模擬量輸入輸出通道（教案）

第四章模擬量輸入輸出通道一、授課時間： 年 月 日第16次二、教學(xué)目的：1、把握輸入信號的處理2、把握多路開關(guān)的種類、連接方式三、教學(xué)的重點(diǎn)及難點(diǎn)：重點(diǎn)：輸入信號的處理。。四、教學(xué)內(nèi)容及過程：復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容1、步進(jìn)電機(jī)工作原理2、步進(jìn)電機(jī)掌握系統(tǒng)原理講解作業(yè)，導(dǎo)入課模擬量輸入通道模擬量輸入通道依據(jù)應(yīng)用的不同，可以有不同的構(gòu)造形式。信號處理信號處理放大S/HA/D接口過程參數(shù)檢測信號處理多路開關(guān)微處理機(jī)信號處理掌握輸入通道4-1模擬量輸入通道的一般組成框圖0～10mA(DDZ-Ⅱ型儀表)4～20mA(DDZ-Ⅲ型儀表)的統(tǒng)一信號，這一局部不屬但現(xiàn)在的計算機(jī)掌握系統(tǒng)中很多模擬輸入通道中包含了變送器局部的功能。輸入信號的處理信號濾波混雜有干擾信號，應(yīng)當(dāng)通過濾波減弱或消退干擾信號。濾波RC濾波器和有源擬預(yù)濾波；用軟件方法可以濾除與有用信號頻率重合的那局部統(tǒng)一信號電平輸入信號可能是毫伏級電壓或毫安級電流信號，應(yīng)變成統(tǒng)一的信號電平。4-2I/V變換網(wǎng)絡(luò)非線性補(bǔ)償例如：鉑銠—鉑熱電偶在0～1000℃間電勢與溫度關(guān)系的非線6％。非線性的線性化也有硬件和軟件兩種方法，應(yīng)用硬件方法時，是利用運(yùn)放構(gòu)成負(fù)反響來實(shí)現(xiàn)阻測溫時要用橋路法或恒流法實(shí)現(xiàn)電阻／電壓變換等等。多路開關(guān)種方式，如挨次切換方式或隨機(jī)切換方式分時地輸入到公共A／D轉(zhuǎn)換器上。多路開關(guān)的種類多路開關(guān)有機(jī)械觸點(diǎn)式和電子式兩種。圖4-3所示。當(dāng)線圈通電時簧片吸合，開關(guān)接通。這類開關(guān)具可使用。4-3干簧繼電器4-4干簧繼電器開關(guān)矩陣4-5開關(guān)矩陣掌握程序框圖和開關(guān)元件不獨(dú)立而影響了小信號的測量精度。4-68CD4051的根本原理圖和管腳圖。A、B、C，片內(nèi)有二進(jìn)制譯碼器，A、B、C88路輸入中選inH為高電尋常。4-1CD4051真值表inHCBA選通0000X00001X10010X20011X30100X40101X50110X60111X71×××無4-7所示為TTL數(shù)據(jù)選擇器74LS151的原理圖和管腳8位輸入數(shù)據(jù)(10)中的某一位選通(81)，輸出其原碼或反碼。4-774LS151原理圖和管腳圖圖4-8所示為光電耦合開關(guān)的一種用法。光電耦合開關(guān)是一種以光掌握信號的器件，輸入端為發(fā)光二極管，輸出端為光敏三極管。當(dāng)PIO的某一位為高電尋常，經(jīng)反相為低電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，經(jīng)倒相輸出高電平。光電開關(guān)能使輸入和輸出在電氣上完全隔離，主要用于抗干擾場合。4-8光電耦合開關(guān)用法之一多路開關(guān)的連接方式4-9所示。單端多路輸入；(b)差動多路輸入；(c)偽差動輸入多路開關(guān)的選擇是差動輸入，電平凹凸，對各通路的尋址方式，開關(guān)切換時求，抓住主要因素，進(jìn)展具體選擇。五、課堂小結(jié)：1、輸入信號的處理2、多路開關(guān)的種類、連接方式六、布置作業(yè)：P105 第一題，第三題一、授課時間： 年 月 日第17次二、教學(xué)目的：1、把握放大器2、把握采樣保持器(S／H)3.把握模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用三、教學(xué)的重點(diǎn)及難點(diǎn)：(S／H)。難點(diǎn)：模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用。四、教學(xué)內(nèi)容及過程：復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容1、輸入信號的處理2、多路開關(guān)的種類、連接方式講解作業(yè)，導(dǎo)入課放大器放大器的功能是將小信號放大或大信號衰減到適合于A／D輸入電壓要求的范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，一次儀表的安裝環(huán)境低漂移運(yùn)算放大器：它的特點(diǎn)是溫度漂移微小(如小于1μV／℃)，適用于一般的弱信號放大。這類放大器有美國ADADOP-7AD517等。儀表放大器：它也稱測量放大器或數(shù)據(jù)放大器。其主還具有增益可調(diào)功能。這種放大器是由一組放大器構(gòu)成的。電偶、應(yīng)變電橋、流量計量、生物測量以及那些供給微弱信號ADAD521、AD612AM-542、543等。隔離放大器:隔離是指切斷掌握裝置與工作現(xiàn)場的電的聯(lián)系。對數(shù)字量廣泛承受光電隔離器，而對于弱模擬信號則多承受磁耦合的方法。4-10隔離放大器符號表示下面介紹兩種可編程序放大器的實(shí)現(xiàn)方案。承受增益可調(diào)的儀表放大器方案AM-542、543，4-11增益可調(diào)的儀表放大器方案A／D的電壓范圍，故RAMCPUnCPUnRAMAM-542相應(yīng)端接點(diǎn)，這樣信號便按預(yù)先設(shè)定的放大倍數(shù)進(jìn)展放大。放大器并聯(lián)反響電阻方案4-12所示，A1、A2組成同相關(guān)聯(lián)差動放大器，A3為起減法作用的差動放大器。(S／H)采樣保持器A／D前參加采樣保持器(Sample／Hold)。采樣保持器(SHA)4-13所示。它由模擬S值(這個時間越短越好)，掌握信號去除，S斷開為保持階段，A／DC穩(wěn)定電壓的時間長一些為好。由于充電時間遠(yuǎn)小于A／D轉(zhuǎn)換時間，保持器的電壓下降率又較低，因此大大減小了誤差。4-13采樣保持器的根本組成采樣保持器的主要性能參數(shù)如下所述：獲得時間：它是指給出采樣指令后，跟蹤輸入信號到滿量程并穩(wěn)定在終值誤差帶(0．2%～0.005％)內(nèi)變化和滯留的最小時間。開所需的時間。的放電速度。到保持電容上的現(xiàn)象。常見的集成采樣保持器芯片有三類：通用芯片：如AD538K、AD538KS、AD582K、AD583K、LF198／LF298／LF398等。高速芯片：如THS-0025、THS-0060、THC-0300和THC-1500等。高區(qū)分芯片：如SHA1144ADC1130等。輸入信號變化率和多路開關(guān)的切換速率，采樣時間應(yīng)為多少才不會超過誤差要求等等。當(dāng)輸入信號變化很緩慢，A／D轉(zhuǎn)換相對較快時，可以不用采樣保持器。模／數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用A／D轉(zhuǎn)換器的分類10位、12位、16位位等。按轉(zhuǎn)換方式，A／D轉(zhuǎn)換器可分為：承受。V-T擾嚴(yán)峻的場合，如高精度數(shù)字電壓表中。泛。／DA／DA／D等。按輸出編碼形式，A／D轉(zhuǎn)換器還可分為二進(jìn)制編碼BCD碼。

位，雙積分式，輸出編A／D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A／D8A／D，則區(qū)分力為。也有以位數(shù)直接來表示區(qū)分力的，1012A／D8位、1012位等。量程：指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍，如5V10V等。A／D轉(zhuǎn)換到獲得數(shù)字輸出為止的時間。壓之差，精度有確定精度和相對精度之分。典型應(yīng)用例子A／D轉(zhuǎn)換器是特地用來將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的器件，使用時只要連接供電電源，將模擬信號加到輸入端，在掌握端加一個啟動信號，A／D轉(zhuǎn)換器就會自開工作，轉(zhuǎn)換完成后CPU此時可CPUMOVXA，@DPTR指令讀入A／D的應(yīng)用過程。A／D轉(zhuǎn)換器CPU的連線問題上，具體應(yīng)留意幾點(diǎn)：輸入模擬電壓是單端的還是差動的。數(shù)據(jù)輸出線與系統(tǒng)總線的連線問題:如A／D轉(zhuǎn)換器具有可控三態(tài)輸出門(如ADC0809)則可直接將A／D輸出數(shù)據(jù)I／O通道或8A／D轉(zhuǎn)換器與A／DCPU總線位數(shù)匹配問題。啟動信號供給問題：有些A／D轉(zhuǎn)換器(如AD570、AD571和AD572等)要求有電平啟動信號，對這些芯片在轉(zhuǎn)換全過程中均要保證啟動信號有效，另外一些芯片(如ADC0809等)要求有脈沖啟動信號，數(shù)據(jù)讀取方式：一般有程序查詢方式、CPU等待方式、4種數(shù)據(jù)讀取方式。4-1用不帶可控三態(tài)門的A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，CPU可分別承受程序查詢方式和等待方式讀取數(shù)據(jù)。解例4-2 用帶可控三態(tài)門輸出的0809來實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，分別承受查詢法、定時法和中斷法讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。解 0809內(nèi)帶多路開關(guān)和可控三態(tài)門輸出特別易于與CPU連接。3A／D轉(zhuǎn)換芯片不同CPU的連接與應(yīng)用方法。一般來說接口芯片的應(yīng)用都是承受“五、課堂小結(jié)：1、放大器2、采樣保持器(S／H)3、模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用六、布置作業(yè)：P105 1314題一、授課時間： 年 月 日第18次二、教學(xué)目的：1DAC2、把握多路模擬量輸出通道的構(gòu)造形式三、教學(xué)的重點(diǎn)及難點(diǎn)：重點(diǎn)：DAC的工作原理。。四、教學(xué)內(nèi)容及過程：復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容1、放大器2、采樣保持器(S／H)3、模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用講解作業(yè)，導(dǎo)入課模擬量輸出通道模擬量輸出通道是在計算機(jī)掌握系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)掌握輸出的主要手段，其任務(wù)是把計算機(jī)(單片機(jī))輸出的數(shù)字形式的掌握完成計算機(jī)的掌握目標(biāo)。明顯，模擬輸出通道的關(guān)鍵局部是D／A轉(zhuǎn)換器(DAC)，也就是本節(jié)我們爭論的主要內(nèi)容。DAC(DigitalAnalogConverter)的根本任務(wù)是依據(jù)輸入的數(shù)字信號，輸出相應(yīng)的、不同大小的模擬信號。例如有一個4ADC(4位)0～7.5V之間，00000V0001時，輸出為0.5V00101V00111.5V……；當(dāng)輸入是1111時，輸出為7.5V。DAC的工作原理權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)DAC的構(gòu)造最為簡潔，也是易于理解的一種電路。4-214DAC的示意圖，S3S2、S1、S04D3、D2、D1、D01011，則S2斷開，其他開關(guān)閉合。由于各個開關(guān)所接的電阻阻值不同，因此對輸出電壓的奉獻(xiàn)也假設(shè)選取Rf=R，則

out

CC

( 2iD)i4-21DAC梯形網(wǎng)絡(luò)DAC由于權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)DAC的固有缺陷，因此很少實(shí)際應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用的根本上是梯形網(wǎng)絡(luò)DAC和倒梯形網(wǎng)絡(luò)的兩種電阻，這樣就不需要對電阻提出高精度的要求了。4-22DAC倒梯形網(wǎng)絡(luò)DAC4-23DAC示意圖，它的DAC有類似的地方，也是利用等效電路與分流作D／A變換的。具體地說：每個節(jié)點(diǎn)向下、向左、向右2R，假設(shè)S3接到運(yùn)放的輸入端，其他開關(guān)都接地，則流過Rf的電流是Es／(2R)；假設(shè)S2接到運(yùn)放的輸入RfEs／(4R)。多路模擬量輸出通道的構(gòu)造形式數(shù)字保持器4-24D／A轉(zhuǎn)換器，數(shù)字量保持在存放器中(有的D／A內(nèi)部具有雙緩沖存放器機(jī)構(gòu))。這種構(gòu)造轉(zhuǎn)換速度快，工作牢靠，即使一路D／A有故障也不會影響其他通路的工作；缺點(diǎn)是使用D／A較多。但隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)展，這個缺點(diǎn)正逐步得到抑制。圖4-24REG的輸入線要用雙絞線對，且數(shù)量隨位數(shù)增加而增加。因此，為削減連線數(shù)量可承受圖4-25所示的數(shù)字量串行輸出的通道構(gòu)造，圖中SFR是移位存放器。4-24并行輸出的數(shù)字保持器4-25串行輸出的數(shù)字保持器模擬保持器4-26所示，這種構(gòu)造共用一個D／A，計算機(jī)必D／A中，并且掌握多路開關(guān)將下降太多，最好要不斷刷。這種構(gòu)造由于分時工作，因此僅適用于通道數(shù)量多但速度不高的場合，另外其牢靠性也較差。4-26模擬保持器輸出通道五、課堂小結(jié)：1、DAC2、多路模擬量輸出通道的構(gòu)造形式六、布置作業(yè)：P105 16題，一、授課時間： 年 月 日第19次二、教學(xué)目的：1D／A2、把握失電保護(hù)和手動／自動無擾動切換3DAC三、教學(xué)的重點(diǎn)及難點(diǎn)：難點(diǎn)：DAC的主要技術(shù)指標(biāo)。四、教學(xué)內(nèi)容及過程：復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容1、DAC講解作業(yè)，導(dǎo)入課D／A輸出方式輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓D／A輸出信號為電流，所以要外接帶反響電阻的D／A轉(zhuǎn)換器，如0832內(nèi)已帶有一個反響電阻Rf，一般仍需外接反響電阻以)4-27所示，其輸出電壓為Uout=IoutRfD／A單極性電壓輸出雙極性模擬電壓輸出有時執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求輸入雙極性模擬信號，此時可用圖4-28的電路來獲得雙極性模擬電壓輸出。D／A的雙極性輸出R對求和點(diǎn)Σ0～UREF/R的電流。UREF2R向Σ點(diǎn)供給UREF／(2R)的電流。Uout輸出電壓為-UREF～+UREFD／A00H80H、FFH時，D/A轉(zhuǎn)換關(guān)系如表4-2所示。4-2D／A數(shù)值關(guān)系失電保護(hù)和手動／自動無擾動切換失電保護(hù)不變的目的。手動／自動無擾動切換自動方式的相互切換過程中對系統(tǒng)的工況不產(chǎn)生擾動。為了實(shí)現(xiàn)自動到手動的切換，應(yīng)配備手操電源及開關(guān)。轉(zhuǎn)換前要用手動或自動方法，使手操電源的輸出電壓(或當(dāng)時的掌握電壓(或電流)相等，然后將開關(guān)切換到手動方式。 為了實(shí)現(xiàn)手動到自動的切換，應(yīng)將手動輸出電壓采樣點(diǎn)定時采樣，采樣值存放在一個固定單元中。進(jìn)入自動后，將該值作為掌握量的初始值，就可到達(dá)無擾動切換的目的。DAC的主要技術(shù)指標(biāo)區(qū)分率D／A轉(zhuǎn)換器能區(qū)分的最小輸出模擬增量，它是對輸入變化敏感程度的描述，取決于輸入數(shù)字量的二進(jìn)制求來選定轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。轉(zhuǎn)換精度它和區(qū)分率是兩個不同的概念偏移量誤差值。此誤差可通過DACUREF和電位計加以調(diào)整。建立時間入數(shù)字量變化到輸出到達(dá)終值誤差±(1／2)LSB(最低有效位)時所需的時間，有時也稱穩(wěn)定時間或轉(zhuǎn)換時間。通常以建立時間來說明轉(zhuǎn)換速度，其值一般為幾