【正文】 D 4D 5V ref(+)OEGNDV ccA D D CA D C 0 8 0 91109876543220141516171819131211IN 3IN 4IN 7IN 6S T A R TEOCC L O C KV ref()A L EA D D AA D D BIN 0IN 1IN 22827262524232221圖 ADC0809引腳圖 — 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) 73 ? 引腳結(jié)構(gòu) ? （ 1） IN7~IN0： 8條模擬量輸入通道 ? （ 2）地址輸入和控制線： 4條 ? （ 3）數(shù)字量輸出及控制線： 11條 ? （ 4）電源線及其他： 5條 — 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) 74 各引腳功能如下： ? IN0～ IN7： 8路模擬量輸入端。直到 A／ D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘?A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。 — 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) 71 ADC0809的工作過(guò)程是：首先輸入 3位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。 如逐位逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒級(jí) ， 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí) 。絕對(duì)誤差包括增益誤差，零點(diǎn)誤差和非線性誤差等。即： 分辨率 = 滿刻度值 /2n 量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，提高分辨率，可減少量化誤差。 抗混疊 模擬濾波器 Σ Δ 調(diào)制器 數(shù)字 濾波器 低位數(shù)據(jù)流 （ 1bit） 輸入 數(shù)字 fs Fs 模擬信號(hào) Fs 高位數(shù)據(jù)流 （ 16bit） 模擬 Σ Δ 型 A/D轉(zhuǎn)換器的組成框圖 — 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) 58 321 ΣΔ型 A/D轉(zhuǎn)換器（ 2） ? ΣΔ型 A/D轉(zhuǎn)換芯片 AD7715 – 價(jià)格便宜、分辨率高，不受噪聲環(huán)境的影響 – 提供了一個(gè)增益為 3 128倍可編程放大器，一個(gè)數(shù)字濾波器和一套自校準(zhǔn)電路 – 所提供的系統(tǒng)功能要比常用的積分型 A/D轉(zhuǎn)換器強(qiáng)，而且避免了必須提供一個(gè)高質(zhì)量積分電容的缺點(diǎn) – 是工業(yè)和過(guò)程控制應(yīng)用中的理想器件 — 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) 59 （ 1） 分辨率 分辨率是指 A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)變化的敏感程度。 — 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) 51 ? 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要幾十毫秒。 ?轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要幾十毫秒。即若要轉(zhuǎn)換速度高，則轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的誤差就大，反之亦然。工作時(shí)，計(jì)數(shù)器由零開(kāi)始計(jì)數(shù)，將其計(jì)數(shù)值送往 D／ A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將生成的模擬信號(hào)與輸入模擬信號(hào)在比較器內(nèi)進(jìn)行比較，若前者小于后者，則計(jì)數(shù)值加 1，重復(fù) D／ A轉(zhuǎn)換及比較過(guò)程。 在微機(jī)控制系統(tǒng)中 ， 經(jīng)常要用到 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換器 。 HDCIdtd V c ?— 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) 41 零階集成采樣保持器 — 常用的零階集成采樣保持器有 AD58 LF198/298/398等。實(shí)際上保持期間的電容保持電壓 VC在緩慢下降，這是由于保持電容的漏電流所致。它的組成原理電路與工作波性如圖 (a)、 (b)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) 36 香農(nóng)定理指出：為了使采樣信號(hào) y*(t)能完全復(fù)現(xiàn)原信號(hào) y(t)，采樣頻率 f 至少要為原信號(hào)最高有效頻率 fmax的2倍，即 f ? 2fmax。 — 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) 33 周期采樣 就是以相同的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，即把一個(gè)連續(xù)變化的模擬信號(hào) y(t)，按一定的時(shí)間間隔 T 轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r(shí) 0， T，2T， … 的一連串脈沖序列信號(hào) y*(t)，如圖所示。 為了保證 A/D轉(zhuǎn)換的精度 ， 需要應(yīng)用采樣保持器 。數(shù)據(jù)總線D3~D0作為通道選擇信號(hào)， D3 用來(lái)控制兩個(gè)多路開(kāi)關(guān)的禁止端。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) 24 結(jié)構(gòu)原理 現(xiàn)以常用的 CD4051為例， 8路模擬開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。 — 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) 23 目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開(kāi)關(guān)種類很多，并具有不同的功能和用途。此類集成電路芯片有AD612/614等。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。 — 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(lái)調(diào)整放大器增益的。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。 5．抗干擾措施 ? 在信號(hào)的拾取與傳送過(guò)程中來(lái)自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的干擾因素很多，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)采用可靠的抗干擾措施，如隔離、濾波等。部分信號(hào)處理工作可由計(jì)算機(jī)軟件完成。 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) 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。— 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(kāi)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(guò)程中的模擬量信息提供給計(jì)算機(jī)。 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。 — 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。 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(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。 — 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) 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。 — 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(lái)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，放大器的增益 G與這個(gè)外接電阻RG有著密切的關(guān)系。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) 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(guò)磁路和光路來(lái)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。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。 CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動(dòng)及開(kāi)關(guān)電路三部分組成。 — 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(kāi)關(guān)的芯片，也可以將 2個(gè) 8路 4051并聯(lián)起來(lái)，組成 1個(gè)單端的 16路開(kāi)關(guān)。當(dāng) D3=0時(shí)，選中上面的多路開(kāi)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(kāi)關(guān)，此時(shí)當(dāng) D D D0從000變?yōu)?111，則依次選通 S8~S15通道。 ?數(shù)據(jù)采樣定理 ?采樣保持器 — 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) 32 1 數(shù)據(jù)采樣定理 離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng) 把連續(xù)變化的量變成離 散量后再進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 — 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) 34 0 t 0 T 2T 3T t采樣器y ( t )*y ( t )*y( t )y ( t ) ?T圖 2 7 信號(hào)的采樣過(guò)程采樣器的常用術(shù)語(yǔ)： 采樣器或采樣開(kāi)關(guān) 執(zhí)行采樣動(dòng)作的裝置， 采樣時(shí)間或采樣寬度 τ 采樣開(kāi)關(guān)每次閉合的時(shí)間 采樣周期 T采樣開(kāi)關(guān)每次通斷的時(shí)間間隔 在實(shí)際系統(tǒng)中， ?《 T ，也就是說(shuō)，可以近似地認(rèn)為采樣信號(hào) y*(t)是 y(t)在采樣開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的瞬時(shí)值 。 采樣定理給出了 y*(t)唯一地復(fù)現(xiàn) y(t)所必需的最低采樣頻率。 — 計(jì)算