1、智能儀器基礎（第智能儀器基礎（第2版）版）朱一綸主編朱一綸主編電子工業出版社電子工業出版社第第4章章 信號的輸出與處理 4.1 數字信號的輸出與處理數字信號的輸出與處理 4.2 脈沖寬度調制技術（脈沖寬度調制技術（PWM） 4.3 數數/模轉換器模轉換器 4.4 DAC0832與單片機的接口與單片機的接口 4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 4.6 輸出接口電路仿真舉例輸出接口電路仿真舉例 第第4章章 信號的輸出與處理 本章討論微機系統輸出驅動接口電路 數字信號控制輸出 在需要用模擬信號控制輸出時，討論了把數字信號轉換成模擬信號的數/模轉換電路及其與微機系統的接口。 .1 數字信號的

2、輸出與處理數字信號的輸出與處理 有一類設備只需要輸入高電平或低電平就可以進行控制，例如：發光二極管LED,，液晶顯示器，單速的電動機（通常用繼電器控制接通（轉動）或斷開（停止），報警器等（如圖4.1所示），我們把它稱為開關量輸出設備。 圖4.1 開關量輸出設備 4.1.1開關量的驅動接口開關量的驅動接口 開關量只有高、低電平兩種狀態 的輸出信號。 (a)單管驅動 (b) 用7406驅動 （c）驅動繼電器 圖4.2 開關量驅動電路課堂討論課堂討論:1. 單管驅動時三極管工作在什么狀態?2. B極和C極的兩個電阻如何選取?3. OC門集成電路的輸出有什么特點?4. 什么時候要選用繼電器驅動?4.1

3、.1開關量的驅動接口開關量的驅動接口圖4.3（a），其輸入額定電壓24V直流，可以控制交流電壓380V，電流30A的輸出設備。圖4.3（b）中固態繼電器的輸入電壓為12V，可以控制交流電壓250V，電流15A的交流設備或直流壓額定電壓為28V的直流設備。（b）固態繼電器（a）固態繼電器4.1.1開關量的驅動接口開關量的驅動接口圖4.3(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，天然氣，酸堿性流體等介質的自動控制，實現節能和程序控制的自動化。 圖4.3(c)電磁閥4.1.2 繼電器簡介繼電器簡介 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

4、電阻小，流過電流大，耐壓高等優點，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，干簧繼電器和固態繼電器等。4.1.2 繼電器簡介繼電器簡介1.電磁繼電器電磁繼電器圖圖4.4 繼電器的電路符號繼電器的電路符號電磁式繼電器的符號如圖4.4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。4.1.2 繼電器簡介繼電器簡介2固態繼電器固態繼電器固態繼電器（固態繼電器（SSR-Solid State Relay）具有工作可靠、體積）具有工作可靠、體積小、驅動功率小、

5、無觸點、無噪聲、抗干擾、開關速度快、小、驅動功率小、無觸點、無噪聲、抗干擾、開關速度快、壽命長等優點。壽命長等優點。 圖4.5 SSR工作原理 4.1.2 繼電器簡介繼電器簡介 固態繼電器的應用領域包括：微機系統外圍接口裝置、數控機床、遙控及保護系統、井下防爆電器開關、信號燈、閃爍器、燈光交換控制裝置、電動機控制、中間繼電器、電磁閥控制等。4.2脈沖寬度調制技術（脈沖寬度調制技術（PWM） 脈沖寬度調制（Pulse-Width Modulation,簡稱PWM） 通常是指根據需要，調節輸出脈沖方波的占空比，以此來驅動功率器件、高頻變壓器、整流、濾波等電路，從而得到穩定的直流輸出電壓來驅動大功率

6、的設備。 在工業自動化控制中PWM技術的應用十分廣泛。4.2脈沖寬度調制技術（脈沖寬度調制技術（PWM）產生PWM控制信號的方法主要有兩種：1. 一種是用硬件產生PWM控制信號，隨著開關電源的發展和半導體集成技術的發展，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。 圖4.6 PWM器件SG3525的內部框圖 4.2脈沖寬度調制技術（脈沖寬度調制技術（PWM） SG3525芯片的8腳接入不同的電容時，輸出不同寬度的PWM信號，最簡單的控制是8腳接固定電容，微機只要用一個輸出口接10腳，控制這個PWM器件工作與否，如圖4.7所示

7、。 4.2脈沖寬度調制技術（脈沖寬度調制技術（PWM） 如果設計若干組電阻電容網，可用程控芯片選擇其中一組接入PWM芯片，就可以用微機的輸出信號去設定和改變器件的振蕩頻率，從而控制功率設備的輸出頻率，實現變頻輸出，這在控制電機轉速等方面十分有用。 4.2脈沖寬度調制技術（脈沖寬度調制技術（PWM）2. 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用軟件實現PWM控制信號輸出，可以節省硬件開銷，且便于系統控制。4.2脈沖寬度調制技術（脈沖寬度調制技術（PWM） 通過控制每個PWM周期內高電平的時間長短（即通過控制占空比）可以調節輸出信號平均值的大小，微處理器利用開關量輸出接口或脈沖量

8、輸出接口輸出PWM信號，再通過外部電路實現功率驅動。 4.2脈沖寬度調制技術（脈沖寬度調制技術（PWM） 例例4.1：用MCS-51系列單片機實現軟件輸出PWM信號，要求輸出信號周期為T，占空比為75%。 解：用8051單片機的內部定時器來產生PWM信號，即定時產生高、低電平輸出。4.2脈沖寬度調制技術（脈沖寬度調制技術（PWM） PWM信號從引腳P3.4輸出，設T0工作于方式1，為16位加法計數器，則輸出高電平信號的持續時間tH為0.75T和輸出低電平信號的持續時間tL=0.25T，則輸入計數值x和y可由下式求出： OSCHfxt12216OSCLfyt122164.2脈沖寬度調制技術（脈沖

9、寬度調制技術（PWM）用單片機實現軟件輸出PWM信號程序如下：;初始化程序：PWM: MOV 30H,#xLMOV 31H, #xH;存入x參數MOV 32H，#yLMOV 33H，#yH;存入y參數MOV TMOD，#01H ;設定時器工作方式1MOV TL0， 30HMOV TH0，31H ;高電平定時參數MOD IE，#9FH ;開中斷SETB P3.4 ;輸出高電平 SETB TR0;啟動定時器T04.2脈沖寬度調制技術（脈沖寬度調制技術（PWM）;中斷子程序，定時時間到開始執行 PWM1：CLR TR0 ；關定時器 CPL P3.4 ；P3.4位取反 JB P3.4, HIGH ；若

10、P3.4=1，HIGHLOW: MOV TL0,32H MOV TH0,33H ；低電平定時參數BACK: SETB TR0 ；啟動定時器T0 RETI；中斷返回HIGH: MOV TL0, 30H ；高電平定時參數 MOV TH0,31H ； AJMP BACK ；跳轉到BACK處 4.3數模轉換器數模轉換器 數模轉換器常簡寫成D/A轉換器或DAC（Digital Analog Converter）,主要用于將n位二進制的數字信號轉換為模擬信號，它是數字電子計算機、數字通信及其它一些數字系統重要的接口電路。 4.3.1數模轉換器的工作原理與性能指標數模轉換器的工作原理與性能指標 D/A轉換器

11、的工作原理轉換器的工作原理: 由R和2R兩種阻值的電阻組成譯碼網絡，稱為T型電阻網絡，用輸入數字量來控制各個開關，從網絡（電路）的任一節點無論是向左看還是向右看，其等效電阻都是等于2R。數模轉換器的工作原理數模轉換器的工作原理11110222nnnREFDDDRVI1111 00222nnnREFDDDVIRV則運放的輸入電流為：運放的輸出端電壓V0為：D/A轉換器的主要性能指標：轉換器的主要性能指標：1. 分辨率（分辨率（Resolution） 分辨率可以定義成當輸入信號發生單位數字變化時，即LSB位產生一次變化時所對應的輸出模擬量（電壓或電流）的變化量的大小。分辨率=模擬輸出的最大值/2n

12、但實際中常用二進制位數來說明它的分辨率，例如DAC0832是8位的DAC，MAX543是12位的DAC等。 D/A轉換器的主要性能指標：2.精度（精度（Accuracy） 轉換精度一般是用最大引用誤差給出，簡稱精度。 當不考慮D/A轉換器其他誤差時，D/A轉換器的精度就是其分辨率的大小。 D/A轉換器的主要性能指標：轉換器的主要性能指標：V1531053. 1210416V3051005. 32)10(10416 例如DAC708器件的精度為：0.003%FS，為16位分辨率，當其為單極性輸出，輸出模擬電壓范圍010V，則其輸出可能出現的最大絕對誤差為： 同樣DAC708器件，當其為雙極性輸出

13、，輸出模擬電壓范圍為10時，則其輸出可能出現的最大絕對誤差為：D/A轉換器的主要性能指標：轉換器的主要性能指標：3.轉換時間ts（轉換時間） 轉換時間ts是描述D/A轉換快慢的參數，是指從輸入數字量到輸出模擬量所需要的時間，當需要實時響應控制時要考慮這個參數。 課堂討論課堂討論:1. DAC的作用是什么?2. 輸出模擬量與輸入數字量之間有什么關系?3. DAC的主要性能指標有哪些?4.3.2 數模轉換器的接口技術數模轉換器的接口技術 各種D/A轉換器的結構不同，它們與單片機接口方法也有差異，但就其基本引腳連接上，仍有共同之處： （1）數字量輸入方式 （2）模擬量輸出方式 （3）外部控制信號的連

14、接方式。 4.3.2 數模轉換器的接口技術數模轉換器的接口技術 1.數字量輸入方式數字量輸入方式: 串行輸入需要一個串行入并行出的寄存器，因為D/A轉換是并行執行的。 并行輸入 有的D/A轉換器含這兩種輸入方法，可控制選取。 4.3.2 數模轉換器的接口技術數模轉換器的接口技術2.模擬量輸出方式：模擬量輸出方式： D/A轉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含了運算放大器。 4.3.2 數模轉換器的接口技術數模轉換器的接口技術 圖4.10中顯示了三種DAC的結構模塊，顯然在使用這三種不同結構的DAC時接口方式是不同的 。

15、4.3.2 數模轉換器的接口技術數模轉換器的接口技術3.外部控制信號的連接方式外部控制信號的連接方式 一般的模數轉換器都有芯片的選擇引腳（片選信號線）、啟動轉換控制、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別。 4.4 DAC 0832與單片機的接口與單片機的接口 圖4.11 DAC8032結構圖 1.是幾位的是幾位的DAC?2.需要外接需要外接運算放大器運算放大器嗎嗎?3.WR1和和WR2分別控分別控制什么制什么?4.4.1DAC8032結構4.4.1 DAC 0832結構與引腳功能結構與引腳功能 輸出模擬電流與輸入二進制數B之間的關系： IOUT1=B（UREF /

16、（256 R） IOUT 2= UREF / RIOUT1根據引腳功能說明根據引腳功能說明,掌握如何掌握如何用單片機去控制用單片機去控制DAC8032.4.4.2 DAC 0832 單緩沖方式接口及應用單緩沖方式接口及應用 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，關閉。 同時打開同時打開4.4.2 DAC 0832 單緩沖方式接口及應用單緩沖方式接口及應用 這時DAC0832相當于8031外部的一個擴展I/O口，當地址線A14(P2.6)=1時，即可選通DAC0832，設口地址為0FFFFH，CPU對該口地址進行一次寫操作，就把一個數字量直接

17、寫入到DAC寄存器，通過D/A轉換，輸出一個模擬量。通過程序設計，該電路可以產生各種不同的輸出波形。4.4.2 DAC 0832 單緩沖方式接口及應用單緩沖方式接口及應用例例4.2: 產生鋸齒波的程序產生鋸齒波的程序：START：MOV DPTR,#0FFFFH；選中DAC 0832 MOV A,#00HLP： MOVX DPTR,A；轉換數據送DAC INC A ；數據加1 CJNE A，#51，LP；未到最大值繼續 MOV A，#00H；下一個鋸齒波開始 SJMP LP4.4.3DAC 0832雙緩沖方式及與雙緩沖方式及與8051的接口的接口 雙緩沖方式DAC0832的兩個寄存器分別受控，

18、這種工作方式適合于多路模擬信號同時輸出的應用場合。這時每一個模擬量的輸出需要一片DAC 0832，構成多路同步輸出系統。 4.4.3DAC 0832雙緩沖方式及與雙緩沖方式及與8051的接口的接口先后輸入數先后輸入數據，同時開據，同時開始轉換。始轉換。課堂討論課堂討論:1. DAC8032的片選信號是否相同?其作用是什么?2. DAC8032的啟動轉換信號是否相同?其作用是什么?3. 雙緩沖方式適用于什么場合?4.4.3DAC 0832雙緩沖方式及與雙緩沖方式及與8051的接口的接口例4.3 設圖中選中第一片DAC 0832的地址為00FEH，第二片為00FFH，選通兩片DAC 寄存器的地址為

19、FF00H，X的輸出量放在R0，Y的輸出量放在R1，則其轉換程序如下：TRANS： MOV DPTR，#00FEH MOV A，R0 MOVX DPTR, A ；數據X寫入第一片DAC MOV A, R1 MOV DPTR, #00FFH；數據Y寫入第二片DAC MOVX DPTR, A MOV DPTR,#0FF00H；兩片同時轉換輸出 MOVX DPTR,A RET4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 DAC708/709系列集成電路是一種高速16位D/A轉換器,其結構框圖如下圖.課堂討論課堂討論: DAC708與DAC709主要區別是什么? DAC708/709是幾位的數/模轉換

20、芯片? DAC708/709分辨率為多少?4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 例4.4用MCS-51系列單片機控制DAC709進行16位的D/A轉換，輸出模擬電壓（0-10V范圍）。4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 解：圖4.16為DAC709與MCS-51系列單片機的接口，從圖4.16中看出DAC709的使用十分方便，只要外接幾個電阻電容就可以輸出轉換電壓。圖中17腳開路，因為輸出模擬電壓在0-10V范圍內，如果需要雙極性輸出，則將17腳與16腳相連接。 圖中13腳將13腳與14腳相連接。如果輸出電壓在20V范圍內，則13腳開路。4.5 DAC708系列接口電路系列接口

21、電路 從圖4.16可見，寫入高8位寄存器的地址線是：P2.7=1,A2A1A0=101,(設其余線均為0，則為8005H)，寫入低8位寄存器的地址線是：P2.7=1,A2A1A0=110,(設其余線均為0，則為8006H)，寫入DAC寄存器的地址線是：P2.7=1,A2A1A0=011,(設其余線均為0，則為8003H)，DAC寄存器寫入后就啟動轉換，在14腳輸出模擬電壓。4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路控制轉換子程序如下：TRANS：MOV P2,#80H MOVR0,#05H ；高8位數據寄存器MOV A,#DATAH；高8位轉換數據MOV R0,A；MOV R0,#06H；低

22、8位數據寄存器MOV A,#DATAL；高8位轉換數據MOV R0,AMOV R0,#03H；DAC寄存器MOV R0,A ；啟動轉換RET4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 用MCS-51系列單片機控制DAC708進行16位的D/A轉換，輸出模擬電壓（0-20V范圍）。708需外接運放需外接運放4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 如前所述，DAC708是不帶運算放大器的芯片，所以要外接集成運算放大器才可以輸出模擬電壓，其余接線、編程與DAC709一樣，不再重復。 如果要直接輸出模擬電流，則從DAC708 16腳輸出即可，其外圍電阻等都可以不接了。有些標準的電動、氣動執行器

23、需要用模擬電流信號進行控制。課堂討論課堂討論:1. 比較DAC708/709的二個電路接法.2. 什么時候13腳開路?3. 什么時候需要將17腳與16腳并聯?4.5 DAC708系列接口電路系列接口電路 當需要多通道數據輸出時，可以構成多通道模擬信號輸出. 4.6 輸出接口電路仿真舉例輸出接口電路仿真舉例 4.6.1 發光二極管輸出仿真 發光二極管可以直接與單片機相連，作為單片機的輸出指示，因此在練習編程和設計仿真時可以用發光二極管來驗證程序和設計。 4.6.1 發光二極管輸出仿真發光二極管輸出仿真 8123456712345678R2220XTAL218XTAL119ALE30EA31PSE

24、N29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51C122pFC2

25、22pFC310uFX112MR110kD1R3220D2R4220D3R5220D4R6220D5R7220D6R8220D7R9220D8圖4.19 單片機與發光二極管連接圖 1.與發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 ?課堂討論課堂討論EA4.6.2電磁繼電器輸出仿真電磁繼電器輸出仿真 電磁繼電器和固態繼電器的控制比較簡單，只是單片機的I/O端口的輸出功率比較小，不能直接接繼電器，所以要加一個驅動，最簡單的驅動是用三極管。 4.6.2電磁繼電器輸出仿真電磁繼電器輸出仿真 XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.

26、0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51C122pFC222pFC310uF

27、X112MR110kL2220VD1DIODEK1RL2RTE24005FR310KQ1PNP+220V提問：要使提問：要使L2導通，導通，P2.4輸出信號是高電平還是低電平？輸出信號是高電平還是低電平？4.6.3 DAC0832與單片機的接口仿真與單片機的接口仿真 在4.3節中已經討論了數模轉換芯片DAC0832及其應用，這里給出它與單片機的連接仿真實例，接口電路如圖4.21所示，這是最簡單的接口方法。 單片機通過P1.0口輸出低電平選中DAC0832芯片，然后通過P0口輸出數據。 DAC0832將數字信號轉換成不同的電壓值。 4.6.3 DAC0832與單片機的接口仿真與單片機的接口仿真示波器觀察到的連續輸出波形8123456712348765XFXT