微机接口 6章课件

1、1计算机接口技术2n第第 六六 章章过程通道接口技术过程通道接口技术 模拟量输入输出通道的组成模拟量输入输出通道的组成 D/AD/A转换器接口技术转换器接口技术 A/DA/D转换器接口技术转换器接口技术36.1 模拟量输入输出过程通道概述n 模拟量模拟量I/O接口的作用：接口的作用：l实际工业生产环境实际工业生产环境连续变化的模拟量连续变化的模拟量 如：电压、电流、压力、温度、位移、流量如：电压、电流、压力、温度、位移、流量l计算机内部计算机内部离散的数字量离散的数字量 二进制、十进制二进制、十进制l工业生产的闭环控制工业生产的闭环控制传感器A/D计算机D/A执行元件模拟量输入（数据采集）模拟

2、量输出（过程控制）46.1 模拟量输入输出过程通道概述n 模拟量模拟量I/O通道的组成：通道的组成：56.1 模拟量输入输出过程通道概述n 模拟量的输入通道：模拟量的输入通道：l传感器：传感器： 非电量非电量电压、电流电压、电流l变送器：变送器： 转换成标准的电信号转换成标准的电信号l信号处理：放大、整形、滤波信号处理：放大、整形、滤波l多路转换开关：多选一多路转换开关：多选一l采样保持电路：保证变换时信号恒定不变采样保持电路：保证变换时信号恒定不变lA/D变换器：模数转换变换器：模数转换66.1 模拟量输入输出过程通道概述n 模拟量的输出通道：模拟量的输出通道：lD/A变换器：数字转模拟变换

3、器：数字转模拟l低通滤波：平滑输出波形低通滤波：平滑输出波形l放大驱动：提供足够的驱动电压、电流放大驱动：提供足够的驱动电压、电流7n 在接到一个具体的测控任务后，需要根据被控对在接到一个具体的测控任务后，需要根据被控对象选择合适的传感器，从而完成非电量到电量的转换。象选择合适的传感器，从而完成非电量到电量的转换。经传感器转换后的电量，往往信号幅度很小，很难进经传感器转换后的电量，往往信号幅度很小，很难进行模数转换，因此需对这些模拟信号进行放大处理。行模数转换，因此需对这些模拟信号进行放大处理。在信号输出通道、电平转换等信号处理中，信号放大在信号输出通道、电平转换等信号处理中，信号放大技术也是

4、不可缺少的基本环节技术也是不可缺少的基本环节 。6.2 模拟信号放大技术 86.2.1 常用运算放大器n 根据各种运放的特点，可将其分为通用型、高根据各种运放的特点，可将其分为通用型、高输入阻抗型、高速型、低功耗型等多种输入阻抗型、高速型、低功耗型等多种 。 1 ICL7650(5G7650) ICL7650集成运放a）引脚功能 b）典型接法CB：外接电容CEXTB； CA：外接电容CEXTA;IN-：反相输入端； IN+：同相输入端； V：负电源端； 反向（R）：CA和CB的公共端； 输出钳位：钳位端； Vo：输出端； V：正电源端； 96.2.1 常用运算放大器 2ADOP07图 ADOP

5、07集成运放a）引脚功能 b）典型接法106.2.2 测量放大器n如前所述，传感器输出是微弱的电信号，信号中还可能包含有工频、静电和电磁耦合等共模干扰信号。对这种信号的放大，需要放大电路具有高输入阻抗、高增益、低噪声和高共模拟制比，习惯上称这种放大器为测量放大器、电桥放大器或仪表放大器。n右图为用三个运放组成的测量 放大器原理图，经分析可得：1221(1)()RfffoRRRVVVRP 该电路中只要运放的输入阻抗和电压增益对称，其漂移将大大减少、输入阻抗和共模抑制比很高，对微弱差模电压很灵敏。适宜于与传感器配合使用和测量远传信号。116.2.2 测量放大器图 AD521 测量放大器a）引脚功能

6、 b）基本接法引脚10和13用于外接电阻Rs，用于对放大倍数进行微调；当Rs=100k时，可以得到比较稳定的放大倍数；引脚2和14用于外接电阻RG，用于调整放大倍数；引脚OFF SET(4，6)用于调整放大器零点（10k）； SENSE 补偿端GsInOutRRUUG测量放大器的放大倍数按如下公式计算：126.2.3 程控增益放大器n程控增益放大器概述程控增益放大器概述n 在微机测控系统中，对测量放大器除了要求共模抑制能力强、高增益、低零漂、宽频带之外，还要求放大器具有增益可调的功能。当多路输入信号源电平相差较大时，用同一增益的放大器去放大高电平和低电平信号，就有可能使低电平信号测量精度降低，

7、而高电平则可能超出AD转换器的输入范围。因此，工程上常采用微机软件控制的办法来实现增益的自动变换。具有这种功能的放大器就叫做程控增益放大器 。136.2.4 隔离放大器n隔离放大器的耦合方式隔离放大器的耦合方式n 隔离放大器采用的耦合方式有变压器耦合和光隔离放大器采用的耦合方式有变压器耦合和光电耦合两种。电耦合两种。 146.3.1 模拟多路开关的原理与分类n 当有一个以上的模拟量需要当有一个以上的模拟量需要A/D转换时，就要考虑下转换时，就要考虑下列方案，或者用分时多路开关控制模拟量的输入，用一个列方案，或者用分时多路开关控制模拟量的输入，用一个A/D转换器来转换；或者在每一路模拟信号上用一

8、个转换器来转换；或者在每一路模拟信号上用一个A/D转转换器，而将它们的输出用一个数字多路开关来控制。由于换器，而将它们的输出用一个数字多路开关来控制。由于使用模拟量多路开关的方法成本比较低，所以通常都采用使用模拟量多路开关的方法成本比较低，所以通常都采用前者。前者。 156.3.3 采样保持器的作用原理n 在对模拟信号进行模数转换之前，先要对模拟在对模拟信号进行模数转换之前，先要对模拟信号进行采样。采样前的信号是时间和幅度均连续信号进行采样。采样前的信号是时间和幅度均连续的模拟信号，采样后则成了时间上离散的信号。采的模拟信号，采样后则成了时间上离散的信号。采样过程是使连续模拟信号加到采样开关输

9、入端，开样过程是使连续模拟信号加到采样开关输入端，开关每隔一定时间闭合一次，开关输出端即得到采样关每隔一定时间闭合一次，开关输出端即得到采样信号。下图表示了这一采样过程。信号。下图表示了这一采样过程。F*(t)为采样后的为采样后的信号，它在时间上是离散的，但幅度仍是连续的信号，它在时间上是离散的，但幅度仍是连续的 。16采样过程F(t)tF*(t)tKF(t)F*(t)0T2T 3T 4T 5T 6T1T17n采样保持器的原理采样保持器的原理n 采样保持器用来保持采样保持器用来保持A/D转换器的信号不变。转换器的信号不变。其电路具有采样和保持两种运行模式，由逻辑控制其电路具有采样和保持两种运行

10、模式，由逻辑控制输入端来选择。在采样模式中，输出随输入变化；输入端来选择。在采样模式中，输出随输入变化；在保持模式中，电路的输出对应于命令发出时的输在保持模式中，电路的输出对应于命令发出时的输入值并保持不变，直到逻辑控制端送入采样命令时，入值并保持不变，直到逻辑控制端送入采样命令时，输出立即跳变到输入值，并开始随输入变化到下一输出立即跳变到输入值，并开始随输入变化到下一个保持命令发出为止。个保持命令发出为止。 18采样/保持VINVOUT控制信号（a） 原理图控制信号采样保持采样保持“1”“0”“1”“0”VINVOUT(b) 波形图（a）原理图 （b）波形图采样保持原理图及波形图196.4

11、D/A转换器接口技术n D/A转换器基本原理及特性转换器基本原理及特性 D/A转换器是把数字量转换成模拟量的线性电路器转换器是把数字量转换成模拟量的线性电路器件。件。lD/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理组成：组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器模拟开关、电阻网络、运算放大器两种电阻网络：两种电阻网络：权电阻网络、权电阻网络、R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络。模拟开关电阻网络Ri运放的放大倍数足够大时，输出电压V0与输入电压VI的关系:206.4 D/A转换器接口技术若输入端有4个支路，则V0与Vref的关系为：)0D1D22D43D8(R8VRDR8VRDR4VRDR2VRDR1V

12、RVR21RVreff0reff1reff2reff3reffref30iif0当代码在0FH之间变化时，V0在0 (15/8)(Rf/R)Vref之间变化缺点：所用电阻为权电阻，很难匹配216.4 D/A转换器接口技术)0D1D22D43D8(R16VRV)0D1D22D43D8(R16V)DR28VDR24VVDR22VDR21V(RVIreff0ref0ref1iref2ref3reff0226.2 D/A转换器接口技术n D/A转换器基本原理及特性转换器基本原理及特性lD/A转换器的主要参数转换器的主要参数分辨率分辨率：能够转换的二进制的位数；若：能够转换的二进制的位数；若8位二进制数

13、位二进制数转换后的电压满量程是转换后的电压满量程是5V，则最小分辨电压，则最小分辨电压=5V/256=19.5mV，当采用，当采用12位位DAC时，分辨率为时，分辨率为5V/4096=1.22mV。转换时间转换时间：数字量输入到完成转换，输出达到最终值：数字量输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间；在几并稳定为止所需的时间；在几ns几百几百us之间。之间。转换精度转换精度：D/A转换器实际输入电压与理论值之间的转换器实际输入电压与理论值之间的误差；用误差；用1/2LSB(最低有效位最低有效位)表示。表示。非线性误差非线性误差：当数字量变化时，：当数字量变化时，D/A转换器输出的模转

14、换器输出的模拟量按比例关系变化的程度。拟量按比例关系变化的程度。236.2 D/A转换器接口技术n D/A转换器及特性转换器及特性lD/A转换器的输入输出特性转换器的输入输出特性输入缓冲能力输入缓冲能力输入数据的宽度输入数据的宽度电流型或电压型电流型或电压型输入码制：输入码制：单极性：二进制码或单极性：二进制码或BCD码码双极性：偏移二进制码或补码双极性：偏移二进制码或补码偏移二进制码(又叫移码)是在二进制码的基础上加一个偏移量得到的。n位二进制数D讠的偏移二进制码为niiB2DDl例如，一个3位二进制的数Di+110，则其相应的偏移二进制码为 ,如果Di-110，则11101000110Di

15、B00101000110DiB246.2 D/A转换器接口技术n D/A转换器转换器DAC0832l特点特点采用双缓冲、单缓冲、或直接数字输入；采用双缓冲、单缓冲、或直接数字输入；8位的分辨率；低功耗，只需位的分辨率；低功耗，只需200mW；采用采用+5v+15v单电源；满足单电源；满足TTL电压电平规范的逻辑电压电平规范的逻辑输入；输入；具有具有8、9或或10位线性度；位线性度；256.2 D/A转换器接口技术l DAC0832内部结构内部结构8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器&11DI7DI6DI0ILECSWR1WR2XFERLE1LE2UREFIOUT2IOUT1A

16、GNDUCCRfbDGND266.2 D/A转换器接口技术l DAC0832的工作方式的工作方式直通方式直通方式：ILE接接+5v，CS、WR1、WR2、XFER都接地，一旦有数据输入就都接地，一旦有数据输入就立即进行立即进行D/A转换。转换。单缓冲方式单缓冲方式：只进行一级缓冲：只进行一级缓冲276.2 D/A转换器接口技术l DAC0832的工作方式的工作方式单缓冲方式单缓冲方式286.2 D/A转换器接口技术l DAC0832的工作方式的工作方式双缓冲方式双缓冲方式：进行两级缓冲：进行两级缓冲296.2 D/A转换器接口技术l DAC0832输出方式输出方式单极性输出方式单极性输出方式为

17、了保持电流输出的线性度，两个电流输出端Iout1和Iout2的电位应尽可能接近地电位。这时，不管基准电压Uref为正或为负，输出电压Uout总等于Iout2*Rfb，并和基准电压的极性相反。306.2 D/A转换器接口技术l DAC0832输出方式输出方式双极性输出方式双极性输出方式A1A2I2I1fRe1outfRe1outfRe131out232outUU2UR2R2URR2URRURRUR3=R2=R1=;V5U,V5U;V0U,V5 . 2U;V5U,V0UV5U2out1out2out1out2out1outfRe时，设316.2 D/A转换器接口技术l 12位位D/A转换器转换器A

18、DC1210片内有两片锁存器，不必外加锁存器即可以与片内有两片锁存器，不必外加锁存器即可以与CPU相连；相连；326.2 D/A转换器接口技术l DAC0832与微机的接口与微机的接口采用DAC作函数波形发生器336.2 D/A转换器接口技术l DAC0832与微机的接口与微机的接口34356.2 D/A转换器接口技术三角波程序：三角波程序：366.3 A/D转换器接口技术n A/D转换原理转换原理 A/D转换器是把转换器是把模拟量转换成数字量模拟量转换成数字量的器件。的器件。 通常所说的通常所说的A/D转换器，是指将经过采样保持后转换器，是指将经过采样保持后的模拟电压值进行量化、编码，转换为

19、的模拟电压值进行量化、编码，转换为n位二进制数位二进制数字量的电路。实质上，量化、编码是在转换过程中同字量的电路。实质上，量化、编码是在转换过程中同时完成的，并无明显界线。时完成的，并无明显界线。376.3 A/D转换器接口技术n A/D转换器转换器 根据根据A/D转换原理和特点的不同，可分成转换原理和特点的不同，可分成直接直接ADC和间和间接接ADC。 直接直接ADC是将模拟电压直接转换成数字代码，这类是将模拟电压直接转换成数字代码，这类ADC中较常用的有中较常用的有逐次逼近式逐次逼近式ADC、计数式、计数式ADC、并行转、并行转换式换式ADC等等。 间接间接ADC是将模拟电压先变成中间变量

20、，如脉冲周期是将模拟电压先变成中间变量，如脉冲周期T、脉冲频率脉冲频率f、脉冲宽度、脉冲宽度等，再将中间变量变成数字代码。这等，再将中间变量变成数字代码。这类类ADC中较常见的中较常见的有单积分式有单积分式ADC、双积分式、双积分式ADC、V/F转换式转换式ADC等等。386.3 A/D转换器接口技术其他分类：其他分类：按模拟量输入方式分：按模拟量输入方式分：单极性单极性ADC、双极性、双极性ADC；按数字量输出方式分：按数字量输出方式分：并行并行ADC、串行、串行ADC；按转换精度分：按转换精度分：低精度、中精度、高精度、超高低精度、中精度、高精度、超高精度；精度；按输出是否带三态缓冲分：按

21、输出是否带三态缓冲分：带可控三态缓冲带可控三态缓冲ADC、不带可控三态缓冲不带可控三态缓冲ADC；按分辨率分：按分辨率分：4位、位、6位、位、8位、位、10位、位、12位、位、14位、位、16位；位；按转换速度分：按转换速度分：低速、中速、高速、超高速。低速、中速、高速、超高速。396.3 A/D转换器接口技术l计数式计数式 ：最简单，但转换速度很慢最简单，但转换速度很慢；l并行转换式并行转换式：速度最快，但成本最高速度最快，但成本最高；l逐次逼近式逐次逼近式：易于集成、且具有较高的分辨率和转换速：易于集成、且具有较高的分辨率和转换速度度，价格不高，价格不高；l双积分型双积分型：双积分式双积分

22、式ADC转换精度高，抗干扰能力强，转换精度高，抗干扰能力强，但转换速度慢，一般应用在精度要求高而速度要求不高但转换速度慢，一般应用在精度要求高而速度要求不高的场合，例如测量仪表等的场合，例如测量仪表等；lV/F转换式转换式：在转换线性度、精度、抗干扰能力和积分输在转换线性度、精度、抗干扰能力和积分输入特性等方面有独特的优点，且接口简单，占用计算机入特性等方面有独特的优点，且接口简单，占用计算机资源少，缺点也是转换速度低，目前在一些输出信号动资源少，缺点也是转换速度低，目前在一些输出信号动态范围较大或传输距离较远的低速过程的模拟输入通道态范围较大或传输距离较远的低速过程的模拟输入通道中，获得了越

23、来越多的应用中，获得了越来越多的应用；406.3 A/D转换器接口技术l逐次逼近式逐次逼近式ADC工作原理工作原理 基本特点基本特点：二分搜索，反馈比较，逐次逼近。它的基：二分搜索，反馈比较，逐次逼近。它的基本思想与生活中的天平称重思想极为相似本思想与生活中的天平称重思想极为相似。 工作原理工作原理：利用一套标准的利用一套标准的“电压砝码电压砝码”，这些，这些“电电压砝码压砝码”的大小，相互间成二进制关系。把这些已知的的大小，相互间成二进制关系。把这些已知的“电压砝码电压砝码”由大到小连续与未知的被转换电压相比较，由大到小连续与未知的被转换电压相比较，并将比较结果以数字形式送到逻辑控制电路予以

24、鉴别，并将比较结果以数字形式送到逻辑控制电路予以鉴别，以便决定以便决定“电压砝码电压砝码”的去留，直至全部的去留，直至全部“电压砝码电压砝码”都试探过为止。最后，所有留下的都试探过为止。最后，所有留下的“电压砝码电压砝码”加在一加在一起，便是被转换电压的结果。起，便是被转换电压的结果。 由电压比较器由电压比较器AV、DAC、逐次逼近寄存器、控制逻辑、逐次逼近寄存器、控制逻辑和输出缓冲锁存器等部分组成。和输出缓冲锁存器等部分组成。10110000例：例：176g176g27 ? , 27 +26 ? , 27 +25 + 24 ? 416.3 A/D转换器接口技术l当出现启动脉冲时，逐次逼近寄存

25、器和输出缓存器清零，故D/A输出也为零。当第一个时钟脉冲到来时，寄存器最高位置1，这时D/A输入为1000，其转换输出电压VF为其满刻度值的一半，它与输入电压进行比较，若VFVI，则该位的1被保留，否则被清除。然后寄存器下一位再置1，再比较，决定去留直到最低位完成同一过程，便发出转换结束信号。此时，寄存器从最高位到最低位都试探过一遍的最终值便是A/D转换的结果。426.3 A/D转换器接口技术3位ADC转换一个数需要4拍，即4个时钟脉冲。一般说来，n位ADC转换一个数需要n+1个时钟脉冲。如果知道时钟脉冲频率，就不难求出这种转换器的转换时间。要说明的是，若把将转换结果送入输出缓冲锁存器这个节拍

26、也算在内，则需要n+2个时钟脉冲。436.3.1 A/D转换器的主要技术指标n 1 分辨率分辨率 模拟量经模拟量经A/D转换器转换为二进制数字量的位数。转换器转换为二进制数字量的位数。n 2 转换精度转换精度 ADC转换后所得数字量代表的模拟量与实际模拟量输入值转换后所得数字量代表的模拟量与实际模拟量输入值之差之差。n 3 转换时间转换时间 ADC完成一次模拟量的测量到数字量的转换所需的时间。完成一次模拟量的测量到数字量的转换所需的时间。n 4 电源灵敏度电源灵敏度 A/D转换器的供电电源电压波动时相当于引入一个模拟输转换器的供电电源电压波动时相当于引入一个模拟输入量的变化，从而产生转换误差。

27、入量的变化，从而产生转换误差。446.3.2 8位A/D转换器ADC0809ADC0809原理图456.3.2 8位A/D转换器ADC0809ADC0809功能引脚：(1) IN7IN0：模拟量输入通道 ；(2) ADDA、ADDB、ADDC：A为低位地址，C为高位地址，用于对模拟通道进行选择；(3) ALE：地址锁存信号；(4) START：转换启动信号。START上升沿时，所有内部寄存器清0；START下降沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。(5) D7D0：数据输出线。(6) OE：输出允许信号。(7) CLOCK：时钟信号。(8) EOC：转换结束状态信

28、号。 0，正在进行转换；1，转换结束。(9) VCC：+5V电源。(10) Vref：参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。466.3.3 12位逐次逼近型A/D转换器AD574AD574引脚信号476.3.3 12位逐次逼近型A/D转换器AD574AD574功能引脚：(1) +V：+5V电源输入端；(2) 12/8：数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。(3) CS：片选端；(4) A0：字节地址短周期控制端；(5) R/C：读转换数据控制端；(6) CE：使能端；(7) V+：正电源输入端，输入+15V电源；(8) Ref out：10V基准电源电压输出端；(9) AGND：模拟地端；(10) Ref in：基准电源电压输入端；(11) V-：负电源输入端，输入-15V电源；(12) 双极性偏置端；(13) 10Vin：10V量程模拟电压输入端；(14) 20Vin：20V量程模拟电压输入端；(15) DGND:数字地端；(16) DB0DB11:12条数据总线；(17) STS: 工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束。486.3.3 12位逐次逼近型A/D转换器AD574496.3.4 A/D转换器与微处理的接口l接口的任务发转换启动信号取回“转