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1、第四章内容的复习 1. 开关和开关量信号的特点、区别？开关是一种有二个可选择的、有固定位置的装 置，主要用于向单片机输入电平信号。开关量信号 就是通过拨动开关的位置，使单片机得到的一个固 定不变的电平信号（0或1）。2. 电子开关的缺点是什么？如何解决该缺点？由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是 电压、电流和开关的触点，这些信号经常会产生瞬 时高压、过电流或接触抖动等现象。因此为使信号 安全可靠，在输入到单片机之前必须接入信号输入 电气接口电路，对外部的输入信号进行滤波、电平 转换和隔离保护等.3. 开关量输入通道的基本组成？每个组成的作用？第 四章PPT4.读取扳键开关状态的程序采用的编
2、程方法？ 5.了解扳键开关、BCD拨盘开关与单片机的接口 电路和工作原理？ 开关量输出通道的基本组成？第四章PPT 小功率直流负载的基本类型有哪些？其输出电 流范围？采用什么驱动电路？如何驱动小功率 交流负载？第五章 模拟信号的输入/输出第五章 模拟信号的输入/输出本章重点: 1.A/D,D/A转换器选择 2.模拟I/O通道的设计第五章 模拟信号的输入/输出一般的智能仪器仪表, 测得的大多是连续变化的物理量,如话音、温度、压力、流量等,通常要将测量到的这些参数转换为数字量，送给微处理器或者单片机进行处理，处理的结果又要转换为模拟量信号去控制现场，因此A/D、D/A变换是生产过程自动控制和智能仪
3、器仪表不可缺少的部分。A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但 在实际应用中是把模拟电压转换成二进制数字量。要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量， 通常要经过 4 个步骤：采样、保持、量化和编码。 一般前两步由采样保持电路完成，量化和编码由AD转换器来完成。 第五章 模拟信号的输入/输出5.1 模拟信号的输入常用A/D转换器的种类 目前最常用的AD转换器是双积分式A/D转换器（略讲）和并行比较式转换器。双积分式A/D转换器主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜。其缺点是转换速度较慢，因此，这种转换器主要用于速度要求不高的场合。v它由积分
4、器(由集成运放A组成)、过零比较器(C)、时钟脉冲 控制门（G）和计数器（FF0FFn）等几部分组成。 v 双积分式AD的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别 进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间 隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到 相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值 进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力。 并行比较式A/D转换器由电阻分压器、寄存器及编码器组成。根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器的输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。转换过程简单,转换速度快,但是随着
5、位数的增加所需硬件将迅速增加，当n4时，并行AD变得比较复杂，因此并行A/D适用于速度要求很高，而输出位数较少的场合。 第五章 模拟信号的输入/输出A/D转换器是模拟信号数字化的核心器件,它的主要性能指标有:1.分辨率2.精度3.转换时间4.量程5.1.1 A/D转换器的选择第五章 模拟信号的输入/输出分辨率是指A/D转换器能分辨的最小模拟输 入电压值，常用可转换成的数字量的位数来表 示(例如，8位、10位、12位、16位等)。分辨率 其中，n是可转换成的数字量的位数。所 以位数越高，分辨率也越高。例如，当输入满 量程电压为5V时，对于8位A/D转换器，A/D转 换的分辨率为5V/2550.0
6、195 V。第五章 模拟信号的输入/输出精度指标分为绝对精度和相对精度指标. 绝对精度是指A/D输出端产生一给定数字量 时，输入端的实际模拟量输入值与理论值之差, 绝对精度是个范围,而不是一数值。 相对精度是绝对精度的最大值与满量程值之 比，一般用百分数来表示。转换时间是指A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间。转换时间反映了A/D转换的速度。转换时间是启动ADC开始转换到完成一次转换所需要的时间。目前常用的A/D转换集成电路芯片的转换时间在微秒数量级。量程是指能进行转换的输入电压的最大范围。第五章 模拟信号的输入/输出第五章 模拟信号的输入/输出1.根据精度要求选择A/D转换
7、器件若给定一智能仪器的设计任务,那么就 会要求检测的精度指标,从而换算出A/D的转 换精度。当仪器的非线性误差控制在1位以 下时，可以用分辨率指标来考核转换精度指 标，即可用A/D转换器件的位数来选择转换 器。实际设计中，还要结合经济性来考虑。讨论教材P49的倒数第三段。第五章 模拟信号的输入/输出2.根据采样频率选择A/D转换器件每一信号都有其频率特性，为使获取的 信号真实，在选择A/D时，也必须考虑符合 奈奎斯特采样定理 （Fs=2*fmax, 一般取2.56-4倍，采样频率至少大于信号上限频率的2倍) 。A/D转换器根据采样频率的不同可分为:低速A/D转换器;中速A/D转换器;高速A/D
8、转 换器。第五章 模拟信号的输入/输出低速A/D转换器：适用场合：Fs=10HZ检测对象：变化缓慢的物理量（温度/湿度/液位）A/D转换器类型：双积分型优势：很强的抗工频干扰能力，转换精度高，便宜应用：在数字电压表中应用广泛 第五章 模拟信号的输入/输出中速A/D转换器：适用场合：Fs=100HZ检测对象：变化较快的物理量（运动状态参数）A/D转换器类型：逐次逼近型优势：转换速度较块，精度较高应用：绝大多数的应用系统，很常用 A/D0808的采样频率是8位的。 第五章 模拟信号的输入/输出高速A/D转换器：适用场合：Fs=1MHZ检测对象：变化极快的物理量（视频信号）A/D转换器类型：并行比较
9、型优势：转换速度较块，精度较高应用：多媒体信息采集与处理系统第五章 模拟信号的输入/输出3其他选择考虑片内A/D：精度要求不大于12位,可选片内集 成A/D转换部件单片机,使结构紧凑。封装：常用DIP封装（双列直插式），发展 趋势为表贴型SO封装第五章 模拟信号的输入/输出5.1.2 模拟输入通道设计模拟量输入通道可完成模拟量信号的采集并将它转换成数字量送入单片机的任务。依据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。但其基本结 构都有信号调理电路、采样保持电路和D/A转换电路组成。第五章 模拟信号的输入/输出1.信号调理电路设计信号调理电路包括硬件滤波电路、放大器、增益校准
10、电路、零点校准电路、线性校准电路和温度补偿电路等。 智能仪器可以通过微处理器软件来进行自动校准和自动补偿，因此设计信号调理电路可省去线性校准电路和温度补偿电路，对增益校准电路和零点校准电路的要求也可以降低一些，甚至可以不必采用非常昂贵的高档运算放大器。第五章 模拟信号的输入/输出(1)硬件滤波电路设计： 滤波电路作用：滤除传感器器件传来的混在信号中的干扰成分。（可以省略设计不？）设计步骤：首先：设计前分析有用信号的频谱和干扰信号的频谱，只有当两者的频谱明显分开时，硬件滤波电路才能发挥作用。第五章 模拟信号的输入/输出其次：根据信号和干扰的频谱特性，选择低通滤波器、高通滤波器。 为了降低成本，低
11、通滤波器可用多节RC电路组成。此时前置放大器的输入阻抗应够高，以避免RC滤波环节对有用信号的衰减。最后：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，就需要采用调制解调技术（把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号）将有用信号的频谱进行搬移，从而分离有用信号和干扰信号的频谱。调制解调器就是我们常说的猫（modem）。第五章 模拟信号的输入/输出(2)放大器设计： 放大器作用：将信号放大到AD转换器需要的幅度 。 图5-1 仪表放大器INA114原理图外部电阻RS可调，实现放大倍数设置。偏值电压：实现放大器的窗口（P51第二段）作用（Uo=KUi-Us）；Uo输出电压，Ui输入电压，Us偏置
12、电压。 第五章 模拟信号的输入/输出(3)校准电路设计： 校准电路作用：使信号调理电路的参数满足要求。图51中，外部可调电阻Rg电路就是增益校准电路，作用是通过仔细调节可调电阻Rg，使放大器的放大倍数等于设定值（P52第一段）。 第五章 模拟信号的输入/输出2.采样保持电路设计 所谓采样，就是将一个时间上连续变化的模拟量 转化为时间上离散变化的模拟量。 模拟信号的采样过 程如图5-2a所示。其中uI(t)为输入模拟信号，uO(t)为输出模拟信号。采样过程的实质就是将连续变化的模拟信号变成一串等距不等幅的脉冲。采样的宽度往往是很窄的， 为了使后续电路能很好的对这个采样结果进行处理， 通常需要将采
13、样结果存储起来，直到下次采样，这个 过程称作保持,如图5-2b。采样器和保持电路一起总称为采样保持电路。图 5-2a 信号的采样过程 图 5-2b 采样保持电路及波形第五章 模拟信号的输入/输出3.A/D转换电路设计 AD转换电路包括AD转换芯片、基准 电源电路和控制电路。 例1：P87LPC767单片机中的8位 转换部件的功能;例2:TI的12位A/D转换芯片TLC2543。第五章 模拟信号的输入/输出第五章 模拟信号的输入/输出图53a P87LPC767芯片的连接方法内部带有一个四通道的位转换器。四 个口可选择为转换的输入 。其转换的电源和参考电压与 共用和。转换器包括一个模拟多路开关选
14、择器 和一个位逐次逼近。 该转换器可由特殊 功能寄存器控 制，并可通过置位 位来使能，同 时可通过置位位 来启动转换。转换 完成时，将结果放入 中 。第五章 模拟信号的输入/输出AIN0一AINl0为模拟输入端 ；CS为片选端；DIN为串行数 据输入端；DouT为AD转换 结果的三态串行输出端；Eoc 为车结束端；CLK为IO时钟 ；REF+为正基准电压端； REF一为负基准电压端；Vc为 电源；G为地。 工作时首先将片选端CS置 低电平，然后用软件产生时钟 脉冲并加到CLK在时钟脉冲作 用下，TLC2543一方面从 DOUT端口输出上次转换的结 果，同时从DIN端C入下一次的 操作指令(1字
15、节) 。图53b TLC2543芯片与单片机的连接图第五章 模拟信号的输入/输出3.1.3 其他A/D转换模式介绍 1. VFC式A/D转换VFC(电压/频率转换器) 根据电荷平衡的原理，将输入的模拟电压转换成与之成正比的频率信号输出。把该频率信号送入计数器定时计数，就可以得到与输入模拟电压成正比的二进制数字量。因此，VFC可以作为A/D转换器的前置电路，实现模拟到数字量的转换。 第五章 模拟信号的输入/输出VFC式A/D转换器由于频率信号的测量比较耗时，故采样频率比较低，检测对象只能是慢变 信号，如温度、湿度等。但频率信号便于远距离 传输和隔离，故适用于多路慢变信号的远距离巡 回检测。第五章 模拟信号的输入/输出2.廉价的比较器式A/D转换器此种比较器的输出电平只有高电平Vcc和地电平两种情况,当输入信号电压在0和Vcc之间时，比较器的输出是不停跳变的方波,该方波经过平滑滤波之后形成的电压包含直流分量和残留的交流分量，其直流分量与输入电压相等，而残留的交流分量使比较器维持输出方波。因此方波的直流分量占空比就是高电平维持时间的比例，即可通过对直流分量的时间测量来得出输入信号的电压.第五章 模拟信号的输入/输出该方法的硬件成本非常低，很适合精度要求不很高的慢变信号检测。理论上，只要延长检测时间，就可以提高检测精度，实际上受高电平Vcc精度的影响，这种廉价的比较器式
