暖通与燃气数值化测量技术2007

暖通与燃气数值化测量技术

学时数：30学时 专业班级：07级研究生 学分： 2学分 授课时间：2007年9月

第一章 计算机控制技术基础

1-1 概述

电子计算机是本世纪40年代中期开始发展起来的，1971年以后，随着大规模集成电路技术的飞速发展，诞生了微型计算机，引起了科学技术的深刻革命。计算机正进入人们生活的各个领域，给整个世界带来了巨大变化，从人类生产到生活以至战争，影响之大，出乎人们的预料。 CPU ROM RAM

I/O接口电路

Single Chip Computer Single Board Computer 1-1-1 自动化与工控机

“4A”（工业自动化、农业自动化、办公自动化、家庭自动化）已成为国际上的热门话题，有许多问题需要研究和解决。

工控机：现代化工业实现自动化不可缺少的工具。运转率99.95%，即一年的停机不超过4小时。 MTBF 平均无故障时间 MTTR 短的故障修复时间 1-1-2 工控机的研制与发展

工控机的三个发展阶段：50年代至60年代初期为开创时期；60年代末至70年代初为系列小型机发展时期；进入70年代中期以后，以微型机为基础的工控机获得了迅速发展和广泛应用（工控机测控系统：微机自动测试系统、

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微机数控及程控装置；采用“4C”技术的微机测控系统）。 4C：computer、communication、control、CRT 工控机开创时期

50年代初开创，萌芽了将数字计算机作为测控系统的组成部分这一思想，着重研究数字计算机在导弹和飞机测控方面的应用。50年代中期，计算机开始用于过程控制，美国Thomson Ramo Woolrige（TRW）航空公司和Texaco公司联合提出了一个可行性研究报告，针对得克萨斯州的Port Arthur炼油厂的一台聚合装置进行研究，设计出采用TRW-300计算机的聚合装置测控系统，该系统1959年投入运行，它控制26个流量、72温度、3个压力和3 个成分，基本功能是使反应器的压力最小，对5个反应器供料确定最佳分配，根据催化剂性能的测量结果控制热水的注入量，以确定最佳循环。

60年代初，英国的帝国化学工业公司制造出一套以计算机为中心的过程控制系统，它可以直接测量224个过程参数并控制129个阀门。

60年代末，以计算机为中心的测控系统得到了迅速发展并推广应用。当时，测控系统采用16位字长小型计算机，如CDC1700、PDP-11、以及NOVA等机型。

1969年发表CAMAC标准（采用标准接口的计算机自动测量和控制系统），1972年发表OP-IB通用接口标准。

70年代中期，采用微处理器的工控装置，如微型机程控装置、数控装置、可编程控制器、数据通信装置、数字信号处理技术和数字处理机等相继问世。这个时期计算机系统的特点：采用开放式的结构和总线（BUS）系统。如S-100总线、STD总线和IBM PC/XT/AT总线等。以采用“4C”技术为特征的分散控制系统得到了长足的发展。

1976年IEC着重研究过程数据公路（Proway）国际标准规程，出现了MAP标准，为分散系统的发展奠定了良好基础。80年代初，单回路调节器研制成功，小型分散控制系统得到进一步发展，光纤通信技术引入分散型控制系统的数据公路，微型可编程控制器及快速通信系统研制成功。

当前，工控机仍以大系统和分散对象应用为主，采用分布式系统结构，继续发展分散型控制系统。另一方面，为适应工业过程、科学实验和测量自动化，

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发展适合中低层次需要的测控系统。这类系统大都采用开放式系统设计思想，充分考虑了数据采集、处理、控制多方面要求，在继承集中式体系结构的基础上进行联网。1987年美国FOXBORO公司率先推出新一代的控制系统——I/A系列智能自动化系统。不仅使当今的自动化更具有灵活性、完善性、经济性和安全性，而且为将来的工业信息集成和自动化系统提供了新的结构，成为当今自动化系统的最新结构。

微电子技术、通信技术、CRT技术、控制技术的发展和微处理器的应用给工控机的发展带来了深刻影响。分布式体系和集中式体系互为补充，工业控制局域网成为工控机系统发展的重要方向，分散控制系统和工业微型机测量和控制系统成为代表产品被广泛应用。过程控制和管理有机结合，发展控制与管理集成系统、智能自动化系统已成为当今国际上工控机系统的发展方向。 我国工控机的发展概况

“六·五”期间，工控机列入国家计算机系列型，开展了工控机系统、分散控制型系统、工业控制模板系列、过程通道子系统、自动测试系统和微机数控、程控装置等各系列产品的研究。

“七·五”期间，分散型控制系统与工业控制局域网列入国家攻关计划，我国工控机已成为一个跨行业、跨地区、跨部门的高新技术行业。

工控机应用于过程控制、设备配套潜力很大。效益明显。从系统结构上来看，分布式系统结构是发展的方向，不排斥集中式系统结构，两者互为补充。另外，设备配套、机电一体化配套将是工控机OEM（Original Equipment Manufacture）产品应用的主要领域。 1-2计算机控制系统的基本组成、分类和特点 1-2-1 工业控制机的组成

工控机系统包括硬件和软件。硬件方面包括主机、外部设备以及与被控对象相联系的过程输入输出设备和人-机对话设备。软件方面包括工业控制的实时系统软件、通用应用软件和专用软件。 1-2-2 工业控制系统的基本结构 两种基本结构：内总线结构和外总线结构 1-2-3 工业控制系统的分类

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1、可编程控制器PLC 2、微型机测控系统 3、分散式计算机测控系统 4、单片微控制器 1-2-4 工业控制机的特点 1、输入/输出功能 2、实时性 3、高可靠性 4、环境适应性 5、丰富的应用软件 6、技术综合性

计算机在控制系统中的典型应用方式 1-3-1 数据采集和数据处理系统 1-3-2 开环计算机监督控制系统 1-3-3 直接数字控制系统（DDC） DDC优点

可实现多个回路的PID控制 容易实现复杂控制规律 变更方案、参数等方便 容易实现无扰动切换 系统品质得到提高

1-3-4 计算机监督控制系统（SCC，又称SPC）SCC+模拟 SCC+DDC

1-3-5 分级控制系统（MCS） 计算机总线结构 何谓总线？ 微处理器总线示意图 1-4-1 总线结构

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1-3 1-4 数据总线（What） 地址总线（Where） 控制总线（When）

1-4-2常用总线及其技术特点 S-100总线 MulitibusⅠ和Ⅱ

VME总线（IEEE1014标准） 微通道和EISA总线

采用总线复用技术的Q总线和NUBUS IBM PC总线和AT总线

STD（Standard）总线 1987年末被批准为IEEE961标准

PC总线主要用于数据处理、软件开发工具以及一般用途；VEM总线包括Multibus主要用于工作站、图像处理等高性能领域；工控领域主要采用STD总线，以及PC总线和VME总线。 1-4-3 STD总线工业机 1、STD总线引脚定义 2、STD总线引脚说明 3、STD总线引脚信号描述 4、STD总线的技术特点

4个特点: 小板结构和高度的模板化

严格的标准化和广泛的兼容性 面向I/O口的设计

高可靠性（例如美国Pro-Log公司生产的STD总线提供5年保用期，

MTBF超过60年，采用了固化操作系统和系统软件以及watchdog等系统支持功能与措施。）

1-4-4 PC总线工业机 1、工业PC总线微机 2、PC总线工控机的组成 3、PC总线工业I/O模板

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4、PC总线工控机的优势 兼容性好，升级容易 性能价格比优良 丰富的软件资源 软件的适用性 通信功能更强 其它优点：

1-5 计算机中的数和码（自学） 1-5-1 进位计数制

十进制、二进制、八进制、十六进制数的表示 1-5-2 进位制数之间的转换 十进制数与二进制数之间的转换 八进制数与二进制数之间的转换 任意进制数与十进制数之间的转换 十六进制数与二进制数之间的转换 1-5-3 带符号数的表示法 原码 反码 补码 思考题：

1、 2、

按控制目的不同，计算机过程控制系统可分为几类？

试自拟一个对象，画出计算机数据检测处理系统方框图，并注明各部件的名称。 3、

某一被控对象有5个模拟量控制回路和3个模拟量检测监视回路，试为该对象设计一个监督计算机控制系统方框图。 4、 5、 6、 7、

试述DDC系统与常规模拟系统的主要不同点。 实现DDC系统的主要步骤有哪些？

何谓总线？有几种？它们传送的是什么信息？ 简述各种总线的应用领域。

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第二章 模拟信号调制 2-1 概述

2-2 前置信号放大器 2-3 模拟信号函数放大器 2-4 光电隔离电路 2-5 信号检测放大电路 2-6 滤波器 2-7信号发生器 2-8 保护电路 2-9 电源电路

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第二章 模拟信号调制

2-1 概述

模拟量输入和输出是工业测控系统的重要组成部分，也是微处理机与测控对象之间的一种非常重要的接口方式。 A/D D/A

自动调节系统举例：

通常传感器把各种物理量变换成电信号后，并不一定适合A/D采样，往往需将模拟信号进行调制处理，例如信号放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等。调制好的模拟信号才能送A/D转换器。D/A转换器是将二进制数字量转换为电压信号，许多情况下，还必须经V/I变换才能用来驱动电动阀等执行机构，有时还必须经功率放大、隔离等其它措施。

用于A/D、D/A的输入、输出信号通常为：0～+5V、0～±5V、 0～±10V电压信号，传感器、变送器一般用0～10mA（0～+5V）DC、4～20mA（+1V～+5V）DC标准信号。但某些特殊用传感器则不一定采用上述标准信号，如热电偶、气体成份浓度等输出只有几毫伏到几十毫伏。为了把这些信号送入A/D，必须进行信号的调制处理。 信号调制形式：模板形式 模块形式

模板形式为各种总线产品提供配套应用，传感器或执行机构的引线可接到该模板，有些模板可直接由总线操作，有些模板只完成调制功能，并不经总线操作，可经电缆接邻近的I/O模板。

模块形式：它集放大、补偿、隔离、偏置等于一体，做成标准尺寸、标准插脚的厚膜电路（固封块），不同的传感器有不同的对应模块，一个系统中被选用的标准模块都插到一块标准母板上，通过工业端子与传感器和执行机构相连。另外，还可通过电缆与直接与计算机相连，或者在母板上配上处理器、A/D和D/A转换器，经通信网络与计算机相连。

两种信号调制形式比较：模板形式的信号调制电路价格便宜，易安装，到计算机的连线短。但不通用，抗恶劣环境能力不如模块。

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测控系统的性能优良与否，不但与微机硬件、软件有关，很大程度上取决于模拟信号的调制，而且，有时模拟信号的处理比数字信号处理难度更大，问题更复杂。因此，模拟信号的调制历来受到专家们重视，也是人们长期花大量时间进行研究、不断改善、改进的主要内容。

2-2 前置信号放大器

2-2-1零漂移跟随放大器

电路构成：用两个失调电压以及电压的温度特性相同的运算放大器连接而成。 放大器选型：FXOP-09或性能相当的型号。 放大器输入、输出关系：VIN = VOUT 2-2-2零漂移倒向放大器

电路构成：用两个运算放大器可构成零漂移倒向放器

放大器选型：FX747（FX747是做在一块芯片的两个运算放大器，容易满足失调电压相匹配这一要求）或性能相当的型号。 放大器输入、输出关系：VIN =-100 VOUT 2-2-3 零电流输入放大器

电路构成：用两个运算放大器、三极管、电阻、电容等可构成零电流输入放大器

放大器选型：FX124或性能相当的型号 三极管选型：FG14

该电路采用有源自举电路，大大提高了输入阻抗，这对于采样保持更有其特殊作用。

2-2-4 可变增益放大器 由集成运放组成

运放选型：F007（F007集成运放的共模抑制比大于80dB） 该电路适用于单端输出信号源 2-2-5 自动增益控制放大器 采用电流型运算放大器组成

电流型运算放大器：FX3401（即诺顿放大器） 通过控制电压达到对增益的控制目的。

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2-2-6高精度高输入阻抗放大器

电路构成：用两个超低失调运算放大器可构成高精度高输入阻抗放大器 放大器选型：FXOP-07A或性能相当的型号。 该电路差模输入电阻典型值为80MΩ

应用时注意：电路中选配的四只电阻的精度要大于0.1%,否则将引入共模误差. 2-2-7 高速差分放大器

当电路增益为1时,带宽为18MHz,转换速率为200V/μS,直流增益大于10时,失调电压和失调电流取决于运放的性能.

电路组成:运算F007、场效应管差分放大级、晶体管组成的正反馈输出级

这种高速运算放大器特别适合于高频信号的放大、积分和滤波。

2-3 模拟信号函数放大器

2-3-1 精密模拟绝对值放大器

该电路的输出电平正比于输入信号电平的绝对值，不管输入电压的极性如何，其输出总是正电压。

注意的几个问题：[1]运放要求有很高的共模抑制比，低失调电压和低漂移。

[2]偏置电流引入的误差无法消除，挑选运放时应注意选取偏置电流较小的器件。

[3]输入失调电压会使该电路在输入信号为零附近有一个不工作区，而且产生一个残余电压输出，因此必须反复调节运算放大器的失调电压，以消除不工作区。

[4]各电阻应是精密电阻。电阻的任何失配都会引起增益误差，使正负信号有不同的增益。 电路主要器件：FX747 2-3-2 模拟对数放大器

主要器件：高输入阻抗运算放大器FX3140和三极管对管5G9215 电路要求电阻匹配精度为1% 2-3-3 模拟指数放大器

模拟指数放大器是由一个对数放大器和反对数放大器构成的指数函数运

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算电路。

主要器件：FX101、FX108 2-3-4 模拟乘除法器

电路由运放FX3140、双三极管5G9215及同轴电位器等构成。电路电阻宜选取精度为1%的金属膜电阻。 2-3-5 微分器

电路的输出电压是电路输入电压微分的常数倍。 电路主要器件：F007运放

设计时应注意电路参数的选取条件。 2-3-6 积分器

运放选用FX318高速运算放大器，电阻精度为0.1%时，可取得非常好的线性。该电路积分周期可短到1nS或长到1000S。

2-4 光电隔离电路

2-4-1 稳定的光电耦合器 2-4-2 直流光电耦合器 2-4-3 交流模拟光电耦合器 2-4-4 集成固态光电继电器 2-4-5光电式双向可控硅阵列驱动器 2-4-6 隔离式零电压开关 2-4-7光电式高速纸带读出器 2-4-8 数字传输隔离器 2-4-9 光发射机 2-4-10 光接收机

2-5 信号检测

2-5-1 高频检波器 2-5-2 高稳定峰值检波器 2-5-3 高速过零检波器 2-5-4 零交叉检测器 2-5-5 跟随型峰值检波器

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2-5-6 频率极限检波器 2-5-7 10位精度的鉴相器

2-6 滤波器

测量现场的电磁干扰问题 增加系统的信噪比（S/N） 滤波电路

2-6-1 滤波器分类

无源滤波器 有源滤波器

无源滤波器是指用无源器件如电感、电容和电阻组成的滤波器。

有源滤波器是利用放大器、电阻和电容组成的滤波器电路，在低频（1MHz）中使用，比无源滤波器有更优越的性能。

滤波器是频率选择电路，只允许通带内的频率通过，因此，按通带可分为低通、高通、带通、带阻（又叫陷波器）和全通（移相器）5类滤波器。 2-6-2 有源滤波器的设计

有源滤波器在测控系统中的应用极为广泛，首先从理论上对有源滤波器进行讨论。

一般有源滤波器的设计是根据所要求的幅频特性，寻找可实现的有理函数进行逼近设计。常用的逼近函数有：巴特奥斯函数（Butterworth）、车比雪夫（Chebyshev）函数和贝塞尔（Besel）函数等。 2-6-3 集成有源滤波器

常用的集成滤波器主要有“有源RC”滤波器和“开关电容”滤波器两种。 开关电容滤波器是一种新型的大规模集成电路，主要特点是用开关电容来代替电阻，利用这种方法可将一大类有源RC滤波器转换成开关电容滤波器。

2-7 信号发生器

2-7-1 钟脉冲发生器

2-7-2 输出200mA的方波发生器 2-7-3 锯齿波发生器

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2-7-4 正弦余弦信号发生器 2-7-5 三角波方波振荡器 2-7-6 阶梯波发生器

2-8 保护电路

2-8-1 过压保护电路 2-8-2 交流电子断路器 2-8-3 12nS高速断路器 2-8-3 低电压断路器 2-8-4 自动短路保护电路 2-8-5 电子过压短路器

2-9 电源电路

2-9-1具有温度稳定性的参考电压源

问题的提出：稳压二极管必须运用在产品说明书中所推荐的工作电流值上，才能有良好的温度稳定性，一般的参考电压源在改变输出电压时，工作电流会随之改变，所以就不能得到良好的温度稳定性。 参考电压源电路的核心器件：FX741

参考电压源电路的特点：工作电流不受输出电压变化的影响。 2-9-2温度系数和电压可变的参考电压源

核心器件：运算放大器F007

为了得到长时间稳定性，电路中所有的固定电阻要求是金属膜或线绕电阻。 电路特点：既可以调节输出电压值，又可以调节输出电压的温度系数，并且互相没有影响。

2-9-3 用单电源构成的稳定参考源

运算放大器F007

F007可采用正、负电源供电，可分别得到正、负参考电压输出。 2-9-4 高压稳压电源

稳定高压通常用高压晶体管，若用一个稳压二极管降压，则可以用耐压较低的晶体管。例如用60V耐压的晶体管去稳定250V输出电压，甚至可以用低压管去稳定2kV的电压。

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核心器件:运放F007 晶体管FG1008

稳压二极管2CW56、2DW143 2-9-5 开关稳压电源

具有短路和过载保护功能

电路组成：FW723、3AD30C、FG14等 2-9-6 自动控制的参考电压源

提供一个不随时间和温度变化的参考电压源。 电路由F007、FG13等构成

温度从0℃变化到75℃，电源电压变化±10%时，输出电压稳定在±7mV以内。

2-9-7 压控恒流源

受电压控制的电流源

匹配很好的晶体管（具有相同的β值）FG12和FG13、运放FX741 频率响应可做到1MHz。 思考题：

1、模拟信号为什么必须进行调制处理？信号调制有哪两种形式？ 2、模拟信号的调制主要包括哪几类电路？

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第三章 信号输入与采集

3-1 概述 输入通道 输出通道

测量系统核心任务：如何准确获取被测信号。

测控系统不可缺少的环节：对被控对象状态的测试和对控制条件的监视。

信号的输入/输出分类：一类是模拟量信号，另一类是开关量信号。

由于模拟量信号是连续变化信号，其信号幅度在任何时刻都有定义，因此，对其进行处理就较为复杂，在进行小信号放大、滤波和量化处理过程中需考虑对干扰信号的抑制、转换精度及线性等诸多因素，而这种信号是测控系统中最普遍、最常碰到的信号。例如：温度、湿度、流量、压力和亮度等。

开关量信号（开关量指信号的状态，其电平只有两种，即高电平或低电平），只需经放大、整形和电平转换等处理后就可直接送入计算机。开关信号包括：仪器仪表的BCD码、开关状态的闭全与断开、指示灯的亮和灭、继电器或接触器的吸合和释放、马达的启动和停止、可控硅的通和断、阀门的打开和关闭以及脉冲信号的计数和定时信号等等。

开关信号的共同特征：以二进制的逻辑“1”或“0”出现 开关信号的电气接口形式：TTL电平、DTL电平、COMOS电平以

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及开关或继电器的触点信号等。

多路切换技术 采样保持技术

本章内容：多路通道的输入输出和采样信号保持电路、典型应用实例。

3-2 多通道信号输入

多路和多参数的采集和控制问题的提出：

每一路都单独采用各自的输入回路的问题：成本高、体积庞大、系统校准很困难。

设计实现：采用多路模拟开关 3-2-1 多路开关

多路开关的作用：主要是用于信号切换。 多路开关选择时需考虑下列参数： 8、 通道数量

通道数量对切换开传输被测信号的精度和切换速度有直接影响。通道越多，寄生电容和泄漏电流越大，通道间的干扰也越大，尤其是在使用集成模拟开关时。 9、 泄漏电流

如果信号源内阻很大，传送的是电流量，就要考虑多路开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。 10、 切换速度

[1]对需要传输快速变化信号的场合，就要求多路开关的

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切换速度要高。

[2]同时，也要考虑后一段采样/保持和A/D的转换速度，以最优的性能价格比来选取多路开关的切换速度。 11、 开关电阻

理想状态的多路开关：导通电阻为零，断开后为无穷大。 实际选择时考虑：

[1]实际的模拟开关无法作到这个要求，因此需要考虑开关电阻，尤其是与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。

[2]多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需考虑。

3-2-2 常用模拟开关 1、 机械触点式多路开关

干簧继电器的工作频率一般可达10～40次/秒，断开电阻大于1MΩ，导通电阻小于50mΩ，寿命可达108次，吸合和释放时间约为1mS。 优点：不受环境温度的影响

输入电压、电流的动态范围宽

缺点：体积大（与电子开关相比）、工作频率低 应用：一般用于低速高精度检测系统

2、 模拟电子开关

模拟电子开关优点：切换速度高、易于集成

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缺点：导通电阻一般较大，输入电压、电流的动态范围很有限。

应用：常用于高速且要求系统体积小的场合。 常用的电子模拟开关有： [1]晶体管开关

特点：速度快、工作频率高（1MHz以上）、导通电阻小（尤其在采用双极型晶体管时，最小可到1Ω），但缺点是存在残余电压，且控制电流要流入信号通道，不能隔离。 [2]光电隔离耦合开关

速度和工作频率属于中等，但其控制端与信号通道的隔离好，耐压高，其控制端与信号通道侧之间可以承受2仟伏左右的电压。存在残留失调电压和单向导电情况，如果用光敏电阻代替光电三极管，则可实现双向传送，但光敏电阻分散性大，反应速度较低。

应用场合：要求隔离情况良好但传输精度不高的场合，也常用于输出通道中需要通道隔离的场合。 [3]结型场效应管开关 这是一种使用较普遍的开关。

无失调电压，开启电阻为：10～100Ω，断开电阻一般为10 MΩ以上，且具有双向导通的功能。

这种场效应管不易集成。 [4]COMS场效应管开关

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这是一种应用最普遍的模拟开关。目前，常用的集成模拟开关大多采用CMOS工艺。它的通道电阻基本不随输入电压变化而变化。CMOS开关具有比其它电子开关特性好、成本低等优点。 3-2-3 模拟集成开关

指在一个单片上包含多路开关的集成开关。其中采用CMOS工艺的模拟多路开关应用最广泛。

参数：通道数、开关电阻、漏电流、输入电压、方向切换等。 使用中的几个问题：

CMOS模拟开关的导通电阻和切换速度与电源电压有一定关系，在允许范围内，电源电压越高，导通电阻越小，切换速度也越快。

模拟开关在接通时，有一定的导通电阻，在某种情况下，可能会对信号的传递精度带来较大的影响。作为一种补救，一般应尽可能使负载阻抗大一些，必要时可在负载前加缓冲器。

在多通道选择开关中，为防止两个通道在同一瞬间同时导通的情况，往往在某一通道断开到后一通道闭合之间加一延时，当然，这会影响到模拟开关的切换速度。

多路模拟开关主要有5 种：

4选1

8选1 双4选1 双8选1

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16选1

它们之间除通道号和外部管脚排列有些不同外，其电路结构、电源组成及工作原理基本相同。

四双向模拟开关：CD4066

使用中应注意的问题：[1]控制电压应满足要求，否则会导致片子损坏。

[2]在传输交流电信号时，应采用正负电源供电，在传输直流电信号时应采用单电源供电。

[3]在使用CD4006模拟开关或其它同类工艺制作的器件时应注意，当只使用其中部分开关时，必须把其它不用的开关的控制端接到VSS上，否则，在悬空状态下有可能受高压静电感应而击穿。

3-2-4 常用多路模拟开关 1、 单路8通道

[1]AD7501单路8通道模拟开关

AD7501是CMOS单片集成的8选1单路8通道模拟开关。 输入电平：TTL/DTL或CMOS电平 [2]AD7503单路8通道模拟开关

基本性能与参数与AD7501同，只是选通电平为低电平时模拟开关工作。

[3]CD4051单路8通道模拟开关

INH端为禁止端，当INH为高电平时，8个通道全部不通。 2、 单路16通道

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[1]AD7506单路16通道模拟开关 [2]CD4067单路16通道模拟开关 3、 双路4 通道

[1] AD7502双路4通道模拟开关

AD7502是CMOS单片集成的4选2双路4通道模拟开关，每次同时选中2路4个通道中的1个通道与公共通道接通，选通通道是根据输入地址编码而得。 [2] CD4052双路4通道模拟开关 4、 双路8通道

[1] AD7507双路8通道模拟开关

AD7507是CMOS单片集成的8选2双路8通道模拟开关，每次同时选中2路8个通道中的1个通道与公共通道接通，选通通道是根据输入地址编码而得。 [2] CD4097双路8通道模拟开关

以上主要介绍了AD系列和CD系列模拟开关，AD系列电源电压为 ±15V，CD系列为+5～+15V，导通电阻最大值：CD系列为280Ω，AD系列一般为300Ω左右。

多路模拟开关其它系列：MPC系列、国产的5G系列（与AD、CD相近）

另外，采用了介质隔离技术的高性能多路模拟开关，具有输入过压保护功能和锁存保护功能。AD7510DI，AD7511DI、AD7590DI/AD7591DI/AD7510DI/AD7511DI有SCR锁存保护和输

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入逻辑缓冲功能。 3-3 模拟开关应用举例 3-3-1 基本开关电路

利用四模拟开关CD4066，可以组成单刀单掷、单刀双掷、双刀单掷 、双刀双掷四种基本开关电路。

3-3-2 多路信号输入系统 多通道模拟开关 8通道：CD4051

16通道：两片CD4051或单片AD7506

64通道、128通道输入输出，只能使用多个多通道模拟开关组合的方式。

在有些情况下，模拟信号的输入往往需双路多通道输入，如后接测量放大器或从热电偶获取信号等情况，此时可选双路4通道、双路8通道模拟开关，也可用多片模拟开关组合而成，尤其对多路多通道输入的情况，只能采用多片组合的方式。

多路模拟开关常用于增益放大器、集成滤波器、采样/保持电路以及多路信号的输入输出选择等设计中。

3-3-3 多路开关的选用

在多路开关选用时，要考虑许多因素，例如，需要多少路？每一路需要多少通道？开关电阻多大？控制电平多高？另外还要考虑开关速度及开关间相互干扰等诸多因素。

选用原则：

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[1]对于传输信号电平较低场合，可选用低压多路模拟开关，这时必须在电路中有严格的抗干扰措施，一般情况可选取常用的高压型开关。

[2]对于要求传输精度高而信号变化慢的场合，例如用铂电阻测缓慢变化的温度场，就可选用机械触点式开关。在输入通道较多的场合，应考虑体积问题。

[3]在切换速度高、路数多的情况下，宜选用多路模拟集成开关。因为在这种情况下，每路特性参数可基本一致。

[4]在多路模拟开关的速度选择时，要考虑到后级采样保持电路和A/D的转换速度，只需略大于它们的速度即可。

[5]在进行精密数据采集和测量时，要考虑模拟开关的传输精度，尤其要注意模拟开关的漂移特性。如果阻值和漏电流等漂移很大，很难用补偿措施来消除误差，将会大大影响测量精度。

3-4 采样/保持电路 模数变换的精度问题

A/D转换器的孔径时间：在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D的孔径时间。

采样保持器

是否加采样/保持电路，完全取决于使用对象。模拟信号的变化频率和A/D的孔径时间。

3-4-1采样/保持原理

23

采样保持器的作用：在采样期间，其输出能跟随输入信号的变化而变化，而在保持状态，能使其输出值保持不变。

采样保持器选用时主要考虑下列因素： [1]孔径时间：

它会导致A/D采样时间被延迟。

[2]捕捉时间：采样/保持器的状态逻辑控制信号由保持电平转换成采样电平后，其输出电压由原保持值过渡到此时输入信号值所需的时间称捕捉时间。

A/D转换的采样周期必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分地采集到输入模拟信号。

[3]保持电压的变化

在保持期间，由于保持电容的漏电会使保持电压不断地衰减或上升。

[4]输入输出直接耦合

在信号保持阶段，虽然开关断开，但是由于极间寄生电容的耦合作用，输入信号的变化会引起输出信号的变化，在输入信号频率高时，这种耦合的影响会很大。

3-4-2 集成采样/保持器

采样保持器：可以由分离元件组成，一般常采用集成采样/保持器。

用于一般目的：AD582、AD583、AD585等 用于高速场合：HTS-0025、HTS-0010等

24

用于高分辨率场合：SHA1144等

集成采样保持器的特点：采样速度快、精度高、下降速率慢。 3-4-3 常用集成采样/保持器 1、 通用型

AD582、AD583，适用于12位的A/D信号采集系统。 2、 高速采样/保持器

AD346、AD585，可用于97kHz的快速A/D转换。 3、 高分辨率采样/保持器

AD389、SHA1144（适用于14位精度的数据采集需要）3-4-4 采样/保持器的应用举例 1、 数据采集系统 2、 峰值采样电路 3、 采样/保持电路 4、 高性能采样/保持电路 5、 无限采样/保持放大器 3-5 开关量I/O模板的典型结构 3-5-1 总线接口逻辑 3-5-2 缓冲器/锁存器

3-5-3 开关量I/O模板的电气接口 1、 采用TTL电平直接接口 2、 光隔离电路

3-5-4 开关量输入信号调制

25

1、 信号转换电路 2、 滤波电路 3、 保护电路 4、 消除触点的抖动 3-5-5 开关量输出驱动电路

常用驱动电路类型：[1]TTL电平三态门电路

[2]开路集电极（OC门）输出电路 [3]门电路外加功率驱动级 [4]达林顿阵列驱动器功率输出电路 思考题：

1、 号的输入输出通常分为哪两大类？在信号处理时有何区

别？

2、 对于多路输入情况，需采用什么技术？对快速变化的被

测信号，为减少由于模数转换孔径时间等影响，又需要采用什么技术？

3、 多路开关选择时常需考虑哪些参数？ 4、 采样保持器的作用是什么？ 5、 什么叫A/D转换器的孔径时间？

26

第四章 数-模（D/A）转换

4-1 概述

D/A转换是测控应用系统中典型的接口技术内容。D/A转换器简称DAC。

D/A转换接口设计的主要内容：选择D/A集成芯片，配置外围电路及器件，实现数字量到模拟量的线性转换。 4-2 D/A转换器的工作原理（略）

权电阻网络原理 R-2R梯形电阻网络

D/A转换器的输入二进制代码形式有：原码、补码、反码、偏移码及BCD码等。

输出的电压范围有：0～+5V，0～+10V，±2.5V，±5V， ±10V，这个范围是比较宽的,一般可以选择一种来满足用户要求.对于某种非标准的电压范围,可以在输出端再加运算放大器来调整,有些场合需要输出电流信号,以便与标准仪表配接或满足长距离传送要求,这时,可在电压输出端加V/I转换电路。

10位、12位或者说2位以上的D/A转换原理同8位一样，只要增加相应的模拟开关和权电阻网络即可。 4-3 D/A转换器的主要技术指标 1、分辨率

这里指最小输入电压与最大输出电压之比。例如，10位D/A转换器，其分辨率为：

27

1/（210-1）=1/1024≈0.001

分辨率越高越灵敏。AD7541的分辨率为12位，DAC832的分辨率为8位。 2、线性度

通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度，并且把理想的输出特性的偏关差与满刻度输出之比的百分数，定义为非线性误差。

例如，单片集成D/A转换器AD7541的线性度为≤±0.02%FSR 3、转换精度

转换精度是以最大的静态转换误差的形式给出,这个转换误差应该是包含非线性误差、比例系数误差、及漂移误差等综合误差。

注意：精度和分辨率是两个不同的概念。精度是指转换后所得的实际值对于理想值的接近程度，而分辨率是指能够对转换结果产生影响的最小输入量。对于分辨它很高的A/D转换器并不一定具有很高的精度。 4、建立时间

所谓建立时间，指数模转换器中的输入代码有满刻度值的变化时，其输出模拟信号电压（或模拟信号电流）达到满刻度值±1/2LSB（或与满刻度值差百分之多少）时所需要的时间。

例如D/A转换器AD7541，输出达到与满刻度之差0.01%时, 建立时间<1μS ,D/A转换器AD561J,输出达到满刻度值的±1/2LSB时, 建立时间为250nS。

28

5、温度系数

在满刻度输出的条件下，温度每升高1度，输出变化的百分数定义为温度系数。例如，AD561J的温度系数为<10ppmFSR/℃（ppm为英文百万分之一的缩写）。 6、电源抑制比

对于高质量的D/A，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时对输出的电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。 7、输出电平

不同型号的数模转换器的输出电平相差较大，一般为+15V～+10V，有的高压输出型的输出电平可高达+24V～+30V。学有些电流型的D/A转换器，低的为几个毫安到几十个毫安，高的可达3安。 8、输入代码

有二进制码、BCD码、双极性时的符号数值码、补码、偏移二进制码等。 9、输入数字电平

指输入数字信号分别为“1”和“0”时，所对应的高低电平的起码数值。例如，单片集成D/A转换器AD7541的输入数字电平为：VIH>+2.4V，VIL<+0.8V。 10、工作温度范围

较好的转换器的工作温度范围：-40℃～+85℃ 较差的转换器的工作温度范围：0℃～+70℃

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4-4 D/A转换器与CPU的接口

本节所选用的CPU为MCS-51系列的8031，它在测控领域得到了广泛的应用，与D/A转换器的接口具有广泛的代表性。 4-4-1 8位D/A转换器DAC0830/0831/0832与CPU的接口

芯片特点：价格低廉、接口简单、转换控制容易。在单片机系统中得到了广泛的应用。

DAC0830系列产品可以完全相互替换。20脚DIP封装具有很好的兼容性，DAC0830和DAC1230系列引脚兼容。

1、

D/A转换器DAC0830/0831/0832的特性与引脚功能 DAC0830系列能直接与MCS-51系列单片机接口，主要特性参数：

分辨率为8位； 电流稳定时间1μS；

可单缓冲、双缓冲直接数字输入； 只需在满量程下调整其线性度； 单一电源供电（+5V～+15V）； 低功耗，200mW。 2、

D/A转换器DAC0830/0831/0832与CPU的接口

DAC0830系列与8031单片机有两种接口方式，即单缓冲输出器方式和双缓冲输出器方式。

[1]单缓冲输出器方式

应用系统中只有一路D/A转换或虽然是多路，但并不要求同步

30

输出时，则采用单缓冲器接口方式。

对于多路D/A转换接口，要求同步进行D/A转换时，必须采用双缓冲器同步方式接法。

由于DAC0830具有数字量的输入锁存功能，故数字量可以直接从8031的PO口送入。

[2]双缓冲输出器方式。

对于多路D/A转换接口，要求进行同步D/A转换时，必须采用双缓冲器同步方式接法。

3、

D/A转换器DAC0830/0831/0832的调试说明

[1]关于双缓冲输入的特点

DAC0830系列独特的优点是8位数据输入是双缓冲的。双缓冲输入允许一个应用系统中的多个DAC的一个修改DAC寄存器的内容。

[2]DAC0830系列零点和满度的调节

为实现准确的D/A转换，输出放大器的输入补偿电压必须置零。调零的基本目的是使DAC输出端电压尽可能接近零。

[3]DAC0830的双极性和单极性输出

在单极性输出的基础上再加一级放大器，便构成了双极性输出。这种接法在效果上起到把最高位当作符号位的作用。 4-4-2 10位D/A转换器AD7522与CPU的接口

能直接与微处理器接口。在与MCS-51单片机口时，10位D/A

31

转换数据可分两次打入AD7522的数据输入缓冲器，然后将该数据送入DAC寄存器中。AD7522的大部分应用只需增加一个运算放大器和一个基准电压源。

1、

AD7522的特性及引脚功能

AD7522工作时需要一组+15V主电源和一个供TTL接口的+5V电源或供CMOS接口用的+10V～＋15Ｖ电源，其主要特性如下：

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 2、

分辨率10位；

电流稳定时间为500ｎＳ； 输入为双缓冲形式；

数据输入为并行或串行输入形式； 可直接与通用微处理器接口； 可与TTL/CMOS电平直接相接。 AD7522转换器与CPU的接口

AD7522与8031单片机接口的关键是它能按两个字节把10位数据打入缓冲器（一个8位字节，一个两位字节），然后将该10位数据送入DAC寄存器。

4-4-3 10位D/A转换器AD7520/AD7530/AD7533与CPU接口

AD7520/AD7530/AD7533是由美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的完全兼容的产品。

1、 2、

AD7533特性与引脚功能 AD7533与8031单片机的接口

4-4-4 12位D/A转换器DAC1208/1209/1210与CPU的接口

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DAC1208系列D/A转换器是与微处理器完全兼容的12位D/A转换器，目前应用较广泛。

其它D/A转换器简介： 14位D/A转换器AD7535 16位D/A转换器AD1147/AD1148 4-5 D/A转换器的选择原则

选择D/A转换芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要求，在结构和应用特性上应满足接口方便、外围电路简单和价格低廉等要求。

选择原则： 1、

D/A转换器主要性能指标的选择

D/A转换器的主要性能指标从相应的集成芯片的器件手册上能查出，在D/A接口设计的实际应用中，用户在选择时主要考虑的是转换精度和转换时间。

2、 ① ② ③ ④ 思考题：

1、D/A转换器的主要技术指标有哪些？ 2、简述D/A转换器的选择原则。

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D/A转换器主要结构特性与应用特性的选择 数字输入特性。 数字输出特性。 锁存特性及转换控制。 参考源。

3、利用D/A转换器产生一锯齿波，要求周期为20mS（在程序中插入延时子程序），试编写此程序。（选作）

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第五章 模-数（A/D）转换

5-1 概述

实现模拟量转换成数字量的设备称为模数转换器（ADC），简称A/D。

对测控系统应用领域的设计人员，要正确、合理地选用商品化的A/D集成芯片，必须全面了解它们的功能和与计算机的接口方法。 5-2 A/D转换器的主要技术指标

分析、设计A/D，面对课题选A/D芯片，都会涉及到ADC的技术指标及术语。

1、分辨率（Resolution）

分辨率定义为满刻度电压与2N之比值，其中N为ADC的位数。例：12位A/D能分辨满刻度的1/2N，或满刻度的0.0245。又例：一个10V满刻度的12位ADC能分辨输入电压变化的最小值为2.4mV。 2、量化误差（Quantizing Error）

分辨率高的ADC具有较小的量化误差。ADC的阶梯状转移特性曲线与ADC的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差称之为量化误差。LSB（Least Significant Bit） 3、偏移误差（Offset Error）

偏移误差指输入信号为零时，输出信号不为零的值。 4、满刻度误差（Full Scale Error）

满刻度误差又称为增益误差。ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。

35

5、线性度（Linearity）

线性度又称为非线性误差，它是指转换器的实际转换函数与理想直线的最大偏移。

6、绝对精度（Absolute Accuracy）

在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟电压与理想的电压值之差并非一个常数，把这个差的最大值定义为绝对精度。 7、相对精度（Relative Accuracy）

它与绝对精度相似，所不同的是把这个最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数，或者用二进制分数来表示相对应的数字量。 8、转换速率（Conversion Rate）

ADC的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换速率的倒数。

5-3 A/D转换器的工作原理

A/D转换的具体电路在数字电路中已作讨论。选用A/D：根据使用者具体要求，按照转换的速度、精度、价格、尺寸、功能及接口的条件等因素而定。

了解分类和特点。分类：计数型（例如V/F型、双积分型等）和比较型（例如逐次比较型、并行型、串并行型等） 5-3-1 双积分型A/D转换器的工作原理

特点：抑制噪声、速度低

双积分型A/D转换器的电路简单，抗干扰性好，精度高，但转

36

换时间长，速度较慢，常用的双积分A/D转换速度在10～50次/秒之间。

5-3-2 逐次逼近型A/D转换器的工作原理

它们是应用得最多的A/D，转换速度较快、精度高。特点： ① 转换速度较快，在1～100μS以内，分辨率可达18位。 ② 转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。 ③ 因为转换速度较快，所以，需要采用采样/保持电路。 ④ 抗干扰能力较差。

这类芯处有：ADC0809、ADC1210、AD7574等。

5-3-3 并行型A/D转换器的工作原理

在高速数据采集领域，例如图像处理、频谱分析等，双积分型和逐次逼近型的转换速度都不能满足要求。

并行型A/D，转换速度最快、元件多、复杂、成本高、精度低。 8位A/D的转换速度可达每秒300MHz次，6位的可达470MHz次。但由于它的结构复杂，无法做到高精度。

模式识别及图象处理中的象素有256个灰度等级就相当满意了，但由于一帧画面有数以万计的象素（如EGA彩显有640×350=22400个象素、VGA彩显有800×600=480000个象素等，而为了适应视觉的要求必须每秒钟处理几十帧画面，如果每秒钟处理30个画面，则相当每秒钟要对6.6MHz个以上的象素进行处理，所以对A/D的转换速度要求极高。

5-3-4 串-并比较型A/D转换器的工作原理

37

串并行A/D由于结构复杂、价格昂贵，精度低，难以适应工业测控系统的要求。串并行A/D大大简化了结构，实现了高速、高精度的A/D转换。目前12位串并A/D，其转换时间小于1μS，大多10位以上的高速A/D都是基于这种原理设计的。 5-3-5 V/F型A/D转换器的工作原理 特点：

①分辨率比较高。

②对工频干扰有一定的抑制能力

③因频信号易于传输，最适合在远距离测量系统中应用。

④最容易实现隔离，因为只要一位光电隔离器即可，这是其它形式的A/D所不具备的。 ⑤速度慢。

5-4 A/D转换器与CPU的接口

引脚功能、接口等（略）。 5-5 面对课题如何选择A/D转换器件 5-5-1 常用A/D转换器简介

A/D转换器按照输出代码的有效位数分为4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位和BCD码输出的3位半、4位半、5位半等多种。

按照转换速度可分为：超高速（转换时间≤1nS）、高速（转换时间≤1μS）、中速（转换时间≤1mS）、低速（转换时间≤1S）等。 5-5-2 A/D转换器的选择要点及应用设计的几点实用技术

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1、A/D转换器的选择要点

① 如何确定A/D转换器的位数 ② 如何确定A/D转换器的转换速率 ③ 如何确定是否要加采样保持器 ④ 工作电压和基准电压

⑤ 正确选用A/D转换器的有关量程的引脚

2、A/D转换器应用设计的几点实用技术

① A/D转换器与MCS-51单片机接口逻辑设计要点 ② A/D转换器的可控硅现象及其防护措施 ③影响A/D转换器技术指标的主要因素 [1]工作电源电压不稳定； [2]外接时钟频率不适合； [3]环境温度不适合；

[4]与其它器件的电特性不匹配，如负载过重等； [5]外界有强干扰； [6]印刷电路板布线不合理。 思考题：

1、A/D转换器的主要性能指标有哪些？

2、简述双积分型A/D、逐次逼近型A/D的主要特点。3、并行型A/D主要用在哪些领域？

4、A/D按照输出代码、转换速度可分为哪几种？ 5、简述A/D转换器的选择要点。

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6、影响A/D转换器技术指标的主要因素有哪些？

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第六章 外围设备I/O接口技术

6-1 概述

今天的外围设备I/O接口技术已发展成了一个庞大的家族，人们许多昔日的梦想也越来越多地被成功的喜悦所代替。

外围设备接口技术是人机信息交换的接口，它把外围设备所拥有的能力同计算机完美地结合起来。

外围设备I/O接口技术包括输入系统和输出系统。（输出系统包括声音应答设备、静电印刷、缩微胶卷输出装置等）

6-2 显示系统

自1950年第一台图形显示器在麻省理工学院问世以来，计算机图形显示技术就引起了人们极大的关注。（70年代开始普及） 6-2-1 显示器基本工作原理 1、显示器种类 按照显示原理可分为：

① 数字显示器 ② 组合显示器 ③ 模拟显示器

数字显示器：一般具有六种彩色输入线，当一种彩色被认定，该彩色就出现在屏幕上，数字显示器能显示的彩色种类为2n。大多数显示器是数字的，单色显示适配器MDA、彩色图形适配器CGA、增强型图形适配器EGA和VGA都需要一个数字显示器。（Video Graphics Array视频显示图形阵列）

组合显示器：所有视频信息都用NTSC（美国国家电视系统委员会）的编码标准。（只有一条视频输入线，可以是单色的，也可以是彩色的。它在一条线上编码，分辨率通常很低。）CGA也可支持组合显示器。

模拟显示器：模拟RGB被认为是一种最有优势的显示技术。

它有三种彩色模拟输入线，加在第个输入线上的电压等级决定了出现在屏幕上的那种彩色的数量，在理论上它能显示的彩色数目是无限的。实际上做不到，主要取决于适配器的功能。由于彩色能力的无限性，模拟RGB被认为是一种最

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有优势的显示技术。

显示器的选择取决于将在系统上运行的应用软件。IBM兼容显示器：保证投资的持续性。 2、测控系统的工作方式 ① 黑模式

最底层的节点机，可以通过RS232与上位机相连。投资少，但开发过程需上位机或智能终端支持。 ② 智能终端方式

主机不需显示，适配器只通过RS232送终端。 ③ 小键盘LED方式

应用于输入/输出信息较少的工作环境。 ④ 图形显示方式

应用最多的一种。目前已开发出多种适配器（MDA、CGA、EGA、VGA、液晶显示适配器、液晶显示器LCD功耗低、防粉尘、防震动、体积小、重量轻。） ⑤ 模拟屏方式

利用发光二级管LED等组成大规模显示矩阵，广泛用于广告牌、大屏幕模拟显示器、信息提示牌。 ⑥ 双屏显示方式

高质量显示器作图形工作站，字符显示器作控制台。 3、基本显示原理 6-2-2 显示适配器模板 设计基本分为两种： 1、I/O方式的显示适配器

不占CPU内存，适用于内存空间小的系统。I/O方式未包括字符和汉字的字形库，字符和汉字显示按图形处理。 2、内存直接映象方式显示适配器 占内存，比I/O方式速度快，访问简捷。

①增强型图形适配器（EGA） 高分辨率显示彩色图形

②视频显示图形阵列（VGA） VGA门阵列，个人计算机显示系统VGA的

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天下。 ③显示存储器 ④双屏及多屏显示系统

显示方式的选择：一般投资少，则需要的开发周期就长；投资多，支持的软件、硬件丰富，开发周期就短，人机界面也会高得多。

6-3 汉字信息处理

6-3-1 汉字信息处理系统的构成 6-3-2 汉字显示与汉字字模库 6-3-3 汉字打印

6-4 键盘接口

6-4-1 IBM PC/XT键盘及接口 6-4-2 非标准专用键盘及接口

6-5 打印控制器

6-5-1 打印机适配器构成

6-5-2 并行打印机适配器接口信号分布

6-6 串行通讯I/O接口

CPU与外部的信息交换称为通讯。 6-6-1 串行通讯的特点 只要一条传送线，速度慢。 6-6-2传送编码 6-6-3 两种通讯方式 1、异步通讯

异步通讯中，在CPU与外设之间必须有两项规定：字符格式和波特率。波特率即数据传送速度的规定。 2、同步传送

6-6-4 串行传送中的几个关键 1、数据传送方式

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2、信号的调频和解频 3、数据终端与调制器的接口 ① 电流回路（较老的方法）

② RS-232C接口（目前最常用的一种串行通讯接口。Recommended Standard） ③ RS-422A标准接口 ④ RS-423A标准接口 ⑤ RS-485标准接口 4、通讯差错的校验

6-7 并行I/O接口

6-7-1 8255A可编程I/O接口 6-7-2 8155/8158可编程I/O接口

6-8 外部I/O口的扩展

6-8-1 线选法 6-8-2 全地址译码法 思考题：

1、显示器可以分为哪几类？为什么模拟显示器（RGB）被认为是一种最有优势的显示技术？

2、计算机显示系统由哪几个部分组成？用框图表示显示系统的构成。 3、CPU与外部的通讯方式有哪两种？ 4、什么是接口？为什么需要接口？ 5、写出几个目前常用的串口。

44

第七章 测控系统设计

7-1 概述

前面几章内容介绍的目的，是为设计应用系统打下基础。然而，即使掌握了前面的全部内容并已能熟练地应用，仍然不等于已经能够设计实际的应用系统了。一个真正的测控系统项目，从承接到最后验收，这中间有很多事要做。本章从系统工程的角度出发，就应用系统的研制步骤和方法等做些陈述。

7-2 应用系统的研制流程

作为一个测控系统的项目，其研制一般可以分为四个阶段，即准备阶段、设计阶段、仿真与调试阶段和现场联调投运阶段。

7-2-1 准备阶段

1、甲方提出任务委托书

在委托乙方承接系统项目前，甲方一定要提供正式的书面委托任务书，该委托书一定要有清楚准确的技术指标要求，还要包含研究经费、计划进度及合作方式等内容。 2、乙方研究任务委托书

乙方在接到任务委托书后要认真阅读，并逐条进行研究，对含混不清、认识上有分歧和需补充或删除的地方要不得逐条标出，并拟订出要进一步弄清的问题及修改意见。

3、双方对委托书进行确认性修改

双方就有关事宜进行协商和讨论，经过修改和确认的委托书中不再应有含义不清的词汇和条款，且双方的任务和技术界面必须划分清楚。 4、乙方初步进行系统总体方案设计

由于任务和经费没有落实，所以这时总体方案的设计只能是粗线条的。把握尺度的三大关键问题：技术难点、经费概算、工期。 5、乙方进行方案可行性论证

方案可行性论证的目的是要估计承接该项任务的把握性，并为签合同后设计阶段的总体设计打下基础。论证的主要内容是技术可行性、经费可行性和进度计划可行性。特别要指出，对控制项目尤其是对可测性和可控性应给予充分重

45

视。

6、签订合同书

合同书（或协议书）应包含8个方面的内容：

经过双方修改并认可的甲方“任务委托书全部内容” 双方的任务划分及各自应承担的责任 合作方式 付款方式 进度和计划安排 验收方式及条件

成果的归属及违约的解决办法 7-2-2 设计阶段 1、组成设计队伍

明确分工和相互的协调关系。 2、硬件总体设计

硬件总体设计的方法是“黑箱”设计法。所谓“黑箱”设计就是画方块图的方法，用这种方法做出的系统结构设计，只见方块之间的信号输入输出关系和功能要求，而不需知道“黑箱”内的具体结构。 3、软件总体设计

也采用结构化的“黑箱”设计法。先画出结构较高一级的方框图，然后，再将大的方框分解成小的方框，直到能表达清楚为止。 4、系统总体方案

将硬件总体方案和软件总体方案合在一起构成系统的总体方案。硬件和软件的设计是互相有联系的，相互往往有影响。因此，在设计时要经过多次的协调和反复，最后才能形成统一的总体方案设计。总体方案完成后要建立文档。 系统总体方案文件的内容：

① 系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。 ② 控制策略 ③ 控制算法

④ 系统的硬件结构及配置和主要的软件功能、结构及框图。

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⑤ 方案比较和选择。 ⑥ 保证性能指标的技术措施。 ⑦ 抗干扰和可靠性设计。 ⑧ 机柜或机箱的结构设计。 ⑨ 经费和进度计划的安排。 5、方案论证与评审

评审后确定的方案是进行具体设计和工程实施的依据。评审后的方案应该作为正式文件存档，原则上不应再作大的改动。 6、硬件、软件的细化设计及调试

此步骤只能在总体方案评定后进行，如果进行太早会造成资源的浪费和返工。所谓细化设计就是将方框图中的方块划到最底层，然后进行底层块内的结构细化设计。（软、硬件的设计中都需要边设计边修改，往往需要经过几个反复过程才能完成。 7、系统总装

总装是实验联调的前提和必要条件。 7-2-3 仿真和调试阶段 1、实验室硬件联调

如果硬件没有调通，软件联调则无法进行。事实上，并非是总装后才进行硬件系统调试，而是边装边调。 2、实验室软件联调

软件联调，安排在硬件调试成功这后。有了正确的硬件系统作保证，就很容易发现软件的错误，在软件联调过程中，有时也会发现硬件故障，一般情况下，软件联调完毕，硬件中的隐藏问题也能被发现和纠正。 3、实验室系统仿真

在下现场前，必须把工作做充分，必须在实验室条件下把存在的问题充分暴露，并加以解决。为此，必须进行统调实验，也就是通常所说的“模拟”（系统仿真）。

工程仿真有三种类型：数学仿真（计算机仿真）、半物理仿真（硬件闭路动态试验）、全物理仿真（在模拟环境条件下的全实物仿真）

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对纯数据采集系统，一般可以做到全物理仿真，而对于控制系统，要做

到全物理仿真几乎是不可能的。

特别要指出，不经过系统仿真和各种实验，试图在现场调试中一举成功

的想法是不实际的。 4、考机

考机的目的是要在不停机的过行中暴露问题和解决问题。 7-2-4 现场安装调试阶段

在现场安装调试前先要进行下列检查：

① 检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等必须通过校验。 ② 各种接线、极性、对号位置必须保证正确。

③ 对在流量测量中采用隔离液的系统，要在清洗好引压导管以后，灌入隔离液（封装液）。

④ 检查调节阀能否正常工作、旁路阀及上下游截断阀关闭或打开。 ⑤ 检查系统的干扰情况和接地情况，如果不符合要求，应采取相应措施。 ⑥ 对安全防护措施也要严格检查。 系统的投运和参数的标定

投入时应先切入手动，待系统运行接近于给定值时再切入自动。参数标定，应按特定方法进行。

系统试运行一段时间，即可组织验收或鉴定。甲、乙双方协同办理。

7-3 测控系统的组合

工业PC和STD总线是面向工业测控的标准化总线，它可以解决工业测控中的大多数问题，其模板可以组成仪表中的最小智能单元，也可以组成流水线的测控系统。由于总线的高度模块化和采用单功能小板结构，因此右以采用组合方式大大简化微型机测控系统的设计。由于总线的高度模块化和采用组合方式的特点，使工业测控系统可以灵活地组成各种各样的系统。 7-3-1 系统模式

测控微型计算机是整个测控系统的心脏，必须设计好。在设计时，主要有三个问题需要考虑，即系统模式、计算机机型和低端互连。

组合式系统具有多种灵活的系统模式，它可以自成系统，即采用独立模式，

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也可以方便地作为其它计算机的前端测控机，或者组成分布式系统和典型的分散系统。 1、独立工作模式

模式一：这种模式采用基本系统（CPU+键盘/显示）加上工业用I/O模板构成测控系统。这些系统的用户程序通常在开发完成后再固化在EPROM中，采用与单板机或单片机相兼容的操作键盘和监控程序。

模式二：将模式一中的键盘/显示板改为RS232-C接口板，外接CRT，即构成模式二系统。

模式三：在模式二系统中增加磁盘测控器接口板和驱动器，即构成模式三系统。该系统可运行微型机的标准操作系统，对于Z80系统，采用CP/M；对于8088系统，采用MS-DOS。 2、作为其它计算机的前端测控机

采用工业PC可很方便地作为其它工业PC机的前端测控机。IBM PC个人计算机本来并不是为测控系统而设计的，但是，经过改造后的工业PC机，目前也大量用于工业测控系统。 3、构成分布式网络

利用工控机的组合方式可以方便地进行各种分布式系统的组合。系统间采用高低档工业局域网、现场总线进行通信，系统中各工控机分站可以任选I/O模板。 7-3-2 计算机机型选择

基本系列：8088系列、Z80系列及单片机（包括8位MCS-51、16位MCS-96）系列

有几条选择原则供参考：

①选择自己最熟悉的机型。所选机型在功能上、硬件资源和软件支持等方面应满足应用系统开发、调试和运行的要求。 ②考虑选择的机型的先进性和可扩展性。 ③考虑性能价格比。

1、8088系列系统Ⅱ是主流机型

8088系列系统Ⅱ是一台与IBM PC/XT完全兼容的STD总线工业测控机。它

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具有丰富的软硬件资源，几乎可以满足各种规模的应用系统的要求。 2、Z80系列更加完善

Z80系列是最早开发的一个系列，也是用户最多、系统配套齐全、比较成熟的系统。Z80目前仍具有大量的用户。 3、单片机系列逐渐兴起

单片机采用工业芯片，集成度高、价格便宜、功能齐全、可靠性和抗干扰能力都很优良，越来越为众多用户熟悉并采用。

目前比较流行的单片机系列CPU板有两种，一种采用8位系列芯片MCS-51，另一种采用16位MCS-96/98系列芯片。对于这两种单片机系统，我们推荐的编程语言为C-51和C-96。C-96是一种自行开发的国产化高级语言，可以同汇编语言混用。

7-3-3 I/O子系统的组合方式

典型的计算机过程测控系统包括：基本系统（CPU、人机接口和系统支持功能）、过程接口（DI/DO、AI/AO）、时钟和事件信号（中断信号）的输入，包括脉冲量的输入/输出及定时信号的产生和处理。 1、开入/开出功能（并行接口和工业驱动模块） 2、模入/模出功能

包括各种A/D、D/A板以及信号调理器。 3、脉冲量输入/输出功能

用以接收诸如涡轮流量计等的输入脉冲信号或控制步进电机本身的输出脉冲信号。

7-4 应用软件设计

软件是计算机的神经中枢，整个系统的动作都是在软件指挥下进行协调工作的。软件分为系统软件和应用软件。系统软件由生产商提供，用来使用和管理系统本身的程序。应用软件则是面向用户本身的程序，如各种A/D和D/A转换程序，数据采样、滤波程序以及各种控制算法等。 7-4-1 测控系统对应用软件的要求

人机界面、数据库管理、实时监测和测控、信息处理、通信及系统维护。 1、实时性

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