微機(jī)控制技術(shù)第二章

1第二章輸入輸出接口與過(guò)程通道

本章學(xué)習(xí)要求1．了解輸入輸出接口和過(guò)程通道的作用，熟悉常用A/D、D/A和接口芯片的應(yīng)用。2．掌握常用數(shù)字量輸入輸出通道和模擬量輸入輸出通道的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。2第一節(jié)

概述

一、接口、通道及其功能

1.I/O接口電路為什么需要I/O接口（電路）？微機(jī)的外部設(shè)備多種多樣工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大它們不能與CPU直接相連必須經(jīng)過(guò)中間電路再與系統(tǒng)相連這部分電路被稱(chēng)為I/O接口電路多種外設(shè)3第一節(jié)

概述

什么是I/O接口（電路）？I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來(lái)協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路。PC機(jī)系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線(xiàn)槽的電路板（適配器）都是接口電路。CPU接口電路

I/O設(shè)備4第一節(jié)

概述

I/O接口的主要功能:⑴對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存輸出接口有鎖存環(huán)節(jié)；輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)實(shí)際的電路常見(jiàn)：輸出鎖存緩沖環(huán)節(jié)、輸入鎖存緩沖環(huán)節(jié)。⑵對(duì)信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換微機(jī)直接處理：數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量、脈沖量⑶對(duì)I/O端口進(jìn)行尋址⑷與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)5第一節(jié)

概述

一、接口、通道及其功能

2.I/O通道

I/O通道也稱(chēng)為過(guò)程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械、生產(chǎn)過(guò)程的控制，就必須采集現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象的各種參量，這些參量分兩類(lèi)：一是模擬量，即時(shí)間上和數(shù)值上都連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、速度、位移等。一是數(shù)字量(或開(kāi)關(guān)量)，即時(shí)間上和數(shù)值上都不連續(xù)的量。如表示開(kāi)關(guān)閉合或斷開(kāi)二個(gè)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量，按一定編碼的數(shù)字量和串行脈沖列等。

6第一節(jié)

概述

二、I/O信號(hào)的種類(lèi)

在微機(jī)控制系統(tǒng)或微機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)和外圍設(shè)備間所交換的信息通常分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類(lèi)。1.數(shù)據(jù)信息：數(shù)字量，模擬量，開(kāi)關(guān)量，脈沖量

2.狀態(tài)信息：狀態(tài)信息是外圍設(shè)備通過(guò)接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備所處的工作狀態(tài)的信息。它作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

3.控制信息：控制信息是CPU通過(guò)接口傳送給外圍設(shè)備的用于控制的信息。

7第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

一、數(shù)字量輸入接口技術(shù)

1.數(shù)值量輸入接口對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，往往要收集生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)信息，根據(jù)狀態(tài)信息，再給出控制量，因此，可用三態(tài)門(mén)緩沖器74LS244取得狀態(tài)信息。經(jīng)過(guò)端口地址譯碼，得到片選信號(hào)CS當(dāng)在執(zhí)行IN指令，周期時(shí)，產(chǎn)生IOR信號(hào)，則被測(cè)的狀態(tài)信息可通過(guò)三態(tài)門(mén)送到PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，然后裝入AL寄存器，設(shè)片選端口地址為port可用如下指令來(lái)完成取數(shù)。MOVDXportINALDX由總線(xiàn)和譯碼電路產(chǎn)生8第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

一、數(shù)字量輸入接口技術(shù)

輸入指令（IN：將外設(shè)數(shù)據(jù)傳送給CPU內(nèi)的AL/AX）INAL,21H;字節(jié)輸入INAL,DX ;字節(jié)輸入INAX,003FH;字輸入INAX,DX ;字輸入演示9第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

一、數(shù)字量輸入接口技術(shù)

2.數(shù)字量輸出接口當(dāng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，一般控制狀態(tài)需進(jìn)行保持，這時(shí)輸出就要鎖存。因此可用74LS273作為8位輸出鎖存口，對(duì)狀態(tài)輸出信號(hào)進(jìn)行鎖存，如圖所示。利用IOW的后沿產(chǎn)生的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)端口地址譯碼，得到片選信號(hào)CS，當(dāng)執(zhí)行OUT指令周期時(shí)，產(chǎn)生IOW信號(hào)，設(shè)片選端口地址為port，用以下指令完成數(shù)據(jù)輸出控制。MOVAL，DATA

MOVDX，port

OUTDX,AL

由總線(xiàn)和譯碼電路產(chǎn)生10第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

輸出指令（OUT：將CPU內(nèi)的AL/AX數(shù)據(jù)傳送給外設(shè)）OUT3AH,AL ;字節(jié)輸出OUTDX,AL ;字節(jié)輸出OUT003FH,AX ;字輸出OUTDX,AX ;字輸出演示11第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

二、數(shù)字量輸入通道

1.

數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器，輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成。

注意與輸入接口的差別！12第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

二、數(shù)字量輸入通道數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量)輸入通道的功能就是接收外部裝置或生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)信號(hào)。這些狀態(tài)信號(hào)的形式可能是電壓、電流、開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)，因此引起瞬時(shí)高壓、過(guò)電壓、接觸抖動(dòng)等現(xiàn)象。為了將外部開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)，必須將現(xiàn)場(chǎng)輸入的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào)，這些功能稱(chēng)為信號(hào)調(diào)理。下面針對(duì)不同點(diǎn)情況分別介紹相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理技術(shù)。

13第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

二、數(shù)字量輸入通道

1.小功率輸入調(diào)理電路前沿抖動(dòng)后沿抖動(dòng)鍵穩(wěn)定鍵按下利用積分電路利用觸發(fā)器特點(diǎn)14第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

二、數(shù)字量輸入通道

2．大功率輸入調(diào)理電路輸出地輸入地15第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

三、數(shù)字量輸出通道

1.數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)注意與輸出接口的差別！16第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

三、數(shù)字量輸出通道

2.輸出驅(qū)動(dòng)電路(1)小功率直流驅(qū)動(dòng)電路A.功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路

注意干擾！17第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

三、數(shù)字量輸出通道

2.輸出驅(qū)動(dòng)電路(1)小功率直流驅(qū)動(dòng)電路B.達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)繼電器電路(ULN2004)用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)小型繼電器18第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道

三、數(shù)字量輸出通道

2.輸出驅(qū)動(dòng)電路(2)大功率交流驅(qū)動(dòng)電路前、后之間沒(méi)有直接關(guān)系19第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或裝置，它是一個(gè)模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口，它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的A/D轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近式和雙斜積分式，前者轉(zhuǎn)換時(shí)間短(幾個(gè)微秒～幾百個(gè)微秒)，但抗干擾能力較差；后者轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)(幾十個(gè)毫秒～幾百個(gè)毫秒)，抗干擾能力較強(qiáng)。在信號(hào)變化緩慢，現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，宜采用后者。常用的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器有8位分辨率ADC0809，12位分辨率的AD574等；常用的雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器有3位半(相當(dāng)于二進(jìn)制11位分辨率)的MC14433，4位半(相當(dāng)于二進(jìn)制14位分辨率)的ICL7135等。

20第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有:●轉(zhuǎn)換時(shí)間：指完成一次模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。●分辨率：指A/D轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的最小電壓（量化階梯），通常用數(shù)字量的位數(shù)n(字長(zhǎng))來(lái)表示，如8位、12位、16位等?！窬€(xiàn)性誤差：理想轉(zhuǎn)換特性(量化特性)應(yīng)該是線(xiàn)性的，但實(shí)際轉(zhuǎn)換特征并非如此。在滿(mǎn)量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線(xiàn)性誤差?！窳砍蹋杭此苻D(zhuǎn)換的輸入電壓范圍，●對(duì)基準(zhǔn)電源的要求：基準(zhǔn)電源的精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大影響。21第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

22第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

23第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

（1）主要管腳的功能

VIN0～VIN7——8個(gè)模擬量輸入端START——啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)該腳為高電平時(shí)，開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換。EOC(EndOfConversion)——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。OE（OUTPUTENABLE）——輸出允許信號(hào)。CLOCK——時(shí)鐘信號(hào)，一般為640KHzALE（AddressLockEnable）——地址鎖存允許，高電平有效。A、B、C——通道號(hào)端口，C為最高位，A為最低位。DO7～DO0——數(shù)字量輸出端。VREF（+）、VREF（-）——參考電壓端子。Vcc(+5V)、GND（0V）——工作電源和電源地。

24第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

（2）8通道模擬開(kāi)關(guān)及通道選擇邏輯

CBA所選通道

000Vin0

001Vin1

010Vin2

011Vin3

100Vin4

101Vin5

110Vin6

111Vin7

25第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

（3）8位A/D轉(zhuǎn)換器8位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)選送至輸入端的信號(hào)VIn進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果D(D=0～28-1)存入三態(tài)輸出鎖存緩沖器。它在START上收到一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令(正脈沖)后開(kāi)始轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖剑ㄖ狢PU讀結(jié)果。啟動(dòng)，CPU可用方式(將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)接至一條I/O線(xiàn)上)或中斷方式(EOC作為中斷請(qǐng)求信號(hào)引入中斷邏輯)了解A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程是否結(jié)束。26第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

（4）三態(tài)輸出鎖存緩沖器

用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果D，輸出允許信號(hào)OE為高電平時(shí)，D由DO7～DO0上輸出；OE為低電平輸入時(shí)，數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)DO7～DO0為高阻態(tài)。ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖所示。時(shí)序關(guān)系非常重要！27第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A

高性能12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器28第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A

AD574內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)29第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(1)AD574引腳功能說(shuō)明(1)DO0～DO11——12位數(shù)據(jù)輸出，均帶三態(tài)輸出緩沖器。VLOGIC——邏輯電源+5V（4.5～5.5V）VCC——正電源+15V（+13.5～+16.5V）VEE——負(fù)電源-15V（-13.5～-16.5V）AGND、DGND——模擬數(shù)字地。CE——片允許信號(hào)，高電平有效。簡(jiǎn)單應(yīng)用中固定接高電平。CS——片選擇信號(hào)，底電平有效。R/C——讀/轉(zhuǎn)換信號(hào)。CE=1，CS=0，R/C=0時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)始，啟動(dòng)負(fù)脈沖為400nS。CE=1，CS=0，R/C=1時(shí)，允許讀數(shù)據(jù)。A0——轉(zhuǎn)換和讀字節(jié)選擇信號(hào)。CE=1，CS=0，R/C=0，A0=0時(shí)，啟動(dòng)按12位轉(zhuǎn)換；啟動(dòng)CE=1，CS=0，R/C=0，A0=1時(shí)，啟動(dòng)按8位轉(zhuǎn)換；CE=1，CS=0，R/C=1，A0=0時(shí)，讀取轉(zhuǎn)換后的高8位數(shù)據(jù)；讀數(shù)CE=1，CS=0，R/C=1，A0=1時(shí)，讀取轉(zhuǎn)換后的低4位數(shù)據(jù)

30第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(1)AD574引腳功能說(shuō)明(2)12/8——輸出數(shù)據(jù)形式選擇信號(hào)。12/8接VLOGIC時(shí)，數(shù)據(jù)按12位形式輸出；12/8接DGND時(shí)，數(shù)據(jù)按雙8位形式輸出。注意：該腳不能由TTL電平控制，必須直接接至+5V或數(shù)字地。STS——轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(hào)。轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，STS=1；轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，STS=0。10VIN——模擬信號(hào)輸入。單極性0～10V，雙極性±5V。20VIN——模擬信號(hào)輸入。單極性0～20V，雙極性±10V。VREFIN（IN）——參考輸入。VREFOUT（OUT）——參考輸出。BIPOFF——雙極性偏置。31第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(2)12位A/D轉(zhuǎn)換器

該12位的A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入，可以是單極性的，也可以是雙極性的。單極性應(yīng)用時(shí)，將BIPOFF接OV，雙極性時(shí)接10V，量程可以是10V，也可以是20V。輸入信號(hào)在10V范圍內(nèi)變化時(shí)，將輸入信號(hào)接至10VIN；在20V范圍內(nèi)變化時(shí)，接至20VIN。量程為10V和20V時(shí)，AD574A的量化單位分別為10V/212和20V/212。引腳單極性雙極性BIPOFF0V10V10Vin0~10V-5V~+5V20Vin0~20V-10V~+10V32第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(2)12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A的單、雙極性應(yīng)用時(shí)的線(xiàn)路連接方法，以及零點(diǎn)和滿(mǎn)度調(diào)整方法。

33第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(3)三態(tài)輸出鎖存緩沖器該緩沖器用于存放12位轉(zhuǎn)換結(jié)果D(D=0～212-1)。D的輸出方式有兩種，引腳12/8=1時(shí)，D的D11～DO并行輸出，12/8=0時(shí)，D的高8位D11～D4與低4位D3～D0分時(shí)輸出。

34第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器

2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(4)控制邏輯

控制邏輯的任務(wù)包含：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換、控制轉(zhuǎn)換過(guò)程和控制結(jié)果D的輸出。有關(guān)控制信號(hào)的作用如下表。CE、CS均為片選信號(hào)，R/C為讀/啟動(dòng)控制信號(hào)CECSR/C12/8A0操作功能100X0啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換10001啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換1011X輸出12位數(shù)字10100輸出高8位數(shù)字10101輸出低四位數(shù)字0XXXX無(wú)操作X1XXX無(wú)操作35第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(4)控制邏輯

啟動(dòng)和讀操作時(shí)序如圖所示

一定要學(xué)會(huì)看時(shí)序關(guān)系圖！它對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程很重要！36第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器3.4位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135ICL7135采用單極性基準(zhǔn)點(diǎn)源，能對(duì)雙極性輸入的模擬量電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并且自動(dòng)輸出極性判別信號(hào)。它采用28腳雙列直插式封裝。37第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、A/D轉(zhuǎn)換器3.4位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135ICL7135數(shù)字部分功能結(jié)構(gòu)38第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

二、A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

1．ADC0809與PC總線(xiàn)接口8255A組和B組都工作于方式0，端口A(yíng)為輸入口，端口C上半部分為輸入而下半部分為輸出口。ADC0809的ALE與START引腳相連接，將PC0～PC2輸出的3位地址鎖存入ADC0809的地址鎖存器并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809的EOC信號(hào)還連接PC7，CPU通過(guò)查詢(xún)PC7的狀態(tài)，從而控制數(shù)據(jù)的輸入過(guò)程。

小于640KHz注意此處方向表示39第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

二、A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

1．ADC0809與PC總線(xiàn)接口A(yíng)DC0809PROCNEAR

MOVCX，8CLDMOVBL，00HLEADI，DATABUFNEXTA：MOVDX，02C2H

MOVAL，BLOUTDX，ALINCDXMOVAL，00000111BOUTDX，AL

NOP

NOPNOP

MOVAL，00001110BOUTDX，ALDECDXNOSC：INAL，DXTESTAL，80HJNZNOSCNOEOC：INAL，DXTESTAL，80HJZNOEOCMOVDX，02C0H

INAL，DXSTOSDATABUFINCBLLOOPNEXTARET

ADC0809ENDP

40第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

二、A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

2．AD574與PC總線(xiàn)接口如圖給出了12位轉(zhuǎn)換方式的AD574A的接口例子。AD574A的12/8控制引腳和VLOGIC相連接，A0接地，使工作于12位轉(zhuǎn)換和讀出方式。CE、CS和

R/C

的控制通過(guò)PC2～PC0輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)實(shí)現(xiàn)。8255A的A組和B組都工作于方式0，端口A(yíng)、B和端口C上半部分規(guī)定為輸入，端口C的下半部分規(guī)定為輸出。注意模擬地與數(shù)字地的連接關(guān)系41第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

二、A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

2．AD574與PC總線(xiàn)接口

………

MOVDX，02C2H

MOVAL，00HOUTDX，ALNOPNOPMOVAL，04H

OUTDX，ALNOPNOPMOVAL，03HOUTDX，ALPOLLING：INAL，DXTESTAL，80H

JNZPOLLING

MOVAL，01H

OUTDX，ALNOPMOVAL，05HINAL，DXANDAL，OFHMOVBH，ALINCDXINAL，DXMOVBL，ALINCDXMOVAL，OUTDX，AL

…………

42第四節(jié)

模擬量輸入通道

一、模擬量輸入通道的組成

看出了接口與通道的差別了嗎？43第四節(jié)

模擬量輸入通道

二、I/V變換送變器輸出的信號(hào)為0～10mA或4～20mA的統(tǒng)一信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)I/V變換變成電壓信號(hào)后才能處理。

1.無(wú)源I/V變換無(wú)源I/V變換主要是利用無(wú)源器件電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護(hù)措施，如圖所示。R1、R2為精密電阻，C為低漏電電容。輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)！44第四節(jié)

模擬量輸入通道

二、I/V變換

2.有源I/V變換利用同相放大電路，把電阻R1上產(chǎn)生的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為A=1+R4/R3。若取R3=100KΩ，R4=150KΩ，此時(shí)，A=2.5,R1=200Ω，則0～10mA輸入對(duì)應(yīng)于0～5V和電壓輸出。若取R3=100KΩ，R4=25KΩ，R1=200Ω，則4～20mA輸入對(duì)應(yīng)于1～5V的電壓輸出。輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)！R2,R3,R4電阻值不能取得太?。?5第四節(jié)

模擬量輸入通道

三、采樣量化及常用的保持器

1.信號(hào)的采樣

采樣過(guò)程如圖所示。按一定的時(shí)間隔T，把時(shí)間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)變成在時(shí)刻0、T、2T……kT的一連串脈沖輸入信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為采樣過(guò)程。

保持信號(hào)采樣過(guò)程46第四節(jié)

模擬量輸入通道

三、采樣量化及常用的保持器

1.信號(hào)的采樣

從信號(hào)的采樣過(guò)程可知，經(jīng)過(guò)采樣，不是取全部時(shí)間上的信號(hào)值，而是取某些時(shí)間上的值。這樣處理后會(huì)不會(huì)造成信號(hào)的丟失呢？香農(nóng)（Shannon）采樣定理指出：如果模擬信號(hào)（包括噪聲干擾在內(nèi)）頻譜的最高頻率為fmax，只要按照采樣頻率f≧2fmax進(jìn)行采樣，那么采樣信號(hào)y(t)*就能唯一地復(fù)觀(guān)y(t)。采樣定理給出了y(t)*唯一地復(fù)觀(guān)y(t)所必需的最低采樣頻率。實(shí)際應(yīng)用中，常取f≧(5～10)fmax，甚至更高。

47第四節(jié)

模擬量輸入通道

三、采樣量化及常用的保持器

2.量化所謂量化，就是采用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為量化過(guò)程，執(zhí)行量化動(dòng)作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。字長(zhǎng)n的A/D轉(zhuǎn)換器把ymin～ymax范圍內(nèi)變化的采樣信號(hào)，變換為數(shù)字0～2n–1,其最低有效位（LSB）所對(duì)應(yīng)的模擬量q稱(chēng)為量化單位。q=(ymax-ymin)/(2n-1)量化過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)用q去度量采樣值幅值高低的小數(shù)歸整過(guò)程。由于量化過(guò)程是一個(gè)小數(shù)歸整過(guò)程，因而存在量化誤差，量化誤差為±1/2q。

48第四節(jié)

模擬量輸入通道

三、采樣量化及常用的保持器

3.采樣保持器

(1)孔徑時(shí)間和孔徑誤差的消除

在模擬量輸入通道中，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量總是需要一定的時(shí)間。完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱(chēng)之為孔徑時(shí)間。對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，孔徑時(shí)間決定了每一個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)換誤差，即為孔徑誤差。

孔徑時(shí)間可能誤差49第四節(jié)

模擬量輸入通道

三、采樣量化及常用的保持器

3.采樣保持器

(2)采樣保持原理采樣時(shí)，K閉合，VIN通過(guò)A1對(duì)CH快速充電，VOUT跟隨VIN；保持期間，K斷開(kāi)，由于A(yíng)2的輸入阻抗很高，理想情況下VOUT＝VC保持不變，采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，保證A/D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。輸入緩沖器采樣開(kāi)關(guān)保持電容輸入緩沖器50第四節(jié)

模擬量輸入通道

三、采樣量化及常用的保持器

3.采樣保持器

(3)常用的采樣保持器常用的集成采樣保持器有LF398、AD582等，其原理結(jié)構(gòu)如圖（a）(b)所示。注意差別51第四節(jié)

模擬量輸入通道

四、模擬量輸入通道設(shè)計(jì)

利用12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A，采樣保持器LF3983、多路開(kāi)關(guān)CD4051、8255A并行接口，能夠設(shè)計(jì)出PC總線(xiàn)控制機(jī)的模擬量輸入通道電路模板。該電路模板的主要技術(shù)指標(biāo)為：8通道模擬量輸入；12位分辨率；輸入量程為單極性0～10V；A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs；應(yīng)答方式為查詢(xún)；

多路開(kāi)關(guān)采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器可編程器件52第五節(jié)

D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置，它的模擬量輸出（電流或電壓）與參考電壓二進(jìn)制成比例。常用的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率有8位、10位、12位等，其結(jié)構(gòu)大同小異，通常都帶有二級(jí)緩沖寄存器。主要技術(shù)指標(biāo)有：●分辨率：通常用D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來(lái)表示,如8位、10位、12位。分辨率為n位，表示D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制的最低有效位LSB與滿(mǎn)量程輸出的1/2n相對(duì)應(yīng)?！窠r(shí)間：輸入數(shù)字信號(hào)的變化是滿(mǎn)量程時(shí)，輸出模擬信號(hào)達(dá)到離終值±1/2LSB所需要的時(shí)間?！窬€(xiàn)性誤差：與A/D轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)性誤差定義相同。53第五節(jié)

D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、D/A轉(zhuǎn)換器

1．8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，它主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、采用R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)的8位D/A轉(zhuǎn)換器、相應(yīng)的選通控制邏輯四部分組成。DAC0832的分辨率為8位，電流輸出。54第五節(jié)

D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、D/A轉(zhuǎn)換器

1．8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

DAC0832各引腳的功能如下：CS——片選信號(hào)，CS和ILE信號(hào)共同對(duì)WR1能否起作用進(jìn)行控制。ILE——允許輸入鎖存信號(hào)。WR1——寫(xiě)信號(hào)1，用于將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器中，WR1必須和CS和ILE同時(shí)有效。WR2——寫(xiě)信號(hào)2，用于將鎖存于輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送到DAC寄存器中鎖存。WR2有效的同時(shí)，傳送控制信號(hào)XFER必須有效。XFER——傳送控制信號(hào)。用于控制WR2

。DI0～DI7——8位數(shù)據(jù)輸入，DI7為最高位。IOUT1——模擬電流輸出1，當(dāng)DAC寄存器中全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中全為0時(shí)，輸出電流為0。IOUT2——模擬電流輸出2，當(dāng)DAC寄存器中全為0時(shí)，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中全為1時(shí)，輸出電流為0。IOUT1+IOUT2=常數(shù)。Rfb——反饋電阻引出端。VREF——基準(zhǔn)電壓輸入端。（+10～-10V）Vcc——電源電壓輸入端。（+5～+15V）AGND—模擬地。DGND—數(shù)字地。55第五節(jié)

D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

一、D/A轉(zhuǎn)換器

2．12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210

下圖是DAC1210的內(nèi)部原理框圖，與DAC0832相比，有兩點(diǎn)區(qū)別：一是它是12位的，有12條數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)（DI0～DI11）。二是可以用字節(jié)控制信號(hào)BYTE1/BYTE2控制數(shù)據(jù)的輸入。56第五節(jié)

D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

二、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

1．8位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)的接口

該電路由8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832、運(yùn)算放大器、地址譯碼器電路組成。DAC0832工作在單緩沖寄器方式，當(dāng)CS信號(hào)來(lái)時(shí)，D0～D7數(shù)據(jù)線(xiàn)送來(lái)的數(shù)據(jù)直通進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，當(dāng)IOW變高時(shí)，則此數(shù)據(jù)便被鎖存在輸入寄存器中，因此D/A轉(zhuǎn)換的輸出也保持不變。DAC0832將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成差動(dòng)的電流（IOUT1和IOUT2），為了使其能變成電壓輸出，所以又經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器A，將形成單極性電壓輸出0～+5（VREF為-5V）或0～+10V（VREF為-10V）。若要形成負(fù)電壓輸出，則VREF需接正的基準(zhǔn)電壓。為了保證輸出電流的線(xiàn)性度，兩個(gè)電流的輸出端IOUT1和IOUT2的電位應(yīng)盡可能地接近0電位，只有這樣，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換后得到的輸出電流將通過(guò)內(nèi)部的反饋電阻Rfb（=15K）流到放大器的輸出端，否則運(yùn)算放大器兩輸入端微小的電位差，將導(dǎo)致很大的線(xiàn)性誤差。若DAC0832的CS的口地址為300H，則8位二進(jìn)制數(shù)7FH轉(zhuǎn)換為模擬電壓的接口程序?yàn)椋?/p>

MOVDA，300HMOVAL，7FHOUTDX，AL

57第五節(jié)

D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

二、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

2．12位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口

該電路采用12位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC1210、輸出放大器、地址譯碼器等電路組成。整個(gè)電路如圖所示，端口地址譯碼器譯出Y0、Y1、Y2三個(gè)口地址，設(shè)為300H、301H，302H。58第五節(jié)

D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)

二、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

2．12位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口

電路的轉(zhuǎn)換過(guò)程：當(dāng)送出口地址Y0信號(hào)，則BYTE1/BYTE2為高電平，同時(shí)當(dāng)IOW信號(hào)來(lái)時(shí)，高位數(shù)據(jù)被寫(xiě)入DAC1210的高8位輸入寄存器和低4位寄存器。當(dāng)又一次IOW信號(hào)來(lái)，且口地址Y1信號(hào)來(lái)時(shí)，由于BYTE1/BYTE2為低電平，則高8位輸入數(shù)據(jù)被鎖存，低4位數(shù)據(jù)寫(xiě)如低4位寄存器，原先寫(xiě)入的內(nèi)容被沖掉。當(dāng)Y2信號(hào)和IOW信號(hào)來(lái)時(shí)，則DAC1210內(nèi)的12位DAC寄存器和高8位及低4位輸入寄存器直通，這一新的數(shù)據(jù)由片內(nèi)的12位D/A轉(zhuǎn)換器開(kāi)始轉(zhuǎn)換，當(dāng)IOW或Y2信號(hào)結(jié)束時(shí)，12位DAC寄存器將鎖存這一數(shù)據(jù)，直到下一次又送入新的數(shù)據(jù)為止。前面已假設(shè)端口譯碼器的Y0、Y1、Y2