开关量与模拟量接口技术.docx
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开关量与模拟量接口技术
第11章开关量与模拟量接口技术
1．教学目的和要求：
掌握开关量和开关量接口
掌握模拟量和模拟量接口
了解分布式采集系统
2．教学重点：
开关量接口
模拟量接口
3．掌握难点：
A/D和D/A转换
5．教学方法：
课堂讲授
6．教学内容摘要：
11.1概述
11.1.1开关量
在微机应用系统中，通常要引入一些开关量的输出控制（如继电器的通/断）及状态量的反馈输入（如机械限位开关状态、控制继电器的触点闭合等）。
这些控制动作都和强电（大电流、高电压）控制电路联系在一起，合理地设计和应用十分重要。
如果应用不当而形成了强电控制电路，则会对微机应用系统造成严重干扰，会导致微机系统不能正常工作。
图11.1大电流干扰地电平示意图
消除上述干扰的最有效方法是使微机应用系统主机部分的接地和强电控制电路的接地隔开，不让它们在电气上共地。
微机应用系统主机部分的控制信息以某种非电量（如光、磁等）形式传递给强电控制电路，实现电信号的隔离，从而消除强电干扰。
目前，最常见的是采用光电隔离器或继电器隔离，其中光电隔离器件体积小、响应速度快、寿命长、可靠性高，因而获得了广泛的应用。
11.1.2模拟量
模拟量输入/输出通道是微型计算机与控制对象之间的一个重要接口，也是实现工业过程控制的重要组成部分。
在工业生产中，需要测量和控制的物理量往往是连续变化的量，如电流、电压、温度、压力、位移、流量等。
为了利用计算机实现对工业生产过程的自动监测和控制，首先要能够将生产过程中监测设备输出的连续变化的模拟量转变为计算机能够识别和接受的数字量。
其次，还要能够将计算机发出的控制命令转换为相应的模拟信号，去驱动模拟调节执行机构。
这样两个过程，都需要模拟量的输入和输出通道来完成。
模拟量输入/输出通道的结构如图11.2所示，下面分别介绍输入和输出通道中各环节的作用。
1.模拟量的输入通道
图11.2模拟量的输入/输出通道结构图
2.模拟量的输出通道
计算机的输出信号是数字信号，而有些控制执行元件要求提供模拟的输入电流或电压信号，这就需要将计算机输出的数字量转换为模拟量，这个过程的实现由模拟量的输出通道来完成。
输出通道的核心部件是D/A（DigitaltoAnalog）转换器，由于将数字量转换为模拟量同样需要一定的转换时间，也就要求在整个转换过程中待转换的数字量要保持不变。
而计算机的运行速度很快，其输出的数据在数据总线上稳定的时间很短，因此，在计算机与D/A转换器之间必须加一级锁存器以保持数字量的稳定。
D/A转换器的输出端一般还要加上低通滤波器，以平滑输出波形。
另外，为了能够驱动执行器件，还需要设置驱动放大电路将输出的小功率模拟量加以放大，以足够驱动执行元件动作。
11.2开关量接口
11.2.1光电子器件
1.光电二极管
图11.3光电二极管电路
（a）符号；（b）等效电路；（c）特性曲线
2.发光二极管
3.光电耦合器件
11.2.2开关量输入接口电路
光电隔离输入通常用于控制动作的状态反馈。
这种反馈可能是电信号形式，也可能是机械触点的断开或闭合形式。
这里，我们假定状态反馈形式是继电器触点的断开或闭合。
光电隔离输入接口电路的具体实例如图11.8所示。
图11.8光电隔离输入接口电路
11.2.3开关量输出接口电路
图11.11开关量输出接口的逻辑结构
1.缓冲寄存器
缓冲寄存器中寄存器的每一位表示一个开关量，用“0”和“1”区分通/断或有/无。
寄存器的字长等于数据总线位数，可容纳同样多的开关量数目。
每个寄存器给一个地址，由控制译码器提供一个选通信号，开关量数目被字长除得的整数即为寄存器的数目。
例如，对16位计算机，若有64个开关量输出，则需要四个寄存器（16位）和四套相应电路（每套16路）。
2.驱动放大电路
因为有些输出电路要求比较大的电流（例如，继电器需20mA电流），所以需要驱动放大电路。
这里采用辅助操作接口中的总线驱动器元件。
3.输出部件
输出元件通常有四种，即继电器、光电开关、脉冲变压器和固态继电器。
其电路原理如图11.12所示。
1）继电器输出
如图11.12（a）所示，驱动电流约为20mA，电压为+5V，输入高压约为24～30V，电流为0.5～1A。
当开关量为1时，线圈通过电流，触点被吸合。
VFl与V0接近，输入线VF2一般可公用，也可分开接不同设备。
线圈并联二极管用以防止反冲。
压敏电阻为齐纳二极管，起到防止冲击、防止火花、去干扰和保护触点等作用。
继电器用于负载重、速度慢的情况。
2）光电开关输出
光电开关电路示于图11.12（b），一般要求驱动电流为20mA，宽度20μs，用于负载较轻的使用情况。
光电隔离输出接口，一般是CPU和大功率执行机构（如大功率继电器、电机等）之间的接口，控制信息通过它才能送到大功率的执行机构。
CPU与继电器之间的接口如图11.13所示，它是光电隔离输出接口的一个实例。
图11.12几种常用输出部件的电路结构
图11.13光电隔离输出接口电路实例
图中输出控制用一块8位锁存器进行缓冲，然后再经一块反相器与发光二极管的一端相接。
该反相器可以用OC门，也可以用吸收电流较大的TTL门（如71LS240）。
当继电器的工作电流不太大时，光敏三极管的集电极可以串接一个继电器线圈，以直接驱动继电器工作。
当所接的继电器的工作电流较大时，需要加一级驱动放大电路（可以用一级前置继电器，也可以用一级晶体管放大电路）。
与继电器线圈并联的二极管起阻尼作用，它在继电器断电时，为在线圈中的工作电流提供一个低电阻通路，以保护光敏三极管不致于被继电器线圈电感产生的高的反向电压击穿。
）脉冲变压器输出
如图11.12（c）所示，脉冲变压器多用于高频脉冲调制型输出。
脉冲宽度可为2～5μs。
脉冲变压器在光电开关不适合的快速、负载轻的情况下使用。
4）固态继电器
固态继电器是光电开关隔离的扩展应用，在工业上用途广泛，是性能较为理想的开关量输出元件，其结构如图11.12（d）所示。
它兼有光电耦合器和继电器二者的优点，同时克服了两者的不足。
输入为TTL电平，输入电流小于1mA，输出电压为24～1200VDC（或AC），输出电流为0.5～30A。
它的优点是开关速度快，无触点，无火花，可靠性好；缺点是价格稍贵。
此外，VFBT器件是开关量输出非常有前途的器件。
随着VMOS器件的发展，中功率和大功率高压场效应管已经出现。
VMOS采用V形沟道，其特点是能够高频工作，在低输入电流情况下能输出高压大电流。
这种新型专用的开关量集成电路已经广泛应用。
开关量输出的工作过程是，微型计算机根据控制过程的需要形成对应的开关量控制率，或事先存储对应开关量控制字，将开关量送入寄存器后即可产生对应的开关量输出。
特别需要注意的是，加电时必须保持寄存器为零，不能听任寄存器为任意状态而造成事故。
对开关量输出有严格的时间要求时，要加计数器计时，保证精确时序和开关量输出时间周期。
对于重要的开关量输出，可用三个寄存器中的对应位表示同一个开关量，经三取二决定逻辑控制开关量输出，以进一步提高其可靠性。
4.应用注意事项
需要说明的是，在某些特殊情况下，需要在上述框图的基础上加以改进。
1）输出特性不符
输出电压和电流不符合共同的输出标准，要求比24V或27V更高的交直流电压，或者要求很大的电流时，采用二级继电器，即由开关量的输出再驱动强电继电器，由强电继电器触点构成通断完成这些要求。
2）高可靠性
有些开关量输出要求特别可靠，要用外界一些条件直接进行控制，这样可在缓冲寄存器后加逻辑电路。
用这些条件参与控制，然后再推动驱动器和输出部件。
这种开关量输出被称为有条件开关量输出。
3）速度和时序
有些开关量输出要求严格的开关时间或某个开关接通后延迟指定时间，以使另一开关量接通。
在微型计算机程序不能用于精确计时的情况下，开关量输出部分需加硬件定时计数器来处理这个问题。
4）引入手动控制
还有一些人工直接干预的开关量输出，可将操作键的输入信号与缓冲寄存器输出信号相“或”再送驱动电路和输出部件，这样不通过微型计算机便可进行手动控制。
尽管还有这样那样的情况需要处理，总的说来开关量输出的逻辑关系是比较简单的，重要的是确保其工作的可靠性。
11.3模拟量接口
11.3.1D/A转换器
D/A转换器是一种将数字量转换成模拟量的器件，其特点是接收、保持和转换的是数字信息，不存在随温度和时间的漂移问题，因此电路的抗干扰性能较好。
由于现阶段D/A转换器接口设计的主要任务是选择D/A集成芯片，并配置相应的外围电路，因此本书不介绍D/A转换器的基本原理，而是重点介绍常用的芯片。
1.8位D/A转换器DAC0830/0831/0832
DAC0830/083l/0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，它具有价格低廉、接口简单及转换控制容易等特点。
DAC0830系列产品包括DAC0830、DAC0831和DAC0832，它们可以完全相互代换。
这类产品由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DIA转换电路及转换控制电路组成，能和CPU数据总线直接相连，属中速转换器，大约在1μs内将一个数字量输入转换成模拟量输出。
1）特点与主要规范
该类产品采用双缓冲、单缓冲或直接数字输入，与12位DAC1230系列容易互换，且引脚兼容，可用于电压开关方式，电流建立时间为1μs，8位的分辨率，功耗低，只需20mW，采用+5~+15V单电源供电，满足TTL电平规范的逻辑输入（1.4V逻辑域值），具有8、9或10位线性度（全温度范围均保证）。
图11.14给出了DAC0830系列芯片的引脚图。
图11.14DAC0830/0831/0832系列芯片的引脚图
2）引脚功能
CS——片选信号输入端，低电平有效。
ILE——数据锁存允许信号输入端，高电平有效。
WR1——输入锁存器写选通信号，低电平有效。
它作为第一级锁存信号将输入数据锁存到输入锁存器中。
WR1必须在CS和ILE均有效时才能起操控作用。
WR2——DAC寄存器写选通信号，低电平有效。
它将锁存在输入锁存器中可用的8位数据送到DAC寄存器中进行锁存。
此时，传送控制信号XFER必须有效。
XFER——传送控制信号，低电平有效。
当XFER为低电平时，将允许。
D0~D7——8位数据输入端，D7为最高位。
IOUT1、IOUT2——模拟电流输出端，转换结果以一组差动电流（IOUT1，IOUT2）输出。
当DAC寄存器中的数字码全为“l”时，IOUT1最大；全为“0”时，IOUT2为零。
IOUT1+IOUT2=常数，IOUT1、IOUT2随DAC寄存器的内容线性变化。
RFB——反馈电阻引出端，DAC0830内部已有反馈电阻，所以RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样，相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。
VCC——电源电压输入端，范围为+5~+15V，以+15V时工作为最佳。
VREF——参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接负电压。
范围为－10~+10V。
外部标准电压通过VREF与T型电阻网络相连。
此电压越稳定，模拟输出精度就越高。
AGND——模拟地。
DGND——数字地。
3）内部结构
图11.15DAC0830内部结构
该器件有两个内部寄存器，要转换的数据先送到输入锁存器，但不进行转换。
只有数据送到DAC寄存器时才能开始转换，因而称为双缓冲。
ILE、CS和WR13个信号组合控制第一级缓冲器的锁存。
当ILE为高电平，并且CPU执行OUT指令时，CS和WR1同时为低电平，使得输入锁存器的使能端LE1为高电平，此时锁存器的输出随输入变化；当CPU写操作完毕时，CS和WR1都变成高电平，使得LE1为低电平，此时，数据锁存在输入锁存器中，实现第一级缓冲。
同理，当WR1和WR2同时为低电平时，LE2为高电平，第一级缓冲器的数据送到DAC寄存器；当XFER和WR2中任意一个信号变为高电平时，这个数据被锁存在DAC寄存器中，实现第二级缓冲，并开始转换。
4）工作方式
（1）双缓冲方式。
所谓双缓冲方式，就是把DAC0830的输入锁存器和DAC寄存器都接成受控锁存方式。
这种方式适用于多路D/A同时进行转换的系统。
因为各芯片的片选信号不同，可由每片的片选信号CS与WR1分时地将数据输入到每片的输入锁存器中，每片的ILE固定为+5V，XFER与WR2分别连在一起，作为公共控制信号。
数据写入时，首先将待转换的数字信号写到8位输入锁存器，当WR1与WR2同时为低电平时，数据将在同一时刻由各个输入锁存器将数据传送到对应的DAC寄存器并锁存在各自的DAC寄存器中，使多个DAC0830芯片同时开始转换，实现多点控制。
双缓冲方式的优点是，在进行D/A转换的同时，可接收下一个转换数据，从而提高了转换速度。
设输入锁存器的地址为200H，DAC寄存器的地址为201H，则完成一次D/A转换的参考程序片段如下：
MOVDX，200H；送输入锁存器地址
OUTDX，AL；AL中的数据送输入锁存器
MOVDX，201H；送DAC寄存器地址
OUTDX，AL；数据写入DAC寄存器并转换
最后一条指令，表面上看来是把AL中的数据送DAC寄存器，实际上这种数据传送并不真正进行，该指令只起到打开DAC寄存器使输入锁存器中的数据通过的作用。
（2）单缓冲方式。
如果应用系统中只有一路D/A转换，或虽然是多路转换但不要求同步输出时，可采用单缓冲方式。
所谓单缓冲方式，就是使DAC0830的输入锁存器和DAC寄存器有一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式。
一般将WR2和XFER接地，使DAC寄存器处于直通状态，ILE接+5V，WR1接CPU的IOW，CS接I/O地址译码器的输出，以便为输入锁存器确定地址。
在这种方式下，数据只要一写入DAC芯片，就立即进行D/A转换，省去了一条输出指令。
执行下面几条指令就能完成一次D/A转换：
MOVDX，200H；DAC0830的地址为200H
OUTDX，AL；AL中数据送DAC寄存器
（3）直通方式。
当ILE接+5V，CS、WR1、WR2及XFER都接地时，DAC0830处于直通方式，输入端D7～D0一旦有数据输入就立即进行D/A转换。
这种方式不使用缓冲寄存器，不能直接与CPU或系统总线相连，可通过8255与之相连接。
5）输出方式
DAC0830为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外接一个运算放大器。
（1）单极性模拟电压输出。
如果参考电压为+5V，则当数字量N从00H至FFH变化时，对应的模拟电压VO的输出范围是－5～0V，如图11.16所示。
图11.16单极性输出方式
（2）双极性模拟电压输出。
如果要输出双极性电压，则需在输出端再加一级运算放大器作为偏移电路，如图11.17所示。
当数字量N从00H至FFH变化时，对应的模拟电压VO的输出范围是－5～+5V。
图11.17双极性输出方式
6）应用举例
【例11-1】锯齿波的产生。
图11.18DAC0830锯齿波发生器电路
控制程序清单如下：
；8255A初始化
MOVDX，0E003H；8255A的控制端口地址
MOVAL，80H；设置8255A的方式字
OUTDX，AL
；B口控制DAC的转换
MOVDX，0E001H；8255A的B口地址
MOVAL，10H；置0830为直通工作方式
OUTDX，AL
；生成锯齿波
MOVDX，0E000H；设置DAC端口号
MOVAL，0H；设置初值
L1：
OUTDX，AL；向DAC送数据
INCAL；输出数据加1
NOP；延时
JMPL1
通过AL加1，可得到正向的锯齿波。
如要得到负向的锯齿波，则只要将程序中的INCAL改为DECAL即可。
可以通过延时的办法改变锯齿波的周期，若延迟时间较短，则可用NOP指令来实现；若延迟时间较长，则可用一个延时子程序。
延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。
【例11-2】三角波的产生。
在原有硬件电路的基础上，换用下述程序即可产生三角波。
MOVDX，0E000H
MOVAL，0H；输出数据从0开始
L2：
OUTDX，AL
INCAL；输出数据加1
JNZL2；AL是否加满？
未满，继续
MOVAL，0FFH；已满，AL置全“1”
L3：
OUTDX，AL
DECAL；输出数据减1
JNZL3；AL是再减到“0”？
不是，继续
JMPL2
2.12位D/A转换器DAC1208/1209/1210
DAC1208系列D/A转换器有DAC1208、DAC1209和DAC1210三种类型，它们都是与微处理器直接兼容的12位D/A转换器。
其基本结构与DAC0830系列相似，也是由两级缓冲寄存器组成，因此可不添加任何接口逻辑而直接与CPU相连。
它们的主要区别是线性误差不同。
1）特点与主要规范
该类器件可与所有的通用微处理器直接相连，可采用双缓冲、单缓冲或直接数字输入，逻辑输入符合TTL电压电平规范（1.4V逻辑域值），特殊情况下能独立操作（无μPC）。
1μs的电流稳定时间，12位的分辨率，具有满量程10位、11位或12位的线性度（在全温度范围内保证），低功耗设计，只需要20mW。
参考电压为－10～+10V，+5～+15V为单电源。
2）内部结构及工作方式
DAC1208系列芯片为标准24脚双列直插式（DIP24）封装，其内部结构如图11.19所示。
从图中可以看出，DAC1208系列芯片的逻辑结构与DAC0830系列的相似，也是双缓冲结构，主要区别在于它的两级缓冲寄存器和D/A转换器均为12位。
为了便于和应用广泛的8位CPU相连，12位数据输入锁存器分成了一个8位输入锁存器和一个4位输入锁存器，以便利用8位数据总线分两次将12位数据写入DAC芯片。
这样DAC1208系列芯片的内部就有3个寄存器，需要3个端口地址。
为此，内部提供了3个LE信号的控制逻辑。
由于其逻辑结构和各引脚功能与DAC0830系列芯片的相似，因此我们只讨论12位数据输入锁存器与处理器8位数据总线的相连问题，其他的不再赘述。
图11.19DAC1208系列内部结构及引脚分布图
和DAC0830一样，CS和WR用来控制输入锁存器，XFER和WR用来控制DAC寄存器，但是，为了区分8位输入锁存器和4位输入锁存器，增加了一条高/低字节控制线（字节1/字节2）。
在与8位数据总线相连时，DAC1208系列芯片的输入数据线高8位D11～D4连到数据总线的D7～D0，低4位D3～D0连到数据总线的D7～D4（左对齐），图11.20给出了DAC1208系列芯片与IBM-PC总线的连接。
12位数据输入需由两次写入操作完成，设高/低字节控制信号字节1/字节2的端口地址（即DAC1208系列的高8位输入锁存器和低4位输入锁存器的地址）分别为220H和221H，12位DAC寄存器的端口地址（即选通信号XFER）为222H，由地址译码电路提供。
由于4位输入锁存器的LE端只受CS和WR1控制，因此当译码器74LS138的输出端Y0＝0，使高/低字节控制线信号为“l”时，若IOW为有效信号，则两个输入锁存器都被选中；
而当译码输出端Y1=0，使高/低字节控制线信号为“0”时，若IOW为有效信号，则只选中4位输入锁存器。
可见两次写入操作都使4位输入锁存器的内容更新。
如果采用单缓冲方式（即直通方式），则在12位数据不是一次输入的情况下，边传送边转换会使输出产生错误的瞬间毛刺。
因此，DAC1208系列的D/A转换器必须工作在双缓冲方式下，在送数时要先送入12位数据中的高8位数据D11～D4，并在WR1上升沿将数据锁存，实现高字节缓冲，然后再送入低4位数据D3～D0，并在WR1上升沿将数据锁存，实现低位字节缓冲。
当译码输出端Y2=0且IOW=0（即WR2=0）时，12位数据一起写入DAC1208系列的DAC寄存器，并在WR2上升沿将数据锁存，开始D/A转换。
图11.20DAC1208系列芯片与IBM-PC总线的连接
若BX寄存器中低12位为待转换的数字量，下列程序段可完成一次转换输出：
START：
MOVDX，220H；DAC的基地址
MOVCL，4
SHLBX，CL；BX中12位数向左对齐
MOVAL，BH
OUTDX，AL；写入高8位
INCDX
MOVAL，BL
OUTDX，AL；写入低4位
INCDX
OUTDX，AL；启动D/A转换，AL中为任意数
HLT
3.D/A转换器接口技术性能
1）分辨率
2）转换时间
3）精度
11.3.2A/D转换器
A/D转换器是实现模拟量转换为数字量的器件，在工业控制系统和数据采集以及许多其他领域中，A/D转换器常常是不可缺少的重要部件。
A/D转换器的品种繁多，目前使用较广泛的主要有三种类型：
逐次逼近型、V/F转换型和双积分型。
其中，双积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，但转换速度较慢；逐次逼近型A/D转换器易于用集成工艺实现，且具有较高的分辨率和转换速度。
因此，目前市场上的A/D转换器采用逐次逼近型的较多。
1.8位A/D转换器ADC0809
图11.21ADC0809原理图
芯片内除含有8位逐次逼近型A/D转换器外，还有8通道多路转换器和3位地址锁存和译码器，以实现对8路输入模拟量IN0～IN7的选择。
当地址锁存允许信号ALE有效时，将3位地址ADDC～ADDA锁入地址锁存器中，经译码器选择8路模拟量中的一路通过8位A/D转换器转换输出。
由于输出端具有三态输出锁存缓冲器，因此可以直接与CPU系统总线相连接。
ADC0809可用单5V电源工作，模拟信号输入范围为0～5V，输出与TTL兼容。
1）ADC0809芯片的引脚
图11.22是ADC0809芯片的引脚图，其引脚功能介绍如下：
IN0～IN7——8路模拟输入信号。
通过ADDA、ADDB和ADDC3个地址译码来选通一路。
D0～D7A/D——转换后的8位数字量输出。
其中，D7为最高位，D0为最低位。
ADDC～ADDA——8路模拟开关的3位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。
ADDc为高位地址，ADDA为低位地址。
图11.22ADC0809引脚图
ALE——地址锁存允许信号。
当ALE为上升沿时，ADDC～ADDA地址状态送入地址锁存器。
使用时，该信号常和START信号连在一起，当START端为高电平时，同时将通道地址锁存起来。
STARTA/D——转换启动信号。
此信号由CPU执行输出指令产生。
START为上升沿时，所有内部寄存器清0；START为下降沿时，开始进行A/D转换，在A/D转换期间，START应保持低电平。
EOC——转换结束信号。
转换开始后，该信号变为低电平；经过64个时钟周期后转换结束，该信号变为高电平。
EOC信号可作为对CPU的中断请求信号或DMA传送，也可作为CPU查询的信号。
OE——输出允许信号。
当该信号为高电平时，打开输出缓冲器三态门，转换结果输出到数据总线上；当该信号为低电平时，输出数据线呈高阻态。
在中断方式下，该信号为CPU发出的中断请求响应信号。
EOC和OE两个信号可以连在一起表示A/D转换结束。
CLOCK——时钟输入信号。
时钟频率范围为10~1280kHz，典型值为64
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