計算機控制-輸入輸出.ppt

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第一講思考題問答 1 計算機控制系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)的主要異同點是什么 2 分析說明計算機控制系統(tǒng)的硬件組成及其作用 3 計算機控制系統(tǒng)的軟件由哪些部分構(gòu)成 4 按控制方案來分 計算機控系統(tǒng)劃分成那幾大類 第二講過程輸入輸出通道技術(shù)概論 在計算機控制系統(tǒng)中 為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制 要將對象的控制參數(shù)及運行狀態(tài)按規(guī)定的方式送入計算機 計算機經(jīng)過計算 處理后 將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出 此時需將數(shù)字量變換為適合生產(chǎn)過程控制的量 因此在計算機和生產(chǎn)過程之間 必須設置完成信息的傳遞和變換裝置 這個裝置稱為過程輸入輸出通道 也叫I O通道 本章內(nèi)容其實質(zhì)是 微機原理與應用 課程中的知識 2 1過程輸入輸出通道概述過程輸入輸出通道由模擬量輸入輸出通道和開關(guān)量 包含脈沖量 輸入輸出通道組成 模擬量輸入通道把反映生產(chǎn)過程或設備工況的模擬信號 如溫度 壓力 流量 速度 液位等 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給微型計算機 模擬量輸出通道則把微型計算機輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號 電壓或電流 作用于執(zhí)行機構(gòu) 實現(xiàn)對生產(chǎn)過程或設備的控制 開關(guān)量 脈沖量 數(shù)字量 輸入通道把反映生產(chǎn)過程或設備工況的開關(guān)信號 如繼電器接點 行程開關(guān) 按扭等 脈沖信號 如速度 位移 流量脈沖等 送給微型計算機 微型計算機通過開關(guān)量輸出通道控制那些接受開關(guān) 數(shù)字 信號的執(zhí)行機構(gòu)和顯示 指示裝置 由此可見 過程輸入輸出通道在微型計算機和工業(yè)生產(chǎn)過程之間起著信號傳遞與變換的紐帶作用 2 1 1模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道 簡稱AI通道 的一般結(jié)構(gòu)如圖2 1所示 過程參數(shù)由傳感元件和變送器測量并轉(zhuǎn)換為電壓 或電流 形式后送至多路開關(guān) 在微機的控制下 由多路開關(guān)將各個過程參數(shù)依次地切換到后級 進行放大 采樣和A D轉(zhuǎn)換 實現(xiàn)過程參數(shù)的巡回檢測 圖2 1模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu) 2 1 2模擬量輸出通道的基本結(jié)構(gòu)模擬量輸出通道 簡稱AO通道 的兩種基本結(jié)構(gòu)形式如圖2 2所示 多D A結(jié)構(gòu)的模擬量輸出通道中的D A轉(zhuǎn)換器除承擔數(shù)字信號到模擬信號轉(zhuǎn)換的任務外 還兼有信號保持作用 即把微機在t kT時刻對執(zhí)行機構(gòu)的控制作用維持到下一個輸出時刻t k 1 T 這是一種數(shù)字保持方式 送給D A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號不變 其模擬輸出信號便保持不變 共享D A結(jié)構(gòu)的模擬量輸出通道中的D A轉(zhuǎn)換器只起數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換作用 信號保持功能靠采樣保持器完成 這是一種模擬保持方式 微機對通路i i 1 2 n 的控制信號被D A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬形式后 由采樣保持器將其記憶下來 并保持到下一次控制信號的到來 多D A形式輸出速度快 工作可靠 精度高 是工業(yè)控制領(lǐng)域普遍采用的形式 b 共享D A結(jié)構(gòu) 圖2 2模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式 a 多D A結(jié)構(gòu) 2 1 3開關(guān)量 數(shù)字量 輸入通道的基本結(jié)構(gòu)開關(guān)量輸入通道又稱為數(shù)字量輸入通道 該通道的任務是把被控對象的開關(guān)狀態(tài)信號 或數(shù)字信號 送給計算機 或把雙值邏輯的開關(guān)量變換為計算機能夠接收的數(shù)字量送給計算機 簡稱DI通道 它的結(jié)構(gòu)形式如圖2 3所示 圖2 3開關(guān)量輸入通道結(jié)構(gòu)框圖 典型的開關(guān)量輸入通道通常由以下幾部分組成 1 信號變換器 將生產(chǎn)過程的非電量開關(guān)量轉(zhuǎn)換為電壓或電流的雙值邏輯值 2 整形變換電路 將混有毛刺之類干擾的輸入雙值邏輯信號或其信號前后沿不符合要求的輸入信號整形為接近理想狀態(tài)的方波或矩形波 然后再根據(jù)系統(tǒng)要求變換為相應形狀的脈沖信號 3 電平變換電路 將輸入的雙值邏輯電平轉(zhuǎn)換為與CPU兼容的邏輯電平 4 總線緩沖器 暫存數(shù)字量信息并實現(xiàn)與CPU數(shù)據(jù)總線的連接 5 接口邏輯電路 協(xié)調(diào)各通道的同步工作 向CPU傳遞狀態(tài)信息并控制開關(guān)量的輸入 輸出 2 1 4開關(guān)量 數(shù)字量 輸出通道的基本結(jié)構(gòu)開關(guān)量 數(shù)字量 輸出通道的任務是把計算機輸出的數(shù)字信號 或開關(guān)信號 傳送給開關(guān)型的執(zhí)行機構(gòu) 如繼電器或指示燈等 控制它們的通 斷或亮 滅 簡稱DO通道 其典型結(jié)構(gòu)如圖2 4所示 圖中鎖存輸出的主要作用是鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)或控制信號 供外部設備使用 隔離部件的作用是為防止干擾 功放的作用則是為把計算機輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進行控制的驅(qū)動信號 圖2 4開關(guān)量輸出通道結(jié)構(gòu)框圖 圖2 11功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器 圖2 12MC1416驅(qū)動7個繼電器 圖2 13為固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu) 固態(tài)繼電器 SSR 是一種四端有源器件 輸入輸出之間采用光電耦合器進行隔離 零交叉電路可使交流電壓變化到零伏附近時讓電路接通 從而減少干擾 電路接通以后 由觸發(fā)電路給出晶閘管器件的觸發(fā)信號 2 3模擬量輸出通道2 3 1D A轉(zhuǎn)換器概述模擬量輸出通道的核心部件是D A轉(zhuǎn)換器 D A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置 它輸出的模擬量 電壓或電流 與參考電壓和二進制數(shù)成比例 D A轉(zhuǎn)換器品種繁多 但在集成D A產(chǎn)品中多按T型和倒T型電阻解碼網(wǎng)絡的D A轉(zhuǎn)換原理進行轉(zhuǎn)換 故下面將以倒T型電阻D A為例介紹D A轉(zhuǎn)換原理 1 D A轉(zhuǎn)換器工作原理D A轉(zhuǎn)換器主要由四部分組成 基準電壓VREF R 2RT型電阻網(wǎng)絡 電子開關(guān)Ki i 0 1 n 1 和運算放大器A 一個4位的D A轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖2 14所示 圖2 14R 2R電阻網(wǎng)絡D A轉(zhuǎn)換器 2 D A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 分辨率分辨率是指當輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化即最低有效位LSB產(chǎn)生一次變化時 輸出模擬量對應的變化量 分辨率 與數(shù)字量輸入的位數(shù)n呈下列關(guān)系 VREF 2n實際使用中 表示分辨率高低的更常用方法是用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示 例如 8位二進制D A轉(zhuǎn)換器 其分辨率為8位 或者 1 255 顯然 位數(shù)越多 分辨率越高 建立時間建立時間是指輸入數(shù)字信號的變化量是滿量程時 輸出模擬信號達到離終值 1 2LSB所需的時間 一般為幾十納秒到幾秒 線性誤差理想轉(zhuǎn)換特性 量化特性 應該是線性的 但實際轉(zhuǎn)換特性并非如此 在滿量程輸入范圍內(nèi) 偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差 線性誤差常用LSB的分數(shù)表示 如1 2LSB 或 1LSB 2 3 2常用D A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)1 D A轉(zhuǎn)換器 8位D A轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832的結(jié)構(gòu)如圖2 15所示 它主要由兩部分組成 即 由R 2R電阻網(wǎng)絡構(gòu)成的8位D A轉(zhuǎn)換器以及兩個8位寄存器和相應的選通控制邏輯 DI7 DI0是DAC0832的數(shù)字信號輸入端 IOUT1和IOUT2是它的模擬電流輸出端 IOUT1 IOUT2 常數(shù)C IOUT1和IOUT2與輸入數(shù)字D之間的關(guān)系如下 圖2 15DAC0832的結(jié)構(gòu) VOUT1 VOUT2 圖2 16DAC0832的單 雙極性輸出 12位的D A轉(zhuǎn)換器DAC1208 1209 1210圖2 17是DAC1210的結(jié)構(gòu)圖 其原理和引腳與DAC0832基本相同 不同之處僅在于 輸入寄存器和DAC寄存器均為12位 數(shù)據(jù)輸入線為12條 輸入寄存器由高8位輸入寄存器和低4位輸入寄存器兩個寄存器構(gòu)成 BYTE1 BYTE2為高電平時 選中高8位輸入寄存器和低4位輸入寄存器 否則只選中低4位輸入寄存器 一個12位的待轉(zhuǎn)換數(shù)D必須在輸入級裝配好后 才能送至DAC寄存器 所以 DAC1210與8位微機接口時 應接為雙緩沖形式 圖2 17DAC1210的結(jié)構(gòu) 2 D A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù) 8位D A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的接口為使CPU能向D A轉(zhuǎn)換器傳送數(shù)據(jù) 必須在兩者之間設置接口電路 接口電路的功能是進行地址譯碼 產(chǎn)生片選信號或?qū)懶盘?如果D A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部無輸入寄存器 則要外加寄存器 因此 D A轉(zhuǎn)換器與CPU的連接方式可有三種 直接連接 用可編程并行接口8255連接 用鎖存器連接 具體采用哪種方法 應根據(jù)各種D A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式以及系統(tǒng)的要求進行選擇 下面以直接連接方式為例介紹D A轉(zhuǎn)換器與CPU的接口 圖2 188位D A轉(zhuǎn)換器與PC系統(tǒng)總線的接口 若DAC0832CS的口地址為400H 則將8位二進制數(shù)7FH轉(zhuǎn)換為模擬電壓的轉(zhuǎn)換程序段為 MOVDX 400HMOVAL 7FHOUTDX ALHLT 12位D A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)總線的接口12位D A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)總線的接口電路如圖2 19所示 該電路采用12位D A轉(zhuǎn)換芯片DAC1210 輸出放大器 地址譯碼器等組成 端口地址譯碼器譯出 三個口地址 設為200H 201H 202H 這三個口地址用來控制DAC1210工作方式和進行12位的D A轉(zhuǎn)換 圖2 1912位D A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)總線的接口 前面已假設端口譯碼器譯出的Y0 Y1 Y2三個地址分別為200H 201H 202H 若將12位二進制數(shù)190H轉(zhuǎn)換為模擬電壓 其轉(zhuǎn)換程序段為 MOVDX 200HMOVAL 83H 送高8位數(shù)據(jù)OUTDX ALMOVDX 201HMOVAL 0F0H 送低4位數(shù)據(jù)OUTDX ALMOVDX 202HOUTDX AL 12位數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換HLT 2 3 3D A轉(zhuǎn)換模板通常對D A轉(zhuǎn)換器而言 都只能完成一路數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換 而實際的控制系統(tǒng) 往往需要將多路的數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬量 如前所述 總線式工控機中的D A轉(zhuǎn)換模板有單D A結(jié)構(gòu)和多D A結(jié)構(gòu)兩種 1 D A轉(zhuǎn)換模板的通用性為了便于系統(tǒng)設計者的使用 D A轉(zhuǎn)換模板應具有通用性 它主要體現(xiàn)在三個方面 符合總線標準 可選接口地址以及可選輸出方式 符合總線標準這里的總線是指計算機內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu) D A轉(zhuǎn)換模板及其他所有電路模板都應符合統(tǒng)一的總線標準 以便設計者在組合計算機控制系統(tǒng)的硬件時 只需往總線插槽上插上選用的功能模板而無需連線 十分方便靈活 例如 STD總線標準規(guī)定模板尺寸為165mm 114mm 模板總線引腳共有56根 并詳細規(guī)定了每只引腳的功能 接口地址可選一套控制系統(tǒng)往往需配置多塊功能模板 或者同一種功能模板可能被組合在不同的系統(tǒng)中 因此 每塊模板應具有接口地址的可選性 一般接口地址可由基址 或稱板址 和片址 或稱口址 組成 如圖2 20所示 圖2 20接口地址可選的譯碼電路 輸出方式可選D A轉(zhuǎn)換器輸出方式有電流輸出和電壓輸出兩類 而每一類又有多種情形 在過程控制中 各自動化裝置之間通常是采用0 10mADC或4 20mADC的標準電流信號進行聯(lián)系 因此 D A轉(zhuǎn)換器最常用的是這兩種信號范圍可選的電流輸出方式 如圖2 21所示 DAC0832輸出電流經(jīng)運算放大器Al和A2變換成輸出電壓V2 再經(jīng)三級管T1和T2變換成輸出電流IOUT 當短接柱KA的1 2短接時 通過調(diào)零點電位器W1和量程電位器W2 為外接負載RL提供0 10mADC電流 當KA的1 3短接時 通過調(diào)節(jié)W1和W2 為RL提供4 20mADC電流 圖2 21D A轉(zhuǎn)換的電流輸出 圖2 22D A轉(zhuǎn)換的單 雙極性電壓輸出 2 D A轉(zhuǎn)換模板的設計舉例前面討論了幾種典型的D A轉(zhuǎn)換器 接口電路以及通用性等問題 這就為D A轉(zhuǎn)換模板的設計打下了基礎 硬件設計中一般并不需要復雜的電路參數(shù)計算 但需會查閱集成電路手冊 掌握各類芯片的外特性及其功能 以及與D A轉(zhuǎn)換模板連接的CPU或計算機總線的功能及其特點 在硬件設計的同時還必須考慮軟件的設計 D A轉(zhuǎn)換模板的設計原則主要考慮以下幾點 安全可靠盡量選用性能好的元器件 并采用光電隔離技術(shù) 性能價格比高既要在性能上達到預定的技術(shù)指標 又要在技術(shù)路線 芯片元件上降低成本 比如 在選擇集成電路芯片時 應綜合考慮其轉(zhuǎn)換速度 精度 工作環(huán)境溫度和經(jīng)濟性等諸因素 通用性D A轉(zhuǎn)換模板應符合總線標準 其接口地址及輸出方式應具備可選性 D A轉(zhuǎn)換模板的設計步驟是 確定性能指標 設計電路原理圖 設計和制造印制線路板 最后焊接和調(diào)試電路板 其中 數(shù)字電路和模擬電路應分別排列走線 盡量避免交叉 連線要盡量短 模擬地 AGND 和數(shù)字地 DGND 分別走線 通常在總線引腳附近一點接地 光電隔離前后的電源線和地線要相互獨立 調(diào)試時 一般是先調(diào)數(shù)字電路部分 再調(diào)模擬電路部分 并按性能指標逐項考核 圖2 23 a b 給出了8路D A轉(zhuǎn)換模板的結(jié)構(gòu)框圖和其中一路的電路原理圖 該模板由總線接口邏輯 8片DAC0832以及V I變換電路等組成 其中每路的D A轉(zhuǎn)換器均接為單級輸入工作方式 而且具有電壓 電流兩種可選的輸出方式 這里的V I變換電路與負載共電源 輸出電流IOUT VCC R5 當凡R5 500 VCC 0 5V時 IOUT 0 10mA 當R5 250 VCC 1 5V時 IOUT 4 20mA 8路結(jié)構(gòu)圖 單路原理圖 2 4模擬量輸入通道2 4 1模擬量輸入通道中的信號變換模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換包含信號的采樣和量化兩個過程 1 信號的采樣信號的采樣過程如圖2 24所示 執(zhí)行采樣動作的是采樣器 采樣開關(guān) K K每隔一個時間間隔T閉合一個時間 T稱為采樣周期 稱為采樣寬度 時間和幅值上均連續(xù)的模擬信號y t 通過采樣器后 被變換為時間上離散的采樣信號y t 模擬信號到采樣信號的變換過程稱為采樣過程或離散過程 圖2 24信號的采樣過程 采樣信號y t 是否能如實地反映模擬信號y t 的所有變化與特征呢 采樣定時指出 如果模擬信號 包括噪聲干擾在內(nèi) 頻譜的最高頻率為fmax 只要按照采樣頻率f 2fmax進行采樣 那么采樣信號y t 就能唯一地復現(xiàn)y t 采樣定理給出了y t 唯一地復現(xiàn)y t 所必需地最低采樣頻率 實際應用中 常取f 5 10 fmax 2 信號的量化采樣信號在時間軸上是離散的 但在函數(shù)軸上仍然是連續(xù)的 因為連續(xù)信號y t 幅值上的變化 也反映在采樣信號y t 上 所以 采樣信號仍不能進入微機 微機只能接受在時間上離散 幅值上變化也不連續(xù)的數(shù)字信號 將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程 執(zhí)行量化動作的裝置是A D轉(zhuǎn)換器 字長為n的A D轉(zhuǎn)換器把ymin ymax范圍內(nèi)變化的采樣信號 變換為數(shù)字0 2n 1 其最低有效位 LSB 所對應的模擬量q稱為量化單位 量化過程實際上是一個用q去度量采樣值幅值高低的小數(shù)歸整過程 如同人們用單位長度 毫米或其它 去度量人的身高一樣 由于量化過程是一個小數(shù)歸整過程 因而存在量化誤差 量化誤差為 1 2q 例如 q 20mV時 量化誤差為 10Mv 0 990 1 009V范圍內(nèi)的采樣值 其量化結(jié)果是相同的 都是數(shù)字50 在A D轉(zhuǎn)換器的字長n足夠長時 整量化誤差足夠小 可以認為數(shù)字信號近似于采樣信號 在這種假設下 數(shù)字系統(tǒng)便可沿用采樣系統(tǒng)理論分析 設計 2 4 2A D轉(zhuǎn)換器1 主要技術(shù)指標A D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件 這個模擬量泛指電壓 電阻 電流 時間等參量 但在一般情況下 模擬量是指電壓而言的 A D轉(zhuǎn)換器常用以下幾項技術(shù)指標來評價其質(zhì)量水平 分辨率分辨率是衡量A D轉(zhuǎn)換器分辨輸入模擬量最小變化程度的技術(shù)指標 分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)n 字長 來表示 如8位 12位 16位等 分辨率為n位 表示它能對滿量程輸入的1 2n的增量作出反映 即數(shù)字量的最低有效位 LSB 對應于滿量程輸入的1 2n 若n 8 滿量程輸入為5 12V 則LSB對應于模擬電壓5 12V 28 20mV 轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指A D轉(zhuǎn)換器完成一次模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換所需要的時間 線性誤差線性誤差是指A D轉(zhuǎn)換器的理想轉(zhuǎn)換特性 量化特性 應該是線性的 但實際轉(zhuǎn)換特性并非如此 在滿量程輸入范圍內(nèi) 偏移理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差 線性誤差通常用LSB的分數(shù)表示 如1 2LSB或 1LSB A D轉(zhuǎn)換器的種類繁多 常見的A D轉(zhuǎn)換器主要有逐次逼近式 積分式 并行式等 逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換精度比較適中 轉(zhuǎn)換時間一般在us級 轉(zhuǎn)換精度一般在0 1 上下 適用于一般場合 雙斜積分式A D轉(zhuǎn)換器的核心部件是積分器 因此速度較慢 其轉(zhuǎn)換時間一般在ms級或更長 但抗干擾性能強 轉(zhuǎn)換精度可達0 01 或更高 適于在數(shù)字電壓表類儀器中采用 并行式又稱閃爍式 由于采用并行比較 因而轉(zhuǎn)換速率可以達到很高 其轉(zhuǎn)換時間可達ns級 但抗干擾性能較差 由于工藝限置 其分辨率一般不高于8位 這類A D轉(zhuǎn)換器可用于數(shù)字示波器等要求轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中 2 A D轉(zhuǎn)換原理逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換器雙斜積分式A D轉(zhuǎn)換器并行比較式A D轉(zhuǎn)換器 2 4 3常用A D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)1 8位A D轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809是一種帶有8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換時間為100us左右 線性誤差為LSB 其結(jié)構(gòu)如圖2 28所示 圖2 28ADC0809的邏輯框圖 圖2 29ADC0809的轉(zhuǎn)換時序 圖2 30AD574A的原理結(jié)構(gòu) AD574A由12位A D轉(zhuǎn)換器 控制邏輯 三態(tài)輸出鎖存緩沖器 10V基準電壓源4部分構(gòu)成 12位A D轉(zhuǎn)換器這個12位A D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入可以是單極性的 也可以是雙極性的 單極性應用時 將BIPOFF接0V 雙極性時接10V 量程可以是10V 也可以是20V 輸入信號在10V范圍內(nèi)變化時 將輸入信號接至10VIN 在20V范圍內(nèi)變化時 接至20VIN 量程為10V和20V時 AD574A的量化單位分別為10V 212和20V 212 模擬輸入信號的編程 圖2 31是AD574A的單 雙極性應用時的線路連接方法 以及零點和滿度調(diào)整方法 圖2 31AD574A的輸入信號連接方法 a 單極性 b 雙極性 三態(tài)輸出鎖存緩沖器該緩沖器用于存放12位轉(zhuǎn)換結(jié)果D D 0 212 1 D的輸出方式有兩種 引腳12 8 1時 D的D11 D0并行輸出 12 8 0時 D的高8位D11 D4與D3 D0分時輸出 控制邏輯控制邏輯的任務包含 啟動轉(zhuǎn)換 控制轉(zhuǎn)換過程和控制轉(zhuǎn)換結(jié)果D的輸出 有關(guān)控制信號的作用如下表 CE CS均為片選信號 R C為讀 啟動控制信號 啟動與讀操作時序如圖2 32所示 2 4 4A D轉(zhuǎn)換模板A D轉(zhuǎn)換模板一般由多路開關(guān) 數(shù)據(jù)放大器 采樣保持器 A D轉(zhuǎn)換器及接口電路組成 A D轉(zhuǎn)換模板同D A轉(zhuǎn)換模板一樣 應具有通用性 且必須符合總線標準 接口地址可選 輸入方式可選 有時還應考慮數(shù)據(jù)放大器的增益可選 下面將對有關(guān)內(nèi)容進行討論 1 多路開關(guān)多路開關(guān)在模擬量輸入通道中的作用是實現(xiàn)n選一操作 即利用多路開關(guān)將n路輸入依次地 或隨機地 切換到后級 切換過程是在CPU控制下完成的 也可以用其它控制邏輯實現(xiàn) 微機控制系統(tǒng)中多采用集成電路多路開關(guān) 圖2 36是常用的集成多路開關(guān)CD4051的結(jié)構(gòu)原理 圖2 36CD4051的結(jié)構(gòu)原理 2 采樣保持器A D轉(zhuǎn)換過程 即采樣信號量化過程 需要時間 這個時間稱為A D轉(zhuǎn)換時間 在A D轉(zhuǎn)換期間 如果輸入信號變化較大 就會引起轉(zhuǎn)換誤差 所以 一般情況下采樣信號都不直接送至A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 還需加保持器作信號保持 保持器把t kT時刻的采樣值保持到A D轉(zhuǎn)換結(jié)束 T為采樣周期 k 0 1 2 為采樣序號 采樣保持器的基本組成電路如圖2 37 a 所示 由輸入輸出緩沖器A1 A2和采樣開關(guān)K 保持電容CH等組成 采樣時 K閉合 VIN通過A1對CH快速充電 VOUT跟隨VIN 保持期間 K斷開 由于A2的輸入阻抗很高 理想情況下VOUT VC保持不變 采樣保持器一旦進入保持期 便應立即啟動A D轉(zhuǎn)換器 保證A D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定 采樣保持器的工作波形見圖2 37 b 圖2 37采樣保持器 a 原理電路 b 工作波 常用的集成采樣保持器有LF198 298 398 AD582等 其原理結(jié)構(gòu)如圖2 38 a b 所示 采用TTL邏輯電平控制采樣和保持 LF198的采樣控制電平為 1 保持電平為 0 AD582相反 OFFSET用于零位調(diào)整 保持電容CH通常是外接的 其取值與采樣頻率和精度有關(guān) 常選510 1000pF 減小CH可提高采樣頻率 但會降低精度 一般選用聚苯乙稀 聚四氟乙稀等高質(zhì)量電容器作CH 選擇采樣保持器的主要因素有 獲取時間 電壓下降率等 LF198的CH取為0 01 F時 信號達到0 01 精度所需的獲取時間 采樣時間 為25 s 保持期間的輸出電壓下降率為每秒3 V 若A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為100 s 轉(zhuǎn)換期間保持器輸出電壓下降約300 V 當被測信號變化緩慢時 若A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間足夠短 可以不加采樣保持器 圖2 38集成采樣保持器的原理結(jié)構(gòu) a AD582 b LF198 298 398 3 A D轉(zhuǎn)換模板舉例圖2 39是一種8通道模擬輸入板 它由2片多路開關(guān)CD4051 8路 采樣保持器LF398 12位A D轉(zhuǎn)換器AD574A 儀用放大器AD625和接口電路8255A等組成 圖2 398路A D轉(zhuǎn)換模板 該模擬輸入板的主要技術(shù)指標如下 分辨率12位 通道數(shù)雙端8路 輸入量程單極性0 10V雙極性 5V 5V 轉(zhuǎn)換時間 A D 25 s 線路誤差不大于0 02 應答方式查詢 該模板采集一個數(shù)據(jù)的過程如下 通道選擇目的通道號寫入端口C低4位 使LF398對目的通道采樣 LF398的工作狀態(tài)受AD574A的STS控制 AD574未轉(zhuǎn)換期間STS 0 LF398處于采樣狀態(tài) 啟動AD574A轉(zhuǎn)換通過PC6 PC4輸出控制信號啟動AD574A 查詢AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束讀端口A 了解STS是否已由高電平變?yōu)榈碗娖?讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果讀8255A端口A B 便可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果 2 5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采用小型機或微型機構(gòu)成 以微型計算機構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用單總線結(jié)構(gòu) 目前比較流行的總線有STD總線 S100總線 MULTIBUS總線 IBM PC總線等 它的主要特點是 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單 容易實現(xiàn) 能夠滿足中 小規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求 微型計算機對環(huán)境的要求不太高 能夠在比較惡劣的環(huán)境下工作 微型計算機的價格低廉 可降低數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的投資 即使是比較小的系統(tǒng) 也可以采用它 采用微型計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以作為分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個基本組成部分進一步擴充 微型計算機的應用有比較堅實的基礎 各種I O模板及應用軟件都比較齊全 便于使用 便于維修 2 5 1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及基本功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱DAS DataAcquisitionSystem 微型計算機與DAS相配合可以完成各種測量任務 并具有很強的通用性 目前已有許多與各種微機系統(tǒng)相匹配的DAS插件板問世 隨著集成技術(shù)的發(fā)展 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有了較大的變化 但其基本工作過程及基本組成仍保持不變 圖2 40給出了一個典型的DAS的基本結(jié)構(gòu)圖 圖2 40DAS的基本結(jié)構(gòu)圖 圖中的多路開關(guān) 采樣 保持器 A D轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成了DAS的數(shù)據(jù)輸入通道 多路模擬輸入信號經(jīng)多路開關(guān)依次接通并順序輸入 再經(jīng)放大及濾波后被采樣 保持器 S H 采樣并保持 使輸入到A D轉(zhuǎn)換器的模擬量在保持時間內(nèi)恒定 以保證A D轉(zhuǎn)換的準確度 A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量可經(jīng)三態(tài)門送入總線 以便由微型計算機對采集的數(shù)據(jù)進行處理 圖中的D A轉(zhuǎn)換器 多路分配器 采樣 保持器等構(gòu)成了DAS的數(shù)據(jù)輸出通道 輸入數(shù)據(jù)經(jīng)微機處理后通過鎖存器送到D A轉(zhuǎn)換器 然后再在多路分配器的作用下依次輸出 為了保持輸出量的連續(xù)性 各路也要接入采樣 保持電路 由此可見 一個完整的數(shù)據(jù)采集工作過程大致可分為三步 1 數(shù)據(jù)采集被測信號經(jīng)過放大 濾波 A D轉(zhuǎn)換 并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入計算機 這里要考慮干擾抑制 帶通選擇 轉(zhuǎn)換準確度 采樣 保持及計算機接口等問題 2 數(shù)據(jù)處理由計算機系統(tǒng)根據(jù)不同的要求對采集的原始數(shù)據(jù)進行各種數(shù)學運算 3 結(jié)果處理將數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果在輸出設備上 打印機 繪圖儀 CRT等 復現(xiàn)出來 或者將數(shù)據(jù)存入磁盤保存起來 或通過通信線路送到遠地 上述整個過程都是在計算機的主導下用軟件通過DAS來完成的 2 5 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計舉例 自動巡回檢測系統(tǒng)設計舉例自動巡回檢測系統(tǒng)是一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 所謂自動巡回檢測就是對生產(chǎn)過程中的某些參數(shù)以一定的周期自動地進行檢測和測量 如衛(wèi)星發(fā)射前各部位的狀態(tài) 就需要長時間的不斷地進行監(jiān)測 在組成巡回檢測系統(tǒng)時 要注意被測信號變化的快慢 測量的精度以及采樣周期等方面的要求 比如 如果被測信號參數(shù)變化較快 應在系統(tǒng)中加入采樣 保持器以確保A D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換期間其轉(zhuǎn)換信號不變 相反 如果被測參數(shù)變化緩慢 系統(tǒng)可以不使用采樣 保持器 例 試設計一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 要求該系統(tǒng)能對八路模擬信號 變化頻率 100Hz 進行連續(xù)巡回檢測 電壓范圍0V 10V 分辨率為5mV 0 05 采樣間隔為1S 同時 為了增強抗干擾能力 還要求能對采樣信號進行數(shù)字濾波處理 按此要求組成的巡回檢測系統(tǒng)的電路原理如圖2 41所示 圖2 41八路自動巡回檢測系統(tǒng)電路原理圖 巡回檢測周期允許為1s 但為了對采樣的數(shù)據(jù)進行濾波處理 必須對每路信號進行多次采集 因此 A D轉(zhuǎn)換器選用轉(zhuǎn)換速度較快的AD574 AD574的分辨率12位 0 025 轉(zhuǎn)換誤差0 05 轉(zhuǎn)換時間25 s 輸入電壓的范圍均能符合上述要求 多路模擬開關(guān)選用CD4051 CD4051導通電阻為200 由于采樣 保持器的輸入電阻一般在10M 以上 所以輸入電壓在CD4051上的壓降僅為0 002 左右 符合要求 CD4051的開關(guān)漏電流僅為0 08nA 當信號源內(nèi)阻為10k 時 誤差電壓約為0 08 V 可以忽略不計 采樣 保持器選用LF398 LF398采樣速度快 保持性能好 非線性度為士0 01 也符合上述要求 整個系統(tǒng)采用以8086CPU構(gòu)成的微機系統(tǒng)來實施控制 該系統(tǒng)檢測周期的定時由定時器 計數(shù)器8253來完成 設與8253CLK0相連的時鐘頻率為2MHz OUT0接CLK1 OUT1接8259的IR2 選8253的計數(shù)器0工作在方式2 定時時間20ms 計數(shù)初值為40000D 禁止中斷 計數(shù)器1工作在方式2 計數(shù)次數(shù)50 允許中斷 每中斷一次 即每隔1S 便通知進行定時采樣 采樣子程序框圖圖2 42 a 采樣后有效數(shù)據(jù)的格式圖圖2 42 b 1 A D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標有哪些 在自動化系統(tǒng)設計中 分辨率選擇依據(jù)是什么 轉(zhuǎn)換時間選擇依據(jù)是什么 2 D A轉(zhuǎn)換模板的設計原則有哪些 3 數(shù)字量輸出輸入通道主要哪些環(huán)節(jié)組成 4 畫出教室溫度計算機控制原理示意圖 實物連接示意圖 說明應采購哪些器件 闡述編程思想