1 数字量输出通道结构
PC 总 线 输 出 锁 存 器 输 出 驱 动 器 去 生 产 过 程
地址译码器
数字量输出通道主要由输出锁存器，输出驱动电路、 输出地址译码电路等组成
2、输出驱动电路
（1）小功率直流驱动电路
采用功率晶体管输出驱动继电器电路 采用高压输出的门电路驱动
（2）大功率驱动电路
采样时，K闭合，VIN通过A1对CH快速充电， VOUT跟随VIN；保持期间，K断开，由于A2的输入阻 抗很高，理想情况下VOUT =VC保持不变，采样保持 器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证 A/D转换期间输入恒定。
－
VIN
A1
＋
K VC
CH
＋
A2
－
CH
VOUT
逻辑控制
•常用的集成采样保持器有LF198/298/398、 AD582/585/346/389， LF198/298/398的原 理图如下：
2.量化
采样信号经整量化后成为数字信号的过程称为量化。 量化过程就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信 号的幅值，将其转换成数字信号，执行量化动作的装置是 A/D转换器。字长为n的A/D转换器把量程ymin~ymax范围内变 化的采样信号，变换为数字0~2n-1，其最低有效位（LSB— Least Significant Bit）所对应的模拟量q称为量化单位，其 表达式为： y y
CS IOR
P C 总 线
1G
MOV DX, PORT IN AL, DX
3.1.1 数字量输入输出接口技术
2. 数字量输出接口
控制状态
需要保持，直到下次 给出新的值为止。 可用锁存器74LS273 对状态输出信号进行
P C 总 线
74LS273
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CS IOW RESET D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 CLK Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 CLR
3.1 数字量输入输出通道
数字量（开关量）信号：
开关的闭合与断开 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
数字量（开关量）信号的共同特征：
信号只有两个状态，“导通”和“截止”——开关 量； 信号可以用二进制的“1”和“0”表示——数字量。
3.1.1 数字量输入输出接口技术
1.数字量输入接口
采样保持器的主要作用是：
(1)保持采样信号不变，以便完成A/D转换； (2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量； (3)减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的 峰值及缩短稳定输出值的建立时间；
(4)把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保 证输出的稳定性。
采样保持器的工作原理
3.2.1 模拟量输入通道的组成
模拟输入通道的一般组成结构：
例：单片机模拟量输入通道原理图
3.2.2
信号调理
信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而 不同。通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压 转换、滤波、线性化、隔离等 信号调理的功能就是对来自传感器或变送器的信号 进行处理，将传感器测量的非电信号或变送器输出的电 流信号转换为A/D转换器可以接收的电压信号。
第3章 I/O接口与过程通道
3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 绪言 数字量输入输出通道 模拟量输入通道 模拟量输出通道 人机交互通道
3.0 绪言
1 过程通道和I/O接口的定义
•I/O接口：是一电子电路(以IC芯片或接口板形式出 现 )，其内有若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路构
成，它是CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁 。
•过程通道：在计算机与生产过程之间设置的信息传送 和交换的连接通道。
2 CPU与I/O端口、外部设备之间的关系
地址总线 数据总线 CPU 控制总线 I/O端口 数据端口 状态端口 数据 外 状态 控制 部 设 备
控制端口
总线
接口
过程通道
3 CPU与外部设备之间信息交换的种类
（1）数据信息 （2）控制信息
Vi
R1 C R2 R3
+5V 输出限流，保护运放 精密电阻
无源I/V变换电路
A=1+R4/R3
R5
I
＋
－
A R4
V
V=A*R1*I
输入阻抗高，输出阻抗低
有源I/V变换电路
(1) 无源I/V变换
R1 I C R2 V
V=R2*I
(2) 有源I/V变换
Vi
R1 C R2 R3
+5V 输出限流，保护运放 精密电阻
2. 输入调理电路
• 输入调理电路 把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换
成 计算机能够接收的逻辑信号。
• 小功率输入调理电路
• 大功率输入调理电路
（1）小功率输入调理电路
－开关去抖电路
2. 输入调理电路（续）
R—S触发器去抖电路
R S Q Q 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 保持
2. 输入调理电路（续）
输 出 接 口
锁存，
MOV AL, DATA MOV DX, PORT OUT DX, AL
数字量输出接口
3.1.2 数字量输入通道
基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号。
1 数字量输入通道结构
PC 总 线 输 入 缓 冲 器 输 入 调 理 电 路 来 自 生 产 过 程
地址译码器
数字量输入通道主要由缓冲器、输入调理电路、输入 地址译码电路等组成
无源I/V变换电路
A=1+R4/R3
R5
I
＋
－
A R4
V
V=A*R1*I
输入阻抗高，输出阻抗低
有源I/V变换电路
2. 电桥
电桥：是将电阻、电感、电容等参数的变化
变换为电压或电流输出的一种测量电路。
优点：灵敏度高、测量范围宽、容易实现温 度补偿等。 分类： 交流和直流电桥两种形式;
平衡电桥和不平衡电桥。
可编程增益放大器PGA
2R 2 R 4 ) 放大系数Av： A V (1 R1 R 3
1 组合PGA
2 集成PGA202/203
3.2.5 信号的采样和量化
1.信号的采样
采样过程（简称采样）是用采样开关（或采样单元）将 模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程
f(t)
f *(t)
可以利用固态继电器(SSR)等实现
+5V I/O 接 口
R
74LS04
(a)直流固态继电器的结构 +5V I/O 接 口 R
74LS04
(b)交流固态继电器的结构
3.2 模拟量输入通道
• 功能：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。
• 过程：工艺参数→电信号（电量 变量）→标准电信号→数 字信号→计算机
f(t)
S
f *(t)
t
0 T 2T 3T 4T 5T
t
信号的采样过程
f * (t ) f (t )T (t ) f (t ) (t kT ) f (kT ) (t kT )
k 0 k 0


采样频率由香农（Shannon）采样定理确定，ω s≥(4～10)ω max
1. A/D转换器的主要指标
类型：①单向多路开关、双向多路开关。
②电子式多路开关、机械式多路开关 ③单端输入型、双端输入型（差动输入） 常见型号：CD4051、AD7501、MAX355、LF13508等。 例：CD4051—电子式单端8路多路开关
CD4051的原理电路图
控制禁止端 1：断开 0：由ABC选通
CD4051引脚结构如下：
例：两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法
例：两个8路开关组成8路的差动输入方法
3.2.4 前置放大器
前置放大器的功能：将模拟输入小信号放大到A/D转换的 量程范围之内。
测量放大器电路:
放大系数Av：
A1
2R 2 R 4 A V (1 ) R1 R 3
A3
A2
可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier)，简称 PGA，可编程增益放大器有两种，组合PGA和集成PGA
（3）状态信息：Ready,Busy
4 接口的控制方式
（CPU与外设之间的数据传送方式）
（1）程序控制方式
（2）中断处理方式
（3）DMA（直接存储器存取）传送方式 （用一 个专门的控制器来实现：DMA控制器 ）
5 接口的主要功能
（1）设置数据的寄存、缓冲逻辑；
（2）地址译码和设备选择功能；
（3）速度匹配； （4）信息格式的转换； （5）电平变换； （6）中断和DMA控制逻辑功能。
(1) 当INH=1时，通道断开； 当INH=0时，通道接通； (2) C、B、A为二进制控制输入端，
改变C、B、A的数值，可以译出
8种状态，并选中其中之一（具 体通道见真值表），使输入输 出接通； (3) IN/OUT0～7及OUT/IN为信息 通道，改变其信息的传递方向; (4) CD4051可用作多路开关或反 （5）VSS(低)～VDD(高)确定信号 范围，一般是-0.5 ～+15V。
直流电桥：
A
B R1 R2 C R3 D U RL
R4
IL
交流电桥：
桥臂Zi为阻 抗、感抗或 容抗元件。
平衡电桥：
3.2.3 多路转换器（多路开关）
作用：将各个输入信号依次地或随机地连接到前置放大器或 A/D转换器上，或者将计算机输出的控制信号连接到相应的执 行机构上。