檢測技術(shù)與海洋智能儀器：第13章 輸出數(shù)字和模擬通道

1、第13章 輸出通道與通信技術(shù) 根據(jù)智能儀表不同輸出對象的具體要求，其信號輸出可分為：模擬量輸出，開關(guān)量輸出和數(shù)字量輸出三種。模擬量輸出信號:直流電流信號：4-20mA，或0-10mA。 直流電壓信號：當(dāng)智能儀器的輸出模擬信號需要傳輸給多個(gè)其他儀器儀表時(shí)，一般采用直流電壓信號，而不采用直流電流信號，why？電流需要串聯(lián)，一旦其中一個(gè)發(fā)生故障，其他設(shè)備都會(huì)失去信號；而且，互相串聯(lián)的各個(gè)接收設(shè)備輸入端對地電位不等，也會(huì)引起一些麻煩其他要求：多個(gè)接收信號輸入阻抗必須足夠高開關(guān)量輸出信號:越限報(bào)警：聲光報(bào)警 開關(guān)量控制：電磁閥，電磁離合器、繼電器或接觸器反映智能儀表本身的工作狀態(tài)：“投入”和“后備”狀態(tài)

2、、“自動(dòng)”和“手動(dòng)”狀態(tài)、“正?！焙汀肮收稀睜顟B(tài)等。開關(guān)量的驅(qū)動(dòng)接口只有高、低電平兩種狀態(tài)的輸出信號。課堂討論:單管驅(qū)動(dòng)時(shí)三極管工作在什么狀態(tài)?B極和C極的兩個(gè)電阻如何選取?OC（Open Collector）門集成電路的輸出有什么特點(diǎn)?什么時(shí)候要選用繼電器驅(qū)動(dòng)?開關(guān)量的驅(qū)動(dòng)接口圖（a），其輸入額定電壓24V直流，可以控制交流電壓380V，電流30A的輸出設(shè)備。圖（b）中固態(tài)繼電器的輸入電壓為12V，可以控制交流電壓250V，電流15A的交流設(shè)備或直流壓額定電壓為28V的直流設(shè)備。（b）固態(tài)繼電器（a）固態(tài)繼電器開關(guān)量的驅(qū)動(dòng)接口圖(c)為某種型號的電磁閥，主要用于對管路中的液體，空氣，蒸汽，油

3、，天然氣，酸堿性流體等介質(zhì)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和程序控制的自動(dòng)化。 圖(c)電磁閥 繼電器簡介 電磁式繼電器是利用改變金屬觸點(diǎn)位置而使動(dòng)觸點(diǎn)與定觸點(diǎn)閉合或分開的，所以具有接觸電阻小，流過電流大，耐壓高等優(yōu)點(diǎn)，適用于用小電流（小電壓）控制大電流的場合。 繼電器的種類很多，有電磁式繼電器，干簧繼電器和固態(tài)繼電器等。 繼電器簡介1.電磁繼電器圖 繼電器的電路符號電磁式繼電器的符號如圖所示，它由勵(lì)磁線圈及一對（或多對）常開、常閉觸點(diǎn)組成，其文字符號為KA，當(dāng)勵(lì)磁線圈通電時(shí)，常開觸點(diǎn)閉合，而常閉觸點(diǎn)則斷開，通常用相同的文字符號表示同一繼電器。繼電器簡介2固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器（SSR-Solid Stat

4、e Relay）具有工作可靠、體積小、驅(qū)動(dòng)功率小、無觸點(diǎn)、無噪聲、抗干擾、開關(guān)速度快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 圖SSR工作原理 固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器的應(yīng)用領(lǐng)域包括：微機(jī)系統(tǒng)外圍接口裝置、數(shù)控機(jī)床、遙控及保護(hù)系統(tǒng)、井下防爆電器開關(guān)、信號燈、閃爍器、燈光交換控制裝置、電動(dòng)機(jī)控制、中間繼電器、電磁閥控制等。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）產(chǎn)生PWM控制信號的方法主要有兩種：一種是用硬件產(chǎn)生PWM控制信號，隨著開關(guān)電源的發(fā)展和半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，集成的PWM芯片種類越來越多，如TL494A、SG3524、SG3525A、SD3842A等，性能也有很大的提高。另一種是用軟件方法輸出PWM控制信號，在智能儀器中通常采

5、用軟件實(shí)現(xiàn)PWM控制信號輸出，可以節(jié)省硬件開銷，且便于系統(tǒng)控制。 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）通過控制每個(gè)PWM周期內(nèi)高電平的時(shí)間長短（即通過控制占空比）可以調(diào)節(jié)輸出信號平均值的大小，微處理器利用開關(guān)量輸出接口或脈沖量輸出接口輸出PWM信號，再通過外部電路實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)。 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）例：用MCS-51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)軟件輸出PWM信號，要求輸出信號周期為T，占空比為75%。解：用8051單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器來產(chǎn)生PWM信號，即定時(shí)產(chǎn)生高、低電平輸出。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）PWM信號從引腳P3.4輸出，設(shè)T0工作于方式1，為16位加法計(jì)數(shù)器，則輸出高電平信號的持續(xù)時(shí)間tH為0.75T

6、和輸出低電平信號的持續(xù)時(shí)間tL=0.25T，則輸入計(jì)數(shù)值x和y可由下式求出： 13.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器常簡寫成D/A轉(zhuǎn)換器或DAC（Digital Analog Converter）,主要用于將n位二進(jìn)制的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，它是數(shù)字電子計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信及其它一些數(shù)字系統(tǒng)重要的接口電路。其轉(zhuǎn)換原理見書上P203，圖13-2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作原理則運(yùn)放的輸入電流為：運(yùn)放的輸出端電壓V0為：D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)：1. 分辨率（Resolution） 分辨率可以定義成當(dāng)輸入信號發(fā)生單位數(shù)字變化時(shí)，即LSB位產(chǎn)生一次變化時(shí)所對應(yīng)的輸出模擬量（電壓或電流）的變化量的大小。分辨率=模擬輸出

7、的最大值/2n但實(shí)際中常用二進(jìn)制位數(shù)來說明它的分辨率，例如DAC0832是8位的DAC，MAX543是12位的DAC等。 D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)：2.精度（Accuracy） 轉(zhuǎn)換精度一般是用最大引用誤差給出，簡稱精度。 當(dāng)不考慮D/A轉(zhuǎn)換器其他誤差時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的精度就是其分辨率的大小。 D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)： 例如DAC708器件的精度為：0.003%FS，為16位分辨率，當(dāng)其為單極性輸出，輸出模擬電壓范圍010V，則其輸出可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為： 同樣DAC708器件，當(dāng)其為雙極性輸出，輸出模擬電壓范圍為10時(shí)，則其輸出可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為：D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)：

8、3.轉(zhuǎn)換時(shí)間ts（轉(zhuǎn)換時(shí)間） 轉(zhuǎn)換時(shí)間ts是描述D/A轉(zhuǎn)換快慢的參數(shù)，是指從輸入數(shù)字量到輸出模擬量所需要的時(shí)間，當(dāng)需要實(shí)時(shí)響應(yīng)控制時(shí)要考慮這個(gè)參數(shù)。 課堂討論:DAC的作用是什么?輸出模擬量與輸入數(shù)字量之間有什么關(guān)系?DAC的主要性能指標(biāo)有哪些?13.2.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)各種D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)不同，它們與單片機(jī)接口方法也有差異，但就其基本引腳連接上，仍有共同之處：（1）數(shù)字量輸入方式（2）模擬量輸出方式（3）外部控制信號的連接方式。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù) 1.數(shù)字量輸入方式:串行輸入需要一個(gè)串行入并行出的寄存器，因?yàn)镈/A轉(zhuǎn)換是并行執(zhí)行的。并行輸入有的D/A轉(zhuǎn)換器含這兩種輸入方法，可控

9、制選取。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)2.模擬量輸出方式： D/A轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出也可以分為兩種，即電流輸出或電壓輸出，如果是電流輸出則不含運(yùn)算放大器，電壓輸出則在集成芯片中內(nèi)含了運(yùn)算放大器。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)圖中顯示了三種DAC的結(jié)構(gòu)模塊，顯然在使用這三種不同結(jié)構(gòu)的DAC時(shí)接口方式是不同的 。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)3.外部控制信號的連接方式 一般的模數(shù)轉(zhuǎn)換器都有芯片的選擇引腳（片選信號線）、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制、輸入鎖存器控制、寫信號控制等，這些控制線有電平控制和邊沿控制的區(qū)別。 DAC 0832與單片機(jī)的接口 DAC0832結(jié)構(gòu)圖 1.是幾位的DAC?2.需要外接運(yùn)算放大器嗎?3.WR1和WR2分別控

10、制什么?.4.1DAC0832結(jié)構(gòu) DAC 0832結(jié)構(gòu)與引腳功能輸出模擬電流與輸入二進(jìn)制數(shù)B之間的關(guān)系：IOUT1=B（UREF /（256 R）IOUT 2= UREF / RIOUT1根據(jù)引腳功能說明,掌握如何用單片機(jī)去控制DAC8032. DAC 0832 單緩沖方式接口及應(yīng)用 單緩沖方式兩個(gè)寄存器之中只有一個(gè)受控，另一個(gè)直通（控制端始終有效）或兩個(gè)寄存器同時(shí)受控打開，關(guān)閉。 同時(shí)打開 DAC 0832 單緩沖方式接口及應(yīng)用這時(shí)DAC0832相當(dāng)于8031外部的一個(gè)擴(kuò)展I/O口，當(dāng)?shù)刂肪€A14(P2.6)=1時(shí)，即可選通DAC0832，設(shè)口地址為0FFFFH，CPU對該口地址進(jìn)行一次寫

11、操作，就把一個(gè)數(shù)字量直接寫入到DAC寄存器，通過D/A轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)模擬量。通過程序設(shè)計(jì)，該電路可以產(chǎn)生各種不同的輸出波形。 DAC 0832 單緩沖方式接口及應(yīng)用例: 產(chǎn)生鋸齒波的程序：START：MOV DPTR,#0FFFFH；選中DAC 0832 MOV A,#00HLP： MOVX DPTR,A；轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送DAC INC A ；數(shù)據(jù)加1 CJNE A，#51，LP；未到最大值繼續(xù) MOV A，#00H；下一個(gè)鋸齒波開始 SJMP LPDAC 0832雙緩沖方式及與8051的接口 雙緩沖方式DAC0832的兩個(gè)寄存器分別受控，這種工作方式適合于多路模擬信號同時(shí)輸出的應(yīng)用場合。這時(shí)每一個(gè)

12、模擬量的輸出需要一片DAC 0832，構(gòu)成多路同步輸出系統(tǒng)。 DAC 0832雙緩沖方式及與8051的接口先后輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)開始轉(zhuǎn)換。課堂討論:DAC8032的片選信號是否相同?其作用是什么?DAC8032的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號是否相同?其作用是什么?雙緩沖方式適用于什么場合?DAC 0832雙緩沖方式及與8051的接口例： 設(shè)圖中選中第一片DAC 0832的地址為00FEH，第二片為00FFH，選通兩片DAC 寄存器的地址為FF00H，X的輸出量放在R0，Y的輸出量放在R1，則其轉(zhuǎn)換程序如下：TRANS： MOV DPTR，#00FEH MOV A，R0 MOVX DPTR, A ；數(shù)據(jù)X寫入第一片

13、DAC MOV A, R1 MOV DPTR, #00FFH；數(shù)據(jù)Y寫入第二片DAC MOVX DPTR, A MOV DPTR,#0FF00H；兩片同時(shí)轉(zhuǎn)換輸出 MOVX DPTR,A RET 輸出接口電路仿真舉例 發(fā)光二極管輸出仿真 發(fā)光二極管可以直接與單片機(jī)相連，作為單片機(jī)的輸出指示，因此在練習(xí)編程和設(shè)計(jì)仿真時(shí)可以用發(fā)光二極管來驗(yàn)證程序和設(shè)計(jì)。 1、 發(fā)光二極管輸出仿真 圖4.19 單片機(jī)與發(fā)光二極管連接圖 1.與發(fā)光二極管相連的電阻起什么作用?可以不接嗎?2.圖中 為什么接地?可以接高電平嗎 ?課堂討論2、電磁繼電器輸出仿真電磁繼電器和固態(tài)繼電器的控制比較簡單，只是單片機(jī)的I/O端口的輸出功率比較小，不能直接接繼電器，所以要加一個(gè)驅(qū)動(dòng)，最簡單的驅(qū)動(dòng)是用三極管。 2、電磁繼電器輸出仿真 提問：要使L2導(dǎo)通，P2.4輸出信號是高電平還是低電平？3、 DAC0832與單片機(jī)的接口仿真示波器觀察到的連續(xù)輸出波形小結(jié) 對小功率的輸出設(shè)備，可以直接用三極管構(gòu)成反相驅(qū)動(dòng)器或用集電極開路的反相器構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，要注意選擇適當(dāng)?shù)南蘖麟娮琛?繼電器是常用的以較低直流電壓控制較高的交流電壓或直流電壓、大電流的器件。 小結(jié)脈沖寬度調(diào)制（Pulse-Width Modulat