单片机控制技术电子课件——输入输出通道接口技术

知识要点： 输入输出通道的基本知识 数字量输入输出通道和模拟量输人输出通道的结构 A/D转换器工作原理和MCS-51系列单片机的连接以及程序设计方 法。 D/A转换器工作原理和MCS-51系列单片机的连接以及程序设计方 法。
第一节 前向输入通道接口技术
一、概述
被测信号分为数字量和模拟量两种。
1．数字量输入 数字量包括N位并行数字量、开关量和频率信号。 ·N位并行数字量 可以直接送人单片机的1/O接口。若N位数字量并行输人，当N=8 时，正好利用一个8位1/O接口输人单片机内；当N＜8时，可利用 一个8位1/O接口输人CPU，然后将其他位屏蔽即可得到N位数据； 当N＞8时，输人方式有两种：一种是利用多个8位I/O接口，另一种 是利用一个I/O接口多次选通输人。 ·开关量 开关量是输入信号为具有TTL电平的状态信号，如继电器的吸合 与断开、光电门的导通与截止、限位开关、按钮、转换开关、接触 器等电器的触点通断，其信号电平只有高、低两种电平。
二、A/D转换接口技术 A/D转换接口技术的主要内容是合理选择A/D转换器和其他外
围器件，实现与单片机的正确连接以及编制转换程序。 A/D转换器(Analog-Digital Converter)是一种能把输人模拟
电压或电流变成与ห้องสมุดไป่ตู้成正比的数字量的电路芯片，即能把被控对 象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。
2）A/D转换器选择要点 ·确定A/D转换器精度及分辨率。 用户提出的测控精度要求是综合精度要求，它包括了传感器精度、
广泛采用其作为接口电路。 并行A/D转换器的转换速度最快，但因结构复杂而造价较高，故
只用于那些转换速度极高的场合。
1、概述 1）A/D转换器的技术指标： ·量化误差(Quantizing Error)与分辨率(Resolution)。 A/D转换器的分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输人 模拟电压的变化量，习惯上以输出二进制位数或满量程与2n之比 （其中n为ADC的位数）表示。 例如A/D转换器AD574A的分辨率为12位，即该转换器的输出数 据 可 以 用 212 个 二 进 制 数 进 行 量 化 ， 其 分 辨 率 为 1LSB (1LSB=VFS/212)。如果用百分数来表示分辨率时，其分辨率为
分类：计数器式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式 A/D转换器和并行A/D转换器。
计数器式A/D转换器结构很简单，但转换速度也很慢，所以很少
采用。 双积分式A/D转换器抗干扰能力强，转换精度很高，但速度不够
理想，常用于数字式测量仪表中。 逐次逼近式A/D转换器结构不太复杂，转换速度也高。计算机中
小信号模拟电压，则首先应将该信号电压放大，放大到能满足
A/D转换、V/F转换要求的输人电压。 以电流为输出信号的传感器或传感仪表则首先应通过I/V转换，将 电流信号转换成电压信号。最简单的I/V转换器就是一个精密电阻， 当信号电流流过精密电阻时，其电压降与流过的电流大小成正比， 从精密电阻两端取出的电压就是I/V变换后的电压信号。
说明：根据传感器输出信号的大小和类型，选择前向输人通道结 构。
大信号模拟电压，能直接满足A/D转换输入要求，则可直接送人 A/D转换器，经过A/D转换后再送人单片机。也可通过V/F转换成频 率信号送人单片机。但由于频率测量响应速度慢，多用于一些非快 速过程参量的测量，这种通道结构的优点是抗干扰能力强，便于远 距离传输。
图8-2所示是一种开关量检测电路。开关量信号经过了光电隔离， 适当选择电阻值，使A点电平符合TTL电平的要求，可以将A点接 到单片机I/O接口或经三态门接到单片机数据总线，实现开关量信 号输人。
·频率信号 经放大、整形和隔离等处理，即可得到较为理想的矩形波，这种 矩形波可直接送人单片机系统，如图8-3所示。 2.模拟量输人 所谓模拟量，就是一些连续变化的物理量，如温度、速度、电压、
第12章 输入输出通道接口技术
第十二章 输入输出通道接口技术 当以单片机为核心组成实时测控系统时，通常需要对被控对象 的状态进行测试和对控制条件进行监测，因此需要通过前向输人 通道将被测信号输人单片机系统中。 在科学研究和生产过程中，测控系统的被测参数可以是温度、 压力、速度等非电量，也可以是电流、电压、功率和开关量等电 量。这些参数信号需通过各类传感器和变送器变换成相应的模拟 电量，然后经多路开关汇集送给A/D转换器，转换成相应的数字量 送给单片机。经过单片机处理过的数字量，送给D/A转换器，变换 成相应的模拟量对被控系统实施控制和调整，使之处于最佳工作 状态，如图8-1所示。
电流和压力等。这些被测参数，单片机无法直接处理，需要把这些 模拟量通过各类传感器和变送器变换成相应的模拟电量，然后经多 路开关汇集送给A/D转换器，转换成相应的数字量送给单片机。 模拟量输人通道一般由传感器、放大器、多路模拟开关、采样保持 器和A/D转换器组成，其结构形式取决于被测对象的环境、输出信 号的类型、数量和大小等，见表8-1。
1／2n×100％＝1／212×100％=0．0244％ 一个满量程VFS=10V的12位ADC能够分辨输人电压变化的最小 值为2.4mV。 量化误差是由于有限数字对模拟数值进行离散取值（量化）而引
起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位分辨率，即士 (1/2)LSB。提高分辩率可减少量化误差。
·转换精度(Conversion Accuracy)。 A/D转换器转换精度反映了一个实际A/D转换器在量化值上与一个 理想A/D转换器进行模／数转换的差值，由模拟误差和数字误差组 成。
模拟误差是比较器、解码网络中电阻值以及基准电压波动等引起
的误差；
数字误差主要包括丢失码误差和量化误差，丢失码误差属于非固
定误差，由器件质量决定。
·转换时间与转换速率。 A/D转换器完成一次转换所需要的时间为A/D转换时间，是指从启 动A/D转换器开始到获得相应数据所需时间（包括稳定时间）。通 常，转换速率是转换时间的倒数，即每秒转换的次数。