0 b 输入 输出 输入 出 稳压二极管 压敏电阻 0- 0 (a)采用稳压二极管抑制解态尖峰 6)采用压敏电阻抑制驿态尖峰 0 0 输入 输出 输入 输出 稳庄二极 (©)采用二级管进行反极性保护 (④采用稳压二极管抑制过电压 图2.4输入保护电路 (3)消除机械抖动影响 操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上 就是输入信号在逻辑0和1之间多次振荡，如不适当处理就会导致计算机的错误控制。图2.5是常用的R-S 触发器消除开关抖动的电路，它可以消除开关的抖动信号。 & +5W 图2.5RS触发器消除开关抖动的电路 (4)滤波处理 由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输入信号带有噪声信号，这有可能号致误读信号而出错。图2.6 给出一种用RC滤波电路去除接口噪声的方法，它同样可以消除开关的抖动信号。 R 图2.6RC滤波电路 (5)隔离处理 从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身 不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔 离措施是采用光电耦合器件实现的。图2.7给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之 外，还具有电平转换功能
图 2.4 输入保护电路 (3) 消除机械抖动影响 操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上 就是输入信号在逻辑 0 和 1 之间多次振荡，如不适当处理就会导致计算机的错误控制。图 2.5 是常用的 R-S 触发器消除开关抖动的电路，它可以消除开关的抖动信号。 图 2.5 RS 触发器消除开关抖动的电路 (4) 滤波处理 由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输入信号带有噪声信号，这有可能导致误读信号而出错。图 2.6 给出一种用 RC 滤波电路去除接口噪声的方法，它同样可以消除开关的抖动信号。 图 2.6 RC 滤波电路 (5) 隔离处理 从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身 不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔 离措施是采用光电耦合器件实现的。图 2.7 给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之 外，还具有电平转换功能
9 Vcc=+5V Vcc=+5V R. +5V 开入信号 R 至输入接口 至输入接口 0开入 一0信号 (@)适于触点信号或TTL信号输入的隔离电路 而)适于非TTL电平信号输入的隔离电路 图2.7开关量光电耦合输入电路 (6)光电耦合器件原理与使用 光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于它价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场设备 与计算机系统之间的隔离保护。根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器件可分为三极管型、可控硅 型等几种，但其工作原理都是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。 此处以图2.8所示的三极管输出型的光电隔离器件为例介绍隔离原理。当输入侧（即发光二极管）流过一定 的电流IF时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极 管截止。这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。 图2.8晶体管输出型光电隔离器件原理图 使用光电隔离器件时，应注意以下几点： ①输入侧导通电流 要使光电隔离器件的导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电隔 离器件的导通电流也不同，典型的导通电流I=10mA。 ②频率特性 受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在传 送高频信号时，应该考虑光电隔器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。 ③输出端工作电流 光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在A量 级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。 ④输出端暗电流 这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考虑 由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。 ⑤隔离电压 它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。 ⑥电源隔离 光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。无论是输入隔离还是输出隔离，只要采取光电隔离措施，就 必须保证被隔离部分之间电气完全隔离，否则就起不到隔离作用了。 第二节开关量输出 图2.9给出了典型的开关量输出通道结构
图 2.7 开关量光电耦合输入电路 (6) 光电耦合器件原理与使用 光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于它价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场设备 与计算机系统之间的隔离保护。根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器件可分为三极管型、可控硅 型等几种，但其工作原理都是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。 此处以图 2.8 所示的三极管输出型的光电隔离器件为例介绍隔离原理。当输入侧(即发光二极管)流过一定 的电流 IF 时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极 管截止。这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。 图 2.8 晶体管输出型光电隔离器件原理图 使用光电隔离器件时，应注意以下几点： ① 输入侧导通电流 要使光电隔离器件的导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电隔 离器件的导通电流也不同，典型的导通电流 IF=10mA。 ② 频率特性 受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在传 送高频信号时，应该考虑光电隔器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。 ③ 输出端工作电流 光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在 mA 量 级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。 ④ 输出端暗电流 这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考虑 由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。 ⑤ 隔离电压 它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。 ⑥ 电源隔离 光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。无论是输入隔离还是输出隔离，只要采取光电隔离措施，就 必须保证被隔离部分之间电气完全隔离，否则就起不到隔离作用了。 第二节 开关量输出 图 2.9 给出了典型的开关量输出通道结构
行接 输出处 开关量输出 CPU 可编程序 输 定时/计数器 (外部扩展的 处 脉冲输出 或CPU内部的) 图2.9典型的开关量输出通道结构 在计算机控制系统中，开关量输出信号用于控制恪种现场设备，因此要考虑电平转换、功率放大、抗干扰 及安全等问题。针对具体情况，往往采取以下措施。 1.隔离处理 当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电 压通过输出控制通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和计算机系统。图2.10和图 2.11(a)均是采用了光电隔离的开关量输出电路。 2.电平转换和功率放大 计算机通过并行接口电路输出的开关量信号，往往是低压直流信号。一般来说，这种信号无论是电压等 级、还是输出功率，均无法满足执行机构的要求，所以应该进行电平转换和功率放大，再送往执行机构。 第三节模拟量输入 生产过程中的随时间连续变化的物理量，如温度、压力、流量、液位、湿度等，由传感器检测拼转换为模 拟的电信号，通过模拟量输入通道送至计算机系统，最终经A/D转换器转化为数字量，才能交由计算机处 理。 在计算机控制系统中，一般采用集成A/D转换器完成模拟量到数字量的转换。集成A/D转换器的类型繁 多，按转换原理可分为逐次逼近式、双斜积分式、V/斥变换式、并行式等，各种A/D转换器的接口形式、转 换位数、分辨率、线性度、参考电压提供方式、抗干扰能力、价格等差别很大，表22介绍了部分常用的 A/D转换器的性能、参数。另外，一些微处理器芯片（如M68HC11系列、MCS196、MCS98等）含有内置的 A/D转换器，当控制系统的CPU选择此类微处理器时，可以直接利用片内A/D转换器完成模拟量输入转 换。1.多路AWD转换技术 (1)多路A/D转换系统的结构 一般来说，有三种方案可以解决多路模拟量输入问题：①采用集成多路A/D转换器，如ADC0809(8 路、8位)、MA186(8路、12位)等，或选择内含集成多路A/D转换器的微处理器，如M68HC11系列、 MCS96系列的微处理器。这种方案的设计简洁、可靠性高，在转换精度、线性度、温度漂移、通道数等可以 满足要求的情况下，应优先考虑采用；但也应注意有时各模拟量输入互相串扰的问题。②每个模拟量输入配置 一个A/D转换器。当系统中模拟量输入较多时，硬件费用会迅速增加、可靠性降低，一般不采用这种方案， 仅在考虑转换速度、各模拟量互相串扰等情况下使用。③采取多路模拟量输入复用一个A/D转换器的方案， 如图2.16所示
图 2.9 典型的开关量输出通道结构 在计算机控制系统中，开关量输出信号用于控制各种现场设备，因此要考虑电平转换、功率放大、抗干扰 及安全等问题。针对具体情况，往往采取以下措施。 1．隔离处理 当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电 压通过输出控制通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和计算机系统。图 2.10 和图 2.11(a)均是采用了光电隔离的开关量输出电路。 2．电平转换和功率放大 计算机通过并行接口电路输出的开关量信号，往往是低压直流信号。一般来说，这种信号无论是电压等 级、还是输出功率，均无法满足执行机构的要求，所以应该进行电平转换和功率放大，再送往执行机构。 第三节 模拟量输入 生产过程中的随时间连续变化的物理量，如温度、压力、流量、液位、湿度等，由传感器检测并转换为模 拟的电信号，通过模拟量输入通道送至计算机系统，最终经 A/D 转换器转化为数字量，才能交由计算机处 理。 在计算机控制系统中，一般采用集成 A/D 转换器完成模拟量到数字量的转换。集成 A/D 转换器的类型繁 多，按转换原理可分为逐次逼近式、双斜积分式、V/F 变换式、并行式等，各种 A/D 转换器的接口形式、转 换位数、分辨率、线性度、参考电压提供方式、抗干扰能力、价格等差别很大，表 2.2 介绍了部分常用的 A/D 转换器的性能、参数。另外，一些微处理器芯片(如 M68HC11 系列、MCS196、MCS98 等)含有内置的 A/D 转换器，当控制系统的 CPU 选择此类微处理器时，可以直接利用片内 A/D 转换器完成模拟量输入转 换。 1. 多路 A/D 转换技术 (1) 多路 A/D 转换系统的结构 一般来说，有三种方案可以解决多路模拟量输入问题：①采用集成多路 A/D 转换器，如 ADC0809(8 路、8 位)、MAX186(8 路、12 位)等，或选择内含集成多路 A/D 转换器的微处理器，如 M68HC11 系列、 MCS96 系列的微处理器。这种方案的设计简洁、可靠性高，在转换精度、线性度、温度漂移、通道数等可以 满足要求的情况下，应优先考虑采用；但也应注意有时各模拟量输入互相串扰的问题。②每个模拟量输入配置 一个 A/D 转换器。当系统中模拟量输入较多时，硬件费用会迅速增加、可靠性降低，一般不采用这种方案， 仅在考虑转换速度、各模拟量互相串扰等情况下使用。③采取多路模拟量输入复用一个 A/D 转换器的方案， 如图 2.16 所示
A/D 采样 放大 信号 微型计算机 接口电路 转换 保持 调理 电路 海 电路 电路 采样/保特控制 道边择 图2.16多路复用方式A/D转换原理 (2)多路开关 多路开关是多路复用式A/D转换电路的重要机构，下面介绍两种常用类型。 ①机械触点式 机械触点式多路开关主要有干簧继电器、水银继电器等，其中干簧继电器体积小、切换速度高、噪声小 寿命长，最适合作为模拟输入的多路开关。干簧继电器的开关频率为10~40次/秒，断开时的电阻大于1M Ω，导通电阻小于50m2,切换动作时间约1s,不受环境温度影响，可通过的电压、电流容量大，动态范 围宽；与电子开关相比，其缺点是体积大、工作频率低，而目通断时有机械抖动现象，故一般用于低速高精度 检测系统中。图2.17为干簧继电器的原理，线圈通/断电就使触点接触或断开。 图2.17干簧继电器的原理 ②集成多路模拟开关 集成模拟开关是将多路半导体模拟开关集成在一个芯片上，其特点是切换速度高、体积小、应用方便，但 比机械多路开关的导通电阻大，为几十~几百欧姆，而且各通道之间有时会互相串扰。 2.采样保持器 在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换器的孔径时间（即转换时间）而造成较 大的转换误差，克服的方法是在A/D转换器之前设置采样保持电路。采样保持器平时处于"采样”状态，跟 踪输入信号变化；进行AD转换之前使其处于"保持”状态，则在A/D转换期间一直保持转换开始时刻的模 拟输入电压值；转换结束后，又使其变为“采样”状态。是否设置采样保持器，应根据模拟输入信号的变化频 率和A/D转换器的孔径时间来确定。 在多路复用方式A/D转换系统中，各模拟量输入共用一个采样保持器，见图2.16。另外，在多通道复用 一个D/A转换器的模拟输出方式里，为了从一个D/A转换器输出不同通道的不同模拟电压，也需要采用采样 保持器。 3.模拟量输入的隔离 出于对系统抗干扰、噪声抑制及安全等因素的考虑，往往对模拟量信号输入进行隔离。根据具体情况，可 以采用以下几种措施。 (1)光电隔离 在计算机控制系统中，一般在计算机接口和A/D转换电路之间实施光电隔离，见图2.22。这种隔离保证 了模拟量信号输入部分和计算机数字处理系统之间的彻底的电气隔离，而且由于是在数字接口部分隔离，使得 其实现简单、造价低廉
图 2.16 多路复用方式 A/D 转换原理 (2) 多路开关 多路开关是多路复用式 A/D 转换电路的重要机构，下面介绍两种常用类型。 ① 机械触点式 机械触点式多路开关主要有干簧继电器、水银继电器等，其中干簧继电器体积小、切换速度高、噪声小、 寿命长，最适合作为模拟输入的多路开关。干簧继电器的开关频率为 10～40 次/秒，断开时的电阻大于 1M Ω，导通电阻小于 50mΩ，切换动作时间约 1ms，不受环境温度影响，可通过的电压、电流容量大，动态范 围宽；与电子开关相比，其缺点是体积大、工作频率低，而且通断时有机械抖动现象，故一般用于低速高精度 检测系统中。图 2.17 为干簧继电器的原理，线圈通/断电就使触点接触或断开。 图 2.17 干簧继电器的原理 ② 集成多路模拟开关 集成模拟开关是将多路半导体模拟开关集成在一个芯片上，其特点是切换速度高、体积小、应用方便，但 比机械多路开关的导通电阻大，为几十～几百欧姆，而且各通道之间有时会互相串扰。 2. 采样保持器 在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于 A/D 转换器的孔径时间(即转换时间)而造成较 大的转换误差，克服的方法是在 A/D 转换器之前设置采样保持电路。采样保持器平时处于“采样”状态，跟 踪输入信号变化；进行 A/D 转换之前使其处于“保持”状态，则在 A/D 转换期间一直保持转换开始时刻的模 拟输入电压值；转换结束后，又使其变为“采样”状态。是否设置采样保持器，应根据模拟输入信号的变化频 率和 A/D 转换器的孔径时间来确定。 在多路复用方式 A/D 转换系统中，各模拟量输入共用一个采样保持器，见图 2.16。另外，在多通道复用 一个 D/A 转换器的模拟输出方式里，为了从一个 D/A 转换器输出不同通道的不同模拟电压，也需要采用采样 保持器。 3. 模拟量输入的隔离 出于对系统抗干扰、噪声抑制及安全等因素的考虑，往往对模拟量信号输入进行隔离。根据具体情况，可 以采用以下几种措施。 (1) 光电隔离 在计算机控制系统中，一般在计算机接口和 A/D 转换电路之间实施光电隔离，见图 2.22。这种隔离保证 了模拟量信号输入部分和计算机数字处理系统之间的彻底的电气隔离，而且由于是在数字接口部分隔离，使得 其实现简单、造价低廉
微型计算机 接口电路 光电隔 A/D 信号 调理 器 电路 模拟量输入 图222模拟量信号输入的光电隔离 (2)共模电压的隔离 共模电压是指多根信号线对参考电压的相等的部分。若是相差的部分则为差模电压。 常用的共模电压隔离措施有以下几种： ①光电隔离 这种隔离即前面所述的模拟量信号输入光电隔离技术，它实现了模拟部分和数字部分的电气隔离，能够克 服光电隔离输出、输入两端设备的地线间的共模干扰，但无法克服模拟信号之间的共模干扰。 ②电容隔离技术 这种隔离方法的原理见图2.23。平时，开关K1(i=1,2,n)处于闭合状态，C的电压跟踪V的输入值，开 关K2(=1,2,n)处于断开状态。需检测V时，则令K1断开，K2z闭合，放大器K的输出经采样保持器送至 A/D转换器化为数字量，然后开关再恢复平时的状态。在采样、转换过程中，放大器K不与任何模拟量信号 输入共地，电容C的电压均为差模电压，这样就克服了共模电压的影响。 U 注意：开关应为一姐高质量绿电卷的 触点.电容C(-1,2)为小的 高质量电容器， 宁c, 图2.23共模电压的电容隔离技术 ③隔离放大器 隔离放大器包括高性能的运算放大器、调制解调器、信号耦合变压器、输出运算放大器、滤波器和电源几 个部分。输入、输出和电源都是由变压器隔离的，没有任何电路连接，从而实现了输入信号、输出信号及电源 的隔离。详见教材。 4.模拟量输入信号的放大 传感器的输出信号通常都是弱信号，需经放大才能进行A/D转换，信号放大是控制系统中不可缺少的环 节。 (1)测量放大器 传感器的输出信号一般较弱，且其中含有各种共模干扰，这就要求对其放大的电路具有很高的共模抑制比 和高增益、高输入阻抗、低噪声，习惯上称这种放大器为测量放大器或仪表放大器。 图2.26是四个运放构成的仪表放大器电路，其中，运算放大器放A1?A3构成仪表放大器，A4用于实现 零输出的综合补偿
图 2.22 模拟量信号输入的光电隔离 (2) 共模电压的隔离 共模电压是指多根信号线对参考电压的相等的部分。若是相差的部分则为差模电压。 常用的共模电压隔离措施有以下几种： ① 光电隔离 这种隔离即前面所述的模拟量信号输入光电隔离技术，它实现了模拟部分和数字部分的电气隔离，能够克 服光电隔离输出、输入两端设备的地线间的共模干扰，但无法克服模拟信号之间的共模干扰。 ② 电容隔离技术 这种隔离方法的原理见图 2.23。平时，开关 K1i(i=1,2,...,n)处于闭合状态，Ci的电压跟踪 Vi的输入值，开 关 K2i(i=1,2,...,n)处于断开状态。需检测 Vi时，则令 K1i断开,K2i闭合，放大器 K 的输出经采样保持器送至 A/D 转换器化为数字量，然后开关再恢复平时的状态。在采样、转换过程中，放大器 K 不与任何模拟量信号 输入共地，电容 Ci的电压均为差模电压，这样就克服了共模电压的影响。 图 2.23 共模电压的电容隔离技术 ③ 隔离放大器 隔离放大器包括高性能的运算放大器、调制解调器、信号耦合变压器、输出运算放大器、滤波器和电源几 个部分。输入、输出和电源都是由变压器隔离的，没有任何电路连接，从而实现了输入信号、输出信号及电源 的隔离。详见教材。 4. 模拟量输入信号的放大 传感器的输出信号通常都是弱信号，需经放大才能进行 A/D 转换，信号放大是控制系统中不可缺少的环 节。 (1) 测量放大器 传感器的输出信号一般较弱，且其中含有各种共模干扰，这就要求对其放大的电路具有很高的共模抑制比 和高增益、高输入阻抗、低噪声，习惯上称这种放大器为测量放大器或仪表放大器。 图 2.26 是四个运放构成的仪表放大器电路，其中，运算放大器放 A1?A3 构成仪表放大器，A4 用于实现 零输出的综合补偿