《第2章 过程通道与输入输出接口14节精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章 过程通道与输入输出接口14节精选文档.ppt（80页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第2章 过程通道与输入输出接口14节1本讲稿第一页，共八十页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本讲稿第二页，共八十页二、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本讲稿第三页，共八十页4本讲稿第四页，共八十页三、输出通道的结构类型三、输出通道的结构类型5本讲稿第五页，共八十页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
2、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，因为它们的速度、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。为了便于两者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交换信息，需要通过一个中间环节将CPUCPU和外部通道连接起来，和外部通道连接起来，该中间环节就是接口电路。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）终端管理功能）终端管理功能6本讲稿第六页，共八十页一、接口技术一、接口技术 I/O I/O接口中有三
3、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本讲稿第七页，共八十页二、输入输
4、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。件实现，可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位并位并行行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数据缓冲器8286、8287，8位三态输位三态输出数据缓冲线驱动器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74L
5、S245,外部地址外部地址译码器译码器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、串行接口接口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本讲稿第八页，共八十页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
6、、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标接口装置按照扩展槽的标准开发，并制成多种类型的卡板，可直接插在计算机的准开发，并制成多种类型的卡板，可直接插在计算机的扩展槽上。扩展槽上。9本讲稿第九页，共八十页三、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。通常采用的控制方式有三种：程序控制方式、终端控制方式和直用的控制方式有三种：程序控制方式、终端控制方式和直接存储器存取（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
7、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与外围设备之间的数据交换是在程序控制之下进行的。控制之下进行的。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本讲稿第十页，共八十页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，而是在外部设备就绪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时主动向CPUCPU发出一个中断请求信息，若该事件的优先级高于发出一个中断请求信息，若该事件的优先级高于当前当前CPUCPU所运行的工作，
8、所运行的工作，CPUCPU会立即响应该中断请求，停止其当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。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本讲稿第十一页，共八十页3 3、直接存储器存取方式（、直接存储器存取方式（
9、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。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，而不通过外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。当共享总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。当进行进行DMADMA操作时，操作时，DMADMA控制器从控制器从CPUCPU中接管对总线的控制，直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。接使存储器和外设置及污泥进行数据传送。12本讲稿第十二页，共八十页2-3 模拟量输入通道模拟量输入
10、通道在模拟量输入通道中要完成模拟输入信号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、模数的变换、滤波、采样、放大、保持、模数转换等。转换等。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本讲稿第十三页，共八十页 14本讲稿第十四页，共八十页一、信号拾取一、信号拾取 传感器输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
11、.5K的精密电阻变换成的精密电阻变换成5V或或10V电压；电压；小信号电流输出，需要经小信号电流输出，需要经I/V变换后，在进行放大；小信变换后，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。号电压只有几毫伏或几十毫伏，需要进行放大。15本讲稿第十五页，共八十页二、二、I/V变换变换16本讲稿第十六页，共八十页三、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电集成电路模拟电子开关。例路模拟电子开关。例如，有如，有4 4选选1 1多路开关多路开关CD4502CD4502和和AD7502AD7502；8 8选选1 1多路开关多路开关CD45
12、01CD4501和和AD7501AD7501；1616选选1 1的的多路转换开关多路转换开关CD4067CD4067和和AD7507AD750717本讲稿第十七页，共八十页四、四、采样保持器采样保持器1、工作原理、工作原理18本讲稿第十八页，共八十页2、常用的采样保持器、常用的采样保持器19本讲稿第十九页，共八十页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本讲稿第二十页，共八十页X*(t)kT05T3TT7T1调制器X(t)X*(t)P(t)(d)(d)采
13、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)p(t)。21本讲稿第二十一页，共八十页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本讲稿第二十二页，共八十页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
14、有离散信号的特性。具有离散信号的特性。23本讲稿第二十三页，共八十页采样定理采样定理 对于角频率范围为（对于角频率范围为（）的连续信号进行）的连续信号进行采样，当采样频率采样，当采样频率 时，采样器的输出信号时，采样器的输出信号x*(t)x*(t)就能充分表征原始的连续信号就能充分表征原始的连续信号x(t)x(t)，换言之，为使采样信，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本讲稿第二十四页，共八十页由于被控对象一般具
15、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：的振幅谱图如下：（1）（2）25本讲稿第二十五页，共八十页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
16、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本讲稿第二十六页，共八十页五、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本讲稿第二十七页，共八十页原理28本讲稿第二十八页，共八十页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本讲稿第二十九页，共
17、八十页 一个一个 n n 位位A/DA/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本讲稿第三十页，共八十页 例题例题3-23-2：一个：一个8 8位位A/
18、DA/D转换器，设转换器，设V VR+R+=5.02 V=5.02 V，V VR R =0 V=0 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时所对应的转换数时所对应的转换数字量。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
19、 8路路ADC0808/0809ADC0808/0809、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本讲稿第三十一页，共八十页 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，如示，如8 8位、位、1010位、位、1212位等。分辨率为位等。分辨率为N
20、N，表示它可以对满刻度，表示它可以对满刻度的的1/21/2n n的变化量作出反应。即：的变化量作出反应。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、转换精度和量程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。等。32本讲稿第三十二页，共八十页 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/D转换器的误差，转换
21、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。绝对误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。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，对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 Bit)Least Significant Bit)）来）来表示，表示，1LSB=11LSB=1 2 2n n 。2 2）转换精度）转换精度 33本讲稿第三十三页，共八
22、十页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。如逐位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转换器的转换器的转换时间为毫秒级。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,-10V10V10V。34本讲稿第三十四页，
23、共八十页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本讲稿第三十五页，共八十页a、结构原理图及引脚功能、结构原理图及引脚功能36本讲稿第三十六页，共八十页引脚功能37本讲稿第三十七页，共八十页b b、ADC0809ADC0809的内部转换时序的内部
24、转换时序图图3-14 ADC08093-14 ADC0809的转换时序的转换时序说明6538本讲稿第三十八页，共八十页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，即主机如何启动拟量输入信号的，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电路两种典型的接口电路。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
25、读定时方式读A/DA/D转换数转换数 39本讲稿第三十九页，共八十页图图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本讲稿第四十页，共八十页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 RCR 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
26、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本讲稿第四十一页，共八十页图图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本讲稿第四十二页，共八十页 显然，定时方式比查询方式简单，但前提是必须预先精确地知显然，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，但在转换期间独这两
27、种方法的共同点是硬软件接口简单，但在转换期间独占了占了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转换的时间只在微秒数量级。当选用双积分式量级。当选用双积分式A/DA/D转换器时，因其转换时间在毫秒级，转换器时，因其转换时间在毫秒级，因此采用中断法读因此采用中断法读A/DA/D转换数的方式更为适宜。因此，在设计数转换数的方式更为适宜。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据采集系统时，究竟采用何种接口方式要根据A/DA/D转换器芯片而转换器芯片而定。定。43本讲稿第四十三页，共八十页 8 8位位A/DA/D转换器的分辨率约为转换器
28、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是不够的，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位位A/DA/D转换器及其接口电转换器及其接口电路。路。44本讲稿第四十四页，共八十页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=
29、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，可以直接与主机数基准电压源构成，可以直接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量据总线连接，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本讲稿第四十五页，共八十
30、页a、AD574A原理框图及引脚原理框图及引脚说明46本讲稿第四十六页，共八十页图图 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本讲稿第四十七页，共八十页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/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；也位数据采集系统；也可以只占用可以只占用PCPC总线的低总线的低8 8
31、位数据总线，将转换后的位数据总线，将转换后的1212位数字量分两次位数字量分两次读入主机，以节省硬件投入。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。由于查询、软件定时或中断控制等多种方法。由于AD574AAD574A的转换速度很的转换速度很高，一般多采用查询或定时方式。其接口电路及高，一般多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本讲稿第四十八页，共八十页组成说明49本讲稿第四十九页，共八十页 图图3-193-19是一种
32、是一种8 8路路1212位位A/DA/D转换模板的示例。图中只给出了总线接转换模板的示例。图中只给出了总线接口与口与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/D A/D 转换器转换器AD574AAD574A和并行接口芯片和并行接口芯片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
33、方式：查询传送应答方式：查询50本讲稿第五十页，共八十页c c、数据采集程序框图、数据采集程序框图 51本讲稿第五十一页，共八十页六、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，现以常见的电转换的方法很多，现以常见的电荷平衡荷平衡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本讲稿第五十二页，共八十页 (a)电路原理图 电荷平衡式V/F转换原理组成及原理53本讲稿
34、第五十三页，共八十页 根据反向充电电荷量和正向充电电荷量相等的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，可得电荷平衡原理，可得 （3-53-5）整理得整理得 （3-63-6）则则V VfOfO端输出的电压频率为端输出的电压频率为（3-7）54本讲稿第五十四页，共八十页 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，要精确地实现例关系。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应准确稳定。积分电容应准确稳定。积分电容C C虽没有出现在上式中，但它虽没
35、有出现在上式中，但它的漏电流将会影响到充电电流的漏电流将会影响到充电电流V Vi i/R Ri i，从而影响转换精度。为，从而影响转换精度。为此应选择漏电流小的电容。此应选择漏电流小的电容。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本讲稿第五十五页，共八十页 The End !The End !56本讲稿第五十六页，共八十页57本讲稿第五十七页，共八十页采样阶段（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
36、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，所以当输入电压V Vi i为正时，积为正时，积分器输出向负渐增；当分器输出向负渐增；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t t1 1时刻，其时刻，其电压相等，所以电压相等，所以58本讲稿第
37、五十八页，共八十页复零与准备阶段：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。结束本次的转换导通，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。工作，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。则所对应的时间。则有有: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本讲稿第五十九页，共八
38、十页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、运算比较转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。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，说为例，说明逐位逼近式明逐位逼近式A/DA/D转换器的工作原理。转换器的工作原理。60本讲稿第六十页，共八十页 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
39、位首先使寄存器的最高位D3 D3 1 1，其余为，其余为0 0，此数字量此数字量10001000经经D/AD/A转换器转换器转换成模拟电压即转换成模拟电压即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，则保留保留D3=1D3=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
40、器，转换为V VO O 12 12再进入比较器，与再进入比较器，与V VININ 9 9比较，比较，因因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
41、留，保留D0 D0 1 1。比较完毕，寄存器中的数字量。比较完毕，寄存器中的数字量10011001即为模即为模拟量拟量9 9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。61本讲稿第六十一页，共八十页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，共用一个路模拟量分时输入，共用一个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位通道位通道选择信号。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
42、址线即模拟量通道选择线。ALEALE为高电平时，地址译码为高电平时，地址译码与对应通道选择见表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。上升沿时将转换转换信号，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：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，将缓冲器，将A/DA/D转换得到的转换得到的8 8位数字量送到数
43、据总线上。位数字量送到数据总线上。D0D0D7D7：8 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。由于有三态输出为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。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本讲稿第六十二页，共八十页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转换时转换时间为间为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围，：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常
44、通常V VR+R+=5V DC5V 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本讲稿第六十三页，共八十页 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CBA选选中通道中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN764本讲稿第六十四页，共八十页 其转换过程表述如下：其转换过程表述如下：首先首先ALEALE的上升沿将地址代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，使该路模拟码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量
45、进入到量进入到A/DA/D转换器中。同时转换器中。同时START START 的上升沿将转换器的上升沿将转换器内部清零，下降沿起动内部清零，下降沿起动A/DA/D转换，即在时钟的作用下，转换，即在时钟的作用下，逐位逼近过程开始，转换结束信号逐位逼近过程开始，转换结束信号EOCEOC即变为低电平。即变为低电平。当转换结束后，当转换结束后，EOCEOC恢复高电平，此时，如果对输出允恢复高电平，此时，如果对输出允许许OEOE输入一高电平命令，则可读出数据。输入一高电平命令，则可读出数据。3865本讲稿第六十五页，共八十页 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
46、位A/DA/D转换转换接口电路，由接口电路，由PCPC总线、总线、ADC0809ADC0809以及以及138138译码器、译码器、74LS0274LS02非与门（即或非门）与非与门（即或非门）与74LS12674LS126三态缓冲器三态缓冲器组成。图中，启动转换的板址组成。图中，启动转换的板址PA=0100 0000PA=0100 0000，每，每一路的口址分别为一路的口址分别为000-111000-111，故，故8 8路转换地址为路转换地址为40H-47H40H-47H。4066本讲稿第六十六页，共八十页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
47、换第1 1路的输出指令，即是把路的输出指令，即是把ALAL中的数中的数据送到地址为据送到地址为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输出指令造成的低输出指令造成的低电平，从而使非与门电平，从而使非与门0202（3 3）产生脉冲信号到引脚）产生脉冲信号到引脚ALEALE和和STARTSTART，ALEALE的上升沿将通道地址代码的上升沿将通道地址代码000000锁存并进行译码，选通模拟开关中的锁存并进行译码，选通模拟开关中的第一
48、路第一路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的上的上升沿将升沿将ADC0809ADC0809中的逐位逼近寄存器中的逐位逼近寄存器SARSAR清零清零,下降沿启动下降沿启动A/DA/D转转换，即在时钟的作用下，逐位逼近的模数转换过程开始。换，即在时钟的作用下，逐位逼近的模数转换过程开始。4167本讲稿第六十七页，共八十页 接着，主机查询转换结束信号接着，主机查询转换结束信号EOCEOC的状态，通过执行输的状态，通过执行输入指令，即是把地址为入指令，即是把地址为PBPB的转换接口电路的数据读入的转换接口电路的数据读入
49、ALAL中，此时地址中，此时地址PB=0100 1000PB=0100 1000（48H48H），使），使138138译码器的输译码器的输出一个低电平，连同出一个低电平，连同ININ输入指令造成的低电平，从而使输入指令造成的低电平，从而使非与门非与门0202（1 1）产生脉冲信号并选通）产生脉冲信号并选通126126三态缓冲器，使三态缓冲器，使EOCEOC电平状态出现在数据线电平状态出现在数据线D0D0上。然后将读入的上。然后将读入的8 8位数据位数据进行带进位循环右移，以判断进行带进位循环右移，以判断EOCEOC的电平状态。如果的电平状态。如果EOCEOC为为“0 0”，表示，表示A/DA/
50、D转换正在进行，程序再跳回转换正在进行，程序再跳回REOCREOC，反复查询；，反复查询；当当EOCEOC为为“1 1”，表示，表示A/D A/D 转换结束。转换结束。4168本讲稿第六十八页，共八十页 然后，主机便执行一条输入指令，把接口地址为然后，主机便执行一条输入指令，把接口地址为PAPA的转换数的转换数据读入据读入ALAL中，即是输出一个低电平，连同中，即是输出一个低电平，连同ININ输入指令造成的低输入指令造成的低电平，从而使非与门电平，从而使非与门0202（2 2）产生脉冲信号，即产生输出允许信）产生脉冲信号，即产生输出允许信号到号到OEOE，使，使ADC0809ADC0809内部