1、2022-12-13第二章 过程通道1第二章 模拟量输入/输出通道接口的设计本章主要内容：1 采样周期的选择 2 模拟量输入通道原理和设计方法：A/D 3 模拟量输出通道原理和设计方法：D/A 4 开关量输入、输出通道的原理和设计方法：电平转换和驱动电路的设计 2022-12-13第二章 过程通道22.1 多路开关及采样保持器（1）为什么要使用多路开关？计算机控制系统中，有时需要对多路或多种参数进行采集和控制，由于计算机的工作速度很快，而被测参数的变化较慢，因此，一台计算机可供多个回路使用。然而，计算机在某一个时刻只能接收一个通道的信号，因此，必须通过多路模拟开关进行切换，使各路被测参数分时进
2、入计算机。（2）为什么在过程通道中要加入采样保持器？模拟量必须转换为数字量才能进入计算机，由于A/D转换需要一定的时间，为了保证转换精度，必须保证在转换时保持转换值不变，同时，在转换结束后转换值又能跟踪模拟量的变化。在多路模拟量输出时，为了使各个通道得到一个平滑的模拟量输出，在分时输出期间，必须保持一个恒定值。2022-12-13第二章 过程通道32.1 多路开关及采样保持器采样定理2.1.1 采样定理 Shannon采样定理：一个具有有限频谱的连续函数 ，它的频带为：对 进行采样，仅当采样频率 ，采样函数才能不失真地恢复原函数。maxmaxfff)(tx)(txmaxs2 ff x(t)t0
3、连续函数连续函数x(t)tT2T 3T 4TnT离散序列离散序列2022-12-13第二章 过程通道42.1 多路开关及采样保持器采样定理采样周期的选择 采样周期的选择与下列因素有关：（1）生产过程的扰动程度；（2）被控对象的动态特性；（3）采用的控制方式和执行机构的类型；（4）被控对象所要求的控制品质指标.采样周期的选择 流量：15s (优选12s）；压力：310s (优选68s）；液位：68s；温度：1520s；成分：1520s；2022-12-13第二章 过程通道52.1 多路开关及采样保持器多路开关2.1.2 多路开关 多路开关的作用：把多个模拟量参数分时地接入A/D转换器，实现多到一
4、的转换；或者把计算机处理后的控制量，由D/A转换器转换成模拟量按一定的顺序输出到不同的控制回路中，实现一到多的转换。一、多路开关的特性 （1）断开（开路）电阻无穷大；（2）导通电阻为0；（3）频带宽度无穷大，功耗为0；（4）通断过渡时间为0；（5）导通时，只允许有用的电信号通过，而无其他信号耦合到回路中。2022-12-13第二章 过程通道62.1 多路开关及采样保持器多路开关二、常用模拟开关：机械式：干簧、湿簧继电器及机械振子组成。特点：近似理想的静态特性。采样速度低，触点寿命短。使用：高精度、低速采样。电子式：集成电路，晶体管、场效应管、CMOS 特点：采样速度高，体积小、寿命长。对温度敏
5、感 使用：高速采样。2022-12-13第二章 过程通道72.1 多路开关及采样保持器多路开关n三、常用多路开关集成电路芯片（半导体多路开关）公司型号规格种类CDCD40518路双向CD4052双4路双向CD40533重2通道双向CD406716路双向CD4097双8路双向ADAD75018路单向AD7502双4路单向AD75038路单向AD750616路单向AD7507双8路单向MAXMAX3088路双向MAX309双4路双向MAX3068路双向MAX307双8路双向2022-12-13第二章 过程通道82.1 多路开关及采样保持器多路开关CD4051 八选一多路开关电路的工作原理VDD：+
6、5+15V，X0X7模拟电压的范围。模拟电压的范围。VEE，VSS：模拟电压及数字信号允许输入的下限值。：模拟电压及数字信号允许输入的下限值。模拟信号的峰峰值：模拟信号的峰峰值：15V;数字信号：数字信号：315V 电平转换VDDVSSVEEINHABCX0X1X7X译码器（1）组成：逻辑电平转换、二进制译码和8个模拟开关组成。2022-12-13第二章 过程通道92.1 多路开关及采样保持器多路开关（2）工作原理：INH1，禁止工作，INH0，允许工作；INH0时，由A、B、C指定通道，000111，通过译码器可以译出8种状态，选中一个通道工作。CD4051可以双向工作，改变IN/OUT和O
7、UT/IN接法，可以实现8入1出、8出1入。INH C B A 输输入入输输出出接接通通状状态态 1 XXX 全不通 0 000 X0X 0 001 X1X 0 010 X2X 0 011 X3X 0 100 X4X 0 101 X5X 0 110 X6X 0 111 X7X 2022-12-13第二章 过程通道102.1 多路开关及采样保持器多路开关的扩展四、多路开关的扩展（1）16选1路开关的扩展INHINHA3A2A1A0A2A1A0A2A1A0输出输出07路输入路输入815路输入路输入CD40511#CD40512#A3=0，选中1#，则1#CD4051 的8个通道07的地址编码（A3
8、A2A1A0）为0000-0111。A3=1，选中2#，则2#CD4051 的8个通道07的地址编码（A3A2A1A0）为1000-1111。因此，每一时刻只有唯一的通道与输出接通。2022-12-13第二章 过程通道112.1 多路开关及采样保持器多路开关的扩展（2）16路差动输入开关电路X1X2X3X7ABINHCXX1X2X3X7ABINHCXX1X2X3X7ABINHCXX1X2X3X7ABINHCXQ0Q2Q3Q1D0D1D2D3选通通道编码信息Vs1Vs2模拟信号输入模拟信号输入CD4051CD4051CD4051CD4051Vs1(07)Vs2(07)Vs1(815)Vs2(81
9、5)#0#1#2#3D3=0，#0，#1工作工作D3=1，#2，#3工作工作 2022-12-13第二章 过程通道122.1 多路开关及采样保持器多路开关的选择 1）考虑通道数、寻址方式、是否需要扩展、单端输入还是差动输入；2）对传输信号电平较低的场合，可选用低压型多路开关，但在电路中必须考虑抗干扰措施。3）对传输精度较高而信号变化较慢的场合，可选用机械式多路开关以减小导通电阻。4）对切换速度较高、且通道路数较多的场合，选用集成电路多路模拟开关。尽可能采用单片实现，以保证各路的特性参数一致；若采用多片组合，尽可能选用同一类芯片。5）对模拟开关的速度选择应高于采样保持电路和A/D转换电路的工作速
10、度。6）考虑多路开关的传输精度，漂移特性，保证系统稳定。2022-12-13第二章 过程通道132.1 多路开关及采样保持器采样保持器2.1.3 采样保持器（Sample/Hold,S/H）由A/D转换理解加入采样保持器的作用。变化较快的模拟信号在A/D转换的过程期间，会引起转换误差：设模拟信号：u=Umsin2ft 信号随时间的变化率：du/dt=2fUmcos2ft 显然，t=0,存在最大转换误差：u=2fUm t。当A/D转换时间t一定时，u 与信号的频率f 成正比，所以，在保证一定转换精度（u(f)的前提下，可以使用采样保持器。结论：在A/D转换期间（很短的一段时间内），让信号保持不变
11、，不受信号本身变化的影响，待转换结束后，再引入新的信号，进行下一次采样，可以保证转换精度。2022-12-13第二章 过程通道142.1 多路开关及采样保持器采样保持器一、采样保持器的工作方式：S/H有2种工作方式：采样方式和保持方式。采样方式时，S/H输出随输入信号变化。保持方式时，S/H的输出将保持在命令发出时刻的输入信号值，直到保持命令结束。VinVoutS/H工作方式Vin采样采样采样采样保持保持保持Vout2022-12-13第二章 过程通道152.1 多路开关及采样保持器采样保持器二、采样保持器在A/D转换中的作用：（1）在采样时间内，快速跟踪输入信号的变化，在保持时间内，保持采样
12、值不变，为A/D转换提供稳定的转换信号。（2）在多路采样系统中，跟踪采样信号，当采样/保持器进入保持方式时，多路开关进行下一路信号的采样，从而构成高速的重叠采样的模式。（3)在保证精度的前提下，提高A/D转换器的频率。A/D转换需要时间，在转换过程中应保持一个恒定的值，否则无法得到精确的转换结果，只能牺牲被转换信号的频率来达到高精度转换。2022-12-13第二章 过程通道162.1 多路开关及采样保持器采样保持器三、采样/保持器在D/A转换中的作用：（1）把D/A转换器输出的时间上离散模拟量变换为时间上连续的模拟量，即将前一个时刻D/A转换器的输出值保持到下一个时刻新的输出值到来之前。（2）
13、减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出信号的峰值及缩短稳定输出值的建立时间。（3）把一个D/A转换器的输出分配到几个输出通道，以保持输出的稳定性。2022-12-13第二章 过程通道172.1 多路开关及采样保持器采样保持器四、采样保持器的工作原理+-A1+-A2UiUoKC方式控制 当控制信号为高电平时，K闭合，Ui通过放大器A1向C充电，可经放大器A2输出采样阶段。充电时间越小越好，使C很快达到输入电压值。1当控制信号为低电平时，K断开，C保持K断开前的一瞬间的输入信号，经放大器A2输出保持阶段。C上的电压稳定时间越长越好。+-A1+-A2UiUoKC方式控制02022-12-13第二章
14、 过程通道182.1 多路开关及采样保持器采样保持器五、常用采样保持器芯片：LF198、LF298、LF398、AD582特点：采样速度高，保持电压下降时间长，精度高。+-A1+-A2UinUoutKC（外接电容）（外接电容）R2R1OFFSET偏置控制控制逻辑参考电平逻辑参考电平LR238765V+1V-4控制=0，保持控制=1，采样LF198/LF298/LF398LF198/LF298/LF398A32022-12-13第二章 过程通道192.1 多路开关及采样保持器采样保持器六、采样保持器的应用（1）LF3983814576VinVoutC0+5V控制V+V-采样保持器电路holdSa
15、mple2022-12-13第二章 过程通道202.1 多路开关及采样保持器采样保持器六、采样保持器的应用（2）3935V采样脉冲LF3983814576VinC1150pFV+V-RVout接A/D大于1小于0tf(t)1 1 0 0 0AA峰值检测电路2022-12-13第二章 过程通道212.2 模拟量输出通道接口技术模拟量输出通道的作用：完成数字量到模拟量的转换。2.2.1 模拟量输出通道结构形式（1）一个通道配置一个D/A转换器(多路D/A输出形式）CPUCPUI/OI/O接接口口D/AD/A转换器转换器D/AD/A转换器转换器通道通道通道通道 CPU与各个模拟量通道之间通过独立的接
16、口传递信息；速度快、可靠性高；成本较高2022-12-13第二章 过程通道222.2 模拟量输出通道接口技术模拟量输出通道结构形式（2)多个通道共享一个D/A转换器CPU多路开关D/A转换器保持电路I/O接口保持电路通道通道各个通道分时工作；输出保持器将D/A转换器输出的离散模拟量转换成执行机构能够接受的连续信号，将D/A本时刻的输出值保持到下一个时刻；速度较慢，可靠性较差。2022-12-13第二章 过程通道232.2 模拟量输出通道接口技术模拟量输出通道结构形式（3）多个通道同时进行D/A转换（同步方式）缓冲寄存器缓冲寄存器缓冲寄存器缓冲寄存器D/A缓冲寄存器缓冲寄存器缓冲寄存器缓冲寄存器
17、D/A缓冲寄存器缓冲寄存器缓冲寄存器缓冲寄存器D/A地址译码器地址译码器模模拟拟量量输输出出CPUDBAB2022-12-13第二章 过程通道242.2 模拟量输出通道接口技术D/A转换原理2.2.2 D/A转换原理参考电源参考电源模拟转换模拟转换数字开关数字开关控制控制数字接口数字接口放大器放大器D0D7 模拟量输出模拟量输出转换的数字量经接口控制各位相应的开关，以接通或断开各自的解码电阻，从而改变标准参考电源经解码电阻网络所产生的总电流，然后经放大器输出与数字量相对应的模拟量。（1）D/A转换原理2022-12-13第二章 过程通道252.2 模拟量输出通道接口技术D/A转换原理（2）R-
18、2R T型解码网络工作原理)2/.2/2/2/(out133211nnnnfbREFaaaaRRVV2R2R2R2R2RRRRVREFRfb+_1S2S3S4S1 10 0Vout4a3a2a1a数字量anan-1a1，模拟量输出为：2022-12-13第二章 过程通道262R2R2R2R2RRRRRVREFRfb+_1S2S3S4S1 10 0Vout4a3a2a11a2R2R2R2R2RRRRVREFRfb+_1S2S3S4SVoutI42R2R2R2R2RRRRVREF1S2S3S4SI4I0I3I2I1RVIREF0201II 212II223II RVIIIIIREF42116081
19、42234数字量为：a4a3a2a1=0001421RRVVfbREFout2022-12-13第二章 过程通道272R2R2R2R2RRRRRVREFRfb+_1S2S3S4S1 10 0Vout4a3a12a01a2R2R2R2R2RRRRVREFRfb+_1S2S3S4SVoutI32R2R2R2R2RRRRVREF1S2S3S4SI4I0I3I2I1RVIREF0201II 212II223II RVIIIIREF3218041223数字量为：a4a3a2a1=0010321RRVVfbREFout2022-12-13第二章 过程通道282R2R2R2R2RRRRRVREFRfb+_1
20、S2S3S4S1 10 0Vout4a3a2a01a1 12R2R2R2R2RRRRVREF1S2S3S4SI4I0I3I2I1RVIREF0201II RVIIIREF22140212数字量为：a4a3a2a1=0100221RRVVfbREFout2022-12-13第二章 过程通道292R2R2R2R2RRRRRVREFRfb+_1S2S3S4S1 10 0Vout4a3a2a01a1 12R2R2R2R2RRRRVREF1S2S3S4SI4I0I3I2I1RVIREF0201II 数字量为：a4a3a2a1=1000121RRVVfbREFout对于任意的数字量a4a3a2a1，输出为
21、：)2/2/2/2/(out41322314aaaaRRVVfbREF2022-12-13第二章 过程通道302.2 模拟量输出通道接口技术8位D/A接口技术1 普通型A/D转换器DAC08322022-12-13第二章 过程通道312.2 模拟量输出通道接口技术8位D/A接口技术2 电压型输出D/A转换器AD558 （1 补充补充）2022-12-13第二章 过程通道322.2 模拟量输出通道接口技术8位D/A接口技术2 电压型输出D/A转换器AD558 （2补充补充）（1）内部含有运算放大器；（2）内部含有高精度的参考电源。（3）电压输出范围有2种：02.56V，010V。可以通过改变输出
22、电路的连接方式实现输出量程的选择。+_AVoutVout检测Vout选择13141516AD55802.56V+_AVoutVout检测Vout选择13141516AD558010V2022-12-13第二章 过程通道332.2 模拟量输出通道接口技术8位D/A接口技术3 4通道D/A转换器AD7226 （1 补充补充）2022-12-13第二章 过程通道342.2 模拟量输出通道接口技术D/A的输出方式4 D/A转换器的输出方式 D/A转换器的输出有电流和电压两种方式，电压型输出可分为单极性电压输出和双极性电压输出。D/A转换器的输出方式与D/A转换器的位数没有关系，只与模拟量输出端的电路连
23、接方式有关。（1）单极性电压输出 电流输出型的D/A转换器，外接一级运放，且Iout2接地。运放的电压输出范围和极性与VREF有关。IOUT1RfbIOUT2VOUT+-A0832单极性电压2022-12-13第二章 过程通道352.2 模拟量输出通道接口技术D/A的输出方式（2）双极性电压输出对于电流型输出的D/A转换器采用2级运放实现双向电压输出。VREF15KIOUT1RfbIOUT2+-A10832+-A215K7.5K+5VVOUT双极性电压0-5VR1R2R3VO)2313(VoutOVRRVRRREF2022-12-13第二章 过程通道362.2 模拟量输出通道接口技术接口及程序
24、设计5 8位D/A转换器的接口与程序设计 （1）（1）芯片内部不含锁存器方法一：在CPU与D/A转换器之间增加数据锁存器或I/O接口芯片。IOUT1IOUT2+-A0808803174373WREAP0P2ALEGA0A7A8A15CLKA0A7CLR5V74273VOUT2022-12-13第二章 过程通道372.2 模拟量输出通道接口技术接口及程序设计5 8位D/A转换器的接口与程序设计 （2）（1）芯片内部不含锁存器方法二：直接利用单片机I/O口作为数据锁存器。8031IOUT1IOUT2+-A0808EAP1P2A0A7VOUT2022-12-13第二章 过程通道382.2 模拟量输出
25、通道接口技术接口及程序设计5 8位D/A转换器的接口与程序设计 （3）（2）芯片内部含锁存器IOUT1RfbIOUT2+-A083274373WREAP0P2ALEGA0A7A8A15CSXFERWR1WR2D0D7VOUTP2.02022-12-13第二章 过程通道392.2 模拟量输出通道接口技术接口及程序设计6 大于8位D/A转换器的接口与程序设计 由于MCS-51单片机的数据总线为8位，因此，转换数据需要多次输入D/A转换器中。（1）AD66712位D/A转换器的接口设计 12位D/A转换器，片内含有2级数据输入锁存器。2022-12-13第二章 过程通道402.2 模拟量输出通道接口
26、技术接口及程序设计AD667与单片机的接口MOV R0,#DATA；数据存储区MOV DPTR,#PORTL；D/A口MOV A,R0 ;取低八位数据MOVX DPTR,A ;送低八位到D/AMOV DPTR,#PORTH；D/A口INC R0MOV A,R0 ;取高4位数据MOVX DPTR,A ;送高4位到D/A，并启动D/A高4低82022-12-13第二章 过程通道412.2 模拟量输出通道接口技术接口及程序设计（2）12D/A转换器DAC1210(补充)IOUT1RfbIOUT2+-ADAC121074373WREAP0P2.5ALEGA0A7CSXFERWR1WR2D4D11VOU
27、TD0D3P2.6P2.774138CBA4000H6000HA0BYTE1/BYTE280312022-12-13第二章 过程通道422.3 模拟量输入通道接口技术输入输出通道在计算机和生产过程之间，实现信息的传递和变 换的连接装置。输入输出通道是计算机和生产过程之间进行信息交换的桥梁。用户可以根据信号的性质，在控制系统中配置相应的过程通道。2022-12-13第二章 过程通道432.3 模拟量输入通道接口技术通道结构1 输入通道的结构（1）一般结构A AS/HS/HI/OI/OA/DA/D多路模拟量多路模拟量时序控制逻辑时序控制逻辑地址锁存地址锁存BUSBUS多路转换器多路转换器采样保持器
28、采样保持器放大器放大器A/DA/D转换器转换器I/O口多路开关：分时将各路模拟量信号按顺序或随机地接入；放大器：将传感器传送的弱信号按比例地放大到A/D转换器所需的输入电平；采样保持器：用来对变化的模拟信号进行快速采样，并在转换的过程中保持该信号不变；A/D转换器：将模拟量转换为数字量；输入输出接口：锁存A/D转换后的数字量。控制部分：向多路转换开关发送通道选通控制信号；控制放大器增益；控制采样保持器的工作；启动A/D转换器。2022-12-13第二章 过程通道442.3 模拟量输入通道接口技术通道结构（2）一个通道设置一个A/D转换器一个通道设置一个一个通道设置一个A/D转换器转换器I/O接
29、口接口采样保持器采样保持器A/D转换器转换器采样保持器采样保持器A/D转换器转换器CPU输入信号输入信号输入信号输入信号2022-12-13第二章 过程通道452.3 模拟量输入通道接口技术通道结构（3）多个通道共享一个A/D转换器I/OI/O接口接口采样保持器采样保持器A/DA/D转换器转换器采样保持器采样保持器多路转换开关多路转换开关CPUCPU多个通道共享一个多个通道共享一个A/DA/D转换器转换器输入信号输入信号输入信号输入信号2022-12-13第二章 过程通道462.3 模拟量输入通道接口技术通道结构（4）多个通道共享采样保持器和A/D转换器多个通道共享采样保持器和多个通道共享采样
30、保持器和A/DA/D转换器转换器I/OI/O接口接口A/DA/D转换器转换器多路转换开关多路转换开关CPUCPU输入信号输入信号输入信号输入信号采样保持器采样保持器2022-12-13第二章 过程通道472.3 模拟量输入通道接口技术A/D转换器2.3.1 A/D转换器原理（1）直接比较型：待转换的模拟信号直接与一个特定的基准源比较，获得数字信号。连续比较、逐次比较、斜波电压比较。（2）间接比较型：模拟信号不直接与基准源比较，而是将其转换为一个中间物理量。然后再转换为数字量。积分型电压/频率、电压/时间转换器。查阅资料了解各种A/D转换器的转换原理2022-12-13第二章 过程通道482.3
31、 模拟量输入通道接口技术A/D转换器常见芯片：8位：ADC0801 ADC0805，多通道：ADC0808/ADC0809,ADC08160817 10位：AD7570,AD573,AD575,AD57912位：ADC1210/1211,ADC574,AD578,AD7582,ADC679 BCD码：5G14433(3位半）、ICL7135(4位半）查阅资料了解各种A/D转换器的功能和特点2022-12-13第二章 过程通道492.3 模拟量输入通道接口技术8位A/D转换器2.3.2 8位A/D转换器1、普通型A/D转换器AD7574单片型、内含时钟振荡器、5V供电、内设比较器和控制逻辑的逐次
32、比较A/D转换器。2、含仪用放大器的A/D转换器AD670片内集成了仪用放大器，放大器输入端配有定标电阻以适应输入范围的变化：02.55mV,02.55V,信号可以是单极性或双极性输入。差分输入，具有较强的抗干扰能力。3、多通道A/D转换器AD0808/0809片内含有8个通道，单极性信号输入。2022-12-13第二章 过程通道502.3 模拟量输入通道接口技术8位A/D接口技术2.3.3 8位A/D接口技术1、数据线的连接：（1）芯片含有输出锁存器和三态输出控制时，直接与CPU数据总线连接。（2）芯片无输出锁存器和三态输出控制时，必须通过I/O接口与数据总线连接。2、选通信号、启动信号和读
33、出控制信号的连接 片选信号选通芯片、启动A/D转换、检测转换结束信号、读取转换结果。3、电源和地线的处理数字地、模拟地、信号地应一点接地，已避免形成环流。2022-12-13第二章 过程通道512.3 模拟量输入通道接口技术8位A/D接口技术4、转换结束信号的处理方法（1）程序查询式：检测到“转换结束”信号有效后，读取转换结果。（2）等待方式：A/D转换需要一定的时间，等待足够的时间后，读取转换结果。（3）定时采样方式：采用定时器定时足够的时间后，读取转换结果。（4）中断方式：通过A/D转换器的“转换结束信号”触发中断，进而读取转换结果。2022-12-13第二章 过程通道522.3 模拟量输
34、入通道接口技术程序设计2.3.4 8位A/D转换器的程序设计程序设计步骤：设计程序时，必须与硬件电路结合起来，按下列步骤编写程序：（1）启动A/D转换；（2）查询或等待A/D转换结束；（3）读出A/D转换结果。2022-12-13第二章 过程通道532.3 模拟量输入通道接口技术程序设计AD7574与8031的接口设计2022-12-13第二章 过程通道542.3 模拟量输入通道接口技术程序设计ADC0816与8031的接口设计COM IN/COM比较器的输入输出端比较器的输入输出端2022-12-13第二章 过程通道552.3 模拟量输入通道接口技术程序设计12位A/D转换器控制方式1010
35、A011100000001地地5V低四位为低四位为0有效有效输出格式为并行输出格式为并行8位位输出格式为并行输出格式为并行12位位启动启动8位转换位转换启动启动12位转换位转换禁止禁止禁止禁止操作操作111110CECSCR/8/122022-12-13第二章 过程通道562.3 模拟量输入通道接口技术程序设计AD574与8031的接口设计1010A011100000001地地5V低四位为低四位为0有效有效输出格式为并行输出格式为并行8位位输出格式为并行输出格式为并行12位位启动启动8位转换位转换启动启动12位转换位转换禁止禁止禁止禁止操作操作111110CECSCR/8/122022-12-13第二章 过程通道572.3 模拟量输入通道接口技术程序设计8031P1.0STSCEDB11DB4P074373AD754DB3DB0WRRDALEA0R/CQ1Q20CSDGND+5V12/8P2.7EAG2022-12-13第二章 过程通道58 本章完！
