微型计算机控制技术

1、1）考试方式考试形式采用笔试，题型有：填空、选择、计算题2）成绩评定标准成绩的组成有：笔试80%+作业10%+考勤10%。 将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，下图所示。因此，计算机控制系统，简单地说，就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。第一节第一节 概述概述 第三节第三节 I/O接口设计接口设计第二节第二节 I/O控制方式控制方式第四节第四节 I/O通通第五节第五节 D/A转换器转换器第六节第六节 A/D转换器转换器第七节第七节 I/O通道的抗干扰措施通道的抗干扰措施第二章第二章 输入输出接口技术和输入输出通道输入输出接口技术和输入输出通

2、道第一节第一节 概概 述述计算机控制系统硬件除主机外还包括两类外围设备：一、常规外围设备；二、被控设备。设备与CPU的总线相连。总线按使用位置可为分内部总线和外部总线。 内部总线是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它按功能又可分为数据总线、地址总线、控制总线和电源总线四部分，每种型号的计算机都有自身的内部总线。 数据总线用于CPU与其他部件之间传送信息（数据和指令代码）。具有三态（高阻、“1”和“0”三种状态）控制功能，而且是双向传输的，即CPU通过数据总线可以接收来自其它部件的信息，也可以通过数据总线向其它部件发送信息。 地址总线用来传送CPU要访问的存储单元或I/O接口地址信号。地址信

3、号一般由CPU发往其它芯片，属于单向总线，但也具有三态控制功能。 地址总线的数据位数决定了该总线构成的微机系统的寻址能力。 控制总线用于传输控制命令和状态信息。根据不同的使用条件，控制总线有的为单向，有的为双向；有的为三态，有的为非三态。 控制总线用于传送控制信息、时序信息和状态信息。 1）速度不匹配。外围设备的工作速度一般要比CPU慢许多，而且由于种类不同，它们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快很多。2）时序不匹配。各个外围设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一。3）信息格式不匹配。不同的外围设备存储和处理信息的格式不同，例如可以分为

4、串行和并行两种；也可以分为二进制格式、ASCII编码和BCD编码等。4）信息类型不匹配。不同外围设备采用的信号类型不同，有些是数字信号，有些是模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。 外围设备一般不和CPU直接相连，而是必须通过I/O接口和通道进行信息交换。一、接口、通道及其功能（一）I/O接口电路 I/O接口电路也简称接口电路。它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。1.解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题3.解决CUP的负载能力和外围设备端口选址问题2.解决CUP和外围设备之间的数据格式装换和匹配问题 锁存器，就是输出端

5、的状态不会随输入端的状态变化而变化，仅在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号到来时才改变。典型的锁存器逻辑电路是 D 触发器电路。 在数据传输中，用来弥补不同数据处理速率速度差距的存储装置叫做缓冲器。 I/O接口电路为完成功能，通常都设有数据锁存器、缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路等。 I/O通道也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。 为使计算机和被控制对象之间能够连同起来，除了需要I/O接口电路外，还需要I/O通道，由它将从被控制对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量的形式，送入计算机。 I/O接口和I/O通道都是为实现主机和外围设备之间信息

6、交换而设的器件，其功能都是保证主机和外围设备之间能方便、可靠、高效率的交换信息。因此，接口和通道紧密相连，在电路上往往结合在一起。（二）I/O通道（二）状态信息 状态信息是外围设备通过接口向CPU提供的反映外围设备所处的工作状态的信息。它作为两者交换信息的联络信号。（三）控制信息 控制信息是CPU通过接口传送给外围设备的。（一）数据信息 分为数字量、模拟量、开关量和脉冲量。1.数字量2.模拟量3.开关量4.脉冲量二、I/O信号的种类 在微机控制系统或微机系统中，主机和外围设备交换的信息通常分为数据信息、状态信息和控制信息三类。三、计算机和外部的通信方式 计算机和外部交换信息又称为通信。按数据传

7、送方式分为并行通信和串行通信两种基本方式。（一）并行通信 并行通信就是把传送数据的n位数用n条传输线同时传送。 其优点是传送 速度快、信息率高。 其缺点是传输线多，成本高。1.全双工方式 CUP通过串行接口和外围设备相接。串行接口和外围设备间除公共地线外，有二根数据传输线，串行接口可以同时输入和输出数据，计算机可同时发送和接收数据，这种串行传送方式就成为全双工方式，信息传输效率较高。2.半双工方式 CUP也通过串行接口和外围设备相接。但是串行接口和外围设备间除公共地线外，只有一根数据传输线，某一时刻数据只能一个方向传送，这称半双工方式，信息传输效率低些。串行通信是数据按位进行传送的。（二）串行

8、通信3.同步通信采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，通常称为信息帧。4.异步通信标准的异步通信格式如图起始位与停止位 由于异步串行传输中并没有使用同步脉冲作基准，故接收端完全不知道传送端何时将进行数据的传送。发送端准备要开始传送数据时，发送端会在所送出的字符前后分别加上高电位的起始位（逻辑0）及低电位的停止位（逻辑1），它们分别是起始位和停止位，也就是说，当传送端要开始传送数据时，便将传输线上的电位由低电位提升至高电位，而当传送结束后，再将电位降至低电位。 接收端会因起始位的触发（因电压由低电位升至高电位）而开始接收数据；并因停止位的通知（因电压维持在低电位）而明确数据的字符信号已经结束

9、；当加入了起始位及停止位也才比较容易达到多字符的接收能力。起始位固定为1位，而停止位则有1、1. 5、2位等多种选择，如何选择呢？只要通信双方协议通过即可，没有强制规定。校验位 为了预防错误的产生，使用校验位作为检查的机制。校验位即是用来检查所传送数据的正确性的一种核对码，这之中又分成奇校验与偶校验两种，分别是检查字符码中1的数目是奇数或偶数。 以偶校验为例，“A”的ASCII码是41H（16进制），将它以2进制表示时，是01000001其中1的数目是2，因此校验位便是0，使1的数目保持偶数；同样的，校验位是奇校验时，“A”的校验位便是1，使1的数目为3而保持在奇数。 接收者重新计算奇偶校验位

10、，如果新的计算值正确，那么表示正常。如果新的计算值错误，那么接收端就会收到一些指示，表示此次接收的数据有误。 第二节 I/O控制方式一、程序控制方式三、直接存储器存取方式二、中断控制方式一、程序控制方式 程序控制I/O方式。是指CPU和外围设备之间的信息传送，是在程序控制下进行的。（一）无条件I/O方式 无条件I/O方式是指不必查询外围设备的状态即可进行信息传送的I/O方式。即在此种方式下，外围设备总是处于就绪状态。（二）查询式I/O方式 查询式I/O方式，也称为条件传送方式。按查询式传送，CUP和外围设备的I/O接口除需设置数据端口外，还要有状态端口。（四）查询式I/O方式的优缺点及使用条件

11、 从理论上看，查询式比无条件传送方式可靠，接口电路简单，不占用中断输入线，同时查询程序也简单，易于设计调试。特别适用于多个按一定规律顺序工作的生产机械或生产过程的控制。 在查询式 I/O方式下，CPU必须不断的读取状态字和检测状态字。需要大量的重复查询，效率底下。例题1一台微处理机采用程序控制查询方式，管理30台终端。已知从终端读入一个字符并送出显示等处理时间为50，计算机平均用100ms的时间完成一个字符的输入过程，那么用于检测状态和等待的时间为？最多可以管理多少台终端？s100000-5030=98500100000/50=2000台s I/O方式的选择必须符合实时控制的要求。对于查询式I

12、/O方式，满足实时控制要求的使用条件是：“所有外围设备的服务时间的总和必须小于或等于任一外围设备的最短响应时间（危险时间）”。 将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，下图所示。因此，计算机控制系统，简单地说，就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。 1）速度不匹配。外围设备的工作速度一般要比CPU慢许多，而且由于种类不同，它们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快很多。2）时序不匹配。各个外围设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一。3）信息格式不匹配。不同的外围设备存储和处理信息的格式不同，例

13、如可以分为串行和并行两种；也可以分为二进制格式、ASCII编码和BCD编码等。4）信息类型不匹配。不同外围设备采用的信号类型不同，有些是数字信号，有些是模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。 外围设备一般不和CPU直接相连，而是必须通过I/O接口和通道进行信息交换。 作业 P85习题2习题2s输入字符的平均时间为 1/10=0.1s=10000020050=10000 C3 不成立采用中断控制，软件查询式，则按最短响应时间由小到大排序，3、1、2。其中S2最大，令S2=Smax=1.3则必须满足： 设备3：C3 Smax+S3=1.7不成立提高设备3的最短响应时间C3或者减少设备的服务时间可以

14、采用中断嵌套的方法。ss二、I/O接口与系统的连接 I/O接口是CPU和外围设备之间的连接界面。典型的IO接口和外部的连接74LS138 为3 线8 线译码器，其工作原理如下：当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。例一例二(二)负载能力的扩展 扩展的I/O接口和存储器的数据线都同时接在CUP的数据总线上，地址都挂到地址总线上，控制线都挂到控制总线上。 系统总线的负载能力较强，但其负载能力还是有限的，不能无限制的增加，特别是当设计者自己设计微机控制系统时，更有必要考虑CPU各总线的负载

15、能力。 微机系统中，通常采用TTL器件和MOS器件。其中，TTL又分标准TTL器件74，和低功耗肖特基TTL器件74LS。四、I/O接口设计的方法、步骤及设计举例（一）I/O接口设计的方法、步骤接口设计的任务包括确定各外围设备的控制方式，接口硬件电路设计和接口控制软件设计，如果一个微机控制系统比较小，I/O接口少，I/O接口设计可能比较简单。如果系统较大，所带常规外围设备和被控设备较多时，I/O接口的设计就可能比较复杂。对于这类系统可按下述步骤进行设计。 首先，了解分析常用外围设备或被控设备与CPU之间信息交换的要求，如要求什么联络信号、I/O数据格式、I/O线数量、最短响应时间和服务时间估算

16、、确定I/O控制方式。 其次，考虑硬件和软件的功能分配，综合考虑速度、成本、特性、设计难易程度等因素，合理印分配硬件和软件完成功能。第三，进行I/O端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配。 第四，I/O接口硬件电路的扩展设计，包括扩展方案选择、地址译码器扩展和负载能力扩展等。 第五，I/O接口控制软件设计。 最后，进行接口硬件和软件联调，如发现问题，再返回前面各步重新调整、修改，直到所设计的接口硬件和软件能满足快速、可靠、方便的实现CPU和备外围设备之间的信息交换要求为止。(二)I/O接口设计举例一(三)I/O接口设计举例二FFF8H=1111 1111 1111 1000 00FFFA

17、H=1111 1111 1111 1010 01FFFCH=1111 1111 1111 1100 10FFFEH=1111 1111 1111 1110 11A0=0A1,A2 接8255A的地址端A3,A4,A5应接A,B,C端，输出信号Y7A15到A6都为1，接入到74LS133五、GAL在接口电路中的应用 通用阵列逻辑器件(Generic Array Logic，缩写GAL)是可编程逻辑器件(ProgrammableLogic Device缩写PLD)之一种，除GAL外，PLD器件还包括PROM、FPLA(现场可编程逻辑阵列)、PAL(可编程阵列逻辑电路)、EPLD(能擦写编程逻辑器件

18、)。（一)GAL的主要性能和优点。 1)采用电擦除工艺、门阵列可重编程，改写GAL方便、快速，使用GAL器件进行逻辑电路设计，使系统设计灵活、方便，按逻辑代数式设计电路和修改电路都方便，可使电路结构做到更加合理、紧凑、可靠性高。 2)采用高性能的E2CMOS工艺，具有高速(1240ns)和低功耗(和CMOS电路相当)性能，可减轻电源负荷，降低温升，提高可靠性。 3)具有加密单元，可防止他人未经许可而抄袭电路设计，从而提高整个系统的保密性。 4)系统体积缩小，可靠性提高。据统计，一个GAL器件在功能上可替代412个中小规模集成器件，从而可使系统体积缩小，简化印刷电路板设计，提高系统可靠性。5)可

19、写入电子标签，便于文档管理和复制电路。 6)大量使用GAL可降低系统制造和维护管理成本。 首先，了解分析常用外围设备或被控设备与CPU之间信息交换的要求，如要求什么联络信号、I/O数据格式、I/O线数量、最短响应时间和服务时间估算、确定I/O控制方式。 其次，考虑硬件和软件的功能分配，综合考虑速度、成本、特性、设计难易程度等因素，合理印分配硬件和软件完成功能。第三，进行I/O端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配。 第四，I/O接口硬件电路的扩展设计，包括扩展方案选择、地址译码器扩展和负载能力扩展等。 第五，I/O接口控制软件设计。 最后，进行接口硬件和软件联调，如发现问题，再返回前面各

20、步重新调整、修改，直到所设计的接口硬件和软件能满足快速、可靠、方便的实现CPU和备外围设备之间的信息交换要求为止。习题68255A FFE0H=1111 1111 1110 0000 00 FFE2H=1111 1111 1110 0010 01 FFE4H=1111 1111 1110 0100 10 FFE6H=1111 1111 1110 0110 11A0=0,A1,A2 接8255A的地址端; A3,A4,A5应接A,B,C端，输出信号Y4. A15到A6都为1，接入到74LS1338253 FFE1H=1111 1111 1110 0001 FFE3H=1111 1111 1110

21、 0011 FFE5H=1111 1111 1110 0101 FFE7H=1111 1111 1110 0111A0=1,A1,A2 接8253的地址端; A3,A4,A5应接A,B,C端，输出信号Y4. A15到A6都为1，接入到74LS133DAC0832 FFF0H=1111 1111 1111 0000+5V8086MN/MX AD0*AD19D0*D78255A74LS373 (三片)A1A2A0A1ALEHLDARDWRRESETRDWRRESETGOCA3A15接译码器D0*D78253A0A1RDWRRESETG1G2BG2ACBAY4Y674LS138A3A4A5BHE74

22、LS133A6A15CSCS111DAC0832CSA0AD0*AD7习题78255AA0A1CSA7A6A5A4A3A2G1G2BG2ACBAA1A0Y4Y5Y6Y780888255AA0A1CS8255AA0A1CS8255AA0A1CS74LS138RDWRRESETRDRDRDRDWRWRWRWRRESETRESETRESETRESET第四节 I/O通道 在计算机控制系统中，I/O通道是连接计算机和工业对象(生产过程或生产机械等)的必不可少的重要部分。I/O通道的主要任务是将由检测器件测取的各种参量变换成计算机所能接收的信息形式送入计算机。 I/O通道起到了CPU和被控对象之间的信息传

23、送和变换的桥梁作用。 I/O通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道四种。一、模拟量输入通道 模拟量输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。依据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。目前普遍采用的是公用运算放大器和AD转换器的结构形式，其组成方框图如图所示模拟量输入通道主要由以下几部分组成：(一)信号处理装置 信号预处理装置一般包括标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。 标度变换器是把经由各种传感器得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号。 采用有源滤波器或无源滤波器，进行信号滤波，消除干

24、扰信号。 转换后的电信号与被测参量呈现非线性，应作适当处理，使之接近线性化。(二)采样单元 采样单元称为多路转换器或多路切换开关，它的作用是把已变换成统一电压信号(040mV)的测量信号按序或随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。 采样单元一般由开关矩阵及其逻辑控制电路组成。逻辑控制电路是在软件或通道控制电路的控制下，保证以一定的速度和所要求的次序一个一个的选择被测模拟信号的输入。开关矩阵是由称为模拟开关的开关构成的。模拟开关是指以某种方式接通或断开模拟信号的元件或电路。 模拟开关分两类，一类为机械式触点或开关，如干簧(或湿簧)继电器、水银继电器等。另一类模拟开关是晶体管开关、场效应管开

25、关和光电耦合开关。 CD4051是单边8通道多路调制器/多路解调器。C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通。改变图中 IN/OUT07及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。逻辑电平转换带禁止端的二进制译码器TGTGTGTGTGTGTGTGVDD167654321425112151413 387VSSVEEABCINH1110960通道IN/OUT公共端OUT/IN（三）采样保持 直接将模拟量送入AD转换器进行转换总需要一定时间，完成量化与编码的操作，完成一次AD转

26、所需要的时间为孔径时间。 在转换过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响转换比较。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。t可能误差V0t1tfV保持保持采样开关导通延迟时间孔径时间造成的误差建立时间ACtINV0VAPt+-ASRINVCV0V采样保持电路有两个工作状态，一是采样状态，二是保持状态。S闭合，进入采样状态。R较小，输入放大器的输出端给电容充电，输出跟随输入变化。S断开，进入保持状态。输出放大器的电阻较大，电流几乎为0，电容保持电压，保持输出端电压不变。(四)数据放大器 采样单元或经采样保持电路后的被测

27、电压信号通常是040mV的弱信号，需经过运算放大器放大，从而提高输出电平，实现阻抗匹配，或经差分放大提高共模抑制比，然后才能送A/D转换器。 采样后的信号是一系列近似平顶的脉冲波，既含有直流成分又含有交流成分。最重要的是平顶部分，平顶下降直接影响测量精度。数据放大器都采用直流放大器。(五)A/D转换器A/D转换器是模拟量输入通道的核心部分。二、采样与量化(一)采样过程 采样过程(简称采样)是用采样开关(或采样单元)将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。 采样开关两次采样的间隔时间T，为采样周期。nnnTttfnTtnTftf)()()()()(*0 T过大会造成信息丢失，T过小会导

28、致过多的数据存储和运算，加重计算机负担。香农采样定理max2s（二）量化过程 量化过程就是用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。imacffq2min三、模拟量输出通道 模拟量输出通道的功能是把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。 模拟量输出通道通常由D/A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路所组成。 输出保持一般有两种方案，一种是数字量保持方案，另一种是模拟量保持方案，从而决定模拟量输出通道也有两种基本结构形式。（一）一个输出通路设置一个D/A转换器的结构形式(二)多个输出通路共用一个D/A转

29、换器的结构形式零阶输出保持器Y(t)Y(t)tt00无保持有保持Gh(S)h1(t)h2(t)h1(t)t0h2(t)t0四、模拟量输入输出通道工作过程分析 模拟输入通道的工作过程简单说来就是采样和量化过程。而模拟输出通道的工作过程基本上是模拟量输入通道工作过程的逆过程。模拟信号离散模拟信号数字信号采样量化离散模拟信号数字信号连续阶梯波信号D/A零阶保持五、数字量输入输出通道(一)数字量输入通道 这些输入信号分为编码数字(二进制数或十进制数)、开关量和脉冲列等三类，它们都属于数字信号，因此，微机控制系统中应设立数字量输入通道。 随输入数字信号的类型不同，数字量输入通道的结构也不同。 编码数字，

30、可以直接接到并行接口电路的输入端上。 脉冲列，使用软件计数法，或加硬件计数器，后接到并行端口上。 开关信号，经过电平转换电路，将触电的通断转换为高电平和低电平，最后接到并行端口上。 (二)数字量输出通道 数字量输出通道输出的数字信号有三类：编码数字(二进制或二一十进制)、“1”或“0”的开关信号和脉冲信号。 编码数字可直接从IO接口电路的输出端口送出，一般输出数据需要锁存。 要求输出脉冲列的对象，输出通道加脉冲产生及其控制电路。 开关量输出有：TTL电平逻辑信号输出、电子无触电开关输出和继电器输出。 I/O通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道四种。 模拟输入通

31、道的工作过程简单说来就是采样和量化过程。而模拟输出通道的工作过程基本上是模拟量输入通道工作过程的逆过程。模拟信号离散模拟信号数字信号采样量化离散模拟信号数字信号连续阶梯波信号D/A零阶保持第五节D/A转换器 D/A转换器是把数字量转换成模拟量的器件，是模拟量输出通道的重要组成部分。 D/A转换器按其工作方式可分成并行和串行两种。并行D/A转换器又可分成电流相加型和电压相加型。并行DA转换器转换速度快，应用较多。串行DA转换有特殊用途，在某些情况下必须采用它，如步进电动机的控制。一、并行D/A转换器的工作原理数字量是由一位一位的数位构成的，每个数位都代表一定的权。 为了把一个数字量转换成模拟量，

32、必须把每一位上的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，再把代表各位的模拟量相加，得到的总的模拟量就与数字量成正比.D/A转换器主要由电阻网络和运算放大器两部分组成。常用的电阻网路有两种：权电阻网络和T型电阻网络。EK0a323a222a121a020K1K2K323R22R21R20RII/2I/4I/8UIRf0UfLRIUU0fLRIU 0RD423D322D221D120S3SnS2S1U02RR2RR2RR2R2RURIT型电阻网由数值为R和2R的电阻组成，该电路的特点是任何一个节点的三个分支的等效电阻都是相等的，为线性网络。RR2R2RI/4I/22R2R2RURRUIR32IIL)2

33、22(3)222(22112211nnRnnLDDDRUIDDDI 4IIL取Rf=3R)222(22110nnRfLDDDURIU ARLB2RIUR2R2RAIUR2R2R2RI/2RL二、串行DA转换器的工作原理及应用 串行DA转换器的基本工作原理是先把数字量转换成一系列的脉冲，一个脉冲相当于数字量的一个单位，再把每一个脉冲变成单位模拟量，然后将所有单位模拟量相加，从而得到和数字量成正比的总的模拟量输出。五、DA转换器选择和使用 D/A转换器是模拟量输出通道的核心部分，在设计时应慎重选择。首先在总体方案上，应先确定是采用多通路共有一个D/ A转换器的方案，还是一个通路使用一个D/A转换器

34、的方案。在具体选择D/A转换器时，主要应考虑下列几个问题。1分辨率 D/A转换器的分辨率表示当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。对于一个N位的D/A转换器其分辨率为分辨率=满刻度值2N 2稳定时间 稳定时间是D/A转换器转换速率的量度，是指D/A转换器代码有满刻度值变化时，其输出达到并保持在所给定的百分数误差范围内所需要的时间。一般为几十纳秒到几微秒。3输入编码输入编码为二进制编码、BCD码、符号一数值码等。4线性误差 任何两个相邻数码之间的差应是1LSB，一个理想的转换器输出应该是一条直线。5输出方式和极性6温度范围7使用调整第六节A/D转换器 A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件

35、。是把模拟量转换成数字量的装置。 A/D转换器主要有计数器式、双积分式和逐次逼近式三种类型。（一）计数器式A/D转换器 计数器式A/D转换器由计数器、D/A转换器及比较器组成。其原理框图如图一、A/D转化器原理 (二)双积分式A/D转换器 双积分式A/D转换器的主要部件有积分器、比较器、计数器和标准电压源。 在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换

36、结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。 放电时间T1或T2又正比于输入电压，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。因此，计数器计数值的大小反映了输入电压V在固定积分时间T内的平均值。 (三)逐次逼近式A/D转换器 逐次逼近式A/D转换器电路原理框图如图下所示。它主要由N位逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、置数选择逻辑电路等部分所组成。 现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例，说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。 当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下， 首先使寄存器的最高位D3 1，其余为0， 此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压

37、即Uo 8，送到比较器输入端与被转换的模拟量Ui = 9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当Ui Uo，则保留D3 = 1； 再对下一位D2进行比较，同样先使D2 1，与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器，转换为Uo 12再进入比较器，与Ui 9比较，因Ui Uo，则使D2 0； 再下一位D1位也是如此，D1 1即1010，经D/A转换为Uo= 10，再与Ui 9比较，因Ui Uo，则使D1 0； 最后一位D0 1, 即1001经D/A转换为Uo 9，再与Ui 9比较，因Ui Uo，保留D0 1。比较完毕，寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输

38、出。 一个 n 位A/D转换器的模数转换表达式是 式中 n n位A/D转换器； UR+、UR- 基准电压源的正、负输入； Ui要转换的输入模拟量； D转换后的输出数字量。 即当基准电压源确定之后，n位A/D转换器的输出数字量D与要转换的输入模拟量Ui呈正比。nRRRUUUUD2i 例题3： 一个4位A/D转换器，满刻度值为5V，若输入3.5V模拟电压，所对应的转换数字量。解：UR+ = 5 V， UR = 0 V，Ui=3.5V, 把已知数代入公式 3.5V时所对应的转换数字量为1011B。 2 .11167 . 020505 . 324nRRRUUUUDi00.511.522.533.54t

39、1000110010101011vvUUqnRR3125. 02524二、A/D转换器的主要技术参数1.分辨率 分辨率通常用转换后数字量的位数表示。分辨率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。2.量程量程是指所能装换的电压范围。对于一个N位的A/D转换器其分辨率为分辨率=满刻度值2N4转换时间 转换时间是指启动A/D到转换结束所需的时间。不同型号、不同分辨率的器件，转换时间相差很大。 5工作温度范围 较好的A/D转换器的工作温度为一4085，较差的为070。3.转换精度 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。有绝对精度和相对精度两种表示法。三、常用A/D转换器(一)8位A/D转

40、换器ADC0808/0809 ACD08080809是单片双列直插式集成电路芯片，是8通路8位AD转换器。1电路组成及转换原理 ADC08080809是一种带有8位转换器、8位多路切换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。8位A/D转换器的转换方法为逐次逼近法。 ADC08080809无需调零和满量程调整，又由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码，而且它的三态TTL输出也可以锁存，所以易于与微处理机进行接口其原理框图如图2.ADC0808/0809的引脚及功能ADC0808芯片为28引脚，双列直插式封装。其引脚排列如图所示。模拟量输入通道：8条地址输入和控制线：4条 数字量输出及控

41、制线：11条 电源线及其他：5条 各引脚功能如下： IN0IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。 START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。 EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。 OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。 CLOCK：时钟信号。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址线即模拟量通道选择

42、线。ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择。 D0D7：8位数字量输出端。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VR+ = 5V ，VR- = 0V 。C CB BA A选中通道选中通道0 00 00 0IN0IN00 00 01 1IN1IN10 01 10 0IN2IN20 01 11 1IN3IN31 10 00 0IN4IN41 10 01 1IN5IN51 11 10 0IN6IN61 11 11 1IN7IN7干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。干扰有的来自外部，有的来

43、自内部。按对其电路的作用形式，分为串模干扰和共模干扰。第七节I/O通道的抗干扰措施高压电缆闪电雷达、电台等天线发射 微机控制系统地电位波动电机、电焊机等大用电设备引入噪声交交流流动动力力线线 图 8-1 外部干扰环境外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干扰环境有天电干扰，如雷电或大气电离作用以及其他气象引起的干扰电波；天体干扰，如太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设备的干扰，如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干扰；此外，荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬变过程的设备也会产生较大的干扰；来自电源的工频干扰也可视为外部干扰。内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。内部干扰环境有分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。一、串模干扰及其抑制方法 串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向干扰或正态干扰。sUnUU1C2C线扰干) b(因原生产) a (式形现表扰干模串6 -8图s计算机控制系统计算机控制系统aI 抑制串模干