第5章機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口與電磁兼容技術(shù)課件

第五章機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口與電磁兼容技術(shù)第五章機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口與電磁兼容技術(shù)1機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口與電磁兼容技術(shù)5.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口技術(shù)5.1.1接口技術(shù)概述5.1.2人機(jī)接口設(shè)計(jì)5.1.3機(jī)電接口設(shè)計(jì)5.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)5.2.1電磁兼容技術(shù)的5.2.2電磁干擾的形式和途徑5.2.3常用的干擾抑制技術(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口與電磁兼容技術(shù)5.1機(jī)電一體化系統(tǒng)的2一、概述組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的各要素和子系統(tǒng)之間相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，這個(gè)聯(lián)系條件通常被稱為接口，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是各子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間相互聯(lián)接的硬件及相關(guān)協(xié)議軟件。5.1機(jī)電一體化系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)一、概述5.1機(jī)電一體化系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)3一、概述接口設(shè)計(jì)的總?cè)蝿?wù)是解決功能模塊間的信號(hào)匹配問(wèn)題。機(jī)電產(chǎn)品可看成是由許多接口將組成產(chǎn)品各要素的輸入/出聯(lián)系為一體的系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的要素間能夠電磁兼容。5.1機(jī)電一體化系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)一、概述5.1機(jī)電一體化系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)4接口設(shè)計(jì)的基本原則及要求機(jī)電一體化系統(tǒng)中的接口通常是由接口電路與之配套的驅(qū)動(dòng)程序組成，就是我們通常說(shuō)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。接口電路是接口的骨架，用來(lái)實(shí)現(xiàn)在被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、信息在電氣上、時(shí)間上的匹配；接口程序是接口的中樞，完成接口數(shù)據(jù)的輸入輸出，傳送可編程接口器件的方式設(shè)定、中斷設(shè)定等控制信息。接口設(shè)計(jì)的基本原則及要求5接口設(shè)計(jì)需要滿足信息傳輸和轉(zhuǎn)換的要求信息采集（信號(hào)輸入）驅(qū)動(dòng)控制（信號(hào)輸出）變送單元接口設(shè)計(jì)需要滿足信息傳輸和轉(zhuǎn)換的要求61.接口的分類

從不同的角度及工作特點(diǎn)出發(fā)，機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口有多種分類方法。

①按照信息傳遞的方式分為兩大類：輸入接口、輸出接口；

輸入接口輸出接口通過(guò)輸入接口向系統(tǒng)輸入各種控制命令和參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。常用的輸入設(shè)備：控制開(kāi)關(guān)，撥碼碼盤(pán)，鍵盤(pán)等。通過(guò)輸出接口向操作者反映系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)和參數(shù)以及結(jié)果等信息。常用的輸出設(shè)備：狀態(tài)指示燈，發(fā)光二極管，液晶顯示器，微型打印機(jī)，陰極攝像管顯示器，揚(yáng)聲器等。1.接口的分類從不同的角度及工作特點(diǎn)出發(fā)，機(jī)電一71.接口的分類②根據(jù)接口的變換和調(diào)整功能特征分類①零接口：不進(jìn)行參數(shù)的變換與調(diào)整。如聯(lián)軸器、輸送管、插頭、插座、導(dǎo)線、電纜等。②被動(dòng)接口：僅對(duì)被動(dòng)要素的參數(shù)進(jìn)行變換與調(diào)整。如齒輪減速器、進(jìn)給絲杠、變壓器、可變電阻以及光學(xué)透鏡等。1.接口的分類②根據(jù)接口的變換和調(diào)整功能特征分類8③主動(dòng)接口：含有主動(dòng)因素、并能與被動(dòng)要素進(jìn)行匹配的接口。如電磁離合器、放大器、光電耦合器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。④智能接口：含有微處理器、可進(jìn)行程序編制或適應(yīng)條件變化的接口。如自動(dòng)調(diào)速裝置、通用輸入/輸出芯片（如8255芯片）、RS232串行接口、通用接口總線等。③主動(dòng)接口：含有主動(dòng)因素、并能與被動(dòng)要素進(jìn)行匹配的接口。如9③根據(jù)接口的輸入/輸出功能的性質(zhì)分類

①信息接口（軟件接口）：受規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)、法律、語(yǔ)言、符號(hào)等邏輯、軟件的約束。②機(jī)械接口：根據(jù)輸入/輸出部位的形狀、尺寸、配合、精度等進(jìn)行機(jī)械聯(lián)結(jié)。③物理接口：受通過(guò)接口部位的物質(zhì)、能量與信息的具體形態(tài)和物理?xiàng)l件約束。④環(huán)境接口：對(duì)周圍的環(huán)境條件（溫度、濕度、電磁場(chǎng)、放射能、振動(dòng)、水、火、粉塵等）有具體的保護(hù)作用和隔絕作用③根據(jù)接口的輸入/輸出功能的性質(zhì)分類10第5章機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口與電磁兼容技術(shù)課件11④按照所聯(lián)系的子系統(tǒng)不同分類 以控制微機(jī)（微電子系統(tǒng)）為出發(fā)點(diǎn)，將接口分為人機(jī)接口與機(jī)電接口兩大類。④按照所聯(lián)系的子系統(tǒng)不同分類122.接口設(shè)計(jì)的要求1）計(jì)算機(jī)接口計(jì)算機(jī)接口通常由接口電路和與之配套的接口程序（驅(qū)動(dòng)程序）組成接口電路：能夠使被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在電氣上、時(shí)間上相互匹配的電路，它是接口的骨架；接口程序：能夠完成這種功能的程序，它是接口完成預(yù)定任務(wù)的中樞神經(jīng)。系統(tǒng)要求計(jì)算機(jī)接口特點(diǎn)：能夠可靠地傳送相應(yīng)的控制信息，并輸入有關(guān)的狀態(tài)信息能夠進(jìn)行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換2.接口設(shè)計(jì)的要求1）計(jì)算機(jī)接口131）計(jì)算機(jī)接口具體要求如下：傳感器接口：要求傳感器與被測(cè)機(jī)械量信號(hào)源具有直接關(guān)系，傳感器與機(jī)械本體連接簡(jiǎn)單、穩(wěn)固，能克服機(jī)械諧波干擾，正確反映對(duì)象的被測(cè)參數(shù)。變送接口：電氣參數(shù)的匹配、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸要求、阻抗匹配、電平一致、輸入/輸出信號(hào)關(guān)系為線性關(guān)系。驅(qū)動(dòng)接口：電平一致、電平匹配和阻抗匹配、抗干擾措施。2）機(jī)械傳動(dòng)接口要求它連接結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，具有較高的傳動(dòng)精度和定位精度，安裝、維修、調(diào)整簡(jiǎn)單方便、剛度好，響應(yīng)快。1）計(jì)算機(jī)接口14二、人機(jī)接口設(shè)計(jì)

人機(jī)接口是操作者與機(jī)電一體化系統(tǒng)(主要是控制微機(jī))之間進(jìn)行信息交換的接口。按照信息的傳遞方向，可以分為兩大類:輸入接口與輸出接口。系統(tǒng)通過(guò)輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及結(jié)果等信息。另一方面，操作者通過(guò)輸入接口向系統(tǒng)輸入各種控制命令及控制參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)所要求完成的任務(wù)。二、人機(jī)接口設(shè)計(jì)人機(jī)接口是操作者與機(jī)電一體化系統(tǒng)(主要是控15二、人機(jī)接口設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，常用的輸入設(shè)備有控制開(kāi)關(guān)、BCD或二進(jìn)制碼撥盤(pán)、鍵盤(pán)等;常用的輸出設(shè)備有狀態(tài)指示燈、發(fā)光二極管顯示器、液晶顯示器、微型打印機(jī)、陰極射線管顯示器等。揚(yáng)聲器作為一種聲音信號(hào)輸出設(shè)備，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常被采用。人機(jī)接口作為人與微機(jī)之間進(jìn)行信息傳遞的通道，有著其自身的一些特點(diǎn)，需要在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮。人機(jī)接口類型及特點(diǎn):專用性、低速性、高性能價(jià)格比二、人機(jī)接口設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，常用的輸入設(shè)備有控制開(kāi)161.專用性

每種機(jī)電一體化產(chǎn)品都有其自身特定的功能，對(duì)人機(jī)接口有著不同的要求，所以在制定人機(jī)接口的設(shè)計(jì)方案時(shí)，要根據(jù)產(chǎn)品的要求而定。2.低速性

與控制機(jī)的工作速度相比，大多數(shù)人機(jī)接口設(shè)備的工作速度很低，在進(jìn)行人機(jī)接口設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮控制機(jī)與接口設(shè)備間的速度匹配，以提高系統(tǒng)的工作效率；3.高性價(jià)比在滿足功能要求的前提下，輸入、輸出設(shè)備配置以小型、微型、廉價(jià)型為原則。

人機(jī)接口特點(diǎn)1.專用性人機(jī)接口特點(diǎn)171.輸入接口設(shè)計(jì)

輸入口輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)，要通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送給CPU，而CPU與存儲(chǔ)器以及其他設(shè)備傳輸?shù)妮斎?輸出數(shù)據(jù)，也要通過(guò)這條數(shù)據(jù)總線分時(shí)地進(jìn)行傳輸。因此，輸入口的功能就是在只有CPU允許該輸入口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入時(shí)，才將來(lái)自外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)總線上。1.輸入接口設(shè)計(jì)輸入口輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)，要通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送給18

左圖為一簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)輸入電路，通過(guò)對(duì)A點(diǎn)電位進(jìn)行檢測(cè)，從而判斷開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。上拉電阻R的阻值越小，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)（OFF）時(shí)，被傳輸?shù)母唠娖街翟礁?，但是?dāng)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)（ON)時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)觸電的電流就越大。因此當(dāng)采用這種電路時(shí)，上拉電阻的阻值應(yīng)在全面考慮開(kāi)關(guān)的觸電電流和整個(gè)電路的功耗電流后再確定。R：上拉電阻OFF：高電平ON：低電平輸入口輸入波形A簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)輸入電路1.輸入接口設(shè)計(jì)1）簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)輸入電路

左圖為一簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)輸入電路，通過(guò)對(duì)A點(diǎn)電191.輸入接口設(shè)計(jì)2）簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)

對(duì)于一些二值型控制命令和參數(shù)，常采用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)作為輸入設(shè)備。常用的開(kāi)關(guān)有按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等。時(shí)間(b)輸入電路波形開(kāi)關(guān)：ON開(kāi)關(guān)：OFF開(kāi)關(guān)：ON低電平發(fā)生抖動(dòng)的時(shí)間(10ms以下)高電平開(kāi)關(guān)：OFF無(wú)抖動(dòng)有抖動(dòng)輸入接口輸入波形r：上拉電阻OFF:高電平ON:低電平(a)輸入電路1.輸入接口設(shè)計(jì)2）簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)

時(shí)間(b)輸入201.輸入接口設(shè)計(jì)2）簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)

控制微機(jī)通過(guò)I/O口或擴(kuò)展I/O口對(duì)開(kāi)關(guān)點(diǎn)電位進(jìn)行檢測(cè)，從而判斷開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。由于這類開(kāi)關(guān)大都是機(jī)械開(kāi)關(guān)，機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用使開(kāi)關(guān)在閉合及斷開(kāi)瞬間產(chǎn)生抖動(dòng)，造成開(kāi)關(guān)點(diǎn)電位產(chǎn)生一系列脈沖，電壓抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短，與機(jī)械特性有關(guān)，一般為5～10ms。按鈕的穩(wěn)定閉合期由操作員的按鍵動(dòng)作決定，一般在幾百微秒至幾秒之間。所以，在進(jìn)行接口設(shè)計(jì)時(shí)需要采取軟件或硬件措施進(jìn)行消抖處理。1.輸入接口設(shè)計(jì)2）簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)

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硬件消抖常采用下圖所示電路，其中左為雙穩(wěn)態(tài)濾波消抖，右為單穩(wěn)態(tài)多諧震蕩消抖，圖中74xx121是帶有施密特觸發(fā)器輸入端的單穩(wěn)態(tài)多諧震蕩器。硬件去抖硬件消抖常采用下圖所示電路，其中左為雙穩(wěn)態(tài)濾波22

軟件消抖是在檢測(cè)到開(kāi)關(guān)狀態(tài)后，延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行檢測(cè)，若兩次檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相同則認(rèn)為有效。延時(shí)時(shí)間應(yīng)大于抖動(dòng)時(shí)間。軟件去抖軟件消抖是在檢測(cè)到開(kāi)關(guān)狀態(tài)后，延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行檢231.輸入接口設(shè)計(jì)2）鍵盤(pán)輸入接口設(shè)計(jì)當(dāng)需要操作者輸入的指令或參數(shù)比較多時(shí)，可以選擇鍵盤(pán)作為輸入接口。1.輸入接口設(shè)計(jì)2）鍵盤(pán)輸入接口設(shè)計(jì)24矩陣鍵盤(pán)+5V01234567BA98CDEFX0X1X2X3Y0Y1Y2Y3

矩陣鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)如上圖，通常將行線通過(guò)上拉電阻接至+5V電源。當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí)，行線與列線斷開(kāi)，行線呈高電平。當(dāng)鍵盤(pán)上某鍵按下時(shí)，則該鍵對(duì)應(yīng)的行線與列線被短路。例如，7號(hào)鍵被按下閉合時(shí)，行線X3與列線Y1被短路，此時(shí)X3的電平由Y1電位決定。矩陣鍵盤(pán)+5V01234567BA98CDEFX0X1X2X25CPU對(duì)鍵盤(pán)處理控制的工作方式有以下3種：1、程序控制掃描方式程序控制掃描方式是在CPU工作空余調(diào)用鍵盤(pán)掃描子程序，響應(yīng)按鍵輸入信號(hào)要求。程序控制掃描方式的按鍵處理程序固定在主程序的某個(gè)程序段。當(dāng)主程序運(yùn)行到該程序段時(shí)，依次掃描鍵盤(pán)，判斷有否按鍵輸入。若有，則計(jì)算按鍵編號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)按鍵功能子程序。這種工作方式，對(duì)CPU工作影響小，但應(yīng)考慮鍵盤(pán)處理程序的運(yùn)行間隔周期不能太長(zhǎng)，否則會(huì)影響對(duì)按鍵輸入響應(yīng)的及時(shí)性。鍵盤(pán)掃描控制方式

CPU對(duì)鍵盤(pán)處理控制的工作方式有以下3種：鍵盤(pán)掃描控制方式26鍵盤(pán)掃描程序流程圖鍵盤(pán)掃描程序流程圖27CPU對(duì)鍵盤(pán)處理控制的工作方式有以下3種：2、定時(shí)控制掃描方式定時(shí)控制掃描方式是利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器每隔一段時(shí)間產(chǎn)生定時(shí)中斷，CPU響應(yīng)中斷后對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，并在有按鍵閉合時(shí)轉(zhuǎn)入該按鍵的功能子程序。定時(shí)控制掃描方式與程序控制掃描方式的區(qū)別是，在掃描間隔時(shí)間內(nèi)，前者用CPU工作程序填充，后者用定時(shí)/計(jì)數(shù)器定時(shí)控制。定時(shí)控制掃描方式也應(yīng)考慮定時(shí)時(shí)間不能太長(zhǎng)，否則會(huì)影響對(duì)按鍵輸入響應(yīng)的及時(shí)性。鍵盤(pán)掃描控制方式

CPU對(duì)鍵盤(pán)處理控制的工作方式有以下3種：鍵盤(pán)掃描控制方式28CPU對(duì)鍵盤(pán)處理控制的工作方式有以下3種：3、中斷控制方式中斷控制方式是利用外部中斷源，響應(yīng)按鍵輸入信號(hào)。當(dāng)無(wú)按鍵按下時(shí)，CPU執(zhí)行正常工作程序。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，CPU立即產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)子程序中掃描鍵盤(pán)，判斷是哪一個(gè)按鍵被按下，然后執(zhí)行該按鍵的功能子程序。這種控制方式克服了前兩種控制方式可能產(chǎn)生的空掃描和不能及時(shí)響應(yīng)按鍵輸入的缺點(diǎn)，既能及時(shí)處理按鍵輸入，又能提高CPU運(yùn)行效率，但要占用一個(gè)寶貴的中斷資源。鍵盤(pán)掃描控制方式

CPU對(duì)鍵盤(pán)處理控制的工作方式有以下3種：鍵盤(pán)掃描控制方式2901234567BA98CDEFP1.7P1.6P1.5P1.4P1.0P1.1P1.2P1.38031+5V(1)鍵盤(pán)接口電路上圖表示8031通過(guò)P1口與一個(gè)4×4鍵盤(pán)的接口電路，其中P1.7~P1.4作掃描線，P1.3~P1.0作輸出線。

鍵盤(pán)接口電路01234567BA98CDEFP1.7P1.6P1.5P130(2)

鍵輸入處理程序鍵輸入程序具有下面三項(xiàng)功能：

(a)

判斷鍵盤(pán)上有無(wú)鍵閉合的方法是在P1.0～P1.3上全部送“0”，然后讀取P1.4～P1.7狀態(tài)，若全為“1”，則無(wú)鍵閉合，若不全為“1”，則有鍵閉合；

(b)去除鍵機(jī)械抖動(dòng)的方法是讀得鍵號(hào)后延時(shí)10ms，再次讀鍵盤(pán)，若此鍵仍閉合則認(rèn)為有效，否則認(rèn)定前述鍵的閉合是由于機(jī)械抖動(dòng)或干擾所引起的；

(2)鍵輸入處理程序31(c)

判別閉合鍵鍵號(hào)的方法是對(duì)鍵盤(pán)行線掃描，依次從P1.0、P1.1、Pl.2、P1.3中某位送出“0”，其它行線送出“1”，并順序讀入P1.4～P1.7的狀態(tài)，若P1.4～P1.7全為“1”，則行線輸出為“0”的這列上無(wú)鍵閉合；若P1.4～P1.7不全為“1”，則有鍵閉合,且行列交叉點(diǎn)即為該鍵鍵號(hào)，如P1.0～P1.3輸出為1101，讀回P1.4～P1.7為1011，則位于第3行與第2列相交處的鍵處于閉合狀態(tài)，鍵號(hào)為6；(d)使控制微機(jī)對(duì)鍵的一次閉合僅進(jìn)行一次功能操作，采用的方法是，等待閉合鍵釋放后再將鍵號(hào)送入累加器中(c)判別閉合鍵鍵號(hào)的方法是對(duì)鍵盤(pán)行線掃描，32輸出接口設(shè)計(jì)從計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)，要經(jīng)過(guò)輸出口傳輸給輸出設(shè)備，但在輸出口與實(shí)際的輸出設(shè)備之間一般需要進(jìn)行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，并需要對(duì)輸出數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)序進(jìn)行控制。輸出接口是操作者對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的窗口，通過(guò)輸出接口，系統(tǒng)向操作者顯示自身的運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)及運(yùn)行結(jié)果等，并進(jìn)行故障報(bào)警。輸出接口設(shè)計(jì)從計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)，要經(jīng)過(guò)輸出口傳輸給輸出設(shè)備，33我們對(duì)人機(jī)通道輸出接口中最為常用的LED顯示器接口技術(shù)作一簡(jiǎn)要說(shuō)明。LED數(shù)碼顯示器的工作原理

LED數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)。LED是發(fā)光二極管的縮寫(xiě)。LED顯示器應(yīng)用非常普遍，從袖珍計(jì)算器到儀器儀表都用它，在單片機(jī)上的應(yīng)用也很普遍。輸出接口設(shè)計(jì)我們對(duì)人機(jī)通道輸出接口中最為常用的LED顯示器接口技術(shù)作一34通常所說(shuō)的LED顯示器由七個(gè)發(fā)光二極管組成，因此，也稱為七段顯示器。其排列形狀如圖5-42所示，有共陰極和共陽(yáng)極兩種。此外，還有一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管，用以顯示小數(shù)點(diǎn)。發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r，需要的電流為2~20mA，壓降為1.2V，因而用TTL電路即可與它接口七段LED顯示塊R×8abcdefgdpa)共陰極aR×8bcdefgdpb)共陽(yáng)極+5VgfabedcdpGNDGND12451039768abcdefgc)管腳配置輸出接口設(shè)計(jì)通常所說(shuō)的LED顯示器由七個(gè)發(fā)光二極管組成，因此，也稱為七35

LED數(shù)碼顯示器的顯示段碼。為了顯示字符，要為L(zhǎng)ED顯示器提供顯示段碼(或稱字形代碼)，可通過(guò)單片機(jī)接口使LED顯示器某幾段發(fā)亮來(lái)顯示不同的數(shù)碼，如除“?！倍尾涣疗溆嗔稳?xí)r，則為“0”字;七段全亮?xí)r，則為“8”字。七段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段，因此，LED顯示器的字形代碼正好一個(gè)字節(jié)。各代碼位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:輸出接口設(shè)計(jì)LED數(shù)碼顯示器的顯示段碼。為了顯示字符，要為L(zhǎng)36第5章機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口與電磁兼容技術(shù)課件37LED數(shù)碼顯示器的接口及顯示方法

單片機(jī)與顯示器接口可以用硬件為主和用軟件為主的方法。所謂硬件為主就是用4位數(shù)據(jù)線而后用鎖存器、譯碼驅(qū)動(dòng)器顯示一位十六進(jìn)制字符。由于使用硬件較多，缺乏靈活性，所以常用軟件查表來(lái)代替硬件譯碼，但這也需簡(jiǎn)單的硬件電路配合。例如，可用8255作為顯示接口。由于接口提供不了較大的電流供LED顯示器使用，因此驅(qū)動(dòng)電路一般是必不可少的。輸出接口設(shè)計(jì)LED數(shù)碼顯示器的接口及顯示方法輸出接口設(shè)計(jì)38(1)靜態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示方式，是指每一位顯示器的字段控制是獨(dú)立的，每一位的顯示器都需要配一個(gè)8位輸出口來(lái)輸出該字位的七段碼。因此需要片外擴(kuò)展CPU輸出口。輸出接口設(shè)計(jì)PC0···PC7PB0···PB7PA0···PA78255三位靜態(tài)顯示接口當(dāng)顯示位數(shù)很少(僅一、二位）時(shí)，采用靜態(tài)顯示方式是合適的。(1)靜態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示方式，是指每一位顯示器的字段控39(2)動(dòng)態(tài)顯示方式。動(dòng)態(tài)顯示方式，又稱掃描顯示方式，也就是在某一時(shí)刻只讓一個(gè)字位處于選通狀態(tài)，其他字位一律斷開(kāi)，同時(shí)在字段線上發(fā)出該位要顯示的字段碼，這樣在某一時(shí)刻，某一位數(shù)碼管就被點(diǎn)亮，并顯示出相應(yīng)的字符。接著逐個(gè)改變所顯示的字位和相應(yīng)的字符段碼，循環(huán)點(diǎn)亮各位顯示器。雖然在任一時(shí)刻只有一位顯示器被點(diǎn)亮，但只要掃描速度足夠快，由于人眼的視覺(jué)殘留效應(yīng)，與全部顯示器都點(diǎn)亮的效果完全一樣，會(huì)使人感覺(jué)到幾個(gè)位數(shù)碼管都在穩(wěn)定地顯示。輸出接口設(shè)計(jì)(2)動(dòng)態(tài)顯示方式。動(dòng)態(tài)顯示方式，又稱掃描顯示方式，40

動(dòng)態(tài)顯示方式中，為實(shí)現(xiàn)多位顯示器的動(dòng)態(tài)掃描，除了要給顯示器提供段(字形編碼)的輸入之外，還要對(duì)顯示器加位的控制。多位LED顯示器接口電路需要有兩個(gè)輸出口，其中一個(gè)用于輸出8條段控線(有小數(shù)點(diǎn)顯示)，另一個(gè)用于輸出位控線，位控線的數(shù)目等于顯示器的位數(shù)。輸出接口設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)顯示方式中，為實(shí)現(xiàn)多位顯示器的動(dòng)態(tài)掃描，除418155擴(kuò)展6位動(dòng)態(tài)LED顯示器的接口電路……PB0PB7PA5PA0815511117407+5V75452當(dāng)顯示器工作時(shí)，單片機(jī)通過(guò)8155的PA口送掃描數(shù)據(jù)，其中只有一位為高電平，經(jīng)75452后，只有一位LED顯示器的公共端為低電平。同時(shí)，顯示位對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通過(guò)PB口送出。因此，只有公共端為低的LED顯示器有顯示，依次改變PA口中為高電平的位，則6位LED顯示器就順序顯示。當(dāng)掃描頻率足夠高時(shí)，由于人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，6位顯示器便得到連續(xù)穩(wěn)定的顯示。8155擴(kuò)展6位動(dòng)態(tài)LED顯示器的接口電路……PB0PB7P42可以看出，如果要在同一時(shí)刻顯示不同的字符，從電路上看，這是辦不到的。因此只能利用人眼對(duì)視覺(jué)的殘留效應(yīng)，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方法，逐個(gè)地循環(huán)點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，每位顯示1m*左右，使人看起來(lái)就好像在同時(shí)顯示不同的字符一樣。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示時(shí)，往往事先并不知道應(yīng)顯示什么內(nèi)容，這樣也就無(wú)從選擇被顯示字符的顯示段碼。為此，一般采用查表的方法，由待顯示的字符通過(guò)查表得到其對(duì)應(yīng)的顯示段碼。輸出接口設(shè)計(jì)可以看出，如果要在同一時(shí)刻顯示不同的字符，從電路上看，這是辦43采用動(dòng)態(tài)掃描方式依次循環(huán)點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，構(gòu)成多位動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示電路。開(kāi)始顯示緩沖區(qū)首地址送R0顯示位數(shù)送R2起始顯示位送R3禁止所有位（關(guān)顯示）從緩沖區(qū)取要顯示的數(shù)查表得字型碼指向段選口，送字型碼指向位選口，送位選碼延時(shí)指向顯示緩沖區(qū)下一個(gè)單元位選碼左移結(jié)束11掃描完一遍嗎?YN采用動(dòng)態(tài)掃描方式依次循環(huán)點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，構(gòu)成多位動(dòng)44機(jī)電接口技術(shù)

機(jī)電接口是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械裝置與控制微機(jī)間的接口。按照信息的傳遞方向可以將機(jī)電接口分為信息采集接口(傳感器接口)與控制量輸出接口。控制微機(jī)通過(guò)信息采集接口接收傳感器輸出信號(hào)，檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后，發(fā)出有關(guān)控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其按照要求動(dòng)作。按照信息傳遞的方向可以分為：信息采集接口（傳感器接口）控制量輸出接口機(jī)電接口技術(shù)機(jī)電接口是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)45按照信息傳遞的方向可以分為：信息采集接口（傳感器接口）控制量輸出接口機(jī)電接口技術(shù)按照信息傳遞的方向可以分為：機(jī)電接口技術(shù)46信息采集接口技術(shù)1.信息采集接口的任務(wù)與特點(diǎn)

在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，控制微機(jī)要對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行有效控制，使其按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，完成預(yù)定的任務(wù)，就必須隨時(shí)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，隨時(shí)檢測(cè)各種工作和運(yùn)行參數(shù)，如位置、速度、轉(zhuǎn)矩、壓力、溫度等。因此進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須選用相應(yīng)傳感器將這些物理量轉(zhuǎn)換為電量，再經(jīng)過(guò)信息采集接口的整形、放大、匹配、轉(zhuǎn)換，變成微機(jī)可以接受的信號(hào)傳遞給微機(jī)。傳感器的輸出信號(hào)中，既有開(kāi)關(guān)信號(hào)(如限位開(kāi)關(guān)、時(shí)間繼電器)，又有頻率信號(hào)(超聲波無(wú)損探傷);既有數(shù)字量，又有模擬量(如溫敏電阻、應(yīng)變片等)。機(jī)電接口技術(shù)信息采集接口技術(shù)機(jī)電接口技術(shù)47信息采集接口技術(shù)1.信息采集接口的任務(wù)與特點(diǎn)

針對(duì)不同性質(zhì)的信號(hào)，信號(hào)采集接口要對(duì)其進(jìn)行不同的處理，例如對(duì)模擬信號(hào)必須進(jìn)行模/數(shù)變換，變成微機(jī)可以接受的數(shù)字量再傳送給微機(jī)。另外，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，傳感器要根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)布置，環(huán)境往往比較惡劣，易受干擾。再者，傳感器與控制微機(jī)之間常要采用長(zhǎng)線傳輸，加之傳感器輸出信號(hào)一般又比較弱，所以抗干擾設(shè)計(jì)也是信息采集接口設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容機(jī)電接口技術(shù)信息采集接口技術(shù)機(jī)電接口技術(shù)48控制量輸出接口技術(shù)2.控制輸出接口的任務(wù)與特點(diǎn)

控制微機(jī)通過(guò)信息采集接口檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理。發(fā)出有關(guān)控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件去調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。機(jī)電接口技術(shù)控制量輸出接口技術(shù)機(jī)電接口技術(shù)49控制量輸出接口技術(shù)2.控制輸出接口的任務(wù)與特點(diǎn)

根據(jù)執(zhí)行元件的需要不同，控制接口的任務(wù)也不同，對(duì)于交流電機(jī)變頻調(diào)速器，控制信號(hào)為0~5v電壓或4~20mA電流信號(hào)，則控制輸出接口必須進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換;對(duì)于交流接觸器等大功率器件，必須進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)中執(zhí)行元件多為大功率設(shè)備，如電機(jī)、電熱器、電磁鐵等，這些設(shè)備產(chǎn)生電磁場(chǎng)、電源干擾，往往會(huì)影響微機(jī)的正常工作，所以抗干擾設(shè)計(jì)同樣是控制輸出接口設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的重要問(wèn)題機(jī)電接口技術(shù)控制量輸出接口技術(shù)機(jī)電接口技術(shù)501.信息采集接口對(duì)于模擬信號(hào)的信息采集通道，首先選用傳感器將這些物理量轉(zhuǎn)換為電量，再經(jīng)過(guò)信息采集接口進(jìn)行整形、放大、匹配等信號(hào)處理環(huán)節(jié)，再經(jīng)采樣-保持器，將模擬信號(hào)變換成時(shí)間上離散的采樣信號(hào)后，送A/D轉(zhuǎn)換器將模擬保持信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再送入計(jì)算機(jī)。1.信息采集接口對(duì)于模擬信號(hào)的信息采集通道，首先選用傳感器將511.信息采集接口傳感器信號(hào)的采樣-保持A/D轉(zhuǎn)換接口1.信息采集接口傳感器信號(hào)的采樣-保持52多個(gè)信號(hào)源的數(shù)據(jù)采集通道通常有以下3種結(jié)構(gòu)形式：多路A/D通道多路同時(shí)采樣、分時(shí)轉(zhuǎn)換通道多路信號(hào)源共享采樣-保持器和A/D轉(zhuǎn)換器1.信息采集接口多個(gè)信號(hào)源的數(shù)據(jù)采集通道通常有以下3種結(jié)構(gòu)形式：1.信息采集53多路A/D通道從每個(gè)信號(hào)源檢測(cè)的信號(hào)都有各自獨(dú)立的采樣通道，即每個(gè)通道都有獨(dú)自的采樣-保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。由于這種通道結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換速度高，并且控制各路同道的采樣-保持器或A/D轉(zhuǎn)換器，可完成各路同道同時(shí)進(jìn)行采樣或同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換功能，因此常用于需同步高速數(shù)據(jù)采集、同步轉(zhuǎn)換的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。多路A/D通道從每個(gè)信號(hào)源檢測(cè)的信號(hào)都有各自獨(dú)立的采樣通道，54多路同時(shí)采樣、分時(shí)轉(zhuǎn)換通道從多路信號(hào)源來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)各自的采樣-保持器，經(jīng)模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，此結(jié)構(gòu)使用模擬多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行多路選擇，使多路信號(hào)按一定的順序切換到共用的A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于此種通道共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器必須分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，多路開(kāi)關(guān)的應(yīng)用也使誤差增大。因此該結(jié)構(gòu)多用于轉(zhuǎn)換速度、精度要求不高、需同時(shí)采集、分時(shí)轉(zhuǎn)換的控制系統(tǒng)。多路同時(shí)采樣、分時(shí)轉(zhuǎn)換通道從多路信號(hào)源來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)各自的采樣-55多路信號(hào)源共享采樣-保持器和A/D轉(zhuǎn)換器從多路信號(hào)源來(lái)的數(shù)據(jù)先經(jīng)多路開(kāi)關(guān)，然后按某種順序切換到具有采樣-保持器和A/D轉(zhuǎn)換器的通道上。此種結(jié)構(gòu)共用一套采樣-保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，節(jié)省硬件成本，但轉(zhuǎn)換速度更慢，常用于分時(shí)采樣、分時(shí)轉(zhuǎn)換的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中。多路信號(hào)源共享采樣-保持器和A/D轉(zhuǎn)換器從多路信號(hào)源來(lái)的數(shù)據(jù)561）傳感器信號(hào)的采樣-保持當(dāng)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，即A/D的孔徑時(shí)間。在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號(hào)要保持基本不變，這樣才能保證轉(zhuǎn)換精度。1）傳感器信號(hào)的采樣-保持571）傳感器信號(hào)的采樣-保持當(dāng)輸入信號(hào)頻率提高時(shí)，由于A/D轉(zhuǎn)換器孔徑時(shí)間的存在，會(huì)造成較大的轉(zhuǎn)換誤差，要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)將信號(hào)電平保持住，而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化。能實(shí)現(xiàn)這種功能的器件叫采樣/保持電路（S/H）。1）傳感器信號(hào)的采樣-保持58(1)采樣/保持器原理采樣/保持由保持電容C，模擬開(kāi)關(guān)S等組成。當(dāng)S接通時(shí)，輸出信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)，稱采樣階段。當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，電容C二端一直保持?jǐn)嚅_(kāi)的電壓，稱保持階段。香儂采樣定理fs－采樣頻率fmax－原信號(hào)最高頻率(1)采樣/保持器原理香儂采樣定理fs－采樣頻率59實(shí)際上為使采樣/保持器具有足夠的精度，一般在輸入級(jí)和輸出級(jí)均采用緩沖器，以減少信號(hào)源的輸出阻抗，增加負(fù)載的輸入阻抗。采樣開(kāi)關(guān)VF的關(guān)斷電阻和N2的輸入阻抗越高，C的泄漏電阻越大，uo的保持時(shí)間就越長(zhǎng)，保持精度越好。實(shí)際上為使采樣/保持器具有足夠的精度，一般在輸入級(jí)和輸出級(jí)均60(2)集成采樣/保持器隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，目前已生產(chǎn)出多種集成采樣／保持器，如一般場(chǎng)合的AD582、AD583、LF398系列等；用于高速場(chǎng)合的有HTS-0025，HTS-0010，HTC-0300等。為了使用方便，有些采樣／保持器的內(nèi)部還設(shè)有保持電容，如AD389、AD585等。

(2)集成采樣/保持器61集成采樣／保持器的特點(diǎn)是：采樣速度快、精度高一般保持在即精度達(dá)到下降速率慢如AD585、AD348為0.5mV，SD389為

集成采樣／保持器的特點(diǎn)是：62LF398內(nèi)部由輸入緩沖級(jí)、輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)和控制電路三部分組成。LF398內(nèi)部由輸入緩沖級(jí)、輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)和控制電路三部分組成。63控制電路中A3主要起到比較器的作用，其中7腳為控制邏輯參考電壓輸入端，8腳為控制邏輯電壓輸入端。當(dāng)輸入控制邏輯電平高于參考端電壓時(shí)，A3輸出一個(gè)低電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)S閉合，此時(shí)輸入經(jīng)A1后跟隨輸出到A2，再由輸出端跟隨輸出，同時(shí)向保持電容充電；而當(dāng)控制邏輯電平低于參考電壓時(shí)，A3輸出一個(gè)正電平信號(hào)使開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，以達(dá)到非采樣時(shí)間內(nèi)保持器仍保持原來(lái)輸入信號(hào)的目的。因此A1、A2是跟隨器，其主要是對(duì)保持電容輸入和輸出端進(jìn)行阻抗變換，以提高采樣-保持器的性能。控制電路中A3主要起到比較器的作用，其中7腳為控制邏輯參考電64LF398外引腳圖

LF398典型應(yīng)用LF398外引腳圖LF398典型應(yīng)用65

A/D轉(zhuǎn)換是從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，它是信息采集系統(tǒng)中模擬放大電路和CPU的接口，見(jiàn)下圖。A/D轉(zhuǎn)換芯片種類繁多，主要有逐次比較式、雙積分式、量化反饋式和并行式。A/D轉(zhuǎn)換接口A/D轉(zhuǎn)換是從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，它是信息采集系661．A/D轉(zhuǎn)換的主要環(huán)節(jié)和常用術(shù)語(yǔ)(1)多路選擇模擬開(kāi)關(guān)(2)信號(hào)調(diào)節(jié)器作用是調(diào)節(jié)模擬信號(hào)的幅度，使模擬信號(hào)的大小符合A/D轉(zhuǎn)換的要求(3)采樣保持和孔徑誤差采樣保持的作用是減小孔徑誤差。模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程，對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)，在A/D轉(zhuǎn)換器接通的孔徑時(shí)間里，輸入模擬信號(hào)的值是不確定的，從而引起輸出的不確定性誤差。

A/D轉(zhuǎn)換接口1．A/D轉(zhuǎn)換的主要環(huán)節(jié)和常用術(shù)語(yǔ)A/D轉(zhuǎn)換接口67是Vm2πf，故最大孔徑誤差是ΔV=Vmsin2лfΔt。對(duì)于某個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)，其孔徑誤差與信號(hào)的最高頻率f和孔徑Δt有關(guān)。計(jì)算表明，當(dāng)頻率為10Hz的信號(hào)被采樣，且要求12位分辨率孔徑誤差小于1/2LSB（LSB指最低有效位）時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換速率必須小于2μs

，而一般A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2μs。故采用12位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)10Hz或更高頻率動(dòng)態(tài)信號(hào)采樣時(shí)，必須使用采樣保持電路，以減小孔徑誤差。比較先進(jìn)的A/D芯片本身具有采樣保持功能，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。孔徑誤差設(shè)輸入信號(hào)為一頻率為f的正弦信號(hào)，如右圖所示。圖中V=Vmsin2лft，由圖可以明顯地看出，最大孔徑誤差出現(xiàn)在信號(hào)斜率最大處。由數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知，正弦函數(shù)的最大斜率是Vm2πf，故最大孔徑誤差是ΔV=Vmsin2лfΔt。68(4)A/D轉(zhuǎn)換、分辨率、量化誤差

采樣保持使模擬信號(hào)在時(shí)域離散化，但在幅值域仍然是連續(xù)的。量化(A/D轉(zhuǎn)換)環(huán)節(jié)使信號(hào)在幅值域離散化。關(guān)于量化的具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參閱有關(guān)專業(yè)書(shū)籍，此處僅涉及與應(yīng)用有關(guān)且十分重要的分辨率和量化誤差問(wèn)題。量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，量化誤差是由于用有限數(shù)字對(duì)模擬數(shù)值進(jìn)行離散取值(量化)而引起的誤差。理論上量化誤差為一個(gè)單位分辨率，即±1/2LSB，提高分辨率可以減少量化誤差。(4)A/D轉(zhuǎn)換、分辨率、量化誤差69(5)采樣定理和抗混疊濾波

兩次采樣的間隔時(shí)間決定于A/D轉(zhuǎn)換、采樣、通道個(gè)數(shù)以及程序。采樣間隔時(shí)間的倒數(shù)是采樣頻率。奈奎斯特采樣定理的內(nèi)容是:為了使采樣輸出信號(hào)能無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)原輸入信號(hào)，必須使采樣頻率至少為輸入信號(hào)最高有效頻率的兩倍，否則會(huì)出現(xiàn)頻率混疊誤差?？够殳B濾波的作用是依據(jù)采樣定理，濾除輸入信號(hào)過(guò)高的頻率成分，減小混疊誤差。(5)采樣定理和抗混疊濾波70(6)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換速率

A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。目前，轉(zhuǎn)換時(shí)間最短的是全并行式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)為10ns。逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)0.4μs，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間一般要大于40～50μs。采樣定理和減小孔徑誤差都要求轉(zhuǎn)換時(shí)間越小越好，轉(zhuǎn)換速率越高越好。目前速度最快的全并行式A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格比較貴，且分辨率低。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器速度慢，但價(jià)格便宜，抗干擾能力強(qiáng)。逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器的速度和價(jià)格居中，分辨率遠(yuǎn)高于并行式A/D轉(zhuǎn)換器，是目前種類最多、數(shù)量最大、應(yīng)用最廣的A/D轉(zhuǎn)換器。(6)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換速率71(7)轉(zhuǎn)換精度

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度反映了實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器的量化值與理想值的差值，可表示成絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差。例如，手冊(cè)上給出ADC0801八位逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器的不可調(diào)整的總誤差小于±1/4LSB，如以相對(duì)誤差表示則為±0.1％。(7)轉(zhuǎn)換精度72逐次逼近式典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片有：(1)ADC0801~ADC0805型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器(2)ADC0808/0809型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器(3)ADC0816/0817逐次逼近式典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片有：73典型芯片—ADC0809介紹ADC0809是一個(gè)8位8通道的AD轉(zhuǎn)換器。典型芯片—ADC0809介紹ADC0809是一個(gè)8位8通道的74

ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，它有8個(gè)模擬量輸人通道，芯片內(nèi)帶通道地址譯碼鎖存器，輸出經(jīng)三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，啟動(dòng)信號(hào)為脈沖啟動(dòng)方式，每一通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為100μs。

A/D轉(zhuǎn)換接口ADC0809是8位逐次逼近型A/75ADC0809功能分析CLK：時(shí)鐘信號(hào)，可由單片機(jī)ALE信號(hào)分頻得到。轉(zhuǎn)換有以下幾步：ALE信號(hào)上升沿有效，鎖存地址并選中相應(yīng)通道。ST信號(hào)有效，開(kāi)始轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換期間ST為低電平。EOC信號(hào)輸出高電平，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE信號(hào)有效，允許輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。ADC0809功能分析CLK：時(shí)鐘信號(hào)，可由單片機(jī)ALE信號(hào)76ADC0809和單片機(jī)的連接寫(xiě)信號(hào)、P2.0有效時(shí)，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，輸出高電平，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求讀信號(hào)、P2.0有效時(shí)，允許輸出AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由ALE分頻得到。803174LS373ADC0809÷2CLKD0-D7≥1≥1111GEOCSTALEOERDP2.0WRINT1ALEP0A0-A7A0A1A2ABCVR(+)VR(-)+5VGNDIN0IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1轉(zhuǎn)換結(jié)果由此輸出ADC0809和單片機(jī)的連接寫(xiě)信號(hào)、P2.0有效時(shí)，啟動(dòng)AD77通道選擇表

選擇的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7CBA8031A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00809×××××××ST×××××CBA

×××××××0×××××000

…

…

×××××××0×××××1111.首先分析各個(gè)通道的地址。(IN0到IN7的地址為0000H到0007H）C、B、A輸入的通道地址在ALE有效時(shí)被鎖存，啟動(dòng)信號(hào)START啟動(dòng)后開(kāi)始轉(zhuǎn)換，但EOC是在START下降沿10μs后才變?yōu)闊o(wú)效的低電平，這要求查詢程序待EOC無(wú)效后再開(kāi)始查詢，轉(zhuǎn)換結(jié)束后由OE產(chǎn)生信號(hào)輸出數(shù)據(jù)。通道選擇表

選擇的通道000IN0CB78編程應(yīng)用—中斷方式編程：可采用中斷、查詢兩種方式。中斷方式：

ORG0000H ；主程序入口地址AJMPMAIN ；跳轉(zhuǎn)主程序ORGOO13H ；中斷入口地址AJMPINT1 ；跳轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序MAIN：SETBIT1 ；邊沿觸發(fā) SETBEA ；開(kāi)中斷SETBEX1 ；允許中斷MOVDPTR，#0007H；指向0809IN7通道地址編程應(yīng)用—中斷方式編程：可采用中斷、查詢兩種方式。中斷方式：79MOVX@DPTR,A ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換SJMP$ ；等待中斷INT1:MOVXA,@DPTR ；讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果MOVB,A ；存數(shù)RETI ；返回MOVX@DPTR,A ；啟動(dòng)A80查詢方式：

ORG0000H ；主程序入口地址AJMPMAIN ；跳轉(zhuǎn)主程序ORG1000H ；中斷入口地址MAIN：MOVDPTR，#0007H；指向0809IN7通道地址MOVX@DPTR,A ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換L1:JBP3.3L1 ;查詢 MOVXA,@DPTR ；讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果MOVB,A ；存數(shù)SJMP$查詢方式：81在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，很多被控對(duì)象要求模擬量作控制信號(hào)，如交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器、滑差電動(dòng)機(jī)調(diào)速器等，而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，需要數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換接口，也即為D/A轉(zhuǎn)換接口?？刂屏枯敵鼋涌谠跈C(jī)電一體化產(chǎn)品中，很多被控對(duì)象要求模擬量作控制信號(hào)，如交流82在機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中，當(dāng)計(jì)算機(jī)完成控制運(yùn)算處理后，通過(guò)輸出通道向被控對(duì)象輸出控制信號(hào)。計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)主要有三種形態(tài)：數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量和頻率量，而被控對(duì)象接收的控制信號(hào)除上述三種直接由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)外，還有模擬量控制信號(hào)，該信號(hào)需通過(guò)D/A變換產(chǎn)生。D/A轉(zhuǎn)換接口在機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中，當(dāng)計(jì)算機(jī)完成控83

D/A轉(zhuǎn)換器就是將每一位代碼按“權(quán)”的分配進(jìn)行模擬，具體地說(shuō)，某一位二進(jìn)制是“0”就不予理睬，某一位二進(jìn)制是“1”就按該位的權(quán)的大小分配給一定的電壓值。這里基準(zhǔn)電壓源是必不可少的。分配給一定電壓往往是用不同電阻實(shí)現(xiàn)的。有了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和基準(zhǔn)電壓，再加上電子開(kāi)關(guān)就能組成最簡(jiǎn)單的D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換接口D/A轉(zhuǎn)換器就是將每一位代碼按“84

R-2R網(wǎng)絡(luò)型DA轉(zhuǎn)換器主要由三部分構(gòu)成，即R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)和受輸入數(shù)字量控制的電子開(kāi)關(guān)組及運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流電壓轉(zhuǎn)換器。電子開(kāi)關(guān)組受輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)D0~D7控制，當(dāng)某一位為“1”時(shí)，電子開(kāi)關(guān)閉合，當(dāng)某一位為“0”時(shí)，則電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。D/A轉(zhuǎn)換基本原理R-2R網(wǎng)絡(luò)型DA轉(zhuǎn)換器主要由三85根據(jù)模擬電子技術(shù)知識(shí)，可知這個(gè)電路并不實(shí)用，原因是各電阻相差太大，不宜集成。但這個(gè)電路給出了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想，實(shí)用電路原理都是以此為依據(jù)制作的。D/A轉(zhuǎn)換基本原理根據(jù)模擬電子技術(shù)知識(shí)，可知D/A轉(zhuǎn)換基本原理86典型芯片-DAC0832介紹DAC0832是一個(gè)八位D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間1微秒，結(jié)構(gòu)如下：輸出為模擬電流，可轉(zhuǎn)換為電壓。LE1或LE2=1，當(dāng)前寄存器的輸出跟隨輸入LE1或LE2=0，鎖存數(shù)據(jù)典型芯片-DAC0832介紹DAC0832是一個(gè)八位D/A轉(zhuǎn)87下圖是DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，說(shuō)明各部分的功能及作用DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1、“8位輸入寄存器”用于存放CPU送來(lái)的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由LE1控制；2、“8位DAC寄存器”存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由LE2控制；3、“8位D/A轉(zhuǎn)換電路”由R-2R型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開(kāi)關(guān)組成，R-2R型電阻網(wǎng)絡(luò)輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。4、寄存器輸出控制邏輯電路由3個(gè)與門(mén)電路組成，該邏輯電路的功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存控制，當(dāng)/LE1(/LE2)=0時(shí)，輸入數(shù)據(jù)被鎖存；/LE1(/LE2)=1時(shí)，寄存器的輸出跟隨輸入數(shù)據(jù)變化。下圖是DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，說(shuō)明各部分的功能及作用DA88DAC0832功能分析DI0-DI7：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入CS：片選信號(hào)ILE，WR1：控制輸入寄存器ILE=1，WR1=0時(shí)：直通ILE=1，WR1=1時(shí)：鎖存因此，DAC0832可以有三種工作形式：直通、單級(jí)鎖存、兩級(jí)鎖存。XFER，WR2：控制DAC寄存器XFER=0，WR2=0時(shí)：直通XFER=1orWR2=1時(shí)：鎖存DAC0832功能分析DI0-DI7：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入ILE，W89D/A轉(zhuǎn)換器的種類及特點(diǎn)D/A轉(zhuǎn)換器的種類及特點(diǎn)90D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率越高，對(duì)輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。輸出形式：電壓輸出形式或電流輸出形式。電流輸出的D/A轉(zhuǎn)換器，如需模擬電壓輸出，可在其輸出端加一個(gè)I-V轉(zhuǎn)換電路。輸出信號(hào)范圍：一般輸出電壓范圍0~5V，0~10V，-5V~+5V，-10V~+10V等；一般輸出電流的范圍0~20mA。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)91D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次DA轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。不同型號(hào)、不同分辨率的器件，其轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)短相差很大，可能為幾十納秒到幾微秒。工作溫度范圍：由于溫度會(huì)對(duì)運(yùn)算放大器和電阻解碼網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生影響，所以只有在一定的溫度范圍內(nèi)才能保證額定的轉(zhuǎn)換指標(biāo)。較好的轉(zhuǎn)換器件工作溫度為-40℃~85℃，較差者為0℃~70℃。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)92D／A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性DAC是系統(tǒng)或設(shè)備中的一個(gè)功能學(xué)元，當(dāng)把它接人系統(tǒng)或設(shè)備中與其他器件發(fā)生關(guān)系時(shí)，對(duì)不同用途的場(chǎng)合，它的輸入/輸出端有不同的要求。表示一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器輸入/輸出特性的有以下幾個(gè)方面：輸入/輸出緩沖能力、輸入碼制、輸入數(shù)據(jù)的寬度、是電流型還是電壓型、是單極性輸出還是多極性輸出等。D／A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性DAC是系統(tǒng)或設(shè)備中的一個(gè)功能93D／A轉(zhuǎn)換器選擇要點(diǎn)

在選用D/A芯片時(shí)，首先根據(jù)用戶需要，合理選擇轉(zhuǎn)換速度、精度及分辨率以滿足設(shè)計(jì)任務(wù)所要求的技術(shù)指標(biāo)。但要注意到，一般情況下，位數(shù)愈多精度愈高，其轉(zhuǎn)換的時(shí)間愈長(zhǎng)；如果要求高速度又高精度，則芯片價(jià)格也就愈昂貴。其次是看芯片內(nèi)部是否帶有數(shù)據(jù)輸入緩沖器，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)特別重要。D／A轉(zhuǎn)換器選擇要點(diǎn)在選用D/A芯片時(shí)，首先94功率驅(qū)動(dòng)接口在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件往往是功率較大的機(jī)電設(shè)備，如電磁鐵、電磁閥、各類電動(dòng)機(jī)、液動(dòng)機(jī)及氣缸等。微機(jī)控制系統(tǒng)后向通道輸出的控制信號(hào)(數(shù)字量或模擬量)需要通過(guò)與執(zhí)行元件相關(guān)的功率放大器才能對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的控制。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，功率放大器被稱為功率驅(qū)動(dòng)接口，其主要功能是把微機(jī)系統(tǒng)后向通道輸出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作的具有一定電壓和電流的強(qiáng)電功率信號(hào)或液壓氣動(dòng)信號(hào)。功率驅(qū)動(dòng)接口在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件往往是功率較大的機(jī)95功率驅(qū)動(dòng)接口的分類和組成形式功率驅(qū)動(dòng)接口的組成原理及結(jié)構(gòu)類型與控制方式、執(zhí)行元件的機(jī)電特性及選用的電力電子器件密切相關(guān)，因此有不同的分類方式。

根據(jù)功率驅(qū)動(dòng)接口選用的功率器件，功率驅(qū)動(dòng)接口可分為功率晶體管、晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管及專用功率驅(qū)動(dòng)集成電路等多種類型。功率驅(qū)動(dòng)接口功率驅(qū)動(dòng)接口的分類和組成形式功率驅(qū)動(dòng)接口96

根據(jù)控制方式，功率驅(qū)動(dòng)接口分為鎖相傳動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)接口、脈沖寬度調(diào)制型功率驅(qū)動(dòng)接口、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)差調(diào)速功率驅(qū)動(dòng)接口及變頻調(diào)速功率驅(qū)動(dòng)接口等。

根據(jù)負(fù)載的供電特性，功率驅(qū)動(dòng)接口可分為直流輸出和交流輸出兩類，其中交流輸出功率驅(qū)動(dòng)接口又分為單相交流輸出和三相交流輸出。功率驅(qū)動(dòng)接口根據(jù)控制方式，功率驅(qū)動(dòng)接口分為鎖相傳動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)接97開(kāi)關(guān)型功率接口

在開(kāi)關(guān)型功率接口中，微機(jī)輸出的是開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)，執(zhí)行元件工作于低頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如電磁閥、電磁鐵、機(jī)器主電動(dòng)機(jī)、電熱器件、電光器件等。這類接口一般采用晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)或繼電器電路切換的方法。常用的開(kāi)關(guān)型功率接口主要有：光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口、晶閘管接口、繼電器輸出接口、固態(tài)繼電器接口、大功率場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)接口。功率驅(qū)動(dòng)接口開(kāi)關(guān)型功率接口功率驅(qū)動(dòng)接口981．光電藕合器

在控制微機(jī)和功率放大電路之間，常使用光電藕合器。光電藕合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，當(dāng)發(fā)光二極管二端加正向電壓時(shí)被點(diǎn)亮，照射光敏晶體管使之導(dǎo)通，產(chǎn)生輸出信號(hào)。1．光電藕合器99光電耦合器的特點(diǎn)：

①光電藕合器的信號(hào)傳遞采取電-光-電形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，因此其絕緣電阻可高達(dá)1010

以上，并能承受200OV以上的高壓，被耦合的兩個(gè)部分可以自成系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)電部分和弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機(jī)。

②光電藕合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件，能夠吸收尖峰干擾信號(hào)，所以具有很強(qiáng)的抑制干擾能力。

③光電藕合器作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，具有耐用、可靠性高和高速等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為數(shù)微秒以內(nèi)，高速型光電藕合器的響應(yīng)時(shí)間甚至小于10ns。光電耦合器的特點(diǎn)：100在接口電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮光電藕合器的兩個(gè)參數(shù):電流傳輸比與時(shí)間延遲。電流傳輸比是指光電晶體管的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的電流Ii之比。時(shí)間延遲是指光電藕合器在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的延遲時(shí)間。在接口電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮光電藕合器的兩個(gè)參數(shù):電101

右圖中，當(dāng)8031的P1.0為低電平時(shí)，設(shè)發(fā)光二極管中的電流為10mA，由于4N25的電流傳輸比≥20%，所以光敏晶體管中的電流Ic≥2mA，大功率晶體管把這個(gè)電流放大就可以帶動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等負(fù)載。Vc+5v（來(lái)自微機(jī)）輸入信號(hào)GR1Vc+12v輸出信號(hào)R2P1.080314N25右圖中，當(dāng)8031的P1.0為低電平時(shí)，設(shè)發(fā)光二102功率驅(qū)動(dòng)接口晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路

晶閘管是目前應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體功率元件之一，具有弱電控制，強(qiáng)電輸出的特點(diǎn)。它可用于電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)控制、電磁閥控制以及大功率繼電器觸發(fā)的控制，具有開(kāi)關(guān)無(wú)噪聲、可靠性高、體積小的特點(diǎn)。采用晶體管做成的各種固態(tài)繼電器(SSR)已成為開(kāi)關(guān)型功率接口優(yōu)先選用的功率器件。晶閘管的型號(hào)和品種十分齊全，常用的有單向晶閘管SCR、雙向晶閘管和可關(guān)斷晶閘管GTO三種結(jié)構(gòu)類型。功率驅(qū)動(dòng)接口晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路103

晶閘管功率接口電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)，微機(jī)輸出的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)通常經(jīng)脈沖變壓器或光電藕合后加到晶閘管上。

單向晶閘管又稱可控硅整流器，其最大特點(diǎn)是有截止和導(dǎo)通兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)(開(kāi)關(guān)作用)，同時(shí)又具有單向?qū)щ姷恼髯饔谩Ｍㄟ^(guò)它可以用小的功率信號(hào)控制大功率設(shè)備，因此在交直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、調(diào)功、伺服控制及無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等方面均有廣泛的應(yīng)用。功率驅(qū)動(dòng)接口晶閘管功率接口電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是觸發(fā)電104(1)單向晶閘管(SCR)

符號(hào)和原理如右圖所示。SCR有三個(gè)極，分別為陽(yáng)極A陰極K和控制極G(又稱門(mén)極)從物理結(jié)構(gòu)看，它是一個(gè)PNPN器件，其工作原理可以用一個(gè)PNP晶體管和一個(gè)NPN晶體管的組合來(lái)加以說(shuō)明。SCR有截止和導(dǎo)通兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可以由導(dǎo)通條件和關(guān)斷條件來(lái)說(shuō)明。

功率驅(qū)動(dòng)接口(1)單向晶閘管(SCR)功率驅(qū)動(dòng)接口105

導(dǎo)通條件是指晶閘管從阻斷到導(dǎo)通所需的條件，這個(gè)條件是在晶閘管的陽(yáng)極加上正向電壓，同時(shí)在控制極加上正向電壓。關(guān)斷條件是指晶閘管從導(dǎo)通到阻斷所需要的條件。晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極對(duì)晶閘管就不起控制作用了。只有當(dāng)流過(guò)晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需的電流(維持電流)時(shí)，晶閘管才關(guān)斷。功率驅(qū)動(dòng)接口導(dǎo)通條件是指晶閘管從阻斷到導(dǎo)通所需的條106(2)

雙向晶閘管(TRIAC)

雙向晶閘管是雙向?qū)ǖ?，它從一個(gè)方向過(guò)零進(jìn)入反向阻斷狀態(tài)只是一個(gè)十分短暫的過(guò)程，當(dāng)負(fù)載是感性負(fù)載時(shí)(如電樞)，由于電流滯后于電壓，有可能使電壓過(guò)零時(shí)電流仍存在，從而導(dǎo)致雙向晶閘管失控(不關(guān)斷)。為使雙向晶閘管正常工作，應(yīng)在其兩主電極A1與A2間加RC電路。功率驅(qū)動(dòng)接口(2)雙向晶閘管(TRIAC)雙向晶閘管是雙向?qū)?07(3)門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其符號(hào)如下圖。當(dāng)門(mén)極加上正控制信號(hào)時(shí)GTO導(dǎo)通，門(mén)極加上負(fù)控制信號(hào)時(shí)GTO截止。GTO是一種介于普通晶閘管和大功率晶體管之間的電力電子器件，它既像SCR那樣耐高壓、通過(guò)電流大、價(jià)格便宜，又像GTR那樣有自關(guān)斷能力、工作頻率高、控制功率小、線路簡(jiǎn)單、使用方便。功率驅(qū)動(dòng)接口(3)門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)功率驅(qū)動(dòng)接口108(4)

光控晶閘管

是把光電藕合器件與雙向晶閘管結(jié)合到一起形成的集成電路，其典型產(chǎn)品有MOC3041、MOC3021等。光控晶閘管的輸入電流一般為l0～100mA，輸入端反向電壓一般為6V；輸出電流一般為1A，輸出端耐壓一般為400～600V。光控晶閘管是特種晶閘管，大多用于驅(qū)動(dòng)大功率的雙向晶閘管。功率驅(qū)動(dòng)接口(4)光控晶閘管功率驅(qū)動(dòng)接口109(5)

溫控晶閘管

是一種小功率晶閘管，其輸出電流一般為100mA左右。溫控晶閘管的開(kāi)關(guān)特性與普通晶閘管相同，性能優(yōu)于熱敏電阻、PN結(jié)溫度傳感器。溫控晶閘管的溫度特性是負(fù)特性，也就是說(shuō)當(dāng)溫度升高時(shí)，正向溫控晶閘管的門(mén)檻電壓會(huì)降低。用溫控晶閘管可實(shí)現(xiàn)溫度的開(kāi)關(guān)控制，在溫控晶閘管的門(mén)極和陽(yáng)極或陰極之間加上適當(dāng)器件，如電位器、光敏管、熱敏電阻等，可以改變晶閘管導(dǎo)通溫度值。溫控晶閘管也是特種晶閘管，一般用于50V以下的低壓場(chǎng)合。功率驅(qū)動(dòng)接口(5)溫控晶閘管功率驅(qū)動(dòng)接口110功率晶體管（GTR）

功率晶體管是指在大功率范圍應(yīng)用的晶體管，有時(shí)也稱為電力晶體管。GTR是20世紀(jì)70年代后期的新產(chǎn)品，它把傳統(tǒng)雙極晶體管的應(yīng)用范圍由弱電擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域，在中小功率領(lǐng)域有取代功率晶閘管的趨勢(shì)。與晶閘管相比，GTR不僅可以工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也可以工作在模擬狀態(tài)；GTR的開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)大于晶閘管，并且控制比晶閘管容易；其缺點(diǎn)是價(jià)格高于晶閘管。功率驅(qū)動(dòng)接口功率晶體管（GTR）功率驅(qū)動(dòng)接口111C絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

C絕緣柵雙極晶體管是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的新型復(fù)合器件，它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。功率驅(qū)動(dòng)接口C絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功率驅(qū)動(dòng)接口112繼電器輸出接口

繼電器廣泛用于生產(chǎn)控制和電力系統(tǒng)中，其作用是利用它的常閉和常開(kāi)觸點(diǎn)進(jìn)行電路的切換。其顯著特點(diǎn)為接觸電阻小、流過(guò)電流大、耐高壓和價(jià)格低等，特別適用于大電流高電壓的使用場(chǎng)合。而小型繼電器在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和精密測(cè)量電路中應(yīng)用廣泛。可以通斷大電流（10A以上）和高電壓的繼電器又稱之為接觸器。

常用的繼電器主要是中間繼電器，也稱為電磁式繼電器。

根據(jù)其工作電壓的不同，可以分為直流繼電器和交流繼電器。注意：這里的工作電壓是指繼電器線圈的工作電壓。繼電器輸出接口繼電器廣泛用于生產(chǎn)控制和電力系113直流電磁式繼電器功率接口 一般用功率接口集成電路或晶體管驅(qū)動(dòng)。在使用較多繼電器的系統(tǒng)中，可用功率接口集成電路驅(qū)動(dòng)

常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直流繼電器。 直流電磁式繼電器功率接口114

繼電器的動(dòng)作由單片機(jī)8031的P1.0端控制，二極管D的作用是保護(hù)晶體管T。P1.0端輸出低電平時(shí)，繼電器J吸合，當(dāng)繼電器J吸合時(shí)，二極管D截止，不影響電路工作。P1.0端輸出高電平時(shí)，繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線圈存在電感，這時(shí)晶體管T已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，極性是上負(fù)下正。第5章機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口與電磁兼容技術(shù)課件115

固體繼電器簡(jiǎn)稱SSR，是一種采用固體半導(dǎo)體元件組裝而成的新穎的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。其輸入電流小，用TTL、HTL、CMOS等集成電路或加簡(jiǎn)單輔助電路就可以直接驅(qū)動(dòng)，因此，在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件，其輸出利用晶體管或可控硅驅(qū)動(dòng)，無(wú)觸點(diǎn)。固態(tài)繼電器接口

與普通繼電器相比，SSR體積小，開(kāi)關(guān)速度快，無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，沒(méi)有機(jī)械磨損，不怕有害氣體腐蝕，沒(méi)有機(jī)械噪聲，耐振動(dòng)、沖擊，使用壽命長(zhǎng)。它在通斷時(shí)沒(méi)有火花和電弧，有利于防爆，干擾小。固體繼電器簡(jiǎn)稱SSR，是一種采用固體半導(dǎo)體元116固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理

SSR由耦合電路、觸發(fā)電路、開(kāi)關(guān)電路、過(guò)零控制電路和吸收電路五部分構(gòu)成。這五部分被密封在一個(gè)六面體外殼內(nèi)，外面有4個(gè)引腳線（ACSSR）或5個(gè)引腳線（部分DCSSR）。若是過(guò)零型SSR就包括過(guò)零控制，否則沒(méi)有。吸收電路用于防止從電源傳來(lái)的尖峰電壓和浪涌電流對(duì)開(kāi)關(guān)器件的沖擊和干擾。

SSR的工作原理可以用一句話概括為：在輸入端加控制信號(hào)就可以控制輸出端的通與斷，完成開(kāi)關(guān)功能。

固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理SSR由耦合電路117固態(tài)繼電器的主要特點(diǎn)（1）輸入功率小：由于其輸入端采用的是光電耦合器，其驅(qū)動(dòng)電流僅需幾個(gè)毫安便能可靠地控制，所以一般可以用TTL、HTL、COMS電路直接驅(qū)動(dòng)；

（2）高可靠性：由于沒(méi)有直接接觸點(diǎn)，無(wú)抖動(dòng)和回跳現(xiàn)象，無(wú)機(jī)械噪聲，耐潮、耐振、耐腐蝕，無(wú)觸點(diǎn)火花，可以用在有易燃易爆介質(zhì)的場(chǎng)合；

（3）低電磁噪聲；

（4）能承受的浪涌電流大；

（5）對(duì)電源的適應(yīng)能力強(qiáng)：交流SSR的電源可在30V～220V間選擇；

（6）抗干擾能力強(qiáng)。固態(tài)繼電器的主要特點(diǎn)（1）輸入功率?。河捎谄漭斎攵瞬捎玫氖枪?18固態(tài)繼電器的分類

固態(tài)繼電器一般是一種四端元件，兩端輸入、兩端輸出，它們之間用光電耦合器隔離。（1）以負(fù)載電源類型分類：可分為直流型（DCSSR）和交流型（ACSSR）。直流型一般用功率晶體管作開(kāi)關(guān)元件；交流型一般用雙向晶閘管來(lái)作開(kāi)關(guān)元件。

（2）以開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的形式分類：常開(kāi)式和常閉式，目前市場(chǎng)上以常開(kāi)式為主。

（3）以控制觸發(fā)信號(hào)的形式分類：可分為過(guò)零型和非過(guò)零型。固態(tài)繼電器的分類固態(tài)繼電器一般是一種四端元件119直流型SSR

結(jié)構(gòu)與工作原理如下圖直流型SSR120

直流SSR主要用于直流負(fù)載的場(chǎng)合輸出工作電壓30--180V（5V開(kāi)始工作）SSR控制步進(jìn)電機(jī)（下圖）。PCx=1時(shí)導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)繞組通電。保護(hù)二極管步進(jìn)電機(jī)繞組C直流SSR主要用于直流負(fù)載的場(chǎng)合保護(hù)步進(jìn)電機(jī)繞組C121二、交流型SSR

用可控硅作開(kāi)關(guān)器件。分為過(guò)零型和移相型兩類。用于控制交流大功率設(shè)備，如控制交流電動(dòng)機(jī)、交流電磁閥等。SSR結(jié)構(gòu)與工作原理如下圖二、交流型SSR122交流SSR輸出波形如下圖所示非過(guò)零型導(dǎo)通時(shí)間立即導(dǎo)通過(guò)零型導(dǎo)通時(shí)間過(guò)零型導(dǎo)通時(shí)間關(guān)斷時(shí)間相同，在過(guò)零時(shí)交流電源波形控制信號(hào)SSR兩端的電壓在導(dǎo)通時(shí)為0。非過(guò)零型SSR，加上控制信號(hào)便導(dǎo)通必須在負(fù)載電源電壓接近零且輸入控制信號(hào)有效,負(fù)載才導(dǎo)通交流SSR輸出波形如下圖所示非過(guò)零型導(dǎo)通123交流SSR控制交流電機(jī)原理圖如下圖所示。

RP、CP組成浪涌電壓保護(hù)電路（對(duì)50Hz的阻抗約為32K），RM為壓敏電阻，用作過(guò)壓保護(hù)（保護(hù)SSR）。PC0=0，A繞組通電電機(jī)正轉(zhuǎn)；PC0=1，B繞組通電電機(jī)反轉(zhuǎn)交流固態(tài)繼電器交流SSR控制交流電機(jī)原理圖如下圖所示。124固態(tài)繼電器使用注意事項(xiàng)（1）SSR存在通態(tài)壓降和斷態(tài)通電流，其通態(tài)壓降一般小于2V，斷態(tài)通電流通常為5～10mA，使用時(shí)要考慮這兩個(gè)參數(shù)，否則在控制小功率執(zhí)行器時(shí)易產(chǎn)生誤動(dòng)作；

（2）SSR的電流容量負(fù)載能力隨溫度升高而下降，所以在特別注意在高溫場(chǎng)合的使用；

（3）固態(tài)繼電器的過(guò)載能力差，選擇SSR時(shí)要留有余量；

（4）輸出端負(fù)載短路會(huì)損害SSR，應(yīng)特別注意避免。為防止引起過(guò)流，可以采用快速熔斷器，使熔斷器電流有效值與SSR的額定值相等，同時(shí)，SSR也要留有余量。固態(tài)繼電器使用注意事項(xiàng)（1）SSR存在通態(tài)壓降和斷態(tài)通電流，125

場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)：輸入阻抗高、關(guān)斷漏電流小、響應(yīng)快，體積小、價(jià)格低。

IRF系列場(chǎng)效應(yīng)管特性：電流從幾毫安---幾十安；耐壓從幾十伏---幾百伏。

使用時(shí)注意加光電保護(hù)，如用4N25等光電隔離器。G：柵極，控制端；D：漏極，接電源正極S：源極，接電源負(fù)極

主要用于直流設(shè)備大功率場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)接口大功率場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)接口126大功率場(chǎng)效應(yīng)管控制步進(jìn)電機(jī)原理圖

場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)為IRF640，PCx為1時(shí)對(duì)應(yīng)繞組導(dǎo)通，為0時(shí)對(duì)應(yīng)繞組關(guān)閉。 三個(gè)繞組按規(guī)律交替導(dǎo)通，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)。場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)光電隔離器浪涌電壓保護(hù)電路，保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管步進(jìn)電機(jī)繞組A保護(hù)二極管大功率場(chǎng)效應(yīng)管控制步進(jìn)電機(jī)原理圖場(chǎng)效應(yīng)127大功率場(chǎng)效應(yīng)管相對(duì)雙極性功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)①由于大功率場(chǎng)效應(yīng)管是多數(shù)載流子導(dǎo)電，因而不存在少數(shù)載流子的儲(chǔ)存效應(yīng)，從而有較高的開(kāi)關(guān)速度；②具有較寬的安全工作區(qū)而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，同時(shí)，由于它具有正的電阻溫度系數(shù)，所以容易進(jìn)行并聯(lián)使用；③有較高的閾值電壓，因此有較高的的噪聲容限和抗干擾能力；④具有較高的可靠性和較強(qiáng)的過(guò)載能力，短時(shí)過(guò)載能力通常為額定值的4倍；⑤由于它是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動(dòng)電流小，接口簡(jiǎn)單。大功率場(chǎng)效應(yīng)管相對(duì)雙極性功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)①由于大功率場(chǎng)效應(yīng)管128步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)接口步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，必須配以相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源（驅(qū)動(dòng)器）才能正常工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器主要由環(huán)形分配器和功率放大器組成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)接口步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到交直流電源上工作129步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成130①脈沖分配器（環(huán)形分配器）作用：將來(lái)自控制環(huán)節(jié)的時(shí)鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組，使其按一定的順序和時(shí)間通電或斷電。周期性，可逆性

實(shí)現(xiàn)方法軟環(huán)分配器、小規(guī)模集成電路環(huán)形分配器、專用環(huán)形分配器①脈沖分配器（環(huán)形分配器）131軟環(huán)形分配器由控制裝置中的軟件完成環(huán)形分配器的功能，直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)各繞組的通、斷電。用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的環(huán)形分配程序，可使線路簡(jiǎn)化，成本下降，可靈活地改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案?？刂蒲b置電源A相驅(qū)動(dòng)B相驅(qū)動(dòng)C相驅(qū)動(dòng)CBAM并行法光電隔離軟環(huán)形分配器由控制裝置中的軟件完成環(huán)形分配器的功能，直接驅(qū)動(dòng)132軟環(huán)形分配器

以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器為例，說(shuō)明查表法工作原理。

決定脈沖頻率軟環(huán)形分配器以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器為例，說(shuō)明查表133硬件環(huán)形分配器環(huán)形分配器的功能由硬件邏輯電路來(lái)完成，控制裝置只提供頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)CLK和方向信號(hào)DIR等。如小規(guī)模集成電路環(huán)形分配器、專用環(huán)形分配器控制裝置電源環(huán)形分配器A相驅(qū)動(dòng)B相驅(qū)動(dòng)C相驅(qū)動(dòng)DIRCLKM串行法硬件環(huán)形分配器環(huán)形分配器的功能由硬件邏輯電路來(lái)完成，控制裝置134專用環(huán)形分配器CH250是國(guó)產(chǎn)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器專用集成電路芯片，通過(guò)控制端的不同接法可組成三相雙三拍和三相六拍的工作方式。三相六拍接線圖專用環(huán)形分配器CH250是國(guó)產(chǎn)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配135CH250真值表CH250真值表136②功率放大電路作用：是將環(huán)形分配器或微處理機(jī)送來(lái)的弱電信號(hào)變?yōu)閺?qiáng)電信號(hào)，以得到步進(jìn)電機(jī)控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特性在很大程度上取決于功率驅(qū)動(dòng)器的性能，對(duì)每一相繞組來(lái)說(shuō)，理想的功率驅(qū)動(dòng)器，在高頻時(shí)應(yīng)使通過(guò)繞組的電流脈沖盡量接近矩形波，低頻時(shí)應(yīng)使繞組電流波形的上升沿及下降沿盡量平緩。步進(jìn)電機(jī)有m相，則應(yīng)有m路功率放大電路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源有電壓型和電流型兩種。電壓型驅(qū)動(dòng)方式又包括單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)；電流型驅(qū)動(dòng)方式中有恒流驅(qū)動(dòng)和斬波驅(qū)動(dòng)。②功率放大電路137A.單電壓驅(qū)動(dòng)電路單電壓驅(qū)動(dòng)線路簡(jiǎn)單，成本低，但效率低。由于其性能較差，在實(shí)際中應(yīng)用較少，只在小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用。A.單電壓驅(qū)動(dòng)電路單電壓驅(qū)動(dòng)線路簡(jiǎn)單，成本低，但效率低。由138B.雙電壓驅(qū)動(dòng)雙電壓驅(qū)動(dòng)效率高，電流上升率高，高速運(yùn)行性能好。但有時(shí)電流波形陡峭會(huì)引發(fā)過(guò)沖，諧波成分豐富，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)尤其在低速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大。主要用于大功率和高頻工作的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。B.雙電壓驅(qū)動(dòng)雙電壓驅(qū)動(dòng)效率高，電流上升率高，高速運(yùn)行性能139C.恒流源功率驅(qū)動(dòng)電路由于恒流源的動(dòng)態(tài)電阻很大，故繞組可在較低的電壓下取得較高的電流上升率，因而可用于較高頻率的驅(qū)動(dòng)。由于電源電壓較低，功耗減小，效率得到提高。C.恒流源功率驅(qū)動(dòng)電路由于恒流源的動(dòng)態(tài)電阻很大，故繞組可在140D.細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分驅(qū)動(dòng)在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小。由于步距角變小，轉(zhuǎn)子到達(dá)新穩(wěn)定點(diǎn)所具有的動(dòng)能也變小，使振動(dòng)明顯減小，運(yùn)行平穩(wěn)。細(xì)分電路不但能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，而且能保持系統(tǒng)原有的快速性。此外還能提高步進(jìn)電機(jī)在低頻段運(yùn)行的平滑性。D.細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分驅(qū)動(dòng)在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能141③步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型輸出電流輸出電壓輸入電