單片機原理及其接口技術第7章-前向通道課件

1、7.1 測控系統(tǒng)中前向和后向通道的構成一、前向通道1、模擬通道傳感器把非電量的模擬量（溫度、壓力、流量等）轉換成電壓或電流信號。量程放大器通常傳感器輸出的電壓信號僅為毫伏級或微伏級，而A/D轉換器要求的輸入電壓為幾伏，因此必須用量程放大器進行信號放大。多路模擬開關為使多個模擬信號能共用一個A/D轉換器，依次從多路模擬信號中選取一路轉換。采樣/保持電路把連續(xù)不斷變化的模擬量送入AD轉換器之前進行時間上的離散。A/D轉換器把模擬量轉換為數(shù)字量。2、數(shù)字通道整形電路使數(shù)字信號或開關量（編碼器、行程開關、光電開關等信號）滿足TTL電平要求。光電隔離防止現(xiàn)場干擾進入微型機。三態(tài)緩沖現(xiàn)場信號在需要時進入微

2、型機數(shù)據(jù)總線。 二、后向通道1、模擬通道D/A轉換器把數(shù)字量轉換為使輸出模擬量。平滑濾波器使輸出模擬量連續(xù)。分路器將轉換后的模擬量依次分配到多個模擬設備，使多個設備能共用一個D/A轉換器。2、數(shù)字通道數(shù)據(jù)鎖存鎖存數(shù)據(jù)總線輸出信號光電隔離防止現(xiàn)場干擾7.2 D/ A轉換器 7.2.1 基本概念一、D/A轉換原理D/A轉換器的核心電路是解碼網(wǎng)絡，解碼網(wǎng)絡的主要形式有兩種：一種是權電阻網(wǎng)絡；另一種是T型電阻網(wǎng)絡。二、D/A轉換器的主要性能指標D/A轉換器的主要性能指標是分辨率和建立時間。1、分辨率（Resolution）指最小模擬輸出量（對應輸入數(shù)字量僅最低位為1）與最大量（對應輸入數(shù)字量所有有效位

3、為1）之比。通常用D/A轉換器輸入的二進制數(shù)的位數(shù)來描述.2、建立時間（Setting Time） 是將一個數(shù)字量轉換為穩(wěn)定模擬信號所需的時間，也可以認為是轉換時間 D/A轉換器有電壓輸出型和電流輸出型兩種輸出方法，電流輸出型需外接電流電壓轉換電路得到電壓輸出，一般外接運算放大器使用。7.2.2 典型的D/A轉換器芯片 DAC0832是8位分辨率的D/A轉換集成芯片，電流輸出，電流建立時間1s，輸入數(shù)字量8位，與微機并行連接。雙緩沖工作方式是指兩個寄存器分別接收轉換數(shù)據(jù)。使兩個輸入寄存器具有各自的地址，轉換數(shù)據(jù)分別寫入輸入寄存器。而并聯(lián)使兩個DAC寄存器具有相同的地址，輸入寄存器中的數(shù)據(jù)可以同

4、時寫入兩個DAC寄存器，而后同時進行D/A轉換。此工作方式一般用來實現(xiàn)多路模擬信號的同步輸出。 DAC0832內(nèi)部有兩個8位寄存器：輸入寄存器，DAC寄存器?？蓪崿F(xiàn)三種工作方式：雙緩沖、單緩沖和直通方式。單緩沖工作方式指兩個寄存器在控制信號作用下，同時接收轉換數(shù)據(jù)。一般用來實現(xiàn)一路信號模擬的輸出。直通工作方式是指兩個寄存器的控制信號全部接固定的有效電平，使數(shù)字量直接進入D/A轉換器進行轉換，不需單片機參與控制 二、電壓輸出電路DAC0832電流輸出型轉換器兩種電壓輸出電路。根據(jù)輸出設備需要的信號極性選擇。1、單極性輸出電路2、雙極性輸出電路三、DAC0832接口設計及應用程序舉例7.3 A/D

5、轉換器7.3.1 A/D轉換器工作原理一、基本概念（1）逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC由比較器、D/A轉換器、比較寄存器SAR、時鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成，將采樣輸入信號與已知電壓不斷進行比較，然后轉換成二進制數(shù)。（2）并行比較型ADC并行比較型ADC是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉換器，通常稱為“閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四部分組成。（3）積分型ADC積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)A/D轉換。（4）壓頻變換型ADC壓頻變換型ADC是先將

6、輸入模擬信號的電壓轉換成頻率與其成正比的脈沖信號，然后在固定的時間間隔內(nèi)對此脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)結果即為正比于輸入模擬電壓信號的數(shù)字量。（5）-型ADC-型ADC是根據(jù)前一量值與后一量值的差值即所謂的增量的大小來進行量化編碼。三、A/D轉換芯片的主要性能指標（1）分辨率習慣上以輸出的二進制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示分辨率。如一個輸出為8位二進制數(shù)的A/D轉換器，稱其分辨率為8位。分辨率還可以用百分數(shù)來表示，例如8位A/D轉換器的百分數(shù)分辨率為（1/255）100%=0.39%。（2）轉換精度轉換精度是指一個實際的A/D轉換器與理想的A/D轉換器相比的轉換誤差。（3）轉換時間 轉換時間是指A/D轉

7、換器完成一次轉換所需要的時間。其倒數(shù)為轉換速率。7.3.2 典型的A/D轉換器芯片舉例ADC0809是8通道8位逐次逼近型A/D轉換器。首先控制邏輯使逐次逼近寄存器最高位為1，接著該值經(jīng)D/A轉換后與輸入電壓比較。比較器輸出決定該位1的去留，該工作如此向低位推進，直到完成最低位的轉換，轉換結果被鎖存到逐次逼近寄存器作為ADC輸出。 7.3.3 ADC芯片與CPU接口1、數(shù)據(jù)輸出線的連接ADC芯片相當于給CPU提供數(shù)據(jù)的輸入設備。為了防止總線沖突，其數(shù)據(jù)輸出端通過三態(tài)門接數(shù)據(jù)總線。ADC內(nèi)部帶有三態(tài)門，與CPU數(shù)據(jù)總線可直接相連。ADC內(nèi)部不帶三態(tài)門，與CPU數(shù)據(jù)總線通過三態(tài)鎖存器相連。當ADC

8、位數(shù)大于CPU數(shù)據(jù)總線寬度時，也應考慮外接鎖存器和控制邏輯，分兩次或多次讀取數(shù)據(jù)。也有串行連接ADC。2、A/D轉換的啟動信號當一個ADC在開始轉換時，必須加一個啟動信號。一般分脈沖啟動信號和電平控制信號，用軟件或硬件產(chǎn)生。脈沖信號啟動轉換的ADC，只要在啟動引腳加一個脈沖即可。電平信號啟動轉換是在啟動引腳上加一個所要求的電平。3、轉換結束信號的處理方式當A/D轉換結束，ADC輸出一個轉換結束信號，通知CPU，A/D轉換已經(jīng)結束，可以讀取結果。CPU可以利用該信號作為中斷請求信號接到CPU的中斷請求線上，在中斷服務程序中讀取數(shù)據(jù)；或把結束信號作為狀態(tài)進行查詢，一旦查到轉換結束，便讀取數(shù)據(jù)；還可

9、以不使用轉換結束信號，定時讀取數(shù)據(jù)。 4、時鐘的提供整個A/D轉換過程都是在時鐘作用下完成的。5、參考電壓的接法當模擬信號為單極性時，VREF（-）接地，VREF（+）接正極電源。當模擬信號為雙極性時，VREF（+）和VREF（-）分別接參考電源的正、負極性端。7.4 傳感器及信號調理電路傳感器是將能夠感受到得及規(guī)定的被測量按照一定的規(guī)律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置。由敏感元件和轉換元件組成。其中敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量（輸入量）的部分，轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。由于傳感器的輸出信號一般都很微弱，存在非線性等因素，因此需要有信號調理與轉換電路對其進行放大、運算后，才能由計算機處理。 7.4.7 信號調理電路集成運算放大器是一種具有高電壓放大倍數(shù)的直接耦合多級放大電路.當理想運放外部接入不同的元件形成負反饋時，稱線性應用，可以實現(xiàn)比例、加法、減法、積分、微分等模擬運算。 反相放大器同相比例運算器測量放大器 二階有源低通濾波器隔離放大7.5 驅動電路一、I/O口驅動電路在單片機應用系統(tǒng)中，開關量都是通過單片機的I/O口或擴展I/O口輸