07 第七章 计算机控制系统的设计与实现.pptx

第1页：第七章计算机控制系统的设计与实现封面

第七章 计算机控制系统的设计与实现

第2页：第七章目录

1. 计算机控制系统的设计步骤与方法
2. 微机控制系统的应用程序设计
3. 输入输出接口与过程通道
4. 计算机控制系统的抗干扰设计
5. 本章思考题

第3页：7.1 系统设计的原则

7.1 计算机控制系统的设计步骤与方法

系统设计的原则

1. 满足工艺性能要求，安全可靠
2. 操作性能要好，维护方便
3. 实时性强
4. 通用性好和可扩充性
5. 经济效益高

第4页：系统设计的一般流程

设计一个微机控制系统一般可从建立对象的数学模型、确定控制方案开始，进一步进行系统硬件设计、软件设计，待整机安装完毕后进行系统调试，最后在投入生产实际过程中再进一步调试，直至能正确连续运行，并达到设计要求的性能指标。

第5页：一般计算机控制系统的设计步骤

一般计算机控制系统的设计步骤

1. 研究被控对象、确定控制任务
2. 确定系统总体控制方案
3. 确定控制策略和控制算法
4. 硬件详细设计
5. 软件详细设计
6. 系统调试与仿真
7. 现场安装调试

第6页：第一步：研究被控对象、确定控制任务

1. 研究被控对象、确定控制任务

调查、分析被控对象及工作过程，熟悉工艺流程，根据实际应用中存在的问题提出具体的控制要求，确定所设计的系统应该完成的任务。

采用工艺图、时序图、控制流程图等描述控制过程和控制任务，确定系统应达到的性能指标，从而形成任务说明书。

第7页：第二步：确定系统总体控制方案（一）

2. 确定系统总体控制方案

(1) 确定系统的性质和结构

确定是数据采集系统还是对象控制系统，若是数据采集系统应根据性能指标的要求决定是采用开环控制还是闭环控制。

(2) 确定执行机构方案

根据被控对象的特点确定执行机构采用什么方案，比如是采用电机驱动、液压驱动还是其它方式，综合考虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。

第8页：第二步：总体黑箱设计与软硬件功能划分

(3) 控制系统的总体“黑箱”设计

根据控制要求，将完成控制任务所需的各功能单元、模块以及控制对象用方块图表示，形成系统的总体框图。总体框图上，只能体现各单元与模块的输入信号、输出信号、功能要求以及它们之间的逻辑关系。各功能单元可以是一个软件模块也可以用硬件电路来实现。

(4) 控制系统层次以及硬件、软件功能划分

根据控制要求、任务的复杂度、控制对象的地域分布确定是采用直接数字控制、计算机监督控制或者采用分布式控制并划分各层次该实现的功能。

第9页：第三步：确定控制策略和控制算法

3. 确定控制策略和控制算法

(1) 首先确定系统的数学模型

数学模型是系统动态特性的数学表达式，反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量的逻辑关系。可以根据过程进行的机理和生产设备的具体结构，通过对物理平衡和能量平衡等关系的分析计算，也可以通过实验测量的方法。

(2) 选择控制算法

针对每个控制对象的特定的控制要求和规律，选择与之相适应的控制算法。

第10页：第四步：硬件详细设计（一）过程通道

4. 硬件详细设计

(1) 确定过程输入/输出通道及处理方式

• 确定需要检测哪些开关量、模拟量；根据检测参数，选择检测元件或仪表
• 确定系统提供哪些开关量、模拟量数字量输出
• 确定输入/输出通道采用串行还是并行操作
• 确定输入/输出通道数据传输速率和流量
• 确定输入/输出通道的字长
• 确定输入/输出通道的处理方式，如顺序处理、中断方式、查询方式还是DMA方式

第11页：第四步：选用现成计算机系统的考量

(2) 计算机的选择

选用现成的计算机系统：

• 确定何种计算机
• 确定存储器的容量
• 确定配置的外部设备
• 确定时钟的频率
• 确定能否提高所需要的中断处理能力
• 确定需要配置哪些系统和应用软件

第12页：第四步：自行设计计算机系统的考量

自行设计计算机系统：

• 确定处理器的字长
• 确定处理器的速度
• 选择微处理器的寻址范围
• 微处理器的指令系统和寻址方式
• 微处理器的内部结构
• 微处理器的中断系统
• 配置系统内存、接口电路、外部设备

第13页：第四步：过程通道及接口设计

(3) 过程通道及接口设计

• 开关量、数字量的输入应考虑电平转换、去抖及如何与计算机接口问题
• 开关量、数字量的输出解决与计算机的接口、功率驱动等问题
• 模拟量输入/输出的标度变换、滤波、线性化处理等问题及电平转换和放大、转换精度等
• 通信问题如传输速度、距离、误码率等

第14页：第四步：控制台设计与可靠性设计

(4) 控制台设计

输入键、功能键、数据显示、紧急按钮等。

(5) 可靠性设计

在系统电源、输入/输出通道采取抗干扰措施；为防止强电破坏计算机系统采取光电隔离或变压器隔离等措施；为提高平均无故障时间（MTTR）采取冗余设计；为系统提供实时故障诊断而附加一些测试电路。

第15页：第五步：软件详细设计

5. 软件详细设计

对软件的要求是实时性、可靠性、容错性、使用方便性、可读性、简洁性。

1. 选择编程语言：汇编语言、高级语言、混合语言
2. 软件的设计步骤：问题定义 → 细化设计 → 编制源程序 → 生成可执行代码 → 调试

第16页：第六、七步：系统调试仿真与现场安装调试

6. 系统调试与仿真

在实验室而不是在工业现场进行仿真和调试。离线仿真和调试后还要进行考机运行，以便在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。

7. 现场安装调试

即将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。系统正常运行后，可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志。

第17页：7.2 微机控制系统的应用程序设计

7.2 微机控制系统的应用程序设计

在计算机控制系统中，除了硬件电路外，还有软件。所谓应用软件就是面向控制系统本身的程序，它是根据系统的具体要求，由用户自己设计的。在进行计算机控制系统设计时，大量的工作就是如何根据各个生产过程的实际需要设计应用程序。

第18页：应用程序设计的方法与原则

一、设计方法与原则

1. 可靠性
2. 可修改性
3. 可理解性
4. 可测试性
5. 效率性

第19页：模块化与结构化程序设计

二、模块化与结构化程序设计

模块化的优点：

1. 功能单一，易于编写、调试和修改
2. 便于分工，加快进度
3. 可读性好，便于扩充和升级
4. 修改可局部进行，其它部分可以保持不变
5. 使用频繁的子程序可以汇编成子程序库，便于其它模块调用

自顶向下模块化设计；结构化程序设计：顺序、选择、循环。

第20页：高级语言与汇编语言混合编程

高级语言与汇编语言混合编程

1. 汇编语言编程：程序执行速度快，要求的硬件少
2. 高级语言编程：运算能力强，编写方便
3. 高级语言和汇编语言混合编程：用高级语言编写计算、图形绘制、显示、打印程序，用汇编语言编写时钟管理、中断管理和输入输出程序等

第21页：工业控制组态软件与顺序数据结构

工业控制组态软件

1.控制组态 2.图形生成系统 3.显示组态

数据结构及其应用技术

1. 顺序结构

1. 线性表：一组有序的数据元素
2. 数组：线性表的推广，其中每个元素是由一个数值和一组下标组成
3. 堆栈：特殊结构的线性表，只能在一端插入或删除
4. 队列：是先进先出的表

第22页：链形结构与树形结构

2. 链形结构

链表由若干个节点组成，每个节点有两个域：一个数据域，用来存放数据元素；另一个是指针域，用来存放下一个节点的数据域首址。

3. 树形结构

每个记录有四个域：记录名、数据、左指针、右指针。把记录抽象为一个节点，则称为树形结构。

第23页：常用程序设计：数据查找技术

常用程序设计——数据查找技术

1. 顺序查找
2. 折半查找
3. 分块查找
4. 直接查找

第24页：测量数据预处理技术

测量数据预处理技术

系统误差的自动校准：1.全自动校准 2.人工自动校准

线性化处理和非线性补偿：

1. 铂热电阻的阻值与温度的关系：－200～0度 Rt＝R0[1＋At＋Bt^2＋C(t－100)t^3]；0～850度 Rt＝R0[1＋At＋Bt^2]
2. 热电偶的热电势与温度的关系
3. 孔板差压与流量的关系
4. 气体体积流量的非线性补偿

第25页：标度变换方法与越限报警处理

标度变换方法

1. 线性变化公式：前提是参数值与A/D转换结果之间为线性关系，Y＝(Ymax－Ymin)(X－Nmin)/(Nmax－Nmin)＋Ymin
2. 公式转换法
3. 其他标度变换法：如多项式插值、线性插值、查表等

越限报警处理：上限报警、下限处理、上下限处理。

第26页：数字控制器的工程实现框架

数字控制器的工程实现：数字控制器算法的工程实现可以分为6个部分。

• 给定值和被控量处理
• 偏差处理：计算偏差、偏差报警、输入补偿、非线性特性

第27页：控制算法实现与自动手动切换

控制算法的实现——控制量输出处理：

1. 输出补偿
2. 变化率限制
3. 输出保持
4. 安全输出

自动手动切换：软自动/软手动，控制量限幅，自动/手动，无平衡无扰动切换。

第28页：系统的有限字长数值问题

系统的有限字长数值问题

1. 量化误差来源：A/D转换的量化效应，控制规律计算中的量化效应，控制参数的量化效应和D/A转换的量化效应。

2. D/A转换器的字长选择；3. 运算的字长选择。

第29页：软件抗干扰：数字滤波技术

软件抗干扰技术

数字滤波技术：通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，实质上是一种程序滤波。

1. 算术平均值法
2. 中位值滤波法
3. 限幅滤波法
4. 惯性滤波法

第30页：开关量软件抗干扰与指令冗余技术

开关量的软件抗干扰技术

1. 开关量信号输入抗干扰措施
2. 开关量信号输出抗干扰措施

指令冗余技术

多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令（NOP）或将有效单字节指令重复书写，能保证弹飞的程序迅速纳入正轨。

软件陷阱技术

用一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。

第31页：7.3 接口与过程通道的基本概念

7.3 输入输出接口与过程通道

接口

计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入和输出接口。

接口技术

研究计算机与外部设备交换信息的技术。

过程通道

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（AI、AO、DI、DO）。

2.1 数字量输入输出通道（DI、DO）：数字量－开关量，用“0”和“1”两个量进行描述。

第32页：数字量输入接口

数字量输入输出接口

数字量输入接口：三态门缓冲器 74LS244

MOV DX, port IN AL, DX

第33页：数字量输出接口

数字量输出接口：锁存器 74LS273，利用 IOW 上升沿锁存

MOV AL, DATA MOV DX, port OUT DX, DL

第34页：数字量输入通道结构

数字量输入通道结构：生产过程 → 输入调理电路 → 输入缓冲器 → 地址译码器 → PC总线。

第35页：小功率输入调理电路与去抖

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

开关去抖电路：由积分电路与整形环节构成，消除机械触点抖动。

第36页：RS触发器去抖电路

RS触发器去抖：RS触发器在“1”负脉冲与“0”高电平作用下翻转，利用其双稳态特性消除触点抖动引起的多次跳变。

第37页：大功率输入调理电路

大功率输入调理电路——采用光电隔离：大功率系统中接点电压较高，通过光电耦合器实现高压侧与低压侧的电气隔离，保证计算机侧安全。

第38页：数字量输出通道结构

数字量输出通道结构：PC总线 → 地址译码器 → 输出锁存器 → 输出驱动器 → 生产过程。

第39页：小功率直流驱动电路：功率晶体管驱动继电器

2、输出驱动电路

小功率直流驱动电路——功率晶体管输出驱动继电器电路：续流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器线圈产生的反电动势提供旁路通道，保护晶体管。

第40页：达林顿阵列输出驱动继电器

达林顿阵列输出驱动继电器电路：MC1416，7路驱动，带保护二极管，可直接驱动多路继电器。

第41页：大功率输入信号电路

大功率输入调理电路：在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压；由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。

第42页：小功率直流驱动电路的两种形式

输出驱动电路

(1) 小功率直流驱动电路

1. 采用功率晶体管输出驱动继电器电路
2. 采用高压输出的门电路驱动继电器驱动电路

第43页：大功率驱动电路与固态继电器

(2) 大功率驱动电路：大功率驱动场合可以利用固态继电器（SSR）、IGBT、MOSFET实现。

固态继电器是一种四端有源器件，根据输出的控制信号分为直流固态继电器和交流固态继电器。

第44页：大功率驱动电路图

本页为大功率驱动电路的图示，对应上页固态继电器（SSR）、IGBT、MOSFET 等器件的驱动与隔离接线方式。

注：本页源文件仅保留页码数字，正文为电路图示，建议对照原课件图片核对器件型号与引脚。

第45页：模拟量输入通道的组成

模拟量输入通道的组成：过程参数 → 检测 → 信号调理 → 多路转换器 → 采样保持器 → A/D转换器 → 接口逻辑电路 → PC总线。

第46页：信号调理与量程自动转换

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。

量程自动转换技术：图中 (a) 为单参数测量系统，(b) 为多参数测量系统，区别在于是否设置多路转换开关。

第47页：可编程增益放大器PGA

量程自动转换就是指根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求。

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。

仪用测量放大器电路增益：A＝(1＋2R2/R1)·R4/R3

第48页：组合PGA的特点

组合PGA：可编程增益放大器（PGA）是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。

第49页：I/V变换的作用与两类实现

I/V变换：变送器输出的信号为0～10mA或4～20mA的统一信号，电流信号经过长距离传输到计算机接口电路，需要经过I/V变换成电压信号后才能进行A/D转换进而被计算机处理。电流/电压转换电路是将电流信号成比例地转换成电压。

常用I/V变换的实现方法有无源I/V变换和有源I/V变换。

(1) 无源I/V变换

主要利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施。

(2) 有源I/V变换

主要利用有源器件运算放大器、电阻组成，利用同相放大电路，把电阻R1上产生的输入电压放大。

第50页：无源与有源I/V变换电路

本页给出无源I/V变换电路（由 R1、R2 与滤波电容 C 构成，输入端接 +5V）与有源I/V变换电路（由运算放大器 A 与 R1～R5 构成，输出电压 VA＝(1＋R4/R3)·I·R1）。

第51页：多路转换器CD4051原理电路

本页为多路转换器 CD4051 的原理电路图：由地址译码与八路模拟开关构成，实现多路模拟信号的切换选通。

第52页：多路转换器应用电路图

本页为多路转换器应用的图示，对应 CD4051 等模拟多路开关在模拟量输入通道中的连接与扩展方式。

注：本页源文件仅保留页码数字，正文为电路图示，建议对照原课件图片核对通道编号。

第53页：采样保持器的作用与常用器件

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

常用的集成采样保持器有 LF198/298/398、AD582/585/346/389。

第54页：LF198/298/398原理图及引脚

本页为 LF198/298/398 的原理图及引脚排列：(a) 内部原理图，(b) 引脚排列，含输入、输出、逻辑控制与保持电容等引脚。

第55页：常用A/D转换方式

A/D转换器常用A/D转换方式

1. 逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比较），ADC0809（8位）、AD574（12位）
2. 双斜积分型：转换时间长，抗扰性好（积分），MC14433（11位）、ICL7135（14位）
3. 全并行比较型（Flash型）：采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高
4. 分级型：减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减小电路规模，保持较高速度
5. Σ-Δ型（过采样转换器）：高速1bit DAC＋数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高

第56页：A/D转换器的主要技术指标

A/D转换器的主要指标

1. 转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间，积分型毫秒级，逐次比较微秒级，全并行纳秒级
2. 分辨率：表示A/D转换器对模拟信号的反应能力，通常用数字量的位数 n（字长）来表示
3. 量程：即所能转换的电压范围
4. 精度：精度有绝对精度和相对精度
5. 输出逻辑电平：多数为TTL电平，有并行和串行两种输出形式
6. 工作温度范围：只有在一定范围内才能保证额定的精度指标；基准电源的精度将对整个A/D转换结果的输出精度产生影响

第57页：8位A/D转换器ADC0809

(1) 8位A/D转换器 ADC0809

ADC0809 是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装。

第58页：12位A/D转换器AD574A

(2) 12位A/D转换器 AD574A

AD574A 是AD公司生产的12位逐次逼近型ADC。

① AD574A的技术指标：

• 分辨率为12位；转换时间15～35μs
• 内部集成有转换时钟、参考电压源和三态输出锁存器，可以和计算机直接接口
• 数字量输出位数可设定为8位，也可设定为12位
• 输入模拟电压既可以单极性也可以双极性；单极性输入时：0V～＋10V或0V～＋20V；双极性输入时：±5V～±10V

第59页：AD574A引脚与封装图

本页为 AD574A 的引脚排列与封装图示，对应上节技术指标中的 12 位数据输出、片选、读写与状态信号引脚。

注：本页源文件仅保留器件编号与页码数字，正文为引脚图示，建议对照原课件图片核对引脚编号。

第60页：A/D转换器接口设计的内容

A/D转换器接口设计

硬件连接设计

模拟量输入信号的连接、数字量输出引脚的连接、参考电平的连接、控制信号的连接

软件设计

主要包括控制信号的编程：启动信号、转换结束信号以及转换结果的读出

第61页：A/D转换结束信号的三种处理方式

硬件设计

1. 模拟量输入信号的连接
2. 数字量输出引脚的连接
3. 参考电平的连接
4. 时钟的选择
5. A/D转换器的启动方式
6. 转换结束信号的处理

转换结束信号的硬件连接有三种形式：

1. 中断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上
2. 查询方式：把转换结束信号经三态门送到PC数据总线或I/O接口的某一位上
3. 转换信号悬空：即该管脚与其它管脚之间无电气连接

第62页：A/D转换软件设计流程

软件设计：启动A/D转换，中断、查询或延时等待转换时间后根据数据输出格式读出转换结果。

1. 启动A/D转换
2. 转换结果的读出：①中断方式 ②查询方式 ③软件延时方法

第63页：ADC0809与PC总线的连接

A/D转换器与PC接口：ADC0809 与 PC 总线的连接，数据线 D0～D7 与系统数据总线相连，由地址译码产生片选与通道锁存信号。

第64页：ADC0809的软件延时方式程序

一次A/D转换操作分两步进行：(1) 启动ADC0809，并锁存通道地址；(2) 判断A/D转换结束并读出转换结果。

设DAC端口地址为220H，要把0通道的模拟量转换成数字量，利用软件延时方式实现：

START：MOV AL，00H ；设定通道数 OUT 220H，AL ；送通道地址、启动A/D转换 CALL DELAY ；等待转换完成 IN AL，220H ；读取A/D转换结果

第65页：AD574A通过8255A与PC总线接口

AD574A与PC总线工业控制器接口：首先进行8255A的初始化。实现一次A/D转换，包括A/D转换的启动、检测转换是否结束、数据的读出，采用查询方式。

图为 AD574A 通过 8255A 与 PC 总线的连接图。

第66页：8255A初始化与启动A/D转换程序

(1) 8255A初始化设置

INIT： MOV AL，9AH ；设置A、B口及C口的工作方式 MOV DX，2D3H ；8255A的控制寄存器 OUT DX，AL ；方式字送控制寄存器

(2) 启动A/D转换

START：MOV AL，00H ；8255A的端口C MOV DX，2D2H ；使启动信号＝0，启动A/D转换 OUT DX，AL

第67页：查询方式检测转换结束并读出数据

(3) 检测转换是否结束及数据的读出

LOOP： MOV DX，2D2H ；8255A的端口C IN AL，DX ；查询STS的状态 TEST AL，80H JNZ LOOP ；转换未完成，继续等待 MOV AL，01H ；转换完成，置位 MOV DX，2D2H OUT DX，AL DEC DX IN AL，DX ；读入端口B高8位数据 MOV [BX＋1]，AL ；数据保存 DEC DX IN AL，DX ；读入端口A数据 ANL AL，0F0H ；屏蔽低四位数据 MOV [BX]，AL ；数据保存

第68页：模拟量输出通道的两种结构

模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、采样保持器、V/I变换等组成。

形式1 一个通道设置一个D/A转换器

接口 → D/A → V/I转换器 → 通道1…通道n，各通道独立转换，输出保持能力强

形式2 多个通道共用一个D/A转换器

由D/A转换器输出经多路开关与采样保持器分配到各通道，成本较低

第69页：多个通路共用一个D/A转换器的结构

本页为多个通路共用一个D/A转换器的结构图：D/A转换器输出经多路转换开关分时送至各路采样保持器，再由保持器维持各通道的模拟输出。

第70页：D/A转换器的主要技术指标

D/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或装置，其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比例。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器。

分辨率

用D/A转换器数字量的位数 n（字长）来表示

建立时间

指D/A转换器中代码有满度的变化时，其输出达到稳定（离终值±1/2LSB相当的模拟量范围内）所需要的时间

非线性误差

实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量

输入编码

一般为并行或串行二进制码输入，也有BCD码输入

第71页：8位D/A转换器DAC0832的技术指标

(1) 8位D/A转换器 DAC0832

① 主要技术指标：

• DAC0832 采用双缓冲方式，可以在输出的同时采集下一个数据，从而提高转换速度；能够在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出
• 8位分辨率，电流输出，稳定时间为1µs
• 可双缓冲、单缓冲或直接数字输入
• 只需在满量程下调整其线性度
• 单一电源供电（＋5～＋15V）；低功耗，20mW；逻辑电平输入与TTL兼容

第72页：DAC0832的内部结构

(2) DAC0832的内部结构：主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、采用R-2R电阻网络的8位D/A转换器、相应的选通控制逻辑四部分组成。

主要引脚：DI0～DI7、ILE、CS、WR1、WR2、XFER、AGND、RFB、IOUT1、IOUT2、VREF。

第73页：12位D/A转换器DAC1210

⑴ 12位D/A转换器 DAC1210

① DAC1210的技术指标

12位分辨率；单电源（＋5V～＋15V）工作；电流建立时间为1µs；输入信号与TTL电平兼容。

② DAC1210的内部结构

DAC1210 的基本结构与 DAC0832 相似，也是由两级缓冲器组成；主要差别在于它是12位数据输入，为了便于和PC总线接口，它的第一级缓冲器分成了一个8位输入寄存器和一个4位输入寄存器，以便利用8位数据总线分两次将12位数据写入DAC芯片。这样，DAC1210 内部就有三个寄存器，需要3个端口地址，为此内部提供了三个信号的控制逻辑。

第74页：DAC1210内部结构图

本页为 DAC1210 的内部结构图：8位输入寄存器与4位输入寄存器分别锁存高8位与低4位数据，再送入12位DAC寄存器与D/A转换网络。

第75页：D/A转换器应用接口设计

D/A转换器与接口技术：D/A转换器应用接口的设计，主要包括数字量输入信号的连接以及控制信号的连接。

D/A编程相对简单，包括：选中D/A转换器、送转换数据到数据线、启动D/A转换。

1. 数字量输入信号的连接：连接时要考虑数字量的位数，D/A转换器内部是否有锁存器
2. 控制信号的连接：片选信号、写信号及转换启动信号

第76页：DAC0832与PC的连接

D/A转换器与PC接口：8位D/A转换器 DAC0832 与 PC 的连接，数据线接系统数据总线，由地址译码产生片选并与写信号共同启动转换。

第77页：DAC0832的接口程序

若 DAC0832 的地址为 200H，则8位二进制数 56H 转换为模拟电压的接口程序如下：

CONVERT：MOV DX，200H ；DAC0832地址 MOV AL，56H ；要转换的立即数 OUT DX，AL ；CS/＝WR1/＝0，启动D/A转换

第78页：DAC1210与PC总线的连接

12位D/A转换器与PC的连接：DAC1210 与 PC 总线的连接，利用三个端口地址分别写入高8位、低4位并启动12位转换。

第79页：DAC1210的接口程序

转换12位二进制数 68FH，则程序如下：

CONVERT：MOV AL，68H ；高8位数据 MOV DX，220H OUT DX，AL ；高8位数据送数据线 INC DX ；修改地址指针，指向221H MOV AL，0F0H ；低4位数据 OUT DX，AL ；低4位数据送数据线 INC DX ；修改地址指针，指向222H OUT DX，AL ；启动12位数据开始转换

第80页：D/A转换器的输出形式

D/A转换器的输出形式：D/A转换器的输出有电流和电压两种方式，一般电流输出需经放大器转换成电压输出。电压输出可以构成单极性电压输出和双极性电压输出电路。

D/A转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，而与其位数无关。

单极性电压输出

指输入值只有一个极性（或正或负），D/A的输出也只有一个极性

双极性电压输出

指当输入值为符号数时，D/A的输出反映正负极性

第81页：单、双极性输出电路

本页为单、双极性输出电路图：由运算放大器与 R1～R4 构成，取 R1＝2R、R3＝2R、R2＝R、R4＝R 实现双极性偏移。

第82页：单双极性输出的计算

Vout1＝－VREF·D/2^n，Vout2＝－(VREF·R3/R1＋Vout1·R3/R2)＝VREF(D/2^(n－1)－1)

根据上面两式，对于8位D/A转换器，有：

• D＝0 时：Vout1＝0，Vout2＝－VREF
• D＝80H 时：Vout1≈－VREF·128/256，Vout2≈0
• D＝FFH 时：Vout1＝－VREF·255/256，Vout2≈VREF·(2×128－1)/128·…≈＋VREF

第83页：V/I变换电路

V/I变换：V/I转换电路如为同相端输入，采用电流串联负反馈形式，而且有恒流作用，Iout＝Vin/Rf。

第84页：集成V/I变换器XTR110

集成V/I变换电路：XTR110 是美国Burr-Brown公司推出的精密V/I变换器，它是专为模拟信号传输所设计的。

(1) XTR110的主要性能特点：

• 采用标准4～20mA电流传输；输入/输出范围可选择
• 最大非线性误差为0.005％；带有精确的＋10V参考电压输出
• 采用独立电源工作模式，且电压范围很宽（13.5V～40V）；引脚可编程

第85页：D/A、A/D转换器的接地

D/A、A/D转换器的电源、接地与布线

数据采集系统中，接地点分为两类：逻辑电路的返回端（数字地）和模拟公共端（模拟地）。在全部电路中的数字地和模拟地仅仅连在一点上，在芯片和其他电路中不可再有公共点接地。

第86页：电源与布线原则

电源

D/A、A/D转换电路中，供电电源电压的不稳定会影响转换结果。一般要求纹波电压小于1%。可采用钽电容或电解电容滤波。为了改善高频特性，还应用高频滤波电容。电路板设计时，每个芯片的电源线与地线之间要加旁路电容，并应尽量靠近D/A、A/D转换芯片，一般选用0.01～0.1µF的电容。

布线

印刷电路板布线的一般原则：尽量缩短传输导线长度；数字信号与模拟信号尽量远离；电源线和地线的电流密度不应太大，以减少电源线和地线引入的干扰；印刷电路板中导线宽度与电流关系一般为2A/mm。

第87页：串模干扰与共模干扰的定义及滤波法

过程通道抗干扰技术

串模干扰（常态干扰）

串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声

共模干扰（共态干扰）

共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压

串模干扰的抑制——(1) 滤波法：采用RC滤波器，图中给出两级RC网络（如 5.1MΩ＋0.1µF、100kΩ＋0.1µF、75Ω＋500µF 等参数组合）。

第88页：串模干扰的其它抑制方法

2. 对于电磁感应产生的串模干扰，应对被测信号尽可能早地进行信号放大，以提高电路中的信号噪声比；或者尽可能早的完成A/D转换再进行长线传输；或者采用隔离和屏蔽等措施
3. 从选择元器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰，如采用双积分A/D转换器；也可以采用高抗干扰度的逻辑器件，通过提高阈值电平来抑制低频噪声的干扰；此外也可以人为地附加电容器，以降低某个逻辑器件的工作速度来抑制高频干扰
4. 利用数字滤波技术对已进入计算机的串模干扰进行数据处理，可以有效地滤去难以抑制的串模干扰

第89页：共模干扰的抑制方法

共模干扰的抑制

1. 利用双端输入的放大器作前置放大器
2. 利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载和数字信号隔离，即“模拟地”与“数字地”断开，被测信号通过变压器或光电耦合器获得通路，而共模干扰不能形成回路而得到抑制

第90页：双层屏蔽—浮地输入方式

(3) 采用双层屏蔽—浮地输入方式：该方法是将测量装置的模拟部分对机壳浮地，从而达到抑制干扰的目的。

第91页：双层屏蔽—浮地方式接线图

本页为双层屏蔽—浮地方式接线图：被测信号 Us 经 Rs、Rc 接入，Z1、Z2 为内外屏蔽阻抗，电缆屏蔽层与内屏蔽盒相连，共模电流 Icm1、Icm2 分别经不同路径回流，从而抑制共模干扰 Ucm。

第92页：数字量传输通道干扰的抑制（一）

数字量传输通道干扰的抑制

(1) 数字信号负逻辑传输：采用负逻辑（低电平有效）传输数字信号，可提高抗干扰能力。

第93页：数字量传输通道干扰的抑制（二）

2. 提高数字信号的电压等级：提高输入信号的电压等级以增大噪声容限
3. 通过光电耦合隔离
4. 提高输入端的门限电压

第94页：提高门限电压的抗干扰电路

本页为提高门限电压的抗干扰电路：(a)、(b) 两种输入电路均采用 74LS14 施密特反相器整形，利用其回差特性提高输入端门限电压，抑制干扰。

第95页：系统供电结构

系统供电与接地技术

一般供电结构：～220V → 交流稳压器 → 低通滤波器 → 直流稳压器 → 计算机；另一路由变压器 → 整流滤波 → 直流稳压器 → 直流低电设备。

计算机系统的供电一般如图所示。为了确保系统可靠运行，要有过压、过流保护措施，在重要的场合要配有UPS不间断电源。

第96页：接地的分类

接地的分类

1. 安全接地：保护接地、保护接零
2. 工作接地：浮地方式、直接接地方式、电容接地方式
3. 屏蔽接地

第97页：浮地—屏蔽接地与一点接地

接地技术

1. 浮地—屏蔽接地
2. 一点接地：一点接地的两种方法——串联一点接地与并联一点接地，图中分别给出 R1、R2、R3 的连接方式。

第98页：本章思考题

本章思考题

1. 什么是最小拍系统？最小拍系统有什么不足之处？
2. 试说出针对广义控制对象的有纹波最小拍无差控制器的约束条件
3. 试说出设计无纹波最小拍无差控制器系统所满足的必要条件及约束条件
4. 说出达林算法所应用的控制对象、原理及步骤
5. 说明什么是振铃现象，如何消除振铃现象？