第2章模拟量输入输出通道接口技术

计算机控制技术广东海洋大学信息学院第二章模拟量输入输出通道的接口技术一、多路开关和采样保持器二、模拟量输出通道的接口技术三、模拟量输入通道的接口技术计算机控制技术广东海洋大学信息学院多路开关和采样/保持器是微型机控制系统的重要元件，是计算机进行多路控制和采集数据不可缺少的组成部分。下面是一个多路模拟信号采集示意图：2.1多路开关和采样保持器计算机控制技术广东海洋大学信息学院一、多路开关的两个主要用途：(1)把多个模拟量参数分时地接通送入A/D转换器，即完成多到一的转换。(2)或者把经计算机处理、且由D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路，即完成一到多的转换。前者称为多路开关，后者叫作多路分配器，或叫做反多路开关。2.1.1多路开关多路开关A/D转换多路分配器D/A转换计算机控制技术广东海洋大学信息学院(1)单向多路开关，如AD7501（8路），AD7506（16路）。(2)双向多路开关，如CD4051（8路），CD4067（16路）。(3)差动输入，如CD4052双4通道CD4053三重二通道CD4097双8通道。(4)多路输入/多路数出矩阵多路开关，如8816（16入8出）等。二、多路开关的种类：计算机控制技术广东海洋大学信息学院三、半导体多路开关的特点–采用标准双列直插式结构，尺寸小–直接与TTL（或CMOS）电平兼容–内部带有通道选择编码器，使用方便–采用正或负双极性输入–转换速度快。通常其导通和关断时间在1us左右–寿命长，无机械磨损–接通电阻低，一般小于100欧，甚至几欧–断开电阻高，通常达109欧以上正因为半导体集成电路多路开关具有明显的优点，所以，近年来在计算机控制和数据采集系统中得到了广泛的应用。计算机控制技术广东海洋大学信息学院四、介绍几种常用的半导体开关–单端双向8通道多路开关CD4051–单端双向16通道多路开关CD4067B–单端双向双8通道多路开关CD4097B–矩阵多路开关8816计算机控制技术广东海洋大学信息学院图2.1CD4051原理电路图1．CD4051INH＝VDD时，禁止模拟量输入；INH＝VSS时，允许模拟量输入。计算机控制技术广东海洋大学信息学院表2-2CD4051真值表输入状态接通通道INHCBACD405100000#00011#00102#……01117#计算机控制技术广东海洋大学信息学院0001计算机控制技术广东海洋大学信息学院用法：•①用作多路开关•8进1出•②用作分路路开关•1进8出改变C、B、A的值,改变接通的通道返回上层目录计算机控制技术广东海洋大学信息学院2．CD4067图2.2CD4067原理电路图及引脚排列图计算机控制技术广东海洋大学信息学院11010返回上层目录计算机控制技术广东海洋大学信息学院3．CD4097图2.3CD4097原理电路图及引脚排列图计算机控制技术广东海洋大学信息学院•CD4067B/CD4097B•CD4067B和CD4097B相比:•·原理基本相同:•·不同:•CD4067B单16路，双向、•4个选择控制端:D、C、B、A•CD4097B双8路，双向、•3个选择控制端:C、B、A•CD4051单8路，双向、•3个选择控制端:C、B、A返回上层目录计算机控制技术广东海洋大学信息学院返回上层目录4．8816图2.48816原理电路图及引脚排列图INOUT输入选择输出选择可将一个输入信号传至到任选输出通道计算机控制技术广东海洋大学信息学院五、多路开关的扩展实例：用8通道多路开关构成16通道多路开关（2）扩展方法★输入通道:接法不变，只是把2#CD4051的8个通道编号为8—15。★输出通道:把两个CD4051的OUT/IN端并联。通道选择控制管脚C、B、A同名并联，并分别接到D2、D1和D0。★禁止端:用作两个CD4051的选择控制。当D3=0时，1#CD4051工作，2#截止。当D3=1时，正好相反。（1）扩展电路计算机控制技术广东海洋大学信息学院2.1.2采样-保持器（Sample/Hold）采样/保持器的作用–使本次采样信号保持不变，给A/D转换器足够时间完成量化和编码工作–保证并行通道的各个参数在同一时刻采样，以便于进行数据处理和测量计算机控制技术广东海洋大学信息学院二、采样/保持器的两个工作状态采样：采样／保持器的输出跟随模拟量输入电压保持:输出保持不变，直到再度接到采样命令时为止。工作状态由控制逻辑电平决定计算机控制技术广东海洋大学信息学院3、常用的采样／保持器最常用的采样／保持器有美国AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389、ADSHC—85，以及国家半导体公司的LF198/298/398等。下边以LF198/298/398为例，讲一下集成电路S/H的工作原理，其它S/H的原理与它大致相同。计算机控制技术广东海洋大学信息学院（1）LF198/298/398的特点–由双极型绝缘栅场效应管构成；–采样速度快，保持下降速度慢，精度高；–抗干扰能力强；–输入信号等于电源电压时，也能保证将输入信号送到输出端；–允许与TTL、CMOS、PMOS电路直接相连；计算机控制技术广东海洋大学信息学院（2）LF198/298/398的原理图图2-6LF198／LF298／LF398原理图P27后页计算机控制技术广东海洋大学信息学院（3）LF198/298/398采样保持器引脚功能①VIN：模拟电压输入②VOUT：模拟电压输出③logic和logicREFRENCE：逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样／保持器的工作方式。Logic=高电平，采样状态；Logic=低电平，保持状态；逻辑参考电平logicREFRENCE，一般可接地④OFFSET：偏差调整，可外接电阻调整采样保持器的偏差⑤CH：外接保持电容⑥V+、V-：采样／保持电路电源引脚。电源变化范围为5V到10V。前页计算机控制技术广东海洋大学信息学院2.2模拟量输出通道的接口技术模拟量输出通道主要完成数字量（Digital）到模拟量（Analog）的转换，简称D/A转换。由于很多执行机构只能接收模拟量，计算机输出的控制数据必须进行D/A转换，才能达到控制这些执行机构的目的。计算机控制技术广东海洋大学信息学院2.2.18位D/A转换器及其接口技术D/A转换器的分类：根据输出的类型可以分为：◆电流输出型◆电压输出型：单极性输出，双极性输出根据输入数字量的位数可分为：◆8位、10位、12位和16位等。下面介绍几种常用的D/A转换芯片。计算机控制技术广东海洋大学信息学院图2-7DAC0832原理框图P28一、电流输出型D/A转换器DAC0832（1）结构和原理：电流输出,需要外接电压放大器两级数据缓冲计算机控制技术广东海洋大学信息学院（2）引脚定义——控制信号线定义CS：片选信号，低电平有效ILE：输入锁存允许信号，高电平有效WR1：一级锁存器写选通，低电平有效WR2：二级锁存器写选通，低电平有效XFER：数据传输控制信号，低电平有效当LE(2)=1,Ｄ／Ａ转换开始据被锁存，数据可更新，反之数时，即当据被锁存，数据可更新，反之数时，即当100,1010,)2(22)2()1(11)1(LEWRXFERWRXFERLELEWRICSWRCSILELELE至应用实例计算机控制技术广东海洋大学信息学院（2）引脚定义——输入输出引脚定义D0~D7：数字量输入。IOUT1：DAC电流输出1。当数字输入全为1时IOUT1最大，全为0时IOUT1为最小值（近似0）IOUT2：DAC电流输出2。单极性输出时接地。计算机控制技术广东海洋大学信息学院（2）引脚定义——其他引脚定义Rfb：反馈信号输入线，可用片内反馈电阻，也可外接反馈电阻VREF：参考电压输入线。外接精密电源，可单极性也可双极性VCC：数字电路供电电压。+5V~+15VAGND、DGND：模拟地、数字地。应单独连接。计算机控制技术广东海洋大学信息学院①使用时需要外接运放和反馈电阻②有一级缓冲、两级缓冲和直通式三种工作方法（3）DAC0832使用方法：计算机控制技术广东海洋大学信息学院①单极性电压输出01,)2/2/...2/2/(112211iiREFnnnnOUTaaVaaaaV或其中，式换算对应的模拟量可根据上位数字量为任意值时，当）时，对应的模拟量为，位数字量为（当）时，对应的模拟量为，位数字量为（可见，当82562551111111180000000008REFV（4）D/A转换器的输入输出换算方法计算机控制技术广东海洋大学信息学院②双极性电压输出（4）D/A转换器的输入输出换算方法REFOUTfREFOUTOUTVVRVRVRIIRV121321322)(V5~V5V0~V5V5VV5VV0VV5.2VV5VV0VV5V2OUT1OUT2OUT1OUT2OUT1OUTREF，；，；，，则：设计算机控制技术广东海洋大学信息学院单极性电压输出：双极性电压输出：举例：DAC0832的VREF接-5V,IOUT1接运放的异名端，IOUT２接模拟地，输入为10000000B时，输出为（）。若再接一级运放，构成双极性电压输出，输入为Ｃ０Ｈ时，输出为（）。REFOUTOUTVVV122换算公式总结REFnnnnOUTVaaaaV)2/2/...2/2/(112211计算机控制技术广东海洋大学信息学院数字量输入信号连接若D/A内部含有输入锁存器，则CPU与D/A可直接连接若D/A内部不含输入锁存器，则CPU与D/A间增设数据锁存器模拟量输出需要的是双极性输出还是单极性模拟量？电流输出型的要外接运算放大器2.2.18位D/A转换器及其接口计算机控制技术广东海洋大学信息学院外部控制信号连接片选信号：由地址线或译码器提供写信号：由单片机WR´提供启动信号：启动信号常为片选及写信号的合成2.2.18位D/A转换器及其接口由于在单片机系统中采用统一编址的方式，寻址时将I/O端口视为外部存储单元，所以，用访问外部存储器的指令MOVX@DPTR，A或者MOVX@Ri，A（i=0,1）即可完成对I/O端口的访问。计算机控制技术广东海洋大学信息学院外部RAM及I/O端口与累加器A之间的数据传送指令名称指令格式机器码功能指令周期累加器A与外部RAM之间的数据传送MOVXA,@DPTR11100000A←(DPTR)2MOVX@DPTR,A11110000(DPTR)←A2MOVXA,@Ri1110001iA←(Ri)2MOVX@Ri,A1111001i(Ri)←A2复习表3-2外部RAM与累加器A之间的数据传送指令计算机控制技术广东海洋大学信息学院读写外部RAM3FFFH存储单元内容MOVDPTR,#3FFFHMOVXA,@DPTRMOVX@DPTR,A复习计算机控制技术广东海洋大学信息学院DAC0832应用举例（1）DAC0832与单片机接口MOVDPTR，#addrMOVX@DPTR，A;当要选通第一级缓冲器时，CS=0，XFER=1Xxxx,xx01,xxxx,xxxx取1111，1101，1111，1111所以第一级缓冲器的地址映射为：FDFFH当要选通第二级缓冲器时，CS=1，XFER=0Xxxx,xx10,xxxx,xxxx取1111，1110，1111，1111所以第二级缓冲器的地址映射为：FEFFH管脚说明计算机控制技术广东海洋大学信息学院DAC0832应用举例（2）程序设计先打开第一级输入寄存器，把数据送入该寄存器；再打开第二级8位DAC寄存器，完成D/A转换。其第一级地址为FDFFH，第二级地址为FEFFH。程序如下：START：MOVA，#nnH；nnH为待转换的数字量MOVDPTR,#FDFFH;送端口地址到DPTRMOVX@DPTR，A;输出D/A数字量INCDPH;求第二级地址MOVX@DPTR，A;启动D/A转换计算机控制技