第8章模擬量輸入輸出

第8章模擬量輸入輸出第一頁，共68頁。主要內(nèi)容：模擬量輸入輸出通道的組成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程2第二頁，共68頁。8.1測控通道結(jié)構(gòu)

測控通道的輸入/輸出有模擬信號和離散信號(包括脈沖信號、開關(guān)信號和數(shù)字信號)之分。離散信號可經(jīng)簡單的數(shù)字接口與計算機相連，而模擬信號則必須進行變換：輸入的模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計算機，計算機輸出的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路DAC轉(zhuǎn)換成模擬量去控制模擬設(shè)備。8.1.1檢測通道結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)框圖檢測通道負責(zé)數(shù)據(jù)采集，其結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。圖(a)是模擬信號檢測通道結(jié)構(gòu)框圖。傳感器感知、檢測被測對象連續(xù)變化的物理量，將其轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號送到下一級。使用不同材料和工藝制作的傳感器很多，感知轉(zhuǎn)換的原理也各不相同，它們可對各種不同的物理量如溫度、濕度、流量、速度、壓力、位移、角度……直到各種生理指標(biāo)、色譜分析、輻射狀況等進行感知、量測、傳送。

第三頁，共68頁。第四頁，共68頁。模擬信號必須用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換的方法和電路很多，性能各異，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器一般要求輸入電壓信號，若傳感器送出的是電流信號則要先進行電流-電壓（I-V）變換；對微弱信號要由高精度、高開環(huán)增益的運算放大器進行放大，接著進行“信號調(diào)理”，把對應(yīng)滿量程的輸入信號放大到規(guī)定幅度，再由增益放大器放大以達到A/D轉(zhuǎn)換器滿量程輸入時的幅度要求。在干擾較大的現(xiàn)場，可采用線性隔離放大器或線性光電隔離器去除干擾，但這兩種電路的響應(yīng)頻率不高，僅適用于低頻場合。第五頁，共68頁。A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，高速模擬輸入信號在A/D轉(zhuǎn)換期間其值可能已發(fā)生很大變化，因此必須用采樣-保持（S-H）電路把采樣時刻模擬量的值保持?。ú辉僮兓钡睫D(zhuǎn)換完畢；然后更新采樣值，進行下一次轉(zhuǎn)換。當(dāng)有多個模擬信號輸入時，為了能共用S-H電路、A/D轉(zhuǎn)換器和微機，使用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，可分時地接通多個不同的信號源，進行放大、采樣、轉(zhuǎn)換和計算機處理。在圖(a)中，多路開關(guān)之后是各個輸入模擬通道的公共部分。圖(b)是離散信號檢測通道結(jié)構(gòu)框圖。檢測的是脈沖信號、開關(guān)信號或數(shù)字信號等離散量，傳感器送來的信號經(jīng)放大整形、電平變換后，通過并行、串行等數(shù)字接口送入微機進行處理。

6第六頁，共68頁。2.檢測通道特點

檢測通道的任務(wù)就是對被檢測對象進行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。為了測量的可靠與精確，減少傳輸過程的干擾和損耗，通常將檢測通道和傳感器做在一起，放到被測對象的現(xiàn)場中，使檢測通道和計算機系統(tǒng)分開。檢測對象的多樣性和檢測環(huán)境的復(fù)雜性，決定了檢測通道的設(shè)計豐富多變。使用不同的傳感器和變換器，通道的模塊結(jié)構(gòu)及信息的傳輸形式各不相同。不管什么結(jié)構(gòu)的檢測通道，其共同點就是要把被檢測的信號準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成計算機能識別的具有TTL電平的數(shù)字信號，供計算機處理。檢測結(jié)果失準(zhǔn)便沒有實際意義。由于檢測器置于被測對象的現(xiàn)場，容易受到各種干擾，因此在小信號檢測中，抗干擾設(shè)計是十分重要的內(nèi)容。在信號的識別、放大、傳輸整個過程中，都要充分注意抗干擾問題。

第七頁，共68頁。8.1.2控制通道結(jié)構(gòu)

1.結(jié)構(gòu)框圖控制通道輸出控制信號給受控對象，對受控對象實施預(yù)期目標(biāo)的控制?？刂仆ǖ赖慕Y(jié)構(gòu)如圖9-2所示。第八頁，共68頁。若受控裝置是離散信號控制的數(shù)控裝置，計算機輸出的控制信號通過數(shù)字接口經(jīng)光電隔離和功率放大后直接施控；若受控對象是模擬信號控制的設(shè)備，則須經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后施控；微機經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器可輸出多路控制信號，通過1TOm的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)對多個受控對象實施群控。9第九頁，共68頁。2.控制通道特點計算機總線信號為TTL電平，負載能力很小，而受控對象則多種多樣，一般要求較大的控制電壓或電流。因此，控制通道具有如下特點：

n

小信號輸入，大功率控制。計算機送來的控制信號必須經(jīng)功率放大電路不失

真地加以放大，放大到受控對象所要求的電功率，再實施控制。

n有效的抗干擾措施。受控對象一般是強電磁部件，例如電機使用的電磁啟動

器等，受控過程中不可避免地會產(chǎn)生強電磁干擾，有效的抗干擾措施是確保

整個控制系統(tǒng)正常工作的必要條件。

第十頁，共68頁。模擬量的輸入輸出通道11第十一頁，共68頁。模擬量I/O通道：模擬接口電路的任務(wù)模擬電路的任務(wù)工業(yè)生產(chǎn)過程傳感器放大濾波多路轉(zhuǎn)換&采樣保持A/D轉(zhuǎn)換放大驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換輸出接口微型計算機執(zhí)行機構(gòu)輸入接口物理量變換信號處理信號變換I/O接口輸入通道輸出通道變送器12第十二頁，共68頁。模擬量的輸入通道傳感器（Transducer）非電量→電壓、電流變送器（Transformer）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號信號處理（SignalProcessing）放大、整形、濾波多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multiplexer）多選一采樣保持電路（SampleHolder，S/H）保證變換時信號恒定不變A/D變換器（A/DConverter）模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量13第十三頁，共68頁。模擬量的輸出通道D/A變換器（D/AConverter）數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量低通濾波平滑輸出波形放大驅(qū)動提供足夠的驅(qū)動電壓，電流14第十四頁，共68頁。閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用案例水泥廠增濕塔出口溫度控制系統(tǒng)15第十五頁，共68頁。數(shù)/模（D/A）變換器16第十六頁，共68頁。掌握：D/A變換器的工作原理D/A變換器的主要技術(shù)指標(biāo)DAC0832的三種工作模式DAC0832的應(yīng)用17第十七頁，共68頁。一、D/A變換器的工作原理組成：模擬開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)運算放大器VrefRf

模擬開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)VO數(shù)字量∑18第十八頁，共68頁?；咀儞Q原理當(dāng)運放的放大倍數(shù)足夠大時，輸出電壓VO與輸入電壓Vin的關(guān)系為：VinRf

VO∑R

19第十九頁，共68頁?；咀儞Q原理若輸入端有n個支路,則輸出電壓VO與輸入電壓Vi的關(guān)系為：VinRf

VO∑R1Rn…20第二十頁，共68頁。n=8的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf

VOS1S2S3S4S5S6S7S821第二十一頁，共68頁?；咀儞Q原理如果每個支路由一個開關(guān)Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si斷開，則上式變換為若Si=1,該項對VO有貢獻；若Si=0,該項對VO無貢獻22第二十二頁，共68頁?；咀儞Q原理如果用8位二進制代碼來控制圖中的S1～S8(Di=1時Si閉合；Di=0時Si斷開)，則不同的二進制代碼就對應(yīng)不同輸出電壓VO；當(dāng)代碼在0～FFH之間變化時，VO相應(yīng)地在0～(255/256)Vref之間變化；為控制電阻網(wǎng)絡(luò)各支路電阻值的精度，實際的D/A轉(zhuǎn)換器采用R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，它只用兩種阻值的電阻(R和2R)。23第二十三頁，共68頁。實際的D/A轉(zhuǎn)換器

——R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)24第二十四頁，共68頁。二、主要技術(shù)指標(biāo)分辨率（Resolution）輸入的二進制數(shù)每±1個最低有效位(LSB)使輸出變化的程度。分辨率表示方法：可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位等；也可用一個LSB（LeastSignificantBit）使輸出變化的程度來表示。25第二十五頁，共68頁。分辯率例一個滿量程為5V的10位D/A變換器，±1LSB的變化所引起輸出模擬量的變化為：5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV26第二十六頁，共68頁。轉(zhuǎn)換精度（誤差）實際輸出值與理論值之間的最大偏差影響轉(zhuǎn)換精度的因素：分辯率電源波動溫度變化┇27第二十七頁，共68頁。轉(zhuǎn)換時間從開始轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差±1/2LSB所對應(yīng)的模擬量所需要的時間tV1/2LSBtCVFULL28第二十八頁，共68頁。三、典型D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832特點：8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)差動輸出29第二十九頁，共68頁。DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)30第三十頁，共68頁。主要引腳功能輸入寄存器控制信號：D7～D0：輸入數(shù)據(jù)線ILE：輸入鎖存允許CS：片選信號WR1：寫輸入鎖存器31第三十一頁，共68頁。主要引腳功能用于DAC寄存器的控制信號：WR2：寫DAC寄存器XFER：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器32第三十二頁，共68頁。主要引腳功能其它引線：VREF：參考電壓。-10V～+10V，一般為+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A轉(zhuǎn)換差動電流輸出。用于連接運算放大器的輸入Rfb：內(nèi)部反饋電阻引腳，接運放輸出AGND、DGND：模擬地和數(shù)字地33第三十三頁，共68頁。工作模式單緩沖模式雙緩沖模式無緩沖模式34第三十四頁，共68頁。單緩沖模式使輸入鎖存器或DAC寄存器二者之一處于直通，即芯片只占用一個端口地址。CPU只需一次寫入即開始轉(zhuǎn)換。寫入數(shù)據(jù)的程序為：

MOVDX，PORTMOVAL，DATAOUTDX，AL35第三十五頁，共68頁。單緩沖模式例利用教材圖8-12所示線路圖輸出三角波：端口地址：0278H最大輸出值5V，對應(yīng)數(shù)字量：FFH最小輸出值0V，對應(yīng)數(shù)字量：00HMOVDX，0278HMOVAL，0NET1：OUTDX，ALINCALCMPAL，0FFHJNZNET1DECALNET2：OUTDX，ALDECALCMPAL，0JNZNET2JMPNET136第三十六頁，共68頁。雙緩沖模式（標(biāo)準(zhǔn)模式）對輸入寄存器和DAC寄存器均需控制。當(dāng)輸入寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器中；再在DAC寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)才寫入DAC寄存器，并啟動變換。此時芯片占用兩個端口地址。優(yōu)點：數(shù)據(jù)接收與D/A轉(zhuǎn)換可異步進行；可實現(xiàn)多個DAC同步轉(zhuǎn)換輸出。分時寫入、同步轉(zhuǎn)換。37第三十七頁，共68頁。工作時序?qū)戄斎爰拇嫫鲗慏AC寄存器38第三十八頁，共68頁。雙緩沖模式同步轉(zhuǎn)換例譯碼器A10-A00832-10832-2port1port2port339第三十九頁，共68頁。MOVAL，data

MOVDX，port1OUTDX，ALMOVDX，port2OUTDX，ALMOVDX，port3OUTDX，ALHLT雙緩沖模式的數(shù)據(jù)寫入程序0832-1的輸入寄存器地址0832-2的輸入寄存器地址DAC寄存器地址40第四十頁，共68頁。無緩沖器模式使內(nèi)部的兩個寄存器都處于直通狀態(tài)。模擬輸出始終跟隨輸入變化。不能直接與數(shù)據(jù)總線連接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。41第四十一頁，共68頁。四、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用信號發(fā)生器

用于閉環(huán)控制系統(tǒng)向D/A轉(zhuǎn)換器寫入某種按規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，即可在輸出端獲得相應(yīng)的各種波形42第四十二頁，共68頁。模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器43第四十三頁，共68頁。要點：A/D轉(zhuǎn)換器的一般工作原理A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用與系統(tǒng)的連接數(shù)據(jù)采集程序的編寫44第四十四頁，共68頁。A/D轉(zhuǎn)換器用于將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的裝置，簡稱ADC，是模擬系統(tǒng)與計算機之間的接口部件。45第四十五頁，共68頁。A/D轉(zhuǎn)換器類型計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器

-------速度慢、價格低，適用于慢速系統(tǒng)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

-------分辯率高、抗干擾性好、轉(zhuǎn)換速度慢，適用于中速系統(tǒng)逐位反饋型A/D轉(zhuǎn)換器

-------轉(zhuǎn)換精度高、速度快、抗干擾性差46第四十六頁，共68頁。一、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理逐位反饋型A/D轉(zhuǎn)換器類似天平稱重量時的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物體47第四十七頁，共68頁。二、主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換精度量化誤差非線性誤差其它誤差總誤差=各誤差的均方根48第四十八頁，共68頁。量化間隔一個最低有效位對應(yīng)的模擬量

△=Vmax/（2n-1）例：某8位ADC的滿量程電壓為5V，則其分辨率為：5V/255=19.6mV49第四十九頁，共68頁。量化誤差絕對量化誤差絕對量化誤差=1/2△相對量化誤差相對量化誤差=（1/2）х△

х100%例：

設(shè)滿量程電壓=10V，A/D變換器位數(shù)=10位，則：絕對量化誤差≈10/211=4.88mV相對量化誤差≈1/211*100%=0.049%50第五十頁，共68頁。轉(zhuǎn)換時間實現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換需要的時間。精度越高（字長越長），轉(zhuǎn)換速度越慢。51第五十一頁，共68頁。輸入動態(tài)范圍允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。如0～5V、0～10V等。52第五十二頁，共68頁。三、典型的A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809：8通道（8路）輸入8位字長逐位逼近型轉(zhuǎn)換時間100μs內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器53第五十三頁，共68頁。主要引腳功能D7～D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）IN0～IN7：8通道（路）模擬輸入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址ALE：通道地址鎖存START：啟動轉(zhuǎn)換EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)輸出OE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）CLK：時鐘輸入（10KHz～1.2MHz）54第五十四頁，共68頁。內(nèi)部結(jié)構(gòu)IN7IN08個模擬輸入通道STARTEOCCLKOED7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALE比較器8路模擬開關(guān)逐位逼近寄存器SAR樹狀開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)三態(tài)輸出鎖存器時序與控制地址鎖存及譯碼D/A8選155第五十五頁，共68頁。工作時序56第五十六頁，共68頁。ADC0809的工作過程由時序圖知ADC0809的工作過程如下：送通道地址，以選擇要轉(zhuǎn)換的模擬輸入；鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器；啟動A/D變換；判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果57第五十七頁，共68頁。ADC0809的工作流程送通道地址通道地址鎖存啟動A/D變換轉(zhuǎn)換結(jié)束否？送OE開門信號讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果YN58第五十八頁，共68頁。判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法軟件延時等待（比如延時120us）此時不用EOC信號，CPU效率最低軟件查詢EOC狀態(tài)。把EOC作為中斷申請信號，接到8259的IN端。在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，效率較高59第五十九頁，共68頁。ADC0809的應(yīng)用芯片與系統(tǒng)的連接通常情況下需要經(jīng)數(shù)字接口與系統(tǒng)連接編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序從數(shù)據(jù)采集到存儲60第六十頁，共68頁。ADC0809與系統(tǒng)的連接例單路模擬量輸入：D0IN0A15--A0

D7--D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯碼器ADC0809數(shù)字I/O接口輸出接口IORIOW61第六十一頁，共68頁。ADC0809與系統(tǒng)的連接例D0IN0A15--A0IORIOWD7--D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯碼器ADC0809I/O接口數(shù)字I/O接口IN7┇多路模擬量輸入：62第六十二頁，共68頁。數(shù)據(jù)采集程序流程

初始化

送通道地址送