第二章 输入输出接口于过程通道
2.3 模拟量输入通道
?模拟量输入通道－把模拟信号转换为二进制数字
信号，送入计算机中。
?模拟信号传输－ 0～ 10mA或 4～ 20mA电流传输。
2.3.1 模拟量输入通道结构
2.3.2 I/V变换
?电流输出 仪表 DDZ-Ⅱ, 0～ 10mA
仪表 DDZ-Ⅲ,DDZ -S,4～ 20mA
?无源 I/V变换（利用无源器件完成）
? 0～ 10mA:R1 100Ω
R2 500Ω
0～ 5V输出
4～ 20mA:R1 100Ω
R2 250Ω
1～ 5V输出
?有源 I/V变换（利用有源器件完成）
0～ 10mA:R1 200Ω
R3 100kΩ
R4 150kΩ
0～ 5V输出
4～ 20mA:R1 200Ω
R3 100kΩ
同相放大器倍数 A=1+R4/R3 R4 25kΩ
1～ 5V输出
2.3.3 多路转换器
? 多路开关－理想工作状态：开路电阻无穷大，
导通电阻为 0。要求切换速度快。
? 举例,CD4051－ 8通道开关
?
INH 禁止输入
2.3.4 采样、量化及常用的采样保持器
? 信号的采样
－采样过程：以周期时间间隔 T，把时间与幅
值连续的模拟信号转变为连串脉冲输出信号。
－ τ为采样宽度，即 K闭合的时间。
－香农采样定量：若信号的最高频率为 fmax，
只要采样频率 f ≥ 2 fmax，采样信号就能唯
一复现原信号。
量化
－量化：用一组数码逼近离散模拟信号
的幅值。
－量化过程：模拟信号－ >数字信号。
－量化单位,A/D转换器的最低有效位 LSB
对应的模拟量。
q=(ymax-ymin)/(2n-1)
－量化误差,± 1/2q
? 采样保持器
－孔径时间 tA/D：完成一次 A/D转换需要的时
间。
－孔径误差：采样时刻的最大转换误差。
－孔径误差的消除：采用采样保持器
－孔径时间内，信号的变化导致转换误
差,A/D转换器需要采样保持器来提高输入
信号的频率范围。
－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,K闭合,CH快速充电,VOUT跟随 VIN
保持,K断开,VOUT保持 VC
－缓慢变化的信号无需采样保持器
－ LF398
采样保持控制引脚 8：高电平，采样
低电平，保持
CH外接高品质电容，其减小可以提高采样频率。
获取时间,CH为 0.01uF时,时间为 25us
2.3.5 模拟量输入通道设计
器件,AD547A,LF398,CD4051,8255A
指标 － 8通道模拟量输入
－ 12位 A/D转换（ 25us)，量程 0～ 10V
－查询应答方式
电路逻辑：
－通道选择 ->PC0-PC2,通道禁止 ->PC3
－ LF398采样和保持 ->ADC547的 STS+反相器
－ AD547A的 R/C,CS,CE ->PC4-PC6
－转换状态检测 STS->PA7
－数据输入：高 4位 ->PA0-PA3，低 8位 ->B口
AD574A PROC NEAR
CLD
LEA DI,BUF
MOV BL,00000000B; 令 CE,CS,R/C,INH=0,初始
化
MOV CX,8
ADC,MOV DX,2C2H ; C口地址
MOV AL,BL
OUT DX,AL; 选择多路开关,STS=0,LF398采样
NOP
NOP
OR AL,01000000B； 令 CE=1,启动转换 A/D
OUT DX,AL；
AND AL,10111111B； 令 CE=0,形成启动脉冲
OUT DX,AL；
MOV DX,2C0H; A口地址
PULLING IN AL,DX ； 测试 STS，看转换是否结束
TEST AL,80H
JNZ PULLING ；转换期间 STS＝ 1,LF398保
持
MOV AL,BL；
OR AL,00010000B; 转换结束，令 R/C＝ 1，准
备读
MOV DX,2C2H;
OUT DX,AL
OR AL,01000000B;令 CE,R/C＝ 1，开始读
MOV DX,2C0H ; 读 A口高 4位
IN AL,DX
AND AL,0FH
MOV AH,AL ；高 4位存在 AH
INC DX; 读 B口低 8位
IN AL,DX ；低 8位存在 AL
STOSW; 数据存储
INC BL ; 更换通道
LOOP ADC
MOV AL,00111000B; CE=0,CS,R/C,
INH=1,芯片复位
MOV DX,2C2H
OUT DX,AL
RET
AD574A ENDP
2.4 D/A转换器及接口技术
D/A转换器的技术指标
－分辨率,D/A转换器输入二进制数的位数。
－建立时间：输入数字信号的变化是满量程时，
输出信号达到离终值 ± 1/2LSB的所需时间。
－线性误差：偏离理想转换特性的最大误差。
常见 D/A转换器类型：
－电流输出型，通常要转为电压，速度因外接放
大器有滞后。
－电压输出形，速度快，仅用于高阻抗负载。
－乘算型，在基准电压输入上加交变信号，能输
出数字输入和基准电压输入相乘的结果，完成乘
法运算。
－ 1 bit D/A转换器，将数字值转换为脉冲宽度调
制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均
化而得到电压输出 (又称位流方式 )。
2.4.1 D/A转换器
?8位 D/A转换器 ADC0832
－ 8位电流输出型 D/A转换器
－内部具有两个锁存器：输入锁存器和 DAC锁
存器，分别由 LE1,LE2控制。
高电平：寄存器直通
低电平：寄存器锁存
－引脚说明：
DI0-DI7：数字输入
IOUT1,IOUT2：电流输出,IOUT1+IOUT2=C
ILE：输入寄存器锁存允许
WR1：控制输入寄存器
WR2：控制 DAC寄存器
XFER：控制 DAC寄存器
－ XFER,WR2地用于多个 D/A转换器的同步，
通常接地，这时 DAC寄存器直通。
－ Rfb反馈电阻端,VREF参考电压。
－ DAC0832单缓冲形式,XFER,WR2接地，
ILE接高电平,WR1接 I/O控制,CS接
译码,2个寄存器中只有输入寄存器有效。
?12位 D/A转换器 DAC1210
－ 12位电流输出型 D/A转换器
－内部具有两个锁存器：输入锁存器和 DAC锁
存器，分别由 LE控制。
－ BYTE1/BYTE2输入控制端
高电平,DI0-DI11同时锁存到输入寄存器
低电平,DI0-DI3锁存到 4位输入寄存器
－ DAC寄存器的锁存控制端 LE
高电平,Q＝ D，输入寄存器与 DAC寄存器
直通
低电平,DAC寄存器锁存
－ WR1,WR2,CS,XFER,Rfb,VREF与
DAC0832相同
2.4.2 D/A转换接口技术
?DAC0832与 XT总线接口
－ DAC0832工作方式为单缓冲寄存器。
－用反相放大器把输出电流转换为负极性电压
－工作过程：
1,端口地址 +IOW有效 -> CS有效 -> LE1高电平
-> 输入寄存器直通 -> 输入数据进行 D/A转换。
2,IOW变高 -> CS变高 -> LE1低电平 -> 输入寄
存器锁存 -> D/A转换输出保持。
－程序，端口地址 300H。
MOV DX,300H
MOV AL,7FH
OUT DX,AL
HLT
－ 电流输出端 IOUT1,IOUT2的电位应接近 0，
以
保证运放输出的线性。
?DAC1210与 XT总线接口
－译码器对端口 300H,301H,302H分别产生
Y0,Y1, Y2用于 DAC的控制。
－ CS接地
8位输入寄存器,XT总线 D0-D7
4位输入寄存器,XT总线 D4-D7
－输出端用反相放大器把差动电流转换为电压
,经倒相后变为正极性电压输出。
－工作过程：
1,锁存高 8位数据,Y0有效 -> BYTE1/BYTE2
高电平 ->当 IOW 有效 -> D0-D7 锁入 8位输入寄
存器,D4-D7 锁入 4位输入寄存器。
2.锁存低 4位数据,Y1有效 -> BYTE1/BYTE2
低电平 ->当 IOW 有效 -> D4-D7 锁入 4位输入寄存器。
3.输入寄存器数据送到 DAC寄存器,Y2有效 ->
XFER 低电平 ->当 IOW 有效 ->输入寄存器数
据传送到 DAC寄存器，并开始 D/A转换。
4,DAC寄存器锁存,D/A 输出保持,Y2,IOW
变高电平 ->DAC寄存器锁存数据，保持 D/A转
换输出。
－程序
MOV DX,300H; Y0有效
MOV AL,83H； 高 8位数据
OUT DX,AL
MOV DX,301H; Y1有效
MOV AL,0F0H； 低 4位数据
OUT DX,AL
MOV DX,302H； Y2有效
OUT DX,AL； 进行 D/A转换
HLT
2.5 模拟量输出通道
? 模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数
字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动
相应的执行机构，从而达到控制的目的。
? 一般由接口电路,D/A转换器,V/I变换等组
成。
2.5.1 模拟量输出通道的结构型式
1、一个通道设置一个数模转换器的型式
2,多个通路共用一个数模转换器的型式
2.5.2 单极性与双极性电压输出电路
模拟量输出通道设计
DOUT PROC NEAR
MOV DX,300H
MOV CX,8
MOV AH,0
MOV BX,OFFSET BUF
NEXT,MOV AL,[BX]
OUT DX,AL
INC DX
MOV AL,AH
OUT DX,AL
CALL DELAY
INC AH
DEC AX
INC BX
LOOP NEXT
RET
DOUT ENDP
第 3章 数字程序控制技术
? 计算机数字程序控制 CNC－计算机根据输入的指
令和数据，控制生产机械（如各种加工机床）按
规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速
度等规律自动地完成工作的自动控制。
?数控系统：输入装置、输出装置、控制器和插补
器。
3.1.1 数字程序控制原理
?基本思路：
－逐点输入加工轨迹的坐标不现实。
－数控加工轮廓一般由直线、圆弧组成，也可
能有一些非圆曲线轮廓，因此可以用分段曲线
（曲线基点和曲线属性）拟合加工轮廓。
－输出装置为步进电机，驱动每个轴以一定距
离的步长运动，实际加工轮廓是以折线轨迹拟
合光滑曲线。
步骤：
1,曲线分段：
－图中曲线分为三段，分别为 ab,bc、
cd,a,b,c,d四点坐标送计算机。
－分割原则：应保证线段所连的曲线与
原图形的误差在允许范围之内。
2,插补计算：
－插补计算,给定曲线基点坐标，求得曲线中
间值的数值计算方法。
－插补计算原则：通过给定的基点坐标，以一定
的速度连续定出一系列中间点，这些中间点的坐标值
以一定的精度逼近给定的线段。
－插补,直线插补
二次曲线插补－圆弧、抛物线、双曲线
3,折线逼近：
根据插补计算出的中间点、产生脉冲信号驱动
x,y方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，从而
绘出图形或加工所要求的轮廓。
－步长：刀具对应于每个脉冲移动的相对位置，可
以用△ x,△ y表示，一般△ x＝ △ y
x方向步数,Nx＝ (xe-x0)/ △ x
y方向步数,Ny＝ (ye-y0)/ △ y
3.1.2 数字程序控制方式
? 数字程序控制的 3种方式：点位控制、直线切
削控制、轮廓切削控制。
? 点位控制
－只要求控制刀具行程终点的坐标值，即工件
加工点准确定位，对刀具的移动路径、移动速
度、移动方向不作规定，且在移动过程中不做
任何加工，只是在准确到达指定位置后才开始
加工。（定位）
? 直线切削控制
－控制行程的终点坐标值，还要求刀具相对于
工件平行某一坐标轴作直线运动，且在运动过
程中进行切削加工。（单轴切削）
? 轮廓的切削控制
－控制刀具沿工件轮廓曲线运动，并在运动
过程中将工件加工成某一形状。这种方式借助
于插补器进行。（多轴切削）
? 三种方式比较
点位控制：驱动电路简单，无需插补
直线切削控制：驱动电路复杂，无需插补
轮廓切削控制：驱动电路复杂，需插补
3.1.3 开环数字程序控制
? 闭环方式
?
?
?
?
? 开环方式
3.2 逐点比较法插补原理
? 逐点比较插补－刀具或绘图笔每走一步都要和
给定轨迹上的坐标值进行比较一次，决定下一
步的进给方向：
用阶梯折线逼近曲线。
走一步 -> 比较一次 -> 决定下一步的走向
－逐点比较法的最大误差：
一个脉冲当量（步长）
3.2.1 逐点比较法直线插补
? 插补步骤：
偏差判别 -> 坐标进给 -> 偏差计算 -> 终点判断
走一步 -> 比较一次 -> 决定下一步的走向
插补结束判断
? 第一象限内的直线插补
－偏差计算式：
若点 m在 OA直线段上，则有 xm/ym=xe/ye
即 ymxe-xmye＝ 0
于是取偏差计算式为 Fm=ymxe-xmye
－偏差判别：
偏差判别式：
若 Fm = 0，则点 m在 OA直线段上；
若 Fm > 0，则点 m在 OA直线段的上方；
若 Fm < 0，则点 m在 OA直线段的下方。
进给方向确定：
当 Fm >= 0时，沿 +x轴方向走一步；
当 Fm < 0，沿 +y方向走一步；
当目前坐标与终点坐标相等，停止插补。
－偏差计算的简化：
（ 1）设加工点在 m点，若 Fm >= 0，这时沿 +x
轴方向走一步至 m＋ 1点。
( xm+1,ym+1) = ( xm+1,ym )
Fm+1= ym+1xe-xm+1ye= ymxe-(xm+1)ye
= ymxe-xmye -ye= Fm – ye
（ 2）设加工点在 m点，若 Fm < 0，这时沿 +y轴
方向走一步至 m＋ 1点。
推理有 Fm+1= Fm + xe
偏差计算简化为：
若 m 为起点 0，则 Fm = F0 = 0；
否则,若 Fm >= 0,Fm+1= Fm– ye
若 Fm < 0,Fm+1= Fm+ xe
－终点判断：
方法 1：设置 x,y轴两个减法计数器 Nx和 Ny，加
工前分别存入终点坐标 xe和 ye, x (y) 轴每进给
一步则 Nx –1 (Ny –1）,当 Nx和 Ny 均为 0，则认为
达到终点。
方法 2：设置一个终点计数器 Nxy,x 或 y 轴每进
给一步则 Nxy –1，当 Nxy 为 0，则认为达到终点。
? 4象限内的直线插补
记忆：
2象限,1象限以 y轴镜象
4象限,1象限以 x轴镜象
3象限,1象限旋转 180度
3.直线插补计算的程序实现
? 内存单元数据
XE：终点 X坐标
YE：终点 Y坐标
NXY,总步数,Nxy ＝ Nx + Ny
XOY,象限值,1,2,3,4分别代表 1,2,3、
4象限
ZF：进给方向,1,2,3,4代表在 +x,–x、
+y,-y方向进给。
? 流程图
例 3.1：加工第 1象限直线 OA，起点为 O（ 0,0），
终点为 A (6,4)，试进行插补并作走步轨迹图。
解：进给总步数 Nxy ＝ |6-0|+|4-0|=10
xe=6,ye=4,F0 = 0,xoy=1
3.2.2 逐点比较法圆弧插补
?第一象限内的圆弧插补
－偏差定义 M点偏差 Fm=Rm2- R2=xm2+ ym2 - R2
－偏差判断
Fm=0,M点在圆弧上
Fm>0,M点在圆弧外
Fm<0,M点在圆弧内
－第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理：
从起点出发，当 Fm>=0，向 -x方向进给一
步，并计算新的偏差；当 Fm <0，下一步向 +y
方向进给，并计算新的偏差。按上述步骤循环
到达终点后结束。
－偏差的简化计算，以第一象限逆圆弧为例：
当 Fm>=0，向 -x方向进给一步
（ xm+1,ym+1) = ( xm－ 1,ym )
Fm+1= xm+12+ym+12-R2= Fm –2xm +1
当 Fm<0，向 +y方向进给一步
（ xm+1,ym+1) = ( xm,ym +1 )
Fm+1= xm+12+ym+12-R2= Fm +2ym +1
起点偏差 Fm＝ 0
－终点判断
采用总步数 Nxy设计数方法,Nxy 初始设值为
x 和 y 轴进给总步数之和,x 或 y 轴每进给一步
则 Nxy –1，当 Nxy 为 0，则认为达到终点。
－插补计算步骤
偏差判别 -> 坐标进给 -> 偏差计算 ->坐标计
算 -> 终点判断
直线插补：偏差计算使用终点坐标 xe,ye
圆弧插补：偏差计算使用前一点坐标 xm,ym
?四个象限的圆弧插补
－第一象限顺圆弧的插补计算
当 Fm>=0，向 +y方向进给一步,Fm+1= Fm –2ym +1
当 Fm<0，向 +x方向进给一步,Fm+1= Fm +2xm +1
－四个象限的圆弧插补
记忆：
2象限,1象限以 y轴镜象
4象限,1象限以 x轴镜象
3象限,1象限旋转 180度
－圆弧插补计算工时和进给方向
注意：表中坐标值为不带符号的数，如第四象限中的
点（ -4,-3) 应用 xm=4,ym =3查表计算。
? 圆弧插补计算的程序实现
内存单元数据
X0：起点 X坐标
Y0：起点 Y坐标
NXY,总步数,Nxy ＝ Nx + Ny
FM：加工点偏差；
XM,xm YM,ym
RNS：圆弧种类,1,2,3,4和 5,6,7,8分别代表
SR1,SR2,SR3,SR4和 NR1,NR2,NR3,NR4。
ZF：进给方向,1,2,3,4代表在 +x,–x,+y,-y方
向进给。
? 流程图
例 3.2：加工第 1象限逆圆弧 AB，起点为 A（ 4，
0），终点为 B (0,4)，试进行插补并作走步轨
迹图。
解：进给总步数 Nxy ＝ |4-0|+|4-0|=8
3.3 步进电机控制技术
?步进电机：是一种将电脉冲信号转换为角位移的
机电式数摸（ D/A）转换器。
输入：脉冲 输出：位移
脉冲数：决定位移量
脉冲频率：决定位移的速度
3.3.1 步进电机的工作原理
三相反应式步进电机
定子：三对磁极，六个齿
转子：四个齿，分别为 0,1,2,3齿
－工作过程：
A相通电,A相磁极与 0,2号齿对齐；
B相通电：由于磁力线作用,B相磁极与 1,3号齿
对齐；
C相通电：由于磁力线作用,C相磁极与 0,2号齿
对齐；
A相通电：由于磁力线作用,A相磁极与 1,3号齿
对齐；
结论：定子按 A->B->C->A相轮流通电，则磁场沿 A、
B,C方向转动 360度角，转子沿 ABC方向转动了一
个齿距的位置。齿数为 4，齿距角为 90度，即 1个齿
距转动了 90度。
－ 步进电机的, 相, 和, 拍,
,相, －绕组的个数
,拍, －绕组的通电状态。如：三拍表示一
个周期共有 3种通电状态，六拍表示一个周期有 6
种通电状态，每个周期步进电机转动一个齿距。
－ 步进电机的步距角的计算：
N：步进电机的拍数
Z：转子的齿数。
步距角 θ＝ 360/(NZ),步进电机每拍步进的角
度。
3.3.2 步进电机的工作方式
－步进电机的通电方式
单相通电方式、双相通电方式、单相双相交叉
通电方式。
－三相步进电机可工作于三相三拍（单三拍）、
双相三拍（双三拍）、三相六拍工作方式。
－单三拍工作方式
A->B->C->A…
－双三拍工作方式
AB->BC->CA->AB->…
－三相六拍工作方式
A->AB->B->BC->C->CA->A->…
?步进电机细分驱动,切换时，绕组电流并非全部
切除或通入，只改变额定值的一部分（如 1/4)，转
子也只转动步距角的一部分（如 1/4)。
优点：达到更高分辨率，减小振动和噪声
3.3.3 步进电机控制接口及输出字表
?步进电机常规控制电路
?
?
－脉冲分配器：把脉冲串按一定规律分配给脉
冲放大器的各相输入端，又称环形分配器。
输入：步进脉冲,1个脉冲为 1拍，走一步；
方向选择,正转或反转。
输出：各相绕组的驱动脉冲。
－功率放大器：脉冲分配器的输出电路不足以
驱动步进电机，进行功率放大。
? 步进电机微机控制方式一
微机 ＋ 环形分配器 ＋ 功放
运动控制及脉冲产生 脉冲脉冲分配
? 步进电机微机控制方式 2
微机 ＋ 驱动电路
运动控制和脉冲分配 功率放大
? 步进电机控制接口
－例如：采用 8255芯片控制 x,y轴步进电机。
? 步进电机控制的输出字表
－ 8255的 PA,PB口分别控制 x,y轴步进电机。
－输出数据, 1”表示通电,,0”表示断电。
－输出字以表的形式顺序存放在内存：
正转访问顺序,ADX1->ADX2->… ->ADX6
ADY1->ADY2->… ->ADY6
反转访问顺序,ADX6->ADX5->… ->ADX1
ADY6->ADY5->… ->ADY1
? 微机的运动控制功能
1,改变输出脉冲数，控制步进电机的走步数；
2,改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的
转向，正转、反转；
3,改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速。
3.3.4 步进电机控制程序
? 步进电机走步控制程序流程图
? 步进电机速度控制程序
－步进电机调速：改变输出脉冲的频率。
－可采用延时或定时器方法。
－延时或定时时间的计算：
Ti为相邻两次走步的时间间隔,Vi为进给一
步后速度,a为加速度，有：
? 步进电机控制实验
－四相八拍工作方式。
－ 8086：采用延时方式进行速度控制
－ 8031：采用定时器方式进行速度控制
? PWM 直流电机调速
－ PWM：脉冲宽度调制技术。
输出脉冲频率不变，脉冲宽度受输入信号调制
－在电机控制领域应用广泛。
－ PWM直流电机调速的优点：
（ 1）功耗小，效率高。
（ 2）以高频脉冲电流给绕组供电，由于绕组为感性
负载，脉冲电流得以滤平，所以波系数小,电机发热量小。
（ 3）系统的响应频带宽，起制动非常快。
（ 4）系统抗负载扰动的性能好。
（ 5）高频输出避开了电机及传动机械的共振点，所
以运行平稳，噪声低。
－微机产生 PWM波形的方法
程序延时：高电平延时＋低电平延时＝ PWM周期时间
定时器中断,PWM周期 T定时中断＋高电平 t定时中断
? 直流电机调速实验
－采用 PWM调速方式。
－ 8031产生 PWM波，驱动电路功率放大。
－ PWM波形的产生：
采用延时方式产生 PWM波形，脉宽固定，电
机恒速。
T=X*T0,T1=Y*T0,T2=Z*T0。 X为 T周
期参数，放在 20H单元。 Y为 T1延时参数,Z为
T2延时参数，放在 21H单元,X=Y+Z 。 T0为延
时的时间基数，由定时器确定，参数置 22H,2
3H单元中。
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 000BH
LJMP TT0 ； 跳转到定时器 0中断程序
ORG 1000H
MAIN,SETB P1.0 ； 脉冲的高电平
MOV R0,21H； (21H) 初始值为 Y，存入 R0中，延时 T1
MOV TMOD,#01H
MOV TL0,22H ；时间基数 T0的定时参数
MOV TH0,23H
SETB TR0 ； 定时中断设置
SETB ET0
SETB EA
L1,CJNE R0,#00H,L2 ；
CPL P1.0 ; 延时 R0*T0时间后，输出取反 R0在运行前为
MOV A,20H ； 取 X,T周期时间。 Y，则运行后为
SUBB A,21H； A=X-(21H),若（ 21H)=Y,A=Z,X; 运行前为 X
若（ 21H)=Z,A=Y;, 则运行后为 Y。
MOV 21H,A ; A存到 (21H) R0交替置入高
MOV R0,A; 低电平延时时间。
L2,AJMP L1
TT0,MOV TL0,22H ； T0 定时中断
MOV TH0,23H
DEC R0 ; R0-1
RETI
－实验编程：
用 8086和 8255,P1.0改为 PA0口，编程控制
直流电机，在第 1个 10秒慢速转动，第 2个 10秒
快速转动，并不断循环。
2.3 模拟量输入通道
?模拟量输入通道－把模拟信号转换为二进制数字
信号，送入计算机中。
?模拟信号传输－ 0～ 10mA或 4～ 20mA电流传输。
2.3.1 模拟量输入通道结构
2.3.2 I/V变换
?电流输出 仪表 DDZ-Ⅱ, 0～ 10mA
仪表 DDZ-Ⅲ,DDZ -S,4～ 20mA
?无源 I/V变换（利用无源器件完成）
? 0～ 10mA:R1 100Ω
R2 500Ω
0～ 5V输出
4～ 20mA:R1 100Ω
R2 250Ω
1～ 5V输出
?有源 I/V变换（利用有源器件完成）
0～ 10mA:R1 200Ω
R3 100kΩ
R4 150kΩ
0～ 5V输出
4～ 20mA:R1 200Ω
R3 100kΩ
同相放大器倍数 A=1+R4/R3 R4 25kΩ
1～ 5V输出
2.3.3 多路转换器
? 多路开关－理想工作状态：开路电阻无穷大，
导通电阻为 0。要求切换速度快。
? 举例,CD4051－ 8通道开关
?
INH 禁止输入
2.3.4 采样、量化及常用的采样保持器
? 信号的采样
－采样过程：以周期时间间隔 T，把时间与幅
值连续的模拟信号转变为连串脉冲输出信号。
－ τ为采样宽度，即 K闭合的时间。
－香农采样定量：若信号的最高频率为 fmax，
只要采样频率 f ≥ 2 fmax，采样信号就能唯
一复现原信号。
量化
－量化：用一组数码逼近离散模拟信号
的幅值。
－量化过程：模拟信号－ >数字信号。
－量化单位,A/D转换器的最低有效位 LSB
对应的模拟量。
q=(ymax-ymin)/(2n-1)
－量化误差,± 1/2q
? 采样保持器
－孔径时间 tA/D：完成一次 A/D转换需要的时
间。
－孔径误差：采样时刻的最大转换误差。
－孔径误差的消除：采用采样保持器
－孔径时间内，信号的变化导致转换误
差,A/D转换器需要采样保持器来提高输入
信号的频率范围。
－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,K闭合,CH快速充电,VOUT跟随 VIN
保持,K断开,VOUT保持 VC
－缓慢变化的信号无需采样保持器
－ LF398
采样保持控制引脚 8：高电平，采样
低电平，保持
CH外接高品质电容，其减小可以提高采样频率。
获取时间,CH为 0.01uF时,时间为 25us
2.3.5 模拟量输入通道设计
器件,AD547A,LF398,CD4051,8255A
指标 － 8通道模拟量输入
－ 12位 A/D转换（ 25us)，量程 0～ 10V
－查询应答方式
电路逻辑：
－通道选择 ->PC0-PC2,通道禁止 ->PC3
－ LF398采样和保持 ->ADC547的 STS+反相器
－ AD547A的 R/C,CS,CE ->PC4-PC6
－转换状态检测 STS->PA7
－数据输入：高 4位 ->PA0-PA3，低 8位 ->B口
AD574A PROC NEAR
CLD
LEA DI,BUF
MOV BL,00000000B; 令 CE,CS,R/C,INH=0,初始
化
MOV CX,8
ADC,MOV DX,2C2H ; C口地址
MOV AL,BL
OUT DX,AL; 选择多路开关,STS=0,LF398采样
NOP
NOP
OR AL,01000000B； 令 CE=1,启动转换 A/D
OUT DX,AL；
AND AL,10111111B； 令 CE=0,形成启动脉冲
OUT DX,AL；
MOV DX,2C0H; A口地址
PULLING IN AL,DX ； 测试 STS，看转换是否结束
TEST AL,80H
JNZ PULLING ；转换期间 STS＝ 1,LF398保
持
MOV AL,BL；
OR AL,00010000B; 转换结束，令 R/C＝ 1，准
备读
MOV DX,2C2H;
OUT DX,AL
OR AL,01000000B;令 CE,R/C＝ 1，开始读
MOV DX,2C0H ; 读 A口高 4位
IN AL,DX
AND AL,0FH
MOV AH,AL ；高 4位存在 AH
INC DX; 读 B口低 8位
IN AL,DX ；低 8位存在 AL
STOSW; 数据存储
INC BL ; 更换通道
LOOP ADC
MOV AL,00111000B; CE=0,CS,R/C,
INH=1,芯片复位
MOV DX,2C2H
OUT DX,AL
RET
AD574A ENDP
2.4 D/A转换器及接口技术
D/A转换器的技术指标
－分辨率,D/A转换器输入二进制数的位数。
－建立时间：输入数字信号的变化是满量程时，
输出信号达到离终值 ± 1/2LSB的所需时间。
－线性误差：偏离理想转换特性的最大误差。
常见 D/A转换器类型：
－电流输出型，通常要转为电压，速度因外接放
大器有滞后。
－电压输出形，速度快，仅用于高阻抗负载。
－乘算型，在基准电压输入上加交变信号，能输
出数字输入和基准电压输入相乘的结果，完成乘
法运算。
－ 1 bit D/A转换器，将数字值转换为脉冲宽度调
制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均
化而得到电压输出 (又称位流方式 )。
2.4.1 D/A转换器
?8位 D/A转换器 ADC0832
－ 8位电流输出型 D/A转换器
－内部具有两个锁存器：输入锁存器和 DAC锁
存器，分别由 LE1,LE2控制。
高电平：寄存器直通
低电平：寄存器锁存
－引脚说明：
DI0-DI7：数字输入
IOUT1,IOUT2：电流输出,IOUT1+IOUT2=C
ILE：输入寄存器锁存允许
WR1：控制输入寄存器
WR2：控制 DAC寄存器
XFER：控制 DAC寄存器
－ XFER,WR2地用于多个 D/A转换器的同步，
通常接地，这时 DAC寄存器直通。
－ Rfb反馈电阻端,VREF参考电压。
－ DAC0832单缓冲形式,XFER,WR2接地，
ILE接高电平,WR1接 I/O控制,CS接
译码,2个寄存器中只有输入寄存器有效。
?12位 D/A转换器 DAC1210
－ 12位电流输出型 D/A转换器
－内部具有两个锁存器：输入锁存器和 DAC锁
存器，分别由 LE控制。
－ BYTE1/BYTE2输入控制端
高电平,DI0-DI11同时锁存到输入寄存器
低电平,DI0-DI3锁存到 4位输入寄存器
－ DAC寄存器的锁存控制端 LE
高电平,Q＝ D，输入寄存器与 DAC寄存器
直通
低电平,DAC寄存器锁存
－ WR1,WR2,CS,XFER,Rfb,VREF与
DAC0832相同
2.4.2 D/A转换接口技术
?DAC0832与 XT总线接口
－ DAC0832工作方式为单缓冲寄存器。
－用反相放大器把输出电流转换为负极性电压
－工作过程：
1,端口地址 +IOW有效 -> CS有效 -> LE1高电平
-> 输入寄存器直通 -> 输入数据进行 D/A转换。
2,IOW变高 -> CS变高 -> LE1低电平 -> 输入寄
存器锁存 -> D/A转换输出保持。
－程序，端口地址 300H。
MOV DX,300H
MOV AL,7FH
OUT DX,AL
HLT
－ 电流输出端 IOUT1,IOUT2的电位应接近 0，
以
保证运放输出的线性。
?DAC1210与 XT总线接口
－译码器对端口 300H,301H,302H分别产生
Y0,Y1, Y2用于 DAC的控制。
－ CS接地
8位输入寄存器,XT总线 D0-D7
4位输入寄存器,XT总线 D4-D7
－输出端用反相放大器把差动电流转换为电压
,经倒相后变为正极性电压输出。
－工作过程：
1,锁存高 8位数据,Y0有效 -> BYTE1/BYTE2
高电平 ->当 IOW 有效 -> D0-D7 锁入 8位输入寄
存器,D4-D7 锁入 4位输入寄存器。
2.锁存低 4位数据,Y1有效 -> BYTE1/BYTE2
低电平 ->当 IOW 有效 -> D4-D7 锁入 4位输入寄存器。
3.输入寄存器数据送到 DAC寄存器,Y2有效 ->
XFER 低电平 ->当 IOW 有效 ->输入寄存器数
据传送到 DAC寄存器，并开始 D/A转换。
4,DAC寄存器锁存,D/A 输出保持,Y2,IOW
变高电平 ->DAC寄存器锁存数据，保持 D/A转
换输出。
－程序
MOV DX,300H; Y0有效
MOV AL,83H； 高 8位数据
OUT DX,AL
MOV DX,301H; Y1有效
MOV AL,0F0H； 低 4位数据
OUT DX,AL
MOV DX,302H； Y2有效
OUT DX,AL； 进行 D/A转换
HLT
2.5 模拟量输出通道
? 模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数
字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动
相应的执行机构，从而达到控制的目的。
? 一般由接口电路,D/A转换器,V/I变换等组
成。
2.5.1 模拟量输出通道的结构型式
1、一个通道设置一个数模转换器的型式
2,多个通路共用一个数模转换器的型式
2.5.2 单极性与双极性电压输出电路
模拟量输出通道设计
DOUT PROC NEAR
MOV DX,300H
MOV CX,8
MOV AH,0
MOV BX,OFFSET BUF
NEXT,MOV AL,[BX]
OUT DX,AL
INC DX
MOV AL,AH
OUT DX,AL
CALL DELAY
INC AH
DEC AX
INC BX
LOOP NEXT
RET
DOUT ENDP
第 3章 数字程序控制技术
? 计算机数字程序控制 CNC－计算机根据输入的指
令和数据，控制生产机械（如各种加工机床）按
规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速
度等规律自动地完成工作的自动控制。
?数控系统：输入装置、输出装置、控制器和插补
器。
3.1.1 数字程序控制原理
?基本思路：
－逐点输入加工轨迹的坐标不现实。
－数控加工轮廓一般由直线、圆弧组成，也可
能有一些非圆曲线轮廓，因此可以用分段曲线
（曲线基点和曲线属性）拟合加工轮廓。
－输出装置为步进电机，驱动每个轴以一定距
离的步长运动，实际加工轮廓是以折线轨迹拟
合光滑曲线。
步骤：
1,曲线分段：
－图中曲线分为三段，分别为 ab,bc、
cd,a,b,c,d四点坐标送计算机。
－分割原则：应保证线段所连的曲线与
原图形的误差在允许范围之内。
2,插补计算：
－插补计算,给定曲线基点坐标，求得曲线中
间值的数值计算方法。
－插补计算原则：通过给定的基点坐标，以一定
的速度连续定出一系列中间点，这些中间点的坐标值
以一定的精度逼近给定的线段。
－插补,直线插补
二次曲线插补－圆弧、抛物线、双曲线
3,折线逼近：
根据插补计算出的中间点、产生脉冲信号驱动
x,y方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，从而
绘出图形或加工所要求的轮廓。
－步长：刀具对应于每个脉冲移动的相对位置，可
以用△ x,△ y表示，一般△ x＝ △ y
x方向步数,Nx＝ (xe-x0)/ △ x
y方向步数,Ny＝ (ye-y0)/ △ y
3.1.2 数字程序控制方式
? 数字程序控制的 3种方式：点位控制、直线切
削控制、轮廓切削控制。
? 点位控制
－只要求控制刀具行程终点的坐标值，即工件
加工点准确定位，对刀具的移动路径、移动速
度、移动方向不作规定，且在移动过程中不做
任何加工，只是在准确到达指定位置后才开始
加工。（定位）
? 直线切削控制
－控制行程的终点坐标值，还要求刀具相对于
工件平行某一坐标轴作直线运动，且在运动过
程中进行切削加工。（单轴切削）
? 轮廓的切削控制
－控制刀具沿工件轮廓曲线运动，并在运动
过程中将工件加工成某一形状。这种方式借助
于插补器进行。（多轴切削）
? 三种方式比较
点位控制：驱动电路简单，无需插补
直线切削控制：驱动电路复杂，无需插补
轮廓切削控制：驱动电路复杂，需插补
3.1.3 开环数字程序控制
? 闭环方式
?
?
?
?
? 开环方式
3.2 逐点比较法插补原理
? 逐点比较插补－刀具或绘图笔每走一步都要和
给定轨迹上的坐标值进行比较一次，决定下一
步的进给方向：
用阶梯折线逼近曲线。
走一步 -> 比较一次 -> 决定下一步的走向
－逐点比较法的最大误差：
一个脉冲当量（步长）
3.2.1 逐点比较法直线插补
? 插补步骤：
偏差判别 -> 坐标进给 -> 偏差计算 -> 终点判断
走一步 -> 比较一次 -> 决定下一步的走向
插补结束判断
? 第一象限内的直线插补
－偏差计算式：
若点 m在 OA直线段上，则有 xm/ym=xe/ye
即 ymxe-xmye＝ 0
于是取偏差计算式为 Fm=ymxe-xmye
－偏差判别：
偏差判别式：
若 Fm = 0，则点 m在 OA直线段上；
若 Fm > 0，则点 m在 OA直线段的上方；
若 Fm < 0，则点 m在 OA直线段的下方。
进给方向确定：
当 Fm >= 0时，沿 +x轴方向走一步；
当 Fm < 0，沿 +y方向走一步；
当目前坐标与终点坐标相等，停止插补。
－偏差计算的简化：
（ 1）设加工点在 m点，若 Fm >= 0，这时沿 +x
轴方向走一步至 m＋ 1点。
( xm+1,ym+1) = ( xm+1,ym )
Fm+1= ym+1xe-xm+1ye= ymxe-(xm+1)ye
= ymxe-xmye -ye= Fm – ye
（ 2）设加工点在 m点，若 Fm < 0，这时沿 +y轴
方向走一步至 m＋ 1点。
推理有 Fm+1= Fm + xe
偏差计算简化为：
若 m 为起点 0，则 Fm = F0 = 0；
否则,若 Fm >= 0,Fm+1= Fm– ye
若 Fm < 0,Fm+1= Fm+ xe
－终点判断：
方法 1：设置 x,y轴两个减法计数器 Nx和 Ny，加
工前分别存入终点坐标 xe和 ye, x (y) 轴每进给
一步则 Nx –1 (Ny –1）,当 Nx和 Ny 均为 0，则认为
达到终点。
方法 2：设置一个终点计数器 Nxy,x 或 y 轴每进
给一步则 Nxy –1，当 Nxy 为 0，则认为达到终点。
? 4象限内的直线插补
记忆：
2象限,1象限以 y轴镜象
4象限,1象限以 x轴镜象
3象限,1象限旋转 180度
3.直线插补计算的程序实现
? 内存单元数据
XE：终点 X坐标
YE：终点 Y坐标
NXY,总步数,Nxy ＝ Nx + Ny
XOY,象限值,1,2,3,4分别代表 1,2,3、
4象限
ZF：进给方向,1,2,3,4代表在 +x,–x、
+y,-y方向进给。
? 流程图
例 3.1：加工第 1象限直线 OA，起点为 O（ 0,0），
终点为 A (6,4)，试进行插补并作走步轨迹图。
解：进给总步数 Nxy ＝ |6-0|+|4-0|=10
xe=6,ye=4,F0 = 0,xoy=1
3.2.2 逐点比较法圆弧插补
?第一象限内的圆弧插补
－偏差定义 M点偏差 Fm=Rm2- R2=xm2+ ym2 - R2
－偏差判断
Fm=0,M点在圆弧上
Fm>0,M点在圆弧外
Fm<0,M点在圆弧内
－第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理：
从起点出发，当 Fm>=0，向 -x方向进给一
步，并计算新的偏差；当 Fm <0，下一步向 +y
方向进给，并计算新的偏差。按上述步骤循环
到达终点后结束。
－偏差的简化计算，以第一象限逆圆弧为例：
当 Fm>=0，向 -x方向进给一步
（ xm+1,ym+1) = ( xm－ 1,ym )
Fm+1= xm+12+ym+12-R2= Fm –2xm +1
当 Fm<0，向 +y方向进给一步
（ xm+1,ym+1) = ( xm,ym +1 )
Fm+1= xm+12+ym+12-R2= Fm +2ym +1
起点偏差 Fm＝ 0
－终点判断
采用总步数 Nxy设计数方法,Nxy 初始设值为
x 和 y 轴进给总步数之和,x 或 y 轴每进给一步
则 Nxy –1，当 Nxy 为 0，则认为达到终点。
－插补计算步骤
偏差判别 -> 坐标进给 -> 偏差计算 ->坐标计
算 -> 终点判断
直线插补：偏差计算使用终点坐标 xe,ye
圆弧插补：偏差计算使用前一点坐标 xm,ym
?四个象限的圆弧插补
－第一象限顺圆弧的插补计算
当 Fm>=0，向 +y方向进给一步,Fm+1= Fm –2ym +1
当 Fm<0，向 +x方向进给一步,Fm+1= Fm +2xm +1
－四个象限的圆弧插补
记忆：
2象限,1象限以 y轴镜象
4象限,1象限以 x轴镜象
3象限,1象限旋转 180度
－圆弧插补计算工时和进给方向
注意：表中坐标值为不带符号的数，如第四象限中的
点（ -4,-3) 应用 xm=4,ym =3查表计算。
? 圆弧插补计算的程序实现
内存单元数据
X0：起点 X坐标
Y0：起点 Y坐标
NXY,总步数,Nxy ＝ Nx + Ny
FM：加工点偏差；
XM,xm YM,ym
RNS：圆弧种类,1,2,3,4和 5,6,7,8分别代表
SR1,SR2,SR3,SR4和 NR1,NR2,NR3,NR4。
ZF：进给方向,1,2,3,4代表在 +x,–x,+y,-y方
向进给。
? 流程图
例 3.2：加工第 1象限逆圆弧 AB，起点为 A（ 4，
0），终点为 B (0,4)，试进行插补并作走步轨
迹图。
解：进给总步数 Nxy ＝ |4-0|+|4-0|=8
3.3 步进电机控制技术
?步进电机：是一种将电脉冲信号转换为角位移的
机电式数摸（ D/A）转换器。
输入：脉冲 输出：位移
脉冲数：决定位移量
脉冲频率：决定位移的速度
3.3.1 步进电机的工作原理
三相反应式步进电机
定子：三对磁极，六个齿
转子：四个齿，分别为 0,1,2,3齿
－工作过程：
A相通电,A相磁极与 0,2号齿对齐；
B相通电：由于磁力线作用,B相磁极与 1,3号齿
对齐；
C相通电：由于磁力线作用,C相磁极与 0,2号齿
对齐；
A相通电：由于磁力线作用,A相磁极与 1,3号齿
对齐；
结论：定子按 A->B->C->A相轮流通电，则磁场沿 A、
B,C方向转动 360度角，转子沿 ABC方向转动了一
个齿距的位置。齿数为 4，齿距角为 90度，即 1个齿
距转动了 90度。
－ 步进电机的, 相, 和, 拍,
,相, －绕组的个数
,拍, －绕组的通电状态。如：三拍表示一
个周期共有 3种通电状态，六拍表示一个周期有 6
种通电状态，每个周期步进电机转动一个齿距。
－ 步进电机的步距角的计算：
N：步进电机的拍数
Z：转子的齿数。
步距角 θ＝ 360/(NZ),步进电机每拍步进的角
度。
3.3.2 步进电机的工作方式
－步进电机的通电方式
单相通电方式、双相通电方式、单相双相交叉
通电方式。
－三相步进电机可工作于三相三拍（单三拍）、
双相三拍（双三拍）、三相六拍工作方式。
－单三拍工作方式
A->B->C->A…
－双三拍工作方式
AB->BC->CA->AB->…
－三相六拍工作方式
A->AB->B->BC->C->CA->A->…
?步进电机细分驱动,切换时，绕组电流并非全部
切除或通入，只改变额定值的一部分（如 1/4)，转
子也只转动步距角的一部分（如 1/4)。
优点：达到更高分辨率，减小振动和噪声
3.3.3 步进电机控制接口及输出字表
?步进电机常规控制电路
?
?
－脉冲分配器：把脉冲串按一定规律分配给脉
冲放大器的各相输入端，又称环形分配器。
输入：步进脉冲,1个脉冲为 1拍，走一步；
方向选择,正转或反转。
输出：各相绕组的驱动脉冲。
－功率放大器：脉冲分配器的输出电路不足以
驱动步进电机，进行功率放大。
? 步进电机微机控制方式一
微机 ＋ 环形分配器 ＋ 功放
运动控制及脉冲产生 脉冲脉冲分配
? 步进电机微机控制方式 2
微机 ＋ 驱动电路
运动控制和脉冲分配 功率放大
? 步进电机控制接口
－例如：采用 8255芯片控制 x,y轴步进电机。
? 步进电机控制的输出字表
－ 8255的 PA,PB口分别控制 x,y轴步进电机。
－输出数据, 1”表示通电,,0”表示断电。
－输出字以表的形式顺序存放在内存：
正转访问顺序,ADX1->ADX2->… ->ADX6
ADY1->ADY2->… ->ADY6
反转访问顺序,ADX6->ADX5->… ->ADX1
ADY6->ADY5->… ->ADY1
? 微机的运动控制功能
1,改变输出脉冲数，控制步进电机的走步数；
2,改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的
转向，正转、反转；
3,改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速。
3.3.4 步进电机控制程序
? 步进电机走步控制程序流程图
? 步进电机速度控制程序
－步进电机调速：改变输出脉冲的频率。
－可采用延时或定时器方法。
－延时或定时时间的计算：
Ti为相邻两次走步的时间间隔,Vi为进给一
步后速度,a为加速度，有：
? 步进电机控制实验
－四相八拍工作方式。
－ 8086：采用延时方式进行速度控制
－ 8031：采用定时器方式进行速度控制
? PWM 直流电机调速
－ PWM：脉冲宽度调制技术。
输出脉冲频率不变，脉冲宽度受输入信号调制
－在电机控制领域应用广泛。
－ PWM直流电机调速的优点：
（ 1）功耗小，效率高。
（ 2）以高频脉冲电流给绕组供电，由于绕组为感性
负载，脉冲电流得以滤平，所以波系数小,电机发热量小。
（ 3）系统的响应频带宽，起制动非常快。
（ 4）系统抗负载扰动的性能好。
（ 5）高频输出避开了电机及传动机械的共振点，所
以运行平稳，噪声低。
－微机产生 PWM波形的方法
程序延时：高电平延时＋低电平延时＝ PWM周期时间
定时器中断,PWM周期 T定时中断＋高电平 t定时中断
? 直流电机调速实验
－采用 PWM调速方式。
－ 8031产生 PWM波，驱动电路功率放大。
－ PWM波形的产生：
采用延时方式产生 PWM波形，脉宽固定，电
机恒速。
T=X*T0,T1=Y*T0,T2=Z*T0。 X为 T周
期参数，放在 20H单元。 Y为 T1延时参数,Z为
T2延时参数，放在 21H单元,X=Y+Z 。 T0为延
时的时间基数，由定时器确定，参数置 22H,2
3H单元中。
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 000BH
LJMP TT0 ； 跳转到定时器 0中断程序
ORG 1000H
MAIN,SETB P1.0 ； 脉冲的高电平
MOV R0,21H； (21H) 初始值为 Y，存入 R0中，延时 T1
MOV TMOD,#01H
MOV TL0,22H ；时间基数 T0的定时参数
MOV TH0,23H
SETB TR0 ； 定时中断设置
SETB ET0
SETB EA
L1,CJNE R0,#00H,L2 ；
CPL P1.0 ; 延时 R0*T0时间后，输出取反 R0在运行前为
MOV A,20H ； 取 X,T周期时间。 Y，则运行后为
SUBB A,21H； A=X-(21H),若（ 21H)=Y,A=Z,X; 运行前为 X
若（ 21H)=Z,A=Y;, 则运行后为 Y。
MOV 21H,A ; A存到 (21H) R0交替置入高
MOV R0,A; 低电平延时时间。
L2,AJMP L1
TT0,MOV TL0,22H ； T0 定时中断
MOV TH0,23H
DEC R0 ; R0-1
RETI
－实验编程：
用 8086和 8255,P1.0改为 PA0口，编程控制
直流电机，在第 1个 10秒慢速转动，第 2个 10秒
快速转动，并不断循环。
