计算机控制技术-第3章-接口与通道.ppt

第3章 输入输出接口与过程通道  在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，必须把现场的各种测试参数，如T、P等连续变化的物理量或开关量，转换为计算机可识别的数字量输入到计算机进行数据处理处理结果又必须转换为电压或电流，以推动执行机构工作…，因此在计算机和生产过程之间，必须设置信息传递和变换装置，这个装置称为过程输入/输出通道过程通道:计算机和生产过程之间设置的信息传送和交换的连接通道主要内容：3.5 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术* *3.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道3.2 模拟量输入通道模拟量输入通道* *3.3 模拟量输出通道模拟量输出通道* *3.4 D/A、、A/D转换器的电源、接地与布线转换器的电源、接地与布线3.1 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 数字量（开关量）信号：开关的闭合与断开继电器或接触器的吸合与释放马达的启动与停止阀门的打开与关闭用   “0”和“1”表示3.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术接口接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入接口、输出接口接口技术接口技术则是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。

1A1 1Y11A2 1Y21A3 1Y31A4 1Y41A5 1Y51A6 1Y61A7 1Y71A8 1Y8输输入入接接口口D0D1D2D3D4D5D6D7PC总总线线2G1GCSIOR74LS2441.数字量输入接口 MOV DX, PORT IN AL, DX负责从外界接负责从外界接收检测信号、收检测信号、键盘信号等各键盘信号等各种状态信号种状态信号 输出出y00输出出=输入入11高阻状高阻状态用三态门缓冲器用三态门缓冲器74LS244取得状态信息取得状态信息 . 隔隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用有八个通道有八个通道, ,可同时输入可同时输入8个开关状态个开关状态 要求对数据具有控制能力（常用三态门实现要求对数据具有控制能力（常用三态门实现) 2. 数字量输出接口MOV AL, DATAMOV DX, PORT OUT DX, AL可用锁存器可用锁存器74LS27374LS273对状态对状态输出信号进行锁存，输出信号进行锁存，数字量输出接口 D0CLKCLR74LS273D2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC总线输出接口3.1.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术需要保持，直到下次给出新的需要保持，直到下次给出新的值为止。

值为止要求对数据具有锁存要求对数据具有锁存能力（常用锁存器实现）能力（常用锁存器实现） 负责向外界传送由内部电路产负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等制命令、驱动信号等 数字量输入通道主要由缓冲器数字量输入通道主要由缓冲器(74LS273(74LS273等等) )、输入调理电路、输、输入调理电路、输入地址译码电路等组成入地址译码电路等组成 基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号基本功能：接受外部装置或生产过程的状态信号1，数字量输入通道结构生 产 过 程P C 总 线3.1.2 数字量输入通道数字量输入通道例：利用译码器分时将采样数据送入计算机例：利用译码器分时将采样数据送入计算机 •输入调理电路输入调理电路 －把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成－把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 计算机能够接收的逻辑信号计算机能够接收的逻辑信号•比如：用按钮或转换开关控制系统的启动或选择工作状态、比如：用按钮或转换开关控制系统的启动或选择工作状态、用光电脉冲编码器检测速度、用行程开关反映生产设备的用光电脉冲编码器检测速度、用行程开关反映生产设备的运行状态等。

运行状态等 这些信号形式可能是电压、电流、开关的触这些信号形式可能是电压、电流、开关的触点，因此会引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象点，因此会引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象  2.   输入调理电路（（1 1））小功率输入调理电路它将接点的接通和断开动作转换成它将接点的接通和断开动作转换成TTL电平信号与电平信号与计算机相连计算机相连 图3.4 采用积分电路2.   输入调理电路开关去抖电路R    S    Q    Q0     1    1      01     0    0     11     1    保持R—S触发器去抖电路2.   输入调理电路（（2 2））大功率输入调理电路在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号点输入信号为了使接点工作可靠，接点两端至少要为了使接点工作可靠，接点两端至少要加加24V24V以上的直流电压以上的直流电压, ,由于所带电压高，所以高压与由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离低压之间，用光电耦合器进行隔离 图3.6 大功率信号输入电路2.   输入调理电路光电耦合器    概念：发光器件和光敏器组装在一起，通过光线实现耦合，构成电-光-电转换的器件；    作用：隔离    类型：三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型 现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理，如图所示。

光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入输出特性，即存在着输出特性，即存在着截止区、饱和区与线性区截止区、饱和区与线性区三部三部分两种隔离方式：两种隔离方式：1 1、数字隔离、数字隔离利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称扰，简称对数字信号进行隔离对数字信号进行隔离例如在数字量输入例如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的A/DA/D转转换器与换器与CPUCPU或或CPUCPU与与D/AD/A转换器之间的数字信号的耦合转换器之间的数字信号的耦合传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔离2、模拟隔离例如:在现场传感器与A/D转换器或D/A转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送，可用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离 两种隔离方法优缺点：两种隔离方法优缺点：1、模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光、模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低；缺点是调试困难，如果光耦挑耦，成本低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响选得不合适，会影响A/D或或D/A转换的精度和转换的精度和线性度。

线性度2、数字信号隔离方法的优点是调试简单，不、数字信号隔离方法的优点是调试简单，不影响系统的精度和线性度；缺点是使用较多影响系统的精度和线性度；缺点是使用较多的光耦器件，成本较高但现在光耦越来越的光耦器件，成本较高但现在光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因而在工程中使用的最多因而在工程中使用的最多使用注意事项：使用注意事项： 1、发光管的电源与光敏管的电源不能共地，、发光管的电源与光敏管的电源不能共地，避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；2、要考虑允许的电流，电路中串合适的电、要考虑允许的电流，电路中串合适的电阻下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说明光电耦合隔离电路典型的光电耦合隔离电路有数明光电耦合隔离电路典型的光电耦合隔离电路有数字量同相传递与数字量反相传递两种字量同相传递与数字量反相传递两种数字量输出通道简称 DO 通道，它的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。

3.1.3 数字量输出通道数字量输出通道生 产 过 程P C 总 线1，数字量输出通道结构3.1.3 数字量输出通道数字量输出通道数字量输出通道主要由输出锁存器数字量输出通道主要由输出锁存器(如如74LS273等等)，，输出驱动电路、输出地址译码电路等组成输出驱动电路、输出地址译码电路等组成.（（1 1）小功率直流驱动电路）小功率直流驱动电路Ø采用功率晶体管输出驱动继电器电路采用功率晶体管输出驱动继电器电路 Ø采用高压输出的门电路驱动采用高压输出的门电路驱动Ø注意事项：注意事项：1）克服反电动势的续流二极管；）克服反电动势的续流二极管； 2）输出如为）输出如为OC（（Open Collector）器件，器件， 输出要上拉电阻输出要上拉电阻图图3.8继电器驱动电路继电器驱动电路2、输出驱动电路（（2 2）大功率驱动电路）大功率驱动电路 (b)交流固态继电器的结构交流固态继电器的结构(a)直流固态继电器的结构直流固态继电器的结构I/O接接口口+5V74LS04R利用固态继电器利用固态继电器(SSR)(SSR)等实现等实现 注意事项：输入电压范围、输出电压类型、输出功率注意事项：输入电压范围、输出电压类型、输出功率I/O接接口口+5V74LS04R常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。

 对于低压情况下的小电流开关量，用功率三极管就可作开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积1)(1) 三极管驱动电路三极管驱动电路a a . .普通三极管驱动电路普通三极管驱动电路 当驱动电流只有十几当驱动电流只有十几 mAmA或几十或几十 mAmA时，只要采用一个时，只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图所示普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图所示b. 达林顿驱动电路 当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管组成的达林顿复合管构成，它具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点，同时多对复合管也非常适用于计算机控制系统中的多路负荷  图给出达林顿阵列驱动器MC1416的结构图与每对复合管的内部结构，MC1416内含7对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达500mA，截止时能承受100V电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二极管D2抑制高电位上发生的正向过冲，D1、D3可抑制低电平上的负向过冲。

 下图为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路，当CPU数据线Di 输出数字“0”即低电平时，经7406反相锁存器变为高电平，使达林顿复合管导通，产生的几百毫安集电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的保护二极管构成了负荷线圈断电时产生的反向电动势的泄流回路(2) 继电器驱动电路 电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成，简称为继电器，它分为电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、大电流设备 常用的继电器有电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，所以必须采取措施加以驱动  继电器的驱动电路 驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作           下图为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当CPU数据线Di输出数字“1”即高电平时，经7406反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。

由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提供一个电流泄放回路 数字（开关）量输入数字（开关）量输入/ /输出通道模板举例输出通道模板举例PCL-730PCL-730板卡组成框图板卡组成框图程序设计举例(基地址设为220H)：PCL-730板卡的开关量输入/ 输出都只需要二条指令就可以完成汇编语言程序如下：汇编语言程序如下：MOV DXMOV DX，， 220H220HMOV ALMOV AL，， 55H55HOUT DXOUT DX，， ALALMOV DXMOV DX，， 221H221H OUT DXOUT DX，， ALALMOV DXMOV DX，， 220H220HIN ALIN AL，， DX DX MOV AHMOV AH，， ALALMOV DXMOV DX，， 221H221HIN ALIN AL，， DXDX3.2 模拟量输入通道模拟量输入通道功能：把从系统中检测到的模拟信号，变成二功能：把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。

进制数字信号，经接口送往计算机3.2.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成 过过程程参参数数PC总总线线模模拟拟量量输输入通道入通道检检测测信信号号调调理理多多路路转转换换器器采采样样保保持持器器 A/D转转换换器器接接口口逻逻辑辑电电路路图图3.10 模拟量输入通道的组成结构模拟量输入通道的组成结构信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同通常包括信号的放大、量程自动转换、电流通常包括信号的放大、量程自动转换、电流/电压转换、电压转换、滤波、线性化、隔离等滤波、线性化、隔离等 1 1、量程自动转换技术、量程自动转换技术 单参数测量系统单参数测量系统传感传感器器放大放大电路电路A/D转换转换微型机微型机显示显示3.2.2 信号调理信号调理1）问题的提出）问题的提出传感器传感器多多路路转转换换开开关关放大放大电路电路A/D转换转换微型微型机机显示显示传感器传感器传感器传感器传感器传感器多参数测量系统多参数测量系统多个传感器共用一个放大器，涉及放大器放大倍数的选择问题放大倍数的确定要考虑两个方面：A、经放大器放大后的输出电压要满足A/D转换器的输入电压范围的要求。

B、按照所有传感器中最大电压范围选择放大倍数 要使每个传感器具有同样的分辨率，必须保证要使每个传感器具有同样的分辨率，必须保证送到送到A/D转换器的信号一致（转换器的信号一致（0-5V），只有使每），只有使每个传感器的放大倍数不同，才能达到上述要求，个传感器的放大倍数不同，才能达到上述要求，所以需要提供各种量程的放大器所以需要提供各种量程的放大器 量程自动转换技术量程自动转换技术：： 根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求统的要求2、可编程增益放大器（PGA） Programmable Gain Amplifier可编程增益放大器有组合PGA和集成PGA两种1 1））组合PGA 一般由运算放大器、仪器放大器或隔离性放大器再加上一些其它附加电路组合而成其原理：通过程序调整多路转换开关接通反馈电阻数值，调整放大器的放大倍数2、可编程增益放大器（PGA） Programmable Gain Amplifier（（1）常用的仪用测量放大器如图）常用的仪用测量放大器如图 第一级采用同向并联差动放大器第一级采用同向并联差动放大器 第二级加了一级基本差动放大器第二级加了一级基本差动放大器A3A2A1Ui1Ui2Uo1Uo2Uo多路开关和仪用放大器组成的可编程放大器（（2））MCP6S系列系列PGA主要特点：主要特点：增益选择：增益选择：+1，，+2，，+4，，+5，，+8，，+10，，+16 或或+32 ；；SPI串行编程接口；串行编程接口；级联输入和输出；级联输入和输出；最大增益误差：最大增益误差：±1%；；最大漂移：最大漂移：±275μV；；带宽频率典型值：带宽频率典型值：2～～12MHz；；低噪声，典型值：低噪声，典型值：10 nV/rtHz @ 10 kHz低电源电流，典型值：低电源电流，典型值：1mA；；单电源供电，单电源供电，2.5V～～5.5V；；引脚说明引脚名称功能Vout模拟输出CH0～CH7模拟输入Vss负电源VDD正电源SCKSPI时钟输入SISPI数据输入SOSPI数据输出CSSPI片选VREF外部参考电压（（3 3））SPISPI1）概念：）概念： Serial Peripheral Interface 4根线：根线：2）特点：）特点： （（1）节约资源、扩展方便）节约资源、扩展方便 （（2）应用广泛）应用广泛 （（3）易于程序实现）易于程序实现3）用途：）用途： 系统外围芯片扩展系统外围芯片扩展（（4））SPI程序实现程序实现         读操作时序                                         写操作时序SCK上升沿时把SI线上数据写入器件SCK下降沿时从SO线上读出数据X25645：看门狗：看门狗,监控器监控器,高电平复位输出高电平复位输出,可块可块锁定锁定,位密度位密度64K,具有具有SPI接口的接口的EEPROM CS5522：具有：具有SPI接口、多通道、可编程增益、接口、多通道、可编程增益、24位位AD转换器转换器 增益范围：增益范围：25mv, 55mv, 100mv, 1v, 2.5v, 5vuchar read_register(uchar command){ uchar idata I,result; result=0; SO=1; SCK=0; CS_645=0; for(i=0;i<8;i++) { SCK=0; SI=(bit)(command & 0x80); SCK=1; command<<=1; } SI=0; for(i=0;i<8;i++) { SCK=1; SCK=0; result<<=1; if(SO) result++; } SCK=0; CS_645=1; return result;} void write_register(char command,char value){ uchar idata I; SO=1; SCK=0; CS_645=0; for(i=0;i<8;i++) { SCK=0; SI=(bit)(command & 0x80); SCK=1; command<<=1; } SI=0; for(i=0;i<8;i++) { SCK=0; SI=(bit)(value & 0x80); SCK=1; value<<=1; } SI=0; SCK=0; CS_645=1;}从指定地址读数据：从指定地址读数据：CS5522操作步骤：操作步骤：1）初始化）初始化2）通道寄存器配置）通道寄存器配置3）启动转换）启动转换4）等待转换结束）等待转换结束5）读取转换结果）读取转换结果3 3、、I/VI/V变换变换 变送器输出的信号为0-10mA或4-20mA的统一信号，电流信号经过长距离传输到计算机接口电路，需要经过I/U变换成电压信号后才能进行A/D转换，进而被计算机处理。

I/U转换电路是将电流信号成比例的转换成电压 实现方法：无源无源I/UI/U转换和有源转换和有源I/UI/U转换转换3 3、、I/VI/V变换变换 无源无源I/VI/V变换变换电路是利用无源器件—电阻来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，图中R2为精密电阻对于0- 10 mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=500Ω，这样当输入电流在0 -10 mA量程变化时，输出的电压就为0 -5 V范围；而对于4 -20 mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=250Ω，这样当输入电流为4 -20 mA时，输出的电压为1 - 5 V图3-20  有源I/V变换电路 A＋－R1R3R2R4R5CIVR1R2CIV+5V图3-19  无源I/V变换电路精密电阻ViA=1+R4/R3V=R2*IV=A*R1*I输入阻抗高，输出阻抗低输出限流，保护运放无源无源I/VI/V变换变换有源有源I/VI/V变换变换 有源有源I/VI/V变换变换 有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器和电阻电容组成，如图3-19（b）所示利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。

该同相放大电路的放大倍数为 若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，则输入电流 I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出V的0 ~ 5 V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4 ~ 20 mA的输入电流对应于1 ~ 5 V的电压输出 3.2.3 多路转换器多路转换器 由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号所以，必须通过多路模拟开关实现多选一的操作，将多路输入信号依次地切换到后级用来进行模拟电压信号切换的关键元件，就是多路转用来进行模拟电压信号切换的关键元件，就是多路转换器，又称多路开关换器，又称多路开关  目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。

所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要1、结构原理 常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原理如图所示CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0~S7中的一路比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、A=001时，通道S1通；……当C、B、A = 111时，通道S7选通其真值表如表所示图图 CD4051CD4051结构原理图结构原理图 2 2、扩展电路、扩展电路 当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关 例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关 例题分析：图给出了两个CD4051扩展为1×16路模拟开关的电路。

数据总线D3~D0作为通道选择信号，D3用来控制两个多路开关的禁止端当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S0~S7通道；当D3=1时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S8~S15通道如此，组成一个16路的模拟开关图 多路模拟开关的扩展电路1. 信号的采样 采样过程（简称采样）是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程 图3.22 信号的采样过程采样频率由香农（Shannon）采样定理确定，ωs≥(4～10)ωmax 3.2.4 信号的采样和量化信号的采样和量化2.量化量化 采样信号经整量化后成为数字信号的过程称为量化. 量化过程就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号，执行量化动作的装置是A/D转换器字长为n的A/D转换器把ymin~ymax范围内变化的采样信号，变换为数字0~2n-1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位，其表达式为：3.2.5 3.2.5 采样保持器采样保持器 采样保持器的主要作用是：(1)当某一通道进行A/D转换时，由于A/D 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。

为了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器2)同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；(3)减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；(4)把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582/585/346/389 1 1、、 零阶采样保持器:零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻它的组成原理电路与工作波性如图(a)、(b)所示采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因而输出电压VOUT=VC也保持恒定 保持电容C H的作用十分重要实际上保持期间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致保持电压VC的变化率为 式中：ID--为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。

电容CH值--增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比一般情况下，保持电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为510~1000pF 图3.23 LF198/298/398原理图及引脚(a)LF198/298/398原理图(b)LF198/298/398的引脚排列2、零阶集成采样保持器----常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF198/298/398等，其内部结构和引脚如图3-9(a)、(b)所示这里，用TTL逻辑电平控制采样和保持状态，如AD582的采样电平为“0”，保持电平为“1”，而LF198的则相反图图 集成采样保持器集成采样保持器 3.2.6   A/D转换器转换器A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件 A/D转换方法有逐次逼近式、双积分式、并行比较式和二进制斜坡式、量化反馈式等常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0801，ADC0809等，12位分辨率的AD574A等；常用的双积分式A/D转换器有3位半（相当于2进制11位分辨率）MC14433 等ADCDn~D0输出数字量输出数字量输入模拟电压输入模拟电压1. A/D功能功能: 能将模拟电压成正比地转换成对应的能将模拟电压成正比地转换成对应的能将模拟电压成正比地转换成对应的能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。

数字量取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编编码码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续数字信号数字信号时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散          A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程1. 取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟模拟量转换为在时间离散的模拟量 采样信号采样信号S(t)的频率愈高，的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号合理的采真实地复现输入信号合理的采样频率由采样定理确定样频率由采样定理确定 采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S(t)的频的频率为率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最的最高频率分量的频率为高频率分量的频率为fimax，，则则 fs ≥ 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合S(t)=0:开关断开开关断开     采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。

采样采样保持保持取样与保持取样与保持电路及工作原理电路及工作原理2.2.量化量化 数字信号在数值上是离散的采样数字信号在数值上是离散的采样–保持电路的保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍 量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来经编码后得到的代码就是码表示出来经编码后得到的代码就是A/D转换器输转换器输出的数字量出的数字量 3. 编码编码 在量化过程中，由于所采样电压不一定能被在量化过程中，由于所采样电压不一定能被 整除整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用化误差，用 表示 量化误差属原理误差，它是无法消除的量化误差属原理误差，它是无法消除的A/D转换转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。

差越小 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式量化方式 4. 量化误差：量化前的电压与量化后的电压差量化误差：量化前的电压与量化后的电压差5. 量化方式量化方式011111101011000110100010000Δ=0 v7Δ=7/8 v6Δ=6/8 v5Δ=5/8 v4Δ=4/8 v3Δ=3/8 v2Δ=2/8 v1Δ=1/8 v输入信号输入信号编码编码量化后量化后电压电压 1)1) 只舍不入量化方式：量化中把不足一个量化单位的部分只舍不入量化方式：量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位最小量化单位＝＝1/8VΔ=1LSB=1/8 V例：将例：将0~1V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码 2) 2) 四舍五入量化方式：量化过程将不足半个量化单位部分舍四舍五入量化方式：量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。

弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位：最小量化单位：011111101011000110100010000Δ=0 v7Δ=14/15 v6Δ=12/15 v5Δ=10/15 v4Δ=8/15 v3Δ=6/15 v2Δ=4/15v1Δ=2/15 v输入信号输入信号编码编码模拟模拟电平电平Δ=1LSB=2/15V例：将例：将0~1V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码1 1、、A/DA/D转换原理转换原理（1）逐位逼近式逐位逼近式一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例，说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理  图 逐位逼近式A/D转换原理图  当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下： 1）首先使寄存器的最高位D3  1，其余为0， 此数字量1000经D/A转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VIN  VO，则保留D3 = 1； 2）再对下一位D2进行比较，同样先使D2  1，与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器，转换为VO  12再进入比较器，与VIN  9比较，因VIN  VO，则使D2  0； 3）再下一位D1位也是如此，D1  1即1010，经D/A转换为VO = 10，再与VIN  9比较，因VIN  VO，则使D1  0； 4）最后一位D0  1-即1001经D/A转换为VO  9，再与VIN  9比较，因VIN  VO，保留D0  1比较完毕，寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出所加砝所加砝码重量码重量 结果结果 逐次比较型A/D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 < 待测重量待测重量Wx ，，8克砝码保留克砝码保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝码总重仍砝码总重仍 <待测重量待测重量Wx ，，4克砝码保留克砝码保留12 克克第三次第三次再加再加2克克砝码总重砝码总重 > 待测重量待测重量Wx ，， 2克砝码撤除克砝码撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝码总重砝码总重 ＝＝ 待测重量待测重量Wx ，， 1克砝码保留克砝码保留13 克克1. 转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克。

克设待秤重量设待秤重量Wx = 13克1. 转换原理转换原理 1 0 0 … 0 1 0 0 … 0  I ≥5V 1 A=6.84VVREF=10V第一个第一个CP：：1. 1. 转换原理转换原理 第二个第二个CP：：0 1 0 … 0 1 1 0 … 0 10 I <7.5V  I=6.84VVREF=10V1. 转换原理转换原理 第三个第三个CP：：0 0 1 … 0 1 0 1 … 0  I ≥6.25V 101 A=6.84VVREF=10V10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111小   结1. 逐次比较型逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；精度越高； 2. 逐次比较型逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与转换器完成一次转换所需时间与其位数其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短越高，转换所需时间越短；； （（2 2）双积分式）双积分式A/DA/D转换原理转换原理 图图 双积分式双积分式A/DA/D转换原理图转换原理图  双积分式A/D转换原理如图所示，在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压VIN 在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。

当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间 放电时间T1或T2又正比于输入电压VIN，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大因此，计数器计数值的大小反映了输入电压VIN在固定积分时间T内的平均值 此种A/D转换器的常用品种有输出为3位半BCD码（二进制编码的十进制数）的ICL7107、MC14433、输出为4位半BCD码的ICL7135等 1. 双积分式双积分式A/D转换器的基本指导思想转换器的基本指导思想 对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出双积分式相应的数字量输出双积分式A/D转换器也称为电压－转换器也称为电压－时间－数字式积分器时间－数字式积分器 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器1、电路组成、电路组成0 00 00 00 00 0C信号将计数器清零；开关信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，闭合，待积分电容放电完毕后，断开断开S2 使电容的初始电压为使电容的初始电压为0。

2、工作原理、工作原理①①准备阶段：准备阶段：经过经过2n个个CP(2) 第一次积分：第一次积分：t = t0时，开关时，开关S1与与A端相接，积分器开始对端相接，积分器开始对 I积分经经2n个个CP后后,开关切换到开关切换到B，， ，，=VP第一积分时间为第一积分时间为2nTCVREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时积分器输出电压时积分器输出电压 O≥0，比较器输出，比较器输出 C=0，时钟脉冲控制，时钟脉冲控制门门G被关闭，计数停止被关闭，计数停止3) (3) 第二次积分：第二次积分：T1=2nTC T2= Tc T2=t1  t2 在计数器所计的数在计数器所计的数 =Qn-1…Q1Q0，， 就是就是A/D转换器得到的结果转换器得到的结果双积分式A/D转换器优点：优点：1. 由于转换结果与时间常数由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线无关，从而消除了积分非线 性带来的误差性带来的误差2. 由于双积分由于双积分A/D转换器在转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。

因此具有很强的抗工频干扰的能力 T1=2nTC3. 只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可（（3 3）） 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器电压比较器电压比较器输入模拟输入模拟电压电压精密电阻精密电阻网络网络精密参考精密参考电压电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数输出数字量字量1. 电路组成电路组成VI=8VREF/151111000001 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15   vI   9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15   vI   11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15   vI   7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15   vI   5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15   vI   13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15   vI   VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15   vI   3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0  vI   VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。

比较器的输出状态由各比较器输出状态的关系比较器的输出状态由D D触发器存储，触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出经优先编码器编码，得到数字量输出 3. 电路特点：电路特点：•在并行在并行A/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I同时加到所有比较器的输入同时加到所有比较器的输入端如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与端如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与 I输入时输入时刻同时获得的所以它的转换时间最短刻同时获得的所以它的转换时间最短 •缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADC需需7个比较器、个比较器、7个触发器、个触发器、8个电阻位数越多，电路越复杂位数越多，电路越复杂•为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法转换的方法 •单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如转换器的产品很多，如AD公司的公司的AD9012 (TTL工艺工艺8位位)、、AD9002 (ECL工艺，工艺，8位位)、、AD9020 (TTL工艺，工艺，10位位)等 （（1 1））分辨率 分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。

分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应即： 分辨率 = 满刻度值/2n-1 2、A/D转换器的性能指标 A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示 所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等 相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（Least Significant Bit)）来表示，1LSB = 1／ 2n-1 2 2）转换精度）转换精度  例如，对于一个8位0~5V的A/D转换器，如果其相对误差为±1LSB，则其绝对误差为±19.5 mV，相对百分误差为0.39％一般来说，位数n越大，其相对误差（或绝对误差）越小（3）转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间如逐位逼近式A/D 转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。

(1) 8位A/D转换器ADC0809 ADC0809是美国国家半导体公司生产的带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，采用28脚双列直插式封装 表3.5 C、B、A与通道关系表 CBA所选通道 000VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN72. 常用的常用的A/D转换器转换器 图3.25 AD574内部结构图(2) 12位A/D转换器AD574A 表3. 2 AD574A控制信号状态表CER/12/A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X一次读取12位输出数据10100输出高8位输出数据10101输出低4位输出数据尾随4个0AD574A引脚功能硬件连接设计软件程序设计 模拟量输入信号的连接、数字量输出引脚的连接、参考电平的连接、控制信号的连接 主要包括控制信号的编程，如：启动信号、转换结束信号以及转换结果的读出 3.2.7 A/D 转换器接口设计转换器接口设计  1．硬件设计．硬件设计模拟量输入信号的连接 数字量输出引脚的连接 参考电平的连接 时钟的选择 A/D转换器的启动方式转换结束信号的处理 转换结束信号的硬件连接有三种形式：①中断方式：将转换结束标志信号接到计算机系统的中断申请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上。

②查询方式：把转换结束信号经三态门送到PC数据总线或I/O接口的某一位上③转换信号悬空：即该管脚与其它管脚之间无电气连接2．软件设计．软件设计启动A/D转换，中断、查询或延时等待转换时间后根据数据输出格式读出转换结果 (1)启动A/D转换 (2) 转换结果的读出①中断方式：②查询方式：③软件延时方法：3.2.8 A/D 3.2.8 A/D 转换器与转换器与PCPC接口接口1 1、、ADC0809接口电路 A/D转换器的接口电路主要是解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动A/D转换，如何判断A/D完成一次模数转换，如何读入并存放转换结果的下面仅介绍两种典型的接口电路 v （（1 1）查询方式读）查询方式读A/DA/D转换数转换数 v （（2 2）定时方式读）定时方式读A/DA/D转换数转换数 （（1 1）查询方式读）查询方式读A/DA/D转换数转换数 采用程序查询方式的8路8位A/D转换接口电路，由PC总线、ADC0809以及138译码器、74LS02非与门（即或非门）与74LS126三态缓冲器组成图中，启动转换的板址PA= 0100 0000，每一路的口址分别为000-111，故8路转换地址为40H-47H。

图图 查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数接口程序如下：： MOV   BX，BUFF ；置采样数据区首址                MOV   CX，08H   ；８路输入START： OUT   PA，AL       ；启动A/D转换 REOC：  IN     AL，PB        ；读EOC                RCR   AL，01       ；判断EOC                JNC   REOC          ；若EOC=0，继续查询                IN     AL，PA        ；若EOC=1，读A/D转换数                MOV  [BX]，AL   ；存A/D转换数                INC    BX             ；存A/D转换数地址加1                INC    PA             ；接口地址加1                LOOP  START      ；循环启动转换过程： 首先主机执行一条启动转换第1路的输出指令，即是把AL中的数据送到地址为PA的接口电路中，此时AL中的内容无关紧要，而地址PA=40H使138译码器的输出一个低电平，连同OUT输出指令造成的低电平，从而使非与门02（3）产生脉冲信号到引脚ALE和START，ALE的上升沿将通道地址代码000锁存并进行译码，选通模拟开关中的第一路VIN0，使该路模拟量进入到A/D转换器中；同时START的上升沿将ADC0809中的逐位逼近寄存器SAR清零,下降沿启动A/D转换，即在时钟的作用下，逐位逼近的模数转换过程开始。

 接着，主机查询转换结束信号EOC的状态，通过执行输入指令，即是把地址为PB的转换接口电路的数据读入AL中，此时地址PB= 0100 1000（48H），使138译码器的输出一个低电平，连同IN输入指令造成的低电平，从而使非与门02（1）产生脉冲信号并选通126三态缓冲器，使EOC电平状态出现在数据线D0上然后将读入的8位数据进行带进位循环右移，以判断EOC的电平状态如果EOC为“0”，表示A/D转换正在进行，程序再跳回REOC，反复查询；当EOC为“1”，表示A/D 转换结束 然后，主机便执行一条输入指令，把接口地址为PA的转换数据读入AL中，即是输出一个低电平，连同IN输入指令造成的低电平，从而使非与门02（2）产生脉冲信号，即产生输出允许信号到OE，使ADC0809内部的三态输出锁存器释放转换数据到数据线上，并被读入到AL中 接下来，把A/D转换数据存入寄存器BX所指的数据区首地址0000H中，数据区地址加1，为第2路A/D转换数据的存放作准备；接口地址加1，准备接通第2路模拟量信号；计数器减1，不为0则返回到START，继续进行下一路的A/D转换。

如此循环，直至完成8路A/D转换（2）定时方式读A/D转换数 定时方式读A/D转换数的电路组成如图所示，它与查询方式不同的仅仅在于启动A/D转换后，无需查询EOC引脚状态而只需等待转换时间，然后读取A/D转换数因此，硬件电路可以取消126三态缓冲器及其控制电路，软件上也相应地去掉查询EOC电平的REOC程序段，而换之以调用定时子程序（CALL DELAY）即可 这里定时时间应略大于ADC0809的实际转换时间图中，ADC0809的CLOCK引脚（输入时钟频率）为640KHz，因此转换时间为8×8个时钟周期，相当于100μS图 定时方式读A/D转换数                               显然，定时方式比查询方式简单，但前提是必须显然，定时方式比查询方式简单，但前提是必须预先精确地知道预先精确地知道A/DA/D转换芯片完成一次转换芯片完成一次A/DA/D转换所需转换所需的时间 这两种方法的共同点是硬软件接口简单，但在这两种方法的共同点是硬软件接口简单，但在转换期间独占了转换期间独占了CPUCPU时间，好在这种逐位逼近式时间，好在这种逐位逼近式A/DA/D转换的时间只在微秒数量级。

当选用双积分式转换的时间只在微秒数量级当选用双积分式A/DA/D转转换器时，因其转换时间在毫秒级，因此采用中断法换器时，因其转换时间在毫秒级，因此采用中断法读读A/DA/D转换数的方式更为适宜因此，在设计数据采转换数的方式更为适宜因此，在设计数据采集系统时，究竟采用何种接口方式要根据集系统时，究竟采用何种接口方式要根据A/DA/D转换器转换器芯片而定芯片而定0809和和8051的接口的接口574和和8051的接口的接口AD574A控制信号状态表CER/12/A0操作0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换10001启动8位转换1011X一次读取12位输出数据10100输出高8位输出数据10101输出低4位输出数据尾随4个02．．AD574A与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口AD574AAD574A引脚功能引脚功能引脚功能引脚功能图3.28 AD574A通过8255A与PC总线的连接图8255A首先进行8255A的初始化实现一次A/D转换包括A/D转换的启动、检测转换是否结束、数据的读出，采用查询方式 2．．AD574A与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口(1)8255A初始化设置INIT：   MOV AL，9AH；设置A.B.C口的工作方式    MOVDX，2D3H  ；8255A的控制寄存器    OUTDX，AL      ；方式字送控制寄存器(2)启动A/D转换   START：    MOV       AL，00H    MOVDX，2D2H；8255A的端口C    OUTDX，AL     ；使R/C=0，启动A/D转换(3) 检测转换是否结束及数据的读出检测转换是否结束及数据的读出LOOP：：MOV DX，，2D2H；；8255A的端口的端口CINAL，，DX；查询；查询STS的状态的状态TEST AL，，80HJNZ LOOP；转换未完成，继续等待；转换完成，；转换未完成，继续等待；转换完成，向下执行向下执行MOV AL，，01H；置位，即；置位，即R/C=1OUTDX，，ALDECDX；指向；指向8255A的端口的端口BINAL，，DX；读入端口；读入端口B高高8位数据位数据MOV [BX+1]，，AL ；数据保存；数据保存DECDX；指向；指向8255A的端口的端口AINAL，，DX；读入端口；读入端口A数据数据ANLAL，，0F0H；屏蔽低四位数据；屏蔽低四位数据 MOV [BX]，，AL；数据保存；数据保存 综合例子 图3-19是一种8路12位A/D转换模板的示例。

图中只给出了总线接口与I/O功能实现部分，由8路模拟开关CD4051、采样保持器LF398、12 位A/D 转换器AD574A和并行接口芯片8255A等组成 该模板的主要技术指标如下： 分辨率：12位 通道数：单端8路 输入量程：单极性0~10V 转换时间：25μs 传送应答方式：查询     该模板采集数据的过程如下： (1) 通道选择 将模拟量输入通道号写入8255A的端口C低4位（PC3~ PC0），可以依次选通8路通道 (2)采样保持控制 把AD574A的信号通过反相器连到LF398的信号采样保持端，当AD574A未转换期间或转换结束时＝0，使LF398处于采样状态，当AD574A转换期间＝1，使LF398处于保持状态 (3)启动AD574A进行A/D转换 通过8255A的端口PC6~PC4输出控制信号启动AD574A（4）查询AD574A是否转换结束 读8255A的端口A，查询是否已由高电平变为低电平5）读取转换结果 若已由高电平变为低电平，则读8255A端口A、B，便可得到12位转换结果 设8255A的A、B、C端口与控制寄存器的地址为2C0H-2C3H，主过程已对8255A初始化，且已装填DS、ES(两者段基值相同)，采样值存入数据段中的采样值缓冲区BUF，另定义一个8位内存单元BUF1。

该过程的数据采集程序框图如图所示，数据采集程序如下：图 路数据采集程序框图 AD574A PROC NEAR ；过程定义伪指令；过程定义伪指令 MOV CX，，8 ；计数器初始；计数器初始 CLD ；标志位；标志位DF清零清零 MOV AL，，00000000B ；； MOV BUF1，，AL ；；CE=0，， =0，，R/ =0，， =B=A=0，控制信号初始，通道号初始，控制信号初始，通道号初始 LEA BX，，BUF ；置采样缓冲区首址；置采样缓冲区首址 NEXTCH：： MOV DX，，2C2H ；；8255A的的PC口址口址 MOV AL，，BUF1 OUT DX，，AL ；送；送PC口控制信号与通道号口控制信号与通道号 NOP NOP                       OR   AL，01000000B      ；CE=1                       OUT  DX，AL                 ；启动A/D                      AND  AL，10111111B      ；CE=0                      OUT  DX，AL                     MOV  DX，2C0H              ；8255A的PA口址POLLING： IN    AL，DX                TEST  AL，80H               JNZ   POLLING                 ；测试 MOV AL，，BUF1 OR AL，，01010000B；；R/=1 MOV DX，，2C2H OUT DX，，AL ；输出；输出12位转换数到位转换数到8255A MOV DX，，2C0H IN AL，，DX ；读；读8255A的的PA口口 AND AL，，0FH MOV AH，，AL ；保留；保留PA口低口低4位（位（12位中的高位中的高4位）位） INC DX ；读低；读低8位位 IN AL，，DX ；读；读8255A的的PB口（口（12位中的低位中的低8位）位） STOSW ；；12位数存入内存，自动修改采样缓位数存入内存，自动修改采样缓 冲区指针冲区指针 INC BUF1 ；修改通道号；修改通道号 LOOP NEXTCH ；采集下一个通道，直到第；采集下一个通道，直到第8路路 MOV AL，，00111000B；；CE=0，，=R/=1 MOV DX，，2C2H OUT DX，，AL ；不操作；不操作 RETAD574A ENDP3.3.1 模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式 模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、采样保持器、V/I变换等组成。

主要取决于输出保持器的构成方式输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变保持器一般有数字保持和模拟保持两种方案3.3 模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道是计算机控制系统实现输出控制的关键，它的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的 1.一个通路设置一个一个通路设置一个D/A转换器的形式转换器的形式 接口D/AD/AV/I转换器V/I转换器PC总线通道1通道n图3.29 一个通路一个D/A转换器的结构 这是一种数字保持方案优点:转换速度快，工作可靠，即使某一路D/A转换器发生故障，也不影响其他通道的工作缺点:使用了较多的D/A转换器，使得这种结构的价格很高2.2.多个通路共用一个多个通路共用一个D/A转换器的形式转换器的形式 图3.30 多个通路共用一个D/A转换器的结构接口D/A多路开关采样保持器采样保持器V/I转换器V/I转换器通道1通道nPC总线 由于共用一个由于共用一个D/AD/A转换器，因此必须在计算机控制下分转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即依次把时工作，即依次把D/AD/A转换器转换成的模拟电压（或电流），转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给输出采样通过多路开关传送给输出采样——保持器。

保持器 优点优点: :节省了节省了D/AD/A转换器 缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合它还要使用多路开关，且要求输出采样不高的场合它还要使用多路开关，且要求输出采样——保持保持器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差 D/AD/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或装置，转换器是将数字量转换成模拟量的元件或装置，其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比例常用的数成正比例常用的D/AD/A转换器的分辨率有转换器的分辨率有8 8位、位、1010位、位、1212位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓位等，其结构大同小异，通常都带有两级缓冲寄存器冲寄存器 3.3.2 D/A转换器转换器 数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，转换成相应的模拟量， 然后，将这些模拟量相加，即可然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，得到与数字量成正比的模拟量， 从而实现数字量从而实现数字量----模拟模拟量的转换。

量的转换实现实现D/AD/A转换的基本思想转换的基本思想 ND＝＝b4×24＋＋b3×23＋＋b2×22＋＋b1×21＋＋b0×20 ＝＝1×24＋＋1×23＋＋0×22＋＋0×21＋＋1×20将二进制数将二进制数ND＝＝(11001)B转换为十进制数转换为十进制数1. D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 D/AD/A转换器的主要技术指标有分辨率、建立时间、非线性误差等转换器的主要技术指标有分辨率、建立时间、非线性误差等 n 输入输出关系n分辨率：分辨率用D/A转换器数字量的位数n（字长）来表示分辨率为n位，表示对D/A转换器输入二进制数的最低有效位（LSB）与满量程输出的1/（2n-1）相对应如分辨率为8位，表示对D/A转换器的一个LSB与满量程输出的1/（28-1）=1/255的增量 n建立时间：指D/A转换器中代码有满度的变化时，其输出达到稳定(离终值±1/2LSB相当的模拟量范围内)所需要的时间n建立时间：指D/A转换器中代码有满度的变化时，其输出达到稳定(离终值±1/2LSB相当的模拟量范围内)所需要的时间 n非线性误差：实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。

n输入编码：一般为并行或串行二进制码输入，也有BCD码输入 D/AD/A的结构特性与应用特性的结构特性与应用特性1 1．数字输入特性．数字输入特性       数字输入特性包括接收数的码制、数据格式以及逻辑电平等 批量生产的D／A转换芯片一般都只能接收自然二进制数字代码因此，当输入数字代码为其他形式时，应外接适当的偏置电路后才能被接收 多数D/A转换器都接收并行码，但对于有些芯片内部配置有移位寄存器的D/A转换器也可以接收串行码输入  对于不同的对于不同的D/AD/A转换器，输入逻辑电平要求不同对转换器，输入逻辑电平要求不同对于固定阈值电平的于固定阈值电平的D/AD/A转换器一般只能和转换器一般只能和TTLTTL或低压或低压CMOSCMOS电电路相连，而有些逻辑电平可以改变的路相连，而有些逻辑电平可以改变的D/AD/A转换器可以满足转换器可以满足与与TTLTTL、高低压、高低压CMOSCMOS、、PMOSPMOS等各种器件直接连接的要求等各种器件直接连接的要求具体情况查阅用户使用手册具体情况查阅用户使用手册2．模拟输出特性．模拟输出特性 目前生产的多数D/A转换器均属于电流输出器件。

手册上通常给出的是输入参考电压及参考电阻之下的满码（全l）输出电流I0和最大输出短路电流 对于输出特性具有电流源性质的D/A转换器，还给出了输出电压允许范围，它是用来表示由输出电路（包括简单电阻负载或者运算放大器电路）造成的输出端电压的可变动范围只要输出端的电压小于输出电压允许范围，输出电流和输入数字之间保持正确的转换关系，而与输出的电压大小无关 对于输出特性为非电流源特性的D/A转换器，电流输出端应保持公共端电位或虚地，否则将破坏其转换关系3．锁存特性．锁存特性 D/A转换器对数字量输入是否具有锁存功能将直接影响与CPU的接口设计 如果D/A转换器没有输入锁存器，通过CPU数据总线传送数字量时，必须采用锁存器连接，否则只能通过具有输出锁存功能的可编程并行I／O口给D/A送入数字量，但目前这种D/A转换器较少使用4．参考电压源．参考电压源        参考电压源是惟一影响D/A转换器输出结果的模拟参量选用内部带有低漂移、精密参考电压源的D/A转换器不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路D/AD/A转换器的分类转换器的分类: :按解码网络按解码网络结构分类结构分类 T型电阻网络型电阻网络DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC权电流权电流DAC 权电阻网络权电阻网络DAC 按模拟电子开按模拟电子开关电路分类关电路分类 CMOS开关型开关型DAC双极型开关型双极型开关型DAC 电流开关型电流开关型DAC ECL电流开关型电流开关型DAC D/A 转转换换器器两大类型：并行两大类型：并行D/A转换器和串行转换器和串行D/A转换器转换器.D/AD/A转换器的组成转换器的组成: :　　用存放在数用存放在数字寄存器中的字寄存器中的数字量的各位数字量的各位数码数码由输入数字量控由输入数字量控制制　　产生权电流产生权电流　　将权电流相将权电流相加产生与输入加产生与输入成正比的模拟成正比的模拟电压电压电阻网络、基准电源、模拟切换开关、运算放大器电阻网络、基准电源、模拟切换开关、运算放大器实现实现D/AD/A转换的原理电路转换的原理电路 ，，，，, 权电阻并行权电阻并行D/A转换器转换器T型电阻并行型电阻并行D/A转换器转换器倒倒T型型电阻网络电阻网络D/A转换器转换器计算倒计算倒T型型电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路 8位D/A转换器DAC0832 DAC0832是美国国家半导体公司（National）生产的8位D/A转换集成芯片，能完成数字量输入模拟量（电流）输出的转换。

单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作，基准电压的范围为±10V，电流建立时间为1µs，CMOS工艺，低功耗20mW其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用2. D/A转换器转换器图 DAC0832的原理框图 DAC0832的引脚排列图DAC0832的各个引脚功能如下的各个引脚功能如下•  DI0~DI7：8位数据输入线•  ILE：数据允许锁存信号，高电平有效•       ：输入寄存器选择信号，低电平有效它与ILE信号结合可对信号是否起作用进行控制•         ：输入寄存器的写选通信号，低电平有效，用以把数字量输入锁存于输入寄存器中，在       有效时，必须      和ILE同时有效•           ：数据传送信号，低电平有效•           ：DAC寄存器的写选通信号，低电平有效，用以将锁存于输入寄存器的数字量传送到D/A寄存器中锁存       有效时，必须          有效IOUT1：电流输出引脚：电流输出引脚1随DAC寄存器的内容线性变化，当寄存器的内容线性变化，当DAC寄存器输入全为寄存器输入全为1时，输出电流最大，时，输出电流最大，DAC寄存器输寄存器输入全为入全为0时，输出电流为时，输出电流为0。

IOUT2：电流输出引脚：电流输出引脚2，为，为IOUT1电流互补输出，即电流互补输出，即IOUT1+ IOUT2=常数Rfb：反馈电阻连接端可以和外接运算放大器直接相连该：反馈电阻连接端可以和外接运算放大器直接相连该运算放大器是将运算放大器是将D/A芯片电流输出转换为电压输出芯片电流输出转换为电压输出VOUTVREF：基准电源输入引脚外接电压源的稳定精度直接影响：基准电源输入引脚外接电压源的稳定精度直接影响D/A转换精度，范围为转换精度，范围为-10V~+10VVCC：电源电压输入端，范围为：电源电压输入端，范围为+5V~+15VDGND：数字地AGND：模拟地模拟量电路的接地端始终与数字电路接地：模拟地模拟量电路的接地端始终与数字电路接地端相连 DAC0832的输出方式分为单极性输出和双极性输出两种的输出方式分为单极性输出和双极性输出两种图2-59    单极性电压输出电路 图 所示为单极性电压输出电路 图图2-59中，中，DAC0832的电流输出端的电流输出端IOUT1接至运算放大接至运算放大器的反相输入端故输出电压器的反相输入端故输出电压VOUT与参考电压与参考电压VREF极性反相。

极性反相其输出电压为其输出电压为 VOUT1=-IOUT1×Rfb                                 （2-24）     或者为 VOUT1=-VREF×                                     （2-25） 8位单极性电压输出采用二进制代码时，输入数字量与位单极性电压输出采用二进制代码时，输入数字量与输出电压之间的对应关系如表输出电压之间的对应关系如表2-7所示数字量数字量MSB LSB模模拟量量 1 1 1 1 1 1 1 1- VREF × 1 0 0 0 0 0 0 0- VREF × 0 0 0 0 0 0 0 0- VREF ×如图如图2-60所示为双极性电压输出所示为双极性电压输出 图2-60 双极性电压输出电路在图在图2-60中，运放中，运放A2构成的是反相求和电路，其输出构成的是反相求和电路，其输出VOUT2为为VOUT2= -2VOUT1-VREF                          （2-26）将式（2-19）代入式（2-20）得VOUT2= VREF×                                  （2-27）      设          1LSB=                                         （2-28）        由此，采用偏移二进制代码的双极性电压输出时，数字量与模拟量之间的关系如表2-8所示。

表表2-8 双极性输出时数字量与模拟量之间的关系双极性输出时数字量与模拟量之间的关系输入数字量入数字量输出模出模拟量量MSB LSB+VREF-VREF1 1 1 1 1 1 1 1VREF-1LSB-|VREF|+1LSB1 1 0 0 0 0 0 0VREF/2-|VREF|/21 0 0 0 0 0 0 0000 1 1 1 1 1 1 1-1LSB+1LSB0 0 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0-VREF|VREF|DAC0832DAC0832：工作方式：工作方式（（a a））双缓冲方式双缓冲方式：两个寄存器均工作于受控状态采用：两个寄存器均工作于受控状态采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度也可在多个转换器同时工作时，实现多高了转换速度也可在多个转换器同时工作时，实现多通道通道D/AD/A的同步转换输出分批传输也会用到）的同步转换输出分批传输也会用到）b b））单缓冲方式单缓冲方式：一个寄存器工作于直通状态，另一个：一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态。

此时只需一次控制操作，提高工作于受控锁存器状态此时只需一次控制操作，提高了了D/AD/A的数据吞吐量的数据吞吐量c c））直通方式直通方式：两个寄存器均不受控输出随输入的变：两个寄存器均不受控输出随输入的变化随时转换化随时转换4图3.33 DAC1210的内部结构12位D/A转换器DAC1210 3.3.3  D/A转换器接口技术转换器接口技术D/A转换器应用接口的设计，主要包括数字量输入信号的连接以及控制信号的连接D/A编程相对简单，包括：选中D/A转换器、送转换数据到数据线，启动D/A转换 ①① 数字量输入端的连接数字量输入端的连接  主要考虑两方面的问题：主要考虑两方面的问题： 一个是位数，若采用一个是位数，若采用8位微机，则位微机，则8位位D/A转换器的数字转换器的数字量输入端可以和量输入端可以和CPU的数据线对应相连即可，若的数据线对应相连即可，若D/A转换器转换器是高于是高于8位的，则要考虑将数据分批传送，且需要将带传送的位的，则要考虑将数据分批传送，且需要将带传送的数据事先按照要求的格式排列好；数据事先按照要求的格式排列好； 二是考虑二是考虑D/A转换器内部是否具有输入锁存器，若有输转换器内部是否具有输入锁存器，若有输入锁存器，则可以直接和入锁存器，则可以直接和CPU的数据线相连，若没有，则必的数据线相连，若没有，则必须在须在CPU和和D/A转换器之间加上锁存器。

转换器之间加上锁存器 ②② 外部控制信号的连接外部控制信号的连接         外部控制信号主要是片选信号、写信号、启动信号、电外部控制信号主要是片选信号、写信号、启动信号、电源和参考电平等源和参考电平等 电源和参考电压根据电源和参考电压根据D/A转换器芯片的要求加上适当的电转换器芯片的要求加上适当的电压，写信号多由微机的信号提供片选信号主要是由地址线压，写信号多由微机的信号提供片选信号主要是由地址线或地址译码器提供，启动信号一般是地址线或地址译码器的或地址译码器提供，启动信号一般是地址线或地址译码器的输出线与写信号共同作用输出线与写信号共同作用 对于对于8位位D/A转换器，其控制方式可以是双缓冲、单缓冲转换器，其控制方式可以是双缓冲、单缓冲方式此时，方式此时，D/A转换器的工作情况不仅取决于上述信号，而转换器的工作情况不仅取决于上述信号，而且还与其内部各输入寄存器的地址状态有关有时为方便起且还与其内部各输入寄存器的地址状态有关有时为方便起见，也接成直通方式（将各控制信号接地或接见，也接成直通方式（将各控制信号接地或接+5V）图3.34 DAC0832与PC总线接口电路DI7～DI03.3.4     D/A转换器与转换器与PC接口接口 1. 8位位D/A转换器转换器DAC0832与与PC的连接的连接 若DAC0832的地址为：200H，则8位二进制数56H转换为模拟电压的接口程序如下：CONVERT：MOVDX，200H；DAC0832地址                   MOVAL，56H；要转换的立即数                   OUTDX，AL； CS/=WR1/=0，启动D/A转换图3.35 DAC1210与PC总线的连接2. 12位位D/A转换器与转换器与PC的连接的连接 CONVERT：： MOV AL，68H；高8位数据 MOVDX，220H；OUTDX，AL；=0，=1，=0，高8位数据送数据线INCDX；修改地址指针，指向221HMOVAL，0F0H；低4位数据OUTDX，AL；=0，=0，=0，低4位数据送数据线INCDX；修改地址指针，指向222HOUTDX，AL；启动12位数据开始转换转换12位二进制数68FH，则程序如下 3.3.5  D/A转换器的输出形式转换器的输出形式    D/A转换器的输出有电流和电压两种方式，一般电流输出需经放大器转换成电压输出。

电压输出可以构成单极性电压输出和双极性电压输出电路    D/A转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，而与其位数无关   单极性电压输出指输入值只有一个极性(或正或负)，D/A的输出也只有一个极性双极性电压输出指当输入值为符号数时，D/A的输出反映正负极性利用DAC0832实现的单、双极性输出电路 图3.36 单、双极性输出电路R1=2RR3=2RR4=RR2=R根据上面两式，对于8位D/A转换器，有：D=0时，；D=80H，D=FFH，实现了双极性输出1. V/I变换电路变换电路 图3.37 V/I转换电路2.集成集成V/I变换器变换器 图3.38 XTR110引脚排列3.3.6     V/I变换变换 Iout = Vin / Rf图3.39 正确的地线连接3.4 D/A、、A/D转换器的电源、接转换器的电源、接地与布线地与布线数据采集系统中，接地点分为两类：逻辑电路的返回端(数字地)和模拟公共端(模拟地) 在全部电路中的数字地和模拟地仅仅连在一点上，在芯片和其他电路中不可再有公共点 接地电源电源 D/A、A/D转换电路中，供电电源电压的不稳定会影响转换结果。

一般要求纹波电压小于1%可采用钽电容或电解电容滤波为了改善高频特性，还应用高频滤波电容电路板设计时，每个芯片的电源线与地线之间要加旁路电容，并应尽量靠近D/A、A/D转换芯片，一般选用0.01～0.1µF的电容布线布线印刷电路板布线的一般原则：尽量缩短传输导线长度；数字信号与模拟信号尽量远离；电源线和地线的电流密度不应太大，以减少电源线和地线引入的干扰；印刷电路板中导线宽度与电流关系一般为2A/mm波纹系数:直流电中交流分量和直流电压之比称为波纹 系数,多用来衡量滤波品质.直流输出电压乘上波纹系数就是波纹电压 作业作业习题：习题：3、、7、、8、、10、、11、、12、、13、、14。