第7章(讨论式)

1、2022-3-231本章主要内容本章主要内容1 1数字量输入输出通道及其设计数字量输入输出通道及其设计2 2模拟量输入通道及其设计模拟量输入通道及其设计 3 3模拟量输出通道及其设计模拟量输出通道及其设计 第第7 7章章 输入输出过程通道输入输出过程通道2022-3-232教学目的与要求：教学目的与要求：重点：重点：（1）理解过程通道的类型和功能）理解过程通道的类型和功能（2）掌握数字量输入输出通道类型和设计）掌握数字量输入输出通道类型和设计（3）掌握模拟量输入通道的组成及设计）掌握模拟量输入通道的组成及设计（4 4）掌握模拟量输出通道的组成及设计）掌握模拟量输出通道的组成及设计（1 1）模拟

2、量输入通道的组成，）模拟量输入通道的组成，A/DA/D转换器的选转换器的选择择（2 2）模拟量输出通道的组成，）模拟量输出通道的组成，D/AD/A转换器的选转换器的选择择2022-3-233在计算机和生产过程之间传递和变换信息的装置在计算机和生产过程之间传递和变换信息的装置称为称为输入输出过程通道（输入输出过程通道（I/O通道）通道）。7.1 7.1 过程通道的类型和功能过程通道的类型和功能问题问题1 1：计算机控制系统中的三个工作步骤？：计算机控制系统中的三个工作步骤？2022-3-234过程通道（过程通道（I/OI/O通道）通道）问题问题2 2：几种类型的通道？几种类型的通道？ 模拟量输入

3、通道、模拟量输出通道、模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。数字量输入通道、数字量输出通道。2022-3-2351 .1 .数字量输入通道数字量输入通道 数字量输入数字量输入通道的任务是把通道的任务是把被控对象的开关被控对象的开关状态信号（或数状态信号（或数字信号）传送给字信号）传送给计算机，简称计算机，简称DIDI通道。通道。 图图7 71 1 数字量输入通道结构数字量输入通道结构 数字量输入通道由数字量输入通道由信号调理电路信号调理电路和和输入接口电路输入接口电路构成。构成。 DI接口电路接口电路7.2 7.2 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2022-3-2

4、361) 1) 数字量输入调理电路数字量输入调理电路 （转换、保护、滤波和隔离） 小功率输入调理电路小功率输入调理电路 图图7 72 2 小功率输入调理电路小功率输入调理电路 （a a） 采用采用RCRC滤波电路滤波电路 （b b）采用）采用RSRS触发器触发器 从开关、继电器等接点输入信号。将接点的接通和断开从开关、继电器等接点输入信号。将接点的接通和断开动作，转换成动作，转换成TTLTTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用点的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用RCRC滤波电路或滤波电路或RSRS触发电路。触发电路。

5、2022-3-237 大功率输入调理电路大功率输入调理电路 图图 7 73 3 大功率输入调理电路大功率输入调理电路 在大功率系统中，需要在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。件的接点输入信号。 为了使接点工作可靠，接点两端至少要加为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V24V或或24V24V以上的直流电压。因为直流电平的响应快，不易产生干扰，以上的直流电压。因为直流电平的响应快，不易产生干扰，电路又简单，因而被广泛采用。但是这种电路所带电压高，电路又简单，因而被广泛采用。但是这种电路所带电压高，容易带有干扰，通常采用光电耦合器进行隔离。容易带有干扰，

6、通常采用光电耦合器进行隔离。 2022-3-2382 2）数字量输入接口）数字量输入接口 数字量输入接口包括数字量输入接口包括信号缓冲电路和接口地址译信号缓冲电路和接口地址译码。码。当当CPUCPU执行输入指令执行输入指令ININ时，接口地址译码电路产生片时，接口地址译码电路产生片选信号，将经过输入调理电路送来的过程状态（开关信选信号，将经过输入调理电路送来的过程状态（开关信号），通过输入缓冲器送到数据总线上，再送到号），通过输入缓冲器送到数据总线上，再送到CPUCPU中。中。 MOV DX, DI_PORT MOV DX, DI_PORT ；接口地址；接口地址DI_PORTDXDI_PORT

7、DXIN AL, DX IN AL, DX ；过程状态；过程状态ALAL寄存器寄存器设采用设采用PCPC总线，接口程序为：总线，接口程序为：2022-3-239I/OI/O接口的编址方式接口的编址方式输入输出接口有两种编址方式：输入输出接口有两种编址方式： I I0 0接口与存储器接口与存储器独立编址独立编址方式方式 I I0 0接口与存储器接口与存储器统一编址统一编址方式方式 2022-3-2310I/OI/O接口的编址方式接口的编址方式将存储器地址空间和将存储器地址空间和I IO O接口地址空间分开接口地址空间分开设置，互不影响。设置，互不影响。（一）（一）I I0 0接口与存储器接口与存

8、储器独立编址独立编址方式方式 独立编址方式是用微处理器的专用独立编址方式是用微处理器的专用I IO O指令来指令来访问外设的，如访问外设的，如IN(IN(输入输入) )和和OUT(OUT(输出输出) )指令来指令来实现的。实现的。 80868086微处理器的微处理器的I/OI/O接口是属于独立编址的。接口是属于独立编址的。M/IORDWR功能 M/IORDWR功能010000011111读读I/OI/O写写I/OI/O读存储器读存储器写存储器写存储器2022-3-2311I/OI/O接口的编址方式接口的编址方式优点：优点：）I IO O端口地址只用端口地址只用A0A0A7A7低低8 8位地位地

9、址总线，可寻址址总线，可寻址256256个端口，一般系统也已个端口，一般系统也已够用，够用，I IO O指令执行时间比较短，译码电路指令执行时间比较短，译码电路也比较简单，也比较简单， 2)2)由于使用专门的由于使用专门的I IO O指令，所编的程指令，所编的程序容易区分，比较清晰，序容易区分，比较清晰， 3)3)由于由于I IO O端口与存储器地址彼此分开，端口与存储器地址彼此分开，输入输出时容易安排应答联系信号，硬件设输入输出时容易安排应答联系信号，硬件设计也比较简单。计也比较简单。2022-3-2312 不足：不足：（1 1）专门）专门I IO O指令的功能有限，输入输出数指令的功能有限

10、，输入输出数据都必须经过累加器据都必须经过累加器A A，然后才能进行算术，然后才能进行算术逻辑运算，不如访问内存指令丰富，逻辑运算，不如访问内存指令丰富，（2 2）采用了专门的）采用了专门的I IO O周期和专门的周期和专门的I IO O控控制线，增加了微处理器本身控制逻辑的复制线，增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。杂性。I/OI/O接口的编址方式接口的编址方式2022-3-2313把所有的把所有的I I0 0端口都当作存储单元一样进行读端口都当作存储单元一样进行读写操作，每个外围设备的端口都给予相应的写操作，每个外围设备的端口都给予相应的一个或几个一个或几个1616位地址号。位地址号。 I

11、/OI/O接口的编址方式接口的编址方式（二）（二）I I0 0接口与存储器接口与存储器统一编址统一编址方式方式 Intel51Intel51系列、系列、9696系列单片机系列单片机就是采用就是采用I I0 0接接口与存储器口与存储器统一编址统一编址方式方式 2022-3-2314 统一编址方式的统一编址方式的优点优点：1)1)用于存储器存取的访内指令，也可以用于用于存储器存取的访内指令，也可以用于输入输出，对于输入输出，对于I IO O接口寄存器，数据处接口寄存器，数据处理能力强；理能力强；2)2)输入输出部分可以和存储器部分共用译码输入输出部分可以和存储器部分共用译码和控制电路；和控制电路；

12、3)CPU3)CPU无需产生区分访内操作及访问输入输出无需产生区分访内操作及访问输入输出操作的控制信号，可以相应减少引脚；操作的控制信号，可以相应减少引脚；4)I4)IO O端口数目几乎不受限制。端口数目几乎不受限制。 I/OI/O接口的编址方式接口的编址方式2022-3-2315 统一编址方式的统一编址方式的缺点缺点：1 1）每个）每个I IO O操作需全字长地址译码，整个指操作需全字长地址译码，整个指令执行时间较长；令执行时间较长；2 2）程序中较难区分）程序中较难区分I IO O操作；操作； 3 3）I IO O端口占用了存储空间地址。端口占用了存储空间地址。I/OI/O接口的编址方式接

13、口的编址方式2022-3-23162 . 2 . 数字量输出通道数字量输出通道 数字量输出通数字量输出通道的任务是把道的任务是把计算机输出的计算机输出的数字信号（或数字信号（或开关信号）传开关信号）传送给开关器件送给开关器件（如继电器或（如继电器或指示灯），控指示灯），控制它们的通、制它们的通、断或亮、灭，断或亮、灭，简称简称DODO通道。通道。 图图 7 74 4 数字量输出通道结构数字量输出通道结构 数字量输出通道主要由数字量输出通道主要由输出接口电输出接口电路和输出驱动电路路和输出驱动电路等组成。等组成。 DO接口电路接口电路2022-3-23171 1）数字量输出驱动电路）数字量输出驱

14、动电路 输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离，输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离，二是驱动开关器件。二是驱动开关器件。 低电压开关信号输出低电压开关信号输出 图图7 75 5 低电压开关输出低电压开关输出 图图7 76 6 三极管输出驱动三极管输出驱动 对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管、对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管、OCOC门或运放等方式输出。门或运放等方式输出。 2022-3-2318 继电器输出接口继电器输出接口 图图7 77 7 继电器输出驱动继电器输出驱动 一般在驱动大型设备一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为时，往往利用继电器作为控制系统

15、输出到输出驱动控制系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，通过第一级继电器输出，可可完成从低电压直流到高完成从低电压直流到高电压交流的过渡。电压交流的过渡。 晶闸管输出接口技术晶闸管输出接口技术 晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系统中，可作为大功率驱动器件，具有用较小功率控制大统中，可作为大功率驱动器件，具有用较小功率控制大功率、开关无触点等特点，功率、开关无触点等特点，在交直流电动机调速系统、在交直流电动机调速系统、调功系统、随动系统中有着广泛的应用。调功系统、随动系统中有着广泛的应用。 2

16、022-3-23192 2）数字量输出接口）数字量输出接口 数字量输出数字量输出(DO)(DO)接口包括输出锁存器和接口地址译接口包括输出锁存器和接口地址译码。当码。当CPUCPU执行输出指令执行输出指令OUTOUT时，接口地址译码电路产生时，接口地址译码电路产生写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的输写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的输出端，再经输出驱动电路送到开关器件。出端，再经输出驱动电路送到开关器件。 MOV ALMOV AL，DATA DATA ；DODO数据数据ALAL寄存器寄存器MOV DXMOV DX，DO_PORT DO_PORT ；接口地址；接口地址DO

17、_PORTDXDO_PORTDXOUT DXOUT DX，AL AL ；DODO数据数据锁存器的输出端锁存器的输出端设采用设采用PCPC总线，接口程序为：总线，接口程序为：2022-3-23207.3 7.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 问题问题3 3：模拟量输入通道的作用？模拟量输入通道的作用？ 问题问题4 4：模拟量输入通道的组成？模拟量输入通道的组成？ 2022-3-2321 1. 1. 模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成 图图7 78 8 模拟量输入通道的组成结构模拟量输入通道的组成结构 模拟量输入通道一般由模拟量输入通道一般由信号预处理信号预处理、多路转换器、多路转换

18、器、前置放大器前置放大器、采样保持器采样保持器、模模/ /数转换器和接口逻数转换器和接口逻辑电路辑电路等组成。其核心是模等组成。其核心是模/ /数转换器。数转换器。 7.3 7.3 模拟量输入通道模拟量输入通道2022-3-23222. 2. 模拟量输入通道中常用器件和电路模拟量输入通道中常用器件和电路 信号预处理信号预处理 信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信号进行处理。如将信号进行处理。如将4mA4mA20mA20mA或或0 010mA10mA电流信号电流信号变为电压信号，将热电阻变为电压信号，将热电阻(Pt100(Pt100或或Cu50)Cu

19、50)的电阻信号的电阻信号经过桥路变为电压信号等。经过桥路变为电压信号等。 无源无源I/VI/V变换变换 图图7 79 9 无源无源I/V I/V 变换电路变换电路 无源无源I/VI/V变换可以利用一变换可以利用一个的精密电阻，将个的精密电阻，将0 010mA10mA的电流信号转换为的电流信号转换为0 05V5V的电压信号。的电压信号。 2022-3-2323 有源有源I/VI/V变换变换 图图 7 710 10 有源有源I/VI/V变换电路变换电路 有源有源I/VI/V变换是利变换是利用有源器件运算放用有源器件运算放大器和电阻组成。大器和电阻组成。 利用利用0 010mA10mA电流在电阻电

20、流在电阻R R上产生的输入电压，若上产生的输入电压，若取取 ，则，则 时，产生时，产生2V2V的输入电压。的输入电压。该电路的放大倍数为该电路的放大倍数为 200RA10mI 1f1RRA 若若 ， ，则，则0 010mA10mA输入对输入对应于应于0 05V5V的电压输出。的电压输出。 kR0011K150f R2022-3-2324 多路转换器多路转换器 多路转换器又多路转换器又称多路开关，多称多路开关，多路开关的作用是路开关的作用是用来将各路被测用来将各路被测信号依次地或随信号依次地或随机地切换到公共机地切换到公共放大器或放大器或A/DA/D转换转换上。上。 C B A X接通接通 0

21、0 0 0 X0 0 0 0 1 X1 0 1 1 1 X7 1 全不通全不通INH 图图7 711 CD405111 CD4051原理图原理图 表表7 71 CD40511 CD4051通道选择表通道选择表 2022-3-2325 前置放大器前置放大器 前置放大器前置放大器的任务是将的任务是将模拟输入小模拟输入小信号放大到信号放大到转换的量程转换的量程范围之内。范围之内。 图图7 712 12 可变增益前置放大器可变增益前置放大器 2022-3-2326固定增益放大器：固定增益放大器：适用于信号范围固定的传感适用于信号范围固定的传感器。如器。如4 420mA20mA或或0 010mA10mA

22、的压力、流量变送器。的压力、流量变送器。可变增益放大器：可变增益放大器：适用于信号范围不固定的适用于信号范围不固定的传感器。如热电偶可分为传感器。如热电偶可分为BEJLRSBEJLRS或或T T等等类型，每种热电势范围不同，相应的放大器类型，每种热电势范围不同，相应的放大器增益也不一样。增益也不一样。2022-3-2327采样保持器采样保持器 HC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快快速充电，速充电，V VOUTOUT跟随跟随V VININ；保持期间，；保持期间，k k断开，由于断开，由于A A2 2的输的输入阻抗很高，理想入阻抗很高，理想情

23、况下情况下V VOUTOUT = =V VC C保持不变，采样保保持不变，采样保持器一旦进入保持持器一旦进入保持期，便应立即启动期，便应立即启动A/DA/D转换器，保证转换器，保证A/DA/D转换期间输入转换期间输入恒定。恒定。 图图7 714 14 集成采样保持器集成采样保持器LF398LF398的原理图的原理图 图图7 713 13 采样保持器的组成采样保持器的组成2022-3-2328问题问题5 5：为什么要加入采样保持器？为什么要加入采样保持器？孔径时间（孔径时间（A/DA/D转换时间）：转换时间）：完成一次完成一次A/DA/D转换所需的时间转换所需的时间孔径时间决定了每一个采样时刻的

24、最大转换误差。对于一孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。对于一定的转换时间，误差的百分数和信号频率成正比。定的转换时间，误差的百分数和信号频率成正比。 因此，如果被采样的模拟信号的变化频率相因此，如果被采样的模拟信号的变化频率相对于对于A/DA/D转换器的转换速度来说是较高的话，转换器的转换速度来说是较高的话，为了保证精度，就要在为了保证精度，就要在A/DA/D转换之前加上采转换之前加上采样保持器。样保持器。cos2cosmmduUtfUtdt2mufUtA/D2mUfU tA/D100%2100%mUftU2022-3-2329采样保持电路的使用场合：采样保持电路的使用场合：信号的变

25、化频率较高而信号的变化频率较高而A/DA/D转换速度又不高时；转换速度又不高时；要求同时采样多个过程参量的情况下；要求同时采样多个过程参量的情况下；对于石油、化工等变化缓慢的生产过程，采样对于石油、化工等变化缓慢的生产过程，采样保持电路是不必要的。保持电路是不必要的。2022-3-2330 A AD D转换器转换器 A/D A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间的接口。的接口。 分辨率：分辨率：通常用数字量的位数通常用数字量的位数n n（字长）来表示，

26、若（字长）来表示，若n n8 8，满量程输入为，满量程输入为5.12V5.12V，则，则LSBLSB对应于模拟电对应于模拟电压压 。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，即完成效的时间间隔，即完成 n n 位转换所需要的时间。位转换所需要的时间。 mV2/V12. 58A AD D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2022-3-2331线性误差：线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特性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。线性误差常用的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSBLSB的分数的分数

27、表示，如表示，如1/2LSB1/2LSB、1/4LSB1/4LSB等。等。转换量程：转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如所能转换的模拟量输入电压范围，如0 05V5V，0 010V10V，5V5V十十5V5V等。等。 转换精度：转换精度：绝对精度指满量程输出情况下模拟量输入绝对精度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；相对精度指在满量电压的实际值与理想值之间的差值；相对精度指在满量程已校准的情况下，整个转换范围内任一数字量输出所程已校准的情况下，整个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理想值之间的最大差对应的模拟量输入电压的实际值与理想值之间的最

28、大差值。转换精度用值。转换精度用LSBLSB的分数值来表示。的分数值来表示。 2022-3-2332A A与与D D的对应关系的对应关系nREFREFREFINVVVVB2 对于对于n位位A/D转换器输出的二进制数字量转换器输出的二进制数字量B与与模拟量输入电压模拟量输入电压VIN、正基准电压、正基准电压VREF+、负、负基准电压基准电压VREF-的关系为的关系为2022-3-2333练习练习 用用ADC0808ADC0808测量某罐温度，其温度波动范围测量某罐温度，其温度波动范围30305050，线性温度变送器输出，线性温度变送器输出0 05V5V，试求，试求测量该温度的分辨率。测量该温度的

29、分辨率。2022-3-23348 8位位A AD D转换器转换器 ADC0809 ADC0809 图图7 715 ADC080915 ADC0809的原理框图及引脚的原理框图及引脚 2022-3-23351212位位A AD D转换器转换器 AD574A AD574A 图图7 716 AD574A16 AD574A的原理框图及引脚的原理框图及引脚 2022-3-2336 A AD D转换器与计算机的接口转换器与计算机的接口 8 8位位A/DA/D转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口图图7 717 ADC080917 ADC0809与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控

30、制机接口 设设8255A8255A的的A A组和组和B B组都组都工作于方式工作于方式0 0，端口，端口A A为为输入口，端口输入口，端口C C上半部上半部分为输入而下半部分为分为输入而下半部分为输出口。输出口。uADC0809ADC0809的的ALEALE与与STARTSTART引脚相连接，将引脚相连接，将PC0PC0PC2PC2输出的输出的3 3位位地址锁存入地址锁存入08090809的地的地址锁存器并启动址锁存器并启动A/DA/D转转换；换；u ADC0809ADC0809的的EOCEOC同同OEOE输入控制端相连接，输入控制端相连接，当转换结束当转换结束时，开放数时，开放数据输出缓冲器

31、；据输出缓冲器；uEOCEOC信号还连接到信号还连接到8255A8255A的的C C口，口，CPUCPU通过通过查询查询PC7PC7的状态而控制数据的输入过程。的状态而控制数据的输入过程。 2022-3-2337根据图根据图7 71717接口方接口方法，采用法，采用查询方式查询方式完完成成8 8路模拟量数据采路模拟量数据采集的程序框图集的程序框图( (假设假设在主程序中已完成对在主程序中已完成对8255A8255A的初始化编程的初始化编程) )。 图图7 718 18 用用ADC0809ADC0809实现实现8 8路数据采集程序流程图路数据采集程序流程图2022-3-2338uCECE、 和和

32、 的控制通过的控制通过PC2PC0输出适当的控制信号实现。输出适当的控制信号实现。1212位位A/DA/D转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 uAD574AD574片内有时钟，无片内有时钟，无需外加时钟信号需外加时钟信号; ;。u该电路采用双极性输入该电路采用双极性输入方式，可对方式，可对5v5v或或10v10v模拟信号进行转换模拟信号进行转换; ;u1212 控制引脚和控制引脚和V VLOGICLOGIC相连相连, ,接接+5v;+5v;8CSCR/图图7-19 AD574A7-19 AD574A与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 设设8255A的的A

33、组和组和B组都组都工作于方式工作于方式0，端口，端口A、B和端口和端口C上半部分规定上半部分规定为输入，端口为输入，端口C的下半部的下半部分规定为输出。分规定为输出。uA0接地，使工作于接地，使工作于12位转换和读出方式位转换和读出方式;2022-3-2339通过图通过图7 71919硬件硬件接口，在查询方式接口，在查询方式下，启动和读取数下，启动和读取数据的程序框图。假据的程序框图。假定已完成对定已完成对8255A8255A的初始化编程。的初始化编程。 图图7 720 20 启动和读取启动和读取AD574AAD574A数据程序流程图数据程序流程图 2022-3-2340A/DA/D转换器接口

34、设计的注意事项转换器接口设计的注意事项 启动启动A/DA/D转换的方法。转换的方法。 A/DA/D转换器的起动方式分为自动转换和外部使能控转换器的起动方式分为自动转换和外部使能控制。多数制。多数A/DA/D芯片属于后者，这时要先给出芯片属于后者，这时要先给出A/DA/D转换器转换器的片选信号，再给出启动转换信号。信号形式有两种：的片选信号，再给出启动转换信号。信号形式有两种：电平启动信号和脉冲启动信号。电平启动信号和脉冲启动信号。电平启动信号要求在电平启动信号要求在整个转换过程中都必须保证启动信号有效。如果中途整个转换过程中都必须保证启动信号有效。如果中途撤走启动信号，就会停止转换而得到错误结

35、果。脉冲撤走启动信号，就会停止转换而得到错误结果。脉冲信号启动是用其前沿复位信号启动是用其前沿复位ADCADC，后沿用于启动转换，对，后沿用于启动转换，对脉冲的宽度也有不同的要求，通常用脉冲的宽度也有不同的要求，通常用CPUCPU执行输出指令执行输出指令时发生的片选信号和写信号共同产生启动脉冲。时发生的片选信号和写信号共同产生启动脉冲。2022-3-2341 模拟量输入方式。模拟量输入方式。 A/DA/D转换器的输入模拟电压可以是单极性的，也可转换器的输入模拟电压可以是单极性的，也可以是差动的。差动输入的芯片，如以是差动的。差动输入的芯片，如ADC0804ADC0804，常用，常用VIN(+)

36、VIN(+)、VIN(-)VIN(-)或或IN(+)IN(+)、IN(-)IN(-)一类标号注明输一类标号注明输入端。如果用单端输入的是正向信号，则把入端。如果用单端输入的是正向信号，则把VIN(-)VIN(-)接地，信号加到接地，信号加到VIN(+)VIN(+)端；如果用单端输入的是端；如果用单端输入的是负向信号，则把负向信号，则把VIN(+)VIN(+)接地，信号加在接地，信号加在VIN(-)VIN(-)端；端；如果用差动输入，则模拟信号加到如果用差动输入，则模拟信号加到VIN(-)VIN(-)端和端和VIN(+)VIN(+)端之间。端之间。2022-3-2342 数据输出级和系统总线的连

37、接。数据输出级和系统总线的连接。 A/DA/D转换器一般有两种输出方式。一种是具有可控的三转换器一般有两种输出方式。一种是具有可控的三态输出门，这种芯片的输出端可以直接和系统总线连接，态输出门，这种芯片的输出端可以直接和系统总线连接，由读信号控制三态门，在转换结束后，由读信号控制三态门，在转换结束后，CPUCPU通过执行一通过执行一条指令，从而产生读信号，将数据从条指令，从而产生读信号，将数据从A/DA/D转换器中取出，转换器中取出，如如ADC0809ADC0809。另一种是内部有三态输出门，但其不受外。另一种是内部有三态输出门，但其不受外部控制，而是由部控制，而是由A/DA/D转换电路在转换

38、结束时自动选通。转换电路在转换结束时自动选通。此外，还有某些此外，还有某些A/DA/D转换器甚至根本没有三态输出门电转换器甚至根本没有三态输出门电路。在这种情况下，路。在这种情况下，A/DA/D转换器的数据输出线不能直接转换器的数据输出线不能直接和系统的数据总线相连，而是必须通过和系统的数据总线相连，而是必须通过I/OI/O接口来实现接口来实现A/DA/D转换器和转换器和CPUCPU之间的数据传输。之间的数据传输。 2022-3-2343 ADCADC和和CPUCPU的时序配合。的时序配合。 在在A/DA/D转换器和转换器和CPUCPU连接时，最重要的问题是时连接时，最重要的问题是时序配合问题

39、。序配合问题。A/DA/D转换器从接到启动命令到完成转换器从接到启动命令到完成转换给出结果数据总是需要一定的转换时间，转换给出结果数据总是需要一定的转换时间，一般来说快者几微秒，慢者几十甚至几百毫秒，一般来说快者几微秒，慢者几十甚至几百毫秒，这与这与CPUCPU的指令周期相比长得多。为了得到正确的指令周期相比长得多。为了得到正确的转换结果，必须解决启动转换和读取结果数的转换结果，必须解决启动转换和读取结果数据这两步操作之间的时序配合问题。据这两步操作之间的时序配合问题。2022-3-2344 a. a.延时等待法。延时等待法。 CPUCPU产生启动信号后，在软件上延时一段产生启动信号后，在软件

40、上延时一段时间后，直接读取转换结果。通常软件延时的时间后，直接读取转换结果。通常软件延时的时间略大于时间略大于A/DA/D转换所需的转换时间。这种方法转换所需的转换时间。这种方法接口简单，但等待时间内接口简单，但等待时间内CPUCPU不能去做其它的工不能去做其它的工作，浪费了作，浪费了CPUCPU的资源，因此这种方法比较适用的资源，因此这种方法比较适用于转换快的于转换快的A/DA/D转换器。转换器。2022-3-2345b.b.查询法。查询法。 当读取转换结果数据的实时性要求不是当读取转换结果数据的实时性要求不是很高时，可以采用查询的方法。启动很高时，可以采用查询的方法。启动A/DA/D转换转

41、换后，在适当的时候再去查询后，在适当的时候再去查询A/DA/D转换结束信号转换结束信号的状态，以判断转换是否结束。如果转换结束，的状态，以判断转换是否结束。如果转换结束，对对ADCADC执行一条输入指令，读取转换结果；如执行一条输入指令，读取转换结果；如果转换没有结束，可以去执行其它任务或等待果转换没有结束，可以去执行其它任务或等待进行下一次的查询。进行下一次的查询。 2022-3-2346 c. c.中断响应法。中断响应法。 CPUCPU向向ADCADC发出启动转换信号后，在等待转换完发出启动转换信号后，在等待转换完成的时间内，可以继续执行其它任务，当转换结成的时间内，可以继续执行其它任务，

42、当转换结束时，束时，ADCADC发出的转换结束信号向发出的转换结束信号向CPUCPU申请中断，申请中断，CPUCPU响应中断，在中断服务程序中读取转换结果。响应中断，在中断服务程序中读取转换结果。 2022-3-23473. 3. 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计 如果模拟输入电压已满足如果模拟输入电压已满足A/DA/D转换量程要求，就不必再转换量程要求，就不必再 用前置放大器，前置放大器可分为固定增益和可变增益两用前置放大器，前置放大器可分为固定增益和可变增益两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器范围不固定

43、的传感器 ；如果在如果在A/DA/D转换期间，模拟输入电压信号变化微小，且在转换期间，模拟输入电压信号变化微小，且在A/DA/D转换精度之内，也就不必选用转换精度之内，也就不必选用采样保持器采样保持器。A/DA/D转换器位数的选择转换器位数的选择主要取决于系统测量精度。主要取决于系统测量精度。A/DA/D转换器的转换时间转换器的转换时间或转换速率的选择取决于使用对象。或转换速率的选择取决于使用对象。采样保持器采样保持器(S/H)(S/H)的选用的选用取决于测量信号的变化频率，原取决于测量信号的变化频率，原则上直流信号或变化缓慢的信号可以不用采样保持器。则上直流信号或变化缓慢的信号可以不用采样保

44、持器。 2022-3-2348问题问题6 6：如何确定如何确定A/DA/D转换器位数？转换器位数？ 输入信号的动态范围输入信号的动态范围设输入信号的最大值和最小值分别为设输入信号的最大值和最小值分别为 (mV) 2 (mV) )12(0minmax xxn式中式中n n为为A/DA/D转换器的位数，转换器的位数， 为转换当量，则动态范围为为转换当量，则动态范围为 12minmax nxx因此，因此，A/DA/D转换器位数为转换器位数为 minmax21logxxn2022-3-2349 输入信号的分辨率输入信号的分辨率 有时对有时对A/DA/D转换器的位数要求以分辨率形式给出，其定义为转换器的

45、位数要求以分辨率形式给出，其定义为 121 nD如果所要求的分辨率为如果所要求的分辨率为D D0 0，则位数，则位数 0211logDn例如，某温度控制系统的温度范围为例如，某温度控制系统的温度范围为00至至200200，要求分，要求分辨率为辨率为0.0050.005（相当于（相当于11），可求出），可求出A/DA/D转换器的位数转换器的位数 65. 7005. 011log11log202 Dn因此，取因此，取A/DA/D转换器的位数转换器的位数n n为为8 8位。位。2022-3-2350 图图7 721 821 8通道通道1212位位A/DA/D转换模板转换模板 以以PC总线工业控制机的

46、模拟量输入通道模板设计为例。总线工业控制机的模拟量输入通道模板设计为例。单极性单极性010V12位分辨率位分辨率转换时间转换时间s25程序查程序查询工作询工作方式方式2022-3-2351该模板采集一组数据的过程如下：该模板采集一组数据的过程如下：（1 1）通道选择）通道选择将模拟量输入的通道号写入将模拟量输入的通道号写入8255A8255A的端口的端口C C低低4 4位，使位，使LF398LF398的工作状态受的工作状态受AD574AAD574A的的STSSTS控制，控制，A/DA/D未转换期间，未转换期间， LF398LF398处于采样状态。处于采样状态。（2 2）启动）启动AD574AA

47、D574A进行进行A/DA/D转换转换通过通过8255A8255A的端口的端口C C的的PC4PC4PC6PC6输出控制信号启动输出控制信号启动A/DA/D。在。在A/DA/D转换期间，转换期间， ，LF398LF398处于保持状态。处于保持状态。（3 3）查询）查询AD574AAD574A是否转换结束是否转换结束读读8255A8255A的端口的端口A A，了解，了解STSSTS是否已由高电平变为低电平。是否已由高电平变为低电平。（4 4）读取转换结果）读取转换结果若查询到若查询到STSSTS由由1 1变为变为0 0，则读，则读8255A8255A的端口的端口A A和和B B，便可得到转，便可

48、得到转换结果。换结果。 1STS 0STS 2022-3-2352模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计多路数据采集系统设计多路数据采集系统设计传感器传感器传感器采样保持器A/D数字多路开关采样保持器采样保持器A/DA/D转换后的二转换后的二进制数据进制数据送入计算送入计算机机转换命令转换命令问题问题7 7：多路信号采用多个多路信号采用多个A/DA/D要求同时采样同时转换要求同时采样同时转换2022-3-2353模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计传感器传感器传感器采样保持器A/D转转换换器器模拟多路开关采样保持器采样保持器转换后的二转换后的二进制数据进制数据送入计算送入计算机机转换命令转换命令

49、问题问题8 8：多路信号要求同时采样只用一个多路信号要求同时采样只用一个A/DA/D？提问：提问：与前图在与前图在A/D的选择上的选择上有何区别？有何区别？2022-3-2354模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计传感器传感器传感器采样保持器A/D转转换换器器模拟多路开关转换后的二转换后的二进制数据进制数据送入计算送入计算机机转换命令转换命令问题问题9 9：多路信号的采集不能同时进行？多路信号的采集不能同时进行？2022-3-2355功能：功能：把计算机的运算结果转换成模拟量，并输把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构出到被选中的某一控制回路上，完成对执

50、行机构的控制动作。的控制动作。组成：组成：D DA A转换器、输出保持器、转换器、输出保持器、V/IV/I变换、功变换、功放电路。放电路。输出保持器的作用：输出保持器的作用：将前一采样时刻的输出信号将前一采样时刻的输出信号保持到下一个采样时刻，重新得到新的输出信号。保持到下一个采样时刻，重新得到新的输出信号。 输出保持方案：输出保持方案：数字量保持方案；模拟量保持方数字量保持方案；模拟量保持方案。案。7.4 7.4 模拟量输出通道模拟量输出通道2022-3-23567.4 7.4 模拟量输出通道模拟量输出通道为什么要用输出保持器？为什么要用输出保持器？经过经过D/AD/A转换器后的信号是离散的

51、模拟信号，转换器后的信号是离散的模拟信号，而执行部件却要求连续的模拟信号，因此，必而执行部件却要求连续的模拟信号，因此，必须用保持器将前一时刻的输出信号保持至下一须用保持器将前一时刻的输出信号保持至下一个采样时刻到来。个采样时刻到来。0t0T 2T 3T零阶保持器( )hu t( )hu t*( )u t*( )u ttT 2T 3T2022-3-23571 1模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式（1 1）多个通路设置独立）多个通路设置独立D/AD/A转换器的结构形式。这是一种数字转换器的结构形式。这是一种数字保持方案。保持方案。（2 2）多个通路共享）多个通路共享D/AD/A转换

52、器的结构形式。这种形式采用的是转换器的结构形式。这种形式采用的是模拟保持方案。模拟保持方案。转换速度快、转换速度快、工作可靠。工作可靠。 只适用于通路数量多只适用于通路数量多且速度要求不高的场且速度要求不高的场合，可靠性较差。合，可靠性较差。 2022-3-23582 2 模拟量输出通道中常用器件和电路模拟量输出通道中常用器件和电路 D/AD/A转换器转换器 D/AD/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它是转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统之间的接口。之间的接口。D/AD/A转换器的主要技术指标转

53、换器的主要技术指标分辨率：分辨率： D/AD/A转换器的分辨串定义为基准电压转换器的分辨串定义为基准电压 与与 之比值，其中之比值，其中n n为为D/AD/A转换器的位数。转换器的位数。REFVn2稳定时间：稳定时间：输入二进制数变化量是满刻度时，输入二进制数变化量是满刻度时，输出达到离终值输出达到离终值 时所需的时间。时所需的时间。LSB 2/1 2022-3-2359转换精度：转换精度：其中绝对精度是指输入满刻度数字量时，其中绝对精度是指输入满刻度数字量时，D/AD/A转换器的实际输出值与理论值之间的最大偏差；转换器的实际输出值与理论值之间的最大偏差；相对精度是指在满刻度己校准的情况下，整

54、个转换相对精度是指在满刻度己校准的情况下，整个转换范围内对应于任一输入数据的实际输出值与理论值范围内对应于任一输入数据的实际输出值与理论值之间的最大偏差。转换精度用最低有效位之间的最大偏差。转换精度用最低有效位LSBLSB的分数的分数来表示，如土来表示，如土1/2 LSB1/2 LSB、土、土1/4 LSB1/4 LSB等。等。 线性度：线性度：理想的理想的D/AD/A转换器的输入输出特性应是线转换器的输入输出特性应是线性的。在满刻度范围内，实际特性与理想特性的最性的。在满刻度范围内，实际特性与理想特性的最大偏移称为非线性度，用大偏移称为非线性度，用LSBLSB的分数来表示，如土的分数来表示，

55、如土1/2 LSB1/2 LSB、土、土1/4 LSB1/4 LSB等。等。 2022-3-2360 8 8位位D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832图图7 724 DAC083224 DAC0832的内部结构图的内部结构图 2022-3-2361 图图7 725 DAC121025 DAC1210内部结构图内部结构图 1212位位D/AD/A转换器转换器DAC1210DAC12102022-3-2362 D/A D/A转换器与计算机的接口转换器与计算机的接口 8 8位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 图图7 726 DAC083226

56、DAC0832与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 uDAC0832DAC0832工作在单缓冲工作在单缓冲寄存器方式；寄存器方式；uDAC0832DAC0832将输入的数字将输入的数字量转换成差动的电流输出，量转换成差动的电流输出，经过运算放大器经过运算放大器A A，将形，将形成单极性电压输出成单极性电压输出0 05V5V； u若要形成负电压输出，若要形成负电压输出，则需接正的基准电压。则需接正的基准电压。 u将数字量转换后得到的将数字量转换后得到的输出电流通过内部反馈电输出电流通过内部反馈电阻流到放大器的输出端。阻流到放大器的输出端。2022-3-2363图图7 727 27 用用DAC0832DAC0832实现实现8 8位位D/AD/A转换程序框图转换程序框图 配合图配合图7 72626硬件接口，硬件接口，8 8位位D/AD/A转换程序框图转换程序框图如图。如图。2022-3-23641212位位D/AD/A转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 图图 7 728 DAC121028 DAC1210转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 端口地址译码端口地址译码器译器译 、 、 三个口地三个口地址，这三个口址，这三个口地址用来控制