第11章 模拟量输入输出通道接口
第三章-输入输出通道和接口技术
（3）可编程增益放大器（PGA）
放大倍数可通过编程进行控制，通过程序可调节放大的倍 数，使A/D转换的输入信号均一化，提高测量的精度。（B-B公 司PGA102、PGA202/203）
CD4051由电平转换、译码、多路开关组成。 电平转换： CMOS到TTL的转换 3-8译码器：通过对分时控制端A、B、C的状态进行译码来
选择某一路的接通。
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（三）采样/保持 由传感器检测的模拟信号经过处理后仍是模拟量，要输入
到计算机中，需要进行A/D转换。 由于A/D转换过程需要时间，因此要求输入A/D转换器的信
1、采样/保持器的基本的组成电路 5-20所示为采样/保持器的基本组成电路。
采样/保持器由两个缓冲器A1、A2和采样开关S，保持电 容CH组成。
（1）采样：S闭合，通过A1向CH快速充电，VOUT跟随VIN 变化。
（2）保持：S断开，当A2的输入阻抗很高时，VOUT = VIN 不变。采样/保持器一旦进入保持阶段，便可启动A/D转换器进 行转换。
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2、信号的变换
在微机控制系统中，许多传感器的输出均为电压信号， 而有些电动组合仪表的信号为4~200mA的电流，许多执行 器，如电机、控制阀门的输入信号也采用4~200mA的电流， 因此经常需要V/I和I/V间的变换。
目前常用的电压/电流变换电路有两种，一种是采用 分立元件、运算放大器和阻容元件组成的电路；另一种是 近年来发展起来的专用集成电路。
（2）按结构 有单一的A/D转换器，内含多路开关的A/D转换器、 多功能A/D转换器（含多路开关、放大器和采样保持器）。
模拟量输入与输出
被测 控的 对象
传感器
采样保持
开关控制部件
A/D
单片 微机 应用 系统
模拟执行部件
D/A
图8－1 单片机应用系统
一 、A/D转换原理与接口
1 A/D转换器常用芯片简介 A/D转换器就是将模拟信号转换为数字信号得器件,种类繁
多,性能各异。与单片机得接口形式也不尽相同,但大致分为并 行接口和串行接口两种。
时钟频率高,A/D转换速度快。允许范围为10～1280KHz 。 通常由80C51 ALE端直接或分频后与0809 CLK端相连接。 ⑷ D0～D7:数字量输出端。 ⑸ OE:A/D转换结果输出允许控制端。 OE=1,允许将A/D转换结果从D0～D7端输出。通常由80C51得端与0809片选端(例如P2、0) 通过或非门与0809 OE端相连接。 ⑹ ALE:地址锁存允许信号输入端。
0809 ALE信号有效时将当前转换得通道地址锁存。 ⑺ START:启动A/D转换信号输入端。
当START端输入一个正脉冲时,立即启动0809进行A/D转换。START端与ALE端连在一 起,由80C51WR与0809片选端(例如P2、0)通过或非门相连。 ⑻ EOC:A/D转换结束信号输出端,高电平有效。 ⑼ UREF(+)、UREF(-):正负基准电压输入端。 ⑽ Vcc:正电源电压(+5V)。GND:接地端。
图8-6 ADC0832与单片机接口
[例2] 设图8-6接口电路用于一个模拟量输入得检测系统。Ui为待转换 得模拟输入电压,要求对Ui连续采样10次,每次采样值经串行A/D转换 电路(ADC0832)转换成数字量,并按顺序依次存于片内RAM得 30H~39H单元中。采样完10次后停止。
C语言数据采集串行A/D转换参考程序: #include<reg51、h> //包含单片机特殊功能寄存器得头文件 #define uchar unsigned char //定义uchar为无符号字符数据类型 static uchar data x[10]; //定义10个单元得数组,存放结果 sbit CS=P3^4; //将CS位定义为P3、4引脚 sbit CLK=P1^0; //将CLK位定义为P1、0引脚 sbit DIO=P1^1; //将DIO位定义为P1、1引脚 unsigned char A_D() //A_D转换函数。功能:将模拟信号转换成数字信 号
模拟量输入输出通道dq
▲量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当 量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时可 不予考虑。
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★ 计算机控制系统的简化结构图
采样
计算机
ZOH
被控对象
检测
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2.1.2 多路开关
在微型计算机测量及控制系统中,往往需对 多路或多种参数进行采集和控制。一台微型计 算机可供多回路使用，但是，微型计算机在某 一时刻只能接收一个通道的信号，因此必须通 过多路模拟开关进行切换，使各路参数分时进 入微型计算机。
1 计算机控制系统信号变换结构图
E
A
B 采样
C 量化
编码
D 计算机
F 解码 G
保持
H
检测
I 被控对象
2 系统中信号形式的分类
连续信号（或模拟信号） 时间及幅值上均连续
的信号，如图中的 A、I 处的信号
数字信号
时间上离散、幅值上采用二进制编
码的信号，如图中的D、F 处的信号 33
▲采样信号 时间上离散而幅值上连续的信号，如
（0000）
（1000）
-1
-1/8
+1/8
1001
1111
0111
-2
1110
0110
-3
-3/8
+3/8
1011
1101
0101
-4
-4/8
+4/8
1100
1100
0100
-5
-5/8
+5/8
1101
1011
0011
-6
2 2 模拟量输入输出通道10页word
2 2 模拟量输入输出通道A/D转换器是将连续的量转换成数字量的接口，它是计算机控制系统核心，模拟系统和计算机之间的接口。
检测技术和过程通道两门课程都是将非电量转换成电压或电流的课程，当然电流很容易转换成电压量，A/D转换器就是将模拟的电压量转换成数字量。
2.2.1AD转换器的分类以下分类按工作原理分：下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。
1)积分型(如TLC7135)V-T转换式：斜坡式，双斜积分式，三斜积分式，多斜积分式V-F转换式：电荷平衡式，复零式，交替积分式积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。
其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。
初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。
2)逐次比较型(如TLC0831)反馈比较式逐次比较式，计数比较式，眼隙比较式无反馈比较式并联比较式，串联比较式，串并联比较式逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB 开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。
其电路规模属于中等。
其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率(12位)时价格便宜，但高精度(12位)时价格很高。
3)并行比较型/串并行比较型(如TLC5510)并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。
由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。
串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速)型。
第二章 模拟量输入-输出通道接口技术
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第二章 模拟量输入/输出通道接口技术
一、数据采样及采样定理
计算机系统是把连续变化的量变成离散量后再进行处理——离散系 统，亦称采样数据系统。 区别：离散系统的信号是以采样数据为主要形式，而连续系统则采 用连续信号进行控制。两者所研究问题的方法和使用的数学工具也不 同。离散系统的采样形式有以下几种： （1）周期采样（应用最多 ） 以相同的时间间隔进行采样，即tk+1 －tk=T（常量—采样周期） （k=0、1、2……）。 （2）多阶采样 （tk+r－tk）是周期性重复，即tk+r－tk＝常量，r＞l。 （3）随机采样 没有固定的采样规律，是根据需要选择采样时刻的。
应该指出，香浓定理只是给出了实现采样信号完全恢复模拟信号的 最小频率为fs≥2fmax。由于所有的信号并非都是“有限带宽”，故实际应用 中，往往所取的实际采样频率fs比两倍fmax大，一般fs至少取4fmax。实际 上，采样频率常取为理论频率的10倍。
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第二章 模拟量输入/输出通道接口技术
二、多路开关
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第二章 模拟量输入/输出通道接口技术
一、D／A转换原理
D／A转换器由参考电源、数字开关控制、模拟转换、数字接口及 放大器组成。 一个完整的D／A转换 器——待转换的数字量经 数字接口控制各位相应的 开关，以接通或断开各自 的解码电阻，从而改变标 准电源经电阻解码网络所 产生的总电流∑Ii，经放 大器放大后，输出与数字 量相对应的模拟电压。
如果x(t)是有限带宽信号，即|f|＞fmax，x(f)=0，而x**(t)是 如果x(t)是有限带宽信号，即|f|＞fmax，x(f)=0，而x (t)是 x(t)的理想采样信号，若采样频率fs≥2fmax，则一定可以由采 x(t)的理想采样信号，若采样频率fs≥2fmax，则一定可以由采 (t)惟一决定出原始信号x(t)，即由x*(t)可完全地恢复 样信号x**(t)惟一决定出原始信号x(t)，即由x*(t)可完全地恢复 样信号x 出x(t)。 出x(t)。
第二章模拟量输入输出通道的接口技术
tk r tk 是周期性的重复，即tk r tk 常量，r 1
随机采样：
根据需要选择采样时刻
采样前后波形的变化图
通常，连续函数的频带宽度是有限的，为一孤立的连
续频谱，设其包括的最高频率为fmax ，采样频率为fs。
香农定理：若fs≥2fmax，则可以由采样信号完全恢复出原始 信号。 在实际应用中， fs至少取4fmax 。
IN：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15） OUT：（1、17） 反多路转换开关（一到多的转换）： IN： （1、17） OUT：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15）
VREF I out1 I 3 I 2 I1 I 0 2 2 2 2 4 2R
3 2
1
0
由于S3~S0的状态是受b3~b0控制的，并不一定 全是“1”。若它们中有些位为“0”，S3~S0中相应 开关会因和“0”端相连而无电流流过，所以Iout1还 与b3~b0的状态有关。 则 I out1 b3 I3 b2 I 2 b1 I1 b0 I 0
返回
2.1.2 多路转换开关
多 路 转 换 开 关 反 多 路 转 换 开 关
A/D
微机
D/A
完成多到一的转换
完成一到多的转换
2.1.2 多路转换开关
多路开关的分类：
从用途上分 双向：既能实现多到一的转换，也能实现一到多的 转换 单向：只能实现多到一的转换 从输入信号的连接方式上分 单端输入 双端输入（或差动输入）
第二章 模拟量输入输出通道接口技术
把计算机处理地值，由D/A转换器输出的模拟信号按一定的 顺序输出到不同的外部设备，完成一到多的转换。——多路 分配器 特点：
采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排； 单向多路开关：只能做多路开关 AD7501 AD7506 直接与TTL、CMOS电平相兼容； 双向多路开关：可做多路开关和多路分配器 CD4051 内部带有通道选择译码器，使用方便 单端输入：在某一时刻只能接通一个通道 可采用双极性输入 双端输入：在某一时刻可以接通两个通道 转换速度快，导通或关断时间1 μs 无机械磨损，寿命高 接通电阻低＜100Ω；断开电阻高＞109 Ω 太原理工大学自动化 YGW
第 二 章 模 拟 量 输 入 输 出 通 道 接 口 技 术
第二章 模拟量输入/输出通道接口技术
2.1 接口和通道 2.2 多路开关及采样保持器 2.2 模拟量输出通道接口技术
2.3 模拟量输入通道接口技术
太原理工大学自动化 YGW
第 二 章 模 拟 量 输 入 输 出 通 道 接 口 技 术
2.1 接口和通道
模拟量输入通道的组成
过 程 参 数
变 送 器
I/V 变换 信号 调理
多路 转换 器
采样 保持 器
A/D 转 换 器
接口 逻辑 电路
PC 总 线
模拟量输入通道的任务：把系统中检测到的模拟信号变 成数字信号，经接口送到计算机 太原理工大学自动化 YGW
第 二 章 模 拟 量 输 入 输 出 通 道 接 口 技 术
IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
CD4051 1#
3
A B C INH
OUT/IN
用CD4051多 路开关组成 的16路模拟 开关接线图
第二章 模拟量输入输出通道的接口技术
第2章模拟量输入/输出通道的接口技术1、采样有几种方法，试说明它们之间的区别？答：①简单随机抽样法，就是指总体中的每个个体被抽到的机会是相同的；②系统抽样法，也叫等距抽样法；③分层抽样法，也叫类型抽样法，它是从一个分成不同子总体（或称为层）的总体中，按规定的比例从不同层中随机抽取样品（个体）的方法；④整群抽样法，是将总体分成许多群，每个群由个体按一定方式结合而成，然后随机抽取若干群。
时域采样，频域采样…2、采样周期越小越好吗？为什么?答：不是。
若采样间隔太小（采样频率太高），对系统硬件要求较高，且数据量较大。
根据奈奎斯特采样定律，在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs>=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。
3、多路开关的工作原理。
多路开关主要用于把多个模拟量参数分时地接通，常用于多路参数共用一台A/D转换器的系统中，完成多对一的转换。
多路开关的特点。
答：①采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排；②直接与TTL（或CMOS）电平相兼容；③内部带有通道选择译码器，使用方便；④可采用正或负双极性输入；⑤转换速度快，通常其导通或关断时间在1ms 左右，有些产品已达到几十到几百纳秒（ns）。
4、多路开关如何扩展？试用两个CD4097扩展成一个双16路输入和双2路输入系统，并说明其工作原理。
答：扩展时，将多路开关芯片交替使能（反相器）即可，两路开关扩展仍不能达到系统要求是，可采用译码器控制芯片使能端。
5、试用CD4051设计一个32路模拟多路开关，要求画出电路图并说明其工作原理。
答：因为CD4051只有八个输入接口，所以要构建32路的多路开关需要4个CD4051。
32路的多路开关应有5个控制口，其中前三个是CD4051的输入口，后两个是控制口，分别标为D1、D2、D3、D4、D5（00000-11111,00000是第0通道，11111是第31通道）。