1、第3章 输入输出接口,本章要点 1.了解DI，DO接口原理及应用 2.了解AI，AO原理及简单应用。,2课时,复习 计算机控制系统硬件组成,目录,3.1 开关(数字)量输入输出 3.1.1 概述 3.1.2 开关量（数字量）DI输入及信号调理 3.1.3 开关量（数字量）DO输出及输出驱动 3.2 模拟量输入输出 3.2.1 模拟上输入AI 3.2.2 模拟上输出AO,3.1 开关(数字)量输入输出,3.1.1 概述在微机控制系统中，开关信号是以二进制的逻辑“1”和“0”或电平的高和低出现的。如开关触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的吸合和释放，马达的启动和停止，晶闸管的通和断，
2、阀门的打开和关闭，仪器仪表的 BCD 码。,I/O电气接口部分的功能主要是：电平转换、滤波、保护、隔离、功率驱动等。关键在于输入信号的调理和输出信号的驱动。,TTL逻辑电平,通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。 TTL集成电路的主要型式为晶体管晶体管逻辑门（transistor-transistor logic gate），TTL大部分都采用5V电源。1.输出高电平Uoh和输出低电平Uol Uoh2.4V,Uol0.4V 2.输入高电平和输入低电平 Uih2.0V，Uil0.8V 逻辑运算，负载能力有
3、限，如0.4mA ，发光二极管需5mA以上。,光耦原理,利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称对数字信号进行隔离。需分开单独供电。,3.1.2 开关量(数字量）输入DI及信号调理,数字量输入 （DI ）-是把生产过程中的数字（开关）信号转换成计算机易于接受的形式。信号调理电路-虽然都是数字信号，不需进行A/D 转换，但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施，即在外部信号与计算机之间要设置输入信号调理电路。,开关量输入电路 凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，其端子引出均统称为开关信号。在开关输入电路中，主要是考虑信
4、号调理技术，如电平转换，RC滤波，过电压保护，反电压保护，光电隔离等。 （1）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号。 （2）RC滤波是用RC滤波器滤出高频干扰。 （3）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。 （4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。 （5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。,1 直接接口型（即TTL电平或非TTL电平）,干节点湿节点-电压输入范围,干接点:没有电流的开关量 湿接点:有电流的输入.TTL信号非TTL湿接点: 0表示 01V 1 表示 3-30V 0表示 0-3V 1
5、 表示 10-50V,2 光电隔离型,-,+,S,2,D,到输入 缓冲器,C,C,V,+,2,R,1,R,1,C,1,D,3,R,光耦,S,2,D,C,C,V,+,2,R,1,R,1,C,1,D,3,R,光耦,C,2,R,3,(a) 直流输入电路,(b) 交流输入电路,电气隔离，抗干扰能力强,到输入 缓冲器,3.1.3 开关量（数字量）输出DO及输出驱动,数字量输出简称 DO ，它的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号。 根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。 常用的有三极管输出驱
6、动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。,1 直接接口型,非隔离数字量输出,DO,DGND,2 三极管驱动,当驱动电流只有十几 mA或几十 mA时，只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路。,3. 达林顿驱动电路,当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。,4 光耦隔离输出,电磁继电器分为电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。 继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、大电流设备。,5 继电器驱动电路,驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的
7、吸合电压和电流而定，一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。,6.固态继电器驱动电路,固态继电器SSR(Solid State Relay)是一种新型的无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。,有交流直流之分,7 晶闸管,晶闸管又称可控硅（SCR），是一种大功率的半导体器件，具有用小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电
8、机调速系统、调功系统应用广泛。可控单向导通。,目录,3.1 开关(数字)量输入输出 3.1.1 概述 3.1.2 开关量(数字量）DI输入及信号调理 3.1.3 开关量（数字量）DO输出及输出驱动 3.2 模拟量输入输出 3.2.1 模拟上输入AI 3.2.2 模拟上输出AO,3. 2 模拟量输入输出,模拟量输入的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。 来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进入计算机系统,3.
9、2.1 模拟量输入(AI),显然，核心是模/数转换器即A/D转换器，通常把模拟量输入称为A/D或AI。,1. A/D转换器原理与种类,根据内部转换原理的不同，主要可分为比较型和积分型两种。,（1）比较型 比较型A/D转换属于直接的A/D转换，经过几次的逐次比较逼近就可以直接得到A/D转换的结果，转换的速度快，精度较高，是目前使用最为广泛的一种A/D转换。,（2）积分型 积分型的A/D转换是一种间接的A/D转换，经过两次积分的过程得到A/D转换的结果，这种A/D转换的时间长，但精度高，抗干扰能力强，适用于速度要求不高且有较多干扰但精度要求较高的场合。,2 AD转换数据格式,数字量，模拟量对应关系
10、 对单极性，无符号原码表示. 例如8位AD转换器输入，量程0-5V，1位数字量是1/256=0.0195V.,离散化,实例: 12 位, 双极性输入 二进制无符号原码格式,实例: 16 位, 双极性输入 二进制循环码格式 有符号原码,A/D数据格式,例：量程-10V+10V,作业：某温度传感器经调理放大后AD转换。设经过信号调理放大后的电压为Ui，-10VUi10V,已知-10V对应的温度为-55，10V对应的温度为125，12位AD转换器， 量程10V，双极性输入，数字量0-0FFFH,数字量0对应-10V。 求温度与数字量关系方程。,分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨
11、率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即：分辨率 = 满刻度值/2n,（1） 分辨率,3 AD转换器的性能参数,分辨率转换精度转换时间或速率,采样数据最低位所代表的模拟量的值 Nbit: 8bit / 12bit / 16bit 电压表示：输入范围/2n 用户关心的最小可测电压值 举例：假如10V的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压为10/212=0.224mV,分辨率,振幅,分辨率,时间,0,20,100,120,140,40,60,80,10.00 8.75 7.
12、50 6.25 5.00 3.75 2.50 1.25 0,111 110 100 011 010 001 000,100,200,150,50,0,Time (ms),0,1.25,5.00,2.50,3.75,6.25,7.50,8.75,10.00,Amplitude (volts),16-Bit versus 4-Bit resolution (5V Sine Wave),16-bit resolution,4-bit resolution,0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,|,|,|,|,|,3-bit resolution can re
13、present 23= 8voltage levels 16-bit resolution can represent 216 = 65,536 voltage levels,A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（Least Significant Bit)）来表示，1LSB = 1 2n 。一般来说分辨率越高，精度越高，但不是同一概念。,（2） 转换精度,A/D转换器完成一
14、次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D 转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。一般用：kps表示，如100kps，表示每秒钟采集100千次。另增益问题,（3） 转换时间和转换速率,4 采样频率 问题,采样周期的倒数 表示采样快慢的物理量 多少时间采一个点/每秒采样多少个点 Nyquist采样定律：fs=2*fmax （fs：采样频率 fmax：信号最高频率）一般最小为fs=2.5*fmax工程上一般取为fs=68*fmax,足够的采样率下的采样结果,过低采样率下的采样结果,5、举例，并行A/D（ADC0809）,DAC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式
15、A/D转换器，是目前国内应用最广泛的8位通用并行A/D芯片。,3.2.2 模拟量输出(AO),模拟量输出的任务-把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的; 模拟量输出(称为D/A或AO)构成-一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等;,1、D/A转换器的主要性能指标：,（1）分辨率 D/A转换器的分辨率是指当D/A转换器输入的数字量变化一个字的时候，对应转换输出的模拟量的变化量。,（2）转换精度 指的是转换后得到的实际值对于理想值得接近程度。通常用综合误差的形式来表示。,（3）建立时间 指的是D/A转换器的输入数字量发生变化后，转换输出的模拟量达到稳定数值所需要的时间。,2 输入编码,二进制数 同 模拟量对应关系。模拟量输入的反运算。,3 输出信号,电压 0-5V 0-10V 5 10V电流 0-20mA 4-20mA,4、举例：并行D/A（DAC0832）,DAC0832是8位的并行D/A转换器，是目前应用最为广泛的一种D/A芯片。,本章小结,分析了光电耦合隔离技术。数字量输入接口电路与信号调理。数字量输出接口，直接与驱动电路：三极管驱动电路、继电器驱动电路、固态继电器驱动电路。 AD,DA转换器性能，数据变换。,
