《计算机控制》PPT课件.ppt

2.3模拟量输入通道及接口,一、模拟量输入通道结构,利用传感器将信号源检测的非电量转换为电量，并进行信号处理、滤波、多路转换、信号放大等，经采样保持器，将模拟信号变换成时间上离散的采样保持信号后，送至AD转换器将模拟保持信号转换成数字信号，再经IO接口电路送入计算机.,二、模入通道结构形式,1）多路信号源共享采样保持器和AD转换器节省硬件资源，成本较低，但转换速度较慢，常用于分时采样和分时转换的控制系统中。,2）多路同时采样、分时转换模入通道,多用于转换速度、精度要求不高，需同时采集、分时转换的控制系统，如多点巡回检测系统。,3）多路AD通道,同步高速数据采集、同步转换的控制系统，成本较高。,三、AD转换器的外围电路,1、模拟多路开关模拟多路开关又称多路转换器，用来切换模拟电压信号。可以将各路模拟信号依次连接到程控放大器或A/D转换器上。以CD4051为例。,CD4051多路开关,图8-34CD4051多路开关引脚图说明：VEE：负电源VSS：地端VDD：正电源INH：为允许禁止输出控制端。当INH为“1”时，前后级通道断开，当INH为“0”时，正常选通。C,B,A：地址信号X：输出/输入公共端。,2.3模拟量输入通道及接口CD4051多路开关译码逻辑,2、采样保持器,采样保持器是对输入信号进行采集、保持的器件，采集瞬时电压信号并保持。采样开关闭合时，模拟信号经放大器输入，送给A/D转换器进行转换。而A/D转换是需要一定时间的，为了在这段时间里将采集的信号维持不变，保证转换精度，需加采样保持器。,模拟开关：采样或保持保持电容：保持输入电压缓冲放大器：隔离保持电容与负载,采样保持器基本组成,采样保持器工作原理,采样过程:当控制信号为高电平（即采用阶段）时，开关S闭合，输入信号通过电阻R向保持电容C充电。通常，要求充电时间越短越好，以使电容迅速达到输入电压值。保持过程:控制信号为低电平（即保持阶段）时，开关S断开，V0保持S断开时的电压值。AD转换器就根据电容C上的电压进行整量化。,2.3模拟量输入通道及接口四、A/D转换器,根据工作原理，A/D转换器最常用的有两种：双积分式A/D转换器和逐位逼近式A/D转换器。、双积分A/D转换器原理:图8-17组成：积分器、比较器、电子开关、计数器、定时与控制逻辑五部分组成。原理：采用间接测量原理，将被测电压转换成时间常数T。一次转换需要2次积分，故称双积分。A/D转换过程：先对被测输入电压Vx进行固定时间T0的正向积分，然后控制逻辑将电子开关接参考电压进行反向积分，直至反向积分输出返回到起始值。,由于参考电压与输入电压反向，且参考电压恒定，所以反向积分斜率固定,反向积分时间T正比于输入电压。,用高频标准时钟脉冲测量反向积分时间T，得到相应于输入电压的数字量。,结论:(1)双积分A/D分辨率提高，需提高时钟频率或降低Vref。(2)提高时钟频率，需采用采用高速器件，以提高转换电路的工作速度.特点:（1）精度高;（2）对交流干扰有较强的抑制能力，因是积分过程;（3）转换过程较慢，因有2个积分过程。,双积分A/D转换器,如图8-18（二分搜索法）组成：D/A转换器、比较器、逐次逼近数字寄存器（SAR）、控制逻辑、输出缓冲器。信号：Vx-待转换的输入模拟电压；Vs-D/A转换后的模拟电压；A/D转换过程：(1)微机发出启动信号，清除寄存器各位；(2)由控制逻辑将SAR寄存器的最高位置1；(3)D/A转换器将10000000转成Vs;,2、逐位逼近式A/D转换器原理,逐位逼近式A/D,(5)置次高位为1，重复（3）、（4）步，直到SAR所有寄存器位处理完。(6)控制逻辑发转换结束信号，通知CPU，可以读取数据。结论：(1)逐次逼近式A/D转换器的精度取决于D/A的精度，与比较器有关；(2)A/D转换的满量程是D/A输入为全1时的输出电压。即如果Vref=-5V,则VsMax=5V。当Vx5V时，数字量输出全为1。即只能对0-5V的Vx有效转换，大于5V时达到了满量程。(3)D/A的位数越高，分辨率越高，转换时间越长。是使用最广泛的ADC,16位以下的A/D转换时，速度和精度都可以。,(4)比较器比较Vx和Vs，若VxVs,比较器输出1，说明前步置1正确,予以保留；若VxUf，予以保留此位的“1”。,第二个时钟脉冲到来时，SAR置为11000000码，经过DA转换器产生反馈,电压,V，,因UiUf，,故保留此位“1”。,第三个时钟脉冲到来时，SAR状态置为,11100000，经DA转换器产生反馈电,压,V，,因UiUf，,SAR此位应置“0”。SAR状态改为11000000。,第四个时钟脉冲到来时，SAR状态又置为11010000，.。,t,U,1,2,3,4,5,6,7,8,1.024,10.24,Ui,5.12,7.68,8.96,8.32,8.0,8.16,8.24,8.28,8.30V,时钟脉冲,1,2,3,4,5,6,7,8,逐次逼近比较过程,脉冲,1,SAR置为,10000000,2,11000000,3,11100000,11000000,4,11010000,11000000,5,11001000,6,11001100,7,11001110,8,11001111,逐次逼近式AD转换的过程可用表6.2说明之。,8位逐次逼近AD转换过程,由上表可见：,经过8次比较之后，SAR的数据寄存器中所建立的数码11001111即为转换结果。,数码对应的反馈电压Uf=8.28V，它与输入的模拟电压Ui=8.3V相差0.02V，不过两者的差值已小于1LSB所对应的量化电压0.04V。,(1)分辨率：表示能分辨最小的量化信号的能力。用位数来表示，位数越高，分辨率越高。N位AD转换器分辨率为N位，它对输入量变化的敏感程度为输入满刻度的12N。例：若输入电压满刻度为5V，N=8时，分辨率为8位，AD转换器对输入电压的分辨能力为5V2819.5mV；,2.3模拟量输入通道及接口3、A/D转换器的性能指标,(2)转换精度：,转换器在整个工作期间理想值与实际值值之间的最大偏差。由量化误差、偏移误差和线性误差等所有误差引起。通常用数字量的最低有效位(LSB)来表示AD转换的精度。AD转换器的输入信号是连续的模拟量，输出是离散的数字量。所以不可能是一个模拟量对应一个数字量，而是由某一范围内的模拟量对应一个数字量。有某些点的模拟量与数字量是一一对应的，它们之间没有误差，转换精度为0LSB。但更多的点是接近某一数字量，输出与实际输入存在转换误差最大为12LSB。（量化误差）,(3)转换时间与转换率转换时间：完成一次A/D转换所需要的时间。转换率：单位时间内完成的转换次数。逐次逼近式A/D转换时间：几us-几十us；25us双积分式A/D转换时间：几ms-几十ms；1.8ms(4)电源灵敏度定义：电源电压变化，引起A/D输出数据的变化，折合到输入变化量的百分数。如0.05/Us,表示当Us变化1时，相当于引入0.05模拟量输入量的变化。,主要性能指标：（1）分辨率：8位（2）最大不可调误差：1LSB（3）转换时间：100uS（4）具有锁存功能的8路模拟开关，可分时对8路模入电压进行A/D转换；（5）单一+5V供电Vcc=+5V,Vref(+)=+5V,Vref(-)=0时，模入信号量程为0-+5V；（6）输出三态锁存；（7）转换速度取决于时钟频率，范围f=101280kHZ。标准f=640kHZ,转换时间100uS。,2.3模拟量输入通道及接口4、8位A/D转换器ADC0809,组成模块：（a）8路模拟开关及地址锁存译码：由ALE信号锁存三位地址A、B、C，通过译码器，选通8路模拟输入电压中的某一路，送到Vx,进行A/D转换。（b）256RT型电阻网络、开关树：组成8位DAC转换器。（c）SAR逐次逼近寄存器；（d）三态输出锁存器：转换完成的结果，输入锁存器，供CPU读取；（e）定时控制电路：对操作发出相应的脉冲与控制信号；,2.3模拟量输入通道及接口ADC0809结构如图8-19。,（1）模入信号：IN0IN7，8路单端0-5VDC模拟量信号；（2）地址信号：A，B，C,A最低，C最高；（3）输出数字信号：D0-D7，与数据总线连接；（4）其它信号ALE：地址锁存控制信号，上升沿锁存；START：启动A/D转换信号，高电平有效。ALE和START信号可以连在一起，有正脉冲时立即启动A/D转换；EOC：转换结束信号，用于中断源，高电平有效。OE：输出允许信号。当OE=1时，打开三态输出锁存器，将转换结果的数字量信号，输出到数据总线上。,引脚定义：,(1)硬件接口设计将ADC0809当成外部RAM看待，如图8-22。片选信号由P2.7线选控制；地址锁存器74LS373；通道地址IN0：7FF8H(P2.7=0,A2=0,A1=0,A0=0)IN1：7FF9H(P2.7=0,A2=0,A1=0,A0=1)IN2：7FFAH(P2.7=0,A2=0,A1=1,A0=0)IN3：7FFBH(P2.7=0,A2=0,A1=1,A0=1)IN4：7FFCH(P2.7=0,A2=1,A1=0,A0=0)IN5：7FFDH(P2.7=0,A2=1,A1=0,A0=1)IN6：7FFEH(P2.7=0,A2=1,A1=1,A0=0)IN7：7FFFH(P2.7=0,A2=1,A1=1,A0=1),ADC0809与8031单片机接口：,CLK信号：由8031ALE信号得到。设8031主频6MHZ,则CLK=ALE=6MHZ/6=1MHZ。,EOC信号：接到8031的外中断INT0端。A/D转换结束后，INT0变为低电平。,74LS373功能表,ADC0809与8031单片机接口,（1）启动A/D转换：当8031产生写信号时，由一个或非门产生START启动信号和地址锁存信号ALE,同时将通道地址锁存，被选中通道模拟量信号送A/D转换；（2）转换结束，EOC变为高电平，经反相器，向8031发中断请求；（3）8031产生读信号时，由一个或非门产生OE输出允许信号，将D0D7读入单片机。,A/D转换步骤：,对输入模拟信号IN0IN7的采集，有3种方式：查询、定时采样和中断控制方式。a.程序查询方式程序启动A/D转换后，不断查询P3.2（INT0）引脚，为0则转换结束，读数据。,(2)ADC0809转换器程序设计方法,例：模拟量由通道0输入，转换成对应的数字量之后存入内部RAM的40H单元中。MOVR0,#40H;置数据缓冲区指针MOVDPTR,#7FF8H;置IN0通道地址MOVXDPTR,A;IN0接A/D，并启动A/DJBP3.2,$;INT0为高，则继续查询MOVXA,DPTR;数据读入AMOVR0,A;存入40H单元,P273,例8-1,程序启动A/D转换后，进行软件延时，延时时间要略大于A/D转换时间，然后读数据。延时程序如下：MOVR6,#32HDJNZR6,$;延长2uS*50=100uS将上二条指令替换成查询程序中的JBP3.2,$指令，即可实现定时采样。c.中断采样方式前2种方式耗时多。采用中断方式最有效。,b.定时采样方式,采用中断方式对IN0通道的模拟量输入依次采样16个点，存放在内部数据存储器70H7FH的单元中。程序：三部分(初始化、主程序、中断服务程序)ORG0LJMPSTARTORG03HLJMPINT0P%初始化START:MOVR0,#70H;RAM首地址,p274,例8-3,MOVSP,#3FH;设堆栈区SETBIT0;边沿触发SETBEX0;INT0开中断SETBEA;CPU开中断%主程序MAIN0:MOVDPTR,#7FF8H;A/D通道首址MAIN:CLRF0;清F0MOVXDPTR,A;启动A/D转换TEST:JNBF0,DONE;测试DJNZR7,MAIN;16个点未完，则继续.DONE:；继续执行SJMPTEST,MOVR7,#16;计数器,INT0P:PUSHACC;进栈SETBF0;置位F0MOVXA,DPTR;读A/D转换数据MOVR0,A;A/D数据送存RAMINCR0;地址加POPACC;退栈RETI;返回,%中断处理程序,是一种12位的高性能12位逐次逼近式A/D转换器，（1）性能指标：分辨率：12位非线性误差：1/2LSB模拟输入：（两个量程）双极性5V、10V、单极性0-10V、0-20V供电电源：Vlogic+5V,Vcc(+12V/+15V)、VEE(-12V/-15V)转换时间：25us低功耗：390mW,5、12位A/D转换器AD574接口技术,（2）组成原理图图8-24AD574原理图采用逐次逼近式。由两部分组成：一部分是模拟芯片，另一部分是数字芯片。模拟芯片是由高性能的AD56512位DA转换器和参考电压组成。数字芯片则包括高性能比较器、控制逻辑电路、时钟电路、逐次逼近型寄存器和三态输出缓冲器等。,有8位转换和12位转换，12位转换结果有2种输出方式:a.12位并行输出b.分别输出高8位和低4位AD574管脚控制信号引脚：R/C:读出和启动转换控制线，当为低电平时，启动转换；当为高电平时，可将转换后的数据读出。12/8：数据输出方式选择信号，高电平时输出12位数据，低电平时与A0信号配合输出高8位或低4位数据。128信号不能用TTL电平控制，必须直接接至+5V或数字地。STS：状态输出信号，转换时为高电平STS=1，转换结束为低电平STS=0。,(3)引脚与控制逻辑,AD574转换器引脚图,A0:字节选择线。有两种用法：a.在转换状态，A0为低电平时可使AD574进行12位转换，A0为高电平时可使AD574进行8位转换。b.在读数状态，如果128为低电平，当A0为低电平时，则输出高8位数据，而A0为高电平时，则输出低4位数据；如果128为高电平，则A0的状态不起作用。当采用两次读出12位数据时，应遵循左对齐原则。：片选信号，低电平有效。CE：芯片允许信号。该信号与CS信号一起有效时，AD574才可以进行转换或从AD574输出转换后的数据。,VCC：数字逻辑电源5V。REFIN：参考电压输入。REFOUT：10V参考电压输出，具有15mA的带负载能力。BIPOFF：补偿调整。接至正负可调的分压网络，以调整ADC输出的零点。VDD：正电源，可选+12V或+15V。VEE：负电源，可选-12V或-15V。10VIN：单极性输入，输入电压范围0+10V；双极性输入，输入电压范围-5+5V。20VIN：单极性输入，输入电压范围0+20V；双极性输入，输入电压范围-10+10V。AG：模拟地。DG：数字地。D0D11：输出转换的数据线。,AD574逻辑控制真值表,（AD574控制时序见单片机教材）,（4）AD574A单极性输入和双极性输入,图8-28AD574与8031接口电路程序设计(进行1次12位AD转换，结果存40H和41H)启动地址：7FFCH;高8位读取地址：7FFEH;低4位读取地址：7FFFH。a.查询法程序清单：MOVDPTR，#7FFCH;(12位)A/D启动地址MOVR1,#40H；结果存放地址MOVXDPTR,A；启动A/D转换,(5)与单片机接口及程序设计,AD574与8031接口电路,MOVR1,A；存高8位INCDPTR；INCR1；MOVXA,DPTR；读取低4位ANLA,#0F0H；屏蔽无关位MOVR1,A；存低4位,JBINT0,$；查询A/D转换是否结束MOVDPTR,#7FFEH；MOVXA,DPTR；读取高8位,b.中断法程序清单中断方式程序如下：ORG0000HAJMPMAINORG0003HLJMPPINTO；转至中断服务程序,MAIN：SETBITO；边沿触发方式SETBEX0；允许外部中断0SETBEA；开中断MOVR0，#40HMOVDPTR，#07FFCH；设A/D转换器地址指针MOVXDPTR，A；启动AD转换SJMP$,中断服务程序如下：PINTO：PUSHPSW；保护现场PUSHACCPUSHDPLPUSHDPHMOVDPTR，#07FFEHMOVXA，DPTR；读高8位数据MOVR0，A；存高8位数据,MOVDPTR，#07FFFHMOVXA，DPTR；读低4位数据INCR0MOVR0，A；存低4位数据POPDPH；恢复现场POPDPLPOPACCPOPPSWRETI,工控机需要处理一些最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）信号，这些信号包括：开关的闭合与断开，继电器或接触器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与闭合等，这些信号的共同特征是以二进制的逻辑和出现的。在计算机控制系统中，对应的二进制数码的每一位都可以代表生产过程的一个状态，这些状态用于控制运算。,2.4数字量输入输出通道,数字量输入通道的结构图2-38数字量输入通道结构输入调理电路外部状态信号可能是电压、电流、开关的触点，因此引起瞬时高压、过高压、接触抖动等现