第3章 过程输入输出通道1

1、第第3章章 过程输入输出通道过程输入输出通道3.1 概述概述3.2 模拟量输入通道模拟量输入通道3.3 模拟量输入出通道模拟量输入出通道3.4 数字量输入通道数字量输入通道3.5 数字量输出通道数字量输出通道 3.6 抗干扰技术抗干扰技术 3.1 概述概述1. 过程输入输出通道与主机交换的信息类型过程输入输出通道与主机交换的信息类型1）数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，包括数字）数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，包括数字量和模拟量。量和模拟量。2）状态信息：又叫应答信息、握手信息，反映过程通道的状）状态信息：又叫应答信息、握手信息，反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。态，如准

2、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）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。态门的打开和关闭、触发器的启动等。2. 过程通道的编址方式过程通道的编址方式1）过程通道与存储器统一编址方式）过程通道与存储器统一编址方式2）过程通道与存储器独立编址方式）过程通道与存储器独立编址方式3. 主机对过程通道的控制方式主机对过程通道的控制方式1 1）程序传送控制方式）程序传送控制方式程序传送控制方式是指完全靠程序来控制信息在程序传送控制方式是指完全靠程序来控制信息在CPU与与I/O设备之间的传送，又分为无条件（同步）传送方式和条件

3、设备之间的传送，又分为无条件（同步）传送方式和条件（查询）传送方式。（查询）传送方式。2 2）中断传送方式）中断传送方式 中断是外设中断是外设(或其他中断源或其他中断源)中止中止CPU当前正在执行的程序，当前正在执行的程序，转向该外设服务的程序，即完成外设与转向该外设服务的程序，即完成外设与CPU间传送一次数据，间传送一次数据，一旦服务结束，又返回主程序继续执行。一旦服务结束，又返回主程序继续执行。 3 3）直接存储器存取（）直接存储器存取（DMADMA）传送方式）传送方式 数据传送执行的时间小于完成中断过程所需时间，大量数据传送执行的时间小于完成中断过程所需时间，大量数据在高速外设与存储器之

4、间传送时，采用数据在高速外设与存储器之间传送时，采用DMA方式。方式。 DMA的工作流程的工作流程 3.2 模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。的数字量信号。 3.2.1 信号处理电路信号处理电路 信号处理电路包括信号滤波、小信号放大、信号衰减、阻抗信号处理电路包括信号滤波、小信号放大、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、线性化处理、电流匹配、电平变换、线性化处理、电流/电压转换等。电压

5、转换等。 在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的测量变在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器，当它们的输出信号为送器，当它们的输出信号为010 mA或或420 mA的电流信号的电流信号时，一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电时，一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，主要有两种变换电路。压信号，主要有两种变换电路。（1）无源）无源I/V变换电路变换电路 （2）有源）有源I/V变换电路变换电路-+A2R1RVI(a ) 无无 源源 I I / / V V 变变 换换 电电 路路(b ) 有有 源源 I I / / V V 变变 换换 电电

6、 路路图图 2 -2 电电 流流 / / 电电 压压 变变 换换 电电 路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+ 5 Vv R1=100R2=500 ， 则则010mA对应对应05Vv R1=100R2=250， 则则 420mA对应对应15Vv R为精密电阻为精密电阻v 二极管保护作用二极管保护作用2） 有源有源I/V变换变换3411RRIRVG若取若取R1=200，R3=100k，R4=150k，则输入电流，则输入电流I的的010 mA就对应电压输出就对应电压输出V的的05 V；若取若取R1=200，R3=100k，R4=25k，则，则420 mA的的输入电流对应于输入电流对应于15 V

7、的电压输出。的电压输出。-+A2R1RVI(a ) 无无 源源 I I / / V V 变变 换换 电电 路路(b ) 有有 源源 I I / / V V 变变 换换 电电 路路图图 2 -2 电电 流流 / / 电电 压压 变变 换换 电电 路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+ 5 V3.2.2 多路模拟开关多路模拟开关 由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现

8、多选一的收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选一的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。操作，将多路输入信号依次地切换到后级。多路开关有两类：多路开关有两类： （1）、机械触点式，如干簧继电器、水银继电器和机械振子）、机械触点式，如干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器，目前已很少使用；式继电器，目前已很少使用； （2）、电子式开关，如晶体管、场效应管及可编程集成电路）、电子式开关，如晶体管、场效应管及可编程集成电路开关等。在这里我们主要介绍常用的集成电路芯片，如集成电开关等。在这里我们主要介绍常用的集成电路芯片，如集成电路芯片路芯片CD4051(双向、单端、双向、单端、8路路

9、)、CD4052(单向、双端、单向、双端、4路路)、AD7506(单向、单端、单向、单端、16路路)等。等。 现以常用的现以常用的CD4051为例为例 当采样通道多至当采样通道多至16路时，可直接选用路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，路模拟开关的芯片，也可以将也可以将2个个8路路CD4051并联起来，组成并联起来，组成1个单端的个单端的16路开关。路开关。图图3-7给出了两个给出了两个CD4051扩展为扩展为116路模拟开关的电路。路模拟开关的电路。 3.2.3 前置放大器前置放大器 前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程转换的量程

10、范围之内，如范围之内，如05VDC。1. 测量放大器测量放大器 在实际工程中在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。用。 因此，因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器。测量放大器，也称仪表放大器。 经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放大器经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端的差动输入端VIN 和和VIN 分别

11、是两个运放分别是两个运放A1、A2的同相输入端，的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。图中极强的抑制共模干扰能力。图中RG是外接电阻，专用来调整放是外接电阻，专用来调整放大器增益的。增益公式为：大器增益的。增益公式为：OUT1ININ22(1)SGVRRGVVRR2. 可变增益放大器可变增益放大器 在在A/D转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大

12、到A/D转换器的同转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器。大器或可编程放大器。 3.2.4 采样保持器采样保持器 当某一通道进行当某一通道进行A/D转换时，由于转换时，由于A/D 转换需要一定的时间，如转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证A/D转转换的精度，需要应用采样保持器换的精度，需要应用采样保持器

13、。1. 零阶采样保持器零阶采样保持器2. 零阶集成采样保持器零阶集成采样保持器 常用的零阶集成采样保持器有常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF198/298/398等，其等，其内部结构和引脚如图内部结构和引脚如图3-10所示。这里，用所示。这里，用TTL逻辑电平控制采逻辑电平控制采样和保持的状态，如若样和保持的状态，如若AD582的采样电平为的采样电平为“0”，则保持电平，则保持电平为为“1”，而，而LF198的则相反。的则相反。3.2.5 A/D转换器转换器1. A/D转换器工作原理转换器工作原理常用的常用的A/D转换器原理可分为转换器原理可分为逐位逼近式逐位逼近式和和双积分式双积分式

14、两种。两种。 1) 逐位逼近式逐位逼近式A/D转换原理转换原理根据根据A/D转换器的原理，一个转换器的原理，一个n位位A/D转换器输出的二进制数转换器输出的二进制数字量字量B与模拟输入电压与模拟输入电压VIN、正基准电压、正基准电压VR+、负基准电压、负基准电压VR-的关系为的关系为IN2RnRRVVBVV 一个一个8位位A/D转换器，设转换器，设VR+ = 5.00V， VR = 0 V，那么，那么当当VIN分别为分别为0 V、2.5 V、5 V时所对应的二进制数字量时所对应的二进制数字量B分别分别为为00H、80H、FFH。 逐位逼近式逐位逼近式A/D转换器很好的兼顾了速度和精度，在转换器

15、很好的兼顾了速度和精度，在16位位以下的以下的A/D转换器中广泛的使用。缺点是抗干扰能力不够强，转换器中广泛的使用。缺点是抗干扰能力不够强，且当信号变化率较高时，会产生较大线性误差。且当信号变化率较高时，会产生较大线性误差。 此种此种A/D转换器的常用品种有普通型转换器的常用品种有普通型8位单路位单路ADC0801ADC0805、8位位8路路ADC0808/0809、8位位16路路ADC0816/0817等，混合集成高速型等，混合集成高速型12位单路位单路AD574A、ADC803等。等。2)双积分式双积分式A/D转换原理转换原理3)其它其它A/D转换方式转换方式 （1）电压电压/频率式转换器

16、：频率式转换器：简称简称V/F转换器，是把模拟电压信转换器，是把模拟电压信号转换成频率信号的器件。此种号转换成频率信号的器件。此种V/F转换器的常用品种有转换器的常用品种有VFC32、LM131/LM231/LM331、AD650、AD651等。等。（2）计数比较式：计数比较式：结构简单，价格便宜，速度慢，较少采用。结构简单，价格便宜，速度慢，较少采用。（3）全并行比较型（全并行比较型（Flash型）：型）：采用多个比较器，速度极采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高。高，电路规模大，成本高。 （4）分级型：分级型：减少并行比较减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减的位数，分级多次转

17、换，减小电路规模，保持较高速度。小电路规模，保持较高速度。 （5）-型（过采样转换器）：型（过采样转换器）：高速高速1bit DAC+数字滤波，数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。转换成低采样率高位数字，分辨率高。-型型A/D转换芯片有转换芯片有AD7715等。等。2. A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标1) 分辨率：分辨率：是指是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度，转换器对微小输入信号变化的敏感程度，通常用数字输出最低有效位（通常用数字输出最低有效位（Least Significant Bit，LSB）所对应的模拟量输入电压值表示。所对应的模拟量输入电压值表示。2

18、) 转换时间：转换时间：从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成间隔，即完成n位转换所需的时间。转换时间的倒数即每秒能位转换所需的时间。转换时间的倒数即每秒能完成的转换次数，称为转换速率。完成的转换次数，称为转换速率。 3) 转换精度：转换精度：有绝对精度和相对精度两种表示方法。其中绝对有绝对精度和相对精度两种表示方法。其中绝对精度是指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值精度是指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值；相对精度是指在满量程已校准的情况下，整个转之间的差值；相对精度是指在满量程已校准的情况下，整个

19、转换范围内任一数字量输出所对应的模拟量输入电压的实际值与换范围内任一数字量输出所对应的模拟量输入电压的实际值与理想值之间的最大差值。转换精度常用理想值之间的最大差值。转换精度常用LSB的分数值来表示，的分数值来表示，如如1/2LSB、1/4LSB等。等。 4) 线性度：线性度：理想理想A/D转换器的输入输出特性应是线性的，满量转换器的输入输出特性应是线性的，满量程范围内转换的实际特性与理想特性的最大偏移称为非线性度，程范围内转换的实际特性与理想特性的最大偏移称为非线性度，用用LSB的分数值来表示，如的分数值来表示，如1/2LSB、1/4LSB等。等。 5) 转换量程：转换量程：所能转换的模拟量

20、输入电压范围，如所能转换的模拟量输入电压范围，如05V，010V，55V等等 。6) 转换输出：转换输出：通常数字输出电平与通常数字输出电平与TTL电平兼容，并且为三电平兼容，并且为三态逻辑输出态逻辑输出 7) 对基准电源的要求：对基准电源的要求：基准电源的精度将对整个系统的精度产基准电源的精度将对整个系统的精度产生影响，故选片时应考虑是否要外加精密参考电源等生影响，故选片时应考虑是否要外加精密参考电源等 模数转换的原理误差模数转换的原理误差 取样量化导致信息丢失。这主要来自两个方面的原因，取样量化导致信息丢失。这主要来自两个方面的原因，其一：取样其一：取样使得我们用时间轴上的有限时间点来代使

21、得我们用时间轴上的有限时间点来代替原模拟信号的无限连续时间点；其二：量化替原模拟信号的无限连续时间点；其二：量化使得使得我们用幅度轴上有限位数（模数转换器的有限位数）来我们用幅度轴上有限位数（模数转换器的有限位数）来代替模拟信号的无限位数。代替模拟信号的无限位数。 这样两个因素导致我们无法获得真实模拟信号中的这样两个因素导致我们无法获得真实模拟信号中的信息，或者说：破坏了模拟信号的完整性。同时要指出信息，或者说：破坏了模拟信号的完整性。同时要指出的是：这是一个原理性的误差源，若要想消除这个误差，的是：这是一个原理性的误差源，若要想消除这个误差，只有提高采样速率，增加模数转换器的准确度（提高转只

22、有提高采样速率，增加模数转换器的准确度（提高转换器的位数），当这两个参数达到极限时，我们就可以换器的位数），当这两个参数达到极限时，我们就可以复现出模拟信号。然而，十分不幸的是：这两个参数在复现出模拟信号。然而，十分不幸的是：这两个参数在现实世界总是处在相互矛盾之中。就我们目前的技术而现实世界总是处在相互矛盾之中。就我们目前的技术而言，还无法和谐、统一的处理它们。言，还无法和谐、统一的处理它们。 在NI可提供的产品中： NI PXI-5154是目前采样速率最高的模数转换器，但分辨率只有8bits。NI PXI-4071是目前测量分辨率最高的模块，26bits分辨率时，每秒7次读数。NI PXI

23、-5922则是高速度、高分辨率二者兼顾最好的模数转换器，24bits分辩率时500KHz采样速率；16bits分辨率时15MHz采样率。模数转换器的位数越多越好吗？模数转换器的位数越多越好吗？ 为了消除模数转换器的原理误差，应该尽可能的提高采样为了消除模数转换器的原理误差，应该尽可能的提高采样速率和分辨率，这个概念是对的，但是模数转换器的分辨速率和分辨率，这个概念是对的，但是模数转换器的分辨率越高就意味着测量准确度越高吗？率越高就意味着测量准确度越高吗？ 有人说：有人说：NI PXI-4461（NI USB-9233）都具备）都具备24bits的分辨率，所以测量精度就很高。这对吗？绝对不对！这

24、的分辨率，所以测量精度就很高。这对吗？绝对不对！这是一个极其错误的概念，它将精密度与准确度（精度）混是一个极其错误的概念，它将精密度与准确度（精度）混为一谈了，精密度高不等于精度高（正是由于避免混用的为一谈了，精密度高不等于精度高（正是由于避免混用的原因，精度这个词已经不建议使用了）。原因，精度这个词已经不建议使用了）。 可以说模数转换器的分辨率高，测量的精密度好，动可以说模数转换器的分辨率高，测量的精密度好，动态范围大。态范围大。 以以NI USB-9233为例为例 从它的产品介绍来看：它的准确度在从它的产品介绍来看：它的准确度在060度的环境温度范度的环境温度范围内是：围内是：0.1dB。

25、这个数值是比较差的，即便是与它的动态。这个数值是比较差的，即便是与它的动态范围相比，其准确度也就在：正、负范围相比，其准确度也就在：正、负0 .1。实际上，。实际上，14bits以上的模数转换器都可以达到这样的技术性能以上的模数转换器都可以达到这样的技术性能 .但是要注意，但是要注意，它的稳定性很好，对比数据可以发现，它的稳定性指标要比它的稳定性很好，对比数据可以发现，它的稳定性指标要比准确度指标好准确度指标好100倍，所以适合做精密测试。倍，所以适合做精密测试。 那干什么还要用干什么还要用24bits的模数转换器呢？的模数转换器呢？ 其实这来自于测量不同信号的需求，我们知道：声音其实这来自于

26、测量不同信号的需求，我们知道：声音和振动冲击信号的（瞬时值）变化范围比较大，比如：声和振动冲击信号的（瞬时值）变化范围比较大，比如：声音的最大变化范围可以是：音的最大变化范围可以是：0140dB（通常最大为（通常最大为120dB）。为了测量这些信号需要再同一个量程下实现完）。为了测量这些信号需要再同一个量程下实现完整的测量，这就需要这种动态范围较大的模数转换器，而整的测量，这就需要这种动态范围较大的模数转换器，而相对转换准确度的要求并不是很高，比如：工业声级计的相对转换准确度的要求并不是很高，比如：工业声级计的测量准确度为：测量准确度为：1dB。 所以这类模数转换器也被称为：所以这类模数转换器

27、也被称为：DSA（动（动态信号采集卡）。态信号采集卡）。 NI USB-9233等就是专为这些用途设计等就是专为这些用途设计的，当然也包含了信号调理部分（的，当然也包含了信号调理部分（IEPE激激励源）。励源）。 顺便提一下顺便提一下NI USB-9233的替代产品的替代产品NI USB-9234，它的技术性能要好很多，并且，它的技术性能要好很多，并且可以使用在可以使用在AC或或DC耦合方式下。但价格耦合方式下。但价格也要多也要多2000元。元。上图中左边是上图中左边是NI USB-9233的准确度指标，右边是的准确度指标，右边是 NI USB-9234准确度的技术指标，可以看出后者的技术性能

28、准确度的技术指标，可以看出后者的技术性能要好的多。要好的多。 NI还有许多还有许多24bits分辨率的数据采集卡，比如：分辨率的数据采集卡，比如：NI 9217（温度）、（温度）、NI 9219（多功能）、（多功能）、NI 9229（通用）（通用） 、NI9239（通用）、（通用）、NI 9237（应变测量）等等以适应不同（应变测量）等等以适应不同的测量用途。的测量用途。 NI PXI-5922 这是一块货真价实的模数转换器，其这是一块货真价实的模数转换器，其技术性能堪称一流，也难怪它一出现就被评为：技术性能堪称一流，也难怪它一出现就被评为：2006年年最佳测试仪器。最佳测试仪器。 精密度（精

29、密度（precision)与与 精确度精确度(accuracy准确度准确度)精确度精确度(accuracy)测量值与真值或期望值真值或期望值之间彼此一致的程度一般产品给出的精度值是指误差的最大值精密度（精密度（precision)q 对被测量的同一值进行多对被测量的同一值进行多次重复测量所得到结果的次重复测量所得到结果的变动程度变动程度 测量结果的重复程度 不考虑真值究竟是多少 主要取决于重复性与稳定性例：钟表的精密度与精确度例：钟表的精密度与精确度测量点位于时区的中心，太阳直射时，指向12:00，精确测量点位于时区的边缘，太阳直射时，指向11:30，不精确太阳直射时，该钟表在数月内都指向7:

30、00，精密不考虑时区，仅考虑该钟表是否能给出重复的测量结果精密度（精密度（precision)与与 精确度精确度(accuracy)如何选择ADC (1)如何确定ADC的位数 ADC位数的确定与整个测控系统所要测量控制的范围和精度有关，但又不能唯一确定系统的精度。 ADC的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。实际选取的ADC的位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，选的太高不仅没有意义，而且价格高的多。 对ADC 位数的另一点考虑是后续的数字电路系统硬件配置情况，尤其是微处理器的参数。如：8位CPU，选8位以下ADC简单。高了需加缓冲器，数据分次读出。 （2）如何确定A

31、DC的转换速率 主要考虑的是信号的最高频率，需要满足采样定理。 （3）是否加采样保持器 原则上直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。 （4）工作电压和基准电压的选择 工作电压的选择主要应考虑输入信号的电压幅值已经与数字电路的兼容性。 基准电压是参考电压，要求高时采用高精度稳压电源供给。 1、某炉温度变化范围为01000，要求分辨率为5，温度变送器输出范围为05V。 （1）若AD转换器的输入范围也为05V，则求AD转换器的字长n应为多少位? （2）若n不变，现在通过变送器零点迁移而将信号零点迁移到300，此时系统对炉温变化的分辨率为多少? 1、解: （1） 所以取n=8； （2）若字长n不变

32、，变送器零点迁移而将信号零点迁移到300，则系统的分辨率为：10003007002 7521255.Cn 22100012017 65log ()log ().n 2、某控制系统，其温度变化范围为：-10+60，经温度变送器变换为15电压信号，送至12位A/D 转换器AD574（AD574的电路输入范围为5）。请计算： （1）当AD574的转换结果为500H时，对应的系统温度是多少？ （2）当系统的温度是50时，AD574的A/D转换结果是多少？ 2、解： （1） （2）5005 2561280H 1212801 56521.VVV 1 56 11017 35 16010. C -0.2 CT

33、T （）（）； 150102 435 16010().V 4.43()VV 122 431965 67521.NN.C6(H) E2C(H) ； 3. A/D转换器选择要点转换器选择要点1) 如何确定如何确定A/D转换器的位数转换器的位数 2) 如何确定如何确定A/D转换器的转换速率转换器的转换速率3) 如何决定是否要加采样保持器如何决定是否要加采样保持器4) 工作电压和基准电压工作电压和基准电压4. A/D转换器芯片及其接口转换器芯片及其接口 接口电路的构成取决于接口电路的构成取决于A/D转换器本身的性能特点，又取决于转换器本身的性能特点，又取决于采用何种方式读取采用何种方式读取A/D转换结

34、果。转换结果。CPU读取读取A/D转换数据的方法转换数据的方法有三种：查询法，定时法和中断法。有三种：查询法，定时法和中断法。A/D转换器的品种很多，下转换器的品种很多，下面仅从使用角度介绍两种常用的面仅从使用角度介绍两种常用的8位位A/D转换器芯片转换器芯片ADC0809和和12位位A/D转换器芯片转换器芯片AD574A，要掌握该芯片的外特性和引脚功，要掌握该芯片的外特性和引脚功能，以便正确使用。能，以便正确使用。 1) ADC0809芯片及其接口电路芯片及其接口电路 (1) 芯片介绍：芯片介绍：(2) 与与MCS-51接口接口 (3) 与与8255A接口接口2) AD574A芯片及其接口电

35、路芯片及其接口电路 (1)芯片介绍：芯片介绍： 12位位A/D转换器芯片转换器芯片AD574A采用逐位逼近式原理，分辨率为采用逐位逼近式原理，分辨率为12位，转换时间为位，转换时间为25 s(0809:100 s), 误差误差1/2LSB(0809：1LSB)，单极性或双极性输入，量程，单极性或双极性输入，量程10V或或20V，内部集成有转，内部集成有转换时钟、参考电压源和三态输出锁存器。换时钟、参考电压源和三态输出锁存器。(2) 接口电路接口电路 下图是一种下图是一种8路路12位位A/D转换模板的示例。图中只给出了总线接转换模板的示例。图中只给出了总线接口与口与I/O功能实现部分，由功能实现

36、部分，由8路模拟开关路模拟开关CD4051、采样保持器、采样保持器LF398、12 位位A/D 转换器转换器AD574A和并行接口芯片和并行接口芯片8255A等组等组成。成。5. A/D转换器应用设计的几点实用技术转换器应用设计的几点实用技术1) A/D转换器与转换器与MCS-51单片机接口逻辑设计单片机接口逻辑设计 MCS-51单片机配置单片机配置A/D转换器的硬件逻辑设计，就是要转换器的硬件逻辑设计，就是要处理好数据输出、启动转换、控制转换、转换结束等控制引处理好数据输出、启动转换、控制转换、转换结束等控制引脚与脚与MCS-51主机的硬件连接。主机的硬件连接。 2) 影响影响A/D转换技术

37、指标的主要因素转换技术指标的主要因素（1）工作电源电压不稳定；）工作电源电压不稳定；（2）外接时钟频率不适合；）外接时钟频率不适合；（3）环境温度不适合；）环境温度不适合；（4）与其它器件的电特性不匹配，如负载过重；）与其它器件的电特性不匹配，如负载过重；（5）外界有强干扰；）外界有强干扰；（6）印刷电路板布线不合理。）印刷电路板布线不合理。3.3 模拟量输出通道模拟量输出通道 模拟量输出通道的任务模拟量输出通道的任务把计算机处理后的数字量信号转换把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。

38、制的目的。 模拟量输出通道模拟量输出通道(称为称为D/A通道或通道或AO通道通道)构成构成一般是由接一般是由接口电路、数口电路、数/模转换器模转换器(简称简称D/A或或DAC)和电压和电压/电流变换器等。电流变换器等。 对该通道的要求，除了可靠性高、满足一定的精度要求外，对该通道的要求，除了可靠性高、满足一定的精度要求外，输出还必须具有保持的功能，以保证被控制对象可靠地工作。输出还必须具有保持的功能，以保证被控制对象可靠地工作。D/A转换电路集成在一块芯片上一般用户没有必要了解其内部电转换电路集成在一块芯片上一般用户没有必要了解其内部电路的细节，只要掌握芯片的外特性和使用方法就够了。不过，路的

39、细节，只要掌握芯片的外特性和使用方法就够了。不过，若不具备一定的基础知识就应用，也会导致意外的故障。本节若不具备一定的基础知识就应用，也会导致意外的故障。本节主要讨论主要讨论D/A转换器及其接口，以及模拟量输出通道的结构和设转换器及其接口，以及模拟量输出通道的结构和设计。计。3.3.1 多路模拟量输出通道的结构形式多路模拟量输出通道的结构形式 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之前，使本方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号保持不变。保持器一般

40、有数字保持方案和模拟保持方次控制信号保持不变。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。1. 每个输出通道设置一个每个输出通道设置一个D/A转换器的结构形式转换器的结构形式 2. 多个输出通道共用一个多个输出通道共用一个D/A转换器的结构形式转换器的结构形式 3.3.2 D/A转换器转换器1. D/A转换器工作原理转换器工作原理 D/A转换器主要由以下几个部分组成：基准电压（电流），转换器主要由以下几个部分组成：基准电压（电流），模拟二进制数的位切换开关，产生二进制权电流（电压）的精模拟二进制数的

41、位切换开关，产生二进制权电流（电压）的精密电阻网络，提供电流（电压）相加输出的运算放大器密电阻网络，提供电流（电压）相加输出的运算放大器(010mA,420mA 或者或者 TTL, CMOS,) 。转换原理可以归纳为。转换原理可以归纳为“按权展开，然后相加按权展开，然后相加”。因此，。因此，D/A转换器内部必须要有一转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。解码网络通常转换。解码网络通常有两种：有两种：二进制加权电阻网络二进制加权电阻网络和和T型电阻网络型电阻网络。 1）二进制加权电阻网络）二进制加权电阻网络基准电压为基准电压为E，S1S4

42、为晶体管位切换开关，为晶体管位切换开关，它受二进制各位状态控它受二进制各位状态控制。制。2nR为权电阻网络，为权电阻网络，其阻值与各位权相对应，其阻值与各位权相对应，权越大，电阻越大权越大，电阻越大(电流电流越小越小)，以保证一定权的，以保证一定权的数字信号产生相应的模数字信号产生相应的模拟电流。运算放大器的拟电流。运算放大器的虚地按二进制权的大小虚地按二进制权的大小和各位开关的状态对电和各位开关的状态对电流求和，然后转换成相流求和，然后转换成相应的输出电压应的输出电压U。设输入数字量为设输入数字量为D，采用定点二进制小数编码，采用定点二进制小数编码，D可表示为：可表示为：122222121n

43、niDaaaanii L L当当 时，开关接基准电压时，开关接基准电压E，相应支路产生的电流，相应支路产生的电流为为 ；当；当 时，开关接地，相应支路中没有电流。时，开关接地，相应支路中没有电流。因此，各支路电流可以表示为：因此，各支路电流可以表示为： ；这里；这里 1ai2EiIIiRi 0ai 2iiiII a 2IE R 运算放大器输出的模拟电压为：运算放大器输出的模拟电压为：11121222222()LnniififfiinfnUIRI aRI RDERaaaR 可见，可见，D/A转换器的输出电压转换器的输出电压 U 正比于输入数字量正比于输入数字量 D，从而，从而实现了数字到模拟的转

44、换。缺点是位数越多，阻值差异越大。实现了数字到模拟的转换。缺点是位数越多，阻值差异越大。2）T型电阻网络型电阻网络 从节点从节点a, b, c, d向右向上看，其等效电阻均为向右向上看，其等效电阻均为2R。位切换开。位切换开关受相应的二进制码控制，相应码位为关受相应的二进制码控制，相应码位为“1”，开关接运算放大，开关接运算放大器虚地，相应码位为器虚地，相应码位为“0”，开关接地。流经各切换开关的支路，开关接地。流经各切换开关的支路电流分别为电流分别为IREF/2、IREF/4、IREF/8、 IREF/16，各支路电流，各支路电流在运算放大器的虚地相加，运算放大器的满度输出为：在运算放大器的

45、虚地相加，运算放大器的满度输出为：1111152481616()FSREFREFUIRIR 这里满度输出电压这里满度输出电压(流流)比基准电压比基准电压(流流)少了少了1/16，是因端电阻，是因端电阻常接地造成的，没有端电阻会引起译码错误。对常接地造成的，没有端电阻会引起译码错误。对 n 位位D/A转换转换器而言，其输出电压为：器而言，其输出电压为： 1212222()LnREFnUIRaaa 2. D/A转换器性能指标转换器性能指标1）分辨率）分辨率 分辨率是指分辨率是指 D/A 转换器能分辨的最小输出模拟增量，即转换器能分辨的最小输出模拟增量，即当输入数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量

46、的变化量，当输入数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量，它取决于能转换的二进制位数，数字量位数越多，分辨率也就它取决于能转换的二进制位数，数字量位数越多，分辨率也就越高越高 。其分辨率与二进制位数。其分辨率与二进制位数n呈下列关系：呈下列关系： 分辨率分辨率 = 满刻度值满刻度值/（2n1）=VREF / 2n2）转换精度）转换精度 转换精度是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。转换精度是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分辨率是两个不同的概念：精度是指转换后所得结果相它和分辨率是两个不同的概念：精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，而分辨率指的是能对转换结果发生影

47、对于实际值的准确度，而分辨率指的是能对转换结果发生影响的最小输入量。响的最小输入量。 3）稳定时间）稳定时间 稳定时间是描述稳定时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指输入二转换速度快慢的一个参数，指输入二进制数变化量是满刻度时，输出达到离终值时所需的时间。进制数变化量是满刻度时，输出达到离终值时所需的时间。显然，稳定时间越大，转换速度越低。对于输出是电流的显然，稳定时间越大，转换速度越低。对于输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微秒，而输出是转换器来说，稳定时间是很快的，约几微秒，而输出是电压的电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响转换器，其稳定时间主要取决

48、于运算放大器的响应时间。应时间。 4）线性误差）线性误差 理想转换特性理想转换特性(量化特性量化特性)应该是线性的，但实际转换特征应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大并非如此。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。线性误差常用误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如的分数表示，如(1/2)LSB或或1LSB。与。与A/D转换器的线性误差定义相同。转换器的线性误差定义相同。 3. D/A与与A/D转换器的调零和增益校准转换器的调零和增益校准1）D/A转换器的调整转换器的调整调零：调零：设置一定的代码设置一定的代码(全

49、零全零)，使开关均关闭，然后调节调零，使开关均关闭，然后调节调零电路，直至输出信号为零或落入适当的读数（电路，直至输出信号为零或落入适当的读数（ 1/10LSB范围范围内内 ）为止；）为止；增益校准：增益校准：设置一定的代码设置一定的代码(全全1) ，使开关均导通，使开关均导通，然后调节增益校准电路，直至输出信号读数与满度值减去一个然后调节增益校准电路，直至输出信号读数与满度值减去一个LSB 之差小于之差小于1/10LSB为止。为止。2）A/D转换器的调整转换器的调整调零：调零：将输入电压精确地置于使将输入电压精确地置于使“开关均关闭开关均关闭”的输入状态的输入状态对应的输入值高于对应的输入值

50、高于1/2LSB的电平上，然后调节调零电路，使的电平上，然后调节调零电路，使转换器恰好切换到最低位导通的状态；转换器恰好切换到最低位导通的状态；增益校准：增益校准：将输入电将输入电压精确地置于使压精确地置于使“开关均导通开关均导通”的输出状态对应的输入值低的输出状态对应的输入值低3/2LSB的电平上的电平上 ，然后调节增益校准电路，使输出位于最后，然后调节增益校准电路，使输出位于最后一位恰好变成导通之处。一位恰好变成导通之处。4. D/A转换器芯片及其接口转换器芯片及其接口下面从使用角度介绍两种常用的下面从使用角度介绍两种常用的8位位D/A转换器芯片转换器芯片DAC0832和和12位位D/A转

51、换器转换器DAC1210，要掌握芯片的外特性和引脚功能，以，要掌握芯片的外特性和引脚功能，以便正确使用。便正确使用。1）DAC0832 芯片介绍芯片介绍（2）DAC0832接口接口.与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 B与与MCS-51的接口的接口 a. 直通方式：直通方式：指指DAC0832内部的两个寄存器都处于不锁存内部的两个寄存器都处于不锁存状态，数据一旦到达输入端就直接被送到状态，数据一旦到达输入端就直接被送到D/A转换器转换成模转换器转换成模拟量，所有控制信号都接成有效形式。拟量，所有控制信号都接成有效形式。 b. 单缓冲方式：单缓冲方式：指指DAC0832的两个寄存器中有

52、一个处于直的两个寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式；或者两级寄存器同时通方式，而另一个处于受控的锁存方式；或者两级寄存器同时锁存。如图锁存。如图3-25所示，它的选通地址为所示，它的选通地址为7FFFH。MOV DPTR，#7FFFH MOV A，#data MOVX DPTR，A SJMP c. 双缓冲方式：双缓冲方式：把把DAC0832的两个寄存器都接成分时受控锁存的两个寄存器都接成分时受控锁存方式。如图方式。如图3-26所示，输入寄存器的地址为所示，输入寄存器的地址为FEH，DAC寄存器寄存器的地址为的地址为FFH。 MOV R0，#0FEH MOVX R0， A I

53、NC R0 MOVX R0， A SJMP 2）DAC1210（1）芯片介绍）芯片介绍（2）DAC1210接口接口.与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口B与与MCS-51的接口的接口如图如图3-29所示，所示，DAC1210采用的是单极性的输出方式，采用的是单极性的输出方式，8位输位输入寄存器的地址为入寄存器的地址为FFH，4位输入寄存器的地址为位输入寄存器的地址为FEH。设内部。设内部RAM的的20H和和21H单元内存放一个单元内存放一个12位数字量（位数字量（20H单元中为单元中为低低4位，位，21H单元中为高单元中为高8位）。位）。3.3.3 DAC输出方式输出方式1. 电压输出

54、方式电压输出方式 由于系统要求不同，电压输出方式又可分为由于系统要求不同，电压输出方式又可分为单极性输出单极性输出和和双极性输出双极性输出两种形式。两种形式。 双极性输出的一般原理如图双极性输出的一般原理如图3-30所示。在单极性输出之后，所示。在单极性输出之后，再加一级运算放大器反相输出。再加一级运算放大器反相输出。 VOUT1为单极性输出，若为单极性输出，若D为输入数字量，为输入数字量，VREF为基准参考为基准参考电压，且为电压，且为n位位D/A转换器，则有转换器，则有VOUT1=VREFD/2n。 A1 和和 A2 为运算放大器，为运算放大器，A点为虚地，故可得：点为虚地，故可得： VO

55、UT为双极性输出，可推导得到为双极性输出，可推导得到: 1230III 11122122()()()REFoutoutREFoutREFnVVDVRVVVRR 2. 电流输出方式电流输出方式工业现场的智能仪表和执行器常常要以电流方式传输，这是因工业现场的智能仪表和执行器常常要以电流方式传输，这是因为在长距离传输信号时容易引入干扰，而电流传输具有较强的为在长距离传输信号时容易引入干扰，而电流传输具有较强的抗干扰能力。因此，许多场合必须经过电压抗干扰能力。因此，许多场合必须经过电压/电流（电流（V/I）转换）转换电路，将电压信号转换成电流信号。电流输出方式一般有两种电路，将电压信号转换成电流信号。

56、电流输出方式一般有两种形式：形式：普通运放普通运放V/I变换电路变换电路和和集成转换器集成转换器V/I变换电路变换电路。1) 普通运放普通运放V/I变换电路变换电路 经典经典V/I变换电路图如图变换电路图如图3-31所示。这是一种利用电压比较器方所示。这是一种利用电压比较器方法来实现对输入电压的跟踪，从而保证输出电流为所需值。利用法来实现对输入电压的跟踪，从而保证输出电流为所需值。利用A1作比较器，将输入电压与反馈电压进行比较，通过比较器输出作比较器，将输入电压与反馈电压进行比较，通过比较器输出电压控制电压控制A2的输出电压，从而改变晶体管的输出电压，从而改变晶体管T1的输出电流的输出电流IL

57、，IL的的大小又影响参考电压大小又影响参考电压Vf，这种负反馈的结果是使得，这种负反馈的结果是使得Vi=Vf，而此，而此时流过负载的电流为：时流过负载的电流为：77fiLWWVVIRRRR 2) 集成转换器集成转换器V/I变换电路变换电路3）自动）自动/手动输出方式手动输出方式 自动自动/手动输出方式如图手动输出方式如图3-33所示，是在普通运放所示，是在普通运放V/I变换电变换电路的基础上，增加了自、手动切换开关路的基础上，增加了自、手动切换开关K1、K2、K3和手动增和手动增减电路与输出跟踪电路。减电路与输出跟踪电路。 目的：目的：在计算机出现故障时，可以手动操作。在计算机出现故障时，可以

58、手动操作。 电路的两个功能：电路的两个功能：实现实现V/I变换、能够实现变换、能够实现A/H切换切换3.3.4 D/A转换通道的设计转换通道的设计1. D/A转换器位数的选择转换器位数的选择2. D/A转换模板的通用性转换模板的通用性 符合总线标准符合总线标准 接口地址可选接口地址可选 输出方式可选输出方式可选 3. D/A 转换模板的设计原则转换模板的设计原则 (1)、安全可靠：尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔、安全可靠：尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术。离技术。 (2)、性能、性能/价格比高：既要在性能上达到预定的技术指标，价格比高：既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术

59、路线、芯片元件上降低成本。又要在技术路线、芯片元件上降低成本。 (3)、通用性：、通用性：D/A转换模板应符合总线标准，其接口地转换模板应符合总线标准，其接口地址及输出方式应具备可选性。址及输出方式应具备可选性。4. D/A 转换模板的设计实例转换模板的设计实例 D/A转换模板的设计步骤是，确定性能指标，设计电路原理图，转换模板的设计步骤是，确定性能指标，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。设计和制造印制线路板，最后焊接和调试电路板。3.4 数字量输入通道数字量输入通道1. 数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构2. 输入调理电路输入调理电路 为了将外部开关量信号输入

60、到计算机，必须将现场输入的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转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。小功率输入调理电路小功率输入调理电路(a)图原理：图原理：闭合闭合K时，电容时，电容C放电，反相器反相为放电，反相器反相为1；断开；断开K时，电容时，电容C充电，反相器反相为充电，反相器反相为0。(b)图原理：图原理：当当K在上时，输出上为在上时，输出上为1，下为，下为0。当。当K按下时，按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不