微机控制技术第二章新20150315

1、1本章学习要求本章学习要求1 1了解输入输出接口和过程通道的作用，了解输入输出接口和过程通道的作用，熟悉常用熟悉常用A/DA/D、D/AD/A和接口芯片的应用。和接口芯片的应用。2 2掌握常用数字量输入输出通道和掌握常用数字量输入输出通道和模拟量模拟量输入输出通道的设计和应用。输入输出通道的设计和应用。2一、接口、通道及其功能一、接口、通道及其功能 1. 1. I/OI/O接口电路接口电路 为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连必须经过中间电路再与系统相连这部分电路被称为I/O接口电路多种外设多种外

2、设3什么是什么是I/O接口（电路）？接口（电路）？I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的数据传送和控制任务的电路电路。PC机系统板的可编程接口芯片、机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的总线槽的电路板（适配器）都是接口电路。电路板（适配器）都是接口电路。CPU接口接口电路电路I/O设备设备 对输入输出数据进行缓冲和锁存。对输入输出数据进行缓冲和锁存。输出接口有输出接口有锁存环节锁存环节；输入接口有；输入接口有缓冲环节缓冲环节 对信号的形式和数据的格式进行变对信号的形式和数据的格式进行变换。换。 微机直接处理：微机直接处理：数字量、开

3、关量、脉冲量数字量、开关量、脉冲量 对对I/O端口端口进行寻址。进行寻址。 与与CPU和和I/O设备进行联络。设备进行联络。I/OI/O接口的主要功能接口的主要功能: :5一、接口、通道及其功能一、接口、通道及其功能 2. 2. I/OI/O通道通道 I/OI/O通道也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信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。息传送和变换的连接通道。 计算机要实现对生产机械、生产过程的控制，就必须采集计算机要实现对生产机械、生产过程的控制，就必须采集现场控制对象的各种参量，这些参量分两类：一是模拟量，现场控制对象的各种参量，这些参量分两类：一

4、是模拟量，即时间上和数值上都连续变化的物理量，如温度、压力、流即时间上和数值上都连续变化的物理量，如温度、压力、流量、速度、位移等。二是数字量量、速度、位移等。二是数字量( (或开关量或开关量) )，即时间上和数，即时间上和数值上都不连续的量。如表示开关闭合或断开二个状态的开关值上都不连续的量。如表示开关闭合或断开二个状态的开关量，按一定编码的数字量和串行脉冲列等量，按一定编码的数字量和串行脉冲列等。 6 二、二、I/OI/O信号的种类信号的种类 在微机控制系统或微机系统中，主机和外围设备间在微机控制系统或微机系统中，主机和外围设备间所交换的信息通常分为数据信息、状态信息和控制信息所交换的信息

5、通常分为数据信息、状态信息和控制信息三类。三类。 1. 1.数据信息：数据信息：数字量数字量 ，模拟量模拟量，开关量开关量 ，脉冲量脉冲量 2.2.状态信息状态信息 ：状态信息是外围设备通过接口向状态信息是外围设备通过接口向CPU提提供的反映外围设备所处工作状态的信息。它作为两者交供的反映外围设备所处工作状态的信息。它作为两者交换信息的联络信号。换信息的联络信号。 3.3.控制信息控制信息 ：控制信息是控制信息是CPU通过接口传送给外围设通过接口传送给外围设备、用于控制的信息。备、用于控制的信息。 72.3.1. 2.3.1. 微型计算机系统微型计算机系统I/OI/O端口与地址分配端口与地址分

6、配 1.I/O1.I/O端口及端口及I/OI/O操作操作 （1 1）数据端口）数据端口 （2 2）状态端口）状态端口 （3 3）命令端口）命令端口 2. I/O2. I/O端口编址方式端口编址方式 （1 1）统一编址）统一编址 （2 2）独立编址）独立编址 为了保存为了保存CPU与外设之间的数据、状态和控制信息，与外设之间的数据、状态和控制信息，接口电路内部设置接口电路内部设置若干寄存器若干寄存器，用以保存这些信息。，用以保存这些信息。CPU按照一定寻址方式读写访问寄存器。按照一定寻址方式读写访问寄存器。2.3.1. 2.3.1. 微型计算机系统微型计算机系统I/OI/O端口与地址分配端口与地

7、址分配 2. 2. I/OI/O端口编址方式端口编址方式 （1 1）统一编址）统一编址 （2 2）独立编址）独立编址专门专门I/O指令指令+单独地址单独地址存储器地址较长，增加了译码的复杂程度地址长度短，译地址长度短，译码简单，效率高码简单，效率高2.3.2 I/O2.3.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术916位地址，8位数据读操作的总线周期设置地址设置地址设置操作设置操作读写操作读写操作操作结束操作结束慢速慢速I/O等待等待2.3.2 I/O2.3.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术 译码电路不仅与地址信号有关，而且与控制信号有关。译码电路不仅与地址信号有关，而且与控制信号

8、有关。 其中，其中，ISAISA总线中，使用总线中，使用A0A0A9 A9 、IOWIOW、IOR IOR 等信号组合。等信号组合。 10过程通道板卡过程通道板卡总线地址信号数据信号控制信号外设接口板卡外设接口板卡接口板卡接口板卡2.3.2 I/O2.3.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术 译码电路不仅与地址信号有关，而且与控制信号有关。译码电路不仅与地址信号有关，而且与控制信号有关。 其中，其中，ISAISA总线中，使用总线中，使用A0A0A9 A9 、IOWIOW、IOR IOR 等信号组合。等信号组合。 11过程通道板卡过程通道板卡总线地址信号数据信号控制信号选中选中引脚引脚数据

9、数据引脚引脚控制控制引脚引脚外设接口板卡外设接口板卡2.3.2 I/O2.3.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术2.I/O2.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式12过程通道板卡过程通道板卡1高位地址控制信号选中选中引脚引脚过程通道板卡过程通道板卡2选中选中引脚引脚接口内部接口内部地址地址接口内部接口内部地址地址低位地址总线传输芯片芯片芯片芯片板卡内部地址译码电路132.3.2 I/O2.3.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术2.I/O2.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 （1 1）固定地址译码）固定地址译码或或与3-8译码器确定

10、地址字段选中芯片端口142.3.2 I/O2.3.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术2.I/O2.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 （1 1）固定地址译码）固定地址译码74HCT3274HCT212.3.2 I/O2.3.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术2.I/O2.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 （1 1）固定地址译码）固定地址译码74HCT138162.3.2 I/O2.3.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术2.I/O2.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 （1 1）固定地址译码）固定地

11、址译码AENA3A9A0A2片选信号17过程通道板卡过程通道板卡1选中选中引脚引脚接口内部接口内部地址地址芯片芯片过程通道板卡过程通道板卡2选中选中引脚引脚接口内部接口内部地址地址芯片芯片总线上插入相同的通道板卡？18逻辑开关19数据比较器74LS68820地址编码：211.1.板选译码与板内译码板选译码与板内译码2.2.总线驱动及逻辑控制总线驱动及逻辑控制3.3.端口及其读写控制端口及其读写控制逻辑开关电路数据比较器数据缓冲器反相端传输器板选译码板内译码板内端口读写控制读写控制221.1.板选译码与板内译码板选译码与板内译码2.2.总线驱动及逻辑控制总线驱动及逻辑控制3.3.端口及其读写控制

12、端口及其读写控制74HCT245231.1.板选译码与板内译码板选译码与板内译码2.2.总线驱动及逻辑控制总线驱动及逻辑控制3.3.端口及其读写控制端口及其读写控制74HCT125241.1.板选译码与板内译码板选译码与板内译码2.2.总线驱动及逻辑控制总线驱动及逻辑控制3.3.端口及其读写控制端口及其读写控制74HC04251.1.板选译码与板内译码板选译码与板内译码2.2.总线驱动及逻辑控制总线驱动及逻辑控制3.3.端口及其读写控制端口及其读写控制261.1.板选译码与板内译码板选译码与板内译码2.2.总线驱动及逻辑控制总线驱动及逻辑控制3.3.端口及其读写控制端口及其读写控制板选译码板选

13、译码271.1.板选译码与板内译码板选译码与板内译码2.2.总线驱动及逻辑控制总线驱动及逻辑控制3.3.端口及其读写控制端口及其读写控制板内译码板内译码281.1.板选译码与板内译码板选译码与板内译码2.2.总线驱动及逻辑控制总线驱动及逻辑控制3.3.端口及其读写控制端口及其读写控制读写控制读写控制29一、数字量输入接口一、数字量输入接口技术技术 1.1.数字量输入接口数字量输入接口 对生产过程进行控制，往往要收对生产过程进行控制，往往要收集生产过程状态信息，根据状态信息，集生产过程状态信息，根据状态信息，再给出控制量，因此，可用三态门缓再给出控制量，因此，可用三态门缓冲器冲器7474LS24

14、4LS244取得状态信息。经过端取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号口地址译码，得到片选信号当在当在执行执行ININ指令周期时，产生指令周期时，产生IORIOR信号，信号，则被测的状态信息可通过三态门送到则被测的状态信息可通过三态门送到PCPC总线工业控制机的数据总线，然后总线工业控制机的数据总线，然后装入装入ALAL寄存器，设片选端口地址为寄存器，设片选端口地址为portport可用如下指令来完成取数。可用如下指令来完成取数。MOV DX portMOV DX portIN AL DXIN AL DX由总线和译码由总线和译码电路产生电路产生3074LS24431一、数字量输入接口一、

15、数字量输入接口技术技术 输入指令输入指令（IN：将外设数据传送给将外设数据传送给CPU内的内的AL/AX）IN AL,21H ; 字节输入字节输入IN AL,DX ;字节输入字节输入IN AX,003FH ;字输入字输入IN AX,DX ;字输入字输入演示32一、数字量输入接口一、数字量输入接口技术技术 2.2.数字量输出接口数字量输出接口 当对生产过程进行控制时，一当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，这时输出般控制状态需进行保持，这时输出就要锁存。因此可用就要锁存。因此可用7474LS273LS273作为作为8 8位输出锁存口，对状态输出信号进位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存

16、，如图所示。利用行锁存，如图所示。利用IOWIOW的后的后沿产生的上升沿锁存数据。经过端沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号口地址译码，得到片选信号CSCS，当当执行执行OUTOUT指令周期时，产生指令周期时，产生IOWIOW信号，信号，设片选端口地址为设片选端口地址为portport，用以下指用以下指令完成数据输出控制。令完成数据输出控制。 MOV AL MOV AL， DATA DATA MOV DXMOV DX， port port OUT DX, ALOUT DX, AL 由总线和译码由总线和译码电路产生电路产生33一、数字量输入接口一、数字量输入接口技术技术 2.2

17、.数字量输出接口数字量输出接口 当对生产过程进行控制时，一当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，这时输出般控制状态需进行保持，这时输出就要锁存。因此可用就要锁存。因此可用7474LS273LS273作为作为8 8位输出锁存口，对状态输出信号进位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存，如图所示。利用行锁存，如图所示。利用IOWIOW的后的后沿产生的上升沿锁存数据。经过端沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号口地址译码，得到片选信号CSCS，当当执行执行OUTOUT指令周期时，产生指令周期时，产生IOWIOW信号，信号，设片选端口地址为设片选端口地址为portport，用以下

18、指用以下指令完成数据输出控制。令完成数据输出控制。 MOV AL MOV AL， DATA DATA MOV DXMOV DX， port port OUT DX, ALOUT DX, AL 由总线和译码由总线和译码电路产生电路产生34输出指令输出指令（OUT：将将CPU内的内的AL/AX数据传送给外设）数据传送给外设）OUT 3AH,AL ;字节输出字节输出OUT DX,AL ;字节输出字节输出OUT 003FH,AX;字输出字输出OUT DX,AX ;字输出字输出演示演示35二、数字量输入通道二、数字量输入通道 1. 1. 数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构 数字量输入通道主要由输入

19、缓冲器，输入调数字量输入通道主要由输入缓冲器，输入调理电路、输入地址译码电路等组成。理电路、输入地址译码电路等组成。 注意与输入接口的差别！注意与输入接口的差别！36二、数字量输入通道二、数字量输入通道 数字量数字量( (开关量开关量) )输入通道的功能就是接收外部输入通道的功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。为了将外部开关量压、过电压、接触抖动等现象。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

20、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。下面针接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。下面针对不同点情况分别介绍相应的对不同点情况分别介绍相应的信号调理技术信号调理技术。 37二、数字量输入通道二、数字量输入通道 1.1.小功率输入调理电路小功率输入调理电路前沿抖动前沿抖动后沿抖动后沿抖动键稳定键稳定键按下键按下利用利用积分积分电路电路利用触发器特点利用触发器特点39二、数字量输入通道二、数字量输入通道 2 2大功率输入调理电路大功率输入调理电路 输出地输出地输入地输

21、入地40三、数字量输出通道三、数字量输出通道 1.1.数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构 注意与输出接口的差别！注意与输出接口的差别！41三、数字量输出通道三、数字量输出通道 2.2.输出驱动电路输出驱动电路 (1) (1)小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路A.A.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 注意干扰！注意干扰！ 续流二极管续流二极管在功率晶体管关在功率晶体管关闭时，为继电器闭时，为继电器线圈产生的反电线圈产生的反电动势提供旁路通动势提供旁路通道，保护晶体管道，保护晶体管。半导体基础半导体基础1.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.

22、空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中中的空穴的空穴. .N区区 中的电子（中的电子（都是多都是多子子）向对方运动（）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空区中的空穴（穴（都是少子都是少子），数量有限，因），数量有限，因此由它们形成的电流很小此由它们形成的电流很小。半导体基础半导体基础输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:放大区：放大区：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。 即：即： IC= IB , 且且 IC = IB(2) 饱和区：饱和区：发射结正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。 即：即：UCE UB

23、E ， IB IC， UCE 0.3V (3) 截止区：截止区： UBE 死区电压，死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 45达林顿复合管46三、数字量输出通道三、数字量输出通道 2.2.输出驱动电路输出驱动电路 (1)(1)小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路 B. B.达林顿阵列驱动继电器电路达林顿阵列驱动继电器电路( (ULN 2004) ULN 2004) 用于驱动多个用于驱动多个小型继电器小型继电器继电器汽车空调压缩机的控制由电磁离合器实现电磁线圈电磁线圈轴承轴承压缩机压缩机驱动轴驱动轴压缩机壳体压缩机壳体皮带轮皮带轮压盘压盘电磁线圈电磁线圈轴承轴承压缩机压缩机驱动轴驱动轴压

24、缩机壳体压缩机壳体压盘压盘皮带轮皮带轮继电器断开继电器闭合48三、数字量输出通道三、数字量输出通道 2.2.输出驱动电路输出驱动电路 (2) (2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路前、后之间前、后之间没有直接关系没有直接关系49三、数字量输出通道三、数字量输出通道 2.2.输出驱动电路输出驱动电路 (2) (2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路固态继电器原理固态继电器原理: 固态继电器固态继电器(Solidstate Relay, SSR)是一种由固态电子组件是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关，利用电子组件（如开关三极管、双向可控硅等半组成的新型无触点开关，利用电子组件（如开关三

25、极管、双向可控硅等半导体组件）的开关特性，达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目导体组件）的开关特性，达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的，因此又被称为的，因此又被称为“无触点开关无触点开关”。50三、数字量输出通道三、数字量输出通道 2.2.输出驱动电路输出驱动电路 (2) (2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路（1）1、2为输入端，为输入端，3、4为输出端。为输出端。R1为限流电阻，为限流电阻，光耦光耦合器将输入合器将输入与输出电路在电气上隔离开。与输出电路在电气上隔离开。1234（2） R2、R3、VT和晶闸管和晶闸管VTH组成组成过零过零检测电路检测电路，BR为双向为双

26、向整流桥整流桥，由由VTH和和BR用以获得用以获得使双向晶闸管使双向晶闸管TR开启开启的双向触发脉冲，的双向触发脉冲，R5、R6为为分流电阻，分别用来保护分流电阻，分别用来保护VTH和和TR，R7和和C组成浪涌吸收网络，以吸收组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。单向晶闸管单向晶闸管双向桥整流管双向桥整流管双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管与单向晶闸管一样，也具有触发控制特性。但是，其触发控制特性与单向晶闸管不同，即无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲（不

27、管是正还是负脉冲），都可以使双向晶闸管导通。52三、数字量输出通道三、数字量输出通道 2.2.输出驱动电路输出驱动电路 (2) (2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路1234电路工作过程：电路工作过程： 当无信号时，当无信号时，GD中的光敏三极管截止，中的光敏三极管截止，VT1是交流电压零点检测器，通过是交流电压零点检测器，通过R3获获得基极电流而饱和导通，将得基极电流而饱和导通，将VTH的门极箝制在低电位而处于关断状态。的门极箝制在低电位而处于关断状态。 当有输入信号时，光敏三极管导通，此时当有输入信号时，光敏三极管导通，此时VTH的状态由的状态由VT1决定，如此电源电决定，如此电源电压

28、压大于过零电压大于过零电压时，分压器时，分压器R3、R2的分压电压大于的分压电压大于VBE1，VT1饱和导通，饱和导通，VTH门极门极Vg因箝位在低电平而截止，因箝位在低电平而截止，TR的门极因没有触发脉冲而处于关断状态。只有当电源的门极因没有触发脉冲而处于关断状态。只有当电源电压小于电压小于VBE1(小小于过零电压于过零电压)时时G1截止，截止，VTH门极获得触发信号而导通。在门极获得触发信号而导通。在TR的的门极获得触发脉冲，门极获得触发脉冲，TR就导通。从而接通负载电源。就导通。从而接通负载电源。 当输入信号关断后当输入信号关断后GD中光敏三极管截止，中光敏三极管截止，G1饱和导通使饱和

29、导通使VTH门极箝位在低电门极箝位在低电平而关断，但是此时平而关断，但是此时TR仍保持导通状态，负载上仍有电流流过，直到负载电流随着仍保持导通状态，负载上仍有电流流过，直到负载电流随着VAC减小到小于双向晶闸管减小到小于双向晶闸管TR的维持电流后才会自行关断，切断负载电流。的维持电流后才会自行关断，切断负载电流。VBE1VgVp53研华PCL-730板卡组成框图54程序设计举例程序设计举例( (基地址设为基地址设为220H)220H)：PCL-730PCL-730板卡的开关量输入板卡的开关量输入/ / 输出都只需要二条指令就可以完成。输出都只需要二条指令就可以完成。C C语言程序如下：语言程序

30、如下：outportb(0 x220outportb(0 x220，Ox55) Ox55) ；/奇数通道输出低电平，低奇数通道输出低电平，低8 8位。位。outportb(Ox221outportb(Ox221，0 x55)0 x55)； /奇数通道输出低电平，高奇数通道输出低电平，高8 8位。位。inportb(Ox220)inportb(Ox220)； /输入通道输入通道0707的电平状态。的电平状态。inportb(Ox221)inportb(Ox221)； /输入通道输入通道815815的电平状态。的电平状态。汇编语言程序如下：汇编语言程序如下：MOV DXMOV DX， 220H22

31、0HMOV ALMOV AL， 55H55HOUT DXOUT DX， ALALMOV DXMOV DX， 221H221H OUT DXOUT DX， ALALMOV DXMOV DX， 220H220HIN ALIN AL， DX DX MOV AHMOV AH， ALALMOV DXMOV DX， 221H221HIN ALIN AL， DXDX552.3.1 2.3.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成 由五部分组成。由五部分组成。561.1.信号调理电路信号调理电路 信号调理电路：信号调理电路：主要通过非电量的转换、信号的变换、放主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、

32、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。准的电信号转换成标准的电信号。（1 1）非电信号的检测）非电信号的检测不平衡电桥不平衡电桥00pt( )( )RtRttRR 57（2 2）信号放大电路）信号放大电路 1)1)基于基于ILC7650ILC7650的前置放大电路的前置放大电路ILC7650的前置放大电路运算放大器主要考虑：精度要求，速度要求，幅度要求58 AD526 AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是器件本

33、身所提供的增益是xlxl、x2x2、x4x4、x8x8、x16x16等五挡。等五挡。AD526AD526可以在透明与锁存两种模式下工作。（表可以在透明与锁存两种模式下工作。（表2-22-2提供状态表）提供状态表） 透明模式是透明模式是1313脚脚CLKCLK端接地。端接地。 锁存模式是锁存模式是CLKCLK内逻辑信号提供。内逻辑信号提供。59二、二、I/V变换变换 送变器输出的信号为送变器输出的信号为010mA或或420mA的统一信号，需的统一信号，需要经过要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。变换变成电压信号后才能处理。 1.1.无源无源I/VI/V变换变换 无源无源I/V变换主要是利用无

34、源器件电阻来实现，并加滤波和变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，如图所示。输出限幅等保护措施，如图所示。 R1、R2为为精密电阻，精密电阻，C为低漏为低漏电电容。电电容。输出输出为标准为标准信号！信号！60二、二、I/V变换变换 2.2.有源有源I/VI/V变换变换 R2为精密电阻，阻值为为精密电阻，阻值为250，通过取样电阻，通过取样电阻R2，将电流信号转换为电压信，将电流信号转换为电压信号。取号。取R3=1K，Rf设定为设定为4.7K电位器电位器，通过调整通过调整Rf的值，可使的值，可使010mA输输入对应于入对应于05V的电压输出。的电压输出。420mA 输入

35、对应于输入对应于15V的电压输出。的电压输出。输出输出为标准为标准信号！信号！612.3.3 多路转换器 多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。常用的多路开关有信号的关键元件。常用的多路开关有CD4051CD4051（或（或MC14051MC14051）、）、AD7501AD7501、LF13508LF13508等等 622.4.4 采样、量化及采样保持器1.信号的采样62 采样过程如采样过程如图所示。按一定图所示。按一定的时间隔的时间隔T T，把时把时间上连续和幅值间上连续和幅值上也连续的模拟上也连续的模拟信号，转

36、变成在信号，转变成在时刻时刻0 0、T T、2T2TkTkT的一连的一连串脉冲输入信号串脉冲输入信号的过程称为的过程称为采样采样过程。过程。 保持保持信号信号采样采样过程过程631.1.信号的采样信号的采样 从信号的采样过程可知，经过采样，不是取全部时间从信号的采样过程可知，经过采样，不是取全部时间上的信号值，而是取某些时间上的值。这样处理后会不会上的信号值，而是取某些时间上的值。这样处理后会不会造成信号的丢失呢？香农（造成信号的丢失呢？香农（ShannonShannon）采样定理指出：如采样定理指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率

37、为f fmaxmax，只要按照采样频率只要按照采样频率f2ff2fmaxmax进行采样，那么采样信号进行采样，那么采样信号y(t)y(t)* *就能唯一地复现就能唯一地复现y(t)y(t)。采样定理给出了采样定理给出了y(t)y(t)* *唯一地复现唯一地复现y(t)y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取所必需的最低采样频率。实际应用中，常取f(5f(510)f10)fmaxmax，甚至更高。甚至更高。 64三、三、采样量化及常用的保持器采样量化及常用的保持器 2.2.量化量化 所谓所谓量化量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信

38、号的幅值，将其转换为数字信号。拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是，执行量化动作的装置是A/DA/D转换器。字转换器。字长长n n的的A/DA/D转换器把转换器把y yminminy ymaxmax范围内变化的采样信号，变换为数字范围内变化的采样信号，变换为数字0 02 2n n1,1,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。 q=(y q=(ymaxmax-y-yminmin)/(2)/(2n n-1)-1) 量化过程实际上是

39、一个用量化过程实际上是一个用q q去度量采样值幅值高低的小数归去度量采样值幅值高低的小数归整过程整过程。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为量化误差为1/21/2q q。 65四、四、采样量化及常用的保持器采样量化及常用的保持器 3.3.采样保持器采样保持器 (1) (1)孔径时间和孔径误差的消除孔径时间和孔径误差的消除 在模拟量输入通道中，在模拟量输入通道中，A/DA/D转换器将模拟信号转换成数字量转换器将模拟信号转换成数字量总是需要一定的时间。完成一次总是需要一定的时间。完成一次A/DA/D转换所需要的时间称之为转换

40、所需要的时间称之为孔孔径时间径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，即为个采样时刻的最大转换误差，即为孔径误差孔径误差。 孔径时间孔径时间可能误差可能误差取取 ：则得原点处转换的不确定电压误差为：则得原点处转换的不确定电压误差为663.3.采样保持器采样保持器孔径时间和孔径误差的消除孔径时间和孔径误差的消除 sinmuUtcos2cosmmduUtUftdt/1002100A DmuftU在原点上：在原点上：2muUft/A Dtt /2mA DuUft 67三、三、采样量化及常用的保持器采样量化及常用

41、的保持器 3.3.采样保持器采样保持器 (2) (2)采样保持原理采样保持原理 采样时，采样时，K K闭合，闭合，V VININ通过通过A A1 1对对C CH H快速充电，快速充电，V VOUTOUT跟随跟随V VININ；保持保持期间，期间，K K断开，由于断开，由于A A2 2的输入阻抗很高，理想情况下的输入阻抗很高，理想情况下V VOUTOUTV VC C保持保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/DA/D转换器，转换器，保证保证A/DA/D转换期间输入恒定。转换期间输入恒定。 输入输入缓冲器缓冲器采样采样开关开关保持保持电容电容

42、输入输入缓冲器缓冲器683.3.采样保持器采样保持器（3 3）常用的采样保持器）常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有LF398LF398、AD582AD582等，等，LF398LF398的的采样控制电平为采样控制电平为“1 1”，保持电平为，保持电平为“0 0”，AD582AD582相反。引脚排相反。引脚排列如下图所示。列如下图所示。69 A/DA/D转换器的主要技术指标有转换器的主要技术指标有: : 转换时间：转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。 分辨率：分辨率：指指A/DA/D转换器可转换成数字量的最小电压

43、（量化阶转换器可转换成数字量的最小电压（量化阶梯），通常用数字量的位数梯），通常用数字量的位数n(n(字长字长) )来表示，如来表示，如8 8位、位、1212位、位、1616位等。位等。 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误差定义为线性误差。的最大误差定义为线性误差。 量程：量程：即所能转换的输入电压范围，即所能转换的输入电压范围， 对基准电源的要求：对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生基准

44、电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。很大影响。70A/DA/D转换器转换器 1.81.8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809 71一、一、A/DA/D转换器转换器 1.81.8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809 ADC0809 72电子开关：电子开关：d d11接接“- -”;d=0 ;d=0 接接“+ +”不论不论d d接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。电阻网络：实现按权展开；电阻网络：实现按权展开；电子开关电子开关: : 给定数字量；给定数字量；求和电路求和电路: : 完成模拟量相加。完成模拟量相加。电路结构组成电路

45、结构组成Successive approximation register (SAR)73数字量模拟量MSBLSB1 1 1 1 1 1 1 1Uref2562551 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 00Uref256128Uref256174 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器 工作原理工作原理 逐次逼近型A/D转换器采用中分比较原理中分比较原理。初态时使逐次比较寄存器置为全0，转换开始时： 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器框图转换器框图l 重复以上步骤，顺序比较顺序比较逐次逼近寄存器的次高位次高位，经过8次比较后，逐次逼近

46、寄存器中的值即为A/D转换后的数字量，如图所示。若比较结果ViVo,控制逻辑使逐次逼近寄存器的最高位置保持； 若比较结果ViVo,控制逻辑使逐次逼近寄存器的最高位置清零；l 控制逻辑使其最高位最高位为1，经D/A转换后得到模拟电压Vo=1/2Vref，Vo在比较器中与Vi进行比较。75一、一、A/DA/D转换器转换器 1. 81. 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809 ADC0809 （1 1）主要管脚的功能主要管脚的功能 V VIN0IN0V VIN7IN78 8个模拟量输入端个模拟量输入端STARTSTART启动启动A/DA/D转换器，当该脚为高电平时，开始转换器，当该脚为高电平时

47、，开始A/DA/D转换。转换。EOC(End Of Conversion)EOC(End Of Conversion)转换结束信号。转换结束信号。OEOE（OUTPUT ENABLEOUTPUT ENABLE）输出允许信号。输出允许信号。CLOCKCLOCK时钟信号，一般为时钟信号，一般为640640KHzKHzALEALE（Address Lock EnableAddress Lock Enable）地址锁存允许，高电平有效。地址锁存允许，高电平有效。A A、B B、C C通道号端口，通道号端口，C C为最高位，为最高位，A A为最低位。为最低位。DODO7 7DODO0 0数字量输出端。数

48、字量输出端。V VREFREF（+ +）、）、V VREFREF（- -）参考电压端子。参考电压端子。V Vcccc(+5V)(+5V)、GNDGND（0V0V）工作电源和电源地。工作电源和电源地。 76一、一、A/DA/D转换器转换器 1. 81. 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809 ADC0809 （2 2）8 8通道模拟开关及通道选择逻辑通道模拟开关及通道选择逻辑 CBA所选通道 000Vin0 001Vin1 010Vin2 011Vin3 100Vin4 101Vin5 110Vin6 111Vin7 77一、一、A/DA/D转换器转换器 1. 81. 8位位A/DA/D转

49、换器转换器ADC0809 ADC0809 （3 3）8 8位位A/DA/D转换器转换器 8 8位位A/DA/D转换器对选送至输入端的信号转换器对选送至输入端的信号V VIn In 进行转换，转进行转换，转换结果换结果D(D=0D(D=02 28 8-1)-1)存入三态输出锁存缓冲器。它在存入三态输出锁存缓冲器。它在STARTSTART上收到一个启动转换命令上收到一个启动转换命令( (正脉冲正脉冲) )后开始转换结束时，后开始转换结束时，EOCEOC信号由低电平变为高电平，通知信号由低电平变为高电平，通知CPUCPU读结果。读结果。CPU可以采用可以采用中断方式中断方式( (EOCEOC作为中断

50、请求信号引入中断逻辑作为中断请求信号引入中断逻辑) )了解了解A/DA/D转转换过程是否结束。换过程是否结束。78一、一、A/DA/D转换器转换器 1. 81. 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809 ADC0809 （4 4）三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 用于存放转换结果用于存放转换结果D D，输出允许信号输出允许信号OEOE为高电平时，为高电平时，D D由由DODO7 7DODO0 0上输出；上输出；OEOE为低电平输入时，数据输出线为低电平输入时，数据输出线DODO7 7DODO0 0为高为高阻态。阻态。ADC0809ADC0809的转换时序如图的转换时序如图所示。所示。时

51、序关系时序关系非常重要！非常重要！79一、一、A/DA/D转换器转换器 2. 2. 1212位位A/DA/D转换器转换器AD574A AD574A 高性能高性能1212位逐位逐次逼近次逼近式式A/DA/D转换器转换器80一、一、A/DA/D转换器转换器 2. 2. 1212位位A/DA/D转换器转换器AD574A AD574A AD574AD574内部内部原理原理结构结构811212位位A/DA/D转换器转换器AD574A AD574A (1)AD574 (1)AD574引脚功能说明引脚功能说明DODO0 0DODO11111212位数据输出。位数据输出。V VLOGICLOGIC逻辑电源逻辑

52、电源+5+5V V（4.54.55.5V5.5V）V VCCCC正电源正电源+15+15V V（+13.5+13.5+16.5V+16.5V）V VEEEE负电源负电源-15-15V V（-13.5-13.5-16.5V-16.5V）AGNDAGND、DGNDDGND模拟数字地。模拟数字地。CECE片允许信号，高电平有效。简单应用中固定接高电平。片允许信号，高电平有效。简单应用中固定接高电平。CSCS片选择信号，底电平有效。片选择信号，底电平有效。R/R/C C读读/ /转换信号。转换信号。CE=1CE=1，CSCS=0=0，R/R/C C=0=0时，转换开始，启动负脉冲为时，转换开始，启动负

53、脉冲为400400nSnS。CE=1CE=1，CSCS=0=0，R/R/C C=1=1时，允许读数据。时，允许读数据。A A0 0转换和读字节选择信号。转换和读字节选择信号。 CE=1 CE=1，CSCS=0=0，R/R/C C=0=0，A A0 0=0=0时，启动按时，启动按1212位转换；位转换；启动启动 CE=1CE=1，CSCS=0=0，R/R/C C=0=0，A A0 0=1=1时，启动按时，启动按8 8位转换；位转换； CE=1 CE=1，CSCS=0=0，R/R/C C=1=1，A A0 0=0=0时，读取转换后的高时，读取转换后的高8 8位数据；位数据；读数读数 CE=1CE=

54、1，CSCS=0=0，R/R/C C=1=1，A A0 0=1=1时，读取转换后的低时，读取转换后的低4 4位数据位数据 2. 2. 1212位位A/DA/D转换器转换器AD574A AD574A (1)AD574(1)AD574引脚功能说明引脚功能说明 12/12/8 8输出数据形式选择信号。输出数据形式选择信号。 12/ 12/8 8接接V VLOGICLOGIC时，数据按时，数据按1212位形式输出；位形式输出； 12/ 12/8 8接接DGNDDGND时，数据按双时，数据按双8 8位形式输出。位形式输出。注意：该脚不能由注意：该脚不能由TTLTTL电平控制，必须直接接至电平控制，必须直

55、接接至+5+5V V或数字地。或数字地。STSSTS转换状态信号。转换开始时，转换状态信号。转换开始时，STS=1STS=1；转换结束时，转换结束时，STS=0STS=0。10V10VININ模拟信号输入。单极性模拟信号输入。单极性0 01010V V，双极性双极性5 5V V。20V20VININ模拟信号输入。单极性模拟信号输入。单极性0 02020V V，双极性双极性1010V V。V VREFREF IN IN（ININ）参考输入。参考输入。V VREFREF OUT OUT（OUTOUT）参考输出。参考输出。BIP OFFBIP OFF双极性偏置。双极性偏置。83一、一、A/DA/D转

56、换器转换器 2. 2. 1212位位A/DA/D转换器转换器AD574A AD574A (2) (2) 1212位位A/DA/D转换器转换器 该该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。单极性应用时，将是双极性的。单极性应用时，将BIPOFFBIPOFF接接OVOV，双极性时接双极性时接1010V V，量程可以是量程可以是1010V V，也可以是也可以是2020V V。输入信号在输入信号在1010V V范围内变化时，范围内变化时，将输入信号接至将输入信号接至1010V VININ；在在2020V V范围内变化时，接

57、至范围内变化时，接至2020V VININ。量程量程为为1010V V和和2020V V时，时，AD574AAD574A的量化单位分别为的量化单位分别为1010V/2V/21212和和2020V/2V/21212。 引脚单极性双极性BIPOFF0V10V10Vin010V-5V+5V20Vin020V-10V+10V84一、一、A/DA/D转换器转换器 2. 2. 1212位位A/DA/D转换器转换器AD574A AD574A (2) (2) 1212位位A/DA/D转换器转换器 AD574AAD574A的单、双极性应用时的线路连接的单、双极性应用时的线路连接方法，以及零点和满度调整方法。方法

58、，以及零点和满度调整方法。 85一、一、A/DA/D转换器转换器 2. 2. 1212位位A/DA/D转换器转换器AD574A AD574A (3) (3)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(D=0D(D=02 21212-1)-1)。D D的的输出方式有两种，引脚输出方式有两种，引脚12/12/8 8=1=1时，时，D D的的D D1111D DO O并行输出，并行输出，12/12/8 8=0=0时，时，D D的高的高8 8位位D D1111D D4 4与低与低4 4位位D D3 3D D0 0分时输出。分时输出。 86一、一

59、、A/DA/D转换器转换器 2. 2. 1212位位A/DA/D转换器转换器AD574A AD574A (4) (4)控制逻辑控制逻辑 控制逻辑的任务包含：启动转换、控制转换过程和控制结果控制逻辑的任务包含：启动转换、控制转换过程和控制结果D D的输出。的输出。有关控制信号的作用如下表。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/R/C C为读为读/ /启动控制信号启动控制信号CECECSCSR/R/C C12/12/8 8A A0 0操作功能操作功能1 10 00 0X X0 0启动启动1212位转换位转换1 10 00 00 01 1启动启动8 8位转换位转

60、换1 10 01 11 1X X输出输出1212位数字位数字1 10 01 10 00 0输出高输出高8 8位数字位数字1 10 01 10 01 1输出低四位数字输出低四位数字0 0X XX XX XX X无操作无操作X X1 1X XX XX X无操作无操作87一、一、A/DA/D转换器转换器2. 2. 1212位位A/DA/D转换器转换器AD574A AD574A (4)(4)控制逻辑控制逻辑 启动和读操作时序如图启动和读操作时序如图所示所示 一定要学会看一定要学会看时序关系图！时序关系图！它对硬件设计它对硬件设计和软件编程很和软件编程很重要！重要！ 883. AD574A/16743.