第2章 过程通道与输入输出接口14节PPT讲稿.ppt

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1、第2章 过程通道与输入输出接口14节1第1页，共80页，编辑于2022年，星期一2-1 过程通道的一般结构过程通道的一般结构一、输入输出过程通道的基本概念一、输入输出过程通道的基本概念1.输入过程通道输入过程通道模拟量和数字量输入模拟量和数字量输入2.输出过程通道输出过程通道模拟量和数字量输出模拟量和数字量输出2第2页，共80页，编辑于2022年，星期一二、输入过程通道的结构类型二、输入过程通道的结构类型1 1、单信号类型、单信号类型2 2、多信号类型、多信号类型3第3页，共80页，编辑于2022年，星期一4第4页，共80页，编辑于2022年，星期一三、输出通道的结构类型三、输出通道的结构类型

2、5第5页，共80页，编辑于2022年，星期一2-2 输入输出接口输入输出接口接口电路接口电路 由于外部通道或外部设备不能与由于外部通道或外部设备不能与CPUCPU直接相连，因为它们的直接相连，因为它们的速度、数据格式不一定相同，信号形式也不一定相匹配。为速度、数据格式不一定相同，信号形式也不一定相匹配。为了便于两者交换信息，需要通过一个中间环节将了便于两者交换信息，需要通过一个中间环节将CPUCPU和外部和外部通道连接起来，该中间环节就是接口电路。通道连接起来，该中间环节就是接口电路。功能功能1 1）数据缓冲功能）数据缓冲功能2 2）信号转换功能）信号转换功能3 3）驱动功能）驱动功能4 4）

3、终端管理功能）终端管理功能6第6页，共80页，编辑于2022年，星期一一、接口技术一、接口技术 I/O I/O接口中有三种端口：数据端口、状态端口和控制端口：接口中有三种端口：数据端口、状态端口和控制端口：技术内容：技术内容：1 1）数据缓冲）数据缓冲 2 2）寻址功能）寻址功能3 3）命令译码）命令译码 4 4）同步控制）同步控制5 5）数据转换）数据转换 6 6）电平转换）电平转换7 7）终端接口）终端接口 8 8）总线驱动）总线驱动总线是指传送规定信息的一组公共信号线。总线是指传送规定信息的一组公共信号线。按功能可分为：数据总线、地址总线和控制总线。按功能可分为：数据总线、地址总线和控制

4、总线。扩展接口扩展接口 1 1）硬件相依性）硬件相依性 2 2）软件相依性）软件相依性7第7页，共80页，编辑于2022年，星期一二、输入输出通道接口实现及控制二、输入输出通道接口实现及控制 可用软硬件实现。若用硬件实现，实时性好，速度快；若用软件实现，可可用软硬件实现。若用硬件实现，实时性好，速度快；若用软件实现，可以方便系统功能的改变。以方便系统功能的改变。1、采用通用、采用通用I/O接口芯片实现接口芯片实现 常见的接口集成芯片有地址和数据锁存器常见的接口集成芯片有地址和数据锁存器74LS273、74LS373，8位并行位并行I/O接口接口8212，8位双向三态输出数据缓冲器位双向三态输出

5、数据缓冲器8286、8287，8位三态输出数据缓冲线驱动器位三态输出数据缓冲线驱动器74LS244,8位三态双向驱动器位三态双向驱动器74LS245,外部地址译码器外部地址译码器74LS138、74LS139等。等。常用的可编程接口芯片有并行接口常用的可编程接口芯片有并行接口8255A81558156、串行接口、串行接口8251A、终端控制器、终端控制器8259A、计数器定时器、计数器定时器82538254、DMA控制器控制器8237A以及键盘和显示接口以及键盘和显示接口8279等。等。8第8页，共80页，编辑于2022年，星期一2、单板式整体结构、单板式整体结构 将测控系统制作成一个独立的装

6、置，接口设备与将测控系统制作成一个独立的装置，接口设备与CPUCPU制制成一体，这种设备用于小型控制系统。成一体，这种设备用于小型控制系统。3、标准计算机扩展板、标准计算机扩展板利用计算机的扩展功能，将利用计算机的扩展功能，将I/O接口装置按照扩展槽的接口装置按照扩展槽的标准开发，并制成多种类型的卡板，可直接插在计算机标准开发，并制成多种类型的卡板，可直接插在计算机的扩展槽上。的扩展槽上。9第9页，共80页，编辑于2022年，星期一三、输入输出控制方式三、输入输出控制方式 CPU CPU与外设交换数据的方式就是输入输出控制方式。通常采用的控与外设交换数据的方式就是输入输出控制方式。通常采用的控

7、制方式有三种：程序控制方式、终端控制方式和直接存储器存取制方式有三种：程序控制方式、终端控制方式和直接存储器存取（DMADMA）方式）方式1 1、程序控制方式、程序控制方式 程序控制方式是指程序控制方式是指CPUCPU与外围设备之间的数据交换是在程序控制之下与外围设备之间的数据交换是在程序控制之下进行的。进行的。无条件输入输出方式无条件输入输出方式查询是输入输出方式查询是输入输出方式1 1）定时查询方式）定时查询方式2 2）巡回检测方式）巡回检测方式10第10页，共80页，编辑于2022年，星期一2 2、中断控制方式、中断控制方式 此时此时CPUCPU不必去循环检测外部设备的状态，而是在外部设

8、备就绪时主动不必去循环检测外部设备的状态，而是在外部设备就绪时主动向向CPUCPU发出一个中断请求信息，若该事件的优先级高于当前发出一个中断请求信息，若该事件的优先级高于当前CPUCPU所运行所运行的工作，的工作，CPUCPU会立即响应该中断请求，停止其当前的工作，转去处理会立即响应该中断请求，停止其当前的工作，转去处理该中断申请事件。处理完毕后，又返回去进行被中断了的原来的工作。该中断申请事件。处理完毕后，又返回去进行被中断了的原来的工作。中断方式的采用，要求系统设计是要解决好下列问题：中断方式的采用，要求系统设计是要解决好下列问题：1 1）现场保护与恢复）现场保护与恢复2 2）正确判断中断

9、源）正确判断中断源3 3）能够实时地响应外围设备的中断请求）能够实时地响应外围设备的中断请求4 4）中断优先级）中断优先级11第11页，共80页，编辑于2022年，星期一3 3、直接存储器存取方式（、直接存储器存取方式（DMA)DMA)DMA DMA方式是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式。外方式是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式。外设和存储器之间直接进行数据交换，而不通过设和存储器之间直接进行数据交换，而不通过CPUCPU。DMADMA和和CPUCPU共享总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。当进共享总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。当进行行DMADMA操作时，操作时，

10、DMADMA控制器从控制器从CPUCPU中接管对总线的控制，直接中接管对总线的控制，直接使存储器和外设置及污泥进行数据传送。使存储器和外设置及污泥进行数据传送。12第12页，共80页，编辑于2022年，星期一2-3 模拟量输入通道模拟量输入通道在模拟量输入通道中要完成模拟输入信号的在模拟量输入通道中要完成模拟输入信号的变换、滤波、采样、放大、保持、模数转换变换、滤波、采样、放大、保持、模数转换等。等。典型的模拟量输入通道如下图所示。典型的模拟量输入通道如下图所示。13第13页，共80页，编辑于2022年，星期一 14第14页，共80页，编辑于2022年，星期一一、信号拾取一、信号拾取 传感器输

11、出的模拟电量可以是电压或电流。大电压信号可传感器输出的模拟电量可以是电压或电流。大电压信号可达达5V，10V或或5V，2.5V,这样的传感器可直接与这样的传感器可直接与A/D转换器的输入相连；大信号电流输出可达转换器的输入相连；大信号电流输出可达10mA或或20mA，通过，通过0.5K的精密电阻变换成的精密电阻变换成5V或或10V电压；小信号电压；小信号电流输出，需要经电流输出，需要经I/V变换后，在进行放大；小信号电压只变换后，在进行放大；小信号电压只有几毫伏或几十毫伏，需要进行放大。有几毫伏或几十毫伏，需要进行放大。15第15页，共80页，编辑于2022年，星期一二、二、I/V变换变换16

12、第16页，共80页，编辑于2022年，星期一三、多路转换器三、多路转换器 在计算控制系统中，在计算控制系统中，广泛应用的是广泛应用的是集成集成电路模拟电子开关。电路模拟电子开关。例如，有例如，有4 4选选1 1多路多路开关开关CD4502CD4502和和AD7502AD7502；8 8选选1 1多路多路开关开关CD4501CD4501和和AD7501AD7501；1616选选1 1的多的多路转换开关路转换开关CD4067CD4067和和AD7507AD750717第17页，共80页，编辑于2022年，星期一四、四、采样保持器采样保持器1、工作原理、工作原理18第18页，共80页，编辑于2022

13、年，星期一2、常用的采样保持器、常用的采样保持器19第19页，共80页，编辑于2022年，星期一X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a)(a)采样开关采样开关(b)(b)连续信号连续信号(c)(c)开关函数开关函数3、采样频率的取定、采样频率的取定20第20页，共80页，编辑于2022年，星期一X*(t)kT05T3TT7T1调制器X(t)X*(t)P(t)(d)(d)采样信号采样信号(e)(e)采样过程采样过程x*(t)=p(t)x(t)0T因因，所以分析时可近似认为，所以分析时可近似认为 0 0为为0 0，以单位脉冲函数，以单位脉冲函数(t)(t)代替代替p(t)

14、p(t)。21第21页，共80页，编辑于2022年，星期一理论表达形式理论表达形式：(t)0 t=0t0工程表达形式工程表达形式：(t)0 1 1 t=0t0单位脉冲序列：单位脉冲序列：T(t)kT0数学表达式：数学表达式：单位脉冲函数定义：单位脉冲函数定义：22第22页，共80页，编辑于2022年，星期一采样过程数学描述采样过程数学描述:考虑物理上可实现，又可近似为：考虑物理上可实现，又可近似为：可见，可见，x*(t)x*(t)具有离散信号的特性。具有离散信号的特性。23第23页，共80页，编辑于2022年，星期一采样定理采样定理 对于角频率范围为（对于角频率范围为（）的连续信号进行采样，当

15、）的连续信号进行采样，当采样频率采样频率 时，采样器的输出信号时，采样器的输出信号x*(t)x*(t)就能充分表征原始就能充分表征原始的连续信号的连续信号x(t)x(t)，换言之，为使采样信号的频谱能无失真地恢复原，换言之，为使采样信号的频谱能无失真地恢复原来的连续信号的频谱，采样周期来的连续信号的频谱，采样周期T T必须小于输入信号变化最小周期必须小于输入信号变化最小周期 的的1/21/2，即：，即：24第24页，共80页，编辑于2022年，星期一由于被控对象一般具有低通滤波特性，因而由于被控对象一般具有低通滤波特性，因而x(t)x(t)的带宽是有限的，其的带宽是有限的，其的振幅谱图如下：的

16、振幅谱图如下：（1）（2）25第25页，共80页，编辑于2022年，星期一采样周期选取的一般原则：采样周期选取的一般原则：（1 1）系统受扰动情况）系统受扰动情况。若扰动和噪声都较小，采样周期。若扰动和噪声都较小，采样周期T T应选大些应选大些；。对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期。对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期T T应选小些应选小些；（2 2）被控系统动态特性）被控系统动态特性。滞后时间大的系统，采样周期。滞后时间大的系统，采样周期T T应选大些应选大些；。对于快速系统，采样周期。对于快速系统，采样周期T T应选小些应选小些；（3 3）控制品质指标要求）控制品质指标要求。若超调量为主

17、要指标，采样周期。若超调量为主要指标，采样周期T T应选大些应选大些；。若希望过渡过程时间短些，采样周期。若希望过渡过程时间短些，采样周期T T应选小些应选小些；26第26页，共80页，编辑于2022年，星期一五、五、A/D转换器转换器1、A/D转换器的工作原理转换器的工作原理1）双积分型）双积分型A/D转换器转换器27第27页，共80页，编辑于2022年，星期一原理28第28页，共80页，编辑于2022年，星期一逐位逼近式逐位逼近式A/DA/D转换原理图转换原理图 2）逐次逼近型）逐次逼近型A/D转换器转换器原理29第29页，共80页，编辑于2022年，星期一 一个一个 n n 位位A/DA

18、/D转换器的模数转换表达式是转换器的模数转换表达式是 （3 34 4）式中式中 n n n n位位A/DA/D转换器；转换器；V VR+R+、V VR R-基准电压源的正、负输入；基准电压源的正、负输入；V VININ要转换的输入模拟量；要转换的输入模拟量；B B转换后的输出数字量。转换后的输出数字量。即当基准电压源确定之后，即当基准电压源确定之后，n n位位A/DA/D转换器的输出数字转换器的输出数字量量B B与要转换的输入模拟量与要转换的输入模拟量V VININ呈正比。呈正比。30第30页，共80页，编辑于2022年，星期一 例题例题3-23-2：一个：一个8 8位位A/DA/D转换器，设

19、转换器，设V VR+R+=5.02 V=5.02 V，V VR R =0 =0 V V，计算当，计算当V VININ分别为分别为0 V0 V、2.5 V2.5 V、5 V5 V时所对应的转换数字量。时所对应的转换数字量。解：把已知数代入公式（解：把已知数代入公式（3-43-4）：）：0 V 0 V、2.5 V2.5 V、5 V5 V时所对应的转换数字量分别为时所对应的转换数字量分别为00H00H、80H80H、FFHFFH。此种此种A/DA/D转换器的常用品种有普通型转换器的常用品种有普通型8 8位单路位单路ADC0801ADC0801ADC0805ADC0805、8 8位位8 8路路ADC0

20、808/0809ADC0808/0809、8 8位位1616路路ADC0816/0817ADC0816/0817等，等，混合集成高速型混合集成高速型1212位单路位单路AD574AAD574A、ADC803ADC803等。等。31第31页，共80页，编辑于2022年，星期一 分辨率是指分辨率是指A/DA/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如如8 8位、位、1010位、位、1212位等。分辨率为位等。分辨率为N

21、 N，表示它可以对满刻度的，表示它可以对满刻度的1/21/2n n的的变化量作出反应。即：变化量作出反应。即：分辨率分辨率=满量程值满量程值/2 2N N 2、A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1 1）分辨率）分辨率 A AD D转换器的主要技术指标有分辨率、转换时间、转换精度和转换器的主要技术指标有分辨率、转换时间、转换精度和量程等。量程等。32第32页，共80页，编辑于2022年，星期一 A/D A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来示。转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/DA/

22、D转换器的误转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对对A/DA/D转换器常用最低有效值的位数转换器常用最低有效值的位数LSBLSB（Least Significant Least Significant Bit)Bit)）来表示，）来表示，1LSB=11LSB=1 2 2n n 。2 2）转换精度）转换精度 33第

23、33页，共80页，编辑于2022年，星期一3 3）转换时间）转换时间 A/DA/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式位逼近式A/D A/D 转换器的转换时间为微秒级，双积分式转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/DA/D转换转换器的转换时间为毫秒级。器的转换时间为毫秒级。4 4）量程：）量程：模拟输入电压范围模拟输入电压范围.例如，单极性的量程有：例如，单极性的量程有：0 05V5V，0 010V10V，0 020V20V；双极性时的量程有：；双极性时的量程有：2.52.52.5,2.5,-5V -5V5V,-10V5V,-10

24、V10V10V。34第34页，共80页，编辑于2022年，星期一1)ADC08091)ADC0809芯片及其接口电路芯片及其接口电路8 8位逐位逼近式位逐位逼近式A/DA/D转换器转换器分辨率为分辨率为1/1/2 28 8 0.39%0.39%模拟电压转换范围是模拟电压转换范围是 0 0+5 V+5 V标准转换时间为标准转换时间为100100 s s采用采用2828脚双立直插式封装脚双立直插式封装3、典型的、典型的A/D转换器芯片及应用转换器芯片及应用35第35页，共80页，编辑于2022年，星期一a、结构原理图及引脚功能、结构原理图及引脚功能36第36页，共80页，编辑于2022年，星期一引

25、脚功能37第37页，共80页，编辑于2022年，星期一b b、ADC0809ADC0809的内部转换时序的内部转换时序图图3-14 ADC08093-14 ADC0809的转换时序的转换时序说明6538第38页，共80页，编辑于2022年，星期一c c、ADC0809ADC0809接口电路接口电路 A/DA/D转换器的接口电路主要是解决主机如何分时采集多路模拟量转换器的接口电路主要是解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动输入信号的，即主机如何启动A/DA/D转换，如何判断转换，如何判断A/DA/D完成一次模数完成一次模数转换，如何读入并存放转换结果的。下面仅介绍两种典型的接口

26、电转换，如何读入并存放转换结果的。下面仅介绍两种典型的接口电路路。v 查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数 v 定时方式读定时方式读A/DA/D转换数转换数 39第39页，共80页，编辑于2022年，星期一图图3-153-15查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数查询方式读查询方式读A/D转换数转换数说明40第40页，共80页，编辑于2022年，星期一接口程序如下接口程序如下：MOV BX，BUFF；置采样数据区首址；置采样数据区首址 MOV CX，08H ；路输入；路输入START：OUT PA，AL ；启动；启动A/D转换转换 REOC：IN AL，PB ；读；读EOC RC

27、R AL，01 ；判断；判断EOC JNC REOC ；若；若EOC=0，继续查询，继续查询 IN AL，PA ；若；若EOC=1，读，读A/D转换数转换数 MOV BX，AL ；存；存A/D转换数转换数 INC BX ；存；存A/D转换数地址加转换数地址加1 INC PA ；接口地址加；接口地址加1 LOOP START ；循环；循环说明41第41页，共80页，编辑于2022年，星期一图图3-163-16定时方式读定时方式读A/DA/D转换数转换数 定时方式读定时方式读A/D转换数转换数说明42第42页，共80页，编辑于2022年，星期一 显然，定时方式比查询方式简单，但前提是必须预先精确显

28、然，定时方式比查询方式简单，但前提是必须预先精确地知道地知道A/DA/D转换芯片完成一次转换芯片完成一次A/DA/D转换所需的时间。转换所需的时间。这两种方法的共同点是硬软件接口简单，但在转换期间独占了这两种方法的共同点是硬软件接口简单，但在转换期间独占了CPUCPU时间，好在这种逐位逼近式时间，好在这种逐位逼近式A/DA/D转换的时间只在微秒数量级。当转换的时间只在微秒数量级。当选用双积分式选用双积分式A/DA/D转换器时，因其转换时间在毫秒级，因此采用中转换器时，因其转换时间在毫秒级，因此采用中断法读断法读A/DA/D转换数的方式更为适宜。因此，在设计数据采集系统时，转换数的方式更为适宜。

29、因此，在设计数据采集系统时，究竟采用何种接口方式要根据究竟采用何种接口方式要根据A/DA/D转换器芯片而定。转换器芯片而定。43第43页，共80页，编辑于2022年，星期一 8 8位位A/DA/D转换器的分辨率约为转换器的分辨率约为0.00390.0039，转换精度在，转换精度在0.40.4以下以下,这对一些精度要求比较高的控制系统而言这对一些精度要求比较高的控制系统而言是不够的，因此要采用更多位的是不够的，因此要采用更多位的A/DA/D转换器，如转换器，如1010位、位、1212位、位、1414位等位等A/DA/D转换器。下面以转换器。下面以AD574AAD574A为例介绍为例介绍1212位

30、位A/DA/D转换器及其接口电路。转换器及其接口电路。44第44页，共80页，编辑于2022年，星期一AD574AAD574A是一种高性能的是一种高性能的1212位逐位逼近式位逐位逼近式A/DA/D转换器转换器分辨率为分辨率为1/212=0.024%1/212=0.024%转换时间为转换时间为25s,25s,适合于在高精度快速采样系统中使用适合于在高精度快速采样系统中使用内部结构大体与内部结构大体与ADC0809ADC0809类似，由类似，由1212位位A/DA/D转换器、控制逻辑、转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与三态输出锁存缓冲器与10V10V基准电压源构成，可以直接与主机数据基准电压

31、源构成，可以直接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量总线连接，但只能输入一路模拟量AD574AAD574A也采用也采用2828脚双立直插式封装脚双立直插式封装2）AD574A芯片及其接口电路芯片及其接口电路45第45页，共80页，编辑于2022年，星期一a、AD574A原理框图及引脚原理框图及引脚说明46第46页，共80页，编辑于2022年，星期一图图 3-18 AD574A 3-18 AD574A的输入信号连接方法的输入信号连接方法 47第47页，共80页，编辑于2022年，星期一b b、AD574A AD574A接口电路及接口电路及A/DA/D转换模板转换模板 12 12位位A/DA/

32、D转换器转换器AD574AAD574A与与PCPC总线的接口有多种方式。既可以与总线的接口有多种方式。既可以与PCPC总线的总线的1616位数据总线直接相连，构成简单的位数据总线直接相连，构成简单的1212位数据采集系统；位数据采集系统；也可以只占用也可以只占用PCPC总线的低总线的低8 8位数据总线，将转换后的位数据总线，将转换后的1212位数字量分位数字量分两次读入主机，以节省硬件投入。两次读入主机，以节省硬件投入。同样，在同样，在A/DA/D转换器与转换器与PCPC总线之间的数据传送上也可以使用程序查询、总线之间的数据传送上也可以使用程序查询、软件定时或中断控制等多种方法。由于软件定时或

33、中断控制等多种方法。由于AD574AAD574A的转换速度很高，一般多的转换速度很高，一般多采用查询或定时方式。其接口电路及采用查询或定时方式。其接口电路及A/DA/D转换模板如下：转换模板如下：48第48页，共80页，编辑于2022年，星期一组成说明49第49页，共80页，编辑于2022年，星期一 图图3-193-19是一种是一种8 8路路1212位位A/DA/D转换模板的示例。图中只给出了转换模板的示例。图中只给出了总线接口与总线接口与I/OI/O功能实现部分，由功能实现部分，由8 8路模拟开关路模拟开关CD4051CD4051、采样保持器采样保持器LF398LF398、12 12 位位A

34、/D A/D 转换器转换器AD574AAD574A和并行接口和并行接口芯片芯片8255A8255A等组成。等组成。该模板的主要技术指标如下：该模板的主要技术指标如下：分辨率：分辨率：1212位位 通道数：单端通道数：单端8 8路路 输入量程：单极性输入量程：单极性0 010V10V 转换时间：转换时间：25s25s 传送应答方式：查询传送应答方式：查询50第50页，共80页，编辑于2022年，星期一c c、数据采集程序框图、数据采集程序框图 51第51页，共80页，编辑于2022年，星期一六、六、V/F转换器转换器电压电压/频率式转换器频率式转换器-简称简称V/FV/F转换器，是把模拟电压信号

35、转转换器，是把模拟电压信号转换成频率信号的器件。换成频率信号的器件。V/FV/F转换的方法转换的方法-实现实现V/FV/F转换的方法很多，现以常见的电荷转换的方法很多，现以常见的电荷平衡平衡V/FV/F转换法说明其转换原理，如下图所示。转换法说明其转换原理，如下图所示。52第52页，共80页，编辑于2022年，星期一 (a)电路原理图 电荷平衡式V/F转换原理组成及原理53第53页，共80页，编辑于2022年，星期一 根据反向充电电荷量和正向充电电荷量相等的电荷根据反向充电电荷量和正向充电电荷量相等的电荷平衡原理，可得平衡原理，可得 （3-53-5）整理得整理得 （3-63-6）则则V VfO

36、fO端输出的电压频率为端输出的电压频率为（3-7）54第54页，共80页，编辑于2022年，星期一 这个这个f fO O就是由就是由ViVi转换而来的输出频率，两者成线性比例关转换而来的输出频率，两者成线性比例关系。由上式可见，要精确地实现系。由上式可见，要精确地实现V/FV/F变换，要求变换，要求I IR R 、R Ri i和和T T1 1应应准确稳定。积分电容准确稳定。积分电容C C虽没有出现在上式中，但它的漏电流将会虽没有出现在上式中，但它的漏电流将会影响到充电电流影响到充电电流V Vi i/R Ri i，从而影响转换精度。为此应选择漏电流，从而影响转换精度。为此应选择漏电流小的电容。小

37、的电容。此种此种V/FV/F转换器的常用品种有转换器的常用品种有VFC32VFC32、LM131/LM231/LM331LM131/LM231/LM331、AD650AD650、AD651AD651等。等。55第55页，共80页，编辑于2022年，星期一 The End !The End !56第56页，共80页，编辑于2022年，星期一57第57页，共80页，编辑于2022年，星期一采样阶段（采样阶段（T T1 1）：）：模拟开关模拟开关S S1 1到通，其余各开关断开。通常在进入到通，其余各开关断开。通常在进入此阶段之前，积分器的输出已被复零，所以当输入电压此阶段之前，积分器的输出已被复零

38、，所以当输入电压V Vi i为正时，为正时，积分器输出向负渐增；当积分器输出向负渐增；当V Vi i为负时，积分器输出向正渐增。为负时，积分器输出向正渐增。参考电压回积阶段（参考电压回积阶段（T T2 2）：）：模拟开关模拟开关S S2 2或或S S3 3通，其余开关断开，这时积通，其余开关断开，这时积分器对参考电压积分。应为在电容充电结束于放电开始的分器对参考电压积分。应为在电容充电结束于放电开始的t t1 1时刻，其电压时刻，其电压相等，所以相等，所以58第58页，共80页，编辑于2022年，星期一复零与准备阶段：复零与准备阶段：S4S4与与S5S5导通，其余断开。这是一个辅助阶段。结束本

39、次的转换工导通，其余断开。这是一个辅助阶段。结束本次的转换工作，并为下次转换做好准备。作，并为下次转换做好准备。T T1 1积分器的充电时间，亦即计数器从积分器的充电时间，亦即计数器从0 0累计到累计到N N1 1所对应的时间。则有所对应的时间。则有:N N1 1T Tcpcp=N=N1 1/f/fcpcpT T1 1T T2 2积分器的放电时间。同理积分器的放电时间。同理N N2 2Tcp=NTcp=N2 2/fcp/fcpT T2 2 。因而有：。因而有：59第59页，共80页，编辑于2022年，星期一逐位逼近式逐位逼近式A/DA/D转换原理转换原理 一个一个n n位位A/DA/D转换器是

40、由转换器是由n n位寄存器、位寄存器、n n位位D/AD/A转换器、运算转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。现以现以4 4位位A/DA/D转换器把模拟量转换器把模拟量9 9转换为二进制数转换为二进制数10011001为例，说明逐位为例，说明逐位逼近式逼近式A/DA/D转换器的工作原理。转换器的工作原理。60第60页，共80页，编辑于2022年，星期一 当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器的最高位首先使寄存器的最高位D3 D3 1 1，其余为，其余为0 0，此数字量

41、此数字量10001000经经D/AD/A转换器转转换器转换成模拟电压即换成模拟电压即V VO O 8 8，送到比较器输入端与被转换的模拟量，送到比较器输入端与被转换的模拟量V VININ=9=9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当V VININ V VO O，则保留，则保留D3 D3=1=1；再对下一位再对下一位D2D2进行比较，同样先使进行比较，同样先使D2 D2 1 1，与上一位，与上一位D3D3位一起即位一起即11001100进入进入D/AD/A转换器，转换为转换器，转换为V VO O 12 12再进入比较器，与再进入比较器，与V

42、VININ 9 9比较，因比较，因V VININ V VO O，则使，则使D2 D2 0 0；再下一位再下一位D1D1位也是如此，位也是如此，D1 D1 1 1即即10101010，经，经D/AD/A转换为转换为V VO=10O=10，再与，再与V VININ 9 9比较，因比较，因V VININ V VO O，则使，则使D1 D1 0 0；最后一位最后一位D0 D0 1-1-即即10011001经经D/AD/A转换为转换为V VO O 9 9，再与，再与V VININ 9 9比较，因比较，因V VININ V VO O，保留，保留D0 D0 1 1。比较完毕，寄存器中的数字量。比较完毕，寄存

43、器中的数字量10011001即为模拟量即为模拟量9 9的转的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。换结果，存在输出锁存器中等待输出。61第61页，共80页，编辑于2022年，星期一IN0IN0IN7IN7：8 8路模拟量输入端。允许路模拟量输入端。允许8 8路模拟量分时输入，共用一路模拟量分时输入，共用一个个A/DA/D转换器。转换器。ALEALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3 3位通位通道选择信号。道选择信号。A A、B B、C C：3 3位地址线即模拟量通道选择线。位地址线即模拟量通道选择线。ALEALE为高电平时，为高

44、电平时，地址译码与对应通道选择见表地址译码与对应通道选择见表3-2 3-2。STARTSTART：启动：启动A/DA/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动换器内部清零，下降沿时启动A/DA/D转换。转换。EOCEOC：转换结束信号，输出，高电平有效。：转换结束信号，输出，高电平有效。OEOE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将器，将A/DA/D转换得到的转换得到的8 8位数字量送到数据总线上。位数字量送到数据总线上。D0D0D7D7：

45、8 8位数字量输出。位数字量输出。D0D0为最低位，为最低位，D7D7为最高位。由于有三态输为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。出锁存，可与主机数据总线直接相连。各引脚功能如下：各引脚功能如下：62第62页，共80页，编辑于2022年，星期一CLOCKCLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz640kHz时，时，A/DA/D转转换时间为换时间为100100 s s。VR+VR+，VR-VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常围，通常V VR+R+=5V DC5V

46、 DC，V VR-R-=0V DC=0V DC。VccVcc：工作电源，：工作电源，5VDC5VDC。GNDGND：电源地。：电源地。63第63页，共80页，编辑于2022年，星期一 表表3-2 3-2 被选通道和地址的关系被选通道和地址的关系C CB BA A选中通道选中通道0 00 00 0IN0IN00 00 01 1IN1IN10 01 10 0IN2IN20 01 11 1IN3IN31 10 00 0IN4IN41 10 01 1IN5IN51 11 10 0IN6IN61 11 11 1IN7IN764第64页，共80页，编辑于2022年，星期一 其转换过程表述如下：其转换过程表

47、述如下：首先首先ALEALE的上升沿将地址代码的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量进锁存、译码后选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量进入到入到A/DA/D转换器中。同时转换器中。同时START START 的上升沿将转换器内部清的上升沿将转换器内部清零，下降沿起动零，下降沿起动A/DA/D转换，即在时钟的作用下，逐位逼近转换，即在时钟的作用下，逐位逼近过程开始，转换结束信号过程开始，转换结束信号EOCEOC即变为低电平。当转换结束即变为低电平。当转换结束后，后，EOCEOC恢复高电平，此时，如果对输出允许恢复高电平，此时，如果对输出允许OEOE输入一高输入一高电平

48、命令，则可读出数据。电平命令，则可读出数据。3865第65页，共80页，编辑于2022年，星期一 图图3-153-15为采用程序查询方式的为采用程序查询方式的8 8路路8 8位位A/DA/D转换接口转换接口电路，由电路，由PCPC总线、总线、ADC0809ADC0809以及以及138138译码器、译码器、74LS0274LS02非非与门（即或非门）与与门（即或非门）与74LS12674LS126三态缓冲器组成。图中，三态缓冲器组成。图中，启动转换的板址启动转换的板址PA=0100 0000PA=0100 0000，每一路的口址分别为，每一路的口址分别为000-111000-111，故，故8 8

49、路转换地址为路转换地址为40H-47H40H-47H。4066第66页，共80页，编辑于2022年，星期一现说明启动转换过程：现说明启动转换过程：首先主机执行一条启动转换第首先主机执行一条启动转换第1 1路的输出指令，即是把路的输出指令，即是把ALAL中的数据中的数据送到地址为送到地址为PAPA的接口电路中，此时的接口电路中，此时ALAL中的内容无关紧要，而地址中的内容无关紧要，而地址PA=40HPA=40H使使138138译码器的输出一个低电平，连同译码器的输出一个低电平，连同OUTOUT输出指令造成的低电输出指令造成的低电平，从而使非与门平，从而使非与门0202（3 3）产生脉冲信号到引脚

50、）产生脉冲信号到引脚ALEALE和和STARTSTART，ALEALE的上的上升沿将通道地址代码升沿将通道地址代码000000锁存并进行译码，选通模拟开关中的第一路锁存并进行译码，选通模拟开关中的第一路V VIN0IN0，使该路模拟量进入到，使该路模拟量进入到A/DA/D转换器中；同时转换器中；同时STARTSTART的上升沿将的上升沿将ADC0809ADC0809中中的逐位逼近寄存器的逐位逼近寄存器SARSAR清零清零,下降沿启动下降沿启动A/DA/D转换，即在时钟的作用下，逐转换，即在时钟的作用下，逐位逼近的模数转换过程开始。位逼近的模数转换过程开始。4167第67页，共80页，编辑于20