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1、项目三 模拟量输入输出通道接口设计,项目导读,通过本项目，掌握单片机利用模/数转换电路实现对外部模拟量的采集方法，同时掌握利用数/模转换电路实现对常用外部设备的控制方法。,项目任务单,通过本项目的相关知识的学习，要求完成下面两个电路的软硬件设计： 简易的温度报警器的设计 简易的数控直流稳压电源的设计,任务知识及实施,在微型计算机控制系统中，要实现对工业对象和生产过程的控制，就要将对象的各种状态参数，经过测量按照计算机要求的方式送入微型计算机。 计算机经过计算、处理之后，将结果以数字量的形式输出，然后经过相应的一系列输出变换，使输出量变成适合控制工业对象的量。 因此，在计算机和工业控制对象之间，
2、必须设置信息的传递和变换装置。这个装置就叫做输入输出通道，它们在微型计算机和工业控制对象之间起着连接纽带和桥梁的作用。 输入输出通道包括 模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量输入通道 数字量输出通道,3.1 模拟量输入通道,3.1.2 A/D转换及其接口技术,3.1.3典型A/D转换器应用实例,案例4 简易的温度报警器的设计,3.1.1模拟量输入通道,3.1.1模拟量输入通道组成,模拟量输入通道的任务，就是要把从控制对象检测得到的模拟信号，变换成二进制数字信号，经接口送入计算机。,1.模拟量输入通道的一般组成,2.输入信号的处理,3.采样和采样定理,4.模拟多路开关,5.采样保持器,1.模拟
3、量输入通道的一般组成,模拟量输入通道的结构形式有 单路模拟量输入通道 多路模拟量输入通道,2.输入信号的处理,输入信号处理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。,图3.2 输入信号的处理电路的结构,图3.2 输入信号的处理电路的结构,3.采样和采样定理,（1）信号的采样 （2）量化,（1）信号的采样,采样的定义,采样过程,采样定理,采样的定义,计算机数据采集系统按照分时的方式逐点对现场连续信号进行采集，从而把连续变化量变成离散的数字量，这个过程称为信号的采样。,采样的定义,采样过程,采样开关闭合的时间称为采样宽度,两次采样之间的时间间隔T称为采样周期,采样的定义,采样过程,采
4、样定理,香农定理指出，如果随时间变化的模拟信号f(t)的最高频率为fmax,那么只要按照采样频率f 2fmax进行采样，则采样信号f*(t)就能无失真地恢复原连续信号f (t)。,（2）量化,所谓量化，就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。 量化过程可以视为“数值分层”的过程。,微型计算机中的信号是以二进制数的代码来表示的，任何值只能表示成二进制数的整数倍。假设fmax和fmin分别为信号的最大值和最小值，则用字长为i的二进制数进行量化，量化单位是模/数转换器最低位二进制位（LSB）所代表的物理量，其值为,4.模拟多路开关,模拟多路开关又称多路转换器。 模拟
5、多路开关主要用在两方面： 在多通道数据采样检测时，把多个模拟量参数分时地接通并送入A/D转换器，即完成多到一的转换，这叫多路开关； 把经由计算机处理，且由D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换，这叫多路分配器，或反多路开关。,（1）模拟多路开关的分类,根据组成结构的不同分： 一类是机械触点式开关，如干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器； 另一类是无触点电子式开关，如晶体管、场效应管以及集成电路开关等。 按用途来分： 单向多路开关：只能做多路开关或反多路开关其中的一种用途，如AD7501（8路）、AD7506（16路）； 双向多路开关
6、：双向多路开关则既能做多路开关，又能做多路分配器，称为如CD4051。 按输入信号的连接方式来分 单端输入：CD4051 双端输入（或差动输入）：CD4052,（2）CD4051,CD4051是单端8通道双向多路开关,5.采样保持器,在工业生产过程中，有很多变化比较快的模拟量，而且我们还经常要对多个通道的模拟输入量进行分时采样，这就要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。上述任务的完成要靠一种器件叫做采样保持器（Sample/Hold），简写为S/H。,（1）采样保持器的工作原理,S/H一般由模拟开关、储能元件（电容）
7、和缓冲放大器组成,在采样方式中，控制开关S闭合，输入信号通过电阻R向电容C充电，采样保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。 在保持状态时，开关S断开，采样保持器的输出为电容C上的电压，一直保持在保持命令发出时刻的电压值，直到再度发出采样命令时为止。,（2）常用的采样保持器,常用的采样保持器有国家半导体公司的LFl98/298/398以及美国AD公司的AD582，AD585，AD346，AD389，ADSHC-85等。,LF398,LF398是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样保持电路。它具有采样速度快，保持下降速度慢，以及精度高等特点。 电容C外接，大小取决于维持时间的长短。LF398有两个逻辑控
8、制输入端用来控制采样和保持，具有低输入电流差动输入，允许直接与TTL，PMOS，CMOS电平相连，其门限值为1.4V。当逻辑参考输入端接地时，控制电平与TTL兼容。,LFl98/LF298/LF398芯片各引脚功能：,VIN：模拟量电压输入。 VOUT：模拟量电压输出。 逻辑（logic）和逻辑参考（logic reference）：逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样保持器的工作方式。当引脚8为高电平时，通过控制逻辑电路A3使开关S闭合，电路工作在采样状态。反之，当引脚8为低电平时，则开关S断开，电路进入保持状态。逻辑参考端可以直接接地，然后，在引脚8端用一个逻辑电平控制。 偏置（OFFSET）
9、：偏差调整引脚。可用外接电阻调整采样保持器的偏差。 CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。 V，V：采样保持电路电源引脚。电源变化范围为5V到10V。,3.1.2 A/D转换及其接口技术,模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称之为模/数转换器，简称A/D转换器。,1.A/D转换原理,2A/D转换器的主要参数,3.A/D转换器及其接口技术,1.A/D转换原理,A/D转换的常用方法有 计数器式A/D转换 逐次逼近型A/D转换（最常用） 双积分式A/D转换 V/F变换型A/D转换 并行A/D转换,逐次逼近型A/D转换原理,这种转换器的转换的原理如下： 转换开始时，
10、将逐次逼近寄存器清0，这时D/A转换器输出电压VS也为0。当A/D转换器接到启动脉冲后，在时钟的作用下，控制逻辑首先使N位逐次逼近寄存器的最高位DN1置1（其余N-1位均为0），经D/A转换器转换后，得到一个模拟输出电压VS。把这个VS与输入的模拟量VX在比较器中进行比较，由比较器给出比较结果。当VXVS时，保留最高位DN1为1，否则，该位清零。然后，再把DN2位置1，与上一位DN1，一起进入D/A转换器，经D/A转换后得到的模拟输出电压VS再次与模拟量VX进行比较，由VXVS或VXVS决定是保留这一位的1，还是清0。如此继续下去，经过N次比较，直至最后一位D0比较完成为止。此时，N位逐次逼近
11、寄存器中的数字量即为模拟量所对应的数字量。当A/D转换结束后，由控制逻辑发出一个转换结束信号，以便告诉微型计算机，转换已经结束，可以读取数据。,2A/D转换器的主要参数,（1） 分辨率,（2） 量程,（3） 精度,（4）转换时间,（5）输出逻辑电平,（6）工作温度范围,（7）对基准电源的要求,分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。 A/D转换器的分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。,量程是指所能转换的电压范围，如010V、05V等。,有绝对精度和相对精度两种表示方法。常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位，如精度为最低位LSB的土1/2位，即土1/2
12、LSB。,逐次逼近式单片A/D转换器转换时间的典型值为1.0200s。,多为与TTL电平配合。在考虑数字量输出与微处理器数据总线的关系时，应注意是否要用三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等。,由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定温度范围内才能保证额定精度指标。较好的转换器件工作温度为4085，比较差的只有070。,基准电源的精度将对整个系统的精度产生影响，故选芯片时应考虑是否要外加精密参考电源等。,3.A/D转换器及其接口技术,在将A/D转换器与微型计算机接口连接时，需要注意7个方面的问题：,（1）模拟量输入信号的连接 （2）数字量输出引脚的连接 （3）启动信号的产生 （4）
13、转换结束后的数据读取处理 （5）参考电平的连接 （6）时钟信号的连接 （7）接地问题,（1）模拟量输入信号的连接, 输入极性与量程的选择, 输入通道的选择,A/D转换器所要求接收的模拟量大都为05V的标准电压信号。但是有些A/D转换器的输入除允许单极性外，也可以是双极性，用户可通过改变外接线路来改变量程。有的A/D转换器还可以直接拾取传感器的输出信号。,由于工业现场中经常有多个模拟输入信号，在系统的模拟量输入通道中，单通道输入方式较少，更多的是多通道输入方式。在计算机控制系统中，多通道输入有两种方法。一种是采用多路开关与单通道A/D芯片组成多通道，有些还要接入采样保持器；另一种方法是直接采用带
14、多路开关的A/D转换器，如ADC0809等。,（2）数字量输出引脚的连接,输出方式1：芯片数字量输出端具有可控的输出三态门，可直接与系统总线相连，在转换结束后，CPU通过执行一条输入指令产生读信号，选通三态门，将数据从A/D转换器取走。输出方式2：芯片数字量输出端无输出三态门，或者输出三态门不受外部控制，而是由转换电路在转换结束时自动选通的。对于这种A/D转换器来说，不能直接与系统总线相连，一般要通过锁存器或I/O接口与微型计算机相连。常用的接口及锁存器有Intel8155，8255以及74LS273，74LS373，8212等。,（3）启动信号的产生,A/D转换器的启动信号有两种：,脉冲启动
15、信号,电平启动信号,脉冲启动型的A/D转换器芯片，只要在启动转换输入引脚引入一个启动脉冲即可。,电平启动转换的A/D转换器芯片，就是在整个转换过程中，必须保持启动引脚上加上要求的电平，否则将停止转换。因此，在这种启动方式下，启动电平必须通过锁存器保持一段时间。,（4）转换结束后的数据读取处理,当A/D转换器接收到CPU发出的一个启动信号后，A/D转换器就开始转换，这个转换需要一定的时间。当转换结束时，A/D转换器芯片内部的转换结束触发器置位。同时输出一个转换结束标志信号，通知微型计算机读取转换的数据。一般来说，微型计算机可以有通过中断、查询、软件延时等三种方式来联络A/D转换器以实现对转换数据
16、的读取,（5）参考电平的连接,在A/D转换器中，参考电平的作用是供给其内部D/A转换器的标准电源。它直接关系到A/D转换的精度，因而对该电源的要求比较高，一般要求由稳压电源供电。当模拟量信号为单极性时，VREF（） 端接模拟地，VREF（）端接参考电源正端。当模拟量信号为双极性时，则VREF（）端和VREF（）端分别接至参考电源的正、负极性端。,（6）时钟信号的连接,影响A/D转换器的转换速度的一个重要因素就是转换器的时钟信号。时钟信号的频率是决定芯片转换速度的基准。时钟信号参与了整个A/D转换过程,（7）接地问题,在连接时，必须将模拟电源、数字电源分别连接，模拟地和数字地也要分别连接。然后，再把这两种“地”用一根导线连接起来。在整个系统中仅有一个共地点，这种做法避免了形成回路，防止数字信号通过数字地线干扰微弱的模拟信号。,3.1.3典型A/D转换器应用实例,1并行A/D转换器AD1674,2串行A/D转换器TLC549,
