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四、分析题

§1.1章节

1、分析说明为什么使用LED需要接限流电阻，当高电平为+5V时，正常点亮一个LED需要多大阻值的限流电阻（设LED的正常工作电流为10mA，导通压降为0.6V），为什么？

（6分）

答：

因为LED导通时，电压降是固定的（0.6V）。

为了使LED既能正常工作（电流为10mA），又不至于被过大的电流损坏，所以必须加一个限流电阻。

2、请设计一个抢答器单片机系统，要求4个按键控制4个发光二级管。

按键要求用独立式按键，发光二级管可采用共阳级，片内时钟信号采用并联谐振回路。

复位电路可为上电自动复位或按键电平复位。

画出电路图并简述抢答器的工作原理。

（10分）

解：

电路图如下（6分）

其工作原理为：

四个按钮分别控制对应的四个发光二级管。

先对p1.4~p1.7进行循环扫描，当检测到某位为0时，停止扫描，即不会再响应按键。

根据变为0的位对其相对应的p1.0~p1.3输出0，点亮发光二极管。

一次抢答完，按复位按钮复位。

（4分）

3、试分析89C51单片机RAM和ROM在用途上和编址上有什么区别？

（10分）

答：

数据存储器RAM是用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。

（2分）

数据存储器空间也分为片内和片外两大部分，即片内RAM和片外RAM。

89C51单片机片外数据存储器空间为64KB,地址为0000H～FFFFH；片内存储器空间为256字节，地址为0000H～00FFH。

（3分）

程序存储器ROM用于存放编好的程序和表格常数。

（2分）

程序存储器ROM编址容量为4KB，地址为0000H～0FFFH。

片外最多可扩至64KBROM/EPROM，地址为1000H～FFFFH。

而且片内外统一编址。

（3分）

§1.2章节

4请补充8031单片机和8255之间扩展的接线图，并作简要说明。

（12分）

8031单片机的P0口P0.0~P0.7做地址总线和数据总线分时复用。

中间添加74LS373锁存器。

8031传输数据是8位的，地址是16位的。

单片机的数据经P0.0~P0.7到8255的A0.0~A0.7；输出地址时，先输出高8位，然后进行锁存，再输出低8位，然后完成16位的地址读取输出到8255.

5画出两个采用电平转换器的TTL电路与CMOS电路的接口电路。

（10分）

（a）用比较器作电平转换器的接口电路（5分）（b）普通接口电路（5分）

674LS373的输出由P2.6和RD相“或”控制。

74LS373的口地址为BBFFH。

若8031将输入接口的数据送入片内数据存储器中首地址为70H的数据区时，试写出其相应的中断系统初始化及中断服务程序。

（10分）

答：

中断系统初始化（4分）

PINT:

SETBINT0;

SETBEA;

MOVR0,#70H;

SETBEX0;

中断服务程序（6分）

ORG0003H;

PINTO:

AJMPPGINT0;

ORG0100H;

PGINT0:

MOVDPTR,#BBFFH;

MOVXA,@DPTR;

MOV@RO,A;

INCR0;

RETI;

§1.3章节

7请设计一个抢答器单片机系统，要求4个按键控制4个发光二级管。

按键要求用独立式按键，发光二级管可采用共阳级，片内时钟信号采用并联谐振回路。

复位电路可为上电自动复位或按键电平复位。

画出电路图并简述抢答器的工作原理。

（10分）

答案：

电路图如下（6分）：

其工作原理为：

四个按钮分别控制对应的四个发光二级管。

先对p1.4~p1.7进行循环扫描，当检测到某位为0时，停止扫描，即不会再响应按键。

根据变为0的位对其相对应的p1.0~p1.3输出0，点亮发光二极管。

一次抢答完，按复位按钮复位。

（4分）

8某单片机应用系统的P1口连接如下图，问：

（10分）

（1）执行下列程序的第一条指令后。

哪些指示灯会亮？

（3分）

（2）第二条指令的用处（3分）

（3）执行到最后，（A）=?

（4分）

程序为：

MOVP1，#0EH

ORLP1，#C0H

MOVA，P1

ANLA，#C0H

答：

（1）#0EH是给P1口赋值即从P1.7~P1.0赋值00001110，即给P1.1口高电平，P1.0低电平。

L1两端无电压差不发光，L0两端有+5V电压，L0导通，因此L0会亮。

（3分）

（2）ORL是按位或，P1.7、P1.6的输入作准备（准双向口）。

（3分）

（3）由图可知P1口的数值为A0H，ANL是按位与，执行第三条命令时A中的值为10001110，C0H的值为11000000，按位与有：

10001110

11000000

得到10000000

因此执行到最后A的内容为80H。

（4分）

9如图所示为一4×4行列式键盘与89C51的接口电路：

（10分）

（1）如何判断有无键按下？

（5分）

答：

列线送入全扫描字（00H），然后将行线电平状态读入累加器A中。

如果行输入不全为1，则说明此时有键按下。

（2）如何判断哪个键按下？

（5分）

答：

依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下之键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与0电平行线相交的交点上的那个键。

§1.4章节

10把被测量的物理参数最终转换成与参数成比例的TTL电平的频率信号，输入到计算机应用系统。

这时的前向通道为数字频率输入通道。

根据前向通道中所选择的传感器不同，数字频率输入通道结构有很大不同。

请画出最简信号频率输入通道结构并对其结构进行简单解释。

（10分）

答：

如果前向通道中采用数字频率传感器（石英谐振式压力传感器等），这类传感器把被测物理量变换成脉冲频率、脉冲周期或脉冲数，这时，前向通道结构最为简单。

（2分）

其结构图为（5分）

1）数字量传感器将被测量转换成与被测信号成比例的电压（或电流）脉冲频率（f）、周期（T）或周期数（N）。

（1分）

2）对于TTL电平的f、T、N信号可以直接接入CPU的I／O口线、计数器输入端或外部中断信号输入端。

（1分）

3）为了防止噪声侵入，可经过光电隔离后送入。

（1分）

11已知如图并给出下列程序，请在读图并理解程序后回答下列问题：

（1）程序功能为：

采集通道0-7的模拟量信号。

（2分）

（2）ADC0809的口地址为01111111111111000到0111111111111111（3分）

（3）EOC的作用是：

EOC为A/D转换结束信号，用来引起中断或查询，以便读取A/D的转换结果。

（2分）

（4）程序运行结果存于：

外部RAM的A0H～A7H。

（3分）

ADC：

MOVDPTR，#7FFOH

MOVR0，#0A0H

MOVR2，#8

MOVA，#0

LOOP：

MOVX@DPTR，A

JBP3.3，$

MOVXA，@DPTR

MOVX@R0,A

1NCDPTR

1NCR0

DJNZR2,LOOP

AJMPADC

题解：

地址线由P2（高八位）和P0口控制

（低八位），在此题中，地址译码器引

脚A、B、C与地址总线的低3三位A0、

A1、A2相连，以选通IN0~IN7中的一个

通道，当A0=A1=A2=0时，选中通道0，

所以P0所控制的低八位起始地址为：

11111000

由P2.7为低电平时，选中芯片，所以P2地

址为01111111综上所述，ADC0809的地址为

01111111111111000到0111111111111111

即7FF8H—7FFFH

12

（1）A／D转换器AD574A的分辨率为10位，如果该转换器的输出数据用百分数来表示分辨率时，其分辨率为多少？

（2）若满量程为8伏，则1LSB为多少伏？

答案：

（1）:

1/2n*100%=1/210*100%=0.009765625‰（5分）

（2）:

若A/D转换为n位，满量程为X伏，则1LSB为X/（2n-1）伏。

所以1LSB为8/（210-1）=1.9536Mv（5分）

§1.5章节

13在后向通道中要达到小信号输出、大功率控制的功能，可以通过各类功率开关接口器件及电路来实现；下图中，通过机械继电器的方式来实现此功能。

请简述其工作原理，并说明该方法的主要缺点。

请分别说明二极管以及齐纳管在此电路中的作用。

（8分）

答：

在数字逻辑电路中最常使用的机械继电器有簧式继电器。

工作原理：

单片机控制端输出逻辑信号，将逻辑信号输入到TTL门中；通过TTL门对输入信号进行逻辑运算；将运算结果输出从而控制线圈是否导通，从而产生磁场。

当线圈中有流量通过产生磁场，受到磁场的作用，两个簧片相接触而导通，因此驱动负载电路工作。

这种簧式继电器控制电流要求很小，而簧式触点可开关较大的电流。

（3分）

该方法的主要缺点：

机械继电器的开关响应时间较大，计算机应用系统中使用机械继电器时，控制程序中必须考虑开关响应时间的影响。

（1分）

二极管的作用：

主要是起保护的作用，抑制反向电动势。

当TTL的输出端输出的信号使得控制端断开电流时，由于线圈的电磁感应现象从而产生磁滞电压；如果没有反向电动势抑制二极管将可能烧坏TTL的门电路。

（2分）

齐纳管的作用：

主要是起保护的作用，防止产生触点电弧。

（2分）

评分标准：

写出任意一个并分析正确均得满分，画出设计图得4分，结构、原理和特点各占2分，满分10分。

14下图是后向通道中D/A转换的两种方案图。

试分析两种方案的不同点。

分别说明两种方案的优缺点。

（10分）

答：

图（a）为每个通道各用一个D/A转换器的电路，CPU和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息，这是一种数字保持的方案。

图（b）为多个通道共用一个D/A转换器的电路，因为共用一个D/A转换器，故它必须在CPU控制下分时工作。

即依次把D/A转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路模拟开关传送给输出采样保持器。

（5分）

图（a）这种结构优点是速度快、精度高、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其他通道的工作。

缺点是如果输出通道的数量很多，会使得这种结构价格很高。

图（b）这种结构优点是节省了D/A转换器。

缺点是因为分时工作，只适用于通道数量多且速度要求不高的场合。

它需要多路模拟开关，要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比较大，且工作可靠性较差。

（5分）

15通道往往所处环境恶劣，控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁干扰较为严重，特别是在长线信号传输中，为保证信号可靠性，通常采用光电耦合器。

其中光电耦合器件有隔离信号用和隔离驱动用两种作用，试在下图虚线框中设计一种隔离信号用光电耦合器件，并说明其结构、原理和特点。

（10分）

答：

图（a）为三极管输出型光电耦合器的结构形式。

输入端为发光二极管，输出端为光敏三极管。

当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止。

对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。

这种器件一般用在100Khz以下的频率信号。

（5分）

图（b）为高速光电耦合器的结构形式。

输入端仍为发光二极管，输出端部分采用PIN型光敏二极管和高速开关管组成复合结构。

当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，反向偏置的光敏二极管光照后导通，经电流-电压转换后经输出高速开关三极管反向后光电隔离器输出。

这种结构具有较高的响应速度。

（5分）

注：

评分标准：

写出任意一个并分析正确均得满分，画出设计图得4分，结构、原理和特点各占2分，满分10分。

出题意图：

考查同学们对于信号隔离用光电耦合器件的掌握，信号隔离用光电耦合器件包括最普通的信号隔离用光电耦合器件和高速光电耦合器，同学们需熟知两种信号隔离用光电耦合器的基本特点、构造及用途。

重点注意他们在输出部分的区别。

§1.6和§2.1章节

16请画出微机供电系统的抗干扰设计简图并简述每一部分的作用。

（10分）

答

（1）交流稳压器：

用来保证供电的稳定性，防止电源系统的过压与欠压。

（2）隔离变压器：

高频噪声通过变压器主要不是靠初、次级线圈的互感耦合，而是靠初、次级间寄生电容耦合，因此，隔离变压器的初级和次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抗共模干扰的能力。

（3）低通滤波器：

电源系统的干扰源大部分是高次谐波，因此采用低通滤波让50Hz市电基波通过，滤去高次谐波，以改善电源波形。

（4）非稳压直流整流器：

把交流电转换成直流电。

（5）双T滤波器：

消除50Hz工频干扰。

（6）稳压块：

利用三端稳压集成块如7805，7905，7812，7912等组成稳压电源。

每个功能块单独对电压过载进行保护，不会因某块稳压电源故障而使整个系统破坏，大大提高了供电的可靠性，也有利于电源散热。

17

根据上图，请回答以下问题：

（10分）

（1）工业生产中的干扰以何种形式进入到微机中？

并简要分析怎么防止空间干扰。

（2分）

（2）针对出现的供电系统干扰，请简要设计由交流电转为直流电，并分析你所设计各部分作用。

（4分）

（3）过程通道干扰主要是长线传输干扰，分析采取措施，并说其特点（4分）

答案：

（1）脉冲良好的屏蔽和高频滤波以及正确的接地是主要防止空间干扰的手段。

（评分标准：

第一小问1分，第二小问1分）

（2）原理图中大致包括以下几个部分。

各部分作用：

交流稳压器：

防止电源系统的过压与欠压，有利于提高整个系统的可靠性

隔离稳压器：

提供用电安全，提高抗共模干扰能力

低通滤波器:

滤去电源的高次谐波，以改善电源波形

整流电路：

将交流电压转换为单向脉动直流电压

滤波电路：

将脉动直流电压中交流部分滤除，形成平滑的直流电压

稳压电路：

保证输出的直流电压稳定。

（评分标准：

不要求完全一样，但原理图中应包括整流，滤波，稳压电路，即可得到2分，分析作用2分）

（3）光电耦合隔离、双绞线传输、阻抗匹配

优点：

光电耦合的主要特点是具有很强的抗干扰能力：

能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高

双绞线传的主要优点输波阻抗高、抗共模噪声能力强.

阻抗匹配必须先估算出特性阻抗Rp，防止阻抗不匹配的传输线会产生反射，使信号失真。

（评分标准：

列出合理的措施（2分），讲出其特点（2分）

18下图为工控机总线结构示意图：

总线结构示意图

总线母板

外部

总线

A/D

D/A

CPU

RAM

ROM

数据总线

地址总线

控制总线

电源总线

根据上图，请回答以下问题：

（1）总线的基本作用是什么？

在总线中各种信息代码以何种方式表示？

（2分）

作用：

总线是功能部件之间实现互连的一组公共信号线，用作相互间信息交换的公共通道（1分）。

信息代码是以电平的高低来表示的（1分）

（2）简要说明工控机内部总线及其功能（4分）

数据总线：

用于CPU与其他部件之间传送信息（数据和指令代码）

地址总线：

用于传送CPU要访问的存储单元或I/O接口地址信号

控制总线：

用于传送控制命令和状态信息

电源总线：

为挂在总线上的各个模块或设备提供电能及电流通路

（3）工控机采用总线方式的优势是什么？

（4分）

工控机由微处理器、存储器、各种输入/输出I/O接口电路及外部设备等部件组成，各部件间要进行大量而高速的信息交换，总线为各部件间建立高速了高速可靠的信息