微机控制课件第2章IO接口

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1、第二章 模拟量输入/输出接口技术,模拟量输入/输出接口技术 主要内容： 1 多路开关及采样-保持器 2 模拟量输出通道接口技术 3 模拟量输入通道接口技术,第二章 模拟量输入/输出接口技术,模拟量输入输出接口通道在闭环系统中的位置如下图所示。,第二章 模拟量输入/输出接口技术,回顾几个概念： 微机（数字式）控制系统的工作特点：数字运算与处理、快速处理； A/D转换、D/A转换、转换时间； A/D转换输入通道及D/A转换输出通道，多通道的处理； 转换过程中需要解决的问题；,2.1 多路开关及采样-保持器,2.1.1 采样定理,在微机控制技术领域内，计算机系统、离散系统、采样数字系统是一回事，均以

2、数字为处理对象；连续系统是以连续信号为处理对象； 1 周期采样：以相同的时间间隔进行采样。 Tk+1-Tk=常量T（k=0,1,2,） T：采样周期 2 多阶采样： Tk+r-Tk=常量(r1) 3 随机采样：没有固定的采样周期。,2.1 多路开关及采样-保持器,一般应用中多采用周期采样的形式。采样器可看作是一个调制器，如下图。,2.1 多路开关及采样-保持器,由上图可写出连续时间函数x(t)经过等间隔的离散化以后的离散信号表达式： 式中：t(t)为等间隔脉冲序列。,2.1 多路开关及采样-保持器,为保证采样频率不太高，又不丢失有效信号，有香农定理保证，如下： 如果连续时间函数x(t)是有限带

3、宽信号，设其最大频率为fmax，若采样频率fs2fmax，则一定可以由采样信号X*(t)完全恢复出X(t)。,2.1 多路开关及采样-保持器,2.1.2 多路开关 多路/反多路开关是一种多入一出/多出一入的集成电路，一般用于模拟量的传输通道的切换。 1. CD4051 CD4051是8通道双向多路开关。其引脚结构如右图所示。,2.1 多路开关及采样-保持器,引脚图中，C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通。改变图中 IN/OUT07及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路

4、开关。其真值表如表所示。,2.1 多路开关及采样-保持器,2. 多路转换开关的扩展 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，组成82或162的多路开关。下面以CD4051为例说明多路开关的扩展方法。两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法，如图2-26所示。,2.1 多路开关及采样-保持器,2.1.3 采样-保持器 . 采样-保持器作用 其功能是：在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输出值不变。一般用在同步系统中或转换速度较慢的输入通道中。其输入输出特性如下图所示。,2.1 多路开关及采样-保持器,2. 采样/保持器的工作原理 最简单的采样/保持器是由开关

5、和电容组成，如下图所示。,2.1 多路开关及采样-保持器,3. 常用的采样/保持器 随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采样/保持器。如用于一般目的有AD582、AD583、LF198/398等；用于高速的有THS-0025、THS-0060、THC-0030、THC-1500等；用于高分辨率的有SHA1144、ADC1130等。 4 多路开关及采样保持器的应用 设计应用系统时，使用这类电路的要求。 采样速度的要求：在模拟信号变化较平缓，采样速度较快时，可以不使用采样-保持电路。 采样精度的要求；在采样精度要求不是太高，并且模拟信号变化不是太快时，可以不使用采样-保持电路。,2.2 模

6、拟量输出通道的接口技术,在模拟量输出通道的接口电路设计中，核心部分是D/A电路的选择与使用。 因此，应首先弄清D/A电路的指标、工作原理等内容，进而结合应用系统的控制要求合理选择D/A电路，然后根据选定的D/A电路正确地设计模拟量输出通道接口电路。,2.2 模拟量输出通道的接口技术,2.2.1 D/A转换原理 1 D/A转换电路组成 包括参考（基准）电源、数字开关电路、模拟转换、数字接口、放大器组成。如下图所示：,2.2 模拟量输出通道的接口技术,转换原理 D/A转换器有并行和串行两种，在工业控制中，主要使用并行D/A转换器。D/A转换器的原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换

7、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。,2.2 模拟量输出通道的接口技术,为了说明T型电阻网络的工作原理，现以四位D/A转换器为例加以讨论，如下图所示。,2.2 模拟量输出通道的接口技术,2.2.2 8位D/A转换器及接口技术 1 DAC0832组成 内部由三部分电路：寄存器、D/A转换、控制电路组成，如下图所示。,2.2 模拟量输出通道的接口技术,2 引脚功能 DAC0832芯片为20引脚，双列直插式封装。其引脚排列如图所示。 （1）数字量输入线D7D0（8条） （2）控制线（5条） （3）输出线（3条） （4）电

8、源线（4条）,2.2 模拟量输出通道的接口技术,3 D/A转换器的输出方式 单极性输出：在需要单极性输出的情况下，可以采用下图所示接线（参考P29）。,2.2 模拟量输出通道的接口技术, 双极性输出：在需要双极性输出的情况下，可以采用下图所示接线（参考P30）。,2.2 模拟量输出通道的接口技术,4 D/A转换器与单片机的接口 包括：数据、地址、控制总线的连接。有几种方式可采用：直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。,2.2 模拟量输出通道的接口技术, 单缓冲方式 是一种最常用的方式，如下图。弄清单片机在输出操作时的工作过程。,2.2 模拟量输出通道的接口技术, 双缓冲方式 这种方式是把DAC08

9、32的两个锁存器都接成受控锁存方式。双缓冲方式DAC0832的连接如下图所示。,2.3 模拟量输入通道的接口技术,2.3.1 A/D转换原理 常用的转换方法：逐次逼近式、双积分式、计数器式、V/F变换式等。 逐次逼近式A/D转换器是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的方法，逻辑框图如下图所示：,2.3 模拟量输入通道的接口技术,2.3.2 8通道8位A/D转换器0809 0809为逐次逼近型AD转换器，内含8路多路开关、高阻抗比较器等，结构如下图：,2.3 模拟量输入通道的接口技术,以下图为例说明0809与单片机系统的连接。,2.3 模拟量输入通道的接口技术,2.3.3 A/D输入通道的接口

10、技术 要点说明： 模拟量输入信号的连接 数字量输出引脚的连接 A/D转换器的启动方式 转换结束信号的处理 基准电源的连接 时钟的连接 地线的连接,2.3 模拟量输入通道的接口技术,2.3.4 ADC7135芯片介绍 1 双积分式A/D转换器，是一种电压-时间转换方式器件。原理如下图所示。工作过程分为三步：,2.3 模拟量输入通道的接口技术, 复位：S接地，使积分器为零，器件复位； 定时积分：S接通外部输入Ex，进行固定时间T1积分，积分器有一个对应的输出值Vx。 比较积分：S接通基准电源输入Er，积分器反向放电，同时计数器开始以固定频率计数，到积分器输出为零时为止，持续时间为T2，则计数器的计

11、数值N即为对应转换数值。 结论：在T1、Er为常数的情况下，T2正比于Ex值。所以，计数值N即为对应数值。 特点：速度慢、精度高、抗干扰强。,2.3 模拟量输入通道的接口技术,7135外部结构 采用28脚双列直插封装。,2.3 模拟量输入通道的接口技术,7135引脚功能如下： 1脚（V-）-5V电源端； 2脚（VREF）基准电压输入端； 3脚（AGND）模拟地； 4脚（INT）积分器输出端，接积分电容； 5脚（AZ）自动校零输入； 6脚（BUF）缓冲器输出端，接积分电阻； 7脚（CREF+）基准电容正端； 8脚（CREF-）基准电容负端； 9脚（IN-）被测信号负输入端； 10脚（IN+）被测

12、信号正输入端；,2.3 模拟量输入通道的接口技术,11脚（V+）+5V电源端； 12、1720脚（D1D5）位扫描输出端； 1316脚（B1B4）BCD码数据输出端； 21脚（BUSY）忙状态输出端； 22脚（CLK）时钟信号输入端； 23脚（POL）负极性信号输出端； 24脚（DGND）数字地端； 25脚（R/H）转换保持控制端； 26脚（STR）数据选通输出端； 27脚（OR）超量程状态输出端； 28脚（UR）欠量程状态输出端。,2.3 模拟量输入通道的接口技术,7135模拟电路工作时序（是用好器件的关键） 主要描述积分器的输出与有关信号的状态：,2.3 模拟量输入通道的接口技术,4 71

13、35模拟电路连线：,2.3 模拟量输入通道的接口技术,2.3.5 定时/计数器8253介绍 1 8253性能特点： 3个独立的16位计数器通道 每个计数器有6种工作方式 按二进制或十进制（BCD码）计数,2.3 模拟量输入通道的接口技术,2 8253的内部结构和引脚,2.3 模拟量输入通道的接口技术,计数器结构 计数初值存于预置寄存器；在计数过程中，减法计数器的值不断递减，而预置寄存器中的预置不变。输出锁存器用于写入锁存命令时，锁定当前计数值。,2.3 模拟量输入通道的接口技术,4 8253操作 CLK：时钟输入信号 在计数过程中，此引脚上每输入一个时钟信号（下降沿），计数器的计数值减1。 G

14、ATE：门控输入信号 控制计数器工作，可分成电平控制和上升沿控制两种类型。 OUT：计数器输出信号 当一次计数过程结束（计数值减为0），OUT引脚上将产生一个输出信号。,2.3 模拟量输入通道的接口技术,8253工作方式， 8253有6种工作方式，由方式控制字确定。熟悉每种工作方式的特点才能根据实际应用问题，选择正确的工作方式。 每种工作方式的过程类似： 设定工作方式 设定计数初值 启动定时/计数器 计数初值进入减1计数器 每输入一个时钟计数器减1的计数过程 计数过程结束,2.3 模拟量输入通道的接口技术,8253的工作方式： 方式0：计数结束中断 方式1：可编程单稳脉冲 方式2：频率发生器（

15、分频器） 方式3：方波发生器 方式4：软件触发选通信号 方式5：硬件触发选通信号,2.3 模拟量输入通道的接口技术,2.3.6 输入通道工作原理及设计 要求使用7135作为输入通道对模拟量（温度）转换。 1. 7135输入（模拟）端： 3路热电偶输入，做温度测量用； 1路铜电阻输入，做冷端补偿用； 2. 7135输出（数字）端： 由CPU将转换启动信号送R/H，7135进入转换； 使用BUSY信号控制8253计数； 在BUSY信号恢复为低电平后，7135转换结束，8253停止计数并由CPU读取计数值。,2.3 模拟量输入通道的接口技术,CPU系统工作原理说明 CPU系统原理图如下页所示。 CPU对输入通道的操作包括： 对8253的初始化，启动7135转换； 等待7135转换结束； 输入8253的计数值，处理后作为转换结果；,2.3 模拟量输入通道的接口技术,2.3.7 A/D转换器的程序设计 1、 中断方式 2、 查询方式 3、 延时方式,