1、第第2 2章章 输入输出接口与过程通道输入输出接口与过程通道概述概述采样和量化采样和量化模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输出通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输入通道数字量输出通道数字量输出通道工业控制计算机工业控制计算机I/O模板模板10/6/202212.12.1概述概述主机主机过程控制通过程控制通道道A/DD/AD/ID/O操作台（通讯）操作台（通讯）控制对象（系统）控制对象（系统）CPUMEM 图图1.4 典型的计算机控制系统的硬件组成框图典型的计算机控制系统的硬件组成框图10/6/20222 接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁
2、，它包括输入接口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。何交换信息的技术。过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接
3、口，因此产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。分。10/6/20223人对 象人 机接 口计 算 机I/O通 道10/6/20224模拟量输入通道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），转换为数字信号送给计度、压力、流量速度、液位等），转换为数字信号送给计算机。算机。模拟量输出通道模拟量输出通道则把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信则把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
4、行机构，实现对生产过程或设号（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。备的控制。开关量输入通道开关量输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号和脉冲把反映生产过程或设备工况的开关信号和脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给计算机。信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给计算机。开关量输出通道开关量输出通道把计算机的控制信号送给那些接受开关信号的把计算机的控制信号送给那些接受开关信号的执行机构和显示、指示装置：如两位阀门、指示灯、步进执行机构和显示、指示装置：如两位阀门、指示灯、步进电机及继电器灯装置。电机及继电器灯装置。过程通道的分类与基本结构过程通道的分类与基本结构10/6/2
5、0225模拟量输入通道模拟量输入通道10/6/20226模拟量输出通道模拟量输出通道10/6/20227数字量输入通道数字量输入通道10/6/20228数字量输出通道10/6/20229LEDLED显示器及其接口技术显示器及其接口技术 nLED（发光二极管）显示器件是计算机控制系统中（发光二极管）显示器件是计算机控制系统中的廉价输出设备，它由多个发光二极管组成，能显的廉价输出设备，它由多个发光二极管组成，能显示许多种字符。示许多种字符。n图所示为图所示为7段段LED显示器件的结构及外形图。显示器件的结构及外形图。图图 7段段LED显示器件的结构及外形图显示器件的结构及外形图 10/6/2022
6、10LEDLED显示器及其接口技术显示器及其接口技术 显示字符控制显示代码（十六进制数）显示字符控制显示代码（十六进制数）共阴极共阳极共阴极共阳极03FC0A7788106F9b7C8325BA4C39C634FB0d5EA146699E798656D92F718E67D82H7689707F8P738C87F8040BF96F90不显示00FF表表 显示字符与显示字符与7段控制显示代码的对应关系段控制显示代码的对应关系 10/6/202211(1)LED静态显示方式：所谓静态显示就是将N位共阴极LED显示器的阴极连在一起接地，每一位LED的8位段选线与一个8位并行口相连，当显示某一个字符时，
7、相应的发光二极管就恒定地导通或截止。一个4位静态显示电路如图所示。10/6/202212(2)LED动态显示方式：所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。特点是将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个8位IO控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。恰当地选择点亮LED的时间间隔(15 ms)，会给人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在“同时”显示10/6/202213动态LED显示器接口技术 6位动态显示电路位动态显示电路 10/6/202214在图中，控制每个LED显示位轮流接地点亮的代码称为“位选码”。由IO
8、(2)口输出8位代码控制。特点是每次输出只有一位是0(点亮)，其余7位均为1(熄灭)，因此每一位LED都有一个唯一的8位“位选码”。按从左向右轮流显示8位LED的位选码可用8031右移循环指令实现：MOV A，7FH ；点亮左1 LED的位选码LOOP：MOVX DPTR，A ；从IO(2)口输出位选码 RR A ；右移一位，指向下一个LED位 LCALL DELAY ；调延时3 ms子程序 LJMP LOOP ；返回显示下一位LED 10/6/202215n到底哪一位数码管显示，到底哪一位数码管显示，主要取决于位选码。只有主要取决于位选码。只有位选信号位选信号PB端口对应的端口对应的线经驱动
9、器后变为低电平线经驱动器后变为低电平时，对应的位才会发光显时，对应的位才会发光显示。示。n写出动态扫描显示子程序。写出动态扫描显示子程序。设设8255端口端口PA、PB的地的地址分别为址分别为800H、801H，并且并且PA、PB已初始化为已初始化为输出方式，则子程序的流输出方式，则子程序的流程图如图所示。程图如图所示。动态扫描显示子程序流程图 10/6/202216LCDLCD显示器接口技术显示器接口技术 LCD显示器的显示原理显示器的显示原理n在许多的LCD显示装置上，都有背光光源。LCD显示器的基本结构如图所示。图图 LCD显示器基本结构显示器基本结构 10/6/202217LCDLCD
10、显示器接口技术显示器接口技术 LCD器件的驱动方式 nLCD显示器的驱动方式一般分两种：静态驱动方式显示器的驱动方式一般分两种：静态驱动方式和时分隔驱动方式。和时分隔驱动方式。n1静态驱动方式静态驱动方式 n图（图（a）所示为一位）所示为一位LCD数码显示电路图。数码显示电路图。n当某字段上两个电极的电压相位相同时，两极间的当某字段上两个电极的电压相位相同时，两极间的相对电压为相对电压为0，该字段不显示。当字段上两个电极的，该字段不显示。当字段上两个电极的电压相位相反时，两个电极的相对电压为两倍幅值电压相位相反时，两个电极的相对电压为两倍幅值电压，字段呈黑色显示。电压，字段呈黑色显示。10/6
11、/202218LCDLCD显示器接口技术显示器接口技术 图图 一位一位LCD数码显示电路图及驱动波形图数码显示电路图及驱动波形图 10/6/202219LCDLCD显示器接口技术显示器接口技术 n对于对于LED，只要在其两端加上恒定的电压，便可，只要在其两端加上恒定的电压，便可控制其亮、暗状态。而控制其亮、暗状态。而LCD必须采用交流驱动方必须采用交流驱动方式，以避免液晶材料在直流电压长时间的作用下式，以避免液晶材料在直流电压长时间的作用下产生电解，影响其使用寿命。产生电解，影响其使用寿命。n时分隔驱动方式时分隔驱动方式 n当显示字符较多时，驱动电路将会变得非常复杂。当显示字符较多时，驱动电路
12、将会变得非常复杂。在这种情况下，一般采用时分隔驱动方式。在这种情况下，一般采用时分隔驱动方式。图图 在时分隔驱动方式下的电极引线方式图在时分隔驱动方式下的电极引线方式图 10/6/2022203.3 LCD3.3 LCD显示器接口技术显示器接口技术 n从图中的驱动波形可以看出：a，e段上所加的驱动波形是峰值为UO的选择状态，而g段上所加的驱动波形是峰值为1/3UO的非选择状态。图图 工作电压波形图工作电压波形图 10/6/202221LCDLCD显示器接口技术显示器接口技术 点阵式点阵式LCD显示器的接口显示器的接口 n当数码位段式显示器的位段缩变为一个点，许多的点按一定的规则均匀地排列在一起
13、时，便构成了点阵式LCD显示器。图图 采用采用MCS51系列单片机系列单片机8051的接口原理图的接口原理图 10/6/202222人机接口人机接口键盘键盘 2.3.1 2.3.1 非编码键盘非编码键盘 非编码键盘是由一些按键排列成的一个行、列矩阵。按键的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应的程序与之配合，来解决按键的识别，键值的产生以及防止抖动等工作。因此，键盘接口电路和软件程序必须解决以下一些问题：(1)检查是否有键按下。(2)若有键按下，判断是哪一个键并确定其键号或键值。10/6/202223(3)去抖动：一个电压信号是通过机械触点的闭合、断开过程来实现信号传递的，其波形
14、如图2-18所示。抖动时间一般为510 ms。按键的稳定闭合期为几百毫秒到几秒钟时间。为了保证CPU对按键闭合仅作一次键输入处理，必须去除抖动影响,通常可用硬件或软件延时10 ms处理。(4)处理多键同时按下：对于同时有两个以上的键被按下的情况，有两种处理方法。第一，“双键同时按下”。用软件扫描键盘处理，当只有一个键按下时才读取键盘的输出，并认为最后按下的键为有效键。第二，“N键锁定”。多键按下时只处理一个键，任何其他按下又松开的键不产生任何键值；通常第一个被按下或最后一个被松开的键产生键值。这种方法简单实用。10/6/202224(5)键输入软件处理：当有键按下时，单片机应能够完成该按键所设
15、定的功能。一般键盘管理程序是整个应用程序的核心。8031的散转指令JMP A+DPTR可看成是键输入信息的软件接口。图2-19是单片机键输入处理流程图。键盘通过接口与CPU连接，CPU采用查询或中断方式检查有无键按下，再将该键号送A，然后通过散转指令JMP A+DPTR转入执行该键功能的处理程序入口，最后又返回到键盘管理程序的入口。10/6/202225图 单片机键输入处理流程图 对键盘进行扫描延时去抖动查键号送A散转：JMPADPTR0号键处理程序1号键处理程序返回键盘返回键盘N号键处理程序返回键盘有键按下吗？NY10/6/202226图2-18 按键闭合及断开时的电压抖动 10/6/202
16、2272.2 2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道AIAI2.2.1 组成组成模拟量输入通道模拟量输入通道一般由一般由I/V变换，多路转换器，采样保持器、变换，多路转换器，采样保持器、A/D转换器、转换器、I/O接口及控制逻辑组成。接口及控制逻辑组成。采采样样保保持持器器I/O主主机机控制逻辑控制逻辑A/D多多路路转转换换器器信号信号调理调理或或I/VI/V变换变换变变送送器器过过程程参参数数保保持持器器接接口口电电路路模拟量输入通道模拟量输入通道过程参数由过程参数由传感元件传感元件和和变送器变送器测量并转换为标准的测量并转换为标准的电流电流形式后形式后送至送至I/V变换器变换器；在微机的控制
17、下，由；在微机的控制下，由多路开关多路开关将各个过程将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实转换，实现过程参数的巡回检测。现过程参数的巡回检测。10/6/2022282.2.2 2.2.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换一、信号调理一、信号调理信号调理主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、信号调理主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化及隔离等方法将非电信号和非标准信滤波、线性化及隔离等方法将非电信号和非标准信号转换成标准的电信号。是传感器和转换以号转换成标准的电信号。是传感器和转换以及和执行机构之间的桥梁。及
18、和执行机构之间的桥梁。1 1、非电信号的检测、非电信号的检测不平衡电桥不平衡电桥作用：是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电作用：是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路。压或电流输出的一种测量电路。特点：具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补特点：具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点。偿等优点。10/6/202229下图为一个用热敏电阻来测量温度的测量电桥。电阻下图为一个用热敏电阻来测量温度的测量电桥。电阻R1,R2,R3R1,R2,R3为精密电阻，为精密电阻，R RPtPt为热敏电阻，为热敏电阻，E E端接激励端接激励源，源，A,BA,B端接到后级
19、的测量放大电路端接到后级的测量放大电路一般情况下：一般情况下：R2R2R3,R1=100R3,R1=100欧，欧，0 0时，时，R RPtPt为为100欧，此时电桥欧，此时电桥平衡，输出为平衡，输出为0。当温度变化时，当温度变化时，R RPtPt的阻值是温度的阻值是温度的函数为：的函数为：为电阻温度系数，为电阻温度系数，t为温度为温度RRttRRPt00)()(t10/6/202230因此，某温度下，产生不平衡电压因此，某温度下，产生不平衡电压,由不平衡电压推由不平衡电压推算出温度值。算出温度值。注意：工业中用热敏电阻测量温度，当测量电路离控注意：工业中用热敏电阻测量温度，当测量电路离控制柜很
20、远时，热敏电阻与调理电路之间连接宜采制柜很远时，热敏电阻与调理电路之间连接宜采用三线制，而不是两线制用三线制，而不是两线制接法。因采用两线制，由接法。因采用两线制，由于导线电阻存在，容易产于导线电阻存在，容易产生误差。热敏电阻与调理生误差。热敏电阻与调理电路之间三线制接法如图电路之间三线制接法如图10/6/2022312 2、信号放大电路、信号放大电路作用：将弱电信号放大成需要的标准电信号。如上作用：将弱电信号放大成需要的标准电信号。如上述电桥输出电压一般达不到要求的标准电压，故述电桥输出电压一般达不到要求的标准电压，故需要放大器放大。需要放大器放大。选择因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等选
21、择因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等常见器件：常见器件：uA741,LF347(低精度低精度)OP-07,OP-27(中等精度中等精度)ICL7650(高精度高精度)两线制：仪表到控制柜或者计算机只有两根线两线制：仪表到控制柜或者计算机只有两根线三线制：仪表到控制柜或者计算机有三根线三线制：仪表到控制柜或者计算机有三根线10/6/202232二、二、I/VI/V变换变换1、无源、无源I/V变换变换无源无源I/V变换如图所示：变换如图所示：R2为精密电阻为精密电阻2IRV 当输入电流当输入电流I范围已知时，输出电压范围已知时，输出电压V的范围就确定。的范围就确定。如：当输入如：当输入I为为01
22、0mA时，取时，取R2=500欧，则欧，则V=05V 当输入当输入I为为420mA时，取时，取R2=250欧，则欧，则V=15V思考：图中思考：图中R1和电容和电容C起什么作用？二极管起什么作用？二极管D作用是什么？作用是什么？滤波和输出限幅滤波和输出限幅10/6/2022332 2、有源、有源I/VI/V变换变换有源有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，图中电容成，图中电容C起滤波。起滤波。10/6/2022342 2、有源、有源I/VI/V变换变换有源有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组变换如图，利用有源器件运算放大器和
23、电阻组成，图中电容成，图中电容C起滤波。起滤波。根据理想运算放大器知识根据理想运算放大器知识：,由短路特性得由短路特性得 故故当输入当输入I为为010mA时，取时，取R1=200欧，则欧，则Vi=02V取取R3=100千欧，千欧，R4=150千欧，则千欧，则A=2.5,则输出为则输出为05V当输入当输入I为为420mA时，取时，取R1=200欧，则欧，则Vi=0.84V取取R3=100千欧，千欧，R4=25千欧，则千欧，则A=1.25,则输出为则输出为15V341RRVVVVAiVV1IRVViVRRRV43310/6/2022352.2.3 2.2.3 多路转换器多路转换器()()多路转换器
24、也称多路开关。多路转换器也称多路开关。作用作用：是用于切换模拟电压信号的关键元件，可将各：是用于切换模拟电压信号的关键元件，可将各个模拟输入信号依次或随即地接到公用放大器上或个模拟输入信号依次或随即地接到公用放大器上或A/D转换器上，完成转换器上，完成“多到一多到一”的转换。的转换。要求：理想开关是开路状态时电阻无穷大，接通时电要求：理想开关是开路状态时电阻无穷大，接通时电阻为阻为0，切换快、噪音小、寿命长、工作可靠。，切换快、噪音小、寿命长、工作可靠。常用多路开关有：常用多路开关有：CD4051,AD7501,LF13508等。等。10/6/2022362.2.4 2.2.4 采样、量化及采
25、样采样、量化及采样/保持器保持器一、信号的采样一、信号的采样：采样：采样：计算机每隔一定的时间间隔逐点的采入模拟信号的瞬时计算机每隔一定的时间间隔逐点的采入模拟信号的瞬时值的过程。值的过程。采样开关采样开关K K（采样器（采样器）：执行采样过程的装置。）：执行采样过程的装置。采样周期采样周期：采样开关每次通断的时间间隔：采样开关每次通断的时间间隔T T。采样时间（采样宽度）采样时间（采样宽度）：采样开关每次闭合的时间：采样开关每次闭合的时间。理想采样开关理想采样开关：当：当 ，称为理想采样开关。，称为理想采样开关。采样开关的波形如下图采样开关的波形如下图010/6/202237采样信号采样信号
26、y y*(t t)：时间上离散，幅值上连续的信号：时间上离散，幅值上连续的信号采样过程采样过程：将时间和幅值均连续的模拟信号：将时间和幅值均连续的模拟信号y y(t t)变换变换为采样信号的过程称为为采样信号的过程称为采样过程采样过程或离散过程。或离散过程。信号的采样过程表示如下信号的采样过程表示如下：KTy(t)y*(t)KTy(t)y*(t)0普通采样开关理想采样开关10/6/202238思考：由采样过程知，连续信号经过采样以后所得采思考：由采样过程知，连续信号经过采样以后所得采样信号样信号y y*(t t)不是取全部时间上的信号值，而是取不是取全部时间上的信号值，而是取某些时间上的值，即
27、某些时间上的值，即y y*(t t)是是y y(t t)的取样？的取样？那么处那么处理后的采样信号会不会造成原来信号的丢失呢？理后的采样信号会不会造成原来信号的丢失呢？也就是说是否能由处理后的采样信号来复现原来也就是说是否能由处理后的采样信号来复现原来的模拟信号的模拟信号y y(t t)呢？呢？问题就取决于采样周期问题就取决于采样周期T的大小。的大小。香农采样定理：当采样频率香农采样定理：当采样频率f2fmax(模拟信号的最高模拟信号的最高频率），那么采样信号频率），那么采样信号y*(t)就能唯一地复现就能唯一地复现y(t)。实际应用中，常取实际应用中，常取 f（510）fmax。10/6/2
28、02239二、信号的量化二、信号的量化背景：采样信号是时间上离散、幅值上连续的信号，背景：采样信号是时间上离散、幅值上连续的信号，本质是离散的模拟信号，不能直接进入计算机。本质是离散的模拟信号，不能直接进入计算机。含义：含义：用一组二进制码来逼近采样信号的幅值。将用一组二进制码来逼近采样信号的幅值。将采样信号的幅值变为数字信号采样信号的幅值变为数字信号D D。量化过程：量化过程：将采样信号转化为数字信号的过程。将采样信号转化为数字信号的过程。物理器件：物理器件：A/DA/D转换器。转换器。量化单位量化单位q q：设设A/D A/D 转换器的位数为转换器的位数为n(n(分辨率分辨率)，采，采样信
29、号的幅值变化范围为样信号的幅值变化范围为 则量化单位则量化单位maxmin yy10/6/202240量化过程实际是一个用量化过程实际是一个用q去度量采样幅值高低的小数去度量采样幅值高低的小数归整过程归整过程。由于量化过程是一个由于量化过程是一个小数归整小数归整过程，因而存在过程，因而存在量化误量化误差差，量化误差量化误差是是q q/2/2。假如假如q q20mV,20mV,则量化误差为则量化误差为10mV,10mV,当某时刻采样信当某时刻采样信号的幅值是号的幅值是1V1V时，量化结果是多少？时，量化结果是多少？12minmaxnyyq50201000)()(mVqmVVDin10/6/202
30、241当采样信号的幅值是当采样信号的幅值是0.990V0.990V时，量化结果是多少？时，量化结果是多少？5045.50201009)()(mVqmVVDin当某时刻采样信号的幅值是当某时刻采样信号的幅值是1.009V1.009V时，量化结果是多少？时，量化结果是多少？结论：结论：q q20mV20mV,幅值为幅值为0.990V-1.009V0.990V-1.009V范围内时的采范围内时的采样信号，其量化结果都是样信号，其量化结果都是50.50.因为量化误差为因为量化误差为q q/2/2 10mV,10mV,A/DA/D转换器的位数越高，量化单位转换器的位数越高，量化单位q q越小，量化越精确
31、。越小，量化越精确。505.4920990)()(mVqmVVDin10/6/202242三、信号的保持信号的保持因为因为A/DA/D转换器转换过程（信号的量化过程）需要一转换器转换过程（信号的量化过程）需要一定时间，如果在信号的量化过程中现场输入电压信号定时间，如果在信号的量化过程中现场输入电压信号变化快且其幅值变化超过变化快且其幅值变化超过q q/2/2，就不能保证，就不能保证A/DA/D转换转换精度。因此，采样信号在进入精度。因此，采样信号在进入A/DA/D转换器之前转换器之前一般一般需需要将其保持。要将其保持。信号的保持：信号的保持：将采样信号将采样信号T T时刻的幅值保持到时刻的幅值
32、保持到T+1T+1时刻时刻的过程。的过程。完成信号保持的装置：保持器完成信号保持的装置：保持器10/6/202243保持器信号保持过程信号保持过程通常，将采样功能和保持功能集成在一起，称其为采通常，将采样功能和保持功能集成在一起，称其为采样保持器。样保持器。10/6/202244四、采样保持器四、采样保持器1 1、孔径时间和孔径误差的消除、孔径时间和孔径误差的消除孔径时间：完成一次孔径时间：完成一次A/DA/D转换所需要的时间。转换所需要的时间。孔径误差：每一个采样时刻的最大转换误差。孔径误差：每一个采样时刻的最大转换误差。对于一个时变的模拟信号而言，孔径时间决定孔径误对于一个时变的模拟信号而
33、言，孔径时间决定孔径误差。差。正弦模拟信号。对于一定的转换时间，因为正弦模拟信号。对于一定的转换时间，因为 在在0 0时刻最大，所以误差最大可能发生在信号过时刻最大，所以误差最大可能发生在信号过0 0的时刻。的时刻。所以在原点有：所以在原点有：dtdUDAmftUU/210/6/2022452 2、原理、原理采样保持器的基本组成电路如图：由输入输出缓冲器采样保持器的基本组成电路如图：由输入输出缓冲器A A1 1、A A2 2和和采样开关采样开关S S、保持电容、保持电容C CH H组成。组成。误差百分数为误差百分数为所以，为了确保所以，为了确保A/DA/D转换的精度，要么必须限制输入信号的频率
34、转换的精度，要么必须限制输入信号的频率范围。或者加采样保持器，提高模拟输入信号的频率范围。范围。或者加采样保持器，提高模拟输入信号的频率范围。结论：为达到转换所规定的精度，要求结论：为达到转换所规定的精度，要求A/DA/D转换器在转换时间内转换器在转换时间内将输入模拟量的变化幅度应小于将输入模拟量的变化幅度应小于A/DA/D转换量化误差转换量化误差1002100/DAmftUU10/6/202246工作原理：采样时，工作原理：采样时，S S闭合，闭合，VINVIN通过通过A1A1对对CHCH快速充电，快速充电，VOUTVOUT跟随跟随VINVIN；保持期间，；保持期间，S S断开，因断开，因A
35、2A2的输入阻抗高，的输入阻抗高，VOUTVOUTVCVC保持不变。采样器一旦进入保持，马上启动保持不变。采样器一旦进入保持，马上启动A/DA/D转换器，确保转换期间输入恒定。转换器，确保转换期间输入恒定。3 3、常见采样保持器、常见采样保持器常用采样保持器有常用采样保持器有LF398LF398、AD582AD582等等。注意：当被测量信号变化缓慢，注意：当被测量信号变化缓慢，A/DA/D转换时间足够短，转换时间足够短，可以不加采样保持器。可以不加采样保持器。10/6/2022472.4.5 A/D2.4.5 A/D转换器转换器一、一、A/D转换器工作原理转换器工作原理定义：实现采样和量化过程
36、的器件定义：实现采样和量化过程的器件原理：将输入电压与已知电压原理：将输入电压与已知电压比较比较进行的。进行的。比较将按某一方式获得的数字量比较将按某一方式获得的数字量D D转换成电压模拟量转换成电压模拟量U0U0，同时将同时将U0U0和输入模拟电压和输入模拟电压UxUx比较，若两者相等，则数比较，若两者相等，则数字量字量D D就是对输入模拟量就是对输入模拟量UxUx转换的结果，若不等则进一转换的结果，若不等则进一步修数字量步修数字量D D，直至，直至U0U0UxUx为止。为止。二、二、A/DA/D转换器基本结构转换器基本结构根据采用的比较原理分直接比较式根据采用的比较原理分直接比较式A/DA
37、/D转换器和间接比转换器和间接比较式较式A/DA/D转换器。转换器。直接比较式：计数式、逐次逼近式和并行比较式直接比较式：计数式、逐次逼近式和并行比较式间接比较式：双积分间接比较式：双积分A/DA/D转换器转换器10/6/2022481 1、并行、并行A/DA/D转换器转换器 思想：思想：REFIoREFIooVuuVuuuminmaxu uI I为输入电压，为输入电压，V VREFREF为已知的参考电压。比较器输出为已知的参考电压。比较器输出u uo o为为0 0或者或者1 1，因此该比较器就是输出为一位的，因此该比较器就是输出为一位的A/DA/D转换器。转换器。特点：由于转换是并行的，因而
38、是转换速度最快；随特点：由于转换是并行的，因而是转换速度最快；随着分辨率着分辨率n n的提高，比较器数目按几何级数的提高，比较器数目按几何级数2 2n n-1-1增加增加,因此该种因此该种A/DA/D转换器分辨率较低。转换器分辨率较低。10/6/2022492 2、逐次逼近、逐次逼近A/DA/D转换器转换器 思想：类似于用天平称重，由思想：类似于用天平称重，由D/AD/A转换转换器从高位到低位逐位增加转换位数，产器从高位到低位逐位增加转换位数，产生不同的已知电压，将输入电压逐次与生不同的已知电压，将输入电压逐次与这些电压比较而实现。其结构如图：这些电压比较而实现。其结构如图：转换过程为：启动开
39、始，控制逻辑给逐转换过程为：启动开始，控制逻辑给逐次逼近寄存器次逼近寄存器SARSAR最高位置最高位置1 1，SARSAR的数的数字量给字量给D/AD/A转换输出转换输出Uc.UcUc.Uc和模拟输入电和模拟输入电压压UxUx在比较器上比较；若在比较器上比较；若UcUcUxUx，则确，则确认最高位为认最高位为1 1的同时置次高位为的同时置次高位为1 1；若；若UcUc UxUx，则将最高位清零，同时转置次，则将最高位清零，同时转置次高位为高位为1 1；如此由最高位至最低位逐一；如此由最高位至最低位逐一比较。比较。SAR SAR的输出数字量即为的输出数字量即为UxUx的转换的转换数字量数字量10
40、/6/2022503 3、双积分式、双积分式A/DA/D转换器转换器思想：对模拟输入电压和参考电压进行积分，变换成思想：对模拟输入电压和参考电压进行积分，变换成与模拟输入电压平均值成正比的时间间隔，然后将该与模拟输入电压平均值成正比的时间间隔，然后将该时间间隔转换成计数脉冲，最后将代表模拟量输入电时间间隔转换成计数脉冲，最后将代表模拟量输入电压大小的脉冲数转换成压大小的脉冲数转换成BCDBCD码输出。码输出。特点：抗干扰能力强，转换速度慢。特点：抗干扰能力强，转换速度慢。特点：精度高，速度快，转换时间固定，易于微机接特点：精度高，速度快，转换时间固定，易于微机接口，广泛应用于计算机控制系统中。
41、口，广泛应用于计算机控制系统中。10/6/202251三、三、A/D转换器主要技术指标转换器主要技术指标（1 1）分辨率）分辨率是衡量是衡量A/D转换器分辩模拟量最小变化程转换器分辩模拟量最小变化程度的技术指标，通常用数字量的位数度的技术指标，通常用数字量的位数n（字长）来（字长）来表示。表示。分辨率分辨率为为n位，表示能对满量程输入的位，表示能对满量程输入的1/21/2n的增量作出的增量作出反应，即数字量的反应，即数字量的最低有效位最低有效位(LSB)对应于对应于满量程满量程输入的输入的1/2n。假设假设n8 8，满量程输入为，满量程输入为5.12V5.12V，则，则，LSB对应于模拟电压对
42、应于模拟电压 5.12V/28=20mV即，即，q 20mV 20mV10/6/202252（2）转换时间）转换时间是指是指A/D转换器完成一次模拟到数字转转换器完成一次模拟到数字转换所需要的时间。换所需要的时间。（3）线性误差）线性误差是指是指A/D转换器的理想转换特性（量化转换器的理想转换特性（量化特性）应该是特性）应该是线性线性的，但实际转换特性并非如此。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差定义为线性误差线性误差。线性误差线性误差通常用通常用LSB表示，如表示，如LSB/2，或，或1LSB。（4）量
43、程）量程是指所能转换的输入电压范围，如是指所能转换的输入电压范围，如55V，010V，05V。（5）对基准电源的要求）对基准电源的要求 基准电源的精度对整个系统基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响，可考虑外接精密基准电源。的精度产生很大影响，可考虑外接精密基准电源。10/6/202253四、常用四、常用A/DA/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术ADC0809是一种带有是一种带有8通道模拟开关的通道模拟开关的8位逐次逼近式位逐次逼近式的的A/D转换器转换器，其转换时间，其转换时间100ss，线性误差，线性误差LSB/2LSB/2。8通道输入通道输入通道选择通道选择数字数字输出输出8通
44、道8通道模拟模拟开关开关DOODO7EOC控制与时序控制与时序三态输三态输出锁存出锁存缓冲器缓冲器(1)GNDVREFCBAALEVIN0地址锁存地址锁存和译码和译码256R256RT型电阻网络T型电阻网络开关树开关树SARSARAOEVREFVCCVIN7VIN6VIN5VIN4VIN3VIN2VIN1CLOCKSTARTA/D转换器转换器10/6/202254（1）8 8通道模拟开关及通道选择逻辑，实现通道模拟开关及通道选择逻辑，实现8 8选选1 1操作操作。CBA的组合的组合 000111，对应，对应VIN0VIN7；8通道8通道模拟模拟开关开关DOODO7EOC控制与时序控制与时序三态
45、输三态输出锁存出锁存缓冲器缓冲器(1)GNDVREFCBAALEVIN0地址锁存地址锁存和译码和译码256R256RT型电阻网络T型电阻网络开关树开关树SARSARAOEVREFVCCVIN7VIN6VIN5VIN4VIN3VIN2VIN1CLOCKSTART8通道输入通道输入通道选择通道选择数字数字输出输出A/D转换器转换器10/6/202255地址锁存允许信号地址锁存允许信号ALE（正脉冲）完成通道选择信号（正脉冲）完成通道选择信号CBA的锁存，并把的锁存，并把CBA对应的通道的模拟量送入对应的通道的模拟量送入A/D转换器。转换器。8通道8通道模拟模拟开关开关DOODO7EOC控制与时序控
46、制与时序三态输三态输出锁存出锁存缓冲器缓冲器(1)GNDVREFCBAALEVIN0地址锁存地址锁存和译码和译码256R256RT型电阻网络T型电阻网络开关树开关树SARSARAOEVREFVCCVIN7VIN6VIN5VIN4VIN3VIN2VIN1CLOCKSTARTA/D转换器转换器10/6/2022568通道8通道模拟模拟开关开关DOODO7EOC控制与时序控制与时序三态输三态输出锁存出锁存缓冲器缓冲器(1)GNDVREFCBAALEVIN0地址锁存地址锁存和译码和译码256R256RT型电阻网络T型电阻网络开关树开关树SARSARAOEVREFVCCVIN7VIN6VIN5VIN4V
47、IN3VIN2VIN1CLOCKSTART8通道输入通道输入通道选择通道选择A/D转换器转换器（2）8位位A/D转换器转换器对输入对输入端端VINi进行转换。当进行转换。当STARTSTART上收到一个启动转换命令（正脉冲），上收到一个启动转换命令（正脉冲），A/D转换转换器开始器开始转换，转换，100100ss左右后转换结束，结果左右后转换结束，结果D(D0 2n-1)存入三态锁存缓冲器存入三态锁存缓冲器。VINiD10/6/2022578通道8通道模拟模拟开关开关DOODO7EOC控制与时序控制与时序三态输三态输出锁存出锁存缓冲器缓冲器(1)GNDVREFCBAALEVIN0地址锁存地址锁
48、存和译码和译码256R256RT型电阻网络T型电阻网络开关树开关树SARSARAOEVREFVCCVIN7VIN6VIN5VIN4VIN3VIN2VIN1CLOCKSTART8通道输入通道输入通道选择通道选择A/D转换器转换器D转换结束时，转换结束时，EOCEOC信号由低电平变为高电平，通知信号由低电平变为高电平，通知CPUCPU读结果。读结果。CPUCPU可用查询方式或中断方式读此数据。可用查询方式或中断方式读此数据。10/6/202258（3 3）三态输出锁存缓冲器用于存放转换）三态输出锁存缓冲器用于存放转换结果结果D。输出允许信号输出允许信号OE高电平时，高电平时，D由由DO0DO7输出
49、；输出；输出允许信号输出允许信号OE低电平时，低电平时，DO0DO7高阻。高阻。8通道8通道模拟模拟开关开关DOODO7EOC控制与时序控制与时序三态输三态输出锁存出锁存缓冲器缓冲器(1)GNDVREFCBAALEVIN0地址锁存地址锁存和译码和译码256R256RT型电阻网络T型电阻网络开关树开关树SARSARAOEVREFVCCVIN7VIN6VIN5VIN4VIN3VIN2VIN1CLOCKSTART8通道输入通道输入通道选择通道选择A/D转换器转换器VINiD10/6/202259A/DA/D转换器的接口技术转换器的接口技术A/DA/D转换器可直接与转换器可直接与PCPC相连，但为便于
50、简化接口，常相连，但为便于简化接口，常通过通用并行接口，比如通过通用并行接口，比如8255A8255A。VREF-8255A8255AIN0D70ADC0809ADC0809VCC+5VPA70OEGNDVREF+PC7EOCIN7+5VSTARTALEBACPC0PC1PC2PC3CLKCLK接接PCPC总线总线8255A8255A的的A A、C C口工作于方式口工作于方式0 0，C C口上半部分为输出，口上半部分为输出，C C口下半部分为输入，口下半部分为输入，A A口为输入。口为输入。EOCEOC信号连接到信号连接到PCPC7 7，CPUCPU通过查询通过查询PCPC7 7，控制数据输入
