1、 輸入接口模塊 輸出接口模塊第二部分 輸入/輸出模塊智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊輸入接口模塊一、概述二、傳感器的選用三、信號的放大四、數字量輸入通道五、模擬量輸入通道智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊輸入接口模塊 一、 概述傳感器前置放大濾波程控放大濾波采集電路 典型模擬調理電路的組成框圖 經由傳感器或檢測儀表、變送器輸入的模擬信號，可能是電壓或電流信號，幅值范圍往往和A/D轉換器的量程不匹配，而且一般含有噪聲信號，因此需要進行放大、濾波、隔離保護等處理，稱為信號調理。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 傳感器是信號輸入通道的第一環節，也是決定整個測試系統性能的關

2、鍵環節之一。正確選用傳感器：明確所設計的測控系統對傳感器的技術要求；了解現有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，自行設計傳感器 二、傳感器的選用智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊將被測量轉換后續電路可用電量：轉換范圍：與被測量實際變化范圍相一致。轉換精度：符合整個測試系統根據總精度要求而分配給傳感器的精度指標；轉換速度（帶寬）：符合整機要求；能滿足被測介質和使用環境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質量輕和不耗電或耗電少等；能滿足用戶對可靠性和可維護性的要求。1.對傳感器的主要技術要求智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊對于一種被測量，常常有多種傳

3、感器可以測量，例如測量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導體PN結、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應側重考慮成本低、相配電路是否簡單、可靠性等因素進行取舍，盡可能選擇性能價格比高的傳感器。 2. 選用什么類型傳感器智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊（1）大信號輸出傳感器 為了與A/D輸入要求相適應，傳感器廠家開始設計、制造一些專門與A/D相配套的大信號輸出傳感器。 傳感器傳感器傳感器小信號放大信號修正與變換濾波A/D微機微機I/V轉換V/F光電耦合小電流小電壓大電壓大電流 大信號輸出傳感器的使用 智能儀表綜合訓練

4、第二部分 輸入/輸出模塊（2）數字式傳感器 采用頻率敏感效應器件構成，也可以由敏感參數R、L、C構成的振蕩器，或模擬電壓輸入經 V/F轉換等。具有測量精度高、抗干擾能力強、便于遠距離傳送等優點。 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊頻率量及開關量輸出傳感器的使用 傳感器放大整形光電隔離計算機傳感器整形光電隔離計算機頻率輸出開關量輸出智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 集成傳感器是將傳感器與信號調理電路做成一體。例如，將應變片、應變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構成集成壓力傳感器。 采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號調理任務，簡化通道結構。 （3） 集成傳感器智能儀表綜合

5、訓練 第二部分 輸入/輸出模塊（4） 光纖傳感器： 這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸都是通過光導纖維實現的，避免了電路系統的電磁干擾。 光纖傳感器可以從根本上解決由現場通過傳感器引入的干擾。 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊三、信號的放大1.信號放大電路 當被測物理量經傳感器轉換后得到的電信號的幅度很小時，可能無法直接進行A/D轉換或轉換精度不高，這時，需要用放大電路（又稱放大器）對這些模擬電信號進行放大處理。 信號調理通道中的常用放大器包括： 儀用放大器 程控增益放大器 隔離放大器 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 儀用放大器對微小的差動電壓很敏感，并適用于測量遠距離傳輸

6、過來的信號，因而十分適宜于與輸出微小信號的傳感器配合使用。 儀用放大器儀用放大器的基本結構圖智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊儀用放大器上下對稱，即圖中R1=R2，R4R6，R5R7。則放大器閉環增益為：假設R4=R5，即第二級運算放大器增益為1，則可以推出儀用放大器閉環增益為：由上式可知，通過調節電阻RG，可以很方便地改變儀用放大器的閉環增益。當采用集成儀用放大器時，RG一般為外接電阻。 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊（2）程控增益放大器 在智能儀器中，如果測量的范圍比較寬，為了保證必要的測量精度，需根據待測量的大小選擇放大器的放大倍數（增益）。這種選擇可以通過軟件編程來

7、控制，故稱為程控增益放大器或可編程增益放大器PGA（Programmable Gain Amplifier）。 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 電路中用一個通用運算放大器、一片8路模擬開關（MUX）CD4051和電阻網絡組成。此電路既可以放大信號，也可以衰減信號。圖中，A、B、C為8路開關的導通選擇線，當ABC000時，Y0端與COM端接通，此時輸出電壓為 用模擬開關組成的程控放大器智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊程控放大器的放大倍數為： A （3）隔離式運算放大器 在實際工業生產過程中，可能存在嚴重的用電干擾，被測信號中可能疊加了極高的共模電壓，這時要采用隔離式放大器。

8、隔離放大器要求做到被測信號與測量儀器不共“地”，以隔斷兩地共模差值電壓的電流流通回路，從根本上消除共模電壓的影響。為了做到完全的“地”隔離，要求放大器所用的電源也是與工業電源隔離的。常用的隔離方法有變壓器隔離和光電耦合隔離。 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊GF289集成隔離放大器智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊2.集成放大器 集成放大電路的種類很多，價格、性能相差很多，且很多常用的放大電路都有集成芯片，在選用時要根據儀器的精度要求及成本進行選擇。 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 (1)集成儀用放大器INA114/115 INA114/115是一個低成本的內部由

9、三個運算放大器構成的普通儀用放大器，不需要外接失調調整電路就可獲得很高的精度。它可在2.25V的電源下工作，適合電池供電及5V單電源供電的系統使用。它的封裝是8腳芯片。其基本接法如圖所示。只要通過調節外加電阻RG就可以獲得110000范圍內的任意增益，其放大倍數為： A150kW/RG INA114基本接法 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 其信號輸入端的內部有過壓保護電路，其保護范圍可達40V，具有很高的共模抑制比（大于115dB），輸入失調電壓小于50mV，溫度漂移小于0.25mV/。INA114可廣泛應用于橋式放大電路、熱電偶測量放大電路、數據采集放大電路等。 集成儀用放大器的

10、種類很多，如微功耗儀用放大器INA126，低價格、低功耗儀用放大器AD620等。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊(2)程控儀用放大器PGA202/203 PGA202/203是增益可控的雙端輸入儀用放大器集成芯片。其內部由前端邏輯電路、基本差分放大器及高通濾波電路等組成，具有失調電壓調整端、濾波輸出端、反饋輸出和參考輸出端，能夠靈活組成各類放大電路。采用雙列直插14腳封裝，其引腳如圖3.23（a）所示，通過在A0、A1端輸入編碼，可以對放大倍數進行控制。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 圖（b）為PGA202的基本接法，電路中電源端要與地之間接一個1F的電容，電容要盡可能放

11、在接近放大器的地方用來解耦。為了防止由外部器件（如導線電阻）引起的誤差，引腳4和引腳11要接地，且連接線要盡可能短一些。（a）引腳圖 （b）基本接法 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊過程通道模擬量輸入通道（AI）模擬量輸出通道（AO）開關量輸入通道（DI）開關量輸出（DO）通道 四、 數字量輸入通道智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 數字量輸入通道的任務主要是將現場輸入的開關信號經轉換、保護、濾波、隔離等措施后轉換成計算機能夠接收的邏輯信號，即將被控對象的開關狀態信號(或數字信號)傳送給計算機，簡稱DI(Digital Input)通道。數字量輸入通道的作用： 定時記錄生產過

12、程中某些設備的狀態。 對生產過程中某些設備的狀態進行檢查，以便發現問題。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 開關量信號是智能儀器常需處理的最基本的輸入/輸出信號，其基本功能就是接收外部裝置或過程的狀態信號。開關量信號可能是由電壓、電流或開關觸點的接通、斷開給出。最簡單的撥換開關電路中開關的閉合與斷開的輸入信號波形如圖所示，當開關合上時，U0V（接地），當開關斷開時，U5V。 1.開關量的預處理電路 開關量的輸入 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊這類信號包括：指示燈的亮和滅，斷電器或接觸器的吸合與釋放，電動機的啟動與停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關閉等。這類信號的最大特點是

13、只需要判斷開和關、有電流輸入或無電流輸入或者高、低電平兩種狀態。這類開關信號的輸入均可以通過如圖上圖所示的電路把它轉換成電平信號1和0輸出。 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊2. 脈沖信號的輸入與處理 另一類較常用的數字信號是脈沖信號。與開關量相比較，在一段時間內，輸入的脈沖信號通常有周期的高、低電平變化，通常需要測量其頻率。數字式傳感器直接輸出的頻率信號、積累式儀表如電量計、流量計的變送器輸出的頻率信號都是常見的脈沖輸入信號。普通傳感器、測速發電機等模擬傳感器輸出的模擬信號經壓頻轉換器變換后也成為脈沖信號。 這些脈沖輸入信號主要采用計數器、定時器接口，如Intel 8253、825

14、4等芯片或單片機內部的計數器接口，測量其頻率（單位時間內的周期數），測量的主要方法有測頻法和測周法。 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 實際的待測信號的形狀、幅度往往是未知的，并可能還夾帶著一定的噪聲。如果輸入信號不是標準的脈沖信號，則需要進行預處理，通常稱為輸入通道處理，輸入通道一般由調整電路、放大整形電路組成。如圖所示為脈沖信號輸入通道的示意圖。 脈沖信號輸入通道框圖 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊五、模擬量輸入通道 模擬量輸入通道(AI)是計算機用于工業控制、自動測試、計算機輔助醫療診斷、機器人等科學研究時必需的模擬數據處理系統。它把各類傳感器從現場檢測到的模擬量信

15、號如溫度、壓力、流量、物位、成分等轉換成計算機可以接收的數字量信號。建立模擬量輸入通道的目的，通常是為了進行參數測量或數據采集。它的核心部件是A/D轉換器及其微處理機的接口。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 模擬量輸入通道一般包括：信號調理電路、多路轉換開關、采樣保持器、A/D轉換器等幾個組成部分。1. 模擬量輸入通道的結構多路共用采集電路分時采集 單通道數據采集系統框圖 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊多路同步取樣共用A/D分時采集多通道同步采樣分時傳輸數據智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊通過多路模擬開關將多路參數分時送入計算機。2. 模擬量輸入通道的組成 信號

16、調理電路 經由傳感器或檢測儀表、變送器輸入的模擬信號，可能是電壓或電流信號，幅值范圍往往和A/D轉換器的量程不匹配，而且一般含有噪聲信號，因此需要進行放大、濾波、隔離保護等處理，稱為信號調理。 多路開關單向多路開關:AD7501(8路)、AD7506(16路)等；雙向多路外關：CD4051等;單端輸入: CD4051是單端8通道;雙端輸入: CD4052是雙4通道;多路輸入多路輸出:CD8816等。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 采樣保持器 在A/D轉換器工作期間采樣保持器一直保持著轉換開始時的輸入值，因而能抑制由放大器干擾帶來的轉換噪聲，提高模/數轉換器的精確度和消除轉換時間的不

17、準確性。高速采樣(如500010000點秒) 必須采用采樣保持器。 在低速系統中一般可以省略。采樣保持器的工作方式 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 A/D轉換器 在工業生產過程中，被測參數，如溫度、壓力、流量、液位、成分等都是連續變化的模擬量，而計算機處理的數據只能是數字量，所以在進入計算機之前，必須把模擬量轉換成數字量（也即A/D轉換）。AD轉換器即是完成模擬量轉換為數字量的器件，在一般情況下，模擬量是指電壓。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊3. 模擬量輸入通道A/D轉換器的選擇 A/D轉換器的技術指標 分辨率是衡量A/D轉換器分辨輸入模擬量最小變化量的技術指標，是數字

18、量變化一個字所對應模擬信號的變化量。其大小取決于A/D轉換器的位數，所以習慣上以數字量的位數來表示。 量化誤差是由A/D 轉換器有限字長數字量對輸入模擬量進行離散取樣（量化）引起的誤差，其大小在理論上為一個單位（1LSB ）。量化誤差和分辨率是統一的，即提高分辨率可以減小量化誤差。 分辨率與量化誤差智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 轉換精度反映了一個實際A/D轉換器與一個理想A/D轉換器在量化值上的差值，用絕對誤差或相對誤差來表示。 轉換精度 轉換速率是指A/D轉換器在每秒鐘所能完成的轉換次數。轉換速率也可表述為轉換時間，即A/D轉換從啟動到結束所需的時間，轉換速率與轉換時間互為倒數

19、。 轉換速率 滿刻度范圍 滿刻度范圍是指A/D轉換器所允許的最大輸入電壓范圍。滿刻度值只是個名義值，實際的AD轉換器的最大輸入電壓值總比滿刻度值小1/2n（n為轉換器的位數）。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 AD轉換器的分類(根據轉換原理分) 逐次比較式 積分式 并行比較式 改進型 轉換時間一般在s級，轉換精度一般在0.1左右，適于一般場合。轉換時間一般在ms級或更長，但抗干擾性能強，轉換精度可達0.01或更高。適于數字電壓表類儀器采用。采用并行比較，其轉換時間可達ns級，但抗干擾性能較差.在上述某種形式AD轉換器的基礎上，為滿足某項高性能指標而改進或復合而成的。智能儀表綜合訓練

20、第二部分 輸入/輸出模塊 A/D轉換速度的選擇在選取A/D轉換速度之前，應該首先確定系統的采樣周期。合理地選擇采樣周期T，是過程計算機控制系統設計的關鍵問題之一。A/D轉換器從啟動轉換到轉換結束輸出穩定的數字量，需要一定的時間。而且從轉換結束到下一次啟動轉換也需要一段休止時間(或稱復位時間、恢復時間、準備時間等).因此，A/D轉換器的轉換速率應由轉換時間和休止時間二者共同決定。選擇時應該注意。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 A/D轉換器字長的選擇為把量化誤差限制在所允許的范圍內，應使A/D轉換器有足夠的字長。確定字長要考慮的因素是輸入信號的動態范圍和分辨率。為使輸入信號的最大值xm

21、ax不至使A/D溢出，且小信號xmin不被量化噪聲淹沒，則需 輸入信號的動態范圍即需要A/D轉換器的字長為輸入信號的動態范圍定義為 若已知被測模擬電壓動態范圍為L1，則智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊有時對A/D轉換器的字長要求以分辨率形式給出。分辨率定義為 分辨率如果所要求的分辨率為D0，則字長例：某溫度控制系統的溫度范圍為0-200，要求分辨率為0.5% (即相當于1)，則A/D轉換器字長為因此，取A/D轉換器字長n為8位。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊此外，考慮到MUX、S/H、A/D組成的數據采集電路的總誤差是這三個組成部分的分項誤差的綜合值，選擇元器件精度的一般

22、規則是：每個元器件的精度指標應優于系統精度的10倍左右?？筛鶕到y精度指標，估算所需A/D的位數n例：要求系統誤差不大于0.1滿度值(即0.1)，則需采用n為14位的A/D轉換器。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊4. A/D轉換器與CPU的接口技術 （1）0832與MCS-51系列單片機的接口應用 TLC0832 芯片介紹TLC0832 是美國德州儀器公司生產的串行控制模數轉換器,有兩個可多路選擇的輸入通道,與單片機或控制器通過三線接口連接,性能價格比較高,市場售價較低,購買也很方便。芯片特點TLC0832 芯片具有以下特點:(1) 8 位分辨率;(2) 5V 單電源供電,基準電壓為

23、5V ;(3) 輸入模擬信號電壓范圍為05V ;(4) 輸入和輸出電平與TTL 和CMOS 兼容;(5) 可直接和微處理器接口或獨立使用;(6) 在250kHz 時鐘頻率時,轉換時間為32s ;(7) 有兩個可多路選擇的模擬輸入通道。引腳分配TLC0832 有SOIC 和DIP 兩種封裝,DIP 封裝的TLC0832 引腳分配如圖所示。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊各引腳說明如下: CS為片選端,低電平有效;CH0 、CH1 為模擬信號輸入端;DI 為多路器地址選擇端;DO 為模數轉換結果串行輸出端;CL K為串行時鐘輸入端; GND 為電源地;VCC/ REF 為正電源端和基準電

24、壓輸入端。配置位說明TLC0832 工作時,選擇哪個模擬通道,取決于輸入時序中的配置位。同時,配置位也決定了輸入是單端輸入還是差分輸入。當輸入是差分時,要分配輸入通道的極性;兩個輸入通道的任一個通道都可作為正極或負極。TLC0832 的配置位邏輯表如表1 所列。表1 中: + 表示輸入通道的端點為正極性, - 表示輸入通道的端點為負極性,H 或L 表示高、低電平。輸入配置位時,高位在前,低位在后。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊時序分析 TLC0832 的工作時序如圖2 所示。由時序可以看出,置CS為低電平時,選中TLC0832 ,使所有邏輯

25、電路使能. 在每個時鐘CL K 的上升跳變時,DI端的數據移入TLC0832 內部的多路器地址移位寄存器。 在第一個時鐘期間,DI 為高,表示啟始位, 緊接著要輸入兩位配置位。 當輸入啟始位和配置位后,選通輸入模擬通道,轉換開始。 轉換開始后,先提供一個時鐘,以使選定的通道穩定。 TLC0832 接著輸出轉換的數據,數據輸出時先輸出最高位; 輸出完轉換的數據后,又以最低位開始重新輸出一遍數據。 當片選CS變高時,內部所有寄存器清零,輸出變為高阻狀態。 如果要想再一次模數轉換,片選CS必須再次要由從高變低的跳 變,后面再輸入啟始位和配置位。 由于DI 端只在多路尋址時被檢測,而此時DO 端仍為高

26、阻狀態,因此DI 端和DO 端可以連在一起。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊主要性能為：逐次逼近ADC，可選擇工作于12位，也可工作于8位。轉換后的數據有兩種讀出方式：12位一次讀出；位、位兩次讀出。具有可控三態輸出緩沖器，邏輯電平為TTL電平。非線性誤差：AD574AJ為1LSB，AD574AK為1/2LSB。轉換時間：最大轉換時間為25S（屬中檔速度）。輸入模擬信號，單極性時，范圍為0V10V和0V20V，從不同引腳輸入。雙極性輸入時，范圍為0V5V和0V10V，從不同引腳輸入。（2） ADC57

27、4與MCS-51系列單片機的接口應用 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊AD574A的單極性和雙極性輸入 單極性輸入 雙極性輸入 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊單極性輸入電路 當輸入電壓為VIN=0V+10V時，應從引腳10VIN輸入，當VIN=0V+20V，應從20VIN引腳輸入。輸出數字量D為無符號二進制碼，計算公式為： D=4096 VIN/VFS 或 ： VIN=D VFS / 4096 式中VIN為輸入模擬量（V），VFS是滿量程，如果從10VIN引腳輸入，VFS =10V，1LSB=10/4096=24（mV)；若信號從20VIN 引腳輸入，VFS =20V，1

28、LSB=20/4096=49（mV)。 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊雙極性輸入電路 R1用于調整雙極性輸入電路的零點。如果輸入信號VIN在5V5V之間，應從10VI引腳輸入；當VI在10V10V之間，應從20 VI引腳輸入。雙極性輸入時輸出數字量D與輸入模擬電壓VI之間的關系： D2048（1+2VI/ VFS） 或 ： VI（D/2048-1）VFS /2 式中VFS的定義與單極性輸入情況下對VFS的定義相同。 由上式求出的數字量D是12位偏移二進制碼。把D的最高位求反便得到補碼。補碼對應模擬量輸入的符號和大小。同樣，從AD574A讀到的或應代到式中的數字量D也是偏移二進制碼。

29、例如，當模擬信號從10 VIN引腳輸入，則VFS10V，若讀得DFFFH，即111111111111B4095，代入式中可求得VIN4.9976 V。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 采用雙極性輸入方式，可對5V或10V的模擬信號進行轉換。當AD574A與80C31單片機配置時，由于AD574A輸出12位數據，所以當單片機讀取轉換結果時，應分兩次進行：當0=0時，讀取高8位；當0=1時，讀取低4位。 轉換結果的讀取有三種方式：（a） STS空著不接，單片機就只能在啟動AD574A轉換后延時25S以上再讀取轉換結果，即延時方式；（b）STS接到80C31的一條端口線上，單片機就可以采用

30、查詢方式。當查得STS為低電平時，表示轉換結束；(c) STS接到80C31的端，則可以采用中斷方式讀取轉換結果。圖中AD574A的STS與80C31的P1.0線相連，故采用查詢方式讀取轉換結果。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊AD574A與單片機的接口智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊AD574A的轉換程序段如下：AD574A：MOV DPTR，#0FFF8H ；送端口地址入DPTR MOVX DPTR，A ；啟動AD574A SETB P1.0 ；置P1.0為輸入方式 LOOP：JB P1.0，LOOP ；檢測P1.0口 INC DPTR ；使R/C為1 MOVX A，D

31、PTR ；讀取高8位數據 MOV 41H，A ；高8位內容存入41H單元 INC DPTR ；使、A0均為1 INC DPTR ； MOVX A，DPTR ；讀取低4位 MOV 40H ，A ；將低4位內容存入40H單元 . . 上述程序是按查詢方式設計，也可按中斷方式設計中斷服務程序。 智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊一、數字量輸出通道二、模擬量輸出通道智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊輸出接口模塊一、數字量輸出通道 數字量輸出通道的任務是把計算機輸出的數字信號(或開關信號)傳送給開關器件(如繼電器或指示燈)，控制其通、斷或亮、滅，簡稱DO(Digital Output)通

32、道。 由于輸出設備往往需要大電壓(或電流)來控制，而計算機系統輸出的開關量大都為TTL(或CMOS)電平，一般不能直接驅動外部設備開啟或關閉。另外，許多外部設備，如大功率直流電機、接觸器等在開關過程中會產生很強的電磁干擾信號，如不加以隔離，可能會造成計算機控制系統誤動作甚至損壞。因此，在接口設計處理中，一要放大，二要隔離。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 根據負荷功率的大小不同，可以選用不同的功率放大器件構成不同的開關量驅動輸出通道，常用的輸出驅動電路： 晶體管、達林頓管、大功率場效應管輸出驅動電路 光電隔離器、繼電器、晶閘管輸出驅動電路 固態繼電器輸出驅動電路智能儀表綜合訓練 第二

33、部分 輸入/輸出模塊使用光電隔離器與繼電器配合的輸出驅動電路采用直流型固態繼電器控制三相步進電機繼電器輸出控制電路 固態繼電器輸出控制電路智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊二、模擬量輸出通道 由于大多數執行器只能接受模擬量，為了驅動執行器，經計算機處理后的數據還必須再轉換成模擬量（即D/A轉換）。此外，在模擬量輸出通道中，為了實現多回路控制，需要通過多路開關將控制量分配到各條支路上。同時在模擬量輸出通道中，為使各輸出通道得到一個平滑的模擬量輸出也必須保持一個恒定的值。因此，模擬量輸出通道一般包括D/A轉換器、多路分配器和采樣保持器，其中的核心器件是D/A轉換器。智能儀表綜合訓練 第二部

34、分 輸入/輸出模塊1D/A轉換器概述 D/A轉換器的輸出多為電流形式，如DAC0832，AD7522等。有些芯片內部設有放大器，直接輸出電壓信號，如AD558，AD7224等。電壓輸出型又有單極性輸出和雙極性輸出兩種。 雙D/A轉換器：AD7528 4通道D/A轉換器：AD7226 串行D/A轉換器：DAC8032 直接接收BCD碼的D/A轉換器：AD7525 輸出4-20mA電流的D/A：AD1420/1422 D/A轉換器的數字量輸入端不含數據鎖存器，與計算機接口時要外加數據鎖存器。含單個數據鎖存器：與計算機接口時可以不外加數據鎖存器。含雙數據鎖存器：可用于多個 D/A轉換器同時轉換的場合

35、。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊2D/A轉換器字長的選擇 D/A轉換器輸出一般都通過功率放大器推動執行機構。設執行機構的最大輸入值為umax，最小輸入值為umin（靈敏限），則D/A轉換器的字長為 即D/A轉換器的輸出應滿足執行機構動態范圍的要求。一般情況下，可選D/A字長小于或等于A/D字長 在過程計算機控制中，常用的A/D和D/A轉換器字長為8位、10位和12位，按照上述公式估算出的字長取整后再選這三種之一。特殊被控對象，可選更高分辨率的器件。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊3.D/A轉換器與CPU的接口技術 DAC0832與MCS-51的接口技術 DAC0832是一

36、種電流型D/A轉換器，數字輸入端具有雙重緩沖功能，可以雙緩沖、單緩沖或直通方式輸入，它的內部結構如圖。 與與與DI0DI7ILECSWR1WR2XFER輸入寄存器DAC寄存器D/A轉換器LE1LE2VREFRfbIOUT1IOUT2AGNDVCCDGNDDAC0832智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 DAC0832有20引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。 DAC0832有三種方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。CSWR1AGNDDI3DI2DI2DI0VREF RFB DGNDVCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT21234567891020191

37、817161514131211智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊（1）單極性電壓輸出 一般而言，電壓輸出型D/A轉換器，即單極性電壓輸出方式。在電流輸出型D/A轉換器中，一般要求IOUT2 端接地，否則將使T形網絡各臂上的電壓發生變化，致使解碼網絡的線性度變差。對于電流輸出型D/A轉換芯片，只要在其電流輸出端上加上一級電壓放大器，即可滿足電壓輸出的要求。典型的DAC0832的電壓單極性輸出電路圖，如圖所示。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 圖中，DAC0832的電流輸出端IOUT1 接至運算放大器的反相輸入端，故輸出電壓VOUT 與參

38、考電壓VREF 極性反相。當VREF 接5V（或10V）時，D/A轉換器輸出電壓范圍為-5V /+5V（或-10V/+10V）。 單極性輸出信號轉換代碼應用最多的是二進制碼，其轉換關系是全零代碼對應0V電壓輸出；全1代碼對應滿刻度電壓減去一個最小代碼對應的電壓值，這包含了轉換器有限字長所引起的誤差。轉換代碼也有使用補碼二進制數和BCD碼的。 8位單極性電壓輸出采用二進制代碼時，數字量與模擬量間的關系，如表2.6所示。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊（2）雙極性電壓輸出 在隨動系統中（例如電機控制系統），由偏差產生的控制量不僅與其大小有關，而且與極性相關。在這種情況下，要求D/A轉換器輸出電壓為雙極性。雙極性電壓輸出的D/A轉換電路通常采用偏移二進制碼、補碼二進制碼和符號-數值編碼。只要在單極性電壓輸出的基礎上再加一級電壓放大器，并配以相關的電阻網絡，就可以構成雙極性電壓輸出。這種接法在效果上，相當于把數字量的最高位視做符號位。雙極性電壓輸出電路圖，如圖2.18所示。智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊智能儀表綜合訓練 第二部分 輸入/輸出模塊 在圖2.18中，運算放大器A2 的作用是把運算放大器A1 的單向輸出電壓轉變為雙向輸出。其原理是將A2 的輸入端通過電阻R1