計算機控制技術(shù)(湯楠)課件

第二章過程輸入/輸出通道2.1概述2.2采樣與量化2.3模擬量輸入通道2.4模擬量輸出通道2.5數(shù)字量輸入/輸出通道2.6工業(yè)控制計算機I/O模板本章小節(jié)習題第二章過程輸入/輸出通道2.1概述2.1概述

為了實現(xiàn)計算機對生產(chǎn)過程的控制，必須在計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置信息的傳遞和交換的連接通道，這就是輸入/輸出通道，又稱為過程通道，它是主機與被控對象進行信息交換的紐帶，是生產(chǎn)過程控制所特殊要求的。由于微機只能處理數(shù)字量，而一般的連續(xù)化生產(chǎn)過程大都是以模擬量為主，因此，為實現(xiàn)微機控制，還必須把模擬量變換成數(shù)字量，或者把數(shù)字量變換成模擬量。過程通道一般可分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)量輸入通道和開關(guān)量輸出通道等。2.1過程通道是不能直接由主機控制的，必須由“接口”來傳送相應(yīng)的信息和命令。計算機控制系統(tǒng)的接口，根據(jù)應(yīng)用的不同，有各種不同的接口電路。這里講的接口是指通用接口電路，一般有并行接口、串行接口和管理接口（包括中斷管

理、直接存取管理(DMA)和計數(shù)/定時等）。過程通道是不能直接由主機控制的，必須由“接口”來傳送相通用外圍設(shè)備主要是為了擴大主機的功能而設(shè)置的。

通用外圍設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲設(shè)備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來配置。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標等，主要用來輸入程序、數(shù)據(jù)和命令等。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機和記錄儀等。輸出設(shè)備將各種數(shù)據(jù)和信息提供給操作人員，使其能夠了解過程控制的情況。存儲設(shè)備用來存儲數(shù)據(jù)庫和備份重要的數(shù)據(jù)，主要有磁盤和光盤等。通用外圍設(shè)備主要是為了擴大主機的功能而設(shè)置的。

通用外工業(yè)對象的過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器變換為等效的電信號。在計算機控制系統(tǒng)中，為了收集和測量各種參數(shù)，廣泛采用了各種檢測元件和儀表，它們的主要功能是把被檢測的參數(shù)由非電量轉(zhuǎn)換為電量，如熱電偶把溫度變成電信號，壓力變送器把壓力變成電信號等。這些信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的微機標準電平后再送入計算機。因此，檢測元件精度的高低直接影響計算機控制系統(tǒng)的精度。工業(yè)對象的過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器變換為了控制生產(chǎn)過程，系統(tǒng)還需要有執(zhí)行機構(gòu)。常用的執(zhí)行機構(gòu)有電動、液動和氣動等形式，另外還有動力電機和控制電機，它們也是計算機控制系統(tǒng)設(shè)計人員經(jīng)常選用的執(zhí)行機構(gòu)。

操作臺是人機對話的聯(lián)系紐帶。程序員使用該人機設(shè)備（運行操作臺）來輸入、修改和檢查程序，當主機硬件發(fā)生故障時，維修人員可以利用此設(shè)備判斷故障。操作人員使用操作臺完成生產(chǎn)過程的監(jiān)視和操作任務(wù)。為了控制生產(chǎn)過程，系統(tǒng)還需要有執(zhí)行機構(gòu)。常用的執(zhí)行機2.1.1過程通道的分類及基本結(jié)構(gòu)

計算機對生產(chǎn)過程進行檢測和控制時，需要采集控制現(xiàn)場的各種信息并輸入到計算機中，按照一定的控制規(guī)律進行處理和運算后，再把控制信號輸出給執(zhí)行機構(gòu)或外部設(shè)備，以實現(xiàn)特定要求的控制。過程通道就是計算機和控制對象之間進行信息傳遞和交換的橋梁，以完成兩者間物理上的連接和信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。2.1.1過程通道的分類及基本結(jié)構(gòu)

計算機對生不同的信號轉(zhuǎn)換功能，由不同類型的過程通道來完成，常用的計算機輸入/輸出通道分為如下四類。

1.模擬量輸入通道

模擬量是連續(xù)變化的量，生產(chǎn)過程的許多參數(shù)，如溫度、壓力、液位、流量都可以通過不同的檢測裝置轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號，然后再將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號輸入到計算機。不同的信號轉(zhuǎn)換功能，由不同類型的過程通道來完成，模擬量輸入通道的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它由信號調(diào)理電路、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器和總線接口等組成。整個模擬量輸入通道可分為兩部分。一部分是模擬量輸入接口，它是A/D轉(zhuǎn)換器及其與計算機的數(shù)字量接口。采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換器是配合A/D轉(zhuǎn)換器工作的，也可算作模擬量接口的一部分。目前一些較新的A/D芯片已內(nèi)含采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換器。另一部分則是對模擬量輸入信號進行調(diào)理，以適合A/D轉(zhuǎn)換器對輸入電壓要求的相關(guān)電路。模擬量輸入通道的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它由信號調(diào)理電圖2.1模擬量輸入通道的基本結(jié)構(gòu)圖2.1模擬量輸入通道的基本結(jié)構(gòu)2.模擬量輸出通道

生產(chǎn)設(shè)備或過程的許多執(zhí)行機構(gòu)，往往用模擬信號來控制，而計算機輸出的控制信號是數(shù)字量，這就要求用相應(yīng)的電路將數(shù)字量輸出并轉(zhuǎn)換為模擬量。

模擬量輸出通道的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，它是一種典型的多個通道共享D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)形式，由輸出保持器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和D/A轉(zhuǎn)換器組成。2.模擬量輸出通道

生產(chǎn)設(shè)備或過程的許多執(zhí)行機構(gòu)在輸出數(shù)據(jù)時，D/A轉(zhuǎn)換器在CPU的控制下分時工作，依次把輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，再通過多路開關(guān)傳送給各路輸出采樣保持器。采樣保持器通常采用零階保持器，它可使前一時刻輸出的采樣值保持到下一輸出時刻。在輸出數(shù)據(jù)時，D/A轉(zhuǎn)換器在CPU的控制下分時工作，圖2.2模擬量輸出通道的基本結(jié)構(gòu)圖2.2模擬量輸出通道的基本結(jié)構(gòu)3.數(shù)字量（開關(guān)量）輸入通道

生產(chǎn)設(shè)備或控制系統(tǒng)的許多狀態(tài)信息，如開關(guān)、按鈕和繼電器的觸點等只有兩種狀態(tài)：斷開和閉合，對這類信號的拾取可通過數(shù)字量輸入通道來實現(xiàn)。數(shù)字量輸入通道的基本結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，它主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路和輸入地址譯碼電路等組成。輸入緩沖器是緩沖或選通外部輸入的信號，CPU通過緩沖器讀入外部數(shù)字量的狀態(tài)，地址譯碼器完成數(shù)字量輸入通道的選通和關(guān)閉，輸入調(diào)理通道完成對現(xiàn)場開關(guān)信號的濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離和整形等。3.數(shù)字量（開關(guān)量）輸入通道

生產(chǎn)設(shè)備或控制系統(tǒng)圖2.3開關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)圖2.3開關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)4.數(shù)字量（開關(guān)量）輸出通道

生產(chǎn)過程中，有一類對象的控制只需二值邏輯就可實現(xiàn)，如指示燈的亮和滅、電動機的運行和停止、晶閘管的通和斷以及閘門的開和關(guān)等，數(shù)字量輸出通道就可以完成這些功能。

數(shù)字量輸出通道的基本結(jié)構(gòu)如圖2.4所示，它主要由輸出鎖存器、光電隔離器、輸出驅(qū)動器和地址譯碼器等組成。輸出鎖存器用于鎖存CPU輸出的數(shù)，光電隔離器是為保證計算機安全可靠地工作，將CPU與驅(qū)動電路的強電及干擾信號隔

離，輸出驅(qū)動器是用以驅(qū)動繼電器或執(zhí)行機構(gòu)的功率放大器。4.數(shù)字量（開關(guān)量）輸出通道

生產(chǎn)過程中，有一

圖2.4數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)圖2.4數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)2.1.2人機接口及其應(yīng)用

計算機測控系統(tǒng)通常具有人機對話功能，一方面是操作人員能向系統(tǒng)發(fā)布命令和輸入數(shù)據(jù)，另一方面是系統(tǒng)能向操作人員報告系統(tǒng)運行狀態(tài)和運行結(jié)果。輸入功能可通過系統(tǒng)操作面板上的鍵盤來實現(xiàn)，輸出功能主要是通過顯示、記錄和報警等裝置來實現(xiàn)。2.1.2人機接口及其應(yīng)用

計算機測控系統(tǒng)通常具有1.顯示接口技術(shù)及其應(yīng)用

計算機測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器（LED）和液晶顯示器（LCD）。在不帶微型計算機的測控系統(tǒng)中，這些數(shù)字顯示器通常

與BCD碼輸出的A/D轉(zhuǎn)換器連接；而在微型計算機測控系統(tǒng)中，這些數(shù)字顯示器通常與微機接口連接。

1）LED顯示器接口技術(shù)及其應(yīng)用

（1）LED顯示器的結(jié)構(gòu)。1.顯示接口技術(shù)及其應(yīng)用

計算機測控系統(tǒng)中常用的發(fā)光二極管（LED:LightEmittingDiode）是一種電-光轉(zhuǎn)換型器件，LED顯示器是由發(fā)光二極管組成的顯示字段的顯示器件，分為共陰極與共陽極兩種。共陰極LED顯示器是將發(fā)光二極管的陰極連在一起作為公共端，使用時該端接低電平。共陽極LED顯示器是將發(fā)光二極管的陽極連在一起作為公共端，使用時該端接高電平。

常用的七段LED顯示器中有八個發(fā)光二極管，也稱八段顯示器。其中七個發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字形“8”，一個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點，如圖2.5所示。七段LED顯示段碼表如表2.1所示。發(fā)光二極管（LED:LightEmittingDi圖2.5LED顯示器引腳圖圖2.5LED顯示器引腳圖計算機控制技術(shù)(湯楠)-[279頁]課件（2）LED顯示器接口的應(yīng)用。

測控系統(tǒng)中的LED顯示器通常由多位的LED數(shù)碼管排列而成，每位數(shù)碼管內(nèi)部有八個發(fā)光二極管。從顯示數(shù)字的BCD碼轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的段選碼稱為譯碼，譯碼既可用硬件來實現(xiàn)也可用軟件來實現(xiàn)。采用硬件實現(xiàn)時，微機輸出的是顯示

數(shù)字的BCD碼，微機與LED段選端間的接口電路包括鎖存器（鎖存顯示數(shù)字的BCD碼）、譯碼器（將BCD碼輸入轉(zhuǎn)換成段選碼輸出）和驅(qū)動器（驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光）。（2）LED顯示器接口的應(yīng)用。

測控系統(tǒng)中的L采用軟件譯碼時，微機輸出的是通過查表軟件得到的段選碼，接口電路中無需譯碼器，只需要鎖存器和驅(qū)動器。為使發(fā)光二極管正常發(fā)光，導(dǎo)通電流IF以5~10mA為宜，管壓降VF在2V左右，若驅(qū)動器驅(qū)動電壓為VOH，則發(fā)光二極管串聯(lián)限流電阻R可按下式計算:采用軟件譯碼時，微機輸出的是通過查表軟件得到的段選碼，多位的LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。所謂靜態(tài)顯示就是各位同時顯示，在此顯示狀態(tài)下，各位的LED數(shù)碼管的位選端應(yīng)連接在一起固定接地（共陰極）或接

+5V（共陽極），每位數(shù)碼管的段選端應(yīng)該分別接一個8位鎖存器/驅(qū)動器。所謂動態(tài)顯示就是逐位輪流顯示，這種顯示方式必須要求各位的LED數(shù)碼管的段選端并接在一起，由同一個8位I/O口或鎖存器/驅(qū)動器控制，而各位數(shù)碼管的位選端分別由相應(yīng)的I/O口線或鎖存器控制。多位的LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。所謂靜由于篇幅的關(guān)系，下面只介紹靜態(tài)顯示方式。

LED顯示器工作在靜態(tài)顯示方式時，每位的位選端（公共端）接地（共陰極）或為+5V（共陽極)，每位的段選端（a~dp）與一個8位并行口相連。當某位的位選信號有效時，只要在該位的段選端上保持段選碼電平，該位就顯示相應(yīng)的

字符，一直到下次刷新顯示段碼時為止。這種顯示占用CPU的時間少，但使用元件多，線路復(fù)雜，硬件成本較高。

應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)顯示方式通常采用BCD七段鎖存、譯碼驅(qū)動芯片作為每位LED顯示器的接口，常用的芯片有MC14495、CD4511等。下面以MC14495為例，來分析LED靜態(tài)顯示的接口設(shè)計。由于篇幅的關(guān)系，下面只介紹靜態(tài)顯示方式。

LEMC14495片的引腳圖如圖2.6所示，其真值表如表2.2所示。A、B、C、D為二進制碼（BCD碼）輸入端，a~g為七段代碼輸出，LE為鎖存控制端，它為低電平時可以輸入數(shù)據(jù)，反之鎖存。h+i為輸入數(shù)據(jù)大于等于10的指示位，若輸入數(shù)據(jù)大于或等于10，則h+i輸出高電平，反之輸出低電平。VCR為輸入等于15的指示位，若輸入數(shù)據(jù)等于15，則VCR輸出低電平，否則輸出高電平。MC14495片的引腳圖如圖2.6所示，其真值表如表2圖2.6MC14495片的引腳圖圖2.6MC14495片的引腳圖計算機控制技術(shù)(湯楠)-[279頁]課件采用MC14495芯片的四位靜態(tài)LED顯示接口電路如圖2.7所示。MC14495內(nèi)部有輸出限流電阻，不需外加限流電阻。MC14495不提供dp（小數(shù)點）信號，如系統(tǒng)要求顯示帶小數(shù)點的數(shù)字，則應(yīng)在八段LED顯示器的dp端另加驅(qū)動控制。

圖2.7中，P1.7~P1.4用于輸出BCD碼，P1.2控制2-4譯碼器的使能端，低電平有效，P1.0和P1.1為位選譯碼輸出口。工作時，單片機通過P1口送出代碼，使每一位LED顯示系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)，因此在同一時間里每一位顯示的字符可以各不相同。LED顯示器靜態(tài)顯示的程序比較簡單，這里不再贅述。采用MC14495芯片的四位靜態(tài)LED顯示接口電路如圖2圖2.7四位靜態(tài)LED顯示器的接口電路圖2.7四位靜態(tài)LED顯示器的接口電路2）LCD顯示器接口技術(shù)及其應(yīng)用

（1）LCD顯示器工作原理。

液晶顯示器是一種極低功耗的顯示器件。目前隨著生產(chǎn)工藝水平的提高，液晶顯示器的成本逐年降低，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域，大有取代LED顯示器的趨勢。液晶顯示器是在平整度很好的玻璃面噴上二氧化錫透明導(dǎo)電層形成電極，在上下導(dǎo)電層之間注入液晶材料密封而成的。若在液晶屏正面電極的某點和背面電極間加適當大小的電壓，那么該點所夾持的液晶便產(chǎn)生散射效應(yīng)，并顯示出點陣。根據(jù)需要，可將電極做成各種文字、數(shù)字或點陣，就可獲得所需的各種顯示。2）LCD顯示器接口技術(shù)及其應(yīng)用

（1）LCD液晶顯示器是一種被動式顯示器件，液晶本身并不發(fā)光，而是靠調(diào)制外界光達到顯示目的，即依靠對外界光的不同反射和透射形成不同對比度來達到顯示目的，所以其使用范圍受到限制。LCD顯示器的工作溫度范圍一般為－10℃~

60℃。

(2)LCD顯示器接口的應(yīng)用。

LCD顯示器分為段式和點陣式兩種，本小節(jié)只討論段式LCD。液晶顯示器是一種被動式顯示器件，液晶本身并不發(fā)光，而與LED很相似，段式LCD也是七段（或八段）顯示結(jié)構(gòu)，也有七個（或八個）段選端。LCD與LED不同之處在于每個字形段要由頻率為幾十赫茲到數(shù)百赫茲的節(jié)拍方波信號驅(qū)動，該方波信號加到LCD的公共電極和段驅(qū)動器的節(jié)拍信號輸入端。

LCD顯示器的驅(qū)動方式由電極引線的選擇方式確定，因此，當選擇好LCD顯示器之后，用戶再無法改變驅(qū)動方式。LCD顯示器的驅(qū)動方式一般有靜態(tài)驅(qū)動和動態(tài)（時分割）驅(qū)動兩種。與LED很相似，段式LCD也是七段（或八段）顯示結(jié)構(gòu)，靜態(tài)LCD驅(qū)動接口的功能是將要顯示的數(shù)據(jù)通過譯碼器轉(zhuǎn)換為顯示碼，再變?yōu)榈皖l的交變信號，送到LCD顯示器。譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼兩種，硬件譯碼采用譯碼器，軟件譯碼采用查表的方法。

當顯示字段增多時，為減少引出線和驅(qū)動回路數(shù)，必須采用時分割驅(qū)動方式。時分割驅(qū)動方式通常采用電壓平均化法，其占空比有1/2、1/8、1/16、1/32等，偏壓有1/2、1/3、1/4、1/5等。靜態(tài)LCD驅(qū)動接口的功能是將要顯示的數(shù)據(jù)通過譯碼器轉(zhuǎn)換為液晶顯示驅(qū)動器有一位和多位之分，常用的一位液晶顯示驅(qū)動器有MC14543、CD4543、CD4056等，多位液晶顯示驅(qū)動器有ICM7211等，專門用于小數(shù)點驅(qū)動器的有CD4054。下面以MC14543為例，來分析LCD靜態(tài)顯示接口的設(shè)計。

MC14543芯片的引腳圖如圖2.8所示。A、B、C、D為BCD碼輸入，a~g為七段代碼輸出。LD為鎖存使能端，高電平有效，下跳沿低電平鎖存數(shù)據(jù)(LD的脈沖寬度不小于400ns)。液晶顯示驅(qū)動器有一位和多位之分，常用的一位液晶顯示驅(qū)動圖2.8MC14543芯片的引腳圖圖2.8MC14543芯片的引腳圖PH為顯示方式控制端，驅(qū)動共陰極LED時，PH接低

電平；驅(qū)動共陽極LED時，PH接高電平。在驅(qū)動LCD時，PH端接方波信號。BI為消隱控制端，高電平有效。

采用MC14543作為驅(qū)動器的四位靜態(tài)LCD顯示接口電路如圖2.9所示。因MC14543沒有驅(qū)動小數(shù)點功能，所以只能顯示數(shù)字0~9。PH為顯示方式控制端，驅(qū)動共陰極LED時，PH接低圖2.9四位靜態(tài)LCD顯示接口電路圖2.9四位靜態(tài)LCD顯示接口電路圖2.9中，LCD顯示器采用四位液晶顯示器4N07，它的工作電壓為3~6V，閾值電壓為1.5V，工作頻率為50~200Hz，每片MC14543驅(qū)動一位LCD，其BCD碼輸入端A~D由8031的P1口低四位控制。每片MC14543鎖存時使能端LD分別由P1口高四位控制。MC14543的顯示方式控制端PH由8031的P3.7提供一低頻方波信號，該方波信號同時提供給LCD顯示器的公共端COM。圖2.9中，LCD顯示器采用四位液晶顯示器4N07，LCD顯示器的軟件設(shè)計可參考上述LED動態(tài)顯示的軟件設(shè)計思路，在圖2.9中，設(shè)LCD顯示器最左端對應(yīng)顯示緩沖區(qū)的最高位，即顯示順序從左至右；R2中存放顯示控制字；8031片內(nèi)RAM的40H~43H單元為顯示緩沖區(qū)，依次存放四個要顯示數(shù)字的BCD碼；顯示方波信號由定時器中斷產(chǎn)生，中斷服務(wù)程序中改變P3.7端的輸出電平可實現(xiàn)方波信號的輸出。定時時間約為10ms，顯示方波的頻率為50Hz。程序運行時，先將要顯示的數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼后，填入顯示緩沖區(qū)，通過8031的P1.0~P1.3送出；再將要顯示的數(shù)的位置，通過8031的P1.4~P1.7送出。LCD顯示器的軟件設(shè)計可參考上述LED動態(tài)顯示的軟件設(shè)計主程序：

ORG0060H

DISB： DS40H ；顯示緩沖區(qū)

ORG0000H

INIT： LJMPINIT1 ；轉(zhuǎn)初始化

ORG001BH

LJMPINTT ；定時器1中斷入口

INIT1： MOVTMOD，#10H ；置定時器為方式1

MOVTH1，#0FAH ；10ms中斷

SETBEA ；開中斷

SETBTR1主程序：

ORG0060HSETBET1

;其他工作

LCALLDISP;調(diào)用顯示子程序

;其他工作

顯示子程序：

DISP：MOVR0，#DISB；R0指向顯示緩沖區(qū)最高位

MOVR2，#10H；設(shè)定最高位鎖存控制標志

DISP1：MOVA，@R0；取顯示數(shù)碼

ANLA，#0FH；保留BCD碼SETBET1

;其他工作

LC

ORLA，R2 ；加上鎖存控制位

MOVP1，A ；送入MC14543

ANLP1，#0FH ；置所有MC14543為鎖存狀態(tài)

INCR0 ；R0指向顯示緩沖區(qū)下一位

MOVA，R2 ；鎖存端控制標志送A

RLA

MOVR2，A

JNBACC.0，DISP1 ；未完成四位則繼續(xù)

RET ；已更新顯示，返回

ORLA，R2 ；加上鎖存控制位

定時器1中斷服務(wù)程序：

INTT：CPLP3.7 ;P3.7輸出電平取反

MOVTH1，#0FAH ；置定時器計數(shù)初值

RET1 ；中斷返回

點陣式液晶顯示器的動態(tài)驅(qū)動接口通常采用專門的集成電路芯片來實現(xiàn)，如TOSHIBA公司生產(chǎn)的T6963C控制器。定時器1中斷服務(wù)程序：

INTT：CPLP3.72.鍵盤接口及其應(yīng)用

鍵盤是微機測控系統(tǒng)中必不可少的輸入部件，它用來進行人機對話或某種操作，如輸入和修改參數(shù)、啟/停系統(tǒng)運行、選擇工作方式等。

1）鍵盤的特點及去抖動

鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的組合。通常，按鍵所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，均利用了機械觸點的閉合、斷開作用。2.鍵盤接口及其應(yīng)用

鍵盤是微機測控系統(tǒng)中必不可一次鍵盤輸入是通過一個按鍵開關(guān)的機械觸點的閉合、斷開過程完成的。由于機械開關(guān)的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下子斷開，因而在閉合與斷開的瞬間均有一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5~10ms，如圖2.10所示。為保證CPU對按鍵的一次閉合與斷開僅作一次按鍵輸入處理，必須消除抖動的影響。一次鍵盤輸入是通過一個按鍵開關(guān)的機械觸點的閉合、斷開過圖2.10按鍵抖動信號波形圖2.10按鍵抖動信號波形通常，去抖動的措施有硬、軟件兩種。硬件去抖動的方法主要有濾波和雙穩(wěn)態(tài)消抖電路等，如果按鍵較多，則硬件去抖方法的電路太復(fù)雜，在實際系統(tǒng)中較少采用，這里主要介紹軟件去抖動的方法。

軟件去抖動方法的原理是：第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后，再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果仍保持閉合狀態(tài)電平就確認為真正有鍵按下，否則視為無效，從而消除了抖動的影響。這種方式由

于不需要追加硬件投入而被廣泛使用，但此種方法需要占用CPU的時間。通常，去抖動的措施有硬、軟件兩種。硬件去抖動的方法2)重鍵及處理技術(shù)

在實際操作過程中，如果無意同時或先后按下兩個以上的鍵，這時就很難確認哪個鍵是有效的，這就是所謂的重鍵問題，對此一般采用軟件技術(shù)來解決。

當發(fā)生有鍵按下時，經(jīng)10ms延時去除抖動后，程序轉(zhuǎn)入按鍵定位階段，確定按下的是單鍵還是多鍵以及各按鍵具體的行、列位置，并按以下方法處理。2)重鍵及處理技術(shù)

在實際操作過程中，如果無意如果是單鍵，則以此鍵為準，其后(指等待此鍵釋放的過程中)其他的任何按鍵均無效。這只要讓程序在以后的操作中不再進行按鍵定位處理，只注視所有按鍵都釋放這一結(jié)果即可。

如果是多鍵，處理方法有三種：其一是將此次按鍵操作視為無效(通常應(yīng)鳴響以示告警)；其二是視多鍵都有效，按掃描順序，將識別出的按鍵依次存入緩沖區(qū)中以待處理；其三是不斷對按鍵進行定位處理，或者認為最先釋放的按鍵有效，其他鍵無效，或者認為最后釋放的按鍵有效，而其他按鍵無效。如果是單鍵，則以此鍵為準，其后(指等待此鍵釋放的過程3）鍵盤的結(jié)構(gòu)與類型

鍵盤就其結(jié)構(gòu)形式來分，有編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。前者用硬件電路來識別鍵代碼，后者用軟件來識別鍵代碼。（1）編碼按鍵的結(jié)構(gòu)。編碼按鍵（又稱獨立式鍵盤）是指將按鍵直接掛接在微處理器I/O接口上而構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O接口引線，每根I/O接口引線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他I/O口的工作狀態(tài)，如圖2.11所示。3）鍵盤的結(jié)構(gòu)與類型

鍵盤就其結(jié)構(gòu)形式來分，有圖2.11編碼鍵盤電路圖2.11編碼鍵盤電路編碼按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一個I/O口，當按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費較大。所以這種鍵盤電路通常用于按鍵數(shù)量不多的場合。

圖2.11所示的電路是以中斷方式工作的獨立式按鍵電路，若不將與門連接到INT，即可成為查詢方式電路，通常按鍵輸入都采用低電平有效。上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O接口引線上有確定的高電平。當I/O口內(nèi)部有上拉電阻時，外電路可以不配置上拉電阻。編碼按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占（2）非編碼鍵盤結(jié)構(gòu)。非編碼鍵盤又稱為行列式鍵盤或矩陣式鍵盤。該鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列的交叉點上。例如用2×2的行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成4個鍵的鍵盤，4×4的行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成16個

鍵的鍵盤。非編碼鍵盤的電路原理圖如圖2.12所示。（2）非編碼鍵盤結(jié)構(gòu)。非編碼鍵盤又稱為行列式鍵盤或矩圖2.12非編碼鍵盤的電路原理圖圖2.12非編碼鍵盤的電路原理圖非編碼鍵盤的工作原理是：行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，行線通過上拉電阻到+5V上。因為按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點上，所以平時無鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)；而當有鍵按下時，行線的電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。若列線為低電平，則行線就為低電平；若列線為高電平，則行線也為高電平，這是識別非編碼鍵盤按鍵是否被按下的關(guān)鍵所在。由于非編碼鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平，各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，因此必須將行、列線信號配合起來并作適當處理，才能正確地確定閉合鍵的位置。非編碼鍵盤的工作原理是：行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的4）鍵盤的工作方式

微機測控系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU各項工作中的一個內(nèi)容，對鍵盤操作的處理不能過多地占用CPU的時間，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，選擇適當?shù)逆I盤工作方式。鍵盤的工作方式有查詢掃描方式、定時掃描方式和中斷掃描方式

三種。4）鍵盤的工作方式

微機測控系統(tǒng)中，鍵盤掃描只（1）查詢掃描方式：利用CPU在完成其他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序，對已按下的鍵進行查詢和相應(yīng)的處理。在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU不再響應(yīng)其他鍵的輸入請求。進行應(yīng)用系統(tǒng)軟件方案設(shè)計時，要考慮對這種鍵盤掃描子程序

的調(diào)用應(yīng)能滿足鍵盤的響應(yīng)要求。

（2）定時掃描方式：利用單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生定時中斷，CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進行掃描，并在有鍵按下時轉(zhuǎn)入鍵功能處理程序。當把一次按鍵處理完畢后，CPU返回到中斷點處，并再次啟動定時。（1）查詢掃描方式：利用CPU在完成其他工作的空余，（3）中斷掃描方式：系統(tǒng)工作并不經(jīng)常需要按鍵操作，因此，無論是查詢掃描方式還是定時掃描方式，CPU往往會處于空掃描狀態(tài)。為進一步提高CPU的效率，可采用中斷掃描方式。即只有當有鍵按下時，才向CPU發(fā)出中斷申請，

并在CPU開放該中斷的前提下，響應(yīng)中斷請求，進入中斷服務(wù)程序，完成對鍵盤的掃描和按下鍵的相關(guān)處理工作。（3）中斷掃描方式：系統(tǒng)工作并不經(jīng)常需要按鍵操作，5）鍵盤接口技術(shù)及其應(yīng)用

下面通過實例來分析編碼鍵盤的接口技術(shù)。實際鍵盤電路如圖2.11所示。

（1）硬件設(shè)計。在圖2.11中，8031通過P1口擴展了4個按鍵。每個按鍵的鍵值與8位二進制碼對應(yīng)，分別為FEH、FDH、FBH和F7H。5）鍵盤接口技術(shù)及其應(yīng)用

下面通過實例來分析編碼（2）軟件設(shè)計。首先，應(yīng)確定鍵的數(shù)量和對應(yīng)的鍵編碼（建立編碼表）；其次，確定鍵盤的工作方式。若采用查詢法，鍵掃描子程序的調(diào)用次數(shù)一定要合理，既不能太頻繁而影響CPU的工作效率，又不能太少而造成對按鍵的響應(yīng)不

及時；若采用定時掃描方式，需要注意定時時間的確定以及系統(tǒng)在響應(yīng)定時中斷時是否響應(yīng)更高級別的中斷。（2）軟件設(shè)計。首先，應(yīng)確定鍵的數(shù)量和對應(yīng)的鍵編碼本例中，有4個按鍵，分別為K1、K2、K3和K4，并采用查詢法獲取按鍵信息。若無鍵按下，P1口讀入FFH；若有鍵按下，可根據(jù)上述編碼判斷是哪個鍵按下。程序清單如下，程序中的標號K1~K4分別為每個按鍵的功能程序。

START：MOVP1，#0FFH；清P1口

KEY：MOVXA，P1；讀入P1口按鍵狀態(tài)

CJNEA，#0FFH，KY1；有鍵按下先查K1鍵JMPOVER；無鍵按下，返回本例中，有4個按鍵，分別為K1、K2、K3和K4KY1：CJNEA，#0FEH，KY2；K1鍵未按下查K2鍵

JMPK1；K1鍵按下，轉(zhuǎn)至K1功能鍵處理程序入口KY2：CJNEA，#0FEH，KY3;K2鍵未按下查K3鍵

JMPK2；K2鍵按下，轉(zhuǎn)至K2功能鍵處理程序入口KY3：CJNEA，#0FEH，KY4；K3鍵未按下查K4鍵

JMPK3；K3鍵按下，轉(zhuǎn)至K3功能鍵處理程序入口KY4：CJNEA，#0F7H，OVER；K4鍵未按下，返回

JMPK3；K4鍵按下，轉(zhuǎn)至K4功能鍵處理程序入口OVER：RETKY1：CJNEA，#0FEH，KY2；K1鍵未K1：JMPKEY1；功能程序入口地址

K2：JMPKEY2

K4：JMPKEY4

KEY1：

JMPOVER

KEY2：

JMPOVER

K1：JMPKEY1；功能程序入口地址

K23.鍵盤/顯示器混合接口技術(shù)

計算機測控系統(tǒng)中，往往需要同時使用鍵盤與顯示器，為了簡化硬件線路，常常把鍵盤和顯示電路做在一起，構(gòu)成實用的鍵盤/顯示器混合接口電路。

鍵盤/顯示器混合接口電路的設(shè)計主要有三種方法：一是采用并行I/O接口芯片來實現(xiàn)，如8155、8255等；二是采用單片機的串行口進行擴展；三是采用專用芯片8279鍵盤/顯示器接口芯片來實現(xiàn)。3.鍵盤/顯示器混合接口技術(shù)

計算機測控系統(tǒng)中，下面詳細介紹單片機串行口的鍵盤/顯示器混合接口技術(shù)及其應(yīng)用。

采用單片機的串行口進行動態(tài)顯示及鍵盤混合接口電路的設(shè)計可在很大程度上節(jié)省單片機的并行I/O接口資源。硬件電路如圖2.13所示。

圖2.13所示的電路為8個按鍵、2位顯示器的接口電路，實際應(yīng)用中可根據(jù)所需按鍵數(shù)量與顯示位數(shù)進行增減。下面詳細介紹單片機串行口的鍵盤/顯示器混合接口技術(shù)及其應(yīng)圖2.13串行口擴展的鍵盤/顯示器接口電路圖2.13串行口擴展的鍵盤/顯示器接口電路計算機測控系統(tǒng)中，對系統(tǒng)發(fā)送命令或輸入數(shù)據(jù)可以通過鍵盤進行，其靈活性很大，操作方便。但如果某些重要的數(shù)據(jù)或功能也由鍵盤輸入，則將會因誤操作而產(chǎn)生一些嚴重的后果。對于這類問題，通常采用設(shè)置靜態(tài)開關(guān)的方法。靜態(tài)開關(guān)一經(jīng)設(shè)定，將一直維持設(shè)定的開關(guān)狀態(tài)。常用的靜態(tài)開關(guān)有DIP（撥動）開關(guān)和撥碼盤兩類。計算機測控系統(tǒng)中，對系統(tǒng)發(fā)送命令或輸入數(shù)據(jù)可以通過鍵盤2.2采樣與量化

計算機控制系統(tǒng)中，要將各種模擬信號輸入計算機，就必須先將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程，一般通過信號采樣和量化來實現(xiàn)。

2.2.1采樣過程與采樣定理

1.采樣系統(tǒng)的功能

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般應(yīng)具有以下幾個方面的功能：

(1)對由多個通道輸入的生產(chǎn)現(xiàn)場信息能夠按順序逐個檢測(巡回檢測)，或按指令對某一通道進行檢測(選擇檢測)。2.2采樣與(2)能夠?qū)λ杉臄?shù)據(jù)進行檢查和處理。例如有效性檢查、越限檢查、數(shù)字濾波、線性化和數(shù)字量/工程量轉(zhuǎn)換等。(3)當采集到的數(shù)據(jù)超出上限或下限值時，系統(tǒng)能夠產(chǎn)生聲光報警信號，提示操作人員處理。

(4）在系統(tǒng)內(nèi)部能存儲采集數(shù)據(jù)。

(5）能定時或按需要隨時以表格形式打印采集數(shù)據(jù)。

(6）具有實時時鐘。該時鐘除了能保證系統(tǒng)定時中斷、確定采集數(shù)據(jù)的周期外，還能為采集數(shù)據(jù)的顯示打印提供當前的時間值。(2)能夠?qū)λ杉臄?shù)據(jù)進行檢查和處理。例如有效性檢(7）系統(tǒng)在運行過程中，可隨時接受由鍵盤輸入的命令。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能由程序來實現(xiàn)。一個巡回檢測系統(tǒng)的程序框圖如圖2.14所示，其中，圖2.14（a）是主程序流程圖，包括系統(tǒng)初始化和鍵盤管理兩大部分；圖2.14(b)是時間中斷服務(wù)子程序流程圖，它完成時間計數(shù)、巡回數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示和定時打印等任務(wù)。鍵盤管理部分也可以采用鍵盤中斷方式來處理。(7）系統(tǒng)在運行過程中，可隨時接受由鍵盤輸入的命令。圖2.14數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本程序流程圖圖2.14數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本程序流程圖2.采樣過程

信號采樣就是將連續(xù)的模擬信號，通過采樣開關(guān)按一定時間間隔的閉合和斷開，將其抽樣成一連串離散脈沖信號的過程，如圖2.15所示。這一過程也稱為離散化過程。

圖2.15(a)中f(t)是被采樣的模擬信號，它是時間和幅值都連續(xù)的函數(shù)。采樣后的f(t)被以時間間隔T為周期閉合、斷開的采樣開關(guān)S分割成圖(c)中所示的時間上離散而幅值上連續(xù)的離散模擬信號f*(t)。離散模擬信號f*(t)是一連串的脈沖信號，又稱為采樣信號。采樣開關(guān)兩次采樣(閉合)的間隔時間T稱為采樣周期，采樣開關(guān)的閉合時間τ稱為采樣時間，0、T、2T…各時間點稱為采樣時刻。2.采樣過程

信號采樣就是將連續(xù)的模擬信號，通圖2.15采樣過程圖2.15采樣過程3.采樣定理

從信號的采樣過程可知，采樣后得到的離散模擬信號沒有包括全部時間上的信號值，而只是取了某些時間上的值，這樣處理后的信號會造成信號的丟失嗎？

顯然，采樣周期T的合理選取是十分重要的，采樣周期T越短，采樣信號f*(t)就越接近連續(xù)信號f(t)。

采樣后得到的離散模擬信號f*(t)可以用下述數(shù)學表達式來描述：3.采樣定理

從信號的采樣過程可知，采樣后得到的式中，δ(t－nT)為t=nT處的單位脈沖函數(shù)（即δ函數(shù)）。

根據(jù)傅立葉變換，該離散信號的頻率特性可以表示為

其中，ωs為采樣角頻率，ωs=2πfs=2π/T。這就是說離散信號的頻譜以采樣頻率ωs為周期無限量重復(fù)，如圖2.16所示。式中，δ(t－nT)為t=nT處的單位脈沖函數(shù)（即δ函數(shù)圖2.16離散信號F*(jω)的頻譜圖圖2.16離散信號F*(jω)的頻譜圖香農(nóng)（Shannon）采樣定理：為了使采樣信號f*(t)能反映連續(xù)信號f(t)的變化規(guī)律，采樣頻率ωs至少應(yīng)該是信號f(t)頻譜最高頻率ωmax的2倍，即ωs≥2ωmax。

當采樣周期滿足采樣定理時，圖2.16中的采樣信號頻譜就不會發(fā)生重疊效應(yīng)，這時就可以通過理想的低通濾波器從采樣信號f*(t)中完全恢復(fù)出f(t)來。

事實上，由于理想濾波器不存在，所以要完全恢復(fù)出原來的信號是不可能的，工程上只要滿足一定的要求即可。實際應(yīng)用中，常取ωs≥(4~10)ωmax，過程慣性越大，倍數(shù)可取得越大。香農(nóng)（Shannon）采樣定理：為了使采樣信號f*(t2.2.2量化與復(fù)現(xiàn)重構(gòu)

1.信號的量化

因為采樣后得到的離散模擬信號本質(zhì)上還是模擬信號，不能直接送入計算機，故還需經(jīng)過量化，變成數(shù)字信號后才能被計算機接收和處理。

量化就是用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的幅值。將離散采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程，其中進行量化處理的裝置為模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器。2.2.2量化與復(fù)現(xiàn)重構(gòu)

1.信號的量化

模擬信號的特點是具有無窮多的數(shù)值，而一組數(shù)碼的值卻是有限的，因此用一定位數(shù)的數(shù)碼來逼近模擬信號是一種近似的表示。如果用一個有n位的二進制數(shù)來逼近在vmin～vmax范圍內(nèi)變化的采樣信號，得到的數(shù)字量在0～2n－1之間，其最低有效位（LSB）所對應(yīng)的模擬量q稱為量化單位，即模擬信號的特點是具有無窮多的數(shù)值，而一組數(shù)碼的值卻是有量化過程是一個用q去度量采樣值幅值大小的小數(shù)歸整過程，采用的是四舍五入，因而存在量化誤差，量化誤差的最大值為±q/2。例如，模擬信號vmin=0V，vmax=10V，取n=8，q=≈4mV，量化誤差最大值emax=

±q/2≈±2mV。

由以上分析可以看出，在A/D轉(zhuǎn)換器的輸出位數(shù)n足夠多時，可以使量化誤差達到足夠小，就可以認為數(shù)字信號近似于采樣信號。如果在采樣過程中，采樣頻率也足夠高，就可以用采樣、量化后得到的一系列離散的數(shù)字量來表示某一時間上連續(xù)的模擬信號，從而可以由計算機來進行計算、處理和控制。量化過程是一個用q去度量采樣值幅值大小的小數(shù)歸整過程，2.混頻現(xiàn)象與濾波

混頻現(xiàn)象又稱為頻率混疊現(xiàn)象。采樣信號的頻譜除了含有與連續(xù)信號成比例的基本頻譜，即F(jω)外，還派生出了無限多個以ωs為周期的高頻頻譜分量F(jω+jωs)/T。如果這些周期的頻譜分量是互相分離的（不混疊），則可以通過一個理想低通濾波器把所有派生的高頻頻譜濾去，只保留基本頻譜，再乘以系數(shù)T。這樣，連續(xù)信號的頻譜就可以從采樣信號的頻譜中不失真地獲得。但事實上，理想采樣信號的頻譜在以下兩種情況下將產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象。2.混頻現(xiàn)象與濾波

混頻現(xiàn)象又稱為頻率混疊現(xiàn)象。（1）當連續(xù)信號的帶寬是有限的，即|ω|<ωmax時，ωmax為信號中的最高頻率分量。如果此時采樣頻率太低，如ωs<2ωmax，則采樣信號頻譜的各個周期分量互相交疊，產(chǎn)生嚴重的頻譜混疊現(xiàn)象，如圖2.17所示。這種頻譜混疊現(xiàn)象使采樣信號的頻譜與原連續(xù)信號的頻譜發(fā)生很大差別，以致無法利用理想濾波器濾出原連續(xù)信號的頻譜。（1）當連續(xù)信號的帶寬是有限的，即|ω|<ωmax時圖2.17頻譜混疊現(xiàn)象圖2.17頻譜混疊現(xiàn)象要注意一個關(guān)鍵頻率點ωs/2，若連續(xù)系統(tǒng)的最高頻率超過這個頻率，則混疊現(xiàn)象必然發(fā)生，即超過ωs/2的高頻分量會折疊到低頻段來。因此ωs/2被稱為折疊頻率，又被稱為奈奎斯特（Nyquist）頻率，用ωN表示。

(2)若連續(xù)系統(tǒng)的頻譜是無限帶寬的(事實上實際信號一般都屬于此類情況)，此時無論怎樣提高采樣頻率，頻譜混疊現(xiàn)象或多或少都將發(fā)生。要注意一個關(guān)鍵頻率點ωs/2，若連續(xù)系統(tǒng)的最高頻率超過根據(jù)以上分析，采樣定理可表述如下：若連續(xù)信號是有限帶寬的，且它所含的頻率分量的最大值為ωmax，當采樣頻率ωs≥2ωmax時，原連續(xù)信號完全可以用其采樣信號來表征，或者說采樣信號可以不失真地代表原連續(xù)信號。用采樣周期可以這樣表述采樣定理：若連續(xù)信號的最高頻率為ωmax，那么它完全可以用周期T≤π/ωmax的均勻采樣值來描述。采樣定理的物理意義是：對連續(xù)信號中所含的最高頻率的正弦分量來講，能夠做到在1個采樣周期內(nèi)采樣2次以上，那么經(jīng)采樣所得的脈沖序列就包含了連續(xù)信號的全部信息。反之，如采樣次數(shù)太少，則采樣信號就不可能無失真地反映連續(xù)信號的特性。根據(jù)以上分析，采樣定理可表述如下：若連續(xù)信號是有限帶圖2.18中有1個頻率為f1=7/8Hz的余弦信號，當用采樣頻率f1=1Hz進行采樣時，由于不滿足采樣定理的要求，采樣間隔內(nèi)的信息丟失太多，采樣的結(jié)果看起來就像一個f0=fs－f1=1/8Hz的低頻信號，這種現(xiàn)象被稱為假頻現(xiàn)象。

為使離散信號真實地反映相應(yīng)的連續(xù)信號，必須合理地選擇采樣周期T。實際控制中，計算機控制系統(tǒng)涉及的連續(xù)信號常常是含有高頻干擾成分的低頻信號，其有效的頻率成分在0～fc范圍內(nèi)。為了防止出現(xiàn)頻混現(xiàn)象或假頻現(xiàn)象，在

用T≤1/fc采樣之前，必須選用或構(gòu)造有效的低通濾波器，先濾去連續(xù)信號中大于fc的高頻成分。圖2.18中有1個頻率為f1=7/8Hz的余弦信號，圖2.18假頻現(xiàn)象圖2.18假頻現(xiàn)象3.信號的復(fù)現(xiàn)

信號的復(fù)現(xiàn)是指如何將采樣信號還原成原來的連續(xù)信號。在理想情況下，從時域來說，采樣信號的恢復(fù)過程就是要通過離散的采樣值得到連續(xù)的時間函數(shù)；從頻域來說，就是要去除采樣的旁帶，保留基頻分量。

由圖2.19所示的頻域恢復(fù)過程可見，理想不失真的恢復(fù)需要具備3個條件：

（1）原連續(xù)信號的頻譜必須是有限帶寬，即|ω|=ωmax。

（2）滿足采樣定理，即ωs≥2ωmax。3.信號的復(fù)現(xiàn)

信號的復(fù)現(xiàn)是指如何將采樣信號還原（3）具有理想的低通濾波器，其特性為

式中，ωc為理想濾波器的截止頻率，取ωc=ωs/2。（3）具有理想的低通濾波器，其特性為

圖2.19采樣信號的頻域恢復(fù)過程圖2.19采樣信號的頻域恢復(fù)過程設(shè)濾波器輸出信號y(t)的頻譜為Y(jω)，在上述3個條件下，由于H(jω)在|ω|>ωc后均為零，所以F*(jω)中只有n=0時的基本頻譜才能通過理想濾波器，其余所有旁帶均被濾去，所以式（2.2）說明濾波器的輸出可以無失真地恢復(fù)出原連續(xù)信號，即

一般地，實際信號的恢復(fù)采用最簡單的辦法，即將采樣間隔內(nèi)的信號保持不變。計算機輸出的離散信號經(jīng)D/A解碼后，即把模擬脈沖信號恢復(fù)成階梯形的連續(xù)信號。這樣就減緩了脈沖信號對連續(xù)被控對象的沖擊，從而使控制過程較為平穩(wěn)。設(shè)濾波器輸出信號y(t)的頻譜為Y(jω)，在上述3計算機控制系統(tǒng)中，把數(shù)字控制器給出的二進制數(shù)字量通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為能作用于過程控制的時間連續(xù)信號的這一轉(zhuǎn)換過程稱為信號的復(fù)現(xiàn)。這一過程中，常用到零階保持器，零階保持器的傳遞函數(shù)形式為

其特性如圖2.20所示。

將圖2.20(b)的|Gh(jω)|和圖2.19的F*(jω)進行比較，可見零階保持器重現(xiàn)模擬信號時會引入幅值衰減和相位滯后。其中，幅值衰減引起的最大復(fù)現(xiàn)誤差eh為計算機控制系統(tǒng)中，把數(shù)字控制器給出的二進制數(shù)字量通過D圖2.20零階保持器的特性圖圖2.20零階保持器的特性圖

eh=max|X［(n+1)T］－X(nT)|≤Tmax(X′(t))（2.4）在計算機控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換中，為適應(yīng)量化過程所需的轉(zhuǎn)換時間的要求，在采樣開關(guān)之后總是連接著零階保持器，對采樣開關(guān)輸出的采樣信號進行保持。

這就是采樣保持結(jié)構(gòu)，記為S/H（Sample/Hold），其傳遞函數(shù)框圖如圖2.21所示。在S/H結(jié)構(gòu)情況下，連續(xù)信號X(t)通過采樣開關(guān)和零階保持器兩個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的作用，變?yōu)殡A梯形采樣保持信號。eh=max|X［(n+1)T］－X(nT)|≤Tma圖2.21S/H結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)框圖圖2.21S/H結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)框圖采樣周期T是信號復(fù)現(xiàn)中的重要參數(shù)，周期大小的選擇對信號的采樣具有重要的意義。當用采樣信號X*(t)重構(gòu)連續(xù)信號X(t)時是有相位滯后（與采樣周期T有關(guān)）的，即有時間延遲。計算機控制系統(tǒng)中必須嚴格限制復(fù)現(xiàn)連續(xù)信號時產(chǎn)生的延遲時間，否則，將因這一延遲時間改變了連續(xù)信號作用于過程的實時時刻（即采樣周期T確定的時刻）而使控制系統(tǒng)的性能變差。

一般地，若允許有復(fù)現(xiàn)延遲，只要選擇采樣周期T≤1/(2fmax)對連續(xù)信號進行采樣就足夠了。但若對復(fù)現(xiàn)延遲時間有限制時，實踐指出，用零階保持器復(fù)現(xiàn)連續(xù)信號時，應(yīng)使用更高的采樣頻率。采樣周期T是信號復(fù)現(xiàn)中的重要參數(shù)，周期大小的選擇對信號對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的動態(tài)性能與它的帶寬密切相關(guān)，因此，采樣周期的合理選擇就必須把相關(guān)的信號最高頻率和閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬聯(lián)系起來。也就是采樣周期的選擇要以閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬為基礎(chǔ)，或以閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的上升時間為根據(jù)。實踐中，采樣頻率一般取6～10倍的閉環(huán)系統(tǒng)帶寬，或在系統(tǒng)階躍響應(yīng)上升時間內(nèi)采樣2～4次。

由于零階保持器結(jié)構(gòu)簡單，且可用物理裝置實現(xiàn)，因此，目前控制系統(tǒng)中絕大多數(shù)采用零階保持器。同樣能實現(xiàn)保持器任務(wù)的還有一階和高價保持器，但它們在常規(guī)的計算機控制系統(tǒng)中較少使用。對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的動態(tài)性能與它的帶寬密切相關(guān)2.2.3采樣周期的選擇

香農(nóng)定理給出了采樣頻率的下限，即采樣周期的上限，在這個范圍內(nèi)，采樣周期越小，就越接近連續(xù)信號，實際上常取ωs≥(4~10)ωmax。然而，用理論計算來確定采樣周期存在一定的難度。因此，一般根據(jù)表2.3的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來選擇，然后在運行試驗時進行修正。2.2.3采樣周期的選擇

香農(nóng)定理給出了計算機控制技術(shù)(湯楠)-[279頁]課件2.3模擬量輸入通道

用計算機進行控制時，必須把被控對象的各種狀態(tài)和參數(shù)輸入到計算機中，計算機才能按照一定的控制規(guī)律對參數(shù)進行運算和處理。由于被控對象表現(xiàn)出來的特性往往是時間連續(xù)的特性，而目前的計算機都是數(shù)字計算機，因此必須將模擬量輸入值轉(zhuǎn)化為數(shù)字計算機能進行處理的數(shù)字量，這就需要有相應(yīng)的電路用于輸入模擬量，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，實現(xiàn)這一功能的電路就是模擬量輸入通道。2.3模擬2.3.1模擬量輸入通道的組成

1.模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)

模擬量輸入通道根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式，最簡單的就是單路模擬量輸入通道。圖2.22給出了一個典型的多路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖。模擬量輸入通道的功能是將各傳感器獲得的被控對象狀態(tài)有序地變換成數(shù)字量并送入計算機。圖中的點劃線框即為模擬量輸入通道，一般由信號調(diào)理電路、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣-保持器、A/D轉(zhuǎn)換器和總線接口等組成。整個模擬量輸入通道可分為兩塊：一塊是模擬量輸入接口，主要部分是A/D轉(zhuǎn)換器及其與計算機的數(shù)字量接口；另一塊則是對模擬量輸入信號進行調(diào)理以適合A/D轉(zhuǎn)換器對輸入電壓要求的相關(guān)電路。2.3.1模擬量輸入通道的組成

1.模擬量輸圖2.22多路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖2.22多路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道各部分電路作用如下：

（1）傳感器將過程量轉(zhuǎn)換為電信號。

（2）放大電路對微弱的信號進行放大。

（3）多路轉(zhuǎn)換開關(guān)將多路模擬信號按要求分時輸出。

（4）采樣保持對模擬信號進行采樣，在模/數(shù)轉(zhuǎn)換期間保持采樣信號不變。

（5）A/D轉(zhuǎn)換即模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字量。

（6）接口電路提供模擬輸入通道與計算機之間的控制信號和數(shù)據(jù)傳送通路。

按照模擬量信號進入計算機的途徑，下面依次介紹各個部分的功能與應(yīng)用。模擬量輸入通道各部分電路作用如下：

（1）傳感2.傳感器的選用

傳感器是信號輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器的作用是把被控對象的各種非電物理量檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號，如熱電偶能把溫度轉(zhuǎn)換成熱電動勢、應(yīng)變橋式荷重傳感器能把受力的大小轉(zhuǎn)換為電位差等。2.傳感器的選用

傳感器是信號輸入通道的第由于傳感器技術(shù)的發(fā)展非常迅速，各種各樣傳感器應(yīng)運而生，所以大多數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計者只需要從現(xiàn)有傳感器產(chǎn)品中正確地選用，而不必自己另行設(shè)計傳感器。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計的測試系統(tǒng)需要什么樣的傳感器，即確定系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求。其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標和價格進行對比，從中挑選適合要求的性能價格比高的傳感器。工業(yè)控制中常用的傳感器包括：由于傳感器技術(shù)的發(fā)展非常迅速，各種各樣傳感器應(yīng)運而生，（1）模擬式傳感器。通常是把傳感器與放大電路做成一體，使傳感器能直接輸出0～5V、0～10V或0～2.5V要求的信號電壓，把傳感器與相應(yīng)的變送器電路做成一體，構(gòu)成能輸出4～20mA直流標準信號的變送器。

（2）數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器一般采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換輸出等。數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參數(shù)，具有測量精度高、抗干擾能力強和便于遠距離傳送等優(yōu)點。（1）模擬式傳感器。通常是把傳感器與放大電路做成一體（3）集成傳感器。集成傳感器是將傳感器與信號調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理和電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。

采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號調(diào)理任務(wù)，簡化通道結(jié)構(gòu)。

（4）光纖傳感器。這種傳感器其信號拾取、變換和傳輸都是通過光纖來實現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信號輸入通道中采用光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。（3）集成傳感器。集成傳感器是將傳感器與信號調(diào)理電路3.信號調(diào)理電路

信號處理裝置主要是對來自現(xiàn)場的多路模擬信號進行小信號放大、濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換、阻抗匹配、非線性補償和電流/電壓轉(zhuǎn)換等。

計算機控制系統(tǒng)中傳感器輸出的各種信號在進行A/D轉(zhuǎn)換之前，都應(yīng)轉(zhuǎn)變成一定的電壓或電流信號，如0～10mA、4～20mA的直流電流或0～±5V的直流電壓。這些都需要通過信號放大、電平轉(zhuǎn)換和電流-電壓轉(zhuǎn)換等電路來實現(xiàn)。3.信號調(diào)理電路

信號處理裝置主要是對來自現(xiàn)場的由于工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常存在著多種干擾源，來自現(xiàn)場的模擬信號中?；祀s有干擾信號，因此必須進行信號濾波。用有源濾波器或無源濾波器(如RC電路等)進行信號濾波，可有效濾除信號中的干擾成分。還可以采用軟件濾波，即數(shù)字濾波的

方法。由于工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常存在著多種干擾源，來自現(xiàn)場的模擬信號中另外，有些檢測信號與被測物理量之間會呈現(xiàn)非線性特性。例如，用熱敏元件測量溫度，由于熱敏元件存在非線性特性，所以所得到的溫度-電壓曲線也存在非線性特性，測得的電壓值不能反映溫度的線性變化，應(yīng)作適當處理，使之接近線性化。在硬件上可采用加負反饋放大器或采用線性化處理電路的辦法達到此目的。在軟件上可以用線性插值等線性化處理程序來解決。另外，有些檢測信號與被測物理量之間會呈現(xiàn)非線性特性。2.3.2A/D轉(zhuǎn)換器及接口

A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道的核心部件，是將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的裝置，采樣和量化主要就是通過A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法很多，常用的有計數(shù)比較法、雙斜率積分法和逐次逼近法。計數(shù)比較式器件簡單、價格便宜，但轉(zhuǎn)換速度慢，較少采用。雙斜率積分式器件雖然轉(zhuǎn)換速度比較慢，但精度高，所以有時也采用。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器能很好地兼顧速度和精度，在16位以下的A/D轉(zhuǎn)換器中得到了廣泛的使用。2.3.2A/D轉(zhuǎn)換器及接口

A/D下面介紹逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。

圖2.23為逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖，它主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、控制時序及邏輯電路和輸出鎖存器等5部分組成。

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作過程是：把逐次設(shè)定在SAR中的數(shù)字量所對應(yīng)的模擬量電壓Vf與模擬量輸入電壓Vi進行比較。轉(zhuǎn)換開始時，首先由控制電路將SAR中的最高位設(shè)定為“1”，其余位為“0”，將此設(shè)定數(shù)據(jù)輸入到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓Vf，然后將Vf與Vi在電壓比較器中進行比較。下面介紹逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。

圖2若Vi<Vf，說明最高位設(shè)成“1”不合適，應(yīng)重新設(shè)置成“0”；若Vi≥Vf，說明該位設(shè)“1”是適合的。然后，按上述方法繼續(xù)對次高位進行轉(zhuǎn)換、比較和判斷，并決定應(yīng)取“1”還是“0”。重復(fù)上述過程，直至確定了SAR最低位為止。此時SAR中的內(nèi)容就是輸入量轉(zhuǎn)換成的二進制數(shù)字量。將此轉(zhuǎn)換結(jié)果存入輸出鎖存器，等待輸出。

市場上A/D轉(zhuǎn)換器種類繁多，正確選用A/D轉(zhuǎn)換器能提高模擬輸入通道性能價格比和滿足控制系統(tǒng)對模擬信號轉(zhuǎn)換的要求，以下幾點應(yīng)著重考慮。若Vi<Vf，說明最高位設(shè)成“1”不合適，應(yīng)重新設(shè)置圖2.23逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖圖2.23逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖1.A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)

A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)與轉(zhuǎn)換信號的分辨率直接相關(guān)。轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，轉(zhuǎn)換時對輸入模擬信號變化的反應(yīng)就越靈敏。分辨率通常用數(shù)字量的二進制位數(shù)來表示，m位的A/D轉(zhuǎn)換器可用其最低有效位（LSB）具有的權(quán)值2－m表示它的相對分辨率。10位的A/D轉(zhuǎn)換器相對分辨率是0.0977%，即若它的量程是10V，則說明它的絕對分辨率約是9.778mV。1.A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)

A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)與轉(zhuǎn)換信號A/D轉(zhuǎn)換器的另一個指標叫精度。精度是指信號轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實際值的準確度。精度和分辨率是兩個不同的概念。前面已說明分辨率指的是能對轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入增量，例如滿量程為10V時，10位分辨率為9.778mV。但是，即使有時分辨率很高，也可能由于溫度漂移、線性不良等原因使芯片的轉(zhuǎn)換值與實際值相差超過分辨率，而并不具有很高的精度。不過對于正常的A/D芯片，其相對精度都不大于其量化誤差的（1/2）LSB。一般可用量化誤差作為精度來選擇A/D芯片。A/D轉(zhuǎn)換器的另一個指標叫精度。精度是指信號轉(zhuǎn)換后所得由多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成的數(shù)據(jù)采集電路的總誤差應(yīng)是這三個組成部分的分項誤差的綜合值。選擇元器件精度的一般原則是：每個元器件的精度指標應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度的10倍左右。例如，要構(gòu)成一個誤差為0.1%的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所用的多路轉(zhuǎn)換器、A/D器件和采樣保持器的線性誤差都應(yīng)小于0.01%，A/D器件的量化誤差應(yīng)小于0.01%，A/D器件量化誤差為（1/2）LSB，即滿度值的1/2m+1。因此，根據(jù)系統(tǒng)精度指標δ，可按10/2m+1≤δ估算所需A/D芯片的位數(shù)m。例如，要求系統(tǒng)誤差不大于0.1%的滿度值（即δ=0.1%），則需采用m為12位的A/D轉(zhuǎn)換器。由多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成的數(shù)據(jù)采集電A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)可決定采集電路所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓的動態(tài)范圍，若需要轉(zhuǎn)換成有效數(shù)碼（除0以外）的模擬輸入電壓最大值和最小值分別為UImax和UImin，A/D轉(zhuǎn)換前放大器增益為k，m位A/D轉(zhuǎn)換器的量程為E，則應(yīng)滿足UImink≥q=

E/2m，小信號才不會被量化噪聲淹沒；UImaxk≤E，大信號才不會使A/D溢出。所以，必須UImax／UImin≤2m。通常稱轉(zhuǎn)換模擬電壓范圍上限與下限之比的分貝數(shù)為A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍，取L2=20lg（UImax／UImin）。

若已知被測模擬電壓動態(tài)范圍為L1，則可按m≥L1/6確定A/D的位數(shù)m。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)可決定采集電路所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓的動態(tài)2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度

A/D轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出穩(wěn)定的數(shù)字量需要一定的時間，這一時間就是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。A/D轉(zhuǎn)換速度是指單位時間內(nèi)所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，不同原理的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是大不相同的。一般地，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度較慢，轉(zhuǎn)換時間從幾毫秒到幾十毫秒不等，只能構(gòu)成低速A/D轉(zhuǎn)換器，適用于對溫度、壓力和流量等緩變參量的檢測和控制。2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度

A/D轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可從幾微秒到100微

秒左右，屬中速A/D轉(zhuǎn)換器，常用于工業(yè)多通道單片機檢測系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)換時間最短的高速A/D轉(zhuǎn)換器是用雙極型或CMOS工藝制成的全并行型、串并行型和電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)型的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間僅20～100ns。高速A/D轉(zhuǎn)換器適用于雷達、數(shù)字通信、實時光譜分析、實時瞬態(tài)記錄和視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可從幾微秒到100微A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度僅說明A/D轉(zhuǎn)換器自身的轉(zhuǎn)換速

度。在受CPU控制時，通道的轉(zhuǎn)換速度是低于A/D轉(zhuǎn)換器自身的轉(zhuǎn)換速度的。因為除了從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束需要一定的轉(zhuǎn)換時間（記為tc）外，從轉(zhuǎn)換結(jié)束到下一次再啟動轉(zhuǎn)換也需要一段時間，稱為準備時間（記為t0），這段時間除了使A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路復(fù)原到轉(zhuǎn)換前的狀態(tài)外，最主要的是CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、存放結(jié)果和再次發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換的指令所花的時間。在用一般的微處理器時，通常需要幾毫秒到幾十毫秒時間才能完成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換以外的工作，如讀數(shù)據(jù)、再啟動、存數(shù)據(jù)和循環(huán)計數(shù)等。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度僅說明A/D轉(zhuǎn)換器自身的轉(zhuǎn)換速

度實際的通道轉(zhuǎn)換速率應(yīng)由轉(zhuǎn)換時間tc和準備時間t0二者共同決定，即轉(zhuǎn)換速率為1/(t0+tc)，轉(zhuǎn)換周期TA/D=t0+tc。若A/D轉(zhuǎn)換器在一個采樣周期Ts內(nèi)依次完成N路模擬信號采樣值的A/D轉(zhuǎn)換，則有Ts=NTA/D。實際的通道轉(zhuǎn)換速率應(yīng)由轉(zhuǎn)換時間tc和準備時間t0二者共同3.選擇A/D轉(zhuǎn)換器的其他因數(shù)

選擇A/D轉(zhuǎn)換器芯片時，既應(yīng)考慮環(huán)境條件，如工作溫度、功耗和可靠性等性能參數(shù)，又要根據(jù)量程選擇A/D器件，還要根據(jù)諸如輸出邏輯電平的要求和對基準電源的要求來選擇A/D器件。A/D器件多與TTL電平配合，基準電源的精度將對整個系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響，故使用時應(yīng)考慮是否外加精密參考電源等。在考慮數(shù)字量輸出與微處理器數(shù)據(jù)總線的關(guān)系時，也應(yīng)注意是否要用三態(tài)邏輯輸出，是否要對數(shù)據(jù)信號進行鎖存等。3.選擇A/D轉(zhuǎn)換器的其他因數(shù)

選擇A/D轉(zhuǎn)換器4.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

ADC0809是一種帶有8通道多路開關(guān)的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。

1）主要性能

分辨率為8位；線性誤差為±1/2LSB。

轉(zhuǎn)換時間為100μs左右。

模擬輸入電壓范圍為0～5V，對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值為00H～0FFH。

內(nèi)部帶8路模擬開關(guān)，可以輸入8路模擬信號，有輸出鎖存功能。

工作頻率為500kHz，與TTL電平兼容。4.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

ADC0802）ADC0809的組成原理

ADC0809的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2.24所示，從圖中可以看出它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)鎖存輸出緩沖器四部分組成。地址鎖存與譯碼器的通道選擇信號ADDA、ADDB、ADDC用于選擇8個輸入通道中的一個，地址鎖存允許信號ALE將ADDA、ADDB、ADDC選中的輸入通道與A/D轉(zhuǎn)換器接通。正脈沖信號START可使A/D轉(zhuǎn)換器啟動轉(zhuǎn)換，大約100μs后轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，通知CPU讀取數(shù)據(jù)。2）ADC0809的組成原理

ADC0809的邏圖2.24ADC0809原理框圖圖2.24ADC0809原理框圖三態(tài)鎖存輸出緩沖器用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果，當輸出允許信號OE為高電平時，8位轉(zhuǎn)換結(jié)果由D0～D7輸出；當OE為低電平時，數(shù)據(jù)輸出線D0～D7為高阻狀態(tài)。3)ADC0809引腳及功能ADC0809采用DIP28封裝，各引腳功能如下：IN0～IN7：8路0～5V模擬電壓輸入端。D0～D7：8位數(shù)字量輸出線，輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。START：啟動A/D轉(zhuǎn)換輸入端，若在此引腳加一個正脈沖，脈沖的上升沿將內(nèi)部寄存器清0；其下降沿A/D進行一次新的轉(zhuǎn)換。三態(tài)鎖存輸出緩沖器用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果，當輸出允許信號OEEOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，高電平有效。從啟動A/D轉(zhuǎn)換信號START有效開始EOC為0，表示A/D轉(zhuǎn)換正在進行中；當轉(zhuǎn)換一結(jié)束，EOC即為1。

EOC可供CPU查詢A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，也可用來向CPU發(fā)出中斷請求信號。

OE：輸出允許信號，高電平有效。當OE=1時，三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換后得到的8位數(shù)字量在通道數(shù)據(jù)線D0～D7上輸出。CLOCK：時鐘脈沖輸入端，頻率為500kHz。

ADDA、ADDB、ADDC：模擬量輸入通道IN0～IN7的地址選擇線，可以控制8路轉(zhuǎn)換開關(guān)進行8選1接通。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，高電平有效。從啟動ALE：地址鎖存循序輸入信號，鎖存ADDA、ADDB、ADDC。

VREF(+)、VREF(－)：參考電壓端，提供A/D轉(zhuǎn)換的基準電壓。在單極性輸入時，VREF(+)=5V，VREF(－)=0V；當模擬輸入量為雙極性時，VREF(+)、VREF(－)分別接正、負極性的參考電壓。

VCC：+5V，工作電源。

GND：0V，電源地。ALE：地址鎖存循序輸入信號，鎖存ADDA、ADD4）ADC0809與PC機的接口電路

ADC0809具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，可以直接與系統(tǒng)總線相連接，通常多通過通用并行接口芯片來實現(xiàn)與系統(tǒng)的接口。圖2.25所示電路是ADC0809通過可編程并行接口芯片8255A實現(xiàn)與PC機連接的電路。4）ADC0809與PC機的接口電路

ADC08圖2.25ADC0809與PC總線的接口圖2.25ADC0809與PC總線的接口設(shè)主程序中已經(jīng)完成8255A的初始化編程，8255A分配的口地址為2C0H～2C3H。