智能儀器基礎(chǔ)(第2版)第4章

1、智能儀器基礎(chǔ)（第智能儀器基礎(chǔ)（第2版）版）朱一綸主編朱一綸主編電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社第第4章章 信號的輸出與處理 4.1 數(shù)字信號的輸出與處理數(shù)字信號的輸出與處理 4.2 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM） 4.3 數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器 4.4 DAC0832與單片機的接口與單片機的接口 4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 4.6 輸出接口電路仿真舉例輸出接口電路仿真舉例 第第4章章 信號的輸出與處理 本章討論微機系統(tǒng)輸出驅(qū)動接口電路 數(shù)字信號控制輸出 在需要用模擬信號控制輸出時，討論了把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路及其與微機系統(tǒng)的接口。 .1 數(shù)字信號的

2、輸出與處理數(shù)字信號的輸出與處理 有一類設(shè)備只需要輸入高電平或低電平就可以進行控制，例如：發(fā)光二極管LED,，液晶顯示器，單速的電動機（通常用繼電器控制接通（轉(zhuǎn)動）或斷開（停止），報警器等（如圖4.1所示），我們把它稱為開關(guān)量輸出設(shè)備。 圖4.1 開關(guān)量輸出設(shè)備 4.1.1開關(guān)量的驅(qū)動接口開關(guān)量的驅(qū)動接口 開關(guān)量只有高、低電平兩種狀態(tài) 的輸出信號。 (a)單管驅(qū)動 (b) 用7406驅(qū)動 （c）驅(qū)動繼電器 圖4.2 開關(guān)量驅(qū)動電路課堂討論課堂討論:o 單管驅(qū)動時三極管工作在什么狀態(tài)?o B極和C極的兩個電阻如何選取?o OC門集成電路的輸出有什么特點?o 什么時候要選用繼電器驅(qū)動?4.1.1開關(guān)

3、量的驅(qū)動接口開關(guān)量的驅(qū)動接口圖4.3（a），其輸入額定電壓24V直流，可以控制交流電壓380V，電流30A的輸出設(shè)備。圖4.3（b）中固態(tài)繼電器的輸入電壓為12V，可以控制交流電壓250V，電流15A的交流設(shè)備或直流壓額定電壓為28V的直流設(shè)備。（b）固態(tài)繼電器（a）固態(tài)繼電器4.1.1開關(guān)量的驅(qū)動接口開關(guān)量的驅(qū)動接口圖4.3(c)為某種型號的電磁閥，主要用于對管路中的液體，空氣，蒸汽，油，天然氣，酸堿性流體等介質(zhì)的自動控制，實現(xiàn)節(jié)能和程序控制的自動化。 圖4.3(c)電磁閥4.1.2 繼電器簡介繼電器簡介 電磁式繼電器是利用改變金屬觸點位置而使動觸點與定觸點閉合或分開的，所以具有接觸電阻小，

4、流過電流大，耐壓高等優(yōu)點，適用于用小電流（小電壓）控制大電流的場合。 繼電器的種類很多，有電磁式繼電器，干簧繼電器和固態(tài)繼電器等。4.1.2 繼電器簡介繼電器簡介1.電磁繼電器電磁繼電器圖圖4.4 繼電器的電路符號繼電器的電路符號電磁式繼電器的符號如圖4.4所示，它由勵磁線圈及一對（或多對）常開、常閉觸點組成，其文字符號為KA，當勵磁線圈通電時，常開觸點閉合，而常閉觸點則斷開，通常用相同的文字符號表示同一繼電器。4.1.2 繼電器簡介繼電器簡介2固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器（固態(tài)繼電器（SSR-Solid State Relay）具有工作可靠、體積）具有工作可靠、體積小、驅(qū)動功率小、無觸點、

5、無噪聲、抗干擾、開關(guān)速度快小、驅(qū)動功率小、無觸點、無噪聲、抗干擾、開關(guān)速度快、壽命長等優(yōu)點。、壽命長等優(yōu)點。 圖4.5 SSR工作原理 4.1.2 繼電器簡介繼電器簡介 固態(tài)繼電器的應用領(lǐng)域包括：微機系統(tǒng)外圍接口裝置、數(shù)控機床、遙控及保護系統(tǒng)、井下防爆電器開關(guān)、信號燈、閃爍器、燈光交換控制裝置、電動機控制、中間繼電器、電磁閥控制等。4.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM） 脈沖寬度調(diào)制（Pulse-Width Modulation,簡稱PWM） 通常是指根據(jù)需要，調(diào)節(jié)輸出脈沖方波的占空比，以此來驅(qū)動功率器件、高頻變壓器、整流、濾波等電路，從而得到穩(wěn)定的直流輸出電壓來驅(qū)動大功率的設(shè)備。

6、 在工業(yè)自動化控制中PWM技術(shù)的應用十分廣泛。4.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）產(chǎn)生PWM控制信號的方法主要有兩種：1. 一種是用硬件產(chǎn)生PWM控制信號，隨著開關(guān)電源的發(fā)展和半導體集成技術(shù)的發(fā)展，集成的PWM芯片種類越來越多，如TL494A、SG3524、SG3525A、SD3842A等，性能也有很大的提高。 圖4.6 PWM器件SG3525的內(nèi)部框圖 4.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM） SG3525芯片的8腳接入不同的電容時，輸出不同寬度的PWM信號，最簡單的控制是8腳接固定電容，微機只要用一個輸出口接10腳，控制這個PWM器件工作與否，如圖4.7所示。 4.

7、2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM） 如果設(shè)計若干組電阻電容網(wǎng)，可用程控芯片選擇其中一組接入PWM芯片，就可以用微機的輸出信號去設(shè)定和改變器件的振蕩頻率，從而控制功率設(shè)備的輸出頻率，實現(xiàn)變頻輸出，這在控制電機轉(zhuǎn)速等方面十分有用。 4.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）o 另一種是用軟件方法輸出PWM控制信號，在智能儀器中通常采用軟件實現(xiàn)PWM控制信號輸出，可以節(jié)省硬件開銷，且便于系統(tǒng)控制。4.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM） 通過控制每個PWM周期內(nèi)高電平的時間長短（即通過控制占空比）可以調(diào)節(jié)輸出信號平均值的大小，微處理器利用開關(guān)量輸出接口或脈沖量輸出接口輸

8、出PWM信號，再通過外部電路實現(xiàn)功率驅(qū)動。 4.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM） 例例4.1：用MCS-51系列單片機實現(xiàn)軟件輸出PWM信號，要求輸出信號周期為T，占空比為75%。 解：用8051單片機的內(nèi)部定時器來產(chǎn)生PWM信號，即定時產(chǎn)生高、低電平輸出。4.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM） PWM信號從引腳P3.4輸出，設(shè)T0工作于方式1，為16位加法計數(shù)器，則輸出高電平信號的持續(xù)時間tH為0.75T和輸出低電平信號的持續(xù)時間tL=0.25T，則輸入計數(shù)值x和y可由下式求出： OSCHfxt12216OSCLfyt122164.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技

9、術(shù)（PWM）用單片機實現(xiàn)軟件輸出PWM信號程序如下：;初始化程序：PWM: MOV 30H,#xLMOV 31H, #xH;存入x參數(shù)MOV 32H，#yLMOV 33H，#yH;存入y參數(shù)MOV TMOD，#01H ;設(shè)定時器工作方式1MOV TL0， 30HMOV TH0，31H ;高電平定時參數(shù)MOD IE，#9FH ;開中斷SETB P3.4 ;輸出高電平 SETB TR0;啟動定時器T04.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）;中斷子程序，定時時間到開始執(zhí)行 PWM1：CLR TR0 ；關(guān)定時器 CPL P3.4 ；P3.4位取反 JB P3.4, HIGH ；若P3.4=

10、1，HIGHLOW: MOV TL0,32H MOV TH0,33H ；低電平定時參數(shù)BACK: SETB TR0 ；啟動定時器T0 RETI；中斷返回HIGH: MOV TL0, 30H ；高電平定時參數(shù) MOV TH0,31H ； AJMP BACK ；跳轉(zhuǎn)到BACK處 4.3數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器常簡寫成D/A轉(zhuǎn)換器或DAC（Digital Analog Converter）,主要用于將n位二進制的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，它是數(shù)字電子計算機、數(shù)字通信及其它一些數(shù)字系統(tǒng)重要的接口電路。 4.3.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作原理與性能指標數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作原理與性能指標 D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

11、轉(zhuǎn)換器的工作原理: 由R和2R兩種阻值的電阻組成譯碼網(wǎng)絡(luò)，稱為T型電阻網(wǎng)絡(luò)，用輸入數(shù)字量來控制各個開關(guān)，從網(wǎng)絡(luò)（電路）的任一節(jié)點無論是向左看還是向右看，其等效電阻都是等于2R。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作原理11110222nnnREFDDDRVI1111 00222nnnREFDDDVIRV則運放的輸入電流為：運放的輸出端電壓V0為：D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標：轉(zhuǎn)換器的主要性能指標：1. 分辨率（分辨率（Resolution） 分辨率可以定義成當輸入信號發(fā)生單位數(shù)字變化時，即LSB位產(chǎn)生一次變化時所對應的輸出模擬量（電壓或電流）的變化量的大小。分辨率=模擬輸出的最大值/2n但實際中常

12、用二進制位數(shù)來說明它的分辨率，例如DAC0832是8位的DAC，MAX543是12位的DAC等。 D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標：2.精度（精度（Accuracy） 轉(zhuǎn)換精度一般是用最大引用誤差給出，簡稱精度。 當不考慮D/A轉(zhuǎn)換器其他誤差時，D/A轉(zhuǎn)換器的精度就是其分辨率的大小。 D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標：轉(zhuǎn)換器的主要性能指標：V1531053. 1210416V3051005. 32)10(10416 例如DAC708器件的精度為：0.003%FS，為16位分辨率，當其為單極性輸出，輸出模擬電壓范圍010V，則其輸出可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為： 同樣DAC708器件，當其為雙極性輸出，輸出模擬

13、電壓范圍為10時，則其輸出可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為：D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標：轉(zhuǎn)換器的主要性能指標：3.轉(zhuǎn)換時間ts（轉(zhuǎn)換時間） 轉(zhuǎn)換時間ts是描述D/A轉(zhuǎn)換快慢的參數(shù)，是指從輸入數(shù)字量到輸出模擬量所需要的時間，當需要實時響應控制時要考慮這個參數(shù)。 課堂討論課堂討論:o DAC的作用是什么?o 輸出模擬量與輸入數(shù)字量之間有什么關(guān)系?o DAC的主要性能指標有哪些?4.3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù) 各種D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)不同，它們與單片機接口方法也有差異，但就其基本引腳連接上，仍有共同之處： （1）數(shù)字量輸入方式 （2）模擬量輸出方式 （3）外部控制信號的連接方式。 4.3

14、.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù) 1.數(shù)字量輸入方式數(shù)字量輸入方式: 串行輸入需要一個串行入并行出的寄存器，因為D/A轉(zhuǎn)換是并行執(zhí)行的。 并行輸入 有的D/A轉(zhuǎn)換器含這兩種輸入方法，可控制選取。 4.3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)2.模擬量輸出方式：模擬量輸出方式： D/A轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出也可以分為兩種，即電流輸出或電壓輸出，如果是電流輸出則不含運算放大器，電壓輸出則在集成芯片中內(nèi)含了運算放大器。 4.3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù) 圖4.10中顯示了三種DAC的結(jié)構(gòu)模塊，顯然在使用這三種不同結(jié)構(gòu)的DAC時接口方式是不同的 。4.3.2 數(shù)模

15、轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)3.外部控制信號的連接方式外部控制信號的連接方式 一般的模數(shù)轉(zhuǎn)換器都有芯片的選擇引腳（片選信號線）、啟動轉(zhuǎn)換控制、輸入鎖存器控制、寫信號控制等，這些控制線有電平控制和邊沿控制的區(qū)別。 4.4 DAC 0832與單片機的接口與單片機的接口 圖4.11 DAC8032結(jié)構(gòu)圖 1.是幾位的是幾位的DAC?2.需要外接需要外接運算放大器運算放大器嗎嗎?3.WR1和和WR2分別控分別控制什么制什么?4.4.1DAC8032結(jié)構(gòu)4.4.1 DAC 0832結(jié)構(gòu)與引腳功能結(jié)構(gòu)與引腳功能 輸出模擬電流與輸入二進制數(shù)B之間的關(guān)系： IOUT1=B（UREF /（256 R）

16、IOUT 2= UREF / RIOUT1根據(jù)引腳功能說明根據(jù)引腳功能說明,掌握如何掌握如何用單片機去控制用單片機去控制DAC8032.4.4.2 DAC 0832 單緩沖方式接口及應用單緩沖方式接口及應用 單緩沖方式兩個寄存器之中只有一個受控，另一個直通（控制端始終有效）或兩個寄存器同時受控打開，關(guān)閉。 同時打開同時打開4.4.2 DAC 0832 單緩沖方式接口及應用單緩沖方式接口及應用 這時DAC0832相當于8031外部的一個擴展I/O口，當?shù)刂肪€A14(P2.6)=1時，即可選通DAC0832，設(shè)口地址為0FFFFH，CPU對該口地址進行一次寫操作，就把一個數(shù)字量直接寫入到DAC寄存

17、器，通過D/A轉(zhuǎn)換，輸出一個模擬量。通過程序設(shè)計，該電路可以產(chǎn)生各種不同的輸出波形。4.4.2 DAC 0832 單緩沖方式接口及應用單緩沖方式接口及應用例例4.2: 產(chǎn)生鋸齒波的程序產(chǎn)生鋸齒波的程序：START：MOV DPTR,#0FFFFH；選中DAC 0832 MOV A,#00HLP： MOVX DPTR,A；轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送DAC INC A ；數(shù)據(jù)加1 CJNE A，#51，LP；未到最大值繼續(xù) MOV A，#00H；下一個鋸齒波開始 SJMP LP4.4.3DAC 0832雙緩沖方式及與雙緩沖方式及與8051的接口的接口 雙緩沖方式DAC0832的兩個寄存器分別受控，這種工作方式適合

18、于多路模擬信號同時輸出的應用場合。這時每一個模擬量的輸出需要一片DAC 0832，構(gòu)成多路同步輸出系統(tǒng)。 4.4.3DAC 0832雙緩沖方式及與雙緩沖方式及與8051的接口的接口先后輸入數(shù)先后輸入數(shù)據(jù)，同時開據(jù)，同時開始轉(zhuǎn)換。始轉(zhuǎn)換。課堂討論課堂討論:o DAC8032的片選信號是否相同?其作用是什么?o DAC8032的啟動轉(zhuǎn)換信號是否相同?其作用是什么?o 雙緩沖方式適用于什么場合?4.4.3DAC 0832雙緩沖方式及與雙緩沖方式及與8051的接口的接口例4.3 設(shè)圖中選中第一片DAC 0832的地址為00FEH，第二片為00FFH，選通兩片DAC 寄存器的地址為FF00H，X的輸出量

19、放在R0，Y的輸出量放在R1，則其轉(zhuǎn)換程序如下：TRANS： MOV DPTR，#00FEH MOV A，R0 MOVX DPTR, A ；數(shù)據(jù)X寫入第一片DAC MOV A, R1 MOV DPTR, #00FFH；數(shù)據(jù)Y寫入第二片DAC MOVX DPTR, A MOV DPTR,#0FF00H；兩片同時轉(zhuǎn)換輸出 MOVX DPTR,A RET4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 DAC708/709系列集成電路是一種高速16位D/A轉(zhuǎn)換器,其結(jié)構(gòu)框圖如下圖.課堂討論課堂討論: DAC708與DAC709主要區(qū)別是什么? DAC708/709是幾位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片? DAC708/

20、709分辨率為多少?4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 例4.4用MCS-51系列單片機控制DAC709進行16位的D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬電壓（0-10V范圍）。4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 解：圖4.16為DAC709與MCS-51系列單片機的接口，從圖4.16中看出DAC709的使用十分方便，只要外接幾個電阻電容就可以輸出轉(zhuǎn)換電壓。圖中17腳開路，因為輸出模擬電壓在0-10V范圍內(nèi)，如果需要雙極性輸出，則將17腳與16腳相連接。 圖中13腳將13腳與14腳相連接。如果輸出電壓在20V范圍內(nèi)，則13腳開路。4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 從圖4.16可見

21、，寫入高8位寄存器的地址線是：P2.7=1,A2A1A0=101,(設(shè)其余線均為0，則為8005H)，寫入低8位寄存器的地址線是：P2.7=1,A2A1A0=110,(設(shè)其余線均為0，則為8006H)，寫入DAC寄存器的地址線是：P2.7=1,A2A1A0=011,(設(shè)其余線均為0，則為8003H)，DAC寄存器寫入后就啟動轉(zhuǎn)換，在14腳輸出模擬電壓。4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路控制轉(zhuǎn)換子程序如下：TRANS：MOV P2,#80H MOVR0,#05H ；高8位數(shù)據(jù)寄存器MOV A,#DATAH；高8位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)MOV R0,A；MOV R0,#06H；低8位數(shù)據(jù)寄存器MOV

22、A,#DATAL；高8位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)MOV R0,AMOV R0,#03H；DAC寄存器MOV R0,A ；啟動轉(zhuǎn)換RET4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 用MCS-51系列單片機控制DAC708進行16位的D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬電壓（0-20V范圍）。708需外接運放需外接運放4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 如前所述，DAC708是不帶運算放大器的芯片，所以要外接集成運算放大器才可以輸出模擬電壓，其余接線、編程與DAC709一樣，不再重復。 如果要直接輸出模擬電流，則從DAC708 16腳輸出即可，其外圍電阻等都可以不接了。有些標準的電動、氣動執(zhí)行器需要用模擬電流信號進行

23、控制。課堂討論課堂討論:o 比較DAC708/709的二個電路接法.o 什么時候13腳開路?o 什么時候需要將17腳與16腳并聯(lián)?4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 當需要多通道數(shù)據(jù)輸出時，可以構(gòu)成多通道模擬信號輸出. 4.6 輸出接口電路仿真舉例輸出接口電路仿真舉例 4.6.1 發(fā)光二極管輸出仿真 發(fā)光二極管可以直接與單片機相連，作為單片機的輸出指示，因此在練習編程和設(shè)計仿真時可以用發(fā)光二極管來驗證程序和設(shè)計。 4.6.1 發(fā)光二極管輸出仿真發(fā)光二極管輸出仿真 8123456712345678R2220XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD

24、039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51C122pFC222pFC310uFX112

25、MR110kD1R3220D2R4220D3R5220D4R6220D5R7220D6R8220D7R9220D8圖4.19 單片機與發(fā)光二極管連接圖 1.與發(fā)光二極管相連的電阻起什么作用?可以不接嗎? 2.圖中 為什么接地?可以接高電平嗎 ?課堂討論課堂討論EA4.6.2電磁繼電器輸出仿真電磁繼電器輸出仿真 電磁繼電器和固態(tài)繼電器的控制比較簡單，只是單片機的I/O端口的輸出功率比較小，不能直接接繼電器，所以要加一個驅(qū)動，最簡單的驅(qū)動是用三極管。 4.6.2電磁繼電器輸出仿真電磁繼電器輸出仿真 XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD

26、138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51C122pFC222pFC310uFX112MR110kL222

27、0VD1DIODEK1RL2RTE24005FR310KQ1PNP+220V提問：要使提問：要使L2導通，導通，P2.4輸出信號是高電平還是低電平？輸出信號是高電平還是低電平？4.6.3 DAC0832與單片機的接口仿真與單片機的接口仿真 在4.3節(jié)中已經(jīng)討論了數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832及其應用，這里給出它與單片機的連接仿真實例，接口電路如圖4.21所示，這是最簡單的接口方法。 單片機通過P1.0口輸出低電平選中DAC0832芯片，然后通過P0口輸出數(shù)據(jù)。 DAC0832將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成不同的電壓值。 4.6.3 DAC0832與單片機的接口仿真與單片機的接口仿真示波器觀察到的連續(xù)輸出波形8123456712348765XFXTA