第2章 过程输入输出通道技术
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第2章开关量输入输出通道和人机接口
2． 开关量输入输出通道设计实例
图2-17是一种典型的开关量输入输出通道原理图。它具有 16路开关量输入及16路开关量输出。输入及输出通道均采用光 电隔离， 输出通道采用达林顿管输出的光耦合器TIL113，可 直接用于驱动中小功率继电器或其他中小功率装置。
第二章 图2-17 开关量输入输出通道原理图
第二章 图2-8 双向消抖电路
第二章
5. 光电隔离技术
在计算机控制系统中，为了提高系统的抗干扰能力，常需 将工业现场的控制对象和计算机部分在电气上隔离开来。过去 一般使用脉冲变压器、继电器等完成隔离任务，而现在普遍采 用光耦合器，它具有可靠性高、体积小、成本低等优点。
光耦合器由发光器件和光接收器件两部分组成，它们封装在 同一个外壳内， 其图形符号如图2-9所示。发光二极管的作用 是将电信号转换为光信号，光信号作用于光敏三极管的基极上， 使光敏三极管受光导通。这样，通过电—光—电的转换， 把输 入侧的电信号传送到了输出侧，而输入与输出侧并无电气上的 联系，这样控制对象和计算机部分便被隔离开来了。
第二章
图2-5 (a) 采用齐纳二极管； (b) 采用压敏电阻
第二章
图2-6 (a) 反极性保护； (b) 高压保护
第二章
4． 消除触点抖动 若开关量输入信号来自机械开关或继电器触点，由于开关 触点闭合及断开时，常常会发生抖动，因此，输入信号的前沿 及后沿常常是非清晰信号，如图2-7所示。
第二章 图2-7 开关或触点闭合及断开时的抖动
第二章
2.3 人机接口——键盘
2.3.1 非编码键盘 非编码键盘是由一些按键排列成的一个行、列矩阵。按键
的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应 的程序与之配合，来解决按键的识别，键值的产生以及防止抖 动等工作。因此，键盘接口电路和软件程序必须解决以下一些 问题：
图2-17是一种典型的开关量输入输出通道原理图。它具有 16路开关量输入及16路开关量输出。输入及输出通道均采用光 电隔离， 输出通道采用达林顿管输出的光耦合器TIL113，可 直接用于驱动中小功率继电器或其他中小功率装置。
第二章 图2-17 开关量输入输出通道原理图
第二章 图2-8 双向消抖电路
第二章
5. 光电隔离技术
在计算机控制系统中，为了提高系统的抗干扰能力，常需 将工业现场的控制对象和计算机部分在电气上隔离开来。过去 一般使用脉冲变压器、继电器等完成隔离任务，而现在普遍采 用光耦合器，它具有可靠性高、体积小、成本低等优点。
光耦合器由发光器件和光接收器件两部分组成，它们封装在 同一个外壳内， 其图形符号如图2-9所示。发光二极管的作用 是将电信号转换为光信号，光信号作用于光敏三极管的基极上， 使光敏三极管受光导通。这样，通过电—光—电的转换， 把输 入侧的电信号传送到了输出侧，而输入与输出侧并无电气上的 联系，这样控制对象和计算机部分便被隔离开来了。
第二章
图2-5 (a) 采用齐纳二极管； (b) 采用压敏电阻
第二章
图2-6 (a) 反极性保护； (b) 高压保护
第二章
4． 消除触点抖动 若开关量输入信号来自机械开关或继电器触点，由于开关 触点闭合及断开时，常常会发生抖动，因此，输入信号的前沿 及后沿常常是非清晰信号，如图2-7所示。
第二章 图2-7 开关或触点闭合及断开时的抖动
第二章
2.3 人机接口——键盘
2.3.1 非编码键盘 非编码键盘是由一些按键排列成的一个行、列矩阵。按键
的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应 的程序与之配合，来解决按键的识别，键值的产生以及防止抖 动等工作。因此，键盘接口电路和软件程序必须解决以下一些 问题：
过程输入输出通道重点技术
第五章过程输入输出通道技术在计算机控制系统中，为了实现对生产过程旳控制，要将对象旳控制参数及运营状态按规定旳方式送入计算机，计算机通过计算、解决后，将成果以数字量旳形式输出，此时需将数字量变换为适合生产过程控制旳量，因此在计算机和生产过程之间，必须设立完毕信息旳传递和变换装置，这个装置称为过程输入输出通道，也叫I/O通道。
5.1过程输入输出通道概述过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道构成。
过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程之间起着信号传递与变换旳纽带作用。
5.1.1 模拟量输入通道旳一般构造过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电压（或电流）形式后送至多路开关；在微机旳控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实现过程参数旳巡回检测。
5.1.2 模拟量输出通道旳基本构造多D/A构造旳模拟量输出通道中旳D/A转换器除承当数字信号到模拟信号转换旳任务外，还兼有信号保持作用，即把微机在t=kT 时刻对执行机构旳控制作用维持到下一种输出时刻t=(k+1)T。
这是一种数字保持方式，送给D/A转换器旳数字信号不变，其模拟输出信号便保持不变。
共享D/A构造旳模拟量输出通道中旳D/A转换器只起数字信号到模拟信号旳转换作用，信号保持功能靠采样保持器完毕。
这是一种模拟保持方式，微机对通路i（i=1，2，...，n）旳控制信号被D/A转换器转换为模拟形式后，由采样保持器将其记忆下来，并保持到下一次控制信号旳到来。
多D/A形式输出速度快、工作可靠、精度高，是工业控制领域普遍采用旳形式。
5.1.3 开关量（数字量）输入通道旳基本构造开关量输入通道又称为数字量输入通道，该通道旳任务是把被控对象旳开关状态信号（或数字信号）送给计算机、或把双值逻辑旳开关量变换为计算机可以接受旳数字量送给计算机，简称DI通道。
典型旳开关量输入通道一般由如下几部分构成：1．信号变换器：将生产过程旳非电量开关量转换为电压或电流旳双值逻辑值。
第2章(1)模拟量输入通道讲解
第2章 输入输出过程通道
在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的
控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字
计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理 后的结果还需要变换成合适的控制信号输出至被 控对象。以控制执行机构的动作。因此，在计算 机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转
换的连接通道，即过程通道。
3、集成采样保持器
集成采样保持器将采样电路、保持器制作在 一个芯片上，保持电容外接，由用户选用。电容 的大小与采样频率及要求的采样精度有关。 集成采样保持器分三类：
1、用于通用目的的芯片， 如AD583K,AD582,LF398； 2、高速芯片，如THS-0025,THC-0300等； 3、高分辨率芯片，如SHA1144等。
现以4位A/D转换器把模拟量7转换为二进制数0111为例，说 明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。
电压 第一次 预测 模拟 电压 第四次 第三次 预测 第二次 预测 预测
(1000) (0100) (0110) (0111)
D3
0
D2
D1
D0
时间
逐次逼近式ADC 逐次逼近式A/D原理概述
N 位的逐次逼近式 A/D 转换器 , 由 N 位寄存器、 N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出 缓冲器等五部分组成。 工作原理：启动信号作用后，时钟信号先 通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为 1 ，以下各位为 0 ，这个二进制代码经 D/A 转换 器转换成电压U0（此时为全量程电压的一半） 送到比较器与输入模拟电压UX比较。若UX>U0， 则保留这一位；若UX<U0，则DN-1 位置0。
注：1、在实际系统中，《T ，即近似地认为采样信号
在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的
控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字
计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理 后的结果还需要变换成合适的控制信号输出至被 控对象。以控制执行机构的动作。因此，在计算 机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转
换的连接通道，即过程通道。
3、集成采样保持器
集成采样保持器将采样电路、保持器制作在 一个芯片上，保持电容外接，由用户选用。电容 的大小与采样频率及要求的采样精度有关。 集成采样保持器分三类：
1、用于通用目的的芯片， 如AD583K,AD582,LF398； 2、高速芯片，如THS-0025,THC-0300等； 3、高分辨率芯片，如SHA1144等。
现以4位A/D转换器把模拟量7转换为二进制数0111为例，说 明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。
电压 第一次 预测 模拟 电压 第四次 第三次 预测 第二次 预测 预测
(1000) (0100) (0110) (0111)
D3
0
D2
D1
D0
时间
逐次逼近式ADC 逐次逼近式A/D原理概述
N 位的逐次逼近式 A/D 转换器 , 由 N 位寄存器、 N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出 缓冲器等五部分组成。 工作原理：启动信号作用后，时钟信号先 通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为 1 ，以下各位为 0 ，这个二进制代码经 D/A 转换 器转换成电压U0（此时为全量程电压的一半） 送到比较器与输入模拟电压UX比较。若UX>U0， 则保留这一位；若UX<U0，则DN-1 位置0。
注：1、在实际系统中，《T ，即近似地认为采样信号
第二章 过程输入通道与接口_zh
接 口 • 技 3、输入输出电气接口(亦即数字量输入信号调理和输 术 出信号驱动电路)。
• 一般情况下，各种数字量输入通道的前两部分往往大 同小异，所不同的主要在于输入输出(I／O)电气接口 。典型的开关量输入通道结构如图所示。
•
第 二 微章
型 计 算 机
微 型 计 算 机 接 口 技 术
数 据 缓 冲 、 地 址 译 码 、 控 制 逻 辑
第 二 章 微 型 计 算 机 接 口 技 术
• 由于光电隔离器是通过电-光-电的转换来实现对 输出设备进行控制的，彼此之间没有电气连接， 因而起到隔离作用。 • 光耦合器输入侧的工作电流一般为10 mA左右， 正常工作电压一般小于1.3 V。所以光耦合器输入 电路可直接用TTL电路驱动。而MOS电路不能 直接驱动它，必须通过一个三极管来驱动
模拟量输入通道（AI）的结构组成如下图所示，
第 二 章 微 型 计 算 机 接 口 技 术
多路AI由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数 转换器组成。
2.1.3 AI的常用器件及电路
第 二 • 章 1、多路开关：多路开关的作用是实现多选1操作 微 • 型 计 算 机 接 • 口 技 术
2、采样保持器（S/H）：保证A/D转换器转换期间， 输入电压保持不变。两种工作模式：在采样时，其输 出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输出值 不变。 3、电流/电压（I/V）转换：传感器信号为电流信号 而A/D转换器需要电压信号，因此需要I/V转换
采样 连续信号
微 型 计 算 机 接 口 技 术
第 二 章
量化 解码 离散脉冲 数字信号 A/D 微机
保持 离散模拟信号 D/A
重要
• 第 5、香农采样定理 二 • 从信号的采样过程可知，采样后得到的离散模拟信 章 号没有包括全部时间上的信号值，而只是取了某些时 间点上的值。这样处理后的信号会造成信号的丢失吗 ？显然，采样周期T的合理选取是重要的，采样周期T 越短，采样信号f*(t)就越接近连续信号f(t)。
• 一般情况下，各种数字量输入通道的前两部分往往大 同小异，所不同的主要在于输入输出(I／O)电气接口 。典型的开关量输入通道结构如图所示。
•
第 二 微章
型 计 算 机
微 型 计 算 机 接 口 技 术
数 据 缓 冲 、 地 址 译 码 、 控 制 逻 辑
第 二 章 微 型 计 算 机 接 口 技 术
• 由于光电隔离器是通过电-光-电的转换来实现对 输出设备进行控制的，彼此之间没有电气连接， 因而起到隔离作用。 • 光耦合器输入侧的工作电流一般为10 mA左右， 正常工作电压一般小于1.3 V。所以光耦合器输入 电路可直接用TTL电路驱动。而MOS电路不能 直接驱动它，必须通过一个三极管来驱动
模拟量输入通道（AI）的结构组成如下图所示，
第 二 章 微 型 计 算 机 接 口 技 术
多路AI由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数 转换器组成。
2.1.3 AI的常用器件及电路
第 二 • 章 1、多路开关：多路开关的作用是实现多选1操作 微 • 型 计 算 机 接 • 口 技 术
2、采样保持器（S/H）：保证A/D转换器转换期间， 输入电压保持不变。两种工作模式：在采样时，其输 出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输出值 不变。 3、电流/电压（I/V）转换：传感器信号为电流信号 而A/D转换器需要电压信号，因此需要I/V转换
采样 连续信号
微 型 计 算 机 接 口 技 术
第 二 章
量化 解码 离散脉冲 数字信号 A/D 微机
保持 离散模拟信号 D/A
重要
• 第 5、香农采样定理 二 • 从信号的采样过程可知，采样后得到的离散模拟信 章 号没有包括全部时间上的信号值，而只是取了某些时 间点上的值。这样处理后的信号会造成信号的丢失吗 ？显然，采样周期T的合理选取是重要的，采样周期T 越短，采样信号f*(t)就越接近连续信号f(t)。
第2章 DIDO
DO接口电路 输
PC
出
总
锁
线
存
器
输
去
出
生
驱
产
动
过
器
程
地址译码器
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和输出驱动电路等组成。
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第2章 输入输出过程通道
1．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，二是驱动开关器件。
第2章 输入输出过程通道
小功率输入调理电路
+ 5V R1
R2
C
S
A
S
R1
+5V
R2
B
（a） 采用RC滤波电路
（b）采用RS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作， 转换成TTL电平信号与计算机相连。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RC滤波电路或RS触发电路。
小功率驱动电路
中功率驱动电路
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第2章 输入输出过程通道
ULN2003达林顿阵列驱动器
a ) ULN2003 结构图
b) 复合管内部结构
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第2章 输入输出过程通道
二、数字量输入通道
数字量输入通
PC
道由信号调理
过程输入输出通道技术
7 V EE
3 公共端 OUT/IN
ＩＮＨ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０
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表5．2 CD4051的真值表
输入状态
Ｃ
Ｂ
Ａ
０
０
０
０
０
１
０
１
０
０
１
１
１
０
０
１
０
１
１
１
０
１
１
１
接通通道
ＣＤ４０５１
０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７
2．CD4067B／CD4097B
CD4067B是16通道双向多路模拟开关。CD4097B为双向双8 通道多路模拟开关。
5．2．l 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型
过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：
1．数据信息：反映生产现场的参数及状态的信 息，它包括数字量、开关量和模拟量。
2．状态信息：又叫做应答信息、握手信息，它反
映过程通道的状态，如准备就绪信号等。
3．控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等
信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动 等。 在过程输入输出通道中，必须设置一个与CPU联系的接口 电路，传送数据信息、状态信息和控制信息。
1．控制信息的传递路径：即根据控制的任务在众多的信 息源中进行选择，以确定该信息传送的路径和目的地。
2．控制信息传送的顺序：计算机控制的过程就是执行 程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据 控制程序的要求，适时地发出一组有序的门控信号。
当前您浏览到是第十一页，共一百五十六页。
在过程通道接口电路设计中应解决以下问题： 1．触发方式：有序的门控信号的主要作用就是严
第2章(1)模拟量输入通道
2.2 模拟量输入通道
模拟量输入通道的任务： 转换：模拟量到数字量的转换
组成核心：A/D转换器
2.2.1 模拟量输入通道的结构
模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器、采样保持 器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。
过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压) 形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各 个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过 程参数的巡回检测。
为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要 将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、 压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的 电信号变成0～10mA或4～20mA的统一信号，然后经过 模拟量输入通道来处理。
2.4.2 信号调理和I/V变换
1.信号调理电路 信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、 放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电 量和非标准的电信号转换成标准的电信号。 （1）非电信号的检测-不平衡电桥
y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值；
2、香农定理（采样定理）指出：为了使采样信号
y*(t)能完全复现原信号y(t)，采样频率f 至少要为原信号最高 有效 频率fmax的2倍，即f 2fmax。
采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频 率。实际应用中，常取f （5~10）fmax。
过程输入输出通道技术
数字量输入通道 数字量输出通道 模拟量输入通道 模拟量输出通道
明确概念
数字量(开关量)信号 开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，
继电器或接触器的吸合与释放，马达的启动 与停止，阀门的打开与关闭等。
共同特征:这些信号是以二进制的逻辑 “1”和“0”出现的，代表生产过程的一个 状态。
AO通道
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第2章 输入输出过程通道
二、AO通道的结构形式
主要由接口电路、控制电路、数/模转换器（D/A）、多路 分配器、电压/电流（V/I）变换器等组成。 1．每个通道设置一个D/A转换器的结构形式
须在两者之间增设锁存器。
3. 模拟量输出端的连接 需要考虑两个问题：I/V变换或V/I变换和单极性、双极 性电压输出(后面介绍）。
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第2章 输入输出过程通道
（3）参考电压源 目前多数D/A转换器不带参考电压源，因而设计D/A接
数字量 模拟量
解码器
D/A
保持器
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第2章 输入输出过程通道
1．解码器 其功能是把数字量转换为幅值等于该数字量的模拟脉冲信 号。注意：此时的信号在时间上仍是离散的，但幅值上已是解 码后的模拟脉冲信号（电压或电流） ２．保持器 其作用是将解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化的 信号。实际上，也是信号恢复器。它将离散的信号保持规定的 时间，从而使时间上离散变为时间上连续的信号。 解码只是信号形式的变化，可看做无误差的等效变换，而保持 器将离散变为连续。
第2章 输入输出过程通道
6.R-2R 倒T形电阻网络
IF
D0 D1 D2 D3 Rf
IS +
U0
S0 2R
I1 R
S1
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第2章 输入输出过程通道
二、AO通道的结构形式
主要由接口电路、控制电路、数/模转换器（D/A）、多路 分配器、电压/电流（V/I）变换器等组成。 1．每个通道设置一个D/A转换器的结构形式
须在两者之间增设锁存器。
3. 模拟量输出端的连接 需要考虑两个问题：I/V变换或V/I变换和单极性、双极 性电压输出(后面介绍）。
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第2章 输入输出过程通道
（3）参考电压源 目前多数D/A转换器不带参考电压源，因而设计D/A接
数字量 模拟量
解码器
D/A
保持器
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第2章 输入输出过程通道
1．解码器 其功能是把数字量转换为幅值等于该数字量的模拟脉冲信 号。注意：此时的信号在时间上仍是离散的，但幅值上已是解 码后的模拟脉冲信号（电压或电流） ２．保持器 其作用是将解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化的 信号。实际上，也是信号恢复器。它将离散的信号保持规定的 时间，从而使时间上离散变为时间上连续的信号。 解码只是信号形式的变化，可看做无误差的等效变换，而保持 器将离散变为连续。
第2章 输入输出过程通道
6.R-2R 倒T形电阻网络
IF
D0 D1 D2 D3 Rf
IS +
U0
S0 2R
I1 R
S1