第二章输入输出接口和输入输出通道详解.ppt

第四节 I/O通道 本节主要内容： 模拟、数字I/O通道的构成、功能和设计方法； D/A、A/D转换器的选择和使用方法； 会设计常用的I/O通道。 I/O通道的任务： 将检测器件测取的各种参量变换成计算机所能接受的信息形式送入计算机；计算机按某种算法计算后，又将其计算结果以数字量或转换成模拟量的形式输出至被控对象，以控制执行机构动作。 一、模拟量输入通道 模拟量输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。 由图2-35可以看到，它主要由信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、A/D转换器和控制电路等部分组成。 （一）信号处理装置 一般包括标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。 标度变换器：把经由各种传感器得到的被测模拟信号转成统一标准信号。 标度变换器包含在变送器中，电路通常为电阻网络或电桥。 滤波：模拟滤波、数字滤波 线性化处理，在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路（如冷端补偿）的办法达到目的。软件上可用计算机进行分段线性化数字处理的办法。 (二) 采样单元 采样单元也称为多路转换器或多路切换开关。 作用：把已转换成统一电压信号（0~40mV）的测量信号按序或随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。即：在模拟输入通道中，借助采样单元把多路模拟量分时接到A/D转换器进行转换，实现了CPU对各路模拟量分时采集的目的。 组成：开关矩阵及其逻辑控制电路组成。 1. 逻辑控制电路：在软件或通道控制电路的控制下，保证以一定的速度和所要求的次序一个一个的选择被测模拟信号的输入。 2.开关矩阵：由模拟开关构成。 CD4051原理框图 改变OUT/IN和IN/OUT的接法，可完成“多到一”或“一到多”的转换。前者称为多路开关，后者称为多路调制器或多路解调器。直流供电电源VDD=+5V~+15V，输入电压UIN=0~VDD，能传送的数字信号电位变化范围位3~15V，模拟信号峰峰值15V。VEE接负电源时，正负模拟电压均可通过。 (三) 采样保持 在一般的A/D转换电路中，由于输入的模拟量变化频率较高，而且A/D转换速度又不是很高，以及多个过程参量输入的情况下，仅仅靠A/D转换器难以保证转换的精度。这时候一般要在A/D转换之前加上采样保持器，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。 （四）数据放大器 由采样单元或采样保持器输出的被测电压信号通常是0~40mV的弱信号，而A/D转换器要求输入电压一般都是0~+5V、0~+10V、±5V、±10V。因此须经放大器，从而提高输出电平，实现阻抗匹配。或经差分放大提高共模抑制比，然后才能送A/D转换器。 二、采样与量化 模拟信号转化为数字信号的过程可以划分为采样过程和量化过程。 （一）采样过程 将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。 （二）量化过程 用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。 量化单位：量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值 。 量化误差最大值为 三、模拟量输出通道 功能：把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。 组成：D/A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路等。 四、模拟量输入输出通道的工作过程分析 五、数字量输入输出通道 * I/O通道是连接计算机和工业对象（生产过程或生产机械等）的必不可少的重要部分。 I/O通道的分类： 1. 模拟量输入通道 2. 模拟量输出通道 3. 数字量输入通道 4. 数字量输出通道 模拟开关：以某种方式接通或断开模拟信号的元件或电路。 要求：接通时，接触电阻小，以减少开关压降，精密传送信号；断开时，截止电阻极大，可靠的断开与其它电路的联系；动作速度快、驱动功率小；使用寿命长。 分类： 1. 机械式触点或开关，如干簧（或湿簧）继电器、水银继电器等，其优点：导电电阻小，开路电阻大，但响应速度比较慢，使用久了触点不易清洗，易误动作。多用于100～200点/s以下的采样系统 2. 晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关。其优点：开关速度快（可达1000点/s），使用寿命长，无机械磨损，接触电阻低（一般小于100Ω ）断开电阻高（109 Ω以上），已制成集成电路。有8通道，16通道，32通道，如CD4051、CD4052、LF11508、LF13508。 表2-9 CD4051真值表 输入状态 INH C B A 接通通道号 CD4051 输入状态 接通通道号 INH C B