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其他儀器儀表時，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)，一旦其中一個發(fā)生故障，其他設(shè)備都會失去信號；而且，互相串聯(lián)的各個接收設(shè)備輸入端對地電位不等，也會引起一些麻煩其他要求：多個接收信號輸入阻抗必須足夠高開關(guān)量輸出信號:越限報警：聲光報警 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”和“手動”狀態(tài)、“正?！焙汀肮收稀睜顟B(tài)等。開關(guān)量的驅(qū)動接口只有高、低電平兩種狀態(tài)的輸出信號。課堂討論:單管驅(qū)動時三極管工作在什么狀態(tài)?B極和C極的兩個電阻如何選取?OC（Open Collector）門集成電路的輸出有什么特點?什么時候要選用繼電器驅(qū)動?開關(guān)量的驅(qū)動接口圖（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)的自動控制，實現(xiàn)節(jié)能和程序控制的自動化。 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位置而使動觸點與定觸點閉合或分開的，所以具有接觸電阻小，流過電流大，耐壓高等優(yōu)點，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，它由勵磁線圈及一對（或多對）常開、常閉觸點組成，其文字符號為KA，當(dāng)勵磁線圈通電時，常開觸點閉合，而常閉觸點則斷開，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)動功率小、無觸點、無噪聲、抗干擾、開關(guān)速度快、壽命長等優(yōu)點。 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PWM周期內(nèi)高電平的時間長短（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，再通過外部電路實現(xiàn)功率驅(qū)動。 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）例：用MCS-51系列單片機(jī)實現(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)部定時器來產(chǎn)生PWM信號，即定時產(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位加法計數(shù)器，則輸出高電平信號的持續(xù)時間tH為0.75T

6、和輸出低電平信號的持續(xù)時間tL=0.25T，則輸入計數(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放的輸入電流為：運放的輸出端電壓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，即LSB位產(chǎn)生一次變化時所對應(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，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，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)換時間ts（轉(zhuǎn)換時間） 轉(zhuǎn)換時間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間，當(dāng)需要實時響應(yīng)控制時要考慮這個參數(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:串行輸入需要一個串行入并行出的寄存器，因為D/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算放大器，電壓輸出則在集成芯片中內(nèi)含了運算放大器。 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 單緩沖方式兩個寄存器之中只有一個受控，另一個直通（控制端始終有效）或兩個寄存器同時受控打開，關(guān)閉。 同時打開 DAC 0832 單緩沖方式接口及應(yīng)用這時DAC0832相當(dāng)于8031外部的一個擴(kuò)展I/O口，當(dāng)?shù)刂肪€A14(P2.6)=1時，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，就把一個數(shù)字量直接寫入到DAC寄存器，通過D/A轉(zhuǎn)換，輸出一個模擬量。通過程序設(shè)計，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的兩個寄存器分別受控，這種工作方式適合于多路模擬信號同時輸出的應(yīng)用場合。這時每一個

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)計仿真時可以用發(fā)光二極管來驗證程序和設(shè)計。 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，所以要加一個驅(qū)動，最簡單的驅(qū)動是用三極管。 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)動器或用集電極開路的反相器構(gòu)成驅(qū)動電路，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