第二章 輸入輸出通道及接口技術(shù)(2)

1、2.4 A/D2.4 A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) 將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或數(shù)字化聲音。采樣保持量化編碼采樣/保持：由采樣保持電路（S/H）完成量化/編碼：由ADC電路完成（ADC：AD變換器）2.4.1 2.4.1 采樣和保持采樣和保持u 采樣采樣將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)為時(shí)間上斷續(xù)變化的（離散的）模擬量?；颍喊岩粋€(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖串，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。u 保持保持將采樣得到的模擬量值保持下來，使之等于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值。目的： A/D轉(zhuǎn)換期間保持采樣值恒定不變。u 對(duì)于慢速變

2、化的信號(hào)，可省略采樣保持電路對(duì)于慢速變化的信號(hào)，可省略采樣保持電路u 由MOS管采樣開關(guān)T、保持電容Ch和運(yùn)放構(gòu)成的跟 隨器三部分組成。u 采樣控制信號(hào)S(t)=1時(shí)，T導(dǎo)通，Vin向Ch充電，Vc和Vout跟蹤Vin變化，即對(duì)Vin采樣。S(t)=0時(shí)，T截止，Vout將保持前一瞬間采樣的數(shù)值不變。ChTVoutVin采樣控制采樣控制S(t)VinS(t)Voutu 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，就是對(duì)保持下來的采樣電壓（每次采樣結(jié)束時(shí)的輸入電壓）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。u 采樣通常采用等時(shí)間間隔采樣。u 采樣頻率fs不能低于2fimax（fimax為輸入信號(hào)Vin的最高次諧波分量的頻率）；u fs的上

3、限受計(jì)算機(jī)的速度、存儲(chǔ)容量、器件速度的限制。在實(shí)際中一般取fs為fimax的4-5倍。2.4.2 2.4.2 u 量化就是用基本的量化電平的個(gè)數(shù)來表示采樣到模擬電壓值（量化電平的大小取決于A/D變換器的字長）只有當(dāng)電壓值正好等于量化電平的整數(shù)倍時(shí)，量化后才是準(zhǔn)確值，否則量化后的結(jié)果都只能是輸入模似量的近似值。這種由于量化而產(chǎn)生的誤差叫做量化誤差。量化誤差是由于量化電平的有限性造成的，所以它是原理性誤差，只能減小，而無法消除。u 編碼是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值(它一定是量化電平的整數(shù)倍)用二進(jìn)制碼、BCD碼或其它碼來表示。2.4.32.4.3u 根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換原理和特點(diǎn)的不同，可把ADC分成兩大類：

4、直接ADC和間接ADC。直接ADC是將模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有： 逐次逼近式ADC、計(jì)數(shù)式ADC、并行轉(zhuǎn)換式ADC等。 間接ADC是將模擬電壓先轉(zhuǎn)換成中間量，如脈沖周期T、脈沖頻率f、脈沖寬度等，再將中間量變成數(shù)字量。常見的有： 單積分式ADC、雙積分式ADC，V/F轉(zhuǎn)換式ADC等。u計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型ADC ADC ：最簡單、速度慢、價(jià)格低，適用于慢速系統(tǒng)u并行轉(zhuǎn)換式并行轉(zhuǎn)換式ADC ADC ：速度最快，但成本最高。u逐次逼近式逐次逼近式ADCADC：轉(zhuǎn)換速度和精度都比較高，且比較簡單，價(jià)格低，最常用。u雙積分式雙積分式ADCADC：轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度慢，一般應(yīng)用在精度

5、高而速度不高的場合，如測量儀表。uV/FV/F轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)換式ADCADC：線性度、精度、抗干擾能力等方面有一點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，接口簡單、占用計(jì)算機(jī)資源少，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢。2.4.42.4.4u 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器 結(jié)構(gòu)：由D/A轉(zhuǎn)換器、比較器和逐次逼近寄存器SAR組成。比較器+-控制電路控制電路逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器（SAR）8位位D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器緩沖寄存器緩沖寄存器ViV0VED7D0CLK啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束 逐次逼近式轉(zhuǎn)換過程如下：初始時(shí)寄存器各位清為0，轉(zhuǎn)換時(shí)，先將最高位置1，送入D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器中與輸入模擬量進(jìn)行比較，若V0Vi，該位的1被保留

6、，否則被清除。然后再置次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的V0再與Vi比較，若V0Vi，保留該位的1，否則清除。重復(fù)上述過程，直至最低位。最后寄存器中的內(nèi)容即為輸入模擬值轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量 對(duì)于n位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，要比較n次才能完成一次轉(zhuǎn)換。因此，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于位數(shù)和時(shí)鐘周期。 u 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器 工作原理工作原理：電路先對(duì)未知的輸入模擬電壓Ui進(jìn)行固定時(shí)間的積分，然后轉(zhuǎn)為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓UR進(jìn)行反方向積分，直至積分輸出返回起始值，則對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓積分的時(shí)間T2正比于模擬輸入電壓Ui 用高頻率標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖來測量時(shí)間T2，即可以得到相應(yīng)模擬電壓的數(shù)字量。

7、雙積分式雙積分式ADCADC的特點(diǎn)：的特點(diǎn)： 本質(zhì)上是積分過程，故是平均值轉(zhuǎn)換，對(duì)噪聲有較好的抑制能力； 轉(zhuǎn)換速度慢。 u -ADC基本原理基本原理 越來越多的應(yīng)用，例如過程控制、稱重等，都需要高分辨率、高集成度和低價(jià)格的ADC、新型-轉(zhuǎn)換技術(shù)恰好可以滿足這些要求。然而，很多設(shè)計(jì)者對(duì)于這種轉(zhuǎn)換技術(shù)并不十分了解，因而更愿意選用傳統(tǒng)的逐次比較ADC。 要理解-ADC的工作原理，首先應(yīng)對(duì)以下概念有所了解：過采樣、噪聲成形、數(shù)字濾波和抽取。1 1）過采樣）過采樣 首先，考慮一個(gè)傳統(tǒng)ADC的頻域傳輸特性。輸入一個(gè)正弦信號(hào)，然后以頻率fs采樣，按照Nyquist定理，采樣頻率至少兩倍于輸入信號(hào)。從FFT分

8、析結(jié)果可以看到，一個(gè)單音和一系列頻率分布于DC到fs2間的隨機(jī)噪聲。這就是所謂的量化噪聲，主要是由于有限的ADC分辨率而造成的。單音信號(hào)的幅度和所有頻率噪聲的RMS幅度之和的比值就是信號(hào)噪聲比(SNR)。對(duì)于一個(gè)Nbit ADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。為了改善SNR和更為精確地再現(xiàn)輸入信號(hào)，對(duì)于傳統(tǒng)ADC來講，必須增加位數(shù)。如果將采樣頻率提高一個(gè)過采樣系數(shù)k，即采樣頻率為Kfs，再來討論同樣的問題。FFT分析顯示噪聲基線降低了，SNR值未變，但噪聲能量分散到一個(gè)更寬的頻率范圍。-轉(zhuǎn)換器正是利用了這一原理，具體方法就是在1bit ADC之后是緊接著進(jìn)行數(shù)字濾波。大

9、部分噪聲被數(shù)字濾波器濾掉，這樣，RMS噪聲就降低了，從而一個(gè)低分辨率ADC, -轉(zhuǎn)換器也可獲得寬動(dòng)態(tài)范圍。 。2 2）噪聲成形）噪聲成形 圖所示的一階-調(diào)制器的工作原理，可以理解噪聲成形的工作機(jī)制。 -調(diào)制器包含1個(gè)差分放大器、1個(gè)積分器、1個(gè)比較器以及1個(gè)由1bit DAC(1個(gè)簡單的開關(guān)，可以將差分放大器的反相輸入接到正或負(fù)參考電壓)構(gòu)成的反饋環(huán)。反饋DAC的作用是使積分器的平均輸出電壓接近于比較器的參考電平。調(diào)制器輸出中“1”的密度將正比于輸入信號(hào)，如果輸入電壓上升，比較器必須產(chǎn)生更多數(shù)量的“1”，反之亦然。積分器用來對(duì)誤差電壓求和，對(duì)于輸入信號(hào)表現(xiàn)為一個(gè)低通濾波器，而對(duì)于量化噪聲則表現(xiàn)

10、為高通濾波。這樣，大部分量化噪聲就被推向更高的頻段。對(duì)噪聲整形后的-調(diào)制器輸出進(jìn)行數(shù)字濾波，將有可能移走比簡單過采樣中更多的噪聲，如圖所示。這種調(diào)制器（一階）在每兩倍的過采樣率下可提供9dB的SNR改善。在-調(diào)制器中采用更多的積分與求和環(huán)節(jié)，可以提供更高階數(shù)的量化噪聲成形。3 3）-模數(shù)轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作過程工作過程 模擬低通濾波器后變換成帶限的模擬信號(hào)，然后，模擬-調(diào)制器以遠(yuǎn)高于信號(hào)頻帶的奈奎斯特頻率的取樣頻率將帶限模擬信號(hào)量化成信號(hào)頻譜和量化噪聲頻譜相分離的低分辨率數(shù)字信號(hào)，隨后用數(shù)字低通濾波器濾除信號(hào)頻帶以外的量化噪聲，并將取樣頻率降低至奈奎斯特頻率，獲取高分辨率的

11、數(shù)字信號(hào)。2.4.5 2.4.5 u精度精度 量化間隔量化間隔( (分辨率分辨率) ) = Vmax/電平數(shù)(即滿量程值) 例：某8位ADC的滿量程電壓為5V，則其分辨率為 5V/255=19.6mV 量化誤差量化誤差: : 用數(shù)字（離散）量表示連續(xù)量時(shí)，由于數(shù)字量字長有限而無法精確地表示連續(xù)量所造成的誤差。(字長越長，精度越高) 絕對(duì)量化誤差 = 量化間隔/2 = (滿量程電壓/(2n-1)/2 相對(duì)量化誤差 = 1/2 * 1/量化電平數(shù)目 * 100%例：滿量程電壓=10V，A/D變換器位數(shù)=12位，則 絕對(duì)量化誤差 10/211 = 4.88mV 相對(duì)量化誤差 1/211 *100%

12、= 0.049%u 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換一次需要的時(shí)間。精度越高（字長越長），轉(zhuǎn)換速度越慢。u 輸入動(dòng)態(tài)范圍輸入動(dòng)態(tài)范圍 允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。如05V、-5V+5V、 010V等。u 增益誤差增益誤差( (滿刻度誤差滿刻度誤差) ) 增益誤差是指滿量程輸出數(shù)碼時(shí)，實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。 2.4.6 2.4.6 1 1）ADC0809ADC08098通道（8路）輸入8位字長 逐位逼近型轉(zhuǎn)換時(shí)間100s 內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器（可直接接到數(shù)據(jù)總線上）外部引腳見下圖8位A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存緩沖器地址鎖存與譯碼8位模擬開關(guān)Vref(+)12Vref(-)16ADC08097EOC

13、MsbD7D01920211881517141113VccGNDOE910CLKSTART6ALE22ADDC23ADDB24ADDA25IN754321282726IN012345678910111213141516171819202122232425262728ADC0809IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLOCKVccVref(+)GNDD1IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0D2Vref(-)引腳功能引腳功能D7D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）IN0IN7：8通道（路）模擬輸入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道選擇）ALE：通道

14、地址鎖存START：啟動(dòng)轉(zhuǎn)換EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束，可用于查詢或作為中斷申請(qǐng)OE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）CLK：時(shí)鐘輸入（10KHz1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基準(zhǔn)參考電壓START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比較器比較器8路模路模擬開擬開關(guān)關(guān)樹狀開關(guān)樹狀開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)三態(tài)三態(tài)輸出輸出鎖存鎖存器器時(shí)序與控制時(shí)序與控制地址地址鎖存鎖存及及譯碼譯碼D/A8個(gè)個(gè)模模擬擬輸輸入入通通道道8選選1逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR 根據(jù)時(shí)序圖，ADC0809的工作過程如下：把通道地址送到ADDAADDAADD

15、CADDC上上，選擇一個(gè)模擬輸入端； 在通道地址信號(hào)有效期間，ALEALE上的上升沿上升沿使使該地址鎖存到內(nèi)部地址鎖存器；STARTSTART引腳上的下降沿下降沿啟動(dòng)A/DA/D變換； 變換開始后，EOCEOC引腳呈現(xiàn)低電平低電平， EOCEOC重新變?yōu)楦唠娖礁唠娖綍r(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；OEOE信號(hào)打開輸出鎖存器的三態(tài)門送出結(jié)果 。模擬輸入端模擬輸入端ININ 單路輸入時(shí)單路輸入時(shí)ADDCADDBADDAIN4ADC0809輸入輸入多路輸入時(shí)多路輸入時(shí)ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入輸入0輸入輸入1輸入輸入2輸入輸入3輸入輸入4CPU指定指定通道號(hào)通道號(hào)+5V

16、A/D轉(zhuǎn)換程序： MOV DPTR，#0FE00H ；ADC口地址 MOV A，#00 ；轉(zhuǎn)換IN0 MOVX DPTR，A ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 LCALL DELAY ；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 MOVX A，DPTR ；取轉(zhuǎn)換結(jié)果AD07ALEINTWRP2 .0RDD07ADDABC CLKEOCALESTARTOE11111MCS-51ADC080983IN072)AD16742)AD1674與與5151單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) AD1674是一個(gè)完善的中檔2位ADC，按逐次逼近式工作，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為10S。具有以下特點(diǎn)：u 10S的轉(zhuǎn)換時(shí)間u 片內(nèi)具有采樣保持器u 具有三態(tài)輸出緩沖電路，可

17、直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連接u 輸入模擬信號(hào)范圍：0+10V，020V，5V，10V。u 既可實(shí)現(xiàn)高精度的12位變換，又可作快速的8位轉(zhuǎn)換。u 采用雙電源供電：模擬部分為12V/15V，數(shù)字部分為+5V AD1674 AD1674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及引腳圖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及引腳圖 （1 1）引腳說明）引腳說明u 12/812/8：數(shù)據(jù)輸出位選擇輸入端。12/8=0，數(shù)據(jù)輸出為雙8位字節(jié)；12/8=1，數(shù)據(jù)輸出為單12位字節(jié)。u CSCS：片選信號(hào)輸入端；u R/CR/C：讀/轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸入端。在完全控制模式下， R/C=1時(shí)為讀狀態(tài)；R/C=0時(shí)為轉(zhuǎn)換狀態(tài)；在獨(dú)立工作模式下，在輸入信號(hào)

18、的下降沿時(shí)開始轉(zhuǎn)換。u CECE：操作使能端；輸入為高時(shí)，芯片開始進(jìn)行讀/轉(zhuǎn)換操作。u A0A0：字節(jié)控制輸入端。在轉(zhuǎn)換時(shí)，若A0=0，進(jìn)行12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；若A0=1，則進(jìn)行周期更短的8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；讀出時(shí)(R/C=1)，12/8=0，A0=0，讀高8位(DB4DB11)，DB0DB3為三態(tài)；A01，讀低4位DB0DB3，而DB4DB7置零，DB8DB11為三態(tài)。u STS STS：轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端。STS=1，表明轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；STS=0，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。u DB11DB11DB0DB0：輸出數(shù)據(jù)輸出。u 10VIN10VIN：10V范圍輸入端，包括0V10V單極輸入或5V雙極輸入；u 20VIN

19、20VIN：20V范圍輸入端，包括0V20V單極輸入或10V雙極輸入；u REF INREF IN：基準(zhǔn)電壓輸入端；u REF OUTREF OUT：+10V 基準(zhǔn)電壓輸出端；u BIP OFFBIP OFF：電壓偏移量調(diào)整端；u VCCVCC：+12V/+15V 模擬供電輸入；u VEEVEE：-12V/-15V 模擬供電輸入；u VLOGICVLOGIC：+5V 邏輯供電輸入；u AGND/DGNDAGND/DGND：模擬/數(shù)字接地端；（2 2）AD1674AD1674的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)時(shí)序的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)時(shí)序（3 3）AD1674AD1674的讀操作時(shí)序的讀操作時(shí)序 （4 4）AD1674AD1674

20、獨(dú)立模式下的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)時(shí)序獨(dú)立模式下的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)時(shí)序 （5 5）AD1674AD1674獨(dú)立獨(dú)立模式下的讀操作時(shí)序模式下的讀操作時(shí)序 （6 6）AD1674AD1674單雙極性輸入連接法單雙極性輸入連接法 （7 7）AD1674AD1674與與80318031單片機(jī)的硬件接口單片機(jī)的硬件接口 當(dāng)8031單片機(jī)執(zhí)行對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫指令，使CE1，CS0，R/C=0，A00時(shí)，便啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。然后8031單片機(jī)通過P1.0線不斷查詢STS的狀態(tài)，當(dāng)STS0為低電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，8031單片機(jī)通過兩次讀外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作，讀取12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。這時(shí)，當(dāng)CE1，CS0，R/C1，A00讀取高8位；

21、CE1，CS0，R/C1，A01，讀取低4位。 上圖的連接方法存在的問題：上圖的連接方法存在的問題： 不能提供中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集； 任何保證等間隔數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)采集不能達(dá)到AD1674最高的轉(zhuǎn)換速度 。數(shù)據(jù)的傳送方式數(shù)據(jù)的傳送方式1）查詢方式2）中斷方式3）DMA方式AD1674AD1674與與80318031單片機(jī)的中斷硬件接口單片機(jī)的中斷硬件接口 開關(guān)量（數(shù)字量）信號(hào)開關(guān)量（數(shù)字量）信號(hào) 指只有開和關(guān)、通和斷、高和低兩種狀態(tài)的信號(hào)，可以用二進(jìn)制數(shù)0和1表示。2.5 2.5 開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸入通道 開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸入通道對(duì)以單片機(jī)為核心的智能儀器而言對(duì)以單片機(jī)為核心的智能儀器

22、而言：1）其內(nèi)部已具有并行I/O端口 ；2）當(dāng)外界開關(guān)量信號(hào)的電平幅度與單片機(jī)I/O端口電平幅度相符時(shí)，可直接檢測和接收開關(guān)量輸入信號(hào)； 3）但如電平不相符，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換才能輸入到單片機(jī)的I/O端口；對(duì)以單片機(jī)為核心的智能儀器而言對(duì)以單片機(jī)為核心的智能儀器而言：4）而且，外部輸入的開關(guān)量信號(hào)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高壓、過電流或接觸抖動(dòng)等現(xiàn)象；5）因此，為使信號(hào)安全可靠，開關(guān)量在輸入單片機(jī)之前須接入輸入接口電路，對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行濾波、電平轉(zhuǎn)換和隔離保護(hù)等； 6）這種對(duì)開關(guān)量形式的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理，使之成為計(jì)算機(jī)能接收的邏輯信號(hào)的電路稱為開關(guān)量輸入通道。l 開關(guān)量輸入通道結(jié)構(gòu)開關(guān)量輸入通道

23、結(jié)構(gòu)簡單的四路開關(guān)量輸入通道簡單的四路開關(guān)量輸入通道如圖所示：開關(guān)信號(hào)直接接入微處理器，適合開關(guān)連線上沒有較大干擾的情況。 在工業(yè)現(xiàn)場等場合開關(guān)連線上可能有較大干擾，開關(guān)量不適合直接輸入微處理器接口。 為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，開關(guān)信號(hào)需先經(jīng)輸入接口電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、濾波、隔離等處理，使之成為計(jì)算機(jī)能接收的邏輯信號(hào)。帶光電隔離的開關(guān)量接入方式帶光電隔離的開關(guān)量接入方式 一種帶光電隔離的4路開關(guān)量輸入電路，通過光電隔離器將現(xiàn)場開關(guān)信息和微處理器在電路上隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的安全。但應(yīng)注意電源V1和V2不可共用同一個(gè)參考地，否則起不到隔離作用。 除機(jī)械式開關(guān)裝置外，還可

24、以應(yīng)用光電傳感器、接近開關(guān)、霍爾傳感器等電子元器件設(shè)計(jì)成0、l電平信號(hào)輸入單片機(jī)，完成開關(guān)量輸入的作用。下圖為光電傳感器的應(yīng)用電路。 光電傳感器光電傳感器開關(guān)接口應(yīng)開關(guān)接口應(yīng)用電路用電路 下圖光電傳感器在轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用。下圖光電傳感器在轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用。 在圖中，紅外發(fā)光二極管和紅外接收三極管分別在圖中，紅外發(fā)光二極管和紅外接收三極管分別安裝在產(chǎn)品流水線傳送帶的二邊，每當(dāng)傳送帶上有一安裝在產(chǎn)品流水線傳送帶的二邊，每當(dāng)傳送帶上有一個(gè)產(chǎn)品經(jīng)過，就會(huì)遮擋紅外光線一次，使紅外接收三個(gè)產(chǎn)品經(jīng)過，就會(huì)遮擋紅外光線一次，使紅外接收三極管的輸出一個(gè)脈沖電平信號(hào)。單片機(jī)對(duì)輸入的脈沖極管的輸出一個(gè)脈沖電平信號(hào)。

25、單片機(jī)對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。光電傳感器光電傳感器在產(chǎn)量計(jì)數(shù)在產(chǎn)量計(jì)數(shù)中的應(yīng)用中的應(yīng)用光電傳感光電傳感器在位置器在位置檢測中的檢測中的應(yīng)用應(yīng)用 在圖中，當(dāng)移動(dòng)的物體一旦擋住紅外光線，紅外在圖中，當(dāng)移動(dòng)的物體一旦擋住紅外光線，紅外接收三極管就會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。此裝置可以用接收三極管就會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。此裝置可以用來檢測物體的有或無，可以作為運(yùn)動(dòng)物體的限位檢來檢測物體的有或無，可以作為運(yùn)動(dòng)物體的限位檢測電路，可以作為外人侵入的報(bào)警檢測電路，也可測電路，可以作為外人侵入的報(bào)警檢測電路，也可以作為自動(dòng)門的控制電路。以作為自動(dòng)門

26、的控制電路。 除了光電傳感器外，還有電感式接近開關(guān)。下圖除了光電傳感器外，還有電感式接近開關(guān)。下圖是電感式接近開關(guān)的應(yīng)用原理圖。是電感式接近開關(guān)的應(yīng)用原理圖。 電感式接近開關(guān)由高頻振蕩器、檢波放大器、輸出電路和開關(guān)組成。由感應(yīng)線圈產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)形成一交變磁場，當(dāng)有金屬類物體接近時(shí)，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流并吸收振蕩器的能量，使振蕩信號(hào)變?nèi)趸蛲Ｖ拐袷?，在檢波放大器和輸出電電路的作用下，產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)輸入單片機(jī)的P1.0端口，用于有無物體接近的檢測。2.6 2.6 模擬量輸出通道模擬量輸出通道 模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算處理后，將處理結(jié)果回送給被測對(duì)象的數(shù)據(jù)通路。 輸出數(shù)字信號(hào)的

27、形式主要有開關(guān)量、數(shù)字量和頻率量。 對(duì)于模擬量控制系統(tǒng)，應(yīng)通過數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換將其變換成模擬信號(hào)輸出。 模擬量輸出通道是將微機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成適合于執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的模擬量的環(huán)節(jié)。 模擬量輸出通道一般有單路模擬量輸出通道和多路模擬量輸出通道。l 單路模擬量輸出通道的一般結(jié)構(gòu)單路模擬量輸出通道的一般結(jié)構(gòu) 微型計(jì)算機(jī) 寄存器 D/A轉(zhuǎn)換器 放大變換電路 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 寄存器用于保存計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量；D/A轉(zhuǎn)換器用于將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量；而D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量信號(hào)往往無法直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要放大/變換電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤糯蠡蜃儞Q。 l 多路模擬量輸出通道的一般結(jié)構(gòu)多路模擬量輸出通道的

28、一般結(jié)構(gòu) 微型計(jì)算機(jī) 寄存器 D/A轉(zhuǎn)換器 保持器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 多路開關(guān) 保持器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 保持器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2.6.1 D/A2.6.1 D/A轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器；倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器；權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器等。 模擬量輸出通道中的關(guān)鍵部件 按其工作原理可分為按其工作原理可分為: :1 1）倒）倒T T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器由求和運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)等組成，電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻接成倒T型 電路原理如圖所示2 2）權(quán)電流型）權(quán)電流型D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中利用模擬開關(guān)將基準(zhǔn)電壓

29、接到電阻網(wǎng)絡(luò)中，分析時(shí)，把模擬開關(guān)當(dāng)做理想開關(guān)對(duì)待，實(shí)際中，模擬開關(guān)都存在一定的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，而且，每個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降各不相同，不可避免地會(huì)使流過各支路的電流有所變化，引起轉(zhuǎn)換誤差。 為此，用一組恒流源取代倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中的電阻網(wǎng)絡(luò)，可構(gòu)成權(quán)電流型權(quán)電流型D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器。 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器包含運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)和恒流源，原理電路如圖所示。恒流源從高位到低位電流大小依次取為I/2、I/4、I/8、I/16。2.6.2 D/A2.6.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 1)1)轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 指在整個(gè)工作區(qū)間實(shí)際的輸出電壓與理想輸出電壓

30、之間的偏差。 通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差描述。（1）分辨率）分辨率 指當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出模擬量的變化量。對(duì)于n位D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率為 121n（2 2）轉(zhuǎn)換誤差）轉(zhuǎn)換誤差 實(shí)際D/A轉(zhuǎn)換器由于各元件參數(shù)值存在誤差、基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定以及運(yùn)算放大器的漂移等，使D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際轉(zhuǎn)換精度受轉(zhuǎn)換誤差的影響，低于理論轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差指實(shí)際輸出的模擬電壓與理想值之間的最大偏差，常用這個(gè)最大偏差與輸出電壓滿刻度（Full Scale Range簡稱FSR）的百分比或最低有效位（LSB）的倍數(shù)表示。一般是增益誤差、漂移誤差和非線形誤差的綜合指標(biāo)。l 增益誤差（比例系數(shù)誤差）增益誤差

31、（比例系數(shù)誤差） D/A轉(zhuǎn)換器的輸出與輸入特性曲線的斜率稱為D/A轉(zhuǎn)換增益或標(biāo)度系數(shù)。實(shí)際轉(zhuǎn)換的增益與理想增益之間的偏差為增益誤差。主要由基準(zhǔn)電壓和運(yùn)算放大器增益的不穩(wěn)定引起。l 漂移誤差（平移誤差）漂移誤差（平移誤差） 當(dāng)輸入數(shù)字為全零時(shí)實(shí)際輸出值與理想輸出值的差值，即輸入數(shù)字為全零時(shí)輸出不為0的值。由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起，與輸入的數(shù)字量無關(guān)，將理想曲線向上或向下平移，不改變其線性，也稱平移誤差。l 非線性誤差（非線性度）非線性誤差（非線性度） 實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，一般用該偏差相對(duì)于滿刻度之比的百分?jǐn)?shù)表示。主要由模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通壓降和電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值偏差引

32、起，是一種沒有一定變化規(guī)律的誤差。2)2)轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 一般由建立時(shí)間決定。建立時(shí)間是指當(dāng)輸入的數(shù)字量變化時(shí)，輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差 范圍以內(nèi)的時(shí)間。輸入數(shù)字量的變化越大，建立時(shí)間越長。12LSB2.7 2.7 開關(guān)量輸出通道開關(guān)量輸出通道 智能儀器輸出的開關(guān)量可用來控制只有兩種工作狀態(tài)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或器件。例如控制改變液體壓力的電磁閥門的開和閉，控制馬達(dá)的啟動(dòng)和停止，控制指示燈的亮和滅等。 這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)或器件相當(dāng)于人的手腳，直接推動(dòng)被控對(duì)象，由于被控對(duì)象千差萬別，所要求的控制電壓或電流不同，而且有的需要直流驅(qū)動(dòng)，有的需要交流驅(qū)動(dòng)，應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或器件。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常需較大

33、電壓（電流）來控制，而CPU輸出的開關(guān)量大都為TTL（或MOS）電平，一般不能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要經(jīng)過鎖存器并經(jīng)過隔離和驅(qū)動(dòng)電路才能與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。 開關(guān)量輸出通道中常用的隔離器件有光電耦合器和繼電器，常用的驅(qū)動(dòng)電路有功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、集成驅(qū)動(dòng)芯片及固態(tài)繼電器等。 2.7.1 2.7.1 小功率驅(qū)動(dòng)接口電路小功率驅(qū)動(dòng)接口電路 常用小功率負(fù)載如發(fā)光二極管、LED顯示器、小功率繼電器等元件或裝置，一般要求具有1040mA的驅(qū)動(dòng)能力，通常采用小功率三極管（如9012、9013、8050、8550等）和集成電路（如75451、74LS245等）作驅(qū)動(dòng)電路。 圖為采用75451驅(qū)動(dòng)直流線圈的電路，二極管D（1N4001）為箝位二極管，可防止線圈兩端的反電勢損壞驅(qū)動(dòng)器。 圖為驅(qū)動(dòng)交流線圈的電路，交流接觸器C由雙向晶閘管KS驅(qū)動(dòng) 圖中，MOC3041是光電耦合器，起觸發(fā)KS和隔離的作用?？刂菩盘?hào)由微控制器的P1.0輸出。雙向晶閘管 KS要滿足額定工作電流為交流接觸器線圈工作電流的23倍；額定工作電壓為交流接觸器線圈工作電壓的23倍。 2.7.2 2.7.2 中功率驅(qū)動(dòng)接口電路中功率驅(qū)動(dòng)接口電路 常用于驅(qū)動(dòng)功率較大的繼電器和電磁開關(guān)等控制對(duì)象，一般要求具有50500mA的驅(qū)動(dòng)能力?？刹捎眠_(dá)林頓管（如MC1412、MC1413、MC1416等）或中功率三極管來驅(qū)動(dòng)。 如