【正文】 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 1 第三章 輸入輸出接口技術(shù) — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 2 本章主要內(nèi)容 ?模擬量輸入接口 ?模擬量輸出接口 ?數(shù)字量輸入輸出接口 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通道概述 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 4 CPU 外部設(shè)備 數(shù)據(jù) 狀態(tài) 控制 通常有三類信息： ?????數(shù)據(jù)信息 ?????數(shù)字量 模擬量 開關(guān)量 狀態(tài)信息 控制信息 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 5 I／ O通道 ???????模擬量輸入通道 模擬量輸出通道 數(shù)字量輸入通道 數(shù)字量輸出通道 I／ O通道分為： — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 6 第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中通道技術(shù) 一、前向通道的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 作用：把生產(chǎn)過程中的模擬量信息提供給計(jì)算機(jī)。 結(jié)構(gòu)類型：書上 P45 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 7 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 8 二、前向通道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題 前向通道必須考慮信號(hào)拾取、信號(hào)調(diào)節(jié)、 A/D轉(zhuǎn)換、電源配置和防止干擾等問題。 1．信號(hào)的拾取方式 ：通過敏感元件拾取被測(cè)信號(hào) 通過傳感器拾取被測(cè)信號(hào) ? 傳感器測(cè)量的輸出一般為電壓、電流或頻率量。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 9 電流輸出信號(hào)需轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后與 A/D電路相連。 輸出頻率量傳感器精度高、抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離傳送，它需采用特殊的轉(zhuǎn)換方法才能變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字量。 通過測(cè)量?jī)x表拾取被測(cè)信號(hào) 測(cè)量?jī)x表采用標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)，如電壓信號(hào)為 0~5V、 177。 5V、 0~10V、 177。 范圍，而電流信號(hào)則為 4~20mA、 0~10 mA等范圍，經(jīng)適當(dāng)處理后（如 I/V變換、濾波）后可直接與 A/D電路相連 。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 10 2。信號(hào)的調(diào)節(jié)：信號(hào)放大與處理 任務(wù)：將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成滿足 A/D電路要求的電平信號(hào)。包含小信號(hào)放大、濾波、零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償、誤差修正、量程切換等信號(hào)處理電路。部分信號(hào)處理工作可由計(jì)算機(jī)軟件完成。 3．模 —數(shù)轉(zhuǎn)換方式的選擇 ? V/F變換方式：將信號(hào)電壓變換為頻率量，由計(jì)算機(jī)或計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。 ? A/D轉(zhuǎn)換電路： — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 11 4．電源配置 ? 考慮對(duì)傳感器、不同的信號(hào)調(diào)節(jié)電路中的芯片對(duì)電源的要求。 ? 模擬輸入通道與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)系較緊，而且傳感器輸出信號(hào)較弱，電源配置時(shí)要充分考慮干擾的隔離與抑制。 5．抗干擾措施 ? 在信號(hào)的拾取與傳送過程中來自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的干擾因素很多，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)采用可靠的抗干擾措施，如隔離、濾波等。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 12 第二節(jié)前向通道中的信號(hào)調(diào)節(jié)與信號(hào)調(diào)節(jié)器 前置放大器的任務(wù) 是將模擬輸入小信號(hào)放大到 A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如 05VDC。 對(duì)單純的微弱信號(hào) ， 可用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行單端同相放大或單端反相放大。如圖 35所示，信號(hào)源的一端若接放大器的正端為同相放大，同相放大電路的放大倍數(shù) G =1+R2/R1； 若信號(hào)源的一端接放大器的負(fù)端為 反相放大 ， 反相放大電路的放大倍數(shù) G =－ R2/R1。當(dāng)然，這兩種電路都是單端放大，所以信號(hào)源的另一端是與放大器的另一個(gè)輸入端共地。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 13 圖 35 放大電路 VIV O1R2R圖 2 5 放大電路VIV O1R2R(a ) 同相放大～U s～U s(b ) 反相放大— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 14 測(cè)量放大器 在實(shí)際工程中 ,來自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)往往帶有較大的共模干擾 ， 而單個(gè)運(yùn)放電路的差動(dòng)輸入端難以起到很好的抑制作用。 因此， A/D通道中的前置放大器 常采用由一組運(yùn)放構(gòu)成的測(cè)量放大器，也稱儀表放大器，如圖所示。 經(jīng)典的測(cè)量放大器 是由三個(gè)運(yùn)放組成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，測(cè)量放大器的差動(dòng)輸入端 VIN?和 VIN?分別是兩個(gè)運(yùn)放 A A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對(duì)稱地直接與被測(cè)信號(hào)相連，因而有著極強(qiáng)的抑制共模干擾能力。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 15 + 3 A 2 A 1 A 1 R 2 R S R 1 R 2 R S R N I V G R N I V + 負(fù)載 (外接 ) 外接地 T U O V (外接 ) (a) 經(jīng)典的前置放大器 前置放大器 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 16 圖中 RG是外接電阻，專用來調(diào)整放大器增益的。因此，放大器的增益 G與這個(gè)外接電阻RG有著密切的關(guān)系。增益公式為 目前這種測(cè)量放大器的集成電路芯片有多種，如 AD521/52 INA102等。 )21( 12ININOUTGSRRRRVVVG ??????— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 17 可變?cè)鲆娣糯笃? 在 A/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測(cè)信號(hào)常常共用一個(gè)測(cè)量放大器，而各路的輸入信號(hào)大小往往不同，但都要放大到 A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對(duì)應(yīng)于各路不同大小的輸入信號(hào)，測(cè)量放大器的增益也應(yīng)不同。具有這種性能的放大器稱為可變?cè)鲆娣糯笃骰蚩删幊谭糯笃?，如圖。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 18 3 A 2 A N I N 負(fù)載 (外接 ) 外接地 T U O V 16K 16K 16K 16K 2 4 8 16 32 64 128 256 80K 314Ω 630Ω + 1 A I V + 可變?cè)鲆娣糯笃? — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 19 把圖的外接電阻 RG換成一組精密的電阻網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)電阻支路上有一個(gè)開關(guān)，通過支路開關(guān)依次通斷就可改變放大器的增益，根據(jù)開關(guān)支路上的電阻值與增益公式，就可算得支路開關(guān)自上而下閉合時(shí)的放大器增益分別為 1 3 612 256倍。顯然，這一組開關(guān)如果用多路模擬開關(guān) (類似 CD4051)就可方便地進(jìn)行增益可變的計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制。此類集成電路芯片有AD612/614等。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 20 三、隔離放大器 特點(diǎn)：具有一般通用運(yùn)放的特性，信息傳遞是通過磁路和光路來實(shí)現(xiàn) 作用：在輸入電路和輸出電路之間實(shí)現(xiàn)電隔離 常用器件： Model27 ISO122/124 程控增益運(yùn)算放大器 作用：在多通道或多參數(shù)的模擬輸入通道共用一個(gè)測(cè)量放大器、一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，對(duì)不同通道或參數(shù)改變測(cè)量放大器的增益。 常用器件：可由測(cè)量放大器、模擬開關(guān)及電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，也可采用集成程控測(cè)量放大器，如 PGA200/20 PGA10 PGA100、AD612/614等 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 21 四、 多路模擬開關(guān) 主要知識(shí)點(diǎn) 引言 結(jié)構(gòu)原理 擴(kuò)展電路 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 22 引言 由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻只能接收一個(gè)回路的信號(hào)。所以，必須通過多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)多選 1的操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 23 目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開關(guān)種類很多，并具有不同的功能和用途。如集成電路芯片 CD4051(雙向、單端、 8路 )、 CD4052(單向、雙端、 4路 )、 AD7506(單向、單端、 16路 )等。所謂雙向，就是該芯片既可以實(shí)現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換；而單向則只能完成多到一的切換。雙端是指芯片內(nèi)的一對(duì)開關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信號(hào)的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 24 結(jié)構(gòu)原理 現(xiàn)以常用的 CD4051為例， 8路模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。 CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動(dòng)及開關(guān)電路三部分組成。當(dāng)禁止端為“ 1”時(shí)，前后級(jí)通道斷開，即 S0~S7端與Sm端不可能接通；當(dāng)為“ 0”時(shí)，則通道可以被接通，通過改變控制輸入端 C、 B、 A的數(shù)值，就可選通 8個(gè)通道 S0~S7中的一路。比如：當(dāng) C、 B、 A=000時(shí)，通道 S0選通；當(dāng) C、B、 A=001時(shí)，通道 S通； …… 當(dāng) C、 B、 A = 111時(shí)，通道 S7選通。其真值表如表 31所示。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 25 圖2 3 CD4051結(jié) 構(gòu)原理圖0S2S3S4S5S6S7S1S動(dòng)驅(qū)碼譯換轉(zhuǎn)平電ABCIN HmSCD4051結(jié)構(gòu)原理圖 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 26 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 27 2 擴(kuò)展電路 當(dāng)采樣通道多至 16路時(shí)，可直接選用 16路模擬開關(guān)的芯片，也可以將 2個(gè) 8路 4051并聯(lián)起來，組成 1個(gè)單端的 16路開關(guān)。 例題 31 試用兩個(gè) CD4051擴(kuò)展成一個(gè)1 16路的模擬開關(guān)。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 28 例題分析：圖給出了兩個(gè) CD4051擴(kuò)展為1 16路模擬開關(guān)的電路。數(shù)據(jù)總線D3~D0作為通道選擇信號(hào)， D3 用來控制兩個(gè)多路開關(guān)的禁止端。當(dāng) D3=0時(shí)，選中上面的多路開關(guān)，此時(shí)當(dāng) D DD0從 000變?yōu)?111，則依次選通 S0~S7通道；當(dāng) D3=1時(shí)，經(jīng)反相器變成低電平，選中下面的多路開關(guān)，此時(shí)當(dāng) D D D0從000變?yōu)?111，則依次選通 S8~S15通道。如此，組成一個(gè) 16路的模擬開關(guān)。 —