東北大學(xué)微機原理-8

第八章外部輸入輸出擴展8.1開關(guān)量接口8.2模擬信號輸入通道8.3模擬信號輸出通道2/6/202318.1開關(guān)量接口

開關(guān)量的輸入與輸出，從原理上講十分簡單。CPU只要通過對輸入信息分析是“1”還是“0”，即可知開關(guān)是合上還是斷開。如果控制某個執(zhí)行器的工作狀態(tài)，只需送出“0”或“1”，即可由操作機構(gòu)執(zhí)行。但是由于工業(yè)現(xiàn)場存在著電、磁、振動、溫度等各種干擾及各類執(zhí)行器所要求的開關(guān)電壓量級及功率不同，所以在接口電路中除根據(jù)需要選用不同的元器件外，還需要采用各種緩沖、隔離與驅(qū)動措施。

2/6/202328.1.1開關(guān)量接口驅(qū)動

由于單片機輸出的TTL信號驅(qū)動能力較小，因此經(jīng)常需要配置專門電路，以提高驅(qū)動能力。有時外電路需要較高的邏輯電平，所以也需要電平轉(zhuǎn)換。1.單向驅(qū)動電路在輸出地址信號或單向開關(guān)控制信號時，可使用單向驅(qū)動電路，常用的有74LS04，74LS125/126等。在多路TTL信號輸出時，一般選用三態(tài)門電路，譬如74LS240/241/244等。下面以74LS244為例說明單向驅(qū)動電路的使用。2/6/202338.1開關(guān)量接口2.雙向驅(qū)動電路常用的雙向驅(qū)動電路有74LS242/243/245等。74LS245由雙向三態(tài)門電路構(gòu)成，在多路數(shù)據(jù)輸入輸出時用作數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器。3.OC門驅(qū)動電路

OC門電路可由晶體管構(gòu)成，也可選用TTLOC門，如7405/06/07、7416/17等。這些OC門都具有高壓輸出功能，除用于提高驅(qū)動能力外，還可實現(xiàn)電平變換，驅(qū)動MOS電路。7407驅(qū)動PMOS電路，最高輸出電壓可達30V。R

PMOS7407+10V-5V1K7407與PMOS電路的聯(lián)接C0.1μF2/6/202348.1.2開關(guān)量輸出接口光耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件，它把一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管封裝在一個管殼內(nèi)，發(fā)光二極管加上正向輸入電壓信號（＞1.1V）就會發(fā)光，光信號作用在光敏三極管基極產(chǎn)生基極光電流使三極管導(dǎo)通，輸出電信號。一、輸出接口隔離

2/6/202358.1.2開關(guān)量輸出接口主要特性參數(shù)有以下幾個方面：（1）導(dǎo)通電流和截止電流：對于開關(guān)量輸出場合，光電隔離主要用其非線性輸出特性。當(dāng)發(fā)光二極管二端通以一定電流時，光耦合器輸出端處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)流過發(fā)光二極管的電流小于某一值時，光耦合器輸出端截止。不同的光耦合器通常有不同的導(dǎo)通電流，一般典型值為10mA。（2）頻率響應(yīng)：受發(fā)光二極管和光敏三極管響應(yīng)時間的影響，開關(guān)信號傳輸速度和頻率受光耦合器頻率特性的影響。因此，在高頻信號傳輸中要考慮其頻率特性。在開關(guān)量輸出通道中，輸出開關(guān)信號頻率一般較低，不會受光耦合器頻率特性影響。2/6/202368.1.2開關(guān)量輸出接口（3）輸出端工作電流：是指光耦合器導(dǎo)通時，流過光敏三極管的額定電流。該值表示了光耦合器的驅(qū)動能力，一般為mA量級。（4）輸出端暗電流：是指光耦合器處于截止?fàn)顟B(tài)時輸出端流過的電流。對光耦合器來說，此值越小越好，以防止輸出端的誤觸發(fā)。（5）輸入輸出壓降：分別指發(fā)光二極管和光敏三極管的導(dǎo)通壓降。（6）隔離電壓：表示了光耦合器對電壓的隔離能力。光耦合器二極管側(cè)的驅(qū)動可直接用門電路去驅(qū)動，一般的門電路驅(qū)動能力有限，常用帶OC門的電路（如7406、7407）進行驅(qū)動。

2/6/202378.1.2開關(guān)量輸出接口繼電器方式的開關(guān)量輸出，是目前最常用的一種輸出方式，一般在驅(qū)動大型設(shè)備時，往往利用繼電器作為測控系統(tǒng)輸出至輸出驅(qū)動級之間的第一級執(zhí)行機構(gòu)。通過該級繼電器輸出，可完成從低壓直流到高壓交流的過渡。由于繼電器的控制線圈有一定的電感，在關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生較大的反電勢，因此在繼電器的線圈上常常反向并聯(lián)一個二極管用于電感反向放電，以保護驅(qū)動晶體管不被擊穿。不同的繼電器，允許驅(qū)動電流也不一樣。對于需要較大驅(qū)動電流的繼電器，可以采用達林頓輸出的光隔直接驅(qū)動；也可以在光耦與繼電器之間再加一級三極管驅(qū)動。二、繼電器輸出接口

2/6/202388.1.2開關(guān)量輸出接口雙向晶閘管具有雙向?qū)üδ?，能在交流、大電流場合使用，且開關(guān)無觸點，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的雙向晶閘管隔離驅(qū)動電路的設(shè)計，是采用一般的光隔離器和三極管驅(qū)動電路?，F(xiàn)在已有與之配套的光隔離器產(chǎn)品，這種器件稱為光耦合雙向晶閘管驅(qū)動器。與一般的光耦不同，在于其輸出部分是一硅光敏雙向晶閘管，有的還帶有過零觸發(fā)檢測器，以保證在電壓接近為零時觸發(fā)晶閘管。常用的有MOC3000系列等，運用于不同負載電壓使用，如MOC3011用于110V交流，而MOC3041等可適用于220V交流使用，用MOC3000系列光電耦合器直接驅(qū)動雙向晶閘管，大大簡化了傳統(tǒng)的晶閘管隔離驅(qū)動電路的設(shè)計。三、雙向晶閘管輸出接口

2/6/202398.1.2開關(guān)量輸出接口固態(tài)繼電器（SSR）是近年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用TTL、HTL、COMS等集成電路或加簡單的輔助電路就可直接驅(qū)動，因此適宜于在微機測控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件；其輸出利用晶體管或晶閘管驅(qū)動，無觸點。與普通的電磁式繼電器和磁力開關(guān)相比，具有無機械噪聲、無抖動和回跳、開關(guān)速度快、體積小、重量輕、壽命長、工作可靠等特點，并且耐沖力、抗潮濕、抗腐蝕，因此在微機測控等領(lǐng)域中，已逐步取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開關(guān)作為開關(guān)量輸出控制元件。四、固態(tài)繼電器輸出接口

2/6/2023108.1.2開關(guān)量輸出接口固態(tài)繼電器由光電耦合電路、觸發(fā)電路、開關(guān)電路、過零控制電路和吸收電路五部分構(gòu)成。這五部分被封裝在一個六面體外殼內(nèi)，成為一個整體，外面有四個引腳（圖中的Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）。如果是過零型SSR就包括“過零控制電路”部分，而非過零型SSR則沒有這部分電路。

2/6/2023118.1.2開關(guān)量輸出接口直流型固態(tài)繼電器主要用于直流大功率控制場合。其輸入端為一光電耦合電路，因此可用OC門或晶體管直接驅(qū)動，驅(qū)動電流一般3～30mA，輸入電壓為5～30V，因此在電路設(shè)計時可選用適當(dāng)?shù)碾妷汉拖蘖麟娮瑁?。其輸出端為晶體管輸出，輸出電壓30～180V。

1、直流型固態(tài)繼電器

注意在輸出端為感性負載時，要接保護二極管用于防止直流固態(tài)繼電器由于突然截止所引起的高電壓。

2/6/2023128.1.2開關(guān)量輸出接口交流型固態(tài)繼電器分為非過零型和過零型，二者都是用雙向晶閘管作為開關(guān)器件，用于交流大功率驅(qū)動場合。非過零型SSR，在輸入信號時，不管負載電源電壓相位如何，負載端立即導(dǎo)通；而過零型必須在負載電源電壓接近零且輸入控制信號有效時，輸出端負載電源才導(dǎo)通，可以抑制射頻干擾。當(dāng)輸入端的控制電壓撤消后，流過雙向晶閘管負載電流為零時才關(guān)斷。２、交流型固態(tài)繼電器

2/6/2023138.1.2開關(guān)量輸出接口過零型

基本控制

非過零型

TTL控制

2/6/202314在測量和工業(yè)實時控制中，經(jīng)常需要對現(xiàn)場物理量進行測量，或者采集下來進行處理。這就需要構(gòu)成一個模擬信號的輸入通道，如圖所示。

單片機或微處理器低通濾波采樣保持A/D轉(zhuǎn)換傳感器前置放大模擬輸入通道8.2模擬信號輸入通道2/6/2023158.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1、分辨率

ADC的分辨率是指使輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。常用二進制的位數(shù)表示。例如12位ADC的分辨率就是12位，或者說分辨率為滿刻度FS的1/。一個10V滿刻度的12位ADC能分辨輸入電壓變化最小值是10V×1/=2.4mV。2/6/2023168.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)量化誤差A(yù)DC把模擬量變?yōu)閿?shù)字量，用數(shù)字量近似表示模擬量，這個過程稱為量化。量化誤差是ADC的有限位數(shù)對模擬量進行量化而引起的誤差。實際上，要準確表示模擬量，ADC的位數(shù)需很大甚至無窮大。一個分辨率有限的ADC的階梯狀轉(zhuǎn)換特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉(zhuǎn)換特性曲線（直線）之間的最大偏差即是量化誤差。2/6/2023178.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)偏移誤差是指輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，所以有時又稱為零值誤差。假定ADC沒有非線性誤差，則其轉(zhuǎn)換特性曲線各階梯中點的連線必定是直線，這條直線與橫軸相交點所對應(yīng)的輸入電壓值就是偏移誤差。滿刻度誤差又稱為增益誤差。ADC的滿刻度誤差是指滿刻度輸出數(shù)碼所對應(yīng)的實際輸入電壓與理想輸入電壓之差。2/6/2023188.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)線性度有時又稱為非線性度，它是指轉(zhuǎn)換器實際的轉(zhuǎn)換特性與理想直線的最大偏差。絕對精度

在一個轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應(yīng)的實際模擬量輸入與理論模擬輸入之差的最大值，稱為絕對精度。對于ADC而言，可以在每一個階梯的水平中點進行測量，它包括了所有的誤差。轉(zhuǎn)換速率

ADC的轉(zhuǎn)換速率是能夠重復(fù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。而完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間（包括穩(wěn)定時間），則是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。2/6/202319必要性

1.任何運放都具有零漂和溫漂，影響測量精度

2.低溫漂、零漂的器件價格高

3.前置放大器的放大倍數(shù)與反饋電阻精度相關(guān)，往往需要高精度的電阻，帶來放大倍數(shù)不準確8.2.2自校正測量電路2/6/202320多路開關(guān)放大器A/DCPUVrefVinVgnd8.2.2自校正測量電路—設(shè)計2/6/202321CPU控制多路開關(guān)，分時測量基準點壓Vref、測量信號Vin、零點Vgnd，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量分別為Mref、Min和Mgnd。則測量信號Vin的測量值M為可以看出，測量值與放大器的放大倍數(shù)無關(guān)，從而消除了放大倍數(shù)隨時間、溫度的變化而帶來的測量精度問題。將零點剪掉，具有良好的抑制零漂8.2.2自校正測量電路—工作原理2/6/202322#defineADCResultXBYTE[0xfffe]#defineSelectChanP1#defineVcal5.0sbit

ADOver P1^7;sbit

ADStartP1^6;unsignedint

Vgnd,Vin,Vref;floatVm;main(){unsignedchari;

for(i=0;i<2;i++){

ADStart=0;

ADStart=1;while（ADOver==0);

if(i==0)Vref=ADCResult;

elseif(i==1)Vin=ADCResult;elseVgnd=ADCResult;}Vm=(float)(Vin–Vgnd)/(float)(Vref-Vgnd)Vm=Vm*Vcal;

}8.2.2自校正測量程序2/6/202323采樣得到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，才能用于顯示、控制等。

標(biāo)度變換（工程量變換）數(shù)字濾波其他8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/202324經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到的不具有量綱的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成具有量綱的數(shù)值。線形參數(shù)標(biāo)度變換其中：A0

為參數(shù)量程的起點值，一次測量儀表的下限

Am為參數(shù)量程的終點值，一次測量儀表的上限

Ax為參數(shù)測量值，工程量

N0

為量程起點對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的值，儀表下限對應(yīng)的數(shù)字量

Nm為量程終點對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的值，儀表上限對應(yīng)的數(shù)字量

Nx

為測量值對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的值8.2.3數(shù)據(jù)處理一、標(biāo)度變換2/6/202325

非線性情況比較復(fù)雜，通常采用查表法，或分段線性化的方法8.2.3數(shù)據(jù)處理非線形參數(shù)標(biāo)度變換2/6/202326測量過程的干擾噪聲主要有兩大類：工頻干擾、隨機干擾。

限幅濾波

中位值濾波法

算術(shù)平均濾波法

遞推平均濾波法

（又稱滑動平均濾波法）

中位值平均濾波法

（又稱防脈沖干擾平均濾波法）限幅平均濾波法一階滯后濾波法加權(quán)遞推平均濾波法

消抖濾波法8.2.3數(shù)據(jù)處理二、數(shù)字濾波2/6/202327數(shù)字濾波的設(shè)計

1．算術(shù)平均值法算術(shù)平均值法就是對某一點的數(shù)值連續(xù)多次采樣，取其算術(shù)平均值。適用于一般信號本身在一定數(shù)值范圍附近上下波動的情況。算術(shù)平均值濾波，一般多次采樣取3～5次即可。2．中值濾波法中值濾波就是連續(xù)采集N個數(shù)據(jù)，從中選取一個中間值作為該點的采樣結(jié)果。

8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/202328算數(shù)平均值濾波程序#defineN12charfilter()

{

int

sum=0;

for(count=0;count<N;count++)

{

sum+=get_ad();

delay();

}

return(char)(sum/N);

}8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/202329中位值濾波程序/*

N值可根據(jù)實際情況調(diào)整

排序采用冒泡法*/

#defineN

11charfilter()

{

charvalue_buf[N];

charcount,i,j,temp;

for(count=0;count<N;count++)

{

value_buf[count]=get_ad();

delay();

}

for(j=0;j<N-1;j++)

{

for(i=0;i<N-j;i++)

{

if(value_buf>value_buf[i+1])

{

temp=value_buf;

value_buf=value_buf[i+1];

value_buf[i+1]=temp;

}

}

}

returnvalue_buf[(N-1)/2];

}

8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/2023303．防脈沖干擾平均值濾波法單片機應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)常會遇到尖脈沖干擾。干擾通常只影響個別采樣點的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點的數(shù)據(jù)相差比較大。如果采用防脈沖干擾平均值濾波法，即對采樣的N個數(shù)據(jù)進行比較，去掉其中最大值和最小值，然后計算余下的平均值?？梢詾V去脈沖干擾所形成的最大和最小數(shù)據(jù)。4．滑動平均值濾波法滑動平均值濾波法采用隊列作為測量數(shù)據(jù)存儲器，隊列的隊長為N，每進行一次新的測量，把測量結(jié)果放入隊尾，而扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，這樣在隊列中始終有N個數(shù)據(jù)。對N個數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值，就可得到測量結(jié)果。

8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/202331限幅濾波程序/*

A值可根據(jù)實際情況調(diào)整

value為有效值，new_value為當(dāng)前采樣值

濾波程序返回有效的實際值

*/

#defineA10

charvalue;charfilter()

{

char

new_value;

new_value=get_ad();

if((new_value-value>A)||(value-new_value>A)

returnvalue;

returnnew_value;

}8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/202332遞推平均值濾波程序#defineN12charvalue_buf[N];

chari=0;charfilter()

{

charcount;

int

sum=0;

value_buf[i++]=get_ad();

if(i==N)

i=0;

for(count=0;count<N,count++)

sum=value_buf[count];

return(char)(sum/N);

}8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/202333中位值平均濾波程序#defineN12charfilter()

{

charcount,i,j;

charvalue_buf[N];

int

sum=0;

for

(count=0;count<N;count++)

{

value_buf[count]=get_ad();

delay();

}

for(j=0;j<N-1;j++)

{

for(i=0;i<N-j;i++)

{

if(value_buf>value_buf[i+1])

{

temp=value_buf;

value_buf=value_buf[i+1];

value_buf[i+1]=temp;

}

}

}

for(count=1;count<N-1;count++)

sum+=value[count];

return(char)(sum/(N-2));

}8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/2023345．一階低通濾波法一階低通濾波法就是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，這種方法適用于變化緩慢數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用RC低通濾波器來抑制高頻干擾，只保存低頻有用信號。一階低通數(shù)字濾波器的公式為：

Yn

=(1-K)Yn-1+KXn

式中：

K：數(shù)字濾波器的時間常數(shù)；

Xn：第n次采樣時的濾波器輸入；

Yn：第n次采樣時的濾波器輸出。8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/202335一階滯后濾波程序（低通濾波）#definea50charvalue;charfilter()

{

char

new_value;

new_value=get_ad();

return((100-a)*value+a*new_value)/100;

}8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/202336加權(quán)遞推平均濾波程序/*coe數(shù)組為加權(quán)系數(shù)表，存在程序存儲區(qū)。*/#defineN12charcodecoe[N]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12};

charcodesum_coe=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;charfilter()

{

charcount;

charvalue_buf[N];

int

sum=0;

for(count=0,count<N;count++)

{

value_buf[count]=get_ad();

delay();

}

for(count=0,count<N;count++)

sum+=value_buf[count]*coe[count];

return(char)(sum/sum_coe);

}8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/202337消抖濾波程序#defineN12charfilter()

{

charcount=0;

charnew_value;

new_value=get_ad();

while(value!=new_value);

{

count++;

if(count>=N)

returnnew_value;

delay();

new_value=get_ad();

}

returnvalue;

}8.2.3數(shù)據(jù)處理2/6/202338在控制系統(tǒng)中，計算機采集到的數(shù)據(jù)往往需要輸出；或經(jīng)過控制算法計算后輸出控制信號用于調(diào)節(jié)或控制受控對象。在很多情況下，計算機系統(tǒng)需要輸出模擬量信號。

為適應(yīng)信號遠傳需要，需要把計算機經(jīng)D/A輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成受控對象所需要的電流信號。工業(yè)常用信號：0-10mA4-20mA8.3模擬信號輸出通道

2/6/2023398.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)分辨率分辨率是指輸入數(shù)字量的最低有效位（LSB）發(fā)生變化時，所對應(yīng)的輸出模擬量（常為電壓）的變化量。它反映了輸出模擬量的最小變化值。分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有確定的關(guān)系，可以表示成FS/。FS表示滿量程輸入值，n為二進制位數(shù)。對于5V的滿量程，采用８位的DAC時，分辨率為5V/256＝19.5mV；當(dāng)采用12位的DAC時，分辨率則為5V/4096＝1.22mV。顯然，位數(shù)越多分辨率就越高。線性度線性度（也稱非線性誤差）是實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想直線特性之間的最大偏差。常以相對于滿量程的百分數(shù)表示。如±１％是指實際輸出值與理論值之差在滿刻度的±１％以內(nèi)。2/6/2023408.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)絕對精度（簡稱精度）是指在整個刻度范圍內(nèi)，任一輸入數(shù)碼所對應(yīng)的模擬量實際輸出值與理論值之間的最大誤差。絕對精度是由DAC的增益誤差（當(dāng)輸入數(shù)碼為全1時，實際輸出值與理想輸出值之差）、零點誤差（數(shù)碼輸入為全０時，DAC的非零輸出值）、非線性誤差和噪聲等引起的。絕對精度（即最大誤差）應(yīng)小于1個LSB。相對精度與絕對精度表示同一含義，用最大誤差相對于滿刻度的百分比表示。2/6/2023418.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)建立時間是指輸入的數(shù)字量發(fā)生滿刻度變化時，輸出模擬信號達到滿刻度值的±1/2LSB所需的時間。是描述D/A轉(zhuǎn)換速率的一個動態(tài)指標(biāo)。電流輸出型DAC的建立時間短。電壓輸出型DAC的建立時間主要決定于運算放大器的響應(yīng)時間。根據(jù)建立時間的長短，可以將DAC分成超高速（＜1μS)、高速（10～1μS）、中速（100～10μS）、低速（≥100μS）幾檔。

應(yīng)當(dāng)注意，精度和分辨率具有一定的聯(lián)系，但概念不同。DAC