第2章-微型计算机控制系统的过-计算机控制系统2版电子课件.ppt

第2章 微型计算机控制系统的过程输入输出技术2.1 过程输入输出通道概述 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 2.5 脉冲量输入通道 2.1 过程输入输出通道概述 过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和数字量输过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道组成。模拟量输入通道将反映生产过程或设备入输出通道组成。模拟量输入通道将反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温度、压力、流量、速度、液位等）工况的模拟信号（如温度、压力、流量、速度、液位等）转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制。数字量（脉冲量、行机构，实现对生产过程或设备的控制。数字量（脉冲量、开关量）输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号开关量）输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）、脉冲信号（如速（如继电器接点、行程开关、按纽等）、脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给微机；微机通过数字量输出度、位移、流量脉冲等）送给微机；微机通过数字量输出通道控制那些接受数字信号的执行机构和显示、指示装置。通道控制那些接受数字信号的执行机构和显示、指示装置。2.1.1 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图如图2-12-1所示。所示。2.1.2 模拟量输出通道的一般结构 模拟量输出通道（简称模拟量输出通道（简称AOAO通道）的一般结构有两种基通道）的一般结构有两种基本形式如图本形式如图2-22-2所示。所示。2.1.4 数字量输出通道的基本结构 数数字字量量输输出出通通道道的的任任务务是是把把微微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，简称简称DODO通道。其典型结构如图通道。其典型结构如图2-42-4所示。所示。2.2 模拟量输入通道2.2.1 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。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2-52-5所示。执行采样动作的是采所示。执行采样动作的是采样器（采样开关）样器（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称为采样周期，称为采样周期，称为采样宽度。时间和幅值上均称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号连续的模拟信号y y（t t）通过采样器后，被变换为时间上离）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号散的采样信号y*y*（t t）。模拟信号到采样信号的变换过程）。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。称为采样过程或离散过程。2.2.2 A/D 2.2.2 A/D转换器转换器 A/DA/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，其种类繁转换器是将模拟量转换为数字量的器件，其种类繁多，常见的多，常见的A/DA/D转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式等。等。1 1主要技术指标主要技术指标 A/D A/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。（1 1）分辨率）分辨率 分辨率是衡量分辨率是衡量A/DA/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率通常用数字量的位数的技术指标。分辨率通常用数字量的位数n n（字长）来表示，（字长）来表示，如如8 8位、位、1212位、位、1616位等。位等。（2 2）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量到数字量转换转换器完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。所需要的时间。（3 3）线性误差）线性误差 线性误差是指线性误差是指A/DA/D转换器的理想转换特性（量化特性）转换器的理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差通常用线性误差通常用LSBLSB的分数表示，如的分数表示，如1/2 LSB1/2 LSB或或1 LSB1 LSB。这种转换器的工作原理如图这种转换器的工作原理如图2-62-6所示。它由电压比较器、所示。它由电压比较器、数数/模转换器、逐次逼近寄存器、控制逻辑和输出缓冲锁存模转换器、逐次逼近寄存器、控制逻辑和输出缓冲锁存器等部分组成。器等部分组成。（2 2）双斜积分式）双斜积分式A/DA/D转换器转换器 双斜积分双斜积分A/DA/D转换器转换的基本原理是利用两个不同时转换器转换的基本原理是利用两个不同时间之比来得到两个不同电压的比值，从而实现变模拟量为间之比来得到两个不同电压的比值，从而实现变模拟量为数字量的转换。两个不同的时间为：第一个时间是模拟电数字量的转换。两个不同的时间为：第一个时间是模拟电压向电容充电的固定时间，第二个时间是已知参考电压放压向电容充电的固定时间，第二个时间是已知参考电压放电所需要的时间，模拟输入电压与参考电压的比值就是这电所需要的时间，模拟输入电压与参考电压的比值就是这两个时间值之比。图两个时间值之比。图2-72-7（a a）是这种）是这种A/DA/D转换器的原理图，转换器的原理图，它的转换过程如图它的转换过程如图2-72-7（b b）所示。其整个转换过程在逻辑）所示。其整个转换过程在逻辑控制电路的控制下按以下三个阶段进行。控制电路的控制下按以下三个阶段进行。3 3）比较阶段：）比较阶段：逻辑控制电路在逻辑控制电路在t2t2时刻时刻K1K1断开的同时，将与输入电压断开的同时，将与输入电压VxVx极性相反的基准电压接入积分器。此时极性相反的基准电压接入积分器。此时K2K2（或（或K3K3）闭合，）闭合，电容电容C C开始放电，计数器从零开始计数，当积分器输出电压开始放电，计数器从零开始计数，当积分器输出电压达到零电平时刻（即达到零电平时刻（即t3t3时刻），比较器翻转，逻辑控制电时刻），比较器翻转，逻辑控制电路发出计数器停止计数信息及路发出计数器停止计数信息及“转换结束转换结束”信号，此时计信号，此时计数器的值反映了输入电压数器的值反映了输入电压VxVx在固定积分时间内的平均值，在固定积分时间内的平均值，即输入电压即输入电压VxVx所对应的数字量。所对应的数字量。（3 3）并行比较式）并行比较式A/DA/D转换器转换器 并行比较式并行比较式A/DA/D转换原理比较直观，图转换原理比较直观，图2-82-8给出了一个给出了一个三位并行比较式三位并行比较式A/DA/D转换器原理框图及模数对照表。转换器原理框图及模数对照表。2.2.3 常用A/D转换器及其接口技术 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左左右右，线线性性误误差差为为1/2LSB1/2LSB，其结构如图，其结构如图2-92-9所示。所示。（1 1）8 8通道模拟开关及通道选择逻辑通道模拟开关及通道选择逻辑 该部分的功能是实现该部分的功能是实现8 8选选1 1操作，通道选择信号操作，通道选择信号C C、B B、A A与各通道之间的关系如表与各通道之间的关系如表2-12-1所示。所示。C CB BA A所所选选通道通道0 00 00 0V VIN0IN00 00 01 1V VIN1IN11 11 11 1V VIN7IN7 地址锁存允许信号（地址锁存允许信号（ALEALE、正脉冲）完成通道选择信号、正脉冲）完成通道选择信号C C、B B、A A的锁存。的锁存。（3 3）三态输出锁存缓冲器）三态输出锁存缓冲器 用于存放转换结果用于存放转换结果D D。输出允许信号。输出允许信号OEOE为高电平时，为高电平时，D D由由DODO7 7DODO0 0上输出。上输出。ADC0809ADC0809的转换时序如图的转换时序如图2-102-10所示。所示。2 21212位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A AD574A AD574A是一种高性能的是一种高性能的1212位逐次逼近式位逐次逼近式A/DA/D转换器，转转换器，转换时间约为换时间约为25us25us，线性误差为，线性误差为1/2LSB1/2LSB。内部有时钟脉冲。内部有时钟脉冲源和基准电压源。源和基准电压源。AD574AAD574A的结构如图的结构如图2-112-11所示。所示。引脚引脚单单极性极性双极性双极性BIPOFFBIPOFF0V0V10V10V10V10VININ0 010V10V-5V-5V+5V+5V20V20VININ0 020V20V-10V-10V+10V+10V （1 1）1212位位A/DA/D转换器转换器 该该1212位位A/DA/D转换器的模拟输入可以是单极性或双极性的。转换器的模拟输入可以是单极性或双极性的。单极性应用时，单极性应用时，BIPOFFBIPOFF接接0V0V，双极性时接，双极性时接10V10V。量程可以是。量程可以是10V10V，也可以是，也可以是20V20V。根据输入信号的不同范围决定其连接的。根据输入信号的不同范围决定其连接的引脚引脚10VIN10VIN或或20VIN20VIN。量程为。量程为10V10V和和20V20V时，时，AD574AAD574A的量化单位的量化单位分别为分别为10V/210V/21212和和20V/220V/21212。模拟输入信号的编程如表。模拟输入信号的编程如表2-22-2所示。所示。CECEA0A0操作功能操作功能1 10 00 0X X0 0启启动动1212位位A/DA/D转换转换1 10 00 0X X1 1启启动动8 8位位A/DA/D转换转换1 10 01 11 1X X并行并行输输出出1212位数字位数字1 10 01 10 00 0输输出高出高8 8位数字位数字1 10 01 10 01 1输输出低出低4 4位数字位数字0 0X XX XX XX X无操作无操作X X1 1X XX XX X无操作无操作（2 2）三态输出锁存缓冲器）三态输出锁存缓冲器 该缓冲器用于存放该缓冲器用于存放1212位转换结果位转换结果DD（D=0D=0212-1)212-1)（3 3）控制逻辑）控制逻辑 控制逻辑主要完成：启动转换、控制转换过程和控制控制逻辑主要完成：启动转换、控制转换过程和控制转换结果转换结果DD的输出。有关控制信号的作用如表的输出。有关控制信号的作用如表2-32-3所示。所示。STS STS为为AD574AAD574A的状态的状态输出信号。启动后，输出信号。启动后，STSSTS为高电平表示正在转换；为高电平表示正在转换；25us25us后转换结束，后转换结束，STSSTS为为低电平。低电平。CPUCPU可用查询或可用查询或中断方式了解转换过程是中断方式了解转换过程是否结束。否结束。AD574A启动与读操作时序如图2-13。（1 1）1616位位A/DA/D转换器转换器 16 16位位A/DA/D转换器对输入端的信号转换器对输入端的信号AINAIN进行转换，进行转换，转换结果转换结果D(D=0D(D=02 21616-1)-1)存入存入1616位的输出寄存器。位的输出寄存器。（2 2）1616位输出寄存器及位输出寄存器及8 8位数据缓冲器位数据缓冲器 16 16位的输出寄存器用于存放转换结果位的输出寄存器用于存放转换结果D D。MAX1166 MAX1166的转换时序如图的转换时序如图2-152-15所示。所示。4 4A/DA/D转换器接口技术转换器接口技术 A/D A/D转换器通常都具有三态数据输出缓冲器，因而允转换器通常都具有三态数据输出缓冲器，因而允许许A/DA/D转换器直接同系统总线相连接。为便于或简化接口转换器直接同系统总线相连接。为便于或简化接口电路设计，也可通过并行接口芯片实现与系统的接口。电路设计，也可通过并行接口芯片实现与系统的接口。（1 1）ADC0809ADC0809与与IBM PCIBM PC总线接口总线接口 ADC0809 ADC0809与与IBM PCIBM PC总线的接口根据需要常见的有两种总线的接口根据需要常见的有两种方法，即查询法与中断法。图方法，即查询法与中断法。图2-162-16为为ADC0809ADC0809与与IBM PCIBM PC总总线采用查询法的接口电路。图线采用查询法的接口电路。图2-172-17为为ADC0809ADC0809与与IBM PCIBM PC总总线采用中断法的接口电路。线采用中断法的接口电路。图2-16 ADC0809与IBM PC总线的接口 由图由图2-162-16可见：该可见：该ADC0809ADC0809的模拟通道的模拟通道IN0IN0IN7IN7的端的端口地址为口地址为80H80H87H87H，与，与EOCEOC相连的三态缓冲器的地址可为相连的三态缓冲器的地址可为70H70H77H77H，连接，连接OEOE信号的地址为信号的地址为60H60H67H67H。若利用查询法。若利用查询法中对模拟通道中对模拟通道IN3IN3进行进行A/DA/D转换，且将转换结果存入转换，且将转换结果存入ALAL中，中，其程序段如下：其程序段如下：OUT 83H,AL ;OUT 83H,AL ;选通选通IN3,IN3,启动启动A/DA/D转换转换WAIT:IN AL,70H ;WAIT:IN AL,70H ;读转换结束信号读转换结束信号EOCEOC标志标志 TEST AL,01H ;TEST AL,01H ;判断判断A/DA/D转换是否结束？转换是否结束？JZ WAIT ;JZ WAIT ;未结束未结束,返回等待返回等待 IN AL,60H ;IN AL,60H ;结束结束,把结果送入把结果送入ALAL中中图2-17 ADC0809与IBM PC总线的接口 若采用中断法，则从图若采用中断法，则从图2-172-17可看出可看出,图中图中ADC0809ADC0809通道通道的地址的地址ADDAADDA、ADDBADDB、ADDCADDC分别接到数据总线的分别接到数据总线的D0D0、D1D1、D2D2上。转换结束信号上。转换结束信号EOCEOC通过通过D D触发器经中断控制器触发器经中断控制器8259A8259A后，后，将中断请求信号送到将中断请求信号送到IBM PCIBM PC总线。总线。假设假设ADC0809ADC0809端口地址为端口地址为83H83H，仅对模拟通道，仅对模拟通道IN3IN3进行转进行转换。采用中断响应法的程序为：换。采用中断响应法的程序为：CLIMOV AL,03H ;启动INi（i为07中某个数字）OUT 83H,AL ;选通IN3，并启动A/D转换NOPNOPSTI 在中断服务程序中用指令IN AL，83H读取转换结果的数字量。（2）AD574A与IBM PC总线接口 图2-18给出了12位分辨率的AD574A与8位IBM PC总线的查询式接口电路。由于AD574A内部有三态输出缓冲器，且提供了高低字节输出数据的分别选择控制，故可直接将其12条输出数据线的高8位连到PC总线的D7D0，而把低4位接到数据总线的高4位（左对齐），分两次传送；同时将128端接数字地。图中状态口地址为90H，高8位口地址为92H，低4位口地址为93H。图2-18 AD574A与IBM PC总线的接口以图2-18的硬件接口为基础，采集50个数据的程序如下：PROTS EQU 90HPROTH EQU 92HPROTL EQU 93HMOV CX,32H ;采集次数设置MOV SI,0100H ;存放数据内存首址START:OUT PROTH,AL ;启动12位转换（A0=0）WAIT:IN AL,PROTS ;读状态，查STS是否为0AND AL，80HJNZ WAIT ;转换中，等待，循环查询IN AL,PROTH ;转换结束，读转换结果的高8位MOV SI,AL ;送内存INC SI ;内存地址加1IN AL,PROTL ;读转换结果的低4位MOV SI,AL ;送内存INC SI ;内存地址加1,为存放下一个数据做准备DEC CXJNZ START ;采集未完，继续HLT ;采集完,暂停（3）MAX1166与IBM PC总线接口 MAX1166与IBM PC总线的接口电路如图2-19所示。MOV AX,2000H ;数据暂存区段地址初始MOV DS,AXLEA SI,BUFMOV DX,212HMOV AL,00HOUT DX,AL ;使R/C和HBEN为1,为A/D转换启动做准备MOV DX,210H ;给第一个脉冲信号,MAX1166进入准备工作状态OUT DX,ALNOPOUT DX,AL ;给第二个脉冲信号,启动A/D转换MOV DX,211HWAIT:IN AL，DX ;读状态,查询A/D转换是否结束TEST AL,01HJNZ WAIT ;不为0,即A/D转换未结束,继续等待 由图2-19可见，该MAX1166的端口地址为210H，三态缓冲器地址为211H，八D锁存器地址为212H。该图中MAX1166若选择稳定工作模式，其应用程序如下：（设其A/D转换结果的高、低位分别存放在BUF和BUF+1单元中）MOV DX,212HMOV AL,03HOUT DX,AL ;使和HBEN均为1,准备读取转换结果高八位数据MOV DX,210H ;给第三个脉冲信号,开始读数据OUT DX,ALIN AL,DX ;读取数据高位MOV SI,ALINC SIMOV DX,212HMOV AL,01HOUT DX,AL ;使HBEN=0,为读取数据低八位准备MOV DX,210H ;读取数据低位IN AL,DXMOV SI,AL 2.2.4 模拟量输入通道设计举例 模拟量输入通道一般由多路开关、数据放大器、采样模拟量输入通道一般由多路开关、数据放大器、采样保持器、保持器、A/DA/D转换器及接口电路组成。该通道的设计应具转换器及接口电路组成。该通道的设计应具有通用性，且必须符合总线标准，接口地址可选，输入方有通用性，且必须符合总线标准，接口地址可选，输入方式可选，需要时还应考虑数据放大器的增益可选。式可选，需要时还应考虑数据放大器的增益可选。1 1多路开关多路开关 多路开关在模拟量输入通道中的作用是实现多选一操多路开关在模拟量输入通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路开关将多路输入依次地（或随机地）切换作，即利用多路开关将多路输入依次地（或随机地）切换到后级。到后级。微机控制系统中多采用集成电路多路开关，图微机控制系统中多采用集成电路多路开关，图2-202-20是是常用的集成多路开关常用的集成多路开关CD4051CD4051的结构原理。的结构原理。图2-20 CD4051的结构原理INHINHC CB BA A所所选选通道通道0 00 00 00 0S S0 00 00 00 01 1S S1 10 01 11 11 1S S7 71 1X XX XX XS S0 0S S7 7均未均未选选中中 这是一种8通道的多路开关，C、B、A是通道选择信号，通道选择表2-4所示。Si（i=0、1、.、7）被选中时，Si与Sm接通，Si上的输入被选择并传送至后级。2采样保持器 为保证A/D转换器在进行A/D转换期间其输入信号保持不变，则需加采样保持器。采样保持器的基本组成电路如图2-21（a）所示，由输入输出缓冲器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。采样时，S闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，S 断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT=VC 保持不变。采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。采样保持器的工作波形见图2-21（b）。图2-21 采样保持器 常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582等，其原理结构如图2-22(a)、(b)所示。采用TTL逻辑电平控制采样和保持。LF198的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。选择采样保持器的主要因素有，获取时间、电压下降率等。LF198的CH取为0.01F时，信号达到0.01精度所需的获取时间（采样时间）为25s，保持期间的输出电压下降率为每秒3V。当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。图2-22 集成采样保持器的原理结构3模拟量输入通道设计举例 图2-23是一种8通道模拟输入板。它由2片多路开关CD4051（8路）、采样保持器LF398、12位A/D转换器AD574A、仪用放大器AD625和接口电路8255A等组成。该模拟输入板的主要技术指标如下：该模拟输入板的主要技术指标如下：分辨率：分辨率：1212位位 通道数：双端通道数：双端8 8路路 输入量程：单极性输入量程：单极性0 010V10V，双极性，双极性-5V-5V+5V+5V 转换时间（转换时间（A/DA/D）：）：25s25s 线路误差：不大于线路误差：不大于0.02%0.02%应答方式：查询应答方式：查询 实现对8路输入信号顺序采集一遍的数据采集程序段如下，设主程序已对8255A初始化，且已装填DS、ES（两者段基值同），8255A的地址为210H213H。采样值存入数据段中的采样值缓冲区BUF。AD574 PROC NEARMOV CX,8MOV BL,00000000B ;CE=0,CS=0,R/C=0,S2=S1=S0=S3=0LEA SI,BUFNEXTCH:MOV DX,212H ;8255A端口C地址送DXMOV AL,BLOUT DX,AL ;多路开关切换,选中Si(i=0、1、7)NOPNOPOR AL,01000000B ;CE=1,启动A/D转换OUT DX,ALNOPAND AL,10111111B ;CE=0OUT DX,ALMOV DX,210HPOLING:IN AL,DX ;读STS状态,判断A/D转换是否结束TEST AL,80HJNZ POLING ;A/D转换未结束,继续等待MOV AL,BL ;转换结束则为读取转换结果作准备OR AL,00010000B ;MOV DX,212HOUT DX,ALOR AL,01000000H ;CE=1OUT DX,ALMOV DX,210H ;读结果高4位IN AL,DXAND AL,0FHMOV AH,AL ;暂存结果高4位于AH中INC DXIN AL,DX ;读结果低8位于AL中MOV SI,AX ;结果存入采样缓冲区INC SIINC SIINC BLLOOP NEXTCHMOV AL,00111000B ;CE=0，MOV DX,212HOUT DX,ALRETAD574 ENDP该子过程未对寄存器进行保护，需要时可加入。2.3 模拟量输出通道2.3.1 D/A2.3.1 D/A转换器转换器 模拟量输出通道的核心部件是模拟量输出通道的核心部件是D/AD/A转换器。转换器。D/AD/A转换转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置。器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置。1 1D/AD/A转换器工作原理转换器工作原理 D/A D/A转换器主要由四部分组成：基准电压转换器主要由四部分组成：基准电压VREFVREF，R-2R R-2R T T型电阻网络，电子开关型电阻网络，电子开关KiKi（i=0i=0，1 1，.，n-1n-1）和运算）和运算放大器放大器A A。一个。一个4 4位的位的D/AD/A转换器的原理框图如图转换器的原理框图如图2-242-24所示。所示。图中电子开关K0K3分别受输入数字量D0D3控制，Di（i=0，1，2，3）=1时，Ki（i=0，1，2，3）切换到右端（虚地）；Di（i=0，1，2，3）=0时，Ki（i=0，1，2，3）切换到左端（地），不论哪一端，切换电压不变，切换的仅仅是电流。不过，只有当Ki（i=0，1，2，3）切换到右端时，才能给运算放大器输入端提供电流。因此，电阻网络中各2R支路上端的电位相同（为零），下端各节点向右的分支电阻均为2R，则各节点的电压依次按1/2系数进行分配，相应各支路的电流也按1/2系数进行分配。当满量程输入一个n位二进制数时，流入运放的电流为：当 时，相应的输出电压为:由于数字信号Di（i=0，1，n-1）只有1或0，故D/A转换器的输出电压VOUT与输入二进制数D0Dn-1或二进制数字量D的关系式为：由上式可见，输出电压除了与输入的二进制数有关外，还与运算放大器的反馈电阻Rfb、基准电压VREF有关。2D/A转换器的主要技术指标（1）分辨率 分辨率是指当输入数字量发生单位数码变化即最低有效位LSB产生一次变化时，输出模拟量对应的变化量。分辨率与数字量输入的位数n的关系如下：=VREF/2n 实际使用中，表示分辨率高低的更常用方法是用输入数字量的位数表示。（2）建立时间 建立时间是指输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值1/2 LSB所需的时间，一般为几十纳秒到几秒。（3）线性误差 理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如1/2LSB，或1LSB。2.3.2 常用D/A转换器及其接口技术1D/A转换器（1）8位D/A转换器DAC0832 DAC0832的结构如图2-25所示，它主要由两部分组成，即：由R-2R电阻网络构成的8位D/A转换器以及两个8位寄存器和相应的选通控制逻辑。DI7DI0是DAC0832的数字信号输入端；IOUT1和IOUT2是它的模拟电流输出端，IOUT1+IOUT2常数C，IOUT1和IOUT2与输入数字D之间的关系如表2-5所示。输输入数字入数字D DI IOUT1OUT1I IOUT2OUT200H00H0 00 080H80HC/2C/2C/2C/2FFHFFHC C0 0图2-25 DAC0832内部结构图 在实际应用中，通常采用外加运算放大器的方法，把DAC0832的电流输出转换为电压输出。Rfb是芯片内部反馈电阻，便于芯片直接与运算放大器相连，图2-26为DAC0832的单、双极性输出电路。图2-26中VOUT1为单极性输出，且有：其中D为输入数字量，VREF为DAC0832的基准电压（-10V+10V）。VOUT2为双极性输出，由图2.26可知：D从028-1，VOUT2从（2）12位的D/A转换器DAC1208/1209/1210 12位DAC1210的内部结构框图如图2.27所示。DAC1210的转换原理与DAC0832完全相同。图中高8位输入寄存器和低4位输入寄存器构成了12位的输入寄存器，BYTE1/BYTE2为高电平时，选中高8位输入寄存器和低4位输入寄存器，否则只选中低4位输入寄存器。一个12位的待转换数D必须在输入级装配好后，才能送至DAC寄存器，所以，DAC1210与8位微机接口时，应接为双缓冲形式。图2-27 DAC1210内部结构图2D/A转换器接口技术（1）8位D/A转换器与系统的接口 D/A转换器与CPU的连接方式根据具体情况可有：直接连接、通过可编程并行接口连接、通过锁存器连接等方式。图2-28所示的接口电路是由8位D/A转换芯片DAC0832、运算放大器、地址译码电路等组成。其中DAC0832工作在单缓冲方式下，即当CS信号为低时，对由数据线D0D7送来的数据直接进行D/A转换，当IOW变高时，则此数据便被锁存在输入寄存器中，因此D/A转换的输出电压V0也保持不变。DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出（IOUT1和IOUT2），为了使其能变成电压输出，故需经运算放大器A，形成单极性电压输出0+5V（VREF为-5V时）或0+10V（VREF为-10V时）。图2-28 8位D/A转换器与PC系统总线的接口 若DAC0832 CS的口地址为210H，则将8位二进制数7FH转换为模拟电压的转换程序段为：MOV DX，210HMOV AL，7FHOUT DX，ALHLT（2）12位D/A转换器与系统总线的接口 12位D/A转换器与系统总线的接口电路如图2.29所示，该电路采用12位D/A转换芯片DAC1210、输出放大器、地址译码器等组成。设经地址译码器译出Y0、Y1、Y2对应的口地址分别为210H、211H、212H，这3个口地址用来控制DAC1210工作方式和进行12位的D/A转换。图2-29中CS片选信号接地，DAC1210的低4位输入寄存器的数据线接至PC总线的D7D4上。由于DAC1210为电流型输出，因此，需接运算放大器A1，使之成为负极性电压输出，再加上运算放大器A2进行极性变换，使之成为正极性电压输出。图2-29 12位D/A转换器与系统总线的接口MOV DX,210HMOV AL,3FH ;送高8位数据OUT DX,ALMOV DX,211HMOV AL,40H ;送低4位数据OUT DX,ALMOV DX,212HOUT DX,AL ;12位数据进行转换HLT 前面已假设端口译码器译出的Y0、Y1、Y2三个地址分别为210H、211H、212H，若将12位二进制数3F4H转换为模拟电压，其转换程序段为：2.3.3 模拟量输出通道设计举例 模拟量输出通道一般根据系统需求可由多路开关、采样保持器、D/A转换器及接口电路等组成。采样保持器的作用及工作原理如前2.2.4中所述，多路开关在模拟量输出通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路开关将一路D/A转换器的输出分时切换至后级的各执行机构。1模拟量输出通道设计的基本方法 模拟量输出通道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。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、芯片元件上降低成本。通用性 D/A转换模板的设计应具有通用性，它主要体现在三个方面：符合总线标准，可选接口地址以及可选输出方式。对于电流输出而言，常用的是010mA DC或420mA DC这两种信号范围，能满足该范围输出的电路如图2-30所示。DAC0832输出电流经运算放大器Al和A2变换成输出电压V2，再经三级管T1和T2变换成输出电流IOUT。当短接柱K1的12短接时，通过调零点电位器W1和量程电位器W2，为外接负载RL提供010mA DC电流；当K1的13短接时，通过调节W1和W2，为RL提供 420mA DC电流。图2-30 D/A转换的电流输出 若需电压输出则有单极性和双极性两种输出形式，如图2-31所示。当短接柱K2的12短接时，则为单极性电压（010V DC）输出；K2的14和23短接时，则为双极性电压（10V DC010V DC）输出。图2-31 D/A转换的单/双极性电压输出2模拟量输出通道的设计 模拟量输出通道设计步骤是：确定性能指标，设计电路原理图，设计和制造印制线路板，最后焊接和调试电路板。其中，数字电路和模拟电路应分别排列走线，尽量避免交叉，连线要尽量短。模拟地（AGND）和数字地（DGND）分别走线，通常在总线引脚附近一点接地。光电隔离前后的电源线和地线要相互独立。调试时，一般是先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性能指标逐项考核。图2-32（a）、（b）给出了具有8路D/A转换的模拟量输出通道模板结构框图和其中1路的电路原理图。该模板由总线接口逻辑、8片DAC0832以及V/I变换电路等组成。图2-32 8路D/A转换模板(a)图2-32 8路D/A转换模板(b)其中每路的D/A转换器均接为单缓冲输入工作方式，且均具有电压、电流两种可选的输出方式。这里的V/I变换电路与负载共电源，输出电流IOUT=VCC/R5。当R5=500，VCC05V时，IOUT=010mA；当R5250，VCC=15V时，IOUT=420mA。设8个输出数据存放在内存数据段BUF0BUF7单元中，主过程已装填DS，8片DAC0832占据从CH0开始的8个连续地址，输出子程序如下：DOUT PROC NEARMOV DX,CH0MOV CX,8MOV BX,OFFSET BUF0NEXT:MOV AL,BXOUT DX,ALINC DXINC BXLOOP NEXTRETDOUT ENDP2.3.4 数据采集系统实例 计算机数据采集系统可采用小型机或微型机构成。以微型计算机构成的数据采集系统一般采用单总线结构，比如在本教材第一章中提到几种总线均可用于数据采集系统。它的主要特点是：系统的结构简单，容易实现，能够满足中、小规模数据采集系统的要求。微型计算机对环境的要求不太高，能够在比较恶劣的环境下工作。微型计算机的价格低廉，可降低数据采集系统的投资，即使是比较小的系统，也可以采用它。采用微型计算机的数据采集系统可以作为分布式数据采集系统的一个基本组成部分进一步扩充。微型计算机的应用有比较坚实的基础，各种I/O模板及应用软件都比较齐全，便于使用，便于维修。1数据采集系统的组成及基本功能 数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System）,微型计算机与DAS相配合可以完成各种测量任务，并具有很强的通用性。目前已有许多与各种微机系统相匹配的DAS插件板问世。随着集成技术的发展，数据采集系统的结构也有了较大的变化，但其基本工作过程及基本组成部分仍保持不变。图2-33给出了一个典型的DAS的基本结构图。图2-33 DAS的基本结构图 由图可知，一个完整的数据采集工作过程大致可分为三步：1）数据采集2）数据处理3）结果处理 2数据采集系统设计举例 自动巡回检测系统是一种数据采集系统，所谓自动巡回检测就是对生产过程中的某些参数以一定的周期自动地进行检测和测量。在组成巡回检测系统时，要注意被测信号变化的快慢，测量的精度以及采样周期等方面的要求。例2-1：试设计一个数据采集系统。要求该系统能对8路模拟信号（变化频率100Hz）进行连续巡回检测，电压范围0V10V，分辨率为5mV（0.05%），采样间隔为1S，同时，为了增强抗干扰能力，还要求能对采样信号进行数字滤波处理。分析：巡回检测周期允许为1s，但为了对采样的数据进行滤波处理，必须对每路信号进行多次采集。因此，A/D转换器选用转换速度较快的AD574。AD574的分辨率12位（0.025），转换误差0.05，转换时间25s，输入电压的范围均能符合上述要求。多路模拟开关选用CD4051。CD4051导通电阻为200，由于采样/保持器的输入电阻一般在10M以上，所以输入电压在CD4051上的压降仅为0.002%左右，符合要求。CD4051的开关漏电流仅为0.08nA，当信号源内阻为10k时，误差电压约为0.08V，可以忽略不计。采样/保持器选用LF398，LF398采样速度快，保持性能好，非线性度为士0.01，符合上述要求。整个系统采用以8086CPU构成的微机系统来实施控制。按此要求组成的巡回检测系统的电路原理如图2-34所示。图2-34 8路自动巡回检测系统电路原理图 该系统检测周期的定时由定时器/计数器8254来完成。设与8254 CLK0相连的时钟频率为2MHz，OUT0接CLK1，OUT1接8259A的IR2。选8254的计数器0工作在方式2，定时时间20ms（计数初值为40000D），禁止中断；计数器1工作在方式2，计数次数50，允许中断。每中断一次（即每隔1S），便通知进行定时采样。实现上述过程的程序段如下：（设8254的端口地址为80H83H，8259A的地址为20H、21