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1第二章輸入輸出接口與過程通道
本章學(xué)習(xí)要求1.了解輸入輸出接口和過程通道的作用,熟悉常用A/D、D/A和接口芯片的應(yīng)用。2.掌握常用數(shù)字量輸入輸出通道和模擬量輸入輸出通道的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。2第一節(jié)
概述
一、接口、通道及其功能
1.I/O接口電路為什么需要I/O接口(電路)?微機(jī)的外部設(shè)備多種多樣工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大它們不能與CPU直接相連必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連這部分電路被稱為I/O接口電路多種外設(shè)3第一節(jié)
概述
什么是I/O接口(電路)?I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路。PC機(jī)系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板(適配器)都是接口電路。CPU接口電路
I/O設(shè)備4第一節(jié)
概述
I/O接口的主要功能:⑴對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存輸出接口有鎖存環(huán)節(jié);輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)實(shí)際的電路常見:輸出鎖存緩沖環(huán)節(jié)、輸入鎖存緩沖環(huán)節(jié)。⑵對(duì)信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換微機(jī)直接處理:數(shù)字量、開關(guān)量、脈沖量⑶對(duì)I/O端口進(jìn)行尋址⑷與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)5第一節(jié)
概述
一、接口、通道及其功能
2.I/O通道
I/O通道也稱為過程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械、生產(chǎn)過程的控制,就必須采集現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象的各種參量,這些參量分兩類:一是模擬量,即時(shí)間上和數(shù)值上都連續(xù)變化的物理量,如溫度、壓力、流量、速度、位移等。一是數(shù)字量(或開關(guān)量),即時(shí)間上和數(shù)值上都不連續(xù)的量。如表示開關(guān)閉合或斷開二個(gè)狀態(tài)的開關(guān)量,按一定編碼的數(shù)字量和串行脈沖列等。
6第一節(jié)
概述
二、I/O信號(hào)的種類
在微機(jī)控制系統(tǒng)或微機(jī)系統(tǒng)中,主機(jī)和外圍設(shè)備間所交換的信息通常分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。1.數(shù)據(jù)信息:數(shù)字量,模擬量,開關(guān)量,脈沖量
2.狀態(tài)信息:狀態(tài)信息是外圍設(shè)備通過接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備所處的工作狀態(tài)的信息。它作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。
3.控制信息:控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設(shè)備的用于控制的信息。
7第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
一、數(shù)字量輸入接口技術(shù)
1.數(shù)值量輸入接口對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制,往往要收集生產(chǎn)過程狀態(tài)信息,根據(jù)狀態(tài)信息,再給出控制量,因此,可用三態(tài)門緩沖器74LS244取得狀態(tài)信息。經(jīng)過端口地址譯碼,得到片選信號(hào)CS當(dāng)在執(zhí)行IN指令,周期時(shí),產(chǎn)生IOR信號(hào),則被測(cè)的狀態(tài)信息可通過三態(tài)門送到PC總線工業(yè)控制機(jī)的數(shù)據(jù)總線,然后裝入AL寄存器,設(shè)片選端口地址為port可用如下指令來完成取數(shù)。MOVDXportINALDX由總線和譯碼電路產(chǎn)生8第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
一、數(shù)字量輸入接口技術(shù)
輸入指令(IN:將外設(shè)數(shù)據(jù)傳送給CPU內(nèi)的AL/AX)INAL,21H;字節(jié)輸入INAL,DX ;字節(jié)輸入INAX,003FH;字輸入INAX,DX ;字輸入演示9第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
一、數(shù)字量輸入接口技術(shù)
2.數(shù)字量輸出接口當(dāng)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制時(shí),一般控制狀態(tài)需進(jìn)行保持,這時(shí)輸出就要鎖存。因此可用74LS273作為8位輸出鎖存口,對(duì)狀態(tài)輸出信號(hào)進(jìn)行鎖存,如圖所示。利用IOW的后沿產(chǎn)生的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。經(jīng)過端口地址譯碼,得到片選信號(hào)CS,當(dāng)執(zhí)行OUT指令周期時(shí),產(chǎn)生IOW信號(hào),設(shè)片選端口地址為port,用以下指令完成數(shù)據(jù)輸出控制。MOVAL,DATA
MOVDX,port
OUTDX,AL
由總線和譯碼電路產(chǎn)生10第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
輸出指令(OUT:將CPU內(nèi)的AL/AX數(shù)據(jù)傳送給外設(shè))OUT3AH,AL ;字節(jié)輸出OUTDX,AL ;字節(jié)輸出OUT003FH,AX ;字輸出OUTDX,AX ;字輸出演示11第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
二、數(shù)字量輸入通道
1.
數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器,輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成。
注意與輸入接口的差別!12第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
二、數(shù)字量輸入通道數(shù)字量(開關(guān)量)輸入通道的功能就是接收外部裝置或生產(chǎn)過程的狀態(tài)信號(hào)。這些狀態(tài)信號(hào)的形式可能是電壓、電流、開關(guān)的觸點(diǎn),因此引起瞬時(shí)高壓、過電壓、接觸抖動(dòng)等現(xiàn)象。為了將外部開關(guān)量信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī),必須將現(xiàn)場(chǎng)輸入的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào),這些功能稱為信號(hào)調(diào)理。下面針對(duì)不同點(diǎn)情況分別介紹相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理技術(shù)。
13第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
二、數(shù)字量輸入通道
1.小功率輸入調(diào)理電路前沿抖動(dòng)后沿抖動(dòng)鍵穩(wěn)定鍵按下利用積分電路利用觸發(fā)器特點(diǎn)14第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
二、數(shù)字量輸入通道
2.大功率輸入調(diào)理電路輸出地輸入地15第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
三、數(shù)字量輸出通道
1.數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)注意與輸出接口的差別!16第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
三、數(shù)字量輸出通道
2.輸出驅(qū)動(dòng)電路(1)小功率直流驅(qū)動(dòng)電路A.功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路
注意干擾!17第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
三、數(shù)字量輸出通道
2.輸出驅(qū)動(dòng)電路(1)小功率直流驅(qū)動(dòng)電路B.達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)繼電器電路(ULN2004)用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)小型繼電器18第二節(jié)數(shù)字量輸入輸出通道
三、數(shù)字量輸出通道
2.輸出驅(qū)動(dòng)電路(2)大功率交流驅(qū)動(dòng)電路前、后之間沒有直接關(guān)系19第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
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,它是一個(gè)模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口,它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的A/D轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近式和雙斜積分式,前者轉(zhuǎn)換時(shí)間短(幾個(gè)微秒~幾百個(gè)微秒),但抗干擾能力較差;后者轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)(幾十個(gè)毫秒~幾百個(gè)毫秒),抗干擾能力較強(qiáng)。在信號(hào)變化緩慢,現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合,宜采用后者。常用的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器有8位分辨率ADC0809,12位分辨率的AD574等;常用的雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器有3位半(相當(dāng)于二進(jìn)制11位分辨率)的MC14433,4位半(相當(dāng)于二進(jìn)制14位分辨率)的ICL7135等。
20第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有:●轉(zhuǎn)換時(shí)間:指完成一次模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間?!穹直媛剩褐窤/D轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的最小電壓(量化階梯),通常用數(shù)字量的位數(shù)n(字長(zhǎng))來表示,如8位、12位、16位等?!窬€性誤差:理想轉(zhuǎn)換特性(量化特性)應(yīng)該是線性的,但實(shí)際轉(zhuǎn)換特征并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi),偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差?!窳砍蹋杭此苻D(zhuǎn)換的輸入電壓范圍,●對(duì)基準(zhǔn)電源的要求:基準(zhǔn)電源的精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大影響。21第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809
22第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809
23第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809
(1)主要管腳的功能
VIN0~VIN7——8個(gè)模擬量輸入端START——啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器,當(dāng)該腳為高電平時(shí),開始A/D轉(zhuǎn)換。EOC(EndOfConversion)——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。OE(OUTPUTENABLE)——輸出允許信號(hào)。CLOCK——時(shí)鐘信號(hào),一般為640KHzALE(AddressLockEnable)——地址鎖存允許,高電平有效。A、B、C——通道號(hào)端口,C為最高位,A為最低位。DO7~DO0——數(shù)字量輸出端。VREF(+)、VREF(-)——參考電壓端子。Vcc(+5V)、GND(0V)——工作電源和電源地。
24第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809
(2)8通道模擬開關(guān)及通道選擇邏輯
CBA所選通道
000Vin0
001Vin1
010Vin2
011Vin3
100Vin4
101Vin5
110Vin6
111Vin7
25第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809
(3)8位A/D轉(zhuǎn)換器8位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)選送至輸入端的信號(hào)VIn進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換結(jié)果D(D=0~28-1)存入三態(tài)輸出鎖存緩沖器。它在START上收到一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令(正脈沖)后開始轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),EOC信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?,通知CPU讀結(jié)果。啟動(dòng),CPU可用方式(將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)接至一條I/O線上)或中斷方式(EOC作為中斷請(qǐng)求信號(hào)引入中斷邏輯)了解A/D轉(zhuǎn)換過程是否結(jié)束。26第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809
(4)三態(tài)輸出鎖存緩沖器
用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果D,輸出允許信號(hào)OE為高電平時(shí),D由DO7~DO0上輸出;OE為低電平輸入時(shí),數(shù)據(jù)輸出線DO7~DO0為高阻態(tài)。ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖所示。時(shí)序關(guān)系非常重要!27第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A
高性能12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器28第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A
AD574內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)29第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(1)AD574引腳功能說明(1)DO0~DO11——12位數(shù)據(jù)輸出,均帶三態(tài)輸出緩沖器。VLOGIC——邏輯電源+5V(4.5~5.5V)VCC——正電源+15V(+13.5~+16.5V)VEE——負(fù)電源-15V(-13.5~-16.5V)AGND、DGND——模擬數(shù)字地。CE——片允許信號(hào),高電平有效。簡(jiǎn)單應(yīng)用中固定接高電平。CS——片選擇信號(hào),底電平有效。R/C——讀/轉(zhuǎn)換信號(hào)。CE=1,CS=0,R/C=0時(shí),轉(zhuǎn)換開始,啟動(dòng)負(fù)脈沖為400nS。CE=1,CS=0,R/C=1時(shí),允許讀數(shù)據(jù)。A0——轉(zhuǎn)換和讀字節(jié)選擇信號(hào)。CE=1,CS=0,R/C=0,A0=0時(shí),啟動(dòng)按12位轉(zhuǎn)換;啟動(dòng)CE=1,CS=0,R/C=0,A0=1時(shí),啟動(dòng)按8位轉(zhuǎn)換;CE=1,CS=0,R/C=1,A0=0時(shí),讀取轉(zhuǎn)換后的高8位數(shù)據(jù);讀數(shù)CE=1,CS=0,R/C=1,A0=1時(shí),讀取轉(zhuǎn)換后的低4位數(shù)據(jù)
30第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(1)AD574引腳功能說明(2)12/8——輸出數(shù)據(jù)形式選擇信號(hào)。12/8接VLOGIC時(shí),數(shù)據(jù)按12位形式輸出;12/8接DGND時(shí),數(shù)據(jù)按雙8位形式輸出。注意:該腳不能由TTL電平控制,必須直接接至+5V或數(shù)字地。STS——轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(hào)。轉(zhuǎn)換開始時(shí),STS=1;轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),STS=0。10VIN——模擬信號(hào)輸入。單極性0~10V,雙極性±5V。20VIN——模擬信號(hào)輸入。單極性0~20V,雙極性±10V。VREFIN(IN)——參考輸入。VREFOUT(OUT)——參考輸出。BIPOFF——雙極性偏置。31第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(2)12位A/D轉(zhuǎn)換器
該12位的A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入,可以是單極性的,也可以是雙極性的。單極性應(yīng)用時(shí),將BIPOFF接OV,雙極性時(shí)接10V,量程可以是10V,也可以是20V。輸入信號(hào)在10V范圍內(nèi)變化時(shí),將輸入信號(hào)接至10VIN;在20V范圍內(nèi)變化時(shí),接至20VIN。量程為10V和20V時(shí),AD574A的量化單位分別為10V/212和20V/212。引腳單極性雙極性BIPOFF0V10V10Vin0~10V-5V~+5V20Vin0~20V-10V~+10V32第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(2)12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A的單、雙極性應(yīng)用時(shí)的線路連接方法,以及零點(diǎn)和滿度調(diào)整方法。
33第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(3)三態(tài)輸出鎖存緩沖器該緩沖器用于存放12位轉(zhuǎn)換結(jié)果D(D=0~212-1)。D的輸出方式有兩種,引腳12/8=1時(shí),D的D11~DO并行輸出,12/8=0時(shí),D的高8位D11~D4與低4位D3~D0分時(shí)輸出。
34第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器
2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(4)控制邏輯
控制邏輯的任務(wù)包含:?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換、控制轉(zhuǎn)換過程和控制結(jié)果D的輸出。有關(guān)控制信號(hào)的作用如下表。CE、CS均為片選信號(hào),R/C為讀/啟動(dòng)控制信號(hào)CECSR/C12/8A0操作功能100X0啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換10001啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換1011X輸出12位數(shù)字10100輸出高8位數(shù)字10101輸出低四位數(shù)字0XXXX無操作X1XXX無操作35第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A(4)控制邏輯
啟動(dòng)和讀操作時(shí)序如圖所示
一定要學(xué)會(huì)看時(shí)序關(guān)系圖!它對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程很重要!36第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器3.4位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135ICL7135采用單極性基準(zhǔn)點(diǎn)源,能對(duì)雙極性輸入的模擬量電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并且自動(dòng)輸出極性判別信號(hào)。它采用28腳雙列直插式封裝。37第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、A/D轉(zhuǎn)換器3.4位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135ICL7135數(shù)字部分功能結(jié)構(gòu)38第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
二、A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)
1.ADC0809與PC總線接口8255A組和B組都工作于方式0,端口A為輸入口,端口C上半部分為輸入而下半部分為輸出口。ADC0809的ALE與START引腳相連接,將PC0~PC2輸出的3位地址鎖存入ADC0809的地址鎖存器并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809的EOC信號(hào)還連接PC7,CPU通過查詢PC7的狀態(tài),從而控制數(shù)據(jù)的輸入過程。
小于640KHz注意此處方向表示39第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
二、A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)
1.ADC0809與PC總線接口ADC0809PROCNEAR
MOVCX,8CLDMOVBL,00HLEADI,DATABUFNEXTA:MOVDX,02C2H
MOVAL,BLOUTDX,ALINCDXMOVAL,00000111BOUTDX,AL
NOP
NOPNOP
MOVAL,00001110BOUTDX,ALDECDXNOSC:INAL,DXTESTAL,80HJNZNOSCNOEOC:INAL,DXTESTAL,80HJZNOEOCMOVDX,02C0H
INAL,DXSTOSDATABUFINCBLLOOPNEXTARET
ADC0809ENDP
40第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
二、A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)
2.AD574與PC總線接口如圖給出了12位轉(zhuǎn)換方式的AD574A的接口例子。AD574A的12/8控制引腳和VLOGIC相連接,A0接地,使工作于12位轉(zhuǎn)換和讀出方式。CE、CS和
R/C
的控制通過PC2~PC0輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)實(shí)現(xiàn)。8255A的A組和B組都工作于方式0,端口A、B和端口C上半部分規(guī)定為輸入,端口C的下半部分規(guī)定為輸出。注意模擬地與數(shù)字地的連接關(guān)系41第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
二、A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)
2.AD574與PC總線接口
………
MOVDX,02C2H
MOVAL,00HOUTDX,ALNOPNOPMOVAL,04H
OUTDX,ALNOPNOPMOVAL,03HOUTDX,ALPOLLING:INAL,DXTESTAL,80H
JNZPOLLING
MOVAL,01H
OUTDX,ALNOPMOVAL,05HINAL,DXANDAL,OFHMOVBH,ALINCDXINAL,DXMOVBL,ALINCDXMOVAL,OUTDX,AL
…………
42第四節(jié)
模擬量輸入通道
一、模擬量輸入通道的組成
看出了接口與通道的差別了嗎?43第四節(jié)
模擬量輸入通道
二、I/V變換送變器輸出的信號(hào)為0~10mA或4~20mA的統(tǒng)一信號(hào),需要經(jīng)過I/V變換變成電壓信號(hào)后才能處理。
1.無源I/V變換無源I/V變換主要是利用無源器件電阻來實(shí)現(xiàn),并加濾波和輸出限幅等保護(hù)措施,如圖所示。R1、R2為精密電阻,C為低漏電電容。輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)!44第四節(jié)
模擬量輸入通道
二、I/V變換
2.有源I/V變換利用同相放大電路,把電阻R1上產(chǎn)生的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為A=1+R4/R3。若取R3=100KΩ,R4=150KΩ,此時(shí),A=2.5,R1=200Ω,則0~10mA輸入對(duì)應(yīng)于0~5V和電壓輸出。若取R3=100KΩ,R4=25KΩ,R1=200Ω,則4~20mA輸入對(duì)應(yīng)于1~5V的電壓輸出。輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)!R2,R3,R4電阻值不能取得太小!45第四節(jié)
模擬量輸入通道
三、采樣量化及常用的保持器
1.信號(hào)的采樣
采樣過程如圖所示。按一定的時(shí)間隔T,把時(shí)間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬信號(hào),轉(zhuǎn)變成在時(shí)刻0、T、2T……kT的一連串脈沖輸入信號(hào)的過程稱為采樣過程。
保持信號(hào)采樣過程46第四節(jié)
模擬量輸入通道
三、采樣量化及常用的保持器
1.信號(hào)的采樣
從信號(hào)的采樣過程可知,經(jīng)過采樣,不是取全部時(shí)間上的信號(hào)值,而是取某些時(shí)間上的值。這樣處理后會(huì)不會(huì)造成信號(hào)的丟失呢?香農(nóng)(Shannon)采樣定理指出:如果模擬信號(hào)(包括噪聲干擾在內(nèi))頻譜的最高頻率為fmax,只要按照采樣頻率f≧2fmax進(jìn)行采樣,那么采樣信號(hào)y(t)*就能唯一地復(fù)觀y(t)。采樣定理給出了y(t)*唯一地復(fù)觀y(t)所必需的最低采樣頻率。實(shí)際應(yīng)用中,常取f≧(5~10)fmax,甚至更高。
47第四節(jié)
模擬量輸入通道
三、采樣量化及常用的保持器
2.量化所謂量化,就是采用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼)來逼近離散模擬信號(hào)的幅值,將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程稱為量化過程,執(zhí)行量化動(dòng)作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。字長(zhǎng)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稱為量化單位。q=(ymax-ymin)/(2n-1)量化過程實(shí)際上是一個(gè)用q去度量采樣值幅值高低的小數(shù)歸整過程。由于量化過程是一個(gè)小數(shù)歸整過程,因而存在量化誤差,量化誤差為±1/2q。
48第四節(jié)
模擬量輸入通道
三、采樣量化及常用的保持器
3.采樣保持器
(1)孔徑時(shí)間和孔徑誤差的消除
在模擬量輸入通道中,A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量總是需要一定的時(shí)間。完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱之為孔徑時(shí)間。對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)來說,孔徑時(shí)間決定了每一個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)換誤差,即為孔徑誤差。
孔徑時(shí)間可能誤差49第四節(jié)
模擬量輸入通道
三、采樣量化及常用的保持器
3.采樣保持器
(2)采樣保持原理采樣時(shí),K閉合,VIN通過A1對(duì)CH快速充電,VOUT跟隨VIN;保持期間,K斷開,由于A2的輸入阻抗很高,理想情況下VOUT=VC保持不變,采樣保持器一旦進(jìn)入保持期,便應(yīng)立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器,保證A/D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。輸入緩沖器采樣開關(guān)保持電容輸入緩沖器50第四節(jié)
模擬量輸入通道
三、采樣量化及常用的保持器
3.采樣保持器
(3)常用的采樣保持器常用的集成采樣保持器有LF398、AD582等,其原理結(jié)構(gòu)如圖(a)(b)所示。注意差別51第四節(jié)
模擬量輸入通道
四、模擬量輸入通道設(shè)計(jì)
利用12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A,采樣保持器LF3983、多路開關(guān)CD4051、8255A并行接口,能夠設(shè)計(jì)出PC總線控制機(jī)的模擬量輸入通道電路模板。該電路模板的主要技術(shù)指標(biāo)為:8通道模擬量輸入;12位分辨率;輸入量程為單極性0~10V;A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs;應(yīng)答方式為查詢;
多路開關(guān)采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器可編程器件52第五節(jié)
D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置,它的模擬量輸出(電流或電壓)與參考電壓二進(jìn)制成比例。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,通常都帶有二級(jí)緩沖寄存器。主要技術(shù)指標(biāo)有:●分辨率:通常用D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來表示,如8位、10位、12位。分辨率為n位,表示D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制的最低有效位LSB與滿量程輸出的1/2n相對(duì)應(yīng)?!窠r(shí)間:輸入數(shù)字信號(hào)的變化是滿量程時(shí),輸出模擬信號(hào)達(dá)到離終值±1/2LSB所需要的時(shí)間?!窬€性誤差:與A/D轉(zhuǎn)換器的線性誤差定義相同。53第五節(jié)
D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、D/A轉(zhuǎn)換器
1.8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832
DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖,它主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、采用R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)的8位D/A轉(zhuǎn)換器、相應(yīng)的選通控制邏輯四部分組成。DAC0832的分辨率為8位,電流輸出。54第五節(jié)
D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、D/A轉(zhuǎn)換器
1.8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832
DAC0832各引腳的功能如下:CS——片選信號(hào),CS和ILE信號(hào)共同對(duì)WR1能否起作用進(jìn)行控制。ILE——允許輸入鎖存信號(hào)。WR1——寫信號(hào)1,用于將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器中,WR1必須和CS和ILE同時(shí)有效。WR2——寫信號(hào)2,用于將鎖存于輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送到DAC寄存器中鎖存。WR2有效的同時(shí),傳送控制信號(hào)XFER必須有效。XFER——傳送控制信號(hào)。用于控制WR2
。DI0~DI7——8位數(shù)據(jù)輸入,DI7為最高位。IOUT1——模擬電流輸出1,當(dāng)DAC寄存器中全為1時(shí),輸出電流最大,當(dāng)DAC寄存器中全為0時(shí),輸出電流為0。IOUT2——模擬電流輸出2,當(dāng)DAC寄存器中全為0時(shí),輸出電流最大,當(dāng)DAC寄存器中全為1時(shí),輸出電流為0。IOUT1+IOUT2=常數(shù)。Rfb——反饋電阻引出端。VREF——基準(zhǔn)電壓輸入端。(+10~-10V)Vcc——電源電壓輸入端。(+5~+15V)AGND—模擬地。DGND—數(shù)字地。55第五節(jié)
D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
一、D/A轉(zhuǎn)換器
2.12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210
下圖是DAC1210的內(nèi)部原理框圖,與DAC0832相比,有兩點(diǎn)區(qū)別:一是它是12位的,有12條數(shù)據(jù)輸入線(DI0~DI11)。二是可以用字節(jié)控制信號(hào)BYTE1/BYTE2控制數(shù)據(jù)的輸入。56第五節(jié)
D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
二、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)
1.8位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)的接口
該電路由8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832、運(yùn)算放大器、地址譯碼器電路組成。DAC0832工作在單緩沖寄器方式,當(dāng)CS信號(hào)來時(shí),D0~D7數(shù)據(jù)線送來的數(shù)據(jù)直通進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,當(dāng)IOW變高時(shí),則此數(shù)據(jù)便被鎖存在輸入寄存器中,因此D/A轉(zhuǎn)換的輸出也保持不變。DAC0832將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成差動(dòng)的電流(IOUT1和IOUT2),為了使其能變成電壓輸出,所以又經(jīng)過運(yùn)算放大器A,將形成單極性電壓輸出0~+5(VREF為-5V)或0~+10V(VREF為-10V)。若要形成負(fù)電壓輸出,則VREF需接正的基準(zhǔn)電壓。為了保證輸出電流的線性度,兩個(gè)電流的輸出端IOUT1和IOUT2的電位應(yīng)盡可能地接近0電位,只有這樣,將數(shù)字量轉(zhuǎn)換后得到的輸出電流將通過內(nèi)部的反饋電阻Rfb(=15K)流到放大器的輸出端,否則運(yùn)算放大器兩輸入端微小的電位差,將導(dǎo)致很大的線性誤差。若DAC0832的CS的口地址為300H,則8位二進(jìn)制數(shù)7FH轉(zhuǎn)換為模擬電壓的接口程序?yàn)椋?/p>
MOVDA,300HMOVAL,7FHOUTDX,AL
57第五節(jié)
D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
二、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)
2.12位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口
該電路采用12位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC1210、輸出放大器、地址譯碼器等電路組成。整個(gè)電路如圖所示,端口地址譯碼器譯出Y0、Y1、Y2三個(gè)口地址,設(shè)為300H、301H,302H。58第五節(jié)
D/A轉(zhuǎn)換及其接口技術(shù)
二、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)
2.12位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口
電路的轉(zhuǎn)換過程:當(dāng)送出口地址Y0信號(hào),則BYTE1/BYTE2為高電平,同時(shí)當(dāng)IOW信號(hào)來時(shí),高位數(shù)據(jù)被寫入DAC1210的高8位輸入寄存器和低4位寄存器。當(dāng)又一次IOW信號(hào)來,且口地址Y1信號(hào)來時(shí),由于BYTE1/BYTE2為低電平,則高8位輸入數(shù)據(jù)被鎖存,低4位數(shù)據(jù)寫如低4位寄存器,原先寫入的內(nèi)容被沖掉。當(dāng)Y2信號(hào)和IOW信號(hào)來時(shí),則DAC1210內(nèi)的12位DAC寄存器和高8位及低4位輸入寄存器直通,這一新的數(shù)據(jù)由片內(nèi)的12位D/A轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換,當(dāng)IOW或Y2信號(hào)結(jié)束時(shí),12位DAC寄存器將鎖存這一數(shù)據(jù),直到下一次又送入新的數(shù)據(jù)為止。前面已假設(shè)端口譯碼器的Y0、Y1、Y2
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