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计算机控制系统 主讲教师 : 路飞 山东大学网络教育学院

计算机控制系统 主讲教师 : 路飞 山东大学网络教育学院. 第 4 章 过程输入输出通道接口技术. 本章要点 1 ．多路开关、采样保持等环节的功能作用 2 ．模拟量输入通道的结构组成 3 ． 8 位 A/D 转换器 ADC0809 芯片及其接口电路 4. 模拟量输入通道的结构组成 5 ． 8 位 D/A 转换器 DAC0832 芯片及其接口电路. 本章主要内容. 4.1 概述 4.2 模拟量输入通道 4.3 8 位 A/D 转换器及其接口技术 4.4 12 位 A/D 转换器 AD574A 4.5 模拟量输出通道

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  1. 计算机控制系统 主讲教师:路飞 山东大学网络教育学院

  2. 第4章 过程输入输出通道接口技术 本章要点 1．多路开关、采样保持等环节的功能作用 2．模拟量输入通道的结构组成 3．8位A/D转换器ADC0809芯片及其接口电路 4.模拟量输入通道的结构组成 5．8位D/A转换器DAC0832芯片及其接口电路

  3. 本章主要内容 • 4.1 概述 • 4.2 模拟量输入通道 • 4.3 8位A/D转换器及其接口技术 • 4.4 12位A/D转换器AD574A • 4.5 模拟量输出通道 • 4.6 8位D/A转换器及其接口技术 • 4.7 12位D/A转换器DAC1208 • 4.8 过程通道的抗干扰与可靠性设计 • 本章小结 • 思考题

  4. 4.1 概述 本节主要介绍采样定理、采样/保持器和多路模拟开关。 • 4.1.1 信号和采样定理 • 4.1.2 采样/保持器 • 4.1.3 模拟开关 • 4.1.4 32 通道模拟量输入电路设计

  5. 4.1.1 信号和采样定理 • 信号类型: 在计算机控制系统中常用的三种信号是: • 模拟（连续）信号 • 离散模拟信号 • 数字（离散）信号

  6. 信息输出 信息输入 信息处理 计算机 A/D 保持器 D/A 采样器 模拟信号 时间信号 连续模拟 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 4.1.1 信号和采样定理 • 信号类型: 模拟信号

  7. 4.1.1 信号和采样定理 离散系统或采样数据系统--把连续变化的量变成离 散量后再进行处理的计算机控制系统。 离散系统的采样形式--有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。 周期采样--就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定的时间间隔T 转变为在瞬时0，T，2T，…的一连串脉冲序列信号y*(t)，如图4-2所示。 • 采样过程的数学描述:

  8. 图4-2 信号的采样过程 采样的常用术语： 采样器或采样开关--执行采样动作的装置 采样时间或采样宽度τ--采样开关每次闭合的时间 采样周期T--采样开关每次通断的时间间隔 在实际系统中，《T，也就是说，可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。

  9. 4.1.1 信号和采样定理 由经验可知，采样频率越高，采样信号y*(t)越接近原信号y(t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号y*(t)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号y*(t)能完全复现原信号y(t)，采样频率f 至少要为原信号最高有效频率fmax的2倍，即f  2fmax。 采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取f （5~10）fmax。 • 采样定理:

  10. 4.1.2采样/保持器 采样/保持器的作用—在采样时,其输出能够跟随输入变化,而在保持状态时,能使其输出值不变.保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如图4-3(a)、(b)所示。

  11. V V IN S/H OUT 工作方式 V IN t V OUT t 采样 保持 a ( ) ( b ) 原 理 电 路 工 作 波 性 图4-3 采样保持器

  12. 控制 图4-4 采样/保持器电路 4.1.2采样/保持器 • 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。

  13. 4.1.2采样/保持器 • 采样/保持器的工作原理 当开关K闭合时，输入信号通过电阻向电容C充电，使输出跟随输入变化此时为采样状态；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。 当开关K断开时，由于电容具有一定的容量，仍能够使输出保持不变，此时为保持状态；电容维持稳定电压的时间越长越好，电容容量的大小将决定采样/保持器的精度。

  14. 4.1.2采样/保持器 • 常用的采样/保持器 常用的采样/保持器有：AD582、AD583、LF198/298/398等 • 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，以保证输出电压的稳定性

  15. 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与控制，如果每一路单独采用各自的输入回路，会造成成本高、体积庞大等问题，因此通常采用公共的采样/保持及A/D转换电路，为实现这种设计，往往采用多路模拟开关； • 由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。

  16. 4.1.3模拟开关 目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。 本节主要讲解CD4051。

  17. 4 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 VDD 6 2 1 COM 7 0 3 5 INH A VEE B VSS C 图4-5 CD4051引脚图 4.1.3模拟开关 INH为禁止端，高电平时，八个通道全部禁止；INH为低电平时，由A、B、C决定选通的通道，COM为公共端。

  18. 4.1.3模拟开关 CD4051真值表

  19. 4.1.4 24通道模拟量输入电路设计 当采样通道多至24路时，可以将3个8路4051并联起来，组成1个24路开关。 例题3-1 试用3个CD4051扩展成一个24路的模拟开关。 例题分析：图4-6给出了三个CD4051扩展为1×24路模拟开关的电路。数据总线D2~D0作为通道选择信号，D4~D3用来控制哪个CD4051被选中。如此，组成一个24路的模拟开关。

  20. +12V AIN0 VDD 0 VEE 1 A 2 B 3 C 4 INH 5 OUT 6 VSS 7 CD4051 D0~D7 +5V AIN1 -6V AIN2 VCC 1D 1Q 2D 2Q 3D 3Q 4D 4Q 5D 5Q 6D 6Q 7D 7Q 8D 8Q CLK CLR GND AIN3 AIN4 AIN5 AIN6 A Y0 B Y1 C Y2 G1 Y3 G2A G2B GND AIN7 +12V AIN0 VDD 0 VEE 1 A 2 B 3 C 4 INH 5 OUT 6 VSS 7 AIN1 -6V CHSEL AIN2 AIN3 AIN4 AIN5 10KΩ 74HC138 AIN6 +5V AIN7 A/D 转换器 +12V AIN0 VDD 0 VEE 1 A 2 B 3 C 4 INH 5 OUT 6 VSS 7 AIN1 -6V AIN2 AIN3 AIN4 AIN5 AIN6 AIN7 74HC273 图4-6 24通道模拟量输入电路

  21. D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 选中通道 控制字 1 0 0 0 0 0 0 AIN0 40H 1 0 0 0 0 0 1 AIN1 41H 1 0 0 0 0 1 0 AIN2 42H 1 0 0 0 0 1 1 AIN3 43H 1 0 0 0 1 0 0 AIN4 44H 1 0 0 0 1 0 1 AIN5 45H 1 0 0 0 1 1 0 AIN6 46H 1 0 0 0 1 1 1 AIN7 47H 1 0 0 1 0 0 0 AIN8 48H 1 0 0 1 0 0 1 AIN9 49H 1 0 0 1 0 1 0 AIN10 4AH 1 0 0 1 0 1 1 AIN11 4BH 1 0 0 1 1 0 0 AIN12 4CH 1 0 1 0 1 1 1 AIN23 57H 假设选中AIN12通道,则通道控制字为4CH

  22. 图4－14 32通道模拟量输入电路 CD4051 +5V 74HC273 D0～D7 +12V AIN0 AIN1 AIN2 AIN3 AIN4 AIN5 AIN6 AIN7 VDD0 VEE1 A 2 B 3 C 4 INH 5 OUT 6 VSS 7 －6V VCC 1D 1Q 2D 2Q 3D 3Q 4D 4Q 5D 5Q 6D 6Q 7D 7Q 8D 8Q CLK CLR GND D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A Y0 B Y1 C Y2 G1 Y3 G2A G2B GND CD4051 CHSEL +12V AIN8 AIN9 AIN10 AIN11 AIN12 AIN13 AIN14 AIN15 VDD 0 VEE 1 A 2 B 3 C 4 INH 5 OUT 6 VSS 7 －6V 10kΩ 74HC138 +5V CD4051 +12V AIN16 AIN17 AIN18 AIN19 AIN20 AIN21 AIN22 AIN23 VDD 0 VEE1 A 2 B 3 C 4 INH 5 OUT 6 VSS 7 －6V A/D 转换器 CD4051 +12V AIN24 AIN25 AIN26 AIN27 AIN28 AIN29 AIN30 AIN31 VDD 0 VEE 1 A 2 B 3 C 4 INH 5 OUT 6 VSS 7 －6V

  23. 图4－15 通道控制字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0选中通道 控制字 未用为0 1 0 0 0 0 0 0 AIN0 40H 1 0 0 0 0 0 1 AIN1 41H 1 0 0 0 0 1 0 AIN2 42H 1 0 0 0 0 1 1 AIN3 43H 1 0 0 0 1 0 0 AIN4 44H 1 0 0 0 1 0 1 AIN5 45H 1 0 0 0 1 1 0 AIN6 46H 1 0 0 0 1 1 1 AIN7 47H 1 0 0 1 0 0 0 AIN8 48H 1 0 0 1 0 0 1 AIN9 49H 1 0 0 1 0 1 0 AIN10 4AH 1 0 0 1 0 1 1 AIN11 4BH 1 0 0 1 1 0 0 AIN12 4CH 1 0 0 1 1 0 1 AIN13 4DH 1 0 0 1 1 1 0 AIN14 4EH 1 0 0 1 1 1 1 AIN15 4FH 1 0 1 0 0 0 0 AIN16 50H 1 0 1 0 0 0 1 AIN17 51H 1 0 1 0 0 1 0 AIN18 52H 1 0 1 0 0 1 1 AIN19 53H 0 1 0 1 0 0 0 AIN20 54H 1 0 1 0 1 0 1 AIN21 55H 1 0 1 0 1 1 0 AIN22 56H 1 0 1 0 1 1 1 AIN23 57H 1 0 1 1 0 0 0 AIN24 58H 1 0 1 1 0 0 1 AIN25 59H 1 0 1 1 0 1 0 AIN26 5AH 1 0 1 1 0 1 1 AIN27 5BH 1 0 1 1 1 0 0 AIN28 5CH 1 0 1 1 1 0 1 AIN29 5DH 1 0 1 1 1 1 0 AIN30 5EH 1 0 1 1 1 1 1 AIN31 5FH G1 C B A C B A 74HC138 CD4051

  24. 4.2 模拟量输入通道 • 4.2.1 模拟量输入通道的组成 • 4.2.2 A/D转换器的工作原理 • 4.2.3 量化 • 4.2.4 A/D转换器的技术指标

  25. 4.2.1模拟量输入通道的组成 模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。 结构组成如图4-7所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。

  26. 放大器 信号处理 信号处理 信号处理 过程参数 检 测 模拟开关 CPU总线 A/D 采样-保持 接口 CPU总线 控制 图4-7 模拟量输入通道的组成 显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。

  27. 4.2.2 A/D转换器的工作原理 一个逐次逼近式A/D转换器是由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、运算比较器、时序及控制逻辑电路、等组成。现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例，说明逐次逼近式A/D转换器的工作原理。如图4-8(a)所示。 1 逐次逼近式A/D转换原理

  28. 比较器 Vx VC D/A转换 基准电压 数字量 输出 SAR 时序及控制逻辑 状态线 转换命令 图4-8 (a)逐位逼近式A/D转换原理图

  29. 当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下， • 首先使寄存器的最高位D3  1，其余为0， 此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即VC 8，送到比较器输入端与被转换的模拟量Vx = 9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当VxVC，则保留D3 = 1； • 再对下一位D2进行比较，同样先使D2  1，与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器，转换为 VC 12再进入比较器，与 Vx 9比较，因 VxVC，则使D2  0； • 再下一位D1位也是如此，D1  1即1010，经D/A转换为 VC = 10，再与Vx 9比较，因 VxVC，则使D1  0； • 最后一位D0  1-即1001经D/A转换为 VC 9，再与 Vx 9比较，因 VxVC，保留D0  1。比较完毕，寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。

  30. 逐次逼近式A/D转换器的优点: 精度高;转换速度较快;转换时间固定。因而特别适合于计算机数据采集系统和控制系统的模拟量输入通道。 缺点：抗干扰能力弱，信号变化率较高时，会产生较大 的线性误差。

  31. 4.2.2 A/D转换器的工作原理 2 双积分式A/D转换原理 该方法的基础是测量两个时间：一个是模拟输入电压向电容充电的固定时间；另一个是在已知参考电压下放电所需要的时间。模拟输入电压与参考电压的 比值就等于上述两个时间值之比。

  32. 输入模拟电压VX 比较器 积分器 基准电压 控制逻辑 时钟 转换结束 计数器 转换开始 数字量输出 图4-8 (b)双积分式A/D转换器组成框图

  33. 积分输出 A B T2 0 t T 固定积分时间 T1 正比于输入电压 图4-8 (c)双积分式A/D转换器原理图

  34. 优点：消除干扰和电源噪声的能力强，精度高；优点：消除干扰和电源噪声的能力强，精度高； 缺点：转换速度慢； 在信号变化缓慢，模拟量输入速率要求较低，转换精度要求较高且现场干扰比较严重的情况下，有时可以采用这种A/D转换器。

  35. 4.2.3 量化 • 量化与量化误差 将时间连续、幅值连续的模拟量转换为以二进制数码表示的数字量过程是一个采样和量化的过程。 量化：用有限字长的一组数码和二进制数码去整量化或逼近时间离散幅值连续的采样信号。 对n位字长的A/D转换器，若满度（满量程）输入的模拟量值表示为FSR，则量化单位q： q=FSR/2n 量化误差：由量化引起的误差，表征为

  36. 4.2.3 量化 • 编码 在计算机控制系统中使用的编码形式有多种。选用不同的编码形式，不仅影响到A/D转换器的结构和性能，而且影响到处理这一数字量时的编码变换操作。常用的编码有： 单极性编码：最常用的单极性编码是二进制数码。 双极性编码：常用的双极性编码有：符号-数值码；偏移二进制码；补码表示法。

  37. 4.2.4 A/D转换器的技术指标 （1）分辨率 分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即： 分辨率 = 满刻度值/2n

  38. 4.2.4 A/D转换器的技术指标 （2）转换精度 A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。 所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。 相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（Least Significant Bit)来表示: 1LSB = 1／ 2n。

  39. 例如，对于一个8位0 ~ 5V的A/D转换器，如果其相对误差为±1LSB，则其绝对误差为±19.5 mV，相对百分误差为0.39％。一般来说，位数n越大，其相对误差（或绝对误差）越小。

  40. 4.2.4 A/D转换器的技术指标 （3）转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D 转换器的转换时间为微秒级，典型值为1.0 ~ 200us；双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。

  41. 4.2.4 A/D转换器的技术指标 （4）电源灵敏度：用相当于同样变化的模拟输入值的百分数表示； （5）对基准电源的要求：基准电源的精度将对整个系统的精度产生影响，因此在选片时应考虑是否外加精密参考电源等。

  42. 4.3 8位A/D转换器及其接口电路 主要知识点 • 1、ADC0809芯片介绍 • 2．ADC0809接口电路 • 3. 8位A/D转换器的程序设计

  43. 4.3.1 ADC0809芯片介绍 1、ADC0809芯片介绍 • 8位逐位逼近式A/D转换器 • 分辨率为1/ 28 ≈0.39 % • 模拟电压转换范围是 0 - +5 V • 标准转换时间为100s • 采用28脚双立直插式封装

  44. 各引脚功能如下： • IN0～IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。 • ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。 • A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择见表3-2 。 • START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。 • EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。 • OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。 • D0～D7：8位数字量输出。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。

  45. CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。 • VREF(+)，VREF(-)：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VREF(+)= 5V DC， VREF(-)= 0V DC。 • Vcc：工作电源， 5VDC。 • GND：电源地。

  46. 被选通道和地址的关系

  47. ALE C.B.A START EOC OE DO7~DO0 ADC0809的内部转换时序 图4-10 ADC0809的转换时序

  48. 其转换过程表述如下：首先ALE的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量进入到A/D转换器中。同时START 的上升沿将转换器内部清零，下降沿起动A/D转换，即在时钟的作用下，逐位逼近过程开始，转换结束信号EOC即变为低电平。当转换结束后，EOC恢复高电平，CPU可以用查询方式或中断方式判断A/D转换过程是否结束。此时，如果对输出允许OE输入一高电平命令，则可读出数据。OE为低电平时，数据输出线为高阻态。

  49. 4.3.2 ADC0809的接口电路 A/D转换器的接口电路主要是解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动A/D转换，如何判断A/D完成一次模数转换，如何读入并存放转换结果的。ADC0809与CPU的接口可以采用如下方式: • 直接方式 • 通过8255 • 通过三态缓冲器 本节重点介绍直接连接方式。

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