1、第第3 3章章 接口与过程通道配置技术接口与过程通道配置技术 2022-11-27微机控制技术2内容提要：内容提要：3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 面向过程通道的接口技术面向过程通道的接口技术3.3 3.3 模拟输入过程通道配置模拟输入过程通道配置3.4 3.4 模拟输出过程通道配置模拟输出过程通道配置3.5 3.5 开关量输入过程通道配置开关量输入过程通道配置3.6 3.6 开关量输入过程通道配置开关量输入过程通道配置2022-11-27微机控制技术33.1 3.1 概述概述接口与过程通道的区别和联系：接口与过程通道的区别和联系：过程通道的基本任务：信号获取、转换及传递过程通道的基本
2、任务：信号获取、转换及传递接口的基本任务：数字信号传递接口的基本任务：数字信号传递 一般来说计算机无法直接接收和处理生产过程一般来说计算机无法直接接收和处理生产过程的实际信息。的实际信息。（1）输入过程通道的信号获取、转换、传递环节：）输入过程通道的信号获取、转换、传递环节：（2）输出过程通道的信号获取、转换、传递环节：）输出过程通道的信号获取、转换、传递环节：v接口电路的结构、编程方法：接口电路的结构、编程方法：v（1）传递数据的方式分为无条件、查询、中断）传递数据的方式分为无条件、查询、中断等。等。v（2）应具备数据格式转换、数制转换、实时中）应具备数据格式转换、数制转换、实时中断管理等接
3、口的一般功能；断管理等接口的一般功能；v（3）接口电路的明显特征是它必须深入过程通）接口电路的明显特征是它必须深入过程通道内部对过程通道中各子环节，如多路转换、可道内部对过程通道中各子环节，如多路转换、可编程放大、采样编程放大、采样/保持、保持、A/D转换、转换、D/A转换等进转换等进行关系上、功能上、时间上等的有序控制。行关系上、功能上、时间上等的有序控制。2022-11-27微机控制技术4设计过程通道与接口时必须解决的基本问题：设计过程通道与接口时必须解决的基本问题：v（1）输入输出信号形式的转换，尤其是不同能量）输入输出信号形式的转换，尤其是不同能量形式的信号转换；形式的信号转换；v（2
4、）微机与控制对象两个异步工作的系统实现同）微机与控制对象两个异步工作的系统实现同步和通信联络；步和通信联络；v（3）高速的微机与低速的控制对象实现速度匹配；）高速的微机与低速的控制对象实现速度匹配；v（4）数据格式转换、数制转换、）数据格式转换、数制转换、A/D转换、转换、D/A转换、电平转换、功率转换等；转换、电平转换、功率转换等；v（5）微弱信号放大、滤波、整型，强电信号幅度）微弱信号放大、滤波、整型，强电信号幅度衰减、滤波、整型，信号幅度规范；衰减、滤波、整型，信号幅度规范；v（6）数据通道与子环节工作控制的端口分配；）数据通道与子环节工作控制的端口分配；v（7）接口电路中的端口触发、时
5、序及负载能力。）接口电路中的端口触发、时序及负载能力。2022-11-27微机控制技术5v研制接口和过程通道电路使用的器件有三大类：研制接口和过程通道电路使用的器件有三大类：v（1）小规模集成电路功能器件（如运算放大器）小规模集成电路功能器件（如运算放大器等）、逻辑器件（如各类等）、逻辑器件（如各类TTL器件）、分立元件器件）、分立元件等；等；v（2）通用器件，如各类并行、串行）通用器件，如各类并行、串行I/O接口器件、接口器件、中断管理、定时中断管理、定时/计数、键盘计数、键盘/显示等接口器件；显示等接口器件；v（3）专用器件，主要有）专用器件，主要有A/D转换器、转换器、D/A转换器、转换
6、器、集成多路转换电子开关、可编程放大器等等。集成多路转换电子开关、可编程放大器等等。2022-11-27微机控制技术62022-11-27微机控制技术7微计算机微计算机CPUABCBDB工工业业生生产产过过程程数据数据状态状态控制控制过程通道过程通道通 道通 道控 制控 制逻辑逻辑数据数据传送传送端口端口接接口口控控制制逻逻辑辑无数无数据端据端口口1、接口的基本结构、接口的基本结构系统系统总线总线外部外部总线总线3.2 3.2 面向过程通道的接口技术面向过程通道的接口技术3.2.1 3.2.1 接口的基本结构、任务和功能接口的基本结构、任务和功能2022-11-27微机控制技术82、接口电路的
7、基本任务、接口电路的基本任务（1）控制信息的传递路径：控制信息的传递路径：根据控制的任务在众多的信息源中进行选择，以确定根据控制的任务在众多的信息源中进行选择，以确定该该信息传送的路径和目的地信息传送的路径和目的地。（2）控制信息传送的顺序：）控制信息传送的顺序：计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适时地发正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适时地发出一组有序的门控信号。出一组有序的门控信号。接口电路设计中应解决以下问题：接口电路设计中应解决以下问题：（1）触发方式：同步触发、异步触发；）触发方
8、式：同步触发、异步触发；（2）时序；）时序；（3）负载能力。）负载能力。2022-11-27微机控制技术93、接口的功能、接口的功能 （1）寻址功能：确定访问对象及访问对象各部分）寻址功能：确定访问对象及访问对象各部分寄存器；寄存器；（2）输入输出功能：接口根据）输入输出功能：接口根据CPU送来的读送来的读/写控写控制信号，决定当前进行的输入还是输出操作，并从制信号，决定当前进行的输入还是输出操作，并从系统总线上接收来自系统总线上接收来自CPU的数据和控制信号，或者的数据和控制信号，或者将数据或状态信息送到系统总线上；将数据或状态信息送到系统总线上；（3）数据转换功能：串并转换；）数据转换功能
9、：串并转换；（4）联接功能：发就绪信号；）联接功能：发就绪信号；（5）中断管理功能：对于中断控制器的接口；）中断管理功能：对于中断控制器的接口；（6）复位功能；）复位功能；（7）可编程功能。）可编程功能。2022-11-27微机控制技术10（1）端口：）端口：一个一个I/O接口一般包括若干个端口，通常可分接口一般包括若干个端口，通常可分为为数据端口数据端口、状态端口状态端口以及以及控制端口控制端口，而每个端，而每个端口都有一个端口地址号。口都有一个端口地址号。4 4、端口及其编址方法、端口及其编址方法（2）输入输出接口的编址方式：）输入输出接口的编址方式：微处理器不论是与存储器还是与微处理器不
10、论是与存储器还是与I/O接口交换的信息接口交换的信息都是利用同一数据总线来传送的。都是利用同一数据总线来传送的。2022-11-27微机控制技术111、直接传送方式、直接传送方式 地址译码器地址译码器11输出锁存器输出锁存器输入缓冲器输入缓冲器通道通道简单输出简单输出通道通道简单输入简单输入CPU地址总线地址总线数据总线数据总线RDWRCSCS3.2.2 3.2.2 接口的数据传送方式接口的数据传送方式 2022-11-27微机控制技术122、查询传送方式、查询传送方式 输入状态输入状态准备就绪？准备就绪？数据输入数据输入YN数据查询输入流程图数据查询输入流程图输出状态输出状态空闲？空闲？数据
11、输出数据输出YN数据查询输出流程图数据查询输出流程图 条件传送方式条件传送方式2022-11-27微机控制技术13通道通道A准备就绪？准备就绪？通道通道B准备就绪？准备就绪？通道通道N准备就绪？准备就绪？通道通道A查询处理程序查询处理程序通道通道B查询处理程序查询处理程序通道通道N查询处理程序查询处理程序YYYNNN多过程通道的查询传送流程图多过程通道的查询传送流程图 在硬件上有中断申请端子，一旦端子上形成有效状态，在硬件上有中断申请端子，一旦端子上形成有效状态，CPU予以予以响应而进入中断服务程序。传送过程在中断服务程序中完成。响应而进入中断服务程序。传送过程在中断服务程序中完成。3、中断传
12、送方式、中断传送方式 2022-11-27微机控制技术14中断中断方式方式查询查询方式方式2022-11-27微机控制技术154、DMA传送方式传送方式：Direct Memory Access，直接存储器存取，直接存储器存取DMA响应响应DMA请求请求发存储器地址发存储器地址传送数据传送数据传送结束？传送结束？DMA结束结束地址增地址增1DMA传送方式的工作过程：传送方式的工作过程：（1）外设通过）外设通过DMA控制器控制器CPU发出发出DMA请求；请求；（2）CPU响应请求，响应请求，DMA控制器从控制器从CPU完全接管对总线的控制权；完全接管对总线的控制权；（3）由外部逻辑对存储器寻址，
13、）由外部逻辑对存储器寻址，DMA控制器决定数据传送地址单元，控制器决定数据传送地址单元，以及传送数据的长度和方向，并执行以及传送数据的长度和方向，并执行数据的传送；数据的传送；（4）判断）判断DMA传送是否结束；传送是否结束；（5）发送）发送DMA结束信号，使结束信号，使CPU恢恢复正常工作状态。复正常工作状态。I/OCPUMI/OM2022-11-27微机控制技术163.2.3 3.2.3 接口扩展接口扩展 A4A3=00，1#74LS138启动启动A4A3=01，2#74LS138启动启动A4A3=10，3#74LS138启动启动A4A3=11，4#74LS138启动启动Y0Y774LS1
14、38(1#)A BC E1 E2 E3Y0Y774LS138(2#)A BC E1 E2 E3Y0Y774LS138(3#)A BC E1 E2 E3Y0Y774LS138(4#)A B C E1 E2 E3+5V+5V+5VA0A1A2A3A4.Q0.Q7.Q8 .Q15.Q16 Q23.Q24 .Q31采用多片地址译码芯片采用多片地址译码芯片74LS13874LS138的地址译码器扩展的地址译码器扩展+5V1 1、端口扩展、端口扩展（1）地址线选扩展）地址线选扩展（2）地址译码扩展：译码器将总线上的二进制地址信号）地址译码扩展：译码器将总线上的二进制地址信号译出，选择译出，选择I/O接口芯
15、片或存储器芯片。接口芯片或存储器芯片。32个个I/O接口端口地址接口端口地址分配号为：分配号为：0000H001FH 2022-11-27微机控制技术1764个个I/O接口端口地址电路接口端口地址电路A B C E1 E2 E374LS138(2#)Y0 Y7 A B C E1 E2 E374LS138(1#)Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7A B C E1 E2 E374LS138(3#)Y0 Y7A B C E1 E2 E374LS138(9#)Y0 Y7+5VA10A11A12A13A14A15Q0 Q7Q8.Q15Q56 .Q63采用采用74LS138构成的多级译码电路构
16、成的多级译码电路的地址译码器扩展的地址译码器扩展2022-11-27微机控制技术18 74 系列器件系列器件 74 器件是器件是TI（Texas Instrument,德州仪器）公司生产的中小规德州仪器）公司生产的中小规模模TTL集成电路芯片，以功耗和速度分类有如下几类：集成电路芯片，以功耗和速度分类有如下几类：（1）74 标准标准TTL（2）74L 低功耗低功耗TTL（3）74S 肖特基型肖特基型TTL（4）74LS 低功耗肖特基型低功耗肖特基型TTL（5）74ALS 高性能型高性能型TTL（6）74F 高速型高速型TTL 对于相同编号（对于相同编号（）、不同类型的芯片，其逻辑功能完全）、不
17、同类型的芯片，其逻辑功能完全一样。一样。单向负载能力扩展：单向负载能力扩展：74LS244、74LS240、74LS07、74LS06、双向负载能力扩展：双向负载能力扩展：74LS2452 2、接口负载能力扩展、接口负载能力扩展 Texas Instruments,TI2022-11-27微机控制技术19 德州仪器是一家位于美国得克萨斯州达拉斯的跨国公德州仪器是一家位于美国得克萨斯州达拉斯的跨国公司，以开发、制造、销售半导体和计算机技术闻名于世，司，以开发、制造、销售半导体和计算机技术闻名于世，主要从事数字信号处理与模拟电路方面的研究、制造和主要从事数字信号处理与模拟电路方面的研究、制造和销售
18、。它在销售。它在25个国家有制造、设计或者销售机构。个国家有制造、设计或者销售机构。包括数字信号处理器、数字模拟转换器、模拟数字转包括数字信号处理器、数字模拟转换器、模拟数字转换器、能源管理、模拟集成电路。换器、能源管理、模拟集成电路。革新历程革新历程2022-11-27微机控制技术20 1954年：年：生产首枚商用晶体管生产首枚商用晶体管 1958年：年：TI工程师工程师Jack Kilby发明首块集成电路发明首块集成电路(IC)1967年：年：发明手持式电子计算器发明手持式电子计算器 1971年：年：发明单芯片微型计算机发明单芯片微型计算机 1973年：年：获得单芯片微处理器专利获得单芯片
19、微处理器专利 1978年：年：推出首个单芯片语言合成器，首次实现低成本语言合成技术推出首个单芯片语言合成器，首次实现低成本语言合成技术 1982年：年：推出单芯片商用数字信号处理器推出单芯片商用数字信号处理器(DSP 1990年：年：推出用于成像设备的数字微镜器件，为数字家庭影院带来曙光推出用于成像设备的数字微镜器件，为数字家庭影院带来曙光 1992年：年：推出单芯片处理器，集成工程工作站所需的全部系统逻辑推出单芯片处理器，集成工程工作站所需的全部系统逻辑 1995年：年：启用实验室，实现因特网上启用实验室，实现因特网上TI DSP应用的监测应用的监测 1996年：年：宣布推出宣布推出0.18
20、微米工艺的微米工艺的Timeline技术，可在单芯片上集成技术，可在单芯片上集成1.25亿个晶体管亿个晶体管 1997年：年：推出每秒执行推出每秒执行16亿条指令的亿条指令的TMS320C6x DSP，全新架构创造，全新架构创造DSP性能记录性能记录 2000年：年：推出每秒执行近推出每秒执行近90亿个指令的亿个指令的TMS320C64x DSP芯片，芯片，刷新刷新DSP性能记录性能记录 推出业界上功耗最低的芯片推出业界上功耗最低的芯片TMS320C55x DSP，推进，推进DSP的便携式应用的便携式应用 2003年：年：推出业界首款推出业界首款ADSL片上调制解调器片上调制解调器-AR7 推
21、出业界速度最快的推出业界速度最快的720MHz DSP,同时演示同时演示1GHz DSP 向市场提供的向市场提供的0.13 微米产品超过微米产品超过1亿件亿件 采用采用0.09 微米工艺开发新型微米工艺开发新型OMAP 处理器处理器主要产品主要产品2022-11-27微机控制技术21无线终端商业单元无线终端商业单元数字光处理（数字光处理（DLP）单片机单片机：MSP430：低价、低功耗、用途广泛的嵌入式：低价、低功耗、用途广泛的嵌入式16位位MCU TMS320：为实时控制应用进行优化的：为实时控制应用进行优化的16/32位位MCU家族家族 16位，整点运算，位，整点运算，20至至40兆赫兆赫
22、 C28X：32位，整点或浮点运算，位，整点或浮点运算，100至至150兆赫兆赫数字信号处理器数字信号处理器：Texas Instruments TMS320 TMS320C2xxx：为控制应用优化的：为控制应用优化的16和和32位数字信号处理器位数字信号处理器 TMS320C5xxx：16位整点低功耗处理器，位整点低功耗处理器，100至至300兆赫兆赫 TMS320C6xxx：高性能数字信号处理器家族，：高性能数字信号处理器家族，300至至1000赫兹赫兹 其他型号包括其他型号包括TMS320C33，TMS320C3x，TMS320C4x，TMS320C5x和和TMS320C8x，以及为移动
23、设备设计的基于，以及为移动设备设计的基于ARM架构的多架构的多核处理器核处理器OMAP系列，如系列，如ARM9，ARM11和和Cortex-A8等。等。2022-11-27微机控制技术22MCS 518255A74LS373GGCSA1A0D0D7RDWRRESET88P2.7ALEP0RDWR+5VPAPBPC888I/O8255A与与MCS 51的一种接口逻辑的一种接口逻辑输入数字输入数字过程通道过程通道输出数字输出数字过程通道过程通道工业工业生产生产过程过程系统系统操作台操作台3.2.4 3.2.4 接口实例接口实例2022-11-27微机控制技术233.3.1 3.3.1 通道基本结构
24、通道基本结构 模拟量输入通道的任务：模拟量输入通道的任务：对过程量（模拟量）进行检测、变换、放大、采样、对过程量（模拟量）进行检测、变换、放大、采样、A/D转换，使其变为二进制数字量并输入到计算机。转换，使其变为二进制数字量并输入到计算机。3.3 3.3 模拟输入过程通道配置模拟输入过程通道配置通道衍变结构图通道衍变结构图2022-11-27微机控制技术253.3.2 3.3.2 信号的拾取方式信号的拾取方式 （1 1）通过敏感元件拾取被测信号：）通过敏感元件拾取被测信号：热敏、光敏、（电）压敏、（压）力敏、磁敏、热敏、光敏、（电）压敏、（压）力敏、磁敏、气敏、湿敏元件气敏、湿敏元件 （2 2
25、）通过传感器拾取被测信号：）通过传感器拾取被测信号：用敏感元件及相应的测量电路、信号传递机构配用敏感元件及相应的测量电路、信号传递机构配以适当外形可以制成各类传感器。以适当外形可以制成各类传感器。（3 3）通过测量仪器仪表拾取被测信号：）通过测量仪器仪表拾取被测信号：通过调节测量仪表直接输出用于通过调节测量仪表直接输出用于A/DA/D转换的标准电转换的标准电压或标准电流。压或标准电流。2022-11-27微机控制技术261、微弱信号放大器原理、微弱信号放大器原理3.3.3 3.3.3 通道放大技术通道放大技术 在实际工程中，来自生产现场的传感器信号往往带在实际工程中，来自生产现场的传感器信号往
26、往带有较大的共模干扰，有较大的共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。以起到很好的抑制作用。因此，因此，A/D通道中的前置放通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器。放大器。测量放大器具有高输入阻抗、低失调电压、低温度测量放大器具有高输入阻抗、低失调电压、低温度漂移系数和稳定的放大倍数、低输出阻抗的特点。漂移系数和稳定的放大倍数、低输出阻抗的特点。2022-11-27微机控制技术271v2vov3v4vR1R2R3R42R3R4R34vv1A2A3A1123411212RRv
27、vvvvvRRR212341121122(1)()RRRRvvvvvRR44234123312()(1)()oRRRvvvvvRRR 423121RRKRR2022-11-27微机控制技术28RGRGVIN-VIN+VEEVCCOUTREF56784321AD620+-AD62032186457VEEVCCRGVIN-VIN+VOUTAD620引角图引角图AD620典型应用典型应用AD620AD620是与该原理对应的器件是与该原理对应的器件2022-11-27微机控制技术29AD 612/614原理图原理图主机主机放 大 倍放 大 倍数数 代代 码码寄寄 存存 器器多选多选一开一开关关ININ
28、COM12XR01R02R0nX0X1Xn2、可编程放大器原理、可编程放大器原理3.3.4 3.3.4 模拟多路切换技术模拟多路切换技术(模拟多路开关模拟多路开关)v1模拟多路切换器的类型模拟多路切换器的类型v模拟多路切换器有两类：模拟多路切换器有两类：一类是机械触点式，如干簧继电器、水银继电器和机械振子一类是机械触点式，如干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器式继电器 另一类是电子式开关，如晶体管、场效应管及集成电路开关另一类是电子式开关，如晶体管、场效应管及集成电路开关等等v2模拟多路切换器的连接方式模拟多路切换器的连接方式3集成多路模拟切换器集成多路模拟切换器v1）单端集成多路模拟切换
29、器电平电平转换转换ENA0A1A2x1X2X8X8选选1控控制逻辑制逻辑f f1 1f f2 2f f8 8典型典型8通道芯片有通道芯片有CD4051、AD7501、MAX354、DG407等。等。典型典型16通道芯片有通道芯片有CC4067、AD7506、MAX396等。等。2）差动集成多路模拟切换器）差动集成多路模拟切换器v差动集成多路转换器有差动集成多路转换器有4通道、通道、8通道两种。通道两种。v差动差动4通道器件有：通道器件有：MAX355、AD7502、MAX384、MAX399等。等。v8通道差动多路转换器有：通道差动多路转换器有：AD7507、MAX397、MAX359、DG4
30、09等。等。2022-11-27微机控制技术33采样保持电路采样保持电路又称采样保持器，是过程通道中不可缺又称采样保持器，是过程通道中不可缺少的元件。它用来少的元件。它用来“凝固凝固”随时间变化的快速模拟信号，以随时间变化的快速模拟信号，以减小由于转换时间所引起的转换幅值误差。减小由于转换时间所引起的转换幅值误差。S/H电路在逻辑电平控制下，交替工作在电路在逻辑电平控制下，交替工作在“采样采样”和和“保持保持”两种稳态方式。两种稳态方式。在采样方式，它能很快跟踪输入电压的变化；在采样方式，它能很快跟踪输入电压的变化；在保持状态，则保持进入在保持状态，则保持进入“保持保持”状态那一时刻的输入电状
31、态那一时刻的输入电压稳定不变。压稳定不变。3.3.5 3.3.5 采样保持技术采样保持技术 当某一通道进行当某一通道进行A/D转换时，由于转换时，由于A/D 转换需要一定的时转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器。转换的精度，需要应用采样保持器。2022-11-27微机控制技术34工作过程：工作过程：（1）控制信号）控制信号HK合上，合上，VA1经经MUX给给CH充电（采样期），由于充电（采样期），由于A1接成跟随器（接成跟随器（K1），），VA1Vi，A2也是跟随
32、器，也是跟随器，V0VCH。（2）控制信号由）控制信号由HL，K断开，断开，CH将将K断时（令其为断时（令其为t1）的值保）的值保持下来，经持下来，经A2输出。输出。（3）启动）启动A/D转换（保持期也就是转换期）。转换（保持期也就是转换期）。VoVi控制信号控制信号CHKMUXA1A2S/H原原理理图图2022-11-27微机控制技术353.3.6 3.3.6 模模/数转换技术数转换技术 A/D转换器将连续变化的模拟电压或电流转换为数值上等效的数转换器将连续变化的模拟电压或电流转换为数值上等效的数字信号，以便计算机可以识别和接收。字信号，以便计算机可以识别和接收。两大类：（两大类：（1）直接
33、：计数、逐行、并行）直接：计数、逐行、并行 （2）间接：）间接：VT D（V/T）VF D（V/F）1、逐次逼近转换原理、逐次逼近转换原理设有设有n位位A/D器：器：（1）将）将Dn-1置置1，其余为，其余为0；（2）将）将n位位SAR进行进行D/A转换，用转换转换，用转换所得所得Vf与与Vi（被转模拟电压）比较；（被转模拟电压）比较；SAR逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器置数选择逻辑置数选择逻辑CLKn位位D/A转换转换ViVf数数字字输输出出比较器比较器（3）若）若Vf Vi，此次此位，此次此位1取消改为取消改为0，若若Vf Vi，则此次此位则此次此位1保留，否则在此保留，否则在此位的低位置位
34、的低位置1。（4）N位取值满否？满则结束，未满则位取值满否？满则结束，未满则在依次的低位取值在依次的低位取值1，转（，转（2）。）。2022-11-27微机控制技术36 以以Vi9V为例，当启动信号作用后：为例，当启动信号作用后：首先使寄存器的最高位首先使寄存器的最高位D3 1，其余为，其余为0，此数字量此数字量1000经经D/A转转换器转换成模拟电压即换器转换成模拟电压即VO 8，送到比较器输入端与被转换的模，送到比较器输入端与被转换的模拟量拟量VIN=9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当VIN VO，则保留，则保留D3=1；再对下一
35、位再对下一位D2进行比较，同样先使进行比较，同样先使D2 1，与上一位，与上一位D3位一起即位一起即1100进入进入D/A转换器，转换为转换器，转换为VO 12再进入比较器，与再进入比较器，与VIN 9比比较，因较，因VIN VO，则使，则使D2 0；再下一位再下一位D1位也是如此，位也是如此，D1 1即即1010，经，经D/A转换为转换为VO=10，再与再与VIN 9比较，因比较，因VIN VO，则使，则使D1 0；最后一位最后一位D0 1-即即1001经经D/A转换为转换为VO 9，再与，再与VIN 9比较，因比较，因VIN VO，保留，保留D0 1。比较完毕，寄存器中的数字量。比较完毕，
36、寄存器中的数字量1001即为模即为模拟量拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。2022-11-27微机控制技术37一个一个 n 位位A/D转换器的模数转换表达式是转换器的模数转换表达式是 式中：式中：n n位位A/D转换器；转换器；VR+、VR-基准电压源的正、负输入；基准电压源的正、负输入；VIN 要转换的输入模拟量；要转换的输入模拟量；B 转换后的输出数字量。转换后的输出数字量。nRRRVVVVB2IN例：例：n8，VR+=5.02V，VR=0V，当当VIN为为 0V 00H 2.5V 80H 5V FFH2022-11-27微机控制技术38八八
37、路路模模拟拟开开关关三三态态输输出出锁锁存存器器控制电路控制电路SAR树状开关树状开关256电阻阶梯电阻阶梯比较器比较器IN0.IN7ABCALEDSTART CLOCKEOCOEVcc ENDVREF+VREF-地址锁存地址锁存与译码器与译码器通道锁存控制信通道锁存控制信号输入线，正跳号输入线，正跳变时锁存地址变时锁存地址转换时钟输入线转换时钟输入线启动转换控制信号输入启动转换控制信号输入线，上升沿清除内部寄线，上升沿清除内部寄存器，下降沿开始转换存器，下降沿开始转换转换结束信号输转换结束信号输出线，高电平出线，高电平输出允许控制信号输输出允许控制信号输出线，高电平时把转出线，高电平时把转换
38、结果送数据线。换结果送数据线。ADC0809原原理理结结构构图图2022-11-27微机控制技术39ADC0809应用实例应用实例（1）中断方式）中断方式（2）查询方式）查询方式P1.02022-11-27微机控制技术402、双斜率积分式转换原理双斜率积分式转换原理 CLK定时控制定时控制UiUREFUREFK基基准准计数器计数器RCUBUAAB+_计数脉冲计数脉冲UA0时，时，UB1；否则输出否则输出0由由B的的H状态禁止，状态禁止，BL，开启计数。，开启计数。数字量输出数字量输出2022-11-27微机控制技术41t2T2T1N1t0 VC3 VC2 VC1ViViVit2t2T2T2(N
39、2)(N2)(N2)t1（1）t0时刻时刻:K地地,使使C经经R放电至放电至,0,ABUUH,CLK禁止禁止;0CU（2）T1时刻：时刻：iUK,cU此时，此时，CLK允许；允许；LUB 在在T1内计数值为内计数值为N1，T1由定时器控制，对任意由定时器控制，对任意Ui都是相同的采样时间，都是相同的采样时间，Ui不同不同N1相同，以保证相同，以保证Uc放电时计数器为同一起点计数。放电时计数器为同一起点计数。（3）T2：向相反方向相反方向变化，或向变化，或 ，计数器从，计数器从N1开开始计数，直到始计数，直到 而形成而形成N2，显，显然然 越大，越大，所需时间越所需时间越长，长，N2也越大，即不
40、同的也越大，即不同的 对应对应于不同的于不同的N2，当，当 ,Ub,Ub由由L LH,H,禁止禁止CLK，此次转换完毕，此次转换完毕，A/D转换转换值为值为N2。cREFUUK,cU0cU0cUcUcU0cU变换过程变换过程2022-11-27微机控制技术42现以现以T1为给定值时求定量关系：为给定值时求定量关系：第一次积分：第一次积分：iURCT1(1)dt 101011)0(ttittccdtRucdticUU1011TRCUURCiTi 第二次积分：第二次积分：t1时刻，时刻，K打到与打到与UiUi相反的相反的 上，此时：上，此时：REFU121()()REFcUU tttRC2111(
41、)tccR E FtUUtUdtC R12()REFcUU tTRC(2)当当 0 0，则：，则：cU12()cR E FUtR CTU(3)2022-11-27微机控制技术43将（将（1）代入（）代入（3）有：）有：112TUUUUiCRTCRTREFiREF01212ttTUTTUUREFREFi于是于是设设 Tttn 1102,0TTUUnREFi12212nREFiNUU（总是和总是和 相反）相反）iUREFU2TNTTT21T 为从为从 时刻开始计数的脉冲数目，即时刻开始计数的脉冲数目，即A/D转换数值，记为转换数值，记为4A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标v（1）分辨率
42、：分辨率越高）分辨率：分辨率越高,转换时对输入模拟信号变化的反转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏，分辨率通常用数字量的位数来表示应就越灵敏，分辨率通常用数字量的位数来表示,如如8位、位、10位、位、12位、位、16位等。位等。v（2）量程：转换器能转换的模拟电压的范围。）量程：转换器能转换的模拟电压的范围。v（3）精度：分为绝对精度和相对精度。常用数字量的位数作）精度：分为绝对精度和相对精度。常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位，如果满量程为为度量绝对精度的单位，如果满量程为10V，10位转换器的位转换器的绝对精度为绝对精度为4.88mV。若表示为绝对精度与满量程的百分比则。若表示为绝对
43、精度与满量程的百分比则为相对精度，如为相对精度，如10位转换器的相对精度为位转换器的相对精度为0.1%。v（4）转换时间：完成一次完整转换所需要的时间。）转换时间：完成一次完整转换所需要的时间。v（5）输出逻辑电平：输出数据的电平形式和数据输出方式）输出逻辑电平：输出数据的电平形式和数据输出方式（如三态逻辑和数据是否锁存）。（如三态逻辑和数据是否锁存）。v（6）工作温度范围：转换器在规定精度内允许的工作温度范）工作温度范围：转换器在规定精度内允许的工作温度范围。围。v（7）对基准电源的要求：基准电源精度对转换器精度有重大）对基准电源的要求：基准电源精度对转换器精度有重大影响，因此应该加以考虑。
44、影响，因此应该加以考虑。2022-11-27微机控制技术45A/DA/D转换器件转换器件双斜率积分式：双斜率积分式：3位：位：ICL 7106、07、26等（等（71系列）系列）4位：位：ICL 7135 5位：位：AD 7550、55，即，即75系列系列 V/F式芯片：式芯片：ADVF 33、AD 578 LM 131、LM231、LM331 VFC 32、VFC 42/52、VFC 62 逐次：逐次：单通道：单通道：08018通道：通道：0808，080916通道：通道：08168位位AD 574ADC 08312位位ADC 71ADC 7616位位2022-11-27微机控制技术463.
45、4 3.4 模拟输出过程通道配置模拟输出过程通道配置 3.4.1 3.4.1 通道基本结构通道基本结构 微型微型计算机计算机接口接口D/A转换转换后续后续环节环节单对象模拟输出通道一般结构单对象模拟输出通道一般结构生产生产过程过程多对象结构多对象结构2022-11-27微机控制技术47D/A转换转换D/A转换转换后续环节后续环节后续环节后续环节生生产产过过程程多对象多对象A/DA/D转换器独立使用结构转换器独立使用结构接接口口接接口口保持保持生生产产过过程程多对象多对象A/DA/D转换器共享使用结构转换器共享使用结构D/A转转换换保持保持后续环节后续环节后续环节后续环节多多路路开开关关2022
46、-11-27微机控制技术483.4.2 D/A3.4.2 D/A转换原理转换原理 1、D/A器工作原理器工作原理 位切换位切换开关开关电阻电阻网络网络基准基准电压电压V VOUTOUT输入输入数据数据I IOUTOUT-+R R数数/模转换结构框图模转换结构框图基准电压基准电压或电流或电流数字量数字量模拟电压或电流模拟电压或电流()EFARDfD002211002211222)222(aRaRaRaaaRDRAEFnnEFnnEFnnnnEFEF最高位最高位最低位最低位2022-11-27微机控制技术49将上式用方块图表示：将上式用方块图表示：REFa020REFan-22n-2REFan-1
47、2n-1A+用运算放大器来用运算放大器来实现代数叠加点实现代数叠加点方案方案1：权电阻网络：权电阻网络 U0=ARfREFan-12n-1REFan-22n-2REFa0202022-11-27微机控制技术50000002222211111222222aRUaRIaRUaRIaRUaRIREFEFnnREFnnEFnnnREFnnEFn 根据运算特性，根据运算特性，点为线节点，只能实现电流代数和。为产生点为线节点，只能实现电流代数和。为产生In-1，In-2，I0，点为运算的虚地，在各支路上加相应的电点为运算的虚地，在各支路上加相应的电阻阻Rn-1，Rn-2，R0，即：，即：2022-11-2
48、7微机控制技术51即：即：(2-(n-1)R)(2-(n-2)R)(20 R)In-1In-2I0 UREFUREFUREFan-1an-2a01010101)1(1)2(nnREFnaRUI2)2(2)2(nnREFnaRUI000)2(aRUIREF2022-11-27微机控制技术52将电流产生图带入纯输入线图有：将电流产生图带入纯输入线图有：2-(n-1)R2-(n-2)R20 RI0In-2In-1RfIfU0an-1an-2a0UREF2022-11-27微机控制技术531012001200(1)(2)0012001200222(222)()nnnififREFnREFnREFnnf
49、nnREFnnffREFUIIIIIRUaUaUaURRRRUUaaaRRRUUDKf DR2022-11-27微机控制技术54方案方案2：T型网络型网络电路特点：电路特点：（1）由）由R-2R两种阻值的电阻构成两种阻值的电阻构成T型网络。型网络。（2）从）从“T”字的节点，如字的节点，如a，b，c点，到地的两个支路电阻均为点，到地的两个支路电阻均为2R。a0a1a2RfUoRabIL2R2RabRRd2R2Rdccan-1R2R2R2RUREFREFI2022-11-27微机控制技术55 （3）该电路为线性网络，遵循叠加原理，即）该电路为线性网络，遵循叠加原理，即IL为各位数值在网络上产为各
50、位数值在网络上产生的电流的总和，可先分别计算各位对生的电流的总和，可先分别计算各位对IL的贡献，然后叠加，其值不的贡献，然后叠加，其值不变。例：变。例：D10001011，可分别计算，可分别计算a01时，时，IL0？；？；a11时，时，IL1？；？；a31，IL3？；？；依次类推，由以上特点有：依次类推，由以上特点有：012REFLnUIaR2R2R0LIbb2RRR2R2R2Ra1222REFLnUIaR1na(1)02REFL nnUIaR2022-11-27微机控制技术5601(1)01101110 (222)2 222LLLL nnREFnnniREFREFinniIIIIUaaaRU
