课件：输入输出通道接口技术.ppt

第四章 输入输出通道接口技术,检测与控制技术,课时授课计划 提 纲 课 程 内 容,精品课程,第四章 输入输出通道接口技术,课时授课计划,第四章 输入输出通道接口技术,重点与难点： 重点：输入/输出通道的设计方法； 难点：模拟量输入通道的信号调理。 课堂讨论： 模拟信号调理的主要功能是什么？ 采样定理与采样周期的确定。 模拟量输入通道中，模/数转换的方式有哪些？ 现代教学方法与手段： 微型计算机测控技术网络课程 PowerPoint 复习（提问）： 在模拟输入通道中，采样/保持器有什么作用？是否模拟输入通 道中必须采用采样/保持器？为什么？ 光电耦合器使用时应注意什么？,课时授课计划,第四章 输入输出通道接口技术,第4章 输入输出通道接口技术 4.1 数据采集与处理技术基础 4.1.1 数据采集系统概论 4.1.2 数据采集系统的一般结构 4.1.3 采样定理 4.1.4 信号的放大与隔离技术及常用器件 4.1.5 V/I和I/V转换电路 4.1.6 数据采集中的误差分析 4.2 模拟量输入通道 4.2.1 模拟量输入通道的一般结构 4.2.2 模拟量输入通道中的常用器件及电路 4.2.3 模拟量输入通道设计,课程提纲,第四章 输入输出通道接口技术,4.3 模拟量输出通道 4.3.1 模拟量输出通道的一般结构 4.3.2 模拟量输出通道常用器件及电路 4.3.3 模拟量输出通道设计 4.4 开关量输入/输出通道 4.4.1 开关量I/O通道的一般结构 4.4.2 开关量输入信号的调理 4.4.3 开关量输出驱动电路 4.4.4 开关量I/O通道设计 4.5 电机、步进电机接口技术 4.5.1 电动机控制接口 4.5.2 步进电机控制接口技术 4.6 数据采集系统举例 4.6.1 数据采集系统的技术要求 4.6.2 数据采集系统的设计举例 思考题与习题：P167 2. 4. 7. 10. 11. 12.,课程提纲,第四章 输入输出通道接口技术,第4章 输入输出通道接口技术 微机测控系统实质上是在微机最小应用系统的基础上根据现场 被测、被控对象的情况，通过扩展相应的接口并在软件的支持下实 现由模拟量到数字量再到模拟量的转换，从而完成系统所要求的测 控目标。 “测” ，即所谓的数据采集过程。它是通过被测信号的输入通 道，将传感器送来的过程参数，转换成数字量送入微机； “控” ， 即所谓的数字信号转换成模拟信号的过程。它是由输出通道将微机 运算的结果变成控制参量送到执行机构取得相应的控制效果。,课程内容1,第四章 输入输出通道接口技术,4.1 数据采集与处理技术基础 4.1.1 数据采集系统概论 微机测控系统的任务就是对生产 现场的过程参数进行检测、记录、存 储、处理、打印、显示及报警。 1.数据采集系统的基本功能 数据采集系统的功能： 时钟功能。即确定数据采样周期，同时也能为系统提供时间 基淮。 将现场检测传感器送来的模拟电信号按一定的次序巡回地采 样、进行AD转换并存储数据，即完成数据的采集。 对数字量按预定算法进行处理。 显示和打印输出。 当过程参数越限时进行报警。,课程内容2,计算机数据采集系统,第四章 输入输出通道接口技术,2.设计数据采集系统所涉及的主要问题 （1）分辨率和精度 （2）模拟量输入通道的数量 （3）采样频率 （4）数据处理的要求 3.数据采集系统的发展 新型快速、高分辨率的数据转换器件的发展； 数据采集与信号处理紧密结合； 智能传感器的发展； 分布式数据采集系统，适合不同环境的要求。,课程内容3,第四章 输入输出通道接口技术,4.1.2 数据采集系统的一般结构 数据采集系统的硬件主要由输入通道、输出通道组成的。 1.输入通道的一般结构 （1）输入通道的内容 输入通道是将被测对象信号传送到单片机数据总线上的数据通 路。结构型式取决于被测对象的环境、输出信号的类型、数量、大 小等。根据传感器输出信号的大小、类型，输入通道的结构类型如 表所示。 传感器输出信号为大信号模拟电压 若直接满足A/D转换输入的要求，则可直接送入A/D转换器。 传感器输出的是小信号模拟电压 应将该信号电压放大，以满足A/D、V/F转换所要求的输入电压。,课程内容4,第四章 输入输出通道接口技术,输入通道结构类型表,课程内容5,第四章 输入输出通道接口技术, 以电流为输出信号的传感器或传感仪表则应通过I/V转换，将电 流信号转换成电压信号。 频率信号，能满足TTL电平要求的直接输入I/O口；不满足则应通 过放大、整形变换成TTL电平信号后再送入。 开关信号，若能满足TTL电平要求时，可直接输入到I/O口，否则， 就应进行整形处理。 （2）输入通道的结构 单通道数据采集系统。如图所示。 模拟信号经放大器放大，通过采 样/保持器（S/H）送入A/D转换器。,单通道数据采集系统结构,课程内容6,第四章 输入输出通道接口技术, 多通道典型数据采集系统 利用多路开关（MUX）让 多个被测对象共用同一个采集 通道，这就是多通道数据采集 系统的实质。 3.输出通道的一般结构 （1）输出通道的作用 是计算机对采样数据实现某种运算处理后，将处理结果回送给被测对象的数据 通路。 （2）输出通道一般结构 取决于被测对象和控制任务。输出通道的一般结构如下图所示。 （3）输出数据的形式 数字信号的形式主要有开关量、二进制数字量和频率量，它们可直接用于开关 量、数字量控制系统及频率调制系统。 模拟量控制系统，则应通过数/模转换（D/A）将其变换成模拟量信号。,多通道数据采集系统结构,课程内容7,输出通道结构图,课程内容8,第四章 输入输出通道接口技术,第四章 输入输出通道接口技术,4.1.3 采样定理 1.信号的采样 把连续变化量变成离散量的过程。 2.采样信号 把以一定时间间隔T逐点采集连续的模拟信号，并保持一 个时间t，使被采集的信号变成时间上离散、幅值等于采样时刻该信号 瞬时值的一组方波序列信号。采样周期为 3.采样定理 （1）采样器 采样器相当是调制器，被调制信号为模拟量输入信号，以采样开 关的单位脉冲串作为调制频率，以离散脉冲信号输出。采样器原理如 下图所示。,常量（T）（K=0、1、）,课程内容9,第四章 输入输出通道接口技术,连续时间函数x（t）经过等间隔理想采样后离散信号的数学表达式 利用频率卷积定理：,采样器原理图,等间隔的脉冲序列,所以,课程内容10,第四章 输入输出通道接口技术,由上式，可画出采样波形 图，如图所示。 （2）采样过程分析 一个连续变化的信号，经采 样后形成一组脉冲序列。采样的 频率越高，离散后的信号x*(t) 愈接近连续输入函数x(t)。 但是，采样频率太高，在实 时控制系统中将会把许多宝贵的 时间用于采样，从而失去了实时 的控制机会。 如何确定采样频率，使得采 样结果x*(t)既不失真于x(t)， 又不致因采样过于频繁而耗费微 机的时间？,采样前后信号波形的变化,课程内容11,第四章 输入输出通道接口技术,（3）采样定理 如果x（t）是有限带宽信号，其最高频率为fmax， 要采样频率fS2fmax，那么，一定可以由采样信号x*（t）无失真 地恢复出连续信号x（t）。 （4）采样定理的应用 由于所有的信号并非都是“有限带宽”，所以在实际应用中，往 往所取的实际采样频率fS比两倍fmax大，一般而言，fS至少取4 fmax。 常用被测对象采样周期的经验值如表所示。,课程内容12,第四章 输入输出通道接口技术,4.1.4 信号的放大与隔离技术及常用器件 1.输入通道的信号调节 （1）信号调节的任务 是将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。 （2）信号调节电路的结构 对于单路小信号（电流或电压），如下图a所示，必须经过小 信号放大环节。一般小信号放大环节可选择测量放大器。为了减少 经过通道的耦合干扰，可采用隔离放大器。 信号滤波是为了提高信噪比。 对于大信号输出传感器，可以省去小信号放大。若是大电流输 出，只需经简单的I/V转换即可；若是大信号电压，可以进行转换。,课程内容13,第四章 输入输出通道接口技术,对于多通道数据采集系统的输入通道，必须设置多路选择开关，如图b 所示。为避免小信号通过模拟开关造成较大的附加误差，在传感器输出信号 过小时，每个通道应设前置放大环节。在多路选择开关之后设置一可编程增 益放大器，利用计算机编程控制增益，以满足各通道对信号增益的要求。,课程内容14,第四章 输入输出通道接口技术,2.信号调节常用器件 （1）测量放大器 测量放大器的特点 具有高共模抑制比、高速度、高精度、宽频带、 高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等。 测量放大器的工作原理 a.结构：由三个运算放大器构成，其 内部基本电路如图所示。 b.工作原理：A1、A2二个同相放大器 组成差动式放大电路，输入信号加在 A1、A2的同相输入端，从而具有高抑 制共模干扰的能力和高输入阻抗。功 率放大器A3为后级，它不仅切断共模 干扰的传输，还将双端输入方式变换 成单端输出方式，以满足负载的需要。,测量放大器的原理图,课程内容15,第四章 输入输出通道接口技术, 测量放大器集成芯片 常用的有AD521S、AD522B、AD612、AD605、 ZF605等。 a. AD521采用标准14脚双列直插式封装，其管脚功能如图a与基本接法如图b 所示。在使用AD521 （或其他测量放大 器）时，要特别注意 为偏置电流提供回路。 为此，输入（引脚l 或引脚3）端必须与 电源的地线相连构成 回路。 b. AD522也是单芯片集成精密测量放大器。详见教材P125。,AD521的管脚功能及基本接法,课程内容16,第四章 输入输出通道接口技术,（2）可编程增益放大器（PGA） 可编程增益放大器的特点 是硬件设备少，放大倍数可根据需 要通过编程进行控制，使A/D转换器满量程信号达到均一化，提高 了测量精度。 可编程增益放大器原理结构 它是测量放大器电路的扩 展，增加了增益模拟开关和驱 动电路。可编程增益测量放大 器的原理如图所示。 可编程增益放大器的应用 可编程增益放大器PGA的优 越性之一就是能进行量程自动切换。,可编程增益测量放大器的原理图,课程内容17,第四章 输入输出通道接口技术,例题：数字电压表的量程自动切换 分析：CPU首先对被测参数进行AD转换，判断被测值是否大于当前量程，若大于，再判断PGA的增益是否为最低档，如果是，就转入超量程处理，否则，将PGA增益降低一档并重复前面的处理过程；如果被测值小于当前量程再判断最高位是否为零。如果是零，就进一步判断增益是否为最高一档，若不是最高档，将增益升高一级再进行AD转换及判断；如不为零或PGA已经升到最高档，则说明量程已经切换到最合适档，此时微处理器对所测得的数据再进一步处理。,自动量程切换流程图,课程内容18,第四章 输入输出通道接口技术, 可编程增益放大器集成芯片 常用的可编程增益放大器芯片有 AD526、AD625、PGA100、PGA102、LH0084等。 PGA102是一种独立、 高速、高精度的数字式可 程序设置增益的仪器放大 器，由COMS/TTL电平来选 择增益为1、10或100，其 内部结构如图所示。 改变X10、X100两管 脚的电平，即可选择VIN1， VIN2和VIN3。由于三种输入 的反馈电阻不同，固而可 得到不同的增益。,PGA102原理结构图,课程内容19,第四章 输入输出通道接口技术,(3)隔离放大器 隔离放大器特点 避免各种干扰对系统的影响。 应用场合 测量处于高共模电压下的低电平信号；消除信号源 地网络干扰（如大电流的跳变）所引起的测量误差；避免与地构成 回路及其寄生拾取问题；保护系统电路不致因输入端或输出端的高 共模电压造成损坏；用于医疗仪器为病人提供安全接口等。 变压器耦合隔离放大器 组成：由输入级、输出级和电源振荡器三个基本部分。典型的隔离 放大器原理图如下图所示。,课程内容20,课程内容21,隔离放大器原理结构图,第四章 输入输出通道接口技术,工作原理：将传感器送来的信号滤波和放大，并调制成交流信号， 通过隔离变压器耦合到输出级。在输出级把交流信号解调变成直流 信号，再经滤波和放大，最后输出010V的直流电压。由于放大 器的两个输入端都是浮空的，所以，它能够有效地起测量放大器的 作用，又因采用变压器耦合，所以输入部分和输出部分是隔离的。 增益计算：,课程内容22,第四章 输入输出通道接口技术,GIN输入部分电压增益； GOUT输出部分电压增益。, 光耦合隔离放大器。光耦合隔离放大器是通过输入极激励发光管，由光电管将光信号耦合到输出极，实现信号的传输，同时保证了输入和输出间的电气隔离。,课程内容23,第四章 输入输出通道接口技术, 隔离放大器集成芯片 常用变压器耦合隔离放大器有Model277、Model278、AD293、AD294等，光耦合隔离放大器有ISO100等。 AD293应用电路如图 所示，信号VIN的输入端 可接地也可悬空。电阻 RG是增益调整电阻，输 入级增益为,R1输入级内部反馈电阻,课程内容24,第四章 输入输出通道接口技术,W1是输入级调零电位器，如果需调零，W1的滑动点与引脚2相连。 如果不调零，W1可不接。引脚33还可输出13V（相对引脚2），以 供其它外电路使用，电容C2用于对13V滤波。 4.1.5 V/I和I/V转换电路 微型机测控系统中直流标准信号均采用电压05V和直流电流 010mA或420mA。 1.V/I转换电路 （1）010V420mA转换电路 电流信号传输的优点：以消除电缆衰减，抗工业现场干扰。,课程内容25,第四章 输入输出通道接口技术,常用精密010420mA转换电路如图所示。,图中REF10为10V精密电压基准，提供一个10标准的稳压电源，此标准电源与0l0输入信号一起加到由超低噪声精密运算放大器OPA27所组成的反相比例求和电路。,工作原理：当输入信号在010V间变化时，OPA27的输出范围为 0.2V1V，该的输出加到由精密单位增益差动放大器INA105组成 的VI变换电路的输入端，可以推出当输入电压为0.21时， 流过负载电阻RLOAD的电流为420mA，而与RLOAD的大小无关。 (2)隔离型V/I转换电路 采用ISO100光电隔 离放大器组成的 420mA VI变换电路 原理如图所示。,课程内容26,第四章 输入输出通道接口技术,2. I/V转换电路 I/V转换以实现V/I的逆转换。RCV420是一种精密的电流/电压变 换器，它能将420mA的电流信号转换成05V的电压信号。 其典型 应用电路如图所示。,课程内容27,第四章 输入输出通道接口技术,4.1.6 数据采集中的误差分析 1系统的采样速度 在一个数据采集系统中，采样速度表示了采集系统的实时性能。 采样速度由模拟信号带宽、数据通道数和每个周期的采样数决定。 为了保证数据采集精度，在数据采集通道中应采取： （1）增加每个周期的采样数，通常根据数据带宽，在最高频率端每 周期采样7l0次。 （2）在AD转换之前设置低通滤波，消除信号中无用的高频分量。 2孔径误差 由于模拟量转换成数字量有一个过程，对于一个动态模拟信号， 在A/D转换器接通的孔径时间里，输入的模拟信号值是不确定的，从 而引起输出的不确定性误差孔径误差。,课程内容28,第四章 输入输出通道接口技术,根据分析，在A/D转换器之前如果加采样/保持电路，使得在转换期间的输入信号保持不变，采样的孔径时间将大大减少。 3系统通过率 系统通过率由模拟多路开关、输入放大器的稳定时间、采样/保持电路的采集时间以及A/D转换器的稳定和转换时间确定，它决定了系统的动态特性。从经验可知：采用低分辨率A/D转换器、减少模/数转换环节以及采用重叠方式采集时，可获得较大带宽的通过速率。,课程内容29,第四章 输入输出通道接口技术,第四章 输入输出通道接口技术,4.2 模拟量输入通道 模拟量输入通道是数据采集系统输入通道中的一种，它的任务 是把传感器转换后的电信号经过适当的调理，然后转换成数字量输 入计算机。 4.2.1 模拟量输入通道的一般结构 1.单路模拟量输入通道的一般结构 结构如图所示。各部分作用： 传感器部分 其作用是把工业 现场的各种非电物理量检测出来，并转换成相应的电信号。 信号调理电路部分 其作用是将传感器输出的信号作适当的 处理，使之成为适合A/D转换的电压信号。主要包括信号的滤波、 放大、隔离、变换以及线性化处理等内容。,单路模拟量输入通道结构图,课程内容30,第四章 输入输出通道接口技术, 采样/保持器（S/H） 由于任何一种A/D转换器都需要有一定时 间来完成量化及编码操作。因此，在转换过程中，模拟量不能发生 变化，否则，将直接影响转换精度。 A/D转换器 其作用是将输入的模拟信号转换为相应的数字信号。 2.多路模拟量输入通道的一般结构 结构如图所示。多路开关 的作用是把多路输入的模拟量 分时地送入A/D，即完成多到 一的转换。 4.2.2 模拟量输入通道中的常用器件及电路 1.多路开关,单路模拟量输入通道结构图,课程内容31,第四章 输入输出通道接口技术,常用的多路开关有：CD4051（双向、8路）、CD4052（单向、差 动4路）、AD7501（单向、8路）、AD7506（单向、16路）等。 （1）CD4051 是八通道双向多路开关 引脚排列如图所示。 a.引脚功能 C、B、A为通道选择输入端； INH为禁止端，高电平时，禁止通道 接通，低电平时，允许通道接通； VIN的范围是VDDVEE VDD的范围315V。,课程内容32,CD4051引脚排列图,第四章 输入输出通道接口技术,b.CD4051的真值表 如表所示。 (2)多路开关的扩展 当模拟量输入通道较多，使用一片多 路开关不够用时，可以把多片多路开关连 在一起，构成更多通道的多路开关。 举例：利用两片CD4051组成的16路多路开 关连接如图所示。 D3用来控制两个CD4051的INH，当 D31时，经反相器变为低电平，使1#片 被选中；反之选中2# 。,CD4051的 扩展图,课程内容33,第四章 输入输出通道接口技术,2.采样/保持器 （1）工作状态 在采样状态时，输出跟随输入 信号变化；而在保持状态时，输出 保持在进入保持状态这一时刻的输 入电压值。其输入输出特性如图所示。 （2）常用芯片 AD582、AD585、LF198/298/398等。 （3）工作原理 原理如图所示。,采样/保持器输入输出特性,LF198/298/398原理图,课程内容34,第四章 输入输出通道接口技术,LF398内部由三部分组成。输入电路A1、输出电路A2及逻辑控制 电路A3和S。运算放大器A1和A2均接成电压跟随器形式。当控制逻辑 IN+为高电平，通过A3控制开关S闭合，使输入电压经过A1进入A2，A2 的输出跟随输入电压变化，同时向保持电容（接引脚6）充电。当控 制逻辑IN+为低电平时，开关S断开，保持电容上的电压不变，维持A2 输出不变。IN-一般接地。 （4）使用方法 LF398典型的接线方法如图所示。 当IN+1时，为采样状态，此时输出跟 随输入变化；当IN+0时，为保持状态，此 时输出保持不变。,LF398典型的接线方法,课程内容35,第四章 输入输出通道接口技术,（5）保持电容CH的选择 可选用漏电流小的聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容。 CH的数值直接影响采样时间及保持精度，为提高精度，就需要增加 保持电容CH的容量，但CH增大又会使其采样时间加长。因此，当精 度要求不高（1%）而速度要求较高时，CH可小至100pF。当精度 要求高（0.01%），如与12位A/D相配合时，为减小下降误差和干 扰，应取CH1000pF。当CH400pF时， 采样时间tAC与CH有经验公式 式中 CH保持电容，单位为F；tAC采样时间，单位为秒。,课程内容36,第四章 输入输出通道接口技术,3.A/D转换器及其与CPU的接口 （1）常用芯片 8位A/D转换器ADC0809；10位A/D转换器AD7570；12位A/D转换器 AD574等。 （2）ADC0809及其与MCS-51系列单片机的接口 ADC0809的介绍 ADC0809是8位逐次逼近式AD转换器，具有8个模拟量输入通道， 最大不可调误差小于1LSB，典型时钟频率为640kHz，每通道的转换 时间约为100s。ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围 为101280kHz。,课程内容37,第四章 输入输出通道接口技术, 引脚排列及各引脚的功能 引脚排列如图所示。各引脚的功能如下： IN0IN7：8个通道的模拟量输入端。可输入 05V待转换的模拟电压。 D0D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7 是最高位，D0是最低位。 A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输 入；当CBA=111时，IN7输入。 ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿 处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关地址锁存器中，从而选通 8路模拟信号中的某一路。,课程内容38,第四章 输入输出通道接口技术,START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下跳 沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100200ns。 EOC：转换结束信号输出端。当EOC为高电平时表示转换结束，启动 A/D转换时它自动变为低电平。 OE：输出允许端。OE为低电平时，D0D7为高阻状态，OE为高电平 时，允许转换结果输出。 CLK：时钟输入端。ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约 为100s。 REF（-）、REF（+）：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为5V。 VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用5V单一电源供电。,课程内容39,第四章 输入输出通道接口技术, ADC0809与MCS-51系列单片机的接口方法 接口电路如图所示。 地址信号：74LS373输出的 低3位地址A2、A1、A0加到 通道选择端A、B、C，作为 通道编码。通道基本地址 为0000H0007H。 控制信号：8051的WR与P2.7 经过或非门后接至0809的 START及ALE引脚。8051的RD 与P2.7经或非门后接至0809 的OE端。ADC0809的EOC经反相后接到8051的P3.3（INT1）。,ADC0809与MCS-51的接口电路,课程内容40,第四章 输入输出通道接口技术,当8051通过对0000H0007H（基本地址）中的某个口地址进行 一次写操作，即可启动相应通道的AD转换；当转换结束后, 0809 的EOC端向8051发出中断申请信号；8051通过对0000H0007H中的某 个口地址进行一次读操作，即可得到转换结果。 （3）AD574系列ADC及其与MCS-51系列单片机的接口 AD574系列芯片介绍 AD574系列ADC包括AD574，AD574A、AD674A、AD674B、AD774B和 AD1674六个型号。各型号的外封装和引脚排列均相同。 AD574是一个完整的、多用途、12位逐次逼近式AD转换器。 AD574的特点,课程内容41,第四章 输入输出通道接口技术,具有12位和8位两种工作方式；具 有可控三态输出缓冲器，数字逻辑输入 /输出电平为TTL电平；12位数据可以一 次读出，也可分两次读，便于与8位或 16位微机相连；具有10.000V内部电压 基准源；内部具有时钟产生电路，不需 外部时钟；单极性和双极性输入。输入 量程分别为10V、20V、5V、10V。 引脚排列及各引脚的功能 引脚排列如图所示。各引脚的功能如下：,AD574引脚排列,课程内容42,第四章 输入输出通道接口技术,各引脚功能如下： 12/8：数据格式选择输入端。当12/81（高电平）时，允许12位数据并行输 出；当12/80（低电平）时，允许8位数据并行输出。 A0：字节选择输入端。当A00时，选择12位转换。当A01时，选择8位转 换。 CS：芯片选通输入端。当CS0时，芯片被选中。 R/C：读/转换选择输入端。当R/C1时，允许读取结果；当R/C0时，允许 A/D转换。 CE：芯片启动端。当CE1时，允许转换或读取。 STS：状态信号输出端。当STS1时，正在转换；当STS0时，转换结束。 REFOUT：10V基准电压输出。 REFIN：基准电压输入。必须由此脚把REFOUT脚输出的基准电压引入AD574。,课程内容43,第四章 输入输出通道接口技术,BIP OEF：双极性补偿。此引脚适当连接，可实现单极性或双极性。 控制引脚配合方式 AD574模拟量输入电路外部连接 AD574通过外部适当连线可以实现单极性输入，也可以实现双极 性输入。模拟量输入电路外部连接如下图所示。,AD574控制引脚功能表,课程内容44,第四章 输入输出通道接口技术,AD574的单极性输入方式如图a所示，R1用于单极性偏置调整， R2用于满量程调整。AD574在双极性输入方式下的外部连接方式如图 b所示，R1用于双极性偏置调整，R2用于满量程调整。,课程内容45,第四章 输入输出通道接口技术, 偏置和满量程调整 偏置调整是通过调节R1实现的。调整方法：在单极性输入时， 使第一次跳变（从000H到001H）发生在输入为1/2LSB时（对10V范 围，相当于1.22mV）；在双极性输入时，首先加一个负满度输入 （对5V范围为4.9988V）之上1/2LSB的信号，然后调节R1，使输 出代码出现第一次跳变（从000H到001H）即可。 满量程调整是通过调节R2实现的。调整方法是：在单极性输入 时，调节R2，使最后一次跳变（从FFEH到FFFH）发生在输入为满量 程值（对10V范围为9.9963V）以下1.5LSB时；对于双极性输入，调 节R2，使最后一次跳变（从FFEH到FFFH）发生在输入为正满度值 （对5V范围为4.9963V）以下1.5LSB时。,课程内容46,第四章 输入输出通道接口技术, AD574与8051的接口 接口电路如图所示。,课程内容47,第四章 输入输出通道接口技术,硬件分析： AD574的12/8端接地，转换结果分高8位、低4位两次输出；CS端接地， 芯片永远被选中；8051的WR、RD端通过与非门与AD574的CE端相连， 用来启动转换和输出结果；A0端由P0.0控制；R/C端由P0.1控制。 工作原理： 当P000H时，启动12位A/D；而P002H时，读取转换结果的高8位， P0=03H时，读取转换结果的低4位。STS可作为结果输出时的中断请 求或状态查询信号，图中连接到P1.0。由于数据通道宽度是8位， AD574的12位数据线的接法是将低4位（DB3DB0）分别连接到8位数 据线的（BD11DB4）上。,课程内容48,第四章 输入输出通道接口技术, A/D转换程序 根据硬件图，设启动 A/D的地址为0FCH，读高8位 转换结果的地址为0FEH，读 低4位转换结果的地址为FFH 用查询方式的A/D转换程 序：,课程内容49,第四章 输入输出通道接口技术,4.V/F转换器及其与MCS-51的接口 V/F转换器可将输入的模拟电压信号转换为频率信号，是A/D转 换的另一种形式，具有精度高、线性度好、应用电路简单和积分输 出等特点，在非快速且远距离传送系统中得到了愈来愈广泛的应用。 （1）V/F转换原理 V/F转换器采用的是电荷平衡式原理，其电路结构如a图所示。,课程内容50, 组成 由积分器、零电压比较器、单稳态定时器。 工作原理：当积分器的输出电压VINT下降到0V时，零电压比较器 发生跳变，单稳态定时器便产生一个宽度为t0的正脉冲，使模拟开关 S导通，恒流源IR开始向积分器反相充电，使VINT线性上升到某一正电 压。当t0脉冲结束后，模拟开关S关断，此时，只有正的输入电压VIN 对C充电，使积分器输出电压沿斜线下降，当VINT下降到零时，比较 器再次翻转，并使单稳态定时器又产生一个宽度为t0的脉冲，重复反 充电过程，如此循环，便在积分器输出端和单稳态定时器输 出端产生如图b所示的波形。 根据反充电电荷量与充电电荷量相等的电荷平衡原理，得,课程内容51,第四章 输入输出通道接口技术,因此，输出振荡频率为 输出频率与输入电压成正比。 常用的集成V/F转换器 型号有：LM131231331、AD650、VFC32等。 2.V/F转换器的应用 （1）通用型VF转换器LM331 LM331可在5V单电源下工作，满量程频率范围为1Hz100kHz， 具有线性度高（0.01%）、价格低廉等特点。 其引脚排列如图所示。 IOUT：精密电流源输出。 RC：内部定时比较器输入端。 VIN：待转换电压输入端。 VX：输入比较器的比较阈值输入端。,课程内容52,第四章 输入输出通道接口技术,RS：输出调节端。 FOUT：频率输出端。 （2）LM331与MCS-51单 片机的接口 电路如图所示。 将频率输出端接至 单片机的定时计数器 的输入端，通过测量输 入脉冲信号的频率，即 可求得输入电压VIN。,课程内容53,第四章 输入输出通道接口技术,4.2.3 模拟量输入通道设计 模拟量输入通道的设计包括：传感器或敏感元件选择、通道结 构、信号调理、电源配置、抗干扰等. 1模拟量输入通道设计中应考虑的问题 （1）信号的拾取方式 （2）信号的调理 （3）AD转换器的选择 （4）电源配置与干扰的抑制 2模拟量输入通道设计实例 典型的12位32路高速模拟 量输入通道的原理如图所 示。,课程内容54,第四章 输入输出通道接口技术, 组成：多路开关、仪表放大器、带采样保持器的12位A/D转换器 AD574、通道译码电路及接口电路等。 各部分硬件分析 a.AD574的外部连接如图所示。 CE和12/8引脚接高电平；CS和 A0接低电平，转换由R/C进行 控制；S1用于选择输入量程， 当1、2短接2、3断开时为10VIN， 当2、3短接1、2断开时为20VIN。 S2用于选择输入信号的极性，当 1、 2短接2、3断开时为双极性 输入，当2、3短接1、2断开时为单极性输入。,课程内容55,第四章 输入输出通道接口技术,b.多路开关和测量放大器 多路开关和测量放大器的连 接如图所示。 多路开关采用两片AD7506， B0B5是由通道号锁存器输出的 通道选择地址。S3和S4用于选择 输入方式，当S3的2、3短接1、2 断开，且S4的1、2短接和3、4短接时，为单端输入方式，此时可外 接32路模拟信号；当S3的1、2短接2、3断开，且S4的2、3短接时， 为双端输入方式，可外接16路差分模拟量输入信号。,课程内容56,第四章 输入输出通道接口技术,4.3 模拟量输出通道 模拟量输出通道是将微机输出的数字量，转换成适合于执行机 构所要求的模拟量的环节。 4.3.1 模拟量输出通道的一般结构 1.单路模拟量输出通道的一般结构 其结构如图所示。各部分作用： （1）寄存器 用于保存计算机输出的数字量。 （2）D/A转换器 其作用是将计算机输出的数字量转换为模拟量。 （3）放大/变换电路 D/A转换器输出的模拟量信号往往无法直接驱 动执行机构，需要进行适当地放大或变换。 2.多路模拟量输出通道的一般结构 电路结构有两种形式：各通道自备D/A转换器形式和各通道共用 D/A转换器形式。各通道共用D/A转换器结构如下图所示。,课程内容57,第四章 输入输出通道接口技术,4.3.2 模拟量输出通道常用器件及电路 1.D/A转换器及其与MCS-51的接口 （1）常用芯片 8位分辨率的DAC0800系列、DAC0830系列；10位分辨率的DAC1020 系列、AD7520系列；12位分辨率的DAC1208系列、AD1230系列、 DAC1220系列、AD7521系列等。,课程内容58,第四章 输入输出通道接口技术, DAC0832及其与MCS-51系列单片机的接口 a.DAC0832描述 8位分辨率的D/A芯片，内部有两级锁存功能；无内 部参考电源，需外接；输出是电流型，要获得电压输出需外加转换 电路。 b.DAC0832的输出方式 有单极性和双极性两种 输出方式，如图所示。由于 DAC0832是电流输出型的， 使用时一般需要通过运算放 大器转换为电压信号。图中 A点为单极性输出，B点为双 极性输出。,课程内容59,第四章 输入输出通道接口技术,c.零点、增益调整 以双极性为例，零点调整时，向DAC0832输入数 字量80H，调节第1级运放的调零电位器，使VAVREF/2的误差在 1/10LSB之间；调节第2级运放的调零电位器，使VB0的误差在 1/10LSB之间。增益调整：向DAC0832输入数字量0FFH，调第2级运 放的反馈电阻，使VBVREF1LSB（设VREF为正）的误差在1/10LSB之 间。 d.DAC0832与MCS-51单片机的接口 单缓冲器方式接口 多路转换但不要求同步 输出时，如图所示。 ILE接5V，CS、XFER都与地址选择线 P2.7相连，WRl、WR2都由8031的WR控制。,课程内容60,第四章 输入输出通道接口技术,双缓冲器同步方式接口 要求同步进行D/A 转换输出时，如图所示。 CPU经数 据总线分时向各路D/A转换器 输入要转换的数字量，并锁存在各路D/A的 输入寄存器中，然后CPU对所有的D/A转换器 发出控制信号，使各个D/A转换器输入寄存 器中的数据输入DAC寄存器，实现多路同步 转换输出。 P2.5和P2.6分别用于选择两路D/A转换 器的输入寄存器；P2.7接到两路D/A转换器 的XFER端控制同步转换；WR端与WR1和WR2 相连。,课程内容61,第四章 输入输出通道接口技术,4.3.3 模拟量输出通道设计 包括：D/A转换器的选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗 干扰等。 1.模拟量输出通道设计中应考虑的问题 （1）选择合适的D/A转换器 （2）考虑通道驱动 2.模拟量输出通道设计实例 是一个由ADC0832组成的两路异步输出的波形发生器如下图所示。 0832（1）的地址为0DFFFH，0832（2）的地址为0BFFFH，输出的电 压为双极性5V。,课程内容62,第四章 输入输出通道接口技术,课程内容63,第四章 输入输出通道接口技术,对于双极性输出，对应于00H0FFH的数字量，其转换后的模拟 量输出为VREFVREF，所以数字量80H对应的模拟量输出为0V，具 体程序如下。 反向锯齿波程序清单： ORG 0100H MOV DPTR，#0DFFFH ；DAC0832（1）地址送DPTR DA1：MOV R6，#80H ；初始数据送DAC0832（1） DA2：MOV A，R6 MOVX DPTR，A DJNZ R6，DA2 ；R6中数据减1，循环 AJMP DA1 ；一个周期结束，继续下一个周期,课程内容64,第四章 输入输出通道接口技术,4.4 开关量输入/输出通道 4.4.1 开关量I/O通道的一般结构 1.组成：通常由CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入/输 出电气接口三部分组成。通道结构如图所示。 2.各部分作用 （1）CPU接口逻辑 主要完成开关量输入/输出通道的选通和关闭等 控制信号的传输。,课程内容65,第四章 输入输出通道接口技术,（2）输入缓冲器和输出锁存器 缓冲或选通外部输入的信号，CPU 通过缓冲器读入外部开关量的状态。 （3）I/O电气接口 开关量输入/输出电气接口的功能主要是滤波、 电平转换、隔离和功率驱动等。 4.4.2 开关量输入信号的调理 1.信号调理的任务 对现场输入的状态信号采取转换、保护、滤波、隔离等措施。 2.信号调理的电路 包括：信号转换电路、RC滤波电路、保护电路、触点抖动的消 除和光电隔离等。,课程内容66,第四章 输入输出通道接口技术,3.光电隔离技术及常用器件 为了提高系统的抗干扰能力，需将控制对象和微机部分在电气 上隔离开来。 （1）光电耦合器的结构及工作原理 光电耦合器以光转换原理传输信息， 它由发光器件和光接收器件两部分组成并 封装在同一个外壳内，其原理如图所示。 （2）常用的光耦合器 二极管晶体管耦合的4N25、TLP541G；二极管达林顿管耦合 的4N38、TPL570；二极管TTL耦合的6N137等。,课程内容67,第四章 输入输出通道接口技术,4.4.3 开关量输出驱动电路 在微机测控系统中，执行机构通常需大电压（电流）来控制， 而微机系统输出的开关量大都为TTL（或MOS）电平，这种电平一般 不能直接驱动执行机构，需要另外设计驱动电路。 1.小功率驱动电路及常用器件 这类电路一般用于驱动发光二极管、LED显示器、小功率继电器 等元件或装置，要求电路的驱动能力为1040mA。 注意，当负载为感性时，驱动电路的输出必须加接限流电阻或 嵌位二极管。 (1)驱动指示灯 采用75451作为驱动器电路如下图所示，8031的 P1.7输出低电平时，指示灯发光。,课程内容68,第四章 输入输出通道接口技术,（2）驱动直流线圈 采用75451作为驱动器如上图所示，图中二极管D（1N4001）为箝位二极管，其作用是防止线圈两端的反电势损 坏驱动器。,课程内容69,第四章 输入输出通道接口技术,75451驱动指示灯电路 驱动直流继电器线圈电路,（3）驱动交流线圈 电路如图所示，交流接触器C由双向晶闸管KS 驱动。双向晶闸管 KS的选择条件要满足：额定工作电流为交流接触 器线圈工作电流的23倍；额定工作电压为交流接触器线圈工作电 压的23倍。 图中，MOC3041是光电耦合器起触发KS和隔离的作用。控制信号 由8031的P1.0输出。,课程内容70,第四章 输入输出通道接口技术,驱动交流继电器线圈电路,2.中功率驱动电路 一般要求具有50500mA的驱动能力。可采用达林顿复合晶体管 或中功率三极管来驱动。 （1）功率晶体管驱动 电路如图a所示。 （2）达林顿管驱动 电路如图b所示。 保护二极管，使用时应加散热板。,课程内容71,第四章 输入输出通道接口技术,3.固态继电器输出接口技术 固态继电器（简写为SSR）是一种无触点功率型电子开关。它利 用光电隔离技术实现了控制端（输入端）与负载回路（输出端）之 间的电气隔离，同时又能控制电子开关的动作。 （1）固态继电器的结构和工作原理 其结构一般由耦合电路、整形放大电路、开关电路和吸收电路 四部分构成，直流型固态继电器的结构如图所示。,课程内容71,第四章 输入输出通道接口技术,(2)各部分作用 耦合电路由光电耦合器组成，作用是耦合控制信号同时实现隔离； 整形放大电路的作用是将光电管接收到的控制信号进行整形放 大用于触发电子开关； 开关电路的作用是使电子开关T导通与负载构成回路； 吸收电路D的作用是用于防止从负载电源传来的尖峰、浪涌电压 对开关器件的冲击。 (3) SSR应用中应注意的问题 直流型和交流型用途不同，不能互换。 交流型有过零型和移相型两种，要求射频干扰小的场合应使用 过零型。 使用交流型应有吸收电路。,课程内容72,第四章 输入输出通道接口技术,SSR的输入均为发光二极管，可直接由TTL驱动，也可以用CMOS电路再加一级跟随器驱动。驱动电流约510mA时输出端导通，1mA以下输出端断开。 选用SSR时，电压和电流是两个最重要的参数。 为减少SSR的射频干扰，可在电源变压器原边处与电源引线之间并接0.047F电容。 切忌负载短路。 (4)固态继电器的驱 动方法 如图所示。,课程内容73,第四章 输入输出通道接口技术,4.4.4 开关量I/O通道设计 主要应考虑输入信号的拾取、转换、滤波、保护、隔离以及输 出信号的驱动等问题。 开关量输入信号的拾取方式：状态型开关量、位置型开关量、 计数型开关量。,课程内容74,第四章 输入输出通道接口技术,4.5 电机、步进电机接口技术 4.5.1 电动机控制接口 1.直流电动机调速原理 直流电动机的转速公式为 直流电机的调速可以通过控制电枢电压来实现。 2.实现方式 微机输出来改变电机电枢电压，可采用D/A转换方式和PWM脉冲 宽度调制（Pulse Width Modulayion）方式来实现。 其中，PWM方式最为方便，具有硬件投入少、精度高、抗干扰性 能好等优点。,课程内容75,第四章 输入输出通道接口技术,n电动机转速； Ud电枢电压； Id电枢电流； R电枢回路总电阻； Ce电机时间常数。,3.PWM方式工作原理 其原理如图所示。 从图中可以看出，只要按一 定规律，调节脉冲的占空比， 就可改变电动机的转速。 设Vmax为电动机最大转速；Vmin为最小转速；Vd为平均转速。则电 动机的平均速度为 式中 D占空比，D=t/T。,课程内容76,第四章 输入输出通道接口技术,（4-15）,4.开环PWM调速系统 （1）组成及各部分作用 组成结构如图所示。 转速给定部分。由人工通过输入设备，将系统要求的给定转速 输入微机。 脉冲宽度发生器。微机根据输入的给定转速，通过程序计算出 占空比D，产生满足给定的脉冲序列，输出给驱动器。 驱动器。用以放大计算机输出的脉冲宽度调制信号，通常由放 大器或继电器组成，也可由TTL集成电路构成。 电子开关。用来接通或断开电机电枢的供电电源，可用晶体管、 场效应管、晶闸管等功率器件组成，也可以由继电器控制。,课程内容77,第四章 输入输出通道接口技术,（2）开环PWM调速系统设计 开环脉冲宽度调速系统的硬件电路如图所示。,课程内容78,第四章 输入输出通道接口技术,硬件描述 P1作为占空比的开关输入口；P3.4为输出控制口，经驱 动器和晶体管控制直流电动机的电枢电压。 占空比由P1口接的开关K7K0设置。由平均速度、电动机最大速 度Vmax，通过公式（4-15）可求出占空比D，根据占空比D可进一步求 出脉冲宽度（亦即通电时间）。 软件设计 PWM控制程序的设计有两种方法，一种是软件延时法， 一种是计