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计算机控制技术电子教案1第2章输入输出接口与过程通道计算机与外部设备之间交换信息的计算机与外部设备之间交换信息的桥梁桥梁作作 用用：计算机控制系统的计算机控制系统的重要组成部分重要组成部分接接 口口：过程通道过程通道：计算机与生产过程之间信息传送和转换计算机与生产过程之间信息传送和转换的的连接通道连接通道2 把反映生产过程或设备工况的模拟信号把反映生产过程或设备工况的模拟信号(如温度、压力、流量、速如温度、压力、流量、速度、液位等度、液位等)、转换为数字信号送给微型计算机、转换为数字信号送给微型计算机模拟量输入通道模拟量输入通道 把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信号把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信号(电压或电流电压或电流)作用作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制于执行机构，实现对生产过程或设备的控制模拟量输出通道模拟量输出通道 数字量输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器数字量输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按扭等接点、行程开关、按扭等)、脉冲信号、脉冲信号(如速度、位移、流量脉冲等如速度、位移、流量脉冲等)送给送给微型计算机微型计算机数字量输入通道数字量输入通道 计算机通过数字量输出通道控制那些接受开关计算机通过数字量输出通道控制那些接受开关(数字数字)信号的执行机信号的执行机构和显示、指示装置构和显示、指示装置数字量输出通道数字量输出通道第2章输入输出接口与过程通道3第2章输入输出接口与过程通道主主要要内内容容 2.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 2.2 模拟量输出通道模拟量输出通道 2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道 2.5 常用输出驱动电路常用输出驱动电路 2.6 键盘接口技术键盘接口技术 2.7 LED显示器及其接口技术显示器及其接口技术 2.8软硬件抗干扰软硬件抗干扰4 在计算机控制系统中，当需对生产过程进行自动控制时，需在计算机控制系统中，当需对生产过程进行自动控制时，需要处理一类最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）信号：要处理一类最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）信号：开关的闭合与断开开关的闭合与断开 指示灯的亮与灭指示灯的亮与灭 继电器或接触器的吸合与释放继电器或接触器的吸合与释放 马达的启动与停止马达的启动与停止 可控硅的通和断可控硅的通和断共同特征共同特征：以二进制的逻辑以二进制的逻辑“1”“1”和和“0”“0”出现的出现的2.1数字量输入输出通道52.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术2.1.2 数字量输入通道数字量输入通道2.1.3 数字量输出通道数字量输出通道2.1数字量输入输出通道2.1.0 数字量输入输出通道的基本结构数字量输入输出通道的基本结构-补充补充6（1）开关量输入通道的基本结构开关量输入通道又称为数字量输入通道，该通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）送给计算机、或把双值逻辑的开关量变换为计算机能够接收的数字量送给计算机，简称DI通道。它的结构形式如图2-4所示。信 号变换器整 形变 换电平变换总线缓冲器CPUCPU信 号变换器整形变换电平变换图2-4开关量输入通道结构框图将生产过程的非电量开关量转换为电压或电流的双值逻辑值。将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的逻辑电平。暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。协调各通道的同步工作，向CPU传递状态信息并控制开关量的输入、输出。接口逻辑2.1.0 数字量输入输出通道的基本结构7(2)开关量输出通道的基本结构开关量（数字量）输出通道的任务是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关型的执行机构（如继电器或指示灯等），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO通道。其典型结构如图2-5所示。CPU锁存输出隔离功放执行机构控制逻辑开关量输出通道结构框图锁存CPU输出的数据或控制信号，供外部设备使用防止干扰把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号8 对生产过程的控制，常常需了解生产过程的状态信息对生产过程的控制，常常需了解生产过程的状态信息 根据状态信息，决定如何给出控制量根据状态信息，决定如何给出控制量 要获得状态信息则必须通过输入接口（可采用要获得状态信息则必须通过输入接口（可采用74LS244,4LS373，8255A,8155）1.数字量输入接口数字量输入接口图2-1数字量输入接口D074LS2441A2D1D2D3D4D5D6D71A11A31A51A41A61A71A81Y21Y11Y31Y51Y41Y61Y71Y8CSIOR输入接口PC总线2G1G1 MOV DX，PROTIN AL，DX2.1.1数字量输入输出接口技术9 当对生产过程进行控制时，一般应对计算机送出的控制状态进行保持，当对生产过程进行控制时，一般应对计算机送出的控制状态进行保持，直到重新刷新为止直到重新刷新为止 需利用输出接口对其进行锁存（可采用需利用输出接口对其进行锁存（可采用74LS273，74LS373，8255A等）等）2.数字量输出接口数字量输出接口MOV AL，DATA MOV DX，PORTOUT DX，AL 74LS273图2-2数字量输出接口1 D0CLKCLRD2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC总线输出接口2.1.1数字量输入输出接口技术10输入缓输入缓冲器冲器输入调输入调理电路理电路地址译码器地址译码器PC总总线线来来自自生生产产过过程程图2-3数字量输入通道结构接受外部装置或生产过程的状态信号接受外部装置或生产过程的状态信号2.1.2数字量输入通道基本功能：基本功能：1.数字输入通道的结构数字输入通道的结构112.1.2数字量输入通道2.输入调理电路输入调理电路 状态信号的形式：状态信号的形式：电压、电流、开关的触点电压、电流、开关的触点 信号调理：信号调理：将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机可以接收的逻辑信号施转换成计算机可以接收的逻辑信号 图2-4 小功率输入调理电路(a)采用积分电路+5VR1R2C0.1uFKTTL电平电平1一种简单的、采用积分电路一种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法消除开关抖动的方法(b)采用R-S触发器+5VR3R4K&QQRSR-S触发器消除开关两次反触发器消除开关两次反跳的方法跳的方法R S Q Q0 1 0 11 0 1 01 1 保持保持12+5VR3K+48VR1R2图2-5大功率输入调理电路2.1.2数字量输入通道2.输入调理电路输入调理电路132.1.3数字量输出通道控制接受数字信号的执行机构和显示、指示装置控制接受数字信号的执行机构和显示、指示装置基本功能：基本功能：1.数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构图2-6数字量输出通道结构地址译码器输出锁存器输出驱动器PC总线去生产过程把计算机输出的微弱数字信号把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制转换成能对生产过程进行控制的驱动信号的驱动信号142.输出驱动电路 在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。（1）小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 继电器包括线圈和触点。因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。D的作用是泄流，通过D放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。R的作用是限流。作用过程：当TTL电平为1时，晶体管截止，J不吸合 当TTL电平为0时，晶体管导通，J吸合15达林顿阵列输出驱动继电器电路。MC1416是达林顿阵列驱动器.达林顿晶体管DT（Dar1ingtonTransistor）亦称复合晶体管。它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。16(2)大功率交流驱动电路 在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSR作交流开关使用。SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。+5V 交流电源 RL R2 C SCR R1 D I/O 接口 零交叉电路 触发电路 SSRSSR作交流开关，相当作交流开关，相当于有一个触点，左边于有一个触点，左边是是TTLTTL电平，在电平，在05V05V之之间：间：当当TTLTTL电平为高时，电平为高时，触点闭合；触点闭合；当当TTLTTL电平为低时，电平为低时，触点断开。触点断开。当用计算机来控制当用计算机来控制电磁阀时，用固态继电磁阀时，用固态继电器。电器。零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。172.2.1 模拟量输出通道的结构模拟量输出通道的结构2.2.2 D/A转换器的原理转换器的原理2.2.3 D/A转换器转换器DAC08322.2.4 DAC0832的应用的应用 2.2.5 MCS-51和和D/A转换器的接口转换器的接口2.2模拟量输出通道18 D/A转换器：数字信号到模拟信号转换、数字保持转换器：数字信号到模拟信号转换、数字保持 优点：转换速度快、工作可靠优点：转换速度快、工作可靠 缺点：较多的缺点：较多的D/A转换器，成本高转换器，成本高接接口口D/AD/AV/I和自动和自动/手动切换手动切换V/I和自动和自动/手动切换手动切换通道通道1通道通道n.PC总线总线图2-7一个通路一个D/A转换器的结构2.2.1模拟量输出通道的结构基本功能：基本功能：1.模拟量输出通道的结构模拟量输出通道的结构把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信号把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信号(电压或电压或电流电流)作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制19图2-8共用D/A转换器的结构通道通道1通道通道n接接口口D/A.PC总线总线多多路路开开关关采样采样保持器保持器采样采样保持器保持器 D/A转换器：数字信号到模拟信号转换转换器：数字信号到模拟信号转换 优点：节省了优点：节省了D/A转换器转换器 缺点：可靠性差、分时工作、速度慢缺点：可靠性差、分时工作、速度慢2.2.1模拟量输出通道的结构 1.模拟量输出通道的结构模拟量输出通道的结构20 D/A转换器：转换器：指将数字量转换成模拟量的元件或装置，指将数字量转换成模拟量的元件或装置，输出的模拟量：输出的模拟量：与参考电压和二进制数成比例与参考电压和二进制数成比例 D/A转换器种类：转换器种类：并行和串行。在工业控制中，主要使并行和串行。在工业控制中，主要使用并行用并行D/A转换器转换器 D/A转换器的原理：转换器的原理：归纳为归纳为“按权展开，然后相加按权展开，然后相加”。2.2.2D/A转换器的原理21图图2-9 T型电阻网络型型电阻网络型D/A转换器转换器1.D/A转换器工作原理转换器工作原理2.2.2D/A转换器的原理10101010VREFRI3I3I2I2I1I1I0I0I0RRRR2R2R2R2Rb3b2b1b0.RIRfIout1Iout2Vout.AOA+-S3S2S1S0 位切换开关位切换开关 受数字量受数字量b4-b0控制控制I电流电流I=VREF/R恒定恒定222.D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2.2.2D/A转换器的原理（1）分辨率）分辨率 指当输入数字量发生单位数码变化即最低有效位指当输入数字量发生单位数码变化即最低有效位LSB产生一次变产生一次变化时，输出模拟量对应的变化量化时，输出模拟量对应的变化量分辨率分辨率与数字量输入的位数与数字量输入的位数n呈下列关系：呈下列关系：（2）建立时间）建立时间 指输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终指输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值值1/2 LSB所需的时间，一般为几十纳秒到几秒所需的时间，一般为几十纳秒到几秒（3）线性误差）线性误差 在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差。线性误差常在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差。线性误差常用用LSB的分数表示，如的分数表示，如1/2LSB，或，或1LSB23输入锁存输入锁存允许信号允许信号2.2.3D/A转换器DAC0832传送控传送控制信号制信号1.DAC0832的结构的结构图图2-10 DAC0832原理框图原理框图1:Q=D 0:锁存数据，启动锁存数据，启动D/AD7D6D0D1D2D3D4D58位输入位输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换电路转换电路RfVREFIout2Iout1RfILECSWR1WR2XFERAGNDVCCDGNDLE1LE2M1M3M21:Q=D 0:锁存数据锁存数据242.DAC0832的引脚的引脚（1）数字量输入线）数字量输入线D7D0（2）控制线（）控制线（5条）条）（3）输出线（）输出线（3条）条）（4）电源线（）电源线（4条）条）2.2.3D/A转换器DAC0832DAC0832芯片为芯片为20引脚，双列直插式封装引脚，双列直插式封装252.2.3D/A转换器DAC08323.DAC0832的技术指标的技术指标（1）分辨率：）分辨率：8位位（2）电流建立时间：）电流建立时间：1S（3）线性度（在整个温度范围内）线性度（在整个温度范围内）8、9或或10位位（4）增益温度系数）增益温度系数:：0.0002 FS/（5）低功耗：）低功耗：20mW（6）单一电源：）单一电源：+5 +15V26图2-11单极性DAC的接法2.2.4DAC0832的应用27图2-12双极性DAC的接法2.2.4DAC0832的应用8032281.单缓冲方式单缓冲方式 单缓冲方式就是使单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口图2-13DAC0832单缓冲方式接口A15-+OAVout.P0P2.7WR8051D7D0DAC0832+5VVCCILEVREFRfIout1Iout2AGNDDGNDCSXFERWR1WR229例2.1 DAC0832用作波形发生器。试根据图用作波形发生器。试根据图2-13接线，分别写出产接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序，产生的波形如图生锯齿波、三角波和方波的程序，产生的波形如图2-14所示所示图图2-14 例例2.1所产生的波形所产生的波形2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口30例2.1解：ORG 0000HCLR A；转换初值转换初值 MOV DPTR，#7FFFH；输入寄存器地址输入寄存器地址 LOOP：MOVXDPTR，A；D/A转换转换 INC A；转换值增量转换值增量 NOP；延时延时 NOP NOP SJMPLOOP END锯齿波程序锯齿波程序2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口开始开始初始化：初始化：转换初值转换初值0A输入寄存器地址输入寄存器地址 DPTR修改修改A的数据的数据延时延时修改修改X单元单元,Y单元地址指针单元地址指针A中的数据送中的数据送DAC0832，并转换，并转换31例例2.1解解：三角波程序：三角波程序：ORG 0100H CLRA MOVDPTR，#7FFFH；输入寄存器地址输入寄存器地址DOWN：MOVX DPTR，A；线性下降段线性下降段INCA JNZDOWN MOVA，#0FEH；置上升阶段初值置上升阶段初值UP：MOVXDPTR，A；线性上升段线性上升段DECAJNZUPSJMPDOWN END2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口32例例2.1解解：方波程序：方波程序：ORG0200HMOVDPTR，#7FFFHLOOP：MOVA，#33H；置上限电平置上限电平MOVXDPTR，A ACALL DELAY；形成方波顶宽形成方波顶宽MOVA，#0FFH；置下限电平置下限电平MOVXDPTR，AACALL DELAY；形成方波底宽形成方波底宽SJMPLOOPEND2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口33例例2.1解解：延时延时16ms子程序：子程序：DL0:MOVR7，#10HDL:MOVR5，#FEHDLS：DJNZ R5,DLS DJNZ R7,DL RET2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口342.双缓冲方式双缓冲方式2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口图图2-15 DAC0832的双缓冲方式接口的双缓冲方式接口AO1AO2+_2R2RVout.+5VILEVccVREFRfIout1Iout2WR1DI0WR2XFERCSDI7P0.0P0.7ALEEA8031WR锁锁存存器器译译码码器器FFHFEH.DAC0832R.35例例2.2 DAC0832用作波形发生器。试根据图用作波形发生器。试根据图2-15接线，分别写出接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序，产生的波形如图产生锯齿波、三角波和方波的程序，产生的波形如图2-16所示所示图图2-16 例例2.2所产生的波形所产生的波形2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口36例例2.2 解解：锯齿波程序：锯齿波程序：ORG0000H LOOP1：MOVA，#80H ；转换初值转换初值LOOP：MOVR0，#0FEH；输入寄存器地址输入寄存器地址MOVXR0，A ；转换数据送输入寄存器转换数据送输入寄存器 INCR0 ；产生产生DAC寄存器地址寄存器地址MOVXR0，A ；数据送入数据送入DAC寄存器并进行寄存器并进行D/A转换转换DECA ；转换值减少转换值减少NOP ；延时；延时NOPNOPCJNEA，#0FFH，LOOP；-5V是否输出？未输出，程序循环是否输出？未输出，程序循环SJMPLOOP1；-5V已输出，返回转换初值已输出，返回转换初值END2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口37例例2.2 解解：三角波程序：三角波程序：ORG0100HMOVA，#0FFHDOWN：MOVR0，#0FEHMOVXR0，A；线性下降段线性下降段INCR0 MOVXR0，ADECAJNZDOWN UP：MOVR0，#0FEH；线性上升段线性上升段MOVXR0，A INCR0 MOVXR0，AINCA JNZUPMOVA，#0FEHSJMPDOWNEND2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口38例例2.2 解解：方波程序：方波程序：ORG0200HLOOP：MOVA，#66HMOVR0，#0FEH；置上限电平置上限电平MOVXR0，A INCR0 MOVXR0，A ACALL DELAY；形成方波顶宽形成方波顶宽MOVA，#00H；置下限电平置下限电平MOVR0，#0FEH MOVXR0，A INCR0 MOVXR0，A ACALL DELAY；形成方波底宽形成方波底宽SJMPLOOPEND2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口39 2.1 X-Y绘图仪采用双片绘图仪采用双片DAC0832进行输出。设进行输出。设8031内部内部RAM中有两个长度为中有两个长度为30H的数据块，其起始地址分别为的数据块，其起始地址分别为20H和和60H，请，请画出其硬件电路图，并编出能把画出其硬件电路图，并编出能把20H和和60H中的数据分别从双片中的数据分别从双片DAC0832输出，并根据所给数据绘制出一条曲线输出，并根据所给数据绘制出一条曲线作业：作业：2.2.5MCS-51和D/A转换器的接口40 2.3.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成 2.3.2 I/V变换变换 2.3.3 多路转换器多路转换器 2.3.4 采样、量化及采样保持器采样、量化及采样保持器 2.3.5 A/D转换原理转换原理2.3.6 A/D转换器的性能指标转换器的性能指标 2.3.7 A/D转换芯片转换芯片ADC08092.3.8 MCS-51和和ADC0809的接口的接口2.3模拟量输入通道412.3.1模拟量输入通道的一般结构 过程过程参数由传感器和变送器测量并转换为电压（或电流）形式后送至多路参数由传感器和变送器测量并转换为电压（或电流）形式后送至多路开关开关 在计算机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行在计算机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和放大、采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测转换，实现过程参数的巡回检测图2-1模拟量输入通道的组成结构变送器I/V变换多路开关A/D转换器采样保持器接口逻辑电路PC总线.模拟输入通道过程参数420mA010mA42 模模拟拟量量输输入入通通道道的的任任务务是是把把从从系系统统中中检检测测到到的的模模拟拟信信号号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机变成二进制数字信号，经接口送往计算机。传传感感器器是是将将生生产产过过程程工工艺艺参参数数转转换换为为电电参参数数的的装装置置，大大多多数数传传感感器器的的输输出出是是直直流流电电压压(或或电电流流)信信号号，也也有有一一些些传传感感器器把把电电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。问题：问题：为什么我们经常用到的为什么我们经常用到的标准信号标准信号是电流信号？是电流信号？何为标准信号：何为标准信号：为为了了避避免免低低电电平平模模拟拟信信号号传传输输带带来来的的麻麻烦烦，经经常常要要将将测测量量元元件件的的输输出出信信号号经经变变送送器器变变送送，如如温温度度变变送送器器、压压力力变变送送器器、流流量量变变送送器器等等，将将温温度度、压压力力、流流量量的的电电信信号号变变成成010mA或或420mA的的统统一一信信号号，然然后后经经过过模模拟拟量量输输入入通通道来处理。道来处理。432.3.2I/V变换变变送送器器输输出出的的信信号号为为010mA或或420mA的的统统一一信信号号，需需要要经经过过I/V变变换换变变成成电电压压信信号号后后才才能能处处理理。对对于于电电动动单单元元组组合合仪仪表表，DDZ-型型的的输输出出信信号号标标准准为为010mA,而而DDZ型型和和DDZS系系列列的的输输出出信信号号标标准准为为420mA，因因此此，针针对对以以上情况我们来讨论上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。变换的实现方法。1.无源I/V变换 2.有源I/V变换 441.无源I/V变换I/V变换的基本思想：电流变换电路中各部分的作用：r1:限流电阻 D:将电压钳制在5V+0.3V以内 r2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电阻，精度为0.1%。C和r1：组成阻容低通滤波电路电压？电压？电压？电压？图图2-2无源无源I/V变换变换452.有源I/V变换 利用有源器件利用有源器件运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别运算放大器和电阻组成。与无源变换的区别在于信号的隔离上。电流不能直接流过在于信号的隔离上。电流不能直接流过R2,VI=I*R1R2,VI=I*R1。利用运算放大器的虚短和虚断的概念，我们可以求出该同相利用运算放大器的虚短和虚断的概念，我们可以求出该同相放大电炉的放大倍数。放大电炉的放大倍数。合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出。合理选择相应的电阻，就可以得到相应的电压输出。图图2-3有源有源I/V变换变换462.3.32.3.3 多路转换器多路转换器多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。号的关键元件。作用：利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接作用：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到公用放大器或A/D转换器上，实现多路共享。转换器上，实现多路共享。常用的多路开关有常用的多路开关有CD4051(或或MC14051)、AD7501、MAX354MAX354、LF13508等。等。图图2-4 CD4051原理图原理图 选择输入端选择输入端000:0;001:1,111:7禁止输入端禁止输入端0:通，通，1:开开472.3.4 2.3.4 采样、量化及采样保持器采样、量化及采样保持器 采样过程：采样过程：按一定的时间间隔按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻信号，转变成在时刻O、T、2T、KT的一连串脉冲输出信号的过程。的一连串脉冲输出信号的过程。采样周期：采样周期：采样开关采样开关K每一个通断的时间间隔每一个通断的时间间隔T，包括等待时间、闭合，包括等待时间、闭合时间、断开时间等。时间、断开时间等。采样宽度：采样宽度：采样开关闭合的时间。采样开关闭合的时间。采样信号采样信号y*(t)：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。幅值连续但是时间上离散的模拟信号。香农采样定理：香农采样定理：如果模拟信号如果模拟信号(包括噪声干扰在内包括噪声干扰在内)频谱的最高频率为频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率，只要按照采样频率f2fmax进行采样，那么采样信号进行采样，那么采样信号y*(t)就能唯一就能唯一地复现地复现y(t)。1.信号的采样信号的采样图图2-4 CD4051原理图原理图 48X*（t）图2-5采样前后波形的变化1.信号的采样信号的采样 周期采样周期采样 多阶采样多阶采样 随机采样随机采样2.量化量化香浓采样定理香浓采样定理 量化量化：采用一组数码来逼近离：采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值散模拟信号的幅值 量化过程量化过程：将采样信号转换成：将采样信号转换成数字信号的过程数字信号的过程 执行装置：执行装置：A/D转换器转换器49量化单位量化单位：字长为字长为n的的A/D转换器，其最低有效位转换器，其最低有效位(LSB)所对应的模拟量所对应的模拟量q称为量称为量化单位。化单位。量化误差量化误差：量化过程实际上是一个用量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，去度量采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单位长度如同人们用单位长度(毫米或其它毫米或其它)去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为(1/2)q。例如，例如，q=20mV时，量化误差为时，量化误差为10mV，09901009V范围内的采样值，其范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字量化结果是相同的，都是数字50。50图2-6采样/保持器的输入输出特性3采样/保持器1）采样采样/保持器的作用保持器的作用孔径时间：完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。孔径误差：由于孔径时间的存在，造成的误差称为孔径误差在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输出值不变。其输入输出特性如图2-6所示。采样保持VinVoutS/HVinVout工作方式51图图2-7 最简单的采样最简单的采样/保持器保持器2）采样采样/保持器的工作原理保持器的工作原理最简单的采样最简单的采样/保持器是由开关和电容组成保持器是由开关和电容组成3采样/保持器523采样/保持器3）常用的采样）常用的采样/保持器保持器 一般：一般：AD582、AD583、LF198/398 高速：高速：THS-0025、THS-0060、THC-0030、THC-1500 高分辨率：高分辨率：SHA1144、ADC1130532.3.2A/D转换原理 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 双积分式双积分式A/D转换器转换器(抗干扰性能好抗干扰性能好)并行比较式并行比较式A/D转换器转换器 V/F转换转换 串行串行A/D542.3.2A/D转换原理 二分搜索，反馈比较，逐次逼近二分搜索，反馈比较，逐次逼近逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器工作原理转换器工作原理图图2-8 逐次逼近式逐次逼近式A/D的原理图的原理图 552.3.5A/D转换原理 当当计计算算机机发发出出“启启动动转转换换”命命令令时时，SAR寄寄存存器器和和输输出出缓缓冲冲器器清清零零，故故D/A输输出出也也为为零零。此此时时控控制制电电路路先先设设定定SAR中中的的最最高高位位为为“1”，其其余余位位为为“0”，此此预预测测数数据据送送往往D/A转转换换器器，转转换换成成电电压压V0，然然后后V0和和输输入入模模拟拟电电压压Vx在在比比较较器器中中比比较较，若若VxV0，说说明明预预置置结结果果正正确确，应应予予保保留留，若若VxV0，则则预预置置结结果果错错误误，应应予清除予清除 然然后后按按上上述述方方法法继继续续对对次次高高位位及及后后续续各各位位依依次次进进行行预预置置、比比较较和和判判断断，决决定定该该位位是是“1”还还是是“0”，直直至至确确定定SAR最最低低位位为为止止。这这个个过过程程完完成成后后，便便发发出出转转换换结结束束信信号号。此此时时SAR寄寄存存器器从从最最高高位到最低位都试探过一遍的最终值便是位到最低位都试探过一遍的最终值便是A/D转换的结果转换的结果 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理56举例：天平秤重过程作比喻来说明。若有四个若有四个 砝码共重砝码共重15克，克，每个重量分别为每个重量分别为8、4、2、1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx=13克，克，步骤步骤顺序顺序 砝码重砝码重 比较判断比较判断 暂时结果暂时结果 1 8g 8g13g 保留保留 8g 2 8+4g 12g13g 撤消撤消 12g 4 8+4+1g 13g=13g 保留保留 13g 572.3.6A/D转换器的性能指标A/D转换器常用技术指标转换器常用技术指标:分辨率分辨率 转换时间转换时间 线性误差线性误差 量程量程 对基准电源的要求对基准电源的要求分分辨辨率率是是衡衡量量A/D转转换换器器分分辨辨输输入入模模拟拟量量最最小小变变化化程程度度的的技技术术指指标标。分分辨辨率率通通常常用用数数字字量量的的位位数数n（字字长长）来来表表示示，如如8位位、12位位、16位位等等。分分辨辨率率为为n位位，表表示示它它能能对对满满量量程程输输入入的的 的的增增量量作作出出反反映映，即即数数字字量量的的最最低低有有效效位位（LSB）对对应应于于满满量量程程输输入入的的 。若若n=8，满满量量程程输输入入为为5.12V，则则LSB对应于模拟电压对应于模拟电压5.12V/2820mV指指完完成成一一次次模模拟拟量量到到数数字字量量的转换所需要的时间的转换所需要的时间所能转换的输入电压范围所能转换的输入电压范围582.3.7A/D转换芯片DC0809 图图2-9 ADC0809内部逻辑结构内部逻辑结构 输出允许输出允许转换结束转换结束三位地址三位地址地址锁存地址锁存8位数位数据输出据输出8路路模拟量模拟量输入输入启动启动 时钟时钟8路路模模拟拟开开关关比较器比较器地址地址锁存锁存与与译码译码 A B CALESAR开关树开关树256RT型型电阻网络电阻网络控制逻辑与时序控制逻辑与时序三态输三态输出锁存出锁存缓冲器缓冲器VXVCEOC START CLKIN7IN0D7D0OE Vref（+）Vref（-）DAC1.内部逻辑结构内部逻辑结构592.3.7A/D转换芯片DC08091.内部逻辑结构内部逻辑结构 ADC0908由由8通通道道模模拟拟开开关关、通通道道选选择择逻逻辑辑（地地址址锁锁存存与与译译码码）、8位位A/D转换器以及三态输出锁存缓冲器转换器以及三态输出锁存缓冲器组成组成 实现实现8选选1操作操作 通道选择信号通道选择信号C、B、A与所有通道之间的关系与所有通道之间的关系 地址锁存允许信号（地址锁存允许信号（ALE、正脉冲）完成通道正脉冲）完成通道选择信号选择信号C、B、A的锁存的锁存加至加至C、B、A上的通道选择信号在上的通道选择信号在ALE的作用的作用下送入通道选择逻辑后，通道下送入通道选择逻辑后，通道i（，（，i=0、1、7）上的模拟输入被送至上的模拟输入被送至A/D转换器转换器（1）8通道模拟开关及通道选择逻辑通道模拟开关及通道选择逻辑表2-1被选通道和地址的关系602.3.7A/D转换芯片DC08091.内部逻辑结构内部逻辑结构（2）8位位A/D转换器转换器 8位位A/D转换器对输入端的信号进行转换，转换结果转换器对输入端的信号进行转换，转换结果D（D=028-1）存入三态锁存缓冲器存入三态锁存缓冲器 当当START上收到一个启动转换命令（正脉冲）后，上收到一个启动转换命令（正脉冲）后，A/D转换器开始转转换器开始转换，换，100us左右（左右（64个时钟周期）后转换结束（相应的时钟频率为个时钟周期）后转换结束（相应的时钟频率为640kHz）（3）三态输出锁存缓冲器）三态输出锁存缓冲器 用于存放转换结果用于存放转换结果D 输出允许信号输出允许信号OE为高电平时，为高电平时，D由由DO7DO0上输出上输出 OE为低电平输入时，数据输出线为低电平输入时，数据输出线DO7DO0为高阻状态为高阻状态612.3.7A/D转换芯片DC08091.内部逻辑结构内部逻辑结构（4）时序）时序ALESTARTEOCDO70tOEDATAOUTC.B.A 图图2-10 ADC0809的转换时序图的转换时序图 当当START上收到一个启动转换命令（正脉冲）后，上收到一个启动转换命令（正脉冲）后，A/D转换器开始转转换器开始转换，换，100us左右（左右（64个时钟周期）后转换结束（相应的时钟频率为个时钟周期）后转换结束（相应的时钟频率为640kHz）转换结束时，转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果读结果 启动后，启动后，CPU可用查询方式（将转换结束信号接至一条可用查询方式（将转换结束信号接至一条I/O线上时）或线上时）或中断方式（中断方式（EOC作为中断请求信号引入中断逻辑）了解作为中断请求信号引入中断逻辑）了解A/D转换过程是转换过程是否结束否结束622.3.7A/D转换芯片DC08091.内部逻辑结构内部逻辑结构 ADC0809的量化单位的量化单位q=VREF（+）-VREF（-）/28 通常基准电压通常基准电压 VREF（+）=5.12V，VREF（-）=0V，此时此时q=20mV 转换结果转换结果D=VIN（mV）/q（mV），如），如VIN=2.5V时，时，D=125（5）转换结果计算）转换结果计算63 图图2-11 ADC0809引脚图引脚图 2.引脚结构引脚结构2.3.7A/D转换芯片DC0809（1）IN7IN0：8条模拟量输入通道条模拟量输入通道（2）地址输入和控制线：）地址输入和控制线：4条条（3）数字量输出及控制线：）数字量输出及控制线：11条条（4）电源线及其他：）电源线及其他：5条条IN5D7D6D0D1D2D3D4D5Vref(+)OEGNDVccCADC08091109876543220141516171819131211IN3IN4IN7IN6STARTEOCCLOCKVref(-)ALEABIN0IN1IN22827262524232221642.3.8MCS-51和ADC0809的接口图图2-12 ADC0809和和8031接线图接线图地地址址锁锁存存.8031ADC0809ALEP0.7P0.0P2.7WRRDINTCKDQQA0A1A2D0D7ABCCLKSTARTALEOEEOC.IN0IN1IN7IN6IN5IN4IN3IN2+652.3.8MCS-51和ADC0809的接口 如图如图2-12所示，试用查询和中断两种方式编写程序，对数据所示，试用查询和中断两种方式编写程序，对数据进行采集进行采集IN5通道上的，并将转换结果送入内部通道上的，并将转换结果送入内部RAM20H单元单元例例2.1ORG0000HMOVDPTR，7FF5H；0111111111110101MOVXDPTR，A；启动启动A/D转换转换SETBEA；中断允许中断允许EA=1SETBEX1；开外中断开外中断1 SETB IT1；外中断请求信号为下跳沿触发方式外中断请求信号为下跳沿触发方式LOOP：SJMPLOOP；等待中断等待中断 END解：中断方式程序清单：中断方式程序清单：662.3.5MCS-51和ADC0809的接口例例2.3 解解：ORG0013H；外中断外中断1的入口地址的入口地址LJMP1000H；转中断服务程序的入口地址转中断服务程序的入口地址ORG1000HMOVX A，DPTR；读取读取A/D转换数据转换数据MOV20H，A ；存储数据存储数据RETI ；中断返回中断返回中断服务程序：中断服务程序：672.3.5MCS-51和ADC0809的接口例例2.3 解解：ORG 0000H MOV DPTR，#7FF5H MOVX DPTR，A；启动启动A/D转换转换LOOP：JBP3.3，LOOP；等待转换结束等待转换结束MOVX A，DPTR ；读取读取A/D转换数据转换数据 MOV 20H，A ；存储数据存储数据 END查询方式程序清单：查询方式程序清单：682.3.5MCS-51和ADC0809的接口作业作业2.22.2：8031和和ADC0809的接口如图的接口如图2-13所示，试编程对所示，试编程对8个模拟通道上的个模拟通道上的模拟电压进行一遍数字采集，并将采集结果送入内部模拟电压进行一遍数字采集，并将采集结果送入内部RAM以以30H单元为单元为始地址的输入缓冲区始地址的输入缓冲区图图2-13 8031和和ADC0809的接口的接口8031EAALEP0.7 P0.0WR地地址址锁锁存存器器译译码码器器EOCAALEOESTARTCLOCK29-1ADC0809P3.2RDCB2-8P0.0P0.2P0.1622710M1M21F0H.IN0IN1IN7IN6IN5IN4IN3IN2.2+692.5常用输出驱动电路2.5.1 白炽灯驱动接口白炽灯驱动接口 2.5.2 开关量输出隔离电路开关量输出隔离电路2.5.3 光电隔离电路光电隔离电路702.5.1白炽灯驱动接口 驱动器输出驱动电流为驱动器输出驱动电流为300500mA 当单片机的当单片机的P1.7输出低电平时，输出低电平时，CJ0451驱动器的输出晶体管导驱动器的输出晶体管导通，灯泡上有电流流过而点亮通，灯泡上有电流流过而点亮开开关关图图2-28 CJ0451驱动灯泡的应用驱动灯泡的应用1243781K 1K 300R+5V+12VCJ045171 当驱动器由当驱动器由0变为变为1时，继电器由接通转为关断时，继电器由接通转为关断 二极管提供的泄流回路能保护隔离器二极管提供的泄流回路能保护隔离器 继电器隔离适用于控制对响应速度要求不高的启停设备继电器隔离适用于控制对响应速度要求不高的启停设备2.5.2开关量输出隔离电路图图2-29 开关量输出隔离电路开关量输出隔离电路803133 39 2827262516&CP74LS273SN75452V7V0J7J0J1J2.+5V72732.5.3光电隔离电路对启停时间很短的开关量输出控制系统，应采用光电耦合器对启停时间很短的开关量输出控制系统，应采用光电耦合器图2-30光电耦合控制直流电机803174LS273+5VDC+-MR1R2R3SCRMCS620078.742.6键盘接口技术2.6.1 独立式按键独立式按键2.6.2 行列式键盘行列式键盘2.6.3 软键盘与触摸屏接口软键盘与触摸屏接口752.6.1独立式按键 独立式按键是指直接用输入端口线构成的单个按键电路，独立式按键是指直接用输入端口线构成的单个按键电路，常用于需要少量几个按键的计算机控制系统常用于需要少量几个按键的计算机控制系统图2-31具有8个独立式按键的硬件连线图 无按键按下时，无按键按下时，PA0PA7输入输入状态均为状态均为1有按键按下时，按键对应的端有按键按下时，按键对应的端口线输入为口线输入为0 上拉电阻上拉电阻76独立式键盘结构原理独立式键盘结构原理查询法77独立式键盘查询法程序流程图独立式键盘查询法程序流程图782.6.2行列式键盘 行列式键盘（矩阵式键盘）常应用在按键数量比较行列式键盘（矩阵式键盘）常应用在按键数量比较多的系统之中多的系统之中+5V+5V控制线控制线检检测测线线常用的矩阵结构键盘每行连接一个引脚每列连接一个引脚利用控制线为低、读取检测线来识别闭合键行列式键盘由行列式键盘由行线和列线行线和列线组成，按键设置在行、列结组成，按键设置在行、列结构的构的交叉点交叉点上，行列线分别连在按键开关的上，行列线分别连在按键开关的两端两端79去抖动的方法有去抖动的方法有硬件方法硬件方法和和软件方法软件方法两种。两种。硬件方法硬件方法是设计一个滤波延时电路是设计一个滤波延时电路软件方法软件方法是指编制一段时间大于是指编制一段时间大于100ms的延时程序的延时程序,在第一在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态动消失后再检测该键状态.802.6.2行列式键盘行列式键盘与计算机的连接多采用行列式键盘与计算机的连接多采用I/O接口芯片，如接口芯片，如8155、8255等。有时为了简单起见，也采用锁存器，等。有时为了简单起见，也采用锁存器，如如74LS273、74LS244、74LS373等。等。扫描的方法扫描的方法：定时扫描法和中断扫描法两种：定时扫描法和中断扫描法两种812.6.2行列式键盘1.定时扫描法定时扫描法图2-32采用8255端口构成的48矩阵键盘 所有列线均为低电平所有列线均为低电平 定时扫描键盘，判断是否有键按下定时扫描键盘，判断是否有键按下 消除按键抖动消除按键抖动 求按键键值求按键键值 等待按键释放等待按键释放 无键按下：无键按下：PC3-0:0FH延时延时1020ms，再判断再判断PC3-0值值822.6.2行列式键盘2.中断扫描法中断扫描法图2-33中断扫描法硬件原理图 所有列线均为低电平所有列线均为低电平 行线经行线经4与非门作为中断申请端与非门作为中断申请端 有键按下时产生中断有键按下时产生中断 中断处理程序完成键盘程序中断处理程序完成键盘程序 832.7LED显示器及其接口技术1.7段段LED显示器件显示器件图3-347段LED显示器件的结构及外形图 图图3-23所示为所示为7段段LED显示器件的结构及外形图。根据显示块内部发光显示器件的结构及外形图。根据显示块内部发光二极管的连接方式不同，二极管的连接方式不同，7段段LED显示器件可分为共阴极和共阳极显示器件可分为共阴极和共阳极LEDLED显示码？显示码？842.7LED显示器及其接口技术2.动态动态LED显示器接口技术显示器接口技术 动态显示动态显示：微处理器：微处理器定时定时地对显示器件所显示的内容进行地对显示器件所显示的内容进行扫扫描描，任，任一时刻一时刻只有只有一个一个显示器件在显示器件在显示显示图3-356位动态显示电路PA端口输出显示码PB端口输出位选码852.7LED显示器及其接口技术3.静态静态LED显示器接口技术显示器接口技术 静态显示静态显示：当显示器件显示某个字符时，相应的显示段（发光二极管）：当显示器件显示某个字符时，相应的显示段（发光二极管）恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止图3-366位静态显示电路原理图862.8 抗干扰技术抗干扰技术87干扰：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常干扰：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常 工作的破坏因素。工作的破坏因素。抗干扰措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。抗干扰措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。干扰的来源：外部干扰和内部干扰。干扰的来源：外部干扰和内部干扰。外部干扰：指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定外部干扰：指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定 的。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温的。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温 度、湿度等气象条件。度、湿度等气象条件。内部干扰：是由系统结构、制造工艺等决定的。内部干扰主要内部干扰：是由系统结构、制造工艺等决定的。内部干扰主要 是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐 射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位 差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件 产生的噪声。产生的噪声。2.8.1 干扰的来源与传播途径干扰的来源与传播途径888990干扰传播的途径主要有三种：干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。耦合，公共阻抗耦合。(1)静电耦合静电耦合(静电耦合是电场通过电容耦合途径静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其它线路的窜入其它线路的)2)干扰的传播途径干扰的传播途径91(2)磁场耦合磁场耦合(空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的进来的)92公共阻抗耦合发生在公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一电压降会影响到另一个电路，从而产生干个电路，从而产生干扰噪声的影响。扰噪声的影响。图图8-58-5给出一个公共电源线给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。的阻抗耦合示意图。(3)公共阻抗耦合公共阻抗耦合932.8.2 2.8.2 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术1 过程通道抗干扰技术2 CPU抗干扰技术3 系统供电与接地技术941 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术1 1）串模干扰及其抑制方法）串模干扰及其抑制方法 (1)(1)串模干扰串模干扰 所所谓谓串串模模干干扰扰是是指指叠叠加加在在被被测测信信号号上上的的干干扰扰噪噪声声。也也称称为常态干扰。为常态干扰。95（2 2）串模干扰的抑制方法）串模干扰的抑制方法 采用滤波器 常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。96 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器。尽可能早地进行前置放大，尽可能早地完成模/数转换，或采取隔离和屏蔽等措施。从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应。选用带屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线。97 2）共模干扰及其抑制方法共模干扰及其抑制方法(1)(1)共模干扰共模干扰 所谓共模干扰是指模所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。压。共模干扰也称为共态干扰。被测信号被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差之间往往存在着一定的电位差Ucm 共模干扰示意图98单端对地输入和双端不对地输入单端对地输入和双端不对地输入所以必须采用双端输入不对地方式，如下图所示：对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压：99(2)(2)共模干扰的抑制方法共模干扰的抑制方法 变压器隔离变压器隔离 100 光电隔离101 浮地屏蔽浮地屏蔽 利利用用屏屏蔽蔽方方法法使使输输入入信信号号的的“模模拟拟地地”浮浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。空，从而达到抑制共模干扰的目的。102 采用仪表放大器提高共模抑制比采用仪表放大器提高共模抑制比 仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因分