東北大學微機原理-8

第八章外部輸入輸出擴展8.1開關量接口8.2模擬信號輸入通道8.3模擬信號輸出通道2/6/202318.1開關量接口

開關量的輸入與輸出，從原理上講十分簡單。CPU只要通過對輸入信息分析是“1”還是“0”，即可知開關是合上還是斷開。如果控制某個執(zhí)行器的工作狀態(tài)，只需送出“0”或“1”，即可由操作機構執(zhí)行。但是由于工業(yè)現場存在著電、磁、振動、溫度等各種干擾及各類執(zhí)行器所要求的開關電壓量級及功率不同，所以在接口電路中除根據需要選用不同的元器件外，還需要采用各種緩沖、隔離與驅動措施。

2/6/202328.1.1開關量接口驅動

由于單片機輸出的TTL信號驅動能力較小，因此經常需要配置專門電路，以提高驅動能力。有時外電路需要較高的邏輯電平，所以也需要電平轉換。1.單向驅動電路在輸出地址信號或單向開關控制信號時，可使用單向驅動電路，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為例說明單向驅動電路的使用。2/6/202338.1開關量接口2.雙向驅動電路常用的雙向驅動電路有74LS242/243/245等。74LS245由雙向三態(tài)門電路構成，在多路數據輸入輸出時用作數據總線驅動器。3.OC門驅動電路

OC門電路可由晶體管構成，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，除用于提高驅動能力外，還可實現電平變換，驅動MOS電路。7407驅動PMOS電路，最高輸出電壓可達30V。R

PMOS7407+10V-5V1K7407與PMOS電路的聯接C0.1μF2/6/202348.1.2開關量輸出接口光耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件，它把一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管封裝在一個管殼內，發(fā)光二極管加上正向輸入電壓信號（＞1.1V）就會發(fā)光，光信號作用在光敏三極管基極產生基極光電流使三極管導通，輸出電信號。一、輸出接口隔離

2/6/202358.1.2開關量輸出接口主要特性參數有以下幾個方面：（1）導通電流和截止電流：對于開關量輸出場合，光電隔離主要用其非線性輸出特性。當發(fā)光二極管二端通以一定電流時，光耦合器輸出端處于導通狀態(tài)；當流過發(fā)光二極管的電流小于某一值時，光耦合器輸出端截止。不同的光耦合器通常有不同的導通電流，一般典型值為10mA。（2）頻率響應：受發(fā)光二極管和光敏三極管響應時間的影響，開關信號傳輸速度和頻率受光耦合器頻率特性的影響。因此，在高頻信號傳輸中要考慮其頻率特性。在開關量輸出通道中，輸出開關信號頻率一般較低，不會受光耦合器頻率特性影響。2/6/202368.1.2開關量輸出接口（3）輸出端工作電流：是指光耦合器導通時，流過光敏三極管的額定電流。該值表示了光耦合器的驅動能力，一般為mA量級。（4）輸出端暗電流：是指光耦合器處于截止狀態(tài)時輸出端流過的電流。對光耦合器來說，此值越小越好，以防止輸出端的誤觸發(fā)。（5）輸入輸出壓降：分別指發(fā)光二極管和光敏三極管的導通壓降。（6）隔離電壓：表示了光耦合器對電壓的隔離能力。光耦合器二極管側的驅動可直接用門電路去驅動，一般的門電路驅動能力有限，常用帶OC門的電路（如7406、7407）進行驅動。

2/6/202378.1.2開關量輸出接口繼電器方式的開關量輸出，是目前最常用的一種輸出方式，一般在驅動大型設備時，往往利用繼電器作為測控系統(tǒng)輸出至輸出驅動級之間的第一級執(zhí)行機構。通過該級繼電器輸出，可完成從低壓直流到高壓交流的過渡。由于繼電器的控制線圈有一定的電感，在關斷瞬間會產生較大的反電勢，因此在繼電器的線圈上常常反向并聯一個二極管用于電感反向放電，以保護驅動晶體管不被擊穿。不同的繼電器，允許驅動電流也不一樣。對于需要較大驅動電流的繼電器，可以采用達林頓輸出的光隔直接驅動；也可以在光耦與繼電器之間再加一級三極管驅動。二、繼電器輸出接口

2/6/202388.1.2開關量輸出接口雙向晶閘管具有雙向導通功能，能在交流、大電流場合使用，且開關無觸點，因此在工業(yè)控制領域有著極為廣泛的應用。傳統(tǒng)的雙向晶閘管隔離驅動電路的設計，是采用一般的光隔離器和三極管驅動電路?，F在已有與之配套的光隔離器產品，這種器件稱為光耦合雙向晶閘管驅動器。與一般的光耦不同，在于其輸出部分是一硅光敏雙向晶閘管，有的還帶有過零觸發(fā)檢測器，以保證在電壓接近為零時觸發(fā)晶閘管。常用的有MOC3000系列等，運用于不同負載電壓使用，如MOC3011用于110V交流，而MOC3041等可適用于220V交流使用，用MOC3000系列光電耦合器直接驅動雙向晶閘管，大大簡化了傳統(tǒng)的晶閘管隔離驅動電路的設計。三、雙向晶閘管輸出接口

2/6/202398.1.2開關量輸出接口固態(tài)繼電器（SSR）是近年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用TTL、HTL、COMS等集成電路或加簡單的輔助電路就可直接驅動，因此適宜于在微機測控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件；其輸出利用晶體管或晶閘管驅動，無觸點。與普通的電磁式繼電器和磁力開關相比，具有無機械噪聲、無抖動和回跳、開關速度快、體積小、重量輕、壽命長、工作可靠等特點，并且耐沖力、抗潮濕、抗腐蝕，因此在微機測控等領域中，已逐步取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開關作為開關量輸出控制元件。四、固態(tài)繼電器輸出接口

2/6/2023108.1.2開關量輸出接口固態(tài)繼電器由光電耦合電路、觸發(fā)電路、開關電路、過零控制電路和吸收電路五部分構成。這五部分被封裝在一個六面體外殼內，成為一個整體，外面有四個引腳（圖中的Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）。如果是過零型SSR就包括“過零控制電路”部分，而非過零型SSR則沒有這部分電路。

2/6/2023118.1.2開關量輸出接口直流型固態(tài)繼電器主要用于直流大功率控制場合。其輸入端為一光電耦合電路，因此可用OC門或晶體管直接驅動，驅動電流一般3～30mA，輸入電壓為5～30V，因此在電路設計時可選用適當的電壓和限流電阻Ｒ。其輸出端為晶體管輸出，輸出電壓30～180V。

1、直流型固態(tài)繼電器

注意在輸出端為感性負載時，要接保護二極管用于防止直流固態(tài)繼電器由于突然截止所引起的高電壓。

2/6/2023128.1.2開關量輸出接口交流型固態(tài)繼電器分為非過零型和過零型，二者都是用雙向晶閘管作為開關器件，用于交流大功率驅動場合。非過零型SSR，在輸入信號時，不管負載電源電壓相位如何，負載端立即導通；而過零型必須在負載電源電壓接近零且輸入控制信號有效時，輸出端負載電源才導通，可以抑制射頻干擾。當輸入端的控制電壓撤消后，流過雙向晶閘管負載電流為零時才關斷。２、交流型固態(tài)繼電器

2/6/2023138.1.2開關量輸出接口過零型

基本控制

非過零型

TTL控制

2/6/202314在測量和工業(yè)實時控制中，經常需要對現場物理量進行測量，或者采集下來進行處理。這就需要構成一個模擬信號的輸入通道，如圖所示。

單片機或微處理器低通濾波采樣保持A/D轉換傳感器前置放大模擬輸入通道8.2模擬信號輸入通道2/6/2023158.2.1A/D轉換器的主要技術指標1、分辨率

ADC的分辨率是指使輸出數字量變化一個相鄰數碼所需輸入模擬電壓的變化量。常用二進制的位數表示。例如12位ADC的分辨率就是12位，或者說分辨率為滿刻度FS的1/。一個10V滿刻度的12位ADC能分辨輸入電壓變化最小值是10V×1/=2.4mV。2/6/2023168.2.1A/D轉換器的主要技術指標量化誤差ADC把模擬量變?yōu)閿底至?，用數字量近似表示模擬量，這個過程稱為量化。量化誤差是ADC的有限位數對模擬量進行量化而引起的誤差。實際上，要準確表示模擬量，ADC的位數需很大甚至無窮大。一個分辨率有限的ADC的階梯狀轉換特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉換特性曲線（直線）之間的最大偏差即是量化誤差。2/6/2023178.2.1A/D轉換器的主要技術指標偏移誤差是指輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，所以有時又稱為零值誤差。假定ADC沒有非線性誤差，則其轉換特性曲線各階梯中點的連線必定是直線，這條直線與橫軸相交點所對應的輸入電壓值就是偏移誤差。滿刻度誤差又稱為增益誤差。ADC的滿刻度誤差是指滿刻度輸出數碼所對應的實際輸入電壓與理想輸入電壓之差。2/6/2023188.2.1A/D轉換器的主要技術指標線性度有時又稱為非線性度，它是指轉換器實際的轉換特性與理想直線的最大偏差。絕對精度

在一個轉換器中，任何數碼所對應的實際模擬量輸入與理論模擬輸入之差的最大值，稱為絕對精度。對于ADC而言，可以在每一個階梯的水平中點進行測量，它包括了所有的誤差。轉換速率

ADC的轉換速率是能夠重復進行數據轉換的速度，即每秒轉換的次數。而完成一次A/D轉換所需的時間（包括穩(wěn)定時間），則是轉換速率的倒數。2/6/202319必要性

1.任何運放都具有零漂和溫漂，影響測量精度

2.低溫漂、零漂的器件價格高

3.前置放大器的放大倍數與反饋電阻精度相關，往往需要高精度的電阻，帶來放大倍數不準確8.2.2自校正測量電路2/6/202320多路開關放大器A/DCPUVrefVinVgnd8.2.2自校正測量電路—設計2/6/202321CPU控制多路開關，分時測量基準點壓Vref、測量信號Vin、零點Vgnd，經A/D轉換得到的數字量分別為Mref、Min和Mgnd。則測量信號Vin的測量值M為可以看出，測量值與放大器的放大倍數無關，從而消除了放大倍數隨時間、溫度的變化而帶來的測量精度問題。將零點剪掉，具有良好的抑制零漂8.2.2自校正測量電路—工作原理2/6/202322#defineADCResultXBYTE[0xfffe]#defineSelectChanP1#defineVcal5.0sbit

ADOver P1^7;sbit

ADStartP1^6;unsignedint

Vgnd,Vin,Vref;floatVm;main(){unsignedchari;

for(i=0;i<2;i++){

ADStart=0;

ADStart=1;while（ADOver==0);

if(i==0)Vref=ADCResult;

elseif(i==1)Vin=ADCResult;elseVgnd=ADCResult;}Vm=(float)(Vin–Vgnd)/(float)(Vref-Vgnd)Vm=Vm*Vcal;

}8.2.2自校正測量程序2/6/202323采樣得到的數據必須經過數據處理，才能用于顯示、控制等。

標度變換（工程量變換）數字濾波其他8.2.3數據處理2/6/202324經過A/D轉換得到的不具有量綱的數字量轉換成具有量綱的數值。線形參數標度變換其中：A0

為參數量程的起點值，一次測量儀表的下限

Am為參數量程的終點值，一次測量儀表的上限

Ax為參數測量值，工程量

N0

為量程起點對應的A/D轉換后的值，儀表下限對應的數字量

Nm為量程終點對應的A/D轉換后的值，儀表上限對應的數字量

Nx

為測量值對應的A/D轉換后的值8.2.3數據處理一、標度變換2/6/202325

非線性情況比較復雜，通常采用查表法，或分段線性化的方法8.2.3數據處理非線形參數標度變換2/6/202326測量過程的干擾噪聲主要有兩大類：工頻干擾、隨機干擾。

限幅濾波

中位值濾波法

算術平均濾波法

遞推平均濾波法

（又稱滑動平均濾波法）

中位值平均濾波法

（又稱防脈沖干擾平均濾波法）限幅平均濾波法一階滯后濾波法加權遞推平均濾波法

消抖濾波法8.2.3數據處理二、數字濾波2/6/202327數字濾波的設計

1．算術平均值法算術平均值法就是對某一點的數值連續(xù)多次采樣，取其算術平均值。適用于一般信號本身在一定數值范圍附近上下波動的情況。算術平均值濾波，一般多次采樣取3～5次即可。2．中值濾波法中值濾波就是連續(xù)采集N個數據，從中選取一個中間值作為該點的采樣結果。

8.2.3數據處理2/6/202328算數平均值濾波程序#defineN12charfilter()

{

int

sum=0;

for(count=0;count<N;count++)

{

sum+=get_ad();

delay();

}

return(char)(sum/N);

}8.2.3數據處理2/6/202329中位值濾波程序/*

N值可根據實際情況調整

排序采用冒泡法*/

#defineN

11charfilter()

{

charvalue_buf[N];

charcount,i,j,temp;

for(count=0;count<N;count++)

{

value_buf[count]=get_ad();

delay();

}

for(j=0;j<N-1;j++)

{

for(i=0;i<N-j;i++)

{

if(value_buf>value_buf[i+1])

{

temp=value_buf;

value_buf=value_buf[i+1];

value_buf[i+1]=temp;

}

}

}

returnvalue_buf[(N-1)/2];

}

8.2.3數據處理2/6/2023303．防脈沖干擾平均值濾波法單片機應用系統(tǒng)經常會遇到尖脈沖干擾。干擾通常只影響個別采樣點的數據，此數據與其他采樣點的數據相差比較大。如果采用防脈沖干擾平均值濾波法，即對采樣的N個數據進行比較，去掉其中最大值和最小值，然后計算余下的平均值?？梢詾V去脈沖干擾所形成的最大和最小數據。4．滑動平均值濾波法滑動平均值濾波法采用隊列作為測量數據存儲器，隊列的隊長為N，每進行一次新的測量，把測量結果放入隊尾，而扔掉原來隊首的一個數據，這樣在隊列中始終有N個數據。對N個數據求算術平均值，就可得到測量結果。

8.2.3數據處理2/6/202331限幅濾波程序/*

A值可根據實際情況調整

value為有效值，new_value為當前采樣值

濾波程序返回有效的實際值

*/

#defineA10

charvalue;charfilter()

{

char

new_value;

new_value=get_ad();

if((new_value-value>A)||(value-new_value>A)

returnvalue;

returnnew_value;

}8.2.3數據處理2/6/202332遞推平均值濾波程序#defineN12charvalue_buf[N];

chari=0;charfilter()

{

charcount;

int

sum=0;

value_buf[i++]=get_ad();

if(i==N)

i=0;

for(count=0;count<N,count++)

sum=value_buf[count];

return(char)(sum/N);

}8.2.3數據處理2/6/202333中位值平均濾波程序#defineN12charfilter()

{

charcount,i,j;

charvalue_buf[N];

int

sum=0;

for

(count=0;count<N;count++)

{

value_buf[count]=get_ad();

delay();

}

for(j=0;j<N-1;j++)

{

for(i=0;i<N-j;i++)

{

if(value_buf>value_buf[i+1])

{

temp=value_buf;

value_buf=value_buf[i+1];

value_buf[i+1]=temp;

}

}

}

for(count=1;count<N-1;count++)

sum+=value[count];

return(char)(sum/(N-2));

}8.2.3數據處理2/6/2023345．一階低通濾波法一階低通濾波法就是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，這種方法適用于變化緩慢數據采集系統(tǒng)。用RC低通濾波器來抑制高頻干擾，只保存低頻有用信號。一階低通數字濾波器的公式為：

Yn

=(1-K)Yn-1+KXn

式中：

K：數字濾波器的時間常數；

Xn：第n次采樣時的濾波器輸入；

Yn：第n次采樣時的濾波器輸出。8.2.3數據處理2/6/202335一階滯后濾波程序（低通濾波）#definea50charvalue;charfilter()

{

char

new_value;

new_value=get_ad();

return((100-a)*value+a*new_value)/100;

}8.2.3數據處理2/6/202336加權遞推平均濾波程序/*coe數組為加權系數表，存在程序存儲區(qū)。*/#defineN12charcodecoe[N]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12};

charcodesum_coe=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;charfilter()

{

charcount;

charvalue_buf[N];

int

sum=0;

for(count=0,count<N;count++)

{

value_buf[count]=get_ad();

delay();

}

for(count=0,count<N;count++)

sum+=value_buf[count]*coe[count];

return(char)(sum/sum_coe);

}8.2.3數據處理2/6/202337消抖濾波程序#defineN12charfilter()

{

charcount=0;

charnew_value;

new_value=get_ad();

while(value!=new_value);

{

count++;

if(count>=N)

returnnew_value;

delay();

new_value=get_ad();

}

returnvalue;

}8.2.3數據處理2/6/202338在控制系統(tǒng)中，計算機采集到的數據往往需要輸出；或經過控制算法計算后輸出控制信號用于調節(jié)或控制受控對象。在很多情況下，計算機系統(tǒng)需要輸出模擬量信號。

為適應信號遠傳需要，需要把計算機經D/A輸出的電壓信號轉換成受控對象所需要的電流信號。工業(yè)常用信號：0-10mA4-20mA8.3模擬信號輸出通道

2/6/2023398.3.1D/A轉換器的主要性能指標分辨率分辨率是指輸入數字量的最低有效位（LSB）發(fā)生變化時，所對應的輸出模擬量（常為電壓）的變化量。它反映了輸出模擬量的最小變化值。分辨率與輸入數字量的位數有確定的關系，可以表示成FS/。FS表示滿量程輸入值，n為二進制位數。對于5V的滿量程，采用８位的DAC時，分辨率為5V/256＝19.5mV；當采用12位的DAC時，分辨率則為5V/4096＝1.22mV。顯然，位數越多分辨率就越高。線性度線性度（也稱非線性誤差）是實際轉換特性曲線與理想直線特性之間的最大偏差。常以相對于滿量程的百分數表示。如±１％是指實際輸出值與理論值之差在滿刻度的±１％以內。2/6/2023408.3.1D/A轉換器的主要性能指標絕對精度（簡稱精度）是指在整個刻度范圍內，任一輸入數碼所對應的模擬量實際輸出值與理論值之間的最大誤差。絕對精度是由DAC的增益誤差（當輸入數碼為全1時，實際輸出值與理想輸出值之差）、零點誤差（數碼輸入為全０時，DAC的非零輸出值）、非線性誤差和噪聲等引起的。絕對精度（即最大誤差）應小于1個LSB。相對精度與絕對精度表示同一含義，用最大誤差相對于滿刻度的百分比表示。2/6/2023418.3.1D/A轉換器的主要性能指標建立時間是指輸入的數字量發(fā)生滿刻度變化時，輸出模擬信號達到滿刻度值的±1/2LSB所需的時間。是描述D/A轉換速率的一個動態(tài)指標。電流輸出型DAC的建立時間短。電壓輸出型DAC的建立時間主要決定于運算放大器的響應時間。根據建立時間的長短，可以將DAC分成超高速（＜1μS)、高速（10～1μS）、中速（100～10μS）、低速（≥100μS）幾檔。

應當注意，精度和分辨率具有一定的聯系，但概念不同。DAC