于海生第章输入输出接口与过程通道.ppt

第2章 输入输出接口与过程通道,接口:是计算机与外部设备（部件与部件之间）交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。接口技术:是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。过程通道:是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道。AI/AO、DI/DO.,2.1 数字量输入输出通道,2.1.1 数字量输入输出接口技术 2.1.2 数字量输入通道 2.1.3 数字量输出通道,明确概念,1、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:这些信号的是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的，代表生产过程的一个状态。2、PC总线,2.1.1 数字量输入输出接口技术,1.数字量输入接口（DI）作用：采集生产过程的状态信息。完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号。当在执行IN指令周期时，产生I/O读信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器。,设片选端口地址为port，可用如下指令来完成取数.MOV DX，port IN AL，DX注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语言),2数字量输出接口 作用：当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。完成过程：用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。由于PC总线工业控制机的I/O端口写总线周期时序关系中，总线数据D0D7比I/O写前沿(下降沿)稍晚，因此利用I/O写的后沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生I/O写信号。,设片选端口地址为port，可用以下指令完成数据输出控制。MOV AL，DATA MOV DX，port OUT DX，AL 注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语 言),2.1.2 数字量输入通道,1.数字量输入通道的结构 数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成。,2.输入调理电路,数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。（1）小功率输入调理电路（2）大功率输入调理电路,（1）小功率输入调理电路,开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成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，一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。,问题：利用什么原理消除了抖动？,采用积分电路的小功率输入调理电路 目的：把开关K的状态转化成二进制状态。原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相 为1；断开K时，电容C充电，反相器反相 为0。,RS触发器消除开关两次反跳电路,原理：当K在上时，输出上为1，下为0。当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。,（2）大功率输入调理电路,当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。光电隔离：通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号，在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可以互相的隔离。,原理：当K 闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为1。当K断开时，光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为0。其中，用R1、R2进行分压，C进行滤波，要合理选择参数。,2.1.2 数字量输出通道,1.数字量输出通道的结构 数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。,2.输出驱动电路 在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。（1）小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 继电器包括线圈和触点。因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。D的作用是泄流，通过D放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。R的作用是限流。作用过程：当TTL电平为1时，晶体管截止，J不吸合 当TTL电平为0时，晶体管导通，J吸合,达林顿阵列输出驱动继电器电路。MC1416是达林顿阵列驱动器.达林顿晶体管DT（Dar1ington Transistor）亦称复合晶体管。它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。,(2)大功率交流驱动电路 在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSR作交流开关使用。SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。,SSR作交流开关，相当于有一个触点，左边是TTL电平，在05V之间：当TTL电平为高时，触点闭合；当TTL电平为低时，触点断开。当用计算机来控制电磁阀时，用固态继电器。,零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。,A/D转换器的主要技术指标：转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。分辨率：通常用数字量的位数n(字长)来表示，如8位、12位、16位等。线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如(1/2)LSB或1LSB。量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V+5V,010V，05V等。对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。,2.2 A/D转换器及其接口技术,A/D转换方式 逐次逼近式：转换时间短(几个微秒几百个微秒)，但抗干扰能力较差。常用的逐次逼近式A/D转换器ADC0809，AD574等；双斜积分式：转换时间长(几十个毫秒几百个毫秒)，抗干扰能力较强。在信号变化缓慢、现场干扰严重的场合采用。常用的双斜积分式A/D转换器有3位半(相当于2进制11位分辨率)的MC14433，4位半(相当于2进制14位分辨率)的ICL7135等。,逐次逼近式A/D转换器逻辑框图,2.2.1 A/D转换器 1.8位A/D转换器ADC0809 2.12位A/D转换器AD574A 2.2.2 A/D转换器接口技术 1.ADC0809与PC总线工业控制机接口 2.AD574A与PC总线工业控制机接口,1.8位A/D转换器ADC0809,ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为64个时钟周期（时钟频率为640KHZ 时100s左右），线性误差为(1/2)LSB。采用28脚双立直插式封装。外加基准电源。,逻辑组成：(1)8通模拟开关及通道选择 逻辑 该部分的功能是实现8选1操作，由通道选择信号C、B、A，在ALE的作用下送入通道选择逻辑。注意：转换时序。,(3)三态输出锁存缓冲器 用于存放转换结果D，输出允许信号OE为高电平时，D由DO7DO0上输出；OE为低电平输入时，数据输出线DO7DO0为高阻态。,(2)8位A/D转换器 在START上收到一个启动转换命令(正脉冲)后开始转换，100s左右(64个时钟周期)后转换结束(相应的时钟频率为640KHZ)。转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。通过查询或中断方式读取。,212位A/D转换器AD574A（AD1674）,AD574A（AD1674）是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25（10）s，线性误差为1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。AD1674有S/H。,AD574A由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器和10V基准电压源四部分构成。控制逻辑的任务包含：启动转换、控制转换过程和控制转换结果的输出。CE、CS均为片选信号，R/C为读/启动控制信号，12/8为数字量输出位数控制，A0为分辨率和字节选择：在转换启动时，A0=1代表选择AD574A作为12位转化器使用，在读数据时，A0=1代表读低字节。STS为AD574A的状态输出信号。启动后，STS为高电平表示正在转换；25s后转换结束，STS为低电平。CPU可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。,2.2.2 A/D转换器接口技术,A/D转换器通常都具有三态数据输出缓冲器，因而允许A/D转换器直接同系统总线相连接。为便于或简化接口电路设计，也常通过通用并行接口芯片8255A实现与系统的接口。1.ADC0809与PC总线工业控制机接口 2.AD574A与PC总线工业控制机接口,1ADC0809与PC总线工业控制机接口,ADC0809与PC总线工业控制机接口电路图（P28）,P28程序：倒数第3行改为 MOV AL,00000110B分析程序流程：（1）确定选择模拟通道号（2）输出启动信号（3）查询是否转换结束（4）读取转换结果,2ADC574A与PC总线工业控制机接口,2.3 模拟量输入通道,2.3.1 模拟量输入通道的组成 2.3.2 I/V变换 2.3.3 多路转换器 2.3.4 采样、量化及采样保持器 2.3.5 模拟量输入通道设计,模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压(或电流)信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。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010mA或420mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。,2.3.1 模拟量输入通道的组成,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。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。,2.3.2 I/V变换,变送器输出的信号为010mA或420mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-型的输出信号标准为010mA,而DDZ型和DDZS系列的输出信号标准为420mA，因此，针对以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。1.无源I/V变换 2.有源I/V变换 问题：为什么我们经常用到的标准信号是电流信号？,1.无源I/V变换,I/V变换的基本思想：电流变换电路中各部分的作用：r1:限流电阻 D:将电压钳制在5V+0.3V以内 r2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电阻，精度为0.1%。C和r1：组成阻容低通滤波电路,电压？,2.有源I/V变换,利用有源器件运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别在于信号的隔离上。电流不能直接流过R2,VI=I*R1。利用运算放大器的虚短和虚断的概念，我们可以求出该同相放大电炉的放大倍数。合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出。,2.3.3 多路转换器,多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。作用：利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上，实现多路共享。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、MAX354、LF13508等。,CD4051原理图,2.3.4 采样、量化及采样保持器,1.信号的采样 采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻O、T、2T、KT的一连串脉冲输出信号的过程。,采样周期：采样开关K每一个通断的时间间隔T，包括等待时间、闭合时间、断开时间等。采样宽度：采样开关闭合的时间。采样信号y*(t)：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。香农采样定理：如果模拟信号(包括噪声干扰在内)频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f2fmax进行采样，那么采样信号y*(t)就能唯一地复现y(t)。,2.量化所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是怎样将离散模拟变量变为二进制码，二进制数的大小和量化单位有关。量化过程：将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。量化装置：执行量化动作的装置是A/D转换器。量化单位：字长为n的A/D转换器，其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位。量化误差：量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单位长度(毫米或其它)去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为(1/2)q。例如，q=20mV时，量化误差为10mV，09901009V范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字50。,3.采样保持器（S/H）(1)采样保持电路的工作方式：采样和保持。在采样方式中，采/保电路的输出跟踪模拟输入电压。在保持方式中，采/保电路将保持采样命令撤销时刻的采样值，直到保持命令撤销并且再次接收到采样命令为止。(2)孔径时间和孔径误差 在采/保电路中，由于模拟开关K有一定的动作滞后，在保持命令发出后直到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间。由于孔径时间的存在采样时间被额外延迟了，在孔径时间期间输出仍跟踪输入的变化。(3)常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有LF398、AD582等。选择采样保持器的主要因素有：获取时间，电压下降率。LF398的CH取为001F时，信号达到001%精度所需的获取时间(采样时间)为25S，保持期间的输出电压下降率为每秒3mV。若A/D转换器的转换时间为100S，转换期间，保持器输出电压下降约300V。当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。,2.3.5 模拟量输入通道设计,利用12位A/D转换器AD574A，采样保持器LF398、多路开关CD4051、I/V变换电路、8255A并行接口，我们能够设计出PC总线工业控制机的模拟量输入通道电路模板。该电路模板的主要技术指标为：8通道模拟量输入 12位分辨率 输入量程为单极性010V A/D转换时间为25S 应答方式为查询,该模板采集一个数据的过程,1通道选择2启动AD574A进行A/D转换3查询AD574A是否转换结束4读取转换结果,2.4 D/A转换器及其接口技术,D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它的模拟量输出(电流或电压)与参考电压和二进制数成比例。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器。主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误差等。分辨率：通常用D/A转换器输入二进制数的位数来表示，如8位、10位、12位。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。建立时间：输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值(1/2)LSB所需的时间，一般为nS。线性误差：理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如(1/2)LSB或1LSB。与A/D转换器的线性误差定义相同。,2.4.1 D/A转换器 1.8位D/A转换器DAC0832 2.12位D/A转换器DAC1210 2.4.2 D/A转换器接口技术 1.8位D/A转换器与PC总线工业控制机接口 2.12位D/A转换器与PC总线工业控制机接口,1.8位D/A转换器DAC0832,主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、采用R2R电阻网络的8位D/A转换器、相应的选通控制逻辑四部分组成。DAC0832的分辨率为8位，电流输出，采用20脚双立直插式封装。,2.12位D/A转换器DAC1210,2.4.2 D/A转换器接口技术,18位D/A转换器与PC总线工业控制机接口,2.12位D/A转换器与PC总线工业控制机接口,2.5 模拟量输出通道,2.5.1 模拟量输出通道的结构型式 2.5.2 单极性与双极性电压输出电路 2.5.3 V/I 变换和自动/手动切换 2.5.4 模拟量输出通道设计,2.5.1 模拟量输出通道的结构型式,1.一个通路设置一个数/模转换器的形式 优点：转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其它通路的工作。缺点：使用了较多的D/A转换器2.多个通路共用一个数/模转换器的形式 优点：节省了数/模转换器 缺点：只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。它还要用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比较大。这种方案的可靠性较差。应用场合：适用于通道数量多而且速度要求不高的场合。,2.5.2 单极性与双极性电压输出电路,下图给出了D/A转换器的单极性与双极性输出电路。,VOUT1为单极性输出，若D为输入数字量，VREF为基准参考电压，且为n位D/A转换器，则有 VOUT1=-VREFD/2n,VOUT2为双极性输出，且可推导得到VOUT2=-(R3/R1)VREF-(R3/R2)VOUT1=VREF(D/2n-1)-1),2.5.3 V/I 变换和自动/手动切换,1集成V/I转换器ZF2B202集成V/I转换器AD6943自动/手动切换,1集成V/I转换器ZF2B20 ZF2B20是通过V/I变换的方式产生一个与输入电压成比例的输出电流。它的输入电压范围是010V，输出电流是420mA(加接地负载)，采用单正电源供电，电源电压范围为1032V，它的特点是低漂移，在工作温度为-2585范围内，最大漂移为0005%/，可用于控制和遥测系统，作为子系统之间的信息传送和连接。ZF2B20的输入电阻为10K，动态响应时间小于25S，非线性小于0025%。,(a)所示电路是一种带初值校准的010V到420mA转换电路。(b)则是一种带满度校准的010V到010mA转换电路。,2集成V/I转换器AD694,AD694是一种420mA转换器，适当接线也可使其输出范围为020mA。AD694的主要特点是：输出范围：420mA,020mA。输入范围：02V或010V。电源范围：+4.536V。可与电流输出型D/A转换器直接配合使用，实现程控电流输出。具有开路或超限报警功能。,经典V/I变换电路图,从这个电路图可知，这是一种利用电压比较器方法来实现对输入电压的跟踪，从而保证输出电流为所需值。利用A1作比较器，将输入电压与反馈电压进行比较，通过比较器输出电压控制A2的输出电压，从而改变晶体管T1的输出电流IL,IL的大小又影响参考电压Vf,这种负反馈的结果是使得Vi=Vf,而此时流过负载的电流为：,3自动/手动切换,1,2,目的：在计算机出现故障时，可以手动操作 电路的两个功能：实现V/I变换能够实现A/H切换实现V/I变换 当开关K1处于自动位置A时，它形成一个电压比较型跟随器，是自动控制输出方式。当VfVi时，电路能自动地使输出电流增大或减小。最终使Vf=Vi，于是有 IL=Vi(R9+W)从上式可以看出，只要电阻R9+W稳定性好，A1和A2具有较好的增益，该电路就有较高的线性精度。当R9+W=500或250时，IL就以010mA或420mA的直流电流信号线性地对应Vi的05V或15V的直流电压信号。,能够实现A/H切换当开关K1、K2和K3都处于H位置时，即为手动操作方式，此时运算放大器A1和A2脱开，A2成为一个保持型反相积分器。当按下“增”按钮时，V2以一定的速率上升，从而使IL也以同样的速率上升；当按下“减”按钮时，V2以一定的速率下降，IL也就以同样的速率下降。输出电流IL的升降速率取决于R6、R7、C和电源电压E的大小。当两按钮都断开时，由于A2为一高输入阻抗保持器，V2几乎保持不变，维持输出电流恒定。当开关K1、K2、K3都从自动(A)切换为手动(H)时，A2为一保持器。输出电流IL保持不变，实现了自动到手动方向的无扰动切换。,至于从手动到自动的切换，当开关K1、K2、K3处于手动方式(H)，要做到无扰动还必须使图中的输出电路具有输出跟踪功能，即在手动状态下，来自微机D/A电路的自动输入信号Vi总等于反映手动输出的信号Vf(Vf与IL总是一一对应的)。要达到这个目的，必须有相应的微机配合，我们把这样的程序称为跟踪程序。跟踪程序的工作过程是这样的：在每个控制周期中，计算机首先由数字量输入通道(DI)读入开关K2的状态，以判断输出电路是处于手动状态还是自动状态。若是自动状态，则程序执行本回路预先规定的控制运算，最终输出Vi；若为手动状态，则首先由A/D转换器读入Vf，然后原封不动地将该输入数字信号送至调节器的输出单元，再由D/A转换器将该数字信号转换为电压信号送至输出电路的输入端Vi，这样就使Vi总与Vf相等，处于平衡状态。当开关K1从手动切换到自动时，V1、V2和IL都保持不变，从而实现了手动到自动方向的无扰动切换。,2.5.4 模拟量输出通道设计,下图是一种8通道的模拟量输出通道的电路原理图。该电路采用DAC0832作8位D/A转换器，通过一多路开关CD4051，可由程序控制，将转换结果从八通道中的某一通道中送出，送出的结果以电流形式输出。工作过程是：由工业控制机PC总线送出的数据，由DAC0832进行转换。然后再用OUT指令，通过D0、D1、D2位打开多路开关的某一通道而送出，其输出端所接的保持器是为了保持D/A输出稳定，起到电压保持作用，由V/I转换器来输出420mA的电流信号。该电路使用两个口地址，它由译码器译出，设300H为DAC0832的端口地址，301H为CD4051的端口地址。,2.6 硬件抗干扰技术,2.6.1 过程通道抗干扰技术 2.6.2 CPU抗干扰技术 2.6.3 系统供电与接地技术,干扰：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常 工作的破坏因素。抗干扰措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。干扰的来源：外部干扰和内部干扰。外部干扰：指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定 的。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温 度、湿度等气象条件。内部干扰：是由系统结构、制造工艺等决定的。内部干扰主要 是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐 射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位 差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件 产生的噪声。,2.6.1 过程通道抗干扰技术,1.串模干扰及其抑制方法(1)串模干扰 所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。,（2）串模干扰的抑制方法,如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。,当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测量信号的瞬时值。若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。,2共模干扰及其抑制方法,(1)共模干扰 所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm,共模干扰示意图,单端对地输入和双端不对地输入,对于存在共模干扰的场合，不能采用单端，对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双端输入不对地方式，如右图所示。ZS、ZS1、ZS2为信号源US的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输入电路的输入阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：,如果此时ZS1=ZS2，ZC1=ZC2，那么UAB=0，表示不会引入共模干扰，但上述条件实际上无法满足，只能做到ZS1接近ZS2，ZC1接近ZC2，因此有UAB0，也就是说实际上总存在一定的共模干扰电压。显然，当ZS1和ZS2越小，ZC1和ZC2越大，并且ZC1与ZC2越接近时，共模干扰的影响就越小。一般情况下，共模干扰电压Ucm总是转化成一定的串模干扰Un出现在两个输入端之间。为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR(Common Mode Rejection Ratio)来表示，即 Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强。,(2)共模干扰的抑制方法,变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压cm不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。,光电隔离 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。,浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图所示。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。,采用仪表放大器提高共模抑制比 仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因。AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器），还有AD623等等.,3.长线传输干扰及其抑制方法,(1)长线传输干扰 长线的“长”是相对的；信号在长线中传输遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰，二是具有信号延时，三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。（阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。）,(2)长线传输干扰的抑制方法,采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线（双绞线是由两条导线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根线加绝缘层并有颜色来标记）和同轴电缆（同轴电缆可分为两类：粗缆和细缆，这种电缆在实际应用中很广，比如有线电视网，就是使用同轴电缆。不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层）作信号线。双绞线的波阻抗一般在100至200之间，绞花越密，波阻抗越低。终端匹配：课本的55页给出了两种终端匹配的电路。终端并联电阻 始端匹配：课本的56页给出了两种终端匹配的电路。始端串联电阻,2.6.2 CPU抗干扰技术,计算机控制系统的CPU抗干扰措施常常采用 Watchdog(俗称看门狗)电源监控(掉电检测及保护)复位,MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能。MAX1232通过监控 微处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的(无锁的)手动复位输入。另外常用的集成电路还有X5045、IMP813等。,1MAX1232的结构原理,MAX1232引脚图,MAX1232内部原理图,2MAX1232的主要功能,(1)电源监控(2)按钮复位输入(3)监控定时器(Watchdog),(1)电源监控,电压检测器监控Vcc 每当Vcc低于所选择的容限时(5%容限时的电压典型时为4.62V，10%容限时的电压典型时为4.37V)就输出并保持复位信号。选择5%的容许极限时，TOL端接地；选择10%的容许极限时，TOL端接Vcc。当Vcc恢复到容许极限内，复位输出信号至少保持250ms的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。,(2)按钮复位输入,MAX1232的PBRST端靠手动强制复位输出，该端保持tPBD是按钮复位延迟时间，当PBRST升高到大于一定的电压值后，复位输出保持至少250ms的宽度。一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST，无锁按钮输入至少忽略了1ms的输入抖动，并且被保证能识别出20ms或更大的脉冲宽度。该PBRST在芯片内部被上拉到大约100A的Vcc上，因而不需要附加的上拉电阻。,(3)监控定时器(Watchdog),用于因干扰引起的系统“飞程序”等出错的检测和自动恢复。微处理器用一根I/O线来驱动输入ST，微处理器必须在一定时间内触发ST端(其时间取决于TD)，以便来检测正常的软件执行。如果一个硬件或软件的失误导致没被触发，在一个最小超时间间隔内，ST的触发只能被脉冲的下降沿作用，这时MAX1232的复位输出至少保持250ms的宽度。,监控电路MAX1232的典型应用,2.6.3 系统供电与接地技术,1供电技术2接地技术,从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。,(2)电源异常的保护措施计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响生产。为此，可采用不间断电源UPS。,UPS自身逆变器的输入直流总线和外接电池组均与用户原有的48V通信电源无任何直接的电气连接，所以不会对程控机产生任何传导干扰。输入电压偏高或偏低时，即转为电池放电。通过改进控制器的工作，可以减轻电池组放电的频率，减少电池损坏。,2接地技术,(1)地线系统分析什么是地线？地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电路正确工作所设置的地线，造成电路干扰现象的主要是信号地。在进行电磁兼容问题分析时，对地线使用下面的定义：“地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。”,在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，电位比较恒定，所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零电位。交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。在交流地上任意两点之间，往往很容易就有几伏至几十伏的电位差存在。另外，交流地也很容易带来各种干扰。因此，交流地绝对不允许分别与上述几种地相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。,接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。当频率小于1MHz时，可以采用单点接地方式；当频率高于10MHz时，可以采用多点接地方式。在1至10MHz之间，如果用单点接地时，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应使用多点接地。单点接地的目的是避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。地环路产生的原因：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。回流法单点接地：模拟地、数字地、安全地(机壳地)的分别回流法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地(机壳地)始终与信号地(模拟地、数字地)是浮离开的。这些地之间只在最后汇聚一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。,(2)低频接地技术,一点接地方式信号地线的接地方式应采用一点接地，而不采用多点接地。一点接地主要有两种接法：即串联接地(或称共同接地)和并联接地(或称分别接地)。,各自的优缺点：从防止噪声角度看，如图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻r1、r2和r3是串联的，所以各电路间相互发生干扰。并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。,实用的低频接地 一般在低频时用串联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和简单易行的条件下统筹兼顾。也就是说可用分组接法，即低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地。一条是低电平电路地线；一条是继电器、电动机等的地线(称为“噪声”地线)；一条是设备机壳地线(称为“金属件”地线)。这三条地线应在一点连接接地。,(3)通道馈线（电缆）的接地技术,电路一点地基准:一个实际的模拟量输入通道，总可以简化成由信号源、输入馈线和输入放大器3部分组成。如图所示的将信号源与输入放大器分别接地的方式是不正确的。这种接地方式之所以错误，是因为它不仅会遭致磁场耦合的影响，而且还会因A和B两点地电位不等而引起环流噪声干扰。忽略导线电阻，误认为A和B两点都是地球地电位应该相等，是造成这种接地错误的根本原因。为了克服双端接地的缺点，应将输入回路改为单端接地方式。当单端接地点位于信号源端时，放大器电源不接地；当单端接地点位于放大器端时，信号源不接地。,电缆屏蔽层的接地:当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如欲将屏蔽一点接地，则应选择较好的接地点。当一个电路有一个不接地的信号源与一个接地的(即使不是接大地)放大器相连时，输入线的屏蔽应接至放大器的公共端；当接地信号源与不接地放大器相连时，即使信号源端接的不是大地，输入线的屏蔽层也应接到信号源的公共端。这种单端接地方式如课本61页图所示。,(4)主机外壳接地但机芯浮空为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮空这种方法安全可靠，抗干扰能力强，但制造工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰