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第二章模拟量输入/输出通道的接口技术前言2.1多路开关及采样-保持器2.2模拟量输出通道的接口技术2.3模拟量输入通道接口技术第二章模拟量输入/输出通道的接口技术•在微型机控制系统与智能化仪器中被测物理量多为模拟量，而计算机只能接收数字量。•在检测/控制系统中必须先把传感器输出的模拟量转换成数字量，才能送到计算机进行数据处理，实现控制或显示。•能够变模拟量为数字量的器件称作模/数转换器（简称A/D转换器）。微机控制技术第二章模拟量输入/输出通道的接口技术•经计算机处理后的以数字量输出。•大多数执行机构只能接收模拟量。（如电动执行机构、气动执行机构以及直流电机等）•必须把数字量变成模拟量即完成数/模转换（简称D/A转换）。可见:A/D、D/A转换是微型机接收、处理、控制模拟量参数过程中必不可少的环节。微机控制技术2．1多路开关及采样／保持器多路开关、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、采集数据必不可少的组成部分。本节主要介绍他们的原理及应用。微机控制技术2．1多路开关及采样／保持器2．1．1多路开关2．1．2采样／保持器微机控制技术2．1．1多路开关1.多路开关的主要用途(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。称为多路开关。(2)把经计算机处理后输出且由D/A转换器转换成的模拟信号按顺序输出到不同的控制回路/外部设备，即完成一到多的转换。称多路分配器或反多路开关。微机控制技术2．1．1多路开关2.多路开关的种类：(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)差动输入多路开关如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。微机控制技术2．1．1多路开关3.半导体多路开关（1）采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排（2）直接与TTL（或CMOS）电平相兼容；（3）内部带有通道选择译码器，使用方便；（4）可采用正或负双极性输入；（5）转换速度快，通常导通/关断时间为1μs有些产品已达到几十～几百ns。（6）寿命长，无机械磨损；（7）接通电阻低，一般小于100Ω,有的可达几个Ω。（8）断开电阻高，通常达109Ω以上。微机控制技术广泛应用2．1．1多路开关1.CD40512.CD4067B/CD4097B3.多路开关的扩展微机控制技术1.CD4051微机控制技术图2-1CD4051原理电路图01001.CD40511.CD405100011.CD4051（1）CD4051的组成：①逻辑转换单元完成TTL到CMOS的转换。输入电平范围大:数字量为3～15V，模拟量可达15VP-P。②二进制3：8译码器对选择输入端C、B、A的状态进行译码，以控制所选电路TG的开/关，使某一路开关接通，将输入和输出通道接口。③电子开关TG用来接通或断开输入/输出通道。微机控制技术±15V1.CD4051（2）控制原理①禁止输入端INH②3个通道选择输入端C、B、AC、B、A的信号编码用来选择8个通道之一被接通。微机控制技术INH接高电平所有通道全部断开1.CD4051（3）用法①用作多路开关8进1出②用作分路路开关1进8出微机控制技术改变C、B、A的值,改变接通的通道1.CD4051表2-2CD4051真值表微机控制技术输入状态接通通道INHCBACD405100000#00011#00102#……01117#2.CD4067B/CD4097B2.CD4067B/CD4097BCD4067B和CD4097B相比:·相同:原理基本，·不同:CD4067B单16路，双向、4个选择控制端:D、C、B、ACD4097B双8路，双向、3个选择控制端:C、B、ACD4051单8路，双向、3个选择控制端:C、B、A微机控制技术2.CD4067B/CD4097B110102.CD4067B/CD4097B矩阵式多路开关（补充）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3.多路开关的扩展3.多路开关的扩展（1）由于被测参数多，应用中需要扩展。（2）作法：·将两个多路开关串联可成倍增加路数。·采用译码器可组成通路更多的多路开关。微机控制技术3.多路开关的扩展（2）扩展方法输入通道: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:用做两个CD4051的选择控制，由D3控制。当D3=0时，1#CD4051工作，2#截止。当D3=1时，正好相反。微机控制技术3.多路开关的扩展由于两个多路开关只有两种状态，1#多路开关工作，2#就得停止，或者相反。所以，只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号，而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址（或数据）总线。微机控制技术3.多路开关的扩展微机控制技术图2-4CD4051的扩展电路（3）扩展电路由两个CD4051构成的16通道多路开关OUT/IN端连在一起两片IN端并联两片IN端串联非门100103.多路开关的扩展（3）工作原理图2-8中，•改变数据总线D2~D0（或地址总线A2～A0）的状态即可得到分别选择IN7～IN0的8个通道之一。•D3用来控制两个多路开关的INH输入端的电平。其真值表，如表3-4所示。微机控制技术3.多路开关的扩展INHCBA接通通道00000#00011#00102#……01117#10008#10019#101010#……111115#微机控制技术（3）真值表·INH为0：选通1#芯片（1N0～IN7）·INH为1：选通2#芯片（IN8~IN15）·在INH为0的前提下，由C、B、A的编码决定被选通的通道。3.多路开关的扩展※若需要通道数很多，可通过译码器控制CD4051的控制端INH，把多个CD4051芯片组合起来，构成更多通道或差动输入系统。※对于其它多路开关芯片同样适用。微机控制技术讨论2．1．2采样／保持器1．采样／保持器的用途2．采样／保持器工作原理3．常用采样／保持器微机控制技术1．采样／保持器的用途1．采样／保持器（Sample/Hold）的用途（1）保持采样信号不变，以便完成A/D转换；（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。微机控制技术2．采样／保持器工作原理2．采样／保持器工作原理（1）S／H有两种工作方式：①采样方式采样／保持器的输出跟随模拟量输入电压。②保持方式采样／保持器的输出保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤消（即再度接到采样命令）时为止。。微机控制技术2．采样／保持器工作原理微机控制技术图2-9描述上述采样／保持过程的示意曲线图3．常用采样／保持器3．常用采样／保持器·AD公司AD582、AD585、AD346、AD389、ADSHC—85。·国家半导体公司LF198/298/398等。微机控制技术3．常用采样／保持器（1）LF198/298/398的结构·结构由双极型绝缘栅场效应管组成（低偏差电压和宽频带）使用一个单独的端子实现输人偏置电压的调整，·特点采样速度快，保持下降速度慢，精度高等特点。允许带宽1MHz，输入电阻为1010Ω。作为单一的放大器时，其电流增益精度为0.002％，采样时间小于6μs时，精度可达0.01％。微机控制技术3．常用采样／保持器当保持电容为1μF时，其下降速度为5mV／min。结型场效应管与MOS电路相比：抗干扰能力强，且不受温度影响。设计保证，即使是在输入信号等于电源电压时，也可以将输入馈送到输出端。LF198的逻辑输入全部为具有低输入电流的差动输入允许直接与TTL、PMOS、CMOS电平相连。其门限值为1.4V。LF198供电电源可以从5V到18V。微机控制技术3．常用采样／保持器图2-6LF198LF298LF398原理图微机控制技术（2）LF198／LF298／LF398芯片引脚功能·VIN：模拟量电压输入；·VOUT：模拟量电压输出；·逻辑、逻辑参考：控制S/H的工作方式。引脚8接高电平，采样低电平，保持。·偏置（OFFSET）：可用外接电阻调整S/H的偏差·CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。·V+、V-：电源引脚。电源变化范围为5V到10V。3．常用采样／保持器微机控制技术2．2D／A转换器及其接口技术典型的微型机控制系统由模拟量输入通道、微型机、模拟量输出通道组成其中：·模拟量输入通道主要完成模拟量（Analog）到数字量（Digital）的转换。·微型机主要完成数据处理、控制量计算、输出等。·模拟量输出通道主要完成数字量（Digital）到模拟量（Analog）的转换D/A转换器分类1.按D/A转换器输出方式分类电流输出型：如DAC0832，AD7522等。电压输出型：如AD558，AD7224等。(单极性输出、双极性输出)。2.按输入数字量位数分类有8位、10位、12位和16位等。3.结构:双D/A（AD7528）、4通道D/A（AD7226）转换器串行D/A转换器（DAC80）等。4.其它:直接接收BCD码（如AD7525）。直接输出4～20mA标准电流的D/A转换器（如AD1420/1422）。2．2D／A转换器及其接口技术2.2.18位D/A转换器及其接口技术2.2.2高于8位的D/A转换器及其接口技术2．2.18位D／A转换器及其接口技术1．普通型D/A转换器DAC08322．D/A转换器的输出方式3.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计微机控制技术1．普通型D/A转换器DAC08321．普通型D/A转换器DAC0832·美国数据公司产品，8位D/A转换器。·与CPU完全兼容。·采用CMOS工艺:功耗低，输出漏电流误差较小。·特殊的电路结构可与TTL逻辑输入电平兼容。微机控制技术1．普通型D/A转换器DAC0832微机控制技术（1）DAC0832的结构及原理图2-7②寄存器命令控制（1）LE（1）=ILE×CS×WR1（2）LE（2）=WR2×②寄存器命令控制（1）LE（1）=ILE×CS×WR1（2）LE（2）=WR2×②寄存器命令控制（1）LE（1）=ILE×CS×WR1（2）LE（2）=WR2×1．普通型D/A转换器DAC0832微机控制技术XFER①内部结构二级缓冲，一级转换，逻辑电路图2-14中，为寄存器命令。当＝l时，寄存器的输出随输入而变化；＝0时，数据被锁存在寄存器中。LELELE②寄存器命令控制（1）LE（1）=ILE×CS×WR1（2）LE（2）=WR2×②寄存器命令控制（1）（8位数据锁存器控制8位DAC寄存器控制根据不同的接法，可将DAC0832设计成单缓冲、双缓冲、直通三种工作方式②寄存器命令控制（1）（②寄存器命令控制（1）（②寄存器命令控制（1）（1．普通型D/A转换器DAC0832（2）DAC0832的引脚功能①数据·D7～D0：数字量输入·IOUT1：DAC电流输出1。·IOUT2：DAC电流输出2。②控制·CS：片选信号·ILE：输人锁存允许信号·WR1：输入锁存器写选通信号·WR2:DAC寄存器写选通信号·XFER：数据传送控制信号·Rfb:反馈电阻微机控制技术D7～D0=0FFHIOUT1输出最大值D7～D0=00HIOUT1输出为0IOUT2=常数-IOUT1采用单极性输出时，IOUT2接地为外部运算放大器提供反馈电阻（可用片内电阻/外接电阻）1．普通型D/A转换器DAC0832·VREF：参考电压输入线。要求外接一精密电源。当VREF为±10V(或±5V)时，可获得满量程四象限的可乘操作。微机控制技术输出电压的极性两者符号之积输出电压的数值取决于输入的数字量1．普通型D/A转