第二章 输入输出过程通道

1第二章输入输出过程通道2.1开关量输入通道2.2开关量输出通道2.3模拟量输入通道2.4模拟量输出通道22.1开关量输入通道3开关量输入信号开关接口电路输入缓冲器数据总线…开关量输入通道的结构为：输入缓冲器可用三态门控缓冲器244或可编程接口芯片，如8155，8255等构成或直接采用单片机的P1、P3口4优点：简单，方便缺点：抗干扰能力差1、简单接口电路应用场合：仅适合于距仪器电路很近的，如按键，面板开关之类的开关量的输入，52、光电隔离接口电路FOFDDIVVR21.5~2V5~10mA63、交流式开关量接口电路该线路中从开关到电路之间传输线上传输的信号是50Hz交流信号，经整流和稳压后，干扰的影响可消除72.2开关量输出通道8开关量输出信号驱动电路输出锁存器数据总线…输出锁存器可用TTL锁存芯片74LS273、373或可编程输出接口芯片，如8155，8255等构成或直接由单片机的P1口构成开关量输入通道的结构为：9驱动电路光电耦合器：功率放大电路：防止执行机构动作引起的电磁干扰窜入弱电线路提供驱动执行机构所需的能量10一、光电隔离技术电－光－电转换，起到隔离作用！注意：输入、输出端两个电源必须单独供电。11二、直流继电器输出接口技术一般线圈可以直流低压控制（常用的有9V，12V，24V等）；而触点输出部分可直接与市电（220V）连接。由通电线圈和触点（常开或常闭）构成。12三、交流电磁式输出接口技术（固态继电器）优点：体积小，重量轻，无机械噪声，无抖动和回跳，开关速度快，工作可靠。电路除了用于交流控制器，还可以用于控制灯光、加热器、单相机等。当改变负载时一定注意双向晶闸管KS的参数是否能满足负载的要求。固态继电器（SSR）用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体，因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。以负载电源类型可分为DC－SSR和AC－SSR14直流SSR主要用于带直流负载的场合，如直流电机控制，步进电机控制和电磁阀等。例：图为直流SSR控制三相步进电机的原理图15例：用交流SSR控制单相交流电机正反转交流SSR主要用于交流大功率驱动场合，如交流电机，交流电磁阀等。四、大功率场效应管开关接口技术场效应管种类很多，如IRF系列，电流可从几mA~几十mA，耐压几十伏～几百伏。场效应管输入阻抗高，关断漏电流小，响应速度快，而且与同功率继电器比，体积较小，价格便宜。172.3模拟量输入通道一、模拟输入通道结构模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号与主控微处理器之间的接口，一般由信号处理理、多路模拟开关、放大器、采样保持器(S/H)和A/D转换器组成。其中A/D转换器是实现模拟待测信号到数字信号之间转换的关键部件。201、信号处理对来自现场的多路模拟信号进行小信号放大、滤波、隔离、电平转换、非线性补偿和电流/电压转换等（1）I/V变换变送器输出的0～10mA或4～20mA标准电流信号，需经过I/V处理成电压信号，一般采用电阻网络进行I/V变换。滤波有源滤波器无源滤波器数字滤波器21对于0～10mA输入信号，可取R1＝100Ω，R2＝500Ω，则输出电压为0～5V对于4～20mA输入信号，可取R1＝100Ω，R2＝250Ω，则输出电压为1～5Va、无源I/V变换22341RRAb、有源I/V变换有源I/V变换是利用有源器件运算放大器和电阻组成。如图，将R1上产生的输入电压变换成输出电压23对于0～10mA输入信号取R3＝100Ω,R4＝150Ω,R1＝200Ω,输出电压为0～5V。对于4～20mA输入信号取R3＝100Ω,R4＝25Ω,R1＝200Ω,输出电压为1～5V。2、多路开关理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为零。此外，还希望它切换速度快，噪音小，寿命长，工作可靠。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、LF13508等。下面以8选1双向多路开关CD4051为例来介绍多路模拟开关的结构、功能和使用方法。Vss：通常与系统模拟地相连。VDD：正电压。VEE：负电压或地。O/I：输出端，开关实现8到1的选择功能。A2~A0：通道号输入端。输入信号的范围为VDD～VEE。引脚功能：26下图是用CD4051作多路开关，构成具有8个输入通道的数据采集电路的例子。27多路开关的扩展：若两片多路开关仍不能达到要求，可通过译码器控制CD4051的控制端S。283、信号采样与保持（1）采样采样信号是一个时间上离散幅值上连续的模拟信号。29理论上：进行采样，则采样信号就能无失真地恢复原信号。在实际应用中：max2ffsmax)10~5(ffs30（2）量化所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，并将其转换为数字信号。执行量化动作的装置是A/D转换器。nyyq2minmax量化单位q：字长为n的A/D把ymin～ymax0～2n-1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。31显然量化会产生误差，量化的方法不同，其量化误差也不同。mVq20258例如一个8位A/D转换器，它的量程为0～5V，那么，它能分辩的最小的量化信号电平，即量化单位为：在采样过程中，如果采样频率足够高，并选择足够的字长，使得量化误差足够小，就不致损失信息。“只舍不入”“有舍有入”0～q－q/2～+q/232（3）采样保持器则其可能的最大误差ftUum2sinftfUdtdum2cos2设：33在横坐标交点上tfUum2tfUuEm2tUEfm2Hzf5.01010052224.1021612max例：一个12位的A/D转换器，其转换时间为100us，量化误差为q/2，基准电压为10.24V。为不影响A/D转换精度，则要求输入信号的最高变化频率？34采样保持器的基本组成电路如下图，它一般是由模拟开关，储能元件（电容）和缓冲放大器组成。采样：K闭合，CH快速充电，VOUT跟随VIN保持：K断开，VOUT保持VC常用的集成采样保持器有多种，如LF398、AD582等。35（4）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逐次逼近式：转换时间短（几个us～几百个us），但抗干扰能力较差；常用A/D转换方式：常见有8位分辨率有10位分辨率有12位分辨率有ADC0804、ADC0809AD7570，573，575，579ADC57436双斜积分式：转换时间长（几十个ms～几百个ms）{213214215BCD码输出常见的积分式ADC的品种很多：MC14433ICL7135CC7555二进制码输出：12位的ICL710916位的ICL710437•主要技术指标：转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准的要求等。(1)转换时间：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间，一般是几us～几百ms。(2)分辨率：是指A/D转换器的最低输出位所具有的数值。通常用数字量的位数n来表示，如8位，12位，16位等。注意：精度和分辨率是两个不同概念。分辨率越高，转换时对输入模拟信号的反应越灵敏。38(3)线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数来表示，如1/2LSB或＋LSB(4)量程：所能转换的输入电压范围(5)对基准电源的要求：应考虑是否要外接精密基准电源。•A/D转换器与微型计算机的硬件接口及软件编程当A/D转换器内部含数据输出锁存器时，可直接与微机相连，有时为了增加控制功能，也采用I/O接口连接。对内部未含输出锁存器的A/D转换器来说，一般通过锁存器或I/O接口与微机相连，常用的接口及锁存器有8155，8255以及74ls273、373等；程序设计步骤：启动A/D转换查询或等待A/D转换结束（中断、查询、延时）读出转换结果（8位A/D一次读出；8位以上分两次或三次读出）40(1)8位A/D转换器ADC0809（略）(2)12A/D转换器AD574A适于对精度和速度要求较高的数据采集系统和计控系统采用原理——逐次逼近式内部有——三态缓冲器、时钟脉冲源和基准电源输入电压——单路单极性或双极性分辨率——12位转换时间——25S封装形式——28脚双列直插式41a.各引脚功能定义：模拟量输入：10Vin:量程为0～10V或-5～+5V20Vin:量程为0～20V或-10～+10V控制和状态信号数据输出引脚DB11～DB0：共12根输出引脚。CE：芯片使能引脚，高电平有效CS：片选信号，低电平有效R/C：读/转换信号12/8：数据输出模式选择端。42A0：字节选择端。两个作用:一是选择转换字节长度；二是与8位微处理器相连时，用来选择读出字节。STS――状态输出信号，高电平表示正在转换，低电平表示转换已结束电源和地Vcc：＋12V或＋15电源VEE：―12V或－15电源VLOGIC：逻辑电源，＋5VAC：模拟地DC：数字地REFOUT：输出10V基准电压REFIN：参考电压输入BIPOFF：补偿调整端，此端可经可调电阻与BIPOUT或外部电源连接对芯片进行零点调整44b.AD574模拟量输入电路外部连线45c.AD574的接口电路及程序设计46第三次课外作业试编写程序，使AD574进行12位A/D转换，并把转换后的12位数字量存入内部20H和21H单元。设20H单元存放高8位，21H单元存放低4位。472.4模拟量输出通道模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、输出保持器、多路开关、低通滤波电路和功放电路等组成。一、模拟量输出通道的结构形式1、多个通路设置独立D/A转换器的结构形式优点：转换速度快，精度高，工作可靠缺点：使用较多的D/A转换器。492、多个通路共享D/A转换器的结构形式优点：节省了D/A转换器缺点：适用于通路数多且速度要求不高的场合可靠性较差二、D/A转换器D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置。•分辨率：通常用D/A转换器输入二进制的位数来表示。常见的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等。D/A转换器根据输出模拟量的形式分为电压型和电流型两种，对于电流型输出的D/A转换器可以外接运算放大器将输出电流转换成电压并提高带载能力。1.主要技术指标•线性误差：与A/D转换器的线性误差定义相同。•建立时间：输入数字信号的变化是满量程时，输出模拟信号达到离终值＋1/2LSB所需的时间，一般为几us。512.D/A转换器与微型计算机的硬件接口及软件编程DAC1210是12位高分辨率电流输出型D/A转换器当D/A转换器内部没有输入锁存器时，必须在CPU与D/A之间增加锁存器和I/O接口，也可利用单片机内部有I/O接口的特点，直接与单片机P1口连接。若D/A内部有输入锁存器，则可直接连接(1)8位D/A转换器DAC0832（略）(2)12位D/A转换器DAC12105253引脚功能:D0～D11：12位数据输入IOUT1,IOUT2：D/A电流转换输出Rfb：反馈电阻端VREF：参考电压输入CS:片选信号WR1：写信号WR2：辅助写信号BYTE1/BYTE2：字节控制信号XFER:传送控制信号DAC1210的接口电路及程序设计例：设内部RAM的20H和21H单元内存放一个12位数字量（20H单元中为低4位，21H单元中为高8位），编写D/A转换的程序。(1)通道技术要求所需要的分辨率、精度以及线性度(2)和CPU能否直接接口，数据是串行输入还是并行输入(3)输出是电流形式还是电压形式，满刻度值的大小能否满足通道的技术要求等(4)参考电压类型(5)输出电压是单极性还是双极性(6)速度是否满足通道技术要求。一般来讲，对于D/A转换电路，应考虑以下问题：56三、V/I转换电路RVIi也可用集成V/I转换芯片，如AD694