过程输入输出通道

第2章过程输入输出通道2.1信号的采样与恢复2.2模拟量输入通道2.3模拟量输出通道2.4数字量输入输出通道计算机控制系统的基本组成2.2模拟量输入通道2.2.1模拟量输入通道的一般组成2.2.2模拟量输入通道2.2.3典型A／D转换器与微机的接口设计2.2.1模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成框图1．信号调理电路信号调理电路主要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、阻抗匹配、非线性补偿和电流/电压转换等。①电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA（0~500Ω负载）。②电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。传感器输出的信号包括：①电压信号：一般为mV或μV信号。②电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。③电流信号：一般为mA或μA信号。变送器输出的信号包括：对于较小的电压信号:需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再经滤波后才能送入A/D转换器。而对于电流信号:应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。无源I/V（电流/电压）变换电路有源I/V（电流/电压）变换电路2．多路模拟开关当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A／D转换器上，实现对各个输入通道的分时控制。目前采用CMOS工艺的多路开关应用最为广泛。多路模拟开关参数：通道数、开关电阻、漏电流、输入电压等它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组成及工作原理基本相同。CD4051--单端、双向8路模拟开关CBA选中通道号00000000110010200113010040101501106011171×××无INHVDD为正电源，VEE为负电源，VSS为地，要求VDD+|VEE|≤18V。两个CD4051扩展成16通道的多路模拟开关16通道的多路模拟开关真值表：输入状态选中通道号A3A2A1A0000000001100102001130100401015011060111710008100191010101011111100121101131110141111154．采样/保持器A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样/保持器S/H（SampleHold）。如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，不必再选用采样/保持器。（1）采样/保持器的工作原理S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成。当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过电阻R向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，由于电容C此时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。在采样期间，不启动A/D转换器，一旦进入保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换的模拟输入电压恒定，提高了A/D转换的精度。（2）常用的采样/保持器常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，介绍集成电路S/H的工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10μs，输入阻抗为1010，保持电容为1μF时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源范围宽，可以从±5V到±18V，并可与TTL、PMOS和CMOS兼容。LF398引脚排列图•V+、V-：正负电源电压输入引脚，输入范围为±5V到±18V。•OFFSETADJ：偏置调整引脚。可用外接电阻调整采样-保持器的偏差。•VIN：输入引脚。•VOUT：输出引脚。•CH：保持电容引脚。用来外接保持电容。•LOGICREF：参考逻辑电平。•LOGIC：输入控制逻辑。LF398典型的电源和信号的接法CH的数值直接影响采样时间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电容CH的容量，但CH增大时又会使其采样时间加长。因此，当精度要求不高（±1%）而速度要求较高时，CH可小至100Pf。当精度要求高（±0.01%）时，应取CH=1000pF。当CH≥400pF时，采样时间tAC与CH有经验公式tAC=CH/40式中，CH为保持电容的容量，单位为μF；tAC为采样时间，单位为s。2.2.2A/D转换器接口逻辑设计要点A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，是模拟量输入通道必不可少的器件。常用的A／D转换器从转换原理上可分为逐次逼近型、计数比较型和双积分型。从分辨率上可分为8位、12位、16位等；1．数字量输出信号的连接A/D转换器数字量输出引脚和8位单片微型计算机的连接方法与其内部结构有关。如果转换器的数据输出寄存器具有三态锁存功能，则A／D转换器的数字量输出引脚可直接接到CPU的数据总线上，转换结束，CPU可以直接读入数据。对于10位以上的A／D转换器，输出数据寄存器增加了读数控制逻辑电路，把10位以上的数据分时读出。对于内部不包含读数据控制逻辑电路的A／D转换器，应增设三态门对转换后数据进行锁存，以便控制10位以上的数据分两次进行读取。2．A/D转换器的启动方式任何一个A／D转换器都必须在外部启动信号的作用下才能开始工作，启动方式分脉冲启动和电平控制启动两种。脉冲启动转换只需给A／D转换器的启动控制转换的输入引脚上，加一个符合要求的脉冲信号即可，如ADC0809、ADC80、ADC1210等均属此列。电平控制转换的A／D转换器，当把符合要求的电平加到控制转换输入引脚上时，立即开始转换，而且此电平应保持在转换的全过程中，否则将会中止转换的进行。因此，该电平一般需由D触发器锁存供给，例如，AD570、AD571、AD574等均是如此。3．转换结束信号的处理方式当A／D转换结束时，A／D转换器芯片内部的转换结束触发器置位，并输出转换结束标志电平，以通知主机读取转换结果的数字量。主机判断A／D转换结束的方法有3种：即中断、查询和延时方式。这3种方式的选择往往取决于A／D转换器的速度和应用系统总体设计要求以及程序的安排。A／D转换器的频率是决定其转换速度的基准。整个A／D转换过程都是在时钟作用下完成的。A／D转换时钟的提供方法有两种:一种是由芯片内部提供，如AD574A；另一种是由外部时钟提供。外部时钟少数由单独的振荡器提供，更多的则是由CPU经时钟分频后，送至A/D转换器的时钟端。4．时钟信号的连接2.2.3典型A／D转换器与微机的接口设计1．8位A/D转换器与微机的接口设计（1）8位A/D转换器8通道A/D转换器ADC0808/ADC0809。NATIONAL公司生产的ADC0808/0809是8位逐次逼近型A/D转换器，其分辨率是8位，两种芯片的外特性完全一样，采用28引脚双列直插式封装，不必进行零点和满度调整，功耗为15mW。但两者的转换精度不同，ADC0808的最大不可调误差小于±1/2LSB，ADC0809的最大不可调误差小于±1LSB。ADC0809的内部结构图ADC0809地址锁存和译码OE通道选择开关ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位三态锁存缓冲器DACVcc比较器CLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC•CLK：时钟输入信号，由于ADC0808/0809芯片内无时钟，所以必须靠外部提供时钟，外部时钟的频率范围为10K~1280KHz。•IN7~IN0：8路模拟量输入•ADDC,ADDB,ADDA：模拟通道选择信号:ADDC,ADDB,ADDA=000选择IN0ADDC,ADDB,ADDA=001选择IN1…ADDC,ADDB,ADDA=111选择IN7引脚功能介绍如下•ALE：地址锁存允许信号有效时锁存ADDC~ADDA的通道选择信号•START：A/D转换启动信号•高电平时使内部的逐次逼近寄存器清0•由高→低时开始转换•，并开始A/D转换START常与ALE短接，以便同时锁存通道选择信号•START和ALE的信号宽度不小于100μs•EOC：转换结束信号•EOC由低→高表示转换结束•EOC可作为CPU的中断请求信号•OE：输出允许信号，高电平有效•OE有效时，打开输出三态门，输出转换后的数字量•D7~D0：输出数据线。•VREF(+)，VREF(-)：参考电压。•VCC：工作电压+5V•一般VREF（+）与Vcc连接在一起，VREF（-）与GND连接在一起。（2）8位A/D转换器的程序设计A/D转换器与单片机的硬件接口有3种方式：查询方式、延时方式和中断方式。查询方式：首先由CPU向A/D转换器发出启动脉冲，然后读取转换结束信号（如ADC0809的EOC），根据转换结束信号的状态，判断A/D转换是否结束，如果结束，可以读取A/D转换结果，否则继续查询，直至A/D转换结束。这种方法程序设计比较简单，且可靠性高，但实时性差。但由于大多数控制系统对于这点时间都是允许的，所以，这种方法用得最多。采用查询方式时，转换结束引脚通常连接到数据线或I/O口线上。延时方式：向A/D发出启动脉冲后，先进行软件延时，此延时时间取决于A/D转换器完成A/D转换所需要的时间（如ADC0809约为100μs），经过延时后可读取数据。采用延时方式时，转换结束引脚悬空。在这种方式中，为了确保转换完成，必须把时间适当延长，因此，其速度比查询方式还慢，故应用较少。中断方式：CPU启动A/D转换后即可转而处理其他的程序，一旦A/D转换结束，则由A/D转换器发出一转换结束信号向CPU申请中断，CPU响应中断后，便读入数据。采用中断方式时，转换结束信号通常与计算机的外部中断引脚连接（如80C51的或）。在中断方式中，CPU与A/D转换器是并行工作的，因此，其工作效率高。在多回路数据采集系统中一般采用中断方式。0INT1INTADC0808/ADC0809与80C51单片机的接口程序设计。图2-38所示为ADC0808/ADC0809与80C51单片机的硬件接口的查询方式连接图。图2-38中，ADC0808/0809的时钟是利用80C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得。如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE引脚的输出频率为1MHz，再二分频后为500kHz，符合ADC0808/0809对时钟频率的要求。由于ADC0808/0809具有输出三态锁存器，故其8位数据输出引脚直接与数据总线相连。地址选通输入端A、B、C分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相连，以选通IN0~IN7中的一个通道。将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动。由于ALE和START连在一起，因此ADC0808/0809在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.7引脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。采用查询方式，将ADC0809的IN4通道模拟量进行5次转换，转换结果存入单片机内部RAM40H为首地址的存储单元中的程序清单。AD:MOVR0,#40H；存储单元首地址MOVR1,#05H；转换次数MOVP1,#0FFH；P1口写1（准输入口）AD0:MOVDPTR,#7FF4H；送ADC0809口地址,IN4MOVX@DPTR,A;启动A/D转换AD1:MOVA,P1；检测P1.4的状态，若P