1、返回返回第五章第五章 机电一体化系统的机电一体化系统的接口与电磁兼容技术接口与电磁兼容技术 返回返回机电一体化系统的接口与电磁兼容技术机电一体化系统的接口与电磁兼容技术 n5.1 机电一体化系统的接口技术机电一体化系统的接口技术5.1.1 接口技术概述接口技术概述5.1.2 人机接口设计人机接口设计5.1.3 机电接口设计机电接口设计n5.2 机电一体化系统的电磁兼容技术机电一体化系统的电磁兼容技术5.2.1 电磁兼容技术的电磁兼容技术的5.2.2 电磁干扰的形式和途径电磁干扰的形式和途径5.2.3 常用的干扰抑制技术常用的干扰抑制技术返回返回一、概述n组成机电一体化系统的各要素和子系统之间相
2、接处必须具备一定的联系条件，这个联系条件通常被称为接口，简单地说就是各子系统之间以及子系统内各模块之间相互联接的硬件及相关协议软件。5.1 机电一体化系统接口设计机电一体化系统接口设计 返回返回一、概述n接口设计的总任务是解决功能模块间的信号匹配问题。n机电产品可看成是由许多接口将组成产品各要素的输入/出联系为一体的系统，并且系统的要素间能够电磁兼容。5.1 机电一体化系统接口设计机电一体化系统接口设计 返回返回接口设计的基本原则及要求 n机电一体化系统中的接口通常是由接口电路与之配套机电一体化系统中的接口通常是由接口电路与之配套的驱动程序组成，就是我们通常说的硬件设计和软件的驱动程序组成，就
3、是我们通常说的硬件设计和软件设计。设计。n接口电路是接口的骨架，用来实现在被传输的数据、接口电路是接口的骨架，用来实现在被传输的数据、信息在电气上、时间上的匹配；接口程序是接口的中信息在电气上、时间上的匹配；接口程序是接口的中枢，完成接口数据的输入输出，传送可编程接口器件枢，完成接口数据的输入输出，传送可编程接口器件的方式设定、中断设定等控制信息。的方式设定、中断设定等控制信息。返回返回接口设计需要满足信息传输和转换的要求n信息采集（信号输入）信息采集（信号输入）n驱动控制（信号输出）驱动控制（信号输出）n变送单元变送单元返回返回1.接口的分类接口的分类 从不同的角度及工作特点出发，机电一体化
4、系统的接口有多种分类方法。 按照信息传递的方式分为两大类：输入接口、输出接口； 返回返回1.接口的分类接口的分类根据接口的变换和调整功能特征分类 零接口：不进行参数的变换与调整。如联轴器、输送管、插头、插座、导线、电缆等。 被动接口：仅对被动要素的参数进行变换与调整。如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻以及光学透镜等。返回返回 主动接口：含有主动因素、并能与被动要素进行匹配的接口。如电磁离合器、放大器、光电耦合器、A/D、D/A转换器等。 智能接口：含有微处理器、可进行程序编制或适应条件变化的接口。如自动调速装置、通用输入/输出芯片（如8255芯片）、RS232串行接口、通用接口总线等。返
5、回返回根据接口的输入/输出功能的性质分类 信息接口（软件接口）：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件的约束。 机械接口：根据输入/输出部位的形状、尺寸、配合、精度等进行机械联结。 物理接口：受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束。 环境接口：对周围的环境条件（温度、湿度、电磁场、放射能、振动、水、火、粉尘等）有具体的保护作用和隔绝作用返回返回返回返回按照所联系的子系统不同分类 以控制微机（微电子系统）为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类。 返回返回2.接口设计的要求接口设计的要求1）计算机接口n计算机接口通常由接口电路和与之配套的接口程序（驱动程序）组成n接口电
6、路：能够使被传输的数据实现在电气上、时间上相互匹配的电路，它是接口的骨架；n接口程序：能够完成这种功能的程序，它是接口完成预定任务的中枢神经。n系统要求计算机接口特点：能够可靠地传送相应的控制信息，并输入有关的状态信息能够进行相应的信息转换返回返回1）计算机接口具体要求如下：n传感器接口：要求传感器与被测机械量信号源具有直接关系，传感器与机械本体连接简单、稳固，能克服机械谐波干扰，正确反映对象的被测参数。n变送接口：电气参数的匹配、远距离信号传输要求、阻抗匹配、电平一致、输入/输出信号关系为线性关系。n驱动接口：电平一致、电平匹配和阻抗匹配、抗干扰措施。2）机械传动接口n要求它连接结构紧凑、轻
7、巧，具有较高的传动精度和定位精度，安装、维修、调整简单方便、刚度好，响应快。返回返回二、人机接口设计二、人机接口设计 n人机接口是操作者与机电一体化系统(主要是控制微机)之间进行信息交换的接口。n按照信息的传递方向，可以分为两大类:输入接口与输出接口。n系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息。另一方面，操作者通过输入接口向系统输入各种控制命令及控制参数，对系统运行进行控制，实现所要求完成的任务。返回返回二、人机接口设计二、人机接口设计 n在机电一体化产品中，常用的输入设备有控制开关、BCD或二进制码拨盘、键盘等;常用的输出设备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器
8、、微型打印机、阴极射线管显示器等。扬声器作为一种声音信号输出设备，在进行产品设计时经常被采用。人机接口作为人与微机之间进行信息传递的通道，有着其自身的一些特点，需要在进行设计时予以考虑。n人机接口类型及特点:专用性、低速性、高性能价格比返回返回1. 专用性 每种机电一体化产品都有其自身特定的功能，对人机接口有着不同的要求，所以在制定人机接口的设计方案时，要根据产品的要求而定。2. 低速性 与控制机的工作速度相比，大多数人机接口设备的工作速度很低，在进行人机接口设计时，要考虑控制机与接口设备间的速度匹配，以提高系统的工作效率；3. 高性价比 在满足功能要求的前提下，输入、输出设备配置以小型、微型
9、、廉价型为原则。 人机接口特点返回返回1.1.输入输入接口设计接口设计 n输入口输入设备的数据，要通过数据总线传送给CPU，而CPU与存储器以及其他设备传输的输入/输出数据，也要通过这条数据总线分时地进行传输。因此，输入口的功能就是在只有CPU允许该输入口进行数据输入时，才将来自外设的数据传送到数据总线上。返回返回 左图为一简单开关输入电左图为一简单开关输入电路，通过对路，通过对A点电位进行检点电位进行检测，从而判断开关的状态。测，从而判断开关的状态。上拉电阻上拉电阻R的阻值越小，当的阻值越小，当开关处于断开状态（开关处于断开状态（OFF）时，被传输的高电平值越高时，被传输的高电平值越高，但是
10、当开关处于闭合状态，但是当开关处于闭合状态（ON)时，流过开关触电的时，流过开关触电的电流就越大。因此当采用这电流就越大。因此当采用这种电路时，上拉电阻的阻值种电路时，上拉电阻的阻值应在全面考虑开关的触电电应在全面考虑开关的触电电流和整个电路的功耗电流后流和整个电路的功耗电流后再确定。再确定。R：上拉电阻上拉电阻OFF：高电高电平平ON： 低电平低电平输入口输入输入波形波形A简单的开关输入电路简单的开关输入电路1.1.输入输入接口设计接口设计 n1）简单开关输入电路 返回返回1.1.输入输入接口设计接口设计 n2）简单开关输入接口设计 对于一些二值型控制命令和参数，常采用简单的开关作为输入设备
11、。常用的开关有按钮、转换开关等。时间时间(b) 输入电路波形输入电路波形开关：开关：ON开关：开关：OFF开关：开关：ON低电平低电平发生抖动的时间发生抖动的时间(10ms以下以下)高电平高电平开关：开关：OFF无抖动无抖动有抖动有抖动输输入入接接口口输入波形输入波形r ： 上 拉 电： 上 拉 电阻阻 OFF:高电平高电平ON:低电平低电平(a) 输入电路输入电路返回返回1.1.输入输入接口设计接口设计 n2）简单开关输入接口设计 控制微机通过 I/O 口或扩展 I/O 口对开关点电位进行检测，从而判断开关的状态。由于这类开关大都是机械开关，机械触点的弹性作用使开关在闭合及断开瞬间产生抖动，
12、造成开关点电位产生一系列脉冲，电压抖动时间的长短，与机械特性有关，一般为 510ms。按钮的稳定闭合期由操作员的按键动作决定，一般在几百微秒至几秒之间。所以，在进行接口设计时需要采取软件或硬件措施进行消抖处理。 返回返回 硬件消抖常采用下图 所示电路，其中左为双稳态滤波消抖，右为单稳态多谐震荡消抖，图中74xx121是带有施密特触发器输入端的单稳态多谐震荡器。硬件去抖返回返回 软件消抖是在检测到开关状态后，延时一段时间再进行检测，若两次检测到的开关状态相同则认为有效。延时时间应大于抖动时间。软件去抖返回返回1.1.输入输入接口设计接口设计 n2）键盘输入接口设计 当需要操作者输入的指令或参数比
13、较多时，可以选择键盘作为输入接口。返回返回矩阵键盘矩阵键盘+5V01234567BA98CDEFX0X1X2X3Y0Y1Y2Y3 矩阵键盘结构如上图，通常将行线通过上拉电阻接至+5V电源。当无键按下时，行线与列线断开，行线呈高电平。当键盘上某键按下时，则该键对应的行线与列线被短路。例如，7号键被按下闭合时，行线X3与列线Y1被短路，此时X3的电平由Y1电位决定。返回返回CPU对键盘处理控制的工作方式有以下对键盘处理控制的工作方式有以下3种：种：1、程序控制扫描方式 程序控制扫描方式是在CPU工作空余调用键盘扫描子程序，响应按键输入信号要求。程序控制扫描方式的按键处理程序固定在主程序的某个程序段
14、。当主程序运行到该程序段时，依次扫描键盘，判断有否按键输入。若有，则计算按键编号，执行相应按键功能子程序。这种工作方式，对CPU工作影响小，但应考虑键盘处理程序的运行间隔周期不能太长，否则会影响对按键输入响应的及时性。键盘扫描控制方式键盘扫描控制方式 返回返回键盘扫描程序流程图键盘扫描程序流程图返回返回CPU对键盘处理控制的工作方式有以下对键盘处理控制的工作方式有以下3种：种：2、定时控制扫描方式 定时控制扫描方式是利用定时/计数器每隔一段时间产生定时中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有按键闭合时转入该按键的功能子程序。定时控制扫描方式与程序控制扫描方式的区别是，在扫描间隔时间内，前者
15、用CPU工作程序填充，后者用定时/计数器定时控制。定时控制扫描方式也应考虑定时时间不能太长，否则会影响对按键输入响应的及时性。键盘扫描控制方式键盘扫描控制方式 返回返回CPU对键盘处理控制的工作方式有以下对键盘处理控制的工作方式有以下3种：种：3、中断控制方式 中断控制方式是利用外部中断源，响应按键输入信号。当无按键按下时，CPU执行正常工作程序。当有按键按下时，CPU立即产生中断。在中断服务子程序中扫描键盘，判断是哪一个按键被按下，然后执行该按键的功能子程序。这种控制方式克服了前两种控制方式可能产生的空扫描和不能及时响应按键输入的缺点，既能及时处理按键输入，又能提高CPU运行效率，但要占用一
16、个宝贵的中断资源。 键盘扫描控制方式键盘扫描控制方式 返回返回01234567BA98CDEFP1.7P1.6P1.5P1.4P1.0P1.1P1.2P1.38031+5V(1)键盘接口电路键盘接口电路 上图表示上图表示8031通过通过P1口与一个口与一个44键盘的接口电路，其中键盘的接口电路，其中P1.7P1.4作作扫扫描线，描线，P1.3P1.0作输出线。作输出线。 键盘接口电路返回返回(2) 键输入处理程序键输入程序具有下面三项功能： (a) 判断键盘上有无键闭合判断键盘上有无键闭合的的方法方法是是在在P1.0P1.3上全部送上全部送“0”，然后读取然后读取P1.4P1.7状态状态，若全
17、为若全为“1”，则无键闭合则无键闭合，若若不全为不全为“1”，则有键闭合则有键闭合； (b) 去除键机械抖动的方法是读得键号后延时去除键机械抖动的方法是读得键号后延时10ms，再次读，再次读键盘，若此键仍闭合则认为有效，否则认定前述键的闭合是由键盘，若此键仍闭合则认为有效，否则认定前述键的闭合是由于机械抖动或干扰所引起的；于机械抖动或干扰所引起的；返回返回 (c) 判别闭合键键号的方法是对键盘行线扫描，依次从判别闭合键键号的方法是对键盘行线扫描，依次从P1.0、P1.1、Pl.2、P1.3中某位送出中某位送出“0” ，其它行线送出，其它行线送出“1” ，并顺序读入，并顺序读入P1.4P1.7的
18、状态的状态 ， 若若P1.4P1.7全全为为“1”，则行线输出为，则行线输出为“0”的这列上无键闭合；若的这列上无键闭合；若P1.4P1.7不全为不全为“1”，则有键闭合，则有键闭合,且行列交叉点即为该键且行列交叉点即为该键键号，如键号，如P1.0P1.3输出为输出为1101，读回，读回P1.4P1.7为为1011， 则位于第则位于第3行与第行与第2列相交处的键处于闭合状态，键号为列相交处的键处于闭合状态，键号为6； (d)使控制微机对键的一次闭合仅进行一次功能操作，使控制微机对键的一次闭合仅进行一次功能操作，采用的方法是，等待闭合键释放后再将键号送入累加器中采用的方法是，等待闭合键释放后再将
19、键号送入累加器中返回返回输出接口设计输出接口设计n从计算机输出的数据，要经过输出口传输给输出设备，但在输出口与实际的输出设备之间一般需要进行信号电平转换，并需要对输出数据的传输时序进行控制。输出接口是操作者对机电一体化系统进行检测的窗口，通过输出接口，系统向操作者显示自身的运行状态、关键参数及运行结果等，并进行故障报警。返回返回n我们对人机通道输出接口中最为常用的LE D显示器接口技术作一简要说明。 LED数码显示器的工作原理n LED数码显示器的结构。LE D是发光二极管的缩写。LED显示器应用非常普遍，从袖珍计算器到仪器仪表都用它，在单片机上的应用也很普遍。输出接口设计输出接口设计返回返回
20、n通常所说的LE D显示器由七个发光二极管组成，因此，也称为七段显示器。其排列形状如图5-42所示，有共阴极和共阳极两种。此外，还有一个圆点型发光二极管，用以显示小数点。发光二极管点亮时，需要的电流为220 mA，压降为1. 2 V，因而用TTL电路即可与它接口七段七段LED显示块显示块R8abcdefgdpa) 共阴极共阴极aR8bcdefgdpb) 共阳极共阳极+5Vgfa be dc dpGNDGND1 24 510397 68abcdefgc) 管脚配置管脚配置输出接口设计输出接口设计返回返回n LED数码显示器的显示段码。为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码(或称字形代码)，可
21、通过单片机接口使LED显示器某几段发亮来显示不同的数码，如除“。”段不亮其余六段全亮时，则为“0”字;七段全亮时，则为“8”字。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此，LED显示器的字形代码正好一个字节。各代码位的对应关系如下:输出接口设计输出接口设计返回返回返回返回n LED数码显示器的接口及显示方法n 单片机与显示器接口可以用硬件为主和用软件为主的方单片机与显示器接口可以用硬件为主和用软件为主的方法。所谓硬件为主就是用法。所谓硬件为主就是用4位数据线而后用锁存器、译码驱位数据线而后用锁存器、译码驱动器显示一位十六进制字符。由于使用硬件较多，缺乏灵动器显示一位十六进制字符。由于使
22、用硬件较多，缺乏灵活性，所以常用软件查表来代替硬件译码，但这也需简单活性，所以常用软件查表来代替硬件译码，但这也需简单的硬件电路配合。例如，可用的硬件电路配合。例如，可用8255作为显示接口。由于接作为显示接口。由于接口提供不了较大的电流供口提供不了较大的电流供LE D显示器使用，因此驱动电路显示器使用，因此驱动电路一般是必不可少的。一般是必不可少的。输出接口设计输出接口设计返回返回n (1)静态显示方式。静态显示方式，是指每一位显示器的字段控制是独立的，每一位的显示器都需要配一个8位输出口来输出该字位的七段码。因此需要片外扩展CPU输出口。输出接口设计输出接口设计PC0PC7PB0PB7PA
23、0PA78255三位静态显示接口当显示位数很少当显示位数很少(仅一、二位）仅一、二位）时，采用静态显时，采用静态显示方式是合适的示方式是合适的。返回返回n (2)动态显示方式。动态显示方式，又称扫描显示方式，也就是在某一时刻只让一个字位处于选通状态，其他字位一律断开，同时在字段线上发出该位要显示的字段码，这样在某一时刻，某一位数码管就被点亮，并显示出相应的字符。接着逐个改变所显示的字位和相应的字符段码，循环点亮各位显示器。虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮，但只要扫描速度足够快，由于人眼的视觉残留效应，与全部显示器都点亮的效果完全一样，会使人感觉到几个位数码管都在稳定地显示。输出接口设计输出接
24、口设计返回返回n 动态显示方式中，为实现多位显示器的动态扫描，除了要给显示器提供段(字形编码)的输入之外，还要对显示器加位的控制。多位LE D显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于输出8条段控线(有小数点显示)，另一个用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的位数。输出接口设计输出接口设计返回返回8155扩展扩展6位动态位动态LED显示器的接口电路显示器的接口电路PB0PB7PA5PA0815511117407+5V75452当显示器工作时，单片机通过8155的PA口送扫描数据，其中只有一位为高电平，经75452后，只有一位LED显示器的公共端为低电平。同时，显示位对应的数据通过PB口送出
25、。因此，只有公共端为低的LED显示器有显示，依次改变PA口中为高电平的位，则6位LED显示器就顺序显示。当扫描频率足够高时，由于人眼的视觉暂留效应，6位显示器便得到连续稳定的显示。返回返回n可以看出，如果要在同一时刻显示不同的字符，从电路上看，这是办不到的。因此只能利用人眼对视觉的残留效应，采用动态扫描显示的方法，逐个地循环点亮各位数码管，每位显示1 m*左右，使人看起来就好像在同时显示不同的字符一样。n 在进行动态扫描显示时，往往事先并不知道应显示什么内容，这样也就无从选择被显示字符的显示段码。为此，一般采用查表的方法，由待显示的字符通过查表得到其对应的显示段码。输出接口设计输出接口设计返回
26、返回 采用采用动态扫描方式动态扫描方式依次循环点亮各位数码管，构成依次循环点亮各位数码管，构成多位动态数码管显示电路多位动态数码管显示电路。开 始显示缓冲区首地址送R0显示位数送R2起始显示位送R3禁止所有位（关显示）从缓冲区取要显示的数查表得字型码指向段选口，送字型码指向位选口，送位选码延时指向显示缓冲区下一个单元位选码左移结束11扫描完一遍吗?YN返回返回机电接口技术n 机电接口是指机电一体化产品中的机械装置与控制微机间的接口。按照信息的传递方向可以将机电接口分为信息采集接口(传感器接口)与控制量输出接口。控制微机通过信息采集接口接收传感器输出信号，检测机械系统运动参数，经过运算处理后，发
27、出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大、驱动执行元件来调节机械系统的运行状态，使其按照要求动作。 按照信息传递的方向可以分为：按照信息传递的方向可以分为：信息采集接口（传感器接口）信息采集接口（传感器接口）控制量输出接口控制量输出接口返回返回 按照信息传递的方向可以分为：按照信息传递的方向可以分为：信息采集接口（传感器接口）信息采集接口（传感器接口）控制量输出接口控制量输出接口机电接口技术返回返回n信息采集接口技术n 1.信息采集接口的任务与特点信息采集接口的任务与特点n 在机电一体化产品中，控制微机要对机械装置进行有效控制，使其在机电一体化产品中，控制微机要对机械装置进行有效
28、控制，使其按预定的规律运行，完成预定的任务，就必须随时对机械系统的运行状按预定的规律运行，完成预定的任务，就必须随时对机械系统的运行状态进行控制，随时检测各种工作和运行参数，如位置、速度、转矩、压态进行控制，随时检测各种工作和运行参数，如位置、速度、转矩、压力、温度等。因此进行系统设计时，必须选用相应传感器将这些物理量力、温度等。因此进行系统设计时，必须选用相应传感器将这些物理量转换为电量，再经过信息采集接口的整形、放大、匹配、转换，变成微转换为电量，再经过信息采集接口的整形、放大、匹配、转换，变成微机可以接受的信号传递给微机。传感器的输出信号中，既有开关信号机可以接受的信号传递给微机。传感器
29、的输出信号中，既有开关信号(如限位开关、时间继电器如限位开关、时间继电器)，又有频率信号，又有频率信号(超声波无损探伤超声波无损探伤);既有数字既有数字量，又有模拟量量，又有模拟量(如温敏电阻、应变片等如温敏电阻、应变片等)。机电接口技术返回返回n信息采集接口技术n 1.信息采集接口的任务与特点信息采集接口的任务与特点n 针对不同性质的信号，信号采集接口要对其进行不同的处理，例针对不同性质的信号，信号采集接口要对其进行不同的处理，例如对模拟信号必须进行模如对模拟信号必须进行模/数变换，变成微机可以接受的数字量再传送数变换，变成微机可以接受的数字量再传送给微机。另外，在机电一体化产品中，传感器要
30、根据机械系统的结构来给微机。另外，在机电一体化产品中，传感器要根据机械系统的结构来布置，环境往往比较恶劣，易受干扰。再者，传感器与控制微机之间常布置，环境往往比较恶劣，易受干扰。再者，传感器与控制微机之间常要采用长线传输，加之传感器输出信号一般又比较弱，所以抗干扰设计要采用长线传输，加之传感器输出信号一般又比较弱，所以抗干扰设计也是信息采集接口设计的一个重要内容也是信息采集接口设计的一个重要内容机电接口技术返回返回n控制量输出接口技术n2.控制输出接口的任务与特点n 控制微机通过信息采集接口检测机械系统的状态，经过运算处理。发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大，驱动执行元件
31、去调节机械系统的运行状态，使其按设计要求运行。机电接口技术返回返回n控制量输出接口技术n2.控制输出接口的任务与特点 根据执行元件的需要不同，控制接口的任务也不同，对于交流电机变频调速器，控制信号为05 v电压或420 mA电流信号，则控制输出接口必须进行数/模转换;对于交流接触器等大功率器件，必须进行功率驱动。由于机电一体化系统中执行元件多为大功率设备，如电机、电热器、电磁铁等，这些设备产生电磁场、电源干扰，往往会影响微机的正常工作，所以抗干扰设计同样是控制输出接口设计时应考虑的重要问题机电接口技术返回返回1.1.信息采集接口信息采集接口n对于模拟信号的信息采集通道，首先选用传感器将这些物理
32、量转换为电量，再经过信息采集接口进行整形、放大、匹配等信号处理环节，再经采样-保持器，将模拟信号变换成时间上离散的采样信号后，送A/D转换器将模拟保持信号转换成数字信号，再送入计算机。返回返回1.1.信息采集接口信息采集接口n传感器信号的采样传感器信号的采样- -保持保持nA/DA/D转换接口转换接口返回返回n多个信号源的数据采集通道通常有以下3种结构形式：多路A/D通道多路同时采样、分时转换通道多路信号源共享采样-保持器和A/D转换器1.1.信息采集接口信息采集接口返回返回多路多路A/D通道通道n从每个信号源检测的信号都有各自独立的采样通道，即从每个信号源检测的信号都有各自独立的采样通道，即
33、每个通道都有独自的采样每个通道都有独自的采样-保持器和保持器和A/D转换器。由于这转换器。由于这种通道结构的种通道结构的A/D转换速度高，并且控制各路同道的采样转换速度高，并且控制各路同道的采样-保持器或保持器或A/D转换器，可完成各路同道同时进行采样或转换器，可完成各路同道同时进行采样或同时进行转换功能，因此常用于需同步高速数据采集、同时进行转换功能，因此常用于需同步高速数据采集、同步转换的计算机控制系统。同步转换的计算机控制系统。返回返回多路同时采样、分时转换通道多路同时采样、分时转换通道n从多路信号源来的数据经各自的采样从多路信号源来的数据经各自的采样-保持器，经模拟多路保持器，经模拟多
34、路转换开关控制，共用一个转换开关控制，共用一个A/D转换器，此结构使用模拟多路转换器，此结构使用模拟多路开关进行多路选择，使多路信号按一定的顺序切换到共用开关进行多路选择，使多路信号按一定的顺序切换到共用的的A/D转换器上进行转换器上进行A/D转换。转换。n由于此种通道共用一个由于此种通道共用一个A/D转换器必须分时进行转换，多路转换器必须分时进行转换，多路开关的应用也使误差增大。因此该结构多用于转换速度、开关的应用也使误差增大。因此该结构多用于转换速度、精度要求不高、需同时采集、分时转换的控制系统。精度要求不高、需同时采集、分时转换的控制系统。返回返回多路信号源共享采样多路信号源共享采样-保
35、持器和保持器和A/D转换器转换器n从多路信号源来的数据先经多路开关，然后按某种顺序切从多路信号源来的数据先经多路开关，然后按某种顺序切换到具有采样换到具有采样-保持器和保持器和A/D转换器的通道上。此种结构共转换器的通道上。此种结构共用一套采样用一套采样-保持器和保持器和A/D转换器，节省硬件成本，但转换转换器，节省硬件成本，但转换速度更慢，常用于分时采样、分时转换的计算机控制系统速度更慢，常用于分时采样、分时转换的计算机控制系统中。中。返回返回1）传感器信号的采样-保持 n当对模拟信号进行A/D转换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的转换时间，即A/D的孔径时间。在这个转换时间内
36、，模拟信号要保持基本不变，这样才能保证转换精度。返回返回1）传感器信号的采样-保持 n当输入信号频率提高时，由于A/D转换器孔径时间的存在，会造成较大的转换误差，要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能实现这种功能的器件叫采样/保持电路（S/H）。返回返回(1) 采样/保持器原理n采样/保持由保持电容C，模拟开关S等组成。当S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段。当S断开时，电容C二端一直保持断开的电压，称保持阶段。香侬采样定理香侬采样定理max2 ffsfs采样频率采样频率fmax原信号最高频率原信号最高频率返回返回n实
37、际上为使采样/保持器具有足够的精度，一般在输入级和输出级均采用缓冲器，以减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。 n采样开关采样开关VF的关断电阻和的关断电阻和N2的输入阻抗越高，的输入阻抗越高，C的的泄漏电阻越大，泄漏电阻越大，uo的保持时间就越长，保持精度越的保持时间就越长，保持精度越好。好。返回返回(2) 集成采样/保持器 n随着大规模集成电路技术的发展，目前已生产出多种集成采样保持器，如一般场合的AD582、AD583、LF398系列等；用于高速场合的有HTS-0025，HTS-0010，HTC-0300等。为了使用方便，有些采样保持器的内部还设有保持电容，如AD389、AD585等
38、。 返回返回集成采样保持器的特点是：n采样速度快、精度高一般保持在 即精度达到n下降速率慢如AD585、AD348为0.5mV，SD389为 22.5 s0.01%0.003%0.1/Vms返回返回nLF398内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。 返回返回n控制电路中控制电路中A3主要起到比较器的作用，其中主要起到比较器的作用，其中7脚为控制脚为控制逻辑参考电压输入端，逻辑参考电压输入端，8脚为控制逻辑电压输入端。当输脚为控制逻辑电压输入端。当输入控制逻辑电平高于参考端电压时，入控制逻辑电平高于参考端电压时，A3输出一个低电平输出一个低电平信号驱动开关信号驱动开关S闭合，此时输入
39、经闭合，此时输入经A1后跟随输出到后跟随输出到A2，再由输出端跟随输出，同时向保持电容充电；而当控制再由输出端跟随输出，同时向保持电容充电；而当控制逻辑电平低于参考电压时，逻辑电平低于参考电压时，A3输出一个正电平信号使开输出一个正电平信号使开关关S断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入信号的目的。因此信号的目的。因此A1、A2是跟随器，其主要是对保持电是跟随器，其主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样-保持器的性保持器的性能。能。返回返回LF398外引脚图外引脚图 LF398典型应用典型应用
40、返回返回 A/D 转换是从模拟量到数字量的转换，它是信息采集系统中模拟放大电路和CPU的接口，见下图。A/D转换芯片种类繁多，主要有逐次比较式、双积分式、量化反馈式和并行式。A/D转换接口返回返回1A/D 转换的主要环节和常用术语(1) 多路选择模拟开关(2) 信号调节器 作用是调节模拟信号的幅度，使模拟信号的大小符合A/D转换的要求 (3) 采样保持和孔径误差 采样保持的作用是减小孔径误差。模拟量转换成数字量需要一个时间过程，对于一个动态模拟信号，在A/D转换器接通的孔径时间里，输入模拟信号的值是不确定的，从而引起输出的不确定性误差。 A/D转换接口返回返回是Vm2f， 故最大孔径误差是V=
41、Vmsin2ft。对于某个动态信号，其孔径误差与信号的最高频率f和孔径t 有关。计算表明，当频率为10 Hz的信号被采样，且要求12位分辨率孔径误差小于 1/2 LSB （LSB指最低有效位）时，A/D 转换速率必须小于2s ，而一般A/D 转换时间远远大于2s。故采用12 位 A/D 转换器对10 Hz 或更高频率动态信号采样时，必须使用采样保持电路，以减小孔径误差。比较先进的A/D芯片本身具有采样保持功能，简化了设计。返回返回(4) A/D 转换、分辨率、量化误差 采样保持使模拟信号在时域离散化，但在幅值域仍然是连续的。量化(A/D 转换)环节使信号在幅值域离散化。关于量化的具体细节请参阅
42、有关专业书籍，此处仅涉及与应用有关且十分重要的分辨率和量化误差问题。 量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于用有限数字对模拟数值进行离散取值(量化)而引起的误差。理论上量化误差为一个单位分辨率，即 1/2 LSB，提高分辨率可以减少量化误差。返回返回(5) 采样定理和抗混叠滤波 两次采样的间隔时间决定于A/D转换、采样、通道个数以及程序。采样间隔时间的倒数是采样频率。奈奎斯特采样定理的内容是:为了使采样输出信号能无失真地复现原输入信号， 必须使采样频率至少为输入信号最高有效频率的两倍，否则会出现频率混叠误差。抗混叠滤波的作用是依据采样定理，滤除输入信号过高的频率成分，减小混叠误差。返回返回(
43、6) A/D 转换时间与转换速率 A/D 转换器完成一次转换所需要的时间为 A/D 转换时间，其倒数为转换速率。目前，转换时间最短的是全并行式A/D转换器，转换时间可达为10ns。 逐次比较式A/D转换器的转换时间可达0.4s， 双积分A/D转换器的转换时间一般要大于4050s。 采样定理和减小孔径误差都要求转换时间越小越好，转换速率越高越好。目前速度最快的全并行式A/D转换器价格比较贵，且分辨率低。双积分式 A/D 转换器速度慢，但价格便宜，抗干扰能力强。逐次比较式A/D转换器的速度和价格居中，分辨率远高于并行式A/D转换器，是目前种类最多、数量最大、应用最广的A/D转换器。返回返回(7)
44、转换精度 A/D 转换器的转换精度反映了实际A/D转换器的量化值与理想值的差值，可表示成绝对误差或相对误差。例如，手册上给出ADC0801八位逐次比较式A/D转换器的不可调整的总误差小于1/4LSB，如以相对误差表示则为 0.1。返回返回返回返回ST CLKEOCD0D7IN0IN7ABCALE八位转换器A/D三态输出锁存器VCCGNDOEVR(+)VR(-)38地址锁存与译码八路模拟量开关.返回返回 ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，它有8个模拟量输人通道，芯片内带通道地址译码锁存器，输出经三态输出数据锁存器，启动信号为脉冲启动方式，每一通道的转换时间大约为100s。 A/D转换接
45、口返回返回ST CLKEOCD0D7IN0IN7ABCALE八位转换器A/D三态输出锁存器VCCGNDOEVR(+)VR(-)38地址锁存与译码八路模拟量开关.CLK：时钟信号，可由单片机ALE信号分频得到。：返回返回写信号、P2.0有效时，启动AD转换。转换结束后，输出高电平，向CPU发出中断请求读信号、P2.0有效时，允许输出AD转换结果。转换时钟由ALE分频得到。803174LS373ADC08092CLKD0-D711111GEOCSTALEOERDP2.0WRINT1ALEP0A0-A7A0 A1 A2ABCVR(+)VR(-)+5VGNDIN0IN7IN6IN5IN4IN3IN2I
46、N1转换结果由此输出返回返回通道选择表通道选择表选择的通道选择的通道0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 1 1 1 0 1 1 1 IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7C B A 8031A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00809STCBA 0000 0111 C、B、A输入的通道地址在ALE有效时被锁存，启动信号START启动后开始转换，但EOC是在START下降沿10s后才变为无效的低电平，这要求查询程序待EOC无效后再开始查询，转换结束后由OE产生信号输出数据。返回返回ORG 0000H ；主程序入口地址 AJM
47、P MAIN ；跳转主程序 ORG OO13H ；中断入口地址 AJMP INT1 ；跳转中断服务程序 MAIN：SETB IT1 ；边沿触发 SETB EA ；开中断 SETB EX1 ；允许中断 MOV DPTR，#0007H ；指向0809 IN7通道地址返回返回 MOVX DPTR,A；启动A/D转换 SJMP $；等待中断INT1: MOVX A,DPTR ；读A/D转换结果 MOV B,A；存数 RETI ；返回返回返回ORG 0000H ；主程序入口地址 AJMP MAIN ；跳转主程序 ORG 1000H ；中断入口地址MAIN： MOV DPTR，#0007H ；指向0809
48、 IN7通道地址 MOVX DPTR,A；启动A/D转换 L1: JB P3.3 L1;查询 MOVX A,DPTR ；读A/D转换结果 MOV B,A；存数 SJMP $返回返回n在机电一体化产品中，很多被控对象要求模拟量作控制在机电一体化产品中，很多被控对象要求模拟量作控制信号，如交流电动机变频调速器、直流电动机调速器、信号，如交流电动机变频调速器、直流电动机调速器、滑差电动机调速器等，而计算机系统是数字系统，需要滑差电动机调速器等，而计算机系统是数字系统，需要数字到模拟的转换接口数字到模拟的转换接口 ，也即为，也即为D/A转换接口。转换接口。控制量输出接口控制量输出接口返回返回 在机电一
49、体化产品的控制系统中，当计算机完成控制运算处理后，通过输出通道向被控对象输出控制信号。计算机输出的控制信号主要有三种形态：数字量、开关量和频率量，而被控对象接收的控制信号除上述三种直接由计算机产生的信号外，还有模拟量控制信号，该信号需通过D/A变换产生。D/A转换接口返回返回 D/A转换器就是将每一位代码按“权”的分配进行模拟，具体地说，某一位二进制是“0”就不予理睬，某一位二进制是“1”就按该位的权的大小分配给一定的电压值。这里基准电压源是必不可少的。分配给一定电压往往是用不同电阻实现的。有了权电阻网络和基准电压，再加上电子开关就能组成最简单的D/A转换器。D/A转换接口返回返回 R-2R网
50、络型DA转换器主要由三部分构成，即R-2R电阻网络和受输入数字量控制的电子开关组及运算放大器构成的电流电压转换器。电子开关组受输入二进制数据D0D7控制，当某一位为“1”时，电子开关闭合，当某一位为“0”时，则电子开关断开。D/A转换基本原理返回返回n根据模拟电子技术知识，可知n 这个电路并不实用，原因是各电阻相差太大，不宜集成。但这个电路给出了权电阻网络实现D/ A转换的基本思想，实用电路原理都是以此为依据制作的。 20212223201234ddddVVREFOUTD/A转换基本原理返回返回DAC0832DAC0832是一个八位是一个八位D/AD/A转换器，转换时间转换器，转换时间1 1微
