微机原理与接口技术.ppt

1、第二章 模拟量输入/输出通道的接口技术,前言 2.1 多路开关及采样-保持器 2.2 模拟量输出通道的接口技术 2.3 模拟量输入通道接口技术,第二章 模拟量输入/输出通道的接口技术,在微型机控制系统与智能化仪器中 被测物理量多为模拟量， 而计算机只能接收数字量。 在检测/控制系统中 必须先把传感器输出的模拟量转换成数字量， 才能送到计算机进行数据处理，实现控制或显示。 能够变模拟量为数字量的器件 称作模/数转换器（简称 A/D 转换器）。,微机控制技术,第二章 模拟量输入/输出通道的接口技术,经计算机处理后的以数字量输出。 大多数执行机构只能接收模拟量。 （如电动执行机构、气动执行机构以及直

2、流电机等） 必须把数字量变成模拟量 即完成数/模转换（简称D/A转换）。 可见: A/D、D/A 转换是微型机接收、处理、控制 模拟量参数过程中必不可少的环节。,微机控制技术,21 多路开关及采样保持器,多路开关、采样/保持器 是微型机控制系统的重要元件， 是计算机进行多路控制、采集数据 必不可少的组成部分。 本节主要介绍他们的原理及应用。,微机控制技术,21 多路开关及采样保持器,211 多路开关 212 采样保持器,微机控制技术,211 多路开关,多路开关的主要用途 (1)把多个模拟量参数分时地接通送入 A/D 转换器 即完成多到一的转换。称为多路开关。 (2)把经计算机处理后输出 且由

3、D/A 转换器转换成的模拟信号 按顺序输出到不同的控制回路/外部设备， 即完成一到多的转换。称多路分配器 或反多路开关。,微机控制技术,211 多路开关,2.多路开关的种类： (1)单向多路开关， 如 AD7501（8路），AD7506（16路）。 (2)双向多路开关， 如CD4051（8路），CD4067（16路）。 (3)差动输入多路开关 如 CD4052 (双4通道), CD4053 (三重二通道) CD4097 (双8通道)。 (4)多路输入/多路数出矩阵多路开关 如8816（16入8出）等。,微机控制技术,211 多路开关,3.半导体多路开关 （1）采用标准的双列直插式结构，尺寸小，

4、便于安排 （2）直接与 TTL（或 CMOS）电平相兼容； （3）内部带有通道选择译码器，使用方便； （4）可采用正或负双极性输入； （5）转换速度快， 通常导通/关断时间为 1s 有些产品已达到几十几百ns。 （6）寿命长，无机械磨损； （7）接通电阻低，一般小于100,有的可达几个。 （8）断开电阻高，通常达109以上。,微机控制技术,广泛应用,211 多路开关,1. CD4051 2. CD4067B/CD4097B 3. 多路开关的扩展,微机控制技术,1. CD4051,微机控制技术,图2- 1 CD4051 原理电路图,0 1 0,0,1. CD4051,1. CD4051,0,00

5、 1,1. CD4051,（1）CD4051 的组成： 逻辑转换单元 完成 TTL 到 CMOS 的转换。 输入电平范围大: 数字量为 315V， 模拟量可达 15VP-P。 二进制 3：8译码器 对选择输入端 C、B、A的状态进行译码， 以控制所选电路 TG 的开/关，使某一路开关接通， 将输入和输出通道接口。 电子开关 TG 用来接通或断开输入/输出通道。,微机控制技术,15V,1. CD4051,（2）控制原理 禁止输入端 INH 3个通道选择输入端 C、B、A C、B、A 的信号编码 用来选择 8个通道之一被接通。,微机控制技术,INH 接高电平 所有通道全部断开,1. CD4051,

6、（3）用法 用作多路开关 8 进 1 出 用作分路路开关 1 进 8 出,微机控制技术,改变 C、B、A 的值, 改变接通的通道,1. CD4051,表2-2 CD4051真值表,微机控制技术,2. CD4067B/CD4097B,2. CD4067B/CD4097B CD4067B 和 CD4097B 相比: 相同:原理基本， 不同: CD4067B 单16路，双向、 4个选择控制端: D、C、B 、A CD4097B 双 8 路，双向、 3个选择控制端: C、B 、A CD4051 单 8 路，双向、 3个选择控制端: C、B 、A,微机控制技术,2. CD4067B/CD4097B,1

7、1 0 1,0,2. CD4067B/CD4097B,矩阵式多路开关（补充）,可将一个输入信号传至 到任选输出通道,3.多路开关的扩展,3.多路开关的扩展 （1）由于被测参数多，应用中需要扩展。 （2）作法： 将两个多路开关串联可成倍增加路数。 采用译码器可组成通路更多的多路开关。,微机控制技术,3.多路开关的扩展,（2）扩展方法 输入通道 :不变，只是把2#CD4051的8个通道编号为815。 输出通道 :把两个CD4051的OUT/IN并联。通道选择控制管脚 C、B、A同名并联，并分别接到D2、D1和D0。 禁止端:用做两个CD4051的选择控制，由D3控制。当D3=0时，1#CD4051

8、工作，2#截止。当D3=1时，正好相反。,微机控制技术,3.多路开关的扩展,由于两个多路开关只有两种状态，1 # 多路开关工作，2 # 就得停止，或者相反。所以，只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号，而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址（或数据）总线。,微机控制技术,3.多路开关的扩展,微机控制技术,图2-4 CD4051的扩展电路,（3）扩展电路 由两个CD4051构成的16通道多路开关,OUT/IN 端连在一起,两片 IN 端 并联,两片 IN 端 串联,非门,1,0,0 1 0,3.多路开关的扩展,（3）工作原理 图2-8中， 改变数据总线D2D0（或地址总线

9、A2A0）的状态 即可得到分别选择IN7IN0的8个通道之一。 D3用来控制两个多路开关的INH输入端的电平。 其真值表，如表3-4所示。,微机控制技术,3.多路开关的扩展,微机控制技术,（3）真值表, INH 为 0： 选通 1# 芯片 （1N0IN7） INH 为 1： 选通 2# 芯片 （IN8IN15） 在 INH 为 0 的前提下，由 C、B、A 的 编码决定被选通的通道。,3.多路开关的扩展, 若需要通道数很多， 可通过译码器控制 CD4051 的控制端 INH， 把多个 CD4051 芯片组合起来， 构成更多通道 或 差动输入系统。 对于其它多路开关芯片同样适用。,微机控制技术,

10、讨论,212 采样保持器,1采样保持器的用途 2采样保持器工作原理 3常用采样保持器,微机控制技术,1采样保持器的用途,1采样保持器（Sample/Hold）的用途 （1）保持采样信号不变，以便完成 A/D 转换； （2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量； （3）减少 D/A 转换器的输出毛刺，从而消除输出电压 的峰值及缩短稳定输出值的建立时间； （4）把一个 D/A 转换器的输出分配到几个输出点，以 保证输出的稳定性。,微机控制技术,2采样保持器工作原理,2采样保持器工作原理 （1）SH 有两种工作方式： 采样方式 采样保持器的输出跟随模拟量输入电压。 保持方式 采样保持器的输出保

11、持在命令发出时刻的模 拟量输入值，直到保持命令撤消（即再度接到 采样命令）时为止。 。,微机控制技术,2采样保持器工作原理,微机控制技术,图2-9 描述上述采样保持过程的示意曲线图,3常用采样保持器,3常用采样保持器 AD 公司 AD582、AD585、AD346、AD389、ADSHC85。 国家半导体公司 LF198 / 298 / 398 等。,微机控制技术,3常用采样保持器,（1）LF198/298/398 的结构 结构 由双极型绝缘栅场效应管组成 （低偏差电压和宽频带） 使用一个单独的端子实现输人偏置电压的调整， 特点 采样速度快，保持下降速度慢，精度高等特点。 允许带宽 1MHz，

12、输入电阻为 1010。 作为单一的放大器时，其电流增益精度为 0.002， 采样时间小于 6s时， 精度可达 0.01。,微机控制技术,3常用采样保持器,当保持电容为 1F时，其下降速度为5mVmin。 结型场效应管与 MOS 电路相比： 抗干扰能力强，且不受温度影响。 设计保证，即使是在输入信号等于电源电压时，也可以将输入馈送到输出端。 LF198的逻辑输入全部为具有低输入电流的差动输入 允许直接与 TTL、PMOS、CMOS电平相连。 其门限值为 1.4V。 LF198 供电电源可以从 5V 到 18V。,微机控制技术,3常用采样保持器,图2-6 LF198 LF298 LF398 原理图

13、,微机控制技术,（2）LF198LF298LF398芯片引脚功能 VIN：模拟量电压输入； VOUT：模拟量电压输出； 逻辑、逻辑参考：控制 S/H 的工作方式。 引脚 8 接高电平，采样 低电平，保持。 偏置（OFFSET）：可用外接电阻调整 S/H 的偏差 CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。 V+、V- ：电源引脚。电源变化范围为 5V 到 10V 。,3常用采样保持器,微机控制技术,22 DA 转换器及其接口技术,典型的微型机控制系统 由模拟量输入通道、微型机、模拟量输出通道组成 其中： 模拟量输入通道主要完成 模拟量（ Analog ）到数字量（ Digital ）的转换。 微

14、型机主要完成数据处理、控制量计算、输出等。 模拟量输出通道主要完成 数字量（ Digital ）到模拟量（ Analog ）的转换,D/A 转换器分类,1. 按 D/A 转换器输出方式分类 电流输出型： 如 DAC0832，AD7522 等。 电压输出型： 如 AD558，AD7224 等。( 单极性输出、双极性输出 )。 2. 按输入数字量位数分类 有 8 位、10 位、12 位和 16 位等。 3.结构: 双 D/A（AD7528 ）、4 通道D/A（ AD7226 ）转换器 串行 D/A 转换器（ DAC80 ）等。 4.其它: 直接接收 BCD 码（如AD7525）。 直接输出 420

15、mA 标准电流的 D/A 转换器（ 如AD1420 /1 422 ）。,22 DA 转换器及其接口技术,2.2.1 8位D/A转换器及其接口技术 2.2.2 高于8位的D/A转换器及其接口技术,22 .1 8位DA转换器及其接口技术,1普通型 D/A 转换器 DAC 0832 2D/A 转换器的输出方式 3. 8 位 D/A 转换器与微型机的接口及程序设计,微机控制技术,1普通型 D/A 转换器 DAC 0832,1普通型 D/A 转换器 DAC 0832 美国数据公司产品 ，8 位 D/A 转换器。 与 CPU 完全兼容。 采用 CMOS 工艺: 功耗低，输出漏电流误差较小。 特殊的电路结构

16、可与 TTL 逻辑输入电平兼容。,微机控制技术,1普通型 D/A 转换器 DAC 0832,微机控制技术,（1）DAC 0832 的结构及原理 图2-7, 寄存器命令控制 （1）LE（1）= ILE CSWR1 （2）LE（2）= WR2 , 寄存器命令控制 （1）LE（1）= ILE CSWR1 （2）LE（2）= WR2 , 寄存器命令控制 （1）LE（1）= ILE CSWR1 （2）LE（2）= WR2 ,1普通型 D/A 转换器 DAC 0832,微机控制技术, 内部结构 二级缓冲，一级转换，逻辑电路 图2-14中， 为寄存器命令。 当 l时，寄存器的输出随输入而变化； 0时，数据被

17、锁存在寄存器中。, 寄存器命令控制 （1）LE（1）= ILE CSWR1 （2）LE（2）= WR2 , 寄存器命令控制 （1） （,8位数据锁存器控制,8位 DAC 寄存器控制,根据不同的接法，可将 DAC0832 设计成单缓冲、双缓冲、直通 三种工作方式, 寄存器命令控制 （1） （, 寄存器命令控制 （1） （, 寄存器命令控制 （1） （,1普通型 D/A 转换器 DAC 0832,（2）DAC 0832的引脚功能 数据 D7D0：数字量输入 IOUT1：DAC 电流输出1。 IOUT2：DAC 电流输出2。 控制 CS：片选信号 ILE：输人锁存允许信号 WR1：输入锁存器写选通信

18、号 WR2: DAC 寄存器写选通信号 XFER：数据传送控制信号 Rfb: 反馈电阻,微机控制技术,D7D0 = 0FFH IOUT1 输出最大值,D7D0 = 00H IOUT1 输出为0,IOUT2 = 常数- IOUT1 采用单极性输出时， IOUT2 接地,为外部运算放大器提供反馈电阻 （可用片内电阻 / 外接电阻）,1普通型 D/A 转换器 DAC 0832, VREF：参考电压输入线。 要求外接一精密电源。 当 VREF 为 10V ( 或5V )时， 可获得满量程四象限的可乘操作。,微机控制技术,输出电压的极性两者符号之积,输出电压的数值取决于输入的数字量,1普通型 D/A 转

19、换器 DAC 0832, 电源与地 Vcc：数字电路供电电压，一般为 +5V +15V。 AGND：模拟地。 DGND：数字地。 两种不同性质的地，应单独连接， 但在一般情况下，最后总有一点接在一起， 以提高抗干扰的能力。,微机控制技术,2D/A 转换器的输出方式,2D/A 转换器的输出方式 （1）电压输出 外接一级运算放大器，构成单极性电压输出； （图2-8） 外接两级运算放大器，构成双极性电压输出。 （图2-9） （2）电流输出 直接输出电流。,微机控制技术,2D/A 转换器的输出方式,微机控制技术,图2-8 DAC0832单极性电压输出电路 P29,极性与 VREF反相； 数值与输入数字

20、量相关,VREF 可接：5V 10V,微机控制技术,图2-9 DAC0832双极性电压输出电路 P30,VOUT2 = - R3 I3 = - R3 ( I1+I2 ),I3,2D/A 转换器的输出方式,注意： Vout1 与 VREF 反相 Vout2 与 输入反相 R1=2R，R2=R，R3=2R 图2-9 可求出 D/A 转换器的总输出电压,微机控制技术,（2-1）,代入R1、R2、R3 的值，可得,2D/A 转换器的输出方式,设 VREF = +5V，则由式（2-1）可得出： 当 VOUT1 = 0V 时， VOUT2 = -5V； VOUT1 = -2.5V 时， VOUT2 = 0

21、V； VOUT1 = -5V 时， VOUT2 = +5V。,微机控制技术,双极性输出时输入数字量与输出模拟量之间的关系见 表2-7 P30,2D/A 转换器的输出方式,设 VREF= +5V，则由式（2-1）可得出： D7 D0 VOUT1 VOUT2 00000000 0V -5V 1 0000000 -2.5V 0V 1 1 1 1 1 1 1 1 -5V +5V。,微机控制技术,3. 8 位 D/A 转换器与微型机的接口及程序设计,3. 8 位 D/A 转换器与微型机的接口及程序设计 包括三个方面： （1）数字量输入 （2）模拟量输出 （3）外部控制信号的连接,微机控制技术,3. 8

22、位 D/A 转换器与微型机的接口及程序设计,（1）数字量输入端的连接 考虑两个问题： 位数 D/A 转换器的位数是否与微型机匹配？ 匹配，可直接连接； 不匹配，可将数字量分批传送。 D/A 转换器的内部是否设有输入锁存器？ 若没有，须在CPU与D/A转换器之间增设锁存器； 若有，则可直接连接。,微机控制技术,3. 8 位 D/A 转换器与微型机的接口及程序设计,（2）外部控制信号的连接 片选信号，由地址线经译码器控制。 写信号， 由微型机的 信号控制。 启动信号，启动信号常为片选及写信号的合成。 参考电平，由输出极性决定。,微机控制技术,3. 8 位 D/A 转换器与微型机的接口及程序设计,（

23、3）D/A转换器与微型机的接口及程序设计应用举例 8 位 D/A 转换器与 8031 单片机的接口。 选用 DAC0832，分析： 数据位数 单极性电压输出 DAC0832 内部含有两极数字量锁存器，直接与 8031 接口。,微机控制技术,3. 8 位 D/A 转换器与微型机的接口及程序设计,图2.10 含锁存器的D/A转换器与单片机的连接,微机控制技术,3. 8 位 D/A 转换器与微型机的接口及程序设计,图2.10中，DAC0832 工作于双缓冲 方式： 用 P2.1 控制 ， 用 P2.0 控制 ， 信号同时控制 和 。 锁存允许信号 ILE 接高电平。,微机控制技术,分析： LE（1）

24、= CS 采样次数加1 MOV P2，#0A0H ; 恢复存放数据指针 MOV A，R4 ; MOV R0，A ;存放新数据地址指针 MOV R6，#10H ;恢复通道计算机初值 AJMP AGAIN,微机控制技术,3. 延时方式,3. 延时方式 不同的 A/D 转换器的转换时间不同, 程序的延时时间取决于所选定的芯片, 为保证读书的正确性,常将程序的延时时间略大于实 际转换时间。 延时时间的获取:软件延时程序， 硬件延时。,微机控制技术,234 高于8位A/D转换器及其接口技术, 采用高位数 A/D 转换器可提高转换精度。 如： 12 位 A/D 转换器 AD574 由于位数不同，所以与 C

25、PU 的接口 及程序设计方法也不同。,微机控制技术,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,1AD574 的结构及原理 美国模拟器件公司（Analog Devices）产品 12 位逐次逼近型 A/D 转换器 转换速度最快为 35S 转换误差0.05 价格适中,微机控制技术,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,（1）内部结构 由三部分组成： 模拟芯片： 高性能 12位 D/A转换器 AD565、参考电压数字芯片 数字芯片： 控制逻辑电路、逐次逼近型寄存器、三态输出缓冲器 控制逻辑部分： 发出启动/停止时钟信号及复位信号， 控制转换过程。 转换过程结束后，输出一个标志状态 STS（低电平

26、有效）。,微机控制技术,快速、单片结构、电流输出型、 建立时间为200ns,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,微机控制技术,图2-22 AD574结构原理图,234 高于8位A/D转换器及其接口技术, 输入模拟量信号：允许两种量程、两种极性接法。 单极性：010V ，020V 双极性：5V ，10V 输出数字量信号： 可分两次（一次 8 位，一次 4 位）读出， 或 12 位一次读出。 当 START 信号出现高电平时， STS 开始变为高电平（BUSY）， 直到转换过程结束，才变为低电平（EOC）。,微机控制技术,（1）转换器的启动和数据读出由 CE、 和 R/ 引脚来控制。 CE

27、1 0 时,转换过程开始 R/ 0 CE1 0 时, 数据可以被读出。 R/ 1,微机控制技术,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,2AD574A 的引脚及功能 图2-40,（2）数据格式选择端 当 1时，双字节输出( 12位 DB 同时生效) 用于 12/16 位微型计算机系统。 若 0，单字节输出，可与 8 位 CPU 接口。 AD574A采用向左对齐的数据格式。 与 A0 配合，使数据分两次输出: A00，高 8 位数有效。 A01，输出低 4 位数据加 4位附加 0。,微机控制技术,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,注意: 引脚必须直接接至 +5V 或数字地 此引脚只作数

28、字量输出格式的选择， 对转换操作不 起作用,（3）A0为字节选择端 两个作用: 转换前设置,选择字节长度 设 A0l，按 8位A/D转换，转换完成时间为10s; A00，按12位A/D转换，转换时间为 25s。 (与 的状态无关 ) 与8位微处理器兼容时，选择读出字节。 在读周期中，A00，高8位数据有效； A01，则低4位数据有效。,注意：如果 12/8 1， 则 A0 的状态不起作用。,AD574A控制信号组合表，如表2-9所示。,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,3AD574A的应用 根据模拟信号的性质,有单极性 / 双极性输入两种工作方式。 （1）单极性输入 单极性模拟量输入有

29、两种量程，010 V 和 020 V。 若无需进行零位调整， 将补偿调整引脚 BIP OFF 直接接至引脚 9。 不需要进行满量程调整时， 可于引脚 8 和 10 之间接一个固定的50 金属膜电阻， 如图2-23（a）所示。,微机控制技术,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,微机控制技术,图2-23 单极性模拟量输入电路的连接,无需 0 位 调整,无需 满量程调整,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,（2）双极性输入 两种额定的模拟输入范围： 5V (输入接脚 13 和脚 9 之间) 10V (输入接脚 14 和脚 9 之间) 双极性模拟量输入电路图，如图 2 - 24 所示。,微

30、机控制技术,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,微机控制技术,图2-24 双极性模拟量输入电路的连接 P47,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,4. 高于 8位的A/D转换器接口技术及程序设计 (1) 对于高于 8 位的 A/D 转换器与 8 位 CPU 接口时 数据的传送需分步进行。 (2) 数据分割形式有向左对齐和向右对齐两种格式 (3) 读取数字采取分步读出方式。 (4) 用读控制信号线和地址译码信号来控制。 (5) 在分步读取数据时，需要提供不同的地址信号。,微机控制技术,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,微机控制技术,图2-25 AD574A与微型机接口电路,单

31、极性,按8位转换,12位向左对齐,5.应用 (1)硬件设计 ( 图2.25 ) A/D 数字量输出 直接与单片机数据总线接口 ( 内部含三态锁存器 )。 采用 12 位 向左对齐输出格式 将 A/D 低 4 位 DB3DB0 接到 8031 高4位 DB11DB8 上。 读出时:第一次输出 DB11DB4（高8位）， 第二次输出 DB3 DB0（低4位）， ( DB7DB4 为 0000H ) 转换结束信号的处理 标志位 STS 接到 P1.0位。(供查询 ) 。 ( P1.0 = STS = 0 时读入数据 ),微机控制技术,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,(2)逻辑控制 (寻址、启动和读出) 数据读出方式选择: 数据格式选择端 0V（接地）(分两次输出) 启动A/D和读取转换结果，用CE， 和 R/ 控制。 CS 接地，芯片总是被选中； CE由 和 两信号通过一个与非门控制。 (不论处于读还是写状态下，CE1) R/ 控制端由 P0.1 控制。 P0.1=0，启动 A/D 转换 P1.0=1，则读取 A/D 转换结果。 字节控制端A0由P0.0控制。 在转换过程中，A0=0，按12位转换； 读数时，P0.0=0读取高8位数据， P0.0=1，则读取底4位数据。,微机控制技术,234 高于8位A/D转换器及其接口技术,(4) A/D 574 地址 启动转换地址;