计算机控制系统第7章课件.ppt

1、1第第7 7章计算机控制系统的硬件设计章计算机控制系统的硬件设计 本章主要内容本章主要内容1 1控制用计算机系统的硬件要求控制用计算机系统的硬件要求2 2控制用计算机的选择控制用计算机的选择3 3计算机控制系统的过程通道计算机控制系统的过程通道兰州交通大学自动化学院4 4总线技术总线技术2兰州交通大学自动化学院 计算机控制系统硬件设计主要包括主机、外部计算机控制系统硬件设计主要包括主机、外部设备以及系统总线的选择，输入设备以及系统总线的选择，输入/输出通道的设计输出通道的设计以及各种检测变送单元、执行机构、操作台和网以及各种检测变送单元、执行机构、操作台和网络设备的选择等络设备的选择等。采用通

2、用标准总线技术采用通用标准总线技术不仅不仅可以简化硬件设可以简化硬件设计计，便便于于扩充、更新及重新组合系统，扩充、更新及重新组合系统，还还使得使得各厂商生产的接口板具有兼容性，可以互换通各厂商生产的接口板具有兼容性，可以互换通用，使用非常方便用，使用非常方便。3 7 71 1控制用计算机系统的硬件要求控制用计算机系统的硬件要求兰州交通大学自动化学院1.1.对计算机主机的要求对计算机主机的要求1)1)实时处理能力实时处理能力2)2)比较完善的中断系统比较完善的中断系统3)3)对指令系统的要求对指令系统的要求4)4)对内存的要求对内存的要求计算机控制系统必须有一套性能良好的硬件支持，才能有效计算

3、机控制系统必须有一套性能良好的硬件支持，才能有效地运行。计算机控制系统的硬件是各式各样的，结合硬件的地运行。计算机控制系统的硬件是各式各样的，结合硬件的基本组成，可以从以下几方面提出对控制用计算机系统的硬基本组成，可以从以下几方面提出对控制用计算机系统的硬件要求。件要求。4兰州交通大学自动化学院2.2.对过程输入输出通道的要求对过程输入输出通道的要求(1)有足够的输入通道数。根据实际被测参数数量有足够的输入通道数。根据实际被测参数数量 而定，并具有一定的扩充能力。而定，并具有一定的扩充能力。(2)有足够的精度和分辨率。主要根据传感器等级有足够的精度和分辨率。主要根据传感器等级及系统精度要求确定

4、。及系统精度要求确定。(3)有足够快的转换速度。转换速度应依输入信号有足够快的转换速度。转换速度应依输入信号的变化速率及系统频带要求确定。转换速度与的变化速率及系统频带要求确定。转换速度与转换精度及分辨率通常是矛盾的，应视具体情转换精度及分辨率通常是矛盾的，应视具体情况折中处理。况折中处理。对模拟量输出通道的要求基本上与模拟量输入对模拟量输出通道的要求基本上与模拟量输入通道的要求类似。通道的要求类似。5兰州交通大学自动化学院3.3.对软件系统的要求对软件系统的要求计算机控制系统的软件可分为系统软件和应用软件计算机控制系统的软件可分为系统软件和应用软件两大类。两大类。系统软件是由计算机厂家提供的

5、，系统软件是由计算机厂家提供的，对计算机进行对计算机进行实时控制实时控制，有一定通用性。有一定通用性。应用软件是用户为进行控制而编制的用户程序应用软件是用户为进行控制而编制的用户程序及其服务程序。及其服务程序。其其要求是实时性强，可靠性好，要求是实时性强，可靠性好，具有在线修改的能力以及输入输出功能强等。具有在线修改的能力以及输入输出功能强等。6兰州交通大学自动化学院4.4.方便的人机联系方便的人机联系计算机控制系统计算机控制系统的的人机联系通过操作人员使用的人机联系通过操作人员使用的操作台（或操作面板）来实现。操作台（或操作面板）来实现。基本要求为：基本要求为：(1)有显示屏，可以及时显示操

6、作人员所需的信息有显示屏，可以及时显示操作人员所需的信息及生产过程参数状态；及生产过程参数状态；(2)有各种功能键，如报警、制表、打印、自动有各种功能键，如报警、制表、打印、自动/手手动切换等；动切换等；(3)功能键应有明显标志，并且应具有即使操作错功能键应有明显标志，并且应具有即使操作错误也不致造成严重后果的特性；误也不致造成严重后果的特性；(4)有输入数据功能键，必要时可以改变控制系统有输入数据功能键，必要时可以改变控制系统的参数；的参数；(5)人机联系用的操作台应使用方便，符合操作人人机联系用的操作台应使用方便，符合操作人员的操作习惯。员的操作习惯。7兰州交通大学自动化学院5.5.系统的

7、可靠性及可维护性系统的可靠性及可维护性提高计算机系统硬件可靠性提高计算机系统硬件可靠性：1）除了采用可靠性高的元部件及先进的工艺及设计除了采用可靠性高的元部件及先进的工艺及设计。2）采用相同或相似部件。采用相同或相似部件。软件方面软件方面要求计算机控制系统具有较强的自诊断、自检测以要求计算机控制系统具有较强的自诊断、自检测以及容错及容错等等功能功能。此外，系统应允许操作人员在一定范围内的。此外，系统应允许操作人员在一定范围内的误操作。软件的这种特性将会改变和提高计算机控制系统的误操作。软件的这种特性将会改变和提高计算机控制系统的实用性。实用性。提高计算机控制系统的使用效率，提高计算机控制系统的

8、使用效率，可从系统可从系统可靠性可靠性与与可维护可维护性性两方面着手两方面着手。可维护性是指维护工作方便的程度。提高可维护性是指维护工作方便的程度。提高可维护性的措施是采用插件式硬件，采用自检可维护性的措施是采用插件式硬件，采用自检测、自诊断程序，以便及时发现故障，并判断测、自诊断程序，以便及时发现故障，并判断故障部位进行维修。故障部位进行维修。控制用计算机控制系统硬件除了应满足上控制用计算机控制系统硬件除了应满足上述一些要求外，还应注意其成本。在能满足系述一些要求外，还应注意其成本。在能满足系统性能要求的条件下，不应随意增加系统的功统性能要求的条件下，不应随意增加系统的功能以降低系统的成本。

9、能以降低系统的成本。兰州交通大学自动化学院9 7 72 2控制用计算机的选择控制用计算机的选择兰州交通大学自动化学院1.1.计算机速度的选择计算机速度的选择在确定计算机的运行速度时，应考虑到下述几个方在确定计算机的运行速度时，应考虑到下述几个方面的要求和限制条件：面的要求和限制条件：(1)控制系统所需的计算工作量（包括完成控制算控制系统所需的计算工作量（包括完成控制算法及系统各种管理程序的计算）；法及系统各种管理程序的计算）；(2)系统采用的采样周期。系统采用的采样周期。(3)计算机的指令系统和时钟频率。计算机的指令系统和时钟频率。(4)硬件的支持。硬件的支持。10兰州交通大学自动化学院2.2

10、.计算机字长的确定计算机字长的确定1）量化误差的影响）量化误差的影响2）计算机字长应与）计算机字长应与A/D的字长相协调的字长相协调3）考虑信号的动态范围）考虑信号的动态范围4）与采样周期的关系）与采样周期的关系111.1.数字量输入通道数字量输入通道 7 73 3 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 数字量输入通数字量输入通道的任务是把被道的任务是把被控对象的开关状控对象的开关状态信号（或数字态信号（或数字信号）传送给计信号）传送给计算机，简称算机，简称DIDI通通道。道。图图7 71 1 数字量输入通道结构数字量输入通道结构 数字量输入通道由信号调理电路和输入接口电路数字量输入通道由信号

11、调理电路和输入接口电路构成。构成。DI接口电路接口电路兰州交通大学自动化学院121)1)数字量输入调理电路数字量输入调理电路 为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经电平转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机态信号经电平转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。常采用的方能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。常采用的方法为：法为：用齐纳二极管或压敏电阻将瞬时尖峰电压钳位在安全电用齐纳二极管或压敏电阻将瞬时尖峰电压钳位在安全电平上；平上；串联一个二极管来防止反电压输入；串联一个二

12、极管来防止反电压输入；用限流电阻齐纳二极管构成稳压电路作过压保护；用限流电阻齐纳二极管构成稳压电路作过压保护；用光电隔离器实现信号完全隔离；用光电隔离器实现信号完全隔离；用用RCRC滤波器抑制干扰。滤波器抑制干扰。兰州交通大学自动化学院13 小功率输入调理电路小功率输入调理电路 图图7 72 2 小功率输入调理电路小功率输入调理电路 （a a）采用采用RCRC滤波电路滤波电路 （b b）采用）采用RSRS触发器触发器 从开关、继电器等接点输入信号。将接点的接通和断开动从开关、继电器等接点输入信号。将接点的接通和断开动作，转换成作，转换成TTLTTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点电平信号

13、与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用RCRC滤波电路或滤波电路或RSRS触发电路。触发电路。兰州交通大学自动化学院14 大功率输入调理电路大功率输入调理电路 图图 7 7-3 3 大功率输入调理电路大功率输入调理电路 在大功率系统中，在大功率系统中，需要从电磁离合等大功需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。率器件的接点输入信号。为了使接点工作可靠，接点两端至少要加为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V24V或或24V24V以以上的直流电压。因为直流电平的响应快，电路又简单，因上的直流电压。因为直流电平的响应快，电路又简单

14、，因而被广泛采用。但是这种电路所带电压高，容易带有干扰，而被广泛采用。但是这种电路所带电压高，容易带有干扰，通常采用光电耦合器进行隔离。通常采用光电耦合器进行隔离。兰州交通大学自动化学院152 2）数字量输入接口）数字量输入接口 数字量输入接口包括信号缓冲电路和接口地址译码。当数字量输入接口包括信号缓冲电路和接口地址译码。当CPUCPU执行输入指令执行输入指令ININ时，接口地址译码电路产生片选信号，时，接口地址译码电路产生片选信号，将经过输入调理电路送来的过程状态（开关信号），通过将经过输入调理电路送来的过程状态（开关信号），通过输入缓冲器送到数据总线上，再送到输入缓冲器送到数据总线上，再送

15、到CPUCPU中。中。MOV DX,DI_PORT MOV DX,DI_PORT ；接口地址；接口地址DI_PORTDXDI_PORTDX设采用设采用PCPC总线，接口程序为：总线，接口程序为：IN AL,DX IN AL,DX ；过程状态；过程状态ALAL寄存器寄存器兰州交通大学自动化学院162.2.数字量输出通道数字量输出通道 数字量输数字量输出通道的任务出通道的任务是把计算机输是把计算机输出的数字信号出的数字信号（或开关信号）（或开关信号）传送给开关器传送给开关器件（如继电器件（如继电器或指示灯），或指示灯），控制它们的通、控制它们的通、断或亮、灭，断或亮、灭，简称简称DODO通道。通道

16、。图图 7 7-4 4 数字量输出通道结构数字量输出通道结构 数字量输出通道主要由输出接口电路数字量输出通道主要由输出接口电路和输出驱动电路等组成。和输出驱动电路等组成。兰州交通大学自动化学院171 1）数字量输出驱动电路）数字量输出驱动电路 输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离，二输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离，二是驱动开关器件。是驱动开关器件。低电压开关信号输出低电压开关信号输出 图图7 75 5 低电压开关输出低电压开关输出 图图7 76 6 三极管输出驱动三极管输出驱动 对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管、对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管、OCO

17、C门或运放等方式输出。门或运放等方式输出。兰州交通大学自动化学院18 继电器输出接口继电器输出接口 图图7 77 7 继电器输出驱动继电器输出驱动 一般在驱动大型设备时，一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为控制往往利用继电器作为控制系统输出到输出驱动级之系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，可间的第一级执行机构，可完成从低电压直流到高电完成从低电压直流到高电压交流的过渡。压交流的过渡。晶闸管输出接口技术晶闸管输出接口技术 晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系统晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系统中，可作为大功率驱动器件。中，可作为大功率驱动器件。特点：特点：用较小功率

18、控制大功率、开关无触点等。用较小功率控制大功率、开关无触点等。应用：应用：交直流电动机调速系统、调功系统、随动系统。交直流电动机调速系统、调功系统、随动系统。兰州交通大学自动化学院192 2）数字量输出接口）数字量输出接口 数字量输出数字量输出(DO)(DO)接口包括输出锁存器和接口地址译接口包括输出锁存器和接口地址译码。当码。当CPUCPU执行输出指令执行输出指令OUTOUT时，接口地址译码电路产时，接口地址译码电路产生写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的生写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的输出端，再经输出驱动电路送到开关器件。输出端，再经输出驱动电路送到开关器件。MO

19、V ALMOV AL，DATA DATA ；DODO数据数据ALAL寄存器寄存器设采用设采用PCPC总线，接口程序为：总线，接口程序为：MOV DXMOV DX，DO_PORT DO_PORT ；接口地址；接口地址DO_PORTDXDO_PORTDXOUT DXOUT DX，AL AL ；DODO数据数据锁存器的输出端锁存器的输出端兰州交通大学自动化学院20 7 72 2 模拟量输入通道模拟量输入通道 1.1.模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成 图图7 78 8 模拟量输入通道的组成结构模拟量输入通道的组成结构 模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、前置模拟量输入通道一般由

20、信号预处理、多路转换器、前置放大器、采样保持器、模放大器、采样保持器、模/数转换器和接口逻辑电路等组成。数转换器和接口逻辑电路等组成。其核心是模其核心是模/数转换器。数转换器。兰州交通大学自动化学院212.2.模拟量输入通道中常用器件和电路模拟量输入通道中常用器件和电路 信号预处理信号预处理 信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信号进信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信号进行处理。如将行处理。如将4mA4mA20mA20mA或或0 010mA10mA电流信号变为电电流信号变为电压信号，将热电阻压信号，将热电阻(Pt100(Pt100或或Cu50)Cu50)的电阻信号经过桥路的电阻信号

21、经过桥路变为电压信号等。变为电压信号等。无源无源I/VI/V变换变换 图图7 79 9 无源无源I/V I/V 变换电路变换电路 无源无源I/VI/V变换可以利用一变换可以利用一个的精密电阻，将个的精密电阻，将0 010mA10mA的电流信号转换为的电流信号转换为0 05V5V的电压信号。的电压信号。兰州交通大学自动化学院22 有源有源I/VI/V变换变换 图图 7 7-10 10 有源有源I/VI/V变换电路变换电路 有源有源I/VI/V变换是利用变换是利用有源器件运算放大有源器件运算放大器和电阻组成。器和电阻组成。利用利用0 010mA10mA电流在电阻电流在电阻R R上产生的输入电压，若

22、上产生的输入电压，若取取 ，则，则 时，产生时，产生2V2V的输入电压。该电路的输入电压。该电路的放大倍数为的放大倍数为 200RA10mI 1f1RRA 若取若取 ，则，则0 010mA10mA输入对应于输入对应于0 05V5V的电压输出。的电压输出。kR0011K150f R兰州交通大学自动化学院23 多路转换器多路转换器 多路转换器又称多路转换器又称多路开关，多路开关多路开关，多路开关的作用是用来将各路的作用是用来将各路被测信号依次地或随被测信号依次地或随机地切换到公共放大机地切换到公共放大器或器或A/DA/D转换上。转换上。C B A X接通接通 0 0 0 0 X0 0 0 0 1

23、X1 0 1 1 1 X7 1 全不通全不通INH 图图7-11 CD40517-11 CD4051原理图原理图 表表7-1 CD40517-1 CD4051通道选择表通道选择表 兰州交通大学自动化学院24 前置放大器前置放大器 前置放大器的任务前置放大器的任务是将模拟输入小信是将模拟输入小信号放大到转换的量号放大到转换的量程范围之内。当多程范围之内。当多路输入的信号源电路输入的信号源电平相差较悬殊时，平相差较悬殊时，用同一增益的放大用同一增益的放大器去放大高电平和器去放大高电平和低电平的信号，就低电平的信号，就有可能使低电平信有可能使低电平信号测量精度降低，号测量精度降低，而高电平则有可能而

24、高电平则有可能超出模超出模/数转换器数转换器的输入范围。可设的输入范围。可设计可变增益放大器，计可变增益放大器，图图7 712 12 可变增益前置放大器可变增益前置放大器 兰州交通大学自动化学院25采样保持器采样保持器 HC采样时，采样时，k k 闭合，闭合，V VININ通过通过A A1 1对对C CH H快快速充电，速充电，V VOUTOUT跟随跟随V VININ；保持期间，；保持期间，k k断开，由于断开，由于A A2 2的输的输入阻抗很高，理想入阻抗很高，理想情况下情况下V VOUTOUT=V VC C保持不变，采样保保持不变，采样保持器一旦进入保持持器一旦进入保持期，便应立即启动期，

25、便应立即启动A/DA/D转换器，保证转换器，保证A/DA/D转换期间输入转换期间输入恒定。恒定。图图7 7-14 14 集成采样保持器集成采样保持器LF398LF398的原理图的原理图 图图7 7-13 13 采样保持器的组成采样保持器的组成兰州交通大学自动化学院26 A AD D转换器转换器 A/D A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间的接口。的接口。分辨率：分辨率：通常用数字量的位数通常用数字量的位数n n（字长）来表示，若（字长）来表示，若n

26、n8 8，满量程输入为，满量程输入为5.12V5.12V，则，则LSBLSB对应于模拟电对应于模拟电压压 。mV2/V12.58A AD D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换时间转换时间：从发出转换命令信号到转换结束信号有从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成效的时间间隔，即完成 n 位转换所需要的时间。位转换所需要的时间。兰州交通大学自动化学院27线性误差：线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特性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。线性误差常用的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSBLSB的分数的分数表示，如表示，如1/2LSB1

27、/2LSB、1/4LSB1/4LSB等。等。转换精度：转换精度：指满量程输出情况下模拟量输入电压的实指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值；转换精度用际值与理想值之间的差值；转换精度用LSBLSB的分数值来表的分数值来表示。示。转换量程转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如所能转换的模拟量输入电压范围，如05V，010V，5V十十5V等。等。兰州交通大学自动化学院288 8位位A AD D转换器转换器 ADC0809 ADC0809 图图7 715 ADC080915 ADC0809的原理框图及引脚的原理框图及引脚 兰州交通大学自动化学院291212位位A AD D转换

28、器转换器 AD574A AD574A 图图7 7-16 AD574A16 AD574A的原理框图及引脚的原理框图及引脚 兰州交通大学自动化学院30 A AD D转换器与计算机的接口转换器与计算机的接口 8 8位位A/DA/D转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口图图7-17 ADC08097-17 ADC0809与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 设设8255A8255A的的A A组和组和B B组都组都工作于方式工作于方式0 0，端口，端口A A为为输入口，端口输入口，端口C C上半部上半部分为输入而下半部分为分为输入而下半部分为输出口。输出口。uADC08

29、09ADC0809的的ALEALE与与STARTSTART引脚相连接，将引脚相连接，将PC0PC0PC2PC2输出的输出的3 3位位地址锁存入地址锁存入08090809的地的地址锁存器并启动址锁存器并启动A/DA/D转转换；换；uEOCEOC信号还连接到信号还连接到8255A8255A的的C C口，口，CPUCPU通过通过查询查询PC7PC7的状态而控制数据的输入过程。的状态而控制数据的输入过程。u ADC0809ADC0809的的EOCEOC同同OEOE输入控制端相连输入控制端相连接，当转换结束时，接，当转换结束时，开放数据输出缓冲器；开放数据输出缓冲器；兰州交通大学自动化学院31根据图根据

30、图7 71717接口方接口方法，采用查询方式完法，采用查询方式完成成8 8路模拟量数据采路模拟量数据采集的程序框图集的程序框图(假设假设在主程序中已完成对在主程序中已完成对8255A8255A的初始化编程的初始化编程)。图图7 7-18 18 用用ADC0809ADC0809实现实现8 8路数据采集程序流程图路数据采集程序流程图兰州交通大学自动化学院321212位位A/DA/D转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 uAD574AD574片内有时钟，无片内有时钟，无需外加时钟信号需外加时钟信号;。u1212 控制引脚和控制引脚和V VLOGICLOGIC相连相连,接接+5

31、v;+5v;8uCECE、和和 的控制通过的控制通过PC2PC2PC0PC0输出适当的控制信号实现。输出适当的控制信号实现。CSCR/图图7-19 AD574A7-19 AD574A与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 设设8255A的的A组和组和B组都组都工作于方式工作于方式0，端口，端口A、B和端口和端口C上半部分规定上半部分规定为输入，端口为输入，端口C的下半部的下半部分规定为输出。分规定为输出。uA0A0接地，使工作于接地，使工作于1212位转换和读出方式位转换和读出方式;u该电路采用双极性输该电路采用双极性输入入方式，可对方式，可对5v5v或或10v10v模拟信号进行转换

32、模拟信号进行转换;兰州交通大学自动化学院33通过图通过图7 71919硬件硬件接口，在查询方式接口，在查询方式下，启动和读取数下，启动和读取数据的程序框图。假据的程序框图。假定已完成对定已完成对8255A8255A的初始化编程。的初始化编程。图图7 7-20 20 启动和读取启动和读取AD574AAD574A数据程序流程图数据程序流程图 兰州交通大学自动化学院34CPU和和A/D转换电路之间的转换电路之间的I/O控制方式控制方式8 8位位A/DA/D转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口CPUCPU与与A/DA/D转换器之间的信息通信可以根据不同的情况，转换器之间的信息通

33、信可以根据不同的情况，采用不同的采用不同的I/OI/O控制方式。控制方式。查询方式查询方式查询方式的传送是由查询方式的传送是由CPUCPU执行执行I/OI/O指令启动并完成的，每指令启动并完成的，每次传送数据之前，要先输入次传送数据之前，要先输入A/DA/D转换器的状态，经过查询转换器的状态，经过查询符合条件后才可以进行数据的符合条件后才可以进行数据的I/OI/O 中断方式中断方式若要求一旦数据转换完成就及时输入数据，或若要求一旦数据转换完成就及时输入数据，或CPUCPU同时同时要处理很多工作的情况下，应采用中断方式。要处理很多工作的情况下，应采用中断方式。DMADMA方式方式在高速数据采集系

34、统中，不仅要选用高速在高速数据采集系统中，不仅要选用高速A/DA/D转换电路，转换电路，而且传送转换结果也要求非常及时迅速，为此可以考虑而且传送转换结果也要求非常及时迅速，为此可以考虑选用选用DMADMA方式。方式。兰州交通大学自动化学院353.3.模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计 如果模拟输入电压已满足如果模拟输入电压已满足A/DA/D转换量程要求，就不必再转换量程要求，就不必再 用前置放大器，前置放大器可分为固定增益和可变增益两用前置放大器，前置放大器可分为固定增益和可变增益两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定

35、的传感器范围不固定的传感器 ；如果在如果在A/DA/D转换期间，模拟输入电压信号变化微小，且转换期间，模拟输入电压信号变化微小，且在在A/DA/D转换精度之内，也就不必选用采样保持器。转换精度之内，也就不必选用采样保持器。A/DA/D转换器位数的选择主要取决于系统测量精度。转换器位数的选择主要取决于系统测量精度。A/DA/D转换器的转换时间或转换速率的选择取决于使用对象。转换器的转换时间或转换速率的选择取决于使用对象。采样保持器采样保持器(S/H)(S/H)的选用取决于测量信号的变化频率，原的选用取决于测量信号的变化频率，原则上直流信号或变化缓慢的信号可以不用采样保持器。则上直流信号或变化缓慢

36、的信号可以不用采样保持器。兰州交通大学自动化学院36确定确定A/DA/D转换器位数的方法有以下两种：转换器位数的方法有以下两种：输入信号的动态范围输入信号的动态范围设输入信号的最大值和最小值分别为设输入信号的最大值和最小值分别为 (mV)2(mV)12(0minmax xxn式中式中n n为为A/DA/D转换器的位数，转换器的位数，为转换当量，则动态范围为为转换当量，则动态范围为 12minmax nxx因此，因此，A/DA/D转换器位数为转换器位数为 minmax21logxxn兰州交通大学自动化学院37 输入信号的分辨率输入信号的分辨率 有时对有时对A/DA/D转换器的位数要求以分辨率形式

37、给出，其定义为转换器的位数要求以分辨率形式给出，其定义为 121 nD如果所要求的分辨率为如果所要求的分辨率为D D0 0，则位数，则位数 0211logDn例如，某温度控制系统的温度范围为例如，某温度控制系统的温度范围为00至至200200，要求分，要求分辨率为辨率为0.0050.005（相当于（相当于11），可求出），可求出A/DA/D转换器的位数转换器的位数 65.7005.011log11log202 Dn因此，取因此，取A/DA/D转换器的位数转换器的位数n n为为8 8位。位。兰州交通大学自动化学院38 图图7 721 821 8通道通道1212位位A/DA/D转换模板转换模板 以

38、以PC总线工业控制机的模拟量输入通道模板设计为例。总线工业控制机的模拟量输入通道模板设计为例。单极性单极性010V12位分辨率位分辨率转换时间转换时间s25程序查程序查询工作询工作方式方式兰州交通大学自动化学院39该模板采集一组数据的过程如下：该模板采集一组数据的过程如下：0STS （1 1）通道选择）通道选择将模拟量输入的通道号写入将模拟量输入的通道号写入8255A8255A的端口的端口C C低低4 4位，使位，使LF398LF398的工作状态受的工作状态受AD574AAD574A的的STSSTS控制，控制，A/DA/D未转换期间，未转换期间，LF398LF398处于采样状态。处于采样状态。

39、1STS（2 2）启动）启动AD574AAD574A进行进行A/DA/D转换转换通过通过8255A8255A的端口的端口C C的的PC4PC4PC6PC6输出控制信号启动输出控制信号启动A/DA/D。在。在A/DA/D转换期间，转换期间，LF398LF398处于保持状态。处于保持状态。（3 3）查询）查询AD574AAD574A是否转换结束是否转换结束读读8255A8255A的端口的端口A A，了解，了解STSSTS是否已由高电平变为低电平。是否已由高电平变为低电平。（4 4）读取转换结果）读取转换结果若查询到若查询到STSSTS由由1 1变为变为0 0，则读，则读8255A8255A的端口的

40、端口A A和和B B，便可得到转，便可得到转换结果。换结果。兰州交通大学自动化学院403 3 模拟量输出通道模拟量输出通道 1 1 模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式 图图7 7-23 23 共用共用D DA A转换器的结构转换器的结构 图图7 722 22 一个通路一个一个通路一个D DA A转换器的结构转换器的结构 只适用于通路数量少只适用于通路数量少且速度要求不高的场且速度要求不高的场合，可靠性较差。合，可靠性较差。转换速度快、转换速度快、工作可靠。工作可靠。兰州交通大学自动化学院412 2 模拟量输出通道中常用器件和电路模拟量输出通道中常用器件和电路 D/AD/A转换器转

41、换器 D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它是转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统之间的接口。之间的接口。D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：分辨率：D/AD/A转换器的分辨率定义为基准电压转换器的分辨率定义为基准电压 与与 之比值，其中之比值，其中n为为D/AD/A转换器的位数。转换器的位数。n2REFV稳定时间：稳定时间：输入二进制数变化量是满刻度时输入二进制数变化量是满刻度时,输出输出达到离终值达到离终值 时所需的时间。时所需的时间。LSB 2/1 兰州交通大学自动化学院4

42、2转换精度：转换精度：精度反应实际输出与理想数学模精度反应实际输出与理想数学模型输出信号接近程度。其中，精度又分为绝对型输出信号接近程度。其中，精度又分为绝对精度和相对精度。精度和相对精度。线性度：线性度：在满刻度范围内，实际特性与理在满刻度范围内，实际特性与理想特性的最大偏移，用想特性的最大偏移，用LSB的分数来表示，如的分数来表示，如土土1/2 LSB、土、土1/4 LSB等。等。兰州交通大学自动化学院43输出电平：输出电平：不同型号的不同型号的D/AD/A转换器的输出电转换器的输出电平相差较大。一般为平相差较大。一般为5 510V,10V,高压输出型的输高压输出型的输出电平可达出电平可达

43、242430V30V。还有一些电流输出型的，。还有一些电流输出型的，低的有低的有20mA20mA，高的可达，高的可达3A3A。输入代码形式输入代码形式：D/A转换器单极性输出时，有转换器单极性输出时，有二进制码、二进制码、BCD。当双极性输出时，有原码、。当双极性输出时，有原码、补码、偏移二进制码等。补码、偏移二进制码等。兰州交通大学自动化学院44 8 8位位D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832图图7 7-24 DAC083224 DAC0832的内部结构图的内部结构图 兰州交通大学自动化学院45 图图7 7-25 DAC121025 DAC1210内部结构图内部结构图 121

44、2位位D/AD/A转换器转换器DAC1210DAC1210兰州交通大学自动化学院46 D/A D/A转换器与计算机的接口转换器与计算机的接口 8 8位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 图图7 7-26 DAC083226 DAC0832与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 uDAC0832DAC0832工作在单缓冲工作在单缓冲寄存器方式；寄存器方式；uDAC0832DAC0832将输入的数字将输入的数字量转换成差动的电流输出，量转换成差动的电流输出，经过运算放大器经过运算放大器A A，将形，将形成单极性电压输出成单极性电压输出0 05V5V

45、；u若要形成负电压输出，若要形成负电压输出，则需接正的基准电压。则需接正的基准电压。u将数字量转换后得到的将数字量转换后得到的输出电流通过内部反馈电输出电流通过内部反馈电阻流到放大器的输出端。阻流到放大器的输出端。兰州交通大学自动化学院47图图7 7-27 27 用用DAC0832DAC0832实现实现8 8位位D/AD/A转换程序框图转换程序框图 配合图配合图7 72626硬件接口，硬件接口，8 8位位D/AD/A转换程序框图转换程序框图如图。如图。兰州交通大学自动化学院481212位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 图图 7-28 DAC12107

46、-28 DAC1210转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 端口地址译码端口地址译码器译器译 、三个口地三个口地址，这三个口址，这三个口地址用来控制地址用来控制DAC1210DAC1210工工作方式和进行作方式和进行1212位转换。位转换。0Y1Y2Y兰州交通大学自动化学院49以图以图7 72828接口为接口为例，其转换接口程例，其转换接口程序框图如图序框图如图 图图7 729 1229 12位位D/AD/A转换程序框图转换程序框图 兰州交通大学自动化学院50 双极性模拟量输出的实现方法双极性模拟量输出的实现方法 nDVV2REFOUT1 2OUTV为双极性输出，且可推

47、导得到为双极性输出，且可推导得到 为单极性输出，为单极性输出，若若D D为输入数字为输入数字量，量，为基准参为基准参考电压，且为位考电压，且为位D DA A转换器，则转换器，则有有 0UT1VREFV 12OUT23REF13OUTVRRVRRV)12(1REF nDV这种双极性输出方式，是把最高位当作符号位使用，与这种双极性输出方式，是把最高位当作符号位使用，与单极性输出比较，使分辨率降低单极性输出比较，使分辨率降低1 1位。位。图图7 730 D/A30 D/A转换器双极性输出电路转换器双极性输出电路兰州交通大学自动化学院51 VI转换和自动手动切换转换和自动手动切换 n电压电流转换电压电

48、流转换 0 010V/010V/0l0mAl0mA转换转换 图图7 731 031 010V/010V/0l0mAl0mA的转换电路的转换电路 如图，当运放开环增如图，当运放开环增益足够大时，输出电益足够大时，输出电流流 与输入电压与输入电压 的的关系只与反馈电阻关系只与反馈电阻 有关，因而具有恒流有关，因而具有恒流性能。反馈电阻的值性能。反馈电阻的值由组件的量程决定。由组件的量程决定。iVfRoI当当 时，输出电流时，输出电流 在在DC 0DC 0l 0mAl 0mA范围内线性的与范围内线性的与DC 0DC 0l0Vl0V输入电压输入电压 对应。对应。200fRoIiV兰州交通大学自动化学院

49、520 05V/05V/020mA20mA转换转换 输出电流输出电流 )mA(10002501IN VI 若令若令 ,则有则有 K10021RR K2043RRi14if51VRRVV 略去反馈回路的电流，则有略去反馈回路的电流，则有fiffo511RVRVI 图图7 732 032 05V/05V/020mA20mA的转换电路的转换电路兰州交通大学自动化学院53n 自动手动切换自动手动切换 图图7 733 33 带自动手动切换的带自动手动切换的V VI I变换电路变换电路 功能功能1 1 把把0 05V5V的输入信号变为的输入信号变为0 010mA10mA的直流输出电流。的直流输出电流。功能

50、功能2 2 实现自动控制方式（实现自动控制方式（A A）和随时可切换的手动操作方式）和随时可切换的手动操作方式（H H）之间的无扰切换。）之间的无扰切换。兰州交通大学自动化学院543 3 模拟量输出通道设计模拟量输出通道设计 D/A D/A转换器位数的选择转换器位数的选择 D DA A转换器位数的选择取决于系统输出精度；转换器位数的选择取决于系统输出精度；D DA A转换器输出一般通过功率放大器推动执行机构。转换器输出一般通过功率放大器推动执行机构。设执行机构的最大输入值为设执行机构的最大输入值为 ，灵敏度为，灵敏度为 ，可得可得D DA A转换器的位数转换器的位数maxUminU minma