計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案(第二章)

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》第二章輸入輸出接口與過程通道

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》輸入輸出通道《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》y(t)

控制規(guī)律D(Z)D/A被控對(duì)象反饋裝置A/Du(t)u*(t)b(t)b*(t)r(nT)—A/D：模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)D/A：數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)b*(t):對(duì)模擬信號(hào)b(t)進(jìn)行采樣所得到的數(shù)字信號(hào)u*(t):計(jì)算機(jī)控制輸出的數(shù)字信號(hào)被連續(xù)化為u(t)

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》幾個(gè)常見問題怎樣獲得和控制外界溫度？計(jì)算機(jī)怎樣測量交流電壓？計(jì)算機(jī)怎樣知道你按下的是哪一個(gè)控制按鈕？計(jì)算機(jī)怎樣控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止？計(jì)算機(jī)怎樣控制電機(jī)轉(zhuǎn)速？《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》1基本概念(1)

接口就是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間交換信息的橋梁。過程通道計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。（物理上連接）

（數(shù)字量）（數(shù)字量/模擬量）數(shù)字量數(shù)字量過程通道輸入通道輸出通道數(shù)字量輸入通道模擬量輸入通道數(shù)字量輸出通道模擬量輸出通道《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》1基本概念(2)數(shù)字量（開關(guān)量）

0、1兩個(gè)數(shù)來表示某信號(hào)的兩種狀態(tài)，如開關(guān)的開合，指示燈亮滅，繼電器、接觸器的吸合與釋放等。模擬量

連續(xù)信號(hào)，信號(hào)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。如溫度量，濕度，電壓，電流，壓力等。tA《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》2數(shù)字量輸入通道（1）通道結(jié)構(gòu)

主要有輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路和地址譯碼電路等

輸入緩沖器輸入調(diào)理電路地址譯碼器PC總線來自生產(chǎn)過程《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》2數(shù)字量輸入通道（2）輸入緩沖器將調(diào)理好的數(shù)字邏輯信號(hào)暫存起來信號(hào)調(diào)理將現(xiàn)場輸入的開關(guān)量狀態(tài)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào)的過程叫信號(hào)調(diào)理。輸入調(diào)理電路1.小功率輸入調(diào)理電路2.大功率輸入調(diào)理電路《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》2數(shù)字量輸入通道（3）小功率輸入調(diào)理電路+5VK+5V采用積分電路（小功率）采用R-S觸發(fā)器（小功率）《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》2數(shù)字量輸入通道（4）接口硬件通常采用三態(tài)門緩沖器74LS244，獲取數(shù)字量信息。讀數(shù)程序

MOVDX，PortINAL，DXPort是系統(tǒng)分配給該輸入通道的地址值?！队?jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》2數(shù)字量輸入通道（5）地址譯碼器選通緩沖器，讀入數(shù)字量譯碼器地址線片選練習(xí)：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)電機(jī)啟停按鈕輸入電路?《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》2數(shù)字量輸入通道（6）大功率輸入調(diào)理電路+48V+5V《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》3數(shù)字量輸出通道（1）

通道結(jié)構(gòu)：由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出口地址譯碼電路輸出鎖存器輸出驅(qū)動(dòng)器地址譯碼器PC總線來自生產(chǎn)過程《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》3數(shù)字量輸出通道（2）輸出鎖存器

8位輸出鎖存器74LS273（常用）輸出驅(qū)動(dòng)電路

小功率直流驅(qū)動(dòng)電路功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路達(dá)林頓陣列輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路大功率輸出驅(qū)動(dòng)電路固態(tài)繼電器SSR大功率交流驅(qū)動(dòng)電路《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》3數(shù)字量輸出通道（3）小功率直流驅(qū)動(dòng)電路功率晶體管J+24V

功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)繼電器MC1416驅(qū)動(dòng)7個(gè)繼電器練習(xí)：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)電機(jī)啟?？刂戚敵鲭娐?？《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》3數(shù)字量輸出通道（4）大功率驅(qū)動(dòng)電路

1）直流SSR2）交流SSRSSR采用光電耦合技術(shù)進(jìn)行隔離。輸入電流小，輸出無觸點(diǎn)，體積小，重量輕，無機(jī)械噪聲，無抖動(dòng)，開關(guān)速度快，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)?！队?jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》3數(shù)字量輸出通道（5）《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》課堂討論題系統(tǒng)名稱：自助銀行門禁系統(tǒng)要求：能采用兩種方式開關(guān)門；能自動(dòng)記錄自動(dòng)門開關(guān)次數(shù)；請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)開關(guān)門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道（1）

完整的模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖生產(chǎn)過程傳感器變送器多路開關(guān)I/V放大器采樣保持器A/D接口電路PC總線《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道（2）1)傳感器用于將被測物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件。常用傳感器舉例：溫度測量：熱電阻（0–200度） 熱電偶（200–1500度）壓力測量：彈簧位移、壓敏器件流量測量：壓力差原理位移測量：電位器、光柵…速度測量：電磁感應(yīng)……

…《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道（3）2)變送器用于將傳感器信號(hào)進(jìn)行初步處理。包括：

a.信號(hào)濾波：實(shí)現(xiàn)一個(gè)低通濾波器，濾除常見高頻干擾

b.小信號(hào)放大：小信號(hào)易受干擾，不易傳輸，要進(jìn)行放大。

c.I與V變換：將電壓、電流、電阻信號(hào)統(tǒng)一變換為規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以利于傳輸使用。常見標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)：范圍0~5v

П型儀表標(biāo)準(zhǔn)：范圍0~10mA

Ш型儀表標(biāo)準(zhǔn)：范圍4~20mA

d.非線性補(bǔ)償：對(duì)實(shí)際物理信號(hào)與電信號(hào)成非線性關(guān)系的情況進(jìn)行補(bǔ)償操作，使其成為線性關(guān)系，這部分工作亦可由計(jì)算機(jī)軟件完成。

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道（4）3)多路開關(guān)

用于分時(shí)選擇某一路信號(hào)通過進(jìn)行后續(xù)處理。

1.功能：可用作多對(duì)一多路選擇器或一對(duì)多多路分配器。模擬多路開關(guān)一般均是雙向的。

2.原理：采用輸入地址譯碼，用譯碼信號(hào)控制開關(guān)，任一時(shí)刻至多只有一個(gè)開關(guān)閉合。譯碼輸出/入地址輸入/出《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(5)

多路開關(guān)有機(jī)械式和電子式兩類：

(1)機(jī)械式一般用干簧繼電器實(shí)現(xiàn)：通過外部線圈產(chǎn)生磁場，使之吸合或斷開。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，導(dǎo)通電阻小，斷路電阻大，但速度慢，工作頻率低。

(2)電子式一般用MOS場效應(yīng)三級(jí)管實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)是速度快，工作頻率高，缺點(diǎn)是開、閉時(shí)都有一定的電阻。而普通的硅三級(jí)管導(dǎo)通有壓降，不適用。MOS管導(dǎo)通只有較小的電阻。信號(hào)信號(hào)信號(hào)信號(hào)控制《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(6)CMOS4000系列中的CD40518選一

CD40524選一*2CD40532選一*3以CD4051為例，是一個(gè)16pin封裝雙列直插式芯片管腳包括：電源腳3個(gè)模擬信號(hào)線9個(gè)地線3個(gè)使能端1個(gè)INH使用中Uss、Uee可共地，Udd工作電壓在3~15V，INH接片選18169in4in6outin7in5INHuEEuSSin2uDDin1in0in3BAC地址《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(7)4)I/V放大器用于改善電路特性，主要是加大輸入阻抗，增加驅(qū)動(dòng)能力，亦用于無變送器時(shí)的小信號(hào)放大。用于改善電路特性時(shí)，放大倍數(shù)為1。無源I/V變換VIR1R2+5VI=0～10mAV=0～5V

I=4～20mAV=1～5V《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(8)有源I/V變換放大系數(shù)A=?虛短路虛斷路（1）線性放大區(qū)；（2）負(fù)反饋狀態(tài)?！队?jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(9)5)A/D轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字量模擬量A/DA/D轉(zhuǎn)換器原理

逐次逼近式轉(zhuǎn)換器原理雙斜積分式轉(zhuǎn)換原理電壓頻率（V/F）原理《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(10)逐次逼近式轉(zhuǎn)換原理

精度高，速度快、抗干擾性能相對(duì)較差常用的有8位ADC0809，12位AD574

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(11)采樣采樣是按一定時(shí)間間隔重復(fù)進(jìn)行的，這個(gè)時(shí)間間隔稱為：采樣周期，用T表示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以數(shù)字系統(tǒng)控制模擬對(duì)象，其特征是采樣,故又稱其為：采樣控制系統(tǒng)將A/D轉(zhuǎn)換過程用每隔采樣周期T瞬間閉合一次的理想開關(guān)來等效：采樣開關(guān)?！队?jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(12)采樣數(shù)學(xué)模型e(t)t理想的單位脈沖序列T：采樣周期，n：整數(shù)0t5T《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(13)采樣過程可以看成是脈沖調(diào)制過程,模擬信號(hào)e(t)采樣后：t0e*(t)0e(t)t0t5TT多大時(shí)信號(hào)不失真？《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(14)采樣特性連續(xù)信號(hào)采樣后，采樣間隔內(nèi)的信號(hào)信息丟失，存在失真;采樣周期T小，采樣頻率Ws高，則有利于減少失真;連續(xù)信號(hào)本身變化慢，即其最高頻率分量Wmax低，則允許較慢的采樣頻率;問題：Ws和Wmax間怎樣的關(guān)系可以滿足要求？香農(nóng)(Shannon)定理：

如果隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)的最高頻率為ωmax，只要按照采樣頻率ωs≥2ωmax進(jìn)行采樣，那么取出的樣品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。實(shí)際當(dāng)中，常取Ws≥(5-10)Wmax。《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(15)量化

將采樣信號(hào)的幅值一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近，量化執(zhí)行者就是A/D轉(zhuǎn)換器。量化單位——也就是數(shù)字量最低能表示的模擬量的值，也就是最小能分辨率的值。假設(shè)采樣信號(hào)幅值變化范圍為Ymin～Ymax

，A/D字長為n，數(shù)字量范圍0～，量化單位如果現(xiàn)在幅值為y，則A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)字量為存在的誤差——稱為量化誤差

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(16)A/D轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)間——由模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需時(shí)間，反應(yīng)A/D的速度；分辯率——通常用轉(zhuǎn)換后的數(shù)子量的位數(shù)表示，最小能分辯出滿量程的1/(2n-1)的增量值；線性誤差——轉(zhuǎn)換都是基于線性系統(tǒng)得到的數(shù)子量，但實(shí)際并非如此，在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換值的最大誤差定義為線性誤差；量程——輸入電壓范圍，一般-5～+5V，0～5V，0～10V等；基準(zhǔn)電源的精度要求，使用精密電源。

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(17)MCS-51系列單片機(jī)和ADC0809的接口《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(18)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸入通道(17)6)采樣保持器用于在A/D轉(zhuǎn)換期間保持輸入電平,常用采樣保持器：LF398，AD582等。1.孔徑誤差：由于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)變化而引起的誤差2.保持器工作原理：a.控制信號(hào)有效，K閉合，CH充電至模擬輸入IN的電平。b.控制信號(hào)撤消，K斷開，CH保持的電平經(jīng)運(yùn)放由模擬輸出OUT端送出。閉合時(shí)充電快（R?。?，斷開時(shí)運(yùn)放內(nèi)阻大，無或少漏流。因?yàn)槌潆姴蓸訒r(shí)間遠(yuǎn)小于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以減少了孔徑誤差。K+_CHOUT控制信號(hào)RIN《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》傳感器輸入通道接口請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)溫度采集電路《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(1)模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)型式根據(jù)輸出信號(hào)方式，可以有兩種基本結(jié)構(gòu)型式：一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器(一對(duì)一)

多一個(gè)通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器(多對(duì)一)

模擬信號(hào)PC總線接口D/AV/I和自動(dòng)/手動(dòng)切換《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(2)一對(duì)一模擬量輸出通道組成模擬PC選通信號(hào)緩沖寄存器緩沖高存器輸出寄存器D/AV/I和自/手動(dòng)切換輸出寄存器D/AV/I和自/手動(dòng)切換《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(3)多對(duì)一模擬量輸出通道組成模擬PC選通信號(hào)接口D/AV/I和自/手動(dòng)切換V/I和自/手動(dòng)切換多路開關(guān)采樣保持采樣保持《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(4)數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）：將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的過程n位D/A轉(zhuǎn)換器（T型電阻網(wǎng)絡(luò)：由T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，參考電壓UR，n位切換開關(guān)Si，電阻網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)算放大器等構(gòu)成）ADD/A《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(5)T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換

UR

R

S1

S2

S3

R

A1

d1

d2

d3

(MSB)

2RI8RI4RI2RI2R

2R

2R

4RIUo

R

dn-1

dn

(LSB)

1R2-nInI2RnI2R1R2-nI2R

2R

2R

Io

Sn-1

Sn

R1

A2

A3

An-1

An

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

∞

-

+

+

N

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(6)假設(shè)4位D/A轉(zhuǎn)換，則上式中D不是0就是1，0表示切換開關(guān)與參考電壓UR接通，該位有電流輸入。當(dāng)為n位二進(jìn)制輸入時(shí)，則《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(7)當(dāng)輸入數(shù)字全為零時(shí)：當(dāng)輸入數(shù)字全為1時(shí)，即滿刻度輸出為最低有效位LSB為由此可見，D/A轉(zhuǎn)換器是提供電流的器件，所以在D/A的輸出加運(yùn)算放大器才能轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。D/A的輸出電壓不僅與二進(jìn)制碼有關(guān)，而且與運(yùn)算放大器的反饋電阻R1，基準(zhǔn)電壓UREF有關(guān)?！队?jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(8)D/A轉(zhuǎn)換器主要參數(shù)①

分辨率：與A/D相同②

精度：實(shí)際值與理論值的誤差③

穩(wěn)定時(shí)間：輸入為滿刻度值時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間。④

輸入編碼：二進(jìn)制，BCD碼等。

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(9)8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

引腳說明：D0~D7：數(shù)據(jù)線CS：片選Xfer：傳輸片選ILE：數(shù)據(jù)輸入允許WR1/WR2：寫信號(hào)Iout1/Iout2:電流互補(bǔ)輸出。即：Iout1+

Iout2=常數(shù)Rfb：反饋電阻VREF/AGND：基準(zhǔn)源，模擬地VCC/GND：邏輯電源電流輸出反饋電阻標(biāo)準(zhǔn)源寫信號(hào)Iout1Iout2RfbVrefVGNDWR1WR2數(shù)據(jù)XferD0~D7ILE傳輸片選片選輸入允許《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(10)DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(11)單極性與雙極性電壓輸出電路

單極性電壓輸出電路R3RfbIout1Iout2AGNDVout1C2R2R1C1-12V《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(12)雙極性電壓輸出電路i1i2Vout2i=0R3=2RR2=RR1=2RVout1VREFu=0《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(13)DAC0832應(yīng)用電路《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》4模擬量輸出通道(12)作業(yè)：模擬量輸出通道設(shè)計(jì)要求：

8通道模擬量輸出

D/A選用DAC0832多路開關(guān)CD4051

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》5硬件抗干擾技術(shù)

干擾——造成計(jì)算機(jī)的設(shè)備不能正常工作的破壞因素干擾源——產(chǎn)生干擾的源泉

內(nèi)干擾——由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，制造工藝等決定外部干擾——主要是來自空間電或磁的影響，還有環(huán)境溫度、濕度等電網(wǎng)噪聲——電網(wǎng)中大功率設(shè)備感性負(fù)載的啟動(dòng)等產(chǎn)生分布電容，電感引起的耦合感應(yīng)電磁輻射感應(yīng)長線傳輸?shù)牟ǚ瓷涠帱c(diǎn)接地引起電位差熱噪聲《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》5硬件抗干擾技術(shù)干擾的分類不論什么樣的干擾源，對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾總是通過傳導(dǎo)和直接輻射兩種途徑進(jìn)入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的，其耦合的方式有靜電耦合、互感耦合、共阻抗耦合、電磁場輻射耦合等。按干擾的作用方式不同，可以分為常態(tài)和共態(tài)干擾兩種。《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》5硬件抗干擾技術(shù)常態(tài)干擾：疊加在被測信號(hào)上的干擾噪聲，又稱為串模干擾。《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》5硬件抗干擾技術(shù)共態(tài)干擾：A/D轉(zhuǎn)換器兩個(gè)輸入端上公有的干擾電壓，又稱為共模干擾?！队?jì)算機(jī)控制技術(shù)教案》5硬件抗干擾技術(shù)常用抗干擾措施

硬件措施,可抗絕大多數(shù)的干擾;軟件措施,軟件濾波，軟件糾錯(cuò)技術(shù)等,可作為第二道防線;過程通?？垢蓴_技術(shù)(硬件)

串模