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1、微型计算机控制技术微型计算机控制技术(电子教案)本书以PC/ISA总线工业控制机为控制工具，系统地阐述数字计算机控制系统的设计和工程实现方法。第一章是绪论，介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势；第二章讨论了输入输出接口与过程通道的硬件和软件设计；第三章讨论了数字程序控制技术，重点介绍了逐点比较法插补原理和步进电机控制技术（工作原理以及工作方式）；主要内容主要内容第四章主要讲解数字控制器的连续化设计技术、数字控制器的离散化设计技术以及相关的各类控制算法，介绍一下常规及复杂控制技术；第五章讨论了现代控制技术，主要介绍了采
2、用状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计法；第六章讨论了先进控制技术；第七章讨论了计算机控制系统的应用程序设计与实现技术，重点放在数据处理、数字控制器的工程实现以及软件抗干扰技术；第八章讨论了分散型测控网络技术，给大家阐述通信网络技术、DCS控制技术，介绍一下现场总线技术；第九章讨论了计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出了设计实例。第1章 绪 论 1.1 1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述1.2 1.2 计算机控制系统的典型型式计算机控制系统的典型型式1.3 1.3 计算机控制系统的发展概况和趋势计算机控制系统的发展概况和趋势1.1 计算机控制系统概述1.1
3、.1 1.1.1 自动控制系统自动控制系统 所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。1.1 计算机控制系统概述1.1.2 1.1.2 计算机控制系统计算机控制系统 计算机控制系统就是利用计算机计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机，简通常称为工业控制计算机，简称工业控制机称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。来实现生产过程自动控制的系统。1.1.1.1.计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理 2.2.2.2.在线方式和离线方式在线方式和离线方式在线方式和离线方式在线方
4、式和离线方式3.3.3.3.实时的含义实时的含义实时的含义实时的含义 （1）计算机控制系统的工作原理从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。（2）几个概念在线方式和离线方式：on-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称
5、为离线方式或脱机方式。实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：发酵过程和导弹防御系统的对比！思考两个问题一.在线系统是否一定是实时系统？二.实时系统是否一定是在线系统？一一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行处理，只要把数据采集来就可以！处理，只要把数据采集来就可以！二二.是。不在线肯定不能满足实时性。是。不在线肯定不能满足实时性。1.1 计算
6、机控制系统概述1.1.3 1.1.3 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 计算机控制系统由计算机计算机控制系统由计算机(工业控制机工业控制机)和生产过程和生产过程两大部分组成。两大部分组成。1.1.1.1.工业控制机工业控制机工业控制机工业控制机 （1 1）硬件组成硬件组成硬件组成硬件组成 （2 2 2 2）软件组成）软件组成）软件组成）软件组成2.2.2.2.生产过程生产过程生产过程生产过程1.1.4 常用的计算机控制系统主机 1.1.可编程序控制器（可编程序控制器（PC/PLCPC/PLC）2.2.工控机（工控机（IPCIPC）3.3.单片机单片机 4.DSP4.DSP 5.5.智能
7、调节器智能调节器1.2 计算机控制系统的典型型式1.2.1 1.2.1 操作指导控制系统操作指导控制系统 操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。1.2.2 1.2.2 直接数字控制系统直接数字控制系统1.2.3 1.2.3 监督控制系统监督控制系统 a a）SCC+SCC+模拟调节器的控制系统模拟调节器的控制系统 b）SCC+DDCSCC+DDC的分级控制系统的分级控制系统1.2.4 1.2.4 集散控制系统集散控制系统 1.2.
8、5 1.2.5 现场总线控制系统现场总线控制系统1.2.6 1.2.6 综合自动化系统综合自动化系统 由由企业资源信息管理系统企业资源信息管理系统ERPERP（Enterprise Resources PlanningEnterprise Resources Planning）、）、生产执行系统生产执行系统MESMES（Manufacturing Manufacturing Execution SystemExecution System）和）和生产过程控制系统生产过程控制系统PCSPCS（Process Control SystemProcess Control System）构成的三）构成
9、的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。决方案。综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和流程工业的计算机集成过程系统。流程工业的计算机集成过程系统。流程工业的计算机集成过程系统。流程工业的计算机集成过程系统。计算机集成制造系统计算机集成制造系统计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS-Computer Integrated(CIMS-Computer Integrated(CIMS-Co
10、mputer Integrated(CIMS-Computer Integrated Manufacture System)Manufacture System)Manufacture System)Manufacture System)计算机集成过程系统（计算机集成过程系统（CIPS-Computer Integrated CIPS-Computer Integrated Process SystemProcess System）2.按照控制规律分类（1）程序和顺序控制（2）比例积分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）复杂规律的控制（5）智能控制（1）程序和顺序控制定义：程序控制是被
11、控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间函数的变化。顺序控制是程序控制的扩展，在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。（2）比例积分微分控制（PID控制）定义：调节器的输出是调节器输入的比例、积分和微分的函数。PID控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用PID调节规律。这同样是我们学习的一个重点内容。（3）最小拍控制 最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程。最小拍控制通常用在数字随动系
12、统的设计中。最小拍控制是我们本书内容的重点和难点，是直接离散控制系统设计！（4）复杂规律的控制 在PID控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制，比如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、解偶控制、最优控制、自适应控制等，组成复杂控制系统。目的：是为了解决随机扰动问题，使系统控制达到满意的性能指标。（5）智能控制 智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即：人工智能运筹学控制理论 1.3.1 1.3.1 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的发展概况 1.1.计算机技术的发展过程计算机技术的发展过程 （1 1）开创时期（）开创
13、时期（1955195519621962年）年）（2 2）直接数字控制时期（）直接数字控制时期（1962196219671967年）年）（3 3）小型计算机时期（）小型计算机时期（1967196719721972年）年）（4 4）微型计算机时期（）微型计算机时期（19721972年至今）年至今）1.3 计算机控制系统的发展概况和趋势1.3.1 1.3.1 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的发展概况 2.2.计算机控制理论的发展过程计算机控制理论的发展过程 （1 1）采样定理）采样定理 （2 2）差分方程）差分方程 （3 3）Z Z变换法变换法 （4 4）状态空间理论）状态空间理论 （5 5
14、）最优控制与随机控制）最优控制与随机控制 （6 6）代数系统理论）代数系统理论 （7 7）系统辨识与自适应控制）系统辨识与自适应控制 （8 8）先进控制技术）先进控制技术 1.3.2 1.3.2 计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势 1.1.推广应用成熟的先进技术推广应用成熟的先进技术 （1 1）普及应用可编程序控制器（）普及应用可编程序控制器（PLCPLC）（2 2）广泛使用智能调节器）广泛使用智能调节器 （3 3）采用新型的）采用新型的DCSDCS和和FCSFCS 2.2.大力研究和发展先进控制技术大力研究和发展先进控制技术 1.3.2 1.3.2 计算机控制系统的发展趋势计算
15、机控制系统的发展趋势 3.3.计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势 （1 1）控制系统的网络化）控制系统的网络化 （2 2）控制系统的扁平化）控制系统的扁平化 （3 3）控制系统的智能化）控制系统的智能化 （4 4）控制系统的综合化）控制系统的综合化第2章 计算机控制系统的硬件设计技术 2.1 2.1 总线技术总线技术2.2 2.2 总线扩展技术总线扩展技术2.3 2.3 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道2.4 2.4 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道 2.5 2.5 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道2.6 2.6 基于串行总
16、线的计算机控制系统硬件技术基于串行总线的计算机控制系统硬件技术2.7 2.7 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术2.1 总线技术2.1.1 2.1.1 总线的定义、层次结构及种类总线的定义、层次结构及种类 所所谓谓总总线线，就就是是计计算算机机各各模模块块之之间间互互联联和和传传送送信信息息（指指令令、地址和数据）的一组信号线。地址和数据）的一组信号线。以以微微处处理理器器为为核核心心，总总线线可可以以分分为为内内部部总总线线和和外外部部总总线线，而而内部总线又可分为片级总线和系统总线。内部总线又可分为片级总线和系统总线。片片级级总总线线包包括括数数据据总总线线、地地址址总总线线、控控制制总总线线、
17、I I2 2C C总总线线、SPISPI总线、总线、SCISCI总线等；总线等；系统总线包括系统总线包括ISAISA总线、总线、EISAEISA总线、总线、VESAVESA总线、总线、PCIPCI总线等；总线等；外外部部总总线线包包括括RS-232CRS-232C、RS-485RS-485、IEEE-488IEEE-488、USBUSB等等总总线线。另另外外，在在工工业业控控制制中中，还还定定义义了了其其它它总总线线，如如：VMEVME、STDSTD、PC-104PC-104、Compact PCICompact PCI等。等。2.1.2 PC/ISA/EISA总线简介1.PC/ISA1.PC
18、/ISA总线的发总线的发展展2.ISA2.ISA信号线定义信号线定义3.EISA3.EISA（Extended Extended Industry Industry Standard Standard ArchitectureArchitecture）2.1.3 PCI/Compact PCI总线简介 1.PCI 1.PCI总线的主要性能总线的主要性能 2.2.其它性能其它性能PCI(Peripheral Component Interconnect)是美国SIG(Special Interest Group of Association for Computer Machinery)集团推出
19、的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mby/s(峰值传输率为133Mby/s)。3.PCI3.PCI总线信号定义总线信号定义主控设备主控设备4949条，目标设备条，目标设备4747条，可选引脚条，可选引脚 5151条（主条（主要用于要用于6464位扩展、中断请位扩展、中断请求、高速缓存支持等），求、高速缓存支持等），总引脚数总引脚数 120120条（包含电条（包含电源、地、保留引脚等）。源、地、保留引脚等）。4.Compact PCI4.Compact PCI总线总线2.1.4 其它总线简介 1.PC/104 1.PC/104总线总线 2.PC/104 plus2.
20、PC/104 plus总线总线 3.STD3.STD总线总线 (1)STD(1)STD总线信号总线信号 (2)STD32(2)STD32总线总线2.1.5 串行外部总线简介1.RS-232/RS-422/RS-4851.RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线串行通信总线 （1 1）平衡和不平衡传输方式）平衡和不平衡传输方式 （2 2）RS-232CRS-232C （3 3）RS-422A/RS-485RS-422A/RS-485（4 4）RS-485RS-485多点互连多点互连2.1.5 串行外部总线简介2.USB2.USB总线总线 （1 1）具有热插拔功能）具有热插拔功能 （2
21、 2）USBUSB采用采用“级联级联”方式连接各个外部设备方式连接各个外部设备 （3 3）适用于低速外设连接）适用于低速外设连接2.2 总线扩展技术2.2.1 2.2.1 微型计算机系统微型计算机系统I/OI/O端口与地址分配端口与地址分配 1.I/O1.I/O端口及端口及I/OI/O操作操作 （1 1）数据端口）数据端口 （2 2）状态端口）状态端口 （3 3）命令端口）命令端口 2.I/O2.I/O端口编址方式端口编址方式 （1 1）统一编址）统一编址 （2 2）独立编址）独立编址 3.I/O3.I/O端口地址分配端口地址分配 （1 1）系统板上的）系统板上的I/OI/O接口接口 （2 2
22、）扩展卡上的）扩展卡上的I/OI/O接口接口 4.I/O4.I/O端口地址选用原则端口地址选用原则2.2.2 I/O端口地址译码技术1.1.三种译码方式三种译码方式 （1 1）线选法）线选法 （2 2）全译码法）全译码法 （3 3）部分译码）部分译码2.I/O2.I/O端口地址译码电路信号端口地址译码电路信号3.I/O3.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 （1 1）固定地址译码）固定地址译码3.I/O3.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 （2 2）开关选择译码）开关选择译码2.2.3 基于ISA总线端口扩展1.1.板选译码与板选译码与板内译码
23、板内译码2.2.总线驱动及总线驱动及逻辑控制逻辑控制3.3.端口及其读端口及其读写控制写控制2.3 数字量输入输出接口与过程通道2.3.1 2.3.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术 1.1.数字量输入接口数字量输入接口 2.2.数字量输出接口数字量输出接口2.3.2 数字量输入通道1.1.数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构2.2.2.2.输入调理电路输入调理电路输入调理电路输入调理电路 (1)(1)小功率输入调理电路小功率输入调理电路 (2)(2)大功率输入调理电路大功率输入调理电路数字量输出通道1.1.数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构2.2.2.2.输出驱动电路
24、输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路 (1)(1)(1)(1)小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路 达林顿阵列输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路数字量输出通道2.2.2.2.输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路 (2)(2)(2)(2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路2.3.4 数字（开关）量输入/输出通道模板举例图图2-19
25、PCL-7302-19 PCL-730板卡组成框图板卡组成框图2.3.4 数字（开关）量输入/输出通道模板举例程序设计举例程序设计举例(基地址设为基地址设为220H)220H)：PCL-730PCL-730板卡的开关量输入板卡的开关量输入/输出都只需要二条指令就可以完成。输出都只需要二条指令就可以完成。C C语言程序如下：语言程序如下：outportb(0 x220outportb(0 x220，Ox55)Ox55)outportb(Ox221outportb(Ox221，0 x55)0 x55)inportb(Ox220)inportb(Ox220)inportb(Ox221)inportb
26、(Ox221)汇编语言程序如下：汇编语言程序如下：MOV DXMOV DX，220H220HMOV ALMOV AL，55H55HOUT DXOUT DX，ALALMOV DXMOV DX，221H221H OUT DXOUT DX，ALALMOV DXMOV DX，220H220HIN ALIN AL，DX DX MOV AHMOV AH，ALALMOV DXMOV DX，221H221HIN ALIN AL，DXDX2.4模拟量输入接口与过程通道2.4.1 2.4.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成2.4.2 信号调理和I/V变换1.1.信号调理电路信号调理电路信号调理电路主要通
27、过非电量的转换、信号信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。信号调理电路是传感器和的电信号。信号调理电路是传感器和A/DA/D之间以之间以及及D/AD/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。重要的组成部分。（1 1）非电信号的检测）非电信号的检测-不平衡电桥不平衡电桥（2 2 2 2）信号放大电路）信号放大电路）信号放大电路）信号放大电路 1)1)1)1)基于基于基于基
28、于ILC7650ILC7650ILC7650ILC7650的前置放大电路的前置放大电路的前置放大电路的前置放大电路2.4.2 信号调理和I/V变换1.1.信号调理电路信号调理电路2 2）AD526AD526可编程仪用放大器可编程仪用放大器AD526AD526是可通过软件对增益进行编程是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是x lx l、x 2x 2、x x 4 4、x 8x 8、x16x16等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTLTTL数字逻辑电路的器件，使用时不
29、需外加任何元件就可工作。数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。2.4.2 信号调理和I/V变换2.I/V2.I/V变换变换（1 1）无源）无源I/VI/V变换变换 （2 2）有源）有源I/VI/V变换变换2.4.3 多路转换器 多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。图2-27 CD4051原理图2.4.4 采样、量化及采样保持器1.1.信号的采样信号的采样2.2.量化量化 所谓量化，就是采用一组数码所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码如二进制码)来逼近离散模来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字拟信号的幅值，将其转换为数字
30、信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/DA/D转换器。转换器。3.3.采样保持器采样保持器(1)(1)孔径时间和孔径误差的消除孔径时间和孔径误差的消除 (2)(2)采样保持原理采样保持原理 3.3.采样保持器采样保持器（3 3）常用的采样保持器）常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有LF398LF398、AD582AD582等，等，LF398LF398的采样的采样控制电平为控制电平为“1 1”，保持电平为，保持电平为“0 0”，AD582AD582相反。相反。2.4.5 A/D转换器及其接口
31、技术1.81.8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809 (1)8 (1)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 (2)8(2)8位位A/DA/D转换器转换器 (3)(3)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器2 21212位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A (1)12 (1)12位位A/DA/D转换器转换器 (2)(2)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 (3)(3)控制逻辑控制逻辑3.AD574A/16743.AD574A/1674与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 (2)8位A/D变换器芯片ADC0809 ADC0809的引
32、脚定义如图所示。它共有28个引脚，其中：D0(2-8)D7(2-1)：输出数据线；IN0IN7：8路模拟电压输入端；ADDA，ADDB,ADDC：路地址输入，ADDA是最低位，ADDC是最高位；START：启动信号输入端，下降沿有效；ALE：地址锁存信号，用来锁存ADDAADDC的地址输入，上升沿有效；EOC：变换结束状态信号，高电平表示一次变换已结束；OE：读允许信号，高电平有效；CLK：时钟输入端；VREF(+)、VREF(-)：参考电压输入端；VCC：5V电源输入；GND：地。图7.71ADC0808引线图图ADC0809工作时序图 结合图，并假定系统初始化时已将74LS273的Q7初始
33、化为0，则采集程序可如下：ACQ09：MOV AX，SEGDATA MOV DS，AX MOV SI，OFFSETDATA MOV BL，0 MOV CL，8 GOON：MOV AL，BL MOV DX，007AH OUT DX，AL；送出路地址 OR AL，80H OUT DX，AL；送ALE上升沿 AND AL，7FH OUT DX，AL；输出START NOP MOV DX，0079H PWAT：IN AL，DX；读EOC状态 AND AL，01H JZ PWAT MOV DX，007AH MOV AL，BLOR AL，40HOUT DX，AL ；使OE=1MOV DX，0078HIN
34、AL，DX ；读A/D变换器数据MOVSI，AL ；存入内存INC SIINC BLDEC CLJNZ GOON图7.73ADC0809的一种接口电路MOV DX，007AHMOV AL，0OUT DX，ALRET(3)12 位A/D变换器芯片AD574。AD574 的引脚及功能。AD574 变换器的引脚如图8.29所示。图8.29AD574的引脚图各引脚的定义如下：REFOUT：内部参考电源电压输出(10 V)。REFIN：参考电压输入。BIP：偏置电压输入。10VIN：5 V输入或 010 V输入。20VIN：10 V输入或 020 V输入。DB0DB11：高字节为DB8DB11，低字节为
35、DB0DB7。STS：“忙”信号输出，高电平有效。12/8：变换输出字长选择端，输入为高电平时，变换字长输出为12位；输入为低电平时按8位输出。CS：片选信号。A0：字节地址控制输入，在启动A/D时(R/0)，用来控制转换长度。A00 时转换长度为12位，A01时转换长度为8位。在变换数据输出时，在12/0的情况下，A00，输出高8位数据DB4DB11；A01时，输出低4位数据DB0DB3。R/C：数据读输出和转换控制输入。CE：工作允许信号，高电平有效。15 V、15 V：15 V、15 V电源输入端。AGND：模拟地。DGND：数字地。AD574的的工作时序。时序。AD574的控制功能如表
36、的控制功能如表8.6所示。所示。AD574的控制功的控制功能能 A/D变换器芯片内部集成有高精度参考电压形成电路，可满足12位A/D变换的要求。同时，其内部还集成有变换时钟电路，故无需外接时钟。这些都为使用者提供了很大的方便。AD574的一次变换时间大约为1535 s，该时间随型号的不同而有所区别，其变换过程的时序关系如图8.30所示。图AD574的工作时序 AD574 的应用。下面对以AD574 芯片构成的A/D变换器电路实例进行说明。通过实例使读者能较清楚地了解设计A/D变换器电路的基本内容和方法。a.AD574的模拟输入电路。模拟输入电路的极性选择。由AD574 引脚图可知，它有两个模拟
37、电压输入引脚，即 10VIN和20VIN，具有10 V和20 V的动态范围。这两个引脚的输入电压可以是单极性的也可以是双极性的，可通过改变输入电路的连接形式来进行选择，如图所示。输入路数的扩展。一般A/D芯片只有一个或两个模拟输入端。但是，实际的系统往往需要对多路模拟输入信号进行A/D变换。利用多块A/D芯片虽可解决这个问题，但从价格上讲是不可取的。为了充分发挥A/D芯片的作用，可以采用模拟开关来对输入路数进行扩展。图 AD574的模拟电压输入(a)单极性输入；(b)双极性输入模拟开关有多个模拟输入端和一个模拟输出端。在某一时刻究竟哪一个输入端和输出端相通取决于路地址输入端的输入状态。例如，H
38、1508 是一个8路的模拟开关，如图8.32所示。它有 8 路模拟输入端IN0IN7，1 个模拟输出端OUT，3个路地址输入端A0A2和一个选通端EN。当EN1，A2A1A0000B时，IN0 输入端和OUT输出端接通。同理，当EN1，A2A1A0001B时，IN1与OUT接通。当EN0时，OUT为高阻。这样，只要将输出端OUT和AD574的模拟输入端相连接，在变换前给H1508送一个EN有效和路地址信号，则可对相应路的模拟输入信号进行A/D变换，从而将1路模拟输入扩展为8路模拟输入。如想扩展成64路，则在该H1508 的各输入端IN0IN7上再各接一块H1508，将每个输入端再扩展为8路就可
39、以了。这样一来，9块H1508就可以将一路模拟输入扩展为 64路模拟输入。请读者注意，这种扩展并不是可以无限延伸的。每个模拟开关在导通时都是有内阻的，串联级数多了，内阻相应就会增大，精度也就随之降低。一般的串联不要超过两级。图8路模拟开关H1508引脚图 采样保持电路。A/D变换器从变换开始到结束需要一段时间，这段时间的长短随各种变换器速度的不同而不同。在变换器工作期间一般要求输入电压保持不变，否则就会造成不必要的误差。为此，在A/D变换器输入端之前总要插入一个采样保持电路，如图8.33所示。在启动变换器时，对模拟输入电压进行采样，采样保持电路的输出就一直保持采样时的电压不变，从而为A/D变换
40、器的输入端提供一个稳定的模拟输入电压。当然，采样保持电路的电压保持时间是有限的，但与变换时间相比，已是足够长了。显然，若在A/D变换时间内，模拟输入信号的变化对所要求的精度产生的影响可以忽略，则可以不用采样保持电路。滤波电容的连接。为了平滑输入模拟电压和减小干扰，在A/D变换器的模拟输入端与地之间通常接有一个滤波电容。其电容值的大小应不至于对正常变化产生太大影响，即由模拟信号源内阻与该滤波电容所构成的时间常数的倒数，应大于模拟信号中有用分量的最高频率分量。例如，模拟信号的最高频率分量为2 kHz，那么该时常数应选择为：图 采样保持电路的连接 另外，滤波电容的连接点也应该仔细选择，否则会造成很大
41、的人为误差。一般应接在模拟信号输入的最外端。例如，在图8.32中，我们可以将滤波电容接在H1508的OUT端，也可以接在H1508的IN0IN7各输入端。前者只要接1个，后者却要接8个。到底哪一种接法好?在前一种情况下，假设IN0 输入电压为5 V，IN1的输入电压为0 V，当对IN0 路的输入进行A/D变换时，接于OUT端的滤波电容被充电至5 V。当IN0路变换结束，紧接着对IN1路进行变换时，由于滤波电容上已充有5 V电压，要放电到 0 V电压需要一定的时间，因此很可能在没有放电到0 V时A/D变换器已经启动，从而对IN1路的输入变换精度带来不利的影响。如果滤波电容按第二种情况连接，就不会
42、产生这种不利的影响。b.AD574 与CPU的连接。AD574是12位A/D变换器，它可以和16位CPU相连接，也可以和8位的CPU相连接。只要适当地改变AD574某些控制引脚的接法就可以实现上述要求。AD574 可以通过简单的三态门、锁存器接口与微机的系统总线相连接，也可以通过可编程接口(如8255)与系统总线相连接。由表8.6可见，AD574可以工作在8位，也可以工作在12位。下面就以8255为接口芯片，将工作于12位下的AD574 接到8位ISA系统总线上，其连接如图8.34所示。图中，简化的连接可使CE和12/8恒为高电平，而使CS和A0接地。此时只用R/来启动，查询STS状态可判断变
43、换是否完成。对应图8.34的采集变换程序如下：；对 8255 初始化，此段程序放在应用程序开始的位置上INTI55：MOV DX，0063HMOV AL，10011010BOUT DX，AL；控制字写入 8255 的CRMOV AL，00000001BOUT DX，AL；位控方式，使PC01；以下是对输入信号进行一次变换的程序ACQUQ：MOV DX，0062HMOVAL，00HOUT DX，ALMOV AL，01HOUT DX，AL；由PC0输出负R/脉冲启动变换NOP NOPWAITS：IN AL，DX；取STS状态AND AL，80H；判断变换结束否?JNZ WAITS；未结束等待MOV
44、 DX，0060HINAL，DX；读A口，取得A/D变换低8位MOV BL，ALMOV DX，0061HIN AL，DXAND AL，0FH；读B口，取得高4位MOV BH，ALRET图 AD574经8255与8位ISA系统总线相连接3.AD574A/16743.AD574A/1674与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口2.4.6 模拟量输入通道模板举例图2-36 PCL-813B数据采集卡组成框图 2.4.6 模拟量输入通道模板举例1.PCL-813B 的寄存器地址2.程序设计举例 PCL-813B A/D 转换基于查询方式，由软件触发。A/D 转换器被触发后，利用程序检查A/D
45、状态寄存器的数据准备位（DRDY）。如果检测到该位为“1”，则A/D 转换正在进行。当A/D 转换完成后；该位变为低电平，此时转换数据可由程序读出。2.5 模拟量输出接口与过程通道2.5.1 2.5.1 模拟量输出通道的结构型式模拟量输出通道的结构型式 1.1.一个通道设置一个数一个通道设置一个数/模转换器的形式模转换器的形式 2.2.多个通道共用一个数多个通道共用一个数/模转换器的形式模转换器的形式2.5.2 D/A转换器及其接口技术18位D/A转换器与微机的接口设计（1）8位D/A转换器 普通型D/A转换器DAC0832。DAC0832是美国国家半导体公司（National）生产的8位D/
46、A转换集成芯片，能完成数字量输入模拟量（电流）输出的转换。单电源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准电压的范围为10V，电流建立时间为1s，CMOS工艺，低功耗20mW。其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。DAC0832的原理框图 DAC0832可以通过对控制引脚的不同设置而决定是采用双缓冲方式（两级输入锁存），单缓冲方式（两级同时输入锁存或只用一级输入锁存，另一级始终直通）还是完全接成直通的形式。DAC0832采用20引脚双列直插式封装.DAC0832的各个引脚功能如下。DI0DI7：8位数据输入线。ILE：数据允许锁存信号，高电平有效。/CS
47、：输入寄存器选择信号，低电平有效。它与ILE信号结合可对信号是否起作用进行控制。/WR1：输入寄存器的写选通信号，低电平有效，用以把数字量输入锁存于输入寄存器中，在/WR1 有效时，必须/CS和ILE同时有效。/XFER：数据传送信号，低电平有效。/WR2：DAC寄存器的写选通信号，低电平有效，用以将锁存于输入寄存器的数字量传送到D/A寄存器中锁存。/WR2 有效时，必须/XFER有效。IOUT1：电流输出引脚1。随DAC寄存器的内容线性变化，当DAC寄存器输入全为1时，输出电流最大，DAC寄存器输入全为0时，输出电流为0。IOUT2：电流输出引脚2，为IOUT1电流互补输出，即IOUT1+I
48、OUT2=常数。Rfb：反馈电阻连接端。可以和外接运算放大器直接相连。该运算放大器是将D/A芯片电流输出转换为电压输出VOUT。VREF：基准电源输入引脚。外接电压源的稳定精度直接影响D/A转换精度，范围为-10V+10V。VCC：电源电压输入端，范围为+5V+15V。DGND：数字地。AGND：模拟地。模拟量电路的接地端始终与数字电路接地端相连。DAC0832的输出方式分为单极性输出和双极性输出两种。单极性电压输出电路：双极性电压输出：2.5.2 D/A转换器及其接口技术1.81.8位位D/AD/A转换器接口转换器接口2.122.12位位D/AD/A转换器接口转换器接口2.5.3 单极性与双
49、极性电压输出电路8位D/A转换器与微机的接口及程序设计方法：DAC0832与80C51单片机的双缓冲方式接口电路：第一级数据锁存器的地址为BFFFH，第二级DAC寄存器的地址为7FFFH。可以看出数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的。该接口电路采用单极性输出方式，参考电压=-5V，若想输出电压=2.5V，则对应的输入数字量应为80H。实现输出2.5V电压的程序如下：START:MOV A,#80H；待转换的数字量 MOV DPTR,#0BFFFH；将数字量送入输入锁存器 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#7FFFH；将输入数字量送入DAC寄存器 MOVX DPTR,A；完成
50、D/A转换 如果有多路D/A转换器接口，要求同步进行D/A转换输出时，必须采用双缓冲同步方式的接口电路，电路如图:完成两路D/A转换器的同步输出的程序如下：START:MOVDPTR,#0DFFFH；指向DAC0832（1）MOVA,#DATA1；#DATA1送入DAC0832（1）的 输入锁存器 MOVXDPTR,A MOVDPTR,#0BFFFH；指向DAC0832（2）MOVA,#DATA2；#DATA2送入DAC0832（2）的 输入锁存器 MOVXDPTR,A MOVDPTR,#7FFFH；DAC0832（1）和DAC0832 （2）同时完成 MOVXDPTR,A；D/A转换 若应用