第2章過程輸入輸出通道

第2章過程輸入輸出通道2.1信號的采樣與恢復2.2模擬量輸入通道2.3模擬量輸出通道

2.4數(shù)字量輸入輸出通道本章具體內(nèi)容過程通道：計算機和生產(chǎn)過程之間設置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。（AI、AO、DI、DO）計算機控制系統(tǒng)組成框圖

過程輸入輸出通道的組成與功能過程通道的組成和功能

◆數(shù)字量輸入（DI）通道：把從控制對象檢測得到的數(shù)字碼、開關量、脈沖量或中斷請求信號經(jīng)過輸入緩沖器在接口的控制下送給計算機(檢測通道)輸入調(diào)理電路輸入緩沖器地址譯碼器生產(chǎn)過程PC總線

過程輸入輸出通道的組成與功能

◆

數(shù)字量輸出（DO）通道：把從計算機輸出的數(shù)字信號通過接口輸出數(shù)字信號、脈沖信號或開關信號.輸出驅(qū)動器輸出鎖存器地址譯碼器生產(chǎn)過程PC總線

過程輸入輸出通道的組成與功能

◆模擬量輸入（AI）通道：把從控制對象檢測得到的時間連續(xù)模擬信號（如溫度,壓力,流量,液位等）(1-10V,4-20mA)變換成二進制的數(shù)字信號，然后經(jīng)接口送入到計算機(檢測通道)

◆模擬量輸出（AO）通道：把從計算機輸出的數(shù)字信號通過接口由它變換成相應的模擬量信號輸出給控制對象(控制通道,連續(xù)調(diào)節(jié)閥).◆

AI、AO比較重要，有不少特殊問題要解決.

過程輸入輸出通道的組成與功能2.1信號采樣與恢復1．信號類型在計算機控制系統(tǒng)中，常用的信號有3種類型。（1）模擬信號在時間和幅值上均連續(xù)取值而不發(fā)生突變的信號，一般用十進制數(shù)表示。這是控制對象需要的信號。（2）離散模擬信號在時間上不連續(xù)，而在幅值上連續(xù)取值的信號。這是在信號變換過程中需要的中間信號。（3）數(shù)字（離散）信號在時間和幅值上均不連續(xù)取值的信號，通常用二進制代碼形式表示。這是計算機需要的信號。輸入和輸出計算機的信息轉(zhuǎn)換圖

一、信號的采樣過程2.1信號采樣與恢復2．采樣過程及數(shù)學描述連續(xù)信號的采樣過程一、信號的采樣過程2.1信號采樣與恢復(1)采樣過程1)周期采樣：以相同的時間間隔進行采樣，即tk+1-tk=T(常量)(k=0,1,2…)，T為采樣周期。

2)多階采樣：也稱周期非均勻性采樣，在這種形式下，tk+r-tk是周期性的重復，即tk+r-tk=T，r>1。

3)隨機采樣：顧名思義，這種采樣形式?jīng)]有固定的采樣周期，是根據(jù)需要來選擇采樣時刻。一、信號的采樣過程2.1信號采樣與恢復(2)采樣信號描述

實際的采樣信號取矩形近似，并以單位階躍函數(shù)表示的任意采樣點的采樣值為

e(kT)[1(t-kT)-1(t-kT-τ)]一、信號的采樣過程2.1信號采樣與恢復(2)采樣信號描述采樣器的閉合時間τ通常遠遠小于采樣周期T，也遠遠小于被控對象連續(xù)部分的所有時間常數(shù)。在分析時，可以認為τ=0。這樣理想采樣器就等效于一個理想的單位脈沖序列發(fā)生器，能夠產(chǎn)生以T為周期的單位脈沖序列。理想采樣過程如下圖：連續(xù)信號的理想采樣過程一、信號的采樣過程2.1信號采樣與恢復(2)采樣信號描述，T為采樣周期；K為整數(shù)。

這樣，理想采樣器的輸入信號和采樣器的輸出信號之間存在下面的關系:理想的單位脈沖序列發(fā)生器，其數(shù)學表達式為一、信號的采樣過程2.1信號采樣與恢復(3)采樣信號的物理意義一、信號的采樣過程2.1信號采樣與恢復二、采樣定理

在計算機控制系統(tǒng)中對連續(xù)信號進行采樣，是要用抽取的離散信號序列代表相應的連續(xù)信號來參與控制運算，要求采樣到的離散信號序列能夠表達相應的連續(xù)信號的基本特征。為使離散信號能不失真地恢復為原來的連續(xù)信號，對采樣角頻率有一定的要求，香農(nóng)（Shannon）采樣定理則定量地給出了采樣角頻率的選擇原則。1、采樣定理：如果連續(xù)信號具有有限頻譜，其最高頻率為

，則對進行周期采樣且采樣角頻率為時，若

≥2連續(xù)信號可以由采樣信號唯一確定，亦即采樣信號可以不失真地復現(xiàn)或恢復原信號.如果采樣頻譜中的補分量相互交疊圖a圖b圖a采樣信號頻譜圖b采樣信號頻譜2.1信號采樣與恢復二、采樣定理2.1信號采樣與恢復二、采樣定理

采樣定理奠定了選擇采樣頻率的理論基礎，但對于連續(xù)對象的離散控制，不易確定連續(xù)信號的最高頻率。因此，采樣定理給出了選擇頻率的準則，在實際應用中還要根據(jù)系統(tǒng)的實際情況綜合考慮。被控量采樣周期（s）備注流量1～5優(yōu)選1～2s壓力3～10優(yōu)選3～5s液位6～8優(yōu)選7s溫度15～20取純滯后時間常數(shù)成分15～20優(yōu)選18s常見對象的采樣周期經(jīng)驗值2、采樣周期的確定

設連續(xù)信號為，采樣點的值為，把在與之間用泰勒級數(shù)展開，取其展開式近似表達即可得保持其的階。三、信息的恢復過程和零階保持器

由于采樣信號在兩個采樣點時刻上有值，而在兩個采樣點之間無值，為了使得兩個采樣點之間為連續(xù)信號過渡，以前一時刻的采樣點值為參考值作外推，使得兩個采樣點之間不為零值。可以實現(xiàn)采樣點值不同外推功能的裝置或者器件就稱為外推器或者保持器。

簡單講：保持器是一種基于時域外推原理、把采樣信號轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號，實現(xiàn)采樣點之間插值的元件。2.1

信號采樣與恢復

簡單講：保持器是一種基于時域外推原理、把采樣信號轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號，實現(xiàn)采樣點之間插值的元件。2.1信號采樣與恢復三、信息的恢復過程和零階保持器1、零階保持器信號的零階保持

零階保持器的作用是把采樣時刻kT的采樣值恒定不變地保持（外推）到（k+1）T時刻，也就是，在時間區(qū)間內(nèi)，它的輸出量一直保持為這個值，從而使得兩個采樣點之間不為零值。這樣，零階保持器把離散信號恢復成了一個階梯波形信號，如下圖所示。2.1信號采樣與恢復三、信息的恢復過程和零階保持器1、零階保持器

如果取兩個采樣點的中點做平滑，平滑后的信號與原來連續(xù)信號

相比有1/2個采樣周期的滯后，成為如上圖b所示。一般情況下，采樣周期T

都很小，可以將這種滯后忽略。2.1信號采樣與恢復三、信息的恢復過程和零階保持器2、零階保持器的數(shù)學模型零階保持器的單位脈沖響應為gh(t)2.1信號采樣與恢復三、信息的恢復過程和零階保持器

零階保持器的輸出信號的數(shù)學描述也可以寫成它的拉氏變換為由此可以看出，零階保持器的傳遞函數(shù)為2、零階保持器的數(shù)學模型2.1信號采樣與恢復三、信息的恢復過程和零階保持器零階保持器的頻率特性為2、零階保持器的數(shù)學模型1)低通特性。零階保持器的幅度譜隨著頻率的增高而逐漸減小2)零階保持器使主頻信號的幅值提高T倍，剛好能補償連續(xù)信號經(jīng)過采樣后使得主頻譜幅值的1/T倍衰減。

3)相角滯后特性，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4)時間滯后特性，采樣周期越大，滯后越大，使系統(tǒng)相對穩(wěn)定性變差。零階保持器的頻率特性曲線圖2.1信號采樣與恢復三、信息的恢復過程和零階保持器2、零階保持器的數(shù)學模型2.1信號采樣與恢復三、信息的恢復過程和零階保持器零階保持器的無源電網(wǎng)絡實現(xiàn)

零階保持器可以用無源網(wǎng)絡來近似實現(xiàn)。如果將零階保持器傳遞函數(shù)中的展開成冪級數(shù)3、零階保持器的工程實現(xiàn)2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成

模擬量輸入通道的組成框圖

①電流信號：一般為0~10mA（0~1.5kΩ負載）或4~20mA（0~500Ω負載）。②電壓信號：一般為0~5V或1~5V信號。

傳感器輸出的信號包括：①

電壓信號：一般為mV或μV信號。②電阻信號：單位為Ω，如熱電阻（RTD）信號，通過電橋轉(zhuǎn)換成mV信號。③電流信號：一般為mA或μA信號。變送器輸出的信號包括：1、信號調(diào)理2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成◆信號調(diào)理：包括信號濾波、小信號放大、阻抗匹配、非線性補償、電流/電壓轉(zhuǎn)換等。

無源I/V變換電路

I/V變換：無源I/V變換可以利用一個的精密電阻，將0～10mA的電流信號轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號。

2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成圖中R2為精密電阻，通過此電阻可將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。當輸入電流為0-10mA時，可取R1=100Ω，R2=500Ω，這樣輸出的電壓就為0-5V；當輸入電流為4-20mA時，可取R1=100Ω，R2=250Ω，這樣輸出的電壓就為1-5V。1、信號調(diào)理有源I/V變換電路

2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成有源I/V變換是利用有源器件運算放大器和電阻組成。

利用同相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標準輸出電壓。這里R1應該取精密電阻。該放大電路的電壓放大倍數(shù)為當輸入電流為0-10mA時，可取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，這樣輸出的電壓就為0-5V；當輸入電流為4-20mA時，可取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，這樣輸出的電壓就為1-5V。◆

當多個信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器時，就需要這個器件◆理想工作狀態(tài)：開路電阻無窮大，導通電阻為0，要求切換速度快，壽命長，工作可靠?！魞纱箢悾骸獧C械觸點式：干簧繼電器,機械振子繼電器—電子開關式：晶體管開關,場效應管開關,集成電路

開關

2、多路轉(zhuǎn)換器2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成

特點：1、機械觸點式：干簧繼電器

接觸電阻小,斷開電阻大;壽命長106-107次;工作頻率400Hz;小信號中速度(10-400點/s)，缺點是受剩磁影響，可靠性稍差。2、電子開關式

速度高，工作頻率高達1000點/s,體積小,壽命長.缺點導通電阻大,小信號測量精度受影響。選擇考慮因素:

通路多少;電平高低;單端/差動輸入方式；尋址方式;切換速率;切換時要多長時間才能穩(wěn)定到要求精度。2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成

CD4051

CD4051原理圖2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成CD4051通道選擇表CD4051的引腳圖CBA選中通道號00000000110010200113010040101501106011171×××無2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成

CD4051

當采樣的通道比較多，可以將兩個或兩個以上的多路開關并聯(lián)起來。兩個8路開關擴展成16路的多路開關的方法：

CD4051

2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成四個8路開關擴展成16路的差動輸入方法OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{差動模擬輸入（18）差動模擬輸入（916）~~模擬輸出V1.....OUTOUTCCABBACD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{差動模擬輸入（18）差動模擬輸入~~4D鎖存器....（916）.....模擬輸出V22.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成

◆A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓一般都有一定范圍，而變送器過來的信號一般都是mv級的，所以必須經(jīng)過放大(一般A/D滿度電壓10V)◆前置放大器的任務是將模擬小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器的量程范圍內(nèi)。它可以分為固定增益放大器和可變增益放大器兩種，前者適用于信號范圍固定的傳感器，后者適用于信號范圍不固定的傳感器。

3、前置放大器2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成（1）固定增益放大器

固定增益放大器一般采用差動輸入放大器，因其輸入阻抗高，因而有著極強的抗共模干擾能力，如圖所示。圖2-19固定增益差動放大器3、前置放大器2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成圖中（2-19）（2-20）（2-21）所以其增益為（2-22）◆當多路輸入的信號源電平相差較大時,用同一增益放大器去放大高/低電平信號,可能使得低電平信號測量精度降低,而高電平信號有可能超出A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍.采用可編程序放大器,使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程達到均一化,提高多路采集的精度.常用的可變增益放大器有AD526、AD625、PGA100、PGA102等。2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成3、前置放大器（2）可變增益放大器（可編程放大器）2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成3A2A-NIN負載(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314Ω630Ω-+1AIV+2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成AD526可編程儀用放大器：AD526是可通過軟件對增益進行編程的單端輸入的儀用放大器，它是一款完整的解決方案，配有放大器、電阻網(wǎng)絡和TTL兼容型鎖存輸入器件本身所提供的增益是xl、x2、x4、x8、x16等五擋。4、采樣/保持器

A/D轉(zhuǎn)換器需要一定的時間才能完成一次A/D轉(zhuǎn)換，因此在進行A/D轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在A/D轉(zhuǎn)換器之前加入采樣/保持器S/H（SampleHold）。如果輸入信號變化很慢（如溫度信號）或者A/D轉(zhuǎn)換時間較快，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號變化很小，在允許的A/D轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，不必再選用采樣/保持器。2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成采樣中問題◆A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換過程的時間稱為轉(zhuǎn)換時間；轉(zhuǎn)換時間將引起誤差例：Vf=5V;12位的A/D;基準電壓10.24V;量化誤差為最低位的一半;轉(zhuǎn)換時間0.1ms.則信號最高頻率為2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成（1）采樣/保持器的工作原理

S/H主要由模擬開關、保持電容C和緩沖放大器組成，如圖所示：

采樣/保持器的原理圖2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成

采樣/保持器有采樣和保持兩種工作狀態(tài)。當控制信號為低電平時（采樣狀態(tài)），開關S閉合，輸入信號通過電阻R向電容C快速充電，輸出電壓隨著輸入信號變化。當控制信號為高電平時（保持狀態(tài)），開關S斷開，由于電容C此時無放電回路，在理想情況下輸出電壓的值等于電容C上的電壓值。在采樣期間，不啟動A/D轉(zhuǎn)換器，一旦進入保持期間，立即啟動A/D轉(zhuǎn)換器，從而保證A/D轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓恒定，提高了A/D轉(zhuǎn)換的精度。（1）采樣/保持器的工作原理2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成（2）常用的采樣/保持器

常用的采樣/保持器集成電路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/298/398等。

LF398是一種反饋型采樣/保持器，也是較為通用的采樣/保持器，與LF398結構相同的還有LF198、LF298等，都是由場效應管構成，具有采樣速率高，保持電壓慢和精度高等優(yōu)點。其采樣時間小于10μs，保持電容為1μF時，其下降速度為5mV/min。雙電源供電，電源范圍寬，可以從±5V到±18V，并可與TTL、CMOS兼容。

2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成LF398的組成原理圖如圖所示：LF398的組成原理圖2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成

圖中，LF398由輸入緩沖級（A1）、輸出驅(qū)動級（A3）和控制電路（A2和S）組成。運算放大器A1和A3均接成電壓跟隨器形式。當輸入控制邏輯電平高于參考邏輯電平時，A2輸出一個低電平信號，驅(qū)動開關S閉合，此時輸入信號經(jīng)A1后進入A3，A3的輸出跟隨輸入電壓變化，同時向保持電容充電；而當輸入控制邏輯電平低于參考邏輯電平時，A2輸出一個高電平信號使開關斷開，以達到非采樣時間內(nèi)保持器仍保持原來輸入的目的。因此，A1和A3的作用主要是對保持電容輸入和輸出端進行阻抗變換，以提高采樣/保持器的性能。2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成LF398典型的電源和信號的接法如圖所示

LF398典型的電源和信號的接法2.2模擬量輸入通道2.2.1模擬量輸入通道的一般組成2.2模擬量輸入通道2.2.2A/D轉(zhuǎn)換技術及接口設計要點

A/D轉(zhuǎn)換器的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，是模擬量輸入通道必不可少的器件。常用的A／D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換原理上可分為逐次逼近型、計數(shù)比較型和雙積分型。從分辨率上可分為8位、12位、16位等。一、A/D轉(zhuǎn)換技術1、A/D轉(zhuǎn)換方式◆逐次逼近式：轉(zhuǎn)換時間短，抗擾性差（電壓比較）ADC0809（8位），AD574（12位）；◆雙斜率積分式：轉(zhuǎn)換時間長，抗擾性好（積分）MC14433（12位），ICL7135（4位）；◆計數(shù)－比較式：轉(zhuǎn)換速度慢，抗擾性差，較少采用。

1）逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖2.2模擬量輸入通道2.2.2模擬量輸入通道的一般組成◆主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、時序及控制邏輯等部分組成；◆工作過程：逐次把設定在SAR中的數(shù)字量所對應的D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓，與要被轉(zhuǎn)換的模擬電壓進行比較，比較時從SAR中的最高位開始，逐次確定各數(shù)碼位是“1”還是“0”，最后，SAR中的內(nèi)容就是與輸入的模擬電壓對應的二進制數(shù)字代碼；◆適于精度速度要求不高的場合。2.2模擬量輸入通道2.2.2模擬量輸入通道的一般組成◆以4位A/D轉(zhuǎn)換器為例，說明其逐次逼近過程的原理：LSB所代表的信號電壓為0.25v(滿量程,4/24)，模擬輸入電壓為1.8v

這里誤差為0.125v。SAR位數(shù)越多，越逼近，但轉(zhuǎn)換時間也越長。2.2模擬量輸入通道2.2.2模擬量輸入通道的一般組成2）雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖2.2模擬量輸入通道2.2.2模擬量輸入通道的一般組成2）雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器一個測量周期內(nèi)的積分輸出2.2模擬量輸入通道2.2.2模擬量輸入通道的一般組成工作原理:

—固定時間T0

內(nèi)對模擬輸入電壓積分

—對基準電源反向積分，直到電容放電完畢，記錄反向積分時間T1—模擬輸入電壓與參考電壓的比值就等于上述兩個時間值之比T1/T0=Ux/U基準—應用于信號變化慢,輸入速度低,精度要求高,干擾嚴重的場合。2.2模擬量輸入通道2.2.2模擬量輸入通道的一般組成2、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術指標：(1)分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是指引起輸出數(shù)字量變動一個二進制數(shù)碼最低有效位時，輸入模擬量的最小變化量。

(2)量程A/D轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換的模擬電壓的范圍。

(3)精度分為絕對精度和相對精度。

(4)轉(zhuǎn)換時間A/D轉(zhuǎn)換器從啟動到轉(zhuǎn)換結束輸出穩(wěn)定的數(shù)字量所需要的時間稱為A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。

(5)輸出邏輯電平輸出數(shù)據(jù)的電平形式和數(shù)據(jù)輸出方式(如三態(tài)邏輯和數(shù)據(jù)是否鎖存)。

(6)工作溫度范圍A/D轉(zhuǎn)換器在規(guī)定精度內(nèi)允許的工作溫度范圍。

(7)對基準電源的要求基準電源精度對A/D轉(zhuǎn)換器精度有重大影響，應加以考慮。2.2模擬量輸入通道2.2.2模擬量輸入通道的一般組成2.2模擬量輸入通道2.2.2A/D轉(zhuǎn)換技術1．數(shù)字量輸出信號的連接

A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸出引腳和8位單片微型計算機的連接方法與其內(nèi)部結構有關。如果轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出寄存器具有三態(tài)鎖存功能，則A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸出引腳可直接接到CPU的數(shù)據(jù)總線上，轉(zhuǎn)換結束，CPU可以直接讀入數(shù)據(jù)。對于10位以上的A／D轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)據(jù)寄存器增加了讀數(shù)控制邏輯電路，把10位以上的數(shù)據(jù)分時讀出。對于內(nèi)部不包含讀數(shù)據(jù)控制邏輯電路的A／D轉(zhuǎn)換器，應增設三態(tài)門對轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進行鎖存，以便控制10位以上的數(shù)據(jù)分兩次進行讀取。二、接口設計要點2.2模擬量輸入通道2.2.2A/D轉(zhuǎn)換技術

任何一個A／D轉(zhuǎn)換器都必須在外部啟動信號的作用下才能開始工作，啟動方式分脈沖啟動和電平控制啟動兩種。

脈沖啟動轉(zhuǎn)換只需給A／D轉(zhuǎn)換器的啟動控制轉(zhuǎn)換的輸入引腳上，加一個符合要求的脈沖信號即可，如ADC0809、ADC80、ADC1210等。

電平控制轉(zhuǎn)換的A／D轉(zhuǎn)換器，當把符合要求的電平加到控制轉(zhuǎn)換輸入引腳上時，立即開始轉(zhuǎn)換，而且此電平應保持在轉(zhuǎn)換的全過程中，否則將會中止轉(zhuǎn)換的進行。因此，該電平一般需由D觸發(fā)器鎖存供給，例如，AD570、AD571、AD574等。2．A/D轉(zhuǎn)換器的啟動方式2.2模擬量輸入通道2.2.2A/D轉(zhuǎn)換技術

當A／D轉(zhuǎn)換結束時，A／D轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部的轉(zhuǎn)換結束觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結束標志電平，以通知主機讀取轉(zhuǎn)換結束的數(shù)字量。主機判斷A／D轉(zhuǎn)換結束的方法有3種：即中斷、查詢和延時方式。這3種方式的選擇往往取決于A／D轉(zhuǎn)換器的速度和應用系統(tǒng)總體設計要求以及程序的安排。3．轉(zhuǎn)換結束信號的處理方式2.2模擬量輸入通道2.2.2A/D轉(zhuǎn)換技術

A／D轉(zhuǎn)換器的頻率是決定其轉(zhuǎn)換速度的基準。整個A／D轉(zhuǎn)換過程都是在時鐘作用下完成的。

A／D轉(zhuǎn)換時鐘的提供方法有兩種:

一種是由芯片內(nèi)部提供，如AD574A；另一種是由外部時鐘提供。外部時鐘少數(shù)由單獨的振蕩器提供，更多的則是由CPU經(jīng)時鐘分頻后，送至A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘端。4．時鐘信號的連接1、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC08092.2模擬量輸入通道2.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計◆ADC0809引腳結構：采用雙列直插式封裝，共有28條引腳—8條模擬量輸入通道—地址輸入和控制線4條—數(shù)字量輸出及控制線11條—電源線及其他：5條

2.2模擬量輸入通道圖2-28ADC0808/0809內(nèi)部結構框圖2.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計2.2模擬量輸入通道◆

是轉(zhuǎn)換后的二進制輸出端，它們受輸出允許信號OE的控制：OE＝0，呈高阻態(tài)；OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。1、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC08092.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計◆

A、B、C是三個采樣地址輸入端，它們的8種組合用來選擇8個模擬量輸入通道中的一個通道并進行轉(zhuǎn)換。2.2模擬量輸入通道◆輸入通道選通地址表1、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC08092.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計2.2模擬量輸入通道◆ALE是地址鎖存選通信號，該信號上升沿把地址狀態(tài)選通入地址鎖存器。也可以作為開始轉(zhuǎn)換的啟動信號?！鬝TART為啟動轉(zhuǎn)換脈沖輸入端，其上跳變復位轉(zhuǎn)換器，下降沿啟動轉(zhuǎn)換，它可由程序或外部設備產(chǎn)生。當START與EOC端短接時，實現(xiàn)自動連續(xù)轉(zhuǎn)換。1、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC08092.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計2.2模擬量輸入通道◆EOC為轉(zhuǎn)換結束信號，從START信號上升沿開始經(jīng)8個時鐘周期后由高電平變?yōu)榈碗娖?。該信號也可作為中斷請求信號?！鬋LK為時鐘信號輸入端，最高可達1280kHz?！鬜EF(+)和REF(－)為基準電壓輸入端，它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值。通常REF(+)和電源Vcc一起接基準電壓，REF(－)接地端GND。1、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC08092.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計2.2模擬量輸入通道2、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的程序設計

A/D轉(zhuǎn)換器與單片機的硬件接口有3種方式：查詢方式、延時方式和中斷方式。

查詢方式：首先由CPU向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動脈沖，然后讀取轉(zhuǎn)換結束信號（如ADC0809的EOC），根據(jù)轉(zhuǎn)換結束信號的狀態(tài)，判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結束，如果結束，可以讀取A/D轉(zhuǎn)換結果，否則繼續(xù)查詢，直至A/D轉(zhuǎn)換結束。

這種方法程序設計比較簡單，且可靠性高，但實時性差。由于大多數(shù)控制系統(tǒng)對于這點時間都是允許的，所以，這種方法用得最多。2.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計2.2模擬量輸入通道2、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的程序設計

A/D轉(zhuǎn)換器與單片機的硬件接口有3種方式：查詢方式、延時方式和中斷方式。2.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計

在這種方式中，為了確保轉(zhuǎn)換完成，必須把時間適當延長，因此，其速度比查詢方式還慢，故應用較少。

延時方式：向A/D發(fā)出啟動脈沖后，先進行軟件延時，此延時時間取決于A/D轉(zhuǎn)換器完成A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間（如ADC0809約為100μs），經(jīng)過延時后可讀取數(shù)據(jù)。采用延時方式時，轉(zhuǎn)換結束引腳懸空。2.2模擬量輸入通道2、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的程序設計

A/D轉(zhuǎn)換器與單片機的硬件接口有3種方式：查詢方式、延時方式和中斷方式。2.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計

中斷方式：CPU啟動A/D轉(zhuǎn)換后即可轉(zhuǎn)而處理其他的程序，一旦A/D轉(zhuǎn)換結束，則由A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出一轉(zhuǎn)換結束信號向CPU申請中斷，CPU響應中斷后，便讀入數(shù)據(jù)。

在中斷方式中，CPU與A/D轉(zhuǎn)換器是并行工作的，因此，其工作效率高。在多回路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中一般采用中斷方式。

采用中斷方式時，轉(zhuǎn)換結束信號通常與計算機的外部中斷引腳連接（如或）。2.2模擬量輸入通道2.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計圖2-38ADC0808/0809查詢方式硬件接口2.2模擬量輸入通道2.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計

下面的程序是采用查詢方式，將ADC0809的IN4通道模擬量進行5次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結果存入單片機內(nèi)部RAM40H為首地址的存儲單元中的程序清單。

AD: MOV R0,#40H ；存儲單元首地址

MOV R1,#05H ；轉(zhuǎn)換次數(shù)

MOV P1,#0FFH ；P1口寫1（準輸入口）AD0:MOV DPTR,#7FFCH ；送ADC0809口地址，且指向通道4MOVX @DPTR,AAD1: MOV A,P1；檢測P1.4的狀態(tài)，若P1.4=0，開始轉(zhuǎn)換

ANL A,#10H JNZ AD12.2模擬量輸入通道2.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計AD2: MOV A,P1；檢測P1.4的狀態(tài)，若P1.4=1，轉(zhuǎn)換結束

ANL A,#10H JZ AD2 MOV DPTR,#7FFFH；讀A/D轉(zhuǎn)換結果

MOVXA,@DPTR MOV @R0,A INC R0 DJNZ R1,AD0 RET2.2模擬量輸入通道2.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計

ADC0808/ADC0809與80C51單片機的硬件接口采用中斷方式的連接圖如圖2-39所示：圖2-39ADC0808/0809中斷方式硬件接口2.2模擬量輸入通道2.2.3典型A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口設計3、高于8位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A對于高于8位的A/D轉(zhuǎn)換器，如10位、12位、16位等，當其與8位的CPU接口連接時，數(shù)據(jù)的傳送需分步進行。一、模擬量輸出通道的結構形式

多路模擬量輸出通道的結構形式主要取決于輸出保持器的構成方式。輸出保持器的作用主要是在新的控制信號到來之前，使本次控制信號維持不變。保持器一般有數(shù)字保持方案和模擬保持方案兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結構形式。2.3模擬量輸出通道一個通道設置一個D/A轉(zhuǎn)換器

這是一種數(shù)字保持方案。優(yōu)點:轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障，也不影響其他通道的工作。缺點:使用了較多的D/A轉(zhuǎn)換器，使得這種結構的價格很高。1．一個通道設置一片D/A轉(zhuǎn)換器2.3模擬量輸出通道2．多個通道共用一片D/A轉(zhuǎn)換器共用D/A轉(zhuǎn)換器公用一片D/A轉(zhuǎn)換器，必須在計算機控制下分時工作，依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓（或電流），通過多路開關傳送給輸出采樣—保持器。優(yōu)點:節(jié)省了D/A轉(zhuǎn)換器。缺點：因為D/A分時工作，只適用于通道數(shù)量多且速率要求不高的場合。它還要使用多路開關，且要求輸出采樣—保持器的保持時間與采樣時間之比較大，這種方案工作可靠性較差。2.3模擬量輸出通道二、D/A轉(zhuǎn)換技術

◆

D/A轉(zhuǎn)換原理可以歸納為“按權展開，然后相加”。因此，D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部必須要有一個解碼網(wǎng)絡，以實現(xiàn)按權值分別進行D/A轉(zhuǎn)換。

◆解碼網(wǎng)絡通常有兩種：二進制加權電阻網(wǎng)絡和T型電阻網(wǎng)絡。

2.3模擬量輸出通道1、4位權電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器原理2.3模擬量輸出通道◆運算放大器輸出的模擬電壓為可見，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U正比于輸入數(shù)字量D◆缺點：網(wǎng)絡中電阻值不同，位數(shù)越多，電阻值差異越大2.3模擬量輸出通道2、4位T型電阻網(wǎng)絡（R-2R）D/A轉(zhuǎn)換器原理圖2.3模擬量輸出通道◆從節(jié)點a,b,c,d向右向上看，其等效電阻均為2R◆位切換開關受相應的二進制碼控制，相應碼位為“1”，開關接運算放大器虛地，相應碼位為“0”，開關接地。◆流經(jīng)各切換開關的支路電流分別為，，，◆各支路電流在運算放大器的虛地相加2.3模擬量輸出通道◆運算放大器的滿度輸出為

這里滿度輸出電壓(流)比基準電壓(流)少了1/16，是因端電阻常接地造成的，沒有端電阻會引起譯碼錯誤◆對n位D/A轉(zhuǎn)換器而言，其輸出電壓為2.3模擬量輸出通道3、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標(1)分辨率最小輸出電壓(對應輸入數(shù)字量只有最低有效位為“1”)與最大輸出電壓(對應輸入數(shù)字量的有效位全部為“1”)之比。

(2)線性度D/A轉(zhuǎn)換器的實際轉(zhuǎn)移特性與理想直線之間的最大誤差或偏差。

(3)轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換后所得的實際值對于理想值的最大偏差。

(4)穩(wěn)定時間D/A轉(zhuǎn)換器中的輸入代碼有滿刻度值的變化時，其輸出模擬信號電壓(或模擬信號電流)達到滿刻度值±1/2LSB時所需的時間。

(5)輸出電平D/A轉(zhuǎn)換器滿量程輸出電壓的大小。

(6)輸入編碼D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量代碼的編碼方式：如二進制碼、BCD碼、補碼、反碼、偏移碼等。

(7)溫度系數(shù)在滿刻度輸出的條件下，溫度每升高1℃，輸出變化的百分數(shù)

(8)電源抑制比滿量程電壓變化的百分數(shù)與電源電壓變化的百分數(shù)之比。2.3模擬量輸出通道三、D/A的結構特性與應用特性1．數(shù)字輸入特性

數(shù)字輸入特性包括接收數(shù)的碼制、數(shù)據(jù)格式以及邏輯電平等。D／A轉(zhuǎn)換芯片一般都只能接收自然二進制數(shù)字代碼。因此，當輸入數(shù)字代碼為其他形式時，應外接適當?shù)钠秒娐泛蟛拍鼙唤邮铡?．模擬輸出特性

目前生產(chǎn)的多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器均屬于電流輸出器件。手冊上通常給出的是輸入?yún)⒖茧妷杭皡⒖茧娮柚碌臐M碼（全1）輸出電流I0和最大輸出短路電流。2.3模擬量輸出通道三、D/A的結構特性與應用特性3．鎖存特性

D/A轉(zhuǎn)換器對數(shù)字量輸入是否具有鎖存功能將直接影響與CPU的接口設計。如果D/A轉(zhuǎn)換器沒有輸入鎖存器，通過CPU數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)字量時，必須采用鎖存器連接，否則只能通過具有輸出鎖存功能的可編程并行I／O口給D/A送入數(shù)字量。4．參考電壓源

參考電壓源是惟一影響D/A轉(zhuǎn)換器輸出結果的模擬參量。選用內(nèi)部帶有低漂移、精密參考電壓源的D/A轉(zhuǎn)換器不僅能保證有較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡化接口電路。2.3模擬量輸出通道1）電流輸出型，可與各種微處理器直接接口2）具有雙緩沖、單緩沖和直通數(shù)據(jù)輸入3種工作方式◆

雙緩沖方式:用于同時輸出多個模擬信號的多DAC0832系統(tǒng).◆單緩沖方式:用于一路模擬量輸出的系統(tǒng)，只用輸入寄存器鎖存,另一級DAC接成直通方式.◆

直通方式：用于不帶微機的系統(tǒng)。3）電流穩(wěn)定時間1μS，滿量程誤差為±1LSB,單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作，基準電壓的范圍為±10V.1、8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的特性2.3模擬量輸出通道四、D/A轉(zhuǎn)換器與微機接口設計2.3模擬量輸出通道DAC0832的原理框圖

◆因為DAC0832是電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，為了取得電壓輸出，需在電流輸出端接運算放大器，Rf為運算放大器的反饋電阻端。運算放大器的接法如下圖所示：2.3模擬量輸出通道◆單極性輸出方式2.3模擬量輸出通道數(shù)字量MSBLSB模擬量11111111-VREF×255/25610000000-VREF×128/25600000000-VREF×0/256◆雙極性輸出方式2.3模擬量輸出通道2.3模擬量輸出通道輸入數(shù)字量輸出模擬量MSBLSB+VREF-VREF11111111VREF-1LSB-|VREF|+1LSB11000000VREF/2-|VREF|/2100000000001111111-1LSB+1LSB0011111100000000-VREF|VREF|雙極性輸出時數(shù)字量與模擬量之間的關系◆

單緩沖方式：指DAC0832的兩個寄存器中有一個處于直通方式，而另一個處于受控的鎖存方式；或者兩級寄存器同時鎖存2.3模擬量輸出通道2、8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的程序設計◆

上述DAC0832采用的是單緩沖單極性的接線方式，它的選通地址為7FFFH

實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的程序如下： MOV DPTR，#7FFFH ；輸入0832口地址MOV A，#data ；讀取數(shù)據(jù)MOVX@DPTR，A；執(zhí)行D/A轉(zhuǎn)換SJMP $2.3模擬量輸出通道◆

雙緩沖方式：把DAC0832的兩個寄存器都接成受控鎖存方式2.3模擬量輸出通道2.4數(shù)字量輸入輸出通道2.4.1數(shù)字量輸入通道1．數(shù)字量輸入接口電路

數(shù)字量輸入接口電路一般包括三態(tài)緩沖器和地址譯碼器組成。圖中開關輸入信號S0-S7接到緩沖器74LS244的輸入端，當CPU執(zhí)行輸入指令時，地址譯碼器產(chǎn)生片選信號，將S0-S7的狀態(tài)信號送到數(shù)據(jù)線D0-D7上，然后再送到CPU中。2．輸入信號調(diào)理電路（1）小功率輸入調(diào)理電路2.4數(shù)字量輸入輸出通道2.4.1數(shù)字量輸入通道圖示開關、繼電器等輸入信號電路將接點的接通和斷開動作轉(zhuǎn)換成TTL電平或CMOS電平，再與計算機相連。為了消除接點的抖動，一般都加入有較長時間常數(shù)的電路來消除這種振蕩。圖(a)采用RC濾波電路消除開關抖動的方法。圖(b)所示為常用的RS觸發(fā)器消除開關兩次反跳的方法。（2）大功率輸入調(diào)理電路圖2-77大功率輸入信號調(diào)理電路2.4數(shù)字量輸入輸出通道2.4.1數(shù)字量輸入通道（3）交流輸入信號檢測電路圖2-78交流輸入信號檢測電路2.4數(shù)字量輸入輸出通道2.4.1數(shù)字量輸入通道2.4.2數(shù)字