计算机控制技术及应用教学课件王平谢昊飞蒋建春等编著第五章过程输入输出通道技术.ppt

在线教务辅导网 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网 QQ 349134187或者直接输入下面地址 第五章过程输入输出通道接口技术 过程输入输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁 根据过程信息的性质及传递方向 过程输入输出通道包括模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量 开关量 输入通道和数字量 开关量 输出通道 5 1过程输入输出通道的组成与功能 5 2过程输入输出通道的控制方式 5 2 l过程输入输出通道与CPU交换的信息类型过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种 1 数据信息 反映生产现场的参数及状态的信息 它包括数字量 开关量和模拟量 2 状态信息 又叫协议信息 如应答信息 握手信息 它反映过程通道的状态 如准备就绪信号 3 控制信息 用来控制过程通道的启动和停止等信息 如三态门的打开和关闭 触发器的启动等 在过程输入输出通道中 必须设置一个与CPU联系的接口电路 传送数据信息 状态信息和控制信息 5 2 2过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道 因此需对每一个过程输入输出通道安排地址 过程通道编址方式有两种 1 过程通道与存储器统一编址方式这种编址方式又称存储器映像方式 它从存贮器空间划出一部分地址空间给过程通道 把过程通道的端口当作存贮单元一样进行访问 对I O端口进行输入输出操作跟对存储单元进行读写操作方式相同 只是地址不同 2 过程通道与存储器独立编址方式这种编址方式将过程通道的端口地址单独编址 有自己独立的过程通道地址空间 而不占用存储器地址空间 在过程通道地址空间中 每一个过程通道的端口有一个唯一对应的过程通道的端口地址 这种独立编址方式要求CPU有专用的I O指令 IN及OUT指令 用于CPU与过程通道端口之间的数据传输 地址总线配合存储器操作信号实现存储器的访问控制 地址总线与I O操作信号配合则可访问过程通道 实现这种编址方式的CPU分别有存储器访问和I O访问的指令及相应的控制信号 编址方式的比较统一编址的最大优点是无需专门的I O指令 从而简化了指令系统的设计 并能省去相应的I O操作的对外引线 而且CPU可直接对I O数据进行算术和逻辑运算 指令丰富 统一编址的不足之处在于I O端口地址占用了一部分存储器空间 另外访问内存的指令长度一般比专用的I O指令长 因而取指周期较长 又多占了指令字节 5 2 3CPU对过程通道的控制方式计算机的外围设备及过程通道种类繁多 它们的传送速率又很不相同 因此输入输出产生复杂的定时问题 也就是CPU采用什么控制方式向过程通道输入和输出数据 常用的控制方式有三种 程序查询方式 中断控制方式和直接存储器存取 DMA 方式 1 程序查询方式 采用中断控制方式时 CPU与I O通道处于并行工作方式 当CPU与I O通道需要传送数据时 过程通道作好准备后 主动向CPU请求中断 CPU响应这一请求 并暂停正在运行的程序 一般用优先级来解决中断响应的先后顺序问题 DMA方式是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式 在这种方式下 I O通道和存储器之间不通过CPU而直接进行数据交换 2 中断控制方式 3 直接存储器存取 DMA 方式 所谓 可编程接口 是指其功能可由程序指令 接口芯片功能设定的初始化程序 设定接口芯片的功能 故接口的设计与应用除了合理选择 接口芯片进行硬件设计外 还应包括对接口芯片的功能初始化程序和接口程序的分析与设计 CPU对过程通道的控制方式比较 程序查询方式的主要优点是能保证主机与输入输出通道之间协调工作 主要缺点是重复查询输入输出通道是否 准备就绪 从而浪费了CPU的时间 过程通道需要传送数据时就向CPU发出中断请求信号 实时性比程序查询方式好 主要缺点 由于为了能接受中断请求信号 CPU内部需要有一些线路来控制 另外采用中断控制方式时 每传送一次数据就要中断一次CPU原来的运行 CPU响应中断后 每次都要执行 中断处理程序 而且在其中都要保护断点 恢复断点 浪费了很多不必要的CPU时间 DMA方式的主要优点是速度快 数据传送速度只受存储器存取时间的限制 主要缺点是需要一个专用的芯片 控制器来加以控制 管理 硬件连接也稍微复杂一些 5 2 4过程通道接口设计应考虑的问题 接口电路起着连接过程通道与CPU的桥梁作用 它的基本任务有 1 控制信息的传递路径 即根据控制的任务在众多的信息源中进行选择 以确定该信息传送的路径和目的地 2 控制信息传送的顺序 计算机控制的过程就是执行程序的过程 为确保进程正确无误 接口电路应根据控制程序的要求 适时地发出一组有序的门控信号 在过程通道接口电路设计中应解决以下问题 1 触发方式 有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求 适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭 触发 信号 这必然涉及到同步触发和异步触发的方式 2 时序 控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型 不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤 每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的 3 负载能力 一旦控制逻辑确定后 系统能否可靠运行与器件的选择关系密切 器件的选择除了要考虑电平的摆幅 数值 延时外 还应考虑器件所带负载是否匹配 5 3多路开关及采样 保持器 在计算机测量及控制系统中 往往需要对多路或多种参数进行采集和控制 另一方面 模拟量参数经放大 滤波等一系列处理后 尚需转变成数字量 才能进入计算机系统 由于A D转换过程需要一定的时间 为了保证A D转换的精度 必须在A D转换进行时保持待转换值不变 而在 D转换结束后又能跟踪输入信号的变化 同时 在模拟量输出通道中 为使各输出通道得到一个平滑的模拟量输出 也必须保持有一个恒定的值 能够完成上述两项任务的器件叫做采样 保持器 单片机和被控实体间的接口示意 5 3 1多路开关与多路分配器 多路开关的主要用途是把多个模拟量参数分时地接通并送入A D转换器 即完成多到一的转换 或者把经计算机处理 且由D A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路 或外部设备 中 即完成一到多的转换 前者成为多路开关 后者叫做多路分配器 或叫做反多路开关 这类器件中有的只能做一种用途 成为单向多路开关 如AD7501 8路 AD8506 16路 有些则既能做多路开关 又能当多路分配器 成为双向多路开关 如CD4051 从输入信号的连接方式来分 有的是单端输入 有的则允许双端输入 或差动输入 表5 1常用的多路开关芯片 在以前的数字控制系统中 大多采用干簧 湿簧 继电器 由于这类开关结构简单 闭合时接触电阻小 而断开接点时阻抗高 工作寿命长 且不受外界环境温度的影响 所以应用比较广 随着大规模集成电路的发展 厂家已推出各式各样的半导体多路开关 从组成开关的电路来看 有TTL电路 CMOS和HMOS电路等 有的芯片还能在其内部进行TTL与CMOS之间的电平转换 如CD4051 更加拓宽了芯片的使用环境 半导体多路开关的特点是 1 采用标准的双列直插式结构 尺寸小 便于安排 2 直接与TTL 或CMOS 电平相兼容 3 内部带有通道选择译码器 使用方便 4 可采用正或负双极性输入 5 转换速度快 通常其导通或关断时间在l s左右 有些产品已达到几十到几百纳秒 ns 6 寿命长 无机械磨损 7 接通电阻低 一般小于100 有的可达几欧姆 8 断开电阻高 通常达109 以上 1 CD4051 表5 2CD4051的真值表 CD4067B是16通道双向多路模拟开关 2 CD4067B CD4097B 表5 3CD4067B通道控制真值表 CD4097B为双向双8通道多路模拟开关 CD4097B的双通道多路开关的原理是每当接到选通信号时 X Y两通道同步切换 且两个通道均受同一组选择控制信号C B A的控制 它主要用于两个通道信号的同步输入 如差动放大器的输入等 3 8816 随着控制系统的增大 被控参数的增多 不仅要求多路输入 也要求能有多通道输出 最好是输入输出都能控制 能够满足这种要求的装置称做矩阵多路开关 4 多路开关的扩展 由于两个多路开关只有两种状态 1 多路开关工作 2 必须停止 或者相反 所以 只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号 而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址 或数据 总线 改变数据总线D2 D0 也可以用地址总线A2 A0 的状态 即可得到分别选择IN7 IN0的8个通道之一 若需要通道数很多 两个多路开关扩展仍不能达到系统要求 此时 可通过译码器控制CD4051的控制端INH 把4个CD4051芯片组合起来 构成32个通道或16路差动输入系统 表5 4CD4051扩展电路真值表 5 3 2采样 保持器 如果直接将模拟量送入A D转换器进行转换 则应考虑到任何一种A D转换器都需要用一定的时间来完成量化与编码的操作 在转换过程中 如果模拟量产生变化 将直接影响转换精度 特别是在同步系统中 几个并联的参量需取自同一瞬时 而各参数的A D转换又共享一个芯片 所得到的几个量就不是同一时刻的值 无法进行计算和比较 所以要求输入到A D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变 但转换之后 又要求A D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化 能够完成上述任务的器件叫做采样 保持器 Sample Hold 简写为S H A D转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称转换时间 对变化快的模拟信号来说 转换期间将引起转换误差 这个误差叫做孔径误差 设模拟信号为 5 1 它的微分为 5 2 最大变化率为 5 3 在信号与横座标交点处 信号变化率最大 可能引起最大的信号误差 设孔径时间为 这时最大误差为 5 4 为满足A D转换精度要求 希望在时间内 信号变化最大幅度应小于A D转换器的量化误差 对于12位A D转换器ADS1211 转换时间为100 s 基准电压为10 24V 其量化误差为 若 由此要求输入信号的最高变化频率 当转换时间越长时 不影响转换精度所允许的信号最高频率就越低 这将大大地限制A D转换器的工作频率范围 因此 为了在满足转换精度的条件下提高信号允许的工作频率 可在A D转换前加入采样保持器 为满足A D转换精度要求 希望在时间内 信号变化最大幅度应小于A D转换器的量化误差 对于12位A D转换器ADS1211 转换时间为100 s 基准电压为10 24V 其量化误差为 采样保持器又叫做采样保持放大器 SHA 它的原理如图5 9所示 它由模拟开关S 保持电容C和缓冲放大器组成 其工作原理如下 S H有两种工作方式 一种是采样方式 另一种是保持方式 图5 9采样保持器原理图 采样保持器的主要性能参数有采样时间 孔径时间 输出电压衰减率 直通馈入等 1 采样时间 给出采样指令 跟踪输入信号到满量程并稳定在终值误差的 0 2 0 005 内变化所滞留的最小时间 2 孔径时间 保持指令给出后到采样开关真正断开所需的时间 3 输出电压衰减率 保持阶段中泄漏电压引起的放电速度 4 直通馈入 输入信号通过采样保持开关的极间电容穿通到保持电容上的现象 采样 保持器的主要用途是 1 保持采样信号不变 以便完成A D转换 2 同时采样几个模拟量 以便进行数据处理和测量 3 减少D A转换器的输出毛刺 从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间 4 把一个D A转换器的输出分配到几个输出点 以保证输出的稳定性 图5 0LFl98 298 398的原理图 选择采样 保持器时主要考虑的因素包括 输入信号范围 输入信号变化率 多路转换器的切换速度 采集时间等 若输入模拟信号变化缓慢 D A转换器转换速度相对很快 可以不用采样保持器 5 4开关量 数字量 输出通道 5 4 1开关量 数字量 输出通道的结构形式 开关量输出通道将计算机输出的数字量控制信号传递给开关型或脉冲型执行机构 其典型结构如图5 2所示 图5 12开关量输出通道结构框图 5 2开关量输出通道与CPU的接口 开关量输出通道与计算机接口的任务是将计算机输出的数字量锁存后再输出 以保证在控制程序规定的期限内输出的开关状态不变 开关量输出通道与计算机的接口可以采用以下方法 1 对于单片机 由于本身带有具备锁存功能的I O口 因此可以直接利用其I O口作为输出 而无需另加接口电路 例如利用8031的Pl口作为输出 2 采用通用集成可编程输入 输出接口芯片 可编程芯片的最大特点就是在不增加任何硬件的条件下 通过改变程序内容就可达到改变芯片功能的目的 可编程并行接口芯片一般有两个以上具备锁存或缓冲功能的数据端口 一个以上的控制寄存器和中断逻辑电路 因此使用非常方便 3 采用通用逻辑芯片 采用TTL或CMOS逻辑芯片实现 5 4 3功率接口技术 计算机输出的数字量经锁存器输出后 要进行隔离和放大才能加到执行机构上 开关量输出通道控制的执行机构大都属于脉冲型功率元件或开关型功率元件 1 直流电磁式继电器 接触器功率接口 对于接触器或中大功率继电器可采用一个小型直流继电器来驱动 用小继电器触点来接通接触器线圈电源 2 交流电磁式接触器功率接口交流电磁式接触器由于线圈的工作电压要求是交流电 所以通常使用双向晶闸管驱动或使用直流继电器作中间继电器 图5 5交流接触器接口 晶闸管触发电路通常采用光电隔离或脉冲变压器来触发 由于晶闸管触发采用脉冲形式 因此触发脉冲可通过软件来产生 3 晶闸管触发电路 5 5 1开关量 数字量 输入通道的结构形式开关量输入通道又可称为数字量输入通道 该通道将双值逻辑的开关量 数字量 变换为计算机能够接收的数字量 5 5开关量 数字量 输入通道 图5 17开关量输入通道结构框图 开关量 数字量 大致可分为三种形式 机械有触点开关量 电子无触点开关量和非电量开关量 1 机械有触点开关量 1 控制系统自带电源方式 5 5 2开关量 数字量 形式及变换 2 外接电源方式 它适合于开关安装在离控制设备较远位置的场合 3 恒流源方式 这种方式用于抗干扰能力要求高 传输距离较远的场合 电流一般取0 10mA 即触点闭合时输出电流为10mA 触点打开时输出电流为0 图5 19外接直流电源开关量变化电路 2 无触点开关量无触点开关量指电子开关 例如固态继电器 功率电子器件 模拟开关等 产生的开关量 由于无触点开关通常没有辅助机构 其开关状态与主电路没有隔离 因而隔离电路是它的信号变换电路的重要组成部分 无触点开关量的采集可由两种方式实现 第一种方式与有触点开关处理方法相同 即把无触点开关当做有触点开关 按图5 20方式连接电路即可 需要注意的是连接极性不能随意更换 5 20无触点开关变换电路 无触点开关量变换的第二种方法是从功率开关的负载电路取样法 它的原理电路框图如图5 21所示 这种方法直接反映负载电路工作状态 而对开关状态的采样是间接的 图5 21开关量取样变换电路框图 3 非电量开关量 数字量 通过采用磁 光 声等方式反映过程状态 在许多控制领域中得到广泛应用 这种非电量开关量 数字量 需要通过电量转换后才能以电的形式输出 实现非电量开关量 数字量 的信号变换电路由非电量 电量变换 放大 或检波 电路 光电隔离电路等组成 如图5 22所示 图5 22非电量开关量变换电路结构图 5 5 3整形与电平变换各种过程开关量经信号变换后转换成逻辑电信号或脉冲信号 但这种信号在脉冲宽度 脉冲波形形状 脉冲前后沿陡度及信号电平可能不很理想 通常需进行波形整形及电平变换才能输入到计算机 1 波形整形波形整形的目的是使逻辑信号变为较理想的电信号 并提高抗干扰能力 波形整形包括触点消抖 脉冲定宽 去除尖峰毛刺等 1 触点消抖 在机械有触点开关中 当触点闭合或打开时将产生抖动 使得开关量在动作瞬间的状态不稳 若是工作在计数方式或作为中断输入 将导致系统工作不正常 因此采用触点消抖是必要的 实现触点消抖的方法很多 图5 23为采用定时器555的一种消抖电路 图5 23触点消抖电路 T 0 632RC 2 脉冲定宽 在许多控制系统中 有时要求在开关量变化时提供一个脉冲宽度稳定的脉冲 如上跳时产生脉冲 下跳时产生脉冲 上下跳变时都产生脉冲 图5 24开 关状态产生定宽脉冲电路 3 消除毛刺 由于受环境干扰的影响 传输的开关量信号将产生毛刺 消除毛刺通常采用史密特触发器 例如74LSl4等 或集成比较器 图5 25为采用比较器的整形电路及其电路特性 图5 25回环比较器 2 电平变换在计算机控制系统中 CPU一般只接受TTL电平信号 当开关量变换后的信号为非TTL电平时 则需要进行电平变换 图5 26电平变换电路 5 5 4开关量输入通道与CPU的接口根据计算机控制系统的功能要求 CPU对开关量输入信号的处理形式主要有三种 开关状态检测 脉宽测量和脉冲计数 1 开关状态检测及其接口开关状态检测是指计算机在适当时刻将外部开关量的状态读入到计算机中 通常采用的方式为定时查询或中断 在定时查询方式里 CPU周期性地在规定时刻将开关量状态读入 这种方式对开关量状态变化时刻不能正确反映 其误差大小与读取周期相关 采用定时查询方式的接口非常简单 如果从数据总线读入 只需加入总线缓冲器即可 总线缓冲器通常为三态逻辑门电路 图5 27为采用74LS244的接口 对于单片机而言 开关量输入信号也可直接与I O口相连 无需添加接口元件 图5 27定时查询方式接口电路 2 脉宽测量接口电路脉宽测量指对开关量输入的某个状态 1 或 0 的持续时间进行测量 图5 288253的原理图 表5 5通道与操作时序的关系 8253工作方式由工作方式控制字定义 控制字定义见图5 29 它有六种工作方式 可以完成计数 脉冲宽度测量等工作 图5 298253的控制字 图5 308253与8031的接口 3 脉冲计数脉冲计数通常用来测量单位时间内的脉冲数 主要用于测频率 测转速或用于V F方式的模 数转换 脉冲计数可直接采用单片机的定时器 计数器来完成 也可采用8253实现 采用8253进行脉冲计数时 被测信号连接到CLK上 而GATE则接入一个脉宽为采样周期的方波信号 用它来控制计数时间 5 6模拟量输出通道的接口技术 1 可变增益放大电路D A转换器是增益可以按数字量进行编程的放大器 图5 31的运算放大器电路的增益 可以通过改变无源电路元件的值来加以调整 5 6 1D A转换器的原理 5 5 图5 31可变增益放大器电路 2 权电阻解码型D A转换原理图5 32中 若按数字要求改变 则D A转换器可以改变输入电流 这些电阻可按并联方式连结 其并联电阻值取决于受控于二进制控制信号的开关接通情况 图5 32D A转换器的原理如同二进制增益调整 5 6 流入电路的总电流 等于流过各个电阻的电流之和 由式 5 5 可知 式 5 6 也就确定了D A转换器的输出电压 每一个电阻都是其邻近电阻的两倍 若只有第一个开关接通 相当于输出电压满刻度一半 第1位 1 若仅有第二个开关接通 相当于满刻度的四分之一 第2位 1 按顺序逐位接通开关 其输出电压将越来越小 第N位 1 因此 D A转换器产生电压的方法相似于按一系列二进制加权配比配平 有关5位分辨率的D A转换器的例子表示在图5 33中 图5 335位分辨率的D A转换器按一系列二进制加权配比配平的示意图 若所有位都置 1 所有开关都接通 则输出电压非常接近于满刻度时的参考电压 或者表示成更一般的形式 所有位均置1 根据这个例子可以归纳出 D A转换器的输出电压为 在所有位均为1的情况下 其最大输出电压为 5 9 5 8 5 7 但是 在实际应用中却不采用图5 32中的电路 这是因为 在该电路中电阻取值 电阻的调节范围以及稳定时间都受到限制 例如 为了使耗电保持在低水平 R应取10k 对于一个10位分辨率的D A转换器 一般利用集成电路工艺要获得如此大阻值的电阻是难以办到的 此外 要使有意义 必须精确到 这就要求对许多不同的阻值进行精密的调整 最为严重的问题是 开关时间受最低有效位上电阻以及杂散电容的限制 而一般杂散电容值很容易接近1OOpF 以10位分辨率的D A转换器作为例子 其稳定时间为 3 R 2RT型D A转换原理R 2RT形网络电路 图5 34 是一种最通用的D A转换电路 它克服了先前电路所存在的问题 这种电路在换接开关端钮时 电压不发生变化 由于不存在电压瞬变过程 因而也就减轻了由RC稳定过程所引起的不良影响 图5 34R 2RT形网络式D A转换器示意图 a 各顺序节点都是等值的b 每一节点都有两条通过2R电阻与地相连的支路c 二进制电流分配器 图5 35R 2R梯形网络的工作原理 5 6 2模拟量输出通道的基本结构在许多场合要求具有多路模拟量输出通道 多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式 输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来前 使本次控制信号维持不变 1 多D A结构 图5 36多D A转换器结构形式示意图 2 共享式D A结构 图5 37共用D A转换器结构 5 6 38位D A转换器及其接口技术5 6 3 1D A转换器的主要技术指标分辨率转换时对输入模拟信号变化的反应越灵敏 分辨率通常用数字量的位数来表示 如8位 10位 12位 16位等 2 建立时间D A转换器代码有满刻度值的变化时 其输出达到稳定所需的时间 一般为几十个ns到几个ms 3 输出电平 D A转换器满量程输出电压的大小 4 输入编码 D A转换器输入数字量代码的编码方式 如二进制码 BCD码 补码 反码等 5 6 3 2模拟量输入通道设计中应考虑的问题 在D A转换器接口设计中 主要考虑的问题是D A转换芯片的选择 输入数字量的编码形式及模拟量的输出极性 参考电压电源流 模拟电量输出的调整与分配等 1 D A转换芯的选择原则 选择D A转换器芯片时 主要考虑芯片的性能 结构及应用特性 在性能上必须满足D A转换的技术要求 在结构和应用特性上满足接口方便 外围电路简单 价格低廉等要求 D A转换器结构性能指标包括静态指标 各项精度指标 动态指标 建立时间 尖峰等 环境指标 使用的环境温度范围 各种温度系数 D A转换器结构特性与应用特性主要表现为芯片内部结构的配置状态 主要的特性有 1 数字输入特性 包括接收数字量的编码形式 数据格式及逻辑电平等 2 数字输出特性 指D A转换器的输出电量特性 电压还是电流 多数D A转换器采用电流输出 3 锁存特性及转换控制 D A转换器对输入数字量是否具有锁存功能 将直接影响与CPU的接口设计 4 参考电源 参考电压源是影响输出结构的模拟参量 它是重要的接口电路 2 参考电压源的配置目前多数D A转换器不带参考电压源 因而设计D A接口电路时要配置参考电源 目前参考电压源主要有带温度补偿的齐纳二极管 能隙电压源 由于能隙电压源工作在正常线性区域 因而内部噪声小 工作稳定性好 在制作精密参考电压源时经常采用 外接参考电压源可以采用简单的稳压电路形式 也可以采用带运算放大器的稳压电路 如图5 38所示 简单稳压电路提供的参考电压恒定 带运算放大器的参考电压源具有驱动能力强 负载变化对输出参考电压没有影响 所供参考电压可以调节等性能 图5 38参考电压源电路形式 3 数字输入码与模拟输出电压的极性所有D A转换器的输出电压VO 都可表示为输入数字量D和模拟参考电压的乘积 5 10 二进制代码D可以表示为 取0或1 5 11 D A转换器的输出有电流和电压两种方式 其中电压输出形式又有单极性电压输出和双极性电压输出之别 D A转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关 与其位数无关 这里 以典型的8位D A转换器 DAC0832为例进行讨论 1 单极性电压输出 图5 39DAC0832单极性电压输出电路 表5 6单极性电压输出时数字量与模拟量之间的关系 2 双极性电压输出 图5 40DAC0832双极性电压输出电路 在随动系统中 由偏差产生的控制量不仅与其大小有关 而且与极性相关 由图5 40所示 可求出D A转换器的总输出电压 代入 的值可得 5 12 设 5V 则由式 5 12 可得出 当 0V时 5V 2 5V时 0V 5V时 5V 表5 7双极性输出时数字量与模拟量之间的关系 图5 41基准电压切换方法 4 尖峰及其消除 图5 42D A转换时产生的尖峰波形示意图 产生尖峰的原因是由于开关在换向过程中 导通 延迟时间与 截止 延时时间不相等所致 图5 43消尖峰电路工作原理 5 6 3 38位D A转换器模拟量输出通道不论采用何种结构形式 总是需要解决D A转换器与计算机的接口问题 D A转换器要求输入在一定时间内保持稳定 它采用的二进制数据输入方式有并行和串行两种形式 1 普通型D A转换器 DAC0832DAC0832内部结构引脚功能DAC0832的技术指标 1 DAC0832内部结构 DAC0832内部由三部分电路组成 如图5 3所示 图5 3DAC0832原理框图 2 引脚功能 DAC0832芯片为20引脚 双列直插式封装 其引脚排列如图5 4所示 1 数字量输入线D7 D0 8条 2 控制线 5条 3 输出线 3条 4 电源线 4条 图5 4DAC0832引脚图 3 DAC0832的技术指标 DAC0832的主要技术指标 1 分辨率8位 2 电流建立时间1 S 3 增益温度系数0 0002 FS 4 低功耗20mW 5 单一电源 5 15V 因DAC0832是电流输出型D A转换芯片 为了取得电压输出 需在电流输出端接运算放大器 Rf为运算放大器的反馈电阻端 运算放大器的接法如图5 5所示 运算放大器接法 返回本节 1 单极性输出 在需要单极性输出的情况下 可以采用图5 6所示接线 图5 6单极性DAC的接法 2 双极性输出 在需要双极性输出的情况下 可以采用图5 7所示接线 图5 7双极性DAC的接法 2 电压输出型D A转换器 AD558 图5 45AD558原理电路图 图5 46输出量程选择连接图 3 多通道D A转换器 AD7226 图5 47AD7226电路原理图 表5 8AD7226真值表 5 6 3 48位D A转换器与微机的接口及程序设计由于各种D A转换器的结构不同 它们与微型计算机接口的连接方法也有差异 但在基本连接关系方面 它们仍然有共同之处 数字量输入 模拟量输出 外部控制信号的连接 1 数字输入端的连接D A转换器数字量输入端与微型计算机的接口的连接需要考虑两个问题 一个是位数 另一个是D A转换器的内部结构 2 外部控制信号的连接外部控制信号主要是片选信号 写信号及启动信号 此外 还有电源及参考电平可根据D A转换器的具体要求进行选择 3 D A转换器与单片机的接口及程序设计应用举例由于在单片机系统中采用统一编址的方式 寻址时将I O端口视为外部存储单元 所以 用访问外部存储器的指令MOVX DPTR A或者MOV A i 0 1 即可完成对I O端口的访问 不含数据锁存器的D A转换器与单片机的接口 完成图5 48所示的D A转换程序只需要3条指令 设74LS273的端口地址为FEH 实现D A转换的源程序如下 MOVA nnH nnH为待转换的数字量MOVR1 OFEH 送端口地址到R1寄存器MOVX Ri A D A转换 含数据锁存器的D A转换器与单片机的接口 真值表 START MOVDPTR 0FDFFH 建立D A转换器地址指针MOVA nnH 待转换的数字量送AMOVX DPTR A 输出D A转换数字量INCDPH 求第二级地址MOVX DPTR A 完成D A转换 5 6 4高于8位的D A转换器及其接口设计为了提高转换精度 可选用更多位数的D A转换器 如10位 12位 16位 其转换原理与8位D A转换器基本一样不同的是在与数据线位数较少的微型计算机 如8位单片机 进行接口连接时 数据要分成两次或三次输入 例如 对于一个12位的数 模转换器 就要分成高低字节分别进行传送 分两次传送12位数字量时 D A转换器的输出就有一个中间量 图5 50是12位D A转换器与8位微处理器的接口 低8位先送入8位的暂存锁存器 当高四位传送时 同时选通低8位 图5 5012位D A转换器与微处理器的接口 图5 51为DACl230的结构框图 它是两级缓冲寄存器结构 其主要特性为 分辨率 12位输出电流稳定时间 1参考电压 10V 10V单工作电源 5V 15V 图5 51DACl230结构图 图5 52DACl230的工作时序图 图5 53DACl230与单片机8031的接口电路 表5 9 输入 输入 接口程序如下 MOVDPTR 8000HMOVA DAH DAV数字量高8位MOV DPTR AMOVDPTR 8001HMOVA DAL DAC数字量低8位 其中最低4位为0MOV DPTR AMOVDPTR 8002HMOV DPTR A 刷新输出 与A中值无关 5 5 5串行D A转换器及其接口技术 1 10位串行D A转换器TLC5615特性 分辨率 带有缓冲基准输入的10位输出类型 电压输出通信方式 串行输出 SPI QSP功耗 在5V供电时仅1 75mW建立时间 12 5us 应用 广泛应用于电池供电的测试仪器 仪表 工业控制等领域 1 TLC5615的内部结构及引脚 2 TLC5615的工作时序 TLC5615的工作时序如图5 55所示 在不使用多片级联时 可只用12位方式 其中前10位是数字量 后2位是0 图5 55TLC5615的工作时序 2 TLC5615与MCS 51单片机的接口 TLC5615在不使用级联方式时DOUT引脚可悬空 参考电压小于2 5V TLC5615的模拟量输出引脚是带缓冲的 具有短路保护功能 可驱动2K欧负载 图5 56TLC5615与MCS 51单片机接口 SETBSCLKNOPNOPCLRSCLKDJNZR7 LOP2MOVR7 4MOVA R3LOP3 RLCA 发送低4位MOVDIN CNOPNOPSETBSCLKNOPNOPDJNZR7 LOP3END CSBITP1 0SCLKBITP1 1DINBITP1 2TLC5615 OUT MOVR7 6 将低位数据左移6位 使数据左对齐LOP1 MOVA R3RLCAMOVR3 ADJNZR7 LOP1MOVA R2MOVR7 8CLRCSCLRSCLKLOP2 RLCA 发送高8位MOVDIN CNOPNOP 5 7模拟量输入通道 5 7 1模拟量输入通道的基本结构模拟量输入通道各部分电路作用如下 1 传感器 将过程量转换为电信号 2 放大电路 对微弱的电信号进行放大 3 多路转换开关 将多路模拟信号按要求分时输出 4 采样保持 对模拟信号进行采样 在模 数转换期间保持采样信号不变 5 A D转换 即模 数转换 将模拟信号转换为二进制数字量 6 接口电路 提供模拟输入通道与计算机之间的控制信号和数据传送通路 图5 54模拟量输入通道结构 5 7 2A D转换原理 在计算机控制系统及过程数据采集系统中 通常采用低 中速的大规模集成模 数转换器芯片 这类芯片采用的转换方法有 计数器式A D转换 逐次逼近型A D转换 双斜率积分式A D转换 V F变换型A D转换 型A D转换 在这些转换方式中 计数器式A D转换线路比较简单 但转换速度较慢 所以现在很少应用 双斜率积分式和 方式A D转换精度高 在仪器仪表中应用非常广泛 多用于数据采集及精度要求比较高的场合 如5G14433 31 2位 AD7555 41 2位或51 2位 等 但速度较慢 逐次逼近型A D转换既照顾了转换速度 又具有一定的精度 所以是目前应用较多的一种A D转换器结构 在16位以下A D转换器得到广泛应用 此外 V F变换型A D转换器则多用于需要远距离串行传送的场合 1 逐次逼近式A D转换器 图5 55逐次逼近式转换电路原理图 图5 56逐次逼近过程 2 双斜率积分式A D转换器 图5 57双斜率积分式A D转换器电路原理图 图5 58双斜率积分式A D转换器一个测量周期内的积分输出 3 电压 频率变换器 VFC 作A D转换器VFC是把电压变换为频率的装置 其输出为脉冲形式 如锯齿波 方波 尖脉冲等 1 VFC的基本原理VFC有四种基本结构 积分复原式 电荷平衡式 交替积分式和电压反馈式 其中使用最多的是电荷平衡式 其电路原理如图5 61 a 所示 5 17 反向充电时 正向充电时 根据电荷平衡 2 VFC作A D转换器 图5 62用VFC构成A D转换器 输入电压加到VFC上产生频率与VIN成正比的脉冲序列 该脉冲序列通过门电路由计数器测定规定时间内的脉冲数 若额定测定时间为Ts 5 18 5 6 2A D转换器的选用 1 模拟量输入通道的结构典型的模拟量输入通道的结构如图5 63所示 图5 63模拟量输入通道结构 2 A D转换器的主要技术指标 1 分辨率 分辨率通常用数字量的位数来表示 如8位 10位 12位 16位等 2 量程 A D转换器能转换的模拟电压的范围 3 精度 分为绝对精度和相对精度 4 转换时间 完成一次完整转换所需要的时间 5 输出逻辑电平 输出数据的电平形式和数据输出方式 如三态逻辑和数据是否锁存 6 工作温度范围 A D转换器在规定精度内允许的工作温度范围 7 对基准电源的要求 基准电源精度对A D转换器精度有重大影响 因此应加以考虑 3 A D转换器的选择模拟量输入通道是计算机控制系统的信号采集通道 从信号的传感 变换到计算机输入 必须考虑信号拾取 信号调节 A D转换 电源配置和防止干扰等问题 1 信号的拾取方式通过敏感元件拾取被测信号通过传感器拾取被测信号通过测量仪表拾取被测信号 2 信号的调节在模拟量输入通道中 信号调节的任务是将传感器信号转换成满足A D电路要求的电平信号 3 模 数转换方式的选择模拟量输入通道的模 数转换方式有A D转换电路和V F变换方式 V F变换方式将信号电压变换为频率量 由计算机或计数电路计数来实现模拟量转化为数字量 4 电源配置信号拾取时 要考虑对传感器的供电 对于不同的信号调节电路中的芯片 一般会提出对电源的要求 必须很好地解决电源问题 5 抗干扰措施 4 A D转换器与微型计算机接口设计需要注意的几个问题模拟量输入信号的连接A D转换器的模拟量输入有时是双极性的 有时是单极性的 输入信号的最小值有从零开始的 也有从非零开始的 因此 产品出厂时 有的A D转换器芯片已经设计了不同量程的引脚 以满足不同情况的需求 只有正确使用A D转换器有关量程的引脚 才能保证A D转换器的转换精度 双参考电压引脚的A D转换器AD0809芯片连接组成的对称参考电压接法如图5 64所示 如果输入信号的模拟量不是从零开始的 输入信号模拟量的最大值也不是满量程时 就可以利用双参考电压引脚的A D转换器AD0809芯片的两个参考电压引脚 连接成对称参考电压接法解决显示满刻度和测量精度问题 2 数字量输出引脚的连接A D转换器数字量输出引脚和微型计算机的连接方法与其内部结构有关 对于内部未含输出锁存器的A D转换器来说 一般通过锁存器或I O接口与微型计算机相连 常用的接口及锁存器有Intel8155 8255 8243以及74LS273 74LS373 8212等 当A D转换器内部含数据输出锁存器时 可直接与微型计算机相连 有时为了增加控制功能 也采用I O接口连接 3 A D转换器的启动方式任何一个A D转换器在开始转换前 都必须经过启动 才开始工作 芯片不同 要求的启动方式也不同 一般分脉冲启动和电平启动两种 脉冲启动型芯片 只要在启动转换输入引脚引入一个启动脉冲即可 如ADC0809 ADC80 AD574A等均属于脉冲启动转换芯片 所谓电平启动转换 就是在A D转换器的启动引脚上加上要求的电平 一旦电平加上以后 A D转换即刻开始 而且在转换过程中 必须保持这一电平 否则将停止转换 AD570 571 572等都属电平控制转换电路 不同的A D转换器 要求启动信号的电平不一样 有的要求高电平启动 如ADC0809 ADC80 AD574 有的则要求低电平启动 如ADC0801 0802和AD670等 4 转换结束信号的处理方法微型计算机检查判断A D转换结束的方法有以下三种 中断方式 查询方式 软件延时方式 5 A D转换器的工作电压和基准电压早期的集成A D转换器采用 15V的直流工作电压 近年来新开发的集成A D转换器产品 可在 12 15V的范围内工作 还有的集成A D转换器芯片使用单一 5V直流工作电压 6 时钟的连接A D转换器的另一个重要连接信号是时钟 A D转换时钟的提供方法也有两种 一种由芯片内部提供 一种由外部时钟提供 图5 66采用内部时钟的一般操作方法 图5 67采用外部时钟的A D转换电路图 8位A D转换器内部设有时钟发生器 但经常外接RC电路来提供所需的时钟 如图5 68所示 改变RC的值 便可改变时钟频率 7 接地问题A D转换器应用的设计 在硬件设计方面 除了前面讲的几种信号的连接方式之外 还有一个需要注意的问题就是地线的连接 5 6 3逐次逼近式并行A D转换器及其接口 1 8位并行A D转换器及其接口逐次逼近式A D转换器有单片集成与混合集成两种集成电路或模块 转换速度在几个微秒到一百多个微秒之间 分辩率有8位 10位 12位 14位和16位几种 1 普通型A D转换器 AD7574AD7574采用CMOS工艺 是单片型 含内部时钟振荡器 5V供电 芯片内部设有比较器和控制逻辑 以及功耗低 30mW 转换速度快 15 s 的逐次逼近型A D转换器 它采用18脚双列直插式封装结构 易于与微型计算机接口连接 在过程控制自动化和智能化仪器中得到广泛的应用 AD7574的内部结构 如图5 70所示 图5 70AD7574原理图 AD7574与MCS 51的电路连接如图5 71所示 2 带仪器放大器的A D转换器AD670上述的AD7574A D转换器的输入信号必须是标准信号 因此 被测信号 如温度 压力 流量等 在输入到普通A D转换器之前 首先要经过变送器的转换 将传感器输出的信号变成0 5V的统一电信号 然后才能与A D转换器进行连接 这在一般的过程控制中是完全可行的 但是 在智能化仪器中这种结构就显得比较复杂 特别是在一些手提式现场测试仪器中更是如此 为满足这种需要 厂商研制出一种内部带仪器放大器的A D转换器 AD670即为其中之一 图5 64AD670电路结构原理 表5 10AD670控制信号真值表 图5 65AD670的连接方式 3 多通道A D转换器ADC0808 0809电路组成及转换原理ADC0808 0809都是含8位A D转换器 8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件 其转换方法为逐次逼近型 在A D转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较器 一个带模拟开关树组的256电阻分压器 以及一个逐次逼近型寄存器 8路的模拟开关的通断由地址锁存器和译码器控制 可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号 其原理框图 如图5 66所示 图5 66ADC0808 0809原理图 ADC0808 0809的引脚功能 IN7一IN0 8个模拟量输入端 START 启动信号 高电平有效 EOC 转换结束信号 OE 输出允许信号 CLOCK 实时时钟 可通过外接RC电路改变时钟频率 ALE 地址锁存允许 高电平有效 C B A 通道号选择端子 C为最高位 A为最低位 D7 D0 数字量输出端 VREF VREF 参考电压端子 Vcc 电源端子 接 5V GND 接地端 图5 67ADC0808 0809应用接线图 图5 68ADC0808 0809时序图 ADC0808 0809的技术指标 单一电源 5V供电 模拟输入范围为0 5V 分辨率为8位 最大不可调误差 功耗为15mW 转换速度取决于芯片的时钟频率 时钟频率范围 10 1280kHz 当CLOCK等于500kHz时 转换速度为128 s 可锁存三态输出 输出与TTL兼容 无需进行零位及满量程调整 温度范围为 400C 85 4 8位A D转换器的接口技术 直接接口 根据图5 77的电路可编写A D采样程序 通道号放在R2中 采集结果放在30H 37H中 起始通道号为0 SETBSTART 发启动转换脉冲NOPNOPCLRSTARTJNBEOC 等待转换结束SETBOEMOVA P0 读转换数据CLROEMOV R0 A 暂存数据INCR2INCR0CJNER2 08H ADC0809 1 8个通道没转换完 转换下一个通道RET STARTBITP2 3EOCBITP3 2ALEBITP2 4OEBITP3 7ADC0809 MOVR2 0 设起始通道号MOVR0 30H 设数据缓冲区ADC0809 1 MOVA R2MOVP2 A 写通道号SETBALENOPCLRALE 全译码方式接口 根据图5 78编写的ADC0809转换程序 ADC0809的地址是8000H 8007H 通道号在R2中 采样后的结果存放在30H 37H中 在程序中启动ADC0809的同时将通道号写到ADC0809中 ORG00HAJMPMAINORG03HAJMPADC0809ORG1000HMAIN SETBEASETBEX0SETBIT0MOVR2 0MOVR0 30HMOVDPTR 8000HMOVX DPTR AAJMP ADC0809 MOVXA DPTRMOV R0 AINCR0INCR2MOVA R2ORLA DPLMOVDPL AMOVX DPTR ACJNER2 07H ADC0809RETMOVR2 0MOVR0 30HRETIADC0809RET RETI 2 高于8位的并行A D转换器及其接口 1 AD574的结构及原理AD574是美国模拟器件公司 AnalogDevices 生产的12位逐次逼近型快速A D转换器 其转换速度最快为35 s 转换误差 是目前我国应用广泛 价格适中的A D转换器 加之其内部含三态输出缓冲电路 可直接与各种微处理器连接 且无须附加逻辑接口电路 便能与CMOS及TTL电平兼容 内部配置的高精度参考电压源和时钟电路 使它不需要任何外部电路和时钟信号 就能完成A D转换功能 应用非常方便 图5 79AD574结构原理图 2 AD574A的引脚及功能表5 12AD574控制信号组合表 3 AD574A的应用单极性输入 图5 80单级性模拟量输入电路的连接 双极性输入 5 81双极性模拟量输入电路图 4 高于8位的A D转换器接口技术及程序设计 D转换程序如下 ORG0200HATOD MOVDPTR 9000H 设置数据地址指针MOVP2 0FFHMOVR0 0FCH 设置启动12位A D转换的地址MOVX R0 A 启动A D转换MOVR0 0FEHLOOP JBP1 0 LOOP 检查A D转换是否结束 MOVXA R0 读取高8位数据0FEHMOVX DPTR A 存高8位数据INCR0 求低4位数据的地址0FFHINCDPTR 求存放低4位数据的RAM单元地址MOVXA R0 读取低4位数据MOVX DPTR A 存低4位数据HERE AJAMPHERE 5 6 5串行A D转换器及其接口技术TLC2543是12位11通道开关电容逐次逼近A D转换器 它有11个输入端 分辨率为12位 具有转换快 转换时间小于10 s 稳定性好 线性误差小于 1LSB 与微处理器接口简单等特点 同时其内部自带时钟 工作电压为 5V 表5 13输入寄存器格式 3 TLC2543的工作时序 4 TLC2543的使用方法 1 控制字的格式控制字为从DATAINPUT端串行输入的8位数据 它规定了TLC2543要转换的模拟量通道 转换口的输出数据长度 输出数据的格式 其中高4位 D7 D4 决定通道号 对于0通道至10通道 该4位分别位0000 1010H 当位1011 1101时 用于对TLC2543的自检 分别测试 VREF VREF 2 VREF VREF 的值 当位1110时 TLC2543进入休眠状态 低4位决定输出数据长度及格式 其中D3 D2决定输出数据长度 01表示输出数据长度位8位 11表示输出数据长度为16为 其它为12位 D1决定输出数据是高位先送出 还是低位先送出 为0表示高位先送出 D0决定输出数据是单极性 二进制 还是双极性 补码 若为单极性 该位为0 反之为1 2 转换过程上电后 片选CS必须从高到低 才能开始一次工作周期 此时EOC为高 输入数据寄存器被置为0 输出数据寄存器的内容是随机的 开始时 CS片选为高 I OCLOCK DTATINPUT被禁止 DATAOUT呈高组态 EOC为高 使CS变低 I OCLOCKDTATINPU使能 DATAOUT脱离高组态 12个时钟信号从I OCLOCK端一次加入 随着时钟信号的加入 控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543 高位先送入 同时上一周期转换的A D数据 即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出 TLC2543收到第4个时钟信号后 通道号也已收到 此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样 并保持到第12和时钟的下降沿 在第12和时钟下降沿 EOC变低 开始对本次采用的模拟量进行A D转换 转换时间约为10US 转换完成后EOC变高 转换的数据在输出数据寄存器中 待下一个工作周期输出 此后 可以进行新的工作周期 5 MCS 51单片机与TLC2543的接口技术 下面的程序是采用查询方式读TLC2543的11个通道的模拟量 通道号在R2中 转换结果放到30H起始地址的内部RAM中 设置TLC2543为12位方式 高位在前 数据为二进制格式 CSBITP1 0DIBITP1 1DOBITP1 2CLKBITP1 3EOCBITP3 2ORG00HAJMPMAINORG100HMAIN LCALLREAD ADAJMPMAINREAD AD 读11个外部通道子程序MOVR0 30H 设置缓冲区首址MOVR2 0MOVR6 11 最大采集路数LCALLREAD2543 空读 第一次启动 数据不准 READ AD 1 MOVA R2SWAPAMOVR2 A 将通道号的高4位与低4位交换 低4位为通道号 高4位为数据长度 数据格式等LCALLREAD2543MOVA R3MOV R0 AINCR0MOVA R4MOV R0 A 保存数据MOVA R2 将R2的高低4位交换 以便通道号加1SWAPAMOVR2 AINCR2DJNZR6 READ AD 1RET REDA2543 JNBEOC 等待TLC2543转换完毕CLRCLK 清I O时钟SETBCS 设置片选为高CLRCS 设置片选为低MOVR7 08 先读高8位MOVA R2 把方式 通道控制字放到AREAD 1 MOVC DO 读转换结果RLCA A寄存器左移 移入结果数据位 移出方式 通道控制位MOVDI C 输出方式 通道位SETBCLK 设置I O时钟为高CLRCLK 清I O时钟DJNZR7 READ 1 R7不为0 则返回READ 1MOVR3 A 转换结果的高8位放到R3中MOVA 00H 复位A寄存器MOVR7 04H 再读低4位 READ 2 MOVC DO 读转换结果RLCA A寄存器左移 移入结果数据位SETBCLK 设置I O时钟为高CLRCLK 清I O时钟DJNZR7 READ 2 R7不为0 则返回LOP2MOVR4 A 转换结果的低4位放到R4中SETBCS 设置片选为高RETEND