1、1重點：掌握輸入輸出接口與過程通道的硬件和軟件的設計。掌握輸入輸出接口與過程通道的硬件和軟件的設計。難點：難點：輸入輸出接口設計技術。輸入輸出接口設計技術。目標：目標：解決微型計算機和外部的連接問題，使計算機和外部解決微型計算機和外部的連接問題，使計算機和外部構成一個整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，構成一個整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設計一個微機控制系統必須解決的基本問題。這是設計一個微機控制系統必須解決的基本問題。第第3 3章章 接口與過程通道配置技術接口與過程通道配置技術主要內容：主要內容：輸入輸出接口及過程通道的設計方法。輸入輸出接口及過程通道的設計方法。輸入輸出接口

2、與過程通道的硬件和軟件的設計。輸入輸出接口與過程通道的硬件和軟件的設計。硬件抗干擾技術。硬件抗干擾技術。23.3 模擬量輸入通道3.3.1 模擬量輸入通道的組成模擬量輸入通道的組成3.3.2 信號調理和變換信號調理和變換電路分析電路分析 電橋電橋 放大電路放大電路 信號變換信號變換 輸入通道的結構類型33.3.1 模擬量輸入通道的組成模擬量輸入通道的組成圖3.17 模擬量輸入通道的組成結構信號調理與變換信號調理與變換多路轉換器多路轉換器采樣采樣/保持器保持器A/D轉換器轉換器4典型模擬量輸入通道結構5便于信號的傳輸與處理便于信號的傳輸與處理信號轉換與調理的目的：信號轉換與調理的目的： 1. 傳

3、感器輸出信號很微弱，無法直接驅動顯示記錄儀表，需要進行放大。 4. 能量轉換型傳感器輸出的是電信號，但混雜有干擾噪聲，需要進行濾波，提高信噪比。2. 傳感器輸出信號不僅微弱，而且變化緩慢(頻率低)，若用交流放大器放大，需要進行調制解調處理。 3. 能量控制型傳感器輸出的是電參量，需要轉換成電信號才能進行處理(電橋)。 5. 傳感器輸出信號若送給計算機進行分析與處理時，必須進行A/D轉換；為了實現遠距離傳輸，必須進行V/I或V/F轉換。3.3.2 信號調理和變換電路分析3.3.2 信號調理和變換電路分析3.3.2.1.信號調理電路n傳感器輸出的電信號大多數不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，

4、需要經過適當的調理，使之轉換為便于處理、接收和顯示的形式。n信號調理電路主要通過非電量的轉換、信號的變換、放大、濾波、線性化、共模抑制及隔離等方法，將非電量和非標準的電信號轉換成標準的電信號。信號調理電路是傳感器和A/D之間以及D/A和執行機構之間的橋梁，也是測控系統中重要的組成部分。信號調理電路-電橋電橋電橋電橋 將電阻、電容、電感等參數的變化轉換為電壓或電流輸出的一種測量電路。其轉換的實質是一種信息的傳遞，將電參量變化的信息加到輸出電壓信號上，其能量由工作電源提供。電橋電路簡單可靠，具有很高的精度和靈敏度，被廣泛的用作儀器測量電路。 直流電橋直流電橋圖圖1 直流電橋的基本結構形式直流電橋的

5、基本結構形式 當輸入端后接輸入阻抗較大的儀表或放大電路時，可視為開路，其輸出電流為零，此時有 111012abRUI RURR0234UIRR0112UIRRa與b之間和a與d之間的電位差分別為424034adRUI RURR由此可得輸出電壓13241400012341234()()()yabadR RR RRRUUUUUURRRRRRRR若要使輸出為零，亦即當電橋平衡時，則應有4231RRRR 討論：討論：直流電橋平衡條件。若電橋中任一個或數個電阻發生變化，直流電橋平衡條件。若電橋中任一個或數個電阻發生變化，電橋輸出電壓變化。測量電橋就是基于上述原理工作。電橋輸出電壓變化。測量電橋就是基于上

6、述原理工作。電橋的接法：電橋的接法：單臂單臂 半橋半橋全橋全橋靈敏度。全橋接法可以獲得最大靈敏度不同，結論：電橋接法不同，。全橋靈敏度；半橋靈敏度；單臂電橋靈敏度則有：定義電橋的靈敏度為yyyyUUURRUS24電橋和差特性內容：電橋和差特性內容： 相鄰兩橋臂電阻同向變化，所產生的輸出電壓的變化相鄰兩橋臂電阻同向變化，所產生的輸出電壓的變化將相互抵消；將相互抵消；相鄰兩橋臂電阻反向變化，所產生的輸出電壓的變化相鄰兩橋臂電阻反向變化，所產生的輸出電壓的變化將相互迭加；將相互迭加；和差特性應用實例：和差特性應用實例： n懸臂梁作敏感元件測力：懸臂梁作敏感元件測力：為提高靈敏度，常在梁的上，為提高靈

7、敏度，常在梁的上，下表面各貼一片應變片，并將上述兩應變片接入電橋下表面各貼一片應變片，并將上述兩應變片接入電橋的相鄰兩橋臂。的相鄰兩橋臂。交流電橋交流電橋電感電感電容電容傳感器傳感器傳感器傳感器平衡條件平衡條件4231ZZZZ放大器的性能要求：放大器的性能要求：n開環增益足夠大，閉環增益可調；開環增益足夠大，閉環增益可調；n輸入阻抗高輸入阻抗高(與傳感器輸出阻抗相匹配與傳感器輸出阻抗相匹配)，輸出阻抗低；，輸出阻抗低；n共模抑制比高：共模抑制比高：CMRR=差模增益差模增益Kd/共模增益共模增益Kc；n足夠的帶寬和轉換速率；足夠的帶寬和轉換速率；n漂移小、噪聲低、輸入失調電壓低漂移小、噪聲低、

8、輸入失調電壓低、輸入失調電流小。輸入失調電流小。信號調理電路信號調理電路-信號放大信號放大 1. 反相放大器反相放大器21RKR RRR312/ / 特點：特點：性能穩定，但輸入阻抗低。性能穩定，但輸入阻抗低。而且提高輸入阻抗與提高增益之間存在矛盾。而且提高輸入阻抗與提高增益之間存在矛盾。信號調理電路信號調理電路-信號放大信號放大 R3UiR1R2A- -+ + +Uo特點：特點：輸入阻抗高，但精度低，易受干擾。輸入阻抗高，但精度低，易受干擾。211RKR RRR312/ / 2. 同相放大器同相放大器R2R3UiR1A- -+ + +Uo信號調理電路信號調理電路-信號放大信號放大 3. 差動

9、放大器差動放大器取取 R1=R3，R2=R4，則，則RRRUUURRRR224oi1i21134(1) RUUR2oid1 R3UoR4Ui2R1R2Ui1+ +- -+ +AUid= Ui2Ui1 Uic=(Ui1+ Ui2)/2特點：特點：CMRR高，但輸入阻抗較低，增益調節困難。高，但輸入阻抗較低，增益調節困難。21RKR 信號調理電路信號調理電路-信號放大信號放大 4. 儀用放大器儀用放大器A1A2：兩個對稱兩個對稱的同相放大器，以的同相放大器，以提高輸入阻抗；提高輸入阻抗；43RR 65RR 21RR A3：差動放大器，差動放大器，以抵消前級的共模以抵消前級的共模干擾，而且還將雙干擾

10、，而且還將雙端輸入轉換為單端端輸入轉換為單端輸出，適應對地負輸出，適應對地負載的需要。載的需要。信號調理電路信號調理電路-信號放大信號放大 RRUUUUR12ooiip(1)() RRUUURR11oiiPP(1) RRUUURR22oiipp(1) RRRRUUUUURRRRR5565ooooo33463(1)() +URRRKUURRo512iiP3(1) 信號調理電路信號調理電路-信號放大信號放大 KRp50k1 集成儀用放大器集成儀用放大器INA114的內部結構：的內部結構：信號調理電路信號調理電路-信號放大信號放大 案例：案例：INA114與測量電橋的連接與測量電橋的連接信號調理電路

11、信號調理電路-信號放大信號放大 RPUo350INA1143503503500.1F1832760.1F54+5V-5Vu案例：案例：INA114在光功率自動控制電路中的應用在光功率自動控制電路中的應用 光功率自動控制電路的作用：光功率自動控制電路的作用：克服供電電源波動或光源克服供電電源波動或光源老化等因素的影響，確保光源輸出功率穩定。老化等因素的影響，確保光源輸出功率穩定。 信號調理電路信號調理電路-信號放大信號放大 UK UUUoiiREF() 當當激光器激光器LD因某種原因功率增大時，耦合至光敏二極因某種原因功率增大時，耦合至光敏二極管管PIN的光電流也同比例增大，從而使電阻的光電流也

12、同比例增大，從而使電阻R1上的電位升高。上的電位升高。此時此時INA114的輸出電壓的輸出電壓Uo降低，即降低，即U1也降低，流過也降低，流過LD的電的電流流I也相應降低，從而達到降低也相應降低，從而達到降低LD輻射功率。輻射功率。 UUK UUIRR12ii44() 信號調理電路信號調理電路-信號放大信號放大 案例：案例：INA114在光功率自動控制電路中的應用在光功率自動控制電路中的應用 5. 程控增益放大器程控增益放大器fiRKR Rin80k2 (n0 1 2 3) ， ， ，信號調理電路信號調理電路-信號放大信號放大 1. 電壓電壓-電流轉換電流轉換 作用：減小傳輸導線阻抗對信號的衰

13、減作用：減小傳輸導線阻抗對信號的衰減UIIRiLi （1）負載浮地型）負載浮地型V/I轉換電路轉換電路 優點：優點：與負載電阻與負載電阻RL無關，具無關，具有恒流特性。有恒流特性。缺點：缺點：負載必須懸浮，不能接負載必須懸浮，不能接地，不適用于某些應用場合。地，不適用于某些應用場合。3.3.2.2 信號轉換信號轉換（2）負載接地型）負載接地型V/I轉換電路轉換電路 3224o1P1io211343411 RRRRUUUURRRRRRUUUUUUIRRRRo1P2o1o2P2iLL000 RRRRR1234 (取取 )3.3.2.2 信號轉換信號轉換案例：案例：V/I轉換轉換AD694在啤酒發酵

14、溫度控制系統中的應用在啤酒發酵溫度控制系統中的應用 LM35溫度傳感器對發酵罐內溫度進行采樣，信號放大后經A/D轉換送至微處理器。微處理器根據模糊積分控制算法的運算結果將控制信號輸出至D/A轉換器，再放大為0-10V的電壓信號，最后利用AD694進行V/I轉換，得到4-20mA的電流信號，自動調節冷卻閥門的開度，使冷卻夾套內的冷媒帶走多余的反應熱，實現發酵罐溫度的控制。 3.3.2.2 信號轉換信號轉換利用利用AD694進行進行V/I轉換的電路：轉換的電路： 輸入量程選擇引腳輸入量程選擇引腳4懸空，表示輸入電壓范圍為懸空，表示輸入電壓范圍為0-10V，4mA偏置電流選擇引腳偏置電流選擇引腳9接

15、地，表示輸出電流范圍接地，表示輸出電流范圍4-20mA。由于感性負載電流輸出引腳由于感性負載電流輸出引腳11與地之間跨接與地之間跨接0.01F的電容，的電容，二極管二極管VD1和和VD2防止負載電壓過高或過低時損壞防止負載電壓過高或過低時損壞AD694。 3.3.2.2 信號轉換信號轉換要求要求:（1）電流源內阻）電流源內阻RS很大，減小輸入失調電壓影響；很大，減小輸入失調電壓影響； （2）ISIb運放的輸入偏置電流。運放的輸入偏置電流。2. 電流電流-電壓轉換電壓轉換 簡單方法：在輸出電路中串接精密電阻，通過測量電阻簡單方法：在輸出電路中串接精密電阻，通過測量電阻兩端的電壓即可完成轉換，但對

16、后續電路會產生負載效應。兩端的電壓即可完成轉換，但對后續電路會產生負載效應。 （1）反相輸入型）反相輸入型UIIRoS1 UIRI Ro1S1 Uo- -+ +A+ +IS RSR2R1I3.3.2.2 信號轉換信號轉換（2）同相輸入型）同相輸入型UIRi1 RRUUURR22oib33(1) 要求要求：R4=R2/R3例如例如：420mA 010V 取取R1=250，I= 420mA Ui=15VUo=010VRRURR22b33(1) 10 RRURR22b33(1) 510 RR2332 Ub5V3 R320k R230k RRR423/ /12k ， ， ， ，Uo- -+ +A+ +

17、UbR3R1I R4R2Ui3.3.2.2 信號轉換信號轉換2. 2. 電流電流- -電壓轉換電壓轉換3. 電壓電壓-頻率轉換頻率轉換 當當Uo1=0UREF時，輸出時，輸出Uo為高電平，為高電平，V1截止，積分器對截止，積分器對Ui積分，使積分，使Uo1減小。當減小。當Uo1UREF時，時，Uo將躍變為低電平，將躍變為低電平，V1導通，導通，C1迅速放電，使迅速放電，使Uo1增大，如此重復電路產生自激振蕩。增大，如此重復電路產生自激振蕩。U1fTTTR C Ui12111REF1 3.3.2.2 信號轉換信號轉換 作用：實現遠距離傳輸作用：實現遠距離傳輸(調頻調頻)案例：案例：LM331在香

18、煙包裝機溫度檢測中的應用在香煙包裝機溫度檢測中的應用 熱電偶輸出的電壓信號放大后再利用熱電偶輸出的電壓信號放大后再利用LM331轉換為頻率轉換為頻率信號，頻率信號經遠距離傳輸通過光電隔離送入微處理器，信號，頻率信號經遠距離傳輸通過光電隔離送入微處理器，微處理器對該頻率信號進行處理，輸出控制信號經功率放大微處理器對該頻率信號進行處理，輸出控制信號經功率放大后驅動可控硅，利用過零觸發方式控制加熱器電源的通斷。后驅動可控硅，利用過零觸發方式控制加熱器電源的通斷。 3.3.2.2 信號轉換信號轉換結構原理（CD4051）圖2 -3 CD4051結構原理圖0S2S3S4S5S6S7S1S動動驅驅碼碼譯譯

19、換換轉轉平平電電ABCINHmS3.3.3 多路轉換器多路轉換器又稱多路開關，是用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。理想的多路轉換器其開路電阻為無窮大，其接通時的導通電阻為零。常用的多路開關有CD4051(或MC14051)，AD7501，LF13508等。 nFSR2分辨率%10021%100nFSR分辨率相對分辨率 )mV(2)V(002.05)999.4997.421 （絕對精度相 對 精 度絕 對 精 度F S R1 0 0 %精度：轉換后所得結果相對于實際值的準確度；分辨率：轉換器所能分辨的模擬信號的最小變化值。分辨率高的A/D轉換器，可能因為溫度漂移、線性不良等原因，并不一定具有很高的

20、精度。思考題思考題某電子秤，其壓力傳感器的電壓輸出與壓力成正比，采用12位的A/D轉換器，采用有舍有入的量化，量程為0-10V。當輸入模擬信號電壓落在4.997V-4.999V范圍時，得到數字信號是1000_0000_0000B。(1)求此A/D轉換器的絕對分辨率和絕對精度；(2)采用此電子秤進行稱重的顧客是賺還是虧？(1)絕對分辨率：10/212=0.0024410/212=0.00244 1000_0000_0000B轉換的模擬量 211*10/212=5v)mV(2)V(002.05)999.4997.421 （絕對精度(2) 4.997V-4.999V舍入為舍入為5v5v1v1v0.8

21、3333333v0.83333333v0.91v0.91v精度與分辨率精度與分辨率5對基準電源的要求對基準電源的要求 設計時應該考慮外界精密基準電源。設計時應該考慮外界精密基準電源。6線性誤差線性誤差 在滿量程輸入范圍內，偏離理想轉換特性的最在滿量程輸入范圍內，偏離理想轉換特性的最 大誤差定義為線性誤差。大誤差定義為線性誤差。 線性誤差常用線性誤差常用LSBLSB的分數表示，如的分數表示，如1/21/2LSBLSB或或1 1LSBLSB。1. 8位AD轉換器ADC0809主要特點： 分辨率 8 位； 轉換時間100s； 溫度范圍-40 +85 ； 可使用單一的 +5V電源； 可直接與CPU連接

22、； 輸出帶鎖存器； 邏輯電平與TTL兼容。電路組成及引腳功能電路組成及引腳功能 ADC0809有有28條引腳。條引腳。OE模擬量輸入線模擬量輸入線ININ7 7ININ0 0 8 8條條：用來輸入模擬量：用來輸入模擬量地址輸入和控制線地址輸入和控制線4 4條條 ALEALE地址鎖存允許輸入線地址鎖存允許輸入線 A A、B B、CC地址輸入線地址輸入線數字量輸出及控制線數字量輸出及控制線1111條條 STARTSTART轉換啟動信號，為高電平時轉換開始轉換啟動信號，為高電平時轉換開始 EOCEOC轉換結束信號轉換結束信號 EOC=1EOC=1轉換結束轉換結束 EOC=0EOC=0正在進行正在進行

23、A/DA/D轉換轉換 OEOE輸出允許信號輸出允許信號 OE=1OE=1輸出轉換得到的數據輸出轉換得到的數據 OE=0OE=0輸出數據線呈高阻狀態輸出數據線呈高阻狀態 D D7 7D D0 0數字量輸出線數字量輸出線電源線及其它電源線及其它5 5條條 V VCCCC+5V+5V電源線電源線 GNDGND地線地線 V VREFREF（+ +）和和V VREFREF（- -）參考電壓參考電壓 CLOCKCLOCK時鐘輸入信號線時鐘輸入信號線n1n1n1/RD/ WR/ADDRESS/INTERRUPTINTERRUPTOEEOCSTARTALE10進行進行A/D轉換：轉換：001A/D轉換結束：轉

24、換結束：110001000采用中斷方式采用中斷方式 2. 8位位A/D轉換器的程序設計轉換器的程序設計 101000111101001 采用查詢方式采用查詢方式 將將A/DA/D轉換器的結束信號送到轉換器的結束信號送到CPUCPU數據總線或數據總線或I/OI/O接口的某一位上，轉換開接口的某一位上，轉換開始后便開始查詢轉換是否結束，一旦結束，就讀出轉換結果。始后便開始查詢轉換是否結束，一旦結束，就讀出轉換結果。2. 8位位A/D轉換器的程序設計轉換器的程序設計 11001100101010采用查詢方式例題采用查詢方式例題START: MOV R0,#00H ；建立外部RAM緩沖區地址指針 MOV P2,#0A0H MOV R3,#00H ；置采樣次數計數器初值 MOV R4,#00H MOV R6,#08H ；設通道計數器初值AGAIN0: MOV DPTR,#7FF0H ；通道地址寄存器設初值7FF0H=0111111111110000B,P2.7=0,P0.0=0,P0.1=0,P0.2=0,選中0號通道AGAIN: MOVX DPTR