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1、过程输入/输出通道设计,3.1 模拟量输入通道设计,本章的主要研究内容：,3.2 模拟量输出通道设计,3.3 开关量输入/输出通道部分（自学）,模拟量输入通道构成： 滤波电路(去噪)、多路模拟开关、放大器、采样保持器（S/H）和A/D；,3.1 模拟量输入通道设计,重点：A/D芯片的使用方法 A/D芯片与单片机的接口,模拟量输入通道研究内容：,3.1.1 模拟量输入通道结构,3.1.2 A/D芯片及其与单片机接口,3.1.4 模拟量输入通道设计举例,3.1.3 模拟量输入通道其它器件,3.1.1 模拟量输入通道结构,多通道结构：,图3-1 模拟量输入多通道结构,每个通道有独自的放大器、S/H和
2、A/D，多用于高速数据采集系统,多通道共享放大器、S/H和A/D,图3-2 模拟量输入多通道共享结构,多用于低速数据采集系统，多路开关轮流采入各通道模拟信号，经放大保持和A/D转换后送入单片机。,3.1.2 A/D芯片及其与单片机接口,A/D转换芯片的主要性能指标：,分辨率（resolution）:,转换时间(conversion time)：,转换误差(precision)：,A/D输出数码变动一个LSB时，输入模拟信号的最小变化量。Vref/2n(n位),A/D 从启动转换到转换结束的时间。(转换速度) 转换率,实际值与真实值之间的偏差.（精度）.包括量化误差、偏移误差、量程误差、非线性误
3、差,A/D转换芯片的类型：,积分型,逐次比较 (逼近)型：,比较型和积分型,电压-频率转换型：,速度快，抗干扰能力弱。,双积分型(即电压时间转换式):,抗干扰能力强，价低,-转换型：,速度慢，价低,分辨率高但速度较慢。,逐次比较 (逼近)型：,双积分型(即电压时间转换式):,比较器和计数逻辑器件完成转换，AD574,-转换型：,MC14433, ICL7135,几种常用芯片性能见P47表3-1,1位DAC、滤波和附加采样来实现精确转换，实际上是一种以牺牲速度为代价的过采样技术。 AD7710系列,设计者应根据仪表设计要求，从实际出发选用合适类型的A/D芯片。,A/D芯片的选用,主要依据指标：,
4、分辨率和转换时间,举例1：如某测温系统的输入范围为0500，要求测温的分辨率为2.5，转换时间在1ms之内。,A/D芯片的选用,可选用分辨率为8位的逐次比较式A/D（例如ADC0804、ADC0809等）；,由：,得： n=7.64,举例2：如要求测温的分辨率为0.5（即满量程的1/1000），转换时间为0.5s。,A/D芯片的选用,则可选用双积分型A/D芯片14433。,A/D输入、输出方式,输入：,输出：,单端，差动（双端） 单极性，双极性,并行 占用大量单片机I/O口线，速度快。,并行，串行,串行 节省口线，信号一位位传送,A/D转换器的控制信号：,启动控制信号（脉冲或电位）,转换结束信
5、号：中断式，查询式,转换结束控制信号,转换结果的输出控制信号。,AD574及接口电路：,12位A/D芯片，转换时间25s，转换误差 1LSB,单极性或双极性输入，12位可并行输出，也可分两次输出(量程有10V和20V两种),输出具有三态缓冲器，可直接与单片机相连,AD574引脚图见下图。图中R/C是读启动转换信号，A0和12/8用于控制转换数据长度是12位或8位以及数据输出格式。它们的功能见下页表。,（a） 单极性输入 （b）双极性输入 AD574单极性和双极性输入,AD574的转换方式和数据输出格式,（a） 单极性输入 （b）双极性输入 AD574单极性和双极性输入,启动A/D或读数可用CE
6、或信号CS来触发。 STS为转换结束标志信号。STS输出引脚为高电平，表示转换正在进行，转换结束后，STS为低电平。,调整R1，使得输入模拟电压为1.22mV（即对于0+10V范围，为1/2LSB）时，输出数字量从000000000000变到000000000001，即可认为零点校准好了。,零点校准方法,调整 R2，即对于0+10V范围，调整R2，使得对应输入电压为9.9963V（即电压变化1又1/2LSB）时，数字量从111111111110变到111111111111，即可认为满刻度校准好了。,满度校准方法,输入电路之一： 比较型 AD574 （12位）与单片机的接口,R/C:读/启动转换
7、信号 A0 、12/8: 控制转换数据的长度以及数据输出格式,调试程序：,MC14433 及接口电路,3 又1/2位(BCD码)双积分型A/D芯片,分辨率相当于二进制11位，转换误差 1LSB 模拟电压输入范围：0 1.999v, 0 199.9mv,MC14433 及接口电路,通过多路开关输出多路选通脉冲信号,DS1有效期间Q0 Q3输出结果为： Q3 代表千位数， Q2代表被测电压极性， Q0代表量程范围,DS2 DS3 DS4有效期间，Q0 Q3输出三个全位BCD码,MC14433 输出时序,EOC 每次转换结束，输出一正脉冲，宽为1/2时钟周期,输入电路之二：双积分型14433 （BC
8、D3-1/2位）与单片机的接口。,C01、C02为失调补偿电容 EOC:转换结束信号 DU:输出方式选择,DU:输出方式选择。 向该端输入一正脉冲，当前转换周期的转换结果将被送入输出锁存器，经多路开关输出，否则输出锁存器中为原来的转换结果。 若DU与EOC连接，则每一次的转换结果都将被输出。,转换结果存放在20H、21H里，格式为,调试程序：,SETB IT1 SETB EA SETB EX1 MOV A,P1 JNB ACC.4,AINT CLR 06H CLR 05H JB ACC.0,AER JB ACC.2,AI1 SETB 07H AJMP AI2 CLR 07H JB ACC.3,
9、AI3 SETB 04H AJMP AI4,CLR 04H MOV A, P1 JNB ACC.5, AI4 MOV R0, #20H XCHD A, R0 MOV A, P1 JNB ACC.6, AI5 SWAP A INC R0 MOV R0, A MOV A, P1 JNB ACC.7, AI6 XCHD A,R0 RETI SETB 10H RETI,AER:,AI6:,AI5:,AI4:,AI3:,AI2:,AI1:,AINT:,INIT:,ICL7135及接口电路,4-1/2位(BCD码)双积分型A/D芯片,工作原理与14433基本相同，控制信号线不同,分辨率相当于二进制14位（
10、16384）,转换误差 1LSB,模拟电压输入范围：0 1.9999V,D5 D1：位驱动信号输出端，分别选通万千百十个位 B8 B4 B2 B1 ：BCD码数码输出线 UR：欠量程标志输出端。当输入信号小于量程的9（1800），该端输出高电平。 OR：过量程标志输出端。当输入信号超过转换器计数范围（19999），OR输出高电平。 POL：极性输出端。当输入信号为正时，POL输出为高电平；当输入信号为负时，POL输出为低电平。,CLK：时钟输入端。工作于双极性情况下，时钟最高频率为125KHz，这时转换速率为3次秒左右；如果输入信号为单极性，则时钟频率可增加到1MHz，这时转换速率为25次秒左
11、右。 STB：选通脉冲输出端。脉冲宽度是时钟脉冲宽度的1/2，A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD码输出。也可作为中断请求信号，向主机申请中断。,INT、AZ、BUF：分别为积分电容器的输出端、自动校零端和缓冲放大器输出端。 R/H：启动A/D转换控制端。接高电平时，7135连续自动转换，每隔40002个时钟完成一次A/D转换；接低电平时，转换结束后保持转换结果，若输入一个正脉冲（大于30nS），启动A/D进入新的转换周期。 BUSY：输出状态信号端。 BUSY输出高电平，表示A/D转换正在进行；输出低电平，表示转换已经结束。,7135输出时序,输入电路之三：双积分
12、型 7135 （BCD4-1/2位）与单片机的接口。,AT89C2051是ATMEL公司生产的带2K字节闪速存储器的8位单片机。其具有如下的一些特性：,(1)指令与MCS-51芯片兼容；,(3)工作电压范围：2.7V至6V;,(2)内含2k字节的可编程闪速存储器；,(4)全静态工作：0H-24MHZ；,(5)内含128位RAM；,(6)15条可编程控制IO线；,(7)片内模拟电压比较器,(8)2个16位定时器计数器寄存器；,(12)低功耗的闲置和掉电模式；,(9)6个中断源；,(10)可编程串行UART通道；,(11)直接LED驱动输出；,(13)二级程序存储器加锁；,(14)寿命：1000次
13、写擦循环；,(15)数据保留时间：10年。,AT89C2051的硬件结构如下：,AT89C2051的硬件结构如下：,ATC89C2051没有提供外部扩展存储器和I/O设备所需的地址、数据、控制信号，因此利用该单片机构成的单片机应用系统不能扩展存储器和I/O设备，即ATC89C2051构成了最小单片机系统。,输入电路之四：双积分型 7135 （BCD4-1/2位）与单片机的接口。,SETB P1.4 MOV A, P1 JNB ACC.5, WAIT CLR P1.4 MOV A, P3 JNB ACC.7, LP1 MOV A, P1 ANL A, #0FH MOV 30H, A - RET,
14、WAIT ：,LP1：,LP2：,调试程序：,V-F式A/D转换电路,分辨率高但采样速度低。 V-F转换芯器可采用VFC-32、AD650等集成芯片,输入电压范围：010V, 输出频率：0500KHz,VFC-32 引脚和接线,VFC-32,输入电路之五：VF型 VFC32 与单片机的接口。,假设采样周期50ms,晶振频率12MHz.8031的T0用于定时，T1用于计数，均工作于方式1，转换后的低位数据存入20H中，高位数据存入21H中。,初值：,调试程序(采样周期50ms)：,MOV TMOD, #51H MOV TL0, #0B0H MOV TH0, #3CH MOV TL1, #00H
15、MOV TH1, #00H SETB TR0 SETB TR1 SETB EA SETB ET0 .,CLR TR1 MOV R0, # 20H MOV A, TL1 MOV R0, A INC R0 MOV A, TH1 MOV R0, A MOV TL1, #00H MOV TH1, #00H MOV TL0, #0B0H MOV TH0, #3CH SETB TR1 RET,AINT：,由D/A芯片实现A/D转换电路,成本较低，一部分功能由软件完成，转换时间长，适用于低速采集系统,原理：,逐次逼近法（对分搜索法）：从最高位到最低位依次确定,输入电路之六：由D/A芯片实现A/D转换电路。,
16、单片机先输出一个二进制数，通过D/A转换后得到一个模拟量VR，然后与Vx相比较，如果比较器输出的逻辑电平为0，则表明VR大于Vx；反之，如果比较器输出的逻辑电平为1，则表明VR小于Vx。,编制调试程序时需要设置以下寄存器：,输出值寄存器R0（初值为00H）,暂存寄存器R2,位寄存器R1（初值为80H ）,程序如下：,MOV DPTR, #7FFFH MOV R0, #00H MOV R1,#80H MOV R2, R0 MOV A , R0 ADD A, R1 MOV R0, A MOVX DPTR, A NOP JB P1.0, NEXT MOV R0, R2 MOV A, R1 RRA MOV R1, A CJNE R1,#80H, LOOP MOV A, R
