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第五章 过程输入输出通道技术,图 计算机控制系统基本原理图,过程输入输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。,根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道和数字量(开关量)输出通道。,51 过程输入输出通道的组成与功能,52 过程输入输出通道的控制方式,52l 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种： 1数据信息：反映生产现场的参数及状态的信 息，它包括数字量、开关量和模拟量。 2状态信息：又叫做应答信息、握手信息，它反 映过程通道的状态，如准备就绪信号等。 3控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等 信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动 等。 在过程输入输出通道中，必须设置一个与CPU联系的接口电路，传送数据信息、状态信息和控制信息。,522 过程通道的编址方式 由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通道编址方式有两种： 1过程通道与存储器统一编址方式 这种编址方式又称存储器映像方式，它从存贮器空间划出一部分地址空间给过程通道，把过程通道的端口当作存贮单元一样进行访问，对IO端口进行输入输出操作跟对存储单元进行读写操作方式相同，只是地址不同。,2过程通道与存储器独立编址方式 这种编址方式将过程通道的端口地址单独编址，有自己独立的过程通道地址空间，而不占用存储器地址空间。在过程通道地址空间中，每一个过程通道的端口有一个唯一对应的过程通道的端口地址。这种独立编址方式要求CPU有专用的I/O指令（IN及OUT指令）用于CPU与过程通道端口之间的数据传输。地址总线配合存储器操作信号实现存储器的访问控制，地址总线与IO操作信号配合则可访问过程通道。实现这种编址方式的CPU分别有存储器访问和IO访问的指令及相应的控制信号。,编址方式的比较 统一编址的最大优点是无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计，并能省去相应的I/O操作的对外引线。而且CPU可直接对I/O数据进行算术和逻辑运算，指令丰富。 统一编址的不足之处在于I/O端口地址占用了一部分存储器空间；另外访问内存的指令长度一般比专用的I/O指令长，因而取指周期较长，又多占了指令字节。,523 CPU对过程通道的控制方式 计算机的外围设备及过程通道种类繁多，它们的传送速率又很不相同。因此输入输出产生复杂的定时问题，也就是CPU采用什么控制方式向过程通道输入和输出数据。常用的控制方式有三种：程序查询方式、中断控制方式和直接存储器存取(DMA)方式。,1程序查询方式,采用中断控制方式时，CPU与IO通道处于并行工作方式。当CPU与IO通道需要传送数据时，过程通道作好准备后，主动向CPU请求中断，CPU响应这一请求，并暂停正在运行的程序。一般用优先级来解决中断响应的先后顺序问题。,DMA方式是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式。在这种方式下，IO通道和存储器之间不通过CPU而直接进行数据交换。,2中断控制方式,3直接存储器存取(DMA)方式,所谓“可编程接口”是指其功能可由程序指令（接口芯片功能设定的初始化程序）设定接口芯片的功能。故接口的设计与应用除了合理选择/接口芯片进行硬件设计外，还应包括对接口芯片的功能初始化程序和接口程序的分析与设计。,CPU对过程通道的控制方式比较,程序查询方式的主要优点是能保证主机与输入输出通道之间协调工作。主要缺点是重复查询输入输出通道是否“准备就绪”，从而浪费了CPU的时间。 过程通道需要传送数据时就向CPU发出中断请求信号，实时性比程序查询方式好。但由于为了能接受中断请求信号，CPU内部需要有一些线路来控制。另外采用中断控制方式时，每传送一次数据就要中断一次CPU原来的运行，CPU响应中断后，每次都要执行“中断处理程序”，而且在其中都要保护断点、恢复断点，浪费了很多不必要的CPU时间。 DMA方式的主要优点是速度快，数据传送速度只受存储器存取时间的限制，其缺点是需要一个专用的芯片控制器来加以控制、管理，硬件连接也稍微复杂一些。,524 过程通道接口设计应考虑的问题,接口电路起着连接过程通道与CPU的桥梁作用，它的基本任务有： 1控制信息的传递路径：即根据控制的任务在众多的信息源中进行选择，以确定该信息传送的路径和目的地。 2控制信息传送的顺序：计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适时地发出一组有序的门控信号。,在过程通道接口电路设计中应解决以下问题： 1触发方式：有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭(触发)信号，这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。 2时序：控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的。 3.负载能力：一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负载是否匹配。,53 多路开关及采样-保持器,在计算机测量及控制系统中，往往需要对多路或多种参数进行采集和控制。 另一方面，模拟量参数经放大、滤波等一系列处理后，尚需转变成数字量，才能进入计算机系统。由于AD转换过程需要一定的时间，为了保证AD转换的精度，必须在AD转换进行时保持待转换值不变，而在/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。同时，在模拟量输出通道中，为使各输出通道得到一个平滑的模拟量输出，也必须保持有一个恒定的值。能够完成上述两项任务的器件叫做采样保持器。,单片机和被控实体间的接口示意,531 多路开关与多路分配器,多路开关的主要用途是把多个模拟量参数分时地接通并送入A/D转换器，即完成多到一的转换；或者把经计算机处理，且由D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换。前者成为多路开关，后者叫做多路分配器，或叫做反多路开关。 这类器件中有的只能做一种用途，成为单向多路开关，如AD7501（8路）、AD8506(16路)；有些则既能做多路开关，又能当多路分配器，成为双向多路开关，如CD4051。从输入信号的连接方式来分，有的是单端输入，有的则允许双端输入（或差动输入）。,表5.1 常用的多路开关芯片,在以前的数字控制系统中，大多采用干簧（湿簧）继电器。由于这类开关结构简单，闭合时接触电阻小，而断开接点时阻抗高，工作寿命长，且不受外界环境温度的影响，所以应用比较广。随着大规模集成电路的发展，厂家已推出各式各样的半导体多路开关。从组成开关的电路来看，有TTL电路、CMOS和HMOS电路等。有的芯片还能在其内部进行TTL与CMOS之间的电平转换（如CD4051），更加拓宽了芯片的使用环境。,半导体多路开关的特点是： (1)采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排； (2)直接与TTL(或CMOS)电平相兼容； (3)内部带有通道选择译码器，使用方便； (4)可采用正或负双极性输入； (5)转换速度快，通常其导通或关断时间在ls左右，有些产品已达到几十到几百纳秒 (ns)； (6)寿命长，无机械磨损； (7)接通电阻低，一般小于100，有的可达几欧姆： (8)断开电阻高，通常达109以上。,1CD4051,表52 CD4051的真值表,CD4067B是16通道双向多路模拟开关。CD4097B为双向双8通道多路模拟开关。,2CD4067BCD4097B,表53 CD4067B通道控制真值表,CD4097B的双通道多路开关的原理是每当接到选通信号时，X，Y两通道同步切换，且两个通道均受同一组选择控制信号C，B，A的控制。它主要用于两个通道信号的同步输入，如差动放大器的输入等。,38816,随着控制系统的增大，被控参数的增多，不仅要求多路输入，也要求能有多通道输出，最好是输入输出都能控制。能够满足这种要求的装置称做矩阵多路开关。,4多路开关的扩展,由于两个多路开关只有两种状态，1#多路开关工作，2#必须停止，或者相反。所以，只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号，而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址(或数据)总线。 改变数据总线D2D0(也可以用地址总线A2A0)的状态，即可得到分别选择IN7IN0的8个通道之一。 若需要通道数很多，两个多路开关扩展仍不能达到系统要求，此时，可通过译码器控制CD4051的控制端INH，把4个CD4051芯片组合起来，构成32个通道或16路差动输入系统。,表54 CD4051扩展电路真值表,532 采样保持器,如果直接将模拟量送入AD转换器进行转换，则应考虑到任何一种AD转换器都需要用一定的时间来完成量化与编码的操作。在转换过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的参量需取自同一瞬时，而各参数的AD转换又共享一个芯片，所得到的几个量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完成上述任务的器件叫做采样保持器(Sample/Hold),简写为S/H。,A/D转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称转换时间，对变化快的模拟信号来说，转换期间将引起转换误差，这个误差叫做孔径误差。,设模拟信号为： (5.1),它的微分为：,(5.2),最大变化率为：,(5.3),在信号与横座标交点处，信号变化率最大，可能引起最大的信号误差，设孔径时间为 ，这时最大误差为：,(5.4),为满足A/D转换精度要求，希望在 时间内，信号变化最大幅度应小于A/D转换器的量化误差 。对于12位A/D转换器ADS1211，转换时间为100s，基准电压为10.24V，其量化误差为：,若 ，由此要求输入信号的最高变化频率,当转换时间越长时，不影响转换精度所允许的信号最高频率就越低，这将大大地限制A/D转换器的工作频率范围。因此，为了在满足转换精度的条件下提高信号允许的工作频率，可在A/D转换前加入采样保持器。,采样保持器又叫做采样保持放大器（SHA），它的原理如图59所示。它由模拟开关S、保持电容C和缓冲放大器组成。其工作原理如下： SH有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。,图59 采样保持器原理图,采样保持器的主要性能参数有采样时间、孔径时间、输出电压衰减率、直通馈入等。 (1)采样时间：给出采样指令，跟踪输入信号到满量程并稳定在终值误差的(0.20.005)%内变化所滞留的最小时间； (2)孔径时间：保持指令给出后到采样开关真正断开所需的时间； (3)输出电压衰减率：保持阶段中泄漏电压引起的放电速度； (4)直通馈入：输入信号通过采样保持开关的极间电容穿通到保持电容上的现象。,采样保持器的主要用途是： (1)保持采样信号不变，以便完成AD转换； (2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量； (3)减少DA转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间； (4)把一个DA转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。,图50 LFl98298398的原理图,选择采样保持器时主要考虑的因素包括：输入信号范围、输入信号变化率、多路转换器的切换速度、采集时间等。若输入模拟信号变化缓慢、D/A转换器转换速度相对很快，可以不用采样保持器。,54 开关量（数字量）输出通道,541开关量（数字量）输出通道的结构形式,开关量输出通道将计算机输出的数字量控制信号传递给开关型或脉冲型执行机构，其典型结构如图5.2所示。,图5.12 开关量输出通道结构框图,52 开关量输出通道与CPU的接口,开关量输出通道与计算机接口的任务是将计算机输出的数字量锁存后再输出，以保证在控制程序规定的期限内输出的开关状态不变。开关量输出通道与计算机的接口可以采用以下方法： 1对于单片机，由于本身带有具备锁存功能的IO口，因此可以直接利用其IO口作为输出，而无需另加接口电路。例如利用8031的Pl口作为输出。 2采用通用集成可编程输入输出接口芯片。可编程芯片的最大特点就是在不增加任何硬件的条件下，通过改变程序内容就可达到改变芯片功能的目的。可编程并行接口芯片一般有两个以上具备锁存或缓冲功能的数据端口、一个以上的控制寄存器和中断逻辑电路，因此使用非常方便。,3采用通用逻辑芯片：采用TTL或CMOS逻辑芯片实现。,543 功率接口技术,计算机输出的数字量经锁存器输出后，要进行隔离和放大才能加到执行机构上。开关量输出通道控制的执行机构大都属于脉冲型功率元件或开关型功率元件。1直流电磁式继电器、接触器功率接口,对于接触器或中大功率继电器可采用一个小型直流继电器来驱动，用小继电器触点来接通接触器线圈电源。,2交流电磁式接触器功率接口 交流电磁式接触器由于线圈的工作电压要求是交流电，所以通常使用双向晶闸管驱动或使用直流继电器作中间继电器。,图5.5 交流接触器接口,晶闸管触发电路通常采用光电隔离或脉冲变压器来触发，由于晶闸管触发采用脉冲形式，因此触发脉冲可通过软件来产生。,3晶闸管触发电路,551 开关量（数字量）输入通道的结构形式 开关量输入通道又可称为数字量输入通道，该通道将双值逻辑的开关量(数字量)变换为计算机能够接收的数字量 。,55 开关量（数字量）输入通道,图517 开关量输入通道结构框图,开关量(数字量)大致可分为三种形式：机械有触点开关量、电子无触点开关量和非电量开关量。,1机械有触点开关量,(1)控制系统自带电源方式：,552 开关量(数字量)形式及变换,(2)外接电源方式：它适合于开关安装在离控制设备较远位置的场合。,(3)恒流源方式：这种方式用于抗干扰能力要求高、传输距离较远的场合。电流一般取010mA，即触点闭合时输出电流为10mA，触点打开时输出电流为0。,图5.19 外接直流电源开关量变化电路,2无触点开关量 无触点开关量指电子开关(例如固态继电器、功率电子器件、模拟开关等)产生的开关量。由于无触点开关通常没有辅助机构，其开关状态与主电路没有隔离，因而隔离电路是它的信号变换电路的重要组成部分。 无触点开关量的采集可由两种方式实现。第一种方式与有触点开关处理方法相同，即把无触点开关当做有触点开关，按图520方式连接电路即可。需要注意的是连接极性不能随意更换。,5.20 无触点开关变换电路,无触点开关量变换的第二种方法是从功率开关的负载电路取样法。它的原理电路框图 如图521所示。这种方法直接反映负载电路工作状态，而对开关状态的采样是间接的。,图5.21 开关量取样变换电路框图,3非电量开关量(数字量) 通过采用磁、光、声等方式反映过程状态，在许多控制领域中得到广泛应用。这种非电量开关量(数字量)需要通过电量转换后才能以电的形式输出。实现非电量开关量(数字量)的信号变换电路由非电量电量变换、放大(或检波)电路、光电隔离电路等组成(如图522所示)。,图5.22 非电量开关量变换电路结构图,553 整形与电平变换 各种过程开关量经信号变换后转换成逻辑电信号或脉冲信号，但这种信号在脉冲宽度、脉冲波形形状、脉冲前后沿陡度及信号电平可能不很理想，通常需进行波形整形及电平变换才能输入到计算机。 1波形整形 波形整形的目的是使逻辑信号变为较理想的电信号，并提高抗干扰能力。波形整形包括触点消抖、脉冲定宽、去除尖峰毛刺等。 (1)触点消抖：在机械有触点开关中，当触点闭合或打开时将产生抖动，使得开关量在动作瞬间的状态不稳，若是工作在计数方式或作为中断输入，将导致系统工作不正常，因此采用触点消抖是必要的。,实现触点消抖的方法很多，图523为采用定时器555的一种消抖电路。,图5.23 触点消抖电路,(2)脉冲定宽：在许多控制系统中，有时要求在开关量变化时提供一个脉冲宽度稳定的脉冲，如上跳时产生脉冲、下跳时产生脉冲、上下跳变时都产生脉冲。,图524 开、关状态产生定宽脉冲电路,(3)消除毛刺：由于受环境干扰的影响，传输的开关量信号将产生毛刺。消除毛刺通常采用史密特触发器(例如74LSl4等)或集成比较器。图525为采用比较器的整形电路及其电路特性。,图5.25 回环比较器,2电平变换 在计算机控制系统中，CPU一般只接受TTL电平信号，当开关量变换后的信号为非TTL电平时，则需要进行电平变换。,图5.26 电平变换电路,554 开关量输入通道与CPU的接口 根据计算机控制系统的功能要求，CPU对开关量输入信号的处理形式主要有三种：开关状态检测、脉宽测量和脉冲计数。 1开关状态检测及其接口 开关状态检测是指计算机在适当时刻将外部开关量的状态读入到计算机中。通常采用的方式为定时查询或中断。在定时查询方式里，CPU周期性地在规定时刻将开关量状态读入，这种方式对开关量状态变化时刻不能正确反映，其误差大小与读取周期相关。采用定时查询方式的接口非常简单，如果从数据总线读入，只需加入总线缓冲器即可。,总线缓冲器通常为三态逻辑门电路，图5.27为采用74LS244的接口。对于单片机而言，开关量输入信号也可直接与I/O口相连，无需添加接口元件。,图5.27 定时查询方式接口电路,中断方式指开关量输入状态发生变化时向CPU申请中断，在CPU响应中断时读入相应的开关量状态。中断方式能够及时反应开关量状态的变化，使控制系统及时地对其状态进行处理。中断方式的接口电路包括缓冲电路及中断请求信号形成电路。在开关量输入较少时，比较容易设计中断请求发生电路，甚至可以直接用开关量输入作为中断请求信号。由于CPU的中断资源有限，若开关量输入较多时，则应将其所有开关量输入综合后产生统一的中断请求信号。因此，电路相当复杂。为简化系统，通常只对需要及时处理的几个重要的开关量输入（如故障状态等）采用中断方式。,2脉宽测量接口电路 脉宽测量指对开关量输入的某个状态（“1”或“0”）的持续时间进行测量。,图5.28 8253的原理图,表 5.5 通道与操作时序的关系,8253工作方式由工作方式控制字定义，控制字定义见图529，它有六种工作方式，可以完成计数、脉冲宽度测量等工作。,图5.29 8253的控制字,图5.30 8253与8031的接口,3脉冲计数 脉冲计数通常用来测量单位时间内的脉冲数，主要用于测频率、测转速或用于V/F方式的模数转换。脉冲计数可直接采用单片机的定时器计数器来完成，也可采用8253实现。采用8253进行脉冲计数时，被测信号连接到CLK上，而GATE则接入一个脉宽为采样周期的方波信号，用它来控制计数时间。,56 模拟量输出通道的接口技术,1可变增益放大电路 D/A转换器是增益可以按数字量进行编程的放大器。图5.31的运算放大器电路的增益，可以通过改变无源电路元件的值来加以调整。,5.6.1 D/A转换器的原理,(5.5),图5.31 可变增益放大器电路,2权电阻解码型D/A转换原理 图5.32中，若按数字要求改变，则D/A转换器可以改变输入电流。这些电阻可按并联方式连结，其并联电阻值取决于受控于二进制控制信号的开关接通情况。,图5.32 DA转换器的原理如同二进制增益调整,(5.6),流入电路的总电流,等于流过各个电阻的电流之和。,由式(5.5)可知，式(5.6)也就确定了D/A转换器的输出电压。每一个电阻都是其邻近电阻的两倍：,若只有第一个开关接通，相当于输出电压满刻度一半： 第1位=1,若仅有第二个开关接通，相当于满刻度的四分之一； 第2位=1,按顺序逐位接通开关，其输出电压将越来越小： 第N位=1,因此，DA转换器产生电压的方法相似于按一系列二进制加权配比配平。有关5位分辨率的DA转换器的例子表示在图5.33中。,图5.33 5位分辨率的DA转换器 按一系列二进制加权配比配平的示意图,若所有位都置“1”(所有开关都接通)，则输出电压非常接近于满刻度时的参考电压：,或者表示成更一般的形式：,所有位均置1,根据这个例子可以归纳出，DA转换器的输出电压为：,在所有位均为1的情况下，其最大输出电压为,(5.9),(5.8),(5.7),但是，在实际应用中却不采用图5.32中的电路，这是因为，在该电路中电阻取值、电阻的调节范围以及稳定时间都受到限制。例如，为了使耗电保持在低水平，R应取10k。对于一个10位分辨率的DA转换器。 。一般利用集成电路工艺要获得如此大阻值的电阻是难以办到的。此外，要使有意义，必须精确到。这就要求对许多不同的阻值进行精密的调整。最为严重的问题是，开关时间受最低有效位上电阻以及杂散电容的限制，而一般杂散电容值很容易接近1OOpF。以10位分辨率的DA转换器作为例子，其稳定时间为,3R/2R T型D/A转换原理 R/2R T形网络电路(图5.34)是一种最通用的DA转换电路，它克服了先前电路所存在的问题。这种电路在换接开关端钮时，电压不发生变化。由于不存在电压瞬变过程，因而也就减轻了由RC稳定过程所引起的不良影响。,图5.34 R/2R T形网络式D/A转换器示意图,a)各顺序节点都是等值的 b) 每一节点都有两条通过2R电阻与地相连的支路 c) 二进制电流分配器,图5.35 R/2R梯形网络的工作原理,562 模拟量输出通道的基本结构 在许多场合要求具有多路模拟量输出通道。多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来前，使本次控制信号维持不变。,1多D/A结构,图5.36 多DA转换器结构形式示意图,2共享式D/A结构,图5.37 共用DA转换器结构,563 8位D/A转换器及其接口技术 5631 D/A转换器的主要技术指标 分辨率 转换时对输入模拟信号变化的反应越灵敏，分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。 2.建立时间 D/A转换器代码有满刻度值的变化时，其输出达到稳定所需的时间，一般为几十个ns到几个ms。 3.输出电平 ：D/A转换器满量程输出电压的大小。 4.输入编码 ：D/A转换器输入数字量代码的编码方式：如二进制码、BCD码、补码、反码等。,5632 模拟量输入通道设计中应考虑的问题,在D/A转换器接口设计中，主要考虑的问题是D/A转换芯片的选择、输入数字量的编码形式及模拟量的输出极性、参考电压电源流、模拟电量输出的调整与分配等。 1.D/A转换芯的选择原则：选择D/A转换器芯片时，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满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。 D/A转换器结构性能指标包括静态指标（各项精度指标)、动态指标(建立时间、尖峰等)、环境指标(使用的环境温度范围、各种温度系数)。,DA转换器结构特性与应用特性主要表现为芯片内部结构的配置状态。主要的特性有： (1)数字输入特性：包括接收数字量的编码形式、数据格式及逻辑电平等。 (2)数字输出特性：指D/A转换器的输出电量特性（电压还是电流），多数D/A转换器采用电流输出。 (3)锁存特性及转换控制：D/A转换器对输入数字量是否具有锁存功能，将直接影响与CPU的接口设计。 (4)参考电源：参考电压源是影响输出结构的模拟参量，它是重要的接口电路。,2.参考电压源的配置 目前多数D/A转换器不带参考电压源，因而设计D/A接口电路时要配置参考电源。目前参考电压源主要有带温度补偿的齐纳二极管、能隙电压源。由于能隙电压源工作在正常线性区域，因而内部噪声小，工作稳定性好，在制作精密参考电压源时经常采用。 外接参考电压源可以采用简单的稳压电路形式，也可以采用带运算放大器的稳压电路（如图5.38所示）。简单稳压电路提供的参考电压恒定，带运算放大器的参考电压源具有驱动能力强、负载变化对输出参考电压没有影响，所供参考电压可以调节等性能。目前已有带缓冲运算放大器的精密参考电源可供选用。,图5.38 参考电压源电路形式,3.数字输入码与模拟输出电压的极性 所有D/A转换器的输出电压V0，都可表示为输入数字量D和模拟参考电压的乘积,(5.10),二进制代码D可以表示为,（ 取0或1）,(5.11),D/A转换器的输出有电流和电压两种方式。其中电压输出形式又有单极性电压输出和双极性电压输出之别。 D/A转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，与其位数无关。这里，以典型的8位D/A转换器-DAC0832为例进行讨论。,(1) 单极性电压输出,图5.39 DAC0832单极性电压输出电路,表5.6 单极性电压输出时数字量与模拟量之间的关系,(2) 双极性电压输出,图5.40 DAC0832双极性电压输出电路,在随动系统中，由偏差产生的控制量不仅与其大小有关，而且与极性相关。,由图5.40所示，可求出DA转换器的总输出电压,代入 ， ， 的值可得,（5.12）,设,=+5V，则由式（5.12）可得出：,当,=0V时，,=-5V；,=-2.5V时，,=0V；,=-5V时，,=+5V。,表5.7 双极性输出时数字量与模拟量之间的关系,图5.41 基准电压切换方法,4.尖峰及其消除,图5.42 D/A转换时产生的尖峰波形示意图,产生尖峰的原因是由于开关在换向过程中“导通”延迟时间与“截止”延时时间不相等所致。,图5.43 消尖峰电路工作原理,5633 8位D/A转换器 模拟量输出通道不论采用何种结构形式，总是需要解决DA转换器与计算机的接口问题。 D/A转换器要求输入在一定时间内保持稳定，它采用的二进制数据输入方式有并行和串行两种形式。 1普通型D/A转换器DAC0832 DAC0832内部结构：DAC0832转换器是一种电流输出型DA转换器，其内部具有两级输入数据缓冲器和一个R-2RT型电阻网络。 引脚功能 DAC0832的技术指标,1. DAC0832内部结构,图5-3 DAC0832原理框图,在使用时，可以通过对控制管脚的不同设置而决定是采用双缓冲方式(两级输入锁存)，还是用单缓冲方式（只用一级输入锁存，另一级始终直通），或者接成完全直通的形式。,2. 引脚功能,DAC0832芯片为20引脚，双列直插式封装。其引脚排列如图5-4所示。 （1）数字量输入线D7D0（8条） （2）控制线（5条） （3）输出线（3条） （4）电源线（4条）,图5-4 DAC0832引脚图,3. DAC0832的技术指标,DAC0832的主要技术指标： （1）分辨率 8位 （2）电流建立时间 1S （3）线性度（在整个温度范围内）8、9或10位 （4）增益温度系数 00002 FS/ （5）低功耗 20mW （6）单一电源 +5 +15V,因DAC0832是电流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，Rf为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图5-5所示。,运算放大器接法,返回本节,1. 单极性输出,在需要单极性输出的情况下，可以采用图5-6所示接线。,图5-6 单极性DAC的接法,2. 双极性输出,在需要双极性输出的情况下，可以采用图5-7所示接线。,图5-7 双极性DAC的接法,2电压输出型D/A转换器AD558,图5.45 AD558原理电路图,图5.46 输出量程选择连接图,3多通道D/A转换器AD7226,图5.47 AD7226电路原理图,表5.8 AD7226真值表,5634 8位D/A转换器与微机的接口及程序设计 由于各种DA转换器的结构不同，它们与微型计算机接口的连接方法也有差异。但在基本连接关系方面，它们仍然有共同之处：数字量输入：模拟量输出；外部控制信号的连接。 (1)数字输入端的连接 D/A转换器数字量输入端与微型计算机的接口的连接需要考虑两个问题，一个是位数；另一个是D/A转换器的内部结构。,(2)外部控制信号的连接 外部控制信号主要是片选信号、写信号及启动信号。此外，还有电源及参考电平可根据D/A转换器的具体要求进行选择。 (3)DA转换器与单片机的接口及程序设计应用举例 由于在单片机系统中采用统一编址的方式，寻址时将I/O端口视为外部存储单元，所以，用访问外部存储器的指令MOVX DPTR，A或者MOV ，A(i=0,1)即可完成对IO端口的访问。, 不含数据锁存器的D/A转换器与单片机的接口,两种连接方法，一种是在单片机与DA转换器之间，增加数据锁存器或IO接口芯片(如8155、8255等)；另一种方法是利用单片机内部设有IO接口的特点，直接与MCS-51系型单片机的P1口连接。,完成图5.48所示的DA转换程序只需要3条指令。设74LS273的端口地址为FEH，实现DA转换的源程序如下： MOV A，#nnH ；nnH为待转换的数字量 MOV R1，#OFEH ：送端口地址到R1寄存器 MOVX Ri，A ；DA转换,含数据锁存器的D/A转换器与单片机的接口,对于那些含锁存器的D/A转换器，可以用锁存器或I/O接口芯片与单片机连接，也可以直接连接。,5.6.4 高于8位的D/A转换器及其接口设计 为了提高转换精度，可选用更多位数的D/A转换器，如10位、12位、16位。其转换原理与8位D/A转换器基本一样，不同的是在与数据线位数较少的微型计算机（如8位单片机）进行接口连接时，数据要分成两次或三次输入。例如，对于一个12位的数/模转换器，就要分成高低字节分别进行传送。分两次传送12位数字量时，D/A转换器的输出就有一个中间量。图5.50是12位D/A转换器与8位微处理器的接口。低8位先送入8位的暂存锁存器，当高四位传送时，同时选通低8位。,图5.50 12位D/A转换器与微处理器的接口,图5.51为DACl230的结构框图，它是两级缓冲寄存器结构。其主要特性为： 分辨率：12位 输出电流稳定时间：1参考电压：-10V+10V 单工作电源：+5V+15V,图5.51 DACl230结构图,图5.52 DACl230的工作时序图,图5.53 DACl230与单片机8031的接口电路,表5.9,输入,输入,接口程序如下： MOV DPTR，#8000H MOV A，#DAH ；DAV数字量高8位 MOV DPTR，A MOV DPTR，#8001H MOV A,#DAL ；DAC数字量低8位，其中最低4位为0 MOV DPTR，A MOV DPTR，#8002H MOV DPTR，A ；刷新输出（与A中值无关）,解：ORG 0000H MOV R0，#0FFH ；8位输入寄存器地址 MOV R1，#21H MOV A，R1 ；高8位数字量送A MOVX R0，A ；高8位数字量送8位输入寄存器 DEC R0 DEC R1 MOV A，R1 ；低4位数字量送A SWAP A ；A中高低4位互换 MOVX R0，A ；低4位数字量送4位输入寄存器 DEC R0 MOVX R0，A ；启动D/A转换 END,例5.4 设内部RAM的20H和21H单元内存放一个12位数字量（20H单元中为低4位，21H单元中为高8位），试根据图5-16编写出将它们进行D/A转换的程序。,57 模拟量输入通道,571 模拟量输入通道的基本结构 模拟量输入通道各部分电路作用如下： 1传感器：将过程量转换为电信号。 2放大电路：对微弱的电信号进行放大。 3多路转换开关：将多路模拟信号按要求分时输出。 4采样保持：对模拟信号进行采样，在模/数转换期间保持采样信号不变。 5A/D转换：即模/数转换，将模拟信号转换为二进制数字量。 6接口电路：提供模拟输入通道与计算机之间的控制信号和数据传送通路。,图5.54 模拟量输入通道结构,5.7.2 A/D转换原理,在计算机控制系统及过程数据采集系统中，通常采用低、中速的大规模集成模数转换器芯片。这类芯片采用的转换方法有计数器式AD转换；逐次逼近型AD转换；双斜率积分式AD转换；VF变换型AD转换；型A/D转换。 在这些转换方式中，计数器式AD转换线路比较简单，但转换速度较慢，所以现在很少应用。双斜率积分式和方式AD转换精度高，在仪器仪表中应用非常广泛，多用于数据采集及精度要求比较高的场合，如5G14433(312位)，AD7555(412位或512位)等，但速度较慢。逐次逼近型AD转换既照顾了转换速度，又具有一定的精度，所以是目前应用较多的一种AD转换器结构，在16位以下AD转换器得到广泛应用。此外，VF变换型AD转换器则多用于需要远距离串行传送的场合。,5.7.2.1 逐次逼近式A/D转换器,图555 逐次逼近式转换电路原理图,图556 逐次逼近过程,5.7.2.2 双斜率积分式A/D转换器,图557 双斜率积分式A/D转换器电路原理图,图558 双斜率积分式A/D转换器一个测量周期内的积分输出,5.7.2.3 -AD转换器,图559 一阶-AD转换器原理图,图560 一阶-调制器波形图,5.7.2.4 电压频率变换器(VFC)作AD转换器 VFC是把电压变换为频率的装置，其输出为脉冲形式，如锯齿波、方波、尖脉冲等。 (1)VFC的基本原理 VFC有四种基本结构：积分复原式、电荷平衡式、交替积分式和电压反馈式。其中使用最多的是电荷平衡式，其电路原理如图5.61(a) 所示。,(5.17),(2)VFC作AD转换器,图562 用VFC构成AD转换器,输入电压加到VFC上产生频率与VIN成正比的脉冲序列，该脉冲序列通过门电路由计数器测定规定时间内的脉冲数，若额定测定时间为Ts，,(5.18),573 逐次逼近式A/D转换器及其接口,5731 A/D转换器的主要技术指标 1.模数转换器的主要技术指标 (1)分辨率：分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。 (2)量程：AD转换器能转换的模拟电压的范围。 (3)精度：分为绝对精度和相对精度。 (4)转换时间：完成一次完整转换所需要的时间。 (5)输出逻辑电平：输出数据的电平形式和数据输出方式(如三态逻辑和数据是否锁存)。 (6)工作温度范围：A/D转换器在规定精度内允许的工作温度范围。 (7)对基准电源的要求：基准电源精度对A/D转换器精度有重大影响，因此应加以考虑。,5732 模拟量输入通道设计中应考虑的问题 模拟量输入通道是计算机控制系统的信号采集通道，从信号的传感、变换到计算机输入，必须考虑信号拾取、信号调节、AD转换、电源配置和防止干扰等问题。 1信号的拾取方式 (1)通过敏感元件拾取被测信号 (2)通过传感器拾取被测信号 (3)通过测量仪表拾取被测信号,2信号的调节 在模拟量输入通道中，信号调节的任务是将传感器信号转换成满足AD电路要求的电平信号。 3模数转换方式的选择 模拟量输入通道的模数转换方式有AD转换电路和VF变换方式，VF变换方式将信号电压变换为频率量，由计算机或计数电路计数来实现模拟量转化为数字量。 4电源配置 信号拾取时，要考虑对传感器的供电，对于不同的信号调节电路中的芯片，一般会提出对电源的要求，必须很好地解决电源问题。 5抗干扰措施,5733 8位A/D转换器及其接口 1.普通型A/D转换器AD7574 AD7574采用CMOS工艺，是单片型，含内部时钟振荡器，+5V供电，芯片内部设有比较器和控制逻辑，以及功耗低(30mW)，转换速度快(15s)的逐次逼近型AD转换器。它采用18脚双列直插式封装结构，易于与微型计算机接口连接，在过程控制自动化和智能化仪器中得到广泛的应用。AD7574的内部结构，如图563所示。,图563 AD7574原理图,2带仪器放大器的A/D转换器AD670 上述的AD7574AD转换器的输入信号必须是标准信号。因此，被测信号，如温度、压力、流量等，在输入到普通AD转换器之前，首先要经过变送器的转换，将传感器输出的信号变成05V的统一电信号，然后才能与AD转换器进行连接。这在一般的过程控制中是完全可行的。但是，在智能化仪器中这种结构就显得比较复杂，特别是在一些手提式现场测试仪器中更是如此。为满足这种需要，厂商研制出一种内部带仪器放大器的AD转换器，AD670即为其中之一。,图564 AD670电路结构原理,表5.10 AD670控制信号真值表,图5.65 AD670的连接方式,3多通道A/D转换器ADC08080809 (1)电路组成及转换原理 ADC0808/0809都是含8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制 逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关的通断由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号。其原理框图，如图566所示。,图566 ADC08080809原理图,(2)ADC0808/0809的引脚功能 IN7一IN0：8个模拟量输入端。 START：启动信号。 EOC：转换结束信号。 OE：输出允许信号。