微型计算机控制技术.ppt

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1、第一章,1.1 计算机控制系统概述1.2 计算机控制系统的典型形式1.3 工业控制机的组成结构及特点,什么是计算机控制？能完成什么功能？,计算机控制,控制监控对象,显示监控对象的变化过程,（1）控制监控对象,利用传感装置将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、液位、速度）转换为电量（如电压、电流），再将这些代表实际物理参量的电量送入输入装置中转换为计算机可识别的数字量，则由计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的大小和变化情况以及按照工艺所要求该物理量的设定值进行判断；然后在输出装置中输出相应的电信号，并且推动执行装置（如调节阀、电动机）动作从而完成相应的控制任务。,1.1 计算机控制系统概述

2、,涉及到哪些技术？,计算机技术、自动控制技术、显示技术、传感器检测与技术、网络与通信技术、电子技术等,（2）显示监控对象的变化过程,将传感装置采集到的被监控对象中的物理参量（如温度、压力、液位、速度）转换为电量（如电压、电流），并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并制作各种报表。,1.1 计算机控制系统概述,自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。,自动控制系统原理框图：,图1-1 自动控制系统框图,

3、返回,1.1.1 计算机控制系统 计算机控制系统：就是利用计算机(通常称为工业控制计算机，简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。,1.计算机控制系统的工作原理,返回自控系统,计算机温度监控系统,以一个计算机温度监控系统为例：,上述温度监控计算机系统对生产过程实现自动控制可以分解为四个过程：1）实时数据采集。生产过程的被控参量（过程信号）通过测量环节转化为相应的电量或电参数，再由变送器或放大器变换成标准的电压信号或电流信号；2）A/D转换。电压信号或电流信号经过A/D转换后变成计算机可以识别的数字信号，并将其转换为人们易于理解的工程量（测量值）；3）实时控制决策。计算机根据测量值与给定值

4、的偏差，按一定的控制算法输出控制信号；4）实时控制输出。控制信号作用于执行机构，通过调节物料流量或能量的大小来实现对生产过程的调节。,1.1.2 计算机控制系统的组成 计算机控制系统由计算机(工业控制机)和生产过程两大部分组成。,1.工业控制机（1）硬件组成：主机、输入输出通道（2）软件组成:系统软件；应用软件。2.生产过程,图1-3 计算机控制系统的组成框图,1.2 计算机控制系统的典型形式,1.2.1 操作指导控制系统（为操作人员提供操作指导信息）,执行机构,图1-4 操作指导控制系统,计算机不直接参与过程控制，主要用于对被控过程的现场状态进行实时数据采集和处理，进行必要的集中记录、显示、

5、报警或打印输出，对现场状况的集中监视，并为操作人员提供操作指导信息。,优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，开环结构，控制的实时性差，不能控制多个对象。,主要用于生产初期实验，过程模型获取,1.2.2 直接数字控制（DDC）系统,闭环结构，控制的实时性好，可以控制多个回路或对象。,计算机通过检测单元对过程参数进行巡回检测，并经过输入通道将检测数据输入计算机，计算机按照一定的控制规律进行运算，得到相应的控制信息，并通过输出通道去控制执行机构，从而使系统的被控参数达到期望的要求,1.2.3 监督控制（SCC）系统 a）SCC+模拟调节器的控制系统 b）SCC+DDC的分级控制系统,图

6、1-6 监督控制系统,输出通道,输入通道,亦称分布式控制系统。计算机分布式控制系统采用分级分散型控制原理、集中操作、分级管理、分散控制、综合协调的设计原则，将系统由下至上可分为现场分布式控制级、过程控制集中监控级、综合信息管理级等，各级之间通过高速通讯通道相互连接，传递信息，协调工作。,1.2.4 集散控制系统（DCS）,1.2.4 集散控制系统（DCS）,图1-7 DCS结构示意图,操作站,控制站,现场仪表,MIC,SCC,DDC,生产过程最优化，效率提高，成本降低,1.2.5 现场总线控制系统（FCS）,图1-8 FCS结构示意图,二层结构：工作站-现场总线智能仪表,1.2.6 综合自动化

7、系统 综合自动化系统的整体解决方案：企业资源信息管理系统ERP（Enterprise Resources Planning）；生产执行系统MES（Manufacturing Execution System）；生产过程控制系统PCS（Process Control System）。,综合自动化系统主要包括：计算机集成制造系统(CIMS-Computer Integrated Manufacture System)制造业；计算机集成过程系统（CIPS-Computer Integrated Process System）流程工业。,1.3 工业控制机的组成结构及特点,1.3.1 工业控制机的组成

8、 工业控制机包括硬件和软件两部分。硬件包括主机(CPU、RAM、ROM)板、内部总线和外部总线、人机接口、系统支持功能、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。软件包括系统软件、支持软件和应用软件。,1.工业控制机的硬件组成,1.3.3 工业控制机的特点,(1)可靠性高和可维修性好。可靠性：指设备在规定的时间内运行不发生故障。可维修性：工业控制机发生故障时，维修快速、简单方便(2)环境适应性强。工业环境恶劣，高温、高湿、腐蚀、振动、灰尘、电磁干扰。(3)控制的实时性。具有时间驱动和事件驱动能力，要能对生产过程工况变化实时的进行监视和控制。,(4)完善的输入输出通道。模拟量输入、输出、开关量输入、输出

9、、人机通信设备等(5)丰富的软件。(6)适当的计算机精度和运算速度。,2.1 IO端口及地址译码技术2.2 数字量输入输出接口与过程通道2.3 模拟量输入接口与过程通道2.4 模拟量输出接口与过程通道2.5 硬件抗干扰技术,第2章 输入输出接口与过程通道,第2章 输入输出接口与过程通道,接口：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。接口的含义：狭义上：连接计算机和I/O设备的部件；广义上：还包括接口电路的管理驱动程序；接口技术：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。,接口的必要性：外设是用来实现人机交互的一些机电设备.外设处理信息的类型

10、、速度、通信方式与CPU不匹配,不能直接挂在总线上,必须通过接口和系统相连.,通常有三类信息：,数据信息,数字量模拟量开关量,状态信息,控制信息,CPU与外设之间交换信息的种类,接口的构成,(1)从编程角度看,接口内部主要包括一个或多个CPU可以进行读/写操作的有地址的寄存器,又称为I/O端口.(2)数据端口:双向的数据端口具有锁存和三态缓冲功能.状态端口:只读端口,包含三态缓冲器.控制端口:只写端口,包含锁存器.,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.,

11、过程通道：,27,2.1 总线扩展技术（IO端口及地址译码技术）,一、I/O端口及其编址方式,1、I/O端口,（1）定义：是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址。CPU 通过这些地址（端口）向接口电路的寄存器发送命令，读取状态和传送数据。I/O操作：对I/O端口的读写操作。,（2）端口的作用与类型 作用：CPU通过端口向接口电路中的寄存器发送命令、读 取状态和传送数据。类型：命令端口、状态端口、数据端口。,2.I/O端口编址方式（1）统一编址：把I/O端口看作一个存储单元，与存储单元统一编址，访问存储器的所有指令均可用来访问I/O端口。存储器映射I/O编址方式。（2）独立编址：有独立的I

12、/O地址空间，采用专门的I/O指令来访问。称为I/O映射方式。,29,二、I/O端口地址分配,（1）系统板上的I/O芯片 定时/计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等（2）I/O扩展槽上的接口控制卡（适配器）软驱卡、硬驱卡、显卡、声卡、网卡、并行、串行通信卡,1、I/O端口硬件分类,早期IBMPC使用10条地址线中的低10位，A0A9寻址范围0000H03FFH共1024个端口，前512个端口分给主板，后512个端口分配给扩展槽的常规外设。后来PC/AT系统中前256个端口00H0FFH供系统板上的I/O接口芯片使用，后768个100H3FFH供扩展槽上的接口控制卡使用，其中允许用户使用

13、的地址是300H31FH。,2、I/O端口地址分配,30,系统板上接口芯片的端口地址,扩展槽上接口控制卡的端口地址,31,三、I/O端口地址译码,1、端口地址译码 在执行I/O指令时，CPU首先把所要访问端口的地址放 到地址总线上（既选中该端口），然后才能对其进行读或 写操作，将总线上的地址信号转换为某个端口的“使能”信 号，这个操作就称为端口地址的译码，实现译码这个“媒 介”就为I/O地址译码电路。,2、I/O地址译码电路工作原理及作用,（1）作用：把地址和控制信号进行逻辑组合，从而产生对 接口芯片的选择信号。,32,（3）译码电路的输出信号：把输入的地址线和控制线经过逻辑组 合后，所产生的

14、输出信号线就是 1根 选中线，低电平有效。,（2）译码电路的输入信号：包括来自系统总线的地址线和控制线。地址线：把10位地址线分成高位/低位两部分地址线。高 位地址线输入译码电路，并和控制信号经过逻 辑组合后，产生片选信号，选中接口芯片。低 地址线不参加译码，直接连到被选中的接口芯 片，去选中接口芯片内部的寄存器，实现片内 端口寻址。控制线：AEN、IOR、IOW、SBHE、I/OCS16等。,33,3、译码电路的形式及组成,译码电路形式可分成固定式和开关（可选）式等几种。,（1）固定式：译出的I/O地址不能改变，不灵活（接口中用 到的端口地址不能改变），一般由IC芯片或 译码器组成。（2）开

15、关式：地址可以改变，一般由地址开关、译码器和 比较器组成。（3）另外，采用GAL（PAL）器件来构建地址译码电路。,4、地址译码的译码方法,（1）要求产生单个端口时，采用全译码方法。（2）要求产生多个端口时，采用部分译码方法。（3）要求产生的端口可变时，采用地址开关的译码方法。,34,I/O端口地址部分译码方法图,35,5、地址译码电路的类型,（1）单个端口的地址译码电路（无需片选信号）（2）单个接口的译码电路（需要一个片选信号）（3）多个接口的地址译码电路（需要产生多个接口芯片的 片选信号）,6、译码器和I/O地址译码电路,译码器是一种能实现译码功能的元件，是一种IC芯片。I/O地址译码电路

16、是一种电路，它一般除了译码器作为核心芯片之外，还需要一些其他门电路或元器件作为辅助芯片，一起进行逻辑组合，组成一个能实现I/O端口地址译码功能的电路。可见，译码器并不是I/O地址译码电路的全部，而是其中的一部分。,36,四、I/O端口译码电路设计举例,1、固定式单个端口地址译码电路的设计（1）要求：设计一个端口地址为2F8H的译码电路。（2）分析：由于是单个端口地址的译码电路，不需要片选信号 CS，故采用全译码方法。10 根地址线全部作为译 码电路的输入线，参加译码。并从题目要求的端口 地址是2F8H，可知10位输入地址线的取值是：A9A0对应的值为1011111000（3）设计：能够实现上述

17、地址线取值的译码电路有很多种，一 般采用门电路就可以实现，而且很方便。常用的门 电路有：与门、或门、非门及与非、或非等。本例 设计采用的门电路有 74LS04 非门、74LS20 四输入 端与非门、74LS30 八输入端与非门、74LS32 或门 和74LS133十三输入端与非门中的几个。,37,Y0,38,2、固定式单个接口电路地址译码电路的设计（1）要求：设计一个片内拥有8个端口的接口电路的I/O地址译码 电路，其端口地址为310H317H。（2）分析：由于接口芯片内部包括8个端口地址，应先选中芯片，再从选中的芯片内部选端口，因此，需要产生片选信 号 CS，故采用部分译码方法。从题目要求端

18、口地址 范围为310H317H可知，其输入地址线的取值为：A9A0对应的值为 1100010?，其中低 3 位不参加地 址译码电路译码，这3位地址变化范围为 000111，可 满足在接口芯片内部寻址8个端口的要求。高7位的地 址线固定不变，作为门电路的输入。因此，在保证这 7 根输入线取值不变的条件下，输出线为低电平的任 何一种逻辑组合电路，都能满足本例题设计要求。（3）设计：考虑到是单个接口电路，只需一个片选信号CS，故采 用IC门电路来组成译码电路。,39,40,（1）要求：某微机系统，包含8个接口电路，每个接口拥有4个端口，试设计地址译码电路，其地址分配在200H21FH。（2）分析：由

19、于要求每个接口包含4个端口，故采用部分译码方法。为了满足产生8个片选信号CS0CS7的要求，只采用IC门 电路就不行了，需要启用译码器。（2-4：74LS139、3-8：74LS138、4-16：74LS154）（3）设计：输入地址线的取值为A9A0对应的值为10000CBA?，其 中最低2位未参加地址译码电路，用于寻址4个端口。A4A2用于译码，高5位作为译码器的控制信号。,3、固定式多个接口电路地址译码电路的设计,41,42,4、开关式单个端口地址译码电路的设计,（1）要求：设计一个 I/O 地址可以改变的端口地址译码电路，并且在300H3FFH范围内可以任意选择一个端口。（2）分析：要实

20、现地址可选必须在电路中增加地址开关和相关 的中介元件（比较器）。为满足256种选择，每次只选择1个端口，应采用全 译码法，10位地址线不分高/低全部参加译码。（3）设计：根据可选地址的选择范围，确定地址开关的位数，题目要求256种选择，故采用8位地址开关DIP8。地址开关不能直接接在系统地址线上，需通过中 介元件（比较器或异或门）进行地址转移。采用 8位比较器74LS688。,43,74LS688工作原理：有两组输入分别是P和Q，各有8位。比较 结果有两种，即 A=B 和 AB。当G端为低，且P组=Q组时，P=Q输出线为低；当P组Q组时，P=Q输出线为高。从题目要求的地址范围300H3FFH可

21、知，译码电路的输入线 地址的取值为：A9A0为11S7S0，通过比较器把开关的状态 转移到地址线A0A7的取值了。8位地址开关有 256 种状态组合，拨动 DIP8 开关，就可以在 300H3FFH范围内任意选择端口地址了。,44,45,5、可选式端口地址译码器,例：设计扩展板上的I/O端口地址译码器电路，要求让扩展板 上每个接口芯片的内部端口数目为4，并且端口地址可选 地址范围300H31FH。,端口地址,接口芯片地址,46,2.2 数字量输入输出接口与过程通道,数字量含义：数值量信号是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的。如：开关的合与开，指示灯的亮与灭，继电器的吸合与释放，马达的启动与停止

22、，阀门的打开与关闭等。开关量（数字量）的种类按类型分有电平式和触点式两种电平式为高电平或低电平；触点式为触点闭合或触点断开。,按电源分有有源和无源两种有源即直接提供高、低电平;无源即提供物理触点，或感应器件。常见的数字信号有：编码数字（二进制或十进制）：如成组拔码开关设置控制给定值或控制参数，用绝对编码的编码器检测位置等。开关量：如按钮或转换开关的启/停、阀门的开/闭，指示灯亮/灭等。数字脉冲列信号：如光电脉冲编码器检测速度、晶闸管的脉冲触发器等。特点：幅值离散，可用一位或多位二进制码表示。,2.2.1 数字量输入输出接口技术 1.数字量输入接口,在总线结构的微机系统中,任一时刻只能有一个设备

23、利用总线进行数据传送,输入设备的数据线应通过三态门与系统相连.输入设备的I/O 接口要起到三态门的作用。,1.数字量输入接口,缓冲器防止外设数据干扰数据总线。三态门缓冲器74LS244，用来取得设备的输入状态信息，可同时输入8个开关状态。,实现：可用如下指令完成8个开关量的状态采集：MOV DX,port IN AL,DX 其中port为片选端口的地址，在初始化程序中分配。三态门缓冲器74LS244用来隔离输入和输出线路，起缓冲作用。,2.数字量输出接口锁存器,在总线结构的微机系统中,CPU送出的数据以广播的形式在数据线上传出.CPU要利用总线不停的传送数据,总线上的数据变化快,如何使慢速设备

24、有足够的时间处理数据?,输出设备利用锁存器接受CPU输出的数据:(1)使某输出设备锁存器的控制端处于触发状态,数据通过该锁存器;(2)当触发信号消失,数据锁存在锁存器中,外设侧数据不随总线侧数据的变化而变化,使慢速的外设有足够的时间处理数据.,2.数字量输出接口,汇编 MOV AL,8FH MOV DX,221H OUT DX,ALC语言：outportb(0 x221,0 x8f),2.2.2 数字量输入通道,1、数字量输入通道的结构如图2.6所示。主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。,图2-6 数字量输入通道结构,2、输入调理电路作用：将信号经转换、安全保护、消除抖动、

25、滤波、隔离处理后转换成计算机能接收的逻辑信号。(1)信号转换处理逻辑上表现为“1”或“0”，信号形式为电压、电流信号或开关的通断，幅值范围不符合数字电路的要求（标准TTL电平05V），需经转换处理。,(2)安全保护措施对可能出现的输入过电压（稳压管）、瞬间尖峰（稳压管、压敏电阻）或极性接反（二极管）的情况，采取安全保护措施。,(3)消除机械抖动影响操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在通/断时会产生机械抖动，体现在计算机输入上是输入信号在0、1间多次振荡，可能导致错误控制。,消除抖动电路,(4)滤波处理长线传输、电路内外部干扰，使输入信号中带有干扰信号，造成计算机的误读出错。方法：RC滤波

26、电路等。(5)隔离处理用于现场输入设备与计算机系统间的隔离保护，保障计算机系统安全。使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。价格低廉，可靠性好。方法：光电耦合器件隔离、变压器磁隔离。,2.2.3 数字量输出通道,1、数字量输出通道的结构如下图所示。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。,图2-9 数字量输出通道结构,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)小功率直流驱动电路 功率晶体管

27、输出驱动继电器电路 达林顿阵列输出驱动继电器电路 继电器驱动电路 晶闸管驱动电路,(2)大功率交流驱动电路 固态继电器（SSR）,2.3 模拟量输入接口与过程通道,任务：从系统中检测模拟信号，将之转换为数字信号，经接口送入计算机。,模拟量信号的检测与处理测量流程：,例如，温度检测（1000以下，传感器为镍铬镍铝或镍铬镍硅热电偶）,1、传感器概念：非电量转换为电信号的器件，称为“传感器”。传感器的输出信号有多种形式，如电压、电流、频率、脉冲、电阻、电容、电感值等，输出信号的形式由传感器的原理确定。常用传感器如：光敏传感器、温度传感器、压敏传感器、超声传感器、流量传感器、压力传感器、转速传感器、位

28、置传感器、电压/电流传感器、湿敏传感器等。2、变送器概念：将传感器输出的非标准的电信号，转换为统一的标准信号（420mA(DDZ-)，010mA(DDZ-)）的变换电路，称为“变送器”。,常用变送方式：采用变送器芯片AD590、AD693 等；采用可控恒流源；采用运算放大器。目的：提高信号远距离输送抗干扰能力，减少信号衰减；为与标准化仪表和执行机构匹配提供方便。3、I/V变换,无源I/V变换采用精密电阻器实现；有源I/V变换采用运算放大器实现。,4、A/D转换器,2.3.1 模拟量输入通道的组成,组成：信号调理或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。,图2-14

29、模拟量输入通道结构,工作过程：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，由多路开关将各过程参数依次进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。,传感器（Transducer）非电量电压、电流 变送器（Transformer）转换成标准的电信号I/V变换多路转换器（Multiplexer）多选一,采样保持器（Sample Holder，S/H）保证变换时信号恒定不变A/D变换器（A/D Converter）模拟量转换为数字量,2.3.2 信号调理和I/V变换,1.信号调理电路 信号调理电路：主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模

30、抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。（1）非电信号的检测不平衡电桥,热敏电阻三线制接线图,热敏电阻测量电桥电路,2.I/V变换 功能：将变送器输出的统一信号010mA或420mA，变换成标准05V电压信号。（1）无源I/V变换,(1)输入：010mA；电阻值：R1=100,R2=500(精密电阻）；输出：05V(2)输入：420mA；电阻值：R1=100,R2=250；输出：15V,图2-19 无源I/V变换电路,定义：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量信号，转变成在时刻0、T、2 T、K T的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。,2.3.4 采

31、样、量化及采样保持器,1.信号的采样,2.3.4 采样、量化及采样保持器,图2-22 信号的采样过程,执行采样动作的开关称为采样开关；0、T、2 T、K T为采样时刻；T为采样周期;采样过程持续时间称为采样宽度。采样信号（脉冲序列）在时间轴上离散的，在函数轴上是连续的。,2.量化 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。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。,香农(Shannon)定理：如果模拟信号频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f2fmax进行采样，那么采样信号 就能唯一地不失真地复现y(t)。实际中

32、，常取f(510)fmax,量化单位：字长为n的A/D转换器把yminymax范围内变化的采样信号，变换为数字02n1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。,3.采样保持器(1)孔径时间和孔径误差的消除 孔径时间：完成一次AD转换所需的时间tA/D 孔径误差：每一个采样时刻的最大转换误差U,图2-23 t A/D 引起的误差,Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率。在坐标的原点,取t=tA/D，则得原点处转换的不确定电压误差为,(2)采样保持原理A/D转换时间：A/D转换过程（即采样信号的量化过程）需要的时间。采样保持器把t=KT时刻的采样值保持到A/D转换结束。,采样保持器的

33、原理基本组成：输入输出缓冲器A1、A2、采样开关S、保持电容CH。,工作原理：采样时，S闭合，VI通过A1对CH快速充电，VO跟随VI；保持期间，S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下，VO=VC保持不变。,图2-24 采样保持器的组成,模拟量输出通道的任务-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;模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)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(V/I)变换器等;,2.4 模拟量输出接口与过程通道,2.4.1 模拟量输出通道的结构型式模拟量输出通道基本构成-多D/A结构（

34、图2-31）和共享D/A结构（图中2-32）,特点：1、一路输出通道使用一个D/A转换器 2、D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器 3、D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用 4、结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立 5、缺点是所需D/A转换器芯片较多,特点：1、多路输出通道共用一个D/A转换器 2、每一路通道都配有一个采样保持放大器 3、D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用 4、采样保持器实现模拟信号保持功能 5、节省D/A转换器，但电路复杂，精度差，可靠低、占用主机时间,多数D/A转换芯片输出的是弱电流信号，要驱动后面的自动化装置，需在电流输出端外接运算放

35、大器。根据不同控制系统自动化装置需求的不同，输出方式可以分为电压输出、电流输出方式。1.电压输出 由于系统要求不同，电压输出方式又可分为单极性输出和双极性输出两种形式。下面以8位的DAC0832芯片为例作一说明。,2.4.3 单极性与双极性电压输出电路,（1）DAC单极性输出,式中：,VREF/256是常数,显然，VOUT和 B 成正比关系，输入数字量 B 为 00H 时，VOUT也为 0；输入数字量 B 为FFH即255时，VOUT 为与 VREF 极性相反的最大值。,DAC单极性输出方式如图 2-35-1 所示，由式(3-1)可得输出电压VOUT的单极性输出表达式为：,（2）DAC双极性输

36、出方式,DAC双极性输出方式如图 2-35-2所示。,A1 和 A2 为运算放大器，A点为虚地，故可得：,解上述方程可得双极性输出表达式：,(2-3),图中运放 A2 的作用是将运放 A1 的单向输出变为双向输出。当输入数字量小于 80 H即128时，输出模拟电压为负；当输入数字量大于 80 H即128时，输出模拟电压为正。其它n位D/A转换器的输出电路与DAC0832 相同，计算表达式中只要把 28-1改为2n-1即可。,或,相当于最高位作为符号位，分辨率降低一位。,2.5 硬件抗干扰技术,2.5.1 过程通道抗干扰技术2.5.2 CPU抗干扰技术2.5.3 系统供电与接地技术,学习要点：1

37、、干扰的来源与传播途径。2、硬件抗干扰措施。,概述,1、干扰及抗干扰的重要性 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。系统的可靠性，是系统的生命线，决定了系统是否能长期运行，会不会被淘汰。系统的可靠性，主要取决于硬件的可靠性，特别是外围通道的可靠性。系统的抗干扰能力，是提高系统可靠性的关键。因此，必须采取有效的抗干扰措施，才能保证系统可靠工作。,外部干扰环境,内部干扰由系统结构和制造工艺决定，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，元器件产生的噪声等。,内部干扰环境,噪声干扰存在的

38、三要素：干扰源；干扰的传输通道；接收设备(需保护免受干扰的设备)。,3、干扰的传播途径干扰的传播途径 干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。（1）静电耦合通过金属导体之间分布电容产生的电场耦合，如平行导线传输。,空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。,（2）磁场耦合,公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，通过公共电源线和公共地线的阻抗耦合(两个电路的电流流经一个公共阻抗)。一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。图8-5给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。,（3）公共阻抗耦合,在一块印制电路板上，运算放大器A1和A2是两个

39、独立的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻R1、R2是两个回路的公共阻抗。当回路电流i1变化时，在R1和R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流i2。反之，也如此。,4、抑制干扰的方法包括硬件和软件。本章主要说明硬件抗干扰技术。（1）屏蔽屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。,（2）接地接地线截面（加大，电阻小）；接地点配置（靠近，压降小）。目的是减小阻抗耦合。（3）

40、平衡布线方式；电缆选择。补偿与对消方法，减小干扰影响。,（4）滤波滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因而当接收器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。硬件滤波，如阻容吸收滤波电路等。,（5）隔离光电隔离；磁隔离。目的：计算机安全，提高抗干扰能力。变压器隔离：对于交流信号的传输,一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度，把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。,（6）

41、消除噪声源设备位置选择；电源选择。（7）电缆选择采用多芯电缆；动力线与信号线分开。,2.5.1 过程通道抗干扰技术,按干扰对系统的作用形式(传导模式)分为串模干扰和共模干扰。1、串模干扰及其抑制方法（1）串模干扰(横向干扰或常态干扰)定义：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。被测信号指有用的直流信号或变化缓慢的交变信号，而干扰噪声是指无用的变化较快的杂乱交变信号。如图2.16所示。（2）串模干扰的来源空间电磁场干扰；来自信号源内部或电源内部。,（3）串模干扰的抑制方法目前常采用双绞线与滤波器两种措施。采用输入滤波器un的频率比信号频率高时，采用低通滤波器；un的频率比信号频率低时，采用

42、高通滤波器；un的频率频率落在信号频谱两侧，采用带通滤波器。,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。,图2-43 二级阻容滤波网络,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。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。采用双绞线减

43、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(纵向干扰或共态干扰)定义：所谓共模干扰是指A/D转换器（放大器）两个输入端上共有的干扰，即干扰信号同时、同相、等量地出现在A/D转换器两个输入端。如图中ucm所示。（2）共模干扰来源系统中“地”电位不一致；（地线电阻不等于0）,被测信号源,（2）共模干扰的抑制方法既然共模干扰产生的原因是不同“地”之间存在的电压，以及模拟信号系统对地的漏阻抗。因此，共模干扰电压的抑制就应当是有效的隔离两个地之间的电联系，以及采用被测信号的

44、双端差动输入方式。具体的有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。,3、长线传输干扰及其抑制方法（1）长线的概念所传输的信号波长可与传输线的长度相比拟时，或当传输线长度远超过传输信号波长时，构成长线传输。电磁波介质传播速度=波长*信号频率(50Hz信号波长约6000km,1000MHz信号的波长约30cm）（在真空中的传播速度为 3108m/s，同光速相同)计算机系统内，是否长线取决于集成电路的运算速度。（2）信号在长线传输中的问题长线传输易受到外界干扰。如电磁波、电磁场、静电场和其它传输线的干扰作用；具有信号延时：架空单线3.3ns/m，双绞线5ns/m，同轴电缆6ns/m；,高速度变化的

45、信号在长线中传输时会出现波反射现象，反射信号与有用信号叠加在一起，使有用信号波形变坏，即所谓“长线效应”。(由于终端阻抗不匹配或始端阻抗不匹配引起)入射波:当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输线内部产生正向前进的电压波和电流波，称为入射波。波反射现象：阻抗不连续，突变，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。,（3）抑制方法选用同轴电缆或双绞线。同轴电缆对电场

46、干扰有较好的抑制作用，双绞线对磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短效果越好（波阻抗越低）；双绞线要对称使用(两条线都接地)，传输过程中尽量少用接插件；长线传输中，各信号线绞距要不同，尽量交叉走线，不要平行走线。双绞线的波阻抗一般在100至200之间，绞花越密，波阻抗越低。同轴电缆的波阻抗在50-100之间,终端阻抗匹配，用于消除长线传输中的波反射或抑制到最低限度。测量法确定传输线的波阻抗：,理论计算传输线的波阻抗：,始端阻抗匹配,图2-51 始端匹配,在传输线始端串入电阻R，如图8-16所示，也能基本上消除反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻R为 RRPRSC 其中，RSC为门A输出低电平时的输出阻抗。,2.5.2 CPU抗干扰技术,CPU常用抗干扰措施：看门狗（Watchdog）；掉电保护（电源监控）；复位等。这些方法可采用微处理监控电路MAX1232来实现。MAX1232微处理器监控电路，给微处理器提供辅助功能、电源供电监控功能。,2.5.3 系统供电与接地技术,1供电技术2接地技术,