1、第9章 开关量与模拟量接口技术第9章 开关量与模拟量接口技术9.1 概概述述9.2 开关量接开关量接口口9.3 模拟量接模拟量接口口9.4 多通道数据采集系多通道数据采集系统统习题习题9第9章 开关量与模拟量接口技术9.1 概概 述述9.1.1 开关量开关量开关量的输入/输出是微机应用系统常常遇到的问题。在微机应用系统中，通常要引入一些开关量的输出控制(如继电器的通/断)及状态量的反馈输入(如机械限位开关状态、控制继电器的触点闭合等)。第9章 开关量与模拟量接口技术强电控制电路与微机应用系统共地，是引起干扰的一个很重要的原因。由于强电控制电路与微机应用系统的接地线存在着一定的电阻，且微机应用系
2、统各器件的接地和电源接地之间也存在着一定大小的连线电阻，在平常工作时，流过的电流较小，这种电阻上的压降几乎可以忽略不计，系统各器件的地和电源地可以认为是同一电位；但是，如果在某一瞬时，有大电流流过，那么该电阻上的压降就不能忽略了。这些压降就会叠加到微机应用系统各个器件上，从而造成危害极大的脉冲干扰，如图9.1所示。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.1 大电流干扰地电平示意图第9章 开关量与模拟量接口技术消除上述干扰最有效的方法是使微机应用系统主机部分的接地和强电控制电路的接地隔开，不让它们在电气上共地。微机应用系统主机部分的控制信息以某种非电量(如光、磁等)形式传递给强电控制电路，实现电信号
3、的隔离，从而消除强电干扰。第9章 开关量与模拟量接口技术9.1.2 模拟量模拟量模拟量输入/输出通道是微型计算机与控制对象之间的一个重要接口，也是实现工业过程控制的重要组成部分。在工业生产中，需要测量和控制的物理量往往是连续变化的量，如电流、电压、温度、压力、位移、流量等。为了利用计算机实现对工业生产过程的自动监测和控制，首先要能够将生产过程中监测设备输出的连续变化的模拟量转变为计算机能够识别和接受的数字量。其次，还要能够将计算机发出的控制命令转换为相应的模拟信号，去驱动模拟调节执行机构。这样两个过程，都需要模拟量的输入和输出通道来完成。第9章 开关量与模拟量接口技术模拟量输入/输出通道的结构
4、如图9.2所示，下面分别介绍输入和输出通道中各环节的作用。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.2 模拟量的输入/输出通道结构图第9章 开关量与模拟量接口技术1.模拟量的输入通道模拟量的输入通道典型的模拟量输入通道由以下几部分组成。1)传感器传感器是用于将工业生产现场的某些非电物理量转换为电量(电流、电压)的器件。例如，热电偶能够将温度这个物理量转换成几毫伏或几十毫伏的电压信号，所以可用它作为温度传感器；而压力传感器可以把物理量压力的变化转换为电信号，等等。第9章 开关量与模拟量接口技术2)变送器一般来讲，传感器输出的电信号都比较微弱，为了易于与信号处理环节衔接，就需要将这些微弱电信号转换成一种
5、统一的电信号，变送器就是实现这一功能的器件。它将传感器的输出信号转换成010 mA或420 mA的统一电流信号或者05 V的电压信号。第9章 开关量与模拟量接口技术3)信号处理环节信号处理环节主要包括信号的放大及干扰信号的滤除。它将变送器输出的信号进行放大或处理成符合A/D(Analog to Digital)转换器需要的信号。另外，传感器通常都安装在现场，环境比较恶劣，其输出常叠加有高频干扰信号。因此，信号处理环节通常是低通滤波电路，如RC滤波器或由运算放大器构成的有源滤波电路等。第9章 开关量与模拟量接口技术4)多路转换开关在生产过程中，要监测或控制的模拟量往往不止一个，尤其是数据采集系统
6、中，需要采集的模拟量一般比较多，而且不少模拟量是缓慢变化的信号。对这类模拟信号的采集，可采用多路模拟开关切换，使多个模拟信号共用一个A/D转换器进行采样和转换，以降低成本。第9章 开关量与模拟量接口技术5)采样保持电路在数据采样期间，保持输入信号不变的电路称为采样保持电路。由于输入模拟信号是连续变化的，而A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，这段时间称为转换时间。不同的A/D转换芯片，其转换时间不同。对于变化较快的模拟输入信号，如果在转换期间输入信号发生变化，就可能引起转换误差。A/D转换芯片的转换时间越长，对同样频率模拟信号的转换精度的影响就越大。所以，在A/D转换器前面要增加一级采样保持
7、电路，以保证在转换过程中，输入信号的值不变。第9章 开关量与模拟量接口技术6)模数转换器A/D这是模拟量输入通道的中心环节，它的作用是将输入的模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号，以便计算机进行分析和处理。第9章 开关量与模拟量接口技术2.模拟量的输出通道模拟量的输出通道计算机的输出信号是数字信号，而有些控制执行元件要求提供模拟的输入电流或电压信号，这就需要将计算机输出的数字量转换为模拟量，这个过程的实现由模拟量的输出通道来完成。输出通道的核心部件是D/A(Digital to Analog)转换器，由于将数字量转换为模拟量同样需要一定的转换时间，因此要求在整个转换过程中待转换的数字量必须保
8、持不变。第9章 开关量与模拟量接口技术9.2 开开 关关 量量 接接 口口9.2.1 光电子器件光电子器件光电技术应用于计算机系统是当前一种较新的趋势，在信号传输和存储等环节中，可有效地应用光信号。第9章 开关量与模拟量接口技术1.光电二极管光电二极管光电二极管的结构与PN结二极管类似，但在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。图9.3(a)是光电二极管的代表符号，图9.3(b)是它的等效电路，而图9.3(c)则是它的工作特性曲线。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.3 光电二极管电路第9章 开关量与模
9、拟量接口技术2.发光二极管发光二极管发光二极管通常是使用元素周期表中、族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等所制成的。当这种管子通以电流时将发出光来，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。其光谱范围比较窄，波长由所使用的基本材料而定。图9.4表示发光二极管的代表符号。几种常见发光材料的主要参数如表9-1所示。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.4 发光二极管第9章 开关量与模拟量接口技术注：cd(坎德拉)是发光强度的单位。第9章 开关量与模拟量接口技术发光二极管的另一种重要用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再还原电信号。图9.5表示一发光二极管发射电路通过光缆驱
10、动一个光电二极管电路。在发射端，一个05 V的脉冲信号通过500 的电阻作用于发光二极管(LED)，这个驱动电路可使LED产生数字光信号，并作用于光缆。由LED发出的光约有20%耦合到光缆。在接收端，传送的光中约有80%耦合到光电二极管上，以致在接收电路的输出端复原为05 V电平的数字信号。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.5 光电传输系统第9章 开关量与模拟量接口技术3.光电耦合器件光电耦合器件光电耦合器是一种光电转换器件，它具有输入端和输出端。输入端是发光器件，输出端是光接收器件。当输入端加电信号时，此电信号使输入端的发光器件发光，而这种光信号被输出端的光电接收器接收并转换成电信号。由这
11、种“电光电”的转换过程实现了输入电信号和输出电信号之间的隔离。这就是光电耦合器的基本工作原理。第9章 开关量与模拟量接口技术1)光电耦合器的基本性能光电耦合器的基本性能将发光二极管和光敏器件封装在一起就成为光电耦合器，光电耦合器件的种类很多，但其基本原理是完全一样的。典型光电耦合器(简称光耦)的电路原理如图9.6所示。图9.6 光电耦合器第9章 开关量与模拟量接口技术2)光电耦合器的基本参数光电耦合器的基本参数光电耦合器的参数可分为输入参数、输出参数和传输特性参数三部分。(1)输入特性：表征光电耦合器输入参数集合。最大允许输入电流IFM：超出这个值时引起PN结温升过高，造成发光二极管损坏。一般
12、IFM可达50 mA，平时使用1020 mA。电流过小则发光不够，光电耦合器不能正常工作。正向压降VF：在IF=10 mA时，VF1.3 V，在设计电路时要考虑这个因素。第9章 开关量与模拟量接口技术 反向击穿电压BVR：发光二极管的反向击穿电压比普通二极管低，一般BVR在1020 V，使用时应控制在5 V以内。由于发光二极管的反向击穿电压BVR较小，因此，为了防止使用时接错电压极性或者其他偶然因素而引进的反向电压造成发光二极管击穿，往往在输入端加入一只反向二极管V，用以保护光电耦合器。为了防止长线输入干扰，往往加上RC电路。完整的输入电路如图9.7所示。反向漏电流IR：光电耦合器的发光二极管
13、在加反向电压时有一固定反向小电流，称之为反向漏电流IR，一般在VR=3 V时，IR不大于50 A。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.7 光电耦合器输入电路第9章 开关量与模拟量接口技术(2)输出特性：表征光电耦合器输出参数集合。暗电流：在输入端不加输入电流时，输出端的光电流称为暗电流(Iceo)，输出端在20 V工作电压下，Iceo0.1 A。输出端工作电压VE：光电耦合器输出端工作电压是指当输出端暗电流不超过一定值时，输出端所能加的最高电压。当输出端暗电流不超过0.1 A时，工作电压最高为30 V，一般为20 V。在电路中使用时不得超过手册上给出的工作电压的70%。第9章 开关量与模拟量接
14、口技术 击穿电压BVCEO：输出端的击穿电压是输出端工作电压继续提高后而产生击穿时的电压。对于GD210系列，以二极管输出的耦合器为例，击穿电压即为输出端光电二极管的反向击穿电压，一般可大于100 V。对于4N系列和GD310系列光电耦合器，输出端击穿电压即为输出端光电三极管的集电极与发射极之间的击穿电压BVCEO。第9章 开关量与模拟量接口技术 光电流IE：给光电耦合器输入端注入一定的工作电流(一般为10 Ma)，使GaAs-LED发光；输出端加上一定的工作电压(一般为10 V)，输出端产生的电流即为光电流。光电二极管型光电耦合器的光电流为300 A左右；而光电三极管型光电耦合器的光电流可达
15、10 mA。输出最大允许电流ICM：指发光二极管电流IF增加而Ic不再增加时的集电极电流。额定值为20 mA，但使用时不要超过10 mA。最大允许功耗PCM：为光电三极管的输出电流与其压降的乘积，一般为150 mW。第9章 开关量与模拟量接口技术(3)传输特性：光电耦合器的传输特性表征光电耦合器输入端与输出端的关系。传输比：在IE=10 mA、VCE=10 V时，传输比约为0.11.5。隔离阻抗：一般大于10 M。极间耐压：极间耐压可达500 V。极间电容：极间电容小于2 pF。响应时间：tr3 s，tf4 ms，因此频率很高时不易使用，频率低于100 kHz(甚至低于50 kHz)时才能可靠
16、地使用，即顶宽和底宽最好大于10 s。第9章 开关量与模拟量接口技术3)应用注意事项应用注意事项(1)由于光电耦合器件在工作过程中需要进行“电光电”的两次物理量的转换，这种转换是需要注意响应时间的，因而输入/输出速率有一定限制，按器件不同一般在几十至几百千赫兹。(2)当光电隔离器件的一端具有高电压时，为避免输入与输出之间被击穿，要选择合适绝缘电压的光电耦合器件。一般常见的为0.510 kV。(3)光电隔离器件的两边在电气上是不共地的。特别是供电电源，两边都应是独立的。第9章 开关量与模拟量接口技术(4)光电隔离输出接口通常用于对大功率执行机构的控制，这种控制要求非常可靠。为了使微型机应用系统确
17、知控制动作已经执行，一般每一个控制动作执行后，应有一个相应的状态信息反馈给CPU。在编写程序时，应使控制动作和反馈检测互锁，即在一个控制动作未完成以前，下一个控制动作不应该执行。(5)由于一般光电耦合器件的输入/输出特性是非线性的，因此不适用于模拟量的输入/输出接口。模拟量的隔离应在A/D转换后进行。第9章 开关量与模拟量接口技术9.2.2 开关量输入接口电路开关量输入接口电路如前所述，光电隔离输入通常用于控制动作的状态反馈。这种反馈可能是电信号形式，也可能是机械触点的断开或闭合形式。这里，我们假定状态反馈形式是继电器触点的断开或闭合。光电隔离输入接口电路如图9.8所示。第9章 开关量与模拟量
18、接口技术图9.8 光电隔离输入接口电路实例第9章 开关量与模拟量接口技术作为开关量输入/输出元件的光电耦合器的输入电路，可直接用TTL门电路或触发器驱动。在采用MOS电路时不能直接驱动，而要加TTL的三极管驱动，其电路形式如图9.9所示。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.9 光电耦合器的几种输入电路第9章 开关量与模拟量接口技术驱动光电耦合器的门电路，不能再驱动其他的负载。如前所述，光电耦合器在接收长距离信号及防止反向击穿时应附加上反向二极管和阻容电路。作为开关量输入时，光电耦合器的输出电路可直接驱动DTL、TTL、HTL、MOS电路等，也可通过晶体管来驱动，对于GaAs LED光电三极管型
19、可直接驱动。其电路图如图9.10所示。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.10 光电耦合器输出驱动电路第9章 开关量与模拟量接口技术开关量向微型计算机的输入有两种方法：一种是把一些开关量组成输入端口，由微型计算机的输入指令进行输入；另一种是对于要求紧急处理的一些开关量输入，必须通过“或逻辑”产生中断请求，由中断处理程序具体查询是哪种请求后，再作具体处理。第9章 开关量与模拟量接口技术9.2.3 开关量输出接口电路开关量输出接口电路开关量输出装置的逻辑结构如图9.11所示。由图可知，开关量输出接口由四部分组成，即缓冲寄存器、驱动放大器电路、输出部件以及控制译码电路。第9章 开关量与模拟量接口技术
20、图9.11 开关量输出接口的逻辑结构第9章 开关量与模拟量接口技术1.缓冲寄存器缓冲寄存器缓冲寄存器的每一位表示一个开关量，用“0”和“1”区分通/断或有/无。寄存器的字长等于数据总线位数，可容纳同样多的开关量数目。每个寄存器给一个地址，由控制译码器提供一个选通信号，开关量数目被字长除得的整数即为寄存器的数目。2.驱动放大器电路驱动放大器电路因为有些输出电路要求比较大的电流(例如，继电器需20 mA电流)，所以需要驱动放大电路。一般采用辅助操作接口中的总线驱动器元件即可。第9章 开关量与模拟量接口技术3.输出部件输出部件输出部件通常有四种，即继电器、光电开关、脉冲变压器和固态继电器。其电路原理
21、如图9.12所示。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.12 几种常用输出部件的电路结构第9章 开关量与模拟量接口技术1)继电器输出继电器输出如图9.12(a)所示，驱动电流约为20 mA，电压为+5 V，输入高压约为2430 V，电流为0.51 A。当开关量为1时，线圈通过电流，触点被吸合。VF1与V0接近，输入线VF2一般可公用，也可分开接不同设备。线圈并联二极管用以防止反冲。压敏电阻为齐纳二极管，起到防止冲击、打火、去干扰和保护触点等作用。继电器用于负载重、速度慢的情况。第9章 开关量与模拟量接口技术2)光电开关输出光电开关输出光电开关电路如图9.12(b)所示，一般要求驱动电流为20 m
22、A，宽度为20 s，用于负载较轻的使用情况。光电隔离输出接口，一般是CPU和大功率执行机构(如大功率继电器、电机等)之间的接口，控制信息通过它才能送到大功率的执行机构。CPU与继电器之间的接口如图9.13所示，它是光电隔离输出接口的一个实例。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.13 光电隔离输出接口电路实例第9章 开关量与模拟量接口技术3)脉冲变压器输出脉冲变压器输出如图9.12(c)所示，脉冲变压器多用于高频脉冲调制型输出。脉冲宽度可为25 s。脉冲变压器在光电开关不适合的快速、负载轻的情况下使用。4)固态继电器输出固态继电器输出固态继电器是光电开关隔离的扩展应用，在工业上用途广泛，是性能较
23、为理想的开关量输出元件，其结构如图9.12(d)所示。第9章 开关量与模拟量接口技术4.应用注意事项应用注意事项需要说明的是，在某些特殊情况下，需要在上述框图的基础上加以改进。1)输出特性不符输出电压和电流不符合共同的输出标准，要求比24 V或27 V更高的交直流电压，或者要求很大的电流时，采用二级继电器，即由开关量的输出再驱动强电继电器，由强电继电器触点构成通断完成这些要求。第9章 开关量与模拟量接口技术2)高可靠性高可靠性有些开关量输出要求特别可靠，要用外界一些条件直接进行控制，这样可在缓冲寄存器后加逻辑电路。用这些条件参与控制，然后再推动驱动器和输出部件。这种开关量输出被称为有条件开关量
24、输出。第9章 开关量与模拟量接口技术3)速度和时序速度和时序有些开关量输出要求严格的开关时间或某个开关接通后延迟指定时间，以使另一开关量接通。在微型计算机程序不能用于精确计时的情况下，开关量输出部分需加硬件定时计数器来处理这个问题。第9章 开关量与模拟量接口技术4)引入手动控制引入手动控制还有一些人工直接干预的开关量输出，可将操作键的输入信号与缓冲寄存器输出信号相“或”再送驱动电路和输出部件，这样不通过微型计算机便可进行手动控制。尽管还有这样那样的情况需要处理，总的说来开关量输出的逻辑关系是比较简单的，重要的是确保其工作的可靠性。第9章 开关量与模拟量接口技术9.3 模模 拟拟 量量 接接 口
25、口在工业过程控制中，经常要对温度、压力、流量、浓度和位移等物理量进行计算机控制。通常，先用传感器测量这些物理量，得到与之相应的模拟电流或模拟电压，再通过A/D转换器(ADC)转换为相应的数字信号，送入数字计算机处理，因此ADC常被看成是编码装置(因为转换后的数字信号是以编码形式送入数字系统的)。计算机处理后的结果是数字量，若用它去控制伺服电机等模拟量执行机构，则需通过D/A转换器(DAC)转换为相应的模拟信号，去驱动执行机构工作，因此DAC又常被看成是解码装置。第9章 开关量与模拟量接口技术9.3.1 D/A转换器转换器D/A转换器是一种将数字量转换成模拟量的器件，其特点是接收、保持和转换的是
26、数字信息，不存在随温度和时间的漂移问题，因此电路的抗干扰性能较好。由于现阶段D/A转换器接口设计的主要任务是选择D/A集成芯片，并配置相应的外围电路，因此本书不介绍D/A转换器的基本原理，而是重点介绍常用的芯片。第9章 开关量与模拟量接口技术1.8位位D/A转换器转换器DAC0830/0831/0832DAC0830/0831/0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，它具有价格低廉、接口简单及转换控制容易等特点。DAC0830系列产品包括DAC0830、DAC0831和DAC0832，它们可以完全相互代换。这类产品由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DIA转换电路及转换控制电路组成，能和
27、CPU数据总线直接相连，属中速转换器，大约在1 s内将一个数字量输入转换成模拟量输出。第9章 开关量与模拟量接口技术1)特点与主要规范特点与主要规范该类产品采用双缓冲、单缓冲或直接数字输入，与12位DAC1230系列容易互换，且引脚兼容，可用于电压开关方式，电流建立时间为1 s，8位的分辨率，功耗低，只需20 mW，采用+5+15 V单电源供电，满足TTL电平规范的逻辑输入(1.4 V逻辑域值)，具有8、9或10 位线性度(全温度范围均保证)。图9.14给出了DAC0830系列芯片的引脚图。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.14 DAC0830/0831/0832引脚图第9章 开关量与模拟量
28、接口技术2)引脚功能第9章 开关量与模拟量接口技术第9章 开关量与模拟量接口技术3)内部结构及工作原理图9.15给出了DAC0830内部结构示意图。图9.15 DAC0830内部结构第9章 开关量与模拟量接口技术4)工作方式DAC0830系列芯片在以上几个信号的不同组合控制下，可实现双缓冲、单缓冲和直通三种工作状态。(1)双缓冲方式。所谓双缓冲方式，就是把DAC0830的输入锁存器和DAC寄存器都接成受控锁存方式。这种方式适用于多路D/A同时进行转换的系统。第9章 开关量与模拟量接口技术设输入锁存器的地址为200H，DAC寄存器的地址为201H，则完成一次D/A转换的参考程序片段如下：第9章
29、开关量与模拟量接口技术(2)单缓冲方式。如果应用系统中只有一路D/A转换，或虽然是多路转换但不要求同步输出时，可采用单缓冲方式。所谓单缓冲方式，就是使DAC0830的输入锁存器和DAC寄存器有一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式。执行下面几条指令就能完成一次D/A转换：(3)直通方式。第9章 开关量与模拟量接口技术5)输出方式DAC0830为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外接一个运算放大器。(1)单极性模拟电压输出。如果参考电压为+5 V，则当数字量N从00H至FFH变化时，对应的模拟电压VO的输出范围是-50 V，如图9.16所示。第9章 开关量与模拟量接口技术图9
30、.16 单极性输出方式第9章 开关量与模拟量接口技术(2)双极性模拟电压输出。如果要输出双极性电压，则需在输出端再加一级运算放大器作为偏移电路，如图9.17所示。当数字量N从00H至FFH变化时，对应的模拟电压VO的输出范围是-5+5 V。第9章 开关量与模拟量接口技术 图9.17 双极性输出方式第9章 开关量与模拟量接口技术6)应用举例应用举例【例9-1】锯齿波的产生。锯齿波发生器电路结构如图9.18所示。图9.18 DAC0830锯齿波发生器电路第9章 开关量与模拟量接口技术控制程序清单如下：第9章 开关量与模拟量接口技术第9章 开关量与模拟量接口技术通过AL加1，可得到正向的锯齿波。若要
31、得到负向的锯齿波，则只要将程序中的INC AL改为DEC AL即可。可以通过延时的办法改变锯齿波的周期，若延迟时间较短，则可用NOP指令来实现；若延迟时间较长，则可用一个延时子程序。延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。第9章 开关量与模拟量接口技术2.12位位D/A转换器转换器DAC1208/1209/1210DAC1208系列D/A转换器有DAC1208、DAC1209和DAC1210三种类型，它们都是与微处理器直接兼容的12位D/A转换器。其基本结构与DAC0830系列相似，也是由两级缓冲寄存器组成，因此可不添加任何接口逻辑而直接与CPU相连。它们的主要区别是线性误差不同。第9
32、章 开关量与模拟量接口技术1)特点与主要规范特点与主要规范该类器件可与所有的通用微处理器直接相连，可采用双缓冲、单缓冲或直接数字输入，逻辑输入符合TTL电压电平规范(1.4 V逻辑域值)，特殊情况下能独立操作(无PC)。1 s的电流稳定时间，12位的分辨率，具有满量程10位、11位或12位的线性度(在全温度范围内保证)，低功耗设计，只需要20 mW。参考电压为-10+10 V，+5+15 V为单电源。第9章 开关量与模拟量接口技术2)内部结构及工作方式内部结构及工作方式DAC1208系列芯片为标准24脚双列直插式(DIP24)封装，其内部结构如图9.19所示。从图中可以看出，DAC1208系列
33、芯片的逻辑结构与DAC0830系列的相似，也是双缓冲结构，主要区别在于它的两级缓冲寄存器和D/A转换器均为12位。为了便于和应用广泛的8位CPU相连，12位数据输入锁存器分成了一个8位输入锁存器和一个4位输入锁存器，以便利用8位数据总线分两次将12位数据写入DAC芯片。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.19 DAC1208系列内部结构及引脚分布图第9章 开关量与模拟量接口技术图9.20 DAC1208系列芯片与 IBM-PC总线的连接第9章 开关量与模拟量接口技术3.D/A转换器接口技术性能转换器接口技术性能D/A转换器输入的是数字量，经转换后输出的是模拟量，有关D/A转换器的技术性能很多，
34、这里不做详细说明，只对几个与接口有关的主要技术性能参数进行介绍。第9章 开关量与模拟量接口技术1)分辨率分辨率指D/A转换器能够转换的二进制数的位数。位数越多，分辨率越高。分辨率越高，转换时对应数字输入信号最低位的模拟信号电压值就越小，也就越灵敏。例如，一个D/A转换器能够转换8位二进制数，若转换后的电压满量程是5 V，则它能分辨的最小电压为20 mV(5 V 256)。如果是10位分辨率的D/A转换器，对同样的转换电压，则它能分辨的最小电压为5 mV(5 V 1024)。第9章 开关量与模拟量接口技术2)转换时间转换时间转换时间指从数字量输入到完成转换，且输出达到最终值并稳定为止所需的时间。
35、不同型号的D/A转换器，其转换时间不同。电流型D/A转换较快，一般在几s到几百s之内；电压型D/A转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。第9章 开关量与模拟量接口技术3)精度精度精度指D/A转换器实际输出电压与理论值之间所存在的最大误差。D/A转换器的精度有绝对精度与相对精度之分。将D/A转换器的失调误差调整至零，并将转换器的最大输出调节至满量程值，那么此时D/A转换器对应于不同输入数码时各点模拟输出电平与理想的输出值之间的最大偏差即为转换器的相对精度。如果不对失调误差调零并且不校正转换器的输出满量程值，那么此时测得的即为D/A转换器的绝对精度。第9章 开关量与模拟量接口技术D/A转换器的精度
36、通常有两种表示方法：一种是用满量程VFS的百分数作为单位，另一种是以最低位(LSB)作为单位来表示D/A转换器的精度。例如，一个N位D/A转换器的精度为1/2 LSB，它指的是转换器的模拟输出电平与其理想输出电平之间的最大可能误差为 第9章 开关量与模拟量接口技术9.3.2 A/D转换器转换器A/D转换器是实现模拟量转换为数字量的器件，在工业控制系统和数据采集以及许多其他领域中，A/D转换器常常是不可缺少的重要部件。A/D转换器的品种繁多，目前使用较广泛的主要有三种类型：逐次逼近型、V/F转换型和双积分型。其中，双积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，但转换速度较慢；逐次逼近型A/D转换器
37、易于用集成工艺实现，且具有较高的分辨率和转换速度。因此，目前市场上的A/D转换器采用逐次逼近型的较多。第9章 开关量与模拟量接口技术1.8位位A/D转换器转换器ADC0809ADC0809是NSC公司生产的8路模拟输入逐次逼近型A/D转换器，它采用CMOS工艺，内部结构如图9.21所示。芯片内除含有8位逐次逼近型A/D转换器外，还有8通道多路转换器和3位地址锁存和译码器，以实现对8路输入模拟量IN0IN7的选择。当地址锁存允许信号ALE有效时，将3位地址ADDCADDA锁入地址锁存器中，经译码器选择8路模拟量中的一路通过8位A/D转换器转换输出。由于输出端具有三态输出锁存缓冲器，因此可以直接与
38、CPU系统总线相连接。ADC0809可用单5 V电源工作，模拟信号输入范围为05 V，输出与TTL兼容。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.21 ADC0809原理图第9章 开关量与模拟量接口技术1)ADC0809芯片的引脚图9.22是ADC0809芯片的引脚图，其引脚功能介绍如下：图9.22 ADC0809引脚图第9章 开关量与模拟量接口技术IN0IN78路模拟输入信号。通过ADDA、ADDB和ADDC三个地址译码来选通一路。D0D7 A/D转换后的8位数字量输出。其中，D7为最高位，D0为最低位。ADDCADDA8路模拟开关的3位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。ADDc为高位地址，A
39、DDA为低位地址。ALE地址锁存允许信号。当ALE为上升沿时，ADDCADDA地址状态送入地址锁存器。使用时，该信号常和START信号连在一起，当START端为高电平时，同时将通道地址锁存起来。第9章 开关量与模拟量接口技术START转换启动信号。此信号由CPU执行输出指令产生。START为上升沿时，所有内部寄存器清0；START为下降沿时，开始进行A/D转换，在A/D转换期间，START应保持低电平。EOC转换结束信号。转换开始后，该信号变为低电平；经过64个时钟周期后转换结束，该信号变为高电平。EOC信号可作为对CPU的中断请求信号或DMA传送，也可作为CPU查询的信号。第9章 开关量与模
40、拟量接口技术OE输出允许信号。当该信号为高电平时，打开输出缓冲器三态门，转换结果输出到数据总线上；当该信号为低电平时，输出数据线呈高阻态。在中断方式下，该信号为CPU发出的中断请求响应信号。EOC和OE两个信号可以连在一起表示A/D转换结束。CLOCK时钟输入信号。时钟频率范围为101280 kHz，典型值为640 kHz，可由CPU时钟分频得到。当时钟频率为1280 kHz时，转换速率为50 s；当时钟频率为640 kHz时，转换速率为100 s。VREF(+)，VREF(-)参考电压输入信号。一般地，VREF(+)与主电源VCC相连，VREF(-)与模拟地GND相连。第9章 开关量与模拟量
41、接口技术2)ADC0809的工作时序ADC0809的工作时序如图9.23所示。图9.23 ADC0809工作时序图第9章 开关量与模拟量接口技术2.12位位A/D转换器转换器AD574A/AD674AAD574A/AD674A是美国AD公司的产品，为12位逐次逼近型ADC芯片。AD574A和AD674A的引脚、内部结构和外部特性完全相同，只是AD574A的转换时间为35 s，AD674A的转换时间为12 s。现以AD574A芯片为例进行介绍。第9章 开关量与模拟量接口技术1)AD574A的外部引脚AD574A的外部引脚如图9.24所示。引脚功能如下：+5 V数字逻辑部分供电电源。12/数据输出
42、方式选择。高电平时双字节输出，即输出为12位；低电平时单字节输出，分两次输出高8位和低4位。片选信号。低电平有效。A0转换数据长度选择。在启动转换的情况下，A0为高时进行8位转换，A0为低时进行12位转换。CS8第9章 开关量与模拟量接口技术 读数据/转换控制信号。高电平时可将转换后的数据读出，低电平时启动转换。CE芯片允许信号。用来控制转换或读操作。以上各控制信号的作用见表9-2。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.24 AD574A引脚图第9章 开关量与模拟量接口技术第9章 开关量与模拟量接口技术2)AD574A两种模拟输入方式AD574A有单极性和双极性两种模拟输入方式，其接线如图9.2
43、5所示。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.25 AD574A输入接线图第9章 开关量与模拟量接口技术3.A/D转换器与转换器与CPU的接口的接口A/D转换器有多种型号，但是不管哪种型号的A/D转换芯片，它对外的引脚都是类似的，所涉及的主要信号为模拟输入信号、数据输出信号、启动转换信号和转换结束信号。由于A/D转换器的型号不同，因此与CPU的连接方式也有所不同。第9章 开关量与模拟量接口技术1)接口形式接口形式A/D转换器的接口形式大体上可分为以下两种：(1)与数据总线直接交换信息。当A/D转换芯片内部带有可控输出三态门时，它们的数据输出端可直接与系统数据总线相连。如ADC0804、ADC08
44、09和AD574A等。(2)通过I/O接口芯片或三态门锁存器与CPU的数据总线连接。有一类A/D转换器内部不带三态输出或内部有三态输出门，但不受外部控制，而是由A/D转换电路在转换结束时自动接通，如AD570和ADC1210等。第9章 开关量与模拟量接口技术2)启动转换信号启动转换信号A/D转换器要进行转换时，需由外部控制启动转换信号，这一启动转换信号可由CPU提供。通常启动信号有两种形式，不同型号的A/D转换器，要求的启动信号也有所不同。对ADC0804、ADC0809和ADC1210等芯片，要求用脉冲信号来启动，由CPU执行输出指令，发出一符合要求的脉冲信号作为启动信号以启动A/D转换器进
45、行转换。第9章 开关量与模拟量接口技术对AD570及AD574A等芯片，要求用电平作为启动信号。当符合要求的电平加到控制转换的输入引脚时，立即开始转换，在整个转换过程中都必须保证启动信号有效。如果中途撤走启动信号，则会终止转换的进行而得到错误的结果。为此，CPU一般通过并行接口提供给A/D转换芯片启动信号，或用D触发器锁存启动信号，使之在A/D转换期间保持有效电平。第9章 开关量与模拟量接口技术3)转换数据的传送转换数据的传送A/D转换结束时，A/D转换器输出转换结束信号，通知CPU读取转换的数据。CPU一般可以采用以下几种方式和A/D转换器进行联络，来实现对转换数据的读取。第9章 开关量与模
46、拟量接口技术1)程序查询方式。CPU在启动A/D转换器工作以后，可去执行其他任务，由程序测试转换结束信号(如EOC)的状态。一旦发现转换结束信号有效，则认为完成一次转换，然后对ADC占用的端口地址执行一条输入指令以读取转换后的数据。在查询方式中，由于CPU隔一段时间对转换结束信号查询一次，而从转换结束到CPU读取数据，时间上可能有相当大的延迟，因此这种方式一般用于不急于读取转换结果的场合。第9章 开关量与模拟量接口技术(2)中断方式。A/D转换结束后，送出一转换结束信号(如EOC)，此信号可作为中断请求信号，送到中断控制器的中断请求输入端。CPU响应中断后，在中断服务程序中执行输入指令，CPU
47、读取转换数据。中断方式的特点是A/D转换器和CPU能并行工作，效率较高，硬件接口简单。但是，由于在中断方式中，要经历响应中断、保护现场、恢复现场及退出中断等一系列环节，因此，需占用一定的时间，如果A/D转换时间较短，则用中断方式便失去了优越性。第9章 开关量与模拟量接口技术(3)固定延时等待方式。当CPU发出启动转换信号后，执行一个固定的延时程序，此程序执行完毕，A/D转换也正好结束，于是CPU读取数据。采用这种方式的特点是接口简单，但要预先精确地计算一次转换所需要的时间，CPU的等待时间较长。(4)DMA方式。用转换结束信号(如EOC)作为DMA的请求信号，使系统进入DMA周期，通过DMA控
48、制器将A/D转换结果直接送入指定的内存，而不需要CPU干涉。这种方式接口电路复杂，成本高，适用于高速大数据量采集的场合。第9章 开关量与模拟量接口技术4.ADC连接举例连接举例1)CPU与与8位位ADC的连接的连接设8位A/D转换器与CPU之间采用查询方式工作，分别对8路模拟信号轮流采样一次，并将采样结果存入数据段BUFFER开始的数据区中。可选用ADC0809作A/D转换器，如图9.26所示。第9章 开关量与模拟量接口技术图9.26 ADC0809工作于查询方式的连接第9章 开关量与模拟量接口技术用ADC0809实现上述数据采集的程序片段如下：第9章 开关量与模拟量接口技术第9章 开关量与模
49、拟量接口技术采用中断方式读取转换后的数字量，则可将ADC0809的EOC引脚接至中断控制器8259的IR0，当ADC0809转换结束时，EOC为高电平，向CPU发出中断请求。编程时，首先要使CPU打开中断，同时将读数的程序段安排在中断服务程序中。第9章 开关量与模拟量接口技术2)CPU与12位ADC的连接图9.27为AD547A完成12位转换并与16位CPU相连的原理图。图9.27 AD574A与16位数据总线的接口第9章 开关量与模拟量接口技术5.A/D转换器的性能参数转换器的性能参数不同的ADC厂家用各自的参数来说明自己产品的性能，且各参数之间并非严格一致。有时描述的是同一性能，但所用的术
50、语不同；有时参数的意义相同，但数据单位不同。为方便用户选择ADC芯片，下面我们对一些常用的性能参数做一简单介绍。第9章 开关量与模拟量接口技术1)分辨率分辨率A/D转换器的分辨率的含义与DAC的分辨率一样，通常也可用位数来表示。A/D转换器的位数越长，分辨率越高。2)绝对精度绝对精度绝对精度是指ADC转换后所得数字量代表的模拟输入值与实际模拟输入值之差。通常以数字量最低位所代表的模拟输入值VLSB作为衡量单位。第9章 开关量与模拟量接口技术3)转换时间转换时间ADC完成一次对模拟量的测量到数字量的转换所需的时间称为转换时间。它反映了ADC转换的速度，转换时间的倒数称为转换速率。ADC芯片按速率
