微型计算机控制技术3

第3章过程通道和数据采集系统3.1概述3.2模拟量输入通道3.3D/A与A/D转换技术3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口3.5数据采集系统3.6模拟量输出通道3.7过程通道的抗干扰能力3.1概述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，并把控制信号转换成被控对象所能接收的信息形式传输给被控对象。因此，I/O通道起到了CPU和被控对象之间的信息传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，如下图。3.1.1过程通道的组成和功用3.1概述图3-1I/O通道组成本章重点讲述模拟量输入通道和模拟量输出通道。3.1概述3.1.2信号转换中的采样、量化和编码外部被控对象的测量参数经测量装置测得的模拟电信号，首先要经过A/D转换器进行采样、量化和编码后，变成计算机内通用的数字信号，才能正确的被计算机接收和处理。1、采样过程所谓采样过程(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。见图3-23.1概述图3-2模拟信号采样过程采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的。采样信号若要正确的恢复出原始信号需要满足香农采样定理。3.1概述2、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。见图3-3图3-3量化过程3.1概述3、编码不同计算机系统识别的数值编码可能不同，需要对A/D转换的信息正确进行编码。如：双极性编码、偏移二进制码、补码等。3.2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A／D转换器的结构形式，其组成方框图如图3-4所示。图3-4模拟量输入通道3.2模拟量输入通道3.2.1模拟量输入通道的一般组成由图3-4可知模拟量输入通道主要由信号处理、采样单元、采样保持器、放大器及A/D转换器等组成。1、信号处理单元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。2、采样单元采样单元也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(0～40mV)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。3.2模拟量输入通道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、场效应管开关和光电耦合开关。3.2模拟量输入通道3、采样保持电路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。4、放大器采样单元或经采样保持电路后的被测电压信号通常是0～40mV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。5、A/D转换器A/D转换器是模拟量输入通道的核心部分。3.2模拟量输入通道3.2.2多路转换开关理想多路开关性能：开路电阻无穷大，接通电阻等于零，切换速度快，噪声小，寿命长，工作可靠。机械触电式（如干簧继电器、机械振子式继电器），目前较少使用。电子式开关（晶体管、场效应管及集成电路开关）等，较为常用。如CD4051、CD4052等。3.2模拟量输入通道3.2.3可编程放大器可编程放大器是一种通用性强的高级放大器，可以根据需要用程序来改变它的放大倍数，而采用一般放大器则对不同信号放大时存在不足，对小信号放大不够，对大信号放大可能超过其范围。目前仪表行业中较常用的是仪表放大器，精度高，共模抑制能力强、漂移小等优点。3.2.4采样与保持器为了消除模拟采样信号连续变化引起的A/D转换误差，一般需要在A/D转换前设计采样保持器。3.3D/A与A/D转换技术3.3.1D/A转换的原理D/A转换器是把数字量转换成模拟量的器件，它是模拟量输出通道的重要组成部分。同时也是许多种A/D转换器中的重要组成部分。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。还有并行数据是二进制数或二一十进制数之别。并行D／A转换器转换速度快，应用较多。串行D／A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。3.3D/A与A/D转换技术1、并行D/A转换器的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，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，这样，得到的总的模拟量就与数字量成正比的模拟量，实现了D/A转换。按上述原理构成的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（P46图3-11）和T型电阻网络（P46图3-12）3.3D/A与A/D转换技术3.3D/A与A/D转换技术2、串行D/A转换器的原理

串行D／A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。采用步进电动机的D／A转换器的原理框图如图。3.3D/A与A/D转换技术3.3.2A/D转换原理微型计算机控制系统中常采用中、低速的A/D转换器，目前用的主要分为计数式、双积分式和逐次逼近式三种。第一种基本淘汰，第二种精度较高，第三种精度和转换速度较好，采用较多。1、计数式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。3.3D/A与A/D转换技术2、双积分式A/D转换器如图所示，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。3.3D/A与A/D转换技术3、逐次逼近式A/D转换器逐次次逼近式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。3.3D/A与A/D转换技术3.3D/A与A/D转换技术3.3.3A/D与D/A转换器的主要技术指标一、A/D转换器的主要技术指标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.量程量程是指所能转换的电压范围。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。3.3D/A与A/D转换技术4．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一40~85℃，较差的为0～70℃。二、D/A转换器的主要技术指标1．分辨率3.3D/A与A/D转换技术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2N2．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。3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口3.4.18位A/D转换器ACD0808／0809是单片双列直插式集成电路芯片，是8通路8位A／D转换器。1、电路组成及转换原理

逐次逼近式A/D转换器是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的方法，逻辑框图如图所示。3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口其原理框图如图3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口2、ADC0808/0809的引脚及功能

ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。其引脚结构如图所示。引脚结构：（1）IN7~IN0：8条模拟量输入通道（2）地址输入和控制线：4条（3）数字量输出及控制线：11条（4）电源线及其他：5条3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口表被选通道和地址的关系3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口3.4.212位A/D转换器AD574是一个完整的12位逐次逼近式带三态缓冲器的A/D转换器，它可以直接与8位或6位微型机总线进行接口。AD574是由两个大规模集成电路组成的。1．AD574的电路组成AD574的原理框图如下图所示。由图下可见，AD574由模拟芯片和数字芯片两部分组成。3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口2.引脚功能AD574为28脚双列直插式封装，引脚排列如图所示。结构特点①AD574内部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，因此使用方便，可直接和微机接口，不需要外接时钟电路。②ADC0809的输入模拟电压为0～+5V，是单极性的。而AD574的输入模拟电压既可是单极性也可是双极性。③AD574的数字量的位数可以设定为8位，也可设定为12位。3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口3.4.3A/D转换器与系统的连接及举例1、与系统的连接信号A/D转换器对外的连接信号，有下列几类：模拟输入信号、数据输出信号、启动转换信号和转换结束信号及数据的读取。A/D转换器和系统连接时，就要考虑这些信号的连接问题：（1）输入模拟电压的连接；（2）数据输出和系统总线的连接；（3）A/D转换启动信号。A/D转换器是在CPU控制下工作的，即由CPU发出启动转换信号。启动信号有电平启动和脉冲启动两种方式。3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口CPU一般可以采用3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取。第一种是程序查询方式。第二种是中断方式。第三种是固定的延迟程序方式。2、A/D转换器与系统连接举例（1）8位A/D转换器ADC0808/0809和CPU的连接

如图所示，试用查询和中断两种方式编写程序，对IN5通道上的数据进行采集，并将转换结果送入内部RAM20H单元。3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口解：中断方式程序清单： ORG 0000H MOV DPTR，#7FF5H MOVX @DPTR，A ；启动A/D转换 SETB EA SETB EX1 ；开外中断1 SETB IT1 ；外中断请求信号为下跳沿触发方式LOOP： SJMP LOOP ；等待中断 END中断服务程序：ORG 0013H ；外中断1的入口地址LJMP 1000H ；转中断服务程序的入口地址ORG 1000HMOVX A，@DPTR ；读取A/D转换数据MOV 20H，A ；存储数据RETI ；中断返回3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口查询方式程序清单：ORG 0000HMOV DPTR，#7FF5HMOVX @DPTR，A ；启动A/D转换LOOP： JB P3.3，LOOP ；等待转换结束MOVX A，@DPTR ；读取A/D转换数据MOV 20H，A ；存储数据END3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口例如图所示，试编程对8个模拟通道上的模拟电压进行一遍数字采集，并将采集结果送入内部RAM以30H单元为始地址的输入缓冲区。3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口解：从图中可以看出，接线方式为中断方式ADDA、ADDB和ADDC三端接8031的P0.0、P0.1和P0.2，故通道号是通过数据线来选择。程序清单：ORG 0000HMOV R0，#30H ；数据区始地址送R0MOV R7，#08H ；通道数送R7MOV R6，#00H ；IN0地址送R6MOV IE，#84H ；开中断SETB IT1 ；外中断请求信号为下跳沿触发方式MOV R1，#0F0H ；送端口地址到R1MOV A，R6 ；IN0地址送AMOVX @R1，A ；启动A/D转换LOOP： SJMP LOOP ；等待中断END中断服务程序：ORG 0013H ；外中断1的入口地址AJMP 1000H ；转中断服务程序的入口地址ORG 1000HMOVX A，@R1 ；读入A/D转换数据MOV @R0，A ；将转换后的数据存入数据区INC R0 ；数据区指针加1INC R6 ；模拟通道号加1MOV A，R6 ；新的模拟通道号送AMOVX @R1，A ；启动下一通道的A/D转换DJNZ R7，LOOP1 ；8路采样未结束，则转向LOOP1CLR EX1 ；8路采样结束，关中断LOOP1： RETI ；中断返回3.4单片A/D转换器及其微处理器的接口（2）12位A/D与微机连接下图表示出了AD574与8031单片机的接口电路。例2.7在右图中，试编写程序，使AD574进行12位A/D转换，并把转换后的12位数字量存入内部20H和21H单元。设20H单元存放高8位，21H单元存放低4位。作业1：编写程序3.5数据采集系统3.5.1多路模拟开关1.CD4051CD4051是单边8通道多路调制器/多路解调器。其引脚结构如图所示。图中，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/OUT0~7及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。其真值表如表所示。3.5数据采集系统2.多路转换开关的扩展当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联起来，组成8×2或16×2的多路开关。下面以CD4051为例说明多路开关的扩展方法。两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法，如图所示。用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图3.5数据采集系统3.5.2采样保持器随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采样/保持器。如用于一般目的有AD582、AD583、LF198/398等；用于高速的有THS-0025、THS-0060、THC-0030、THC-1500等；用于高分辨率的有SHA1144、ADC1130等。3.6模拟量输出通道3.6.1典型的D/A转换器芯片DAC0832

1.DAC0832内部结构

DAC0832内部由三部分电路组成，如图所示。3.6模拟量输出通道2.引脚功能DAC0832芯片为20引脚，双列直插式封装。其引脚排列如图所示。（1）数字量输入线D7~D0（8条）（2）控制线（5条）（3）输出线（3条）（4）电源线（4条）3.6模拟量输出通道3.DAC0832的技术指标（1）分辨率 8位（2）电流建立时间 1µS（3）增益温度系数 0．0002％FS/℃（4）低功耗 20mW（5）单一电源 +5~+15V因DAC0832是电流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，Rf为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图所示。3.6模拟量输出通道3.6.2MCS-51和D/A转换器的接口

一、DAC0832的应用

1.单极性输出在需要单极性输出的情况下，可以采用图所示接线。3.6模拟量输出通道2.双极性输出

在需要双极性输出的情况下，可以采用如图所示接线。运算放大器OA2的作用是将运算放大器OA１的单向输出转变为双向输出，用右图来表示其双向输出状态。3.6模拟量输出通道二、

MCS-51和8位DAC的接口

1、直通方式3.6模拟量输出通道2.单缓冲方式所谓的单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入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。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出。单缓冲方式接线如图所示。3.6模拟量输出通道例：DAC0832用作波形发生器。试根据上图接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序，产生的波形如下图所示。3.6模拟量输出通道解：由图可以看出，DAC0832采用的是单缓冲单极性的接线方式，它的选通地址为7FFFH。锯齿波程序：ORG 0000HMOV DPTR，#7FFFH ；输入寄存器地址CLR A ；转换初值LOOP：MOVX@DPTR，A ；D/A转换INC A；转换值增量NOP ；延时NOPNOPSJMP LOOPEND三角波程序：ORG 0100HCLR AMOV DPTR，#7FFFHDOWN： MOVX@DPTR，A ；线性下降段INC AJNZ DOWNMOV A，#0FEH ；置上升阶段初值UP： MOVX@DPTR，A ；线性上升段DEC AJNZ UPSJMP DOWNEND方波程序：ORG 0200HMOV DPTR，#7FFFHLOOP：MOV A，#33H ；置上限电平MOVX @DPTR，AACALL DELAY ；形成方波顶宽MOV A，#0FFH ；置下限电平MOVX @DPTR，AACALL DELAY ；形成方波底宽SJMP LOOPEND3.6模拟量输出通道3.双缓冲方式

所谓双缓冲方式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。双缓冲方式DAC0832的连接如图所示。3.6模拟量输出通道例：DAC0832用作波形发生器。试根据上图接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序，产生的波形如图所示。作业2：编写该题目程序例：X-Y绘图仪与双片DAC0832接线如下图所示。设8031内部RAM中有两个长度为30H的数据块，其起始地址分别为20H和60H，请根据图编出能把20H和60H中的数据分别从1#和2#DAC0832输出，并根据所给数据绘制出一条曲线。作业3：编写对应程序3.6模拟量输出通道三、

MCS-51和12位DAC的接口

DAC1208的内部结构和引脚结构DAC1208的内部结构和引脚结