智能仪器设计基础Chap2.

Chap2智能仪器的输入输出通道及接口技术主要内容：1.程控放大器及接口2.量程自动转换技术3.A/D转换器接口技术4.D/A转换器接口技术5.开关量输出6.串口通信简介程控放大器及接口程控放大器的基本概念程控放大器的组成几种常用的程控放大器类型程控放大器的基本概念：由仪器内置计算机的程序控制增益的放大器，称为程控放大器。为整个测量范围内获取合适分辨力程控放大器的构架程控放大器一般由放大器、可变反馈电阻网络和控制接口三个部分组成。其原理框图如图2－1所示。反馈电阻网络：权电阻网络，T型网络，反T型网络，有源网络，无源网络。控制接口：串口，并口可变反馈电阻网络控制接口A输入输出图2-1不同的控制信号，将产生不同的反馈系数，从而改变放大器的闭环增益。程序放大器的控制接口通常使用并行输出接口。近年来出现数字电位器芯片，采用串行接口，亦可方便使用于程控放大器。程控同相放大器同相放大器具有较高的输入阻抗，用于需要高输入阻抗的场合。原理路如图2－2所示。其理想增益为：R/R1AffAivovfR//RfRR图2-21.多档程控同相放大器多档程控同相放大器是指各档闭环增益固定的程控放大器，多用于增益值预知且分档数不多的场合。原理图与程控表如图2-3所示。ivovfR//Rf0RR四选一模拟开关f1Rf2Rf3RACBC程控信号Y0Y3Y2Y1YA图2-33AB2AB1AB0ABY11CCY10CCY01CCY00CC程控表2.增益线性变化的程控同相放大器放大器共使用n+1个独立的受控于一位控制信号的模拟开关，如图2-4。当信号为“1”时，开关断开，信号为零时，开关导通。用Cn~Co来表示控制信号，有反馈电阻：闭环增益：其中为控制二进制码。R2CR2CR2CR2CR00111-n1-nnnf1N12C2C2C2CAc00111-n1-nnnfcNA……0K1KnKR20R21R2nfRivovnC1C0C控制信号……2-43.T型反馈电阻网络程控放大器特点：节点等效电阻恒定的特点，失调偏差波动小，闭环增益准确度不受模拟开关影响。原理图：如图2-5所示。闭环增益为：下标i表示在节点i处ifi23AAivov控制信号2RR2R2R2RRRRRR32n-1n-210……n选一模拟开关图2-5仪用放大器仪用放大器具有对称的电路参数，因此具有很高的共模抑制能力。适用于长距离测量。举例：AD612、AD614AD612、AD614是美国AnalogDevices公司生产的内部集成有使用激光自动修刻工艺制造的高精度薄膜电阻，具有较高的增益精度。原理图见图2-13AAA123IN-GAINPROGGUARDGAINCOMIN+ΣPOUTREF+15V-15V图2-1340.2KΩ16KΩ16KΩ16KΩ16KΩ16.8KΩ16.8KΩ40KΩ40KΩ80KΩ26.67KΩ11.42KΩ5.33KΩ2.58KΩ1.27KΩ630Ω314Ω156Ω314Ω1222324252627282921021232019241615141312111098765432AD612的增益控制方法AD612可使用外部电阻和内部电阻两种方法：外部电阻：在引脚1、2之间外接一电阻R，此时增益为A=1+80k/R。内置电阻：如原理图引脚3~12分别对应增益。注：引脚15为“驱动屏蔽保护端”，可提高共模抑制比，降低输入噪声1012~22222222222789101112131424234563GAINPROGIN+IN-P1.3P1.2P1.1P1.08031/51AD612OUTREFADESAAAAADDSSSSSSSSSSOUTAD7503AD7510121098765431111222213332345678n02-14AD612与单片机的接口电路接口电路如图2-14。八选一多路开关AD7503用于选择2~256倍增益；四路模拟开关选择AD7510增益512与1024。8031的P1.3~P1.0输出控制信号。当时，P1.3为0，AD7503选通，AD7510禁止；当时，P1.3为1，AD7503禁止，AD7510选通；该放大器增益为8N0c9N8c1NfC2A量程自动转换技术量程自动转换技术的一般要求转换电路与接口量程自动转换电路的保护量程自动转换技术的一般要求尽可能高的测量速度确定性无两个量程间反复选择的现象安全性量程输入电路具有过载保护能力转换电路及接口自动量程切换电路的组成可分为衰减器、放大器、接口及开关驱动三部分，如图2-18。当K1被激励，切向A端，衰减系数为100；激励被撤销切向B端，衰减系数为1；当K2被激励，切向C端，增益为100；激励被撤销切向D端，增益为10；当K3被激励，切向E端，衰减系数为10；激励被撤销切向F端，直接输出；当满度电压绝对值为2V，各量程开关动作状态如表2-3（书p.23）图2-20为输入过压保护电路的一般形式。当输入电压超过保护电压值Vs，二极管D1、D2导通则输入电压可被控制在正负Vs之间。量程自动转换电路的保护Aivov)15V(VCC1R2R3R4R5R)15V(VCC1D2D2-20svsv-A/D转换器接口技术并行输出A/D转换器接口介绍8位并行输出A/D转换器接口高于8位的并行输出A/D转换器接口并行输出A/D转换器接口并行A/D转换器是以并行输入端口的形式实现与微机的联系，其接口包括三态缓冲器、状态应答和地址选择等几个并行输入接口所必备的部分。如图2-23三态缓冲器：用于ADC输出与总线的隔离状态应答：通知CPU转换完成，AD输出数据已更新地址选择：产生芯片选通信号三态缓冲器地址逻辑nDB~0DBCSRD/WREOC应答控制选通数据总线地址信号ADC2-238位并行输出A/D转换器接口举例ADC0801转换器接口ADC0801转换器接口CLKR、CLKIN为时钟控制段，既可接外部时钟也可如右图利用内部时钟Vin(+)、Vin(-)为差动模拟输入AGND、DGND分别为模拟地和数字地参考电压端Vref/2接1/2输入电压CS为外部片选DB为输出数据线WR，RD分别为写信号和读信号INTR为工作状态输出信号10μF+5VR+2.5V输入CCLKRCLKINAGNDDGNDCSRDWRINTR10μFCCV2/VREF)(VIN)(VIN7DBADC08016DB5DB4DB1DB2DB3DB0DB2-24在片选CS有效的情况下才可对0801进行操作。写信号WR有效则启动一次AD转换。结束时产生结束信号INTR，此信号表明已有新有效数据可被读取。读信号RD有效则开放三态门输出数据并复位INTR。ADC0801与单片机的接口电路图2-27数据总线Q7Q0~DD~70GCE74LS373地址总线P1.0~P2.7P2.0WRRDWRRD地址译码逻辑CS7DBINTR0DB~ADC08018031/51ADC0801对8031为外设，其物理地址由地址译码逻辑给定。74LS373为锁存器使P0口可分时复用，即作数据总线，又作地址总线低8位。P2口用于输出地址总线高8位。高于8位的并行输出ADC接口高于8位的并行输出ADC接口与8位微机连接时，需使用两个8位并行接口分别输出高位字节和低位字节。高于8位的ADC接口如图2-32。ADC2-32三态缓冲器三态缓冲器地址逻辑地址信号低字节选通DBDBDBDBCSRD/WREOC数据总线高字节选通举例MX574与8031/51的接口电路接口电路如图2-37。MX574占用两个外部存储器地址。偶地址（A0=0）用于选通高8位（MSB、D10、D9、D8、D7、D6、D5、D4）；奇地址（A0=1）用于选通低4位（D3、D2、D1、LSB、0、0、0、0）。STS为开始转换信号，在转换期间一直为高。图2-37MX574数据总线P1.0~INT1STSGEN地址译码逻辑11D4D~3D0D0ACS12/8CER/C~811D~D0A17A~A815A~AWRRDP0.7P0.0ALEP2.7P2.08031/51智能仪器输出通道信号种类模拟量输出信号开关量输出信号数字量输出信号模拟量输出信号直流电流信号电流信号抗干扰能力强，一般用于传输距离较长的情况。直流电流信号标准分为两种：(1)4~20mA（负载电阻250~750Ω）(2)0~10mA（负载电阻0~3kΩ）直流电压信号当输出模拟信号需要传输给多个其他仪器仪表时采用直流电压信号。1~5V的直流电压信号是常用的模拟信号。开关量输出信号的用途越限报警开关量用作自动控制信号反映智能仪器本身的工作状态数字量输出信号数字量输出信号分为串行和并行两种。串行用于较远距离的数据传输和信息交换。Eg.智能仪器与上位机的通信并行方式传输速度快，但只适合于近距离传输。Eg.智能仪器与周围其他智能设备之间DA转换器原理与接口基本功能主要技术指标接口技术ADC基本功能：把数字量转换为与其大小成正比的模拟量主要技术指标：分辨率eg.AD7524为8位DA，分辨率为精度eg.AD7524精度为0.1%FSR建立时间（转换时间）eg.AD7524的转换时间为0.5μs81/2接口技术电流输出型DAC连接成电压输出电路DAC芯片与微机的接口电流输出型DAC连接成电压输出电路DAC的模拟量输出有电压输出和电流输出两种方式。电流输出型DAC实现电压输出的电路如图4-2单极性输出电压为：Vout=-Iout*Rf双极性输出电压为：Vout=(Vref/R1-Iout)*RfrefvADAC…OUTIFROUTV（a）单极性输出ADAC…OUTIFROUTV（b）双极性输出1R图4-2DAC电压输出电路DAC芯片与微机的接口多数DAC芯片本身带有输入锁存器且单片机的并行I/O口具有锁存功能，因此无需外部锁存器。举例：AD1408与单片机的接口电路如下:（AD580为稳压芯片，用于提供2.5V参考电压）P1.7P1.08031~DB70IAD1408DB~AAD5800)(VrefoVFR图4-3AD1408与8031的接口多路模拟量输出时的DAC接口多路共享一个DAC时输出通道结构如图4-5b。多路通道共享一个DAC，分时输出采样到保持器中。驱动程序除了要控制DAC，还要完成保持其的定时刷新。CPU接口及通道选择DAC模拟开关S/HS/HS/H…图4-5多路模拟量输出通道的结构开关量输出对于只有两种工作状态的执行机构或器件，用智能仪器输出开关量来控制。开关量输出通道的一般结构如图4-12。其中的译码电路用于产生开关量输出口地址的锁存命令信号。CPU锁存器驱动隔离地址译码DBABWR………图4-12开关量输出通道一般结构开关量输出隔离在工作现场，执行机构与智能仪器之间可能相距较远，直接电气联系将造成较大的地电流及由外界电磁场变化引起的感生电流，导致误操作或器件损坏。开关量输出隔离器件一般使用光电耦合器件和继电器：光电耦合器件：即将发光二极管和光敏三极管封装在同一管壳内，发光二极管将电信号转变为光信号，光敏三极管接受光信号并将其转为电信号。继电器隔离电路：电磁式继电器是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器件。当电磁铁线圈通过一定值电流时，常闭触点打开；线圈电流小于释放电流时触点恢复。常用的开关量输出驱动电路有TTL三态门缓冲器—驱动光耦、LED等集电极开路（OC）门—驱动微型继电器等门电路外加晶体管—适用于高频电路达林顿晶体管阵列驱动器芯片—适用于多路开关量中功率驱动电路串行数据通信接口串行通信的基本概念RS-232C标准串行接口总线串行通信的基本概念数据传送速率—波特率（boderate）根据数据传送方向，传输方式可分为单工、半双工和全双工。如图4-21。串行传输的两种方