1、智能仪器基础（第智能仪器基础（第2版）版）朱一纶主编朱一纶主编电子工业出版社电子工业出版社第第4章章 信号的输出与处理 4.1 数字信号的输出与处理数字信号的输出与处理 4.2 脉冲宽度调制技术（脉冲宽度调制技术（PWM） 4.3 数数/模转换器模转换器 4.4 DAC0832与单片机的接口与单片机的接口 4.5 DAC708系列接口电路系列接口电路 4.6 输出接口电路仿真举例输出接口电路仿真举例 第第4章章 信号的输出与处理 本章讨论微机系统输出驱动接口电路 数字信号控制输出 在需要用模拟信号控制输出时，讨论了把数字信号转换成模拟信号的数/模转换电路及其与微机系统的接口。 .1 数字信号的
2、输出与处理数字信号的输出与处理 有一类设备只需要输入高电平或低电平就可以进行控制，例如：发光二极管LED,，液晶显示器，单速的电动机（通常用继电器控制接通（转动）或断开（停止），报警器等（如图4.1所示），我们把它称为开关量输出设备。 图4.1 开关量输出设备 4.1.1开关量的驱动接口开关量的驱动接口 开关量只有高、低电平两种状态 的输出信号。 (a)单管驱动 (b) 用7406驱动 （c）驱动继电器 图4.2 开关量驱动电路课堂讨论课堂讨论:1. 单管驱动时三极管工作在什么状态?2. B极和C极的两个电阻如何选取?3. OC门集成电路的输出有什么特点?4. 什么时候要选用继电器驱动?4.1
3、.1开关量的驱动接口开关量的驱动接口图4.3（a），其输入额定电压24V直流，可以控制交流电压380V，电流30A的输出设备。图4.3（b）中固态继电器的输入电压为12V，可以控制交流电压250V，电流15A的交流设备或直流压额定电压为28V的直流设备。（b）固态继电器（a）固态继电器4.1.1开关量的驱动接口开关量的驱动接口图4.3(c)为某种型号的电磁阀，主要用于对管路中的液体，空气，蒸汽，油，天然气，酸碱性流体等介质的自动控制，实现节能和程序控制的自动化。 图4.3(c)电磁阀4.1.2 继电器简介继电器简介 电磁式继电器是利用改变金属触点位置而使动触点与定触点闭合或分开的，所以具有接触
4、电阻小，流过电流大，耐压高等优点，适用于用小电流（小电压）控制大电流的场合。 继电器的种类很多，有电磁式继电器，干簧继电器和固态继电器等。4.1.2 继电器简介继电器简介1.电磁继电器电磁继电器图图4.4 继电器的电路符号继电器的电路符号电磁式继电器的符号如图4.4所示，它由励磁线圈及一对（或多对）常开、常闭触点组成，其文字符号为KA，当励磁线圈通电时，常开触点闭合，而常闭触点则断开，通常用相同的文字符号表示同一继电器。4.1.2 继电器简介继电器简介2固态继电器固态继电器固态继电器（固态继电器（SSR-Solid State Relay）具有工作可靠、体积）具有工作可靠、体积小、驱动功率小、
5、无触点、无噪声、抗干扰、开关速度快、小、驱动功率小、无触点、无噪声、抗干扰、开关速度快、寿命长等优点。寿命长等优点。 图4.5 SSR工作原理 4.1.2 继电器简介继电器简介 固态继电器的应用领域包括：微机系统外围接口装置、数控机床、遥控及保护系统、井下防爆电器开关、信号灯、闪烁器、灯光交换控制装置、电动机控制、中间继电器、电磁阀控制等。4.2脉冲宽度调制技术（脉冲宽度调制技术（PWM） 脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation,简称PWM） 通常是指根据需要，调节输出脉冲方波的占空比，以此来驱动功率器件、高频变压器、整流、滤波等电路，从而得到稳定的直流输出电压来驱动大功率
6、的设备。 在工业自动化控制中PWM技术的应用十分广泛。4.2脉冲宽度调制技术（脉冲宽度调制技术（PWM）产生PWM控制信号的方法主要有两种：1. 一种是用硬件产生PWM控制信号，随着开关电源的发展和半导体集成技术的发展，集成的PWM芯片种类越来越多，如TL494A、SG3524、SG3525A、SD3842A等，性能也有很大的提高。 图4.6 PWM器件SG3525的内部框图 4.2脉冲宽度调制技术（脉冲宽度调制技术（PWM） SG3525芯片的8脚接入不同的电容时，输出不同宽度的PWM信号，最简单的控制是8脚接固定电容，微机只要用一个输出口接10脚，控制这个PWM器件工作与否，如图4.7所示
7、。 4.2脉冲宽度调制技术（脉冲宽度调制技术（PWM） 如果设计若干组电阻电容网，可用程控芯片选择其中一组接入PWM芯片，就可以用微机的输出信号去设定和改变器件的振荡频率，从而控制功率设备的输出频率，实现变频输出，这在控制电机转速等方面十分有用。 4.2脉冲宽度调制技术（脉冲宽度调制技术（PWM）2. 另一种是用软件方法输出PWM控制信号，在智能仪器中通常采用软件实现PWM控制信号输出，可以节省硬件开销，且便于系统控制。4.2脉冲宽度调制技术（脉冲宽度调制技术（PWM） 通过控制每个PWM周期内高电平的时间长短（即通过控制占空比）可以调节输出信号平均值的大小，微处理器利用开关量输出接口或脉冲量
8、输出接口输出PWM信号，再通过外部电路实现功率驱动。 4.2脉冲宽度调制技术（脉冲宽度调制技术（PWM） 例例4.1：用MCS-51系列单片机实现软件输出PWM信号，要求输出信号周期为T，占空比为75%。 解：用8051单片机的内部定时器来产生PWM信号，即定时产生高、低电平输出。4.2脉冲宽度调制技术（脉冲宽度调制技术（PWM） PWM信号从引脚P3.4输出，设T0工作于方式1，为16位加法计数器，则输出高电平信号的持续时间tH为0.75T和输出低电平信号的持续时间tL=0.25T，则输入计数值x和y可由下式求出： OSCHfxt12216OSCLfyt122164.2脉冲宽度调制技术（脉冲
9、宽度调制技术（PWM）用单片机实现软件输出PWM信号程序如下：;初始化程序：PWM: MOV 30H,#xLMOV 31H, #xH;存入x参数MOV 32H，#yLMOV 33H，#yH;存入y参数MOV TMOD，#01H ;设定时器工作方式1MOV TL0， 30HMOV TH0，31H ;高电平定时参数MOD IE，#9FH ;开中断SETB P3.4 ;输出高电平 SETB TR0;启动定时器T04.2脉冲宽度调制技术（脉冲宽度调制技术（PWM）;中断子程序，定时时间到开始执行 PWM1：CLR TR0 ；关定时器 CPL P3.4 ；P3.4位取反 JB P3.4, HIGH ；若
10、P3.4=1，HIGHLOW: MOV TL0,32H MOV TH0,33H ；低电平定时参数BACK: SETB TR0 ；启动定时器T0 RETI；中断返回HIGH: MOV TL0, 30H ；高电平定时参数 MOV TH0,31H ； AJMP BACK ；跳转到BACK处 4.3数模转换器数模转换器 数模转换器常简写成D/A转换器或DAC（Digital Analog Converter）,主要用于将n位二进制的数字信号转换为模拟信号，它是数字电子计算机、数字通信及其它一些数字系统重要的接口电路。 4.3.1数模转换器的工作原理与性能指标数模转换器的工作原理与性能指标 D/A转换器
11、的工作原理转换器的工作原理: 由R和2R两种阻值的电阻组成译码网络，称为T型电阻网络，用输入数字量来控制各个开关，从网络（电路）的任一节点无论是向左看还是向右看，其等效电阻都是等于2R。数模转换器的工作原理数模转换器的工作原理11110222nnnREFDDDRVI1111 00222nnnREFDDDVIRV则运放的输入电流为：运放的输出端电压V0为：D/A转换器的主要性能指标：转换器的主要性能指标：1. 分辨率（分辨率（Resolution） 分辨率可以定义成当输入信号发生单位数字变化时，即LSB位产生一次变化时所对应的输出模拟量（电压或电流）的变化量的大小。分辨率=模拟输出的最大值/2n
12、但实际中常用二进制位数来说明它的分辨率，例如DAC0832是8位的DAC，MAX543是12位的DAC等。 D/A转换器的主要性能指标：2.精度（精度（Accuracy） 转换精度一般是用最大引用误差给出，简称精度。 当不考虑D/A转换器其他误差时，D/A转换器的精度就是其分辨率的大小。 D/A转换器的主要性能指标：转换器的主要性能指标：V1531053. 1210416V3051005. 32)10(10416 例如DAC708器件的精度为：0.003%FS，为16位分辨率，当其为单极性输出，输出模拟电压范围010V，则其输出可能出现的最大绝对误差为： 同样DAC708器件，当其为双极性输出
13、，输出模拟电压范围为10时，则其输出可能出现的最大绝对误差为：D/A转换器的主要性能指标：转换器的主要性能指标：3.转换时间ts（转换时间） 转换时间ts是描述D/A转换快慢的参数，是指从输入数字量到输出模拟量所需要的时间，当需要实时响应控制时要考虑这个参数。 课堂讨论课堂讨论:1. DAC的作用是什么?2. 输出模拟量与输入数字量之间有什么关系?3. DAC的主要性能指标有哪些?4.3.2 数模转换器的接口技术数模转换器的接口技术 各种D/A转换器的结构不同，它们与单片机接口方法也有差异，但就其基本引脚连接上，仍有共同之处： （1）数字量输入方式 （2）模拟量输出方式 （3）外部控制信号的连
14、接方式。 4.3.2 数模转换器的接口技术数模转换器的接口技术 1.数字量输入方式数字量输入方式: 串行输入需要一个串行入并行出的寄存器，因为D/A转换是并行执行的。 并行输入 有的D/A转换器含这两种输入方法，可控制选取。 4.3.2 数模转换器的接口技术数模转换器的接口技术2.模拟量输出方式：模拟量输出方式： D/A转换器的模拟量输出也可以分为两种，即电流输出或电压输出，如果是电流输出则不含运算放大器，电压输出则在集成芯片中内含了运算放大器。 4.3.2 数模转换器的接口技术数模转换器的接口技术 图4.10中显示了三种DAC的结构模块，显然在使用这三种不同结构的DAC时接口方式是不同的 。
15、4.3.2 数模转换器的接口技术数模转换器的接口技术3.外部控制信号的连接方式外部控制信号的连接方式 一般的模数转换器都有芯片的选择引脚（片选信号线）、启动转换控制、输入锁存器控制、写信号控制等，这些控制线有电平控制和边沿控制的区别。 4.4 DAC 0832与单片机的接口与单片机的接口 图4.11 DAC8032结构图 1.是几位的是几位的DAC?2.需要外接需要外接运算放大器运算放大器吗吗?3.WR1和和WR2分别控分别控制什么制什么?4.4.1DAC8032结构4.4.1 DAC 0832结构与引脚功能结构与引脚功能 输出模拟电流与输入二进制数B之间的关系： IOUT1=B（UREF /
16、（256 R） IOUT 2= UREF / RIOUT1根据引脚功能说明根据引脚功能说明,掌握如何掌握如何用单片机去控制用单片机去控制DAC8032.4.4.2 DAC 0832 单缓冲方式接口及应用单缓冲方式接口及应用 单缓冲方式两个寄存器之中只有一个受控，另一个直通（控制端始终有效）或两个寄存器同时受控打开，关闭。 同时打开同时打开4.4.2 DAC 0832 单缓冲方式接口及应用单缓冲方式接口及应用 这时DAC0832相当于8031外部的一个扩展I/O口，当地址线A14(P2.6)=1时，即可选通DAC0832，设口地址为0FFFFH，CPU对该口地址进行一次写操作，就把一个数字量直接
17、写入到DAC寄存器，通过D/A转换，输出一个模拟量。通过程序设计，该电路可以产生各种不同的输出波形。4.4.2 DAC 0832 单缓冲方式接口及应用单缓冲方式接口及应用例例4.2: 产生锯齿波的程序产生锯齿波的程序：START：MOV DPTR,#0FFFFH；选中DAC 0832 MOV A,#00HLP： MOVX DPTR,A；转换数据送DAC INC A ；数据加1 CJNE A，#51，LP；未到最大值继续 MOV A，#00H；下一个锯齿波开始 SJMP LP4.4.3DAC 0832双缓冲方式及与双缓冲方式及与8051的接口的接口 双缓冲方式DAC0832的两个寄存器分别受控，
18、这种工作方式适合于多路模拟信号同时输出的应用场合。这时每一个模拟量的输出需要一片DAC 0832，构成多路同步输出系统。 4.4.3DAC 0832双缓冲方式及与双缓冲方式及与8051的接口的接口先后输入数先后输入数据，同时开据，同时开始转换。始转换。课堂讨论课堂讨论:1. DAC8032的片选信号是否相同?其作用是什么?2. DAC8032的启动转换信号是否相同?其作用是什么?3. 双缓冲方式适用于什么场合?4.4.3DAC 0832双缓冲方式及与双缓冲方式及与8051的接口的接口例4.3 设图中选中第一片DAC 0832的地址为00FEH，第二片为00FFH，选通两片DAC 寄存器的地址为
19、FF00H，X的输出量放在R0，Y的输出量放在R1，则其转换程序如下：TRANS： MOV DPTR，#00FEH MOV A，R0 MOVX DPTR, A ；数据X写入第一片DAC MOV A, R1 MOV DPTR, #00FFH；数据Y写入第二片DAC MOVX DPTR, A MOV DPTR,#0FF00H；两片同时转换输出 MOVX DPTR,A RET4.5 DAC708系列接口电路系列接口电路 DAC708/709系列集成电路是一种高速16位D/A转换器,其结构框图如下图.课堂讨论课堂讨论: DAC708与DAC709主要区别是什么? DAC708/709是几位的数/模转换
20、芯片? DAC708/709分辨率为多少?4.5 DAC708系列接口电路系列接口电路 例4.4用MCS-51系列单片机控制DAC709进行16位的D/A转换，输出模拟电压（0-10V范围）。4.5 DAC708系列接口电路系列接口电路 解：图4.16为DAC709与MCS-51系列单片机的接口，从图4.16中看出DAC709的使用十分方便，只要外接几个电阻电容就可以输出转换电压。图中17脚开路，因为输出模拟电压在0-10V范围内，如果需要双极性输出，则将17脚与16脚相连接。 图中13脚将13脚与14脚相连接。如果输出电压在20V范围内，则13脚开路。4.5 DAC708系列接口电路系列接口
21、电路 从图4.16可见，写入高8位寄存器的地址线是：P2.7=1,A2A1A0=101,(设其余线均为0，则为8005H)，写入低8位寄存器的地址线是：P2.7=1,A2A1A0=110,(设其余线均为0，则为8006H)，写入DAC寄存器的地址线是：P2.7=1,A2A1A0=011,(设其余线均为0，则为8003H)，DAC寄存器写入后就启动转换，在14脚输出模拟电压。4.5 DAC708系列接口电路系列接口电路控制转换子程序如下：TRANS：MOV P2,#80H MOVR0,#05H ；高8位数据寄存器MOV A,#DATAH；高8位转换数据MOV R0,A；MOV R0,#06H；低
22、8位数据寄存器MOV A,#DATAL；高8位转换数据MOV R0,AMOV R0,#03H；DAC寄存器MOV R0,A ；启动转换RET4.5 DAC708系列接口电路系列接口电路 用MCS-51系列单片机控制DAC708进行16位的D/A转换，输出模拟电压（0-20V范围）。708需外接运放需外接运放4.5 DAC708系列接口电路系列接口电路 如前所述，DAC708是不带运算放大器的芯片，所以要外接集成运算放大器才可以输出模拟电压，其余接线、编程与DAC709一样，不再重复。 如果要直接输出模拟电流，则从DAC708 16脚输出即可，其外围电阻等都可以不接了。有些标准的电动、气动执行器
23、需要用模拟电流信号进行控制。课堂讨论课堂讨论:1. 比较DAC708/709的二个电路接法.2. 什么时候13脚开路?3. 什么时候需要将17脚与16脚并联?4.5 DAC708系列接口电路系列接口电路 当需要多通道数据输出时，可以构成多通道模拟信号输出. 4.6 输出接口电路仿真举例输出接口电路仿真举例 4.6.1 发光二极管输出仿真 发光二极管可以直接与单片机相连，作为单片机的输出指示，因此在练习编程和设计仿真时可以用发光二极管来验证程序和设计。 4.6.1 发光二极管输出仿真发光二极管输出仿真 8123456712345678R2220XTAL218XTAL119ALE30EA31PSE
24、N29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51C122pFC2
25、22pFC310uFX112MR110kD1R3220D2R4220D3R5220D4R6220D5R7220D6R8220D7R9220D8图4.19 单片机与发光二极管连接图 1.与发光二极管相连的电阻起什么作用?可以不接吗? 2.图中 为什么接地?可以接高电平吗 ?课堂讨论课堂讨论EA4.6.2电磁继电器输出仿真电磁继电器输出仿真 电磁继电器和固态继电器的控制比较简单，只是单片机的I/O端口的输出功率比较小，不能直接接继电器，所以要加一个驱动，最简单的驱动是用三极管。 4.6.2电磁继电器输出仿真电磁继电器输出仿真 XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.
26、0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51C122pFC222pFC310uF
27、X112MR110kL2220VD1DIODEK1RL2RTE24005FR310KQ1PNP+220V提问：要使提问：要使L2导通，导通，P2.4输出信号是高电平还是低电平？输出信号是高电平还是低电平？4.6.3 DAC0832与单片机的接口仿真与单片机的接口仿真 在4.3节中已经讨论了数模转换芯片DAC0832及其应用，这里给出它与单片机的连接仿真实例，接口电路如图4.21所示，这是最简单的接口方法。 单片机通过P1.0口输出低电平选中DAC0832芯片，然后通过P0口输出数据。 DAC0832将数字信号转换成不同的电压值。 4.6.3 DAC0832与单片机的接口仿真与单片机的接口仿真示
28、波器观察到的连续输出波形8123456712348765XFXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P
29、2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51C122pFC222pFC310uFX112MR110kVREF8GND3VCC20CS1WR12DI34DI25DI16DI07RFB9GND10IOUT111IOUT212DI713DI614DI515DI416XFER17WR218ILE(BY1/BY2)19U2DAC08323267415U3UA741ALEWRWRWRXFXFR21K+12V-12V10k+88.8AC VoltsU3(OP)小结小结 对小功率的输出设备，可以直接用三极管构成反相驱动器或用集电极开路的反相器构成驱动电路，要
30、注意选择适当的限流电阻。 继电器是常用的以较低直流电压控制较高的交流电压或直流电压、大电流的器件。 小结小结 脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation,简称PWM）是指根据需要，调节输出脉冲方波的占空比，以此PWM信号来驱动功率器件、高频变压器、整流、滤波等电路，从而得到所需要的输出。 数模转换器常简写成D/A转换器或DAC（Digital Analog Converter）,主要用于将n位二进制的数字信号转换为模拟信号。 数模转换器的主要性能指标有分辨率、转换精度、转换时间。小结小结 DAC0832是一个带有两个内部的数据寄存器输入，通过外接运放输出模拟电压量的8位D/A转换器。 DAC708/709系列集成电路是一种高速16位D/A转换器。
