第2章过程输入输出通道

第2章过程输入输出通道2.1信号的采样与恢复2.2模拟量输入通道2.3模拟量输出通道

2.4数字量输入输出通道本章具体内容过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO）计算机控制系统组成框图

过程输入输出通道的组成与功能过程通道的组成和功能

◆数字量输入（DI）通道：把从控制对象检测得到的数字码、开关量、脉冲量或中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给计算机(检测通道)输入调理电路输入缓冲器地址译码器生产过程PC总线

过程输入输出通道的组成与功能

◆

数字量输出（DO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口输出数字信号、脉冲信号或开关信号.输出驱动器输出锁存器地址译码器生产过程PC总线

过程输入输出通道的组成与功能

◆模拟量输入（AI）通道：把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号（如温度,压力,流量,液位等）(1-10V,4-20mA)变换成二进制的数字信号，然后经接口送入到计算机(检测通道)

◆模拟量输出（AO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象(控制通道,连续调节阀).◆

AI、AO比较重要，有不少特殊问题要解决.

过程输入输出通道的组成与功能2.1信号采样与恢复1．信号类型在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型。（1）模拟信号在时间和幅值上均连续取值而不发生突变的信号，一般用十进制数表示。这是控制对象需要的信号。（2）离散模拟信号在时间上不连续，而在幅值上连续取值的信号。这是在信号变换过程中需要的中间信号。（3）数字（离散）信号在时间和幅值上均不连续取值的信号，通常用二进制代码形式表示。这是计算机需要的信号。输入和输出计算机的信息转换图

一、信号的采样过程2.1信号采样与恢复2．采样过程及数学描述连续信号的采样过程一、信号的采样过程2.1信号采样与恢复(1)采样过程1)周期采样：以相同的时间间隔进行采样，即tk+1-tk=T(常量)(k=0,1,2…)，T为采样周期。

2)多阶采样：也称周期非均匀性采样，在这种形式下，tk+r-tk是周期性的重复，即tk+r-tk=T，r>1。

3)随机采样：顾名思义，这种采样形式没有固定的采样周期，是根据需要来选择采样时刻。一、信号的采样过程2.1信号采样与恢复(2)采样信号描述

实际的采样信号取矩形近似，并以单位阶跃函数表示的任意采样点的采样值为

e(kT)[1(t-kT)-1(t-kT-τ)]一、信号的采样过程2.1信号采样与恢复(2)采样信号描述采样器的闭合时间τ通常远远小于采样周期T，也远远小于被控对象连续部分的所有时间常数。在分析时，可以认为τ=0。这样理想采样器就等效于一个理想的单位脉冲序列发生器，能够产生以T为周期的单位脉冲序列。理想采样过程如下图：连续信号的理想采样过程一、信号的采样过程2.1信号采样与恢复(2)采样信号描述，T为采样周期；K为整数。

这样，理想采样器的输入信号和采样器的输出信号之间存在下面的关系:理想的单位脉冲序列发生器，其数学表达式为一、信号的采样过程2.1信号采样与恢复(3)采样信号的物理意义一、信号的采样过程2.1信号采样与恢复二、采样定理

在计算机控制系统中对连续信号进行采样，是要用抽取的离散信号序列代表相应的连续信号来参与控制运算，要求采样到的离散信号序列能够表达相应的连续信号的基本特征。为使离散信号能不失真地恢复为原来的连续信号，对采样角频率有一定的要求，香农（Shannon）采样定理则定量地给出了采样角频率的选择原则。1、采样定理：如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为

，则对进行周期采样且采样角频率为时，若

≥2连续信号可以由采样信号唯一确定，亦即采样信号可以不失真地复现或恢复原信号.如果采样频谱中的补分量相互交叠图a图b图a采样信号频谱图b采样信号频谱2.1信号采样与恢复二、采样定理2.1信号采样与恢复二、采样定理

采样定理奠定了选择采样频率的理论基础，但对于连续对象的离散控制，不易确定连续信号的最高频率。因此，采样定理给出了选择频率的准则，在实际应用中还要根据系统的实际情况综合考虑。被控量采样周期（s）备注流量1～5优选1～2s压力3～10优选3～5s液位6～8优选7s温度15～20取纯滞后时间常数成分15～20优选18s常见对象的采样周期经验值2、采样周期的确定

设连续信号为，采样点的值为，把在与之间用泰勒级数展开，取其展开式近似表达即可得保持其的阶。三、信息的恢复过程和零阶保持器

由于采样信号在两个采样点时刻上有值，而在两个采样点之间无值，为了使得两个采样点之间为连续信号过渡，以前一时刻的采样点值为参考值作外推，使得两个采样点之间不为零值。可以实现采样点值不同外推功能的装置或者器件就称为外推器或者保持器。

简单讲：保持器是一种基于时域外推原理、把采样信号转换成连续信号，实现采样点之间插值的元件。2.1

信号采样与恢复

简单讲：保持器是一种基于时域外推原理、把采样信号转换成连续信号，实现采样点之间插值的元件。2.1信号采样与恢复三、信息的恢复过程和零阶保持器1、零阶保持器信号的零阶保持

零阶保持器的作用是把采样时刻kT的采样值恒定不变地保持（外推）到（k+1）T时刻，也就是，在时间区间内，它的输出量一直保持为这个值，从而使得两个采样点之间不为零值。这样，零阶保持器把离散信号恢复成了一个阶梯波形信号，如下图所示。2.1信号采样与恢复三、信息的恢复过程和零阶保持器1、零阶保持器

如果取两个采样点的中点做平滑，平滑后的信号与原来连续信号

相比有1/2个采样周期的滞后，成为如上图b所示。一般情况下，采样周期T

都很小，可以将这种滞后忽略。2.1信号采样与恢复三、信息的恢复过程和零阶保持器2、零阶保持器的数学模型零阶保持器的单位脉冲响应为gh(t)2.1信号采样与恢复三、信息的恢复过程和零阶保持器

零阶保持器的输出信号的数学描述也可以写成它的拉氏变换为由此可以看出，零阶保持器的传递函数为2、零阶保持器的数学模型2.1信号采样与恢复三、信息的恢复过程和零阶保持器零阶保持器的频率特性为2、零阶保持器的数学模型1)低通特性。零阶保持器的幅度谱随着频率的增高而逐渐减小2)零阶保持器使主频信号的幅值提高T倍，刚好能补偿连续信号经过采样后使得主频谱幅值的1/T倍衰减。

3)相角滞后特性，影响系统稳定性。

4)时间滞后特性，采样周期越大，滞后越大，使系统相对稳定性变差。零阶保持器的频率特性曲线图2.1信号采样与恢复三、信息的恢复过程和零阶保持器2、零阶保持器的数学模型2.1信号采样与恢复三、信息的恢复过程和零阶保持器零阶保持器的无源电网络实现

零阶保持器可以用无源网络来近似实现。如果将零阶保持器传递函数中的展开成幂级数3、零阶保持器的工程实现2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成

模拟量输入通道的组成框图

①电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA（0~500Ω负载）。②电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。

传感器输出的信号包括：①

电压信号：一般为mV或μV信号。②电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。③电流信号：一般为mA或μA信号。变送器输出的信号包括：1、信号调理2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成◆信号调理：包括信号滤波、小信号放大、阻抗匹配、非线性补偿、电流/电压转换等。

无源I/V变换电路

I/V变换：无源I/V变换可以利用一个的精密电阻，将0～10mA的电流信号转换为0～5V的电压信号。

2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成图中R2为精密电阻，通过此电阻可将电流信号转换为电压信号。当输入电流为0-10mA时，可取R1=100Ω，R2=500Ω，这样输出的电压就为0-5V；当输入电流为4-20mA时，可取R1=100Ω，R2=250Ω，这样输出的电压就为1-5V。1、信号调理有源I/V变换电路

2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成有源I/V变换是利用有源器件运算放大器和电阻组成。

利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。这里R1应该取精密电阻。该放大电路的电压放大倍数为当输入电流为0-10mA时，可取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，这样输出的电压就为0-5V；当输入电流为4-20mA时，可取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，这样输出的电压就为1-5V。◆

当多个信号共用一个A/D转换器时，就需要这个器件◆理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0，要求切换速度快，寿命长，工作可靠。◆两大类：—机械触点式：干簧继电器,机械振子继电器—电子开关式：晶体管开关,场效应管开关,集成电路

开关

2、多路转换器2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成

特点：1、机械触点式：干簧继电器

接触电阻小,断开电阻大;寿命长106-107次;工作频率400Hz;小信号中速度(10-400点/s)，缺点是受剩磁影响，可靠性稍差。2、电子开关式

速度高，工作频率高达1000点/s,体积小,寿命长.缺点导通电阻大,小信号测量精度受影响。选择考虑因素:

通路多少;电平高低;单端/差动输入方式；寻址方式;切换速率;切换时要多长时间才能稳定到要求精度。2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成

CD4051

CD4051原理图2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成CD4051通道选择表CD4051的引脚图CBA选中通道号00000000110010200113010040101501106011171×××无2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成

CD4051

当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联起来。两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法：

CD4051

2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成四个8路开关扩展成16路的差动输入方法OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{差动模拟输入（18）差动模拟输入（916）~~模拟输出V1.....OUTOUTCCABBACD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ{{差动模拟输入（18）差动模拟输入~~4D锁存器....（916）.....模拟输出V22.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成

◆A/D转换器的输入电压一般都有一定范围，而变送器过来的信号一般都是mv级的，所以必须经过放大(一般A/D满度电压10V)◆前置放大器的任务是将模拟小信号放大到A/D转换器的量程范围内。它可以分为固定增益放大器和可变增益放大器两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器。

3、前置放大器2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成（1）固定增益放大器

固定增益放大器一般采用差动输入放大器，因其输入阻抗高，因而有着极强的抗共模干扰能力，如图所示。图2-19固定增益差动放大器3、前置放大器2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成图中（2-19）（2-20）（2-21）所以其增益为（2-22）◆当多路输入的信号源电平相差较大时,用同一增益放大器去放大高/低电平信号,可能使得低电平信号测量精度降低,而高电平信号有可能超出A/D转换器的输入范围.采用可编程序放大器,使A/D转换器满量程达到均一化,提高多路采集的精度.常用的可变增益放大器有AD526、AD625、PGA100、PGA102等。2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成3、前置放大器（2）可变增益放大器（可编程放大器）2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成3A2A-NIN负载(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314Ω630Ω-+1AIV+2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成AD526可编程仪用放大器：AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，它是一款完整的解决方案，配有放大器、电阻网络和TTL兼容型锁存输入器件本身所提供的增益是xl、x2、x4、x8、x16等五挡。4、采样/保持器

A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样/保持器S/H（SampleHold）。如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，不必再选用采样/保持器。2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成采样中问题◆A/D转换器完成一次转换过程的时间称为转换时间；转换时间将引起误差例：Vf=5V;12位的A/D;基准电压10.24V;量化误差为最低位的一半;转换时间0.1ms.则信号最高频率为2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成（1）采样/保持器的工作原理

S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成，如图所示：

采样/保持器的原理图2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成

采样/保持器有采样和保持两种工作状态。当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过电阻R向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，由于电容C此时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。在采样期间，不启动A/D转换器，一旦进入保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换的模拟输入电压恒定，提高了A/D转换的精度。（1）采样/保持器的工作原理2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成（2）常用的采样/保持器

常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/298/398等。

LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10μs，保持电容为1μF时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源范围宽，可以从±5V到±18V，并可与TTL、CMOS兼容。

2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成LF398的组成原理图如图所示：LF398的组成原理图2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成

图中，LF398由输入缓冲级（A1）、输出驱动级（A3）和控制电路（A2和S）组成。运算放大器A1和A3均接成电压跟随器形式。当输入控制逻辑电平高于参考逻辑电平时，A2输出一个低电平信号，驱动开关S闭合，此时输入信号经A1后进入A3，A3的输出跟随输入电压变化，同时向保持电容充电；而当输入控制逻辑电平低于参考逻辑电平时，A2输出一个高电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此，A1和A3的作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持器的性能。2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成LF398典型的电源和信号的接法如图所示

LF398典型的电源和信号的接法2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成2.2模拟量输入通道2.2.2A/D转换技术及接口设计要点

A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，是模拟量输入通道必不可少的器件。常用的A／D转换器从转换原理上可分为逐次逼近型、计数比较型和双积分型。从分辨率上可分为8位、12位、16位等。一、A/D转换技术1、A/D转换方式◆逐次逼近式：转换时间短，抗扰性差（电压比较）ADC0809（8位），AD574（12位）；◆双斜率积分式：转换时间长，抗扰性好（积分）MC14433（12位），ICL7135（4位）；◆计数－比较式：转换速度慢，抗扰性差，较少采用。

1）逐次逼近式A/D转换原理图2.2模拟量输入通道2.2.2模拟量输入通道的一般组成◆主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、电压比较器、时序及控制逻辑等部分组成；◆工作过程：逐次把设定在SAR中的数字量所对应的D/A转换器输出的电压，与要被转换的模拟电压进行比较，比较时从SAR中的最高位开始，逐次确定各数码位是“1”还是“0”，最后，SAR中的内容就是与输入的模拟电压对应的二进制数字代码；◆适于精度速度要求不高的场合。2.2模拟量输入通道2.2.2模拟量输入通道的一般组成◆以4位A/D转换器为例，说明其逐次逼近过程的原理：LSB所代表的信号电压为0.25v(满量程,4/24)，模拟输入电压为1.8v

这里误差为0.125v。SAR位数越多，越逼近，但转换时间也越长。2.2模拟量输入通道2.2.2模拟量输入通道的一般组成2）双斜率积分式A/D转换原理图2.2模拟量输入通道2.2.2模拟量输入通道的一般组成2）双斜率积分式A/D转换器双斜率积分式A/D转换器一个测量周期内的积分输出2.2模拟量输入通道2.2.2模拟量输入通道的一般组成工作原理:

—固定时间T0

内对模拟输入电压积分

—对基准电源反向积分，直到电容放电完毕，记录反向积分时间T1—模拟输入电压与参考电压的比值就等于上述两个时间值之比T1/T0=Ux/U基准—应用于信号变化慢,输入速度低,精度要求高,干扰严重的场合。2.2模拟量输入通道2.2.2模拟量输入通道的一般组成2、A/D转换器的主要技术指标：(1)分辨率A/D转换器的分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制数码最低有效位时，输入模拟量的最小变化量。

(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A/D转换器从启动到转换结束输出稳定的数字量所需要的时间称为A/D转换器的转换时间。

(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，应加以考虑。2.2模拟量输入通道2.2.2模拟量输入通道的一般组成2.2模拟量输入通道2.2.2A/D转换技术1．数字量输出信号的连接

A/D转换器数字量输出引脚和8位单片微型计算机的连接方法与其内部结构有关。如果转换器的数据输出寄存器具有三态锁存功能，则A／D转换器的数字量输出引脚可直接接到CPU的数据总线上，转换结束，CPU可以直接读入数据。对于10位以上的A／D转换器，输出数据寄存器增加了读数控制逻辑电路，把10位以上的数据分时读出。对于内部不包含读数据控制逻辑电路的A／D转换器，应增设三态门对转换后数据进行锁存，以便控制10位以上的数据分两次进行读取。二、接口设计要点2.2模拟量输入通道2.2.2A/D转换技术

任何一个A／D转换器都必须在外部启动信号的作用下才能开始工作，启动方式分脉冲启动和电平控制启动两种。

脉冲启动转换只需给A／D转换器的启动控制转换的输入引脚上，加一个符合要求的脉冲信号即可，如ADC0809、ADC80、ADC1210等。

电平控制转换的A／D转换器，当把符合要求的电平加到控制转换输入引脚上时，立即开始转换，而且此电平应保持在转换的全过程中，否则将会中止转换的进行。因此，该电平一般需由D触发器锁存供给，例如，AD570、AD571、AD574等。2．A/D转换器的启动方式2.2模拟量输入通道2.2.2A/D转换技术

当A／D转换结束时，A／D转换器芯片内部的转换结束触发器置位，并输出转换结束标志电平，以通知主机读取转换结束的数字量。主机判断A／D转换结束的方法有3种：即中断、查询和延时方式。这3种方式的选择往往取决于A／D转换器的速度和应用系统总体设计要求以及程序的安排。3．转换结束信号的处理方式2.2模拟量输入通道2.2.2A/D转换技术

A／D转换器的频率是决定其转换速度的基准。整个A／D转换过程都是在时钟作用下完成的。

A／D转换时钟的提供方法有两种:

一种是由芯片内部提供，如AD574A；另一种是由外部时钟提供。外部时钟少数由单独的振荡器提供，更多的则是由CPU经时钟分频后，送至A/D转换器的时钟端。4．时钟信号的连接1、8位A/D转换器ADC08092.2模拟量输入通道2.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计◆ADC0809引脚结构：采用双列直插式封装，共有28条引脚—8条模拟量输入通道—地址输入和控制线4条—数字量输出及控制线11条—电源线及其他：5条

2.2模拟量输入通道图2-28ADC0808/0809内部结构框图2.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计2.2模拟量输入通道◆

是转换后的二进制输出端，它们受输出允许信号OE的控制：OE＝0，呈高阻态；OE＝1，输出转换后的数据。1、8位A/D转换器ADC08092.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计◆

A、B、C是三个采样地址输入端，它们的8种组合用来选择8个模拟量输入通道中的一个通道并进行转换。2.2模拟量输入通道◆输入通道选通地址表1、8位A/D转换器ADC08092.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计2.2模拟量输入通道◆ALE是地址锁存选通信号，该信号上升沿把地址状态选通入地址锁存器。也可以作为开始转换的启动信号。◆START为启动转换脉冲输入端，其上跳变复位转换器，下降沿启动转换，它可由程序或外部设备产生。当START与EOC端短接时，实现自动连续转换。1、8位A/D转换器ADC08092.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计2.2模拟量输入通道◆EOC为转换结束信号，从START信号上升沿开始经8个时钟周期后由高电平变为低电平。该信号也可作为中断请求信号。◆CLK为时钟信号输入端，最高可达1280kHz。◆REF(+)和REF(－)为基准电压输入端，它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值。通常REF(+)和电源Vcc一起接基准电压，REF(－)接地端GND。1、8位A/D转换器ADC08092.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计2.2模拟量输入通道2、8位A/D转换器ADC0809的程序设计

A/D转换器与单片机的硬件接口有3种方式：查询方式、延时方式和中断方式。

查询方式：首先由CPU向A/D转换器发出启动脉冲，然后读取转换结束信号（如ADC0809的EOC），根据转换结束信号的状态，判断A/D转换是否结束，如果结束，可以读取A/D转换结果，否则继续查询，直至A/D转换结束。

这种方法程序设计比较简单，且可靠性高，但实时性差。由于大多数控制系统对于这点时间都是允许的，所以，这种方法用得最多。2.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计2.2模拟量输入通道2、8位A/D转换器ADC0809的程序设计

A/D转换器与单片机的硬件接口有3种方式：查询方式、延时方式和中断方式。2.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计

在这种方式中，为了确保转换完成，必须把时间适当延长，因此，其速度比查询方式还慢，故应用较少。

延时方式：向A/D发出启动脉冲后，先进行软件延时，此延时时间取决于A/D转换器完成A/D转换所需要的时间（如ADC0809约为100μs），经过延时后可读取数据。采用延时方式时，转换结束引脚悬空。2.2模拟量输入通道2、8位A/D转换器ADC0809的程序设计

A/D转换器与单片机的硬件接口有3种方式：查询方式、延时方式和中断方式。2.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计

中断方式：CPU启动A/D转换后即可转而处理其他的程序，一旦A/D转换结束，则由A/D转换器发出一转换结束信号向CPU申请中断，CPU响应中断后，便读入数据。

在中断方式中，CPU与A/D转换器是并行工作的，因此，其工作效率高。在多回路数据采集系统中一般采用中断方式。

采用中断方式时，转换结束信号通常与计算机的外部中断引脚连接（如或）。2.2模拟量输入通道2.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计图2-38ADC0808/0809查询方式硬件接口2.2模拟量输入通道2.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计

下面的程序是采用查询方式，将ADC0809的IN4通道模拟量进行5次转换，转换结果存入单片机内部RAM40H为首地址的存储单元中的程序清单。

AD: MOV R0,#40H ；存储单元首地址

MOV R1,#05H ；转换次数

MOV P1,#0FFH ；P1口写1（准输入口）AD0:MOV DPTR,#7FFCH ；送ADC0809口地址，且指向通道4MOVX @DPTR,AAD1: MOV A,P1；检测P1.4的状态，若P1.4=0，开始转换

ANL A,#10H JNZ AD12.2模拟量输入通道2.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计AD2: MOV A,P1；检测P1.4的状态，若P1.4=1，转换结束

ANL A,#10H JZ AD2 MOV DPTR,#7FFFH；读A/D转换结果

MOVXA,@DPTR MOV @R0,A INC R0 DJNZ R1,AD0 RET2.2模拟量输入通道2.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计

ADC0808/ADC0809与80C51单片机的硬件接口采用中断方式的连接图如图2-39所示：图2-39ADC0808/0809中断方式硬件接口2.2模拟量输入通道2.2.3典型A/D转换器与微处理器接口设计3、高于8位A/D转换器AD574A对于高于8位的A/D转换器，如10位、12位、16位等，当其与8位的CPU接口连接时，数据的传送需分步进行。一、模拟量输出通道的结构形式

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之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。2.3模拟量输出通道一个通道设置一个D/A转换器

这是一种数字保持方案。优点:转换速度快，工作可靠，即使某一路D/A转换器发生故障，也不影响其他通道的工作。缺点:使用了较多的D/A转换器，使得这种结构的价格很高。1．一个通道设置一片D/A转换器2.3模拟量输出通道2．多个通道共用一片D/A转换器共用D/A转换器公用一片D/A转换器，必须在计算机控制下分时工作，依次把D/A转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给输出采样—保持器。优点:节省了D/A转换器。缺点：因为D/A分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。它还要使用多路开关，且要求输出采样—保持器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。2.3模拟量输出通道二、D/A转换技术

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D/A转换原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。

◆解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T型电阻网络。

2.3模拟量输出通道1、4位权电阻网络D/A转换器原理2.3模拟量输出通道◆运算放大器输出的模拟电压为可见，D/A转换器的输出电压U正比于输入数字量D◆缺点：网络中电阻值不同，位数越多，电阻值差异越大2.3模拟量输出通道2、4位T型电阻网络（R-2R）D/A转换器原理图2.3模拟量输出通道◆从节点a,b,c,d向右向上看，其等效电阻均为2R◆位切换开关受相应的二进制码控制，相应码位为“1”，开关接运算放大器虚地，相应码位为“0”，开关接地。◆流经各切换开关的支路电流分别为，，，◆各支路电流在运算放大器的虚地相加2.3模拟量输出通道◆运算放大器的满度输出为

这里满度输出电压(流)比基准电压(流)少了1/16，是因端电阻常接地造成的，没有端电阻会引起译码错误◆对n位D/A转换器而言，其输出电压为2.3模拟量输出通道3、D/A转换器的主要技术指标(1)分辨率最小输出电压(对应输入数字量只有最低有效位为“1”)与最大输出电压(对应输入数字量的有效位全部为“1”)之比。

(2)线性度D/A转换器的实际转移特性与理想直线之间的最大误差或偏差。

(3)转换精度转换后所得的实际值对于理想值的最大偏差。

(4)稳定时间D/A转换器中的输入代码有满刻度值的变化时，其输出模拟信号电压(或模拟信号电流)达到满刻度值±1/2LSB时所需的时间。

(5)输出电平D/A转换器满量程输出电压的大小。

(6)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、偏移码等。

(7)温度系数在满刻度输出的条件下，温度每升高1℃，输出变化的百分数

(8)电源抑制比满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比。2.3模拟量输出通道三、D/A的结构特性与应用特性1．数字输入特性

数字输入特性包括接收数的码制、数据格式以及逻辑电平等。D／A转换芯片一般都只能接收自然二进制数字代码。因此，当输入数字代码为其他形式时，应外接适当的偏置电路后才能被接收。2．模拟输出特性

目前生产的多数D/A转换器均属于电流输出器件。手册上通常给出的是输入参考电压及参考电阻之下的满码（全1）输出电流I0和最大输出短路电流。2.3模拟量输出通道三、D/A的结构特性与应用特性3．锁存特性

D/A转换器对数字量输入是否具有锁存功能将直接影响与CPU的接口设计。如果D/A转换器没有输入锁存器，通过CPU数据总线传送数字量时，必须采用锁存器连接，否则只能通过具有输出锁存功能的可编程并行I／O口给D/A送入数字量。4．参考电压源

参考电压源是惟一影响D/A转换器输出结果的模拟参量。选用内部带有低漂移、精密参考电压源的D/A转换器不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。2.3模拟量输出通道1）电流输出型，可与各种微处理器直接接口2）具有双缓冲、单缓冲和直通数据输入3种工作方式◆

双缓冲方式:用于同时输出多个模拟信号的多DAC0832系统.◆单缓冲方式:用于一路模拟量输出的系统，只用输入寄存器锁存,另一级DAC接成直通方式.◆

直通方式：用于不带微机的系统。3）电流稳定时间1µS，满量程误差为±1LSB,单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作，基准电压的范围为±10V.1、8位D/A转换器DAC0832的特性2.3模拟量输出通道四、D/A转换器与微机接口设计2.3模拟量输出通道DAC0832的原理框图

◆因为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下图所示：2.3模拟量输出通道◆单极性输出方式2.3模拟量输出通道数字量MSBLSB模拟量11111111-VREF×255/25610000000-VREF×128/25600000000-VREF×0/256◆双极性输出方式2.3模拟量输出通道2.3模拟量输出通道输入数字量输出模拟量MSBLSB+VREF-VREF11111111VREF-1LSB-|VREF|+1LSB11000000VREF/2-|VREF|/2100000000001111111-1LSB+1LSB0011111100000000-VREF|VREF|双极性输出时数字量与模拟量之间的关系◆

单缓冲方式：指DAC0832的两个寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式；或者两级寄存器同时锁存2.3模拟量输出通道2、8位D/A转换器DAC0832的程序设计◆

上述DAC0832采用的是单缓冲单极性的接线方式，它的选通地址为7FFFH

实现D/A转换的程序如下： MOV DPTR，#7FFFH ；输入0832口地址MOV A，#data ；读取数据MOVX@DPTR，A；执行D/A转换SJMP $2.3模拟量输出通道◆

双缓冲方式：把DAC0832的两个寄存器都接成受控锁存方式2.3模拟量输出通道2.4数字量输入输出通道2.4.1数字量输入通道1．数字量输入接口电路

数字量输入接口电路一般包括三态缓冲器和地址译码器组成。图中开关输入信号S0-S7接到缓冲器74LS244的输入端，当CPU执行输入指令时，地址译码器产生片选信号，将S0-S7的状态信号送到数据线D0-D7上，然后再送到CPU中。2．输入信号调理电路（1）小功率输入调理电路2.4数字量输入输出通道2.4.1数字量输入通道图示开关、继电器等输入信号电路将接点的接通和断开动作转换成TTL电平或CMOS电平，再与计算机相连。为了消除接点的抖动，一般都加入有较长时间常数的电路来消除这种振荡。图(a)采用RC滤波电路消除开关抖动的方法。图(b)所示为常用的RS触发器消除开关两次反跳的方法。（2）大功率输入调理电路图2-77大功率输入信号调理电路2.4数字量输入输出通道2.4.1数字量输入通道（3）交流输入信号检测电路图2-78交流输入信号检测电路2.4数字量输入输出通道2.4.1数字量输入通道2.4.2数字