计算机控制技术,作者：庞文尧,责任编辑：王波 出版日期：2009年9月 IDPN：308-2009-060 课件章数：6,第2章 计算机信号与调理技术,第2章 计算机信号与调理技术,21 传感器技术 22 模拟量输入接口 23 模拟量输出接口技术 24 开关量输入输出接口技术 25 人机接口 26 控制系统设计中输入输出技术的应用,21 传感器技术,检测系统是工业控制过程中一个不可缺少的环节，一般测控系统中检测环节的组成如图2-1所示。 由图2-1可知，一般的检测环节中含有传感器、信号调理、信号分析与处理、信号显示和记录、计算控制信号等。 在上述过程中，传感器是直接作用于被测量的，它是测量环节中的首要环节，传感器的选择在测量环节中是第一步就要完成的，它制约着信号调理、信号分析与处理等环节的设计。,22 模拟量输入接口,221 AD转换器 222 信号处理 223 多路开关 224 放大器 225 采样保持,221 AD转换器,模拟量输入接口主要功能是将检测到的随时间连续变化的模拟输入信号经变换和预处理，最终变换为数字信号送入计算机。 模拟信号输入接口一般由接口控制电路、多路信号切换采样保持AD信号转换器、模拟信号前置放大器等几部分组成。 它们之间的相互关系换采样保持AD信号转换器、模拟信号前置放大器等几部分组成。它们之间的相互关系如图2-2所示。接口的核心器件是模拟数字信号转换器，简称AD转换器。,AD转换器原理示意图见图2-3,AD转换器的输出形式有串行输出和并行输出两种：,图示出了AD转换器的并行输出，它将一个模拟量转换成为一个具有N位相应的数字量。用二进制数字表示： 若AD转换器只有一个输出端（图所示），N位输出数码从最高位到最低位逐个依次输出，称为串行输出。,例：并行输出的逐次比较型AD转换器,如图2-6所示，AD转换器由高速电压比较器、DA转换器、时序脉冲发生器和保持寄存器组成。 由图示的转换过程可以清楚地看出，每输入一个时钟脉冲就进行一次比较，因此转换过程最长不超过N个时钟周期。,222 信号处理,由于传感器的输出信号在进行AD转换前一般都需要进行一些必要的信号处理，比如：信号滤波、信号放大或衰减、阻抗匹配、非线性补偿和信号电平转换。 （1）信号滤波 （2）非线性补偿 （3）信号电平转换,223 多路开关,1多路开关的种类 （）机械触点式多路开关 （）电子式多路开关 2多路开关的连接方式 （）单端输入 （）差动输入 （）伪差动输入 3多路开关的选择,224 放大器,放大器的功能是将小信号放大或大信号衰减到适合于AD输入电压要求的范围。 对于微弱信号的放大来说，常有以下选择： 低漂移运算放大器 仪表放大器 隔离放大器,225 采样保持,在模拟量输入通道中，AD转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次AD转换所需的时间称为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。如图2-11所示的正弦模拟信号。,在模拟量输入通道中，只有在信号变化频率较高而AD转换速度又不高，以致孔径误差影响转换精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，才需要设置采样保持电路（如图2-12所示）,23 模拟量输出接口技术,模拟量输出接口的主要功能是将计算机输出的数字信号转换为模拟电压信号或模拟电流信号，以便驱动相应的执行器，达到控制对象的目的。 模拟信号输出接口一般由控制接口、DA转换器、模拟多路开关和功率放大器三部分组成。它们之间的相互关系如图2-13所示。,231 DA转换器,1DA转换器的工作原理 2DA转换器的技术主要参数 3DA转换器DAC 0832,1DA转换器的工作原理,DA转换器主要由四部分组成：RR权电阻网络，位切换开关BSi（i，n）运算放大器A，基准电压VREF。 DA转换器的输出电压 与输入二进制数 的关系式为：,2DA转换器的技术主要参数,DA转换器的主要性能指标 分辨率、稳定时间、转换精度、线性误差 DA转换器的输入输出特性 输入缓冲能力、输入数据的宽度、是电流型还是电压型、输入码制、是单极性输出还是双极性输出,3DA转换器DAC 0832,（）DAC0832内部结构和引脚 DAC0832的结构及工作原理 DAC0832的引脚 （）DAC0832工作方式 单缓冲方式 双缓冲工作方式 直通工作方式 （）电压输出电路的连接,24 开关量输入输出接口技术,241 开关量输入通道接口 242 开关量输出通道接口,241 开关量输入通道接口,1输入隔离及电平变换 2开关输入接口设计,1输入隔离及电平变换,过程开关信号的电平通常不是TTL电平，要使CPU接受信号，必须进行变换。同时开关信号在传输过程中受噪声的影响较大，设计时应有一定的噪声容限，并隔离公共接地，以防止开关信号状态的误动作。实现这种信号变换隔离的电路图如图2-17所示。,2开关输入接口设计,数字量输入通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）传送给计算机，这种通道简称DI通道。为了防止干扰常采用光电隔离技术，如图2-18所示。,242 开关量输出通道接口,数字量输出通道简称DO通道。为了防止干扰可采用光电隔离技术，如图2-19所示。 对于数字量输出，由于要驱动继电器或步进电机等有一定功率的部件，所以要加上功放电路。功放电路元件可以是晶体三极管、达林顿功放管或光电三极管。其典型线路如图2-20所示。,25 人机接口,251 键 盘 252 LED显示 253 LCD显示技术,251 键 盘,1、独立式键盘 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根IO口线；独立式按键的软件常采用查询式结构。独立式按键的典型应用如图2-21所示。 2、矩阵式按键 矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行线、列线的交叉点上；矩阵式键盘中，行线、列线分别连接到按键开关的两端；按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处于高电平。 对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码。其结构如图2-22所示。,252 LED显示,1数码管简介 2典型的键盘、显示接口电路,1数码管简介,（）数码管结构 数码管由个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字，字符AF，H，L，P，R，U，Y，符号“”及小数点“”。数码管如图2-23所示。 （）数码管工作原理 （）数码管字形编码,2典型的键盘、显示接口电路,在单片机应用系统中，键盘和显示器往往需要同时使用，为节省IO口线，可将键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示电路。图2-24是用8155并行扩展IO口构成的典型的键盘、显示接口电路。,253 LCD显示技术,LCD与传统的阴极射线管（CRT）相比，占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳。缺点是与同大小的CRT相比，价格更加昂贵。 受LCD液晶层中实际单元格数量的影响，LCD显示器一般只能提供固定的显示分辨率。 与传统的CRT显示器一样，应用于桌面系统的LCD也被设计成接收波形模拟信号，而非直接由PC产生的数字脉冲信号。,26 控制系统设计中输入输出技术的应用,261 PCI17101710HG概述 262 PCI17101710HG特点 263 PCI17101710HG的一般特性 264 信号连接 265 用法举例,261 PCI17101710HG概述,1、即插即用功能 2、单端或差分混合的模拟量输入 3、卡上FIFO（先入先出）存储器 4、卡上可编程计数器 5、用于降低噪声的特殊屏蔽电缆 6、16路数字输入和16路数字输出 7、短路保护,262 PCI17101710HG特点,16路单端或8路差分模拟量输入，或组合方式输入 12位AD转换器，采样数率可达100kHz 每个通道的增益可编程 单端或差分输入自由组合 卡上4KB采样FIFO缓冲器 2路12位模拟量输出 16路数字量输入及16路数字量输出 可编程触发器定时器 板卡ID PCI总线数据传输,263 PCI17101710HG的一般特性,获CE CISPR 22 CLASS B认证 I/O接口:68脚SCSI-II孔式接口 功耗：+5V850mA（典型值）+5V1.0A（最大） 工作温度:060（30140F） 存储温度:-20一700C(-4一1580F) 工作湿度：5%95%RH，无凝结 尺寸：175mm（L）100mm（H）,264 信号连接,1、模拟信号输入连接 2、模拟信号输出连接 3、触发源连接,1、模拟信号输入连接,（）单端模拟输入连接（如图2-26 ） （）差分式模拟输入连接（如图2-27 ） 如果是一个浮动信号源连接到差分输入端，信号源可能会超过PGIA的共模输入范围如果是一个浮动信号源连接到差分输入端，信号源可能会超过PGIA的共模输入范围，PGIA过饱和将不能正确读出输入电压值，因此必须将浮动信号源的两端连接到AIGND。如图2-28。,2、模拟信号输出连接（图2-30）,3、触发源连接,（）内部定时器触发连接 （）外部触发源连接,265 用法举例,1、ADSOFTADTRIG（软件触发方式例程） 2、ADint（中断方式进行数据采集的例程）,