第7章 模拟输入输出接口原理及其应用(第三版习题参考答案).pdf

第 7 章模拟输入输出系统 257 第第7 7章章 模拟模拟输入输出系统输入输出系统设计设计 本章习题本章习题 7-1 基于嵌入式处理器的模拟输入输出系统是怎么构成的？各部分的主要功能是什么？两个系统的主 要区别是什么？ 答： 基于嵌入式处理器的模拟输入输出系统与普通模拟输入输出系统不同之处在于嵌入式处理器内部已 经大都集成了 A/D 转换器、D/A 转换器。其它同普通模拟输入输出系统。如图所示。 内核 D/A 转换 A/D 转换 功率放大 执行机构 工业过程 信号调理 传感器 被测参数 给定参数 控制量 嵌入式处理器 传感器感知或采集工程过程中的相关参数、如温度、压力、流量等，信号调理电路把传感器送来的信号 进行调整处理使采集的信号在 A/D 的有效范围，A/D 变换器将模拟信号转换为数字信号，处理器对变换 后的数字信号根据系统需求进行数字处理或运算，D/A 变换器将数字信号变换成模拟信号，功能放大把 模拟信号进行功率放大， 使之足以推动后面的执行机构， 执行机构将电能变换为机械能或其它能量以控 制工业过程。 7-2 传感器的作用是什么？有哪些常用传感器？ 答：传感器的作用就是感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他 所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测 和自动控制的首要环节。 按输入量可将传感器分为：位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等；按照按工作原理分 类：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等；按物理现象分类：结构型传感器、特性型传感器； 按能量关系分类：能量转换型传感器、能量控制传感器；按输出信号分类：模拟式传感器、数字式传感 器。 主要传感器有：流量传感器、压力传感器、温度传感器、物位传感器、位移传感器、称重传感器、气敏 传感器、磁敏传感器、红外光电传感器、机器人传感器等。 7-3 传感器与变送器有什么区别？常用变送器有哪些？ 答：变送器是将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。 与传感器的主要区别是除了感知还包括了以某种协议输出检测的结果。由于现代传感器通常增加了协议输 出，因此也基本具备了变送器的功能。变送器主要有：温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位 变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。 7-4 在模拟输入通道中，经常要使用信号调理电路，其主要功能和任务是什么？对于片上有 ADC 的嵌入 式模拟输入通道，其调理电路的主要形式有哪些？ 答：信号调理电路主要功能和任务就是放大、滤波、隔离以及激励与变换等，使其符合模/数 转换器(ADC)输入的要求。 片上有ADC 的调理电路主要形式包括： 嵌入式系统原理及应用（第三版） 258 隔离电路 嵌入式处理器 ADC 隔离电路 嵌入式处理器 ADC 隔离电路 嵌入式处理器 ADC c. 适当大小的模拟电流 隔离电路 嵌入式处理器 ADC I/V 变换 d. 小信号的模拟电流 uA 级 放大电路 隔离电路 嵌入式处理器 PWM 捕获 滤波电路 I/V 及放大 V/F 变换 传感器 传感器 传感器 传感器 传感器 a. 适当大小的模拟电压 V 级 b. 小信号的模拟电压 uV 级 滤波电路 放大电路 滤波电路 滤波电路 I/V 电流电压变换 滤波电路 7-5 信号滤波有哪些基本类型？各种滤波电路有何特点？ 答：信号滤波主要的类型有：高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。 主要特点：高通滤波器指只能通过高频，中低频被阻止通过；低通滤波是指只能通过低 频，中高频率的信号被阻止，带阻滤波器是仅允许高低频通过，中间频率段被阻止。 7-6 对于需要滤除 100KHz 以上的干扰，采用 RC 低通滤波时，RC 的参数如何选择？ 答：f0=1/(2RC) =100KHz,不仿设C=0.1uF则R=1.591K， 取1.6K如果选择C=0.033uF， 则 R=4.823K 取 4.8K 7-7 对于图二阶有源低通滤波器，如果有用信号频率为 100Hz,则可把 100Hz 以上的干扰信号滤除，当 R310K，放大 10 倍，试确定图中电阻电容的参数值。 答：f0=1/(22211CRCR)，已知 R3=10K,放大倍数为 10，则 Rf=10*10K=100K,不仿让 R1=R2=R，C1=C2=C,因此 f0=1/(2RC)，当取 C=0.01uF 时，R=100Hz/(2*0.01uF)=15.91K 7-8 试参照图 7.12 设计一个放大倍数为 101 倍的差分放大器。 答：根据图示差分放大器可知， R1 aR1 Ui+ R R/c R Uo VCC VSS 3 2 1 411 5 6 7 10 9 8 bR1 R/c Ui- U0=c(1+a+b)(Ui+-Ui-) 当 a=b 时， 放大倍数12a=101,可得 a=50， 取 c=1， R=R1=1K， aR1=bR1=50*1K=50K。 R/c=1K 满足要求的差分放大器如图所示。 第 7 章模拟输入输出系统 259 R1 aR1 Ui+ R R/c R Uo VCC VSS 3 2 1 411 5 6 7 10 9 8 bR1 R/c Ui- U0=c(1+a+b)(Ui+-Ui-) 1K 50K 50K 1K 1K 1K 1K 7-9 简述将电阻信号变换为电压、电压变换为电流、电流变换为电压的方法。 答： （1）电阻信号变成电压信号可以直接加恒定电流即可。如图所示，左边是 1mA 的恒流源，电流通过 电阻产生压降即将电阻信号变换成电压信号了。后续可以接运放。 23 1 DW TL431 R2 5.1K VDDR1 2.5K 1% R51 2K Q1 9015 I1mA 1mA恒流源 2.5V 5 6 7 U1B LM358 PT100 Rt Ut （2）电压变换为电流的方法通过运放来实现，原理是理想运算放大器+-端电位相等，且输入到运放的 电流为零。实现方法如图所示。电压 Vin 输入到运放+端，使-端电压也是 Vin,此时通过 R3 到达 R4 的 电压也为 Vin，这样在 R4 通过的电流就是 Vin/R，经过 R2 和 BG1 输出，由于三极管放大倍数比较大， 集成电极电流与发射极电流相当，这样当 IOUT+接稳定电压后接上外部负载，就有 Vin/R4 的电流通过 BG1 的集成电极输出（电流方向相反） 。 1 2 JIout 电流输出 C1 104 12V C2 103 3 2 1 84 U1A LM358 R3 20K R2 2K BG1 9014 Z1 6.2V IOUT+ IOUT- 1 32 R4 100R 1% 12V R1 100K Vin （3）电流变换为电压的方法可以直接把用电阻或通过运放， 如： 嵌入式系统原理及应用（第三版） 260 I+ 5 6 7 R I- VoutD1D2 7-10 对于模拟信号的隔离有哪几种方法？各有什么特点？ 答：模拟信号隔离方法主要包括线性光电耦合隔离、隔离放大器隔离等方法。线性光耦隔离成本低，但 使用复杂，而隔离放大器使用简单，但成本高。本题教材内容没有涉及。 7-11 对于片上 ADC，常用单端接入法，如果片上 ADC 可以接收差分信号，可以采用差分接入法，这两种 接入法，对前置调理电路有什么要求？各自特点是什么？ 答： 单端接入法对于片上 ADC 需要一路模块信号只需要一个模拟通道， 它的调理电路的关键在于通过调 理电路输出（通过运算放大器）的信号+接模拟通道，而输出的信号-接模拟地，特点结构简单，通道利 用率高，但缺点是容易引入共模干扰；对于差分接入法，调理电路输出信号+要接偶数通道，而调理电 路输出信号-要接奇数通道，不能接模拟地。差分接入法不需要公共地。差分接入法的最大优点是可以 抑制共模干扰， 这是由差分特点所决定的。 缺点是占用模拟通道多，一路模拟信号要占用一个人个模拟 通道。 调理电路 2 3.3V AIN0 AVDD AIN1 Vref AIN2 : 嵌入式处理器 片上 ADC AINn-1 AGND 传感器 2 调理电路 1 传感器 1 调理电路 n 传感器 n 调理电路 1 传感器 3 : 3.3V 传感器 1 传感器 2 传感器n/2 AIN0 AIN1 AVDD AIN2 AIN3 Vref : 嵌入式处理器 片上 ADC AINn-2/2 AINn-1/2 AGND 调理电路 n/2 调理电路 2 调理电路 1 7-12 对于STM32F10 x 微控制器， 使用片上 ADC 通道 3（PA3 作为ADCIN3）作为电位器位置检测的一个实 例，如图 7.41 所示。当旋转电位器 VR1 时，ADCIN3 随之电压发生变化，如果电位代表位置，假设 0V 表示位置 0 米,3.3V 表示 100 米，当电位器从最低端向最高端旋转时，电位从 0 到 3.3V 变化，也即位 置从 0 到 100 米线性变化。试回答： VR1 1M 3.3V ADCIN3 1 2 JP14 2.54-3 模拟输入 PA3 图 7.41 片上 DAC 应用 （1）写出对片上 DAC 的初始化程序片段（含引脚配置及 DAC 初始化） 。 答：void ADC_Configuration(void) /配置和初始化 ADC GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; 第 7 章模拟输入输出系统 261 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO| RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);/A口及A口多功能时钟选择（PA3为ADCIN3） /* 配置GPIO的PA7作为ADCIN3模拟通道输入端，频率50MHz */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_GPIO_Pin_3;/ADC1通道PA3=ADIN3引脚 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; /管脚频率50MHz GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; /模拟输入模式 GPIO_Init(GPIOA, /初始化GPIO端口 /* 初始化ADC：独立模式、多通道扫描、连续转换、软件触发、ADC数据右对齐 */ ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; /独立工作模式 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE; /开启多通道扫描 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;/连续转换模式 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;/软触发 ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;/ADC数据右对齐 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;/进行规则转换的ADC通道数为1个通道 ADC_Init(ADC1, /* 设置ADC1使用ADCIN7转换通道，转换顺序1，采样时间为239.5周期*/ ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_7, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 ); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); /使能ADC1 ADC_ResetCalibration(ADC1); /使能ADC1复位校准寄存器 while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1); /等待复位校准寄存器接收 ADC_StartCalibration(ADC1); /启动ADC1校准 while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1); /等待ADC1校准结束 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); /启动软件转换 （2）写出采集电位并进行标度变换的程序。 答：可采用查询方式获取 ADC 的值，参考程序如下： uint16_t Temp; float Valtage;/电压值 while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC );/等待转换结束 Temp = ADC_GetConversionValue(ADC1); /调用库函数获取转换值 假设在由电位器电位可知，当V=0V时，测算的数字量为N0=0，V=3.3V=3300mV时测算的 数字量为Nm=0 xFFF，则通过标度变换公式（7.2）得到任何数字对应的电压值为： Yx=Y0+(Ym-Y0)*(Nx-N0)/(Nm-N0)=0+3300*Nx/0 xFFF=3300Nx/0 xFFF （mV） ，代码为： 嵌入式系统原理及应用（第三版） 262 Valtage=3300*Temp/0 xFFF;/压力换算值，单位mV 7-13 对于片外 ADC，要选取 ADC 时，要考虑的 ADC 转换性能主要有哪些？对于采样速率的选择原则是 什么？ 答：(1)在模数转换过程中，衡量ADC转换性能的指标主要有：采样速率、采样精度、无 杂散动态范围、信噪比、有效转换位数、孔径误差、转换灵敏度、全功率输入带宽等。 （2）采样速度选择：根据采样定律（耐奎斯特采样定律或香农采样定律） ，采样频率fs 要大于等于2倍信号带宽。实际中，采样频率起码要大于34倍信号带宽。 7-14 简述利用片内 DAC 再通过外加运算放大电路产生指定幅度和周期的正弦波的方法和步骤。写出对 STM32F10 x 的 DAC 进行配置和初始化的程序片段。 答： （1）利用 DAC 通过外接运放产生幅度可变，周期可编程的正弦波的基本方法是首先采集一个周期正 弦波的平均 N 个点如 32 个点的幅值，保存在程序存储器中或数据存储器中，然后利用定时器定时，定 时长度取决于正弦波的周期， 如周期为 T， 则定时时间间隔 t=T/(N-1),在定时中断服务程序中输出保存 在存储器中正弦的瞬时幅值，设置好初值指针，每定时时间到输出一个点，指针加一，通过(N-1）次定 时中断即可输出一个周期的正弦波，当指针回零时，继续定时中断即可输出连续的正弦波。 由 DAC 输出特点可知，它是 12 位 DAC，因此输出电压 Vo= DAC 输出= VREFx (DOR / 4095)，在 参考电压一定的情况下，输出大小取决于数字量，将公式变换为： Vo=K*Dx/4095，Dx 为保存在存储器中的要输出的正弦波的点的值，K 已经考虑了 参考电压， 运放放大倍数等因素， 因此要控制正弦波幅值只需要在程序中改变 K 的大小， 而要改变正弦波的周期，只需要改变定时时间间隔。 （2）对于STM32F10 x 的 DAC 可进行如下配置： DAC 初始化包括 GPIO 引脚初始化为 DAC 引脚和 DAC 相应配置。 GIO 初始化包括使能对应 DAC 通道的 GPIO 引脚时钟，使能 DAC 时钟，设置通道引脚为模拟输入。一旦 使能 DACx 通道，相应的 GPIO 引脚(通道 1 的 PA4 或者通道 2 的 PA5)就会自动与 DAC 的模拟输出相连 (DAC_OUT1 或 DAC_OUT2)。为了避免寄生的干扰和额外的功耗，引脚 PA4 或者PA5 在之前应当设置成模 拟输入(AIN)。 DAC 初始化包括选择触发方式、是否使用波形发生、关闭输出缓冲、使能 DAC、通道 1 或 2 由软件触发。 设置通道 12 位右对齐模式。 具体初始化及配置程序如下： void DAC_Configuration(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC ,ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE); /*-DAC 端口配置 PA4/PA5 DAC1 通道 4 模拟输入-*/ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 第 7 章模拟输入输出系统 263 GPIO_Init(GPIOA , DAC_DeInit(); /还原到初始状态 /* DAC 通道 1 配置 */ DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_T3_TRGO; /T3 触发 DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None; /不用波形产生 DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable; /失能输出缓冲 DAC_Init(DAC_Channel_1, /DAC 初始化 DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE); /使能DAC 通道1 自动连接至 PA4 DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,0);/通道1 右对齐输出 7-15 试设计一个模拟输入输出系统，采用 STM32F10 x 微控制器，采用 3.3V 供电，内置 12 位 ADC，某压 力传感器输出 0100mV 对于 010Mpa,压力超过 8.5Mpa 时，输出报警信号，让蜂鸣器发声，低于 8Mpa 时解除报警。并将得到的压力用 420mA 电流输出到外部。写出相关程序片段。 答：按照题目要求，基于 STM32F10 x 的模拟输入输出系统，必须包括模拟输入通道和模拟输出通道， 系统电原理图如图所示。 R2 15K Rf 32K 放大33倍 3 2 1 84 U1A LM358 ADCIN1 C3 103 R3 15K R4 10K C2 225 C1 105 5 6 7 U1B LM358 Rs 10K R1 1K 1 2 JIN 压力传感器 电流输出 C7 104 12V C8 103 3 2 1 84 U3A LM358 R6 20K R7 2.2K Q2 9014 R5 100K Z1 3.3V IOUT+ TVS1 SMAJ15 1 2 J12 5.08-212V IOUT- 1 32 R8 100R DAC1 12V BG2 A 1 B 2 BJ R9 VCC VCC GND Ctrl 3.3V AGND PA4 PA1 VDD PB1 GND Vref AVDD C9 103 C10 103 STM32F10 x U2 模拟输入通道要将压力传感器 0-100mV 的电压信号通过调理电路（放大滤波）到 0-3.3V，因此运算放 大器 U1B 放大倍数应该为 3300/100=33 倍，这里采用同相放大器，则Rf/R1=32，如果取 R1=1K，由 Rf=32K， 采用 U1A 构建的二阶有源低通滤波器，最后通过调电路输出的模拟信号接入 ADCIN1（MCU 的 PA1 引脚） 。 模拟输出通道输出 420mA 电路，参考教材中的图 7.33。 报警输出电路由R9/BG2/蜂鸣器组成，当 PB1(Ctrl)=1 时，三极管 BG2 导通，BJ 蜂鸣器得电发声报警， 当 PB1=0 时三极管截止，蜂鸣器不响，停止报警。报警点是 8MPa,由线性标度变换可知: 100mV 经过放大 33 倍后变成 3.3V，由于参考电压也是 3.3V 因此，数字量为 0 xFFF=4095,由此可知： P=10/4095*Dx，Dx 为从 ADC 转换得到的数字量，把压力单位变换为 Kpa，则有 P=10000/4095*Dx (Kpa）,Dx=4095*P/10000,l 因此当 8.5Mpa 时，有D=4095/10000*8500 为报警点。 Yx=Ym-Y0+(Ym-Y0)(Nx-N0)/(Nm-N0)=4+16*(Nx-496)/(2482-496) 相关程序如下： ADC 初始化程序详见教材 P.230,把其中的 ADCIN7 改为 ADCIN1，PA7 改为 PA1，GPIO_Pin_7 改为 GPIO_Pin_1,ADC_Channel_7 改为 ADC_Channel_1，其它不变 具体程序如下： void ADC_Configuration(void) /配置和初始化ADC 嵌入式系统原理及应用（第三版） 264 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO| RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);/A口及A口多功能时钟选择（PA7为ADCIN7） /* 配置GPIO的PA1作为ADCIN1模拟通道输入端，频率50MHz */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_GPIO_Pin_1;/ADC1通道PA1=ADIN1引脚 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; /管脚频率50MHz GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; /模拟输入模式 GPIO_Init(GPIOA, /初始化GPIO端口 /* 初始化ADC：独立模式、多通道扫描、连续转换、软件触发、ADC数据右对齐 */ ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; /独立工作模式 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE; /开启多通道扫描 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;/连续转换模式 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;/软触发 ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;/ADC数据右对齐 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;/进行规则转换的ADC通道数为1个通道 ADC_Init(ADC1, /* 设置ADC1使用ADCIN1转换通道，转换顺序1，采样时间为239.5周期*/ ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 ); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); /使能ADC1 ADC_ResetCalibration(ADC1); /使能ADC1复位校准寄存器 while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1); /等待复位校准寄存器接收 ADC_StartCalibration(ADC1); /启动ADC1校准 while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1); /等待ADC1校准结束 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); /启动软件转换 DAC 初始化程序 详见教材 P.236，这里由于使用的通道均为 DAC1 即用PA4 引脚，程序不用修改直接引 用。具体程序如下： void DAC_Configuration(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC ,ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE); /*-DAC 端口配置 PA4/PA5 DAC1 通道 1 模拟输入-*/ 第 7 章模拟输入输出系统 265 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA , DAC_DeInit(); /还原到初始状态 /* DAC 通道 1 配置 */ DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_T3_TRGO; /T3 触发 DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None; /不用波形产生 DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable; /失能输出缓冲 DAC_Init(DAC_Channel_1, /DAC 初始化 DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE); /使能DAC 通道1 自动连接至 PA4 DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,0);/通道1 右对齐输出 将压力转换成 4-20mA 的电流，0Mpa 对应 4mA,10Ma 对应20mA, 要通过图示电路输出 4mA 时，需要从 DAC