计算机控制输入输出优秀PPT.ppt

计算机控制输入输出现在学习的是第1页，共77页第二讲第二讲过程输入输出通道技术过程输入输出通道技术概论概论在在计计算算机机控控制制系系统统中中，为为了了实实现现对对生生产产过过程程的的控控制制，要要将将对对象象的的控控制制参参数数及及运运行行状状态态按按规规定定的的方方式式送送入入计计算算机机，计计算算机机经经过过计计算算、处处理理后后，将将结结果果以以数数字字量量的的形形式式输输出出，此此时时需需将将数数字字量量变变换换为为适适合合生生产产过过程程控控制制的的量量，因因此此在在计计算算机机和和生生产产过过程程之之间间，必必须须设设置置完完成成信信息息的的传传递递和和变变换换装装置，这个装置称为过程输入输出通道，也叫置，这个装置称为过程输入输出通道，也叫I/O通道。通道。本章内容其实质是微机原理与应用课程中的知识本章内容其实质是微机原理与应用课程中的知识现在学习的是第2页，共77页现在学习的是第3页，共77页2.12.1过程输入输出通道概述过程输入输出通道概述 过过程程输输入入输输出出通通道道由由模模拟拟量量输输入入输输出出通通道道和和开开关关量量（包包含含脉脉冲冲量量）输输入入输输出出通通道道组组成成。模模拟拟量量输输入入通通道道把把反反映映生生产产过过程程或或设设备备工工况况的的模模拟拟信信号号（如如温温度度、压压力力、流流量量、速速度度、液液位位等等）、转转换换为为数数字字信信号号送送给给微微型型计计算算机机；模模拟拟量量输输出出通通道道则则把把微微型型计计算算机机输输出出的的数数字字控控制制信信号号转转换换为为模模拟拟信信号号（电电压压或或电电流流）作作用用于于执执行行机机构构，实实现现对对生生产产过过程程或或设设备备的的控控制制。开开关关量量（脉脉冲冲量量、数数字字量量）输输入入通通道道把把反反映映生生产产过过程程或或设设备备工工况况的的开开关关信信号号（如如继继电电器器接接点点、行行程程开开关关、按按扭扭等等）、脉脉冲冲信信号号（如如速速度度、位位移移、流流量量脉脉冲冲等等）送送给给微微型型计计算算机机；微微型型计计算算机机通通过过开开关关量量输输出出通通道道控控制制那那些些接接受受开开关关（数数字字）信信号号的的执执行行机机构构和和显显示示、指指示示装置。装置。由由此此可可见见，过过程程输输入入输输出出通通道道在在微微型型计计算算机机和和工工业业生生产产过过程程之之间间起起着着信信号传递与变换的纽带作用。号传递与变换的纽带作用。现在学习的是第4页，共77页2.1.1 2.1.1 模拟量输入通道的一般结构模拟量输入通道的一般结构 模模拟拟量量输输入入通通道道（简简称称AIAI通通道道）的的一一般般结结构构如如图图2.12.1所所示示。过过程程参参数数由由传传感感元元件件和和变变送送器器测测量量并并转转换换为为电电压压（或或电电流流）形形式式后后送送至至多多路路开开关关；在在微微机机的的控控制制下下，由由多多路路开开关关将将各各个个过过程程参参数数依依次次地地切切换换到到后级，进行放大、采样和后级，进行放大、采样和A/DA/D转换，实现过程参数的巡回检测。转换，实现过程参数的巡回检测。现在学习的是第5页，共77页图2.1模拟量输入通道的一般结构现在学习的是第6页，共77页2.1.2 2.1.2 模拟量输出通道的基本结构模拟量输出通道的基本结构 模模拟拟量量输输出出通通道道（简简称称AOAO通通道道）的的两两种种基基本本结结构构形形式式如如图图2.22.2所所示示。多多D/AD/A结结构构的的模模拟拟量量输输出出通通道道中中的的D/AD/A转转换换器器除除承承担担数数字字信信号号到到模模拟拟信信号号转转换换的的任任务务外外，还还兼兼有有信信号号保保持持作作用用，即即把把微微机机在在 t=kT t=kT 时时刻刻对对执执行行机机构构的的控控制制作作用用维维持持到到下下一一个个输输出出时时刻刻t=(k+1)Tt=(k+1)T。这这是是一一种种数数字字保保持持方方式式，送送给给D/AD/A转转换换器的数字信号不变，其模拟输出信号便保持不变。器的数字信号不变，其模拟输出信号便保持不变。共共享享D/AD/A结结构构的的模模拟拟量量输输出出通通道道中中的的D/AD/A转转换换器器只只起起数数字字信信号号到到模模拟拟信信号号的的转转换换作作用用，信信号号保保持持功功能能靠靠采采样样保保持持器器完完成成。这这是是一一种种模模拟拟保保持持方方式式，微微机机对对通通路路i i（i=1i=1，2 2，.，n n）的的控控制制信信号号被被D/AD/A转转换换器器转转换换为为模模拟拟形形式式后后，由由采采样样保保持持器器将将其其记记忆忆下下来来，并并保保持持到到下下一一次次控控制制信信号号的的到到来来。多多D/AD/A形形式式输输出出速速度度快快、工工作作可可靠靠、精精度度高高，是是工工业业控控制领域普遍采用的形式。制领域普遍采用的形式。现在学习的是第7页，共77页主机接口电路D/AD/A.通道1通道n主机接口电路D/A.通道1通道n多路开关采样保持器采样保持器（b）共享D/A结构图2.2模拟量输出通道的两种基本结构形式（a）多D/A结构现在学习的是第8页，共77页2.1.3 2.1.3 开关量（数字量）输入通道的基本结构开关量（数字量）输入通道的基本结构 开开关关量量输输入入通通道道又又称称为为数数字字量量输输入入通通道道，该该通通道道的的任任务务是是把把被被控控对对象象的的开开关关状状态态信信号号（或或数数字字信信号号）送送给给计计算算机机、或或把把双双值值逻逻辑辑的的开开关关量量变变换换为为计计算算机机能能够够接接收收的的数数字字量量送送给给计计算算机机，简简称称DIDI通道。它的结构形式如图通道。它的结构形式如图2.32.3所示。所示。现在学习的是第9页，共77页信号变换器信号变换器整形变换整形变换电平变换电平变换总线缓冲器CPUCPU接口逻辑图2.3 开关量输入通道结构框图现在学习的是第10页，共77页典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：1 1信号变换器：将生产过程的非电量开关量转换为电压或电流信号变换器：将生产过程的非电量开关量转换为电压或电流 的双值逻辑值。的双值逻辑值。2 2整形变换电路：将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或整形变换电路：将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或 其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的 方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲 信号。信号。3 3电平变换电路：将输入的双值逻辑电平转换为与电平变换电路：将输入的双值逻辑电平转换为与CPUCPU兼容的兼容的 逻辑电平。逻辑电平。4 4总线缓冲器：暂存数字量信息并实现与总线缓冲器：暂存数字量信息并实现与CPUCPU数据总线的连接。数据总线的连接。5 5接口逻辑电路：协调各通道的同步工作，向接口逻辑电路：协调各通道的同步工作，向CPUCPU传递状态信传递状态信 息并控制开关量的输入、输出。息并控制开关量的输入、输出。现在学习的是第11页，共77页2.1.4 2.1.4 开关量（数字量）输出通道的基本结构开关量（数字量）输出通道的基本结构 开开关关量量（数数字字量量）输输出出通通道道的的任任务务是是把把计计算算机机输输出出的的数数字字信信号号（或或开开关关信信号号）传传送送给给开开关关型型的的执执行行机机构构（如如继继电电器器或或指指示示灯灯等等），控控制制它它们们的的通通、断断或或亮亮、灭灭，简简称称DODO通通道道。其其典典型型结结构构如如图图2.42.4所所示示。图图中中锁锁存存输输出出的的主主要要作作用用是是锁锁存存CPUCPU输输出出的的数数据据或或控控制制信信号号，供供外外部部设设备备使使用用；隔隔离离部部件件的的作作用用是是为为防防止止干干扰扰；功功放放的的作作用用则则是是为为把把计计算算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。现在学习的是第12页，共77页CPU锁存输出控制逻辑隔离功放执行机构图2.4开关量输出通道结构框图现在学习的是第13页，共77页图2.11功率晶体管输出驱动继电器图2.12MC1416驱动7个继电器现在学习的是第14页，共77页图图2.132.13为为固固态态继继电电器器的的结结构构，固固态态继继电电器器（SSRSSR）是是一一种种四四端端有有源源器器件件，。输输入入输输出出之之间间采采用用光光电电耦耦合合器器进进行行隔隔离离。零零交交叉叉电电路路可可使使交交流流电电压压变变化化到到零零伏伏附附近近时时让让电电路路接接通通，从从而而减减少少干干扰扰。电电路路接接通通以以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。现在学习的是第15页，共77页2.3 2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道 2.3.1 D/A 2.3.1 D/A转换器概述转换器概述 模模拟拟量量输输出出通通道道的的核核心心部部件件是是D/AD/A转转换换器器。D/AD/A转转换换器器是是指指将将数数字字量量转转换换成成模模拟拟量量的的元元件件或或装装置置，它它输输出出的的模模拟拟量量（电电压压或或电电流流）与与参参考考电电压压和和二二进进制制数数成成比比例例。D/AD/A转转换换器器品品种种繁繁多多，但但在在集集成成D/AD/A产产品品中中多多按按T T型型和和倒倒T T型型电电阻阻解解码码网网络的络的D/AD/A转换原理进行转换，故下面将以倒转换原理进行转换，故下面将以倒T T型电阻型电阻D/AD/A为例介绍为例介绍D/AD/A转换原理。转换原理。1 1D/AD/A转换器工作原理转换器工作原理 D/AD/A转转换换器器主主要要由由四四部部分分组组成成：基基准准电电压压VREFVREF，R-2R R-2R T T型型电电阻阻网网络络，电电子子开开关关KiKi（i=0i=0，1 1，.，n-1n-1）和和运运算算放放大大器器A A。一一个个4 4位位的的D/AD/A转转换换器器的原理框图如图的原理框图如图2.142.14所示。所示。现在学习的是第16页，共77页图2.14R-2R电阻网络D/A转换器现在学习的是第17页，共77页2 2D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率分辨率 分分辨辨率率是是指指当当输输入入数数字字量量发发生生单单位位数数码码变变化化即即最最低低有有效效位位LSBLSB产产生生一一次次变变化化时时，输输出出模模拟拟量量对对应应的的变变化化量量。分分辨辨率率与与数数字字量量输输入入的的位位数数n n呈呈下列关系：下列关系：=VREF/2=VREF/2n n 实实际际使使用用中中，表表示示分分辨辨率率高高低低的的更更常常用用方方法法是是用用输输入入数数字字量量的的位位数数表表示示。例例如如，8 8位位二二进进制制D/AD/A转转换换器器，其其分分辨辨率率为为8 8位位，或或者者=1/255=1/255。显显然然，位位数数越多，分辨率越高。越多，分辨率越高。建立时间建立时间 建建立立时时间间是是指指输输入入数数字字信信号号的的变变化化量量是是满满量量程程时时，输输出出模模拟拟信信号号达到离终值达到离终值1/2 LSB1/2 LSB所需的时间，一般为几十纳秒到几秒。所需的时间，一般为几十纳秒到几秒。线性误差线性误差 理理想想转转换换特特性性（量量化化特特性性）应应该该是是线线性性的的，但但实实际际转转换换特特性性并并非非如如此此。在在满满量量程程输输入入范范围围内内，偏偏离离理理想想转转换换特特性性的的最最大大误误差差定定义义为为线线性误差。线性误差常用性误差。线性误差常用LSBLSB的分数表示，如的分数表示，如1/2LSB1/2LSB，或，或1LSB1LSB。现在学习的是第18页，共77页 2.3.2 2.3.2 常用常用D/AD/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术1 1D/AD/A转换器转换器 8 8位位D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832 DAC0832DAC0832的的结结构构如如图图2.152.15所所示示，它它主主要要由由两两部部分分组组成成，即即：由由R-2RR-2R电电阻阻网网络络构构成成的的8 8位位D/AD/A转转换换器器以以及及两两个个8 8位位寄寄存存器器和和相相应应的的选选通通控控制制逻逻辑辑。DI7DI7DI0DI0是是DAC0832DAC0832的的数数字字信信号号输输入入端端；IOUT1IOUT1和和IOUT2IOUT2是是它它的的模模拟拟电电流流输输出端，出端，IOUT1+IOUT2IOUT1+IOUT2常数常数C C，IOUT1IOUT1和和IOUT2IOUT2与输入数字与输入数字D D之间的关系如下：之间的关系如下：输入数字输入数字D D IOUT1 IOUT1 IOUT1 IOUT1 00H 00H 0 0 80H 80H 1/2C1/2C1/2C 1/2C FFH FFH C C 0 0 现在学习的是第19页，共77页图2.15DAC0832的结构现在学习的是第20页，共77页IOAGNDR1=2RR3=2RR2=RR4+系统总线VOUT1VOUT2图2.16DAC0832的单、双极性输出现在学习的是第21页，共77页 12 12位的位的D/AD/A转换器转换器DAC1208/1209/1210DAC1208/1209/1210 图图2.172.17是是DAC1210DAC1210的的结结构构图图，其其原原理理和和引引脚脚与与DAC0832DAC0832基基本本相相同同，不不同之处仅在于：同之处仅在于：输入寄存器和输入寄存器和DACDAC寄存器均为寄存器均为1212位，数据输入线为位，数据输入线为1212条。条。输输入入寄寄存存器器由由高高8 8位位输输入入寄寄存存器器和和低低4 4位位输输入入寄寄存存器器两两个个寄寄存存器器构构成成，BYTE1/BYTE1/BYTE2BYTE2为为高高电电平平时时，选选中中高高8 8位位输输入入寄寄存存器器和和低低4 4位位输输入入寄寄存存器器，否否则则只只选中低选中低4 4位输入寄存器。位输入寄存器。一一个个1212位位的的待待转转换换数数D D必必须须在在输输入入级级装装配配好好后后，才才能能送送至至DACDAC寄寄 存器，所以，存器，所以，DAC1210DAC1210与与8 8位微机接口时，应接为双缓冲形式。位微机接口时，应接为双缓冲形式。现在学习的是第22页，共77页图2.17DAC1210的结构现在学习的是第23页，共77页2 2D/AD/A转换器接口技术转换器接口技术 8 8位位D/AD/A转换器与系统的接口转换器与系统的接口 为为使使CPUCPU能能向向D/AD/A转转换换器器传传送送数数据据，必必须须在在两两者者之之间间设设置置接接口口电电路路。接接口口电电路路的的功功能能是是进进行行地地址址译译码码、产产生生片片选选信信号号或或写写信信号号。如如果果D/AD/A转转换换器器芯芯片片内内部部无无输输入入寄寄存存器器，则则要要外外加加寄寄存存器器。因因此此，D/AD/A转转换换器器与与CPUCPU的的连连接接方方式式可可有有三三种种：直直接接连连接接、用用可可编编程程并并行行接接口口82558255连连接接、用用锁锁存存器器连连接接。具具体体采采用用哪哪种种方方法法，应应根根据据各各种种D/AD/A转转换换器器的的结结构构形形式式以以及及系系统统的的要要求求进进行选择。下面以直接连接方式为例介绍行选择。下面以直接连接方式为例介绍D/AD/A转换器与转换器与CPUCPU的接口。的接口。现在学习的是第24页，共77页 译码器D0D1:D6D7接系统总线A0A1A9AENIOWDI0DI1:DI6DI7VccVREFRfbIOUT2IOUT1AGNDDGNDXFERWR1WR2CSA AV0DAC0832+5VVRY0图2.188位D/A转换器与PC系统总线的接口现在学习的是第25页，共77页现在学习的是第26页，共77页若若DAC0832 CSDAC0832 CS的口地址为的口地址为400H400H，则将则将8 8位二进制数位二进制数7FH7FH转换为模拟电压的转换程序段为：转换为模拟电压的转换程序段为：MOV DX MOV DX，400H400H MOV AL MOV AL，7FH7FH OUT DX OUT DX，ALAL HLT HLT现在学习的是第27页，共77页1212位位D/AD/A转换器与系统总线的接口转换器与系统总线的接口 1212位位D/AD/A转转换换器器与与系系统统总总线线的的接接口口电电路路如如图图2.192.19所所示示，该该电电路路采采用用1212位位D/AD/A转转换换芯芯片片DAC1210DAC1210、输输出出放放大大器器、地地址址译译码码器器等等组组成成。端端口口地地址址译译码码器器译译出出、三三个个口口地地址址，设设为为200H200H、201H201H、202H202H，这这三三个个口口地地址址用来控制用来控制DAC1210DAC1210工作方式和进行工作方式和进行1212位的位的D/AD/A转换。转换。现在学习的是第28页，共77页图2.19 12位D/A转换器与系统总线的接口现在学习的是第29页，共77页现在学习的是第30页，共77页 前前面面已已假假设设端端口口译译码码器器译译出出的的Y Y0 0、Y Y1 1、Y Y2 2三三个个地地址址分分别别为为200H200H、201H201H、202H202H，若将，若将1212位二进制数位二进制数190H190H转换为模拟电压，其转换程序段为：转换为模拟电压，其转换程序段为：MOV MOV DX DX，200H200H MOV MOV AL AL，83H 83H ；送高；送高8 8位数据位数据 OUT OUT DX DX，ALAL MOV MOV DX DX，201H201H MOV MOV AL AL，0F0H 0F0H ；送低；送低4 4位数据位数据 OUT OUT DX DX，ALAL MOV MOV DX DX，202H202H OUT OUT DX DX，AL AL ；1212位数据进行转换位数据进行转换 HLT HLT现在学习的是第31页，共77页2.3.3 D/A2.3.3 D/A转换模板转换模板 通通常常对对D/AD/A转转换换器器而而言言，都都只只能能完完成成一一路路数数字字量量到到模模拟拟量量的的转转换换。而而实实际际的的控控制制系系统统，往往往往需需要要将将多多路路的的数数字字转转换换成成模模拟拟量量。如如前前所所述述，总线式工控机中的总线式工控机中的D/AD/A转换模板有单转换模板有单D/AD/A结构和多结构和多D/AD/A结构两种。结构两种。1 1D/AD/A转换模板的通用性转换模板的通用性 为为了了便便于于系系统统设设计计者者的的使使用用，D/AD/A转转换换模模板板应应具具有有通通用用性性，它它主主要要体体现现在在三三个方面：符合总线标准，可选接口地址以及可选输出方式。个方面：符合总线标准，可选接口地址以及可选输出方式。现在学习的是第32页，共77页符合总线标准符合总线标准 这这里里的的总总线线是是指指计计算算机机内内部部的的总总线线结结构构，D/AD/A转转换换模模板板及及其其他他所所有有电电路路模模板板都都应应符符合合统统一一的的总总线线标标准准，以以便便设设计计者者在在组组合合计计算算机机控控制制系系统统的的硬硬件件时时，只只需需往往总总线线插插槽槽上上插插上上选选用用的的功功能能模模板板而而无无需需连连线线，十十 分分 方方 便便 灵灵 活活。例例 如如，STDSTD总总 线线 标标 准准 规规 定定 模模 板板 尺尺 寸寸 为为165mm114mm165mm114mm，模模板板总总线线引引脚脚共共有有5656根根，并并详详细细规规定定了了每每只只引引脚脚的的功能。功能。接口地址可选接口地址可选 一一套套控控制制系系统统往往往往需需配配置置多多块块功功能能模模板板，或或者者同同一一种种功功能能模模板板可可能能被被组组合合在在不不同同的的系系统统中中。因因此此，每每块块模模板板应应具具有有接接口口地地址址的的可可选选性性。一一般般接接口口地地址址可可由由基基址址（或或称称板板址址）和和片片址址（或或称称口口址址）组组成成，如如图图2.202.20所示。所示。现在学习的是第33页，共77页图2.20接口地址可选的译码电路现在学习的是第34页，共77页输出方式可选输出方式可选 D/AD/A转转换换器器输输出出方方式式有有电电流流输输出出和和电电压压输输出出两两类类，而而每每一一类类又又有有多多种情形。种情形。在在过过程程控控制制中中，各各自自动动化化装装置置之之间间通通常常是是采采用用0 010mA 10mA DCDC或或4 420mA 20mA DCDC的的标标准准电电流流信信号号进进行行联联系系。因因此此，D/AD/A转转换换器器最最常常用用的的是是这这两两种种信信号号范范围围可可选选的的电电流流输输出出方方式式，如如图图2.212.21所所示示。DAC0832DAC0832输输出出电电流流经经运运算算放放大大器器AlAl和和A2A2变变换换成成输输出出电电压压V2V2，再再经经三三级级管管T1T1和和T2T2变变换换成成输输出出电电流流IOUTIOUT。当当短短接接柱柱KAKA的的1 12 2短短接接时时，通通过过调调零零点点电电位位器器W1W1和和量量程程电电位位器器W2W2，为为外外接接负负载载RLRL提提供供0 010mA 10mA DCDC电电流流；当当KAKA的的1 13 3短短接接时时，通通过过调调节节W1W1和和W2W2，为，为RLRL提供提供 4 420mA DC20mA DC电流电流。现在学习的是第35页，共77页图2.21D/A转换的电流输出现在学习的是第36页，共77页图2.22D/A转换的单/双极性电压输出现在学习的是第37页，共77页2 2D/AD/A转换模板的设计举例转换模板的设计举例 前前面面讨讨论论了了几几种种典典型型的的D/AD/A转转换换器器、接接口口电电路路以以及及通通用用性性等等问问题题，这这就就为为D/AD/A转换模板的设计打下了基础。转换模板的设计打下了基础。硬硬件件设设计计中中一一般般并并不不需需要要复复杂杂的的电电路路参参数数计计算算，但但需需会会查查阅阅集集成成电电路路手手册册，掌掌握握各各类类芯芯片片的的外外特特性性及及其其功功能能，以以及及与与D/AD/A转转换换模模板板连连接接的的CPUCPU或或计计算算机机总总线线的的功功能能及及其其特特点点。在在硬硬件件设设计计的的同同时时还还必必须须考考虑虑软软件件的设计。的设计。D/AD/A转换模板的设计原则主要考虑以下几点：转换模板的设计原则主要考虑以下几点：安全可靠尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术安全可靠尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术 。性能价格比高性能价格比高 既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术路线、既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术路线、芯片元件上降低成本。比如，在选择集成电路芯片时，应综合考虑其转换芯片元件上降低成本。比如，在选择集成电路芯片时，应综合考虑其转换速度、精度、工作环境温度和经济性等诸因素。速度、精度、工作环境温度和经济性等诸因素。现在学习的是第38页，共77页通通用用性性 D/A D/A 转转换换模模板板应应符符合合总总线线标标准准，其其接接口口地地址址及及输输出出方方式式应应具备可选性。具备可选性。D/AD/A转转换换模模板板的的设设计计步步骤骤是是：确确定定性性能能指指标标，设设计计电电路路原原理理图图，设设计计和和制制造造印印制制线线路路板板，最最后后焊焊接接和和调调试试电电路路板板。其其中中，数数字字电电路路和和模模拟拟电电路路应应分分别别排排列列走走线线，尽尽量量避避免免交交叉叉，连连线线要要尽尽量量短短。模模拟拟地地（AGNDAGND）和和数数字字地地（DGNDDGND）分分别别走走线线，通通常常在在总总线线引引脚脚附附近近一一点点接接地地。光光电电隔隔离离前前后后的的电电源源线线和和地地线线要要相相互互独独立立。调调试试时时，一一般般是是先先调调数数字字电电路路部部分分，再再调调模模拟拟电电路路部部分分，并并按按性性能能指指标标逐逐项项考考核核。图图2.232.23（a a）、（b b）给给出出了了8 8路路D/AD/A转转换换模模板板的的结结构构框框图图和和其其中中一一路路的的电电路路原原理理图图。该该模模板板由由总总线线接接口口逻逻辑辑、8 8片片DAC0832DAC0832以以及及V VI I变换电路等组成。变换电路等组成。其其中中每每路路的的D/AD/A转转换换器器均均接接为为单单级级输输入入工工作作方方式式，而而且且具具有有电电压压、电电流流两两种种可可选选的的输输出出方方式式。这这里里的的V VI I变变换换电电路路与与负负载载共共电电源源，输输出出电电流流IOUT=VCCIOUT=VCCR5R5。当当凡凡R5 R5=500500，VCCVCC0 05V5V时时，IOUT=0IOUT=010mA10mA；当当R5R5250250，VCC=1VCC=15V5V时，时，IOUT=4IOUT=420mA20mA。现在学习的是第39页，共77页8路结构图单路原理图现在学习的是第40页，共77页2.4 2.4 模拟量输入通道模拟量输入通道 2.4.1 2.4.1 模拟量输入通道中的信号变换模拟量输入通道中的信号变换 模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。1 1信号的采样信号的采样 信号的采样过程如图信号的采样过程如图2.242.24所示。执行采样动作的是采样器所示。执行采样动作的是采样器 （采样开关）（采样开关）K K，K K每隔一个时间间隔每隔一个时间间隔T T闭合一个时间闭合一个时间。T T称为称为 采样周期，采样周期，称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信 号号y y（t t）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号y y*（t t）。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散）。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散 过程。过程。现在学习的是第41页，共77页图2.24信号的采样过程现在学习的是第42页，共77页 采采样样信信号号y y*（t t）是是否否能能如如实实地地反反映映模模拟拟信信号号y y（t t）的的所所有有变变化化与与特特征征呢呢？采采样样定定时时指指出出：如如果果模模拟拟信信号号（包包括括噪噪声声干干扰扰在在内内）频频谱谱的的最最高高频频率率为为f fmaxmax，只只要要按按照照采采样样频频率率f f 22f fmaxmax进进行行采采样样，那那么么采采样样信信号号y y*（t t）就就能能唯唯一一地地复复现现y y（t t）。采采样样定定理理给给出出了了y y*（t t）唯唯一一地地复复现现y y（t t）所必需地最低采样频率。实际应用中，常取所必需地最低采样频率。实际应用中，常取f f （5 51010）f fmaxmax。2 2信号的量化信号的量化 采采样样信信号号在在时时间间轴轴上上是是离离散散的的，但但在在函函数数轴轴上上仍仍然然是是连连续续的的，因因为为连连续续信信号号y y（t t）幅幅值值上上的的变变化化，也也反反映映在在采采样样信信号号y y*（t t）上上。所所以以，采采样样信信号号仍仍不不能能进进入入微微机机。微微机机只只能能接接受受在在时时间间上上离离散散、幅幅值值上上变变化化也也不连续的数字信号。不连续的数字信号。将将采采样样信信号号转转换换为为数数字字信信号号的的过过程程称称为为量量化化过过程程，执执行行量量化化动动作作的的装装置置是是A/DA/D转转换换器器。字字长长为为n n的的A/DA/D转转换换器器把把y yminminy ymax max 范范围围内内变变化化的的采采样样信信号号，变变换换为为数数字字0 02 2n n1 1，其其最最低低有有效效位位（LSBLSB）所所对对应应的的模模拟拟量量q q称称为为量量化化单位。单位。现在学习的是第43页，共77页 量量化化过过程程实实际际上上是是一一个个用用q q去去度度量量采采样样值值幅幅值值高高低低的的小小数数归归整整过过程程，如如同同人人们们用用单单位位长长度度（毫毫米米或或其其它它）去去度度量量人人的的身身高高一一样样。由由于于量量化化过过程程是是一一个个小小数数归归整整过过程程，因因而而存存在在量量化化误误差差，量量化化误误差差为为1/2q1/2q。例例如如，q=20mVq=20mV时时，量量化化误误差差为为10Mv10Mv，0.9900.9901.009V1.009V范范围围内内的的采采样样值值，其其量量化化结结果是相同的，都是数字果是相同的，都是数字5050。在在A/DA/D转转换换器器的的字字长长n n足足够够长长时时，整整量量化化误误差差足足够够小小，可可以以认认为为数数字字信信号号近近似似于于采采样样信信号号。在在这这种种假假设设下下，数数字字系系统统便便可可沿沿用用采采样样系系统统理理论论分分析析、设计。设计。2.4.2 A/D 2.4.2 A/D转换器转换器1 1主要技术指标主要技术指标 A/DA/D转转换换器器是是将将模模拟拟量量转转换换为为数数字字量量的的器器件件，这这个个模模拟拟量量泛泛指指电电压压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。现在学习的是第44页，共77页A/DA/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。分辨率分辨率 分分辨辨率率是是衡衡量量A/DA/D转转换换器器分分辨辨输输入入模模拟拟量量最最小小变变化化程程度度的的技技术术指指标标。分分辨辨率率通通常常用用数数字字量量的的位位数数n n（字字长长）来来表表示示，如如8 8位位、1212位位、1616位位等等。分分辨辨率率为为n n位位，表表示示它它能能对对满满量量程程输输入入的的1/21/2n n的的增增量量作作出出反反映映，即即数数字字量量的的最最低低有有效效位位（LSBLSB）对对应应于于满满量量程程输输入入的的1/21/2n n。若若n=8n=8，满满量量程程输输入入为为5.12V5.12V，则则LSBLSB对应于模拟电压对应于模拟电压5.12V/25.12V/28 820mV20mV。转换时间转换时间 转换时间是指转换时间是指A/DA/D转换器完成一次模拟到数字转换所需要的时间。转换器完成一次模拟到数字转换所需要的时间。现在学习的是第45页，共77页 线性误差线性误差 线线性性误误差差是是指指A/DA/D转转换换器器的的理理想想转转换换特特性性（量量化化特特性性）应应该该是是线线性性的的，但但实实际际转转换换特特性性并并非非如如此此。在在满满量量程程输输入入范范围围内内，偏偏移移理理想想转转换换特特性性的的最最大大误误差差定定义义为为线线性性误误差差。线线性性误误差差通通常常用用LSBLSB的的分分数数表表示示，如如1/2 1/2 LSBLSB或或1 1 LSBLSB。A/DA/D转转换换器器的种类繁多，常见的的种类繁多，常见的A/DA/D转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式等。转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式等。逐逐次次逼逼近近式式A/DA/D转转换换器器的的转转换换时时间间与与转转换换精精度度比比较较适适中中，转转换换时时间间一一般般在在usus级，转换精度一般在级，转换精度一般在0.10.1上下，适用于一般场合。上下，适用于一般场合。双双斜斜积积分分式式A/DA/D转转换换器器的的核核心心部部件件是是积积分分器器，因因此此速速度度较较慢慢，其其转转换换时时间间一一般般在在msms级级或或更更长长。但但抗抗干干扰扰性性能能强强，转转换换精精度度可可达达0.010.01或或更更高高。适适于于在在数字电压表类仪器中采用。数字电压表类仪器中采用。并并行行式式又又称称闪闪烁烁式式，由由于于采采用用并并行行比比较较，因因而而转转换换速速率率可可以以达达到到很很高高，其其转转换换时时间间可可达达nsns级级，但但抗抗干干扰扰性性能能较较差差，由由于于工工艺艺限限置置，其其分分辨辨率率一一般般不不高高于于8 8位位。这这类类A/DA/D转转换换器器可可用用于于数数字字示示波波器器等等要要求求转转换换速度较快的仪器中。速度较快的仪器中。现在学习的是第46页，共77页2 2A/DA/D转换原理转换原理逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器双斜积分式A/D转换器并行比较式并行比较式A/D转换器转换器现在学习的是第47页，共77页2.4.3 2.4.3 常用常用A/DA/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术1 18 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809 ADC0809ADC0809是是一一种种带带有有8 8通通道道模模拟拟开开关关的的8 8位位逐逐次次逼逼近近式式A/DA/D转转换换器器，转转换换时时间间为为100us100us左右，线性误差为左右，线性误差为LSBLSB，其结构如图，其结构如图2.282.28所示。所示。现在学习的是第48页，共77页图2.28ADC0809的逻辑框图现在学习的是第49页，共77页tDATAOUT ALE ALEC.B.ASTARTEOCOEDO70图2.29ADC0809的转换时序现在学习的是第50页，共77页现在学习的是第51页，共77页图2.30AD574A的原理结构现在学习的是第52页，共77页 AD574AAD574A由由1212位位A/DA/D转转换换器器、控控制制逻逻辑辑、三三态态输输出出锁锁存存缓缓冲冲器器、10V10V基基准准电电压压源源4 4部分构成。部分构成。12 12位位A/DA/D转换器转换器 这这个个1212位位A/DA/D转转换换器器的的模模拟拟输输入入可可以以是是单单极极性性的的，也也可可以以是是双双极极性性的的。单单极极性性应应用用时时，将将BIPOFFBIPOFF接接0V0V，双双极极性性时时接接10V10V。量量程程可可以以是是10V10V，也也可可以以是是20V20V。输输入入信信号号在在10V10V范范围围内内变变化化时时，将将输输入入信信号号接接至至10V10VININ；在在20V20V范范围围内内变变化化时时，接接至至20V20VININ。量量程程为为10V10V和和20V20V时时，AD574AAD574A的的量量化化单单位位分分别别为为10V/210V/21212和和20V/220V/21212。模拟输入信号的编程：模拟输入信号的编程：图图2.312.31是是AD574AAD574A的单、双极性应用时的线路连接方法，以及零点和满度调整方法。的单、双极性应用时的线路连接方法，以及零点和满度调整方法。引脚引脚单级性单级性双级性双级性BIPOFFBIPOFF0V0V10V10V10V10VININ0 010V10V-5V-5V+5V+5V20V20VININ0 020V20V-10V-10V+10V+10V现在学习的是第53页，共77页图2.31AD574A的输入信号连接方法（a）单极性（b）双极性现在学习的是第54页，共77页三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 该该缓缓冲冲器器用用于于存存放放1212位位转转换换结结果果D D（D=0D=02 21212-1-1）。D D的的输输出出方方式式有有两两种种，引引脚脚12/12/8=18=1时时，D D的的D D1111D D0 0并并行行输输出出；12/12/8 8=0