單片機(jī)原理及其接口技術(shù)第7章-前向通道課件

1、7.1 測(cè)控系統(tǒng)中前向和后向通道的構(gòu)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(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。量程放大器通常傳感器輸出的電壓信號(hào)僅為毫伏級(jí)或微伏級(jí)，而A/D轉(zhuǎn)換器要求的輸入電壓為幾伏，因此必須用量程放大器進(jìn)行信號(hào)放大。多路模擬開關(guān)為使多個(gè)模擬信號(hào)能共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，依次從多路模擬信號(hào)中選取一路轉(zhuǎn)換。采樣/保持電路把連續(xù)不斷變化的模擬量送入AD轉(zhuǎn)換器之前進(jìn)行時(shí)間上的離散。A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。2、數(shù)字通道整形電路使數(shù)字信號(hào)或開關(guān)量（編碼器、行程開關(guān)、光電開關(guān)等信號(hào)）滿足TTL電平要求。光電隔離防止現(xiàn)場(chǎng)干擾進(jìn)入微型機(jī)。三態(tài)緩沖現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)在需要時(shí)進(jìn)入微

2、型機(jī)數(shù)據(jù)總線。 二、后向通道1、模擬通道D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后的模擬量依次分配到多個(gè)模擬設(shè)備，使多個(gè)設(shè)備能共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)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(hào)光電隔離防止現(xiàn)場(chǎng)干擾7.2 D/ A轉(zhuǎn)換器 7.2.1 基本概念一、D/A轉(zhuǎn)換原理D/A轉(zhuǎn)換器的核心電路是解碼網(wǎng)絡(luò)，解碼網(wǎng)絡(luò)的主要形式有兩種：一種是權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)；另一種是T型電阻網(wǎng)絡(luò)。二、D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)是分辨率和建立時(shí)間。1、分辨率（Resolution）指最小模擬輸出量（對(duì)應(yīng)輸入數(shù)字量?jī)H最低位為1）與最大量（對(duì)應(yīng)輸入數(shù)字量所有有效位

3、為1）之比。通常用D/A轉(zhuǎn)換器輸入的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來描述.2、建立時(shí)間（Setting Time） 是將一個(gè)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定模擬信號(hào)所需的時(shí)間，也可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)換時(shí)間 D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路得到電壓輸出，一般外接運(yùn)算放大器使用。7.2.2 典型的D/A轉(zhuǎn)換器芯片 DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，電流輸出，電流建立時(shí)間1s，輸入數(shù)字量8位，與微機(jī)并行連接。雙緩沖工作方式是指兩個(gè)寄存器分別接收轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。使兩個(gè)輸入寄存器具有各自的地址，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分別寫入輸入寄存器。而并聯(lián)使兩個(gè)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(shí)寫入兩個(gè)DAC寄存器，而后同時(shí)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。此工作方式一般用來實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)的同步輸出。 DAC0832內(nèi)部有兩個(gè)8位寄存器：輸入寄存器，DAC寄存器。可實(shí)現(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(gè)寄存器在控制信號(hào)作用下，同時(shí)接收轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。一般用來實(shí)現(xiàn)一路信號(hào)模擬的輸出。直通工作方式是指兩個(gè)寄存器的控制信號(hào)全部接固定的有效電平，使數(shù)字量直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，不需單片機(jī)參與控制 二、電壓輸出電路DAC0832電流輸出型轉(zhuǎn)換器兩種電壓輸出電路。根據(jù)輸出設(shè)備需要的信號(hào)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(shè)計(jì)及應(yīng)用程序舉例7.3 A/D

5、轉(zhuǎn)換器7.3.1 A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器、比較寄存器SAR、時(shí)鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成，將采樣輸入信號(hào)與已知電壓不斷進(jìn)行比較，然后轉(zhuǎn)換成二進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。在此時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。（4）壓頻變換型ADC壓頻變換型ADC是先將

6、輸入模擬信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換成頻率與其成正比的脈沖信號(hào)，然后在固定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果即為正比于輸入模擬電壓信號(hào)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(jìn)行量化編碼。三、A/D轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標(biāo)（1）分辨率習(xí)慣上以輸出的二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示分辨率。如一個(gè)輸出為8位二進(jìn)制數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器，稱其分辨率為8位。分辨率還可以用百分?jǐn)?shù)來表示，例如8位A/D轉(zhuǎn)換器的百分?jǐn)?shù)分辨率為（1/255）100%=0.39%。（2）轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指一個(gè)實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器與理想的A/D轉(zhuǎn)換器相比的轉(zhuǎn)換誤差。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)

7、換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。7.3.2 典型的A/D轉(zhuǎn)換器芯片舉例ADC0809是8通道8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)，直到完成最低位的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)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(dāng)于給CPU提供數(shù)據(jù)的輸入設(shè)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(dāng)ADC

8、位數(shù)大于CPU數(shù)據(jù)總線寬度時(shí)，也應(yīng)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(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)當(dāng)一個(gè)ADC在開始轉(zhuǎn)換時(shí)，必須加一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)。一般分脈沖啟動(dòng)信號(hào)和電平控制信號(hào)，用軟件或硬件產(chǎn)生。脈沖信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的ADC，只要在啟動(dòng)引腳加一個(gè)脈沖即可。電平信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換是在啟動(dòng)引腳上加一個(gè)所要求的電平。3、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理方式當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，ADC輸出一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，通知CPU，A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，可以讀取結(jié)果。CPU可以利用該信號(hào)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)接到CPU的中斷請(qǐng)求線上，在中斷服務(wù)程序中讀取數(shù)據(jù)；或把結(jié)束信號(hào)作為狀態(tài)進(jìn)行查詢，一旦查到轉(zhuǎn)換結(jié)束，便讀取數(shù)據(jù)；還可

9、以不使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，定時(shí)讀取數(shù)據(jù)。 4、時(shí)鐘的提供整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換過程都是在時(shí)鐘作用下完成的。5、參考電壓的接法當(dāng)模擬信號(hào)為單極性時(shí)，VREF（-）接地，VREF（+）接正極電源。當(dāng)模擬信號(hào)為雙極性時(shí)，VREF（+）和VREF（-）分別接參考電源的正、負(fù)極性端。7.4 傳感器及信號(hào)調(diào)理電路傳感器是將能夠感受到得及規(guī)定的被測(cè)量按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量（輸入量）的部分，轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性惺艿谋粶y(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱，存在非線性等因素，因此需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行放大、運(yùn)算后，才能由計(jì)算機(jī)處理。 7.4.7 信號(hào)調(diào)理電路集成運(yùn)算放大器是一種具有高電壓放大倍數(shù)的直接耦合多級(jí)放大電路.當(dāng)理想運(yùn)放外部接入不同的元件形成負(fù)反饋時(shí)，稱線性應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)比例、加法、減法、積分、微分等模擬運(yùn)算。 反相放大器同相比例運(yùn)算器測(cè)量放大器 二階有源低通濾波器隔離放大7.5 驅(qū)動(dòng)電路一、I/O口驅(qū)動(dòng)電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，開關(guān)量都是通過單片機(jī)的I/O口或擴(kuò)展I/O口輸