第二章过程输入输出通道课件

第2章 过程输入输出通道 2.1 2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复2.2 2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道2.3 2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道2.4 2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道2.2.1 2.2.1 模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成2.2.2 2.2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道2.2.3 2.2.3 典型典型A AD D转换器与微机的接口设计转换器与微机的接口设计2.2.1 模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成框图模拟量输入通道的一般组成框图1信号调理电路信号调理电路 信号调理电路主要对来自现场的多路模拟信号进行小信号信号调理电路主要对来自现场的多路模拟信号进行小信号放大、放大、滤波、隔离、电平转换、阻抗匹配、非线性补偿和电流滤波、隔离、电平转换、阻抗匹配、非线性补偿和电流/电压转换电压转换等。等。电流信号：一般为电流信号：一般为010mA（01.5k负载）或负载）或420mA（0500负负载）。载）。电压信号：一般为电压信号：一般为05V或或15V信号。信号。传感器输出的信号包括：传感器输出的信号包括：电压信号：一般为电压信号：一般为mV或或V信号。信号。电阻信号：单位为电阻信号：单位为，如热电阻（，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成）信号，通过电桥转换成mV信号。信号。电流信号：一般为电流信号：一般为mA或或A信号。信号。变送器输出的信号包括：变送器输出的信号包括：对于较小的电压信号对于较小的电压信号:需要经过模拟量输入通道中的需要经过模拟量输入通道中的放大器放大器放大后，变换成标放大后，变换成标准电压信号（如准电压信号（如05V，15V，010V，-5+5V等），再等），再经滤波后才能送入经滤波后才能送入A/D转换器。转换器。而对于电流信号而对于电流信号:应该通过应该通过I/V（电流（电流/电压）变换电路电压）变换电路，将电流信号转，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。转换器。无源无源I/V（电流（电流/电压）变换电路电压）变换电路有源有源I/V（电流（电流/电压）变换电路电压）变换电路2多路模拟开关多路模拟开关 当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或地或随机地连接到公用放大器或AD转换器上，实现对各个输入通道的分转换器上，实现对各个输入通道的分时控制。时控制。目前采用目前采用CMOS工艺的多路开关应用最为广泛。工艺的多路开关应用最为广泛。多路模拟开关参数：通道数、开关电阻、漏电流、输入电压等多路模拟开关参数：通道数、开关电阻、漏电流、输入电压等 它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组成它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组成及工作原理基本相同。及工作原理基本相同。CD4051-单端、双向单端、双向8路模拟开关路模拟开关CBA选中通道号00000000110010200113010040101501106011171无 VDD为正电源，为正电源，VEE为负电源，为负电源，VSS为地，要求为地，要求VDD+|VEE|18V。两个两个CD4051扩展成扩展成16通道的多路模拟开关通道的多路模拟开关16通道的多路模拟开关真值表：输入状态选中通道号A3A2A1A0000000001100102001130100401015011060111710008100191010101011111100121101131110141111154采样采样/保持器保持器 A/D转换器需要一定的时间才能完成一次转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此转换，因此在进行在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样转换器之前加入采样/保持器保持器S/H（Sample Hold）。）。如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间转换时间较快，使得在较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，不必再选用采样转换精度内，不必再选用采样/保持器。保持器。（1）采样）采样/保持器的工作原理保持器的工作原理 S/H主要由主要由模拟开关模拟开关、保持电容保持电容C和和缓冲放大器缓冲放大器组成。组成。当控制信号为低电平时（当控制信号为低电平时（采样状态采样状态），开关），开关S闭合，输入信号通过闭合，输入信号通过电阻电阻R向电容向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。快速充电，输出电压随着输入信号变化。当控制信号为高电平时（当控制信号为高电平时（保持状态保持状态），开关），开关S断开，由于电容断开，由于电容C此此时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。上的电压值。在采样期间，不启动在采样期间，不启动A/D转换器，一旦进入保持期间，立即启动转换器，一旦进入保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证转换器，从而保证A/D转换的模拟输入电压恒定，提高了转换的模拟输入电压恒定，提高了A/D转换的精转换的精度。度。（2）常用的采样）常用的采样/保持器保持器 常用的采样常用的采样/保持器集成电路有保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/298/398等。下面以等。下面以LF398为例，介绍集成电路为例，介绍集成电路S/H的的工作原理，其他的工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。的原理与其大致相同。LF398是一种反馈型采样是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样保持器，也是较为通用的采样/保持器，与保持器，与LF398结构相同的还有结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10s，输入阻抗为，输入阻抗为1010，保持电容为，保持电容为1F时，其下降速度为时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源范。双电源供电，电源范围宽，可以从围宽，可以从5V到到18V，并可与，并可与TTL、PMOS和和CMOS兼容。兼容。LF398引脚排列图引脚排列图 V+、V-：正负电源电压输入引脚，输：正负电源电压输入引脚，输入范围为入范围为5V到到18V。OFFSET ADJ：偏置调整引脚。可用：偏置调整引脚。可用外接电阻调整采样外接电阻调整采样-保持器的偏差。保持器的偏差。VIN：输入引脚。：输入引脚。VOUT：输出引脚。：输出引脚。CH：保持电容引脚。用来外接保持电：保持电容引脚。用来外接保持电容。容。LOGIC REF：参考逻辑电平。：参考逻辑电平。LOGIC：输入控制逻辑。：输入控制逻辑。LF398典型的电源和信号的接法典型的电源和信号的接法CH的数值直接影响采样时间及保持精度，的数值直接影响采样时间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电容为了提高精度，就需要增加保持电容CH的容量，但的容量，但CH增大时又会使其采样时间增大时又会使其采样时间加长。加长。因此，当精度要求不高（因此，当精度要求不高（1%）而速度）而速度要求较高时，要求较高时，CH可小至可小至100Pf。当精度。当精度要求高（要求高（0.01%）时，应取）时，应取CH=1000pF。当。当CH 400pF时，采样时间时，采样时间tAC与与CH有经验公式有经验公式tAC=CH/40 式中，式中，CH为保持电容的容量，单位为为保持电容的容量，单位为F；tAC为采样时间，单位为为采样时间，单位为s。2.2.2 A/D转换器转换器接口逻辑设计要点接口逻辑设计要点 A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，是模拟量输入通道必转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，是模拟量输入通道必不可少的器件。常用的不可少的器件。常用的AD转换器从转换原理上可分为转换器从转换原理上可分为逐次逼近型逐次逼近型、计数计数比较型比较型和和双积分型双积分型。从分辨率上可分为。从分辨率上可分为8位、位、12位、位、16位等；位等；1数字量输出信号的连接数字量输出信号的连接 A/D转换器数字量输出引脚和转换器数字量输出引脚和8位单片微型计算机的连接方法与其内位单片微型计算机的连接方法与其内部结构有关。部结构有关。如果转换器的数据输出寄存器具有三态锁存功能，则如果转换器的数据输出寄存器具有三态锁存功能，则AD转换器的转换器的数字量输出引脚可直接接到数字量输出引脚可直接接到CPU的数据总线上，转换结束，的数据总线上，转换结束，CPU可以直可以直接读入数据。接读入数据。对于对于10位以上的位以上的AD转换器，输出数据寄存器增加了转换器，输出数据寄存器增加了读数控制逻辑读数控制逻辑电路，把电路，把10位以上的数据分时读出。位以上的数据分时读出。对于对于内部不包含读数据控制逻辑内部不包含读数据控制逻辑电路的电路的AD转换器，应增设转换器，应增设三态门三态门对转换后数据进行锁存，以便控制对转换后数据进行锁存，以便控制10位以上的数据分两次进行读取。位以上的数据分两次进行读取。2A/D转换器的启动方式转换器的启动方式 任何一个任何一个AD转换器都必须在外部启动信号的作用下才能开始工作，转换器都必须在外部启动信号的作用下才能开始工作，启动方式分启动方式分脉冲启动脉冲启动和和电平控制启动电平控制启动两种。两种。脉冲启动转换只需给脉冲启动转换只需给AD转换器的启动控制转换的输入引脚上，加转换器的启动控制转换的输入引脚上，加一个符合要求的脉冲信号即可，如一个符合要求的脉冲信号即可，如ADC0809、ADC80、ADC1210等均属等均属此列。此列。电平控制转换的电平控制转换的AD转换器，当把符合要求的电平加到控制转换输转换器，当把符合要求的电平加到控制转换输入引脚上时，立即开始转换，而且此电平应保持在转换的全过程中，否则入引脚上时，立即开始转换，而且此电平应保持在转换的全过程中，否则将会中止转换的进行。因此，该电平一般需由将会中止转换的进行。因此，该电平一般需由D触发器锁存供给，例如，触发器锁存供给，例如，AD570、AD571、AD574等均是如此。等均是如此。3转换结束信号的处理方式转换结束信号的处理方式 当当AD转换结束时，转换结束时，AD转换器芯片内部的转换结束触转换器芯片内部的转换结束触发器置位，并输出转换结束标志电平，以通知主机读取转换结发器置位，并输出转换结束标志电平，以通知主机读取转换结果的数字量。果的数字量。主机判断主机判断AD转换结束的方法有转换结束的方法有3种：即种：即中断、查询和延中断、查询和延时时方式。这方式。这3种方式的选择往往取决于种方式的选择往往取决于AD转换器的速度和应转换器的速度和应用系统总体设计要求以及程序的安排。用系统总体设计要求以及程序的安排。AD转换器的频率是决定其转换速度的基准。整个转换器的频率是决定其转换速度的基准。整个AD转换过程都是在时钟作用下完成的。转换过程都是在时钟作用下完成的。AD转换时钟的提供方法有两种转换时钟的提供方法有两种:一种是由芯片内部提供，如一种是由芯片内部提供，如AD574A；另一种是由外部时钟提供。外部时钟少数由单独的振另一种是由外部时钟提供。外部时钟少数由单独的振荡器提供，更多的则是由荡器提供，更多的则是由CPU经时钟分频后，送至经时钟分频后，送至A/D转转换器的时钟端。换器的时钟端。4时钟信号的连接时钟信号的连接2.2.3 典型典型AD转换器与微机的接口设计转换器与微机的接口设计18位位A/D转换器与微机的接口设计转换器与微机的接口设计（1）8位位A/D转换器转换器 8通道通道A/D转换器转换器ADC0808/ADC0809。NATIONAL公司生产的公司生产的ADC0808/0809是是8位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换转换器，其分辨率是器，其分辨率是8位，两种芯片的外特性完全一样，采用位，两种芯片的外特性完全一样，采用28引脚双列直引脚双列直插式封装，不必进行零点和满度调整，功耗为插式封装，不必进行零点和满度调整，功耗为15mW。但两者的转换精。但两者的转换精度不同，度不同，ADC0808的最大不可调误差小于的最大不可调误差小于1/2LSB，ADC0809的最大的最大不可调误差小于不可调误差小于1LSB。ADC0809的内部结构图的内部结构图ADC0809地址锁存和译码OE通道选择开关ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位三态锁存缓冲器DACVcc比较器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOCCLK：时时钟钟输输入入信信号号，由由于于ADC0808/0809芯芯片片内内无无时时钟钟，所所以以必必须须靠靠外外部部提提供供时时钟钟，外外部部时时钟钟的的频频率率范范围围为为10K1280KHz。IN7IN0：8路模拟量输入路模拟量输入ADDC,ADDB,ADDA：模拟通道选择信号：模拟通道选择信号:ADDC,ADDB,ADDA=000 选择选择 IN0ADDC,ADDB,ADDA=001 选择选择 IN1 ADDC,ADDB,ADDA=111 选择选择 IN7引脚功能介绍如下引脚功能介绍如下ALE：地址锁存允许信号：地址锁存允许信号有效时锁存有效时锁存ADDCADDA的通道选择信号的通道选择信号START：A/D转换启动信号转换启动信号高电平时使内部的逐次逼近寄存器清高电平时使内部的逐次逼近寄存器清0由高由高低时开始转换低时开始转换START常常与与ALE短短接接，以以便便同同时时锁锁存存通通道道选选择择信信号号，并并开开始始A/D转换转换START和和ALE的信号宽度不小于的信号宽度不小于100sEOC：转换结束信号：转换结束信号EOC由低由低高表示转换结束高表示转换结束EOC可作为可作为CPU的中断请求信号的中断请求信号OE：输出允许信号，高电平有效：输出允许信号，高电平有效OE有效时，打开输出三态门，输出转换后的数字量有效时，打开输出三态门，输出转换后的数字量D7D0：输出数据线。：输出数据线。VREF(+)，VREF(-)：参考电压。：参考电压。VCC：工作电压：工作电压+5V一一般般VREF（+）与与Vcc连连接接在在一一起起，VREF（-）与与GND连连接接在一起。在一起。（2）8位位A/D转换器的程序设计转换器的程序设计 A/D转换器与单片机的硬件接口有转换器与单片机的硬件接口有3种方式：种方式：查询方式查询方式、延时方式延时方式和和中中断方式断方式。查询方式：查询方式：首先由首先由CPU向向A/D转换器发出启动脉冲，然后读取转换转换器发出启动脉冲，然后读取转换结束信号（如结束信号（如ADC0809的的EOC），根据转换结束信号的状态，判断），根据转换结束信号的状态，判断A/D转换是否结束，如果结束，可以读取转换是否结束，如果结束，可以读取A/D转换结果，否则继续查询，直至转换结果，否则继续查询，直至A/D转换结束。转换结束。这种方法程序设计比较简单，且可靠性高，但实时性差。但由于这种方法程序设计比较简单，且可靠性高，但实时性差。但由于大多数控制系统对于这点时间都是允许的，所以，这种方法用得最多。大多数控制系统对于这点时间都是允许的，所以，这种方法用得最多。采用查询方式时，转换结束引脚通常连接到数据线或采用查询方式时，转换结束引脚通常连接到数据线或I/O口线上。口线上。延时方式：延时方式：向向A/D发出启动脉冲后，先进行软件延时，此延时时发出启动脉冲后，先进行软件延时，此延时时间取决于间取决于A/D转换器完成转换器完成A/D转换所需要的时间（如转换所需要的时间（如ADC0809约为约为100s），经过延时后可读取数据。采用延时方式时，转换结束引脚），经过延时后可读取数据。采用延时方式时，转换结束引脚悬空。悬空。在这种方式中，为了确保转换完成，必须把时间适当延长，因在这种方式中，为了确保转换完成，必须把时间适当延长，因此，其速度比查询方式还慢，故应用较少。此，其速度比查询方式还慢，故应用较少。中断方式：中断方式：CPU启动启动A/D转换后即可转而处理其他的程序，一旦转换后即可转而处理其他的程序，一旦A/D转换结束，则由转换结束，则由A/D转换器发出一转换结束信号向转换器发出一转换结束信号向CPU申请中断，申请中断，CPU响应中断后，便读入数据。响应中断后，便读入数据。采用中断方式时，转换结束信号通常与计算机的外部中断引脚连采用中断方式时，转换结束信号通常与计算机的外部中断引脚连接（如接（如80C51的的 或或 ）。）。在中断方式中，在中断方式中，CPU与与A/D转换器是并行工作的，因此，其工作转换器是并行工作的，因此，其工作效率高。在多回路数据采集系统中一般采用中断方式。效率高。在多回路数据采集系统中一般采用中断方式。ADC0808/ADC0809与与80C51单片机的接口程序设计。单片机的接口程序设计。图图2-38所示为所示为ADC0808/ADC0809与与80C51单片机的硬件接口的查询单片机的硬件接口的查询方式连接图方式连接图。图图2-38中，中，ADC0808/0809的时钟是利用的时钟是利用80C51提供的地址锁存提供的地址锁存允许信号允许信号ALE经经D触发器二分频后获得。如果单片机时钟频率采用触发器二分频后获得。如果单片机时钟频率采用6MHz，则，则ALE引脚的输出频率为引脚的输出频率为1MHz，再二分频后为，再二分频后为500kHz，符，符合合ADC0808/0809对时钟频率的要求。对时钟频率的要求。由于由于ADC0808/0809具有输出三态锁存器，故其具有输出三态锁存器，故其8位数据输出引位数据输出引脚直接与数据总线相连。脚直接与数据总线相连。地址选通输入端地址选通输入端A、B、C分别与地址总线的低三位分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相连，以选通相连，以选通IN0IN7中的一个通道。将中的一个通道。将P2.7作为片选信号，在启动作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和转换时，由单片机的写信号和P2.7控制控制ADC的地址锁存和转换启的地址锁存和转换启动。动。由于由于ALE和和START连在一起，因此连在一起，因此ADC0808/0809在锁存通道地址在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.7引脚引脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。信号，用以打开三态输出锁存器。采用查询方式，将采用查询方式，将ADC0809的的IN4通道模拟量进行通道模拟量进行5次转换，转换次转换，转换结果存入单片机内部结果存入单片机内部RAM40H为首地址的存储单元中的程序清单。为首地址的存储单元中的程序清单。AD:MOV R0,#40H ；存储单元首地址；存储单元首地址 MOV R1,#05H；转换次数；转换次数 MOV P1,#0FFH ；P1口写口写1（准输入口）（准输入口）AD0:MOV DPTR,#7FF4H；送；送ADC0809口地址口地址,IN4MOVX DPTR,A ;启动启动A/D转换转换AD1:MOV A,P1 ；检测；检测P1.4的状态，若的状态，若P1.4=0，开始转换，开始转换ANL A,#10HJNZ AD1AD2:MOV A,P1 ；检测检测P1.4的状态，若的状态，若P1.4=1，转换结束，转换结束ANL A,#10HJZ AD2MOV DPTR,#7FFFH ；读；读A/D转换结果转换结果 MOVX A,DPTRMOV R0,AINC R0 DJNZ R1,AD0 RET ADC0808/ADC0809与与80C51单片机的硬件接口采用中断方式的连接图。单片机的硬件接口采用中断方式的连接图。图中，如果设单片机的外部中断图中，如果设单片机的外部中断0为下降沿触发，则为下降沿触发，则EOC需要经需要经过反相器后连接。过反相器后连接。下面程序是采用中断方式，对下面程序是采用中断方式，对IN1通道进行转换后，读取转换后的通道进行转换后，读取转换后的数字量的程序段。数字量的程序段。INTADC:SETBIT0；选择为边沿触发方式；选择为边沿触发方式SETBEA；允许中断；允许中断 SETB EX0;开中断开中断0MOV DPTR,#0DFF1H；通道；通道1地址送地址送DPTRMOVX DPTR,A；启动转换；启动转换ADINT0:MOVDPTR,#0DFF1H；端口地址送；端口地址送DPTRMOVX A,DPTR；读取转换结果存入；读取转换结果存入50HMOV50H,AMOVX DPTR,A；启动；启动A/D转换转换RETI；返回；返回（1）12位位A/D转换器转换器AD574。AD574是美国模拟器件公司（是美国模拟器件公司（Analog Devices）推出的单片高速）推出的单片高速12位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器，转换时间转换器，转换时间25s。自带三态缓冲器，可以直接与。自带三态缓冲器，可以直接与8位或位或16位的微机相连，且能与位的微机相连，且能与CMOS及及TTL电平兼容。由于电平兼容。由于AD574内置基内置基准电压源及时钟发生器，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况准电压源及时钟发生器，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切下完成一切A/D转换功能。可以采用转换功能。可以采用12V和和15V两种电源电压，应用非常两种电源电压，应用非常方便。方便。2高于高于8位位A/D转换器与微机的接口设计转换器与微机的接口设计AD574A的内部结构框图。的内部结构框图。AD574A为为28引脚双列直插式封装，其引脚配置如图引脚双列直插式封装，其引脚配置如图2-45所示。所示。图2-45 AD574A引脚排列各引脚功能如下各引脚功能如下:VL：数字逻辑部分电源：数字逻辑部分电源+5V。12/：数据输出格式选择信号引脚。：数据输出格式选择信号引脚。当当12/=1（+5V）时，双字节输出，即）时，双字节输出，即12条数据线同时有效输出；条数据线同时有效输出；当当12/=0（0V）时，为单字节输出，即只有高）时，为单字节输出，即只有高8位或低位或低4位有效。位有效。：片选信号端，低电平有效。：片选信号端，低电平有效。A0：字节选择控制线。字节选择控制线。在转换期间：在转换期间：A0=0，AD574A进行全进行全12位转换。位转换。在读出期间：当在读出期间：当A0=0时，高时，高8位数据有效；位数据有效；A0=1时，低时，低4位数据有效，中间位数据有效，中间4位为位为“0”，高，高4位为三态。因此当采用两次读出位为三态。因此当采用两次读出12位数据时，应遵循左对位数据时，应遵循左对齐原则。齐原则。R/：读数据：读数据/转换控制信号，转换控制信号，当当R/=1，ADC转换结果的数据允许被读取；转换结果的数据允许被读取；当当R/=0，则允许启动，则允许启动A/D转换。转换。CE：启动转换信号，高电平有效。可作为：启动转换信号，高电平有效。可作为A/D转换启动或读数据的信号。转换启动或读数据的信号。Vcc、VEE：模拟部分供电的正、负电源，为：模拟部分供电的正、负电源，为12V或或15V。REF OUT：10V内部参考电压输出端。内部参考电压输出端。REF IN：内部解码网络所需参考电压输入端。：内部解码网络所需参考电压输入端。BIP OFF：补偿调整。接至正负可调的分压网络，以调整：补偿调整。接至正负可调的分压网络，以调整ADC输出的零点。输出的零点。10VIN、20VIN：模拟量模拟量10V及及20V量程的输入端口，信号的另一端接至量程的输入端口，信号的另一端接至AG引脚。引脚。DG：数字公共端（数字地）。：数字公共端（数字地）。AG：模拟公共端（模拟地）。它是模拟公共端（模拟地）。它是AD574A的内部参考点，的内部参考点，AG和和DG在封在封装时已连接在一起。装时已连接在一起。DB0DB11：数字量输出。：数字量输出。STS：输出状态信号引脚。转换开始时，输出状态信号引脚。转换开始时，STS达到高电平，转换过程中保达到高电平，转换过程中保持高电平。持高电平。转换完成时返回到低电平转换完成时返回到低电平。AD574A的控制信号的组合控制功能表的控制信号的组合控制功能表R/12/CE A0工作状态0禁止1禁止1000启动12位转换1001启动8位转换101接1脚（+5V）12位并行输出有效101接地0高8位并行输出有效101接地1低4位加上尾随4个0有效 必须指出必须指出12/端与端与TTL电平不兼容，故只能用通过布线接至电平不兼容，故只能用通过布线接至+5V或或0V上。另外上。另外A0在数据输出期间不能变化。在数据输出期间不能变化。如果要求如果要求AD574A以独立方式工作，只要将以独立方式工作，只要将CE、12/端接入端接入+5V，和和A0接至接至0V，将，将R/作为数据读出和数据转换启动控制。当作为数据读出和数据转换启动控制。当R/=1时，时，数据输出端出现被转换后的数据，数据输出端出现被转换后的数据，R/=0时，即启动一次时，即启动一次A/D转换。在延时转换。在延时0.5s后后STS=1表示转换正在进表示转换正在进行。经过一次转换周期行。经过一次转换周期Tc（典型值为（典型值为25s）后）后STS跳回低电平表示跳回低电平表示A/D转转换完毕，可以从数据输出端读取新的数据。换完毕，可以从数据输出端读取新的数据。AD574A有有单极性单极性和和双极性双极性两种模拟信号转换方式，这主要通过两种模拟信号转换方式，这主要通过改变改变AD574A引脚引脚8、10、12的外接电路来实现。的外接电路来实现。图图2-48（a）所示为单极性转换电路，可实现输入信号）所示为单极性转换电路，可实现输入信号010V或或020V的转换，其系统模拟信号的地线应与引脚的转换，其系统模拟信号的地线应与引脚9相连，使其地线相连，使其地线的接触电阻尽可能小，图的接触电阻尽可能小，图2-48（b）为双极性转换电路，可实现输入）为双极性转换电路，可实现输入信号信号-5V+5V或或-10V+10V的转换的转换。（2）高于）高于8位位A/D转换器的程序设计转换器的程序设计 对于高于对于高于8位的位的A/D转换器，如转换器，如10位、位、12位、位、16位等，当其与位等，当其与8位的位的CPU接口连接时，数据的传送需分步进行。接口连接时，数据的传送需分步进行。数据的分割形式有左对齐和右对齐两种格式（具体情况依数据的分割形式有左对齐和右对齐两种格式（具体情况依A/D转换器转换器的不同而不同），这时，应分步读出。在分步读取数字量时，需要提供的不同而不同），这时，应分步读出。在分步读取数字量时，需要提供不同的地址信号。不同的地址信号。下面以下面以AD574A为为例，介绍高于例，介绍高于8位的位的A/D转换器与转换器与8位位CPU的接口及的接口及其程序设计方法。其程序设计方法。AD574A与与80C51单片机的接口电路单片机的接口电路图中将转换结束状态线图中将转换结束状态线STS与单片机的与单片机的P1.1相连，故该接口采用查询相连，故该接口采用查询方式。方式。由于由于AD574A片内有时钟，故无需外加时钟信号片内有时钟，故无需外加时钟信号。由于由于AD574A内部含有三态锁存器，故可直接与单片机数据总线接口。内部含有三态锁存器，故可直接与单片机数据总线接口。AD574A是是12位向左对齐输出格式，所以将低位向左对齐输出格式，所以将低4位位DB30接到接到DB118，第一次读出高，第一次读出高8位位DB114，第二次读出低，第二次读出低4位，此时位，此时DB74为为0000。图中，片选信号由图中，片选信号由P0.7控制，由于图中高控制，由于图中高8位地址位地址P2.7P2.0未使用，故未使用，故只使用低只使用低8位地址位地址，采用寄存器寻址方式。设，采用寄存器寻址方式。设启动启动AD574A的地址是的地址是7CH，读取高读取高8位数据的地址为位数据的地址为7EH，读取低，读取低4位数据的地址为位数据的地址为7FH。查询方式查询方式A/D转换程序如下：转换程序如下：ORG 0200HATOD:MOVDPTR,#9000H；设置数据地址指针；设置数据地址指针MOVP1,#0FFH；P1口为准输入口口为准输入口MOVR0,#07CH；设置启动；设置启动A/D转换的地址转换的地址MOVX R0,A；启动；启动A/D转换转换LOOP:JBP1.1,LOOP；检查；检查A/D转换是否结束？转换是否结束？INCR0INCR0 ；读取高；读取高8位数据的地址为位数据的地址为7EHMOVX A,R0；读取高；读取高8位数据位数据MOVX DPTR,A；存高；存高8位数据位数据INCR0；求低；求低4位数据的地址位数据的地址7FHINCDPTR；求存放低；求存放低4位数据的位数据的RAM单元地址单元地址MOVX A,R0；读取低；读取低4位数据位数据MOVX DPTR,A；存低；存低4位数据位数据HERE:AJMPHERE2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道2.3.1 模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式 模拟量输出通道一般是由接口电路、模拟量输出通道一般是由接口电路、数数/模转换器模转换器和电压和电压/电流变换电流变换器构成。器构成。多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器输出保持器的构成方式。的构成方式。输出保持器的作用输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有号维持不变。保持器一般有数字保持方案数字保持方案和和模拟保持方案模拟保持方案两种。这就决两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。1一个通道设置一片一个通道设置一片D/A转换器转换器这是一种数字保持方案。这是一种数字保持方案。优点优点:转换速度快，工作可靠，即使某一路转换速度快，工作可靠，即使某一路D/A转换器发生故障，也不转换器发生故障，也不影响其他通道的工作。影响其他通道的工作。缺点缺点:使用了较多的使用了较多的D/A转换器，使得这种结构的价格很高。转换器，使得这种结构的价格很高。2多个通道共用一片多个通道共用一片D/A转换器转换器 由于公用一片由于公用一片D/A转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即依次把即依次把D/A转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给输出保持器。给输出保持器。优点优点:节省了节省了D/A转换器。转换器。缺点：缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。它还要使用多路开关，且要求输出采样它还要使用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时保持器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。间之比较大，这种方案工作可靠性较差。2.3.2 D/A转换器与微机的接口设计转换器与微机的接口设计18位位D/A转换器与微机的接口设计转换器与微机的接口设计（1）8位位D/A转换器转换器DAC0832。DAC0832是美国国家半导体公司（是美国国家半导体公司（National）生产的）生产的8位位D/A转换集转换集成芯片，能完成数字量输入模拟量（电流）输出的转换。单电源供电，从成芯片，能完成数字量输入模拟量（电流）输出的转换。单电源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准电压的范围为均可正常工作，基准电压的范围为10V，电流建立时间为，电流建立时间为1s，CMOS工艺，低功耗工艺，低功耗20mW。其价格低廉、接口简单、转换控制容易等。其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。DAC0832的内部结构的内部结构DAC0832的工作方式：单缓冲方式，双缓冲方式，直通方式的工作方式：单缓冲方式，双缓冲方式，直通方式 DAC0832采用采用20引脚双列直插式封装，具体引脚排引脚双列直插式封装，具体引脚排列图如图所示。列图如图所示。DAC0832的数字接口的数字接口u8位数字输入端位数字输入端DI0DI7（DI0为最低位）为最低位）u输入寄存器（第输入寄存器（第1级锁存）的控制端级锁存）的控制端ILE、CS*、WR1*uDAC寄存器（第寄存器（第2级锁存）的控制端级锁存）的控制端XFER*、WR2*（2）8位位D/A转换器的程序设计转换器的程序设计 数字量输入与外部控制信号的连接方式：数字量输入与外部控制信号的连接方式：数字量输入端的连接。数字量输入端的连接。主要考虑两方面的问题：主要考虑两方面的问题：一个是位数，若采用一个是位数，若采用8位微机，则位微机，则8位位D/A转换器的数字量输入端可转换器的数字量输入端可以和以和CPU的数据线对应相连即可，若的数据线对应相连即可，若D/A转换器是高于转换器是高于8位的，则要考虑位的，则要考虑将数据分批传送，且需要将待传送的数据事先按照要求的格式排列好；将数据分批传送，且需要将待传送的数据事先按照要求的格式排列好；二是考虑二是考虑D/A转换器内部是否具有输入锁存器，若有输入锁存器，转换器内部是否具有输入锁存器，若有输入锁存器，则可以直接和则可以直接和CPU的数据线相连，若没有，则必须在的数据线相连，若没有，则必须在CPU和和D/A转换器之转换器之间加上锁存器。间加上锁存器。外部控制信号的连接。外部控制信号的连接。外部控制信号主要是外部控制信号主要是片选信号、写信号、启动信号、电源和参片选信号、写信号、启动信号、电源和参考电平考电平等。等。电源和参考电压根据电源和参考电压根据D/A转换器芯片的要求加上适当的电压，写转换器芯片的要求加上适当的电压，写信号多由微机的信号提供。片选信号主要是由地址线或地址译码器提信号多由微机的信号提供。片选信号主要是由地址线或地址译码器提供，启动信号一般是地址线或地址译码器的输出线与写信号共同作用。供，启动信号一般是地址线或地址译码器的输出线与写信号共同作用。对于对于8位位D/A转换器，其控制方式可以是双缓冲、单缓冲方式。转换器，其控制方式可以是双缓冲、单缓冲方式。此时，此时，D/A转换器的工作情况不仅取决于上述信号，而且还与其内部转换器的工作情况不仅取决于上述信号，而且还与其内部各输入寄存器的地址状态有关。有时为方便起见，也接成直通方式各输入寄存器的地址状态有关。有时为方便起见，也接成直通方式（将各控制信号接地或接（将各控制信号接地或接+5V）。）。8位位D/A转换器与微机的接口及程序设计方法：转换器与微机的接口及程序设计方法：DAC0832与与80C51单片机的双缓冲方式接口电路单片机的双缓冲方式接口电路。第一级数据锁存器的地址为第一级数据锁存器的地址为BFFFH，第二级，第二级DAC寄存器的地址为寄存器的地址为7FFFH。可以看出数字量的输入锁存和。可以看出数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的。转换输出是分两步完成的。该接口电路采用单极性输出方式，参考电压该接口电路采用单极性输出方式，参考电压=-5V，若想输出电压，若想输出电压=2.5V，则对应的输入数字量应为，则对应的输入数字量应为80H。实现输出。实现输出2.5V电压的程序如下：电压的程序如下：START:MOV A,#80H；待转换的数字量；待转换的数字量 MOV DPTR,#0BFFFH；将数字量送入输入锁存；将数字量送入输入锁存器器 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#7FFFH；将输入数字量送入；将输入数字量送入DAC寄存器寄存器 MOVX DPTR,A；完成；完成D/A转换转换 如果有多路如果有多路D/A转换器接口，要求同步进行转换器接口，要求同步进行D/A转换输出时，必须转换输出时，必须采用双缓冲同步方式的接口电路，电路如图所示。采用双缓冲同步方式的接口电路，电路如图所示。完成两路完成两路D/A转换器的同步输出的程序如下：转换器的同步输出的程序如下：START:MOVDPTR,#0DFFFH；指向；指向DAC0832（1）MOVA,#DATA1；#DATA1送入送入DAC0832（1）的）的 输入锁存器输入锁存器MOVX DPTR,AMOVDPTR,#0BFFFH；指向；指向DAC0832（2）MOVA,#DATA2；#DATA2送入送入DAC0832（2）的）的 输入锁存器输入锁存器MOVX DPTR,AMOVDPTR,#7FFFH；DAC0832（1）和）和DAC0832 （2）同时完成）同时完成MOVX DPTR,A；D/A转换转换 若应用系统中只有一路若应用系统中只有一路D/A转换器或虽然是多路转换，但并不要转换器或虽然是多路转换，但并不要求同步输出时，则可以采用单缓冲方式接口电路。求同步输出时，则可以采用单缓冲方式接口电路。执行下面的几条指令就能完成一次执行下面的几条指令就能完成一次D/A转换：转换：MOVDPTR,#0DFFFH；指向；指向DAC0832MOVA,#DATA；数字量先装入累加器；数字量先装入累加器AMOVX DPTR,A；完成一次；完成一次D/A输入与转换输入与转换2高于高于8位位D/A转换器与微机的接口设计转换器与微机的接口设计（1）高于）高于8位的位的D/A转换器转换器 12位位D/A转换器转换器DAC1208 DAC1208系列系列D/A转换器有转换器有DAC120、DAC1209、DAC1210三种三种芯片类型，是与微处理器完全兼容的芯片类型，是与微处理器完全兼容的12位位D/A转换器。其功耗低，输出电转换器。其功耗低，输出电流稳定时间为流稳定时间为1s，参考电压范围为，参考电压范围为-10V+10V，单工作电源范围为，单工作电源范围为+5V+15V，转换精度较高，价格低廉，接口简单，目前应用较为广泛，转换精度较高，价格低廉，接口简单，目前应用较为广泛。DAC1208的内部结构框图的内部结构框图 DAC1208采用双缓冲器结构，采用双缓冲器结构，为为8位输入锁存器命令，位输入锁存器命令，为为4位输入锁存器的命令，当它们为高电平位输入锁存器的命令，当它们为高电平1时，输入锁存器的输出随着时，输入锁存器的输出随着输入数据的状态变化，当它们为低电平时，数据锁存。输入数据的状态变化，当它们为低电平时，数据锁存。为为12位位DAC寄存器命令，当它为高电平时，寄存器命令，当它为高电平时，12位位DAC寄存器的输出状态随着寄存器的输出状态随着输入锁存器的状态而变化，进行输入锁存器的状态而变化，进行D/A转换，否则为低电平时，停止转换，否则为低电平时，停止D/A转换。转换。由于由于DAC1208是是12位数据总线，对于位数据总线，对于8位单片机分两次从位单片机分两次从CPU送出，送出，只可连接成双缓冲器方式。数据的操作必须分为只可连接成双缓冲器方式。数据的操作必须分为3步进行，首先将高步进行，首先将高8位位数据写入数据写入8位输入锁存器，然后将低位输入锁存器，然后将低4位数据写入位数据写入4位输入锁存器，最后位输入锁存器，最后将将12位数据从输入锁存器中写入位数据从输入锁存器中写入12位位DAC寄存器。将寄存器。将12位转换数据送位转换数据送往往DAC1208接口电路进行接口电路进行D/A转换。转换。DAC1208的引脚排列图的引脚排列图各引脚功能如下：各引脚功能如下：片选信号，低电平有效。片选信号，低电平有效。：写信号，低电平有效。：写信号，低电平有效。：辅助写信号，低电平有效。该信号与：辅助写信号，低电平有效。该信号与 相结合来控制相结合来控制DAC寄寄存器的工作状态，当存器的工作状态，当 和和 同时为低电平时，同时为低电平时，DAC寄存器的输出寄存器的输出状态随着输入锁存器的状态而改变，当状态随着输入锁存器的状态而改变，当 为高电平时，为高电平时，DAC寄存器中寄存器中的数据被锁存起来。的数据被锁存起来。：传送控制信号，低电平信号有效。用于将输入锁存器中的：传送控制信号，低电平信号有效。用于将输入锁存器中的12位位数据送至数据送至DAC寄存器。寄存器。：字节顺序控制信号。当：字节顺序控制信号。当 和和 同时为低电平时，同时为低电平时，若该信号为高电平时，则若该信号为高电平时，则8位和位和4位输入锁存器的输出随着输入数据变位输入锁存器的输出随着输入数据变化；若该信号为低电平，则化；若该信号为低电平，则8位输入锁存器处于锁存状态，而位输入锁存器处于锁存状态，而4位输入位输入锁存器的输出随着输入数据变化。锁存器的输出随着输入数据变化。DI011：12位数据输入。位数据输入。IOUT1：D/A转换器电流输出转换器电流输出1。当。当DAC寄存器全寄存器全1时，输出电流最大，时，输出电流最大，全全0时，输出为时，输出为0。IOUT2：D/A转换器电流输出转换器电流输出2。IOUT1+IOUT2=常数。常数。Rfb：反馈电阻输入。：反馈电阻输入。VREF：参考电压输入。：参考电压输入。VCC：电源电压。：电源电压。DGND、AGND：数字地和模拟地。：数字地和模拟地。（2）高于）高于8位的位的D/A转换器的程序设计转换器的程序设计 高于高于8位的位的D/A转换器与微机接口时，若转换器与微机接口时，若D/A转换器输入数字量的位转换器输入数字量的位数小于微机的数据线位数，则可以采用双缓冲方式、单缓冲方式或直通方数小于微机的数据线位数，则可以采用双缓冲方式、单缓冲方式或直通方式，但式，但若大于微机的数据线位数时，则必须采用双缓冲方式。若大于微机的数据线位数时，则必须采用双缓冲方式。80C51单片机与单片机与DAC1208的接口电路的接口电路图中图中DAC1208的高的高8位输入锁存器的地位输入锁存器的地址为址为2001H，低低4位输入锁存器的位输入锁存器的地址为地址为2000H，而而DAC寄存器的地寄存器的地址为址为4000H。因为因为DAC1208内部没有参考电源，所以外接高精度集成稳压器内部没有参考电源，所以外接高精度集成稳压器AD581，其输出稳定电压为，其输出稳定电压为10V，作为，作为DAC1208的基准源。模拟电的基准源。模拟电压输出接为双极性，其中压输出接为双极性，其中RP1为调满量程电位器，为调满量程电位器，RP2为调零电位器。为调零电位器。这里这里DAC1208采用采用双缓冲双缓冲工作方式。在送入数据时，要工作方式。在送入数据时，要先送入高先送入高8位位数据数据DI11DI4，再送入低再送入低4位位数据数据DI3DI0，而不能按照相反的顺序，而不能按照相反的顺序送入。这是因为在输入送入。这是因为在输入8位锁存器时，位锁存器时，4位输入锁存器也是打开的，如果位输入锁存器也是打开的，如果先送低先送低4位数据，后送入高位数据，后送入高8位数据，结果就会不正确。在位数据，结果就会不正确。在12位数据分别位数据分别正确地送入两个输入锁存器后，再打开正确地送入两个输入锁存器后，再打开DAC寄存器，就可以把寄存器，就可以把12位数据位数据送入送入12位位D/A转换器去转换。转换器去转换。设设12位数字量存放在内部位数字量存放在内部RAM的的DIGIT和和DIGIT+1单元中。高单元中。高8位数据存放在位数据存放在DIGIT单元，低单元，低4位数据存放在位数据存放在DIGIT+1单元的低单元的低4位中。位中。将将12位数据送入位数据送入DAC1208进行进行D/A转换的程序如下：转换的程序如下：MOVDPTR,#2001H；8位输入锁存器地址位输入锁存器地址MOVR1,#DIGIT；高；高8位数据地址位数据地址MOVA,R1；取出高；取出高8位数据位数据MOVX DPTR,A；高；高8位数据送位数据送DAC1208DECDPTR；求出；求出4位输入锁存器地址位输入锁存器地址INCR1；求出；求出4位数据地址位数据地址MOVA,R1；取出低；取出低4位数据位数据MOVX DPTR,A；低；低4位数据送入位数据送入DAC1208MOVDPTR,#4000H；DAC寄存器地址寄存器地址MOVX DPTR,A；完成；完成12位位D/A转换转换2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2.4.1 数字量输入通道数字量输入通道 数字量输入通道将现场开关信号转换成计算机需要的电数字量输入通道将现场开关信号转换成计算机需要的电平信号，以二进制数字量的形式输入计算机，计算机通过输平信号，以二进制数字量的形式输入计算机，计算机通过输入接口电路读取状态信息。数字量输入通道一般由入接口电路读取状态信息。数字量输入通道一般由输入信号输入信号调理电路调理电路和和输入接口电路输入接口电路组成。组成。1输入信号调理电路输入信号调理电路 数字量输入通道的基本功能就是接受外部装置或生产过数字量输入通道的基本功能就是接受外部装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此容易引起关的触点，因此容易引起瞬时高电压、过电压、接触抖动瞬时高电压、过电压、接触抖动等等现象现象.为了将外部开关量信号输入到计算机中，必须将现场为了将外部开关量信号输入到计算机中，必须将现场输入的状态信号经输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计等措施转换成计算机能够接受的逻辑信号，完成这些功能的电路称为信号调算机能够接受的逻辑信号，完成这些功能的电路称为信号调理电路理电路.(1)用齐纳二极管或压敏电阻将瞬态尖峰钳位在安全电平上；用齐纳二极管或压敏电阻将瞬态尖峰钳位在安全电平上；(2)串联一个二极管来防止反电压输入；串联一个二极管来防止反电压输入；(3)用限流电阻、齐纳二极管构成稳压电路作过电压保护；用限流电阻、齐纳二极管构成稳压电路作过电压保护；(4)用光电隔离器实现信号完全隔离；用光电隔离器实现信号完全隔离；(5)用用RC滤波器抑制干扰。滤波器抑制干扰。（1）小功率输入调理电路）小功率输入调理电路如图所示为开关、继电器等接点输入信号的电路。它将接点的接通和断如图所示为开关、继电器等接点输入信号的电路。它将接点的接通和断开动作转换成开动作转换成TTL电平或电平或CMOS电平，再与计算机相连。为了电平，再与计算机相连。为了消除接点消除接点的抖动的抖动，一般都应加入有较长时间常数的电路来消除这种振荡。，一般都应加入有较长时间常数的电路来消除这种振荡。图（图（a）所示为一种简单的、采用）所示为一种简单的、采用RC滤波电路消除开关抖动的方法。滤波电路消除开关抖动的方法。图（图（b）所示为常用的）所示为常用的RS触发器消除开关两次反跳的方法。触发器消除开关两次反跳的方法。（2）大功率输入调理电路）大功率输入调理电路图中图中高压与低压高压与低压之间，用之间，用光电耦合器进行隔离光电耦合器进行隔离。光电耦合器是以光。光电耦合器是以光为媒介传输信号的器件，它把一个发光二极管和一个光敏三极管为媒介传输信号的器件，它把一个发光二极管和一个光敏三极管（或达林顿光敏电路）封装在一个管壳内，发光二极管加上正向输（或达林顿光敏电路）封装在一个管壳内，发光二极管加上正向输入电压信号（入电压信号（1.1V）即发光。光作用在光敏三极管的基极，产生）即发光。光作用在光敏三极管的基极，产生基极光电流使三极管导通，输出电信号。在光电耦合器中，输入电基极光电