(shù)據(jù)總線與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端D11~D4對應(yīng)連接外，還必須將單片微機(jī)的數(shù)據(jù)總線中D7~D4與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端D3~D0對應(yīng)連接起來。這樣，才能按雙字節(jié)、“分步”方法，通過編程對數(shù)據(jù)進(jìn)行正確傳送的。也可以根據(jù)具體情況，采取其它方法進(jìn)行連接，此處不作介紹。,,,外部控制信號主要指片選信號、寫信號和起動信號。片選信號一般選擇由地址譯碼器控制，寫信號由單片機(jī)的寫選通信號控制，并且常用片選信號和寫信號的合成信號作起動信號；對于一個8位D/A轉(zhuǎn)換器，其控制方式即可以用雙緩沖器方式，也可用單緩沖器方式。但是，對于一個高于8位的D/A轉(zhuǎn)換器，一般都采用雙緩沖器控制方式。（二）執(zhí)行器執(zhí)行器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部件。執(zhí)行器接受CPU發(fā)來的控制命令，按生產(chǎn)過程的要求完成規(guī)定的控制動作。選擇和使用合理的執(zhí)行器可以提高控制質(zhì)量和生產(chǎn)效率。,,常用的執(zhí)行器有以下幾種：1、電動執(zhí)行器。●分為電機(jī)式和電磁式兩類。電機(jī)式包括伺服電動機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。電磁式包括繼電器、接觸器、電磁閥、電磁離合器等。●電動執(zhí)行器具有響應(yīng)速度快，與計(jì)算機(jī)接口容易等優(yōu)點(diǎn)，成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)?！衿渲胁竭M(jìn)電機(jī)由于可以直接接受數(shù)字量，并且執(zhí)行速度快、精度高，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。,2、氣動執(zhí)行器?！駳鈩訄?zhí)行器分為薄膜式和活塞式兩種?！駳鈩訄?zhí)行器由接收器、噴嘴擋板結(jié)構(gòu)、氣馬達(dá)或作動筒等部分組成。接收器接受計(jì)算機(jī)發(fā)來的控制命令，將電量信號轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮盒盘?，?qū)動氣馬達(dá)或作動筒運(yùn)轉(zhuǎn)，開啟或關(guān)閉閥門，完成執(zhí)行功能?！駳鈩訄?zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、輸出推力大、價格低廉、防火防爆，常用于石油、化工、冶金、電力等部門。3、液壓執(zhí)行器?！褚簤簣?zhí)行器由控制部分（節(jié)流閥、射流噴管、可調(diào)泵）和執(zhí)行部分（液壓馬達(dá)、動力作動簡）組成，可將油液壓力轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，驅(qū)動負(fù)載直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動。,●液壓執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行無級變速、輸出功率大、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，常用于傳送大扭矩和推力的場所。表5-13列出了上述三種執(zhí)行器的優(yōu)缺點(diǎn),選用執(zhí)行器時可作為參考。表5-13三種執(zhí)行器優(yōu)缺點(diǎn)比較種類構(gòu)造體積配管線推力動作滯后維護(hù)場合價格氣動執(zhí)行器簡單中復(fù)雜大大簡單防火防爆好低電動執(zhí)行器復(fù)雜小簡單小小復(fù)雜防火防爆差高液壓執(zhí)行器簡單大復(fù)雜大小簡單防火差高,,,,,,第三節(jié)模擬量輸入/輸出通道的設(shè)計(jì)一、A/D通道的幾種結(jié)構(gòu)形式1、不帶采樣保持器的單通道A/D轉(zhuǎn)換對于直流或者低頻信號，通常可以不用采樣保持器，這時模擬輸入電壓的最大變化率與轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率有如下關(guān)系：轉(zhuǎn)換時間TCONV、轉(zhuǎn)換器的滿刻度值VFS、分辨率（位數(shù)）n。例如，n=11，TCONV=0.1s，則輸入電壓最大變化率為1/20（V/s），當(dāng)實(shí)際電壓V的時，可不用采樣保持器。,2、帶有采樣保持器的單通道A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入信號變化率較大的通道需要用采樣保持器，這時輸入模擬信號最大變化率取決于采樣保持器的孔徑時間TAP，其輸入模擬信號的最大變化率為：VFS/TAP如果將保持命令提前發(fā)出，提前的時間與孔徑時間相等時，則輸入模擬信號的最大變化率僅取決于孔徑時間的不穩(wěn)定性tap（即△TAP），并可由下式?jīng)Q定：VFS/tap例如，采樣頻率fs=100KHZVFS=10Vtap=3nsn=11,此fs是否太高？因，故此fs不高。,,但是，當(dāng)增大到200kHz時，若其它值都不變，則太高，整個D/A轉(zhuǎn)換不能正常進(jìn)行。所以并不是只要有采樣保持電路，采樣頻率就不受限制，此時仍然存在一個最高采樣頻率。3、多路A/D通道每通道有獨(dú)自的采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，這種形式通常用于高速系統(tǒng)，如需要同時給出描述系統(tǒng)性能的各項(xiàng)數(shù)據(jù)時，各通道可以同時進(jìn)行轉(zhuǎn)換。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,S/HA/DI/O,S/HA/DI/OCPU,S/HA/DI/O,……,模擬信號輸入,,,4、多路共享A/D轉(zhuǎn)換器多路共享A/D轉(zhuǎn)換器較多路A/D通道轉(zhuǎn)換器速度慢，因?yàn)槊柯忿D(zhuǎn)換是以串行方式進(jìn)行的，由于采用多個采樣保持器（S/H），故捕捉時間可以忽略不計(jì)。,S/HS/H‥‥S/H,,,,,,,,,,,,多路開關(guān),A/DCPU,,,,5、多通道共享采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器這種電路與以上兩種多通道形式相比，速度慢，但節(jié)省硬件。由于采用了公用的采樣保持器，因此在啟動A/D轉(zhuǎn)換電路前，必須考慮采樣保持器的捕捉時間。只有當(dāng)保持電容器充放電的過渡過程結(jié)束后才允許啟動A/D轉(zhuǎn)換電路。,,,,,,,,,,多路開關(guān),S/HA/DCPU,,模擬信號,…,D/A通道的幾種結(jié)構(gòu)形式1、多通道D/A轉(zhuǎn)換器每個通道有獨(dú)自的數(shù)字寄存器及D/A轉(zhuǎn)換器,這種形式是由數(shù)字寄存器起保持作用，多用于高速系統(tǒng)。2、多通道共享D/A轉(zhuǎn)換器,,,,,,,,,,,,寄存器D/A,寄存器D/A,CPU……模擬信號輸出,,,,,,,,,,,,,,CPUI/OD/A…模擬信號輸出,保持器,保持器,多路開關(guān),兩種保持器電路：圖5-46（a）采用了通用采樣保持集成芯片，通路較多時，它的造價較高。圖3-31（b）的保持器結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，它是由運(yùn)算放大器和多路開關(guān)組成，但各通道之間相互干擾及漏電較大。不論采用哪種形式，保持器都依賴電容記憶的功能，兩者都不能長久保持模擬信息不變，而必須由軟件定時刷新數(shù)據(jù)。3、多通道系統(tǒng)各通道有獨(dú)自的緩沖寄存器、輸入寄存器及D/A轉(zhuǎn)換器。圖5-47是這種形式的框圖。在這種結(jié)構(gòu)中，各通道數(shù)字量依次送入相應(yīng)的緩沖寄存器，然后同時輸入各自的輸入寄存器，各D/A通道同時進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它用于對系統(tǒng)性能的各項(xiàng)數(shù)據(jù)描述需要同時給出的場合。,三、A/D、D/A通道設(shè)計(jì)原則電路設(shè)計(jì)原則：（1）電路性能上達(dá)到或超過預(yù)期的性能指標(biāo)（2）設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性能夠?qū)崿F(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換、采樣保持以及多路開關(guān)等功能的芯片種類眾多，僅美國AD公司生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換芯片就有19個系列，40多種芯片，D/A芯片有32個系列，100多種芯片，并且還在發(fā)展。在芯片選擇及電路設(shè)計(jì)時就要綜合考慮：轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、使用的環(huán)境溫度以及經(jīng)濟(jì)性等各因素。芯片的管腳封裝大致可分為兩種：一種是塑料封裝，適用于0℃～70℃；另一種是陶瓷封裝，一般適用于-25℃～+85℃（或-55℃～+125℃），陶瓷的價格要比塑料的高出一倍以上。,選擇芯片時還應(yīng)考慮精度與造價的相對關(guān)系，例如10位精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD571要比8位芯片AD570價高出一倍。設(shè)計(jì)時不能單純追求超出性能要求的高速、高精度、高性能，對于系統(tǒng)的軟硬件配置也要統(tǒng)一權(quán)衡。軟件與硬件的功能是可以互相補(bǔ)充，互相轉(zhuǎn)化的。例如實(shí)時控制與實(shí)時數(shù)據(jù)處理中，常需用到定時控制，定時的功能可用硬件實(shí)現(xiàn)，如選用一片可編程定時器，也可編寫一段延時程序來完成定時要求。因此設(shè)計(jì)時既要考慮CPU處理數(shù)據(jù)的速度，又要考慮存儲器容量，在兩者都允許時，就要充分利用微機(jī)的軟件資源。由軟件代替硬件的功能以節(jié)約硬件開支，這是設(shè)計(jì)中的經(jīng)常遇到的問題，需要靈活處理。,（一）芯片的選擇A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、采樣保持器及多路開關(guān)等電路的集成芯片種類繁多。用戶必需對自己的系統(tǒng)要求及芯片的特性有充分了解后才能選擇好滿足要求的芯片。系統(tǒng)應(yīng)對如下幾方面提出明確要求：1、信號（1）模擬量輸入、輸出范圍，信號源與負(fù)載阻抗是多少，輸入輸出電壓的極性。（2）數(shù)字量碼制，弄清楚是二進(jìn)制，還是二進(jìn)制的補(bǔ)碼形式。（3）系統(tǒng)的邏輯電平是多大，系統(tǒng)電路類型是TTL，高壓CMOS，還是低壓CMOS。,（4）系統(tǒng)允許的漏碼。（5）輸入信號的特性，是否為采樣信號，是否經(jīng)過濾波，以及信號的有限帶寬頻率是多少。（6）系統(tǒng)環(huán)境條件，如溫度范圍，供電電源的可靠性，穩(wěn)定性，期望的轉(zhuǎn)換精度；有無特殊的環(huán)境限制，如高濕度、高功率、振動及空間的限制。除以上一般考慮外，對每一部件還要專門考慮。2、D/A轉(zhuǎn)換電路（1）需要的分辨率，精度，線性度各是多少。（2）邏輯電平及數(shù)碼形式，數(shù)據(jù)輸入是串行還是并行。（3）輸出需要電壓形式還是電流形式，滿刻度是多少。,（4）參考電壓類型是什么，是固定的還是可變的，內(nèi)部的還是外部的。（5）輸出電壓是單極性還是雙極性。（6）數(shù)字量接口的特性是什么，對速度有何要求，期望的數(shù)據(jù)變化間隔的最短時間是多少，系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)刷新后到輸出達(dá)到所期望的時間值多少。（7）溫度范圍。3、A/D通道類似于D/A通道，而另一些是A/D所獨(dú)有的。（1）模擬信號輸入范圍，被測量信號的分辨率是多少。（2）線性誤差需要多少，相對精度及刻度的穩(wěn)定性多少。,（3）當(dāng)環(huán)境溫度變化時，各種誤差限制在什么范圍內(nèi)，在任何條件下是否允許漏碼。（4）完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間。（5）系統(tǒng)電源穩(wěn)定性的要求是多少，由于電源變化引起的允許誤差是多少。（6）輸入信號的特性是什么，是否為采樣信號，是否經(jīng)過濾波，信號的最高頻率是多少。（7）電源切斷時是否損壞有源信號源的精度。,4）采樣保持器①輸入信號的范圍是多少②多路通道切換頻率是多少，期望采樣保持器的采集時間是多少③所需要的精度是多少，包括增益、線性度以及偏置誤差④在保持期間允許的電壓下降是多少⑤允許旁路電流在信號源內(nèi)阻上產(chǎn)生的誤差電壓是多少根據(jù)上述系統(tǒng)各項(xiàng)要求，選擇滿足性能指標(biāo)且經(jīng)濟(jì)性好的芯片。,（二）電路設(shè)計(jì)中必須考慮的問題1、接地（1）電源地與信號地分開外，信號地中的數(shù)字地與模擬地也應(yīng)分開。（2）A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路中要特別注意地線的正確連接，否則轉(zhuǎn)換結(jié)果將不準(zhǔn)確，干擾影響也很嚴(yán)重。A/D、D/A及采樣保持器（S/H）芯片都提供了獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地，在線路設(shè)計(jì)中，在全部電路中模擬地與數(shù)字地的連接僅在一點(diǎn)上，在芯片和其它電路中切不可再有公共點(diǎn)，圖5-48是地線的正確連接。否則數(shù)字回路通過模擬電路的地線到數(shù)字電路電源就會形成通路，數(shù)字量信息將對模擬電路產(chǎn)生干擾，不能正確完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換。,2、印刷電路板布線采樣保持電路是由邏輯輸入信號（或邏輯控制信號）控制電路從采樣模式進(jìn)入保持模式的。如圖5-49所示。若第8腳輸入一個快速上升沿的邏輯輸入信號，則將引起保持誤差。這是由于采樣保持器進(jìn)入保持的同時，邏輯輸入信號通過印刷電路板布線間的漏電耦合到模擬輸入端引起保持誤差。為了減小該誤差，印刷電路板布線時，使邏輯輸入端的走線與模擬輸入端盡可能距離遠(yuǎn)些，或者將模擬信號輸入端用地線包圍起來以隔斷漏電通路。也可通過降低邏輯輸入信號的幅度來達(dá)到減小保持誤差的目的（例如從5V降到2.5V）。特別是對于高阻抗的信號源，保持誤差尤其突出。,,在邏輯輸入端與保持電容器之間存在寄生電容，當(dāng)邏輯輸入端加一跳變的控制信號時，由于寄生電容的耦合作用，也將引起保持器的輸出誤差。布線時同樣可以采用上述類似的方法，邏輯輸入端引線與保持電容端引線距離遠(yuǎn)些，降低邏輯輸入信號電平，或用與保持器輸出端相連接的短路環(huán)將電容器引出端包圍起來，以減少寄生電容的影響，見圖5-50所示。,3、電源供電A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路中，電源電壓的變化將影響轉(zhuǎn)換精度，一般要求紋波電壓小于1%，為此常采用鉭電容或鋁電解電容濾波。為了改善高頻性能，還應(yīng)有高頻濾波電容。在布線時，高頻濾波電容器應(yīng)盡量靠近A/D、D/A芯片，一般選用0.01uF左右的電容。參考電源應(yīng)采用穩(wěn)定性能好的專用電源。,四、A/D、D/A通道設(shè)計(jì)舉例（一）設(shè)計(jì)—個微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的過程1、設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求實(shí)際上是由用戶提出的或者是根據(jù)控制任務(wù)經(jīng)調(diào)研后擬出的，給定的設(shè)計(jì)的要求如下：（1）模擬輸入信號為5V，信號源內(nèi)阻10Ω；（2）被測量回路有8個通道，順序測量每一個通道，每一通道的掃描時間不超過50μs；（3）系統(tǒng)最大允許誤差不超過滿刻度的0.5%；（4）系統(tǒng)邏輯電平是TTL電平，二進(jìn)制碼，數(shù)據(jù)傳輸采用并行方式。（5）溫度范圍是+25℃～+55℃，現(xiàn)場提供+5V及15V電源，15V電源變化是150mV。,2、分析要求（1）根據(jù)要求的主要指標(biāo)，初選相應(yīng)器件和芯片。比如A/D的主要指標(biāo)有精度、轉(zhuǎn)換時間、輸入電壓范圍V1、工作溫度范圍、電源變化等。據(jù)此初選A/D、S/H、多路開關(guān)等的型號。（2）校驗(yàn)這些器件和芯片的誤差，是否滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)仔細(xì)核算如滿足就可設(shè)計(jì)電路，否則重新選擇器件和芯片，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。（3）電路設(shè)計(jì)：根據(jù)所選定的芯片，配上相應(yīng)的邏輯電路，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，這一步有時要與相應(yīng)軟件配合調(diào)節(jié)，因?yàn)橛行╇娐饭δ芸捎绍浖瓿伞?（二）硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用AD570，其分辨率是8位，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.4%，轉(zhuǎn)換時間為25μs，并選用與AD570相配套的采樣保持器AD582及多路開關(guān)AD7501。采樣保持器AD582的建立時間是5μs，多路開關(guān)的建立時間（保持命令后采樣值達(dá)到穩(wěn)定值的時間）是2μs，測量每一通道數(shù)據(jù)的總時間是32μs，小于50μs。器件選定后，進(jìn)一步根據(jù)手冊中給的各器件相應(yīng)參數(shù)，計(jì)算分析某些誤差，檢驗(yàn)這些誤差是否在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。,1）多路開關(guān)AD7501多路開關(guān)產(chǎn)生誤差的原因主要有兩個：①在多路開關(guān)中，未接通的開關(guān)中有漏電流的存在，與信號源的內(nèi)阻形成回路后會在信號源上產(chǎn)生壓降，使得信號被衰減。例如，多路開關(guān)漏電流（25℃）2nA，信號源內(nèi)阻10Ω，則：誤差電壓=10210-9=210-8V，可以忽略不計(jì)。②在多路開關(guān)中，開關(guān)本身的接通電阻使得輸入模擬信號在該電阻上產(chǎn)生壓降，則信號被衰減。例如，多路開關(guān)接通電阻300Ω（最大），采樣保持器輸入電阻30MΩ，則：衰減分壓比=300Ω/30MΩ=110-5，小于滿偏刻度的0.01%，可以忽略不計(jì)。2）采樣保持器AD582①AD582的線性度在10V范圍內(nèi)是0.01%，也就是1mV,②輸入旁路電流3μA（最大）在信號源內(nèi)阻上產(chǎn)生的誤差電壓為：信號源內(nèi)阻=10（模擬輸入）+300（多路開關(guān)）=310歐誤差電壓=3103μA=93010-6V，相當(dāng)于滿刻度的0.01%③在保持時間內(nèi)，要考慮輸入模擬信號電壓下降相對于保持電容引起的誤差。在25μs的A/D轉(zhuǎn)換過程中，此電壓下降值僅相當(dāng)于滿刻度的0.0025%，可以忽略不計(jì)。④除此之外，環(huán)境溫度變化及供電電源電壓的變化相當(dāng)于引入了模擬輸入誤差電壓，也應(yīng)考慮在內(nèi)，但在AD582的技術(shù)手冊中并未給出這兩個參數(shù)，如果考慮這個因素，設(shè)計(jì)的指標(biāo)應(yīng)該選的偏高一些。,3）A/D轉(zhuǎn)換芯片AD570AD570的相對精度是1/2LSB，即滿刻度的0.2%。假設(shè)設(shè)計(jì)要求溫度的變化為30℃，則由雙極性偏差溫度所引起的誤差約為滿刻度的0.26%。上述各誤差的算術(shù)和約為滿刻度的0.48%，滿足設(shè)計(jì)的要求。為了增強(qiáng)可靠性，可選用AD570SD來減少雙極性偏差溫度帶來的影響，以保證有足夠的可靠性。顯然，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求的不止一種方案，也可以采用高集成度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片，如DAS1128、AD363等。圖5-51是將上述選定的器件通過8155并行接口芯片8085CPU接口組成一個微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路。該設(shè)計(jì)具有8通道模擬量輸入，8通道模擬量輸出，共16條I/O線。系統(tǒng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD570、采樣保持器AD582、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD1408、多路開關(guān)AD5701、雙向多路開關(guān)CD4051（這里用作反多路開關(guān)）及兩片8155等組成。,第四節(jié)開關(guān)量輸入/輸出通道和接口技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中，被測參數(shù)除了模擬量外，還有開關(guān)量，例如繼電器的合上和斷開，按鈕的按下和松開等。許多執(zhí)行器，如繼電器，步進(jìn)電機(jī)，接觸器，指示燈等到也需要開關(guān)量控制。對于開關(guān)量控制的器件，在開關(guān)過程中會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號，如不隔離可能造成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的損壞和誤動作。因此在開關(guān)量輸入/輸出通道和接口設(shè)計(jì)中，必須考慮隔離問題。一、光電隔離器光電隔離器是通過電-光-電的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)輸入/輸出設(shè)備的電氣隔離和控制，光電隔離器可防止電磁干擾信號對控制系統(tǒng)的影響。,1、光電隔離器的工作原理光電隔離器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。如圖5-57所示（P138），當(dāng)發(fā)光二極管有正向電流通過時，產(chǎn)生紅外光，其光譜范圍為700～1000nm。光敏三極管接收到發(fā)光二極管發(fā)來的光時便立即導(dǎo)通；當(dāng)發(fā)光二極管熄滅時，光敏三極管截止，利用此特性可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中大都采用TTL電平，不能直接驅(qū)動發(fā)光二極管，所以常加入驅(qū)動器，如74LS04，74LS06等。2、光電隔離器分類常用的光電隔離器有發(fā)光二極管/光敏三極管、發(fā)光二極管/光敏復(fù)合晶體管、發(fā)光二極管/光敏電阻、發(fā)光二極管/光觸發(fā)可控硅等。,光電隔離器有雙列直插式塑料封裝形式，耐壓為2500V左右，陶管封裝形式，一般為5000～10000V，可根據(jù)不同環(huán)境選用。不同型號的光電隔離器其輸入電流也不同，一般為10mA左右，用時可查閱有關(guān)手冊。其輸出電流決定控制外設(shè)的能力，一般負(fù)載電流比較小的外設(shè)可直接帶動，若負(fù)載電流要求比較大時，可在輸出端加驅(qū)動器驅(qū)動。3、典型的開關(guān)量輸入電路如圖5-65（P142）所示，由RC濾波電路、二極管鉗位電路、光電隔離器組成。外部開關(guān)信號經(jīng)RC濾波、過電壓和反電壓保護(hù)、光電隔離輸入計(jì)算機(jī)中，獲得開關(guān)K的狀態(tài)。,RC濾波器可抑制干擾，二極管用于防止反電壓并對瞬態(tài)尖峰電壓進(jìn)行鉗位。注意輸入和輸出應(yīng)當(dāng)分別供電，以避免外部干擾信號經(jīng)電源串入到控制系統(tǒng)中來。二、繼電器繼電器是電器控制中最常用的一種控制器。繼電器由通電線圈和觸點(diǎn)（常開或常閉觸點(diǎn)）構(gòu)成。工作原理是當(dāng)線圈通電時，由于磁場的作用，使開關(guān)觸點(diǎn)閉合或打開，接通或斷開執(zhí)行器，完成控制功能。通電線圈用直流低電壓控制（如5V、12V、24V），觸點(diǎn)輸出部分可以直接與220V或380V市電和工業(yè)用電相連。繼電器本身帶有隔離功能，可以單獨(dú)和低壓電器配合使用。在和微型計(jì)算機(jī)接口相連時，通常還可采用光電隔離器進(jìn)行隔離，共同組成輸出通道。,,圖5-66（P142）為一個由繼電器和光電隔離組成的開關(guān)量輸出電路。計(jì)算機(jī)采用8031單片機(jī)。當(dāng)8031的P1.0輸出的開關(guān)量為高電平時，經(jīng)7406反相驅(qū)動輸出低電平，使IIL117光電隔離器的發(fā)光二極管導(dǎo)通，從而使光敏三極管接通，同時使驅(qū)動三極管接通，繼電器T線圈通電，觸點(diǎn)閉合接通220V電源，帶動執(zhí)行器工作。二極管D用于保護(hù)三極管T不被感應(yīng)電壓損壞。R1和R2為限流電阻。選用繼電器時應(yīng)當(dāng)考慮下面因素：1、繼電器的額定工作電壓（或電流）。2、接點(diǎn)的數(shù)量、種類和負(fù)荷、吸合和釋放的時間。3、繼電器的體積和封裝形式。4、繼電器的工作環(huán)境。,三、固態(tài)繼電器SSR在繼電器控制中，開關(guān)瞬間觸點(diǎn)的吸合易產(chǎn)生火花，引起干擾。對于交流高壓場合，觸點(diǎn)由于高溫容易氧化，因而影響系統(tǒng)的可靠性。為了克服上述缺點(diǎn)，人們研究出一種新型的控制器件-固態(tài)繼電器，簡稱SSR（SolidStateRelay）。SSR用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點(diǎn)開關(guān)，并將光電隔離器熔為一體，因此，固態(tài)繼電器是一種帶光電隔離的無觸點(diǎn)通斷型大功率電子開關(guān)。由于它比電磁繼電器工作可靠，并具有壽命長、對外干擾小、抗干擾能力強(qiáng)、開關(guān)速度快、輸入與TTL和COMS電平兼容等特點(diǎn)，在工業(yè)控制當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用。（一）固態(tài)繼電器的分類按輸出功能分，SSR分為直流型和交流型兩種。,1、直流型SSR如圖5-69所示，直流型SSR由光電隔離器，整形放大電路，功率放大器，負(fù)載等部分組成，直流SSR用于直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和電磁閥等直流負(fù)載的控制。2、交流型SSR交流型SSR分為過零型和非過零型兩類。對于非過零型SSR，在輸入信號時，不管負(fù)載電流的相位如何，負(fù)載立即導(dǎo)通；而過零型SSR必須在負(fù)載電源電壓接近零且輸入控制信號有效時，負(fù)載才導(dǎo)通。,,交流型SSR的原理電路見圖5-67以及5-68。由光電隔離器、過零電路、雙向可控硅、負(fù)載等組成。交流型SSR用于交流大功率驅(qū)動的場合，如交流電機(jī)控制，交流電磁閥控制等。應(yīng)用：通過控制AC-SSR的導(dǎo)通，改變交流電機(jī)通道繞組可控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，分別使交流電通過A繞組或者B繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。使用交流型SSR時須輔以涌浪電壓吸收回路，過壓保護(hù)等保護(hù)電路。在選用交流型SSR時主要注意它的額定電壓和工作電流。,四、大功率場效應(yīng)管開關(guān)接口技術(shù)在開關(guān)量輸出控制中，除固態(tài)繼電器之外，還可以用大功率場效應(yīng)管作為開關(guān)量輸出控制元件。由于場效應(yīng)管輸入阻抗高，關(guān)斷漏電流小，響應(yīng)速度快，而且與同功率繼電器相比，價格便宜，體積較小，所以常作開關(guān)元件使用。場效應(yīng)管的種類很多，電流可從幾個mA～幾十A，耐壓可從幾十V～幾百V，可適用于任何場合。大功率場效應(yīng)管的表示符號如圖5-77（a）所示，其中G為控制柵極，D為漏極，S為源極。對于NPN型場效應(yīng)管來講，當(dāng)G為高電平時，源極與漏極導(dǎo)通，允許電流通過，否則關(guān)斷。,大功率場效應(yīng)管本身無隔離作用，因此在使用時通常在它的前邊加一級光電隔離器，如4N25、TIL113等，防止高壓對系統(tǒng)的干擾。圖5-77（b）為大功率場效應(yīng)管控制步進(jìn)電機(jī)的原理電路，圖中，當(dāng)某一控制輸出端（如P1.0）輸出高電平時，經(jīng)7406反相器變?yōu)榈碗娖剑构怆姼綦x器通電并導(dǎo)通，從而使電阻R1（R2或R3）輸出為高電平，控制場效應(yīng)管IRF640導(dǎo)通，使A相（B相或C相）通電；反之，當(dāng)P1.0為低電平時，則IRF640截止，A相無電流通過。改變步進(jìn)電機(jī)A、B、C三相的通電順序，便可實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制，圖中的電阻、電容、二極管均為保護(hù)元件。,五、可控硅接口技術(shù)可控硅（SiliconControlledRectifier）簡稱SCR，是一種大功率電器元件，也稱晶閘管；它具有體積小、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，它可作為大功率驅(qū)動器件，以實(shí)現(xiàn)用小功率控制大功率。在交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)以及隨動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。可控硅有單向可控硅和雙向可控硅兩種。（一）單向可控硅單向可控硅的表示符號，如圖5-78（a）所示。它有三個引腳，其中A陽極，K為陰極，G為控制極。,從圖5-77（a）中看出，它的符號基本上與前邊講過的大功率場效應(yīng)開關(guān)相同，但它們的工作原理卻不盡相同。當(dāng)陽極電位高于陰極電位且控制極電流增大到一定值（觸發(fā)電流）時，可控硅由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。一旦導(dǎo)通后，Ig即刻為零，可控硅仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到陽極電位小于等于陰極電位時為止。即陽極電流小于維持電流時，可控硅才由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。單向可控硅的單向?qū)üδ?，多用于直流大電流場合。在交流系統(tǒng)中常用于大功率整流回路。,（二）雙向可控硅雙向可控硅也叫三端雙向可控硅。雙向可控硅功能相當(dāng)于兩個單向可控硅反向連接，如圖5-79所示。這種可控硅具有雙向?qū)üδ?，其通斷狀態(tài)由控制極G決定。在控制極G上加正脈沖（或負(fù)脈沖）可使其正向（或反向）導(dǎo)通。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡單，沒有反向耐壓問題，因此特別適合于做交流無觸點(diǎn)開關(guān)使用。和大功率場效應(yīng)管一樣，可控硅在與微機(jī)接口時也需加光電隔離器，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)大于4V，脈沖寬度應(yīng)大于20μs。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，常用I/O口來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。為了提高效率，要求觸發(fā)脈沖與交流同步。通常采用檢測交流電過零點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。,圖5-80（P148）所示為某電爐溫度控制系統(tǒng)可控硅控制部分電路原理圖。為了提高熱效率，必須使得雙向可控硅跟隨交流電的過零點(diǎn)正向或方向?qū)?。?jīng)全波整流后檢測交流電的過零點(diǎn)，通過三極管變成過零脈沖，再反相后加到8031的中斷控制端作為同步基準(zhǔn)脈沖。在中斷服務(wù)程序中觸發(fā)脈沖，通過光電隔離器控制雙向可控硅，以便對電爐絲加熱。,,六、步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行器件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制和儀表中。工程應(yīng)用中，可以通過改變輸出脈沖頻率對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，具有精度高、能快速啟停等優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)可運(yùn)用于精確定位的場合，如繪圖儀、打印機(jī)、光學(xué)儀器中，對繪圖帶、打印頭、鏡頭進(jìn)行定位。在工業(yè)控制的位置控制系統(tǒng)中，也廣泛應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)，對被控對象進(jìn)行精確定位。,（一）常用步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)種類繁多，按結(jié)構(gòu)分類有反應(yīng)式，永磁式，永磁感應(yīng)子式等種類，各種步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)見表5-14。表5-14幾種步進(jìn)電機(jī)種類結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)反應(yīng)式定、轉(zhuǎn)子沿電機(jī)軸分為m段，每制造簡單，起動運(yùn)行頻率高，定子鐵心上繞有一組控制線圖。消耗功率大。永磁式定子為凸極，極上無小齒，步距角大，起動運(yùn)行頻率低，。繞有m相繞組。消耗功率小永磁感定子與反應(yīng)式相同，轉(zhuǎn)子由環(huán)形步距角小，較高的起動運(yùn)行應(yīng)子式磁鐵和兩端鐵心組