第2章 输入输出通道及接口技术(陈立功)v41

微型计算机控制技术第2章输入/输出通道的接口技术原因反映现场工况的信号类型1.模拟量：连续变化的物理量；2.数字量①以二进制或ASCII码形式②两个状态的量，通常可用一位二进制数表示③脉冲量计算机能够接收的信号类型数字量微型计算机控制技术输入输出通道(含义)即I/O通道，指在计算机和工业对象(过程)之间所设置的信息传递和转换的连接装置。输入/输出通道由模拟量输入/输出通道和数字量（开关量）输入/输出通道组成。I/O通道的分类检测通道①模拟量输入通道（AI)②数字量输入通道（DI)控制通道①模拟量输出通道（AO)②数字量输出通道（DO)微型计算机控制技术第2章输入/输出通道及接口技术2.1模拟量输入通道2.2模拟量输出通道2.3开关量（数字量）输入输出通道2.4数字滤波技术2.5数据处理微型计算机控制技术2.1模拟量输入通道2.1.1、AI（AnalogInput）通道的一般结构AI通道的一般结构如图2.1所示。一、组成：由信号检测单元、信号处理单元、多路开关、放大器、S/H、AD转换器以及控制电路组成。二、工作过程：过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电压（或电流）形式后送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。三、AI（AnalogInput）通道的作用A/D转换2.1.2、AI通道中的信号变换模拟信号到数字信号的转换包含信号采样和量化两个过程。一、信号的采样1、采样过程：模拟信号到采样信号的变换过程，也称为离散过程。微型计算机控制技术2.1模拟量输入通道信号的采样过程如图2.2所示，由采样-保持器（S/H)完成。图2.2(a)模拟信号y(t)：时间，幅值均连续的信号图2.2(b)采样开关（采样器）：每隔一定时间闭合一次图2.2(c)离散模拟信号y*(t)（采样信号）：时间上离散，幅值上连续的信号微型计算机控制技术2.1模拟量输入通道采样周期：k两次采样的时间间隔（T）采样时间/宽度：k每次采样/闭合持续的时间（）采样时刻：一系列的时间点（0,T,2T,3T……）2、采样方式周期采样----以相同的时间间隔进行采样，即tk+1-tk=T多阶采样----（tk+r-tk）是周期性的重复，即（tk+r-tk）=常量，r1。随机采样----没有固定的采样周期，是根据需要选择采样时刻。微型计算机控制技术3、数学分析y(nT):指f(t)在t=nT的幅值；:指t=nT处的单位脉冲函数。4、Shannon采样定理若随时间连续变化的模拟信号的最高频率为fmax，那么只要按照采样频率进行采样，采样信号y*(t)就能唯一地复现y(t)。工程实际中，一般选取)()()(0*nTtnTytyn)(nTtmax2ffsmax)105(ffs～微型计算机控制技术二、量化过程量化过程中的信号变换如图2.3所示。离散模拟信号y*(t)ADC数字信号y(nT)1、量化原理用最基本的度量单位去度量某个采样时刻幅值的大小，然后进行小数归整，并且用一组二进制码表示的过程。ty*(t)02T4T24(a)离散模拟信号y(nT)02T4T42(b)数字信号t图2.3信号的量化过程微型计算机控制技术2、量化单位指量化后二进制数的最低位(LSB)所对应的模拟量。ymax,ymin要转换的采样信号的最大值、最小值；n：ADC的字长。若转换范围相同，n↑，q↓，则精确度↑，但量化误差不可避免nyyq2)(minmax微型计算机控制技术3、量化误差（δ）指某个采样时刻的幅值与其量化后所对应的数字量之间的差值。四舍五入截尾222qqq，即q0微型计算机控制技术S/HADC(a)模拟信号(b)离散模拟信号AI通道中的信号变换过程如图2.4所示。图2.4AI通道中的信号变换y(t)y*(t)t0t02T4T24y(nT)02T4T42(c)数字信号t微型计算机控制技术2.1.3信号处理装置1、标度变换器：将传感器得到的不同种类，不同电平的模拟信号→标准信号；2、滤波电路：将采集到的模拟信号中的干扰信号滤去；3、线性化处理：对转换后的电信号与被测参数之间的非线性进行处理;4、电参量间转换：电流电压。微型计算机控制技术2.1.4多路开关：多路转换器一、使用原因一台微机可供十几到几十回使用，参数需要分时采样和控制。二、作用将各输入信号依次或随机地连接到公用放大器或ADC上，实现n选1操作；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（或外部设备）中，即完成一到多的转换。三、特点断开电阻高；接通电阻低；切换速度快,噪音小；寿命长，无机械磨损；尺寸小，便于安装；使用方便，工作可靠。四、常用芯片1、CD4051微型计算机控制技术（1）原理电路图(如图2.5所示)CD4051是单端8通道双向多路开关，由逻辑电平转换电路、译码器、8个开关组成。（2）引脚作用A,B,C：地址线，作为通道选择INH：控制线,INH=0,选择一个通道与公共端接通0~7:输入/输出通道公共端:输出/输入通道VDD、VEE、VSS（3)真值表（如表2.1所示）2、CD4067B(1)原理及引脚图(如图2.6所示)CD4067B是16通道双向多路模拟开关。微型计算机控制技术（2）引脚作用D,C,B,A：地址线，作为通道选择INH：控制线,INH=0,选择一个通道与公共端接通0~15:输入/输出通道公共端:公用输出/输入通道VDD、VSS（3)真值表（如表2.2所示）3、CD4097B(1)原理及引脚图(如图2.7所示)CD4097B是双向双8通道多路模拟开关。微型计算机控制技术（2）引脚作用C,B,A：地址线，作为通道选择INH：控制线,INH=0,选择一个通道与公共端接通0~7:输入/输出通道公共端:公用输出/输入通道VDD、VSS（3)工作原理每当接到选通信号时，X,Y两通道同步切换，且两个通道均受同一组选择控制信号C,B,A的控制。微型计算机控制技术48816芯片（1）原理电路图(如图2.8所示)8816是16个输入端，8个输出端的矩阵多路开关。（2）引脚功能YC,YB,YA：输出选择控制端，作为输出端选择XD，XC,XB,XA：输入选择控制端，作为输入端选择（3)工作原理Xi可以任选Yi。五、多路开关的扩展1、方法通过逻辑门和译码器等，将地址（或数据）总线与通道选择端和允许控制端相连。2、例子：两个8通道CD4051的扩展成16通道多路开关。微型计算机控制技术（1）控制通道真值表（如表2.3所示）（2）扩展方法（3）扩展电路（如图2.9所示）微型计算机控制技术2.1.5放大器一、使用原因传感器的输出信号：毫伏级（mv）ADC需要输入信号：0～±5v，10v二、仪用、可编程放大器它具有输入阻抗高、漂移低、增益可变、共模抑制能力强等优点。2.1.6采样-保持器（S/H）一、原因1、由于A/D转换过程需要一定的时间，在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。为了保证A/D转换精度，保持待转换值不变，而在转换结束后又能跟随输入信号的变化。2、在模拟量输出通道中，为使各输出通道得到一个平滑的模拟量输出，也必须保持一个恒定的值。微型计算机控制技术二、作用1、在A/D转换期间，保持采样信号不变；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。三、工作方式（如图2.10所示）1、采样：k闭合，充电2、保持：k断开，量化，即A/D转换注：S/H一进入保持期，应立即启动A/D转换。四、常用芯片微型计算机控制技术1、LF198/298/398（1）原理图及引脚图（如图2.11及图2.12所示）LF198/298/398是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样-保持器（2）引脚功能（3）工作过程2、AD582,AD585等2.1.7AD转换器(ADC)一、A/D转换的常用方法1、计数式A/D转换2、逐次逼近型A/D转换3、双积分式A/D转换4、V/F变换型A/D转换微型计算机控制技术二、逐次逼近型A/D转换原理1、原理框图由逐次逼近寄存器SAR、DAC、比较器、LOGIC及时钟等组成2、工作过程①启动信号start为高电平（上升沿）→SAR清零；②start下降沿，转换开始，在第一个时钟脉冲，置SAR最高位MSB=1，其余位为0；③将该D→A(Vf)，并送入比较器与Vx比较，若Vx≥Vf则保留该位，反之则清除；④依次将次高位到最低位进行置位、转换、判断和决定，即可得Vx对应数字量⑤转换结束后，控制电路送出结束信号，将SAR中数字量送入缓冲寄存器。SARDACLOGIC…数字量模拟输入VxVf比较器微型计算机控制技术三、ADC的主要技术指标1.转换时间完成一次A/D转换的时间，典型值为0～200μs；2.分辨率①转换后的数字量的位数，n;②转换后的数字量的最低位LSB所对应的模拟量q。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4.量程ADC转换的电压范围，如5v，10v微型计算机控制技术5.转换精度①绝对精度转换后的数字量相对于输入模拟量间的差值；②相对精度相对于满量程输入的百分比。区别：精度：转换后结果相对实际值的准确度；分辨率：对转换结果发生影响的最小输入量。四、8位A/D转换器1、普通型A/D转换器7574（1）特点：功耗低、转换速度快，易于微型计算机接口（2）原理图（如图2.13所示）（3）组成：R-2RD/A，SAR,LOGIC、CLOCK和三态锁存器（4）引脚功能：VDD，VIN，DB7~DB0微型计算机控制技术微型计算机控制技术（5）控制方法2、带仪器放大器的A/D转换器的AD760（1)特点：输入电压的放大通过芯片的仪器放大器完成，前级采用差分电路。(2)原理图（如图2.14所示）：是完整的8位逐次逼近A/D转换器(3)组成：仪器放大器、比较器、D/A，SAR,精密电压基准和三态输出缓冲器(4)控制信号真值表（如表2.4所示）(5)连接方法（如图2.15所示）3、多通道A/D转换器ADC0808/0809微型计算机控制技术(1)组成8路模拟开关、通道选择逻辑、8位ADC，三态输出锁存缓冲器。8路模拟开关地址锁存与译码8位逐次逼近式ADC三态输出锁存缓冲器VIN0VIN7ABCALEEOCDO0DO7OEVCCGNDVREF+VREF-STARTCLOCK微型计算机控制技术VIN0～VIN7：8路模拟量输入通道DO0～DO7：8位输出数据线A、B、C：3位地址线ALE(addresslatchenable)：允许地址锁存信号，高电平有效START：启动信号，高电平有效（脉冲信号上升沿SAR清零，下降沿开始A/D转换）EOC(endofconversion)：转换结束信号，高电平有效。EOC=0表示正在进行A/D转换；EOC=1表示A/D转换结束OE(outputenable)：允许输出信号，高电平有效A/D转换过程中呈高阻状态；A/D转换结束后若OE＝1，则表示可输出DO0～DO7(2)引脚功能(8位，100μs，28脚)微型计算机控制技术(3)工作过程→A、B、C选择输入通道，并将其送到ADC输入端→START=1（上升沿SAR清零，下降沿经延迟时间t后正式开始A/D转换）→经100μs的转换时间后，转换结束转换结果存入三态输出锁存缓冲器（注：在A/D转换过程中EOC＝0）→转换结束后EOC＝1，通知CPU，经CPU响应后置OE=1，即可输出DO0～DO7。微型计算机控制技术(4)时序图（如图2.16所示）(5)典型应用（如图2.17所示）(6）特点：具有较高的转换速度和精度，受温度影响较小，能较长时间保证精度，重现性好，功耗较低，且具有8路模拟开关。五、8位A/D转换器的接口技术1、模拟输入信号的连接输入信号的大小，输入