計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)課件王平謝昊飛蔣建春等編著第五章過程輸入輸出通道技術(shù).ppt

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在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng) 教材其余課件及動(dòng)畫素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng) QQ 349134187或者直接輸入下面地址 第五章過程輸入輸出通道接口技術(shù) 過程輸入輸出通道是計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過程相互交換信息的橋梁 根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳遞方向 過程輸入輸出通道包括模擬量輸入通道 模擬量輸出通道 數(shù)字量 開關(guān)量 輸入通道和數(shù)字量 開關(guān)量 輸出通道 5 1過程輸入輸出通道的組成與功能 5 2過程輸入輸出通道的控制方式 5 2 l過程輸入輸出通道與CPU交換的信息類型過程輸入輸出通道與CPU交換的信息類型有三種 1 數(shù)據(jù)信息 反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)及狀態(tài)的信息 它包括數(shù)字量 開關(guān)量和模擬量 2 狀態(tài)信息 又叫協(xié)議信息 如應(yīng)答信息 握手信息 它反映過程通道的狀態(tài) 如準(zhǔn)備就緒信號(hào) 3 控制信息 用來控制過程通道的啟動(dòng)和停止等信息 如三態(tài)門的打開和關(guān)閉 觸發(fā)器的啟動(dòng)等 在過程輸入輸出通道中 必須設(shè)置一個(gè)與CPU聯(lián)系的接口電路 傳送數(shù)據(jù)信息 狀態(tài)信息和控制信息 5 2 2過程通道的編址方式由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般都有多個(gè)過程輸入輸出通道 因此需對(duì)每一個(gè)過程輸入輸出通道安排地址 過程通道編址方式有兩種 1 過程通道與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式這種編址方式又稱存儲(chǔ)器映像方式 它從存貯器空間劃出一部分地址空間給過程通道 把過程通道的端口當(dāng)作存貯單元一樣進(jìn)行訪問 對(duì)I O端口進(jìn)行輸入輸出操作跟對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫操作方式相同 只是地址不同 2 過程通道與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式這種編址方式將過程通道的端口地址單獨(dú)編址 有自己獨(dú)立的過程通道地址空間 而不占用存儲(chǔ)器地址空間 在過程通道地址空間中 每一個(gè)過程通道的端口有一個(gè)唯一對(duì)應(yīng)的過程通道的端口地址 這種獨(dú)立編址方式要求CPU有專用的I O指令 IN及OUT指令 用于CPU與過程通道端口之間的數(shù)據(jù)傳輸 地址總線配合存儲(chǔ)器操作信號(hào)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的訪問控制 地址總線與I O操作信號(hào)配合則可訪問過程通道 實(shí)現(xiàn)這種編址方式的CPU分別有存儲(chǔ)器訪問和I O訪問的指令及相應(yīng)的控制信號(hào) 編址方式的比較統(tǒng)一編址的最大優(yōu)點(diǎn)是無需專門的I O指令 從而簡(jiǎn)化了指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 并能省去相應(yīng)的I O操作的對(duì)外引線 而且CPU可直接對(duì)I O數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算 指令豐富 統(tǒng)一編址的不足之處在于I O端口地址占用了一部分存儲(chǔ)器空間 另外訪問內(nèi)存的指令長(zhǎng)度一般比專用的I O指令長(zhǎng) 因而取指周期較長(zhǎng) 又多占了指令字節(jié) 5 2 3CPU對(duì)過程通道的控制方式計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備及過程通道種類繁多 它們的傳送速率又很不相同 因此輸入輸出產(chǎn)生復(fù)雜的定時(shí)問題 也就是CPU采用什么控制方式向過程通道輸入和輸出數(shù)據(jù) 常用的控制方式有三種 程序查詢方式 中斷控制方式和直接存儲(chǔ)器存取 DMA 方式 1 程序查詢方式 采用中斷控制方式時(shí) CPU與I O通道處于并行工作方式 當(dāng)CPU與I O通道需要傳送數(shù)據(jù)時(shí) 過程通道作好準(zhǔn)備后 主動(dòng)向CPU請(qǐng)求中斷 CPU響應(yīng)這一請(qǐng)求 并暫停正在運(yùn)行的程序 一般用優(yōu)先級(jí)來解決中斷響應(yīng)的先后順序問題 DMA方式是一種完全由硬件完成輸入輸出操作的工作方式 在這種方式下 I O通道和存儲(chǔ)器之間不通過CPU而直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 2 中斷控制方式 3 直接存儲(chǔ)器存取 DMA 方式 所謂 可編程接口 是指其功能可由程序指令 接口芯片功能設(shè)定的初始化程序 設(shè)定接口芯片的功能 故接口的設(shè)計(jì)與應(yīng)用除了合理選擇 接口芯片進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)外 還應(yīng)包括對(duì)接口芯片的功能初始化程序和接口程序的分析與設(shè)計(jì) CPU對(duì)過程通道的控制方式比較 程序查詢方式的主要優(yōu)點(diǎn)是能保證主機(jī)與輸入輸出通道之間協(xié)調(diào)工作 主要缺點(diǎn)是重復(fù)查詢輸入輸出通道是否 準(zhǔn)備就緒 從而浪費(fèi)了CPU的時(shí)間 過程通道需要傳送數(shù)據(jù)時(shí)就向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào) 實(shí)時(shí)性比程序查詢方式好 主要缺點(diǎn) 由于為了能接受中斷請(qǐng)求信號(hào) CPU內(nèi)部需要有一些線路來控制 另外采用中斷控制方式時(shí) 每傳送一次數(shù)據(jù)就要中斷一次CPU原來的運(yùn)行 CPU響應(yīng)中斷后 每次都要執(zhí)行 中斷處理程序 而且在其中都要保護(hù)斷點(diǎn) 恢復(fù)斷點(diǎn) 浪費(fèi)了很多不必要的CPU時(shí)間 DMA方式的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快 數(shù)據(jù)傳送速度只受存儲(chǔ)器存取時(shí)間的限制 主要缺點(diǎn)是需要一個(gè)專用的芯片 控制器來加以控制 管理 硬件連接也稍微復(fù)雜一些 5 2 4過程通道接口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題 接口電路起著連接過程通道與CPU的橋梁作用 它的基本任務(wù)有 1 控制信息的傳遞路徑 即根據(jù)控制的任務(wù)在眾多的信息源中進(jìn)行選擇 以確定該信息傳送的路徑和目的地 2 控制信息傳送的順序 計(jì)算機(jī)控制的過程就是執(zhí)行程序的過程 為確保進(jìn)程正確無誤 接口電路應(yīng)根據(jù)控制程序的要求 適時(shí)地發(fā)出一組有序的門控信號(hào) 在過程通道接口電路設(shè)計(jì)中應(yīng)解決以下問題 1 觸發(fā)方式 有序的門控信號(hào)的主要作用就是嚴(yán)格遵循系統(tǒng)工作時(shí)序要求 適時(shí)對(duì)系統(tǒng)中某個(gè)或某些特定部件發(fā)出開啟或關(guān)閉 觸發(fā) 信號(hào) 這必然涉及到同步觸發(fā)和異步觸發(fā)的方式 2 時(shí)序 控制邏輯的結(jié)構(gòu)有組合控制邏輯與存儲(chǔ)控制邏輯兩種類型 不管哪種類型都要嚴(yán)格遵守規(guī)定的操作步驟 每一個(gè)操作步驟又都是在一組有序的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的 3 負(fù)載能力 一旦控制邏輯確定后 系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行與器件的選擇關(guān)系密切 器件的選擇除了要考慮電平的擺幅 數(shù)值 延時(shí)外 還應(yīng)考慮器件所帶負(fù)載是否匹配 5 3多路開關(guān)及采樣 保持器 在計(jì)算機(jī)測(cè)量及控制系統(tǒng)中 往往需要對(duì)多路或多種參數(shù)進(jìn)行采集和控制 另一方面 模擬量參數(shù)經(jīng)放大 濾波等一系列處理后 尚需轉(zhuǎn)變成數(shù)字量 才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 由于A D轉(zhuǎn)換過程需要一定的時(shí)間 為了保證A D轉(zhuǎn)換的精度 必須在A D轉(zhuǎn)換進(jìn)行時(shí)保持待轉(zhuǎn)換值不變 而在 D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化 同時(shí) 在模擬量輸出通道中 為使各輸出通道得到一個(gè)平滑的模擬量輸出 也必須保持有一個(gè)恒定的值 能夠完成上述兩項(xiàng)任務(wù)的器件叫做采樣 保持器 單片機(jī)和被控實(shí)體間的接口示意 5 3 1多路開關(guān)與多路分配器 多路開關(guān)的主要用途是把多個(gè)模擬量參數(shù)分時(shí)地接通并送入A D轉(zhuǎn)換器 即完成多到一的轉(zhuǎn)換 或者把經(jīng)計(jì)算機(jī)處理 且由D A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號(hào)按一定的順序輸出到不同的控制回路 或外部設(shè)備 中 即完成一到多的轉(zhuǎn)換 前者成為多路開關(guān) 后者叫做多路分配器 或叫做反多路開關(guān) 這類器件中有的只能做一種用途 成為單向多路開關(guān) 如AD7501 8路 AD8506 16路 有些則既能做多路開關(guān) 又能當(dāng)多路分配器 成為雙向多路開關(guān) 如CD4051 從輸入信號(hào)的連接方式來分 有的是單端輸入 有的則允許雙端輸入 或差動(dòng)輸入 表5 1常用的多路開關(guān)芯片 在以前的數(shù)字控制系統(tǒng)中 大多采用干簧 濕簧 繼電器 由于這類開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 閉合時(shí)接觸電阻小 而斷開接點(diǎn)時(shí)阻抗高 工作壽命長(zhǎng) 且不受外界環(huán)境溫度的影響 所以應(yīng)用比較廣 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展 廠家已推出各式各樣的半導(dǎo)體多路開關(guān) 從組成開關(guān)的電路來看 有TTL電路 CMOS和HMOS電路等 有的芯片還能在其內(nèi)部進(jìn)行TTL與CMOS之間的電平轉(zhuǎn)換 如CD4051 更加拓寬了芯片的使用環(huán)境 半導(dǎo)體多路開關(guān)的特點(diǎn)是 1 采用標(biāo)準(zhǔn)的雙列直插式結(jié)構(gòu) 尺寸小 便于安排 2 直接與TTL 或CMOS 電平相兼容 3 內(nèi)部帶有通道選擇譯碼器 使用方便 4 可采用正或負(fù)雙極性輸入 5 轉(zhuǎn)換速度快 通常其導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間在l s左右 有些產(chǎn)品已達(dá)到幾十到幾百納秒 ns 6 壽命長(zhǎng) 無機(jī)械磨損 7 接通電阻低 一般小于100 有的可達(dá)幾歐姆 8 斷開電阻高 通常達(dá)109 以上 1 CD4051 表5 2CD4051的真值表 CD4067B是16通道雙向多路模擬開關(guān) 2 CD4067B CD4097B 表5 3CD4067B通道控制真值表 CD4097B為雙向雙8通道多路模擬開關(guān) CD4097B的雙通道多路開關(guān)的原理是每當(dāng)接到選通信號(hào)時(shí) X Y兩通道同步切換 且兩個(gè)通道均受同一組選擇控制信號(hào)C B A的控制 它主要用于兩個(gè)通道信號(hào)的同步輸入 如差動(dòng)放大器的輸入等 3 8816 隨著控制系統(tǒng)的增大 被控參數(shù)的增多 不僅要求多路輸入 也要求能有多通道輸出 最好是輸入輸出都能控制 能夠滿足這種要求的裝置稱做矩陣多路開關(guān) 4 多路開關(guān)的擴(kuò)展 由于兩個(gè)多路開關(guān)只有兩種狀態(tài) 1 多路開關(guān)工作 2 必須停止 或者相反 所以 只用一根地址總線即可作為兩個(gè)多路開關(guān)的允許控制端的選擇信號(hào) 而兩個(gè)多路開關(guān)的通道選擇輸入端共用一組地址 或數(shù)據(jù) 總線 改變數(shù)據(jù)總線D2 D0 也可以用地址總線A2 A0 的狀態(tài) 即可得到分別選擇IN7 IN0的8個(gè)通道之一 若需要通道數(shù)很多 兩個(gè)多路開關(guān)擴(kuò)展仍不能達(dá)到系統(tǒng)要求 此時(shí) 可通過譯碼器控制CD4051的控制端INH 把4個(gè)CD4051芯片組合起來 構(gòu)成32個(gè)通道或16路差動(dòng)輸入系統(tǒng) 表5 4CD4051擴(kuò)展電路真值表 5 3 2采樣 保持器 如果直接將模擬量送入A D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換 則應(yīng)考慮到任何一種A D轉(zhuǎn)換器都需要用一定的時(shí)間來完成量化與編碼的操作 在轉(zhuǎn)換過程中 如果模擬量產(chǎn)生變化 將直接影響轉(zhuǎn)換精度 特別是在同步系統(tǒng)中 幾個(gè)并聯(lián)的參量需取自同一瞬時(shí) 而各參數(shù)的A D轉(zhuǎn)換又共享一個(gè)芯片 所得到的幾個(gè)量就不是同一時(shí)刻的值 無法進(jìn)行計(jì)算和比較 所以要求輸入到A D轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中保持不變 但轉(zhuǎn)換之后 又要求A D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)能夠跟隨模擬量變化 能夠完成上述任務(wù)的器件叫做采樣 保持器 Sample Hold 簡(jiǎn)寫為S H A D轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換過程所需的時(shí)間稱轉(zhuǎn)換時(shí)間 對(duì)變化快的模擬信號(hào)來說 轉(zhuǎn)換期間將引起轉(zhuǎn)換誤差 這個(gè)誤差叫做孔徑誤差 設(shè)模擬信號(hào)為 5 1 它的微分為 5 2 最大變化率為 5 3 在信號(hào)與橫座標(biāo)交點(diǎn)處 信號(hào)變化率最大 可能引起最大的信號(hào)誤差 設(shè)孔徑時(shí)間為 這時(shí)最大誤差為 5 4 為滿足A D轉(zhuǎn)換精度要求 希望在時(shí)間內(nèi) 信號(hào)變化最大幅度應(yīng)小于A D轉(zhuǎn)換器的量化誤差 對(duì)于12位A D轉(zhuǎn)換器ADS1211 轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 s 基準(zhǔn)電壓為10 24V 其量化誤差為 若 由此要求輸入信號(hào)的最高變化頻率 當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)時(shí) 不影響轉(zhuǎn)換精度所允許的信號(hào)最高頻率就越低 這將大大地限制A D轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍 因此 為了在滿足轉(zhuǎn)換精度的條件下提高信號(hào)允許的工作頻率 可在A D轉(zhuǎn)換前加入采樣保持器 為滿足A D轉(zhuǎn)換精度要求 希望在時(shí)間內(nèi) 信號(hào)變化最大幅度應(yīng)小于A D轉(zhuǎn)換器的量化誤差 對(duì)于12位A D轉(zhuǎn)換器ADS1211 轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 s 基準(zhǔn)電壓為10 24V 其量化誤差為 采樣保持器又叫做采樣保持放大器 SHA 它的原理如圖5 9所示 它由模擬開關(guān)S 保持電容C和緩沖放大器組成 其工作原理如下 S H有兩種工作方式 一種是采樣方式 另一種是保持方式 圖5 9采樣保持器原理圖 采樣保持器的主要性能參數(shù)有采樣時(shí)間 孔徑時(shí)間 輸出電壓衰減率 直通饋入等 1 采樣時(shí)間 給出采樣指令 跟蹤輸入信號(hào)到滿量程并穩(wěn)定在終值誤差的 0 2 0 005 內(nèi)變化所滯留的最小時(shí)間 2 孔徑時(shí)間 保持指令給出后到采樣開關(guān)真正斷開所需的時(shí)間 3 輸出電壓衰減率 保持階段中泄漏電壓引起的放電速度 4 直通饋入 輸入信號(hào)通過采樣保持開關(guān)的極間電容穿通到保持電容上的現(xiàn)象 采樣 保持器的主要用途是 1 保持采樣信號(hào)不變 以便完成A D轉(zhuǎn)換 2 同時(shí)采樣幾個(gè)模擬量 以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和測(cè)量 3 減少D A轉(zhuǎn)換器的輸出毛刺 從而消除輸出電壓的峰值及縮短穩(wěn)定輸出值的建立時(shí)間 4 把一個(gè)D A轉(zhuǎn)換器的輸出分配到幾個(gè)輸出點(diǎn) 以保證輸出的穩(wěn)定性 圖5 0LFl98 298 398的原理圖 選擇采樣 保持器時(shí)主要考慮的因素包括 輸入信號(hào)范圍 輸入信號(hào)變化率 多路轉(zhuǎn)換器的切換速度 采集時(shí)間等 若輸入模擬信號(hào)變化緩慢 D A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相對(duì)很快 可以不用采樣保持器 5 4開關(guān)量 數(shù)字量 輸出通道 5 4 1開關(guān)量 數(shù)字量 輸出通道的結(jié)構(gòu)形式 開關(guān)量輸出通道將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量控制信號(hào)傳遞給開關(guān)型或脈沖型執(zhí)行機(jī)構(gòu) 其典型結(jié)構(gòu)如圖5 2所示 圖5 12開關(guān)量輸出通道結(jié)構(gòu)框圖 5 2開關(guān)量輸出通道與CPU的接口 開關(guān)量輸出通道與計(jì)算機(jī)接口的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量鎖存后再輸出 以保證在控制程序規(guī)定的期限內(nèi)輸出的開關(guān)狀態(tài)不變 開關(guān)量輸出通道與計(jì)算機(jī)的接口可以采用以下方法 1 對(duì)于單片機(jī) 由于本身帶有具備鎖存功能的I O口 因此可以直接利用其I O口作為輸出 而無需另加接口電路 例如利用8031的Pl口作為輸出 2 采用通用集成可編程輸入 輸出接口芯片 可編程芯片的最大特點(diǎn)就是在不增加任何硬件的條件下 通過改變程序內(nèi)容就可達(dá)到改變芯片功能的目的 可編程并行接口芯片一般有兩個(gè)以上具備鎖存或緩沖功能的數(shù)據(jù)端口 一個(gè)以上的控制寄存器和中斷邏輯電路 因此使用非常方便 3 采用通用邏輯芯片 采用TTL或CMOS邏輯芯片實(shí)現(xiàn) 5 4 3功率接口技術(shù) 計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量經(jīng)鎖存器輸出后 要進(jìn)行隔離和放大才能加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上 開關(guān)量輸出通道控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大都屬于脈沖型功率元件或開關(guān)型功率元件 1 直流電磁式繼電器 接觸器功率接口 對(duì)于接觸器或中大功率繼電器可采用一個(gè)小型直流繼電器來驅(qū)動(dòng) 用小繼電器觸點(diǎn)來接通接觸器線圈電源 2 交流電磁式接觸器功率接口交流電磁式接觸器由于線圈的工作電壓要求是交流電 所以通常使用雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)或使用直流繼電器作中間繼電器 圖5 5交流接觸器接口 晶閘管觸發(fā)電路通常采用光電隔離或脈沖變壓器來觸發(fā) 由于晶閘管觸發(fā)采用脈沖形式 因此觸發(fā)脈沖可通過軟件來產(chǎn)生 3 晶閘管觸發(fā)電路 5 5 1開關(guān)量 數(shù)字量 輸入通道的結(jié)構(gòu)形式開關(guān)量輸入通道又可稱為數(shù)字量輸入通道 該通道將雙值邏輯的開關(guān)量 數(shù)字量 變換為計(jì)算機(jī)能夠接收的數(shù)字量 5 5開關(guān)量 數(shù)字量 輸入通道 圖5 17開關(guān)量輸入通道結(jié)構(gòu)框圖 開關(guān)量 數(shù)字量 大致可分為三種形式 機(jī)械有觸點(diǎn)開關(guān)量 電子無觸點(diǎn)開關(guān)量和非電量開關(guān)量 1 機(jī)械有觸點(diǎn)開關(guān)量 1 控制系統(tǒng)自帶電源方式 5 5 2開關(guān)量 數(shù)字量 形式及變換 2 外接電源方式 它適合于開關(guān)安裝在離控制設(shè)備較遠(yuǎn)位置的場(chǎng)合 3 恒流源方式 這種方式用于抗干擾能力要求高 傳輸距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合 電流一般取0 10mA 即觸點(diǎn)閉合時(shí)輸出電流為10mA 觸點(diǎn)打開時(shí)輸出電流為0 圖5 19外接直流電源開關(guān)量變化電路 2 無觸點(diǎn)開關(guān)量無觸點(diǎn)開關(guān)量指電子開關(guān) 例如固態(tài)繼電器 功率電子器件 模擬開關(guān)等 產(chǎn)生的開關(guān)量 由于無觸點(diǎn)開關(guān)通常沒有輔助機(jī)構(gòu) 其開關(guān)狀態(tài)與主電路沒有隔離 因而隔離電路是它的信號(hào)變換電路的重要組成部分 無觸點(diǎn)開關(guān)量的采集可由兩種方式實(shí)現(xiàn) 第一種方式與有觸點(diǎn)開關(guān)處理方法相同 即把無觸點(diǎn)開關(guān)當(dāng)做有觸點(diǎn)開關(guān) 按圖5 20方式連接電路即可 需要注意的是連接極性不能隨意更換 5 20無觸點(diǎn)開關(guān)變換電路 無觸點(diǎn)開關(guān)量變換的第二種方法是從功率開關(guān)的負(fù)載電路取樣法 它的原理電路框圖如圖5 21所示 這種方法直接反映負(fù)載電路工作狀態(tài) 而對(duì)開關(guān)狀態(tài)的采樣是間接的 圖5 21開關(guān)量取樣變換電路框圖 3 非電量開關(guān)量 數(shù)字量 通過采用磁 光 聲等方式反映過程狀態(tài) 在許多控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用 這種非電量開關(guān)量 數(shù)字量 需要通過電量轉(zhuǎn)換后才能以電的形式輸出 實(shí)現(xiàn)非電量開關(guān)量 數(shù)字量 的信號(hào)變換電路由非電量 電量變換 放大 或檢波 電路 光電隔離電路等組成 如圖5 22所示 圖5 22非電量開關(guān)量變換電路結(jié)構(gòu)圖 5 5 3整形與電平變換各種過程開關(guān)量經(jīng)信號(hào)變換后轉(zhuǎn)換成邏輯電信號(hào)或脈沖信號(hào) 但這種信號(hào)在脈沖寬度 脈沖波形形狀 脈沖前后沿陡度及信號(hào)電平可能不很理想 通常需進(jìn)行波形整形及電平變換才能輸入到計(jì)算機(jī) 1 波形整形波形整形的目的是使邏輯信號(hào)變?yōu)檩^理想的電信號(hào) 并提高抗干擾能力 波形整形包括觸點(diǎn)消抖 脈沖定寬 去除尖峰毛刺等 1 觸點(diǎn)消抖 在機(jī)械有觸點(diǎn)開關(guān)中 當(dāng)觸點(diǎn)閉合或打開時(shí)將產(chǎn)生抖動(dòng) 使得開關(guān)量在動(dòng)作瞬間的狀態(tài)不穩(wěn) 若是工作在計(jì)數(shù)方式或作為中斷輸入 將導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常 因此采用觸點(diǎn)消抖是必要的 實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)消抖的方法很多 圖5 23為采用定時(shí)器555的一種消抖電路 圖5 23觸點(diǎn)消抖電路 T 0 632RC 2 脈沖定寬 在許多控制系統(tǒng)中 有時(shí)要求在開關(guān)量變化時(shí)提供一個(gè)脈沖寬度穩(wěn)定的脈沖 如上跳時(shí)產(chǎn)生脈沖 下跳時(shí)產(chǎn)生脈沖 上下跳變時(shí)都產(chǎn)生脈沖 圖5 24開 關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生定寬脈沖電路 3 消除毛刺 由于受環(huán)境干擾的影響 傳輸?shù)拈_關(guān)量信號(hào)將產(chǎn)生毛刺 消除毛刺通常采用史密特觸發(fā)器 例如74LSl4等 或集成比較器 圖5 25為采用比較器的整形電路及其電路特性 圖5 25回環(huán)比較器 2 電平變換在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 CPU一般只接受TTL電平信號(hào) 當(dāng)開關(guān)量變換后的信號(hào)為非TTL電平時(shí) 則需要進(jìn)行電平變換 圖5 26電平變換電路 5 5 4開關(guān)量輸入通道與CPU的接口根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能要求 CPU對(duì)開關(guān)量輸入信號(hào)的處理形式主要有三種 開關(guān)狀態(tài)檢測(cè) 脈寬測(cè)量和脈沖計(jì)數(shù) 1 開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)及其接口開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)是指計(jì)算機(jī)在適當(dāng)時(shí)刻將外部開關(guān)量的狀態(tài)讀入到計(jì)算機(jī)中 通常采用的方式為定時(shí)查詢或中斷 在定時(shí)查詢方式里 CPU周期性地在規(guī)定時(shí)刻將開關(guān)量狀態(tài)讀入 這種方式對(duì)開關(guān)量狀態(tài)變化時(shí)刻不能正確反映 其誤差大小與讀取周期相關(guān) 采用定時(shí)查詢方式的接口非常簡(jiǎn)單 如果從數(shù)據(jù)總線讀入 只需加入總線緩沖器即可 總線緩沖器通常為三態(tài)邏輯門電路 圖5 27為采用74LS244的接口 對(duì)于單片機(jī)而言 開關(guān)量輸入信號(hào)也可直接與I O口相連 無需添加接口元件 圖5 27定時(shí)查詢方式接口電路 2 脈寬測(cè)量接口電路脈寬測(cè)量指對(duì)開關(guān)量輸入的某個(gè)狀態(tài) 1 或 0 的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量 圖5 288253的原理圖 表5 5通道與操作時(shí)序的關(guān)系 8253工作方式由工作方式控制字定義 控制字定義見圖5 29 它有六種工作方式 可以完成計(jì)數(shù) 脈沖寬度測(cè)量等工作 圖5 298253的控制字 圖5 308253與8031的接口 3 脈沖計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)通常用來測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù) 主要用于測(cè)頻率 測(cè)轉(zhuǎn)速或用于V F方式的模 數(shù)轉(zhuǎn)換 脈沖計(jì)數(shù)可直接采用單片機(jī)的定時(shí)器 計(jì)數(shù)器來完成 也可采用8253實(shí)現(xiàn) 采用8253進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)時(shí) 被測(cè)信號(hào)連接到CLK上 而GATE則接入一個(gè)脈寬為采樣周期的方波信號(hào) 用它來控制計(jì)數(shù)時(shí)間 5 6模擬量輸出通道的接口技術(shù) 1 可變?cè)鲆娣糯箅娐稤 A轉(zhuǎn)換器是增益可以按數(shù)字量進(jìn)行編程的放大器 圖5 31的運(yùn)算放大器電路的增益 可以通過改變無源電路元件的值來加以調(diào)整 5 6 1D A轉(zhuǎn)換器的原理 5 5 圖5 31可變?cè)鲆娣糯笃麟娐?2 權(quán)電阻解碼型D A轉(zhuǎn)換原理圖5 32中 若按數(shù)字要求改變 則D A轉(zhuǎn)換器可以改變輸入電流 這些電阻可按并聯(lián)方式連結(jié) 其并聯(lián)電阻值取決于受控于二進(jìn)制控制信號(hào)的開關(guān)接通情況 圖5 32D A轉(zhuǎn)換器的原理如同二進(jìn)制增益調(diào)整 5 6 流入電路的總電流 等于流過各個(gè)電阻的電流之和 由式 5 5 可知 式 5 6 也就確定了D A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 每一個(gè)電阻都是其鄰近電阻的兩倍 若只有第一個(gè)開關(guān)接通 相當(dāng)于輸出電壓滿刻度一半 第1位 1 若僅有第二個(gè)開關(guān)接通 相當(dāng)于滿刻度的四分之一 第2位 1 按順序逐位接通開關(guān) 其輸出電壓將越來越小 第N位 1 因此 D A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電壓的方法相似于按一系列二進(jìn)制加權(quán)配比配平 有關(guān)5位分辨率的D A轉(zhuǎn)換器的例子表示在圖5 33中 圖5 335位分辨率的D A轉(zhuǎn)換器按一系列二進(jìn)制加權(quán)配比配平的示意圖 若所有位都置 1 所有開關(guān)都接通 則輸出電壓非常接近于滿刻度時(shí)的參考電壓 或者表示成更一般的形式 所有位均置1 根據(jù)這個(gè)例子可以歸納出 D A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為 在所有位均為1的情況下 其最大輸出電壓為 5 9 5 8 5 7 但是 在實(shí)際應(yīng)用中卻不采用圖5 32中的電路 這是因?yàn)?在該電路中電阻取值 電阻的調(diào)節(jié)范圍以及穩(wěn)定時(shí)間都受到限制 例如 為了使耗電保持在低水平 R應(yīng)取10k 對(duì)于一個(gè)10位分辨率的D A轉(zhuǎn)換器 一般利用集成電路工藝要獲得如此大阻值的電阻是難以辦到的 此外 要使有意義 必須精確到 這就要求對(duì)許多不同的阻值進(jìn)行精密的調(diào)整 最為嚴(yán)重的問題是 開關(guān)時(shí)間受最低有效位上電阻以及雜散電容的限制 而一般雜散電容值很容易接近1OOpF 以10位分辨率的D A轉(zhuǎn)換器作為例子 其穩(wěn)定時(shí)間為 3 R 2RT型D A轉(zhuǎn)換原理R 2RT形網(wǎng)絡(luò)電路 圖5 34 是一種最通用的D A轉(zhuǎn)換電路 它克服了先前電路所存在的問題 這種電路在換接開關(guān)端鈕時(shí) 電壓不發(fā)生變化 由于不存在電壓瞬變過程 因而也就減輕了由RC穩(wěn)定過程所引起的不良影響 圖5 34R 2RT形網(wǎng)絡(luò)式D A轉(zhuǎn)換器示意圖 a 各順序節(jié)點(diǎn)都是等值的b 每一節(jié)點(diǎn)都有兩條通過2R電阻與地相連的支路c 二進(jìn)制電流分配器 圖5 35R 2R梯形網(wǎng)絡(luò)的工作原理 5 6 2模擬量輸出通道的基本結(jié)構(gòu)在許多場(chǎng)合要求具有多路模擬量輸出通道 多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式主要取決于輸出保持器的構(gòu)成方式 輸出保持器的作用主要是在新的控制信號(hào)到來前 使本次控制信號(hào)維持不變 1 多D A結(jié)構(gòu) 圖5 36多D A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)形式示意圖 2 共享式D A結(jié)構(gòu) 圖5 37共用D A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu) 5 6 38位D A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)5 6 3 1D A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入模擬信號(hào)變化的反應(yīng)越靈敏 分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示 如8位 10位 12位 16位等 2 建立時(shí)間D A轉(zhuǎn)換器代碼有滿刻度值的變化時(shí) 其輸出達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間 一般為幾十個(gè)ns到幾個(gè)ms 3 輸出電平 D A轉(zhuǎn)換器滿量程輸出電壓的大小 4 輸入編碼 D A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量代碼的編碼方式 如二進(jìn)制碼 BCD碼 補(bǔ)碼 反碼等 5 6 3 2模擬量輸入通道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題 在D A轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計(jì)中 主要考慮的問題是D A轉(zhuǎn)換芯片的選擇 輸入數(shù)字量的編碼形式及模擬量的輸出極性 參考電壓電源流 模擬電量輸出的調(diào)整與分配等 1 D A轉(zhuǎn)換芯的選擇原則 選擇D A轉(zhuǎn)換器芯片時(shí) 主要考慮芯片的性能 結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性 在性能上必須滿足D A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求 在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性上滿足接口方便 外圍電路簡(jiǎn)單 價(jià)格低廉等要求 D A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)包括靜態(tài)指標(biāo) 各項(xiàng)精度指標(biāo) 動(dòng)態(tài)指標(biāo) 建立時(shí)間 尖峰等 環(huán)境指標(biāo) 使用的環(huán)境溫度范圍 各種溫度系數(shù) D A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用特性主要表現(xiàn)為芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配置狀態(tài) 主要的特性有 1 數(shù)字輸入特性 包括接收數(shù)字量的編碼形式 數(shù)據(jù)格式及邏輯電平等 2 數(shù)字輸出特性 指D A轉(zhuǎn)換器的輸出電量特性 電壓還是電流 多數(shù)D A轉(zhuǎn)換器采用電流輸出 3 鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制 D A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入數(shù)字量是否具有鎖存功能 將直接影響與CPU的接口設(shè)計(jì) 4 參考電源 參考電壓源是影響輸出結(jié)構(gòu)的模擬參量 它是重要的接口電路 2 參考電壓源的配置目前多數(shù)D A轉(zhuǎn)換器不帶參考電壓源 因而設(shè)計(jì)D A接口電路時(shí)要配置參考電源 目前參考電壓源主要有帶溫度補(bǔ)償?shù)凝R納二極管 能隙電壓源 由于能隙電壓源工作在正常線性區(qū)域 因而內(nèi)部噪聲小 工作穩(wěn)定性好 在制作精密參考電壓源時(shí)經(jīng)常采用 外接參考電壓源可以采用簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路形式 也可以采用帶運(yùn)算放大器的穩(wěn)壓電路 如圖5 38所示 簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路提供的參考電壓恒定 帶運(yùn)算放大器的參考電壓源具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) 負(fù)載變化對(duì)輸出參考電壓沒有影響 所供參考電壓可以調(diào)節(jié)等性能 圖5 38參考電壓源電路形式 3 數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的極性所有D A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓VO 都可表示為輸入數(shù)字量D和模擬參考電壓的乘積 5 10 二進(jìn)制代碼D可以表示為 取0或1 5 11 D A轉(zhuǎn)換器的輸出有電流和電壓兩種方式 其中電壓輸出形式又有單極性電壓輸出和雙極性電壓輸出之別 D A轉(zhuǎn)換器的輸出方式只與模擬量輸出端的連接方式有關(guān) 與其位數(shù)無關(guān) 這里 以典型的8位D A轉(zhuǎn)換器 DAC0832為例進(jìn)行討論 1 單極性電壓輸出 圖5 39DAC0832單極性電壓輸出電路 表5 6單極性電壓輸出時(shí)數(shù)字量與模擬量之間的關(guān)系 2 雙極性電壓輸出 圖5 40DAC0832雙極性電壓輸出電路 在隨動(dòng)系統(tǒng)中 由偏差產(chǎn)生的控制量不僅與其大小有關(guān) 而且與極性相關(guān) 由圖5 40所示 可求出D A轉(zhuǎn)換器的總輸出電壓 代入 的值可得 5 12 設(shè) 5V 則由式 5 12 可得出 當(dāng) 0V時(shí) 5V 2 5V時(shí) 0V 5V時(shí) 5V 表5 7雙極性輸出時(shí)數(shù)字量與模擬量之間的關(guān)系 圖5 41基準(zhǔn)電壓切換方法 4 尖峰及其消除 圖5 42D A轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的尖峰波形示意圖 產(chǎn)生尖峰的原因是由于開關(guān)在換向過程中 導(dǎo)通 延遲時(shí)間與 截止 延時(shí)時(shí)間不相等所致 圖5 43消尖峰電路工作原理 5 6 3 38位D A轉(zhuǎn)換器模擬量輸出通道不論采用何種結(jié)構(gòu)形式 總是需要解決D A轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口問題 D A轉(zhuǎn)換器要求輸入在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定 它采用的二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入方式有并行和串行兩種形式 1 普通型D A轉(zhuǎn)換器 DAC0832DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳功能DAC0832的技術(shù)指標(biāo) 1 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu) DAC0832內(nèi)部由三部分電路組成 如圖5 3所示 圖5 3DAC0832原理框圖 2 引腳功能 DAC0832芯片為20引腳 雙列直插式封裝 其引腳排列如圖5 4所示 1 數(shù)字量輸入線D7 D0 8條 2 控制線 5條 3 輸出線 3條 4 電源線 4條 圖5 4DAC0832引腳圖 3 DAC0832的技術(shù)指標(biāo) DAC0832的主要技術(shù)指標(biāo) 1 分辨率8位 2 電流建立時(shí)間1 S 3 增益溫度系數(shù)0 0002 FS 4 低功耗20mW 5 單一電源 5 15V 因DAC0832是電流輸出型D A轉(zhuǎn)換芯片 為了取得電壓輸出 需在電流輸出端接運(yùn)算放大器 Rf為運(yùn)算放大器的反饋電阻端 運(yùn)算放大器的接法如圖5 5所示 運(yùn)算放大器接法 返回本節(jié) 1 單極性輸出 在需要單極性輸出的情況下 可以采用圖5 6所示接線 圖5 6單極性DAC的接法 2 雙極性輸出 在需要雙極性輸出的情況下 可以采用圖5 7所示接線 圖5 7雙極性DAC的接法 2 電壓輸出型D A轉(zhuǎn)換器 AD558 圖5 45AD558原理電路圖 圖5 46輸出量程選擇連接圖 3 多通道D A轉(zhuǎn)換器 AD7226 圖5 47AD7226電路原理圖 表5 8AD7226真值表 5 6 3 48位D A轉(zhuǎn)換器與微機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)由于各種D A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)不同 它們與微型計(jì)算機(jī)接口的連接方法也有差異 但在基本連接關(guān)系方面 它們?nèi)匀挥泄餐?數(shù)字量輸入 模擬量輸出 外部控制信號(hào)的連接 1 數(shù)字輸入端的連接D A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入端與微型計(jì)算機(jī)的接口的連接需要考慮兩個(gè)問題 一個(gè)是位數(shù) 另一個(gè)是D A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2 外部控制信號(hào)的連接外部控制信號(hào)主要是片選信號(hào) 寫信號(hào)及啟動(dòng)信號(hào) 此外 還有電源及參考電平可根據(jù)D A轉(zhuǎn)換器的具體要求進(jìn)行選擇 3 D A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例由于在單片機(jī)系統(tǒng)中采用統(tǒng)一編址的方式 尋址時(shí)將I O端口視為外部存儲(chǔ)單元 所以 用訪問外部存儲(chǔ)器的指令MOVX DPTR A或者M(jìn)OV A i 0 1 即可完成對(duì)I O端口的訪問 不含數(shù)據(jù)鎖存器的D A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口 完成圖5 48所示的D A轉(zhuǎn)換程序只需要3條指令 設(shè)74LS273的端口地址為FEH 實(shí)現(xiàn)D A轉(zhuǎn)換的源程序如下 MOVA nnH nnH為待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量MOVR1 OFEH 送端口地址到R1寄存器MOVX Ri A D A轉(zhuǎn)換 含數(shù)據(jù)鎖存器的D A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口 真值表 START MOVDPTR 0FDFFH 建立D A轉(zhuǎn)換器地址指針MOVA nnH 待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量送AMOVX DPTR A 輸出D A轉(zhuǎn)換數(shù)字量INCDPH 求第二級(jí)地址MOVX DPTR A 完成D A轉(zhuǎn)換 5 6 4高于8位的D A轉(zhuǎn)換器及其接口設(shè)計(jì)為了提高轉(zhuǎn)換精度 可選用更多位數(shù)的D A轉(zhuǎn)換器 如10位 12位 16位 其轉(zhuǎn)換原理與8位D A轉(zhuǎn)換器基本一樣不同的是在與數(shù)據(jù)線位數(shù)較少的微型計(jì)算機(jī) 如8位單片機(jī) 進(jìn)行接口連接時(shí) 數(shù)據(jù)要分成兩次或三次輸入 例如 對(duì)于一個(gè)12位的數(shù) 模轉(zhuǎn)換器 就要分成高低字節(jié)分別進(jìn)行傳送 分兩次傳送12位數(shù)字量時(shí) D A轉(zhuǎn)換器的輸出就有一個(gè)中間量 圖5 50是12位D A轉(zhuǎn)換器與8位微處理器的接口 低8位先送入8位的暫存鎖存器 當(dāng)高四位傳送時(shí) 同時(shí)選通低8位 圖5 5012位D A轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口 圖5 51為DACl230的結(jié)構(gòu)框圖 它是兩級(jí)緩沖寄存器結(jié)構(gòu) 其主要特性為 分辨率 12位輸出電流穩(wěn)定時(shí)間 1參考電壓 10V 10V單工作電源 5V 15V 圖5 51DACl230結(jié)構(gòu)圖 圖5 52DACl230的工作時(shí)序圖 圖5 53DACl230與單片機(jī)8031的接口電路 表5 9 輸入 輸入 接口程序如下 MOVDPTR 8000HMOVA DAH DAV數(shù)字量高8位MOV DPTR AMOVDPTR 8001HMOVA DAL DAC數(shù)字量低8位 其中最低4位為0MOV DPTR AMOVDPTR 8002HMOV DPTR A 刷新輸出 與A中值無關(guān) 5 5 5串行D A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) 1 10位串行D A轉(zhuǎn)換器TLC5615特性 分辨率 帶有緩沖基準(zhǔn)輸入的10位輸出類型 電壓輸出通信方式 串行輸出 SPI QSP功耗 在5V供電時(shí)僅1 75mW建立時(shí)間 12 5us 應(yīng)用 廣泛應(yīng)用于電池供電的測(cè)試儀器 儀表 工業(yè)控制等領(lǐng)域 1 TLC5615的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳 2 TLC5615的工作時(shí)序 TLC5615的工作時(shí)序如圖5 55所示 在不使用多片級(jí)聯(lián)時(shí) 可只用12位方式 其中前10位是數(shù)字量 后2位是0 圖5 55TLC5615的工作時(shí)序 2 TLC5615與MCS 51單片機(jī)的接口 TLC5615在不使用級(jí)聯(lián)方式時(shí)DOUT引腳可懸空 參考電壓小于2 5V TLC5615的模擬量輸出引腳是帶緩沖的 具有短路保護(hù)功能 可驅(qū)動(dòng)2K歐負(fù)載 圖5 56TLC5615與MCS 51單片機(jī)接口 SETBSCLKNOPNOPCLRSCLKDJNZR7 LOP2MOVR7 4MOVA R3LOP3 RLCA 發(fā)送低4位MOVDIN CNOPNOPSETBSCLKNOPNOPDJNZR7 LOP3END CSBITP1 0SCLKBITP1 1DINBITP1 2TLC5615 OUT MOVR7 6 將低位數(shù)據(jù)左移6位 使數(shù)據(jù)左對(duì)齊LOP1 MOVA R3RLCAMOVR3 ADJNZR7 LOP1MOVA R2MOVR7 8CLRCSCLRSCLKLOP2 RLCA 發(fā)送高8位MOVDIN CNOPNOP 5 7模擬量輸入通道 5 7 1模擬量輸入通道的基本結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道各部分電路作用如下 1 傳感器 將過程量轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 2 放大電路 對(duì)微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大 3 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 將多路模擬信號(hào)按要求分時(shí)輸出 4 采樣保持 對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣 在模 數(shù)轉(zhuǎn)換期間保持采樣信號(hào)不變 5 A D轉(zhuǎn)換 即模 數(shù)轉(zhuǎn)換 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字量 6 接口電路 提供模擬輸入通道與計(jì)算機(jī)之間的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳送通路 圖5 54模擬量輸入通道結(jié)構(gòu) 5 7 2A D轉(zhuǎn)換原理 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 通常采用低 中速的大規(guī)模集成模 數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片 這類芯片采用的轉(zhuǎn)換方法有 計(jì)數(shù)器式A D轉(zhuǎn)換 逐次逼近型A D轉(zhuǎn)換 雙斜率積分式A D轉(zhuǎn)換 V F變換型A D轉(zhuǎn)換 型A D轉(zhuǎn)換 在這些轉(zhuǎn)換方式中 計(jì)數(shù)器式A D轉(zhuǎn)換線路比較簡(jiǎn)單 但轉(zhuǎn)換速度較慢 所以現(xiàn)在很少應(yīng)用 雙斜率積分式和 方式A D轉(zhuǎn)換精度高 在儀器儀表中應(yīng)用非常廣泛 多用于數(shù)據(jù)采集及精度要求比較高的場(chǎng)合 如5G14433 31 2位 AD7555 41 2位或51 2位 等 但速度較慢 逐次逼近型A D轉(zhuǎn)換既照顧了轉(zhuǎn)換速度 又具有一定的精度 所以是目前應(yīng)用較多的一種A D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu) 在16位以下A D轉(zhuǎn)換器得到廣泛應(yīng)用 此外 V F變換型A D轉(zhuǎn)換器則多用于需要遠(yuǎn)距離串行傳送的場(chǎng)合 1 逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換器 圖5 55逐次逼近式轉(zhuǎn)換電路原理圖 圖5 56逐次逼近過程 2 雙斜率積分式A D轉(zhuǎn)換器 圖5 57雙斜率積分式A D轉(zhuǎn)換器電路原理圖 圖5 58雙斜率積分式A D轉(zhuǎn)換器一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的積分輸出 3 電壓 頻率變換器 VFC 作A D轉(zhuǎn)換器VFC是把電壓變換為頻率的裝置 其輸出為脈沖形式 如鋸齒波 方波 尖脈沖等 1 VFC的基本原理VFC有四種基本結(jié)構(gòu) 積分復(fù)原式 電荷平衡式 交替積分式和電壓反饋式 其中使用最多的是電荷平衡式 其電路原理如圖5 61 a 所示 5 17 反向充電時(shí) 正向充電時(shí) 根據(jù)電荷平衡 2 VFC作A D轉(zhuǎn)換器 圖5 62用VFC構(gòu)成A D轉(zhuǎn)換器 輸入電壓加到VFC上產(chǎn)生頻率與VIN成正比的脈沖序列 該脈沖序列通過門電路由計(jì)數(shù)器測(cè)定規(guī)定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù) 若額定測(cè)定時(shí)間為Ts 5 18 5 6 2A D轉(zhuǎn)換器的選用 1 模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)典型的模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)如圖5 63所示 圖5 63模擬量輸入通道結(jié)構(gòu) 2 A D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 1 分辨率 分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示 如8位 10位 12位 16位等 2 量程 A D轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換的模擬電壓的范圍 3 精度 分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度 4 轉(zhuǎn)換時(shí)間 完成一次完整轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間 5 輸出邏輯電平 輸出數(shù)據(jù)的電平形式和數(shù)據(jù)輸出方式 如三態(tài)邏輯和數(shù)據(jù)是否鎖存 6 工作溫度范圍 A D轉(zhuǎn)換器在規(guī)定精度內(nèi)允許的工作溫度范圍 7 對(duì)基準(zhǔn)電源的要求 基準(zhǔn)電源精度對(duì)A D轉(zhuǎn)換器精度有重大影響 因此應(yīng)加以考慮 3 A D轉(zhuǎn)換器的選擇模擬量輸入通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)采集通道 從信號(hào)的傳感 變換到計(jì)算機(jī)輸入 必須考慮信號(hào)拾取 信號(hào)調(diào)節(jié) A D轉(zhuǎn)換 電源配置和防止干擾等問題 1 信號(hào)的拾取方式通過敏感元件拾取被測(cè)信號(hào)通過傳感器拾取被測(cè)信號(hào)通過測(cè)量?jī)x表拾取被測(cè)信號(hào) 2 信號(hào)的調(diào)節(jié)在模擬量輸入通道中 信號(hào)調(diào)節(jié)的任務(wù)是將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成滿足A D電路要求的電平信號(hào) 3 模 數(shù)轉(zhuǎn)換方式的選擇模擬量輸入通道的模 數(shù)轉(zhuǎn)換方式有A D轉(zhuǎn)換電路和V F變換方式 V F變換方式將信號(hào)電壓變換為頻率量 由計(jì)算機(jī)或計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量 4 電源配置信號(hào)拾取時(shí) 要考慮對(duì)傳感器的供電 對(duì)于不同的信號(hào)調(diào)節(jié)電路中的芯片 一般會(huì)提出對(duì)電源的要求 必須很好地解決電源問題 5 抗干擾措施 4 A D轉(zhuǎn)換器與微型計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)需要注意的幾個(gè)問題模擬量輸入信號(hào)的連接A D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入有時(shí)是雙極性的 有時(shí)是單極性的 輸入信號(hào)的最小值有從零開始的 也有從非零開始的 因此 產(chǎn)品出廠時(shí) 有的A D轉(zhuǎn)換器芯片已經(jīng)設(shè)計(jì)了不同量程的引腳 以滿足不同情況的需求 只有正確使用A D轉(zhuǎn)換器有關(guān)量程的引腳 才能保證A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 雙參考電壓引腳的A D轉(zhuǎn)換器AD0809芯片連接組成的對(duì)稱參考電壓接法如圖5 64所示 如果輸入信號(hào)的模擬量不是從零開始的 輸入信號(hào)模擬量的最大值也不是滿量程時(shí) 就可以利用雙參考電壓引腳的A D轉(zhuǎn)換器AD0809芯片的兩個(gè)參考電壓引腳 連接成對(duì)稱參考電壓接法解決顯示滿刻度和測(cè)量精度問題 2 數(shù)字量輸出引腳的連接A D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸出引腳和微型計(jì)算機(jī)的連接方法與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān) 對(duì)于內(nèi)部未含輸出鎖存器的A D轉(zhuǎn)換器來說 一般通過鎖存器或I O接口與微型計(jì)算機(jī)相連 常用的接口及鎖存器有Intel8155 8255 8243以及74LS273 74LS373 8212等 當(dāng)A D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含數(shù)據(jù)輸出鎖存器時(shí) 可直接與微型計(jì)算機(jī)相連 有時(shí)為了增加控制功能 也采用I O接口連接 3 A D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)方式任何一個(gè)A D轉(zhuǎn)換器在開始轉(zhuǎn)換前 都必須經(jīng)過啟動(dòng) 才開始工作 芯片不同 要求的啟動(dòng)方式也不同 一般分脈沖啟動(dòng)和電平啟動(dòng)兩種 脈沖啟動(dòng)型芯片 只要在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入引腳引入一個(gè)啟動(dòng)脈沖即可 如ADC0809 ADC80 AD574A等均屬于脈沖啟動(dòng)轉(zhuǎn)換芯片 所謂電平啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 就是在A D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)引腳上加上要求的電平 一旦電平加上以后 A D轉(zhuǎn)換即刻開始 而且在轉(zhuǎn)換過程中 必須保持這一電平 否則將停止轉(zhuǎn)換 AD570 571 572等都屬電平控制轉(zhuǎn)換電路 不同的A D轉(zhuǎn)換器 要求啟動(dòng)信號(hào)的電平不一樣 有的要求高電平啟動(dòng) 如ADC0809 ADC80 AD574 有的則要求低電平啟動(dòng) 如ADC0801 0802和AD670等 4 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理方法微型計(jì)算機(jī)檢查判斷A D轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法有以下三種 中斷方式 查詢方式 軟件延時(shí)方式 5 A D轉(zhuǎn)換器的工作電壓和基準(zhǔn)電壓早期的集成A D轉(zhuǎn)換器采用 15V的直流工作電壓 近年來新開發(fā)的集成A D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品 可在 12 15V的范圍內(nèi)工作 還有的集成A D轉(zhuǎn)換器芯片使用單一 5V直流工作電壓 6 時(shí)鐘的連接A D轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)重要連接信號(hào)是時(shí)鐘 A D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的提供方法也有兩種 一種由芯片內(nèi)部提供 一種由外部時(shí)鐘提供 圖5 66采用內(nèi)部時(shí)鐘的一般操作方法 圖5 67采用外部時(shí)鐘的A D轉(zhuǎn)換電路圖 8位A D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部設(shè)有時(shí)鐘發(fā)生器 但經(jīng)常外接RC電路來提供所需的時(shí)鐘 如圖5 68所示 改變RC的值 便可改變時(shí)鐘頻率 7 接地問題A D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的設(shè)計(jì) 在硬件設(shè)計(jì)方面 除了前面講的幾種信號(hào)的連接方式之外 還有一個(gè)需要注意的問題就是地線的連接 5 6 3逐次逼近式并行A D轉(zhuǎn)換器及其接口 1 8位并行A D轉(zhuǎn)換器及其接口逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換器有單片集成與混合集成兩種集成電路或模塊 轉(zhuǎn)換速度在幾個(gè)微秒到一百多個(gè)微秒之間 分辯率有8位 10位 12位 14位和16位幾種 1 普通型A D轉(zhuǎn)換器 AD7574AD7574采用CMOS工藝 是單片型 含內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器 5V供電 芯片內(nèi)部設(shè)有比較器和控制邏輯 以及功耗低 30mW 轉(zhuǎn)換速度快 15 s 的逐次逼近型A D轉(zhuǎn)換器 它采用18腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu) 易于與微型計(jì)算機(jī)接口連接 在過程控制自動(dòng)化和智能化儀器中得到廣泛的應(yīng)用 AD7574的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖5 70所示 圖5 70AD7574原理圖 AD7574與MCS 51的電路連接如圖5 71所示 2 帶儀器放大器的A D轉(zhuǎn)換器AD670上述的AD7574A D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 因此 被測(cè)信號(hào) 如溫度 壓力 流量等 在輸入到普通A D轉(zhuǎn)換器之前 首先要經(jīng)過變送器的轉(zhuǎn)換 將傳感器輸出的信號(hào)變成0 5V的統(tǒng)一電信號(hào) 然后才能與A D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接 這在一般的過程控制中是完全可行的 但是 在智能化儀器中這種結(jié)構(gòu)就顯得比較復(fù)雜 特別是在一些手提式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器中更是如此 為滿足這種需要 廠商研制出一種內(nèi)部帶儀器放大器的A D轉(zhuǎn)換器 AD670即為其中之一 圖5 64AD670電路結(jié)構(gòu)原理 表5 10AD670控制信號(hào)真值表 圖5 65AD670的連接方式 3 多通道A D轉(zhuǎn)換器ADC0808 0809電路組成及轉(zhuǎn)換原理ADC0808 0809都是含8位A D轉(zhuǎn)換器 8路多路開關(guān)以及與微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件 其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型 在A D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器 一個(gè)帶模擬開關(guān)樹組的256電阻分壓器 以及一個(gè)逐次逼近型寄存器 8路的模擬開關(guān)的通斷由地址鎖存器和譯碼器控制 可以在8個(gè)通道中任意訪問一個(gè)單邊的模擬信號(hào) 其原理框圖 如圖5 66所示 圖5 66ADC0808 0809原理圖 ADC0808 0809的引腳功能 IN7一IN0 8個(gè)模擬量輸入端 START 啟動(dòng)信號(hào) 高電平有效 EOC 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) OE 輸出允許信號(hào) CLOCK 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 可通過外接RC電路改變時(shí)鐘頻率 ALE 地址鎖存允許 高電平有效 C B A 通道號(hào)選擇端子 C為最高位 A為最低位 D7 D0 數(shù)字量輸出端 VREF VREF 參考電壓端子 Vcc 電源端子 接 5V GND 接地端 圖5 67ADC0808 0809應(yīng)用接線圖 圖5 68ADC0808 0809時(shí)序圖 ADC0808 0809的技術(shù)指標(biāo) 單一電源 5V供電 模擬輸入范圍為0 5V 分辨率為8位 最大不可調(diào)誤差 功耗為15mW 轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率 時(shí)鐘頻率范圍 10 1280kHz 當(dāng)CLOCK等于500kHz時(shí) 轉(zhuǎn)換速度為128 s 可鎖存三態(tài)輸出 輸出與TTL兼容 無需進(jìn)行零位及滿量程調(diào)整 溫度范圍為 400C 85 4 8位A D轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù) 直接接口 根據(jù)圖5 77的電路可編寫A D采樣程序 通道號(hào)放在R2中 采集結(jié)果放在30H 37H中 起始通道號(hào)為0 SETBSTART 發(fā)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換脈沖NOPNOPCLRSTARTJNBEOC 等待轉(zhuǎn)換結(jié)束SETBOEMOVA P0 讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)CLROEMOV R0 A 暫存數(shù)據(jù)INCR2INCR0CJNER2 08H ADC0809 1 8個(gè)通道沒轉(zhuǎn)換完 轉(zhuǎn)換下一個(gè)通道RET STARTBITP2 3EOCBITP3 2ALEBITP2 4OEBITP3 7ADC0809 MOVR2 0 設(shè)起始通道號(hào)MOVR0 30H 設(shè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)ADC0809 1 MOVA R2MOVP2 A 寫通道號(hào)SETBALENOPCLRALE 全譯碼方式接口 根據(jù)圖5 78編寫的ADC0809轉(zhuǎn)換程序 ADC0809的地址是8000H 8007H 通道號(hào)在R2中 采樣后的結(jié)果存放在30H 37H中 在程序中啟動(dòng)ADC0809的同時(shí)將通道號(hào)寫到ADC0809中 ORG00HAJMPMAINORG03HAJMPADC0809ORG1000HMAIN SETBEASETBEX0SETBIT0MOVR2 0MOVR0 30HMOVDPTR 8000HMOVX DPTR AAJMP ADC0809 MOVXA DPTRMOV R0 AINCR0INCR2MOVA R2ORLA DPLMOVDPL AMOVX DPTR ACJNER2 07H ADC0809RETMOVR2 0MOVR0 30HRETIADC0809RET RETI 2 高于8位的并行A D轉(zhuǎn)換器及其接口 1 AD574的結(jié)構(gòu)及原理AD574是美國(guó)模擬器件公司 AnalogDevices 生產(chǎn)的12位逐次逼近型快速A D轉(zhuǎn)換器 其轉(zhuǎn)換速度最快為35 s 轉(zhuǎn)換誤差 是目前我國(guó)應(yīng)用廣泛 價(jià)格適中的A D轉(zhuǎn)換器 加之其內(nèi)部含三態(tài)輸出緩沖電路 可直接與各種微處理器連接 且無須附加邏輯接口電路 便能與CMOS及TTL電平兼容 內(nèi)部配置的高精度參考電壓源和時(shí)鐘電路 使它不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào) 就能完成A D轉(zhuǎn)換功能 應(yīng)用非常方便 圖5 79AD574結(jié)構(gòu)原理圖 2 AD574A的引腳及功能表5 12AD574控制信號(hào)組合表 3 AD574A的應(yīng)用單極性輸入 圖5 80單級(jí)性模擬量輸入電路的連接 雙極性輸入 5 81雙極性模擬量輸入電路圖 4 高于8位的A D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)及程序設(shè)計(jì) D轉(zhuǎn)換程序如下 ORG0200HATOD MOVDPTR 9000H 設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針MOVP2 0FFHMOVR0 0FCH 設(shè)置啟動(dòng)12位A D轉(zhuǎn)換的地址MOVX R0 A 啟動(dòng)A D轉(zhuǎn)換MOVR0 0FEHLOOP JBP1 0 LOOP 檢查A D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束 MOVXA R0 讀取高8位數(shù)據(jù)0FEHMOVX DPTR A 存高8位數(shù)據(jù)INCR0 求低4位數(shù)據(jù)的地址0FFHINCDPTR 求存放低4位數(shù)據(jù)的RAM單元地址MOVXA R0 讀取低4位數(shù)據(jù)MOVX DPTR A 存低4位數(shù)據(jù)HERE AJAMPHERE 5 6 5串行A D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)TLC2543是12位11通道開關(guān)電容逐次逼近A D轉(zhuǎn)換器 它有11個(gè)輸入端 分辨率為12位 具有轉(zhuǎn)換快 轉(zhuǎn)換時(shí)間小于10 s 穩(wěn)定性好 線性誤差小于 1LSB 與微處理器接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn) 同時(shí)其內(nèi)部自帶時(shí)鐘 工作電壓為 5V 表5 13輸入寄存器格式 3 TLC2543的工作時(shí)序 4 TLC2543的使用方法 1 控制字的格式控制字為從DATAINPUT端串行輸入的8位數(shù)據(jù) 它規(guī)定了TLC2543要轉(zhuǎn)換的模擬量通道 轉(zhuǎn)換口的輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 輸出數(shù)據(jù)的格式 其中高4位 D7 D4 決定通道號(hào) 對(duì)于0通道至10通道 該4位分別位0000 1010H 當(dāng)位1011 1101時(shí) 用于對(duì)TLC2543的自檢 分別測(cè)試 VREF VREF 2 VREF VREF 的值 當(dāng)位1110時(shí) TLC2543進(jìn)入休眠狀態(tài) 低4位決定輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及格式 其中D3 D2決定輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 01表示輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位8位 11表示輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16為 其它為12位 D1決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出 還是低位先送出 為0表示高位先送出 D0決定輸出數(shù)據(jù)是單極性 二進(jìn)制 還是雙極性 補(bǔ)碼 若為單極性 該位為0 反之為1 2 轉(zhuǎn)換過程上電后 片選CS必須從高到低 才能開始一次工作周期 此時(shí)EOC為高 輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為0 輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機(jī)的 開始時(shí) CS片選為高 I OCLOCK DTATINPUT被禁止 DATAOUT呈高組態(tài) EOC為高 使CS變低 I OCLOCKDTATINPU使能 DATAOUT脫離高組態(tài) 12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)從I OCLOCK端一次加入 隨著時(shí)鐘信號(hào)的加入 控制字從DATAINPUT一位一位地在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)被送入TLC2543 高位先送入 同時(shí)上一周期轉(zhuǎn)換的A D數(shù)據(jù) 即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DATAOUT一位一位地移出 TLC2543收到第4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后 通道號(hào)也已收到 此時(shí)TLC2543開始對(duì)選定通道的模擬量進(jìn)行采樣 并保持到第12和時(shí)鐘的下降沿 在第12和時(shí)鐘下降沿 EOC變低 開始對(duì)本次采用的模擬量進(jìn)行A D轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換時(shí)間約為10US 轉(zhuǎn)換完成后EOC變高 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中 待下一個(gè)工作周期輸出 此后 可以進(jìn)行新的工作周期 5 MCS 51單片機(jī)與TLC2543的接口技術(shù) 下面的程序是采用查詢方式讀TLC2543的11個(gè)通道的模擬量 通道號(hào)在R2中 轉(zhuǎn)換結(jié)果放到30H起始地址的內(nèi)部RAM中 設(shè)置TLC2543為12位方式 高位在前 數(shù)據(jù)為二進(jìn)制格式 CSBITP1 0DIBITP1 1DOBITP1 2CLKBITP1 3EOCBITP3 2ORG00HAJMPMAINORG100HMAIN LCALLREAD ADAJMPMAINREAD AD 讀11個(gè)外部通道子程序MOVR0 30H 設(shè)置緩沖區(qū)首址MOVR2 0MOVR6 11 最大采集路數(shù)LCALLREAD2543 空讀 第一次啟動(dòng) 數(shù)據(jù)不準(zhǔn) READ AD 1 MOVA R2SWAPAMOVR2 A 將通道號(hào)的高4位與低4位交換 低4位為通道號(hào) 高4位為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 數(shù)據(jù)格式等LCALLREAD2543MOVA R3MOV R0 AINCR0MOVA R4MOV R0 A 保存數(shù)據(jù)MOVA R2 將R2的高低4位交換 以便通道號(hào)加1SWAPAMOVR2 AINCR2DJNZR6 READ AD 1RET REDA2543 JNBEOC 等待TLC2543轉(zhuǎn)換完畢CLRCLK 清I O時(shí)鐘SETBCS 設(shè)置片選為高CLRCS 設(shè)置片選為低MOVR7 08 先讀高8位MOVA R2 把方式 通道控制字放到AREAD 1 MOVC DO 讀轉(zhuǎn)換結(jié)果RLCA A寄存器左移 移入結(jié)果數(shù)據(jù)位 移出方式 通道控制位MOVDI C 輸出方式 通道位SETBCLK 設(shè)置I O時(shí)鐘為高CLRCLK 清I O時(shí)鐘DJNZR7 READ 1 R7不為0 則返回READ 1MOVR3 A 轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位放到R3中MOVA 00H 復(fù)位A寄存器MOVR7 04H 再讀低4位 READ 2 MOVC DO 讀轉(zhuǎn)換結(jié)果RLCA A寄存器左移 移入結(jié)果數(shù)據(jù)位SETBCLK 設(shè)置I O時(shí)鐘為高CLRCLK 清I O時(shí)鐘DJNZR7 READ 2 R7不為0 則返回LOP2MOVR4 A 轉(zhuǎn)換結(jié)果的低4位放到R4中SETBCS 設(shè)置片選為高RETEND