计算机控制(第四章,多路开关,AD,DA).ppt

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1、计算机控制技术计算机控制技术第四章第四章 模拟量输入模拟量输入/输出输出通道接口技术通道接口技术本章主要内容：本章主要内容：1、多路开关与采样、多路开关与采样-保持器保持器2、D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术3、A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术 引言：在工业生产过程中，存在大量连续变化的物理量，引言：在工业生产过程中，存在大量连续变化的物理量，称之为称之为模拟量模拟量。模拟量反映系统的工作。模拟量反映系统的工作状态状态，或作为执行机，或作为执行机构的构的控制量控制量。而计算机能处理的数据只能为数字量。而计算机能处理的数据只能为数字量。见下图典型微机控制系统的组成见下图典型微

2、机控制系统的组成（模拟量、开关量、数字量模拟量、开关量、数字量的区别比较）的区别比较）A/D转换器为模拟量输入通道的核心部件转换器为模拟量输入通道的核心部件 D/A转换器为模拟量输出通道的核心部件转换器为模拟量输出通道的核心部件 同时还涉及多路或多种参数的采集和控制问题。同时还涉及多路或多种参数的采集和控制问题。典型微机控制系统的组成典型微机控制系统的组成一、多路开关与采样一、多路开关与采样-保持器保持器（一）多路开关（一）多路开关1、多路开关的功能、特点、多路开关的功能、特点 微机运行速度很快，相对而言，一般模拟量为缓变信号。微机运行速度很快，相对而言，一般模拟量为缓变信号。可用一台微机对多

3、路或多种参数进行采集和控制，一台微机供可用一台微机对多路或多种参数进行采集和控制，一台微机供十几甚至几十个回路使用。而一台微机系统在某一时刻只能接十几甚至几十个回路使用。而一台微机系统在某一时刻只能接通处理一个通道的信号，多参数需被通处理一个通道的信号，多参数需被分时进行采样和控制分时进行采样和控制，必，必须使用多路开关（或反多路开关）进行切换。须使用多路开关（或反多路开关）进行切换。多路开关把多个模拟量参数分时地接通。多路开关把多个模拟量参数分时地接通。输入通道时，多路参数共用一个输入通道时，多路参数共用一个A/D转换器，完成多到一的转换器，完成多到一的转换。称多路开关。转换。称多路开关。输

4、出通道时，由输出通道时，由D/A转换成的模拟信号按一定顺序输出到多转换成的模拟信号按一定顺序输出到多个控制回路，实现一到多的转换。称反多路开关，或多路分配个控制回路，实现一到多的转换。称反多路开关，或多路分配器。器。这类芯片种类很多，有这类芯片种类很多，有8路、路、16路等，有单向、双向之分。路等，有单向、双向之分。半导体多路开关，其导通、关断转换速度快；无机械磨损，半导体多路开关，其导通、关断转换速度快；无机械磨损，寿命长；内部带有通道选择译码器，使用方便。寿命长；内部带有通道选择译码器，使用方便。多路开关广泛应用于计算机控制和数据采集系统中。多路开关广泛应用于计算机控制和数据采集系统中。2

5、、多路开关、多路开关CD4051的简介的简介 以单端以单端8通道多路开关通道多路开关CD4051为例说明以下多路开关芯片。为例说明以下多路开关芯片。三个通道选择输入端三个通道选择输入端C、B、A；一个禁止输入端；一个禁止输入端INH，INH=“0”（即（即Vss）时，被选中通道接通，允许模拟量输入。）时，被选中通道接通，允许模拟量输入。参见参见CD4051的原理电路图。的原理电路图。实际应用中，被测参数太多时，使用一个多路开关不能满实际应用中，被测参数太多时，使用一个多路开关不能满足通道数的要求，可把多路开关进行扩展。例如两个足通道数的要求，可把多路开关进行扩展。例如两个8通道多通道多路开关构

6、成路开关构成16通道的多路开关。通道的多路开关。（二）采样（二）采样-保持器保持器 输入通道中，输入通道中，A/D转换时要求保持待转换值不变，转换结束转换时要求保持待转换值不变，转换结束时又能跟踪输入信号的变化。输出通道中，为使得到一个相对时又能跟踪输入信号的变化。输出通道中，为使得到一个相对平滑的模拟输出量，也要求保持一个恒定值。平滑的模拟输出量，也要求保持一个恒定值。能完成上述功能的器件为采样能完成上述功能的器件为采样-保持器（简写为保持器（简写为S/H）。）。S/H的主要用途。的主要用途。S/H的两种工作状态为：一种为采样方式，一种为保持方式。的两种工作状态为：一种为采样方式，一种为保持

7、方式。最常见的最常见的S/H芯片有：美国芯片有：美国AD公司的公司的AD582、AD585等。等。二、模拟量输出通道的接口技术二、模拟量输出通道的接口技术 模拟量输出通道主要完成数字量到模拟量的转换（模拟量输出通道主要完成数字量到模拟量的转换（D/A转换）转换）。模拟量输出通道以。模拟量输出通道以D/A转换器为核心器件。转换器为核心器件。（一）（一）D/A转换器的主要技术指标：转换器的主要技术指标：（1）分辨率）分辨率 常用数字量的位数来表示常用数字量的位数来表示 分辨率是分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述转换器对输入量变化敏感程度的描述,与输入与输入数字量的位数有关。如果数字量的

8、位数为数字量的位数有关。如果数字量的位数为n,则则D/A转换器的分辨转换器的分辨率为率为 2-n。（2）转换精度）转换精度 （3）转换速度）转换速度 通常以建立时间来表明转换速度。建立时间是通常以建立时间来表明转换速度。建立时间是描述描述D/A转换速度的一个参数转换速度的一个参数,具体是指从输入数字量变化到输具体是指从输入数字量变化到输出达到终值误差出达到终值误差1/2LSB（最低有效位）时所需的时间。（最低有效位）时所需的时间。（4）输出电平）输出电平 电平范围有电平范围有05V，010V，2.5V，5V，10V等。有单极性输出和双极性输出。等。有单极性输出和双极性输出。（5）温度系数）温度

9、系数（二）（二）D/A转换原理转换原理 D/A转换器种类繁多，但其转换的基本原理是相同的，应转换器种类繁多，但其转换的基本原理是相同的，应用电阻解码网络进行，对二进制数的按权转换和叠加求和得到用电阻解码网络进行，对二进制数的按权转换和叠加求和得到与数字信号成正比的电流量。与数字信号成正比的电流量。以下以以下以R-2R T形电阻网络为例说明。形电阻网络为例说明。T型网络D/A转换器 解码网络为解码网络为DAC的主要部件，的主要部件，DAC中还具有数字量的数据缓中还具有数字量的数据缓冲器、数据锁存器、电子模拟开关等，完成采样、保持、多路开冲器、数据锁存器、电子模拟开关等，完成采样、保持、多路开关的

10、功能，有时有运放把模拟电流转换为相应的电压信号。关的功能，有时有运放把模拟电流转换为相应的电压信号。（三）典型典型D/A转换器转换器DAC0832简介简介 DAC0832为美国数据公司的为美国数据公司的8位位D/A转换器。它内部具有两转换器。它内部具有两级输入数据缓冲器和一个级输入数据缓冲器和一个R-2R T形电阻网络。形电阻网络。20引脚双列直插引脚双列直插式集成电路芯片。式集成电路芯片。引脚功能介绍：引脚功能介绍：（1）CS、WR1、ILE 共同控制输入锁存器；共同控制输入锁存器；（2）XFER、WR2 共同控制共同控制DAC寄存器，当寄存器，当DAC锁存器锁存器输出数据入后面的输出数据入

11、后面的DAC，同时启动一次，同时启动一次D/A转换；转换；（3）DI0DI7 为为0832的的8位二进制输入端；位二进制输入端；（4）RFB 为为DAC的输出增益调整电阻的外接端；的输出增益调整电阻的外接端；（5）VCC、VREF、AGND、DGND （6）IOUT1+IOUT2=常数常数DAC0832内部结构框图内部结构框图 DAC0832的引的引脚排列脚排列 0832为电流型的为电流型的DAC，要求输出量为模拟电压时，需外，要求输出量为模拟电压时，需外接接I/V转换电路。下图为两级运放组成的模拟电压输出电路。转换电路。下图为两级运放组成的模拟电压输出电路。V01和和V02端分别输出单、双极

12、性的模拟电压。若参考电压为端分别输出单、双极性的模拟电压。若参考电压为+5V，则，则V01范围为范围为0-5V，V02为为-5V+5V。V01V020832有三种工作方式：有三种工作方式：（1）直通方式）直通方式 此时此时CS、WR1、WR2、XFER全接地，为低电平，而全接地，为低电平，而ILE为高电平。输入锁存器和为高电平。输入锁存器和DAC寄存器均为直通状态，只要寄存器均为直通状态，只要有有8位数据输入到位数据输入到DI0DI7，就能直接进行，就能直接进行D/A转换。转换。（2）单缓冲方式单缓冲方式 此时使两个寄存器中的一个处于直通状态，另一个为受控此时使两个寄存器中的一个处于直通状态，

13、另一个为受控锁存状态。一般让锁存状态。一般让DAC寄存器处于直通状态，而输入锁存器为寄存器处于直通状态，而输入锁存器为受控锁存状态。此时可让二级寄存器的控制信号并接，数据只受控锁存状态。此时可让二级寄存器的控制信号并接，数据只要一写入要一写入DAC寄存器，就能进行寄存器，就能进行D/A转换。该方式用得最多。转换。该方式用得最多。（3）双缓冲方式）双缓冲方式 此时单片机要对两个寄存器进行两步操作：先把数据写入此时单片机要对两个寄存器进行两步操作：先把数据写入输入寄存器，再将输入寄存器中的数据写入输入寄存器，再将输入寄存器中的数据写入DAC寄存器并启动寄存器并启动转换。该方式使数据接收和转换异步进

14、行，提高了转换效率，转换。该方式使数据接收和转换异步进行，提高了转换效率，并且实现了多输出通道的并且实现了多输出通道的D/A转换，可同时对多回路中的多个转换，可同时对多回路中的多个0832分时输入数据，同时转换成同步模拟信号。分时输入数据，同时转换成同步模拟信号。（四）单片机与（四）单片机与08320832的接口电路的接口电路（1 1）单缓冲器方式单缓冲器方式DAC0832与单片机的单缓冲方式接口电路与单片机的单缓冲方式接口电路执行下面的几条指令就能完成一次执行下面的几条指令就能完成一次D/A转换转换:MOV DPTR,7FFFH；指向；指向DAC0832 MOV A,DATA ；数字量装入；

15、数字量装入AMOVX DPTR,A；完成一次；完成一次D/A输入与转换输入与转换例：产生阶梯波的程序如下例：产生阶梯波的程序如下:START:MOV A,00H ;初值初值 MOV DPTR,7FFFH ;0832 的地址送的地址送DPTR MOV R1,0AH ;台阶数为台阶数为 10LP:MOVX DPTR,A ;送数据至送数据至 0832 CALL DELAY ;10 ms延时延时 ADD A,10 ;台阶增幅台阶增幅 DJNZ R1,LP ;不到不到 10 台阶转移台阶转移 SJMP START ;产生下一个周期产生下一个周期 DELAY为为10 ms延时子程序延时子程序阶梯波形图（2

16、）双缓冲器方式双缓冲器方式多路多路DAC0832同步转换的接口电路同步转换的接口电路 实实现现两两输输出出通通道道的的D/A转转换换，对对两两个个0832分分时时输输入入数数据据，同时转换成同步模拟信号。同时转换成同步模拟信号。程序如下：程序如下：MOV DPTR，#0DFFFH ；指向指向0832（1）MOV A，#data1MOVX DPTR，A ；data1送送0832（1）锁存器）锁存器MOV DPTR，#0BFFFH ；指向指向0832（2）MOV A，#data2MOVX DPTR，A ；data2送送0832（2）锁存器）锁存器MOV DPTR，#7FFFH；指指向向0832（1

17、）和和0832（2）的数据传送端的数据传送端MOVX DPTR，A ；data1和和data2同同时时送送D/A转转换器进行转换换器进行转换三、模拟量输入通道的接口技术三、模拟量输入通道的接口技术（一）（一）A/D转换器的工作原理转换器的工作原理A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换。转换器用以实现模拟量向数字量的转换。转换原理转换原理有多种，如计数式、有多种，如计数式、双积分式、逐次逼近式等。双积分式、逐次逼近式等。1、逐次逼近式逐次逼近式A/D转换的原理转换的原理 下图为下图为N位逐次逼近法位逐次逼近法A/D转换器的原理图转换器的原理图图中图中DONE为转换结束信号；为转换结束信号；OE

18、为转换结果输出控制信号。为转换结果输出控制信号。从结构上看，这种从结构上看，这种A/D转换器以转换器以D/A转换为基础，加上比较转换为基础，加上比较器、器、N位逐次逼近寄存器、置数控制逻辑电路以及时钟等组成。位逐次逼近寄存器、置数控制逻辑电路以及时钟等组成。其转换原理描述说明其转换原理描述说明 经过经过N次比较次比较N位寄存器的状态就是转换后的数字量数据，位寄存器的状态就是转换后的数字量数据，可经输出缓冲器读出。可经输出缓冲器读出。逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器构成简单，转换速度和精度较高转换器构成简单，转换速度和精度较高,应应用最广。常用的这种芯片有：用最广。常用的这种芯片有：ADC080

19、8/0809 型型 8 位位MOS型型A/D转换器等。转换器等。2、双积分式、双积分式A/D转换的原理转换的原理双积分式双积分式A/D转换器的原理图如下图所示。转换器的原理图如下图所示。从结构上看，双积分式从结构上看，双积分式A/D转换器由电子开关、积分器、比转换器由电子开关、积分器、比较器、计数器、逻辑控制门等部件组成。双积分式较器、计数器、逻辑控制门等部件组成。双积分式A/D转换基于转换基于间接测量原理，把被测电压值间接测量原理，把被测电压值VX转换成为与之成正比的时间常转换成为与之成正比的时间常数，由测时间常数得到未知电压值。数，由测时间常数得到未知电压值。工作原理的描述：一次工作原理的

20、描述：一次A/D转换需要两次积分，首先对未知转换需要两次积分，首先对未知电压正向定时积分，再对基准电压反向定值积分，积分输出过电压正向定时积分，再对基准电压反向定值积分，积分输出过零时即停止，由定时器计数反向积分时间零时即停止，由定时器计数反向积分时间T1，与，与VX成正比。成正比。双积分式双积分式A/D转换原理图转换原理图双积分法的特点时：精度高，抗干扰能力强，转换速度较慢双积分法的特点时：精度高，抗干扰能力强，转换速度较慢。该类芯片如：该类芯片如：MC14433等应用较广。等应用较广。（二）（二）A/D转换器的主要技术指标：转换器的主要技术指标：（1）分辨率）分辨率 常用数字量的位数来表示

21、常用数字量的位数来表示 分辨率是分辨率是A/D转换器对输入量变化敏感程度的描述转换器对输入量变化敏感程度的描述,与与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n,则则A/D转换转换器的分辨率为器的分辨率为 2-n。量化误差不可避免存在。量化误差不可避免存在。（2）转换精度）转换精度（3）转换速度）转换速度 完成一次完成一次A/D转换所需时间转换所需时间（4）量程）量程 输入电压有单极性和双极性，输入电压有单极性和双极性，05V，010V，2.5V，5V，10V等。等。（5）温度系数）温度系数（三）（三）典型典型A/D转换器芯片转换器芯片ADC0809 简介

22、简介 ADC0809的内部结构的内部结构 ADC0809引脚图 ADC0809是逐次逼近式是逐次逼近式8位位ADC。内部结构：有地址锁存译内部结构：有地址锁存译码器；码器；片内有片内有8路模拟开路模拟开关，可同时对关，可同时对8路模拟量路模拟量分时转换；分时转换；8位位ADC；三；三态输出缓冲器等。态输出缓冲器等。共有共有28个引脚，各引脚功个引脚，各引脚功能介绍能介绍 数据线数据线地址线地址线控制线控制线地址码与输入通道的对应关系地址码与输入通道的对应关系 0809的引脚的引脚START为高电平时，可启动为高电平时，可启动A/D转换；引脚转换；引脚EOC可输出转换完成信号，可用于单片机的查询

23、或申请中断；引脚可输出转换完成信号，可用于单片机的查询或申请中断；引脚OE为为ADC的数据输出允许信号线。的数据输出允许信号线。当当ADDC、ADDB、ADDA为为000时，选中时，选中IN0模拟通道；为模拟通道；为001时，选中时，选中IN1；为；为010时，选中时，选中IN2；（四）（四）ADC0809与与8031 的接口电路的接口电路 1、延时方式、延时方式 ADC0809延延时时方方式式硬硬件件接接口口该该处处引引脚脚需需上上下下调调换换 下下面面的的程程序序是是采采用用延延时时方方法法,分分别别对对 8 路路模模拟拟信信号号轮轮流流采采样样一一次次,并并依依次次把把结结果果转转存存到

24、到数数据据存存储储区区（首首地地址址为为”data”）的采样转换程序。）的采样转换程序。MOV R1,data ;置数据区首址置数据区首址 MOV DPTR,7FF8H ;P2.7=0,指向通道指向通道 0 MOV R7,08H ;置通道数置通道数LP1:MOVX DPTR,A ;启动启动A/D转换转换 MOV R6,0AH ;软件延时软件延时DALY:NOP NOP NOP NOPNOPDJNZ R6,DALY；为延时方式；为延时方式MOVX A,DPTR ;读取转换结果读取转换结果MOV R1,A ;存储数据存储数据INC DPTR ;指向下一个通道指向下一个通道INC R1 ;修改数据区

25、指针修改数据区指针DJNZ R7,LP1 ;8 个通道全采样完了吗个通道全采样完了吗?2.查询方式查询方式 ADC0809 查询方式硬件接口 P1.7P2.7该处引脚需上下调换 这这里里将将ADC0809 作作为为一一个个外外部部扩扩展展的的并并行行I/O口口,直直接接由由8031的的P2.0和和WR脉脉冲冲进进行行启启动动。模模拟拟量量输输入入通通道道选选择择端端ADD A、ADD B、ADD C分分别别与与8031的的P0.0、P0.1、P0.2 直直接接相相连连，如如端端口口0地地址址为为7FF8H。CLK由由8031的的ALE提提供供。用用查查询询方方式式依依次次读读取取07通通道道的

26、的转转换换结结果果的的数数字字量量，分分别别存存储储入入DATA地址开始的片内地址开始的片内RAM中。中。能能完成以上功能的程序段如下完成以上功能的程序段如下:MOV R0，#DATAMOV R1，#08HMOV DPTR，#7FF8HLOOP2：MOVX DPTR，ALOOP0：JB P1.7，LOOP0LOOP1：JNB P1.7，LOOP1MOVX A，DPTRMOVX R0，AINC DPTRINC R0DJNZ R1，LOOP23、中断方式、中断方式 下面为用下面为用ADC0809组成的中断方式巡回检测的接口电路和组成的中断方式巡回检测的接口电路和程序，以实现分别对从程序，以实现分别

27、对从IN0IN7输入的输入的8路模拟电压的巡回采路模拟电压的巡回采样，采样到的数据依次存放于以样，采样到的数据依次存放于以60H为首址的内存单元中。为首址的内存单元中。11主程序为：主程序为：ORG 0000HLJMP MAINORG 0013HLJMP INT1ORG 0100HMAIN：MOV R0，#60H ；置数据存储区首址；置数据存储区首址MOV R2，#08H ；8路计数初值路计数初值SETB IT1 ；设置边沿触发方式；设置边沿触发方式SETB EA SETB EX1MOV DPTR，#7FF8H ;指向指向0809的的0通道（取无关位为通道（取无关位为“1”）MOVX DPTR，A*MOV A,R2 HE：JNZ HE*中断服务程序为：中断服务程序为：ORG 0200H INT1：MOVX A，DPTR ；读取；读取ADC的转换结果的转换结果 MOV R0，A INC DPTR INC R0 DEC R2*MOV A，R2 MOVX DPTR，A RETI