计算机控制-输入输出ppt课件

1、第一讲思索题问答1计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？2分析阐明计算机控制系统的硬件组成及其作用。3计算机控制系统的软件由哪些部分构成？4按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？ 第二讲第二讲 过程输入输出通道技术过程输入输出通道技术概论概论 在计算机控制系统中，为了实现对消费过程的控制，在计算机控制系统中，为了实现对消费过程的控制，要将对象的控制参数及运转形状按规定的方式送入计算要将对象的控制参数及运转形状按规定的方式送入计算机，计算机经过计算、处置后，将结果以数字量的方式机，计算机经过计算、处置后，将结果以数字量的方式输出，此时需将数字量变换为适宜消费过程控制的量，输出

2、，此时需将数字量变换为适宜消费过程控制的量，因此在计算机和消费过程之间，必需设置完成信息的传因此在计算机和消费过程之间，必需设置完成信息的传送和变换安装，这个安装称为过程输入输出通道，也叫送和变换安装，这个安装称为过程输入输出通道，也叫I/O通道。通道。 本章内容其本质是本章内容其本质是课程中的知识课程中的知识2.12.1过程输入输出通道概述过程输入输出通道概述 过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量包含脉过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量包含脉冲量输入输出通道组成。模拟量输入通道把反映消费过程或设冲量输入输出通道组成。模拟量输入通道把反映消费过程或设备工况的模拟信号如温度、压

3、力、流量、速度、液位等、转备工况的模拟信号如温度、压力、流量、速度、液位等、转换为数字信号送给微型计算机；模拟量输出通道那么把微型计算换为数字信号送给微型计算机；模拟量输出通道那么把微型计算机输出的数字控制信号转换为模拟信号电压或电流作用于执机输出的数字控制信号转换为模拟信号电压或电流作用于执行机构，实现对消费过程或设备的控制。开关量脉冲量、数字行机构，实现对消费过程或设备的控制。开关量脉冲量、数字量输入通道把反映消费过程或设备工况的开关信号如继电器量输入通道把反映消费过程或设备工况的开关信号如继电器接点、行程开关、按扭等、脉冲信号如速度、位移、流量脉接点、行程开关、按扭等、脉冲信号如速度、位

4、移、流量脉冲等送给微型计算机；微型计算机经过开关量输出通道控制那冲等送给微型计算机；微型计算机经过开关量输出通道控制那些接受开关数字信号的执行机构和显示、指示安装。些接受开关数字信号的执行机构和显示、指示安装。 由此可见，过程输入输出通道在微型计算机和工业消费过程由此可见，过程输入输出通道在微型计算机和工业消费过程之间起着信号传送与变换的纽带作用。之间起着信号传送与变换的纽带作用。2.1.1 2.1.1 模拟量输入通道的普通构造模拟量输入通道的普通构造 模拟量输入通道简称模拟量输入通道简称AIAI通道的普通构造如图通道的普通构造如图2.12.1所示。过所示。过程参数由传感元件和变送器丈量并转换

5、为电压或电流方式后程参数由传感元件和变送器丈量并转换为电压或电流方式后送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进展放大、采样和次地切换到后级，进展放大、采样和A/DA/D转换，实现过程参数的巡转换，实现过程参数的巡回检测。回检测。 图2.1 模拟量输入通道的普通构造2.1.2 2.1.2 模拟量输出通道的根本构造模拟量输出通道的根本构造 模拟量输出通道简称模拟量输出通道简称AOAO通道的两种根本构造方式如图通道的两种根本构造方式如图2.22.2所示。多所示。多D/AD/A构造的模拟量输出通道中的构造的模拟量

6、输出通道中的D/AD/A转换器除承当数字信号转换器除承当数字信号到模拟信号转换的义务外，还兼有信号坚持作用，即把微机在到模拟信号转换的义务外，还兼有信号坚持作用，即把微机在 t=kT t=kT 时辰对执行机构的控制造用维持到下一个输出时辰时辰对执行机构的控制造用维持到下一个输出时辰t=(k+1)Tt=(k+1)T。这是一种数字坚持方式，送给。这是一种数字坚持方式，送给D/AD/A转换器的数字信号不转换器的数字信号不变，其模拟输出信号便坚持不变。变，其模拟输出信号便坚持不变。 共享共享D/AD/A构造的模拟量输出通道中的构造的模拟量输出通道中的D/AD/A转换器只起数字信号到转换器只起数字信号到

7、模拟信号的转换作用，信号坚持功能靠采样坚持器完成。这是一种模拟信号的转换作用，信号坚持功能靠采样坚持器完成。这是一种模拟坚持方式，微机对通路模拟坚持方式，微机对通路i ii=1i=1，2 2，.，n n的控制信号被的控制信号被D/AD/A转换器转换为模拟方式后，由采样坚持器将其记忆下来，并坚持到转换器转换为模拟方式后，由采样坚持器将其记忆下来，并坚持到下一次控制信号的到来。多下一次控制信号的到来。多D/AD/A方式输出速度快、任务可靠、精度方式输出速度快、任务可靠、精度高，是工业控制领域普遍采用的方式。高，是工业控制领域普遍采用的方式。 主 机 接口 电路D/AD/A.通道1通道n 主 机 接

8、 口 电 路D/A.通道1通道n多路开关 采样 坚持器 采样 坚持器b共享D/A构造 图2.2 模拟量输出通道的两种根本构造方式a多D/A构造 2.1.3 2.1.3 开关量数字量输入通道的根本构造开关量数字量输入通道的根本构造 开关量输入通道又称为数字量输入通道，该通道的义务是开关量输入通道又称为数字量输入通道，该通道的义务是把被控对象的开关形状信号或数字信号送给计算机、或把把被控对象的开关形状信号或数字信号送给计算机、或把双值逻辑的开关量变换为计算机可以接纳的数字量送给计算机，双值逻辑的开关量变换为计算机可以接纳的数字量送给计算机，简称简称DIDI通道。它的构造方式如图通道。它的构造方式如

9、图2.32.3所示。所示。 信号变换器 信号变换器 整形 变换 整形 变换 电平 变换 电平 变换总线缓冲器CPU接口逻辑图2.3 开关量输入通道构造框图典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：1 1信号变换器：将消费过程的非电量开关量转换为电压或电流信号变换器：将消费过程的非电量开关量转换为电压或电流 的双值逻辑值。的双值逻辑值。2 2整形变换电路：将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或整形变换电路：将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或 其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想形状的其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想形状的 方波

10、或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应外形的脉冲方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应外形的脉冲 信号。信号。3 3电平变换电路：将输入的双值逻辑电平转换为与电平变换电路：将输入的双值逻辑电平转换为与CPUCPU兼容的兼容的 逻辑电平。逻辑电平。4 4总线缓冲器：暂存数字量信息并实现与总线缓冲器：暂存数字量信息并实现与CPUCPU数据总线的衔接。数据总线的衔接。5 5接口逻辑电路：协调各通道的同步任务，向接口逻辑电路：协调各通道的同步任务，向CPUCPU传送形状信传送形状信 息并控制开关量的输入、输出。息并控制开关量的输入、输出。2.1.4 2.1.4 开关量数字量输出通道的根本构造开关量

11、数字量输出通道的根本构造 开关量数字量输出通道的义务是把计算机输出的数字信开关量数字量输出通道的义务是把计算机输出的数字信号或开关信号传送给开关型的执行机构如继电器或指示灯号或开关信号传送给开关型的执行机构如继电器或指示灯等，控制它们的通、断或亮、灭，简称等，控制它们的通、断或亮、灭，简称DODO通道。其典型构造如通道。其典型构造如图图2.42.4所示。图中锁存输出的主要作用是锁存所示。图中锁存输出的主要作用是锁存CPUCPU输出的数据或控输出的数据或控制信号，供外部设备运用；隔离部件的作用是为防止干扰；功放制信号，供外部设备运用；隔离部件的作用是为防止干扰；功放的作用那么是为把计算机输出的微

12、弱数字信号转换成能对消费过的作用那么是为把计算机输出的微弱数字信号转换成能对消费过程进展控制的驱动信号。程进展控制的驱动信号。CPU 锁存 输出 控制 逻辑 隔 离 功 放 执行 机构图2.4 开关量输出通道构造框图 图2.11 功率晶体管输 出驱动继电器 图2.12 MC1416 驱动7个继电器 图2.13为固态继电器的构造，固态继电器SSR是一种四端有源器件，。输入输出之间采用光电耦合器进展隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。2.3 2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道 2.3.1 D/A2.3.1 D/A

13、转换器概述转换器概述 模拟量输出通道的中心部件是模拟量输出通道的中心部件是D/AD/A转换器。转换器。D/AD/A转换器是指将转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或安装，它输出的模拟量电压或电数字量转换成模拟量的元件或安装，它输出的模拟量电压或电流与参考电压和二进制数成比例。流与参考电压和二进制数成比例。D/AD/A转换器种类繁多，但在集转换器种类繁多，但在集成成D/AD/A产品中多按产品中多按T T型和倒型和倒T T型电阻解码网络的型电阻解码网络的D/AD/A转换原理进展转转换原理进展转换，故下面将以倒换，故下面将以倒T T型电阻型电阻D/AD/A为例引见为例引见D/AD/A转换原理。转换原

14、理。1 1D/AD/A转换器任务原理转换器任务原理 D/AD/A转换器主要由四部分组成：基准电压转换器主要由四部分组成：基准电压VREFVREF，R-2R TR-2R T型电阻型电阻网络，电子开关网络，电子开关KiKii=0i=0，1 1，.，n-1n-1和运算放大器和运算放大器A A。一个。一个4 4位的位的D/AD/A转换器的原理框图如图转换器的原理框图如图2.142.14所示。所示。 图2.14 R-2R电阻网络D/A转换器 2 2D/AD/A转换器的主要技术目的转换器的主要技术目的分辨率分辨率 分辨率是指当输入数字量发生单位数码变化即最低有效位分辨率是指当输入数字量发生单位数码变化即最

15、低有效位LSBLSB产生一次变化时，输出模拟量对应的变化量。分辨率与数字量产生一次变化时，输出模拟量对应的变化量。分辨率与数字量输入的位数输入的位数n n呈以下关系：呈以下关系：=VREF/2n=VREF/2n 实践运用中，表示分辨率高低的更常用方法是用输入数字量实践运用中，表示分辨率高低的更常用方法是用输入数字量的位数表示。例如，的位数表示。例如，8 8位二进制位二进制D/AD/A转换器，其分辨率为转换器，其分辨率为8 8位，或者位，或者=1/255=1/255。显然，位数越多，分辨率越高。显然，位数越多，分辨率越高。建立时间建立时间 建立时间是指输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟建立

16、时间是指输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号到达离终值信号到达离终值1/2 LSB1/2 LSB所需的时间，普通为几十纳秒到几秒。所需的时间，普通为几十纳秒到几秒。线性误差线性误差 理想转换特性量化特性应该是线性的，但实践转换特性理想转换特性量化特性应该是线性的，但实践转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用定义为线性误差。线性误差常用LSBLSB的分数表示，如的分数表示，如1/2LSB1/2LSB，或，或1LSB1LSB。 2.3.2 常用D/A转换器及其接口技术1D/A转换器

17、 8位D/A转换器DAC0832 DAC0832的构造如图2.15所示，它主要由两部分组成，即：由R-2R电阻网络构成的8位D/A转换器以及两个8位存放器和相应的选通控制逻辑。DI7DI0是DAC0832的数字信号输入端；IOUT1和IOUT2是它的模拟电流输出端，IOUT1+IOUT2常数C，IOUT1和IOUT2与输入数字D之间的关系如下： 输入数字输入数字D D IOUT1 IOUT1 IOUT1 IOUT1 00H 00H 0 0 80H 80H 1/2C1/2C1/2C 1/2C FFH FFH C C 0 0 图2.15 DAC0832的构造 IOAGNDR1=2RR3=2RR2=

18、RR4 + 系统 总线VOUT1VOUT2 图2.16 DAC0832的单、双极性输出 12 12位的位的D/AD/A转换器转换器DAC1208/1209/1210DAC1208/1209/1210 图图2.172.17是是DAC1210DAC1210的构造图，其原理和引脚与的构造图，其原理和引脚与DAC0832DAC0832根本一根本一样，不同之处仅在于：样，不同之处仅在于： 输入存放器和输入存放器和DACDAC存放器均为存放器均为1212位，数据输入线为位，数据输入线为1212条。条。 输入存放器由高输入存放器由高8 8位输入存放器和低位输入存放器和低4 4位输入存放器两个存放位输入存放器

19、两个存放器构成，器构成，BYTE1/ BYTE2BYTE1/ BYTE2为高电平常，选中高为高电平常，选中高8 8位输入存放器和低位输入存放器和低4 4位输入存放器，否那么只选中低位输入存放器，否那么只选中低4 4位输入存放器。位输入存放器。 一个一个1212位的待转换数位的待转换数D D必需在输入级装配好后，才干送至必需在输入级装配好后，才干送至DACDAC寄寄 存器，所以，存器，所以，DAC1210DAC1210与与8 8位微机接口时，应接为双缓冲方式。位微机接口时，应接为双缓冲方式。 图2.17 DAC1210的构造 2 2D/AD/A转换器接口技术转换器接口技术 8 8位位D/AD/A

20、转换器与系统的接口转换器与系统的接口 为使为使CPUCPU能向能向D/AD/A转换器传送数据，必需在两者之间设置接口电转换器传送数据，必需在两者之间设置接口电路。接口电路的功能是进展地址译码、产生片选信号或写信号。假路。接口电路的功能是进展地址译码、产生片选信号或写信号。假设设D/AD/A转换器芯片内部无输入存放器，那么要外加存放器。因此，转换器芯片内部无输入存放器，那么要外加存放器。因此，D/AD/A转换器与转换器与CPUCPU的衔接方式可有三种：直接衔接、用可编程并行接的衔接方式可有三种：直接衔接、用可编程并行接口口82558255衔接、用锁存器衔接。详细采用哪种方法，应根据各种衔接、用锁

21、存器衔接。详细采用哪种方法，应根据各种D/AD/A转换器的构造方式以及系统的要求进展选择。下面以直接衔接方式转换器的构造方式以及系统的要求进展选择。下面以直接衔接方式为例引见为例引见D/AD/A转换器与转换器与CPUCPU的接口。的接口。 译 码 器D0D1:D6D7接系统 总线A0A1A9AENIOW DI0 DI1 : : DI6 DI7 Vcc VREF RfbIOUT2IOUT1 AGNDDGNDXFERWR1WR2CSA AV0 DAC0832 +5V VRY0 图2.18 8位D/A转换器与PC系统总线的接口 A5A9A8A7A6AENA4A1IOWDAC0832DDDDQQQQD

22、I7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSWR1XFERWR2VREFIOUT2IOUT1AGND8位DAC寄存器8位输入寄存器8位DAC转换器LE1LE2Rfb-5V图 3-5 DAC0832的单缓冲接口电路_+TUOVDGNDVCC+5V+5VD7D6D5D4D3D2D1D0A3A2A0 PC总线Y3Y1Y2Y0Y4Y5Y6Y7AGBG1GACB74LS138假设假设DAC0832 CSDAC0832 CS的口地址为的口地址为400H400H，那么将那么将8 8位二进制数位二进制数7FH7FH转换为模拟电压的转换程序段为：转换为模拟电压的转换程序段为： MOV DXMOV D

23、X，400H400H MOV AL MOV AL，7FH7FH OUT DX OUT DX，ALAL HLT HLT1212位位D/AD/A转换器与系统总线的接口转换器与系统总线的接口 12 12位位D/AD/A转换器与系统总线的接口电路如图转换器与系统总线的接口电路如图2.192.19所示，该电路所示，该电路采用采用1212位位D/AD/A转换芯片转换芯片DAC1210DAC1210、输出放大器、地址译码器等组成。、输出放大器、地址译码器等组成。端口地址译码器译出、端口地址译码器译出、 三个口地址，设为三个口地址，设为200H200H、201H201H、202H202H，这三个口地址用来控制

24、这三个口地址用来控制DAC1210DAC1210任务方式和进展任务方式和进展1212位的位的D/AD/A转换。转换。 图2.19 12位D/A转换器与系统总线的接口QDDQQDDQDDQQDDQQ器存寄入输位8PC总线器存寄入输位412位DAC寄存器12位D/A转换器LE3LE2LE1(MSB)DIDIDIDIDIDIDIDI11104567891FERVDGND2TUOI1TUOIbfRDNGAccV图3-6 DAC1210接口电路CSWRWR2XFERDIDIDIDI1230(LSB)+-5V12VTUOVD7D6D5D4D3D2D1D02A3A4A5A6A7A8A9A0AA1IOW138

25、BYTE /1BYTE2Y0G1GBGACBAY3Y2Y1Y5Y6Y7Y4DAC1210AEN 前面已假设端口译码器译出的前面已假设端口译码器译出的Y0Y0、Y1Y1、Y2Y2三个地址分别为三个地址分别为200H200H、201H201H、202H202H，假设将，假设将1212位二进制数位二进制数190H190H转换为模拟电压，转换为模拟电压，其转换程序段为：其转换程序段为： MOV MOV DX DX，200H200H MOV MOV AL AL，83H 83H ；送高；送高8 8位数据位数据 OUT OUT DX DX，ALAL MOV MOV DX DX，201H201H MOV MO

26、V AL AL，0F0H 0F0H ；送低；送低4 4位数据位数据 OUT OUT DX DX，ALAL MOV MOV DX DX，202H202H OUT OUT DX DX，AL AL ；1212位数据进展转换位数据进展转换 HLT HLT 2.3.3 D/A2.3.3 D/A转换模板转换模板 通常对通常对D/AD/A转换器而言，都只能完成一路数字量到模拟量的转转换器而言，都只能完成一路数字量到模拟量的转换。而实践的控制系统，往往需求将多路的数字转换成模拟量。换。而实践的控制系统，往往需求将多路的数字转换成模拟量。如前所述，总线式工控机中的如前所述，总线式工控机中的D/AD/A转换模板有

27、单转换模板有单D/AD/A构造和多构造和多D/AD/A构构造两种。造两种。1 1D/AD/A转换模板的通用性转换模板的通用性 为了便于系统设计者的运用，为了便于系统设计者的运用，D/AD/A转换模板应具有通用性，它转换模板应具有通用性，它主要表达在三个方面：符合总线规范，可选接口地址以及可选输主要表达在三个方面：符合总线规范，可选接口地址以及可选输出方式。出方式。符合总线规范符合总线规范 这里的总线是指计算机内部的总线构造，这里的总线是指计算机内部的总线构造，D/AD/A转换模板及其转换模板及其他一切电路模板都应符合一致的总线规范，以便设计者在组合计他一切电路模板都应符合一致的总线规范，以便设

28、计者在组合计算机控制系统的硬件时，只需往总线插槽上插上选用的功能模板算机控制系统的硬件时，只需往总线插槽上插上选用的功能模板而无需连线，非常方便灵敏。例如，而无需连线，非常方便灵敏。例如，STDSTD总线规范规定模板尺寸总线规范规定模板尺寸为为165mm165mm114mm114mm，模板总线引脚共有，模板总线引脚共有5656根，并详细规定了每只引根，并详细规定了每只引脚的功能。脚的功能。接口地址可选接口地址可选 一套控制系统往往需配置多块功能模板，或者同一种功能模一套控制系统往往需配置多块功能模板，或者同一种功能模板能够被组合在不同的系统中。因此，每块模板应具有接口地址板能够被组合在不同的系

29、统中。因此，每块模板应具有接口地址的可选性。普通接口地址可由基址或称板址和片址或称口的可选性。普通接口地址可由基址或称板址和片址或称口址组成，如图址组成，如图2.202.20所示。所示。 图2.20 接口地址可选的译码电路 输出方式可选输出方式可选 D/A D/A转换器输出方式有电流输出和电压输出两类，而每一类转换器输出方式有电流输出和电压输出两类，而每一类又有多种情形。又有多种情形。 在过程控制中，各自动化安装之间通常是采用在过程控制中，各自动化安装之间通常是采用0 010mA DC10mA DC或或4 420mA DC20mA DC的规范电流信号进展联络。因此，的规范电流信号进展联络。因此

30、，D/AD/A转换器最常用转换器最常用的是这两种信号范围可选的电流输出方式，如图的是这两种信号范围可选的电流输出方式，如图2.212.21所示。所示。DAC0832DAC0832输出电流经运算放大器输出电流经运算放大器AlAl和和A2A2变换成输出电压变换成输出电压V2V2，再经，再经三级管三级管T1T1和和T2T2变换成输出电流变换成输出电流IOUTIOUT。当短接柱。当短接柱KAKA的的1212短接时，短接时，经过调零点电位器经过调零点电位器W1W1和量程电位器和量程电位器W2W2，为外接负载，为外接负载RLRL提供提供0 010mA DC10mA DC电流；当电流；当KAKA的的1313

31、短接时，经过调理短接时，经过调理W1W1和和W2W2，为，为RLRL提供提供 4 420mA DC20mA DC电流。电流。 图2.21 D/A转换的电流输出 图2.22 D/A转换的单/双极性电压输出 2 2D/AD/A转换模板的设计举例转换模板的设计举例 前面讨论了几种典型的前面讨论了几种典型的D/AD/A转换器、接口电路以及通用性等问题，转换器、接口电路以及通用性等问题，这就为这就为D/AD/A转换模板的设计打下了根底。转换模板的设计打下了根底。 硬件设计中普通并不需求复杂的电路参数计算，但需会查阅集硬件设计中普通并不需求复杂的电路参数计算，但需会查阅集成电路手册，掌握各类芯片的外特性及

32、其功能，以及与成电路手册，掌握各类芯片的外特性及其功能，以及与D/AD/A转换模板转换模板衔接的衔接的CPUCPU或计算机总线的功能及其特点。在硬件设计的同时还必需或计算机总线的功能及其特点。在硬件设计的同时还必需思索软件的设计。思索软件的设计。D/AD/A转换模板的设计原那么主要思索以下几点：转换模板的设计原那么主要思索以下几点：平安可靠尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术平安可靠尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术 。性能价钱比高性能价钱比高 既要在性能上到达预定的技术目的，又要在技术既要在性能上到达预定的技术目的，又要在技术道路、芯片元件上降低本钱。比如，在选择集成电路芯片时

33、，应综道路、芯片元件上降低本钱。比如，在选择集成电路芯片时，应综合思索其转换速度、精度、任务环境温度和经济性等诸要素。合思索其转换速度、精度、任务环境温度和经济性等诸要素。 通用性通用性 D/A D/A 转换模板应符合总线规范，其接口地址及输出转换模板应符合总线规范，其接口地址及输出方式应具备可选性。方式应具备可选性。 D/A D/A转换模板的设计步骤是：确定性能目的，设计电路原理转换模板的设计步骤是：确定性能目的，设计电路原理图，设计和制造印制线路板，最后焊接和调试电路板。其中，数图，设计和制造印制线路板，最后焊接和调试电路板。其中，数字电路和模拟电路应分别陈列走线，尽量防止交叉，连线要尽量

34、字电路和模拟电路应分别陈列走线，尽量防止交叉，连线要尽量短。模拟地短。模拟地AGNDAGND和数字地和数字地DGNDDGND分别走线，通常在总线引分别走线，通常在总线引脚附近一点接地。光电隔离前后的电源线和地线要相互独立。调脚附近一点接地。光电隔离前后的电源线和地线要相互独立。调试时，普通是先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性能试时，普通是先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性能目的逐项考核。图目的逐项考核。图2.232.23a a、b b给出了给出了8 8路路D/AD/A转换模板的构转换模板的构造框图和其中一路的电路原理图。该模板由总线接口逻辑、造框图和其中一路的电路原理图。该模板

35、由总线接口逻辑、8 8片片DAC0832DAC0832以及以及V VI I变换电路等组成。变换电路等组成。 其中每路的其中每路的D/AD/A转换器均接为单级输入任务方式，而且具有电转换器均接为单级输入任务方式，而且具有电压、电流两种可选的输出方式。这里的压、电流两种可选的输出方式。这里的V VI I变换电路与负载共电变换电路与负载共电源，输出电流源，输出电流IOUT=VCCIOUT=VCCR5R5。当凡。当凡R5 = 500R5 = 500，VCCVCC0 05V5V时，时，IOUT=0IOUT=010mA10mA；当；当R5R5250250，VCC=1VCC=15V5V时，时，IOUT=4I

36、OUT=420mA20mA。 8路 构造图 单路 原理图 2.4 2.4 模拟量输入通道模拟量输入通道 2.4.1 2.4.1 模拟量输入通道中的信号变换模拟量输入通道中的信号变换 模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。 1 1信号的采样信号的采样 信号的采样过程如图信号的采样过程如图2.242.24所示。执行采样动作的是采样器所示。执行采样动作的是采样器 采样开关采样开关K K，K K每隔一个时间间隔每隔一个时间间隔T T闭合一个时间闭合一个时间。T T称为称为 采样周期，采样周期，称为采样宽度。时间和幅值上均延续的模拟信

37、称为采样宽度。时间和幅值上均延续的模拟信 号号y yt t经过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号经过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号y y* * t t。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散 过程。过程。 图2.24 信号的采样过程 采样信号采样信号y y* *t t能否能照实地反映模拟信号能否能照实地反映模拟信号y yt t的一切变的一切变化与特征呢？采样定时指出：假设模拟信号包括噪声干扰在内化与特征呢？采样定时指出：假设模拟信号包括噪声干扰在内频谱的最高频率为频谱的最高频率为fmaxfmax，只需按照采样频率，只需按照采样

38、频率f 2fmaxf 2fmax进展采样，进展采样，那么采样信号那么采样信号y y* *t t就能独一地复现就能独一地复现y yt t。采样定理给出了。采样定理给出了y y* *t t独一地复现独一地复现y yt t所必需地最低采样频率。实践运用中，常所必需地最低采样频率。实践运用中，常取取f f 5 51010fmaxfmax。2 2信号的量化信号的量化 采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上依然是延续的，采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上依然是延续的，由于延续信号由于延续信号y yt t幅值上的变化，也反映在采样信号幅值上的变化，也反映在采样信号y y* *t t上。上。所以，采样

39、信号仍不能进入微机。微机只能接受在时间上离散、所以，采样信号仍不能进入微机。微机只能接受在时间上离散、幅值上变化也不延续的数字信号。幅值上变化也不延续的数字信号。 将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的安装是动作的安装是A/DA/D转换器。字长为转换器。字长为n n的的A/DA/D转换器把转换器把yminyminymax ymax 范范围内变化的采样信号，变换为数字围内变化的采样信号，变换为数字0 02n2n1 1，其最低有效位，其最低有效位LSBLSB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。 量化过

40、程实践上是一个用量化过程实践上是一个用q q去度量采样值幅值高低的小数归整去度量采样值幅值高低的小数归整过程，好像人们用单位长度毫米或其它去度量人的身高一样。过程，好像人们用单位长度毫米或其它去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因此存在量化误差，量化误由于量化过程是一个小数归整过程，因此存在量化误差，量化误差为差为1/2q1/2q。例如，。例如，q=20mVq=20mV时，量化误差为时，量化误差为10Mv10Mv，0.9900.9901.009V1.009V范围内的采样值，其量化结果是一样的，都是数字范围内的采样值，其量化结果是一样的，都是数字5050。 在在A/DA/D转换器

41、的字长转换器的字长n n足够长时，整量化误差足够小，可以以足够长时，整量化误差足够小，可以以为数字信号近似于采样信号。在这种假设下，数字系统便可沿用为数字信号近似于采样信号。在这种假设下，数字系统便可沿用采样系统实际分析、设计。采样系统实际分析、设计。 2.4.2 A/D 2.4.2 A/D转换器转换器1 1主要技术目的主要技术目的 A/D A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在普通情况下，模拟量是指电压、电阻、电流、时间等参量，但在普通情况下，模拟量是指电压而言的。电压而言的。A/DA/D转

42、换器常用以下几项技术目的来评价其质量程度。转换器常用以下几项技术目的来评价其质量程度。 分辨率分辨率 分辨率是衡量分辨率是衡量A/DA/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术目的。分辨率通常用数字量的位数目的。分辨率通常用数字量的位数n n字长来表示，如字长来表示，如8 8位、位、1212位、位、1616位等。分辨率为位等。分辨率为n n位，表示它能对满量程输入的位，表示它能对满量程输入的1/2n1/2n的增量的增量作出反映，即数字量的最低有效位作出反映，即数字量的最低有效位LSBLSB对应于满量程输入的对应于满量程输入的1/2n1/2n。假设。假设n=

43、8n=8，满量程输入为，满量程输入为5.12V5.12V，那么，那么LSBLSB对应于模拟电压对应于模拟电压5.12V/285.12V/2820mV20mV。 转换时间转换时间 转换时间是指转换时间是指A/DA/D转换器完成一次模拟到数字转换所需求的时转换器完成一次模拟到数字转换所需求的时间。间。 线性误差线性误差 线性误差是指线性误差是指A/DA/D转换器的理想转换特性量化特性应该是转换器的理想转换特性量化特性应该是线性的，但实践转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理线性的，但实践转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差通常用想转换特性的

44、最大误差定义为线性误差。线性误差通常用LSBLSB的分的分数表示，如数表示，如1/2 LSB1/2 LSB或或1 LSB1 LSB。A/DA/D转换器的种类繁多，常见的转换器的种类繁多，常见的A/DA/D转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式等。转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式等。 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换时间普通在时间普通在usus级，转换精度普通在级，转换精度普通在0.10.1上下，适用于普通场所。上下，适用于普通场所。 双斜积分式双斜积分式A/DA/D转换器的中心部件是积分器，因此速度较慢，转换

45、器的中心部件是积分器，因此速度较慢，其转换时间普通在其转换时间普通在msms级或更长。但抗干扰性能强，转换精度可达级或更长。但抗干扰性能强，转换精度可达0.010.01或更高。适于在数字电压表类仪器中采用。或更高。适于在数字电压表类仪器中采用。 并行式又称闪烁式，由于采用并行比较，因此转换速率可以到并行式又称闪烁式，由于采用并行比较，因此转换速率可以到达很高，其转换时间可达达很高，其转换时间可达nsns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限置，级，但抗干扰性能较差，由于工艺限置，其分辨率普通不高于其分辨率普通不高于8 8位。这类位。这类A/DA/D转换器可用于数字示波器等要求转换器可用于数字示波器等

46、要求转换速度较快的仪器中。转换速度较快的仪器中。2 2A/DA/D转换原理转换原理逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器双斜积分式双斜积分式A/DA/D转换器转换器并行比较式并行比较式A/DA/D转换器转换器 2.4.3 常用常用A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术18位位A/D转换器转换器ADC0809 ADC0809是一种带有是一种带有8通道模拟开关的通道模拟开关的8位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为转换器，转换时间为100us左右，线性误差为左右，线性误差为LSB，其构造，其构造如图如图2.28所示。所示。 图2.28 ADC0809的逻辑框图 t DATAOU

47、T ALE ALE C.B.A START EOC OE DO70 图2.29 ADC0809的转换时序VIN0VIN1VIN7VIN6VIN5VIN4VIN3VIN2三态输出锁存缓冲器DO0DO1DO2DO3DO4DO6DO5DO7地址锁存 与译码ABCALEOECLOCKSTARTADC08098路A/D转换器 138译码器ABCGAGBG1A0A1A2D0D7D6D5D4D3D2D1IOWIORAENA7A6A5A4A3PC总线Y0Y1EOCPAPB12602(1)02(2)02(3)图 3-15 查询方式读A/D转换数 图2.30 AD574A的原理构造 AD574A AD574A由由

48、1212位位A/DA/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器、转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器、10V10V基准电压源基准电压源4 4部分构成。部分构成。 12 12位位A/DA/D转换器转换器 这个这个1212位位A/DA/D转换器的模拟输入可以是单极性的，也可以是双转换器的模拟输入可以是单极性的，也可以是双极性的。单极性运用时，将极性的。单极性运用时，将BIPOFFBIPOFF接接0V0V，双极性时接，双极性时接10V10V。量程可。量程可以是以是10V10V，也可以是，也可以是20V20V。输入信号在。输入信号在10V10V范围内变化时，将输入信范围内变化时，将输入信号接至号接至10

49、VIN10VIN；在；在20V20V范围内变化时，接至范围内变化时，接至20VIN20VIN。量程为。量程为10V10V和和20V20V时，时，AD574AAD574A的量化单位分别为的量化单位分别为10V/21210V/212和和20V/21220V/212。模拟输入信号的。模拟输入信号的编程：编程： 图图2.312.31是是AD574AAD574A的单、双极性运用时的线路衔接方法，以及零点和的单、双极性运用时的线路衔接方法，以及零点和满度调整方法。满度调整方法。引脚引脚单级性单级性双级性双级性BIPOFFBIPOFF0V0V10V10V10VIN10VIN010V010V-5V+5V-5V

50、+5V20VIN20VIN020V020V-10V+10V-10V+10V 图2.31 AD574A的输入信号衔接方法 a单极性 b双极性 三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 该缓冲器用于存放该缓冲器用于存放1212位转换结果位转换结果D DD=0D=0212-1212-1。D D的输出方的输出方式有两种，引脚式有两种，引脚12/ 8=112/ 8=1时，时，D D的的D11D11D0D0并行输出；并行输出；12/ 8 =012/ 8 =0时，时，D D的高的高8 8位位D11D11D4D4与与D3D3D0D0分时输出。分时输出。控制逻辑控制逻辑 控制逻辑的义务包含：启动转换、控制转换过程和

51、控制转换结控制逻辑的义务包含：启动转换、控制转换过程和控制转换结果果D D的输出。有关控制信号的作用如下表。的输出。有关控制信号的作用如下表。CECE、CSCS均为片选信号，均为片选信号，R/CR/C为读为读/ /启动控制信号。启动与读操作时序如图启动控制信号。启动与读操作时序如图2.322.32所示。所示。 PAPAPAPBPBPCPCPCPCPCPCPC7307065432108255APC总线STSDDDDCECSR/CDGND12/8 VLOGICBIFOFFREFINREFOUTAD574A10VINAGNDA0+15V-15VLF3985476381+12V-12V100K1001

52、00K+5V100CH+15V-15VV0V7VDDSmVEECD4051S0S7INHCBAVSS图 3-19 8路12位A/D转换模板电路078112.4.4 A/D2.4.4 A/D转换模板转换模板 A/DA/D转换模板普通由多路开关、数据放大器、采样坚持器、转换模板普通由多路开关、数据放大器、采样坚持器、A/DA/D转换器及接口电路组成。转换器及接口电路组成。A/DA/D转换模板同转换模板同D/AD/A转换模板一样，应转换模板一样，应具有通用性，且必需符合总线规范，接口地址可选，输入方式可具有通用性，且必需符合总线规范，接口地址可选，输入方式可选，有时还应思索数据放大器的增益可选。下面

53、将对有关内容进选，有时还应思索数据放大器的增益可选。下面将对有关内容进展讨论。展讨论。1 1多路开关多路开关 多路开关在模拟量输入通道中的作用是实现多路开关在模拟量输入通道中的作用是实现n n选一操作，即利选一操作，即利用多路开关将用多路开关将n n路输入依次地或随机地切换到后级。切换过程路输入依次地或随机地切换到后级。切换过程是在是在CPUCPU控制下完成的也可以用其它控制逻辑实现。微机控制控制下完成的也可以用其它控制逻辑实现。微机控制系统中多采用集成电路多路开关，图系统中多采用集成电路多路开关，图2.362.36是常用的集成多路开关是常用的集成多路开关CD4051CD4051的构造原理。的

54、构造原理。 图2.36 CD4051的构造原理 2 2采样坚持器采样坚持器 A/DA/D转换过程即采样信号量化过程需求时间，这个时间称转换过程即采样信号量化过程需求时间，这个时间称为为A/DA/D转换时间。在转换时间。在A/DA/D转换期间，假设输入信号变化较大，就会转换期间，假设输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以，普通情况下采样信号都不直接送至引起转换误差。所以，普通情况下采样信号都不直接送至A/DA/D转换转换器转换，还需加坚持器作信号坚持。坚持器把器转换，还需加坚持器作信号坚持。坚持器把 t=kTt=kT时辰的采样值时辰的采样值坚持到坚持到A/D A/D 转换终了。转换终了。T T

55、为采样周期，为采样周期，k=0k=0，1 1，2 2，.为采样序号。为采样序号。 采样坚持器的根本组成电路如图采样坚持器的根本组成电路如图2.372.37a a所示，由输入输出所示，由输入输出缓冲器缓冲器A1A1、A2A2和采样开关和采样开关K K、坚持电容、坚持电容CHCH等组成。采样时，等组成。采样时，K K闭合，闭合，VINVIN经过经过A1A1对对CHCH快速充电，快速充电，VOUTVOUT跟随跟随VINVIN；坚持期间，；坚持期间，K K 断开，由断开，由于于A2 A2 的输入阻抗很高，理想情况下的输入阻抗很高，理想情况下VOUT = VC VOUT = VC 坚持不变。采样坚持不变

56、。采样坚持器一旦进入坚持期，便应立刻启动坚持器一旦进入坚持期，便应立刻启动A/DA/D转换器，保证转换器，保证A/DA/D转换转换期间输入恒定。采样坚持器的任务波形见图期间输入恒定。采样坚持器的任务波形见图2.372.37b b。 图2-37 采样坚持器 (a) 原理电路 (b) 任务波 常用的集成采样坚持器有常用的集成采样坚持器有LF198/298/398LF198/298/398、AD582AD582等，其原理等，其原理构造如图构造如图2.382.38a a、b b所示。采用所示。采用TTLTTL逻辑电平控制采样和坚逻辑电平控制采样和坚持。持。LF198LF198的采样控制电平为的采样控制

57、电平为“1 1，坚持电平为，坚持电平为“0 0，AD582AD582相反。相反。OFFSETOFFSET用于零位调整。坚持电容用于零位调整。坚持电容CHCH通常是外接的，其取值与采样通常是外接的，其取值与采样频率和精度有关，常选频率和精度有关，常选5105101000pF1000pF。减小。减小CHCH可提高采样频率，但可提高采样频率，但会降低精度。普通选用聚苯乙稀、聚四氟乙稀等高质量电容器作会降低精度。普通选用聚苯乙稀、聚四氟乙稀等高质量电容器作CHCH。 选择采样坚持器的主要要素有，获取时间、电压下降率等。选择采样坚持器的主要要素有，获取时间、电压下降率等。LF198LF198的的CHCH

58、取为取为0.01F0.01F时，信号到达时，信号到达0.010.01精度所需的获取时间精度所需的获取时间采样时间为采样时间为25s 25s ，坚持期间的输出电压下降率为每秒，坚持期间的输出电压下降率为每秒3V3V。假设假设A/DA/D转换器的转换时间为转换器的转换时间为100s100s， 转换期间坚持器输出电压转换期间坚持器输出电压下降约下降约300V 300V 。当被测信号变化缓慢时，假设。当被测信号变化缓慢时，假设A/DA/D转换器转换时转换器转换时间足够短，可以不加采样坚持器间足够短，可以不加采样坚持器 图2.38 集成采样坚持器的原理构造 aAD582 bLF198/298/398 3

59、 3A/DA/D转换模板举例转换模板举例 图图2.392.39是一种是一种8 8通道模拟输入板。它由通道模拟输入板。它由2 2片多路开关片多路开关CD4051CD40518 8路、采样坚持器路、采样坚持器LF398LF398、1212位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A、仪用放大、仪用放大器器AD625AD625和接口电路和接口电路8255A8255A等组成。等组成。 图2.39 8路A/D转换模板 该模拟输入板的主要技术目的如下：该模拟输入板的主要技术目的如下： 分辨率分辨率 12 12位位 通道数通道数 双端双端8 8路路 输入量程输入量程 单极性单极性 0 010V10V

60、 双极性双极性-5V-5V+5V+5V 转换时间转换时间 A/DA/D25s 25s 线路误差线路误差 不大于不大于 0.02% 0.02% 应对方式应对方式 查询查询该模板采集一个数据的过程如下：该模板采集一个数据的过程如下： 通道选择通道选择 目的通道号写入端口目的通道号写入端口C C低低4 4位，使位，使LF398LF398对目的通道采样对目的通道采样 LF398LF398的任务形状受的任务形状受AD574AAD574A的的STSSTS控制，控制，AD574AD574未转换期间未转换期间 STS=0 STS=0，LF398LF398处于采样形状。处于采样形状。 启动启动AD574AAD5