1、第2章 输入/输出通道接口技术2.1 概述2.2 模拟量输入通道2.3 A/D转换器及接口技术2.4 模拟量输出通道2.5 D/A转换器及其接口技术2.6 数字量输入/输出通道2.7 过程通道的抗干扰与可靠性设计第第2 2章章 输入输入/输出通道接口技术输出通道接口技术第2章 输入/输出通道接口技术2.1.1 信号和采样定理信号和采样定理1.信号信号控制系统中信号的幅值随时间变化，因此，信号的形式可以从时间和幅值两个方面加以区分。从时间上可以分为连续时间信号和分散时间信号：连续时间信号指在任何时刻都可取值的信号;离散时间信号指仅在离散断续的时间点上出现的信号。从幅值上可以分为模拟信号、离散信号
2、、数字信号。模拟信号指信号的幅值可取任意值的信号，即幅值可以连续变化的信号；离散信号指信号的幅值不可以取任意值，只能取离散值的信号;数字信号指信号的幅值用一定位数的二进制编码形式表示的信号。2.1 2.1 概概 述述第2章 输入/输出通道接口技术不同的信号举例如表2.1所示。计算机控制系统是模拟部件和数字部件共存的混合系统，因此，信号的种类较多，时间上，既有连续信号，也有离散信号；幅值上，既有模拟量，又有离散量和数字量。第2章 输入/输出通道接口技术表表2.1 控制系统中信号形式的分类控制系统中信号形式的分类第2章 输入/输出通道接口技术2.采样过程采样过程完成采样过程的电路是A/D变换器，其
3、作用是将连续模拟信号变换成离散数字编码信号。采样过程分为三个部分：采样、量化及编码，如图2.1所示。图 2.1 采样过程框图第2章 输入/输出通道接口技术(1)采样。图2.1中(S/H)为采样保持器，其按一定的时间间隔T(采样周期)对连续的模拟信号(如图2.2(a)所示)采样，使之变成时间离散、幅值等于采样时刻输入信号值的序列信号，如图2.2(b)所示。保持器还将采样的瞬时值保持到下一个采样时刻，使之在量化过程中维持不变。采样过程的实质是将连续时间信号变为离散时间信号。(2)量化。将采样时刻的信号幅值按最小量化单位取整，这个过程称为整量化。最小量化单位q与A/D变换器的位数n有关，通常q=1/
4、2n。若连续信号为f(t)，采样后它在采样时刻的幅值为f(kt)。f(kt)是模拟量，是可以取任意值的。量化的过程就是将f(kt)近似用Lq表示，从而求整数L的过程。显然，最小量化单位q越小，f(kt)与Lq的差异越小。量化过程如图2.2(c)所示。第2章 输入/输出通道接口技术(3)编码。编码是将整量化的分层信号变换为二进制数码形式，即用数字量表示，如图2.2(d)所示。编码只是信号表示形式的改变，可将它看做是无误差的等效变换过程。第2章 输入/输出通道接口技术图 2.2 采样过程信号形式的变化第2章 输入/输出通道接口技术3.采样定理采样定理1)理想采样信号的时域表示把时间和量值上均连续的
5、模拟信号，按一定的时间间隔T(该间隔称为采样周期)转变为只在瞬间0，1T，2T，kT才有脉冲输出信号的过程称为采样过程。实现采样的装置称为采样器或采样开关(接通电阻为零，断开电阻为无穷大)，并认为采样信号f*(t)是原信号f(t)在采样开关闭合时的瞬时值。经A/D转换后，采样信号f*(t)转变成数字脉冲序列f(T)，f(2T)，f(kT)。f*(t)和f(kT)之间仅差A/D转换过程中的量化误差。采样信号f*(t)可以描述为(2-1)0*)()()(kkTttftf第2章 输入/输出通道接口技术因为已假定为理想采样脉冲，所以f*(t)只与f(t)在脉冲出现瞬间的值f(kT)有关，而与采样时刻以
6、外的值无关。因而，可将式(2-1)改写为(2-2)2)理想采样信号的拉氏变换对时域的采样信号表示式(2-2)进行拉氏变换，得(2-3)0*)()()(kkTtkTftf 00*de)()(de)()()(ksskTfftfsF0e)(e)(kkTskkTskTfkTf第2章 输入/输出通道接口技术若已知连续信号的采样序列值f(kT)，则式(2-3)是求取采样信号拉氏变换F*(s)的基本方法。采样信号拉氏变换F*(s)不仅可以利用式(2-3)求取，如果已知连续信号f(t)的拉氏变换F(s)，也可以通过F(s)求取。由于脉冲序列函数T是周期函数，依据傅里叶级数，该脉冲序列函数可以表示为(2-4)式
7、中，Ck是傅里叶系数，该系数可由下述积分求得(2-5)ktTkkkCkTt)/2(je)(2/2/)/2(jde)(1TTkTtkktkTtTC第2章 输入/输出通道接口技术因为在(-T/2T/2)积分周期内，k=0，仅有一个原点处的脉冲，所以式(2-5)又可写为(2-6)考虑到脉冲函数T的筛选特性所以，式(2-6)可写为(2-7)2/2/)/2(jde)(1TTkTtkkttTC0)(d)()(ttfttftTTCtTtkk1e10)/2(j第2章 输入/输出通道接口技术将该式代入式(2-4)中，得(2-8)依该式，采样信号f*(t)又可以表示为(2-9)ktTkkTkTt)/2(je1)(
8、ktTkkTtfkTttftf)/2(j0*e1)()()()(第2章 输入/输出通道接口技术将s=2/T代入上式，并对式(2-9)进行拉氏变换，可得(2-10)依拉氏变换复位移定理得(2-11)令n=k，得(2-12)ktkktksstfTTtftfsFjj*e)(1e1)()()(ksksFTsF)j(1)(nsnsFTsF)j(1)(第2章 输入/输出通道接口技术3)理想采样信号的频域描述在式(2-12)中,令s=js，则可得采样信号的频谱特性(2-13)由式(2-13)看到，理想采样信号f*(t)的频谱F*(j)与原连续信号f(t)的频谱F(j)有十分密切的关系。图2.3(a)为连续信
9、号的频谱(幅频谱)，图2.3(b)为理想采样信号f*(t)的频谱，其中，T为采样周期，m为连续信号f(t)的最高频率分量。nsnFTF)jj(1)j(第2章 输入/输出通道接口技术图 2.3 连续信号频谱和采样信号频谱第2章 输入/输出通道接口技术 4)采样定理若连续信号的频谱带宽有限，最高频率为m，采样频率s2m，则采样后派生出的高频频谱和基本频谱不会重叠，如图2.3(b)所示。但若s2m时，则采样信号各频谱分量互相交叠，产生严重的频率混叠现象，如图2.4(b)所示。此时，加粗线为采样信号频谱。可见，在采样频率s2m时，是无法从采样信号频谱恢复出原信号的频谱的，采样定理即是由此给出的。第2章
10、 输入/输出通道接口技术图2.4 s2m时频率响应产生混叠第2章 输入/输出通道接口技术2.1.2 采样采样/保持器保持器A/D转换过程(即采样信号的量化过程)需要时间，这个时间称为A/D转换时间。在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以，一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，还需要保持器做信号保持。保持器把t=kT时刻的采样值保持到A/D转换结束。T为采样周期，k=0，1，2，为采样序号。保持器的原理是根据现在或过去时刻的采样值，用常数、线性函数和抛物线函数等去逼近两个采样时刻之间的原信号，相应的保持器可分为零阶保持器、一阶保持器和高阶保持器。其中零阶保持器是
11、最常用的一种信号保持器，本书中以零阶保持器为例加以介绍，其信号的保持过程如图2.5所示。第2章 输入/输出通道接口技术图2.5 零阶保持器的信号保持过程第2章 输入/输出通道接口技术从图2.5中可以看出，零阶保持器的作用是把当前采样时刻kT的采样值f(kT)简单地保持到下一个采样时刻(k+1)T，也就是说，零阶保持器由kT时刻的采样值f(kT)按常数外推，直至下一个采样时刻(k+1)T到来后，换成新的采样值f(k+1)T，继续外推。即fh(t)=f(kT)，kTt(k+1)T(2-14)从图2.5可以看出，零阶保持器的输出不是光滑的。若把fh(t)的每个区间的中点连接起来，则可得到与f(t)形
12、状基本一致，但在时间上落后T/2的时间响应f(tT/2)，这表明零阶保持器会带来时间滞后。此外，fh(t)也可看成是由f(tT/2)信号与高频噪声叠加而成。高频噪声的频率和采样频率成正比，其幅值与连续信号的变化率及采样周期成正比。第2章 输入/输出通道接口技术若零阶保持器的输入为单位脉冲(t)，其输出必为在一个采样周期内保持为常数1的方波信号，其脉冲过渡函数如图2.6所示，其数学表达式为gh(t)=us(t)us(tT)(2-15)第2章 输入/输出通道接口技术图2.6 零阶保持器的输入与输出第2章 输入/输出通道接口技术式(2-15)的拉氏变换式就是零阶保持器的传递函数，即(2-16)sss
13、TtututgsGsTsTsshhe11e1)()()()(第2章 输入/输出通道接口技术通过简单的变换，零阶保持器的频率特性为 (2-17)2/j2/j2/j2/jje2/)2/sin(2/j2)ee(eje1)j(TTTTThTTTTTG)/(je/)/sin(2ssss第2章 输入/输出通道接口技术由式(2-17)可得零阶保持器的幅频特性及相频特性为(2-18)(2-19)sssh/)/sin()(ssshTTTG/)/sin(22/)2/sin()j(第2章 输入/输出通道接口技术依式(2-18)及式(2-19)可得零阶保持器的频率特性曲线，如图2.7所示,由图可见，零阶保持器的特性类
14、似于低通滤波器，然而和理想低通滤波器相比，又有不小的差别：(1)理想滤波器的截止频率为c=s/2，在c时，采样信号无失真地通过，在c时锐截止；而零阶保持器有无限多个截止频率c=ns(n=1，2，)，在0s内，幅值随增加而衰减。(2)零阶保持器允许采样信号的高频分量通过，不过它的幅值是逐渐衰减的。(3)从相频特性看，零阶保持器是一个相位滞后环节，相位滞后的大小与信号频率及采样周期T成正比。第2章 输入/输出通道接口技术图2.7 零阶保持器的频率特性第2章 输入/输出通道接口技术采样保持器的基本组成电路如图2.8所示，由输入输出缓冲器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。采样时，S闭合，VI
15、N通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN,保持期间，S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT=VC保持不变。采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。第2章 输入/输出通道接口技术图2.8 采样保持器的组成第2章 输入/输出通道接口技术2.1.3 模拟开关模拟开关模拟信号输入通道硬件部分关键部件是A/D转换器(模数转换器)。其主要完成将传感器输出的模拟信号转换成数字信号的任务。为了完成对多路信号的测量和转换，而又不增加A/D转换器的数量以节约成本，常采用基于模拟开关的方案，如图2.9所示。在图2.9所示方案中，现场物理量经传感器转换成模拟的电
16、信号，再经模拟多路开关分时地选择其中一路信号送A/D转换器，A/D转换器完成模拟信号到数字信号的转换，并将其送往计算机。于是，计算机就得到了描述此刻对应物理量大小的数字量，据此,计算机便可对该物理量进行显示、记录、分析等各种处理。第2章 输入/输出通道接口技术图2.9 多路模拟信号采样硬件常用方案框图第2章 输入/输出通道接口技术在输入通道中，模拟多路开关的主要作用是把多个输入模拟信号分时接通送入A/D转换器，也就是完成“多到一”的转换。表2.2中列出了几家公司的部分模拟多路开关芯片。第2章 输入/输出通道接口技术表表2.2 常用模拟多路开关芯片常用模拟多路开关芯片第2章 输入/输出通道接口技
17、术下面是半导体模拟多路开关的一些主要特点：具有多种集成电路的封装形式(如DIP、SMD封装等)，尺寸小；直接与TTL(或CMOS)电平相兼容；可采用双极性输入；转换速度快，通常其导通或关断时间在1 s左右，有些产品已达到几十纳秒；寿命长，无机械磨损；接通电阻较低，一般小于100，有的可达几欧；断开电阻高，通常达109 以上。第2章 输入/输出通道接口技术1.模拟多路开关模拟多路开关CD4051CD4051是单端输入8通道多路开关，它带有3个通道选择输入端A、B、C和一个禁止输入端INH，输入端A、B、C的信号用来控制选择8个通道之一被接通。INH=1，也就是INH端为高电平时(如接正电源VDD
18、)，所有通道均断开，禁止模拟信号输入；当INH=0，即INH为低电平(如接地VSS)时，通道接通，允许模拟信号输入。表2.3为CD4051的真值表。输入信号Vi的范围是VDDVEE(负电源)。用户可以根据输入模拟信号的电压范围和数字控制信号的逻辑电平来选择VDD、VSS、VEE的电压值。CD4051允许VDD与VSS的电平差值范围为0.5 V15 V。图2.10所示是CD4051的原理与引脚图。第2章 输入/输出通道接口技术表表2.3 CD4051真值表真值表第2章 输入/输出通道接口技术图2.10 CD4051的原理与引脚图第2章 输入/输出通道接口技术2.CD4051多路开关的扩展应用多路
19、开关的扩展应用在实际应用中，如果被测参数多于8路，使用一个CD4051多路开关不能满足路数的要求，对此可将多个CD4051相连并进行扩展。例如，用两个8通道多路开关CD4051构成16通道多路开关，用两个16通道开关构成32通道多路开关等。如果还不够，也可以用增加译码器的方法，组成通道更多的多路开关。下面举例介绍多路开关的扩展方法。图2.11所示为两个CD4051构成的16通道多路开关连接图。芯片1的多路开关接通工作时，芯片2的多路开关就全部断开；反之，芯片2的多路开关接通工作时，芯片1的多路开关就全部断开。所以，只要一根地址线(或数据线)作为芯片1和芯片2允许控制端的选择信号，而两个芯片的通
20、道选择输入端公用一组地址线(或数据线)。第2章 输入/输出通道接口技术图2.11 CD4051的扩展电路第2章 输入/输出通道接口技术通过改变通道选择线D3D0的状态，即可选通IN0IN15这16个通道之一。D3用来控制芯片1和芯片2的INH输入端的电平。当D3=0时，芯片1被选中，在此前提下，D2D0端的状态改变，只能选通IN0IN7中的一个。当D3=1时，经反相器变为低电平，芯片2被选中，此时，D2D0这三条线上的状态，可使IN8IN15之中的相应通道接通。整个电路的真值表如表2.4所示。第2章 输入/输出通道接口技术表表2.4 16通道选择真值表通道选择真值表第2章 输入/输出通道接口技
21、术第2章 输入/输出通道接口技术2.2.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成模拟量输入通道将被控对象的模拟信号(如电压、电流、温度、压力等)转换为数字信号送给计算机。计算机的模拟量输入通道主要由A/D转换器、采样保持器和多路转换开关组成，如图2.12所示。2.2 2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道第2章 输入/输出通道接口技术图2.12 模拟量输入通道一般结构图第2章 输入/输出通道接口技术2.2.2 A/D转换器的工作原理转换器的工作原理1.逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器1)工作原理逐次逼近式A/D转换器是比较常见的一种A/D转换电路，其原理如图2.13所示。从逐次逼近寄存
22、器SAR输出的二进制编码送至D/A转换器，D/A转换器的输出电压VF(反馈电压)与模拟量输入电压VIN经比较器进行比较后，再控制SAR的数字逼近。逐次逼近式A/D转换器采用类似于天平称重的原理，从SAR的最高位开始逐位进行比较，并逐位确定其数码取“1”还是取“0”，比较完毕就把SAR状态送到数字量输出锁存器，完成一次A/D转换。第2章 输入/输出通道接口技术图2.13 逐次逼近式A/D转换器原理框图第2章 输入/输出通道接口技术逐次逼近式A/D转换器的核心部分是SAR和D/A转换器。现以理想的2位A/D转换器为例，说明其工作过程。如图2.14所示，D/A转换的输出电压VF的大小取决于正负基准电
23、压源(VREF+，VREF)和开关树中各位权开关Sij的状态，开关的通、断又取决于SAR各位的状态。其中D1位控制权开关S10和S11，当D1=1时，S10闭合而S11却断开；当D1=0时，则反之。而D0位控制权开关S00S03，当D0=1时，S00和S02闭合而S01和S03却断开；当D0=0时，则反之。第2章 输入/输出通道接口技术图2.14 理想的2位A/D转换器示意图第2章 输入/输出通道接口技术根据上述逐次逼近式转换器的原理，n位A/D转换器输出的二进制数字量B与输入模拟电压VIN、正基准电压VREF+、负基准电压VREF的关系为设A/D转换器为8位，VREF+=5.00 V，VRE
24、F=0 V，那么VIN为0 V、2.5 V、5.0 V对应的数字量分别为00H、7FH、0FFH。nVVVVB2REFREFREFIN第2章 输入/输出通道接口技术2)芯片举例逐次逼近式A/D转换器的品种很多，既有中分辨率的，也有高分辨率的；不仅有单极性电压输入，也有双极性电压输入；转换速度也有快慢之分。下面以12位快速逐次逼近式A/D转换芯片AD574A为例加以介绍。AD574A是一种由双片双极型电路组成的28脚双列直插式集成A/D器件，双片为一片模拟芯片和一片数字芯片，模拟芯片为AD565A型快速12位单片集成D/A转换芯片；数字芯片则包括高性能比较器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控
25、制电路以及三态数据输出锁存器等。第2章 输入/输出通道接口技术无需外接元器件就可以独立完成A/D转换功能。非线性误差小于12LSB或1LSB，一次转换时间为25 s，所需电源为15 V和+5 V。由于芯片内部比较器的输入回路接有可改变量程的电阻和双极性输入偏置电阻，因此，AD574的模拟量输入量程有0+10 V、0+20 V、5 V+5 V以及10 V+10 V四种；可以接成单极性或双极性输入；器件带有基准参考电压输出，供用户选用；并且可以很方便地进行零点调整、增益调整。AD574A还有A/D启动控制端，A/D转换结束信号输出端，A/D转换精度控制端(8位或12位)，输出数据格式控制端(12位
26、一次送出，或分成8位和4位二次送出)。第2章 输入/输出通道接口技术1)工作原理双积分式A/D转换器的工作原理如图2.15所示。首先将电路中的切换开关S打在1端，对模拟输入电压VIN进行固定时间t1的正向积分，积分器的输出电压由零慢慢地上升，其上升的速率与输入电压VIN成正比。当固定时间t1到后，计数器清零，切换开关S自动从1端切至2端，对积分器进行反向积分，并自动按一定的频率进行计数。积分器的输出电压从正向积分结束时的VI开始下降，因反向积分时加在积分器输入端上的基准电压VREF(负电压)是恒定的，所以其下降的斜率也是恒定的。第2章 输入/输出通道接口技术当反向积分使其积分器输出为零时，比较
27、器输出由高电平变为低电平，此时关闭计数器计数，完成一次A/D转换工作。从图2.16可以看出，双积分式A/D每进行一次转换，都要进行一次固定时间的正向积分(上升)和一次积分时间与输入电压幅度成正比的反向积分(下降)，故称为双积分。比较器的输出仅与积分器的输出电压有关，当输出电压大于零时，比较器输出为高电平，反之则为低电平。第2章 输入/输出通道接口技术图2.15 双积分式A/D转换的原理框图第2章 输入/输出通道接口技术图2.16 双积分A/D的工作示意图第2章 输入/输出通道接口技术2)芯片举例MC14433是廉价型三位半双积分式A/D转换器。它有两挡输入量程：1.999 mV0+1.999
28、mV或199.9 mV0+199.9 mV，相应的基准电压为2 V或200 mV，器件带有内部时钟，只要外接一只电阻即可，外接电阻的阻值在00 k470 k左右，电阻越大，振荡频率越低，转换速度越慢。此外，还需要外接一只失调补偿电容、一只积分电容和一只积分电阻，补偿电容和积分电容应选温度系数好、性能稳定、漏电流小的涤纶等精密电容，容量为0.1 F。积分电阻要求不高，金属膜即可，当容量为2 V时，选470 k；量程为200 mV时，选27 k。第2章 输入/输出通道接口技术2.2.3 A/D转换器的技术指标转换器的技术指标A/D转换器主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要
29、求等。转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。分辨率：通常用数字量的位数n(字长)来表示，如8位、12位、16位等。分辨率为n位表示它能对满量程输入的1/2n的增量做出反映，即数字量的最低有效位(LSB)对应于满量程输入的1/2n。若n=8，满量程输入为5.12 V，则LSB对应于模拟电压5.12 V/28=20 mV。第2章 输入/输出通道接口技术线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如12LSB或LSB。量程：即所能转换的输入电压范围，如5 V+5 V，
30、010 V，05 V等。对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。第2章 输入/输出通道接口技术2.3.1 8位位A/D转换器及接口技术转换器及接口技术1.ADC 0808/0809介绍介绍ADC 0808/0809是8位逐次逼近型A/D转换器，芯片内还包含有8通道多路开关及与计算机兼容的控制逻辑。在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256R电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器SAR。8通道多路模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个输入通道中任意接通一个通道的模拟信号。其原理框图如图2.17所
31、示。2.3 A/D2.3 A/D转换器及接口技术转换器及接口技术第2章 输入/输出通道接口技术图2.17 ADC0808/0809原理框图第2章 输入/输出通道接口技术1)ADC 0808/0809的引脚功能2)ADC 0808/0809的主要技术指标单一电源，+5 V供电，模拟量输入范围为05 V。分辨率为8位。最大不可调误差：ADC08081/2LSB；ADC08090时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管的输出特性相似。第2章 输入/输出通道接口技术3.作线性耦合器作线性耦合器
32、 在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压做线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延时，不同结构的光电耦合器输入、输出延时相差很大。第2章 输入/输出通道接口技术2.6.2 数字量输入数字量输入/输出通道输出通道数字量输入通道(DI通道)的任务是把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。虽然都是数字信号，不需进行A/D转换，但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施，即在外部信号与单片机之间要设置输
33、入信号调理电路。在数字量输入电路中，如图2.30所示，主要考虑：第2章 输入/输出通道接口技术(1)电平转换用电阻分压法把电流信号转换为电压信号。(2)RC滤波用RC滤波器滤出高频干扰。(3)过电压保护用稳压管和限流电阻做过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。(4)反电压保护串联一个二极管防止反极性电压输入。(5)光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。第2章 输入/输出通道接口技术图2.30 数字量输入电路第2章 输入/输出通道接口技术数字量输出通道(简称 DO 通道)，其任务主要是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号。常用电路
34、有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。对于低压情况下的小电流开关量，用功率三极管就可做开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积，如图2.31所示。第2章 输入/输出通道接口技术图2.31 小功率三极管输出电路第2章 输入/输出通道接口技术当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。达林顿阵列驱动电路由多对两个三极管组成的达林顿复合管构成，其具有高输
35、入阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点，同时多对复合管适用于计算机控制系统中的多路负荷，其电路结构如图2.32所示。第2章 输入/输出通道接口技术图2.32 达林顿阵列驱动电路图第2章 输入/输出通道接口技术另外一个常用输出接口是继电器输出接口。继电器是电气控制中常用的控制器件，继电器由线圈和触点(动合或动断)构成。当线圈通电时，由于磁场的作用，使开关触点闭合(或断开)；当线圈不通电时，则开关触点断开(或闭合)。继电器的线圈通常可以用直流低电压控制，如9 V、12 V、24 V等，而触点输出部分可以直接与市电(交流220 V)相连接。虽然继电器的控制线圈与开关触点在电路上不相连，具有一
36、定的隔离作用，但在与计算机的输出接口相连时，通常还是采用光电隔离器进行隔离，常用的接口电路如图2.33所示。第2章 输入/输出通道接口技术图2.33 继电器接口电路第2章 输入/输出通道接口技术2.7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制在控制系统中，主要的抗串模干扰措施是用低通输入滤波器滤除交流干扰，而对于直流串模干扰则采用补偿措施。常用的低通滤波器有RC网络、LC网络、双T网络及有源滤波器。2.7 2.7 过程通道的抗干扰与可靠性设计过程通道的抗干扰与可靠性设计第2章 输入/输出通道接口技术RC 网络的结构简单，成本低，不需要调整，串模抑制比(SMR)不高，需串联23 级RC网络才能达到指
37、标，而RC过大又影响放大器的动态特性。LC网络的SMR 较高，但需要绕制电容，体积大，成本高。双 T 网络对固定频率的干扰具有很高的SMR，偏离该频率后SMR下降。低通滤波器主要用于滤除工频干扰，对高频不行，结构简单但调整比较复杂。有源滤波器可获得较理想的频率特性，但作为仪表输入级，有源器件的共模抑制比(CMR)一般难以满足要求，本身带来的干扰也较大。所以工程实践中经常采用的是 RC 网络滤波，其典型应用原理图如图2.34所示。选择 RC 参数时，除了要满足SMR 指标外，还要考虑信号源的内阻抗，兼顾CMR 和放大器特性的要求，常用2 级RC网络作为输入的滤波器。第2章 输入/输出通道接口技术
38、图2.34 双级网络示意图第2章 输入/输出通道接口技术此外,双积分式 A/D 转换器可以削弱周期性的串模干扰的影响。因为A/D 转换器对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以对周期性干扰有很强的抑制作用。另外,还可以通过提高阈值电平来抑制低噪声的干扰，或采用低速逻辑器件来抑制高频干扰；以及人为附加电容来抑制高频干扰(脉冲干扰)。若串模干扰的变化速度与被测信号相当，即频率相当，则一般很难通过以上措施来抑制干扰对测量元器件或变送器进行良好的电磁屏蔽，信号线应选用带屏蔽的双绞线或电缆线，并应有良好的接地系统。第2章 输入/输出通道接口技术一般情况下可以考虑如下原则。(1)若串模干扰频率比被测信
39、号频率高，则采用低通滤波器来抑制高频串模干扰。(2)如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰。(3)如果干扰频率处于被测信号频谱的两侧，则使用带通滤波器较为适宜。第2章 输入/输出通道接口技术(4)当尖峰型串模干扰成为主要干扰源，系统对采样速率要求不高时，使用双斜率积分式A/D 转换器可以削弱串模干扰的影响。(5)对于主要来自电磁感应的串模干扰，应尽可能早地对被测信号进行前置放大，以提高回路中的信噪比(SIN)，或尽可能早地完成A/D 转换或采用隔离和屏蔽等措施。(6)如果串模干扰的变化速度与被测信号相当，则应消除产生串模干扰的根源，并在软件中使用数字滤波技术。第2
40、章 输入/输出通道接口技术2.7.2 共模干扰及其抑制共模干扰及其抑制1.变压器隔离变压器隔离变压器隔离干扰的原理图如图2.35所示，利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，即把模拟地与数字地断开，使共模干扰电压不成回路，抑制共模干扰。第2章 输入/输出通道接口技术图2.35 变压器隔离示意图第2章 输入/输出通道接口技术2.光电隔离光电隔离光耦合器，简称光耦，是以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的，如图2.36所示。利用光耦合器完成信号的传送，实现电路的隔离。第2章 输入/输出通道接口技术图2.36 光耦合隔离电路图第2章
41、 输入/输出通道接口技术3.继电器隔离继电器隔离利用继电器的线圈与触点之间没有电气联系的特点，在信号通道里加接继电器可实现强弱电之间的抗干扰隔离。常用电路如图2.38所示。第2章 输入/输出通道接口技术图2.37 光电耦合隔离应用电路图第2章 输入/输出通道接口技术图2.38 继电器隔离示意图第2章 输入/输出通道接口技术4.屏蔽方法屏蔽方法利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。第2章 输入/输出通道接口技术2.7.3 长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制1.屏蔽信号线屏蔽信号线对于来自现场信号开关柜的输出信号，最简单的办法是采用塑料绝缘的双平行软线。但双平行线间
42、分布电容较大，抗干扰能力差，不仅静电感应容易通过分布电容耦合，而且磁场干扰也会在信号线上感应出干扰电流。第2章 输入/输出通道接口技术在微机实时系统的长线传输中，双绞线是较常用的一种传输线，与同轴电缆相比，虽然频带较差，但波阻抗高，抗共模干扰能力强，双绞线能使各个小环路的电磁感应干抗相互抵消；双绞线分布电容为几十皮法(pF)，距离信号源近，可起到积分作用，故双绞线对电磁场有一定抑制效果，但对接地与节距有特定要求。如将信号线加以屏蔽，可以大大地提高抗干扰能力。屏蔽信号线的办法有两种：一种是采用双绞线，其中一根用做屏蔽线，另一根用做信号传输线。把信号输出线和返回线两根导线拧合，其绞节距的长短与该导
43、线的线径有关。线径越细、节距越短，抑制感应干扰的效果越明显。实际上，节距越短，所用的导线的长度便越长，从而增加了导线的成本，一般节距以5 cm 为宜，如图2.39所示。第2章 输入/输出通道接口技术图2.39 双绞线屏蔽示意图第2章 输入/输出通道接口技术另一种是采用金属网状编织的屏蔽线，金属编织网做屏蔽外层，芯线用来传输信号。一般的原则：抑制静电感应干扰采用金属网的屏蔽线，抑制电磁感应干扰应该用双绞线。如图2.40所示，用于传递信号的屏蔽线的屏蔽层和RC为共模电压Ucm 提供了共模电流的通道。由于RC的存在，共模电压Ucm 在RC上会产生较小的共模信号，它将在模拟量输入回路中产生共模电流Ic
44、m2，Icm2会在模拟量输入回路中产生串模干扰电压。这种干扰属于串模干扰。第2章 输入/输出通道接口技术图2.40 带屏蔽层的屏蔽线示意图第2章 输入/输出通道接口技术需要注意以下事项。(1)信号线屏蔽层只允许一端接地，并且只能在信号源侧接地，而放大器一侧不得接地，当信号源为浮地方式时，屏蔽层只接信号源的低电位端。(2)模拟信号的输入端要相应地采用三线采样开关。(3)在设计输入电路时，应使放大器两输入端对屏蔽罩的绝缘电阻尽量对称，并且尽可能减小线路的不平衡电阻。采用浮地输入的仪表输入通道增加了一些器件，如每路信号都要用屏蔽线和三线开关，对放大器本身的CMR 要求大大降低，因此这种方案已得到广泛
45、应用。第2章 输入/输出通道接口技术2.双绞线不同的使用方法双绞线不同的使用方法根据传送距离不同，双绞线使用方法也不同，如图2.41所示。(1)传送距离小于5 m，收发端装负载电阻。若发射侧为集电极开路型，接收侧的集成电路用施密特型(阴极耦合双稳态多谐振荡器式)，则抗干扰能力更好，如图2.41(a)所示。(2)距离超过10 m 或经过噪声严重污染的区域时，可使用平衡输出的驱动器和平衡输入的接收器，收发端有末端电阻，如图2.41(b)和(c)所示。第2章 输入/输出通道接口技术图2.41 双绞线使用示意图第2章 输入/输出通道接口技术3.双绞线与光耦联合使用双绞线与光耦联合使用当双绞线与光耦联合使用时，可按图2.42所示的方式连接。图(a)是集电极开路IC(如7407 等)与光耦的一般连接情况，如果在光耦的光电晶体管的基极上接有电容(数皮法0.01 F)及电阻(10 M20 M)，且后面跟接施密特型集成电路，则会大大加强抗振荡与抗干扰的能力，如图(b)所示。图(c)为开关接点通过双线与光耦连接的一般情况。第2章 输入/输出通道接口技术图2.42 双绞线与光耦连接方式示意图
