計(jì)算機(jī)控制技術(shù)-第3章-接口與通道課件

第3章輸入輸出接口與過(guò)程通道在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制，必須把現(xiàn)場(chǎng)的各種測(cè)試參數(shù)，如T、P等連續(xù)變化的物理量或開(kāi)關(guān)量，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理結(jié)果又必須轉(zhuǎn)換為電壓或電流，以推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。…，因此在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間，必須設(shè)置信息傳遞和變換裝置，這個(gè)裝置稱(chēng)為過(guò)程輸入/輸出通道。過(guò)程通道:計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間設(shè)置的信息傳送和交換的連接通道主要內(nèi)容：3.5硬件抗干擾技術(shù)*3.1數(shù)字量輸入輸出通道3.2模擬量輸入通道*3.3模擬量輸出通道*3.4D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的電源、接地與布線(xiàn)3.1數(shù)字量輸入輸出通道

數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）信號(hào)：開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)繼電器或接觸器的吸合與釋放馬達(dá)的啟動(dòng)與停止閥門(mén)的打開(kāi)與關(guān)閉用“0”和“1”表示3.1.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)接口是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備交換信息的橋梁，包括輸入接口、輸出接口。接口技術(shù)則是研究計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間如何交換信息的技術(shù)。1A11Y11A21Y21A31Y31A41Y41A51Y51A61Y61A71Y71A81Y8輸入接口D0D1D2D3D4D5D6D7PC總線(xiàn)2G1GCSIOR74LS2441.數(shù)字量輸入接口MOVDX,PORTINAL,DX負(fù)責(zé)從外界接收檢測(cè)信號(hào)、鍵盤(pán)信號(hào)等各種狀態(tài)信號(hào)。輸出y00輸出=輸入11高阻狀態(tài)用三態(tài)門(mén)緩沖器74LS244取得狀態(tài)信息

.

隔離輸入和輸出線(xiàn)路，在兩者之間起緩沖作用。有八個(gè)通道,可同時(shí)輸入8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

要求對(duì)數(shù)據(jù)具有控制能力（常用三態(tài)門(mén)實(shí)現(xiàn))

2.數(shù)字量輸出接口MOVAL,DATAMOVDX,PORTOUTDX,AL可用鎖存器74LS273對(duì)狀態(tài)輸出信號(hào)進(jìn)行鎖存，數(shù)字量輸出接口

D0CLKCLR74LS273D2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC總線(xiàn)輸出接口3.1.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)需要保持，直到下次給出新的值為止。要求對(duì)數(shù)據(jù)具有鎖存能力（常用鎖存器實(shí)現(xiàn)）負(fù)責(zé)向外界傳送由內(nèi)部電路產(chǎn)生的處理結(jié)果、顯示信息、控制命令、驅(qū)動(dòng)信號(hào)等。數(shù)字量輸入通道主要由緩沖器(74LS273等)、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成

基本功能：接受外部裝置或生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)信號(hào)。1，數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)輸入調(diào)理電路輸入緩沖器地址譯碼器生產(chǎn)過(guò)程PC總線(xiàn)3.1.2數(shù)字量輸入通道例：利用譯碼器分時(shí)將采樣數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)。

輸入調(diào)理電路－把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào)。比如：用按鈕或轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)或選擇工作狀態(tài)、用光電脈沖編碼器檢測(cè)速度、用行程開(kāi)關(guān)反映生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。這些信號(hào)形式可能是電壓、電流、開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)，因此會(huì)引起瞬時(shí)高壓、過(guò)電壓、接觸抖動(dòng)等現(xiàn)象。

2.輸入調(diào)理電路（1）小功率輸入調(diào)理電路它將接點(diǎn)的接通和斷開(kāi)動(dòng)作轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)與計(jì)算機(jī)相連。

圖3.4采用積分電路2.輸入調(diào)理電路開(kāi)關(guān)去抖電路RSQQ0110100111保持R—S觸發(fā)器去抖電路2.輸入調(diào)理電路（2）大功率輸入調(diào)理電路在大功率系統(tǒng)中，需要從電磁離合等大功率器件的接點(diǎn)輸入信號(hào)。為了使接點(diǎn)工作可靠，接點(diǎn)兩端至少要加24V以上的直流電壓,由于所帶電壓高，所以高壓與低壓之間，用光電耦合器進(jìn)行隔離。圖3.6大功率信號(hào)輸入電路2.輸入調(diào)理電路光電耦合器

概念：發(fā)光器件和光敏器組裝在一起，通過(guò)光線(xiàn)實(shí)現(xiàn)耦合，構(gòu)成電-光-電轉(zhuǎn)換的器件；作用：隔離類(lèi)型：三極管型、單向晶閘管型、雙向晶閘管型現(xiàn)以最簡(jiǎn)單的三極管型光電耦合隔離器為例來(lái)說(shuō)明它的結(jié)構(gòu)原理，如圖所示。光電耦合隔離器的輸入輸出類(lèi)似普通三極管的輸入輸出特性，即存在著截止區(qū)、飽和區(qū)與線(xiàn)性區(qū)三部分。兩種隔離方式：1、數(shù)字隔離利用光耦隔離器的開(kāi)關(guān)特性（即光敏三極管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數(shù)字信號(hào)而隔離電磁干擾，簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。例如在數(shù)字量輸入輸出通道中，以及在模擬量輸入輸出通道中的A/D轉(zhuǎn)換器與CPU或CPU與D/A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號(hào)的耦合傳送，都可用光耦的這種開(kāi)關(guān)特性對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。

2、模擬隔離例如:在現(xiàn)場(chǎng)傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器之間的模擬信號(hào)的線(xiàn)性傳送，可用光耦的這種線(xiàn)性區(qū)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離。

兩種隔離方法優(yōu)缺點(diǎn)：1、模擬信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是使用少量的光耦，成本低；缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy，如果光耦挑選得不合適，會(huì)影響A/D或D/A轉(zhuǎn)換的精度和線(xiàn)性度。2、數(shù)字信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡(jiǎn)單，不影響系統(tǒng)的精度和線(xiàn)性度；缺點(diǎn)是使用較多的光耦器件，成本較高。但現(xiàn)在光耦越來(lái)越價(jià)廉，數(shù)字信號(hào)隔離方法的優(yōu)勢(shì)凸現(xiàn)出來(lái)，因而在工程中使用的最多。

使用注意事項(xiàng)：

1、發(fā)光管的電源與光敏管的電源不能共地，避免輸出端與輸入端相互間的反饋和干擾；2、要考慮允許的電流，電路中串合適的電阻。下面以控制系統(tǒng)中常用的數(shù)字信號(hào)的隔離方法為例說(shuō)明光電耦合隔離電路。典型的光電耦合隔離電路有數(shù)字量同相傳遞與數(shù)字量反相傳遞兩種。數(shù)字量輸出通道簡(jiǎn)稱(chēng)DO通道，它的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制的數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機(jī)、閥門(mén)等，可以選用不同的功率放大器件構(gòu)成不同的開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)輸出通道。3.1.3數(shù)字量輸出通道輸出驅(qū)動(dòng)器輸出鎖存器地址譯碼器生產(chǎn)過(guò)程PC總線(xiàn)1，數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)3.1.3數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器(如74LS273等)，輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出地址譯碼電路等組成.（1）小功率直流驅(qū)動(dòng)電路采用功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路采用高壓輸出的門(mén)電路驅(qū)動(dòng)注意事項(xiàng)：1）克服反電動(dòng)勢(shì)的續(xù)流二極管；

2）輸出如為OC（OpenCollector）器件，輸出要上拉電阻。圖3.8繼電器驅(qū)動(dòng)電路2、輸出驅(qū)動(dòng)電路（2）大功率驅(qū)動(dòng)電路

(b)交流固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)(a)直流固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)I/O接口+5V74LS04R利用固態(tài)繼電器(SSR)等實(shí)現(xiàn)

注意事項(xiàng)：輸入電壓范圍、輸出電壓類(lèi)型、輸出功率I/O接口+5V74LS04R常用的有三極管輸出驅(qū)動(dòng)電路、繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管輸出驅(qū)動(dòng)電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路等。

對(duì)于低壓情況下的小電流開(kāi)關(guān)量，用功率三極管就可作開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。(1)

三極管驅(qū)動(dòng)電路a.普通三極管驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流只有十幾mA或幾十mA時(shí)，只要采用一個(gè)普通的功率三極管就能構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，如圖所示。b.達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流需要達(dá)到幾百毫安時(shí)，如驅(qū)動(dòng)中功率繼電器、電磁開(kāi)關(guān)等裝置，輸出電路必須采取多級(jí)放大或提高三極管增益的辦法。達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)器是由多對(duì)兩個(gè)三極管組成的達(dá)林頓復(fù)合管構(gòu)成，它具有高輸入阻抗、高增益、輸出功率大及保護(hù)措施完善的特點(diǎn)，同時(shí)多對(duì)復(fù)合管也非常適用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的多路負(fù)荷。

圖給出達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)器MC1416的結(jié)構(gòu)圖與每對(duì)復(fù)合管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，MC1416內(nèi)含7對(duì)達(dá)林頓復(fù)合管，每個(gè)復(fù)合管的集電極電流可達(dá)500mA，截止時(shí)能承受100V電壓，其輸入輸出端均有箝位二極管，輸出箝位二極管D2抑制高電位上發(fā)生的正向過(guò)沖，D1、D3可抑制低電平上的負(fù)向過(guò)沖。

下圖為達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)中的一路驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線(xiàn)Di輸出數(shù)字“0”即低電平時(shí)，經(jīng)7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖剑惯_(dá)林頓復(fù)合管導(dǎo)通，產(chǎn)生的幾百毫安集電極電流足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載線(xiàn)圈，而且利用復(fù)合管內(nèi)的保護(hù)二極管構(gòu)成了負(fù)荷線(xiàn)圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)的泄流回路。(2)繼電器驅(qū)動(dòng)電路

電磁繼電器主要由線(xiàn)圈、鐵心、銜鐵和觸點(diǎn)等部件組成，簡(jiǎn)稱(chēng)為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類(lèi)型。繼電器方式的開(kāi)關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式，通過(guò)弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設(shè)備。圖3-7-4繼電器原理

常用的繼電器有電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類(lèi)型。由于繼電器線(xiàn)圈需要一定的電流才能動(dòng)作，所以必須采取措施加以驅(qū)動(dòng)。

繼電器的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要根據(jù)所用繼電器線(xiàn)圈的吸合電壓和電流而定，一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。

下圖為經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線(xiàn)Di輸出數(shù)字“1”即高電平時(shí)，經(jīng)7406反相驅(qū)動(dòng)器變?yōu)榈碗娖?，光耦隔離器的發(fā)光二極管導(dǎo)通且發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，繼電器線(xiàn)圈KA得電，動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，從而驅(qū)動(dòng)大型負(fù)荷設(shè)備。由于繼電器線(xiàn)圈是電感性負(fù)載，當(dāng)電路突然關(guān)斷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護(hù)驅(qū)動(dòng)器件，應(yīng)在繼電器線(xiàn)圈兩端并聯(lián)一個(gè)阻尼二極管，為電感線(xiàn)圈提供一個(gè)電流泄放回路。數(shù)字（開(kāi)關(guān)）量輸入/輸出通道模板舉例PCL-730板卡組成框圖程序設(shè)計(jì)舉例(基地址設(shè)為220H)：

PCL-730板卡的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出都只需要二條指令就可以完成。匯編語(yǔ)言程序如下：MOVDX，220HMOVAL，55HOUTDX，ALMOVDX，221HOUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DXMOVAH，ALMOVDX，221HINAL，DX3.2模擬量輸入通道功能：把從系統(tǒng)中檢測(cè)到的模擬信號(hào)，變成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，經(jīng)接口送往計(jì)算機(jī)。3.2.1模擬量輸入通道的組成

過(guò)程參數(shù)PC總線(xiàn)模擬量輸入通道檢測(cè)信號(hào)調(diào)理多路轉(zhuǎn)換器采樣保持器

A/D轉(zhuǎn)換器接口邏輯電路圖3.10模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu)信號(hào)調(diào)理部分依據(jù)檢測(cè)信號(hào)及受干擾情況的不同而不同。通常包括信號(hào)的放大、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、電流/電壓轉(zhuǎn)換、濾波、線(xiàn)性化、隔離等

1、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)

單參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換微型機(jī)顯示3.2.2信號(hào)調(diào)理1）問(wèn)題的提出傳感器多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)放大電路A/D轉(zhuǎn)換微型機(jī)顯示傳感器傳感器傳感器多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)多個(gè)傳感器共用一個(gè)放大器，涉及放大器放大倍數(shù)的選擇問(wèn)題。放大倍數(shù)的確定要考慮兩個(gè)方面：A、經(jīng)放大器放大后的輸出電壓要滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍的要求。B、按照所有傳感器中最大電壓范圍選擇放大倍數(shù)。要使每個(gè)傳感器具有同樣的分辨率，必須保證送到A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)一致（0-5V），只有使每個(gè)傳感器的放大倍數(shù)不同，才能達(dá)到上述要求，所以需要提供各種量程的放大器。

量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)：根據(jù)需要對(duì)所處理的信號(hào)利用可編程增益放大器進(jìn)行放大倍數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，以滿(mǎn)足后續(xù)電路和系統(tǒng)的要求2、可編程增益放大器（PGA）

ProgrammableGainAmplifier可編程增益放大器有組合PGA和集成PGA兩種。（1）組合PGA

一般由運(yùn)算放大器、儀器放大器或隔離性放大器再加上一些其它附加電路組合而成。其原理：通過(guò)程序調(diào)整多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接通反饋電阻數(shù)值，調(diào)整放大器的放大倍數(shù)。2、可編程增益放大器（PGA）

ProgrammableGainAmplifier（1）常用的儀用測(cè)量放大器如圖第一級(jí)采用同向并聯(lián)差動(dòng)放大器第二級(jí)加了一級(jí)基本差動(dòng)放大器A3A2A1Ui1Ui2Uo1Uo2Uo多路開(kāi)關(guān)和儀用放大器組成的可編程放大器（2）MCP6S系列PGA主要特點(diǎn)：增益選擇：+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16或+32；SPI串行編程接口；級(jí)聯(lián)輸入和輸出；最大增益誤差：±1%；最大漂移：±275μV；帶寬頻率典型值：2～12MHz；低噪聲，典型值：10nV/rtHz@10kHz低電源電流，典型值：1mA；單電源供電，2.5V～5.5V；引腳說(shuō)明引腳名稱(chēng)功能Vout模擬輸出CH0～CH7模擬輸入Vss負(fù)電源VDD正電源SCKSPI時(shí)鐘輸入SISPI數(shù)據(jù)輸入SOSPI數(shù)據(jù)輸出CSSPI片選VREF外部參考電壓（3）SPI1）概念：SerialPeripheralInterface4根線(xiàn)：2）特點(diǎn)：（1）節(jié)約資源、擴(kuò)展方便（2）應(yīng)用廣泛（3）易于程序?qū)崿F(xiàn)3）用途：系統(tǒng)外圍芯片擴(kuò)展（4）SPI程序?qū)崿F(xiàn)

讀操作時(shí)序?qū)懖僮鲿r(shí)序SCK上升沿時(shí)把SI線(xiàn)上數(shù)據(jù)寫(xiě)入器件SCK下降沿時(shí)從SO線(xiàn)上讀出數(shù)據(jù)X25645：看門(mén)狗,監(jiān)控器,高電平復(fù)位輸出,可塊鎖定,位密度64K,具有SPI接口的EEPROMCS5522：具有SPI接口、多通道、可編程增益、24位AD轉(zhuǎn)換器增益范圍：25mv,55mv,100mv,1v,2.5v,5vuchar

read_register(ucharcommand){

uchar

idata

I,result;result=0;SO=1;SCK=0;CS_645=0;

for(i=0;i<8;i++){SCK=0;SI=(bit)(command&0x80);SCK=1;command<<=1;}SI=0;

for(i=0;i<8;i++){SCK=1;SCK=0;result<<=1;

if(SO)result++;}SCK=0;CS_645=1;returnresult;}voidwrite_register(char

command,charvalue){uchar

idataI;SO=1;SCK=0;CS_645=0;

for(i=0;i<8;i++){SCK=0;SI=(bit)(command&0x80);SCK=1;command<<=1;}SI=0;

for(i=0;i<8;i++){SCK=0;SI=(bit)(value&0x80);SCK=1;value<<=1;}SI=0;SCK=0;CS_645=1;}從指定地址讀數(shù)據(jù)：CS5522操作步驟：1）初始化2）通道寄存器配置3）啟動(dòng)轉(zhuǎn)換4）等待轉(zhuǎn)換結(jié)束5）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果3、I/V變換變送器輸出的信號(hào)為0-10mA或4-20mA的統(tǒng)一信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸?shù)接?jì)算機(jī)接口電路，需要經(jīng)過(guò)I/U變換成電壓信號(hào)后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而被計(jì)算機(jī)處理。I/U轉(zhuǎn)換電路是將電流信號(hào)成比例的轉(zhuǎn)換成電壓。實(shí)現(xiàn)方法：無(wú)源I/U轉(zhuǎn)換和有源I/U轉(zhuǎn)換。3、I/V變換

無(wú)源I/V變換電路是利用無(wú)源器件—電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，加上RC濾波和二極管限幅等保護(hù)，圖中R2為精密電阻。對(duì)于0-10mA輸入信號(hào)，可取R1=100Ω，R2=500Ω，這樣當(dāng)輸入電流在0-10mA量程變化時(shí)，輸出的電壓就為0-5V范圍；而對(duì)于4-20mA輸入信號(hào)，可取R1=100Ω，R2=250Ω，這樣當(dāng)輸入電流為4-20mA時(shí)，輸出的電壓為1-5V。圖3-20有源I/V變換電路A＋－R1R3R2R4R5CIVR1R2CIV+5V圖3-19無(wú)源I/V變換電路精密電阻ViA=1+R4/R3V=R2*IV=A*R1*I輸入阻抗高，輸出阻抗低輸出限流，保護(hù)運(yùn)放無(wú)源I/V變換有源I/V變換

有源I/V變換

有源I/V變換是利用有源器件——運(yùn)算放大器和電阻電容組成，如圖3-19（b）所示。利用同相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為

若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，則輸入電流I的0~10mA就對(duì)應(yīng)電壓輸出V的0~5V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，則4~20mA的輸入電流對(duì)應(yīng)于1~5V的電壓輸出。

3.2.3多路轉(zhuǎn)換器

由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻只能接收一個(gè)回路的信號(hào)。所以，必須通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多選一的操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。用來(lái)進(jìn)行模擬電壓信號(hào)切換的關(guān)鍵元件，就是多路轉(zhuǎn)換器，又稱(chēng)多路開(kāi)關(guān)。

目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開(kāi)關(guān)種類(lèi)很多，并具有不同的功能和用途。如集成電路芯片CD4051(雙向、單端、8路)、CD4052(單向、雙端、4路)、AD7506(單向、單端、16路)等。所謂雙向，就是該芯片既可以實(shí)現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換；而單向則只能完成多到一的切換。雙端是指芯片內(nèi)的一對(duì)開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信號(hào)的切換，以滿(mǎn)足抑制共模干擾的需要。1、結(jié)構(gòu)原理

常用的CD4051為例，8路模擬開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動(dòng)及開(kāi)關(guān)電路三部分組成。當(dāng)禁止端為“1”時(shí)，前后級(jí)通道斷開(kāi)，即S0~S7端與Sm端不可能接通；當(dāng)為“0”時(shí)，則通道可以被接通，通過(guò)改變控制輸入端C、B、A的數(shù)值，就可選通8個(gè)通道S0~S7中的一路。比如：當(dāng)C、B、A=000時(shí)，通道S0選通；當(dāng)C、B、A=001時(shí)，通道S1通；……當(dāng)C、B、A=111時(shí)，通道S7選通。其真值表如表所示。圖CD4051結(jié)構(gòu)原理圖

2、擴(kuò)展電路

當(dāng)采樣通道多至16路時(shí)，可直接選用16路模擬開(kāi)關(guān)的芯片，也可以將2個(gè)8路4051并聯(lián)起來(lái)，組成1個(gè)單端的16路開(kāi)關(guān)。例題3-1試用兩個(gè)CD4051擴(kuò)展成一個(gè)1×16路的模擬開(kāi)關(guān)。例題分析：圖給出了兩個(gè)CD4051擴(kuò)展為1×16路模擬開(kāi)關(guān)的電路。數(shù)據(jù)總線(xiàn)D3~D0作為通道選擇信號(hào)，D3用來(lái)控制兩個(gè)多路開(kāi)關(guān)的禁止端。當(dāng)D3=0時(shí)，選中上面的多路開(kāi)關(guān)，此時(shí)當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S0~S7通道；當(dāng)D3=1時(shí)，經(jīng)反相器變成低電平，選中下面的多路開(kāi)關(guān)，此時(shí)當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S8~S15通道。如此，組成一個(gè)16路的模擬開(kāi)關(guān)。圖多路模擬開(kāi)關(guān)的擴(kuò)展電路1.信號(hào)的采樣

采樣過(guò)程（簡(jiǎn)稱(chēng)采樣）是用采樣開(kāi)關(guān)（或采樣單元）將模擬信號(hào)按一定時(shí)間間隔抽樣成離散模擬信號(hào)的過(guò)程圖3.22信號(hào)的采樣過(guò)程采樣頻率由香農(nóng)（Shannon）采樣定理確定，ωs≥(4～10)ωmax

3.2.4信號(hào)的采樣和量化2.量化

采樣信號(hào)經(jīng)整量化后成為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為量化.

量化過(guò)程就是用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，執(zhí)行量化動(dòng)作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。字長(zhǎng)為n的A/D轉(zhuǎn)換器把ymin~ymax范圍內(nèi)變化的采樣信號(hào)，變換為數(shù)字0~2n-1，其最低有效位（LSB）所對(duì)應(yīng)的模擬量q稱(chēng)為量化單位，其表達(dá)式為：3.2.5采樣保持器

采樣保持器的主要作用是：(1)當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化較快，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器。(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。常用的集成采樣保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/3891、零階采樣保持器:零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時(shí)間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個(gè)采樣時(shí)刻。它的組成原理電路與工作波性如圖(a)、(b)所示。采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器A1、A2和采樣開(kāi)關(guān)S、保持電容CH等組成。采樣期間，開(kāi)關(guān)S閉合，輸入電壓VIN通過(guò)A1對(duì)CH快速充電，輸出電壓VOUT跟隨VIN變化；保持期間，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下電容CH將保持電壓VC不變，因而輸出電壓VOUT=VC也保持恒定。

保持電容CH的作用十分重要。實(shí)際上保持期間的電容保持電壓VC在緩慢下降，這是由于保持電容的漏電流所致。保持電壓VC的變化率為

式中：ID--為保持期間電容的總泄漏電流，它包括放大器的輸入電流、開(kāi)關(guān)截止時(shí)的漏電流與電容內(nèi)部的漏電流等。電容CH值--增大電容CH值可以減小電壓變化率，但同時(shí)又會(huì)增加充電即采樣時(shí)間，因此保持電容的容量大小與采樣精度成正比而與采樣頻率成反比。一般情況下，保持電容CH是外接的，所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高質(zhì)量的電容器，容量為510~1000pF。

圖3.23LF198/298/398原理圖及引腳(a)LF198/298/398原理圖(b)LF198/298/398的引腳排列2、零階集成采樣保持器--常用的零階集成采樣保持器有AD582、LF198/298/398等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖3-9(a)、(b)所示。這里，用TTL邏輯電平控制采樣和保持狀態(tài)，如AD582的采樣電平為“0”，保持電平為“1”，而LF198的則相反。圖集成采樣保持器

3.2.6A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或裝置，是模擬輸入通道的核心部件。A/D轉(zhuǎn)換方法有逐次逼近式、雙積分式、并行比較式和二進(jìn)制斜坡式、量化反饋式等。常用的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器有8位分辨率的ADC0801，ADC0809等，12位分辨率的AD574A等；常用的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器有3位半（相當(dāng)于2進(jìn)制11位分辨率）MC14433等ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓1.A/D功能:能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。取樣時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化量值上也離散的信號(hào)編碼模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個(gè)過(guò)程。1.取樣與保持

采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。

采樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所采得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻率由采樣定理確定。采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs

≥2fimaxS(t)=1:開(kāi)關(guān)閉合S(t)=0:開(kāi)關(guān)斷開(kāi)

采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理2.量化數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。3.編碼在量化過(guò)程中，由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱(chēng)之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無(wú)法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號(hào)編碼量化后電壓

1)

只舍不入量化方式：量化中把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼

2)四舍五入量化方式：量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號(hào)編碼模擬電平Δ=1LSB=2/15V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼1、A/D轉(zhuǎn)換原理（1）逐位逼近式一個(gè)n位A/D轉(zhuǎn)換器是由n位寄存器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算比較器、控制邏輯電路、輸出鎖存器等五部分組成?，F(xiàn)以4位A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量9轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)1001為例，說(shuō)明逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。

圖逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖

當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)作用后，時(shí)鐘信號(hào)在控制邏輯作用下：

1）首先使寄存器的最高位D31，其余為0，此數(shù)字量1000經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即VO8，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量VIN=9進(jìn)行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進(jìn)行判斷。當(dāng)VIN

VO，則保留D3=1；

2）再對(duì)下一位D2進(jìn)行比較，同樣先使D21，與上一位D3位一起即1100進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為VO12再進(jìn)入比較器，與VIN9比較，因VIN

VO，則使D20；

3）再下一位D1位也是如此，D11即1010，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO=10，再與VIN9比較，因VIN

VO，則使D10；

4）最后一位D01-即1001經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO9，再與VIN9比較，因VIN

VO，保留D01。比較完畢，寄存器中的數(shù)字量1001即為模擬量9的轉(zhuǎn)換結(jié)果，存在輸出鎖存器中等待輸出。所加砝碼重量

結(jié)果

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱(chēng)物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx

，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx

，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測(cè)重量Wx

，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測(cè)重量Wx

，1克砝碼保留13克1.轉(zhuǎn)換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx

=13克。1.轉(zhuǎn)換原理

100…0100…0I

≥5V

1A=6.84VVREF=10V第一個(gè)CP：1.轉(zhuǎn)換原理

第二個(gè)CP：010…0110…010I

<7.5VI=6.84VVREF=10V1.轉(zhuǎn)換原理第三個(gè)CP：001…0101…0I

≥6.25V101A=6.84VVREF=10V10000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111小結(jié)1.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；

2.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短；（2）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理

圖雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理如圖所示，在轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)控制下，開(kāi)關(guān)接通模擬輸入端，輸入的模擬電壓VIN在固定時(shí)間T內(nèi)對(duì)積分器上的電容C充電（正向積分），時(shí)間一到，控制邏輯將開(kāi)關(guān)切換到與VIN極性相反的基準(zhǔn)電源上，此時(shí)電容C開(kāi)始放電（反向積分），同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)比較器判定電容C放電完畢時(shí)就輸出信號(hào)，由控制邏輯停止計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。這時(shí)計(jì)數(shù)器所記的脈沖個(gè)數(shù)正比于放電時(shí)間。放電時(shí)間T1或T2又正比于輸入電壓VIN，即輸入電壓大，則放電時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值越大。因此，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值的大小反映了輸入電壓VIN在固定積分時(shí)間T內(nèi)的平均值。此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為3位半BCD碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)）的ICL7107、MC14433、輸出為4位半BCD碼的ICL7135等。

1.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱(chēng)為電壓－時(shí)間－數(shù)字式積分器。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器1、電路組成00000C信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開(kāi)關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開(kāi)S2使電容的初始電壓為0。2、工作原理①準(zhǔn)備階段：經(jīng)過(guò)2n個(gè)CP(2)第一次積分：t=t0時(shí)，開(kāi)關(guān)S1與A端相接，積分器開(kāi)始對(duì)I積分。經(jīng)2n個(gè)CP后,開(kāi)關(guān)切換到B，，=VP。第一積分時(shí)間為2nTCVREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)t=t2時(shí)積分器輸出電壓O≥0，比較器輸出C=0，時(shí)鐘脈沖控制門(mén)G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。(3)第二次積分：T1=2nTC

T2=Tc

T2=t1

t2

在計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)=Qn-1…Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了積分非線(xiàn)性帶來(lái)的誤差。2.由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。T1=2nTC3.只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。（3）并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1.電路組成VI=8VREF/151111000001

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI

9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI

11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI

7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI

13VR/15

011111111013VREF/15

vI

VREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vI

VREF/15

0000000000

根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。3.電路特點(diǎn)：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級(jí)并行轉(zhuǎn)換的方法。單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012(TTL工藝8位)、AD9002(ECL工藝，8位)、AD9020(TTL工藝，10位)等。（1）分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，如8位、10位、12位等。分辨率為n，表示它可以對(duì)滿(mǎn)刻度的1/2n的變化量作出反應(yīng)。即：分辨率=滿(mǎn)刻度值/2n-12、A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差來(lái)表示。所謂絕對(duì)誤差，是指對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差的大小由實(shí)際模擬量輸入值和理論值之差來(lái)度量。絕對(duì)誤差包括增益誤差，零點(diǎn)誤差和非線(xiàn)性誤差等。相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與滿(mǎn)刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù)LSB（LeastSignificantBit)）來(lái)表示，1LSB=1／2n-1。（2）轉(zhuǎn)換精度

例如，對(duì)于一個(gè)8位0~5V的A/D轉(zhuǎn)換器，如果其相對(duì)誤差為±1LSB，則其絕對(duì)誤差為±19.5mV，相對(duì)百分誤差為0.39％。一般來(lái)說(shuō)，位數(shù)n越大，其相對(duì)誤差（或絕對(duì)誤差）越小。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間

A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱(chēng)為轉(zhuǎn)換時(shí)間。如逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒級(jí)，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)。(1)8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的帶有8通道模擬開(kāi)關(guān)的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，采用28腳雙列直插式封裝

表3.5C、B、A與通道關(guān)系表CBA所選通道000VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN72.常用的A/D轉(zhuǎn)換器

圖3.25AD574內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(2)12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A

表3.2AD574A控制信號(hào)狀態(tài)表CER/12/A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止100X0啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換10001啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換1011X一次讀取12位輸出數(shù)據(jù)10100輸出高8位輸出數(shù)據(jù)10101輸出低4位輸出數(shù)據(jù)尾隨4個(gè)0AD574A引腳功能

硬件連接設(shè)計(jì)軟件程序設(shè)計(jì)

模擬量輸入信號(hào)的連接、數(shù)字量輸出引腳的連接、參考電平的連接、控制信號(hào)的連接

主要包括控制信號(hào)的編程，如：?jiǎn)?dòng)信號(hào)、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出

3.2.7A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計(jì)

1．硬件設(shè)計(jì)

模擬量輸入信號(hào)的連接數(shù)字量輸出引腳的連接參考電平的連接時(shí)鐘的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)方式轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的硬件連接有三種形式：①中斷方式：將轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的中斷申請(qǐng)引腳或允許中斷的I/O接口的相應(yīng)引腳上。②查詢(xún)方式：把轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)經(jīng)三態(tài)門(mén)送到PC數(shù)據(jù)總線(xiàn)或I/O接口的某一位上。③轉(zhuǎn)換信號(hào)懸空：即該管腳與其它管腳之間無(wú)電氣連接。2．軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，中斷、查詢(xún)或延時(shí)等待轉(zhuǎn)換時(shí)間后根據(jù)數(shù)據(jù)輸出格式讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果(1)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換(2)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出。①中斷方式：②查詢(xún)方式：③軟件延時(shí)方法：3.2.8A/D轉(zhuǎn)換器與PC接口

1、ADC0809接口電路

A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路主要是解決主機(jī)如何分時(shí)采集多路模擬量輸入信號(hào)的，即主機(jī)如何啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，如何判斷A/D完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，如何讀入并存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的。下面僅介紹兩種典型的接口電路。

（1）查詢(xún)方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

（2）定時(shí)方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

（1）查詢(xún)方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

采用程序查詢(xún)方式的8路8位A/D轉(zhuǎn)換接口電路，由PC總線(xiàn)、ADC0809以及138譯碼器、74LS02非與門(mén)（即或非門(mén)）與74LS126三態(tài)緩沖器組成。圖中，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的板址PA=01000000，每一路的口址分別為000-111，故8路轉(zhuǎn)換地址為40H-47H。圖查詢(xún)方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)接口程序如下：

MOVBX，BUFF；置采樣數(shù)據(jù)區(qū)首址

MOVCX，08H；８路輸入START：OUTPA，AL；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

REOC：INAL，PB；讀EOCRCRAL，01；判斷EOCJNCREOC；若EOC=0，繼續(xù)查詢(xún)

INAL，PA；若EOC=1，讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

MOV[BX]，AL；存A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

INCBX；存A/D轉(zhuǎn)換數(shù)地址加1INCPA；接口地址加1LOOPSTART；循環(huán)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程：

首先主機(jī)執(zhí)行一條啟動(dòng)轉(zhuǎn)換第1路的輸出指令，即是把AL中的數(shù)據(jù)送到地址為PA的接口電路中，此時(shí)AL中的內(nèi)容無(wú)關(guān)緊要，而地址PA=40H使138譯碼器的輸出一個(gè)低電平，連同OUT輸出指令造成的低電平，從而使非與門(mén)02（3）產(chǎn)生脈沖信號(hào)到引腳ALE和START，ALE的上升沿將通道地址代碼000鎖存并進(jìn)行譯碼，選通模擬開(kāi)關(guān)中的第一路VIN0，使該路模擬量進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器中；同時(shí)START的上升沿將ADC0809中的逐位逼近寄存器SAR清零,下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，即在時(shí)鐘的作用下，逐位逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程開(kāi)始。

接著，主機(jī)查詢(xún)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC的狀態(tài)，通過(guò)執(zhí)行輸入指令，即是把地址為PB的轉(zhuǎn)換接口電路的數(shù)據(jù)讀入AL中，此時(shí)地址PB=01001000（48H），使138譯碼器的輸出一個(gè)低電平，連同IN輸入指令造成的低電平，從而使非與門(mén)02（1）產(chǎn)生脈沖信號(hào)并選通126三態(tài)緩沖器，使EOC電平狀態(tài)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線(xiàn)D0上。然后將讀入的8位數(shù)據(jù)進(jìn)行帶進(jìn)位循環(huán)右移，以判斷EOC的電平狀態(tài)。如果EOC為“0”，表示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，程序再跳回REOC，反復(fù)查詢(xún)；當(dāng)EOC為“1”，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。

然后，主機(jī)便執(zhí)行一條輸入指令，把接口地址為PA的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入AL中，即是輸出一個(gè)低電平，連同IN輸入指令造成的低電平，從而使非與門(mén)02（2）產(chǎn)生脈沖信號(hào)，即產(chǎn)生輸出允許信號(hào)到OE，使ADC0809內(nèi)部的三態(tài)輸出鎖存器釋放轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線(xiàn)上，并被讀入到AL中。接下來(lái)，把A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入寄存器BX所指的數(shù)據(jù)區(qū)首地址0000H中，數(shù)據(jù)區(qū)地址加1，為第2路A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存放作準(zhǔn)備；接口地址加1，準(zhǔn)備接通第2路模擬量信號(hào)；計(jì)數(shù)器減1，不為0則返回到START，繼續(xù)進(jìn)行下一路的A/D轉(zhuǎn)換。如此循環(huán)，直至完成8路A/D轉(zhuǎn)換。（2）定時(shí)方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

定時(shí)方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)的電路組成如圖所示，它與查詢(xún)方式不同的僅僅在于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，無(wú)需查詢(xún)EOC引腳狀態(tài)而只需等待轉(zhuǎn)換時(shí)間，然后讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)。因此，硬件電路可以取消126三態(tài)緩沖器及其控制電路，軟件上也相應(yīng)地去掉查詢(xún)EOC電平的REOC程序段，而換之以調(diào)用定時(shí)子程序（CALLDELAY）即可。這里定時(shí)時(shí)間應(yīng)略大于ADC0809的實(shí)際轉(zhuǎn)換時(shí)間。圖中，ADC0809的CLOCK引腳（輸入時(shí)鐘頻率）為640KHz，因此轉(zhuǎn)換時(shí)間為8×8個(gè)時(shí)鐘周期，相當(dāng)于100μS。圖定時(shí)方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

顯然，定時(shí)方式比查詢(xún)方式簡(jiǎn)單，但前提是必須預(yù)先精確地知道A/D轉(zhuǎn)換芯片完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。這兩種方法的共同點(diǎn)是硬軟件接口簡(jiǎn)單，但在轉(zhuǎn)換期間獨(dú)占了CPU時(shí)間，好在這種逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間只在微秒數(shù)量級(jí)。當(dāng)選用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，因其轉(zhuǎn)換時(shí)間在毫秒級(jí)，因此采用中斷法讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)的方式更為適宜。因此，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，究竟采用何種接口方式要根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器芯片而定。0809和8051的接口574和8051的接口AD574A控制信號(hào)狀態(tài)表CER/12/A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止100X0啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換10001啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換1011X一次讀取12位輸出數(shù)據(jù)10100輸出高8位輸出數(shù)據(jù)10101輸出低4位輸出數(shù)據(jù)尾隨4個(gè)02．AD574A與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口AD574A引腳功能圖3.28AD574A通過(guò)8255A與PC總線(xiàn)的連接圖8255A首先進(jìn)行8255A的初始化。實(shí)現(xiàn)一次A/D轉(zhuǎn)換包括A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)、檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束、數(shù)據(jù)的讀出，采用查詢(xún)方式

2．AD574A與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口(1)8255A初始化設(shè)置INIT：

MOVAL，9AH；設(shè)置A.B.C口的工作方式

MOV DX，2D3H；8255A的控制寄存器

OUT DX，AL；方式字送控制寄存器(2)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

START：

MOVAL，00HMOV DX，2D2H；8255A的端口COUT DX，AL；使R/C=0，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換(3)檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束及數(shù)據(jù)的讀出LOOP： MOV DX，2D2H ；8255A的端口C IN AL，DX ；查詢(xún)STS的狀態(tài)

TEST AL，80H JNZLOOP；轉(zhuǎn)換未完成，繼續(xù)等待；轉(zhuǎn)換完成，向下執(zhí)行

MOV AL，01H ；置位，即R/C=1 OUT DX，AL DEC DX ；指向8255A的端口B IN AL，DX ；讀入端口B高8位數(shù)據(jù)

MOV [BX+1]，AL ；數(shù)據(jù)保存

DEC DX ；指向8255A的端口A IN AL，DX ；讀入端口A數(shù)據(jù)

ANL AL，0F0H ；屏蔽低四位數(shù)據(jù)

MOV [BX]，AL ；數(shù)據(jù)保存綜合例子

圖3-19是一種8路12位A/D轉(zhuǎn)換模板的示例。圖中只給出了總線(xiàn)接口與I/O功能實(shí)現(xiàn)部分，由8路模擬開(kāi)關(guān)CD4051、采樣保持器LF398、12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A和并行接口芯片8255A等組成。該模板的主要技術(shù)指標(biāo)如下：分辨率：12位通道數(shù)：?jiǎn)味?路輸入量程：?jiǎn)螛O性0~10V

轉(zhuǎn)換時(shí)間：25μs

傳送應(yīng)答方式：查詢(xún)

該模板采集數(shù)據(jù)的過(guò)程如下：

(1)通道選擇將模擬量輸入通道號(hào)寫(xiě)入8255A的端口C低4位（PC3~PC0），可以依次選通8路通道。

(2)采樣保持控制把AD574A的信號(hào)通過(guò)反相器連到LF398的信號(hào)采樣保持端，當(dāng)AD574A未轉(zhuǎn)換期間或轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)＝0，使LF398處于采樣狀態(tài)，當(dāng)AD574A轉(zhuǎn)換期間＝1，使LF398處于保持狀態(tài)。

(3)啟動(dòng)AD574A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換通過(guò)8255A的端口PC6~PC4輸出控制信號(hào)啟動(dòng)AD574A。（4）查詢(xún)AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束讀8255A的端口A，查詢(xún)是否已由高電平變?yōu)榈碗娖?。?）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果若已由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑒t讀8255A端口A、B，便可得到12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。設(shè)8255A的A、B、C端口與控制寄存器的地址為2C0H-2C3H，主過(guò)程已對(duì)8255A初始化，且已裝填DS、ES(兩者段基值相同)，采樣值存入數(shù)據(jù)段中的采樣值緩沖區(qū)BUF，另定義一個(gè)8位內(nèi)存單元BUF1。該過(guò)程的數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖所示，數(shù)據(jù)采集程序如下：圖路數(shù)據(jù)采集程序框圖

AD574APROCNEAR；過(guò)程定義偽指令

MOVCX，8；計(jì)數(shù)器初始

CLD；標(biāo)志位DF清零

MOVAL，00000000B；

MOVBUF1，AL；CE=0，=0，R/=0，=B=A=0，控制信號(hào)初始，通道號(hào)初始

LEABX，BUF；置采樣緩沖區(qū)首址

NEXTCH：MOVDX，2C2H；8255A的PC口址

MOVAL，BUF1

OUTDX，AL；送PC口控制信號(hào)與通道號(hào)

NOP

NOPORAL，01000000B；CE=1OUTDX，AL；啟動(dòng)A/DANDAL，10111111B；CE=0OUTDX，ALMOVDX，2C0H；8255A的PA口址POLLING：INAL，DX

TESTAL，80H

JNZPOLLING；測(cè)試

MOVAL，BUF1

ORAL，01010000B；R/=1

MOVDX，2C2H

OUTDX，AL；輸出12位轉(zhuǎn)換數(shù)到8255A

MOVDX，2C0H

INAL，DX；讀8255A的PA口

ANDAL，0FH

MOVAH，AL；保留PA口低4位（12位中的高4位）

INCDX；讀低8位

INAL，DX；讀8255A的PB口（12位中的低8位）

STOSW；12位數(shù)存入內(nèi)存，自動(dòng)修改采樣緩沖區(qū)指針

INCBUF1；修改通道號(hào)

LOOPNEXTCH；采集下一個(gè)通道，直到第8路

MOVAL，00111000B；CE=0，=R/=1

MOVDX，2C2H

OUTDX，AL；不操作

RET

AD574AENDP3.3.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式

模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、采樣保持器、V/I變換等組成。

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(lái)之前，使本次控制信號(hào)維持不變。保持器一般有數(shù)字保持和模擬保持兩種方案。3.3模擬量輸出通道模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸出控制的關(guān)鍵，它的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到控制的目的。

1.一個(gè)通路設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式

接口D/AD/AV/I轉(zhuǎn)換器V/I轉(zhuǎn)換器PC總線(xiàn)通道1通道n圖3.29一個(gè)通路一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

這是一種數(shù)字保持方案。優(yōu)點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障，也不影響其他通道的工作。缺點(diǎn):使用了較多的D/A轉(zhuǎn)換器，使得這種結(jié)構(gòu)的價(jià)格很高。2.多個(gè)通路共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式

圖3.30多個(gè)通路共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)接口D/A多路開(kāi)關(guān)采樣保持器采樣保持器V/I轉(zhuǎn)換器V/I轉(zhuǎn)換器通道1通道nPC總線(xiàn)

由于共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，因此必須在計(jì)算機(jī)控制下分時(shí)工作，即依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓（或電流），通過(guò)多路開(kāi)關(guān)傳送給輸出采樣—保持器。優(yōu)點(diǎn):節(jié)省了D/A轉(zhuǎn)換器。缺點(diǎn)：因?yàn)榉謺r(shí)工作，只適用于通道數(shù)量多且速率要求不高的場(chǎng)合。它還要使用多路開(kāi)關(guān)，且要求輸出采樣—保持器的保持時(shí)間與采樣時(shí)間之比較大，這種方案工作可靠性較差。D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置，其模擬量輸出（電流或電壓）與參考電壓和二進(jìn)制數(shù)成正比例。常用的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率有8位、10位、12位等，其結(jié)構(gòu)大同小異，通常都帶有兩級(jí)緩沖寄存器。

3.3.2D/A轉(zhuǎn)換器

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進(jìn)制數(shù)ND＝(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。1.D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、建立時(shí)間、非線(xiàn)性誤差等。

輸入輸出關(guān)系分辨率：分辨率用D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量的位數(shù)n（字長(zhǎng)）來(lái)表示。分辨率為n位，表示對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制數(shù)的最低有效位（LSB）與滿(mǎn)量程輸出的1/（2n-1）相對(duì)應(yīng)。如分辨率為8位，表示對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器的一個(gè)LSB與滿(mǎn)量程輸出的1/（28-1）=1/255的增量。建立時(shí)間：指D/A轉(zhuǎn)換器中代碼有滿(mǎn)度的變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定(離終值±1/2LSB相當(dāng)?shù)哪M量范圍內(nèi))所需要的時(shí)間。建立時(shí)間：指D/A轉(zhuǎn)換器中代碼有滿(mǎn)度的變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定(離終值±1/2LSB相當(dāng)?shù)哪M量范圍內(nèi))所需要的時(shí)間。

非線(xiàn)性誤差：實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)與理想特性曲線(xiàn)之間的最大偏差，并以該偏差相對(duì)于滿(mǎn)量程的百分?jǐn)?shù)度量。

輸入編碼：一般為并行或串行二進(jìn)制碼輸入，也有BCD碼輸入

D/A的結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用特性1．?dāng)?shù)字輸入特性

數(shù)字輸入特性包括接收數(shù)的碼制、數(shù)據(jù)格式以及邏輯電平等。批量生產(chǎn)的D／A轉(zhuǎn)換芯片一般都只能接收自然二進(jìn)制數(shù)字代碼。因此，當(dāng)輸入數(shù)字代碼為其他形式時(shí)，應(yīng)外接適當(dāng)?shù)钠秒娐泛蟛拍鼙唤邮?。多?shù)D/A轉(zhuǎn)換器都接收并行碼，但對(duì)于有些芯片內(nèi)部配置有移位寄存器的D/A轉(zhuǎn)換器也可以接收串行碼輸入。對(duì)于不同的D/A轉(zhuǎn)換器，輸入邏輯電平要求不同。對(duì)于固定閾值電平的D/A轉(zhuǎn)換器一般只能和TTL或低壓CMOS電路相連，而有些邏輯電平可以改變的D/A轉(zhuǎn)換器可以滿(mǎn)足與TTL、高低壓CMOS、PMOS等各種器件直接連接的要求。具體情況查閱用戶(hù)使用手冊(cè)。2．模擬輸出特性目前生產(chǎn)的多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器均屬于電流輸出器件。手冊(cè)上通常給出的是輸入?yún)⒖茧妷杭皡⒖茧娮柚碌臐M(mǎn)碼（全l）輸出電流I0和最大輸出短路電流。對(duì)于輸出特性具有電流源性質(zhì)的D/A轉(zhuǎn)換器，還給出了輸出電壓允許范圍，它是用來(lái)表示由輸出電路（包括簡(jiǎn)單電阻負(fù)載或者運(yùn)算放大器電路）造成的輸出端電壓的可變動(dòng)范圍。只要輸出端的電壓小于輸出電壓允許范圍，輸出電流和輸入數(shù)字之間保持正確的轉(zhuǎn)換關(guān)系，而與輸出的電壓大小無(wú)關(guān)。對(duì)于輸出特性為非電流源特性的D/A轉(zhuǎn)換器，電流輸出端應(yīng)保持公共端電位或虛地，否則將破壞其轉(zhuǎn)換關(guān)系。3．鎖存特性

D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)字量輸入是否具有鎖存功能將直接影響與CPU的接口設(shè)計(jì)。如果D/A轉(zhuǎn)換器沒(méi)有輸入鎖存器，通過(guò)CPU