微机原理课件4p122输入输出接口与过程通道

1、微机原理与控制技术微机原理与控制技术 卢晓红卢晓红 1第四章：输入输出接口与过程通道第四章：输入输出接口与过程通道2 2第四章：输入输出接口与过程通道第四章：输入输出接口与过程通道4.0 4.0 接口与过程通道的概念接口与过程通道的概念4.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道4.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道4.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道4.4 4.4 抗干扰技术抗干扰技术4.5 4.5 传感器与测量数据预处理技术传感器与测量数据预处理技术3 34.0 4.0 接口与过程通道的概念接口与过程通道的概

2、念4.0.1 4.0.1 接口与过程通道的概念接口与过程通道的概念u接口接口：计算机与外部设备交换信息的端口；：计算机与外部设备交换信息的端口；包括输入接口和输出接口。接口技术是研究计包括输入接口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备如何交换信息的技术算机与外部设备如何交换信息的技术u过程通道：过程通道：计算机和生产过程之间信息传递计算机和生产过程之间信息传递和交换的连接通道。过程通道不能直接由主机和交换的连接通道。过程通道不能直接由主机控制，必须由接口传送相应的信息和命令。控制，必须由接口传送相应的信息和命令。u过程通道包括模拟量输入通道、模拟量输出过程通道包括模拟量输入通道、模拟量输出

3、通道、数字量输入通道、数字量输出通道。通道、数字量输入通道、数字量输出通道。4 44.0 4.0 接口与过程通道的概念接口与过程通道的概念u延迟：从延迟：从I/OI/O设备请求服务到服务开始的时间间隔设备请求服务到服务开始的时间间隔数字门电路硬件延时数字门电路硬件延时计算机硬件延时计算机硬件延时软件延时软件延时u带宽或吞吐量：系统可以处理的最大流量带宽或吞吐量：系统可以处理的最大流量( (字节字节/ /秒秒) )I/OI/O设备限制设备限制计算机软件限制计算机软件限制u优先级：服务响应同时产生的多个请求的先后顺序优先级：服务响应同时产生的多个请求的先后顺序高优先级请求可否打断对低优先级请求的服

4、务高优先级请求可否打断对低优先级请求的服务4.0.2 I/O4.0.2 I/O接口的性能接口的性能5 54.0 4.0 接口与过程通道的概念接口与过程通道的概念4.0.3 I/O4.0.3 I/O设备的状态设备的状态u空闲态：设备被禁止或未激活；空闲态：设备被禁止或未激活；空闲状态不发生空闲状态不发生I/OI/Ou忙状态：设备工作；忙状态：设备工作；I/OI/O传输进行中传输进行中u完成态：设备就绪；完成态：设备就绪；I/OI/O传输已完成传输已完成6 64.0 4.0 接口与过程通道的概念接口与过程通道的概念4.0.4 4.0.4 微机与微机与I/OI/O设备的同步设备的同步u盲周期法：软件

5、简单等待一段固定的时间；盲周期法：软件简单等待一段固定的时间；u忙等待法：软件循环检查忙等待法：软件循环检查I/OI/O的状态；的状态；u中断法：使用硬件触发特定的软件执行；中断法：使用硬件触发特定的软件执行；u周期轮询法：使用时钟中断周期检查周期轮询法：使用时钟中断周期检查I/OI/O状态；状态；uDMADMA法：将数据直接传出或传入存储器。法：将数据直接传出或传入存储器。7 74.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道n数字数字I/OI/O信号信号u开关的闭合与断开开关的闭合与断开u继电器或接触器的吸合与释放继电器或接触器的吸合与释放u指示灯的亮与灭指示灯的亮

6、与灭u电动机的启动与停止电动机的启动与停止u阀门的打开与关闭等阀门的打开与关闭等u数字传感器、控制器产生的编码数据和脉冲量数字传感器、控制器产生的编码数据和脉冲量4.1.1 4.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术8 84.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道n数字量输入接口数字量输入接口u对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，再给出对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，再给出控制量，因此，可以用三态门缓冲器控制量，因此，可以用三态门缓冲器74LS24474LS244取得状态信息。取得状态信息。u经过端口地址译码，得到片选

7、信号经过端口地址译码，得到片选信号-CS-CS，当在执行，当在执行ININ指令时，产指令时，产生生-IOR-IOR信号，则被测的状态信息可通过信号，则被测的状态信息可通过74LS24474LS244送到送到PCPC总线工业总线工业控制机的数据总线，然后装入控制机的数据总线，然后装入ALAL寄存器。寄存器。u作用：隔离输入输出线作用：隔离输入输出线 路，输入缓冲。路，输入缓冲。u假设片选端口地址为假设片选端口地址为portport，可通过如下指令完，可通过如下指令完成取数。成取数。MOV DX , PORTMOV DX , PORTIN AL , DXIN AL , DXD0D1D2D3D4D5

8、D6D7输输入入信信号号-CS-IORPC总线总线数字量输入接口数字量输入接口74LS24474LS244有有8 8个通道可输入个通道可输入8 8个开关状态。个开关状态。9 94.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道n数字量输出接口数字量输出接口 MOV AL , DATA MOV AL , DATAMOV DX , PORTMOV DX , PORTOUT DX , ALOUT DX , ALu对生产过程进行控制，一般控制状态需要保持，直到下次出现新对生产过程进行控制，一般控制状态需要保持，直到下次出现新值为止，这时就需要对输出进行锁存，可以用值为止，这时就需

9、要对输出进行锁存，可以用74LS27374LS273作为作为8 8位的位的输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。u经过端口地址译码，得到片选信号经过端口地址译码，得到片选信号-CS-CS，当在执行，当在执行OUTOUT指令时，指令时，产生产生-IOW-IOW信号，假设片选端口地址为信号，假设片选端口地址为portport，可通过如下指令完成，可通过如下指令完成数据输出控制数据输出控制 。PC总线总线输输出出信信号号74LS27374LS273有有8 8个通道，个通道，可输出可输出8 8个开关状态。个开关状态。4.1.2 4.1.2 数字量输入通道数字量输入通道

10、n数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成。入口地址译码电路等组成。10104.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道n数字量输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过数字量输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。状态信号的形式可以是电压、电流、开关程的状态信号。状态信号的形式可以是电压、电流、开关的触点，因此，引起瞬时高压、接触抖动等现象。的触点，因此，引起瞬时高压、接触抖动等现象。4.1.2 4.1.2 数字量输入通道数字量输入通道n输入调理电路：输入调理电路：为了将

11、外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经过信号经过转换、保护、滤波、隔离转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。信号调理。11114.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道n信号调理技术信号调理技术- -双稳态消抖电路双稳态消抖电路用用R-SR-S触触发器消除发器消除开关反跳开关反跳由于键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断开来实现的，因机械触点的弹由于键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断开来实现的，因机

12、械触点的弹性作用，在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程，所以键闭合与断开会产生电性作用，在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程，所以键闭合与断开会产生电压波形，这个抖动对判断键是否按下或释放有较大影响，因此必需消除键的抖压波形，这个抖动对判断键是否按下或释放有较大影响，因此必需消除键的抖动，只有这样，才能可靠地判断键的状态。动，只有这样，才能可靠地判断键的状态。4.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道R3去去CPUR2R1现场开关现场开关UCCRSUDD(5V)n光电隔离及电平转换电路光电隔离及电平转换电路在大功率系统中，需要从在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器

13、件的电磁离合等大功率器件的接点输入信号。这种情况接点输入信号。这种情况下，为了使接点工作可靠，下，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加接点两端至少要加24V24V以以上的直流电压（上的直流电压（U UCCCC）（因为直流电平的响应快，（因为直流电平的响应快，不容易产生干扰，电路又不容易产生干扰，电路又简单，因此，广泛采用）。简单，因此，广泛采用）。但是这种电路，由于所带但是这种电路，由于所带电压高，所以电压高，所以高压与低压高压与低压之间，用光电耦合器进行之间，用光电耦合器进行隔离隔离。光电耦合器是以光为媒介传输电信号光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发的一种电一光

14、一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。彼此间用透明绝缘体隔离。 光电耦光电耦合器合器13134.1.3 4.1.3 数字量输出通道数字量输出通道n输出通道结构输出通道结构输 出锁存器光 电隔离器输 出驱动器生产过程地址译码器PC总线4.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道14144.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道n功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路18J功率晶体管功率晶体

15、管RVD24V因为负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电动势的保护二极管，J为继电器的线圈。输出驱动电路输出驱动电路小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路非门增加非门增加驱动能力驱动能力15154.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道n固态继电器及用法固态继电器及用法固态继电器是一种四端有源器件。输出和输入之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路可以使交流电压变化到0伏附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。输出驱动电路输出驱动电路大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路光电耦合器光电耦合器16164.1 4.1 数字量输入输出接

16、口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道4.1.4 4.1.4 通用数字通用数字I/OI/O接口扩展接口扩展u8255A-可编程并行通信接口芯片可编程并行通信接口芯片8255A8255A的读写操作控制的读写操作控制8255A8255A是可编程的并行输入输是可编程的并行输入输出接口芯片，出接口芯片，它具有三个它具有三个8 8位位并行端口并行端口(A(A口、口、B B口和口和C C口口) )，具有具有4040个引脚，双列直插式个引脚，双列直插式封装，由封装，由+5V+5V供电（供电（VCCVCC）。）。17174.1 4.1 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道8255A825

17、5A初始化：初始化：PA=mode0,outPA=mode0,out PB=mode0,in PB=mode0,in PCH=outPCH=out PCL=in PCL=inMOV DX , PortCTRLMOV DX , PortCTRLMOV AL , 83HMOV AL , 83HOUT DX , ALOUT DX , ALPortAPortA输出数据：输出数据：MOV DX , PortAMOV DX , PortAMOV AL , DATAMOV AL , DATAOUT DX , ALOUT DX , ALPortBPortB输入数据：输入数据：MOV DX , PortBMOV

18、 DX , PortBIN AL , DXIN AL , DX82558255控制字控制字100110004.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道18184.2.1 4.2.1 信号的采样和量化信号的采样和量化n信号采样信号采样u采样过程：信号采样就是将时间上连续幅值采样过程：信号采样就是将时间上连续幅值上也连续的模拟信号，通过采样开关按一定时上也连续的模拟信号，通过采样开关按一定时间间隔的闭合和断开，将其抽样成一连串离散间间隔的闭合和断开，将其抽样成一连串离散脉冲信号的过程脉冲信号的过程f (t)tOf (t)Sf * (t)f * (t)t0T 2T4T6T(a)

19、被采样信号被采样信号(b) 采样开关采样开关(c) 采样信号采样信号19194.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道f f ( (t t) )t tO Of f ( (t t) )S Sf f * * ( (t t) )f f * * ( (t t) )t t0 0T T 2 2T T4 4T T6 6T T(a) (a) 被采样信号被采样信号(b) (b) 采样开关采样开关(c) (c) 采样信号采样信号u采样周期采样周期：采样开关两次采样：采样开关两次采样( (闭合闭合) )的间隔时间的间隔时间T T；u采样时间采样时间/ /采样宽度：采样宽度：采样开关的闭合时间采

20、样开关的闭合时间 ，代表采样开，代表采样开关闭合的时间；关闭合的时间；u采样时刻：采样时刻：0 0、T T、2T2T各时间点；各时间点；20204.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道s ：采样角频率，：采样角频率，s=2fs=2/T(t-nT)：t=nT处的单位脉冲函数处的单位脉冲函数(函数函数)n采样定理采样定理21214.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道2222u香农香农(S(Sh ha annnno on n) )采样定理：为了使采样信号采样定理：为了使采样信号f f* *( (t t) )能反映连续能反映连续信号信号f f( (t

21、t) )的变化规律，采样频率的变化规律，采样频率s s(s s=2=2f fs s=2/=2/T T) )至少应至少应该是信号该是信号f f( (t t) )频谱最高频率频谱最高频率mamax x 的两倍，即的两倍，即s s22mamax x 。u当采样周期满足采样定理时，采样信号频谱就不会发生重叠当采样周期满足采样定理时，采样信号频谱就不会发生重叠效应，从而可以通过理想的低通滤波器从采样信号效应，从而可以通过理想的低通滤波器从采样信号f f* *( (t t) )中完全中完全恢复出恢复出f f( (t t) )来。由于理想滤波器不存在，所以要完全恢复出原来。由于理想滤波器不存在，所以要完全恢

22、复出原来的信号是不可能的，工程上只要满足一定的要求即可。实际来的信号是不可能的，工程上只要满足一定的要求即可。实际应用中，常取应用中，常取s s(5(510)10)mamax x ，甚至更高。甚至更高。4.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道23234.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道n量化量化u量化：量化：用一组数码用一组数码( (如二进制码如二进制码) )逼近离散模拟信号的幅逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号；值，将其转换为数字信号；u量化过程：量化过程：将离散采样信号转换为数字信号的过程；将离散采样信号转换为数字信号的过程；u模

23、模/ /数数(A/D)(A/D)转换器：转换器：执行量化动作的装置；执行量化动作的装置；u量化单位：量化单位：量化采样信号所用数码最低有效位所对应的量化采样信号所用数码最低有效位所对应的模拟量；字长为模拟量；字长为n n的的A/DA/D转换器把转换器把ymin-ymax范围内变化的采样范围内变化的采样信号，变换为数字信号，变换为数字0-20-2n-1-1，其最低有效位（，其最低有效位（Least Least Significant BitSignificant Bit）所对应的模拟量）所对应的模拟量q q称为量化单位称为量化单位u量化误差：量化误差：量化过程中用量化单位量化过程中用量化单位q

24、q去度量采样值幅值大去度量采样值幅值大小时由于小数归整小时由于小数归整( (四舍五入四舍五入) )而引入的误差，其最大值为而引入的误差，其最大值为q/2q/2；12minmaxnyyq24244.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道在在A A/D/D转换器的输出位数转换器的输出位数n n足够多时，可以使量化误差足够多时，可以使量化误差达到足够小，就可以认为数字信号近似于采样信号。如达到足够小，就可以认为数字信号近似于采样信号。如果在采样过程中，采样频率也足够高，就可以用采样、果在采样过程中，采样频率也足够高，就可以用采样、量化后得到的一系列离散的二进制数字量来表示某一时

25、量化后得到的一系列离散的二进制数字量来表示某一时间上连续的模拟信号，从而可以由计算机来进行控制计间上连续的模拟信号，从而可以由计算机来进行控制计算和处理。算和处理。例如：模拟信号例如：模拟信号y ymamax x 10V, 10V, y ym min in 0V0V，取，取n n8 8量化单位量化单位q q=10V/(2=10V/(28 8-1)40mV-1)40mV量化误差最大值量化误差最大值e emamax x q q/2/220mV20mV12minmaxnyyq25254.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流或电压形式后

26、再过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流或电压形式后再送到多路开关；送到多路开关；变送器通常输出变送器通常输出0 0 10mA10mA或或4 4 20mA20mA的统一信号；的统一信号；在微机控制下，由多路开关将各个过程参数依次切换到后级，进在微机控制下，由多路开关将各个过程参数依次切换到后级，进行采样和行采样和A/DA/D转换，实现过程参数的检测。转换，实现过程参数的检测。n一般结构一般结构4.2.2 4.2.2 模拟量输入通道组成模拟量输入通道组成传感器或变送器信号调理或I/V变换多路开关采样保持电路A/D转换器接口逻辑CPU过过程程参参数数模拟输入通道模拟输入通道n信号调理信号调理u

27、信号调理装置主要是对来自现场的多路模拟信号信号调理装置主要是对来自现场的多路模拟信号进行：进行：非电量的转换非电量的转换小信号放大小信号放大滤波滤波隔离隔离电平转换电平转换阻抗匹配阻抗匹配非线性补偿非线性补偿电流电流/ /电压转换电压转换4.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道262627274.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道nI/VI/V变换变换无源无源I/VI/V变换变换输入输入0 0 10mA10mA选选R2=500R2=500对应输出对应输出0 0 5V5V输入输入4 4 20mA20mA选选R2=250R2=250对应输出对应输出

28、1 1 5V5V无源I/V变换主要利用无源器件电阻实现，并加滤波和输出限幅等保护措施。28284.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道nI/V变换变换有源有源I/VI/V变换变换输入输入0 0 10mA10mA选选R4=150kR4=150k对应输出对应输出0 0 5V5V输入输入4 4 20mA20mA选选R4=25kR4=25k对应输出对应输出1 1 5V5V有源有源I/VI/V变换主要利变换主要利用有源器件运算放大用有源器件运算放大器、电阻组成。器、电阻组成。29294.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道n多路转换开关多路转换开关u多路转

29、换开关也称为多路转换器，是用来切换模多路转换开关也称为多路转换器，是用来切换模拟电压的关键元件；拟电压的关键元件；u将多路输入信号按一定顺序或随机地接到公用放将多路输入信号按一定顺序或随机地接到公用放大器或大器或A/DA/D转换器；转换器；u理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为零；的电阻为零；u其它要求：切换速度其它要求：切换速度( (快快) )，噪音，噪音( (小小) )，寿命，寿命( (长长) )，可靠性可靠性( (高高) )等；等；常用的多路开关有：常用的多路开关有：CD4051(CD4051(或或MC14051)MC14051)、

30、AD7501AD7501、LF13508LF13508等等30304.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道nCD4051:CD4051:单端的单端的8 8通道开关，通道开关，有三个控制输入端有三个控制输入端A A，B B，C C和一个禁止输入端和一个禁止输入端INHINH31314.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道片上有二进制译码器，可由片上有二进制译码器，可由A A，B B，C C三个控制输入端在三个控制输入端在8 8个通道中选个通道中选择一个，使输入和输出接通。择一个，使输入和输出接通。INH INH 高电平时，高电平时，8 8个通道均不

31、通。个通道均不通。禁止输入禁止输入端端INHINH控制输控制输入端入端A A，B B，C Cn采样保持采样保持u孔径时间：孔径时间：完成一次完成一次A/DA/D转换所需的时间；转换所需的时间；u孔径误差：孔径误差：由孔径时间决定的对随时间变化的由孔径时间决定的对随时间变化的模拟信号的每个采样时刻的最大转换误差；模拟信号的每个采样时刻的最大转换误差；4.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道如图所示的正弦模拟信号，如图所示的正弦模拟信号，如果从如果从t t0 0时刻开始进行时刻开始进行A/DA/D转换，但转换结束时候时已转换，但转换结束时候时已为为t t1 1，模拟信号已发

32、生，模拟信号已发生 的的变化。变化。U令令U U= =U Um msinsint t，则：，则： 在坐标的原点有：在坐标的原点有：取取t t= =t t A A/D /D ，则误，则误差的百分数为：差的百分数为：对对1010位位A A/D/D转换器，转换器，转换精度转换精度0.1%0.1%，孔径，孔径时间时间1010s s，允许正弦，允许正弦波信号最大频率为：波信号最大频率为：u如果被采样的模拟信号的变化频率相对于如果被采样的模拟信号的变化频率相对于A/DA/D转换器的速度转换器的速度来说比较高，为保证转换精度，需要在来说比较高，为保证转换精度，需要在A/DA/D转换之前加上采样转换之前加上采

33、样保持电路，使得在保持电路，使得在A/DA/D转换期间保持输入模拟信号不变。转换期间保持输入模拟信号不变。4.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道33333434n采样保持电路采样保持电路uA/DA/D转换过程需要时间，在转换过程需要时间，在A/DA/D转换期间，如果输入信号变化较大，转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以，采样信号通常不直接送到就会引起转换误差。所以，采样信号通常不直接送到A/DA/D转换器转换，转换器转换，需要加需要加采样保持器采样保持器作信号保持。作信号保持。u采样状态：采样状态：模拟开关模拟开关S S闭合，输入放大器的输出端给电容

34、闭合，输入放大器的输出端给电容C CH H 快速充电，快速充电，为使电容电压跟随输入电压精确到为使电容电压跟随输入电压精确到0.05%0.05%之内，采样状态持续时间值应之内，采样状态持续时间值应大于大于7 7 8 8倍倍RCRCHH值。值。u保持状态：保持状态：模拟开关模拟开关S S断开，由于断开，由于A A2 2的输入阻抗很大，的输入阻抗很大，C CH H可以保持开可以保持开关关S S断开瞬间输入的电压值，使输出端断开瞬间输入的电压值，使输出端u uo o的电压值保持不变。的电压值保持不变。4.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道3535u在模拟量输入通道中，只有在

35、信号变化频率较在模拟量输入通道中，只有在信号变化频率较高而高而A/DA/D转换速度又不高，以致孔径误差影响转转换速度又不高，以致孔径误差影响转换精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，换精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，才需要设置采样保持电路，对于一些变化缓慢的才需要设置采样保持电路，对于一些变化缓慢的生产过程生产过程( (如石油、化工等如石油、化工等) )可以不设置保持电路；可以不设置保持电路；A A1 1u ui iu uc c控制信号控制信号A A2 2C CH Hu uo oS S4.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道36364.2 4.2 模拟量输

36、入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道4.2.3 A/D4.2.3 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术nA/DA/D转换器：将模拟量转换成数字量的器件。转换器：将模拟量转换成数字量的器件。u技术指标技术指标分辨率：分辨率：A/DA/D转换器的分辨能力，通常用转换后数字量转换器的分辨能力，通常用转换后数字量的位数表示，如的位数表示，如8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位等。分辨率越高，位等。分辨率越高，转换时对输入模拟信号的反应就越灵敏。分辨率为转换时对输入模拟信号的反应就越灵敏。分辨率为8 8位表示位表示可以对满量程的可以对满量程的1/21/28 81/2561/

37、256的增量作出反应；的增量作出反应；量程：量程：所能转换的电压范围，如所能转换的电压范围，如0 0 5V5V、-5V-5V +5V+5V等等; ;转换精度：转换精度：A/DA/D转换结果相对于实际值的准确度转换结果相对于实际值的准确度; ;绝对精度：绝对精度：常用数字量的位数表示，如常用数字量的位数表示，如(1/2)LSB(1/2)LSB相对精度：相对精度：用相对于满量程的百分比表示，例如满量程用相对于满量程的百分比表示，例如满量程为为10V10V的的8 8位位A/DA/D转换器，其绝对精度为转换器，其绝对精度为1/21/210/210/28 819.5mV19.5mV， 相对精度为相对精度

38、为1/21/28 81001000.390.39。转换时间：转换时间：完成一次完成一次A/DA/D转换所需的时间；转换所需的时间；37374.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道nA/DA/D转换实现方法转换实现方法u计数比较法：计数比较法：器件简单、价格便宜，转换速器件简单、价格便宜，转换速度慢，较少采用；度慢，较少采用；u双斜率积分法：双斜率积分法：器件转换速度较慢，但精度器件转换速度较慢，但精度高，时有采用；高，时有采用；u逐次逼近法：逐次逼近法：对速度和精度兼顾性好，在对速度和精度兼顾性好，在1616位以下位以下A A/D/D转换器中广泛使用；转换器中广泛使用；

39、3838地址锁存地址锁存与译码器与译码器8 8路模拟路模拟开开 关关8 8位逐位逐次逼近次逼近A/DA/D转换器转换器EOCEOCSTART CLOCKSTART CLOCKOEOED D0 0D D1 1D D7 7三态锁存三态锁存输出缓冲器输出缓冲器V VREF(REF() )V VREF(REF() )ADDAADDAADDBADDBADDCADDCALEALEININ7 7ININ6 6ININ0 0ADC0809ADC0809：8 8位逐次比较式位逐次比较式A/DA/D转换器转换器，具有，具有8 8个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意通

40、道进行通道进行A/DA/D转换，得到转换，得到8 8位二进制数字量。位二进制数字量。4.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道模拟量输入模拟量输入数字数字量输量输出出u8 8位位A/DA/D转转换器对选送到换器对选送到输入端的信号输入端的信号进行转换，转进行转换，转换 结果换 结果 DD（02028 8-1-1）存入三态输出存入三态输出锁存缓冲器。锁存缓冲器。在在STARTSTART上上收到一个启动收到一个启动转换命令后开转换命令后开始转换。转换始转换。转换时间时间100s100s左左右信号后转换右信号后转换结束，转换结结束，转换结束后，束后，EOCEOC由低变高，通由低

41、变高，通知知CPUCPU读结果。读结果。39394.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道8 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809uADC0809ADC0809的量化单位：的量化单位：128)()(REFREFVVq通常基准电压 =5.12V， =0V，此时q=20mv，则转换结果为：)(REFV)(REFV)()(mVqmVVDIN如 =2.5V时，D=125。INVu主要性能主要性能分辨率为分辨率为8 8位；线性误差位；线性误差(1 /2)(1 /2)L LSBSB。转换时间为转换时间为100100s s左右。左右。模拟输入电压范围为模拟输入电压

42、范围为0 05V5V，对应，对应A A/D/D转换值为转换值为0000H HFFFFHH。内部带内部带8 8路模拟开关，可以输入路模拟开关，可以输入8 8 路模拟信号；有输出锁存功能。路模拟信号；有输出锁存功能。40404.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道u主要性能主要性能分辨率为分辨率为12 位；位；12位转换结果可以一次位转换结果可以一次或两次分时读出；线或两次分时读出；线性性 误误 差差 为为(1/2)LSB；一一 次次 A/D 转转 换换 时时 间约为间约为25s；采用单采用单通道单极性通道单极性或双极性模拟电压输或双极性模拟电压输入入，单极性电压输入，单极

43、性电压输入为为0 10V 或或0 20V,双 极 性 电 压 输 入 为双 极 性 电 压 输 入 为5V或或10V。nAD574A:12AD574A:12位逐次逼近式位逐次逼近式A/DA/D转换器转换器4141nAD574A:AD574A:真值表真值表1234567891011121314VCCREF OUTAGNDREF INVEEBIP OFF10VIN20VINVLOGIC12 / 8CSA 0R / CCEAD574A2827262524232221201918171615STSDO11DO10DO9DO8DO7DO6DO5DO4DO3DO2DO1DO0DGND4.2 4.2 模拟量

44、输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道AD574AAD574A控制逻辑的任务包括：启动转换、控制逻辑的任务包括：启动转换、控制转换过程和控制转换结果控制转换过程和控制转换结果DD的输出。的输出。CECE和和-CS-CS均为片选信号，均为片选信号，R/-CR/-C为读为读/ /启动启动控制信号。控制信号的作用如下：控制信号。控制信号的作用如下：42424.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道nAD574AAD574A的单极性输入的单极性输入/ /双极性输入双极性输入这个这个1212位的位的A/DA/D转换器的模拟输入可以是单极性的，也可以是双极性转换器的模拟输入可以是

45、单极性的，也可以是双极性的。单极性时，将的。单极性时，将BIP OFFBIP OFF接接0V0V，双极性时接，双极性时接10V10V。量程可以是。量程可以是10V10V，也可以是也可以是20V20V，分别接入，分别接入10V10VIN和和20V20VIN，相应的量化单位分别是，相应的量化单位分别是10V/10V/（2 212-1）和和20V/20V/（2 212-1）。）。43434.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道nA/DA/D转换器到微机的接口转换器到微机的接口uADC0809与系统总线的连接与系统总线的连接模拟量输入接基准电压数据总线IN0IN1IN7VREF

46、(+)VREF(-)GNDCLOCKALESTARTOUTPUTENABLEEOCADDAADDBADDC2-12-8分频CLOCK&WRM/IORD译码器通道地址线通道地址线ADDAADDA、ADDBADDB、ADDCADDC分别接到数据总线低三位上。分别接到数据总线低三位上。ADC0809ADC0809的时的时钟频率为钟频率为640KHz640KHz，微机的时钟频率为，微机的时钟频率为5MHz5MHz或更高，需要分频。或更高，需要分频。地址总线地址线通过译码器地址线通过译码器输出端作为片选信输出端作为片选信号。以号。以M/-IOM/-IO、- -WRWR以及地址译码以及地址译码输出信号作为

47、启动输出信号作为启动信号信号STARTSTART和地址和地址锁存信号锁存信号ALEALE。以。以M/-IOM/-IO、-RD-RD以及以及地址译码输出信号地址译码输出信号作为作为OUTPUT OUTPUT ENABLEENABLE信号信号接8259A4.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道nA/DA/D转换器到微机的接口转换器到微机的接口n例如：例如：假设假设ADC0809ADC0809的端口地址为的端口地址为PORTCTPORTCT，要把，要把3 3通道的通道的模拟量转换成数字量送到模拟量转换成数字量送到ALAL寄存器，程序如下：寄存器，程序如下：STARTSTART

48、： MOV ALMOV AL，03H03H OUT PORTCT OUT PORTCT，AL AL ；送通道地址送通道地址 CALL DELAY CALL DELAY ；调用延时子程序调用延时子程序 IN AL IN AL， PROTCT PROTCT ；读取转换的数字量读取转换的数字量45454.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道nADC0809ADC0809通过通过82558255连接到连接到80868086ADC0809ADC0809转换结果送入转换结果送入8255A8255A的端口的端口A A；通道地址线；通道地址线ADDAADDA、ADDBADDB、ADDC

49、ADDC分别接到分别接到PCPC0，PCPC1，PCPC2；PCPC3作为启动信号作为启动信号STARTSTART和地址锁存和地址锁存信号信号ALEALE；PCPC7作为转换结束作为转换结束EOCEOC信号和信号和OUTPUT ENABLEOUTPUT ENABLE信号信号46464.2 4.2 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道nA/DA/D转换器到微机的接口转换器到微机的接口uAD574AAD574A与与8086 8086 的连接示意图（一般了解）的连接示意图（一般了解）47474.3.1 4.3.1 模拟量输出通道的组成模拟量输出通道的组成u计算机只能处理数字量，对外界模拟

50、量计算机经计算机只能处理数字量，对外界模拟量计算机经A/DA/D转换输入转换输入并处理后，在需要时再经并处理后，在需要时再经D/AD/A转换输出至外界。也就是说，模拟转换输出至外界。也就是说，模拟量输出通道的作用是将计算机输出的数字量转换成模拟电压或模量输出通道的作用是将计算机输出的数字量转换成模拟电压或模拟电流，以便驱动相应的执行机构，达到控制目的。拟电流，以便驱动相应的执行机构，达到控制目的。是实现控制是实现控制输出的关键。输出的关键。4.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道48484.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道n模拟量输出通道的结

51、构形式模拟量输出通道的结构形式u输出保持器输出保持器由于计算机是分时工作的，输出的数据在时间上离散，由于计算机是分时工作的，输出的数据在时间上离散，因此因此D/AD/A转换后的信号是离散的模拟信号。由于实际上转换后的信号是离散的模拟信号。由于实际上的执行部件往往要求连续的模拟信号，这样就需要有输的执行部件往往要求连续的模拟信号，这样就需要有输出保持器。输出保持器可以使本次输出的控制信号在新出保持器。输出保持器可以使本次输出的控制信号在新的控制信号来到之前维持不变，从而将离散的模拟信号的控制信号来到之前维持不变，从而将离散的模拟信号变为连续的模拟信号。变为连续的模拟信号。模拟量输出通道依据输出保

52、持器的构成方式分为数字模拟量输出通道依据输出保持器的构成方式分为数字保持和模拟保持两种基本结构形式。保持和模拟保持两种基本结构形式。4949u转换速度快转换速度快u精度高精度高u通路间互不影通路间互不影响，工作可靠响，工作可靠u易于实现易于实现u输出通路数多输出通路数多时 使 用 较 多 的时 使 用 较 多 的D/AD/A转换器转换器多通路独立多通路独立D/AD/A转换器结构转换器结构4.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道u输出保持器输出保持器5050多通路共享多通路共享D/AD/A转换器结构转换器结构uD/AD/A转换器转换器分时工作分时工作u需要使用多路需要使用

53、多路开关开关u适用于通路数适用于通路数多且速度要求不多且速度要求不高的场合高的场合u要求输出保持要求输出保持器的保持时间与器的保持时间与采样时间值比较采样时间值比较大大u可靠性较差可靠性较差4.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道u输出保持器输出保持器51514.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道nD/AD/A转换的工作原理转换的工作原理并行并行D/AD/A转换器的位数与输入数码的位数相同，对应输入数码的每一位转换器的位数与输入数码的位数相同，对应输入数码的每一位都设有信号输入端，用来控制相应的模拟切换开关，如果都设有信号输入端，用来控制相应的

54、模拟切换开关，如果a ai i为为1 1，基准电，基准电压通过模拟切换开关加到电阻网络上。电阻网络将基准电压转换成相应压通过模拟切换开关加到电阻网络上。电阻网络将基准电压转换成相应的电压的电压/ /电流，在运算放大器输入端进行加和。放大器的输出反映了输入电流，在运算放大器输入端进行加和。放大器的输出反映了输入数码的大小。数码的大小。电阻网络电阻网络S1S2SiSn基准电基准电压压U UN Na12-1a22-2ai2-ian2-n-+U Uo oR)222(2211nnNoaaaUU52524.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道4.3.2 D/A4.3.2 D/A转换

55、器及其接口技术转换器及其接口技术nD/AD/A转换器转换器uD/AD/A转换器是将数字量转换成模拟量的装置，转换器是将数字量转换成模拟量的装置，是模拟量输出通道的重要组成部分；是模拟量输出通道的重要组成部分；uD/AD/A转换器根据输出模拟量的形式分为电压型转换器根据输出模拟量的形式分为电压型和电流型两种；和电流型两种；u技术指标：技术指标：分辨率、转换精度、建立时间、分辨率、转换精度、建立时间、线性误差等线性误差等53534.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道nD/AD/A转换器技术指标转换器技术指标u分辨率分辨率：1)1) 用用D/AD/A转换器输入二进制数的位数

56、来表示转换器输入二进制数的位数来表示，如，如8 8位、位、1010位、位、1212位等。分辨率为位等。分辨率为n n位，表示位，表示D/AD/A转换器输入二进制数的最低有效转换器输入二进制数的最低有效位位LSBLSB与满量程输出的与满量程输出的1/21/2n n相对应；相对应；2)2)用最小输出电压用最小输出电压( (对应的输入数对应的输入数字量只有最低位为字量只有最低位为”1”)”1”)和最大输出电压和最大输出电压( (对应的输入数字量所有有效对应的输入数字量所有有效位全为位全为”1”)”1”)之比表示之比表示。例如，。例如，N N位位D/AD/A转换器，其分辨率为转换器，其分辨率为1/21

57、/2N N-1-1u稳定时间：稳定时间：指输入数字信号的变化为满量程时，其输出达到稳定指输入数字信号的变化为满量程时，其输出达到稳定( (一一般稳定到与终值相差般稳定到与终值相差0.5LSB0.5LSB的模拟量范围的模拟量范围) )所需的时间，也称转换时所需的时间，也称转换时间或建立时间，一般为几个间或建立时间，一般为几个ss；u输出方式：输出方式：电平输出电平输出(510V(510V之间之间) )；电流输出；电流输出(20mA3A(20mA3A之间之间) )；u线性误差：线性误差：在满量程范围内转换结果偏离理想转换特性的最大误差；在满量程范围内转换结果偏离理想转换特性的最大误差；常用常用LS

58、BLSB的分数表示，如的分数表示，如0.5LSB 0.5LSB 。54544.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道两个输入锁存器；两个输入锁存器；可直接与计算机总线可直接与计算机总线连接；连接；分辨率为分辨率为8 8位；位；单一电源供电单一电源供电(5(515V)15V)；基准电压基准电压V VREFREF工作范工作范围围-10-10+10V+10V；电流稳定时间电流稳定时间1s1s。nDAC0832DAC0832u美国数据公司的美国数据公司的8 8位双缓冲位双缓冲D/AD/A转换器转换器DAC0832的引脚图的引脚图55554.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟

59、量输出接口与过程通道nDAC0832DAC0832u美国数据公司的美国数据公司的8 8位双缓冲位双缓冲D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832的逻辑图的逻辑图：DIDI0 0-DI-DI7 7为数据输入线；为数据输入线；ILEILE为数据允许信号。为数据允许信号。- -CSCS输入寄存器片选信号，低电平有效；输入寄存器片选信号，低电平有效；-WR-WR1 1为输入寄存器写选通信号，为输入寄存器写选通信号，低有效；低有效；-WR-WR2 2为为DACDAC寄存器写选通信号，低有效；寄存器写选通信号，低有效；-XFER-XFER为数据传送为数据传送信号，信号，I IOUT1OUT1和和

60、I IOUT2OUT2为电流输出线。为电流输出线。V VCCCC为电源输入线；为电源输入线；R RFBFB为反馈信号为反馈信号输入线。输入线。数数据据输输入入线线ILE=1ILE=1，-CS=0-CS=0，- -WRWR1 1=0=0时，在时，在-LE-LE1 1产产生正脉冲，负跳变将数生正脉冲，负跳变将数据线上的信息存入输入据线上的信息存入输入寄存器寄存器-XFE=0-XFE=0，-WR-WR2 2=0=0时，时，在在-LE-LE2 2产生正脉冲，负产生正脉冲，负跳变将输入寄存器内容跳变将输入寄存器内容存入存入DACDAC寄存器寄存器56564.3 4.3 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出