單片機原理與應(yīng)用-07模擬通道技術(shù)

第7章模擬通道技術(shù)7.1概述

7.2傳感器7.3模擬信號輸入通道7.4模擬信號輸出通道7.5光電隔離技術(shù)7.6V/F與F/V轉(zhuǎn)換電路7.1概

述

在測量和工業(yè)實時控制中，經(jīng)常需要對現(xiàn)場物理量進(jìn)行測量，或者采集下來進(jìn)行處理。這就需要構(gòu)成一個模擬信號的輸入通道，如圖7.1所示。單片機或微處理器低通濾波采樣保持A/D轉(zhuǎn)換傳感器前置放大圖7.1模擬輸入通道

如果采集路數(shù)較多時，可設(shè)計成多路采集系統(tǒng)，如圖7.2所示，使用多路開送進(jìn)行輸入信號的切換。圖7.2多路模擬輸入輸出通道多路開關(guān)單片機或微處理器采樣保持A/D低通濾波傳感器0放大信號0低通濾波傳感器0放大信號1低通濾波傳感器0放大信號n…………模擬控制D/A7.2傳感器

傳感器的種類很多，工作原理也各不相同，下面僅以最常用的幾種為例，說明傳感器的工作原理與使用。7.2.1拉力傳感器7.2.2熱電偶7.2.3光敏（紅外）傳感器7.2.1拉力傳感器

拉力傳感器的外形結(jié)構(gòu)如圖7.3（a）所示，呈圓柱形，可在軸向施加拉力。在其側(cè)面有一個轉(zhuǎn)接插座，連有4條引出線，其中兩條為電源線，另外兩條為信號輸出線。傳感器內(nèi)部采用電阻應(yīng)變測量原理，將四塊電阻應(yīng)變片聯(lián)接成如圖7.3（b）所示的橋式結(jié)構(gòu)。其中R1、R2、R3、R4為電阻應(yīng)變片，R0為零平衡補償電阻，RT為溫度補償電阻，RK為輸出靈敏度補償電阻。應(yīng)變電阻R1、R3沿軸線方向粘結(jié)在兩塊彈性板面上，R2、R4沿垂直于軸的方向，粘結(jié)在兩塊彈性板面上。當(dāng)外界沿軸向施加拉力時，彈性板面發(fā)生組合形變，軸向拉伸，徑向收縮。這樣應(yīng)變電阻R-1、R3因拉伸，電阻增大，R2、R4因壓縮，電阻減小，使電橋產(chǎn)生不平衡的電壓輸出：

其中U為電源輸入電壓，1-η為非線性系數(shù)。一般η很小，于是可認(rèn)為輸出電壓V與拉力近似成正比例關(guān)系。

圖7.3拉力傳感器(b)內(nèi)部電阻RKR1R2R3R4abcd電源輸入RTR0輸出….(a)外形7.2.2熱電偶

熱電偶是工業(yè)中用來測量溫度或者溫差的傳感器，其工作原理如圖7.4所示。對于任何兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，若按圖7.4所示，聯(lián)接成閉合回路。如果將它們的兩個接頭分別置于溫度分別為T和T0（假設(shè)T＞T0）的熱源中，則在該回路中產(chǎn)生熱電動勢（簡稱為熱電勢），這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)就把熱信號轉(zhuǎn)換成為電信號，因此根據(jù)熱電效應(yīng)即可測量溫度或溫差。

熱電偶一般用特殊金屬材料制成。目前，在我國廣泛使用的熱電偶有以下幾種：（1）鉑銠一鉑熱電偶（2）鎳鉻一鎳硅或鎳鉻一鎳鉛熱電偶（3）鎳鉻一考銅熱電偶（4）鉑銠30一鉑銠6熱電偶（5）鐵一康銅熱電偶（6）銅一康銅熱電偶

圖7.4熱電偶回路T0TAB這些熱電偶的性能參數(shù)各不相同，使用時可根據(jù)實際需要進(jìn)行選擇。在用熱電偶測量溫度時，一端置于熱源中，稱為熱端，另一端置于室溫中，稱為冷端。由于熱電偶的溫度---熱電勢曲線是在冷端為0℃時測定的，因此使用時冷端最好也保持為0℃。若不能使冷端保持在0℃，則要對冷端進(jìn)行溫度補償。補償?shù)霓k法可用硬件電路來進(jìn)行，對于計算機數(shù)據(jù)采集，可用軟件的辦法補償，補償公式為：E(T，0°)=E(T，t0)+E(to，0°)除了上述熱電偶外，還有一些特殊用途的熱電偶，用于超高溫和低溫測量。例如鎢-錸熱電偶測量高溫達(dá)2400℃；金黃色鐵—鎳鉻熱電偶測量低溫，可在2~273°范圍內(nèi)使用。7.2.3光敏（紅外）傳感器

由于許多非電量能夠影響和改變紅外光的特性，因此可利用紅外光敏元件來測量紅外光的變化，進(jìn)而確定待測量的非電信號。按其原理，紅外光敏元件大體可分為兩類，即熱型和量子型。1.量子型紅外光敏元件量子型紅外光敏元件有光電導(dǎo)式（PC）、光生伏特式（PV）、光電磁式（PEM）和肖特基勢壘式等數(shù)種，如圖7.5所示。圖7.5量子型紅外光敏元件Ib偏流紅外線(a)PC式紅外線np(b)PV式(c)PEM式I電場磁場(d)肖特基式金屬半導(dǎo)體

其中光電導(dǎo)式元件是在其上通一固定的偏置電流，當(dāng)紅外光照射到元件上時，由于光電導(dǎo)效應(yīng)元件的阻值發(fā)生改變，取元件兩端電壓變化的輸出量，即可構(gòu)成紅外光敏元件。光生伏特式元件具有PN結(jié)光敏二極管相同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)元件PN結(jié)的耗盡層受到紅外光照射時產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，元件兩端呈現(xiàn)光生電勢。

光電磁式元件是把電場、磁場都加于元件，當(dāng)有紅外光照射時，元件兩端呈現(xiàn)出比例于紅外光強的光生電勢，即光電磁效應(yīng)。肖特基勢壘式紅外光敏元件與肖特基二極管結(jié)構(gòu)完全相同，其基礎(chǔ)是肖特基勢壘，由于金屬與半導(dǎo)體接觸而產(chǎn)生。目前最常用的量子型紅外光敏元件有PbS元件（3000K、1~3μm）、InSb元件（77K，3~5μm）和混晶體HgCdTe元件(77K，8~12μm)等。為了防止元件氧化，常封存在真空容器中，一般為PC式。2.熱型紅外光敏元件熱型紅外光敏元件有熱電偶式、電容式和焦電式等數(shù)種。量子型紅外光敏元件是把紅外光能轉(zhuǎn)換成電能，而熱型紅外光敏元件是把紅外光能轉(zhuǎn)換成元件自身的熱信號，然后再轉(zhuǎn)換成電信號。因此，熱型紅外光敏元件的響應(yīng)速度稍慢一些。下面僅以熱釋電式紅外光敏元件為例來說明熱型紅外光敏元件的工作原理。熱釋電式紅外光敏元件的工作原理基于熱釋電效應(yīng)，即在強電介質(zhì)溫度變化△t時,其表面呈現(xiàn)△Qs的自然極化電荷。若設(shè)元件電容量為C，則元件兩端的電壓為。熱釋電式紅外光敏元件的結(jié)構(gòu)與構(gòu)成電路如圖7.6所示，其中紅外光敏材料常采用鈦鋯酸鉛（PZT）。由于元件輸出阻抗高而電壓信號微弱，所以內(nèi)附場效應(yīng)管放大器進(jìn)行放大和阻抗變換。整個元件用樹脂封裝，正前方是聚乙烯光窗。樹脂鉛基板PZT紅外光敏材料FET窗口聚乙烯光窗引線(a)元件結(jié)構(gòu)(b)電路EPZT紅外光敏材料場效應(yīng)管FETRSRSDS圖7.6熱釋電式紅外光敏元件構(gòu)造及其電路由于紅外光有以下特點，所以紅外光敏元件的使用越來越廣。（1）紅外光不受周圍可見光的影響，故在同樣條件下可晝夜測量；（2）只要被測對象自身具有一定的溫度就會發(fā)射紅外光，不需另備光源；（3）大氣對某些特定波長范圍的紅外光吸收甚少，所以適用遙感技術(shù)。7.3模擬信號輸入通道7.3.1模擬信號的放大與整形7.3.2采樣保持器7.3.3多路轉(zhuǎn)換開關(guān)7.3.4A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理與使用7.3.1模擬信號的放大與整形

由于傳感器輸出的信號一般都比較小，不能直接用于顯示、記錄或A/D轉(zhuǎn)換，因此需要放大、濾波和整形。放大電路一般由運算放大器構(gòu)成，濾波器可根據(jù)需要采用無源濾波器或有源濾波器。根據(jù)輸入信號的頻率可選用低通濾波器，帶通濾波器或高通濾波器。1.運算放大器運算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器，常作為傳感器輸出的微弱信號的高增益放大器，使用形式比較多，但基本形式有以下三種：圖7.6反相運算放大器

+-AV0R3R1R2Vi圖7.7同相運算放大器R1-+AV0R2Vi

（1）反相運算放大器電路反相運算放大器如圖7.6所示。輸入信號通過電阻R1送運算放大器A的反相輸入端，輸出信號與輸入信號的符號相反。運算放大器的同相輸入端通過電阻R2接地，一般情況下R2的阻值約等于R1和R3的并聯(lián)值。輸出電壓V0與輸入電壓VI之比稱為電壓增益，等于R3與R1之比，即：。（2）同相運算放大器電路同相運算放大器如圖7.7所示。輸入信號送運算放大器的同相輸入端，輸出信號與輸入信號的符號相同。同相放大時電壓增益為：。（3）差動輸入運算放大器電路差動輸入運算放大器如圖7.8所示，輸入信號由運算放大器的同相輸入端和反相輸入端送入。圖中R1和R2構(gòu)成負(fù)反饋回路，若取，則。差動輸入運算放大器對共模干擾信號有著很好的抑制作用，因此經(jīng)常用來對直流信號進(jìn)行放大。R1R3圖7.8差動輸入運算放大器

+-AV0R2V1

V2

R4

在實際應(yīng)用中，運算放大器須根據(jù)需要增添零補償、頻率補償以及自動增益調(diào)節(jié)等電路，以提高整個電路的性能。圖7.9所示是運算放大器F011的外部引腳圖與聯(lián)接電路。

圖7.10所示是由F011構(gòu)成的直流放大器，可把傳感器輸出的0～10mV的直流信號放大成0～5V的電壓信號，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器的要求。圖7.9F011引腳與典型聯(lián)接(a)引腳圖12348765COMP1COMP2IN-IN+V-V+OUTBI1876235+-COMP1COMP2IN-IN+V-V+OUTBI4V-R1R3VIN2F011R2R41M3418567V+V0(b)典型連接圖7.10直流放大器1M210K470K8.2K+12V36.8K467-12VF01128.2KVIN51M1830P5467-12V36.8K1830P10K470KF0112.濾波器濾波器用來濾除檢測信號中的干擾雜波，往往與放大器設(shè)計在一起，即采用有源濾波器。實際使用時可選用一階有源濾波器，也可選用二階有源濾波器。在構(gòu)成有源濾波器時，常分為低通、高通和帶通有源濾波器。這里僅介紹一階有源濾波器，供讀者使用時參考。一階低通有源濾波器如圖7.10所示，其中圖（a）為正相輸入一階低通有源濾波器，圖（b）為反相輸入一階低通有源濾波器。一階高通有源濾波器如圖7.11所示，一階帶通有源濾波器如圖7.12所示。圖7.10一階低通有源濾波器Vi+-AV0R3R1C2R2(a)同相輸入一階低通有源濾波器器(b)反相輸入一階低通有源濾波器器+-AR1V0ViR2C2圖7.11一階高通有源濾波器圖7.12一階帶通有濾波器V0R2+-AR1C1ViC2V0+-AR1C1ViR2

一階低通有源濾波器的截止頻率由R2C2決定，。一階高通有源濾波器的下限頻率由R1C1決定，。一階帶通有源濾波器的下限頻率由R1C1決定，；上限頻率由R2C2決定，。在實際使用時，如果一階有源濾波器不能滿足要求，可選取用二階有源濾波器。7.3.2采樣保持器

在對外界信號采集時，A/D轉(zhuǎn)換器需要一定的時間，在這一段時間內(nèi)要求外界信號保持不變。這樣就得如圖7.13所示，對外界信號進(jìn)行采樣和保持工作。根據(jù)采樣定律，只要最低采樣頻率等于信號最高頻率分量的2倍(ωpmin=2ωn)時，即可得到不失真采樣。一般采樣時間很短，主要考慮的是保持時間，在保持時間內(nèi)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在一般情況下，采樣頻率主要由保持時間（即A/D轉(zhuǎn)換時間）來決定。

采樣保持器的工作原理如圖7.14所示，K為控制開關(guān)，C為保持電容。當(dāng)開關(guān)K接通時，進(jìn)行采樣，輸出量隨輸入量變化。當(dāng)開關(guān)K斷開時，進(jìn)入保持狀態(tài)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖7.13采樣與保持S/HViVo方式控制(b)符號圖

圖7.14采樣保持器(a)原理圖VO方式控制KVINC

圖7.15AD582引腳與內(nèi)部結(jié)構(gòu)1413121110981234567NCNCIN+IN-+VS-INOUTLogic+INNC-VSCHNCNULLNULL

目前，已有大量的集成電路采樣保持器，其中常用的有LF398，AD582/583等。AD582的外部引腳與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7.15所示，外接保持電容。在使用時其引腳功能如下：（1）電源引腳+Vs和-Vs：分別接+15V和-15V。（2）調(diào)零引腳NULL：外接電位器，用來調(diào)整第一級運算放大器的工作電流。（3）保持電容引腳CH：外接保持電容器，通?？蛇x幾百pF~0.01μF。（4）模擬量輸入引腳+IN和-IN：用來輸入模擬量信號。由+IN輸入時，輸出與輸入同相；由-IN輸入時，輸出與輸入反相。（5）采樣保持輸出引腳OUT：輸出采樣保持的信號。（6）狀態(tài)控制信號差動輸入引腳LogicIN+和LogicIN-：當(dāng)LogicIN+相對于LogicIN-為0（-6V~+0.8V）時，AD582處于采樣狀態(tài)；當(dāng)LogicIN+相對于LogicIN-為1（+2V~+Vs-3V）時，AD582處于保持狀態(tài)。該引腳的邏輯電平與CMOS和TTL電路兼容。

AD582采樣最短時間可達(dá)6μS，主要由保持電容器決定。適合于12位的A/D轉(zhuǎn)換器。7.3.3多路轉(zhuǎn)換開關(guān)

多路轉(zhuǎn)換開關(guān)是多路采集系統(tǒng)中必不可少的器件。目前常用的有4路、8路、16路等，轉(zhuǎn)換形式有多—1，1—多或二者兼用。下面以CD4051為例說明其組成原理和使用。

CD4051是一種8路多—1/1—多開關(guān)，其內(nèi)部組成如圖7.16所示。其中包括電平轉(zhuǎn)換電路、譯碼器/驅(qū)動器和開關(guān)電路，可實現(xiàn)CMOS到TTL的電平轉(zhuǎn)換。輸入電平范圍寬，數(shù)字量信號的幅度為3~20V，模擬量信號的峰---峰值可達(dá)20V。引腳功能如下：（1）電源引腳：VEE、VDD、VSS，提供電源，VEE、VSS接地，VDD接+15~+20V。（2）通道控制引腳ABC：也稱為地址，用來選擇通道，即000~111。（3）禁止控制引腳INH：為數(shù)字控制信號。當(dāng)INH為1時，所有通道斷開；當(dāng)INH為0時，按CBA選擇的通道接通。可用來控制多路開關(guān)的擴(kuò)展。（4）輸入輸出引腳IN0~IN7/OUT0~OUT7與OUT/IN：多—1使用時，由CBA選擇的輸入端IN0~IN7與OUT接通；1—多使用時，由CBA選擇的輸出端OUT0~OUT7與IN接通。

在實際使用時，可使用兩塊CD4051組成16路多路開關(guān)，其連接如圖7.17所示。OUT/INVDD圖7.16CD4051內(nèi)部組成原理TGTGTGTGTGTGTGTG邏輯電平轉(zhuǎn)換電路帶禁止線的二進(jìn)制譯碼器VSSVEE76543210IN/OUTABCINH圖7.17由CD4051構(gòu)成16路多路開關(guān)ABCINH131415121524CD405131#1N01N11N21N31N41N51N61N7ABCINH131415121524CD405132#1N81N91N101N111N121N131N141N15D0D1D2D3OUT/IN7.3.4A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理與使用1.A/D轉(zhuǎn)換原理

A/D轉(zhuǎn)換是把模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號的過程。A/D轉(zhuǎn)換的方法有計數(shù)式、雙斜（積分）式、逐次逼近式以及并行轉(zhuǎn)換等。下面僅以逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器為例，介紹A/D轉(zhuǎn)換原理及應(yīng)用。

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器如圖7.18所示，由五部分組成，即逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、輸出緩沖器及時序與控制邏輯電路。轉(zhuǎn)換電壓由VIN端輸入，啟動轉(zhuǎn)換信號由START端輸入。轉(zhuǎn)換開始后，首先由控制邏輯電路將逐次逼近寄存器SAR的最高位置1，其余位清0。然后將該假定數(shù)據(jù)送D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓VA，并與輸入的電壓信號一起送電壓比較器進(jìn)行比較。如果VIN＜VA，則說明將SAR的最高位置1不合適，應(yīng)清0；如果VIN≥VA，則說明將SAR的最高位置1合適，應(yīng)保留。然后，再把SAR的次高位置1，重復(fù)上述的轉(zhuǎn)換、比較、判斷以及決定該位置1還是清0。上述過程反復(fù)進(jìn)行，直到確定了SAR的最低位時為止。這樣SAR中的數(shù)就是VIN所轉(zhuǎn)換成的二進(jìn)制數(shù)。2.ADC0809

圖7.19所示為ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳分布。它采用逐次逼近式轉(zhuǎn)換原理，內(nèi)部分為兩大部分，一部分為模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，另一部分是A/D轉(zhuǎn)換器。它的輸出可以直接與CPU總線聯(lián)接。

最后將SAR中的數(shù)送入輸出緩沖器，準(zhǔn)備輸出。在轉(zhuǎn)換過程中控制邏輯電路輸出“忙”（BUSY）信號，轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出DONE信號，即完成了一次轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器輸出緩沖器逐次逼近寄存器SAR時序與控制邏輯電路CLKSTARTDONEBUSYOE比較器VIN圖7.18逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器邏輯框圖圖7.19ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳分布8位D/A轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存器D0D7....8路模擬量開關(guān)IN0IN7....地址鎖存與譯碼ADDAADDBADDCALEEOCSCCLKREF(+)REF(-)VCCGNDOE(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2-5IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCOECLKVCCREF(+)GND2-71282273264255246ADC23708092282192010191118121713161415IN2IN0ADDAIN1ADDBADDCALE2-12-22-32-42-8REF(-)2-6(b)引腳圖

模擬量多路開關(guān)包括8路輸入開關(guān)和3位地址鎖存器/譯碼器。8路輸入開關(guān)可接入8路模擬量輸入信號。3位地址ADDA、ADDB及ADDC由ALE信號輸入鎖存，經(jīng)譯碼后決定對哪一路輸入的模擬量信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。SC為啟動轉(zhuǎn)換信號，EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，OE為輸出允許信號，轉(zhuǎn)換一次共需64個時鐘周期。ADC0809單片機的聯(lián)接如圖7.20所示，作為單片機的一個擴(kuò)展輸入接口，采用線選尋址方式，口地址設(shè)置為0FEFFH，采用中斷方式與單片機聯(lián)絡(luò)。單片機響應(yīng)中斷請求后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，讀取數(shù)據(jù)。P0口作為數(shù)據(jù)/地址輸入/輸出端口。11≥11≥1SCOEP2.0÷474LS373GCLKD7～D0AB0809CEOCALEP0口ALECLKINT1WRRD80C51VR(+)VR(-)+15VGNDIN7～I(xiàn)N0圖7.20ADC0809與8031的聯(lián)接

程序設(shè)計分為兩部分，一部分是初始化程序，用來對單片機的有關(guān)寄存器置初值和啟動0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；另一部分是中斷服務(wù)程序，用來讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果和啟動下一次轉(zhuǎn)換。程序設(shè)計如下：初始化程序SETBIT1初始化

SETBEA

SETBEX1

MOVDPTR，#0FEFFH啟動轉(zhuǎn)換

MOVA，#00H

MOVX@DPTR，A

……

中斷服務(wù)程序PUSHDPL壓棧保護(hù)現(xiàn)場

PUSHDPH

MOVDPTR，#0FEFFH讀取數(shù)據(jù)

MOVXA，@DPTR

MOV40H，A

MOVA，#00H啟動轉(zhuǎn)換

MOVX@DPTR，A

POPDPH恢復(fù)現(xiàn)場

POPDPL

RETI

3.AD574AD574是一種12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7.21所示，主要由兩部分組成。其中一部分是模擬電路，包括高性能的AD565（12位D/A轉(zhuǎn)換器）和參考電壓；另一部分是數(shù)字電路，包括逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出緩沖器和控制邏輯電路。其工作原理與ADC0809基本相同。VCC+15VVL+5VDGNDVEE-15V10VREF3K5K20VIN10VINAGNDBIPOFFREFINREFOUT10.00V圖7.21AD574內(nèi)部結(jié)構(gòu)DACOUT12/8CSA0R/CCE輸出數(shù)據(jù)MSBLSB數(shù)字芯片模擬芯片控制邏輯電路時鐘+-比較器啟動停止

NIBANIBBNIBC12位三態(tài)輸出緩沖器輸出控制12位逐次逼近寄存器SARREFINAGNDD/A(AD565)12位5K標(biāo)志狀態(tài)STSBUSY/EOC如圖所示，AD574的引腳有28個，其功能如下：（1）、CE、R/：分別是片選、片允許和數(shù)據(jù)讀/啟動信號，用來控制芯片的選擇、數(shù)據(jù)讀出的啟動轉(zhuǎn)換。（2）A0和12/：用來控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的長度和輸出格式。CE、、R/、12/和A0的組合控制作用如表7.1所示。表7.1AD574組合控制功能CECSR/C12/8A0功

能0×11111×100000××00111××××+5V地地××01×01禁

止禁

止12位轉(zhuǎn)換8位轉(zhuǎn)換12位數(shù)據(jù)并行輸出輸出數(shù)據(jù)高8位輸出數(shù)據(jù)低4位（3）DB11~DB0：是12位數(shù)據(jù)輸出端。（4）STS：表示AD574當(dāng)前的狀態(tài)，即BUSY/。（5）供電電源VL：邏輯電平，+4.5V~+5.5V。VCC：電源電壓，+13.5V~+16.5V。VEE：負(fù)電壓，-13.5V~-16.5。（6）參考電壓REFOUT：參考電壓輸出（+10V）。REFIN：參考電壓輸入。BIPOFF：雙極性偏差調(diào)節(jié)端。（7）模擬輸入10VIN：10V模擬輸入。20VIN：20V模擬輸入。（8）地AGND：模擬地。DGND：數(shù)字地。EOC

在使用時，AD574有兩種聯(lián)接方式，一種是單極性輸入，另一種是雙極性輸入。單極性輸入時，模擬信號由10VIN或20VIN端輸入。如果不需要調(diào)零，BIPOFF接AGND；如果需要調(diào)零，BIPOFF接調(diào)零電路。雙極性輸入時，輸入信號為±5V或±10V，分別由10VIN和20VIN端輸入。

AD574與單片機的聯(lián)接如圖7.22所示，用來進(jìn)行12位數(shù)據(jù)采集，設(shè)使用查詢方式讀取數(shù)據(jù)，結(jié)果存入31H~30H單元中，程序設(shè)計如下：

圖7.22AD574與80C51單片機的聯(lián)接D7～D0P1.0P0口ALEWRRD80C51EACSR/C…DB0VCCVEEDGNDAGNDREFOUTBIPOFF10VIN20VINA0REFINDB11AD574CE12/8STSVL+5V74LS373GA0A1A7&E增益+15V-15V100Ω100Ω模擬輸入補償；使

=1，A0=0；使

=0，

=0，A0=0選擇12位轉(zhuǎn)換；使

=1，A0=1

ORG2000H

MOVR0，#30H

CLRP3.7；使CE=1

CLRP3.6

MOVDPTR，#0FF7CH

MOVX@DPTR，A；啟動A/D轉(zhuǎn)換HER：JBP1.0，HER；查詢STS

MOVDPTR，#0FF7EH

MOVXA，@DPTR；讀高8位

MOV@R0，A

MOVDPTR，#0FF7FH

MOVXA，@DPTR

；讀低4位

ANLA，#0FH

INCR0

MOV@R0，A

LOOP：SJMPLOOP

END

CSR/CR/CR/C7.4模擬信號輸出通道

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，計算機采集到的數(shù)據(jù)往往需要輸出，顯示，打印，或者用于調(diào)節(jié)或控制受控對象。在很多情況下，受控對象需要的是模擬量信號，這就需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。這中間除D/A轉(zhuǎn)換器外，還需要轉(zhuǎn)換開關(guān)，功率驅(qū)動器以及光電耦合等器件。這些器件組合起來，就構(gòu)成模擬信號輸出通道。7.4.1D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理與使用7.4.2開關(guān)信號輸出電路7.4.3模擬信號輸出電路7.4.1D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理與使用D/A轉(zhuǎn)換是把數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號的過程，其轉(zhuǎn)換方式比較多，下面僅以兩種為例，簡單介紹一下D/A轉(zhuǎn)換的方法。1.加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換法是用一個二進(jìn)制數(shù)的每一位產(chǎn)生一個與二進(jìn)制數(shù)的權(quán)成正比的電壓，然后將這些電壓加起來，就可得到與該二進(jìn)制數(shù)所對應(yīng)的模擬量電壓信號。例如，讓二進(jìn)制數(shù)的第0位產(chǎn)生一個1V（20）的電壓信號，第1位產(chǎn)生2V（21）的電壓信號，第2位產(chǎn)生4V（22）的電壓信號，以次類推，第n位產(chǎn)生2n的電壓信號。再把這些電壓加起來，就得到與原二進(jìn)制數(shù)成正比的電壓信號，這種轉(zhuǎn)換方法就稱為加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)法。

加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)法如圖7.23所示，是一個4位二進(jìn)制數(shù)的D/A轉(zhuǎn)換器。它包括一個4位切換開關(guān)、4個加權(quán)電阻的網(wǎng)絡(luò)，一個運算放大器和一個比例反饋電阻Rf。加權(quán)電阻的阻值按8:4:2:1配置，相應(yīng)的增溢分別為-Rf/8R、-Rf/4R、-Rf/2R和-Rf/R。切換開關(guān)由二進(jìn)制數(shù)來控制，當(dāng)二進(jìn)制數(shù)的某一位為1時，相應(yīng)位的開關(guān)閉合，否則斷開。當(dāng)開關(guān)閉合時，輸入電壓Vc加在該位的電阻上，于是在放大器的輸出端產(chǎn)生的電壓。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為b3、b2、b1、b0時輸出電壓為：

VA=-VCRf（b3/R+b2/2R+b1/4R+b0/8R）選用不同的加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，就可得到不同編碼數(shù)的D/A轉(zhuǎn)換器。圖7.23加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器運算放大器VC位切換開關(guān)0位1位2位3位VARfR2R4R8R二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入+-A模擬量輸出圖7.24T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器運算放大器VAA模擬量輸出Rf2RRRR2RVCb02R2R2R2Rb1b2b3+-←節(jié)點0←節(jié)點22.R-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換實際應(yīng)用的D/A轉(zhuǎn)換器多采用R-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖7.24所示，包括一個4位切換開關(guān)、4路R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、一個運算放大器和一個比例電阻Rf。這種轉(zhuǎn)換法與上述加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)法的主要區(qū)別在于電阻求和網(wǎng)絡(luò)的形式不同。它采用分流原理實現(xiàn)對輸入位數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。圖中無論從哪一個R-2R的節(jié)點向上或者向下看，等效電阻都是2R，從b3、b2、b1、b0看進(jìn)去的等效輸入電阻都是3R，于是從每個開關(guān)流入的電流I可視為相等，即。這樣由開關(guān)b3~b0流入運算放大器的電流依次為I，I，I和I。設(shè)b3b2b1b0為輸入的二進(jìn)制數(shù)，于是輸出電壓為：這樣就完成了由二進(jìn)制數(shù)到模擬量電壓信號轉(zhuǎn)換。3.DAC0832DAC0832是一個8位單片D/A轉(zhuǎn)換器，邏輯框圖如7.25所示，采用R-2RT型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換法。它由二級緩沖寄存器和D/A轉(zhuǎn)換電路組成，可直接與CPU總線聯(lián)接。輸入寄存器用來鎖存數(shù)據(jù)總線上輸入的數(shù)據(jù)。當(dāng)輸入鎖存允許ILE、片選信號和寫同時有效時，數(shù)據(jù)總線（DI7~DI0）上的數(shù)據(jù)送輸入寄存器鎖存。當(dāng)傳送控制和寫同時有效時，輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送DAC寄存器，然后由D/A轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后在Iout1和Iout2端獲得模擬量輸出。VREF為參考電壓輸入端，用來將外部基準(zhǔn)電壓與片內(nèi)的T型電阻網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。Rfb為反饋信號輸入，片內(nèi)已有反饋電阻，因此只需由Rfb端接入反饋信號即可。WR1WR2圖7.25DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)AGNDVREFD7Q7D0Q0寄存器D7Q7D0Q0輸入寄存器D7Q7D0Q0轉(zhuǎn)換器IOUT1IOUT2-+DI7....DI0ILECSWR1WR2XFERRfbDACD/A

根據(jù)不同的需要，DAC0832有三種聯(lián)接方式，一種是二級緩沖器型，第二種是一級緩沖器型，第三種是直通，如圖7.26所示。Rfb(a)二級緩沖器聯(lián)接方式ILEWR1CSD7～D0XFERWR2IOUT1-+IOUT2WRVCD7～D0地址譯碼器(b)一級緩沖器聯(lián)接方式RfbILEWR1CSD7～D0XFERWR2IOUT1-+IOUT2VCD7～D0地址譯碼器WR(c)直通聯(lián)接方式RfbILEWR1CSD7～D0XFERWR2IOUT1-+IOUT2VCD7～D0

圖7.26DAC0832的三種聯(lián)接方式執(zhí)行程序如下：4.DAC0832與單片機的聯(lián)接使用DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時，有三種連接方式。圖7.27所示為單緩沖器工作方式，其中ILE接+5V電壓，、接80C51的輸出端，和接地址線A0。端口地址設(shè)為00FEH，這樣CPU只要執(zhí)行一條輸出指令，就可把數(shù)據(jù)直接寫入0832的DAC寄存器，然后輸出一個模擴(kuò)量的電壓信號。XFERWR2WR1MOVDPTR,#00FEHMOVA,#dadaMOVX@DPTR,A圖7.27AD574與80C51單片機的聯(lián)接P0口ALEWR80C51EARfbIOUT1-+IOUT2WR1CSD7～D0XFERWR2AGNDDGNDILEVC+5VVREFA0D7～D074LS373GE5.DAC1208DCA1208是一種高性能的12位D/A轉(zhuǎn)換器，其系列產(chǎn)品有DAC1208/1209/1210等，內(nèi)部組成如圖7.28所示，包括8位/4位輸入寄存器、12位DAC寄存器、12位D/A轉(zhuǎn)換電路及門控電路等，采用雙緩沖器結(jié)構(gòu)。其中第一級由高8位和低4位寄存器構(gòu)成，第二級是12位的DAC寄存器。當(dāng)BYTE1/與為高電平且與有效時，高8位與低4位數(shù)據(jù)輸入鎖存；當(dāng)BYTE1/為低電平且與有效時，僅低4位數(shù)據(jù)輸入鎖存。當(dāng)與有效時12位數(shù)據(jù)送DAC寄存器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，由IOUT1

和IOUT2輸出模擬電流信號。WR2XFERWR1BYTE2WR1XFERBYTE2圖7.28DAC1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)CSWR1WR2XFERBYTE1/BYTE2DI11DI10DI9DI8DI7DI6DI5DI4DI7DI6DI5DI412位DAC寄存器8位輸入寄存器4位輸入寄存器12位D/A轉(zhuǎn)換器LE1AGNDVCCIOUT1IOUT2RfbVREFDGNDLE2LE2=1輸出跟隨輸入=0輸出數(shù)據(jù)鎖存LELEDAC1208有24個引腳，采用雙列直插式結(jié)構(gòu)，其功能如下：（1）輸入線DI11~DI0：共有12條，其中DI11~DI4輸入到高8位寄存器，DI3~DI0輸入到低4位寄存器。（2）輸出線IOUT1與IOUT2：共2條，電流輸出。（3）電源線VCC：+5V~+15V，以+15V為好。（4）參考電壓VREF：-10V~+10V。（5）地AGND：模擬地DGND：數(shù)字地（6）控制線Rfb：反饋電阻，可由內(nèi)部提供，也可由外部接入。：片選信號，低電平有效。：寫信號1，低電平有效，第一級緩沖器寫入。BYTE1/：高/低字節(jié)選擇，高電平時高8位與低4位輸入允許，低電平時僅輸入低4位。：寫信號2，低電平有效，第二級緩沖器寫入。：傳送控制信號，低電平有效，允許12位數(shù)據(jù)傳送到第二級緩沖器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。DAC1208與80C51單片機的如圖7.29所示，當(dāng)P2.5=0，P2.6=1，有效時DAC1208輸入高8位數(shù)據(jù)。當(dāng)P2.5=0，P2.6=0有效時輸入低4位數(shù)據(jù)，且12位數(shù)所送DAC寄存器。WRXFERWR2BYTE2WR1

設(shè)有一個12位數(shù)據(jù)，高8位在寄存器R1中，低4位在R0中，該數(shù)據(jù)輸出并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換程序如下：

MOVDPTR,#0DFFFHMOVA,R1MOVX@DPTR,AMOVDPTR,#8FFFHMOVA,R1MOVX@DPTR,A

圖7.29ADC1208與80C51單片機的聯(lián)接D7～D074LS373GP0口ALEWR80C51EAP2.5P2.6CSD11～D0XFERWR1WR2AGNDDGNDVCC+5VVREFRfbIOUT1-+IOUT2DAC1208+5V～+15VBY1/BY27.4.2開關(guān)信號輸出電路

由于單片機輸出的TTL信號驅(qū)動能力較小，因此經(jīng)常需要配置專門電路，以提高驅(qū)動能力。有時外電路需要較高的邏輯電平，所以也需要電平轉(zhuǎn)換。1.單向驅(qū)動電路在輸出地址信號或單向開關(guān)控制信號時，可使用單向驅(qū)動電路，常用的有74LS04，74LS125/126等。在多路TTL信號輸出時，一般選用三態(tài)門電路，譬如74LS240/241/244等。下面以74LS244為例說明單向驅(qū)動電路的使用。

74LS244是一種8緩沖驅(qū)動器，由三態(tài)門電路構(gòu)成，有20個引腳，采用雙列直插式結(jié)構(gòu)，可用于8路信號的輸出。在與單片機聯(lián)接時，常用作地址輸出驅(qū)動器，如圖7.30所示。圖7.3080C51單片機與74LS244的聯(lián)接VCCGND74LS373CLR1G1G2G2G+5V74LS24474LS244+5VGNDGND...P2.7ALE80C51P2.0P0.7...P0.0EA圖7.3180C51單片機與74LS245的聯(lián)接74LS37374LS245EA...80C51P0.7P0.02.雙向驅(qū)動電路常用的雙向驅(qū)動電路有74LS242/243/245等。下面以74LS245為例說明。

74LS245由雙向三態(tài)門電路構(gòu)成，有20個引腳，采用雙列直插式結(jié)構(gòu)，在多路數(shù)據(jù)輸入輸出時用作數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器，其連接如圖7.31所示。7.4.3模擬信號輸出電路

在過程控制中經(jīng)常需要把計算機輸出的電壓（0~5V）信號轉(zhuǎn)換成受控對象所需要的電流信號，以提高其驅(qū)動能力。因此經(jīng)常需要配置功率驅(qū)動器，這些電路統(tǒng)稱為模擬信號輸出電路。1.0~5V電壓轉(zhuǎn)換電流輸出電路

0~5V電壓轉(zhuǎn)換電流輸出電路如圖7.34所示，可把0~5V直流電壓信號轉(zhuǎn)換成0~10mA的電流信號。該電路是一種電壓比較型跟隨器，當(dāng)Vf＜VIN時，運算放大器A1使輸出V1下降，A2輸出的V2上升，IL增大，于是Vf上升。當(dāng)Vf＞VIN時，A1的輸出V1上升，A2的輸出V2下降，IL減小，于是Vf下降。由此可見，當(dāng)Vf≠VIN時輸出量自動調(diào)節(jié)，使Vf=VIN,于是。當(dāng)R7、W穩(wěn)定性好，運算放大器A1、、A2有較高的增益時，有較高的線性精度。當(dāng)R7+W=500Ω時，輸出電流IL為0~10mA。圖7.34模擬信號輸出電路一R6R3R1R2VINVfA1R4VECR5+-A2RLIL

0～10mA+-WR7V1V2圖7.35模擬信號輸出電路二VINR6R1R2AR3R4+VfRLBG1RfVoVEIo

BG2R5-2.0～10V電壓轉(zhuǎn)換電流輸出電路

圖7.35所示是把0~10V直流電壓信號轉(zhuǎn)換成0~10mA的直流電流輸出電路。該電路實際上是一種電壓—電流變換器，其輸出電流與輸入電壓有著良好的線性關(guān)系。圖中運算放大器接成差動輸入方式，起比較器的作用，把輸入信號VIN與反饋信號Vf進(jìn)行比較。晶體管BG1、BG2構(gòu)成電流輸出級。輸出電流I0經(jīng)電阻Rf得到反饋電壓Vf，再經(jīng)R3、R4加到運算放大器的兩個輸入端。由于有較強的電流負(fù)反饋，所以可獲得良好的線性關(guān)系。反饋電阻的值與信號范圍有關(guān)，當(dāng)IIN=0~10V時，Rf=200Ω，則IO=0~10mA。R1、R2的參考值為100KΩ，R3、R4的參考值為20KΩ。

R

PMOS7407+10V-5V1K圖7.337407與PMOS電路的聯(lián)接C0.1μF3.OC門驅(qū)動電路

OC門電路可由晶體管構(gòu)成，也可選用TTLOC門，如7405/06/07、7416/17等。這些OC門都具有高壓輸出功能，除用于提高驅(qū)動能力外，還可實現(xiàn)電平變換，驅(qū)動MOS電路。其中7407驅(qū)動PMOS電路的聯(lián)接如圖7.33所示，最高輸出電壓可達(dá)30V。7.5光電隔離技術(shù)

在驅(qū)動大電流用電器或有較強干擾的設(shè)備時，常使用光電隔離技術(shù)，以切斷單片機與受控對象之間的電氣聯(lián)系。目前常用的光電耦合器有晶體管輸出型和晶閘管輸出型。7.5.1晶體管輸出型光電耦合器7.5.2晶閘管輸出型光電耦合器7.5.1晶體管輸出型光電耦合器

晶體管輸出型光電耦合器如圖7.36所示，由發(fā)光二極管和光電晶體管構(gòu)成。當(dāng)電流流過發(fā)光二極管時，二極管發(fā)光，照射晶體管的基極，于是晶體管的cb之間和ce之間有電流流過，該電流與ce之間的電壓Vce關(guān)系甚小，主要由光照決定，即由發(fā)光二極管控制。輸入

+5V輸出

圖7.36晶體管輸出光電耦合器

光電晶體管集電極電流Ic與發(fā)光二極管電流If之比稱為光電耦合器的電流傳輸比。目前，常用的晶體管輸出光電耦合器有4N25、4N33、TIL110等，其中4N33是一種達(dá)林頓管輸出型光電耦合器。4N25與TIL110的電流傳輸比相近，≥20%；4N33的電流傳輸比≥500%。7.5.2晶閘管輸出型光電耦合器

晶閘管輸出型光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶閘管構(gòu)成。由于光敏晶閘管有單向和雙向之分，因此在構(gòu)成光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時，晶閘管通導(dǎo)。晶閘管輸出型光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及構(gòu)成輸出電路的聯(lián)接如圖7.37所示。其中4N40是常用的單向輸出型光電耦合器。當(dāng)輸入端有15~30mA電流時，輸出晶閘管通導(dǎo)。輸出端額定電壓為400V，額定電流為300mA，輸入輸出隔離電壓為1500~7500V。4N40100Ω0.1μF+5V7407圖7.37晶閘管輸出光電耦合電路R191Ω12×R210K4567407R1180Ω1246MOC3041大功率晶閘管及負(fù)載過零檢測電路P1.080C51P1.7～220V+5VEA7.6V/F與F/V轉(zhuǎn)換電路V/F（電壓/頻率）與F/V（頻率/電壓）轉(zhuǎn)換技術(shù)分別是A/D與D/A轉(zhuǎn)換的另一種形式。前者的作用是把模擬量的電壓信號轉(zhuǎn)換成TTL電平脈沖的頻率信號，而后者的作用則是把頻率信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。采用V/F和F/V轉(zhuǎn)換技術(shù)，輸入輸出方便，且具有較強的抗干擾能力，易于遠(yuǎn)距離傳送，特別是用光纖傳輸時不受電磁場干擾。7.6.1V/F轉(zhuǎn)換電路7.6.2F/