第二章 工控机的过程输入输出技术
? 工控机要控制对象，就必须与工业对象直接连
接，该功能由它的过程输入输出通道实现。工
控机的过程输入输出由模拟量输入输出通道和
开关量输入输出通道组成。
I／ O通道
?
?
?
?
?
?
?
模拟量输入通道
模拟量输出通道
数字量输入通道
数字量输出通道
I／ O通道分为,
模拟通道
数字通道 数字滤波
模拟量输入通道
主要组成,信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据
放大器,A／ D转换器控制电路。
任务,完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机 。
数据转换 多路开关 放大器 采样保持器 A/D转换
常用 A/D转
换
通道
1,信号处理装置
组成,标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转
换电路等。
★ 标度变换器,
作用：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被
测模拟信号变换成统一的标准信号。
★ 滤波电路,
作用：滤掉或消除干扰信号, 保留或增强有用信号 。
★ 线性化处理,有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。
所以必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。
★ 电参量间的转换电路,主要进行电信号之间的转换 。
标度变换
输入通道
模拟信号到数字信号的转换
? 模拟信号到数字信号的转换需要两个过
程，它们是采样和量化。
? 1、信号的 采样,将时间和幅值都连续的
信号转换为时间上离散的采样信号。
? 2,量化,将采样信号转换为数字信号的
过程。
输入通道
1．采样过程
采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽
样成离散模拟信号的过程。
采样定理,如果随时间变化的模拟信号的最高
频率为 fmax,只要按照采样频率 fS≥ 2× fmax进
行采样, 那么 取出 的样 品 系列 (y1*(t)，
y2*(t),… )就足以代表 (或恢复 )y(t)。
在实际应用中通常选择 fS≥（ 5～ 10） × fmax
数据转换 采样图
2．量化过程
量化过程,将离散的采样信号转换成数字信号。是用一组
数码 (如二进制码 )来逼近离散模拟信号的幅值。
ymax：转换信号的最大值； ymin：转换信号的最小值；
i：转换后二进制数的位数。
量化单位为,
m a x m i n
2 i
yyq ??
量化过程的说明
? ymax=12,ymin=0，用
4位转换,3,5,7。
? ymax=12,ymin=2，用
4位转换,3,5,7。
m a x m i n
4
1 2 0 0, 7 5
22i
yyq ??? ? ?
3 0, 7 5 4??
5 0, 7 5 6, 6 7??
7 0, 7 5 9, 3 3??
0100
0111
1001
m a x m i n
4
1 2 2 0, 6 2 5
22i
yyq ??? ? ?
( 3 2 ) 0, 6 2 5 1, 6? ? ?
( 7 2 ) 0, 6 2 5 8? ? ?
( 5 2 ) 0, 6 2 5 4, 8? ? ?
0010
0101
1000
数据转换
在量化过程中会出现误差，
误差为 q/2。
q越小精度越高。
? 多路开关在模拟通道中的作用是实现 n选
一操作，利用多路开关将 n路输入依次
（或随机）切换到后级。常用的多路开
关 CD4051。
? 作用,把各路模拟量分时接到 A／ D转换
器进行转换，实现 CPU对各路模拟量分
时采样。
多路开关
CD405l
组成,
逻辑电平转换、
二进制译码器
及 8个开关电
路。
工作过程,INH为使能端, 为 1时, 装置闭锁 。 C,B、
A为通道选择
000 13； 001 14； 010 15； 011 12； 100 1； 101 5；
110 2； 111 4。
CD405l的应用,
输入通道
数据放大器 —— 把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到
典型的 A／ D转换器输入电平。
输入阻抗大、抗共模干扰强
0 2 1
1
()f
R
V V V
R
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1
1 ()
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oo
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RRV V V V
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11
1
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o
ff
R R R RV V V
RR
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2
1
f
f
VVR
RR???
上述放大器具有输入阻抗大、差模增益大而共
模增益小。但改变其放大倍数不容易。
'
2 1 2 2
12
V V V V
RR
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' 1 2 2
2 2 1
11
R R RV V V
RR
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RR
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RR
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1
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R
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P19 图 2.4
2
21
31
2( 1 ) ( )f
O
R RV V V
RR? ? ? 上一页 输入通道
采样保持器
? A/D转换需要时间，
如果在这个期间内
输入信号变化较大
将会引起较大的转
换误差。采样信号
都不直接送给 A/D转
换，而是经一个 A/D
采样器。
? 选择时主要有采样
时间和电压下降率。
两个工作状态,
★ 采样状态
★ 保持状态
采样保持集成芯片 LFl98
主要特性,
供电电源,± 5V～ ± 18V；
信号获取时间,<10／ as；
可以和 TTL,PMOS、
CMOS逻辑输入兼容；
典型保持电容,1000pF、
0.01μF。
输入通道
A／ D转换器
——把通道输入的模拟量转换成数字量,通过 I/O接口
电路入 CPU。
A／ D转换器
常用的 A／ D转换器有,计数器式
双积分式
逐次逼近式 ??
?
?
?
特点,结构简单，价格便宜，但转换速度比较慢。
1,计数器式 A／ D转换器
2,双积分式 A/D转换器
优点,消除干扰和电源噪声的能力强, 精度高 。
缺点,转换速度慢 。
组成,逐次逼近寄存器 SAR
D／ A转换器
比较器
时序（时钟）
置数选择逻辑 ?
?
?
?
?
?
?
工作过程,
如果 Ui≥UO,应予保留；
如果 Ui<UO,应予清除 。
3,逐次逼近式 A／ D转换器
例,
设：数码寄存器为 4位,
满刻度值 1v, Vi=0.65v,
用逐次逼近式 A/D转换器
转换成二进制数。
V0
Vi
n
0.5V
(1000)
0.75V
(1100)
0.625V
(1010)
0.6875V
(1011)
量化单位
vq 0 6 2 5.016121 4 ???
8 0, 0 6 2 5 0, 5?? 1 2 0, 0 6 2 5 0, 7 5?? 1 0 0, 0 6 2 5 0, 6 2 5?? 1 1 0, 0 6 2 5 0, 6 8 7 5??
0, 6 5 0, 0 6 2 5 1 0, 4??
1010
A／ D转换器的主要技术参数
2,分辨率 指能使转换后数字量变化 1的最小模拟
输入量。 n位二进制数最低位具有的权值就是它的
分辨率。
1,转换时间 转换时间是指启动 A／ D到转换结束所需
的时间。
3,线性误差 指能使转换后数字量变化 1的最小模
拟输入量。 n位二进制数最低位具有的权值就是它
的分辨率。
线性误差
数字量输入
模
拟
量
输
出
理想特性
实际
满刻度
线性误差
输入通道
常用 A／ D转换器
1,8位 A／ D转换器 ADC809
主要特点,分辨率 8 位；
转换时间 100?s；
温度范围 -40 ～ +85 ℃ ；
可使用单一的 +5V电源；
可直接与 CPU连接；
输出带锁存器；
逻辑电平与 TTL兼容 。
1) 电路组成及引脚功能
ADC0809有 28条引脚。
OE
AD574
2) 工作原理
OE
2,12位 A／ D转换器 AD574
1) 芯片特性
采用原理 —— 逐次逼近式
内部结构 —— 三态缓冲器, 时钟脉冲源和基准电源
输入电压 —— 单路单极性或双极性
分辨率 —— 12位
转换时间 —— 25?S
封装形式 —— 28脚双列直插式
2) 芯片各引脚功能 输入通道板
AD574真值表
多通道模拟输入板
转换过程
ADC0809
初始化
送通道号、启动 A/D
转换是否结束
读结果、存入缓冲区
修改通道号
修改缓冲区
通道是否采集完毕
返回
Y
N
Y
输入通道板
输入通道
模拟量输出通道
功能,把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中
的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。
组成,D／ A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤
波电路和功放电路。
输出保持器的作用,将前一采样时刻的输出信号保持到下一个
采样时刻，重新得到新的输出信号。
输出保持方案,数字量保持方案；模拟量保持方案。
通道
输出保持器 D/A的工作原理
主要指标 常用芯片
1、一个输出通路设置一个 D／ A转换器的结构形式
2,多个输出通路共用一个 D／ A转换器的结构形式
输出通道
D／ A转换器
作用：把数字量转换成模拟量。
D／ A转换器由 R-2R电阻网络和运算放大器组成 。
倒 T 型电阻网
络的 D／ A转换
器,
转换过程
DAC0832
反相端作输入电压,
输入信号为 1000 输入信号为 0100
输入信号为 0010 输入信号为 0001
转换图
O L fU I R??
34222L
III ? ? ?
44122L
III ? ? ?
24422L
III ? ? ?
4822L
III ? ? ?
流经负载电阻的电流表达式为,
1 2 1
01( 2 2,,, 2 )
n
LnI D D D I
? ? ? ?? ? ? ?
O L fU I R??
输出通道
1 2 1
01( 2 2,,, 2 )
n
O n fU D D D I R
? ? ? ?? ? ? ? ? ?
1 2 1
01( 2 2,,, 2 )
n
n R E FD D D U
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输出通道
2 REFi
D U??
12 REFn
D U
???
1
01
1
2 2,,,
2
nn
n
REFn
D D D U?
?
? ? ???
Rf＝ R
D／ A转换器的性能指标
1,分辨率
定义：当输入数字量变化 1时，输出模拟量变化的大小。
对于一个 N位的 D／ A转换器其分辨率为,
N2
满刻度值分辨率 ?
例如：对于满刻度值 5.12V，单极性输出,
8位 D／ A转换器的分辨率为,5.12V/28＝ 20mV
l0位 D／ A转换器的分辨率为,5.12V/210=5.12V/1024＝ 5mV
12位 D／ A转换器的分辨率为,5.12V/212=5.12V/4096＝ 1.25mV
2.建立时间
定义：数据变化量是满刻度时，达到终值 ± 1/2LSB时所需
要的时间。
3．线性误差
定义：在满刻度范围内, 偏离理想转换特性的最大误差 。
一般用最低有效位 LSB来表示。
数字量输入
模
拟
量
输
出 理想特性
实际
满刻度
线性误差
输出通道
1,8位 DAC0832及接口电路
1）外部结构特征
采用 20引脚、双列直插式集成电路芯片。
主要参数：分辨率 8位，电流稳定时间 1μs，电流输
出，与 TTL电平兼容；功耗 20mW。
无运放、电流型输出
2） 内部结构及原理 DAC原理
3） DAC0832输出方式
★ 电压输出方式
DAC原理
82O U T R E F
DUU? ? ?
为单极性输出
D=0~28-1
电压输出
33
12
()O R E F O U TRRU U U
RR
? ? ?
33
8
12
() 2R E F R E FR R DUURR? ? ? ?
8( 1 2 )2REF
DU? ? ? ?
7( 1 )2REF
D
U? ? ?
R1=R3 R3=2R2
2,12位 D／ A转换器 DAC 1210
1） DAC 1210的主要性能及特点
DACl210是双列直插式 24引脚集成电路芯片 。
★ 主要技术指标,? 输入数字为 12位二进制数字；
? 分辨率 12位；
? 电流建立时间 1μs；
? 供电电源 +5～ +15V(单电源供电 )；
? 基准电压 VREF范围 -10～ +10V。
2） DAC 1210引脚说明 与 DAC0832的差异
输出通道
与 DAC0832的两点区别,
? 它有 12条数据输入线
? 可用 BYTEl／ BYTE2控制数据的输入
引脚说明
数字量输入通道
数字输入信号分三类,
编码数字
开关量
脉冲列
常用的电平转换电路,
数字量输入通道的结构,
? 直接和并行接口电路的输入口连接。
? 加光电隔离电路。
? 接口电路外加硬件计数器。
(a)
数字量输出通道
★ 编码数字 —— 二进制数。
★ 开关量 —— ―1‖、,0‖的形式。
输出电路的形式,
(b)
(c)
★ 脉冲信号
—输出脉冲的频率及个数都可通过程序设置来控制。
通道
数字滤波
0
( ) ( ) ( )
()
ii
k
ii
y t x t d t L i m x t t
x t t
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?
1
( ) ( ) ( )
k
y k T x k T T T x k T
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● 数字滤波
? 算术平均值法
? 加权平均值法
0,1 110110 ???????? ?? mm aaaaaa ??
时间越近的权越重
?
?
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1
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m
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X ( s )
R
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1
1
)(
)(
?
?
sTsX
sY
f
Tf—滤波器时间常数（ RC)。
? 惯性滤波法
滤波器传递函数为一阶惯性环节
传递函数改写为微分方程,
差分化,
整理得,
)()1()1(
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nXnY
nX
TT
T
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TT
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Tf—滤波器时间常数（ RC)。
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dt
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X ( s )
R
C Y ( s )
为滤波常数，其取值范围为 0~1,? 大，滤波效果好，
过大会使系统的响应迟缓，动态性能变坏。
1
1/
f
f
f
T
TT
TT
? ?
?
?
?
( ) ( 1 ) ( )ffT T TY n Y n X n
TT
? ? ? ?
? 中位值法
在三个采样周期内，对被测参数连续采样读入
三个检测信号，舍去最大和最小的信号，从中选择
居中的那个数据作为有效检测信号。
适用于偶然的干扰，增量过大则舍之。
如果 |y(k) – y(k-1)|≤ΔY 则采样值 y(k)可信
如果 |y(k) – y(k-1)| >ΔY采样值不可信,令 y(k)=y(k-1)
ΔY为两次采样值之差最大可能的值。
? 限幅滤波法
线性标度变换
? 把无量纲的数字量转换为带工程量纲的
数字，这种转换叫标度转换。线性标度
变换的前提条件是过程参数值与 A/D转换
结果之间成线性关系。
压力变送器的量程为 0～ 10MPa，输出信号为 4～
20mA，选择 FX2N-2AD的量程为 4～ 20mA，转换后
的数字量为 0～ 4 000，设转换后得到的数字为 N，试
求以 kPa为单位的压力值。
解,0～ 10MPa(0～ 10 000kPa)对应于转换后的数字 0～ 4 000，
转换公式为 P = 10 000 ? N / 4 000 = 2.5 N （ kPa） 用定点数运
算时的计算公式为 P = N ? 5 /2 （ kPa） 先乘后除
2 0 m A
4 m A 0
4 0 0 00
1 0 0 0 0
N
P ( k P a )
P
压力变送器（ 0～ 10MPa）的输出信号为 4～ 20mA，西门子的
模拟量输入模块 EM235将 0～ 20mA转换为 6400～ 32 000的数字
量，设转换后得到的数字为 N，试求以 kPa为单位的压力值。
2 0 m A
4 m A
6 4 0 0 3 2 0 0 0
0
1 0 0 0 0
N
P ( k P a )
P
解,4～ 20mA的模拟量对应于数字量 6400～ 32000，即
0～ 10 000 kPa对应于数字量 6 400～ 32 000，压力的计算
公式应为 P＝ 10000× （ N－ 6400） /(32000-6400)
＝ 100× （ N－ 6400） /256 kPa
某发电机的电压互感器的变比为 10kV/100V（线电压），电流
互感器的变比为 1000A/5A，功率变送器的额定输入电压和额
定输入电流分别为 AC 100V和 5A，额定输出电压为 DC ?10V，
欧姆龙的模拟量输入模块将 DC ?10V输入信号转换为 ?2000。
设转换后得到的数字为 N，求以 kW为单位的有功功率值。
由以上关系不难推算出互感器原边的有功功率与转换后的
数字之间的关系为 17321 / 2000 = 8.66kW / 字 。 转换后的数字为
N时, 对应的有功功率为 8.66 N (kW),如果以 kW为单位显示功
率 P,采用定点数运算时的计算公式为
P = N ? 866 / 100 （ kW）
)kW(17321)W(17321000A1000V100003 ????
解：根据互感器额定值计算的原边有功功率额定值为
线性化处理
4
1
() ii
i
t a k d
?
? ?
0 0 0 0 1()t t k e e e e e? ? ? ? ?
1 1 1 1 2()t t k e e e e e? ? ? ? ?
2 2 2 2 3()t t k e e e e e? ? ? ? ?
3 3 3 3 4()t t k e e e e e? ? ? ? ?
标度变换器和电参量的转换
? 压力变送器（ 0～ 10MPa）有输出信号为
4～ 20mA，也有 8 ～ 40mA，而西门子的
EM235A/D转换器模拟量输入范围为 0～
20mA。
? 就是将电压信号转换为电流信号或将电
流信号转换为电压信号。
输入通道
? 工控机要控制对象，就必须与工业对象直接连
接，该功能由它的过程输入输出通道实现。工
控机的过程输入输出由模拟量输入输出通道和
开关量输入输出通道组成。
I／ O通道
?
?
?
?
?
?
?
模拟量输入通道
模拟量输出通道
数字量输入通道
数字量输出通道
I／ O通道分为,
模拟通道
数字通道 数字滤波
模拟量输入通道
主要组成,信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据
放大器,A／ D转换器控制电路。
任务,完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机 。
数据转换 多路开关 放大器 采样保持器 A/D转换
常用 A/D转
换
通道
1,信号处理装置
组成,标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转
换电路等。
★ 标度变换器,
作用：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被
测模拟信号变换成统一的标准信号。
★ 滤波电路,
作用：滤掉或消除干扰信号, 保留或增强有用信号 。
★ 线性化处理,有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。
所以必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。
★ 电参量间的转换电路,主要进行电信号之间的转换 。
标度变换
输入通道
模拟信号到数字信号的转换
? 模拟信号到数字信号的转换需要两个过
程，它们是采样和量化。
? 1、信号的 采样,将时间和幅值都连续的
信号转换为时间上离散的采样信号。
? 2,量化,将采样信号转换为数字信号的
过程。
输入通道
1．采样过程
采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽
样成离散模拟信号的过程。
采样定理,如果随时间变化的模拟信号的最高
频率为 fmax,只要按照采样频率 fS≥ 2× fmax进
行采样, 那么 取出 的样 品 系列 (y1*(t)，
y2*(t),… )就足以代表 (或恢复 )y(t)。
在实际应用中通常选择 fS≥（ 5～ 10） × fmax
数据转换 采样图
2．量化过程
量化过程,将离散的采样信号转换成数字信号。是用一组
数码 (如二进制码 )来逼近离散模拟信号的幅值。
ymax：转换信号的最大值； ymin：转换信号的最小值；
i：转换后二进制数的位数。
量化单位为,
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量化过程的说明
? ymax=12,ymin=0，用
4位转换,3,5,7。
? ymax=12,ymin=2，用
4位转换,3,5,7。
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数据转换
在量化过程中会出现误差，
误差为 q/2。
q越小精度越高。
? 多路开关在模拟通道中的作用是实现 n选
一操作，利用多路开关将 n路输入依次
（或随机）切换到后级。常用的多路开
关 CD4051。
? 作用,把各路模拟量分时接到 A／ D转换
器进行转换，实现 CPU对各路模拟量分
时采样。
多路开关
CD405l
组成,
逻辑电平转换、
二进制译码器
及 8个开关电
路。
工作过程,INH为使能端, 为 1时, 装置闭锁 。 C,B、
A为通道选择
000 13； 001 14； 010 15； 011 12； 100 1； 101 5；
110 2； 111 4。
CD405l的应用,
输入通道
数据放大器 —— 把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到
典型的 A／ D转换器输入电平。
输入阻抗大、抗共模干扰强
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上述放大器具有输入阻抗大、差模增益大而共
模增益小。但改变其放大倍数不容易。
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2( 1 ) ( )f
O
R RV V V
RR? ? ? 上一页 输入通道
采样保持器
? A/D转换需要时间，
如果在这个期间内
输入信号变化较大
将会引起较大的转
换误差。采样信号
都不直接送给 A/D转
换，而是经一个 A/D
采样器。
? 选择时主要有采样
时间和电压下降率。
两个工作状态,
★ 采样状态
★ 保持状态
采样保持集成芯片 LFl98
主要特性,
供电电源,± 5V～ ± 18V；
信号获取时间,<10／ as；
可以和 TTL,PMOS、
CMOS逻辑输入兼容；
典型保持电容,1000pF、
0.01μF。
输入通道
A／ D转换器
——把通道输入的模拟量转换成数字量,通过 I/O接口
电路入 CPU。
A／ D转换器
常用的 A／ D转换器有,计数器式
双积分式
逐次逼近式 ??
?
?
?
特点,结构简单，价格便宜，但转换速度比较慢。
1,计数器式 A／ D转换器
2,双积分式 A/D转换器
优点,消除干扰和电源噪声的能力强, 精度高 。
缺点,转换速度慢 。
组成,逐次逼近寄存器 SAR
D／ A转换器
比较器
时序（时钟）
置数选择逻辑 ?
?
?
?
?
?
?
工作过程,
如果 Ui≥UO,应予保留；
如果 Ui<UO,应予清除 。
3,逐次逼近式 A／ D转换器
例,
设：数码寄存器为 4位,
满刻度值 1v, Vi=0.65v,
用逐次逼近式 A/D转换器
转换成二进制数。
V0
Vi
n
0.5V
(1000)
0.75V
(1100)
0.625V
(1010)
0.6875V
(1011)
量化单位
vq 0 6 2 5.016121 4 ???
8 0, 0 6 2 5 0, 5?? 1 2 0, 0 6 2 5 0, 7 5?? 1 0 0, 0 6 2 5 0, 6 2 5?? 1 1 0, 0 6 2 5 0, 6 8 7 5??
0, 6 5 0, 0 6 2 5 1 0, 4??
1010
A／ D转换器的主要技术参数
2,分辨率 指能使转换后数字量变化 1的最小模拟
输入量。 n位二进制数最低位具有的权值就是它的
分辨率。
1,转换时间 转换时间是指启动 A／ D到转换结束所需
的时间。
3,线性误差 指能使转换后数字量变化 1的最小模
拟输入量。 n位二进制数最低位具有的权值就是它
的分辨率。
线性误差
数字量输入
模
拟
量
输
出
理想特性
实际
满刻度
线性误差
输入通道
常用 A／ D转换器
1,8位 A／ D转换器 ADC809
主要特点,分辨率 8 位；
转换时间 100?s；
温度范围 -40 ～ +85 ℃ ；
可使用单一的 +5V电源；
可直接与 CPU连接；
输出带锁存器；
逻辑电平与 TTL兼容 。
1) 电路组成及引脚功能
ADC0809有 28条引脚。
OE
AD574
2) 工作原理
OE
2,12位 A／ D转换器 AD574
1) 芯片特性
采用原理 —— 逐次逼近式
内部结构 —— 三态缓冲器, 时钟脉冲源和基准电源
输入电压 —— 单路单极性或双极性
分辨率 —— 12位
转换时间 —— 25?S
封装形式 —— 28脚双列直插式
2) 芯片各引脚功能 输入通道板
AD574真值表
多通道模拟输入板
转换过程
ADC0809
初始化
送通道号、启动 A/D
转换是否结束
读结果、存入缓冲区
修改通道号
修改缓冲区
通道是否采集完毕
返回
Y
N
Y
输入通道板
输入通道
模拟量输出通道
功能,把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中
的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。
组成,D／ A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤
波电路和功放电路。
输出保持器的作用,将前一采样时刻的输出信号保持到下一个
采样时刻，重新得到新的输出信号。
输出保持方案,数字量保持方案；模拟量保持方案。
通道
输出保持器 D/A的工作原理
主要指标 常用芯片
1、一个输出通路设置一个 D／ A转换器的结构形式
2,多个输出通路共用一个 D／ A转换器的结构形式
输出通道
D／ A转换器
作用：把数字量转换成模拟量。
D／ A转换器由 R-2R电阻网络和运算放大器组成 。
倒 T 型电阻网
络的 D／ A转换
器,
转换过程
DAC0832
反相端作输入电压,
输入信号为 1000 输入信号为 0100
输入信号为 0010 输入信号为 0001
转换图
O L fU I R??
34222L
III ? ? ?
44122L
III ? ? ?
24422L
III ? ? ?
4822L
III ? ? ?
流经负载电阻的电流表达式为,
1 2 1
01( 2 2,,, 2 )
n
LnI D D D I
? ? ? ?? ? ? ?
O L fU I R??
输出通道
1 2 1
01( 2 2,,, 2 )
n
O n fU D D D I R
? ? ? ?? ? ? ? ? ?
1 2 1
01( 2 2,,, 2 )
n
n R E FD D D U
? ? ? ?? ? ? ? ?
输出通道
2 REFi
D U??
12 REFn
D U
???
1
01
1
2 2,,,
2
nn
n
REFn
D D D U?
?
? ? ???
Rf＝ R
D／ A转换器的性能指标
1,分辨率
定义：当输入数字量变化 1时，输出模拟量变化的大小。
对于一个 N位的 D／ A转换器其分辨率为,
N2
满刻度值分辨率 ?
例如：对于满刻度值 5.12V，单极性输出,
8位 D／ A转换器的分辨率为,5.12V/28＝ 20mV
l0位 D／ A转换器的分辨率为,5.12V/210=5.12V/1024＝ 5mV
12位 D／ A转换器的分辨率为,5.12V/212=5.12V/4096＝ 1.25mV
2.建立时间
定义：数据变化量是满刻度时，达到终值 ± 1/2LSB时所需
要的时间。
3．线性误差
定义：在满刻度范围内, 偏离理想转换特性的最大误差 。
一般用最低有效位 LSB来表示。
数字量输入
模
拟
量
输
出 理想特性
实际
满刻度
线性误差
输出通道
1,8位 DAC0832及接口电路
1）外部结构特征
采用 20引脚、双列直插式集成电路芯片。
主要参数：分辨率 8位，电流稳定时间 1μs，电流输
出，与 TTL电平兼容；功耗 20mW。
无运放、电流型输出
2） 内部结构及原理 DAC原理
3） DAC0832输出方式
★ 电压输出方式
DAC原理
82O U T R E F
DUU? ? ?
为单极性输出
D=0~28-1
电压输出
33
12
()O R E F O U TRRU U U
RR
? ? ?
33
8
12
() 2R E F R E FR R DUURR? ? ? ?
8( 1 2 )2REF
DU? ? ? ?
7( 1 )2REF
D
U? ? ?
R1=R3 R3=2R2
2,12位 D／ A转换器 DAC 1210
1） DAC 1210的主要性能及特点
DACl210是双列直插式 24引脚集成电路芯片 。
★ 主要技术指标,? 输入数字为 12位二进制数字；
? 分辨率 12位；
? 电流建立时间 1μs；
? 供电电源 +5～ +15V(单电源供电 )；
? 基准电压 VREF范围 -10～ +10V。
2） DAC 1210引脚说明 与 DAC0832的差异
输出通道
与 DAC0832的两点区别,
? 它有 12条数据输入线
? 可用 BYTEl／ BYTE2控制数据的输入
引脚说明
数字量输入通道
数字输入信号分三类,
编码数字
开关量
脉冲列
常用的电平转换电路,
数字量输入通道的结构,
? 直接和并行接口电路的输入口连接。
? 加光电隔离电路。
? 接口电路外加硬件计数器。
(a)
数字量输出通道
★ 编码数字 —— 二进制数。
★ 开关量 —— ―1‖、,0‖的形式。
输出电路的形式,
(b)
(c)
★ 脉冲信号
—输出脉冲的频率及个数都可通过程序设置来控制。
通道
数字滤波
0
( ) ( ) ( )
()
ii
k
ii
y t x t d t L i m x t t
x t t
??
? ? ?
??
??
?
1
( ) ( ) ( )
k
y k T x k T T T x k T
?
? ? ???
● 数字滤波
? 算术平均值法
? 加权平均值法
0,1 110110 ???????? ?? mm aaaaaa ??
时间越近的权越重
?
?
?
??
1
0
)(1)(
m
i
iky
m
ky
1
0
( ) ( )
m
i
i
y k a y k i
?
?
???
X ( s )
R
C Y ( s )
1
1
)(
)(
?
?
sTsX
sY
f
Tf—滤波器时间常数（ RC)。
? 惯性滤波法
滤波器传递函数为一阶惯性环节
传递函数改写为微分方程,
差分化,
整理得,
)()1()1(
)()1()(
nXnY
nX
TT
T
nY
TT
T
nY
f
f
f
f
?? ????
?
??
?
?
Tf—滤波器时间常数（ RC)。
1
1
)(
)(
?
?
sTsX
sY
f
)()()( txty
dt
tdyT
f ??
)()()1()( nXnYT nYnYT f ????
X ( s )
R
C Y ( s )
为滤波常数，其取值范围为 0~1,? 大，滤波效果好，
过大会使系统的响应迟缓，动态性能变坏。
1
1/
f
f
f
T
TT
TT
? ?
?
?
?
( ) ( 1 ) ( )ffT T TY n Y n X n
TT
? ? ? ?
? 中位值法
在三个采样周期内，对被测参数连续采样读入
三个检测信号，舍去最大和最小的信号，从中选择
居中的那个数据作为有效检测信号。
适用于偶然的干扰，增量过大则舍之。
如果 |y(k) – y(k-1)|≤ΔY 则采样值 y(k)可信
如果 |y(k) – y(k-1)| >ΔY采样值不可信,令 y(k)=y(k-1)
ΔY为两次采样值之差最大可能的值。
? 限幅滤波法
线性标度变换
? 把无量纲的数字量转换为带工程量纲的
数字，这种转换叫标度转换。线性标度
变换的前提条件是过程参数值与 A/D转换
结果之间成线性关系。
压力变送器的量程为 0～ 10MPa，输出信号为 4～
20mA，选择 FX2N-2AD的量程为 4～ 20mA，转换后
的数字量为 0～ 4 000，设转换后得到的数字为 N，试
求以 kPa为单位的压力值。
解,0～ 10MPa(0～ 10 000kPa)对应于转换后的数字 0～ 4 000，
转换公式为 P = 10 000 ? N / 4 000 = 2.5 N （ kPa） 用定点数运
算时的计算公式为 P = N ? 5 /2 （ kPa） 先乘后除
2 0 m A
4 m A 0
4 0 0 00
1 0 0 0 0
N
P ( k P a )
P
压力变送器（ 0～ 10MPa）的输出信号为 4～ 20mA，西门子的
模拟量输入模块 EM235将 0～ 20mA转换为 6400～ 32 000的数字
量，设转换后得到的数字为 N，试求以 kPa为单位的压力值。
2 0 m A
4 m A
6 4 0 0 3 2 0 0 0
0
1 0 0 0 0
N
P ( k P a )
P
解,4～ 20mA的模拟量对应于数字量 6400～ 32000，即
0～ 10 000 kPa对应于数字量 6 400～ 32 000，压力的计算
公式应为 P＝ 10000× （ N－ 6400） /(32000-6400)
＝ 100× （ N－ 6400） /256 kPa
某发电机的电压互感器的变比为 10kV/100V（线电压），电流
互感器的变比为 1000A/5A，功率变送器的额定输入电压和额
定输入电流分别为 AC 100V和 5A，额定输出电压为 DC ?10V，
欧姆龙的模拟量输入模块将 DC ?10V输入信号转换为 ?2000。
设转换后得到的数字为 N，求以 kW为单位的有功功率值。
由以上关系不难推算出互感器原边的有功功率与转换后的
数字之间的关系为 17321 / 2000 = 8.66kW / 字 。 转换后的数字为
N时, 对应的有功功率为 8.66 N (kW),如果以 kW为单位显示功
率 P,采用定点数运算时的计算公式为
P = N ? 866 / 100 （ kW）
)kW(17321)W(17321000A1000V100003 ????
解：根据互感器额定值计算的原边有功功率额定值为
线性化处理
4
1
() ii
i
t a k d
?
? ?
0 0 0 0 1()t t k e e e e e? ? ? ? ?
1 1 1 1 2()t t k e e e e e? ? ? ? ?
2 2 2 2 3()t t k e e e e e? ? ? ? ?
3 3 3 3 4()t t k e e e e e? ? ? ? ?
标度变换器和电参量的转换
? 压力变送器（ 0～ 10MPa）有输出信号为
4～ 20mA，也有 8 ～ 40mA，而西门子的
EM235A/D转换器模拟量输入范围为 0～
20mA。
? 就是将电压信号转换为电流信号或将电
流信号转换为电压信号。
输入通道
