1、第一讲思考题问答1计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？是什么？2分析说明计算机控制系统的硬件组成及其作用。分析说明计算机控制系统的硬件组成及其作用。3计算机控制系统的软件由哪些部分构成？计算机控制系统的软件由哪些部分构成？4按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？ 第二讲第二讲 过程输入输出通道技术过程输入输出通道技术概论概论 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的控制参数及运行状态按规定的方式送入计算要将对象的控制参数及运
2、行状态按规定的方式送入计算机，计算机经过计算、处理后，将结果以数字量的形式机，计算机经过计算、处理后，将结果以数字量的形式输出，此时需将数字量变换为适合生产过程控制的量，输出，此时需将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机和生产过程之间，必须设置完成信息的传因此在计算机和生产过程之间，必须设置完成信息的传递和变换装置，这个装置称为过程输入输出通道，也叫递和变换装置，这个装置称为过程输入输出通道，也叫I/O通道。通道。 本章内容其实质是本章内容其实质是微机原理与应用微机原理与应用课程中的知识课程中的知识2.12.1过程输入输出通道概述过程输入输出通道概述 过程输入输出通道由模拟量输入输出
3、通道和开关量（包含脉过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量（包含脉冲量）输入输出通道组成。模拟量输入通道把反映生产过程或设冲量）输入输出通道组成。模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温度、压力、流量、速度、液位等）、转备工况的模拟信号（如温度、压力、流量、速度、液位等）、转换为数字信号送给微型计算机；模拟量输出通道则把微型计算机换为数字信号送给微型计算机；模拟量输出通道则把微型计算机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制。开关量（脉冲量、数字量）机构，实现对生产过程或
4、设备的控制。开关量（脉冲量、数字量）输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按扭等）、脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）行程开关、按扭等）、脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给微型计算机；微型计算机通过开关量输出通道控制那些接受送给微型计算机；微型计算机通过开关量输出通道控制那些接受开关（数字）信号的执行机构和显示、指示装置。开关（数字）信号的执行机构和显示、指示装置。 由此可见，过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程由此可见，过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作
5、用。之间起着信号传递与变换的纽带作用。2.1.1 2.1.1 模拟量输入通道的一般结构模拟量输入通道的一般结构 模拟量输入通道（简称模拟量输入通道（简称AIAI通道）的一般结构如图通道）的一般结构如图2.12.1所示。过所示。过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电压（或电流）形式后程参数由传感元件和变送器测量并转换为电压（或电流）形式后送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和次地切换到后级，进行放大、采样和A/DA/D转换，实现过程参数的巡转换，实现过程参数的巡回检测。回检测。 图2.1
6、模拟量输入通道的一般结构2.1.2 2.1.2 模拟量输出通道的基本结构模拟量输出通道的基本结构 模拟量输出通道（简称模拟量输出通道（简称AOAO通道）的两种基本结构形式如图通道）的两种基本结构形式如图2.22.2所示。多所示。多D/AD/A结构的模拟量输出通道中的结构的模拟量输出通道中的D/AD/A转换器除承担数字信号转换器除承担数字信号到模拟信号转换的任务外，还兼有信号保持作用，即把微机在到模拟信号转换的任务外，还兼有信号保持作用，即把微机在 t=kT t=kT 时刻对执行机构的控制作用维持到下一个输出时刻时刻对执行机构的控制作用维持到下一个输出时刻t=(k+1)Tt=(k+1)T。这是一
7、种数字保持方式，送给。这是一种数字保持方式，送给D/AD/A转换器的数字信号不转换器的数字信号不变，其模拟输出信号便保持不变。变，其模拟输出信号便保持不变。 共享共享D/AD/A结构的模拟量输出通道中的结构的模拟量输出通道中的D/AD/A转换器只起数字信号到转换器只起数字信号到模拟信号的转换作用，信号保持功能靠采样保持器完成。这是一种模拟信号的转换作用，信号保持功能靠采样保持器完成。这是一种模拟保持方式，微机对通路模拟保持方式，微机对通路i i（i=1i=1，2 2，.，n n）的控制信号被）的控制信号被D/AD/A转换器转换为模拟形式后，由采样保持器将其记忆下来，并保持到转换器转换为模拟形式
8、后，由采样保持器将其记忆下来，并保持到下一次控制信号的到来。多下一次控制信号的到来。多D/AD/A形式输出速度快、工作可靠、精度形式输出速度快、工作可靠、精度高，是工业控制领域普遍采用的形式。高，是工业控制领域普遍采用的形式。 主 机 接口 电路D/AD/A.通道1通道n 主 机 接 口 电 路D/A.通道1通道n多路开关 采样 保持器 采样 保持器（b）共享D/A结构 图2.2 模拟量输出通道的两种基本结构形式（a）多D/A结构 2.1.3 2.1.3 开关量（数字量）输入通道的基本结构开关量（数字量）输入通道的基本结构 开关量输入通道又称为数字量输入通道，该通道的任务是开关量输入通道又称为
9、数字量输入通道，该通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）送给计算机、或把把被控对象的开关状态信号（或数字信号）送给计算机、或把双值逻辑的开关量变换为计算机能够接收的数字量送给计算机，双值逻辑的开关量变换为计算机能够接收的数字量送给计算机，简称简称DIDI通道。它的结构形式如图通道。它的结构形式如图2.32.3所示。所示。 信号变换器 信号变换器 整形 变换 整形 变换 电平 变换 电平 变换总线缓冲器CPUCPU接口逻辑图2.3 开关量输入通道结构框图典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：1 1信号变换器：将生产过程的非电量开关量转换为
10、电压或电流信号变换器：将生产过程的非电量开关量转换为电压或电流 的双值逻辑值。的双值逻辑值。2 2整形变换电路：将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或整形变换电路：将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或 其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的 方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲 信号。信号。3 3电平变换电路：将输入的双值逻辑电平转换为与电平变换电路：将输入的双值逻辑电平转换为与CPUCPU兼容的兼容的 逻辑电平。逻辑电平。4 4总线缓冲器：暂存数字量信息并实
11、现与总线缓冲器：暂存数字量信息并实现与CPUCPU数据总线的连接。数据总线的连接。5 5接口逻辑电路：协调各通道的同步工作，向接口逻辑电路：协调各通道的同步工作，向CPUCPU传递状态信传递状态信 息并控制开关量的输入、输出。息并控制开关量的输入、输出。2.1.4 2.1.4 开关量（数字量）输出通道的基本结构开关量（数字量）输出通道的基本结构 开关量（数字量）输出通道的任务是把计算机输出的数字信开关量（数字量）输出通道的任务是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关型的执行机构（如继电器或指示灯号（或开关信号）传送给开关型的执行机构（如继电器或指示灯等），控制它们的通、断或亮、灭，简称
12、等），控制它们的通、断或亮、灭，简称DODO通道。其典型结构如通道。其典型结构如图图2.42.4所示。图中锁存输出的主要作用是锁存所示。图中锁存输出的主要作用是锁存CPUCPU输出的数据或控输出的数据或控制信号，供外部设备使用；隔离部件的作用是为防止干扰；功放制信号，供外部设备使用；隔离部件的作用是为防止干扰；功放的作用则是为把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程的作用则是为把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。进行控制的驱动信号。CPU 锁存 输出 控制 逻辑 隔 离 功 放 执行 机构图2.4 开关量输出通道结构框图 图2.11 功率晶体管输 出驱动继电器
13、图2.12 MC1416 驱动7个继电器 图图2.132.13为固态继电器的结构，固态继电器（为固态继电器的结构，固态继电器（SSRSSR）是一种四端）是一种四端有源器件，。输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电有源器件，。输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干扰。路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。2.3 2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道 2.3.1 D/A2.3.1 D/A转换器概述转换器概述 模拟量输出
14、通道的核心部件是模拟量输出通道的核心部件是D/AD/A转换器。转换器。D/AD/A转换器是指将转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它输出的模拟量（电压或电数字量转换成模拟量的元件或装置，它输出的模拟量（电压或电流）与参考电压和二进制数成比例。流）与参考电压和二进制数成比例。D/AD/A转换器品种繁多，但在集转换器品种繁多，但在集成成D/AD/A产品中多按产品中多按T T型和倒型和倒T T型电阻解码网络的型电阻解码网络的D/AD/A转换原理进行转转换原理进行转换，故下面将以倒换，故下面将以倒T T型电阻型电阻D/AD/A为例介绍为例介绍D/AD/A转换原理。转换原理。1 1D/AD/A转
15、换器工作原理转换器工作原理 D/AD/A转换器主要由四部分组成：基准电压转换器主要由四部分组成：基准电压VREFVREF，R-2R TR-2R T型电阻型电阻网络，电子开关网络，电子开关KiKi（i=0i=0，1 1，.，n-1n-1）和运算放大器）和运算放大器A A。一个。一个4 4位的位的D/AD/A转换器的原理框图如图转换器的原理框图如图2.142.14所示。所示。 图2.14 R-2R电阻网络D/A转换器 2 2D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率分辨率 分辨率是指当输入数字量发生单位数码变化即最低有效位分辨率是指当输入数字量发生单位数码变化即最低有效位LSBLS
16、B产生一次变化时，输出模拟量对应的变化量。分辨率与数字量产生一次变化时，输出模拟量对应的变化量。分辨率与数字量输入的位数输入的位数n n呈下列关系：呈下列关系：=VREF/2=VREF/2n n 实际使用中，表示分辨率高低的更常用方法是用输入数字量实际使用中，表示分辨率高低的更常用方法是用输入数字量的位数表示。例如，的位数表示。例如，8 8位二进制位二进制D/AD/A转换器，其分辨率为转换器，其分辨率为8 8位，或者位，或者=1/255=1/255。显然，位数越多，分辨率越高。显然，位数越多，分辨率越高。建立时间建立时间 建立时间是指输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟建立时间是指输入数字
17、信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值信号达到离终值1/2 LSB1/2 LSB所需的时间，一般为几十纳秒到几秒。所需的时间，一般为几十纳秒到几秒。线性误差线性误差 理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用定义为线性误差。线性误差常用LSBLSB的分数表示，如的分数表示，如1/2LSB1/2LSB，或，或1LSB1LSB。 2.3.2 2.3.2 常用常用D/AD/A转换器及其接口技术
18、转换器及其接口技术1 1D/AD/A转换器转换器 8 8位位D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832 DAC0832 DAC0832的结构如图的结构如图2.152.15所示，它主要由两部分组成，即：由所示，它主要由两部分组成，即：由R-2RR-2R电阻网络构成的电阻网络构成的8 8位位D/AD/A转换器以及两个转换器以及两个8 8位寄存器和相应的选位寄存器和相应的选通控制逻辑。通控制逻辑。DI7DI7DI0DI0是是DAC0832DAC0832的数字信号输入端；的数字信号输入端；IOUT1IOUT1和和IOUT2IOUT2是它的模拟电流输出端，是它的模拟电流输出端，IOUT1+IO
19、UT2IOUT1+IOUT2常数常数C C，IOUT1IOUT1和和IOUT2IOUT2与输入数字与输入数字D D之间的关系如下：之间的关系如下： 输入数字输入数字D D IOUT1 IOUT1 IOUT1 IOUT1 00H 00H 0 0 80H 80H 1/2C1/2C1/2C 1/2C FFH FFH C C 0 0 图2.15 DAC0832的结构 IOAGNDR1=2RR3=2RR2=RR4 + 系统 总线VOUT1VOUT2 图2.16 DAC0832的单、双极性输出 12 12位的位的D/AD/A转换器转换器DAC1208/1209/1210DAC1208/1209/1210
20、图图2.172.17是是DAC1210DAC1210的结构图，其原理和引脚与的结构图，其原理和引脚与DAC0832DAC0832基本相基本相同，不同之处仅在于：同，不同之处仅在于： 输入寄存器和输入寄存器和DACDAC寄存器均为寄存器均为1212位，数据输入线为位，数据输入线为1212条。条。 输入寄存器由高输入寄存器由高8 8位输入寄存器和低位输入寄存器和低4 4位输入寄存器两个寄存位输入寄存器两个寄存器构成，器构成，BYTE1/ BYTE2BYTE1/ BYTE2为高电平时，选中高为高电平时，选中高8 8位输入寄存器和低位输入寄存器和低4 4位输入寄存器，否则只选中低位输入寄存器，否则只选
21、中低4 4位输入寄存器。位输入寄存器。 一个一个1212位的待转换数位的待转换数D D必须在输入级装配好后，才能送至必须在输入级装配好后，才能送至DACDAC寄寄 存器，所以，存器，所以，DAC1210DAC1210与与8 8位微机接口时，应接为双缓冲形式。位微机接口时，应接为双缓冲形式。 图2.17 DAC1210的结构 2 2D/AD/A转换器接口技术转换器接口技术 8 8位位D/AD/A转换器与系统的接口转换器与系统的接口 为使为使CPUCPU能向能向D/AD/A转换器传送数据，必须在两者之间设置接口电转换器传送数据，必须在两者之间设置接口电路。接口电路的功能是进行地址译码、产生片选信号
22、或写信号。如路。接口电路的功能是进行地址译码、产生片选信号或写信号。如果果D/AD/A转换器芯片内部无输入寄存器，则要外加寄存器。因此，转换器芯片内部无输入寄存器，则要外加寄存器。因此，D/AD/A转换器与转换器与CPUCPU的连接方式可有三种：直接连接、用可编程并行接口的连接方式可有三种：直接连接、用可编程并行接口82558255连接、用锁存器连接。具体采用哪种方法，应根据各种连接、用锁存器连接。具体采用哪种方法，应根据各种D/AD/A转转换器的结构形式以及系统的要求进行选择。下面以直接连接方式为换器的结构形式以及系统的要求进行选择。下面以直接连接方式为例介绍例介绍D/AD/A转换器与转换器
23、与CPUCPU的接口。的接口。 译 码 器D0D1:D6D7接系统 总线A0A1A9AENIOW DI0 DI1 : : DI6 DI7 Vcc VREF RfbIOUT2IOUT1 AGNDDGNDXFERWR1WR2CSA AV0 DAC0832 +5V VRY0 图2.18 8位D/A转换器与PC系统总线的接口 A5A9A8A7A6AENA4A1IOWDAC0832DDDDQQQQDI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSWR1XFERWR2VREFIOUT2IOUT1AGND8位DAC寄 存 器8位输 入寄 存 器8位DAC转 换 器LE1LE2Rfb-5V图 3-5
24、DAC0832的单缓冲接口电路_+TUOVDGNDVCC+5V+5VD7D6D5D4D3D2D1D0A3A2A0 PC总线Y3Y1Y2Y0Y4Y5Y6Y7AGBG1GACB74LS138若若DAC0832 CSDAC0832 CS的口地址为的口地址为400H400H，则将则将8 8位二进制数位二进制数7FH7FH转换为模拟电压的转换程序段为：转换为模拟电压的转换程序段为： MOV DXMOV DX，400H400H MOV AL MOV AL，7FH7FH OUT DX OUT DX，ALAL HLT HLT1212位位D/AD/A转换器与系统总线的接口转换器与系统总线的接口 1212位位D/
25、AD/A转换器与系统总线的接口电路如图转换器与系统总线的接口电路如图2.192.19所示，该电路所示，该电路采用采用1212位位D/AD/A转换芯片转换芯片DAC1210DAC1210、输出放大器、地址译码器等组成。、输出放大器、地址译码器等组成。端口地址译码器译出、端口地址译码器译出、 三个口地址，设为三个口地址，设为200H200H、201H201H、202H202H，这，这三个口地址用来控制三个口地址用来控制DAC1210DAC1210工作方式和进行工作方式和进行1212位的位的D/AD/A转换。转换。 图2.19 12位D/A转换器与系统总线的接口QDDQQDDQDDQQDDQQ器存寄
26、入输位8PC总线器存寄入输位412位DAC寄存器12位D/A转换器LE3LE2LE1(MSB)DIDIDIDIDIDIDIDI11104567891FERVDGND2TUOI1TUOIbfRDNGAccV图3-6 DAC1210接口电路CSWRWR2XFERDIDIDIDI1230(LSB)+-5V12VTUOVD7D6D5D4D3D2D1D02A3A4A5A6A7A8A9A0AA1IOW138BYTE /1BYTE2Y0G1GBGACBAY3Y2Y1Y5Y6Y7Y4DAC1210AEN 前面已假设端口译码器译出的前面已假设端口译码器译出的Y Y0 0、Y Y1 1、Y Y2 2三个地址分别为
27、三个地址分别为200H200H、201H201H、202H202H，若将，若将1212位二进制数位二进制数190H190H转换为模拟电压，其转换程转换为模拟电压，其转换程序段为：序段为： MOVMOV DX DX，200H200H MOV MOV AL AL，83H 83H ；送高；送高8 8位数据位数据 OUTOUT DX DX，ALAL MOV MOV DX DX，201H201H MOV MOV AL AL，0F0H 0F0H ；送低；送低4 4位数据位数据 OUTOUT DX DX，ALAL MOV MOV DX DX，202H202H OUT OUT DX DX，AL AL ；121
28、2位数据进行转换位数据进行转换 HLTHLT 2.3.3 D/A2.3.3 D/A转换模板转换模板 通常对通常对D/AD/A转换器而言，都只能完成一路数字量到模拟量的转转换器而言，都只能完成一路数字量到模拟量的转换。而实际的控制系统，往往需要将多路的数字转换成模拟量。换。而实际的控制系统，往往需要将多路的数字转换成模拟量。如前所述，总线式工控机中的如前所述，总线式工控机中的D/AD/A转换模板有单转换模板有单D/AD/A结构和多结构和多D/AD/A结结构两种。构两种。1 1D/AD/A转换模板的通用性转换模板的通用性 为了便于系统设计者的使用，为了便于系统设计者的使用，D/AD/A转换模板应具
29、有通用性，它转换模板应具有通用性，它主要体现在三个方面：符合总线标准，可选接口地址以及可选输主要体现在三个方面：符合总线标准，可选接口地址以及可选输出方式。出方式。符合总线标准符合总线标准 这里的总线是指计算机内部的总线结构，这里的总线是指计算机内部的总线结构，D/AD/A转换模板及其转换模板及其他所有电路模板都应符合统一的总线标准，以便设计者在组合计他所有电路模板都应符合统一的总线标准，以便设计者在组合计算机控制系统的硬件时，只需往总线插槽上插上选用的功能模板算机控制系统的硬件时，只需往总线插槽上插上选用的功能模板而无需连线，十分方便灵活。例如，而无需连线，十分方便灵活。例如，STDSTD总
30、线标准规定模板尺寸总线标准规定模板尺寸为为165mm165mm114mm114mm，模板总线引脚共有，模板总线引脚共有5656根，并详细规定了每只引根，并详细规定了每只引脚的功能。脚的功能。接口地址可选接口地址可选 一套控制系统往往需配置多块功能模板，或者同一种功能模一套控制系统往往需配置多块功能模板，或者同一种功能模板可能被组合在不同的系统中。因此，每块模板应具有接口地址板可能被组合在不同的系统中。因此，每块模板应具有接口地址的可选性。一般接口地址可由基址（或称板址）和片址（或称口的可选性。一般接口地址可由基址（或称板址）和片址（或称口址）组成，如图址）组成，如图2.202.20所示。所示。
31、 图2.20 接口地址可选的译码电路 输出方式可选输出方式可选 D/AD/A转换器输出方式有电流输出和电压输出两类，而每一类转换器输出方式有电流输出和电压输出两类，而每一类又有多种情形。又有多种情形。 在过程控制中，各自动化装置之间通常是采用在过程控制中，各自动化装置之间通常是采用0 010mA DC10mA DC或或4 420mA DC20mA DC的标准电流信号进行联系。因此，的标准电流信号进行联系。因此，D/AD/A转换器最常用转换器最常用的是这两种信号范围可选的电流输出方式，如图的是这两种信号范围可选的电流输出方式，如图2.212.21所示。所示。DAC0832DAC0832输出电流经
32、运算放大器输出电流经运算放大器AlAl和和A2A2变换成输出电压变换成输出电压V2V2，再经，再经三级管三级管T1T1和和T2T2变换成输出电流变换成输出电流IOUTIOUT。当短接柱。当短接柱KAKA的的1 12 2短接时，短接时，通过调零点电位器通过调零点电位器W1W1和量程电位器和量程电位器W2W2，为外接负载，为外接负载RLRL提供提供0 010mA DC10mA DC电流；当电流；当KAKA的的1 13 3短接时，通过调节短接时，通过调节W1W1和和W2W2，为，为RLRL提供提供 4 420mA DC20mA DC电流电流。 图2.21 D/A转换的电流输出 图2.22 D/A转换
33、的单/双极性电压输出 2 2D/AD/A转换模板的设计举例转换模板的设计举例 前面讨论了几种典型的前面讨论了几种典型的D/AD/A转换器、接口电路以及通用性等问题，转换器、接口电路以及通用性等问题，这就为这就为D/AD/A转换模板的设计打下了基础。转换模板的设计打下了基础。 硬件设计中一般并不需要复杂的电路参数计算，但需会查阅集硬件设计中一般并不需要复杂的电路参数计算，但需会查阅集成电路手册，掌握各类芯片的外特性及其功能，以及与成电路手册，掌握各类芯片的外特性及其功能，以及与D/AD/A转换模板转换模板连接的连接的CPUCPU或计算机总线的功能及其特点。在硬件设计的同时还必须或计算机总线的功能
34、及其特点。在硬件设计的同时还必须考虑软件的设计。考虑软件的设计。D/AD/A转换模板的设计原则主要考虑以下几点：转换模板的设计原则主要考虑以下几点：安全可靠尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术安全可靠尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术 。性能价格比高性能价格比高 既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术路线、芯片元件上降低成本。比如，在选择集成电路芯片时，应综路线、芯片元件上降低成本。比如，在选择集成电路芯片时，应综合考虑其转换速度、精度、工作环境温度和经济性等诸因素。合考虑其转换速度、精度、工作环境温度和经济性等诸因素。 通用性通用性
35、 D/A D/A 转换模板应符合总线标准，其接口地址及输出转换模板应符合总线标准，其接口地址及输出方式应具备可选性。方式应具备可选性。 D/AD/A转换模板的设计步骤是：确定性能指标，设计电路原理转换模板的设计步骤是：确定性能指标，设计电路原理图，设计和制造印制线路板，最后焊接和调试电路板。其中，数图，设计和制造印制线路板，最后焊接和调试电路板。其中，数字电路和模拟电路应分别排列走线，尽量避免交叉，连线要尽量字电路和模拟电路应分别排列走线，尽量避免交叉，连线要尽量短。模拟地（短。模拟地（AGNDAGND）和数字地（）和数字地（DGNDDGND）分别走线，通常在总线引）分别走线，通常在总线引脚附
36、近一点接地。光电隔离前后的电源线和地线要相互独立。调脚附近一点接地。光电隔离前后的电源线和地线要相互独立。调试时，一般是先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性能试时，一般是先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性能指标逐项考核。图指标逐项考核。图2.232.23（a a）、（）、（b b）给出了）给出了8 8路路D/AD/A转换模板的结转换模板的结构框图和其中一路的电路原理图。该模板由总线接口逻辑、构框图和其中一路的电路原理图。该模板由总线接口逻辑、8 8片片DAC0832DAC0832以及以及V VI I变换电路等组成。变换电路等组成。 其中每路的其中每路的D/AD/A转换器均接为单级
37、输入工作方式，而且具有电转换器均接为单级输入工作方式，而且具有电压、电流两种可选的输出方式。这里的压、电流两种可选的输出方式。这里的V VI I变换电路与负载共电变换电路与负载共电源，输出电流源，输出电流IOUT=VCCIOUT=VCCR5R5。当凡。当凡R5 = 500R5 = 500，VCCVCC0 05V5V时，时，IOUT=0IOUT=010mA10mA；当；当R5R5250250，VCC=1VCC=15V5V时，时，IOUT=4IOUT=420mA20mA。 8路 结构图 单路 原理图 2.4 2.4 模拟量输入通道模拟量输入通道 2.4.1 2.4.1 模拟量输入通道中的信号变换模
38、拟量输入通道中的信号变换 模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。 1 1信号的采样信号的采样 信号的采样过程如图信号的采样过程如图2.242.24所示。执行采样动作的是采样器所示。执行采样动作的是采样器 （采样开关）（采样开关）K K，K K每隔一个时间间隔每隔一个时间间隔T T闭合一个时间闭合一个时间。T T称为称为 采样周期，采样周期，称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信 号号y y（t t）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号
39、y y* * （t t）。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散）。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散 过程。过程。 图2.24 信号的采样过程 采样信号采样信号y y* *（t t）是否能如实地反映模拟信号）是否能如实地反映模拟信号y y（t t）的所有变）的所有变化与特征呢？采样定时指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）化与特征呢？采样定时指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为频谱的最高频率为f fmaxmax，只要按照采样频率，只要按照采样频率f f 22f fmaxmax进行采样，进行采样，那么采样信号那么采样信号y y* *（t t）就能唯一地复现
40、）就能唯一地复现y y（t t）。采样定理给出了）。采样定理给出了y y* *（t t）唯一地复现）唯一地复现y y（t t）所必需地最低采样频率。实际应用中，常）所必需地最低采样频率。实际应用中，常取取f f （5 51010）f fmaxmax。2 2信号的量化信号的量化 采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号因为连续信号y y（t t）幅值上的变化，也反映在采样信号）幅值上的变化，也反映在采样信号y y* *（t t）上。）上。所以，采样信号仍不能进入微机。微机只能接受在时间上离散、所以，采样信号仍不能进入
41、微机。微机只能接受在时间上离散、幅值上变化也不连续的数字信号。幅值上变化也不连续的数字信号。 将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是动作的装置是A/DA/D转换器。字长为转换器。字长为n n的的A/DA/D转换器把转换器把y yminminy ymax max 范围范围内变化的采样信号，变换为数字内变化的采样信号，变换为数字0 02 2n n1 1，其最低有效位（，其最低有效位（LSBLSB）所对应的模拟量所对应的模拟量q q称为量化单位。称为量化单位。 量化过程实际上是一个用量化过程实际上是一个用q q去度量采样值
42、幅值高低的小数归整去度量采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单位长度（毫米或其它）去度量人的身高一样。过程，如同人们用单位长度（毫米或其它）去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为差为1/2q1/2q。例如，。例如，q=20mVq=20mV时，量化误差为时，量化误差为10Mv10Mv，0.9900.9901.009V1.009V范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字5050。 在在A/DA/D转换器的字长转换器的字长n n足够长时，整量化误差足够
43、小，可以认足够长时，整量化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号。在这种假设下，数字系统便可沿用为数字信号近似于采样信号。在这种假设下，数字系统便可沿用采样系统理论分析、设计。采样系统理论分析、设计。 2.4.2 A/D2.4.2 A/D转换器转换器1 1主要技术指标主要技术指标 A/DA/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，但在一般情况下，模拟量是指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。电压而言的。A/DA/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。转换器常用
44、以下几项技术指标来评价其质量水平。 分辨率分辨率 分辨率是衡量分辨率是衡量A/DA/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率通常用数字量的位数指标。分辨率通常用数字量的位数n n（字长）来表示，如（字长）来表示，如8 8位、位、1212位、位、1616位等。分辨率为位等。分辨率为n n位，表示它能对满量程输入的位，表示它能对满量程输入的1/21/2n n的增量的增量作出反映，即数字量的最低有效位（作出反映，即数字量的最低有效位（LSBLSB）对应于满量程输入的）对应于满量程输入的1/21/2n n。若。若n=8n=8，满量程输入为，满量程输入为
45、5.12V5.12V，则，则LSBLSB对应于模拟电压对应于模拟电压5.12V/25.12V/28 820mV20mV。 转换时间转换时间 转换时间是指转换时间是指A/DA/D转换器完成一次模拟到数字转换所需要的时转换器完成一次模拟到数字转换所需要的时间。间。 线性误差线性误差 线性误差是指线性误差是指A/DA/D转换器的理想转换特性（量化特性）应该是转换器的理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差通常用想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误
46、差通常用LSBLSB的分的分数表示，如数表示，如1/2 LSB1/2 LSB或或1 LSB1 LSB。A/DA/D转换器的种类繁多，常见的转换器的种类繁多，常见的A/DA/D转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式等。转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式等。 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在时间一般在usus级，转换精度一般在级，转换精度一般在0.10.1上下，适用于一般场合。上下，适用于一般场合。 双斜积分式双斜积分式A/DA/D转换器的核心部件是积分器，因此速度较慢，转换器的核心部件是积分器，因此速度
47、较慢，其转换时间一般在其转换时间一般在msms级或更长。但抗干扰性能强，转换精度可达级或更长。但抗干扰性能强，转换精度可达0.010.01或更高。适于在数字电压表类仪器中采用。或更高。适于在数字电压表类仪器中采用。 并行式又称闪烁式，由于采用并行比较，因而转换速率可以达并行式又称闪烁式，由于采用并行比较，因而转换速率可以达到很高，其转换时间可达到很高，其转换时间可达nsns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限置，级，但抗干扰性能较差，由于工艺限置，其分辨率一般不高于其分辨率一般不高于8 8位。这类位。这类A/DA/D转换器可用于数字示波器等要求转换器可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。转换
48、速度较快的仪器中。2 2A/DA/D转换原理转换原理逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器双斜积分式A/D转换器并行比较式并行比较式A/D转换器转换器 2.4.3 2.4.3 常用常用A/DA/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术1 18 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809 ADC0809 ADC0809是一种带有是一种带有8 8通道模拟开关的通道模拟开关的8 8位逐次逼近式位逐次逼近式A/DA/D转换转换器，转换时间为器，转换时间为100us100us左右，线性误差为左右，线性误差为LSBLSB，其结构如图，其结构如图2.282.28所所示。示。 图2.28
49、ADC0809的逻辑框图 t DATAOUT ALE ALE C.B.A START EOC OE DO70 图2.29 ADC0809的转换时序VIN0VIN1VIN7VIN6VIN5VIN4VIN3VIN2三态输出锁存缓冲器DO0DO1DO2DO3DO4DO6DO5DO7地址锁存 与译码ABCALEOECLOCKSTARTADC08098路A/D转换器 138译码器ABCGAGBG1A0A1A2D0D7D6D5D4D3D2D1IOWIORAENA7A6A5A4A3PC总线Y0Y1EOCPAPB12602(1)02(2)02(3)图 3-15 查询方式读A/D转换数 图2.30 AD574A
50、的原理结构 AD574A AD574A由由1212位位A/DA/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器、转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器、10V10V基准电压源基准电压源4 4部分构成。部分构成。 1212位位A/DA/D转换器转换器 这个这个1212位位A/DA/D转换器的模拟输入可以是单极性的，也可以是双转换器的模拟输入可以是单极性的，也可以是双极性的。单极性应用时，将极性的。单极性应用时，将BIPOFFBIPOFF接接0V0V，双极性时接，双极性时接10V10V。量程可。量程可以是以是10V10V，也可以是，也可以是20V20V。输入信号在。输入信号在10V10V范围内变化时，将输入
