计算机测控技术第4章.ppt

第四章开关量输入/输出及模拟量输出通道,4.1开关量输入4.2输出通道的信号种类4.3DAC工作原理及主要技术指标4.4DAC接口技术4.5模拟量输出通道的结构形式4.6开关量输出4.7执行机构及驱动举例,4.1开关量输入,4.1.1开关量输入通道开关量输入通道的任务主要是将现场的开关信号或仪表盘中的各种继电器接点信号有选择地输送给计算机，在控制系统中主要起以下作用（1）定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是否在运转、阀门是否开启等。,（2）对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。若有异常，及时向主机发出中断请求信号，申请故障处理，保证生产过程的正常运转。开关量输入一般按组进行，每组输入的开关量位数应与微机的字长相等，经I/O接口或带有三态控制的数据锁存器与主机的数据总线相连。但必须注意，送到I/O接口输入端的开关量信息，必须被转换为TTL电平。这是因为在微机测控系统中，习惯用TTL电路作为基本电路元件。然而TTL电路毕竟不能满足生产实际中不断提出来的各种特殊要求，例如高速、高抗干扰、低功耗等，因而又有HTL、ECL、CMOS等各种数字集成电路。这些电路输入和输出的电平与TTL是不兼容的，因此必须进行相互间的电平转换。,HTL电路输出的电平范围为11.5～1.5V。它与TTL的电平转换电路常采用专用的电平转换电路，如CH2017可完成TTL→HTL的转换，而HTL→TTL的转换则用CH2016集成电路。ECL电路具有速度快、逻辑功能强、扇出能力强、噪声低、引线串扰小和自备参考电源等优点，广泛应用于数字通信、高精度测试设备及频率合成等方面。它的输出逻辑电平的范围是-0.9～-1.75V。常用的工作电压为-5.2V，常用的转换电路为CE1024（TTL→ECL）和CE1025（ECL→TTL）。CMOS电路功耗低、抗干扰能力强、工作电压范围宽（318V）、输入阻抗高，在要求低功耗的场合广为采用。,由于TTL电路输出高电平的规范值为2.4V，当电源电压为5V时，CMOS电路输入的高电平Um≥3.5V,这样就造成了TTL与CMOS接口困难。一般解决的办法是在TTL输出端与电源之间接一上拉电阻R，电阻R的取值由TTL的高电平输出漏电流IOUT来决定，不同的TTL系列R值不同，一般为,74系列4.7kΩ～390Ω；74H系列4.7kΩ～270Ω；74L系列27～1.5kΩ；74S系列270～4.7kΩ；74LS系列820～12kΩ。,4.1.2查询式控制输入在这种I/O控制方式中，I/O设备与CPU之间的数据传送完全由CPU通过程序查询来实现。CPU通过反复查询I/O设备的状态，了解哪个设备准备好了，需要服务，然后转入相应的设备服务程序。如果外设未准备好，不需要服务，CPU则继续查询。这种控制方式的特点是I/O操作由CPU启动，即CPU主动，I/O被动。这种控制方式的接口电路，除了数据端口外，还必须有传送状态信息的端口，其结构如图4-1所示。查询式输入和查询式输出接口的硬件构成及其工作流程分别如图4－2和图4-3所示。两个图中的Pd和Ps，分别代表数据端口和状态端口的地址。,以输入接口为例，其查询式数据输入过程为CPU首先通过状态口从数据线Di读取状态信息，据此判断输入设备是否准备就绪，若未就绪就图中而言，Di0，程序循环等待、查询；若就绪Di1，则执行输入指令，从数据口读入数据，同时使准备就绪的触发器复位，表示输入一个数据的操作已经完成。以后当输入设备的数据再次准备就绪时，它发出就绪状态信息，一方面把输入设备的数据暂存入数据锁存器，另一方面使准备就绪的触发器置“1”，等待CPU查询，进入下一个数据输入周期。如此周而复始，每输入一个数据，都重复上述过程。,图4-1查询式接口的硬件结构,图4-2查询式输入接口的硬件构成及其工作流程图a硬件构成；b工作流程,图4-3查询式输出接口及其工作流程图,当系统中有多个I/O设备时，CPU要对所有外设进行巡回查询，一旦发现某个外设准备就绪，CPU便执行对该外设的输入或输出指令，待作适当处理后，CPU又进入循环查询过程。查询设备状态标志值的方法有三种一是每个设备对应一个状态端口实际只有一位，是一个状态触发器,CPU查询一个设备的状态标志，经判断作出相应的I/O处理后，再查询、判断、处理下一个设备。二是把各个设备的状态标志位集中起来，用一个统一的专用状态端口来存放，CPU一次读取后就可对所有设备的当前标志进行测试、判断和进入相应处理。这两种方法的设备优先级都是由查询的顺序决定的。三是在专用的状态端口前再增加一个优先权编码器，这样在有多个设备同时要求服务时，能最先对它们当中优先权最高的设备进行服务。这种方法下的设备优先权是由设备标志位到优先级编码器输入引脚号的硬连线予以固定的。,程序查询式I/O控制是一种天然的同步控制机构，由于总是CPU主动，所有I/O传送都与程序的执行严格同步，所以能很好地协调CPU与外设之间的工作，数据传送可靠。此外，它的接口简单，硬件电路不多，查询程序也不复杂。其主要缺点是CPU必须循环等待，以检测外设状态，直到外设准备就绪以后才能传送数据。这样，为了传送一个数据，软件开销很大，CPU把绝大部分时间都花在循环等待上，而真正为外设服务的时间却很少，使CPU的使用效率低。当然，要想提高CPU使用效率，可在循环等待期间穿插一些其它运算处理，但这样势必影响I/O服务的响应速度，使I/O处理的实时性降低。而要提高I/O响应速度，唯一的办法就是提高查询频率，但这样又必将进一步加剧第一个缺点。这是查询方式本身难以解决的矛盾。,这种I/O控制方式是优是劣，不能一概而论，要看具体应用场合。如果I/O处理的实时要求不那么高，或者微型计算机的操作任务比较单一，并不很忙。比如在一个系统专门用于控制一个或几个I/O设备的特殊情况下，CPU除了为外设服务，本身就没有更多的其它工作要做，在这种情况下，程序查询式控制不失为一种比较理想的控制策略。正因为这样，所以它在实际中还是一种最常用的I/O控制方式。反过来，如果I/O处理的实时性要求很高，或者CPU的任务很繁忙，则不宜采用这种方式，而最好采用中断驱动式或其它方式来控制。,4.1.3中断驱动式控制输入在这种控制方式中，I/O设备与CPU之间的数据传送是CPU通过响应I/O设备发出的中断请求来实现的，CPU和I/O设备的关系是CPU被动，I/O主动，即I/O操作是由I/O设备启动的。当I/O设备需要CPU服务时通过其接口发出中断请求信号；CPU在收到中断请求后，中断正在执行的程序，保护断点，转去为相应外设服务，执行一个相应的中断服务子程序；服务完毕，恢复断点，返回原来被中断的程序继续执行。如CPU没收到中断请求，则埋头干自己正在干的事情，根本不理睬I/O设备。,图4-4具有中断控制方式的输入接口电路示意图,4.1.4开关量输入信号的调理,1.信号转换电路电压或电流输入转换电路如图4-5所示。可视电压或电流信号的大小选择分压电阻R1和R2。开关触点型信号输入电路如图4-6所示。这种电路使得开关的通/断变成电平0或5V输出。,图4-5电压或电流输入电路,图4-6开关触点型电路,2.滤波电路由于长线传输、电路、空间等干扰的原因，输入信号常常夹杂着干扰信号，这些干扰信号有时可能使读入信号出错。如图4-7是一个硬件滤波电路，它采用RC低通滤波电路。这种电路的输出信号与输入信号之间会有一个时间延迟，可视现场需要调整RC网络的时间常数。,图4-7RC滤波电路,3.保护电路在实际应用中，应采用适当的保护措施，防止因过电压、瞬态尖峰或反极性信号损坏接口电路，这种保护电路分别如图4-8、4-9和4-10所示。其中，采用齐纳二极管和压敏电阻将瞬态尖峰干扰箝位在安全电平。简单地用一个二极管防止反极性信号。用二极管箝位，并串入限流电阻在高压输入时起保护作用。,图4-8高压保护,图4-9瞬态尖峰保护电路,图4-10反极性保护,图4-11双向消抖动电路,4.消除触点的抖动若开关量输入信号是一个机械开关或继电器触点，闭合时，常常会发生抖动问题，因此输入信号的前沿常是非清晰信号。抖动的时间和次数是开关的一项指标。这些开关，如湿簧继电器，在开关时触点没有抖动问题。解决开关抖动问题最简单的办法是采用如图4-11所示的RS触发器形式的双向消抖动电路。其中，把开关信号输入到一个RS触发器的输入端A，当抖动的第一脉冲信号使RS触发器翻转时，D端处于高电平状态，故第一个脉冲消失后RS触发器仍保持原状态，以后的抖动所引起的数个脉冲信号对RS触发器的状态无影响。这样，RS触发器就消除了抖动。,,4.2输出通道的信号种类,1.直流电流信号当计算机测控系统输出模拟信号需要传输较远的距离时，一般采用电流信号而不是电压信号，因为电流信号抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信号损失。当把计算机与常规仪器仪表相配合组成显示或控制系统时，各个单元之间的信号应当规范化。按照我国国家标准GB3369－82所规定的工业自动化仪表用模拟直流电流信号和国外IEC标准381所规定的过程控制系统用模拟直流电流信号，直流电流信号分为两种一种是4～20mA负载电阻250～750Ω；另一种是0～10mA负载电阻0～3000Ω。在采用4～20mA信号标准时，零毫安值表示信号电路或供电有故障。,2.电流电压信号当计算机测控系统输出模拟信号需要传输给多个其它仪器仪表或控制对象时，一般采用直流电压信号而不是直流电流信号。这是因为，如果采用直流电流信号，为了保证多个接收信号的设备获得同样的信号，必须将它们的输入端互相串联起来。这就导致一个不可靠因素，当任何一个接收设备发生断路故障时，其它接收设备也会失去信号。而且，互相串联的各个接收设备输入端对地电位不等，也会引起一些麻烦。,在采用直流电压信号的情况下，多个接收信号的设备的输入端互相并联起来便能获得同样的信号。为了避免导线电阻形成压降而使信号改变，接收设备的输入阻抗必须足够高。但是，太高的输入阻抗很容易引入电场耦合干扰。因此，直流电压信号只适用于传输距离较近的场合。,对于采用4～20mA电流信号的系统，只需采用250Ω电阻就可将其变换为1～5V直流电压信号。所以1～5V直流电压信号也是常用的模拟信号形式之一。在采用1～5V信号标准时,1V以下的电压值表示信号电路或供电有故障。直流4～20mA电流信号及1～5V电压信号容易判别断线和电源故障，所以受到国际的推荐和普遍的采用。,4.2.2开关量输出信号1.越限报警将被测参数的数值与人为设定的参数值进行比较，比较的结果大于或小于以开关量的形式输出，就可以驱动声光报警装置实现越限报警，或者输出给控制设备采取措施。例如，锅炉水位测量值低于设定的低限值时，必须立即报警或启动给水泵。,2.开关量控制某些被控对象采用位式执行机构或开关式器件进行自动控制，它们的动作是由开关信号控制的，例如电磁阀、电磁离合器、继电器或接触器、双向晶闸管等，它们只有“开”和“关”两种工作状态，可以表示为二进制的“1”和“0”。因此，利用一位二进制数输出就可以控制这些开关式器件的运行状态。例如继电器或接触器的吸合和释放，马达的启动和停止，阀门的打开和关闭等。,用于控制的开关信号的电气接口形式又分为有源和无源两类。无源是指计算机测控系统只提供输出电路的通、断状态，负载电源由外电路提供。例如计算机测控系统控制继电器时，仪表控制继电器线圈的得电或失电，而继电器的触点则由用户安排，触点本身只是一个无源的开关。有源的开关量输出信号往往表示为电平的高低或电流的有无，由计算机测控系统为负载提供全部或部分电源。有源和无源各有利弊，无源的开关量输出容易实现测控系统与执行机构之间的电路隔离，两者既不共用电源也不共用接地，这有利于克服地电位差及电磁场干扰的不利影响。而对于有源的开关量输出，根据输出电压或电流的实际数值，计算机测控系统有可能判断出负载断线故障。,3.反映计算机测控系统本身的工作状态计算机测控系统的工作状态，例如“工作”或“后备”状态，“自动”或“手动”状态，“正常”或“故障”状态等，都可以用开关量输出信号来表征，使上位计算机或操作人员及时了解。,4.2.3数字量输出信号数字量输出信号分为串行和并行两种。串行一般用于较远距离的数据传输和信息交换，例如计算机测控系统与上位计算机之间通信多为串行。并行方式传输速度快，但所需导线条数多，只适合于近距离传输，例如计算机测控系统与周围的其它智能设备之间通信多为并行。数字量输出与数字量输入共同构成数据通信，这是实现分散型控制系统和计算机管理必不可少的信息传递形式，是发展很快的一门技术。,,4.3DAC工作原理及主要技术指标,4.3.1DAC工作原理DAC的基本功能是把数字量转换为与其大小成正比的模拟量，一个n位的二进制数字量dn-1dn-2d0的大小可以表示为,D＝d0＋d121＋＋dn-12n-1,（4-1）,DAC就是按照上式将二进制数的每一位转换成与其表示的数值大小成正比的模拟量，然后相加，就得到与该数字量大小成正比的模拟量电压或电流。权电阻DAC原理电路示于图4-12，它由电子开关、电阻和运算放大器组成。开关数字量对应位控制，当di1时，开关闭合；当di0时，开关断开。每路电阻大小相应于该位的二进制权，UREF为参考电压。,图4-12权电阻DAC原理图,运算放大器输入总电流为,上式中的Io为DAC输出的模拟电流信号，其大小与数字量D成正比。在图4-12中运算放大器的输出端可以得到输出模拟电压信号，其值为,（4-2）,输出的模拟电压Uo的大小与数字量D成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。,4.3.2D/A转换器的主要技术指标1.分辨率这个参数是D/A转换器对微小输入变化敏感程度的描述，用数字量的位数来表示。对于分辨率为n位的转换器，它能对满刻度为2-n的输入变化作出反应。,2.线性度通常用非线性误差的大小来表示D/A转换器的线性度。并且把理想输入/输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。例如AD7541的线性度为≤0.02满刻度。,3.转换精度转换精度分为绝对精度和相对精度。绝对精度指对于给定的满刻度数字量，D/A的实际输出与理论值之误差。该误差包括增益误差、零点误差、线性误差等综合误差，一般低于2-（n＋1）。相对误差指在满刻度已校准的情况下，在整个刻度范围内，对应于任一数码的模拟量输出与其理论值之差，相对精度用该偏差相对满刻度的百分比表示。必须注意精度和分辨率是两个完全不同的概念。精度是指转换后所得的实际值对于理想值的接近程度，而分辨率是指能够对转换结果发生影响的最小输入量，一个高精度的转换器，分辨率可能很差。反之亦然。,4.建立时间建立时间是D/A转换器输入数据有满刻度变化时，输出变化到偏离终值1/2LSB时所需的时间，一般从几个纳秒到几个微秒。电流输出型D/A建立时间是很快的，而电压输出型D/A主要取决于运放的响应时间。除上述几项指标外，还有温度系数、电源抑制比、动静态参数等，必要时请参考有关资料。几种常见的DAC芯片的技术指标列于表4.1。,表4.1几种常见的DAC芯片的技术指标,4.3.3D/A转换器模拟输出电压的极性所有D/A转换器件的输出模拟电压Uo，都可以表达成输入数字量D数字代码和模拟参考电压UR的乘积，即,UoDUR,二进制代码D可以表示为,D＝a12-1＋a22-2＋a32-3＋an2-nai＝0，1，,式中,a1为最高有效位MSB;an为最低有效值LSB。,目前大多数D/A输出的模拟量为电流型，需通过反相输入的运算放大器才能转换为电压输出，此时模拟输出电压为,上式所示工作范围为二象限的D/A转换器，即单数字量D和UR模拟二象限或单值的UR和数字量D数字二象限，模拟输出电压的极性完全取决于UR的极性。当参考电压的极性不变时，只能获得单极性的Uo。显然，如果UR的极性是可变的，则可实现数字量到交流输出模拟电压的极性变化。但若参考电压UR的极性不变，又想得到双极性的模拟电压输出，就必须用硬件改变Uo的极性，如图4-13所示D/A接法以MD7520为例。,图4-13双极性D/A转换器接线图,此时输出的模拟电压Uo-2D-1UR。显然无论参考电压UR的极性如何，均可获得双极性的电压输出。当UR极性不变时，Uo的极性取决于输入数字量二进制码的最高位MSB，这样，对应于MSB的0和1及UR的正与负，模拟输出电压的极性有四种组合方式，称为四象限工作方式，在二象限工作方式下，数字量码称为原码。在原码的全范围内对应于单极性的模拟电压输出；在四象限工作方式下的数字量码称为偏移码，在偏移码的全范围内对应于双极性的电压输出。,对于AD7520，当单极性输出时1LSBUREF/210UREF/1024，若为双极性输出1LSBUREF/29UREF/512。显然双极性输出较单极性输出的灵敏度降低了一倍，这是因为双极性输出时数码的最高位仅作为符号看待所引起的。,,4.4DAC接口技术,4.4.1电流输出型DAC连接成电压输出电路如果选用电流输出型的DAC芯片来实现电压输出，就需要外接运算放大器来完成I/U转换。图4-14给出运算放大器连接到DAC的几种方式。,图4-14DAC电压输出电路a单极性输出；b双极性输出,4.4.2D/A转换器与微处理器的接口方法1.接口的任务D/A转换器接口的主要任务是要解决CPU与DAC之间的数据缓冲问题。为此，接口电路要提供一些对锁存缓冲器的控制信号，很显然，这些控制信号并非D/A转换器本身所要求的。例如，DAC0832外部有5个控制信号，它们都是用来控制两级锁存器的。,2.接口电路结构形式D/A转换器的种类繁多，型号各异，速度与精度差别甚大，它们与微型计算机连接时的接口电路结构形式一般有3种1采用中小规模逻辑芯片构成接口电路与CPU连接；2利用通用并行I/O接口芯片与CPU连接；3采用GAL器件。,根据上面对DAC外部特性的分析，DAC接口设计应考虑的问题是被控对象DAC的输入缓冲能力和分辨率。因为这两方面的特性不同，使DAC与系统数据总线的连接方法不同，从而使接口电路的设计也不同。为此，把DAC归纳成4种情况来讨论。从DAC的输入缓冲能力，可分为DAC芯片内有三态输入缓冲和无三态输入缓冲器；从DAC的分辨率，可分为分辨率小于等于8位和分辨率大于8位。下面举4个例子分别说明DAC接口设计的不同特点。,图4-15DAC0808与CPU连接,（2）片内有三态输入缓冲器的8位D/A转换器接口设计。通过D/A转换器DAC0832产生任意波形，如矩形波、三角波、梯形波、正弦波以及锯齿波等。因为被连的对象是DA0832，故首先分析DAC0832的连接特性及工作方式。①连接特性。DAC0832是分辨率为8位的乘法型DAC，芯片内部带有两级缓冲寄存器，它的内部结构和外部引脚如图4-16所示。,图4-16DAC0832的内部结构和外部引脚,图4-17DAC0832时序图,②DAC0832的工作方式。DAC0832芯片在以上几个信号不同组合的控制下，可实现单缓冲、双缓冲和直通三种工作方式。直通就是不进行缓冲，CPU送来的数字量直接送到DAC转换器，条件是除ILE端加高电平以外，将所有的控制信号都接低电平。单缓冲是只进行一级缓冲，具体可用第一组或第二组控制信号对第一级或第二级缓冲器进行控制。,双缓冲是进行两级缓冲，用两组控制信号分别进行控制。采用8255A作为DAC与CPU之间的接口芯片，并把8255A的A口作为数据输出，通过它把数据传送到DAC0832，而B口的PB0～PB45根线作为控制信号来控制DAC0832的工作方式及转换操作，如图4-18所示。,图4-18DAC0832作函数波形发生器,需要指出的是，DAC0832内部具有输入缓冲器，当它与CPU连接时，可以把它的数据输入线直接连到CPU的数据总线上。但由于在本例设计中是采用8255A作为接口电路，故DAC0832的输入数据通过8255A来传送，而没有与系统数据总线直接连接。,（3）片内无三态输入缓冲器的12位D/A转换器接口设计。对片内无输入缓冲器的12位D/A转换器设计接口，要求转换的数据按“右对齐”格式传送。首先，由于转换器的分辨率12位比CPU的数据总线位数8位宽，CPU必须分两次送出，先送低字节，后送高字节称右对齐。相应的接口电路设置两个锁存器，分别锁存高字节和低字节。为了防止两次送数出现间隙，引起输出产生毛刺，必须同时选通存放高/低两个字节的两个锁存器，一起送数到DAC，进行D/A转换。所以在DAC的分辨率大于系统数据总线位数时要采用两级锁存器。,其次，因片内无两级输入缓冲器，故接口电路中要在数据总线与DAC数据输入端之间加两级锁存器，如图4-19所示。,图4-1912位DAC与CPU之间加两级锁存器,4）片内有三态输入缓冲器的12位D/A转换器接口设计。对片内有输入缓冲器的12位D/A转换器设计接口，要求按“左对齐”的格式传送数据。由于DAC1210片内有两级锁存器，所以接口电路中，在DAC的数据输入线与系统数据总线之间就不必外加锁存器，而直接相连，但由于DAC1210的分辨率位数大于系统数据总线的位数，因此，数据的传送还是要分两次。,图4-20DAC1210内部结构图,图4-21DAC1210与CPU之间直接连接,4.4.3U/I转换电路在工业控制系统中，常常以电流方式传输信号，因为电流信号适合于长距离传输，传输中信号衰减小，抗干扰能力强。因此，大量的常规工业仪表是以电流方式互相配接的。按仪器仪表标准，DDZ－2系列仪表各单元之间的联络信号为0～10mA，而DDZ－3系列仪表各单元之间的联络信号为4～20mA。如前所述，一般D/A转换器的输出信号有的是电压方式，有的是电流方式，但是电流幅度大都在微安数量级。因此，D/A转换器的输出常常需要配接U/I转换器。,常用的U/I转换器可以分为两种，一种为负载共电源方式，另一种为负载共地方式，分别示于图4-22（a）、b。对于负载共电源方式的U/I转换器电路图4-22（a），由于运算放大器输入负端与输入正端电位基本相等，即UiUf，可得,4-3,图4-22U/I转换电路a负载共电源方式；b负载共地方式,由于运算放大器的输入阻抗很高，流入运算放大器输入端的电流可以忽略。在R2Rf条件下，流经R2的电流与Io相比也可以忽略。由运算放大器正负输入端电位近似相等，可得,简化后可得,（4-4）,例如，如果取R1＝100kΩ，R2＝20kΩ，Rf＝100Ω，则当Ui＝0～5V时，Io＝0～10mA。,在使用图4-22（b）电路时，需要注意以下几点（1）电路中各电阻应当选用精密电阻，以保证足够的U/I转换精度。（2）U/I转换器的零位可以由运算放大器的调零端实现。如果采用没有调零端的运算放大器，就必须附加额外的调零电路。（3）正电源的取值必须满足U＞（RfRL）Iomax，Iomax为Io最大值。（4）如果需要改变输入电压范围，只需改变R2/R1的数值就可以实现。如果需要将单极性输入改变为双极性输入，需要在运算放大器输入端附加偏置电压。,4.4.4输出保持器,1.零阶保持器的特性零阶保持器的作用是把上一个采样周期的输出值无变化地保持到本采样周期输出的时刻。由于计算机在用采样时刻才有输出，故零阶保持器的输入函数可记为,h1tAδt,（4-5）,式中,A为采样时刻输出的幅值；δt为单位脉冲函数。,保持器的输出可看作是两个阶跃函数之差（见图4-23）,h2tA-At-T,输入、输出及零阶保持器的传递函数分别为,故零阶保持器的传递函数为,（4-6）,由此求得零阶保持器的频率特性为,4-7,零保持器的幅频和相频特性见图4-24。,图4-23零阶保持器的脉冲过渡函数（a）输入输出；（b）分解波形,图4-24零阶保持器的频率特性,2.零阶保持器的结构实用中的零阶保持器有两种类型，即数字型和模拟型。它们保持的是本质上不同的两类物理量，因而采用的电路结构和元件差别较大。应用中要根据速度、精度及经济性综合考虑，以选择信号的保持形式。1采用保持电容的输出保持器。图4-25所示是保持模拟信息的保持器。,图4-25电容保持器原理图,通常有两种方法可实现保持作用。一种是采用集成采样保持器，但当通道较多时造价高；另一种由通用运算放大器、阻容器件及多路开关组成，可降低造价，但性能较差，相互间干扰大。显然，保持器的保持性能主要取决于保持电容自身的质量。电容的漏电会造成误差，需要用软件对其不断的定时刷新。有时，为了防止相互之间的干扰，也采取一些隔离措施，例如利用飞渡电容进行隔离，或采用光电耦合对输出数据进行隔离等。,2采用专用数据锁存器的输出保持器。这是一种数字式保持器，其结构特点是先将计算机的输出以数字形式存储在寄存器中，然后再经D/A转换器输出。寄存器应与D/A转换器的位数相等。这种方式是把保持器置于D/A转换器之前，只要寄存器中的数据不发生变化，输出的模拟量将维持不变。这种保持方式的信息传递速度快，抗干扰能力强，在微机控制系统中得到广泛应用。如DAC0832和DAC1210中数据输入锁存器及DAC寄存器都起到零阶保持作用。,3步进电机保持器。步进电机是工业过程控制及仪器仪表中重要的执行元件之一。它可以通过丝杠把角位移转变成直线位移，也可以用旋转电位器调节电压或电流，实现对执行元件的控制。它的工作特点是将接收的脉冲数据转换为角度，只要输入的脉冲数不变，输出的转角就不会发生变化。因此步进电机不仅能把脉冲量转换为模拟量起串行D/A转换器的作用，而且具有零阶保持器的效果。使用中计算机只要把控制量转换为脉冲数，送给环形分配器或通过接口配以一定的控制软件，并对步进电机的方向加以控制，就可以直接推动执行机构工作。,,4.5模拟量输出通道的结构形式,模拟量输出通道有以下几种结构形式1多通道共享一个D/A转换器。这是一种常用形式，如图4-26所示。D/A转换器的输出端接多路模拟开关，各保持器按采样周期经多路开关分时接收D/A输出的模拟量，并进行保持，推动执行机构工作。2多路D/A输出的形式。如图4-27所示，每个模拟输出通道都有各自的数据寄存器、D/A转换器和输出保持器。这种结构常用在高速系统中，输出保持器常常采用数字保持的形式。,图4-26多路输出共享D/A结构形式,图4-27多路D/A的结构形式,3多通道同时进行D/A转换的形式。在这种结构形式中，每个模拟量输出通道中均设有两级数据缓冲器及D/A转换器。第一级缓冲器用来接收计算机输出的控制量，第二级缓冲器起数据保持作用，用同一个数据选通信号进行控制，D/A转换器同时转换外部设备就可以得到同步控制，如图4-28所示。,图4-28多通道同步输出系统,,4.6开关量输出,计算机测控系统的开关量输出通道的一般结构示于图4-29。图中的地址译码电路用于产生开关量输出口地址的锁存命令信号，锁存器用于锁存多位开关量信号，它可以使用普通锁存器（如74LS273等），也可以使用可编程PIO芯片（如8255等）。执行机构相当于人的手脚，它们在自动化系统中直接推动被控对象，且长期工作在工业现场的恶劣环境中，此环境存在电场、磁场、振动、噪声、地电位差等多种干扰源。还可能受到高温、高压、腐蚀、易燃、易爆的威胁，远非简单的逻辑“0”和逻辑“1”。因此，锁存器输出的开关信号往往需要经过隔离和驱动才能与执行机构相连接。,图4-29开关量输出通道的一般结构,4.6.1开关量输出隔离,1.光电耦合器件光电耦合器件是以光为媒介传输信号的电路,如图4-30所示。发光二极管和光敏三极管封装在同一个管壳内，发光二极管的作用是将电信号转变为光信号，光敏三极管接收光信号再将它转变为电信号。,图4-30光电耦合电路,光电耦合器件的特点是1输出信号与输入信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强，隔离电压可达千伏以上；2无触点，寿命长，可靠性高；3响应速度快，易与TTL电路配合使用。,2.继电器隔离电路电磁式继电器是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器件。当它的电磁铁线圈通过一定数值的电流时,产生的电磁吸力大于弹簧的反作用力，衔铁动作使输出回路中的常开触点闭合,常闭触点打开。当通过线圈的电流小于释放电流时,弹簧将衔铁弹回，输出回路各触点恢复原态。电磁式继电器电路符号示于图4-31。,图4-31电磁式继电器电路符号,4.6.2开关量输出驱动同计算机直接接口的一般TTL电路或CMOS电路驱动能力是很有限的。例如，对于多数74LS系列TTL电路，其高电平输出电流Io最大值仅为-0.4mA负号表示拉电流，低电平输出电流Io最大值也仅为8mA。对于多数4XXX系列的CMOS逻辑电路,当UDD5V时，高电平输出电流Io与低电平输出电流Io都不到1mA。如果执行器件需要较大的驱动电流，就必须附加驱动电路。常用的开关量输出驱动电路有下列几种。,1.TTL三态门缓冲器这类电路的驱动能力要高于一般的TTL电路。例如74LS240、74LS244、74LS245等，它们的高电平出电流Io＝-15mA，低电平输出电流Io24mA，可以用来驱动光电耦合器件、LED数码管、中功率晶体管等。,2.集电极开路（OC）门OC门电路的输出级是一个集电极开路的晶体三极管，如图4-32所示。组成电路时，OC门输出端必须外加一个接至正电源的负载才能正常工作，负载正电源U可以比TTL电路的UCC一般为5V高很多。例如，7406、7407OC门输出级截止时耐压可高达30V，输出低电平时吸收电流的能力也高达40mA。因此，OC门是一种既有电流放大功能，又有电压放大功能的开关量驱动电路。在实际应用中，OC门电路常用来驱动微型继电器、LED显示器等。,图4-32OC门输出驱动电路,图4-33晶体管输出驱动电路,3.门电路外加晶体管门电路外加晶体管可以为直流执行器件提供更大的驱动电流，如图4-33所示。如果图中的晶体管是小功率管，其驱动能力大约为10～50mA。对于中功率晶体管，驱动能力可达50～500mA。如果采用大功率晶体管或达林顿复合管，驱动能力会更强。使用时应注意,门电路输出为高电平时，必须保证能提供给晶体管足够的基极电流使其饱和导通。若负载呈电感性，则应在负载上并联续流保护二极管。图4-33中的晶体管也可以采用大功率场效应管，它的特点是输入电流很小微安数量级，输出电流可以很大，而且可以工作在较高频率。,图4-34MC1416内部结构及驱动七个继电器电路aMC1416内部结构；bMC1416驱动七个继电器电路,4.达林顿晶体管阵列驱动器芯片达林顿晶体管阵列驱动器芯片适用于多路开关量中功率驱动电路,例如MC1416包含有七路开关量驱动器，每路驱动器的内部结构如图4-34a所示。图4-34a中的V-1用做输入端箝位，V-2用做输出端箝位，V-3用做输出端箝位或感性负载的续流保护。MC1416驱动七个继电器线圈电路示于图4-34b。MC1416特性如下1每路输出电流可达500mA，但每一块双列直插式芯片总的输出电流不得超过2.5A;2输出端截止时耐压可达100V;3输入端可与多种TTL及CMOS电路兼容。,4.6.3固态继电器SSR固态继电器SSR既有放大驱动作用，又有隔离作用，很适合于驱动大功率开关式执行器件。SSR是一种四端有源器件，其中的两端为输入控制端，输入功耗很低，与TTL、CMOS电路兼容；另外两端是输出端，内部设有输出保护电路。单向直流固态继电器DCSSR的输出端与直流负载适配，双向交流固态继电器ACSSR的输出端与交流负载适配。输入电路与输出电路之间采用光电隔离，绝缘电压可达2500V以上。,ACSSR又分为过零触发型Z型和随机开启型又称调相型、P型。过零触发型具有零电压开启、零电流关断的特性，使用中对电网污染小，但它的输入端施加控制电压后，要等交流电压过零时输出端才能导通，这有可能造成最大为半个市电周期对于50Hz市电为10ms的延迟。而对于随机开启型SSR，输入端施加控制电压后输出端立即导通。在输入电压撤销后，当负载电流低于双向可控硅的维持电流时，SSR输出才关断。大功率负载的随机开启有可能对电网造成污染，导致局部供电系统波形的畸变。两种ACSSR的内部组成框图分别示于图4－35a、b。,图4-35固态继电器（SSR）的内部组成a过零触发型SSR组成框图；b随机开启型SSR组成框图,1.SSR的输入电路SSR的输入电路与TTL、CMOS电路兼容，输入控制十分方便，任何可以给出TTL电平的开关电路都可以用来驱动SSR，例如晶体管开关电路、按钮开关电路及各种电源为5V的TTL或CMOS数字逻辑IC片。TTL或CMOS电路控制SSR的两种方式示于图4-36。1输入端4接地电平，输入端3接控制信号，控制信号为高电平则SSR导通，控制信号为低电平则SSR关断。2输入端3接正电源，输入端4接控制信号，控制信号为高电平则SSR关断，控制信号为低电平则SSR导通。,2.SSR的输出负载1小电流负载。由图4-36可以看出，SSR内部除去输入电路之外的所有其它电路都是由输出端供电的。因此，即使在输出端关断状态下，SSR仍维持一个关断状态电流。为了使负载可靠地关断，流过负载的开启电流至少应该是SSR关断状态电流的10倍。如果负载电流低于这个值，负载上需要并联一个电阻，以提高开启电流数值。,图4-36SSR输入控制a正端控制；b负端控制,2电感式负载。对于电感式负载，当SSR关断时，因为流过电感式负载的电流不能突变，有可能在电感两端产生很高的感应电压，导致SSR输出电路被烧坏，必须用续流二极管直流负载或压敏电阻交流负载保护SSR的安全。如果负载为直流电感式，应当使用DCSSR，负载上并联续流二极管以保护SSR，如图4-37a所示。如果负载为直流电感式而负载电源为交流电源，可以外接整流全桥将其变为直流，如图4-37b所示。,图4-37SSR驱动电感负载直流电源驱动直流电感负载；b交流电源驱动直流电感负载；c交流电源驱动交流电感负载,,4.7执行机构及驱动举例,在各种执行装置的接口中，为了实现与执行装置的功率配合，一般都要在微机输出口（包括数据总线及I/O接口）与执行装置之间增加一级驱动器，如7406,7407,7416,7417等。图4-38～图4-43给出了几种常见负载情况下的驱动器举例。,图4-38一般电阻负载驱动器,图4-39大电流电阻负载驱动器,图4-40一般感性负载驱动器,图4-41大电流感性负载驱动器,图4-42交流负载驱动器,图4-43伺服电机负载驱动器,1.继电器驱动控制方法继电器是用来控制外界大电流或高电压的电路元件。继电器的触点是与线圈分开的，通过控制继电器线圈上的电流可以使继电器上的触点开关闭合或断开，从而使外部高电压或大电流与微型机隔开。,由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，所以必须在微型机的输出端口加接一个合适的驱动器，如图4-44所示。图中输出端口的每一位经一反相驱动器7406（根据继电器型号、参数不同，应选择不同驱动器芯片）控制一个继电器线圈。当某一控制位输出为1时（经反相器变为0），则允许直流电流从＋12V电源流经对应继电器的线圈L，产生一磁场，此磁场力带动触点S动作，使其由常开变闭合或由常闭变断开。反之，当输出口的某一位输出为0时，对应继电器线圈L无电流通过，开关S恢复常态。通过开关的闭合和断开，即可控制外界交流或直流电路的通断。,图4-44继电器驱动方法,2.电磁阀、电动阀驱动控制方法电磁阀是利用电磁铁线圈中电流接通与开断时产生的电磁力使柱塞动作，从而控制阀门打开或闭合。其工作原理跟继电器很相似，所以驱动控制方法也