過程通道接口技術(shù)

第二章過程通道及接口技術(shù)過程通道：計算機與生產(chǎn)過程之間的信息傳遞和轉(zhuǎn)換裝置。輸入計算機的信息通道、計算機的輸出通道第二章過程通道及接口技術(shù)本章主要內(nèi)容1、模擬量輸出通道及接口技術(shù)2、模擬量輸入通道及接口技術(shù)3、開關(guān)量通道及接口技術(shù)4、脈沖量輸入通道及接口技術(shù)5、電機控制技術(shù)第一節(jié)模擬量輸出通道及接口技術(shù)本節(jié)要點1.模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)組成

2.8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的原理組成及其接口電路3.12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210的原理組成及其接口電路4.D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式及其輸出電路

第一節(jié)模擬量輸出通道及接口技術(shù)

引言

1.1模擬量輸出通道的一般組成

1.2DAC0832接口技術(shù)

1.3DAC1210接口技術(shù)

本節(jié)小結(jié)

思考題引言模擬量輸出通道的任務(wù)--把計算機處理后的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號，去驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器，從而達到控制的目的;模擬量輸出通道(稱為D/A通道或AO通道)構(gòu)成--一般是由接口電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(簡稱D/A或DAC)和電壓/電流變換器等;模擬量輸出通道基本構(gòu)成--多D/A結(jié)構(gòu)（圖2-1(a)）和共享D/A結(jié)構(gòu)（圖中2-1(b)）引言圖2-1接口電路通道1通道nD/AD/AV/IV/I(a)多D/A結(jié)構(gòu)PC總線引言特點：1、一路輸出通道使用一個D/A轉(zhuǎn)換器2、D/A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部一般都帶有數(shù)據(jù)鎖存器3、D/A轉(zhuǎn)換器具有數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模擬信號、信號保持作用4、結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，精度較高、通道獨立5、缺點是所需D/A轉(zhuǎn)換器芯片較多引言接口電路通道1通道nD/AV/IV/I多路開關(guān)采樣保持器采樣保持器（b）共享D/A結(jié)構(gòu)PC總線圖2-1引言特點：1、多路輸出通道共用一個D/A轉(zhuǎn)換器2、每一路通道都配有一個采樣保持放大器3、D/A轉(zhuǎn)換器只起數(shù)字到模擬信號的轉(zhuǎn)換作用4、采樣保持器實現(xiàn)模擬信號保持功能5、節(jié)省D/A轉(zhuǎn)換器，但電路復(fù)雜，精度差，可靠低、占用主機時間

模擬量輸出通道的一般組成輸出保持

DAC

多路開關(guān)

V/I輸出保持原因：AO輸出的模擬信號應(yīng)當(dāng)是時間連續(xù)的信號，但計算機只能周期性地把數(shù)據(jù)輸出給AO通道。在計算機由一次輸出操作到下一次輸出操作期間，AO通道必須保持上一次的輸出，否則執(zhí)行機構(gòu)將在計算機輸出和未輸出之間頻繁處于動作和不動作的狀態(tài)，這是生產(chǎn)過程絕對不允許的。作用：在新的計算結(jié)果到來之前，輸出應(yīng)保持不變。輸出保持方法：根據(jù)AO通道結(jié)構(gòu)和應(yīng)用要求的不同，輸出保持方式有三種：①數(shù)據(jù)寄存器保持。②模擬器件保持。③步進電機保持/脈沖電機數(shù)據(jù)寄存器起著保持器的作用。a.數(shù)據(jù)存儲較模擬信號存儲方便，最為普遍。b.輸出速度高，但每個通道要使用各自的D/A。c.數(shù)據(jù)寄存器可以精確保持輸出數(shù)據(jù)，輸出精度高。a.節(jié)省DAC，可在多路AO通道中共用一個DAC。D/A的輸出經(jīng)過多路開關(guān)分時地傳送給模擬保持器件。在下一次輸出之前，模擬保持器保持上一時刻輸出的模擬信號。b.為了使輸出保持結(jié)果正確，必須對元件質(zhì)量有很高的要求。耦合電容：必須選擇漏電流小的。要求運算放大器為高輸入阻抗，低漂移型（工作穩(wěn)定，零點漂移、增益誤差較?。?。跟隨器的輸入阻抗很大，RC很大，uin可以很長時間保持在電容上，輸出阻抗很小，對外電路阻抗無要求。c.模擬保持器：電容，由于電容漏電流的存在，輸出掃描周期不宜太長，及時地對輸出數(shù)據(jù)進行刷新，同時選擇漏電流小的電容；單片式保持器，AD582、LF398。脈沖信號——角位移/直線位移——電信號輸出（帶動多圈電位器）特點：計算機失電或失效，步進電機可保持在原來的位置上，輸出不至于回到零或最大，但通道復(fù)雜，速度較慢。模擬量輸出通道的一般組成輸出保持

DAC

多路開關(guān)

V/IDACD/A轉(zhuǎn)換器：數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號D/A轉(zhuǎn)換器的原理D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)DAC芯片簡介D/A轉(zhuǎn)換器的原理D/A轉(zhuǎn)換器有并行和串行兩種，在工業(yè)控制中，主要使用并行D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器的原理可以歸納為“按權(quán)展開，然后相加”。因此，D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部必須要有一個解碼網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)按權(quán)值分別進行D/A轉(zhuǎn)換。解碼網(wǎng)絡(luò)通常有兩種：二進制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和T型電阻網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)以四位D/A轉(zhuǎn)換器為例加以討論T型電阻網(wǎng)絡(luò)的工作原理DACD/A轉(zhuǎn)換器：數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號D/A轉(zhuǎn)換器的原理D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)DAC芯片簡介D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)分辨率轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換時間線性誤差輸出電平輸入數(shù)據(jù)發(fā)生1LSB的變化時所對應(yīng)的輸出模擬量的變化。分辨率的高低通常用二進制輸入量的位數(shù)來表示，例如分辨率是8位、10位、12位等。由于轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路的誤差（如零點失調(diào)誤差、增益誤差、線性度誤差、噪聲）等原因，當(dāng)送一個確定的數(shù)字量DAC時，它的實際輸出值與該數(shù)值應(yīng)產(chǎn)生的理想輸出值之間會含有一定的誤差。從數(shù)字量輸入起，到建立穩(wěn)定的輸出電流（模擬量輸出達到終值附近誤差帶內(nèi)（±1/2LSB對應(yīng)的輸出））所需要的時間，反映轉(zhuǎn)換速度。100～100ns。。DAC的輸入數(shù)字量都是連續(xù)的數(shù)值，每兩個相鄰的數(shù)據(jù)之間的差值為1。若將這些連續(xù)的數(shù)據(jù)送給DAC，應(yīng)該輸出一個線性變化的模擬電壓。但實際的輸出并不是理想線性的。通常用偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大偏差與滿量程之間的百分數(shù)來表示線性誤差。一般要求線性誤差不大于1/2LSB。。不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大。一般為5V～10V，有的高壓輸出型的輸出電平則高達24V～30V。

DACD/A轉(zhuǎn)換器：數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號D/A轉(zhuǎn)換器的原理D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)DAC芯片簡介DAC芯片簡介模擬量輸出通道的一般組成輸出保持

DAC

多路開關(guān)

V/I多路開關(guān)如果AO通道中有多個DAC，就不需MUX。如果AO通道只有一個DAC，由于DAC速度非?？?，需要MUX來切換將把經(jīng)CPU處理，且由DAC轉(zhuǎn)換成的模擬量信號按一定順序輸出到不同的控制回路或外部設(shè)備，完成一路到多路的轉(zhuǎn)換，送入不同的執(zhí)行機構(gòu)。微型計算機I/O接口反多路開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器輸出保持執(zhí)行機構(gòu)輸出保持執(zhí)行機構(gòu)輸出保持執(zhí)行機構(gòu)微型計算機I/O接口寄存器D/A轉(zhuǎn)換器執(zhí)行機構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換器執(zhí)行機構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換器執(zhí)行機構(gòu)寄存器寄存器模擬量輸出通道的一般組成輸出保持

DAC

多路開關(guān)

V/IV/I把DAC的電壓信號轉(zhuǎn)換成可遠傳的電流。要求V/I電路必須具備一個很好的恒流特性（輸出電流幾乎不受所連接儀表阻抗的影響）。等精密電阻：R1=5K±0.01%R2=2K±0.01% R3=100±0.1%1～5V4～20mA等精密電阻：R1=5K±0.01%R2=2K±0.01% R3=200±0.1%1～5V0～10mADAC0832接口技術(shù)主要內(nèi)容

結(jié)構(gòu)原理

引腳

主要技術(shù)參數(shù)

工作方式

輸出方式

DAC0832和CPU的接口技術(shù)

應(yīng)用示例結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理

DAC0832的原理框圖及引腳如圖2-3所示。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。8位輸入寄存器用于存放主機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，并加以控制；8位DAC寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，并加以控制；8位D/A轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制2個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。引腳引腳DI0～DI7：數(shù)據(jù)輸入線，其中DI0為最低有效位LSB，DI7為最高有效位MSB。CS：片選信號，輸入線，低電平有效。WR1：寫信號1，輸入線，低電平有效。ILE：輸入允許鎖存信號，輸入線，高電平有效當(dāng)ILE、CS和WR1同時有效時，8位輸入寄存器控制端為高電平“1”，此時寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D的電平變化；反之，當(dāng)控制端端為低電平"0"時，原D端輸入數(shù)據(jù)被鎖存于Q端，在此期間D端電平的變化不影響Q端。引腳XFER(TransferControlSignal):傳送控制信號，輸入線，低電平有效。IOUT1：DAC電流輸出端1，一般作為運算放大器差動輸入信號之一。IOUT2：DAC電流輸出端2，一般作為運算放大器另一個差動輸入信號。Rfb：固化在芯片內(nèi)的反饋電阻連接端，用于連接運算放大器的輸出端。VREF：基準(zhǔn)電壓源端，輸入線，10VDC～10VDC。VCC：工作電壓源端，輸入線，5VDC～

15VDC。引腳

當(dāng)WR2和XFER同時有效時，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此時DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之，當(dāng)它為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉(zhuǎn)換器進行D/A轉(zhuǎn)換。一般情況下為了簡化接口電路，可以把WR2和XFER直接接地，使第二級8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式。

DAC0832的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率 8位電流建立時間 1μS線性度（在整個溫度范圍內(nèi)）8、9或10位增益溫度系數(shù) 0．0002％FS/℃低功耗 20mW單一電源 +5+15VDAC0832工作方式直通方式單緩沖方式雙緩沖方式直通工作方式直通工作方式是將、、以及引腳都直接接地，ILE接高電平，DAC芯片不受任何控制，就處于直通狀態(tài)。8位數(shù)字量一旦到達其數(shù)字輸入端，就立即加到8位DAC，被轉(zhuǎn)換成模擬量。單緩沖工作方式使DAC0832的兩個輸入寄存器中有一個處于直通方式，而另一個處于受控的鎖存方式。方法1：WR2、XFER接數(shù)字地，DAC寄存器處于直通方式；ILE接高電平，WR1接IOW信號、CS接端口地址譯碼輸出信號。執(zhí)行OUT指令，選中該端口，CS、WR1有效，啟動DAC。方法2：CS、XFER并接端口地址譯碼輸出信號、WR1、WR2接IOW。方法3：與方法2相反。雙緩沖工作方式雙緩沖工作方式對輸入寄存器和DAC寄存器分別進行控制。在程序控制下，把要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)先打入輸入寄存器、然后再在某個時刻啟動D/A轉(zhuǎn)換。方法：ILE接+5V，WR1、WR2接IOW，CS、XFER分別接不同的端口地址譯碼信號。MOVDPTR,XXXXH（CS）MOVXDPTR,AL；選中CS端口，WR1、WR2有效，數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器。MOVDPTR,XXXXH（XFER）MOVXDPTR,AL；選中XFER端口，WR1、WR2有效，數(shù)據(jù)寫入DAC寄存器，啟動D/A轉(zhuǎn)換。輸出方式

多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出的是弱電流信號，要驅(qū)動后面的自動化裝置，需在電流輸出端外接運算放大器。根據(jù)不同控制系統(tǒng)自動化裝置需求的不同，輸出方式可以分為單極性電壓輸出、雙極性電壓輸出和電流輸出等多種方式。輸出方式DAC0832為電流方式輸出，可通過外部運算放大器構(gòu)成電壓輸出電路實現(xiàn)。單極性電壓輸出雙極性電壓輸出電流輸出單極性電壓輸出單極性電壓：輸出電壓是正或負的單向信號。實現(xiàn)方法：在電流輸出端增加一極電壓放大器，其電流輸出端Iout1接至運算放大器的反相輸入端，所以輸出電壓Vout與參考電壓VREF反相?？墒褂眯酒瑑?nèi)部反饋電阻Rfb。轉(zhuǎn)換關(guān)系：其中：全零代碼對應(yīng)0V輸出；全1代碼對應(yīng)滿刻度電壓減去一個代碼對應(yīng)的電壓值。當(dāng)Vref=－10V，uout=9.96V；當(dāng)Vref=－10.04V，uout=10V；雙極性電壓輸出雙極性電壓輸出:指輸出電壓相對于地具有正負極性的變化。在控制正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等應(yīng)用場合是十分需要的。實現(xiàn)方法：在單極性輸出的基礎(chǔ)上，加一級電壓放大器A2。運算放大器A2的作用是將運算放大器OA１的單向輸出轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向輸出。Vref為A2提供了一個偏移電流，方向與A1輸出電流相反，且選擇2R，使得由Vref引入的偏移電流恰好等于A1輸出電流的二分之一，這樣，A2的輸出將在A1輸出的基礎(chǔ)上偏移1/2。電流輸出

因為電流信號易于遠距離傳送，且不易受干擾，特別是在過程控制系統(tǒng)中，自動化儀表只接收電流信號，所以在微機控制輸出通道中常以電流信號來傳送信息，這就需要將電壓信號再轉(zhuǎn)換成電流信號，完成電流輸出方式的電路稱為V/I變換電路。電流輸出方式一般有兩種形式：1．普通運放V/I變換電路2．集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路

普通運放V/I變換電路

（1）0~10mA的輸出

+-Vin0~10VAT1T2I0Vf+VsR1R2R3R4R5R6RfRL圖2-90~10V/0~10mA的變換電路普通運放V/I變換電路

（1）0~10mA的輸出

圖2-9為0～10V/0～10mA的變換電路，由運放A和三極管T1、T2組成，R1和R2是輸入電阻，Rf是反饋電阻，RL是負載的等效電阻。輸入電壓Vin經(jīng)輸入電阻進入運算放大器A，放大后進入三極管T1、T2。由于T2射極接有反饋電阻Rf，得到反饋電壓Vf加至輸入端，形成運放A的差動輸入信號。該變換電路由于具有較強的電流反饋，所以有較好的恒流性能。普通運放V/I變換電路

輸入電壓Vin和輸出電流Io之間關(guān)系如下：若R3、R4＞＞Rf、RL，可以認為Io全部流經(jīng)Rf，由此可得:V－＝Vin·R4/（R1＋R4）＋Io·RL·R1/（R1＋R4）V＋＝Io（Rf＋RL）·R2/（R2＋R3）對于運放，有V－≈V＋，則Vin·R4/（R1＋R4）＋Io·RL·R1/（R1＋R4）=Io（Rf＋RL）·R2/（R2＋R3）若取R1=R2，R3=R4，則由上式整理可得Io=Vin·R3/（R1·Rf）可以看出，輸出電流Io和輸人電壓Vin呈線性對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系。R3/（R1·Rf）為一常教，與其他參數(shù)無關(guān)。若取Vin＝0～10V，R1=R2=100kΩ，R3=R4=20kΩ，Rf＝200Ω，則輸出電流Io=0～10mA。普通運放V/I變換電路

（2）4～20mA的輸出圖2-10為1~5V/4~20mA的變換電路，兩個運放A1、A2均接成射極輸出形式。+-A1+-A2T2T1T3Vin1~5VR1R2RfRLR3CIfI2I0I1V1V2+Vs圖2-101～5V/4～20mA的變換電路V3

在穩(wěn)定工作時Vin＝V1所以I1=V1/R1=Vin/R1又因為I1≈I2所以Vin/R1=I2=（VS-V2）/R2即V2=VS-Vin·R2/R1在穩(wěn)定狀態(tài)下，V2＝V3，If≈Io，故Io≈If=（VS-V3）/Rf=（VS-V2）/Rf將上式代入得Io=（VS-VS+Vin·R2/R1）/Rf=Vin·R2/（R1·Rf）其中R1、R2、Rf均為精密電阻，所以輸出電流Io線性比例于輸入電壓Vin，且與負載無關(guān)，接近于恒流。若R1=5kΩ，R2=2kΩ，R3=100Ω，當(dāng)Vin=1～5V時輸出電流Io=4～20mA。2．集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路

圖2-11是集成V/I轉(zhuǎn)換器ZF2B20的引腳圖，采用單正電源供電，電源電壓范圍為10～32V，ZF2B20的輸入電阻為10KΩ，動態(tài)響應(yīng)時間小于25μS，非線性小于土0.025％。

2．集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路

通過ZF2B20可以產(chǎn)生一個與輸入電壓成比例的輸出電流，其輸入電壓范圍是0～10V，輸出電流是4～20mA、0～10mA。它的特點是低漂移，在工作溫度為-25～85℃范圍內(nèi)，最大溫漂為0.005％/℃。利用ZF2B20實現(xiàn)V/I轉(zhuǎn)換的電路非常簡單，圖2-12（a）所示電路是一種帶初值校準(zhǔn)的0～10V到4～20mA的轉(zhuǎn)換電路；圖2-12（b）則是一種帶滿度校準(zhǔn)的0～10V到0～10mA的轉(zhuǎn)換電路。DAC0832和CPU接口技術(shù)數(shù)字量輸入端的連接外部控制信號的連接模擬量輸出DAC和微處理器接口中需要考慮的問題位數(shù)：8位、10位和12位DCA內(nèi)部結(jié)構(gòu)：DAC內(nèi)部無鎖存器時，必須在CPU與DAC之間設(shè)置鎖存器或I/O接口；當(dāng)DAC內(nèi)部有鎖存器時，可直接相連，也可用并行接口或鎖存器連接。片選信號I/O端口譯碼輸出寫信號IOW啟動信號0832不專門提供，但CS和WR信號合成單極性電壓、雙極性電壓、電流。DAC0832和CPU接口技術(shù)DAC0832應(yīng)用示例信號源：DAC0832在單、雙緩沖方式下直接與系統(tǒng)總線相連，亦可以將它看作一個輸出端口，每向該端口送一個8位數(shù)據(jù)，其輸出端就會有相應(yīng)的輸出電壓，通過編寫程序，利用DAC產(chǎn)生不同的輸出波形，例鋸齒波、三角波、方波和正弦波等。DAC0832應(yīng)用示例例1：設(shè)計一硬件電路，編寫一個輸出鋸齒波的程序，周期任意。DAC0832工作于單緩沖方式、雙極性電壓輸出。DAC0832應(yīng)用示例鋸齒波實現(xiàn)方法：正向鋸齒波的規(guī)律是電壓從最小值開始逐漸上升，上升到最大值時刻立刻跳變?yōu)樽钚≈?，如此反?fù)。反向齒波的規(guī)律是電壓從最大值開始逐漸下降，下降到最大值時刻立刻跳變?yōu)樽畲笾?，如此反?fù)。思路：從0開始往0832輸出數(shù)據(jù)，每次加1，直到最大值FFH，然后從0開始下一個周期，循環(huán)執(zhí)行。在0832輸出端得到一個正向鋸齒波。從0開始往0832輸出數(shù)據(jù)，每次減1，直到最小值00，然后從FF開始下一個周期，循環(huán)執(zhí)行。在0832輸出端得到一個反向鋸齒波。DAC0832應(yīng)用示例正向鋸齒波程序：反向鋸齒波程序：

MOVDX，0278H（CS）MOVDX，0278H（CS）MOVAL，0MOVAL，0NEXT：OUTDX，ALNEXT：OUTDX，AL

INCALDECAL

JMPNEXTJMPNEXT

運行結(jié)果分析：產(chǎn)生鋸齒波不是平滑的波形，而是有255個小臺階，通過加濾波電路可以得到較平滑的鋸齒波輸出。問題：軟件實現(xiàn)對輸出波形周期和幅度的調(diào)整。DAC0832應(yīng)用示例例2：已知DAC0832輸出電壓范圍為0～5V?，F(xiàn)希望輸出電壓為1～4V，周期任意的鋸齒波。當(dāng)輸出電壓為5V時，輸入數(shù)字量為最大值255。則：當(dāng)輸出電壓為1V時，輸入數(shù)字量為1×255/5=33H。當(dāng)輸出電壓為4V時，輸入數(shù)字量為4×255/5=CDH。程序清單：MOVDX，0278HNEXT1：MOVAL，33HNEXT2：OUTDX，ALINCALCALLDELAYCMPAL，0CDHJNANEXT2JMPNEXT1DAC0832應(yīng)用示例工業(yè)控制器：DAC常用于調(diào)速系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)中的電機轉(zhuǎn)速控制。例：直流伺服電機的PWM轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。DAC輸出的模擬電壓通過功率放大器控制直流伺服電機的轉(zhuǎn)速。速度傳感器（如光電編碼器等）將檢測到的轉(zhuǎn)速通過AI反饋給CPU形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。DAC1210接口技術(shù)DAC1210接口技術(shù)DAC1210接口技術(shù)DAC1210接口技術(shù)上圖是12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210與PC總線的一種接口電路，它是由DAC1210轉(zhuǎn)換芯片、運算放大器以及地址譯碼電路組成。與8位DAC0832接口電路不同的是，除了數(shù)據(jù)總線D7~D0與DAC1210高8位DI11～DI4直接相連，D3～D0還要與DAC1210低4位DI3~DI0復(fù)用，因而控制電路也略為復(fù)雜。圖中，CS、WR1和BYTE1/組合，用來依次控制8位輸入寄存器（LE1）和4位輸入寄存器（LE2）的選通與鎖存，XFER和WR2用來控制DAC寄存器（LE3）的選通與鎖存，LOW與WR1、WR2連接，用來在執(zhí)行輸出指令時獲得低電平有效，譯碼器的兩條輸出線Y0、Y2分別連到CS和XFER，一條地址線A0連到BYTE1/BYTE2，從而形成三個口地址：低4位輸入寄存器為380H，高8位輸入寄存器為381H，12位DAC寄存器為384H。DAC1210接口技術(shù)

在軟件設(shè)計中，為了實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)線D0～D7傳送12位被轉(zhuǎn)換數(shù)，主機須分兩次傳送被轉(zhuǎn)換數(shù)。首先將被轉(zhuǎn)換數(shù)的高8位傳給8位輸入寄存器DI11～DI4，再將低4位傳給4位輸入寄存器DI3～DI0，然后再打開DAC寄存器，把12位數(shù)據(jù)送到12位D/A轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸出指令執(zhí)行完后，DAC寄存器又自動處于鎖存狀態(tài)以保持數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸出不變。設(shè)12位被轉(zhuǎn)換數(shù)的高8位存放在DATA單元中,低4位存放在DATA+1單元中。DAC1210接口技術(shù)轉(zhuǎn)換程序

DAC：MOVDX，0381HMOVAL，[DATA]OUTDX，AL；送高8位數(shù)據(jù)DECDXMOVAL，[DATA+1]OUTDX，AL；送低4位數(shù)據(jù)MOVDX，0384HOUTDX，AL；完成12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換DAC1210接口技術(shù)本節(jié)小結(jié)

本節(jié)介紹了模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)組成，討論了其核心部件——D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理、功能特性，重點分析了8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832與12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210的原理組成及其與PC總線的接口電路，以及適用于現(xiàn)場各種驅(qū)動裝置的電壓、電流與自動/手動控制輸出電路。思考題1、畫圖說明模擬量輸出通道的功能、各組成部分及其作用。2、D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)有哪些？3、分析說明由DAC0832組成的單緩沖接口電路的工作過程，編寫完成一次D/A轉(zhuǎn)換的接口程序。4、簡單說明D/A轉(zhuǎn)換輸出電路有幾種輸出方式。5、簡單說明D/A轉(zhuǎn)換有幾種工作方式本節(jié)要點1.模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成2.多路開關(guān)，前置放大、采樣保持等各環(huán)節(jié)的功能作用3.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的原理組成及其接口電路4.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574的原理組成及其接口電路返回本章首頁第二節(jié)模擬量輸入通道及接口技術(shù)返回本章首頁第二節(jié)模擬量輸入通道及接口技術(shù)

引言

2.1模擬量輸入通道的一般組成

2.2ADC0809接口技術(shù)

2.3AD574接口技術(shù)

本節(jié)小結(jié)

思考題引言模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的數(shù)字量信號。結(jié)構(gòu)組成如下圖所示，來自于工業(yè)現(xiàn)場傳感器或變送器的多個模擬量信號首先需要進行信號調(diào)理，然后經(jīng)多路模擬開關(guān)，分時切換到后級進行前置放大、采樣保持和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，通過接口電路以數(shù)字量信號進入主機系統(tǒng)，從而完成對過程參數(shù)的巡回檢測任務(wù)。引言模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成

顯然，該通道的核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，通常把模擬量輸入通道稱為A/D通道或AI通道。模擬量輸入通道的一般組成

信號調(diào)理電路

多路模擬開關(guān)

前置放大器

采樣保持器

A/D轉(zhuǎn)換器信號調(diào)理電路在控制系統(tǒng)中，對被控量的檢測往往采用各種類型的測量變送器，當(dāng)它們的輸出信號為0-10mA或4-20mA的電流信號時，一般是采用電阻分壓法把現(xiàn)場傳送來的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，以下是兩種變換電路。

1.無源I/V變換

2.有源I/V變換無源I/V變換

無源I/V變換電路是利用無源器件—電阻來實現(xiàn)，加上RC濾波和二極管限幅等保護，如圖（a）所示，其中R2為精密電阻。對于0-10mA輸入信號，可取R1=100Ω，R2=500Ω，這樣當(dāng)輸入電流在0-10mA量程變化時，輸出的電壓就為0-5V范圍；而對于4-20mA輸入信號，可取R1=100Ω，R2=250Ω，這樣當(dāng)輸入電流為4-20mA時，輸出的電壓為1-5V。無源I/V變換圖電流/電壓變換電路有源I/V變換

有源I/V變換是利用有源器件——運算放大器和電阻電容組成，如圖（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的輸入電流對應(yīng)于1～5V的電壓輸出。多路模擬開關(guān)主要知識點

引言

結(jié)構(gòu)原理

擴展電路引言

由于計算機的工作速度遠遠快于被測參數(shù)的變化，因此一臺計算機系統(tǒng)可供幾十個檢測回路使用，但計算機在某一時刻只能接收一個回路的信號。所以，必須通過多路模擬開關(guān)實現(xiàn)多選1的操作，將多路輸入信號依次地切換到后級。目前，計算機控制系統(tǒng)使用的多路開關(guān)種類很多，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)的一對開關(guān)同時動作，從而完成差動輸入信號的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。結(jié)構(gòu)原理

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

結(jié)構(gòu)原理表CD4051的真值表

擴展電路

當(dāng)采樣通道多至16路時，可直接選用16路模擬開關(guān)的芯片，也可以將2個8路4051并聯(lián)起來，組成1個單端的16路開關(guān)。

例題試用兩個CD4051擴展成一個1×16路的模擬開關(guān)。

例題分析：圖給出了兩個CD4051擴展為1×16路模擬開關(guān)的電路。數(shù)據(jù)總線D3~D0作為通道選擇信號，D3用來控制兩個多路開關(guān)的禁止端。當(dāng)D3=0時，選中上面的多路開關(guān)，此時當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S0~S7通道；當(dāng)D3=1時，經(jīng)反相器變成低電平，選中下面的多路開關(guān)，此時當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S8~S15通道。如此，組成一個16路的模擬開關(guān)。擴展電路圖多路模擬開關(guān)的擴展電路前置放大器主要知識點

引言

測量放大器

可變增益放大器

引言

前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;

對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進行單端同相放大或單端反相放大。如圖所示，信號源的一端若接放大器的正端為同相放大，同相放大電路的放大倍數(shù)G=1+R2/R1；若信號源的一端接放大器的負端為反相放大，反相放大電路的放大倍數(shù)G=－R2/R1。當(dāng)然，這兩種電路都是單端放大，所以信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地。引言

圖放大電路

測量放大器

在實際工程中,來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號往往帶有較大的共模干擾，而單個運放電路的差動輸入端難以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一組運放構(gòu)成的測量放大器，也稱儀表放大器，如圖(a)所示。

經(jīng)典的測量放大器是由三個運放組成的對稱結(jié)構(gòu)，測量放大器的差動輸入端VIN和VIN分別是兩個運放A1、A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對稱地直接與被測信號相連，因而有著極強的抑制共模干擾能力。測量放大器-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負載(外接)外接地TUOV(外接)圖經(jīng)典的前置放大器

測量放大器

圖中RG是外接電阻，專用來調(diào)整放大器增益的。因此，放大器的增益G與這個外接電阻RG有著密切的關(guān)系。增益公式為

目前這種測量放大器的集成電路芯片有多種，如AD521/522、INA102等?？勺冊鲆娣糯笃?/p>

在A/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測信號常常共用一個測量放大器，而各路的輸入信號大小往往不同，但都要放大到A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對應(yīng)于各路不同大小的輸入信號，測量放大器的增益也應(yīng)不同。具有這種性能的放大器稱為可變增益放大器或可編程放大器，如圖所示?？勺冊鲆娣糯笃?A2A-NIN負載(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314Ω630Ω-+1AIV+圖可變增益放大器可變增益放大器

把經(jīng)典前置放大器圖中的外接電阻RG換成一組精密的電阻網(wǎng)絡(luò)，每個電阻支路上有一個開關(guān)，通過支路開關(guān)依次通斷就可改變放大器的增益，根據(jù)開關(guān)支路上的電阻值與增益公式，就可算得支路開關(guān)自上而下閉合時的放大器增益分別為2、4、8、16、32、64、128、256倍。顯然，這一組開關(guān)如果用多路模擬開關(guān)(類似CD4051)就可方便地進行增益可變的計算機數(shù)字程序控制。此類集成電路芯片有AD612/614等。采樣保持器當(dāng)某一通道進行A/D轉(zhuǎn)換時，由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，如果輸入信號變化較快，就會引起較大的轉(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。

數(shù)據(jù)采樣定理

采樣保持器

數(shù)據(jù)采樣定理離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)--把連續(xù)變化的量變成離散量后再進行處理的計算機控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的采樣形式--有周期采樣、多階采樣和隨機采樣。應(yīng)用最多的是周期采樣。周期采樣--就是以相同的時間間隔進行采樣，即把一個連續(xù)變化的模擬信號y(t)，按一定的時間間隔T轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r0，T，2T，…的一連串脈沖序列信號y*(t)，如圖所示。數(shù)據(jù)采樣定理采樣器的常用術(shù)語：采樣器或采樣開關(guān)--執(zhí)行采樣動作的裝置，采樣時間或采樣寬度τ--采樣開關(guān)每次閉合的時間采樣周期T--采樣開關(guān)每次通斷的時間間隔在實際系統(tǒng)中，《T

，也就是說，可以近似地認為采樣信號y*(t)是y(t)在采樣開關(guān)閉合時的瞬時值。圖信號的采樣過程數(shù)據(jù)采樣定理

由經(jīng)驗可知，采樣頻率越高，采樣信號y*(t)越接近原信號y(t)，但若采樣頻率過高，在實時控制系統(tǒng)中將會把許多寶貴的時間用在采樣上，從而失去了實時控制的機會。為了使采樣信號y*(t)既不失真，又不會因頻率太高而浪費時間，我們可依據(jù)香農(nóng)采樣定理。香農(nóng)定理指出：為了使采樣信號y*(t)能完全復(fù)現(xiàn)原信號y(t)，采樣頻率f至少要為原信號最高有效頻率fmax的2倍，即f2fmax。采樣定理給出了y*(t)唯一地復(fù)現(xiàn)y(t)所必需的最低采樣頻率。實際應(yīng)用中，常取f（5~10）fmax。采樣保持器1、零階采樣保持器--零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻。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和采樣開關(guān)S、保持電容CH等組成。采樣期間，開關(guān)S閉合，輸入電壓VIN通過A1對CH快速充電，輸出電壓VOUT跟隨VIN變化；保持期間，開關(guān)S斷開，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。采樣保持器圖采樣保持器采樣保持器

顯然，保持電容CH的作用十分重要。實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、開關(guān)截止時的漏電流與電容內(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，但同時又會增加充電即采樣時間，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。采樣保持器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(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

采樣保持器

在A/D通道中，采樣保持器的采樣和保持電平應(yīng)與后級的A/D轉(zhuǎn)換相配合，該電平信號既可以由其它控制電路產(chǎn)生，也可以由A/D轉(zhuǎn)換器直接提供?？傊?，保持器在采樣期間，不啟動A/D轉(zhuǎn)換器，而一旦進入保持期間，則立即啟動A/D轉(zhuǎn)換器，從而保證A/D轉(zhuǎn)換時的模擬輸入電壓恒定，以確保A/D轉(zhuǎn)換精度.A/D轉(zhuǎn)換器

工作原理與性能指標(biāo)

ADC0809及其接口電路

AD574A芯片及其接口電路

主要知識點工作原理與性能指標(biāo)

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換

串行比較型A/D轉(zhuǎn)換

并串比較型A/D轉(zhuǎn)換

逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理

電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理

過采樣Σ-Δ型A/D

流水線型A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換串行比較型A/D轉(zhuǎn)換串行比較型A/D轉(zhuǎn)換器串-并比較型A/D轉(zhuǎn)換DOUT并-串比較型A/D轉(zhuǎn)換器過采樣Σ-Δ型A/DAD7715流水線型A/D逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理一個n位A/D轉(zhuǎn)換器是由n位寄存器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、運算比較器、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)換為二進制數(shù)1001為例，說明逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。如圖所示。

逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖

逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

當(dāng)啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下，

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VO

8，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量VIN=9進行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進行判斷。當(dāng)VIN

VO，則保留D3=1；

再對下一位D2進行比較，同樣先使D21，與上一位D3位一起即1100進入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為VO

12再進入比較器，與VIN

9比較，因VIN

VO，則使D20；

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VIN

9比較，因VIN

VO，則使D10；

最后一位D01-即1001經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO

9，再與VIN

9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。逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

一個n位A/D轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換表達式是

式中n——n位A/D轉(zhuǎn)換器；

VR+、VR-

——基準(zhǔn)電壓源的正、負輸入；

VIN——要轉(zhuǎn)換的輸入模擬量；

B——轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)字量。即當(dāng)基準(zhǔn)電壓源確定之后，n位A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量B與要轉(zhuǎn)換的輸入模擬量VIN呈正比。逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

例題：一個8位A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)VR+=5.02V，VR=0V，計算當(dāng)VIN分別為0V、2.5V、5V時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量。解：把已知數(shù)代入上式：0V、2.5V、5V時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量分別為00H、80H、FFH。此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有普通型8位單路ADC0801～ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等，混合集成高速型12位單路AD574A、ADC803等。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

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理如圖所示，在轉(zhuǎn)換開始信號控制下，開關(guān)接通模擬輸入端，輸入的模擬電壓VIN在固定時間T內(nèi)對積分器上的電容C充電（正向積分），時間一到，控制邏輯將開關(guān)切換到與VIN極性相反的基準(zhǔn)電源上，此時電容C開始放電（反向積分），同時計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)比較器判定電容C放電完畢時就輸出信號，由控制邏輯停止計數(shù)器的計數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正比于放電時間。放電時間T1或T2又正比于輸入電壓VIN，即輸入電壓大，則放電時間長，計數(shù)器的計數(shù)值越大。因此，計數(shù)器計數(shù)值的大小反映了輸入電壓VIN在固定積分時間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（二進制編碼的十進制數(shù)）的ICL7107、MC14433、輸出為4位半BCD碼的ICL7135等。

電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理電壓/頻率式轉(zhuǎn)換器--簡稱V/F轉(zhuǎn)換器，是把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的器件。V/F轉(zhuǎn)換的方法--實現(xiàn)V/F轉(zhuǎn)換的方法很多，現(xiàn)以常見的電荷平衡V/F轉(zhuǎn)換法說明其轉(zhuǎn)換原理，如圖（a）、（b）所示。電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理(a)電路原理圖

圖電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換原理電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理

A1是積分輸入放大器，A2為零電壓比較器，恒流源IR和開關(guān)S構(gòu)成A1的反充電回路，開關(guān)S由單穩(wěn)態(tài)定時器觸發(fā)控制。當(dāng)積分放大器A1的輸出電壓VO下降到零伏時，零電壓比較器A2輸出跳變，則觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)定時器，即產(chǎn)生暫態(tài)時間為T1的定時脈沖，并使開關(guān)S閉合；同時又使晶體管T截止，頻率輸出端VfO輸出高電平。電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理

在開關(guān)S閉合期間，恒流源IR被接入積分器的㈠輸入端。由于電路是按IR＞Vimax/Ri設(shè)計的，故此時電容C被反向充電，充電電流為IR-Vi/Ri，則積分器A1輸出電壓VO從零伏起線性上升。當(dāng)定時T1時間結(jié)束，定時器恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，使開關(guān)S斷開，反向充電停止，同時使晶體管T導(dǎo)通，VfO端輸出低電平。電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理開關(guān)S斷開后，正輸入電壓Vi開始對電容C正向充電，其充電電流為Vi/Ri，則積分器A1輸出電壓VO開始線性下降。當(dāng)VO=0時，比較器A2輸出再次跳變，又使單穩(wěn)態(tài)定時器產(chǎn)生T1時間的定時脈沖而控制開關(guān)S再次閉合，A1再次反向充電，同時VfO端又輸出高電平。如此反復(fù)下去，就會在積分器A1輸出端VO、單穩(wěn)態(tài)定時器脈沖輸出端和頻率輸出端VfO端產(chǎn)生如圖（b）所示的波形，其波形的周期為T。電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理

根據(jù)反向充電電荷量和正向充電電荷量相等的電荷平衡原理，可得

整理得

則VfO端輸出的電壓頻率為電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理這個fO就是由Vi轉(zhuǎn)換而來的輸出頻率，兩者成線性比例關(guān)系。由上式可見，要精確地實現(xiàn)V/F變換，要求IR、Ri和T1應(yīng)準(zhǔn)確穩(wěn)定。積分電容C雖沒有出現(xiàn)在上式中，但它的漏電流將會影響到充電電流Vi/Ri，從而影響轉(zhuǎn)換精度。為此應(yīng)選擇漏電流小的電容。此種V/F轉(zhuǎn)換器的常用品種有VFC32、LM131/LM231/LM331、AD650、AD651等。各類ADC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點比較逐次逼近式轉(zhuǎn)換器的特點：a.逐次逼近式轉(zhuǎn)換器采用比較的方法實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，類似于對分搜索的方法，對于一個N為的ADC只需比較N次，因而轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時間為幾微秒～幾十微秒。故這種類型ADC多用于高速數(shù)據(jù)采集裝置。b.轉(zhuǎn)換時間與輸入模擬電壓的大小無關(guān)，只取決于轉(zhuǎn)換器的位數(shù)N。c.主要缺點是抗干擾能力差。各類ADC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點比較雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器的特點：a.轉(zhuǎn)換精度高。由于兩次積分使用一個積分器，又使用同一個時鐘頻率，精度高。b.抗干擾能力強。轉(zhuǎn)換過程本質(zhì)上是積分過程，所以是平均值的轉(zhuǎn)換，因此對疊加在信號上的交流干擾有較強的抑制能力，若干擾波形對稱，則抑制能力更強。特別是對工頻干擾，若取連續(xù)兩次采樣時間T與干擾信號周期成整數(shù)倍，如20ms、40ms等，則抑制能力特強，理論上具有無窮大的抗工頻干擾能力。c.轉(zhuǎn)換速度慢。積分過程是較慢過程，因此，不能獲得像逐次逼近式那樣高的速度，而且為了提高對工頻干擾的抑制能力，還需使定時積分時間T至少為20ms，故通常用于ms級的低速數(shù)據(jù)采集裝置。各類ADC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點比較VFC轉(zhuǎn)換器的特點：a.VFC在給定的采樣時間T對V/F轉(zhuǎn)換器的輸出脈沖計數(shù)，得到的值是模擬輸入電壓在T時間內(nèi)的累計值或平均值，而不是瞬時值。因而，可以有效地抑制信號中的隨機干擾。b.V/F轉(zhuǎn)換器輸出的串行脈沖可以很方便地實現(xiàn)信號的隔離和遠傳。c.適用于高噪聲、高共模電壓、遠距離的檢測系統(tǒng)。d.價格較低廉。e.主要缺點是轉(zhuǎn)換速度較低。各類ADC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點比較小結(jié)逐次逼近轉(zhuǎn)換兼顧轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度。雙斜率積分式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度高、轉(zhuǎn)換速度慢、抗干擾能力強。V/F變換型A/D轉(zhuǎn)換器輸出的串行脈沖，可實現(xiàn)信號的隔離和遠傳、抗干擾能力強、轉(zhuǎn)換速度較低。A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)（1）分辨率

分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對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)來表示，如8位、10位、12位等。分辨率為n，表示它可以對滿刻度的1/2n的變化量作出反應(yīng)。即：分辨率=滿刻度值/2n

A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對誤差和相對誤差來表示。所謂絕對誤差，是指對應(yīng)于一個給定數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差的大小由實際模擬量輸入值和理論值之差來度量。絕對誤差包括增益誤差，零點誤差和非線性誤差等。相對誤差是指絕對誤差與滿刻度值之比，一般用百分數(shù)來表示，對A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù)LSB（LeastSignificantBit)）來表示，1LSB=1／2n。（2）轉(zhuǎn)換精度

A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)（2）轉(zhuǎn)換精度

例如，對于一個8位0～5V的A/D轉(zhuǎn)換器，如果其相對誤差為±1LSB，則其絕對誤差為±19.5mV，相對百分誤差為0.39％。一般來說，位數(shù)n越大，其相對誤差（或絕對誤差）越小。A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)（3）轉(zhuǎn)換時間

A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。如逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為微秒級，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為毫秒級。ADC0809接口技術(shù)主要知識點

1、ADC0809芯片介紹

2．ADC0809接口電路ADC0809芯片介紹1、ADC0809芯片介紹8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為1/28≈0.39%模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是0-+5V標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時間為100s采用28腳雙立直插式封裝ADC0809芯片介紹圖ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳ADC0809芯片介紹各引腳功能如下：

IN0～IN7：8路模擬量輸入端。允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。上升沿時鎖存3位通道選擇信號。A、B、C：3位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時，地址譯碼與對應(yīng)通道選擇見表。START：啟動A/D轉(zhuǎn)換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0～D7：8位數(shù)字量輸出。D0為最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機數(shù)據(jù)總線直接相連。ADC0809芯片介紹CLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時，A/D轉(zhuǎn)換時間為100s。VR+，VR-：基準(zhǔn)電壓源正、負端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作電源，5VDC。GND：電源地。ADC0809芯片介紹CBA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809芯片介紹ADC0809內(nèi)部轉(zhuǎn)換時序ADC0809芯片介紹

其轉(zhuǎn)換過程表述如下：首先ALE的上升沿將地址代碼鎖存、譯碼后選通模擬開關(guān)中的某一路，使該路模擬量進入到A/D轉(zhuǎn)換器中。同時START的上升沿將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿起動A/D轉(zhuǎn)換，即在時鐘的作用下，逐位逼近過程開始，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC即變?yōu)榈碗娖?。?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC恢復(fù)高電平，此時，如果對輸出允許OE輸入一高電平命令，則可讀出數(shù)據(jù)。ADC0809芯片介紹工作過程：①選擇當(dāng)前轉(zhuǎn)換的通道，即將通道號編碼送到C、B、A引腳上；②在START和ALE引腳上加一個正脈沖，將通道選擇碼鎖存并啟動A/D?？梢酝ㄟ^執(zhí)行OUT指令產(chǎn)生負脈沖，經(jīng)反相后形成正脈沖，也可由定時電路或可編程定時器提供啟動脈沖；③轉(zhuǎn)換開始后，EOC變低，經(jīng)過64個時鐘周期后，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC變高；④轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過IN指令，設(shè)法在OE引腳上形成一個高電平脈沖，打開輸出緩沖器的三態(tài)門，讓轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，并被讀入累加器中。ADC0809接口電路(連接技術(shù))

①模擬輸入信號的連接②數(shù)字量輸出信號的連接

③ADC的啟動方式④狀態(tài)的檢測⑤讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

ADC0809接口電路(連接技術(shù))

①模擬輸入信號的連接②數(shù)字量輸出信號的連接

③ADC的啟動方式④狀態(tài)的檢測⑤讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

ADC0809接口電路(連接技術(shù))①模擬輸入信號的連接單極性、雙極性；單端輸入、雙端輸入（對每一路信號進行雙端采樣，提高通道的抗共模干擾能力）；單通道、多通道（多路開關(guān)）ADC0809接口電路(連接技術(shù))①模擬信號輸入的連接②數(shù)字量輸出信號的連接③ADC的啟動方式④狀態(tài)的檢測⑤讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC0809接口電路(連接技術(shù))②數(shù)字量輸出信號的連接:ADC數(shù)字輸出引腳與CPU的連接方式與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于內(nèi)部未含有輸出緩沖器的ADC來說，一般通過鎖存器或I/O接口與CPU相連。當(dāng)ADC內(nèi)部含有數(shù)據(jù)輸出緩沖器時，可直接與CPU相連。例ADC0809考慮到驅(qū)動和隔離的因素，通?？偸怯靡粋€輸入接口與系統(tǒng)相連。ADC0809接口電路(連接技術(shù))①模擬輸入信號的連接②數(shù)字量輸出信號的連接

③ADC的啟動方式④狀態(tài)的檢測⑤讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC0809接口電路(連接技術(shù))

③ADC的啟動方式任何一個ADC在開始轉(zhuǎn)換前，都必須增加一個啟動信號，才能開始工作。芯片不同，要求的啟動方式也不同。脈沖啟動型芯片：在啟動轉(zhuǎn)換輸入引腳加一個啟動脈沖即可。如ADC0809、ADC80、AD574A等。ADC0809接口電路(連接技術(shù))實現(xiàn)方法：用WR信號及地址譯碼器的輸出經(jīng)過一定的邏輯電路進行控制，或通過I/O接口人為產(chǎn)生一個正脈沖。實現(xiàn)的指令：OUTADC0809接口電路(連接技術(shù))電平啟動型芯片：在ADC的啟動引腳上加上要求的電平。一旦電平加上之后，A/D轉(zhuǎn)換即可開始，而且在轉(zhuǎn)換過程中，必須保持這一電平，否則將停止轉(zhuǎn)換。例AD570、571、572等。實現(xiàn)方法：CPU控制必須通過鎖存器保持一段時間。不同的ADC，要求啟動信號的電平不一樣，有的要求高電平啟動，例ADC0809、ADC80、AD574，有的要求低電平啟動，例ADC0801、0802、AD670等。ADC0809接口電路(連接技術(shù))ADC0809采用脈沖啟動方式，通常將START和ALE連接在一起作為一個端口看待。用一個正脈沖來完成通道地址鎖存和啟動轉(zhuǎn)換兩項工作。初始狀態(tài)下使該端口為低電平。當(dāng)通道地址信號輸出后，CPU往端口送出一個正脈沖，其上升沿鎖存地址，下降沿啟動轉(zhuǎn)換。ADC0809接口電路(連接技術(shù))①模擬輸入信號的連接②數(shù)據(jù)量輸出信號的連接

③ADC的啟動方式④狀態(tài)的檢測⑤讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC0809接口電路(連接技術(shù))④狀態(tài)的檢測：即如何判斷A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC芯片內(nèi)部的轉(zhuǎn)換結(jié)束觸發(fā)器置位，同時輸出一個轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號，通知CPU，ADC轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可以進行讀數(shù)。CPU檢查判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法有三種：軟件延時：CPU啟動A/D轉(zhuǎn)換后，根據(jù)芯片完成轉(zhuǎn)換所需要的時間，調(diào)用一段軟件延時程序（延時時間≥A/D轉(zhuǎn)換時間），延時時間到，A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，就可以讀出結(jié)果數(shù)據(jù)。特點是：可靠性比較高，不增加硬件接線；占用CPU機時較多，實時性差一些。ADC0809接口電路(連接技術(shù))④狀態(tài)的檢測：即如何判斷A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。查詢方式：轉(zhuǎn)換過程中，CPU通過程序不斷地讀取EOC的狀態(tài)，在讀到其狀態(tài)為1時，即表示A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。方法：EOC通過三態(tài)門送到CPU的數(shù)據(jù)總線或I/O接口的某一位上。CPU向ADC發(fā)出啟動信號后，便開始查詢A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，一旦查詢到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，則讀出結(jié)果數(shù)據(jù)。特點是：程序設(shè)計比較簡單，實時性比較強。使用起來比較方便。ADC0809接口電路(連接技術(shù))④狀態(tài)的檢測：即如何判斷A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。中斷方式：將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號接到8259A的中斷請求端。當(dāng)EOC端由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，即產(chǎn)生中斷請求。CPU收到該中斷請求信號后，在中斷服務(wù)程序中，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。特點：A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，A/D轉(zhuǎn)換與CPU同時并行工作，實時性強。ADC0809接口電路(連接技術(shù))①模擬輸入信號的連接②數(shù)據(jù)量輸出信號的連接

③ADC的啟動方式④狀態(tài)的檢測⑤讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果：選通OE即可ADC0809接口電路(連接技術(shù))⑥時鐘信號的輸入：CLK頻率決定芯片轉(zhuǎn)換速度的基準(zhǔn)。整個A/D轉(zhuǎn)換過程都是在時鐘作用下完成的。外部時鐘提供：用單獨的振蕩器；系統(tǒng)時鐘經(jīng)分頻后，送到ADC的CLK。內(nèi)部時鐘提供：ADC內(nèi)部設(shè)有時鐘振蕩器提供時鐘信號，不需要任何附加電路。ADC0809接口電路(連接技術(shù))⑦參考電源提供：參考電源供給其內(nèi)部DAC的標(biāo)準(zhǔn)電源，它直接關(guān)系到A/D轉(zhuǎn)換的精度。對該電源的要求比較高，一般要求由穩(wěn)壓電壓供給。內(nèi)電源：常在ADC內(nèi)部設(shè)置穩(wěn)壓電壓供給外電源：由外加電源給Vref供電。ADC0809接口電路(連接技術(shù))參考電源引腳的連接，根據(jù)模擬量輸入信號極性的不同而異單極性：Vref（+）接參考電源正端、Vref（-）接模擬地雙極性：Vref（+）、Vref（-）分別接參考電源的正、負極性端。ADC0809接口電路(連接技術(shù))⑧接地問題：模擬地、數(shù)字地重點掌握三方面的內(nèi)容：如何啟動A/D轉(zhuǎn)換？如何判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？如何讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果？ADC0809接口電路應(yīng)用示例

A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路主要是解決主機如何分時采集多路模擬量輸入信號的，即主機如何啟動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）查詢方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

（2）定時方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

查詢方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果圖為采用程序查詢方式的8路8位A/D轉(zhuǎn)換接口電路，由PC總線、ADC0809以及138譯碼器、74LS02非與門（即或非門）與74LS126三態(tài)緩沖器組成。圖中，啟動轉(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。查詢方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果圖查詢方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)查詢方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果接口程序如下：

MOVBX，BUFF；置采樣數(shù)據(jù)區(qū)首址MOVCX，08H；８路輸入START：OUTPA，AL；啟動A/D轉(zhuǎn)換REOC：INAL，PB；讀EOCRCRAL，01；判斷EOCJNCREOC；若EOC=0，繼續(xù)查詢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)查詢方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果接口程序如下：

MOVBX，BUFF；置采樣數(shù)據(jù)區(qū)首址MOVCX，08H；８路輸入START：OUTPA，AL；啟動A/D轉(zhuǎn)換REOC：INAL，PB；讀EOCRCRAL，01；判斷EOCJNCREOC；若EOC=0，繼續(xù)查詢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)查詢方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果現(xiàn)說明啟動轉(zhuǎn)換過程：

首先主機執(zhí)行一條啟動轉(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AL中的內(nèi)容無關(guān)緊要，而地址PA=40H使138譯碼器的輸出一個低電平，連同OUT輸出指令造成的低電平，從而使非與門02（3）產(chǎn)生脈沖信號到引腳ALE和START，ALE的上升沿將通道地址代碼000鎖存并進行譯碼，選通模擬開關(guān)中的第一路VIN0，使該路模擬量進入到A/D轉(zhuǎn)換器中；同時START的上升沿將ADC0809中的逐位逼近寄存器SAR清零,下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，即在時鐘的作用下，逐位逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程開始。查詢方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果接著，主機查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC的狀態(tài)，通過執(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，此時地址PB=01001000（48H），使138譯碼器的輸出一個低電平，連同IN輸入指令造成的低電平，從而使非與門02（1）產(chǎn)生脈沖信號并選通126三態(tài)緩沖器，使EOC電平狀態(tài)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線D0上。然后將讀入的8位數(shù)據(jù)進行帶進位循環(huán)右移，以判斷EOC的電平狀態(tài)。如果EOC為“0”，表示A/D轉(zhuǎn)換正在進行，程序再跳回REOC，反復(fù)查詢；當(dāng)EOC為“1”，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束查詢方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果然后，主機便執(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，即是輸出一個低電平，連同IN輸入指令造成的低電平，從而使非與門02（2）產(chǎn)生脈沖信號，即產(chǎn)生輸出允許信號到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)線上，并被讀入到AL中。接下來，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；計數(shù)器減1，不為0則返回到START，繼續(xù)進行下一路的A/D轉(zhuǎn)換。如此循環(huán)，直至完成8路A/D轉(zhuǎn)換。定時方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果定時方式讀