课件 第二章 输入输出接口与过程通道

2.4 模拟量输入过程通道
2.4.5 A/D转换器（4）
逐次逼近式A/D转换器就象一架电子自动平 衡天平。以一个量程为＋5V的4位逐次逼近式 ADC为例，用它来转换一个Vi=3V的电压量，由 n 4 4 于n＝4，它有4个以二进制码表示的电子砝码， 它们与电压量的对应关系如表2.4所示。
代码 1000 0100 0010 0001 相应的电压 5V×2－1＝2.5V 5V×2－2＝1.25V 5V×2－3＝0.625V 5V×2－4＝0.3125V
问题：为什么要采用输入输出接口？ 1 速度不匹配。 2 信号电平不匹配。 3 信号格式不匹配。 4 时序不匹配。
补充知识
1 串行接口和串行通信，并行接口和并行 通信 2 全双工方式，半双工方式 3 同步通信方式，异步通信方式
第二章 输入输出接口与过程通道
2.1 总线技术 2.2 数字量输入过程通道 2.3 数字量输出过程通道 2.4 模拟量输入过程通道 2.5 模拟量输出过程通道
第二章 输入输出接口与过程通道
接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁， 接口 包括输入接口和输出接口。 接口技术是研究计算机与外部设备之间如 接口技术 何交换信息的技术。 过程通道是在计算机和生产过程之间设置 过程通道 的信息传送和转换的连接通道，它包括AI，AO， DI，DO。
第二章 输入输出接口与过程通道
2.4 模拟量输入过程通道
温度，压力， 液位，流量 A/D 二进制数
2.4.1 模拟量输入过程通道的结构 2.4.2 I/V变换 2.4.3 多路转换器 2.4.4 采样保持器 2.4.5 A/D转换器
2.4 模拟量输入过程通道
2.4.1 模拟量输入过程通道的结构
图2.7 模拟量输入通道的组成结构
＋24V
J
D
R
功率 晶体管
图2.5 功率晶体管输出驱动继电器
2.3 数字量输出过程通道
2.3.3 数字量输出接口(输出锁存器)
输入 使能 端G H 允许 输出 端 OE L 输入D 输出Q
L
L
H
L
H
H
L
L
*
*
图2.6数字量输态）
2.4 模拟量输入过程通道
2.4 模拟量输入过程通道
2.4.5 A/D转换器（2）
逐次逼近式A/D 转换器原理 逐次逼近式 A/D转换器原理 A/D 转换器原理是建立在逐次逼 近的基础上，即把输入电压Vi同一组从参考电压 分层得到的量化电压进行比较，比较从最大的量 化电压开始，由粗到细逐次进行，由每次比较的 结果来确定相应的位是1还是0。不断比较和比较 之后，直到两者的差别小于某一误差范围时即完 成了一次转换。 例：用天平称量一个实际重量为27.4克的重物， 天平具有32克，16克，8克，4克，2克，1克 六种砝码。
2.5 模拟量输出过程通道
2.5 模拟量输出过程通道
2.5.1 模拟量输出过程通道的结构
2.5.2 D/A转换器
2.5.3 V/I变换和自动/手动切换
2.5 模拟量输出过程通道
2.5.1 模拟量输出过程通道的结构
采样 保持 器 通道 1 V/I和自动/手动 切换
PC总 线
接 口
D/ A
多 路 开 关
2.4 模拟量输入过程通道
2.4.5 A/D转换器（3）
M X = 0 × 32 + 1×16 + 1× 8 + 0 × 4 + 1× 2 + 1×1 = 27克
表2.3 一个27.4克重物的称量过程
次序n 1 2 3 4 5 6 加砝码（克） 32 16 8 4 2 1 天平指示 超重 欠重 欠重 超重 欠重 平衡 操作 去码 留码 留码 去码 留码 留码 记录 X1=0 X2=1 X3=1 X4=0 X5=1 X6=1
2.4.3 多路转换器（2）
VSS VDD INH C
2.4 模拟量输入过程通道 X 接通 X0
B
A
INH A
B C
0
0
0
0
电 平 转 换
译码 驱动 电路
0
0
0
1
X1
VEE X1 X2 X7 图2.8 CD4051原理图 X
…
…
…
…
…
0
1
1
1
X7 全不 通
1
×
×
×
2.4 模拟量输入过程通道
2.4.4 采样保持器 信号的采样，香农定理 量化单位
2.5 模拟量输出过程通道
2.5.2 D/A转换器（3）
VR I1 R S1 d1 d2 d3 d4
I2 2R S2
I3 4R S3
I4
Rf 8R If S4 IO Σ －
+ A
VO
图2.12 权电阻网络D/A转换器
2.5 模拟量输出过程通道
2.5.3 V/I变换和自动/手动切换 经过D/A转换后的模拟量一般为0～5V，0～10V 等直流电压信号，而工程中常常需要将其转换为 0～10mA，4～20mA的信号去控制现场设备，在这 个转换过程中，可以采用集成的V/I转换电路来 完成，如ZF2B20和AD694等。 在工业应用当中，还需要进行具有自动/手 动切换功能的V/I变换电路。就是实现自动控制 方式和随时可切换的手动操作方式之间的无扰切 换。手动操作即不用微机控制而由电动单元仪表 等控制的方式。
2.4 模拟量输入过程通道
2.4.5 A/D转换器（6）
在时钟驱动下，SAR中的移位寄存器的MSB 位加码，其编码为1000。D/A转换器将其转换成 2.5V电压，送到比较器A的“—”端与Vi进行比 较，由于2.5V<3V，所以去留逻辑保留最高位的1， 即这次比较结果为1。
次序 1 2 3 4 试探码 1000 1100 1010 1001 D/A输出 2.5V<3V 3.75V>3V 3.125V>3V 2.8125V<3V 去留码 留 去 去 留 本次结果 1000 1000 1000 1001
2.5.2 D/A转换器（2）
分辨率：通常用D/A转换器输入二进制数的位数来 分辨率 表示，如8位，12位。分辨率为n位，表示D/A转换器 输入的二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的 1/2n相对应。 建立时间：输入数字信号的变化量是满量程时，输 建立时间 出模拟信号达到离终值1/2LSB所需的时间，一般 nµs 。 线性误差：理想的转换特性应该是线性的，但实际 线性误差 中往往并非如此。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。常用LSB的分 数表示，如1/2LSB或1LSB。
y max − y min q= n 2
孔径时间：完成一次A/D转换所需的时 间称之为孔径时间。 ∆ U × 100 = 2π ft A / D × 100 孔径误差： σ = Um
2.4 模拟量输入过程通道
2.4.5 A/D转换器（1） A/D转换器是将模拟电压或电流转换成 数字量的器件或装置，它是将模拟系统和 计算机连接的接口，在数据的采集和控制 系统中得到了广泛的应用。常用的A/D转 换方式有逐次逼进式和双斜积分式。 A/D转换器的主要技术指标有：转换 时间，分辨率，最低有效位（LSB），线 性误差，量程。
2.1 总线技术
总线：计算机各模块之间互联和传送 信息（指令、地址和数据）的一组信号线。
以微处理器为核心，总线可以分为 内部总线和外部总线，而内部总线又可 分为片级总线和系统总线。
PC/ISA/EISA总线 总线
• 1981年，62线的IBM PC总线诞生，是ISA总线 的前身。 • 1987年，IEEE正式制定了ISA (Industry Standard Architecture)总线标准。ISA总线数据 线宽度为16位，地址线宽度为24位，总线时钟 为8MHz。 • EISA (Extended Industry Standard Architecture) 是为32位中央处理器设计的总线扩展工业标准。 它总线宽度为32位，总线频率为16MHz。
2.2 数字量输入过程通道
2.2 数字量输入过程通道
数字量（开关量） 1，0
2.2.1 数字量输入过程通道的结构 2.2.2 输入调理电路 2.2.3 数字量输入接口（输入缓冲器）
2.2 数字量输入过程通道
2.2.1 数字量输入过程通道的结构
输入 调理 电路
2.2 数字量输入过程通道
2.2.2 输入调理电路
为了将外部的 开关量信号安全有 效的输入到计算机， 必须将现场的信号 经过转换，保护， 滤波，隔离等措施 K 转换成计算机能够 接受的逻辑信号， 这些功能称为信号 信号 调理。 调理
＋5V
R1 R2
C
图2.2 输入调理电路
2.2 数字量输入过程通道
2.2.3 数字量输入接口(输入缓冲器)
图2.3 数字量输入接口74LS244
2.4.5 A/D转换器（5）
2.4 模拟量输入过程通道
图2.9 逐次逼近式A/D转换器的原理
由逐次逼近寄存器SAR，D/A转换器，比较器A，缓冲器 等组成。SAR中包含一个移位寄存器，一个数据寄存器及 决定去/留码的逻辑电路等几部分，它们在时钟脉冲CLK 的作用下有次序的进行操作。D/A转换器用来形成电子砝 码，送到比较器A的“－”端。比较器相当于天平的杠杆 和指针。
RS-232/RS-422/RS-485串行通信 串行通信 总线
• RS-232总线是目前广泛使用的串行通信接口 标准。美国电子工业协会（EIA Electronic Industries Association）制定的串行接口标准。 • RS-422A采用了平衡驱动和差分接收方法， 解决了RS-232中存在的地电平的电位差问题。 它需要两对平衡差分电路形成全双工传输电 路。 • RS-485是RS-422A的变型，为半双工工作方式。