输入输出通道接口技术PPT课件

1、第四章第四章 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？ 课课时时授授课课计计划划第1页/共102页第四章第四章 输入输出通道接口技术第4 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

2、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 课课程程提提纲纲 第2页/共102页第四章第四章 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

3、.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. 课课程程提提纲纲 第3页/共102页第四章第四章 输入输出通道接口技术第4 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

4、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。 课课程程内内容容1 1 第4页/共102页第四章第四章 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。

5、 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。 课课程程内内容容2 2 信号 输出 信号 输入 主机箱 数据采集与控制通道 通用计算机 CRT 打印机 键盘 磁盘 驱动器 计算机数据采集系统 第5页/共102页第四章第四章 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

6、； 分布式数据采集系统，适合不同环境的要求。 课课程程内内容容3 3第6页/共102页第四章第四章 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

7、要求的输入电压。 课课程程内内容容4 4第7页/共102页第四章第四章 输入输出通道接口技术输入通道结构类型表输入通道结构类型表 传感器输出信号 输入通道结构 TTL 电平 TTL 电平信号 大信号电流 010mA 420mA 大信号 模拟电压 V A/D 单片机 V/F 单片机 放大 V/F I/V I/V V/F I/V 放大 A/D 单片机 I/V 放大 V/F 放大 整形 单片机 单片机 防抖 整形 单片机 单片机 小信号模拟电 压 mV、V 放大 A/D 单片机 单片机 频率 信号 A/D 单片机 单片机 单片机 小信号电流 mA、A 小信号 非 TTL 开关 信号 课课程程内内容容

8、5 5第8页/共102页第四章第四章 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。 传感器 放大器 S/H A/D CPU 单通道数据采集系统结构 课课程程内内容容6 6第9页/共102页第四章第四章 输入输出通道接口技术 多通道典

9、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。 传感器 放大器 S/H A/D CPU 传感器 传感器 传感器 多路开关 MUX 多通道数据采集系统结

10、构 课课程程内内容容7 7第10页/共102页 装置 过零切换 隔离电源 频率调制系统 直流伺 服装置 频率量 数字控 制装置 直流伺 服装置 开关量 控制装置 数字量 开关量 数字量输出控制 MCS-51 光电隔离 功率开关驱动 光电隔离 光电隔离 V/F 频率量输出信号调节 DCDC 功率控制电源 直流驱动功放 直流驱动功放 D/A 输出通道结构图 课课程程内内容容8 8第四章第四章 输入输出通道接口技术第11页/共102页第四章第四章 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

11、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。 KKtt1常量（T）（K=0、1、） 课课程程内内容容9 9第12页/共102页第四章第四章 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： tx t t t t 0 -3T -2T -1T 1T 2T 3T tx tx 调制器 采样器原理图 ttxtxT等间隔的脉冲序列 tT NtttT由于

12、称为采样频率f)()()()()(*ffxttxtxT nfsfxTnfsffxTnfsfTfxfx111)()(所以课课程程内内容容10 10第13页/共102页第四章第四章 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？ tx tT tx* 0 0 1T 2

13、T 3T 4T 5T 6T -6T-5T-4T-3T-2T-1T 1T 2T 3T 4T 5T 6T -6T-5T-4T-3T-2T-1T t t 采样前后信号波形的变化 课课程程内内容容11 11第14页/共102页第四章第四章 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f fS S2 2f fmaxmax，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

14、样周期的经验值如表所示。 被控参数 采样周期（s） 备注 流量 压力 液位 温度 成分 15 310 88 1520 1520 优选 12 优选 68 课课程程内内容容12 12第15页/共102页第四章第四章 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

15、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。 课课程程内内容容13 13第16页/共102页第四章第四章 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。 电流信号 大信号 小信号 传感器 传感器 传感器 小信号放大 信号修正与变换 I/V A/D V/F 光电 耦合 计 算 机 滤 波 环 节 传感器 传感器 传感器

16、 前置放大器 多 路 开 关 前置放大器 A/D 计 算 机 V/F 光电 耦合 滤 波 环 节 前置放大器 可编程增益放大器 信号调节电路结构 a）单路采集 a）多路采集 课课程程内内容容14 14第17页/共102页第四章第四章 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

17、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。 S RS RG VIN+ VIN- VOUT R2 RS R1 R2 A1 A2 A3 负载 R1 外接 测量放大器的原理图 课课程程内内容容15 15第18页/共102页第四章第四章 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

18、）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。 OFF SET OFF SET OUTPUT a） b） V- 10k 3 5 RS=100k VOUT RG +IN -IN 14 4 6 11 7 12 13 10 8 1 1 14 2 13 3 12 4 11 5 10 6 9 7 8 2 AD521 V+ VIN RG RS SENSE REF RS COMP V+ +IN RG -IN OFF SET V- OFF SET OUTPUT AD521的管脚功能及基本接法 课课程程内内容容16 16第19页/共102页第四章第四章 输入

19、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。 - Ui S1 S2 S3 U0 + Ui R S1 S2 S3 R2 R3 R3 A1 A2 开关驱动电路 数字量输入 A3 可编程增益测量放大器的原理图 课课程程内内容容17 17第20页/共102页第四章第四章

20、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。 Y 数据处理 A/D 转换 大于当前量程？ PGA 在最低档？ PGA 增益降一档 转换后最高位=0？ PGA 在最高档？ P

21、GA 增益升一档 超量程处理 Y Y Y 自动量程切换 自动量程切换流程图 课课程程内内容容18 18第21页/共102页第四章第四章 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。 敏感公共端 VOUT 15 11 12 2 1

22、3 16 13 10 9 8 7 6 5 4 -VCC 1.33k 10.8k 1.2k 10.8k 1.2k 10.8k 模拟地 VIN1 增益/通道 选择 VIN2 VIN3 增益调整 增益调整 X10 +VCC 逻辑地 X100 失调调整 PGA102原理结构图 课课程程内内容容19 19第22页/共102页第四章第四章 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；

23、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。 课课程程内内容容2020第23页/共102页 课课程程内内容容21 21 -15V b c 3 2 1 5 4 +15V 10k 1#隔离电源 滤波 调制 A1 解调 滤波 2#隔离电源 100kHz 电源振荡器 稳压器 A2 100k 100k -15V +15V 输入 7 + - 6 -15V +15V 输出 8 10 9 电源 a e d 输入屏蔽 V010V 同步 I/O T2 直流电源 VS从+12.5V 至+25V 公共端 T1 增益 R 增益

24、 Vi 公共端 5mA 隔离电源 输出 289 型 隔离放大器原理结构图 第四章第四章 输入输出通道接口技术第24页/共102页工作原理：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： 课课程程内内容容2222第四章第四章 输入输出通道接口技术10001OUTINGGGGIN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

25、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。 第25页/共102页 课课程程内内容容2323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 111/91RRRGGR1输入级内部反馈电阻 第26页/共102页 课课程程内内容容2424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

26、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。 第27页/共102页 课课程程内内容容2525第四章 输入输出通道接口技术010V 12.5k 1k +15V 50k INA105 420mA OUT 10V OPA27 2 3 1 6 5 2 6 REF10 4 RLOAD 50.1 50.1 常用精密01

27、0420mA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。 第28页/共102页工作原理：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。 课课程程内内容容2626第四章

28、 输入输出通道接口技术第29页/共102页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。 课课程程内内容容2727第四章 输入输出通道接口技术 IIN 420mA +in 3 Cr 2 -in 1 + + 1F 公共 公共 Rcv Rcv Ref 噪声抑制 16 4 13 7 5 8 Ref 调整 10 Ref fA 11 Rcv Out （05V） 15 Ref 12 Ref 14 RCV420 +10V Referenco RS RS RS=75 V0 1F 第30

29、页/共102页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。 课课程程内内容容2828第四章 输入输出通道接口技术第31页/共102

30、页 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。 课课程程内内容容2929第四章 输入输出通道接口技术第32页/共102页第四章第四章 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

31、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。 传感器 信号 调理 电路 S/H A/D 微型 计算 机 单路模拟量输入通道结构图 课课程程内内容容3030第33页/共102页第四章第四章 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

32、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 传感器 S/H A/D 微型 计算 机 信号调理 信号调理 传感器 传感器 信号调理 多路开关 单路模拟量输入通道结构图 课课程程内内容容31 31第34页/共102页第四章第四章 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）、AD75

33、01（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。 课课程程内内容容3232 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 CD4051 IN/OUT4 IN/OUT6 OUT/IN IN/OUT7 IN/OUT5 INH VEE VSS VDD IN/OUT2 IN/OUT1 IN/OUT0 IN/OUT3 A B C CD4051引脚排列

34、图 第35页/共102页第四章第四章 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# 。 输入状态 接通通道号 INH C B A CD4051 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7

35、D0 D1 D2 D3 13 CD4051 1# 3 4 A B C INH 13 A B C INH CD4051 3 4 2# OUT/IN IN0 IN7 IN8 IN15 CD4051的扩展图 课课程程内内容容3333第36页/共102页第四章第四章 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。 VIN VOUT VIN VOUT 采样 保持 t 工作方式 工作

36、方式 S/H 采样/保持器输入输出特性 CH OFFSET V0 2 V1 V2 5 3 8 R2 7 R1 A1 A3 A2 VIN IN- IN+ S 7 8 3 2 6 LF198/298/398原理图 课课程程内内容容3434第37页/共102页第四章第四章 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

37、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。 +15V -15V 1000pF IN+ VIN V0 1 4 5 3 6 7 8 LF398 LF398典型的接线方法 课课程程内内容容3 35 5第38页/共102页第四章第四章 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

38、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。40/HACCt 课课程程内内容容3 36 6第39页/共102页第四章第四章 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

39、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。 课课程程内内容容3 37 7第40页/共102页第四章第四章 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

40、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。 IN3 IN2 IN4 IN1 IN5 IN0 IN6 A IN7 B START C EOC ALE D3 D7 OE D6 CLK D5 VCC D4 REF（+） D0 GND REF（-） D1 D2 1 28 2 27 3 26 4 25 5 24 6 23 7 22 8 21 9 20 10 19 11 18 12 17 13 16 14 15 ADC0809 课课程程内内容容3 38 8第41页/共102页第四章第四章 输入输出通道接口技术START：启动转换信号输入端。从

41、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。 课课程程内内容容3 39 9第42页/共102页第四章第四章 输入输出通道接口技术 ADC0

42、809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）。 （数字地） C2 A0 A1 A2 V +12V 模拟量输入 8 路（05V） 8 8 R C1 RP . P0.0P0.7 8051 ALE P3.3 WR P2.7 RD . IN0IN7 D0D

43、7 A B ADC0809 C REF（+） CLK REF（-） EOC ALE VCC START GND CP Q D Q 1 1 1 （模拟地） +5V OE ADC0809与MCS-51的接口电路 课课程程内内容容4040第43页/共102页第四章第四章 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

44、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 课课程程内内容容41 41第44页/共102页第四章第四章 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

45、、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： （+5V）VLOGIC STS 12/8 DB11 CS DB10 A0 DB9 R/C DB8 CE DB7 （+15V）VCC DB6 （+10V）REF OUT DB5 AGND DB4 REF IN DB3 （-15V）VEE DB2 BIP OFF DB1 10VIN DB0 20VIN DGND 1 28 2 27 3 26 4 25 5 24 6 23 7 22 8 21 9 20 10 19 11 18 12 17 13 16 14 15 AD574 AD574引脚排列 课课程程内内容容42

46、42第45页/共102页第四章第四章 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

47、把REFOUT脚输出的基准电压引入AD574。 课课程程内内容容4343第46页/共102页第四章第四章 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。 CE CS R/C 12/8 A0 功能 0 不起作用 1 不起作用 1 0 0 0 启动 12 位转换 1 0 0 1 启动 8 位转换 1 0 1 接 1 脚 12 位数据并行输出 1 0 1 接 15 脚 0 高 8 位数据输出 1 0 1 接

48、 15 脚 1 低 4 位数据尾接 4 位 0 AD574AD574控制引脚功能表 课课程程内内容容4444第47页/共102页第四章第四章 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。 -5+5V -15V +15V R2 0.1k R1 0.1k 0.1k 100k REF OUT 8 REF IN 10 BIP OFF12 AD574AD574 11 1 10V1N13 7 20V1N14 15 9 REF OUT 8 BIP OF

49、F 12 REF IN 10 AD574AD574 11 1 10V1N13 7 20V1N14 15 9 +5V DG R1 100k AG 010V 020V +15V -15V AG DG -10+10V +15V +5V -15V 0.1k a） b） R2 课课程程内内容容4545第48页/共102页第四章第四章 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1/2L

50、SB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。 课课程程内内容容4646第49页/共102页第四章第四章 输入输出通道接口技术 AD574与8051的接口 接口电路如图所示。 A15A8 +5V +15V -15V 满量程调整 8 +15V R2 1

51、00k -15V 100 100k R1 100 8 010V 020V P2.7P2.0 ALE P0.7P0.0 8031 WR RD P1.0 G 74LS373 Q8Q3 8D1D Q2 Q1 VLOGIC VCC R/C VEE A0 AD574 DB11 REF IN REF OUT DB4 BIP OFF DB3DB0 AG 10V1N 20V1N CE 12/8 STS DG CS & 8 4 6 课课程程内内容容4747第50页/共102页第四章第四章 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

52、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。 课课程程内内容容4848第51页/共102页第四章第四章 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

53、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： ORG 0200H START：MOV DPTR，#SAVE ；设置数据存放地址指针 MOV R0，#0FCH ；设置启动AD转换地址 MOVX R0，A ；启动AD转换 LOOP： JB P1.0，LOOP ；检查AD转换是否结束 INC R0； INC R0； MOVX A，R0 ；读高8位数 MOVX DPTR，A ；存高8位数 INC R0 ；求低4位地址 INC DPTR ；修改数据地址指针 MOVX A，R0 ；读低4位数 MOVX DPTR，A ；存低4位数 AJMP $ 课课程程内内容容4949第52

54、页/共102页第四章第四章 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。 课课程程内内容容5050 VINT V0 t0 T b） 反充电 t t 充电 a） 积分器 T V0（f） CT RT VC VINT C R 单稳态定时器 A1 A2 +VS RL VIN S -VS 电压比较器 IR 第53页/共102页 组成

55、 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 课课程程内内容容51 51第四章 输入输出

56、通道接口技术TRVtIINTR0第54页/共102页因此，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。 课课程程内内容容5252第四章 输入输出通道接口技术INTRVRtITf011 FOUT 1 8 2 7 3 6

57、 4 5 IOUT RS GND LM331 VCC VIN VX RC 第55页/共102页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。 课课程程内内容容5353第四章 输入输出通道接口技术第56页/共102页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

58、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。 课课程程内内容容5454第四章 输入输出通道接口技术AD574第57页/共102页 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。

59、课课程程内内容容5555第四章 输入输出通道接口技术 100 100 3 2 1 3 2 1 -15V S2 S1 DB0 VCC VEE DB11 R/C REF IN STS REF OUT VLOGIC BIPOFF CE CS A0 DGND 10VIN AGND 20VIN P1.0 至 数据总线 P3.2 +5V -15V AD574 VIN +15V 100k +15V 100 第58页/共102页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

60、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。 课课程程内内容容5656第四章 输入输出通道接口技术 S44 3 1 2 3 2 1 S3-VS -IN +IN US1 VDD AD7506 VSS S16 1# OUT EN A0 A1 A2 A3 GND IN0 IN15 B4EN A0 A1 A2 A3 GND S1 AD7506 OUT 2# VSS S16 VDD B5IN16 IN31 +15V +15V +15V -15V -15V -15V RG