第2章過(guò)程輸入/輸出通道2.1概述2.2

模擬量輸入通道2.3模擬量輸出通道2.4數(shù)字量輸入通道2.5數(shù)字量輸出通道小結(jié)

2.1概述

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制,要設(shè)法為數(shù)字控制器提供控制對(duì)象的被控參數(shù),就要有信號(hào)的輸入通道;另一方面,數(shù)字控制器的控制命令要作用于控制對(duì)象,就要有信號(hào)的輸出通道。

對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō),其輸入和輸出都必須是數(shù)字信號(hào),因而輸入和輸出通道的主要功能,

一是將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào),

二是將數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào),

三是要解決對(duì)象輸入信號(hào)與計(jì)算機(jī)之間以及計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)與對(duì)象之間的接口問(wèn)題。

本章主要討論的是計(jì)算機(jī)過(guò)程輸入/輸出通道,即模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、數(shù)字量輸入(DI)、數(shù)字量輸出(DO)通道,如圖2-1所示。

圖2-1計(jì)算機(jī)過(guò)程輸入/輸出通道

1.過(guò)程輸入/輸出通道與主機(jī)交換的信息類(lèi)型

(1)數(shù)據(jù)信息:反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)及狀態(tài)的信息,包括數(shù)字量和模擬量。

(2)狀態(tài)信息:又叫應(yīng)答信息、握手信息,反映過(guò)程通道的狀態(tài),例如準(zhǔn)備就緒信號(hào)等。

(3)控制信息:用來(lái)控制過(guò)程通道的起動(dòng)和停止等信息,例如三態(tài)門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉、觸發(fā)器的起動(dòng)等。

2.過(guò)程通道的編址方式

1)過(guò)程通道與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式

這種編址方式又叫存儲(chǔ)器映像編址。

優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)設(shè)計(jì),可使用全部存儲(chǔ)器指令。

缺點(diǎn):減少一定量的內(nèi)存容量,數(shù)據(jù)存取時(shí)間長(zhǎng)(MOV需20個(gè)以上時(shí)鐘周期,專(zhuān)用I/O指令需10個(gè)時(shí)鐘周期)。

2)過(guò)程通道與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式

這種編址方式又叫專(zhuān)用I/O指令編址,I/O端口地址與存儲(chǔ)器地址是分開(kāi)的。

3.主機(jī)對(duì)過(guò)程通道的控制方式

1)程序傳送控制方式

程序傳送控制方式是指完全靠程序來(lái)控制信息在CPU與I/O設(shè)備之間的傳送。它分為無(wú)條件(同步)傳送方式和條件(查詢(xún))傳送方式。

無(wú)條件傳送是指在外設(shè)已準(zhǔn)備好,而又不必檢查它們的狀態(tài)情況下,直接采用輸入/輸出指令同外設(shè)傳送數(shù)據(jù)。

條件傳送也稱(chēng)查詢(xún)傳送或異步傳送方式。

2)中斷傳送方式

中斷是外設(shè)(或其他中斷源)中止CPU當(dāng)前正在執(zhí)行的程序,轉(zhuǎn)向該外設(shè)服務(wù)的程序,即完成外設(shè)與CPU之間傳送一次數(shù)據(jù),一旦服務(wù)結(jié)束,又返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。

3)直接存儲(chǔ)器存取(DMA)傳送方式

當(dāng)數(shù)據(jù)傳送執(zhí)行的時(shí)間小于完成中斷過(guò)程所需時(shí)間,大量數(shù)據(jù)在高速外設(shè)與存儲(chǔ)器之間傳送時(shí),采用DMA傳送方式。

DMA的工作流程如圖2-2所示。

圖2-2-DMA工作方式流程圖

DMA操作的基本方法有以下三種。

(1)周期挪用是指利用CPU不訪問(wèn)存儲(chǔ)器的那些周期來(lái)進(jìn)行DMA操作,此時(shí)DMAC不用通知CPU由它來(lái)控制總線(xiàn)。這種方法的關(guān)鍵是DMAC必須能識(shí)別出可挪用的周期。

(2)周期擴(kuò)展使用專(zhuān)門(mén)的時(shí)鐘發(fā)生器/驅(qū)動(dòng)電路,當(dāng)需要DMA操作時(shí),DMAC發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)給時(shí)鐘電路,使供給CPU的時(shí)鐘周期加寬,而DMA和存儲(chǔ)器的時(shí)鐘周期不變。這加寬的時(shí)鐘周期用來(lái)進(jìn)行DMA操作。

(3)CPU停機(jī)方式是最簡(jiǎn)單、最常用的DMA操作方法。DMAC向CPU發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行DMA傳送。CPU在當(dāng)前總線(xiàn)周期結(jié)束后,下一個(gè)總線(xiàn)周期開(kāi)始讓出總線(xiàn)控制權(quán)由MA來(lái)控制;傳送完后,CPU收回總線(xiàn)控制權(quán),繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。DMA操作時(shí),CPU空閑,降低了CPU的利用率,影響CPU對(duì)中斷響應(yīng)和動(dòng)態(tài)RAM的刷新,因此使用時(shí)應(yīng)注意。

2.2

模擬量輸入通道

2.2.1信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路包括信號(hào)濾波、小信號(hào)放大、信號(hào)衰減、阻抗匹配、電平變換、線(xiàn)性化處理、電流/電壓轉(zhuǎn)換等。濾波電路可以濾掉或消除干擾信號(hào),保留或增強(qiáng)有用信號(hào),可以采用有源濾波器或無(wú)源濾波器。圖2-3是兩種信號(hào)處理的變換電路。

圖2-3兩種信號(hào)處理的變換電路

有源I/V變換電路是由有源器件———運(yùn)算放大器和電阻電容組成,如圖2-3(b)所示。它利用同相放大電路,把電阻R1

上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為

2.2.2多路模擬開(kāi)關(guān)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開(kāi)關(guān)有兩類(lèi):一類(lèi)是機(jī)械觸點(diǎn)式,例如干簧繼電器、水銀繼電器和機(jī)械振子式繼電器,目前已很少使用;另一類(lèi)是電子式開(kāi)關(guān),例如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管及可編程集成電路開(kāi)關(guān)等。

圖2-4CD4051原理圖與引腳排列

2.2.3前置放大器

1.測(cè)量放大器

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中,從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)接受到的傳感器信號(hào)往往帶有較大的共模干擾,單憑一個(gè)運(yùn)放電路的差動(dòng)輸入端難以對(duì)其產(chǎn)生足夠的抑制。因此,通常情況下A/D通道中的前置放

大器是由一組運(yùn)放構(gòu)成的測(cè)量放大器,也稱(chēng)儀表放大器,如圖2-5所示。

圖2-5前置放大器

2.可變?cè)鲆娣糯笃?/p>

在A/D轉(zhuǎn)換通道中,多路被測(cè)信號(hào)常常共用一個(gè)測(cè)量放大器,而各路的輸入信號(hào)大小往往不同,但都要放大到A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。如果把圖2-5中的外接電阻換成電阻網(wǎng)絡(luò),使每個(gè)電阻支路上有一個(gè)開(kāi)關(guān),那么通過(guò)支路開(kāi)關(guān)依次通斷就可以改變放大器的增益,進(jìn)而根據(jù)開(kāi)關(guān)支路上的電阻值與增益公式,就可以算得支路開(kāi)關(guān)自上而下閉合時(shí)的放大器增益分別為2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍、256倍。

2.2.4采樣保持器

采樣保持器一般用于連接采樣器和A/D轉(zhuǎn)換器,其作用是在固定時(shí)間點(diǎn)讀取處理信號(hào)的值,并進(jìn)行放大存儲(chǔ)。當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí),由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間,如

果輸入信號(hào)變化較快,就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度,需要應(yīng)用采樣保持器。

零階保持器是一種用于實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)之間插值的元件。它基于時(shí)域外推原理,可將離散的采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)。它的組成原理電路如圖2-6所示,由輸入/輸出緩沖放大器A1、A和采樣開(kāi)關(guān)S、保持電容CH等組成。采樣期間,開(kāi)關(guān)S閉合,輸入電壓場(chǎng)通過(guò)A1對(duì)CH快速充電,輸出電壓VOUT跟隨VIN變化;保持期間,開(kāi)關(guān)S斷開(kāi),由于A2的輸入阻抗很高,理想情況下電容CH將保持電壓VC不變,因而輸出電壓VOUT=VC也保持恒定。

圖2-6采樣保持器

顯然,保持電容CH的作用十分重要。實(shí)際上保持期間的保持電壓VC在緩慢下降,這是由于保持電容的漏電流所致。保持電壓VC的變化率為

2.2.5A/D轉(zhuǎn)換器

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱(chēng)ADC),是模擬量輸入通道的核心器件,通常用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。

1.工作原理

常用的ADC有逐位逼近式和雙積分式兩種。前者轉(zhuǎn)換時(shí)間短,為微秒級(jí),常用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制;后者轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng),為毫秒級(jí),常用于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

1)逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器主要由逐位逼近寄存器(SAR)、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、時(shí)序及控制邏輯等部分組成,采用對(duì)分搜索原理來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。逐位把設(shè)定在SAR中的

數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與要被轉(zhuǎn)換的模擬電壓進(jìn)行比較,比較時(shí)從SAR中的最高位開(kāi)始,逐位確定各數(shù)碼位是“1”還是“0”,最后SAR中的內(nèi)容就是輸入的模擬電壓對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字代碼。其原理如圖2-7所示。

圖2-7逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖

2)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理如圖2-8所示。圖2-8雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖

2.主要性能指標(biāo)

A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)有分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、轉(zhuǎn)換精度、線(xiàn)性度、轉(zhuǎn)換量程、轉(zhuǎn)換輸出等。影響A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)指標(biāo)的主要因素:工作電源電壓不穩(wěn)定;外接時(shí)鐘頻率不適

合;環(huán)境溫度不適合;與其他器件的電特性不匹配,例如負(fù)載過(guò)重、外界有強(qiáng)干擾、印制電路板布線(xiàn)不合理。

(1)分辨率:用于描述A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)的分辨能力,通常用數(shù)字輸出最低有效位(LeastSignificantBit,LSB)所對(duì)應(yīng)的模擬量輸入電壓值表示。

(2)轉(zhuǎn)換時(shí)間:從發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號(hào)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)有效的時(shí)間間隔,即完成n位轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。

(3)轉(zhuǎn)換精度:有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。

(4)線(xiàn)性度:理想A/D轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性應(yīng)是線(xiàn)性的,滿(mǎn)量程范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換的實(shí)際特性與理想特性的最大偏移稱(chēng)為線(xiàn)性度,用LSB的分?jǐn)?shù)值來(lái)表示,例如±1/2LSB、±1/4LSB等。

(5)轉(zhuǎn)換量程:所能轉(zhuǎn)換的模擬量輸入電壓范圍,例如0~5V、0~10V、-5~+5V等。

(6)轉(zhuǎn)換輸出:通常數(shù)字輸出電平與TTL電平兼容,并且為三態(tài)邏輯輸出。

(7)對(duì)基準(zhǔn)電源的要求:基準(zhǔn)電源的精度將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響,故選片時(shí)應(yīng)考慮是否要外加精密參考電源等。

3.A/D轉(zhuǎn)換器選擇要點(diǎn)

1)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定與整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)所要測(cè)量控制的范圍和精度有關(guān),但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度。

2)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率

積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度較慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾毫秒到幾十毫秒不等,只能構(gòu)成低速A/D轉(zhuǎn)換器,一般運(yùn)用于對(duì)溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測(cè)和控制。逐

3)是否要加采樣保持器

原則上直流和變化非常緩慢的信號(hào)可不用采樣保持器,其他情況都要加采樣保持器。

4)工作電壓和基準(zhǔn)電壓

如果選擇使用單+5V工作電壓的芯片,與單片機(jī)系統(tǒng)可共用一個(gè)電源,比較方便。

4.A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)實(shí)用技術(shù)

1)A/D轉(zhuǎn)換器與MCS51單片機(jī)接口邏輯設(shè)計(jì)

各種型號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器芯片均設(shè)有數(shù)據(jù)輸出、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、控制轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)束等控制引腳。

2)影響A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)指標(biāo)的主要因素

影響A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)指標(biāo)的主要因素有以下幾種:

(1)工作電源電壓不穩(wěn)定。

(2)外接時(shí)鐘頻率不適合。

(3)環(huán)境溫度不適合。

(4)與其他器件的電特性不匹配,例如負(fù)載過(guò)重。

(5)外界有強(qiáng)干擾。

(6)印制電路板的布線(xiàn)不合理。

以上影響因素可通過(guò)抗干擾措施來(lái)解決。

2.3模擬量輸出通道

2.3.1多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式主要取決于輸出保持器的構(gòu)成方式。輸出保持器的作用主要是在新的控制信號(hào)到來(lái)之前,使本次控制信號(hào)保持不變。保持器一般有數(shù)字保持方案和模擬保持方案兩種。這就決定了模擬量輸出通道也有兩種基本結(jié)構(gòu)形式。

1.每個(gè)輸出通道設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式

數(shù)字量保持方案如圖2-9所示。圖2-9數(shù)字量保持方案

2.多個(gè)輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式

模擬量保持方案如圖2-10所示。

圖2-10

2.3.2-D/A轉(zhuǎn)換器

1.D/A轉(zhuǎn)換器工作原理

D/A轉(zhuǎn)換器主要由以下幾個(gè)部分組成:基準(zhǔn)電壓(電流);模擬二進(jìn)制數(shù)的位切換開(kāi)關(guān);產(chǎn)生二進(jìn)制權(quán)電流(電壓)的精密電阻網(wǎng)絡(luò);提供電流(電壓)相加輸出的運(yùn)算放大器

(0~10mA、4~20mA或者TTL、CMOS等)。轉(zhuǎn)換原理可以歸納為“按權(quán)展開(kāi),然后相加”。因此,D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部必須要有一個(gè)解碼網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)按權(quán)值分別進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。解碼網(wǎng)絡(luò)通常有兩種:二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和T型電阻網(wǎng)絡(luò)。

1)二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)

圖2-11為4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖。圖2-114位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖

2)T型電阻網(wǎng)絡(luò)

圖2-12為4位T型電阻網(wǎng)絡(luò)(R－2R)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖。圖2-12-4位T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖

IREF/4、IREF/8、IREF/16,各支路電流在運(yùn)算放大器的虛地相加,運(yùn)算放大器的滿(mǎn)度輸出為

這里滿(mǎn)度輸出電壓(流)比基準(zhǔn)電壓(流)少了1/16,是端電阻常接地造成的,但是沒(méi)有端電阻又會(huì)引起譯碼錯(cuò)誤。對(duì)n位D/A轉(zhuǎn)換器而言,其輸出電壓為

2.D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)

1)分辨率

分辨率是指D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出模擬增量,即當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)輸出模擬量的變化量。它取決于能轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù),數(shù)字量位數(shù)越多,分辨率也就越高。分辨率與二進(jìn)制位數(shù)n有下列關(guān)系:

2)轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度是指轉(zhuǎn)換后所得的實(shí)際值和理論值的接近程度。它和分辨率是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度,而分辨率指的是能對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。

3)穩(wěn)定時(shí)間

穩(wěn)定時(shí)間是描述D/A轉(zhuǎn)換速度快慢的一個(gè)參數(shù),指輸入二進(jìn)制數(shù)變化量是滿(mǎn)刻度時(shí),輸出達(dá)到離終值±1/2LSB時(shí)所需的時(shí)間。

4)線(xiàn)性誤差

理想轉(zhuǎn)換特性(量化特性)應(yīng)該是線(xiàn)性的,但實(shí)際轉(zhuǎn)換特征并非如此。在滿(mǎn)量程輸入范圍內(nèi),偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線(xiàn)性誤差。線(xiàn)性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示,例如1/2LSB或±1LSB。與A/D轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)性誤差定義相同。

3.D/A與A/D轉(zhuǎn)換器的調(diào)零和增益校準(zhǔn)

大多數(shù)轉(zhuǎn)換器都要進(jìn)行調(diào)零和增益校準(zhǔn)。一般先調(diào)零,然后校準(zhǔn)增益,這樣零點(diǎn)調(diào)節(jié)和增益調(diào)整之間就不會(huì)相互影響。調(diào)整步驟:首先在“開(kāi)關(guān)均關(guān)閉”的狀態(tài)下調(diào)零,然后再

在“開(kāi)關(guān)均導(dǎo)通”的狀態(tài)下進(jìn)行增益校準(zhǔn)。

1)D/A轉(zhuǎn)換器的調(diào)整

調(diào)零:設(shè)置一定的代碼(全為零),使開(kāi)關(guān)均關(guān)閉,然后調(diào)節(jié)調(diào)零電路,直至輸出信號(hào)為零或落入適當(dāng)?shù)淖x數(shù)(±1/10LSB)范圍內(nèi)為止。

增益校準(zhǔn):設(shè)置一定的代碼(全1),使開(kāi)關(guān)均導(dǎo)通,然后調(diào)節(jié)增益校準(zhǔn)電路,直至輸出信號(hào)讀數(shù)與滿(mǎn)度值減去一個(gè)LSB之差小于1/10LSB為止。

2)A/D轉(zhuǎn)換器的調(diào)整

調(diào)零:將輸入電壓精確地置于使“開(kāi)關(guān)均關(guān)閉”的輸入狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸入值高于1/2LSB的電平上,然后調(diào)節(jié)調(diào)零電路,使轉(zhuǎn)換器恰好切換到最低位導(dǎo)通的狀態(tài)。

增益校準(zhǔn):將輸入電壓精確地置于使“開(kāi)關(guān)均導(dǎo)通”的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸入值低于3/2LSB的電平上,然后調(diào)節(jié)增益校準(zhǔn)電路,使輸出位于最后一位恰好變成導(dǎo)通之處。

2.3.3D/A轉(zhuǎn)換器輸出方式

1.電壓輸出方式

依據(jù)系統(tǒng)要求不同,電壓輸出方式又可分為單極性輸出和雙極性輸出兩種形式。

雙極性輸出的一般原理如圖2-13所示。在單極性輸出之后,再加一級(jí)運(yùn)算放大器反相輸出。

圖2-13D/A轉(zhuǎn)換器雙極性輸出的一般原理

VOUT1為單極性輸出,若D為輸入數(shù)字量,VREF為基準(zhǔn)參考電壓,且為n位D/A轉(zhuǎn)換器,則有

A1和A2為運(yùn)算放大器,A點(diǎn)為虛地,故可得:I1+I2+I3=0,VOUT為雙極性輸出,可推導(dǎo)得到

2.電流輸出方式

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表和執(zhí)行器常常要以電流方式傳輸,這是因?yàn)樵陂L(zhǎng)距離傳輸信號(hào)時(shí)容易引入干擾,而電流傳輸具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此,許多場(chǎng)合必須設(shè)置電壓/電流

(V/I)轉(zhuǎn)換電路,將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。電流輸出方式一般有兩種形式:普通運(yùn)放V/I變換電路和集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路。

1)普通運(yùn)放V/I變換電路

經(jīng)典V/I變換電路如圖2-14所示,從這個(gè)電路圖可知,其利用電壓比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的跟蹤,從而保證輸出電流為所需值。利用A1作比較器,將輸入電壓與反饋電壓進(jìn)行比較,通過(guò)比較器輸出電壓控制A2的輸出電壓,從而改變晶體管VT1的輸出電流IL,IL的大小又影響參考電壓Vf,這種負(fù)反饋的結(jié)果使得Vi=Vf,而此時(shí)流過(guò)負(fù)載的電流為

圖2-14V/I轉(zhuǎn)換電路

2)集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路

ZF2B20是通過(guò)V/I變換的方式產(chǎn)生一個(gè)與輸入電壓成比例的輸出電流。它的輸入電壓范圍是0~10V,輸出電流是4~20mA(加接地負(fù)載),采用單正電源供電,電源電壓范圍為10~32-V,它的特點(diǎn)是低漂移,在工作溫度為-25~85℃范圍內(nèi),最大漂移為0.005%/℃,可用于控制和遙測(cè)系統(tǒng),作為子系統(tǒng)之間的信息傳送和連接。ZF2B20的輸入電阻為10kΩ,動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于25μs,非線(xiàn)性小于±0.025%。利用ZF2B20實(shí)現(xiàn)V/I轉(zhuǎn)換的電路非常簡(jiǎn)單,如圖2-15所示。

圖2-15ZF2B20實(shí)現(xiàn)V/I轉(zhuǎn)換的電路

AD694是另一種集成轉(zhuǎn)換器,適當(dāng)接線(xiàn)也可使其輸出范圍為0~20mA。AD694的主要特點(diǎn)如下:

(1)輸出范圍:4~20mA,0~20mA。

(2)輸入范圍:0~2V或0~10V。

(3)電源范圍:+4.5~36V。

(4)可與電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器直接配合使用,實(shí)現(xiàn)程控電流輸出。

(5)具有開(kāi)路或超限報(bào)警功能。

3)自動(dòng)/手動(dòng)輸出方式

自動(dòng)/手動(dòng)輸出方式如圖2-16所示

目的:在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),可以手動(dòng)操作。

電路的兩個(gè)功能:實(shí)現(xiàn)V/I變換和實(shí)現(xiàn)A/H切換。圖2-16帶自動(dòng)/手動(dòng)切換的V/I變換電路

2.3.4D/A轉(zhuǎn)換通道的設(shè)計(jì)

1.D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇

D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇取決于系統(tǒng)輸出精度,通常要比執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度要求的最低分辨率高一位;另外還與使用對(duì)象有關(guān),一般工業(yè)控制用8~12位,實(shí)驗(yàn)室用14~16位。D/A轉(zhuǎn)換器輸出一般都通過(guò)功率放大器推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入值為Umax,靈敏度為Umin,可得D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù):

即D/A轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)滿(mǎn)足執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)范圍的要求。

2.D/A轉(zhuǎn)換模板的通用性

為了便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的使用,D/A轉(zhuǎn)換模板應(yīng)具有通用性,它主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:符合總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、接口地址可選和輸出方式可選。

(1)符合總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn):這里的總線(xiàn)是指計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線(xiàn)結(jié)構(gòu),D/A轉(zhuǎn)換模板及其他所有電路模板都應(yīng)符合統(tǒng)一的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn),以便設(shè)計(jì)者在組合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件時(shí),只需在總線(xiàn)插槽插上選用的功能模板而無(wú)需連線(xiàn),十分方便靈活。

(2)接口地址可選:一套控制系統(tǒng)往往需配置多塊功能模板,或者同一種功能模板可能被組合在不同的系統(tǒng)中。因此,每塊模板應(yīng)具有接口地址的可選性。一般接口地址可由

基址(或稱(chēng)板址)和片址(或稱(chēng)口址)組成。

(3)輸出方式可選:為了適應(yīng)不同控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行器的不同需求,D/A轉(zhuǎn)換模板往往把各種電壓輸出和電流輸出方式組合在一起,然后通過(guò)短接柱來(lái)選定某一種輸出方式。

3.D/A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)原則

D/A轉(zhuǎn)換模板設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn)。

(1)安全可靠:盡量選用性能好的元器件,并采用光電隔離技術(shù)。

(2)性能/價(jià)格比高:既要在性能上達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo),又要在技術(shù)路線(xiàn)、芯片元件上降低成本。

(3)通用性:D/A轉(zhuǎn)換模板應(yīng)符合總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn),其接口地址及輸出方式應(yīng)具備可選性。

4.D/A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)實(shí)例

D/A轉(zhuǎn)換模板的設(shè)計(jì)步驟是:確定性能指標(biāo),設(shè)計(jì)電路原理圖,設(shè)計(jì)和制造印制線(xiàn)路板,最后是焊接和調(diào)試電路板。

圖2-17為8路8位D/A轉(zhuǎn)換模板的結(jié)構(gòu)框圖,它是按照總線(xiàn)接口邏輯、I/O功能邏輯和I/O電氣接口3部分布局電子元器件的。

圖2-17

2.4數(shù)字量輸入通道

數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量)信號(hào)是指開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)、指示燈的亮與滅、繼電器或接觸器的吸合與釋放、馬達(dá)的啟動(dòng)與停止、閥門(mén)的打開(kāi)與關(guān)閉等。這些信號(hào)的共同特征是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0”出現(xiàn),代表生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)狀態(tài)。數(shù)字量輸入通道簡(jiǎn)稱(chēng)DI(DigitalInput)通道,其任務(wù)是把被控對(duì)象的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)(或數(shù)字信號(hào))傳送給計(jì)算機(jī)。

1.數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)

數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成,如圖2-18所示。

圖2-18數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)

2.輸入調(diào)理電路

為了將外部開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī),必須將現(xiàn)場(chǎng)輸入的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào),這些功能被稱(chēng)為信號(hào)調(diào)理。

1)小功率輸入調(diào)理電路

圖2-19所示為從開(kāi)關(guān)、繼電器等接點(diǎn)輸入信號(hào)的電路,將接點(diǎn)的接通和斷開(kāi)動(dòng)作,轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)與計(jì)算機(jī)相連。為了清除由于接點(diǎn)的機(jī)械抖動(dòng)而產(chǎn)生的振蕩信號(hào),通常采用RC濾波電路或RS觸發(fā)電路。

圖2-19(a)采用的是RC濾波電路:閉合S時(shí),電容C放電,反相器反相為1;斷開(kāi)S時(shí),電容C充電,反相器反相為0。圖2-19(b)采用的是RS觸發(fā)器電路:當(dāng)S在上時(shí),輸出上為1,下為0。當(dāng)S按下時(shí),因?yàn)殒I的機(jī)械特性,使按鍵因抖動(dòng)而產(chǎn)生瞬間不閉合,造成RS觸發(fā)器輸入為雙1,故其狀態(tài)不變。圖2-19

2)大功率輸入調(diào)理電路

在大功率系統(tǒng)中,需要從電磁離合等大功率器件的接點(diǎn)輸入信號(hào)時(shí),為了使接點(diǎn)工作可靠,接點(diǎn)兩端至少要加24V或24V以上的直流電壓(因?yàn)橹绷麟娖降捻憫?yīng)快,不易產(chǎn)生干擾,電路又簡(jiǎn)單)。但是這種電路電壓高,容易帶有干擾,所以通常采用光電耦合器進(jìn)行隔離,如圖2-20所示。

圖2-20大功率輸入調(diào)理電路

3.DI接口

DI接口電路的作用是采集生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)信息,它包括輸入緩沖器和輸入口地址譯碼電路,如圖2-21所示。

圖2-21DI接口電路

2.5數(shù)字量輸出通道

數(shù)字量輸出通道簡(jiǎn)稱(chēng)DO(DigitalOutput)通道,其任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)(或開(kāi)關(guān)信號(hào))傳送給開(kāi)關(guān)器件(如繼電器或指示燈),控制它們的通、斷或亮、滅。

1.數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、地址譯碼電路等組成,如圖2-22所示。圖2-22-數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)