第二章 输入输出接口和输入输出通道 2-4讲解
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第5讲 24模拟量输出通道
二、D/A转换器的结构和工作原理
D/A转换器的主要参数： (1)分辨率：分辨率表示 D/A转换器的1个 LSB(最低 有效位)输入使输出变化的程度。对于一个分辨率为n位 的D/A变换器来说，当D/A变换器输入变化1LSB时，其输 出将变化满刻度值的2-n。 (2)精度：精度表示由于D/A变换器的引入，使其输 出和输入之间产生的误差。主要由下面几部分组成： ①非线性误差。②温度系数误差。③电源波动误差。 (3)转换时间
Vref * Rf n 1 n2 0 V0 ( D * 2 D * 2 ....... D * 2 ) n 1 n2 0 n 2 R
络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。
可见，输出的模拟量与输入的数字量成正比，这就实 现了从数字量到模拟量的转换。
2.4 模拟量输出通道
--
3.双极性输出
VREF Rfb
+VREF
2R 2R
当VREF=5V OUT1=0~-5V OUT2=-5~+5V
OUT2
IOUT1
IOUT2
AGND
--
R OUT1
--
+
+
2.4 模拟量输出通道
三、DAC0832与单片机的接口设计
DAC0832的另一种 单缓冲方式
MOV DPTR,＃7FFFH MOV A,＃DATA MOVX @DPTR, A
2.4 模拟量输出通道
三、DAC0832与单片机的接口设计
2.双缓冲器方式接口电路 双缓冲器方式使用二个内部缓冲器，一个缓冲器作 数据输入，一个缓冲器模拟量转换输出
VCC VCC ILE
P1.0--P1.7 P2.7 P2.5
计算机控制系统4第三章 (2)
②量程 它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
③转换精度 它是指转换后所得结果相对于实际值的准确
度。A/D转换器的转换精度取决于量化误差q、微分线性 度误差DNLE和积分线性度误差INLE 。 积分线性度误差INLE: 在满量程输入范围内，偏离理想转
A/D转换器
PUSH DS
STI MOV AX,DATA
MOV AX,250AH
INT 21H MOV DX,220H
MOV DS,AX
MOV DX,220H IN AL,DX;读数 MOV ADTEMP,AL
MOV AL,21H;发EOI 命令 OUT 20H,AL POP DS;恢复现场 POP DX POP AX IRET
A B C G2A VCC y0 y1 y2
G2B y3 G1 Y7 y4 y5
* 1 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 0 * * * * 1 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1
地
y6
设计时，根据具体接口芯片的要求，AO、 A1用作端口地址。
A/D转换器
例 ： AD574与ISA总线前62根信号线（即PC/XT总线）的接口
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
74LS138 16芯译码器
• A.B.C为选择端 G1、G2A、G2B为允许端 G2=G2A+G2B
G1 G2 C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
(完整版)于海生---微型计算机控制技术课后习题答案(给学生)
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？由四部分组成。
图1.1微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
21节数字量输入输出通道-文档资料
地址译码器
开关量输入通道的典型结构示意图
12
Ge Sibo,Department of Automation
2.1.2 数字量输入通道--信号调理电路
2. 信号调理电路
数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接受生产过程 的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开 关的触点，瞬时高压，过电压、接触抖动等现象。这些状 态信号必须经过转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计 算机能够接受的逻辑信号，比如电平匹配，这些过程称为 信号调理。 对于开关量来说，主要是将开关、继电器等触点的接
0 0
D1
D6 D7
74LS273
Q1
当执行 CS OUT指令周期时，产生 写信号，进行数据锁存，并输 IOW 出。
10
输出 Q6 接口 Q7
CS IOW
数字量输出接口
RESET
Ge Sibo,Department of Automation
2.1.1 数字量输入输出接口技术--数字量输出接口
通和断开的动作转换成TTL电平信号与计算机相连，并且要 消除由于触点抖动和反跳形成的振荡信号。
13 Ge Sibo,Department of Automation
2.1.2 数字量输入通道--信号调理电路（小功率）
（1）消除机械抖动影响 操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接通或断 开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上就是输入信号在 变化瞬间在0和1之间多次振荡，对其如不进行适当处理就会导致 计算机的误动作。下图所示为消除由于接点的机械抖动而产生的 振荡信号，并转换成TTL电平信号与计算机相连。 如图所示为一种简单的采用积分电路消除开 关抖动的方法。电阻R和电容C组成一个积分 电路，输出跃变发生在积分器积分到门的转 折电压时刻，只要积分电路的时间常数足够
第2章 输入输出接口与过程通道
2.多个输出通路共用一个D／A转换器的结构形式
图2.32 共用D/A转换器的结构
2.4.2 D/A转换器及其接口技术
D/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或 装置。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、 12位等。
主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误 差等。基本上与A/D转换器的指标相一致。
1. 8位A／D转换器ADC0809 主要特点： 分辨率 8 位；
转换时间100s； 温度范围-40 ～ +85 ℃； 可使用单一的 +5V电源； 可直接与CPU连接； 输出带锁存器； 逻辑电平与TTL兼容。
电路组成及引脚功能
ADC0809有28条引脚。
OE
2. 12位A／D转换器AD574
（1）非电信号的检测-不平衡电桥
（2）信号放大电路
放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换 的量程范围之内，如0-5VDC;
对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单 端同相放大或单端反相放大。
若信号源的一端接放大器的负端为反相放大。当 然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一 端是与放大器的另一个输入端共地。
第2章 输入输出接口与过程通道
基本概念
输入输出接口 —— 简称“接口” 输入输出接口技术 —— 研究微处理器和外部设
备之间信息交换的技术。 接口电路：是主机和外围设备之间交换信息的连
接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完 成信息交换。 通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对象 之间信息传送和变换的连接通道。
为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随 时间变化较快信号的要求，可采用带有保持电路的采样 器，即采样保持器。
（2）采样保持原理
过程输入输出通道技术
2021/4/6
图 工作电压波形图
21
LCD显示器接口技术
点阵式LCD显示器的接口
当数码位段式显示器的位段缩变为一个点，许多的点按一定的规则均 匀地排列在一起时，便构成了点阵式LCD显示器。
图 采用MCS—51系列单片机8051的接口原理图
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22
人机接口——键盘
2.3.1 非编码键盘
图所示为7段LED显示器件的结构及外形图。
图 7段LED显示器件的结构及外形图
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10
LED显示器及其接口技术
表 显示字符与7段控制显示代码的对应关系
显示字符
控制显示代码（十六进制数）
共阴极
共阳极
显示字符
控制显示代码（十六进 制数）
共阴极
共阳极
0
3F
C0
A
77
88
1
06
F9
b
7C
83
2021/4/6
25
对键 盘进 行扫 描
N
有键 按下 吗？
Y 延时 去抖 动
查键 号送 A
散转 ： JMP@A＋DPTR
0号 键
1号 键
处理 程序
处理 程序
…
N号键 处理 程序
返回 键盘
返回 键盘
…
返回 键盘
2021/4/6
图 单片机键输入处理流程图
26
图2-18 按键闭合及断开时的电压抖动
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当显示字符较多时，驱动电路将会变得非常复杂。 在这种情况下，一般采用时分隔驱动方式。
图 在时分隔驱动方式下的电极引线方式图
2021/4/6
20
3.3 LCD显示器接口技术
计算机控制系统数字量输入输出接口与过程通道
2.4模拟量输入接口与过程通道
2.4.1 模拟量输入通道的组成
2.4.2 信号调理和I/V变换
1.信号调理电路 信号调理电路主要通过非电量的转换、信号 的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离 等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准 的电信号。信号调理电路是传感器和A/D之间以 及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中 重要的组成部分。 （1）非电信号的检测-不平衡电桥 （2）信号放大电路 1)基于ILC7650的前臵放大电路
VOUT 2
D n 2
R3 R3 D ( VREF VOUT1 ) VREF ( n1 1) R1 R2 2
2.5.4 V/I变换
1.集成V/I转换器ZF2B20
2.集成V/I转换器AD694
2.5.5 模拟量输出通道模板举例
图2-47 PCL-726板卡组成框图
2. D/A 转换程序流程 D/A 转换程序流程如下（以通道1为例）： （1）选择通道地址n=1（n=1～6）。 （2）确定D/A高4位数据地址（基地址+00）。 （3）臵 D/A高4位数据(D3～DO 有效 )。 （4）确定D/A低8位数据地址（基地址+01）。 （5）臵 D/A低8位数据并启动转换。 3. 程序设计举例 PCL-726 的D/A 输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，分辨率为12位， 000H～0FFFH分别对应输出0%～100%，若输出50%，则对应的输出数字量为7FFH， 设基地址为220H，D/A通道l输出50%的程序如下： C语言参考程序段如下： outportb ( 0x220 , 0x07 ) // D/A 通道l 输出50% outportb ( 0x221 , 0xff ) 汇编语言参考程序如下：（基地址为220H ）： MOV AL， 07H ；D/A 通道l 输出50% MOV DX， 0220H OUT DX， AL MOV DX， 0221H MOV AL， 0FFH
第2章(1)模拟量输入通道讲解
第2章 输入输出过程通道
在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的
控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字
计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理 后的结果还需要变换成合适的控制信号输出至被 控对象。以控制执行机构的动作。因此，在计算 机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转
换的连接通道，即过程通道。
3、集成采样保持器
集成采样保持器将采样电路、保持器制作在 一个芯片上，保持电容外接，由用户选用。电容 的大小与采样频率及要求的采样精度有关。 集成采样保持器分三类：
1、用于通用目的的芯片， 如AD583K,AD582,LF398； 2、高速芯片，如THS-0025,THC-0300等； 3、高分辨率芯片，如SHA1144等。
现以4位A/D转换器把模拟量7转换为二进制数0111为例，说 明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。
电压 第一次 预测 模拟 电压 第四次 第三次 预测 第二次 预测 预测
(1000) (0100) (0110) (0111)
D3
0
D2
D1
D0
时间
逐次逼近式ADC 逐次逼近式A/D原理概述
N 位的逐次逼近式 A/D 转换器 , 由 N 位寄存器、 N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出 缓冲器等五部分组成。 工作原理：启动信号作用后，时钟信号先 通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为 1 ，以下各位为 0 ，这个二进制代码经 D/A 转换 器转换成电压U0（此时为全量程电压的一半） 送到比较器与输入模拟电压UX比较。若UX>U0， 则保留这一位；若UX<U0，则DN-1 位置0。
注：1、在实际系统中，《T ，即近似地认为采样信号
在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的
控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字
计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理 后的结果还需要变换成合适的控制信号输出至被 控对象。以控制执行机构的动作。因此，在计算 机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转
换的连接通道，即过程通道。
3、集成采样保持器
集成采样保持器将采样电路、保持器制作在 一个芯片上，保持电容外接，由用户选用。电容 的大小与采样频率及要求的采样精度有关。 集成采样保持器分三类：
1、用于通用目的的芯片， 如AD583K,AD582,LF398； 2、高速芯片，如THS-0025,THC-0300等； 3、高分辨率芯片，如SHA1144等。
现以4位A/D转换器把模拟量7转换为二进制数0111为例，说 明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。
电压 第一次 预测 模拟 电压 第四次 第三次 预测 第二次 预测 预测
(1000) (0100) (0110) (0111)
D3
0
D2
D1
D0
时间
逐次逼近式ADC 逐次逼近式A/D原理概述
N 位的逐次逼近式 A/D 转换器 , 由 N 位寄存器、 N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出 缓冲器等五部分组成。 工作原理：启动信号作用后，时钟信号先 通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为 1 ，以下各位为 0 ，这个二进制代码经 D/A 转换 器转换成电压U0（此时为全量程电压的一半） 送到比较器与输入模拟电压UX比较。若UX>U0， 则保留这一位；若UX<U0，则DN-1 位置0。
注：1、在实际系统中，《T ，即近似地认为采样信号
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一、并行D/A转换器的工作原理
权：数字量的每个数位所代表的值。如：8位二进制数的 最低位的权为20=1，最高位的权为27=128 数字量转换成模拟量（D/A转换）：把每一位上的代码按 其权的大小转换成相应的模拟量，再把代表各位的模拟量 相加。 D/A转换器的组成： 1. 电阻网络：实现数字量往模拟电流的转换 2. 运算放大器：完成模拟电流相加并变为模拟电压输出
3. 位切换开关 4. 基准电压
电阻网络
类型：
1. 权电阻网络：所用的电阻阻值范围很大 (20R、 21R、…2nR)，各电阻阻值都不相同，工艺上难于制 造。 2. T型电阻网络：只有R和2R两种电阻构成网络。 特点：任何一个节点的三个分支的等效电阻是相等的 分析方法：线性网络，应用叠加原理
2.5.2
选择D/A转换器时，主要应考虑下列几个问题： 1、分辨率：当输入数字量变化1时，输出模拟量变化大 小。它反映了计算机数字量输出对执行部件控制的灵 敏程度。对一个N位的D/A转换器
满刻度值
分辨率=
2N （V/步）
例：满刻度值值为5.12V单极性输出，
8位D/A转换器 分辨率=
5.12V
=
5.12V
= 20mV/步
R 2R 2R
～～
R
R
2R
RL IL 2R 2R 2R
Sn
…
S3
S2
S1 UR
T型电阻网络分析
a)当S1接到电源电压UR ，而S2， S3，… Sn 接地，即 输入信号D1为1， D2 ～ Dn为零时，其等效电路为：
R 2R 2R
～～
R
R 2R
RL IL 2R 2R 2R
Sn
…
S3
S2
2R
S1 UR
脉冲相当于数字量的一个单位，再把每一个脉冲变成 单位模拟量，然后将所有单位模拟量相加，从而得到 和数字量成正比的总的模拟量输出。
常用的串行D/A转换器：步进电动机
一个脉冲
转动一个固定角度
一个个脉冲
角位移或线位移量
若让步进电动机转轴带动多圈电位器，调节电压或电 流，则完成了数字量 转角 电信号的转换
T型电阻网络构成的D/A转换器
R 2R 2R
～～
R
R
2R RL IL
- If +A
U0
2R 2R 2R
Sn
…
2-n Dn
S3
S2
S1
UR
2-3 D3 2-2 D2 2-1 D1
T型电阻网络分析
a)当S1接到电源电压UR ，而S2， S3，… Sn 接地，即 输入信号D1为1， D2 ～ Dn为零时，其等效电路为：
10位D/A转换器 分辨率=
28 5.12V
210
1024 = 5.12V
4096
= 20mV/步
返回本节
2. 稳定时间：D/A转换器转换速率的量度，是指D/A转
换器代码有满刻度值变化时，其输出达到并保持在所
给定的百分数误差（通常为±
1 2
LSB）范围内所需要
的时间。一般为几十纳秒到几微秒
3. 输入编码：二进制编码、BCD码、符号-数值码等。
输出电压U0和 1. 输入的数字量 2. 反馈电阻Rf 3. 标准电压UR
有关
2.5.1 D/A转换器的原理
作用：把数字量转换成模拟量的器件。
种类：并行（电流相加型和电压相加型）； 串行（步进电机的控制）
在工业控制中，主要使用并行D/A转换器。 D/A转换器的原理可以归纳为“按权展开，然 后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一 个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。 解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络 和T型电阻网络。
一种实用步进电机串行D/A转换电路
1
方
+5V
向
1kΩ×3
YB013
+△
A
1
光
驱
X
-△
电
动
轴
环B
1
隔
电
步
形 分C 配
离
1
电 路
路
进 电 动
器
机
来自
8253的
CP
OUT0
串行D/A转换器原理框图
脉冲 发生器
控制电路
环形 分配器
功率 放大
步进 电动机
U
输出
计数器
2n … 21 20
D
2.5.2 D/A转换器的性能指标
T型电阻网络分析
结论：根据叠加原理，流经负载电阻的电流
IL 的表达式为：
IL= =
（ UR
2-1 D1+ 2-2 D2 + (2-1 D1+ 2-2 D2
…+ 2-n Dn) I + …+ 2-n Dn)
3R
取 Rf=3R，则 – U0= IL Rf = UR（ 2-1 D1+ 2-2 D2 + …+ 2-n Dn)
a)当S1接到电源电压UR ，而S2， S3，… Sn 接地，即 输入信号D1为1， D2 ～ Dn为零时，其等效电路为：
2R
R
2R
RL IL
2R 2R 2R
I = UR
I
3R
I
IL= 4 = 2-2 I
UR （D2=1， D1 , D3, 。。。 , Dn=0）
二、串行D/A转换器的工作原理
工作原理：先把数字量转换成一系列的脉冲，一个
第五节 D/A转换器
2.5.1 D/A转换器的原理 2.5.2 D/A转换器的性能指标 2.5.3 典型的D/A转换器芯片DAC0832 2.5.4 12位D/A转换器DAC1210
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R 2R 2R
～～
R
R
2R RL IL
- If +A
U
2R 2R 2R
Sn
S3
S2
S1
…
2-n Dn
UR
R 2R 2R
～～
R
R
2R
RL IL 2R 2R 2R
Sn
…
S3
S2
S1 UR
T型电阻网络分析
a)当S1接到电源电压UR ，而S2， S3，… Sn 接地，即 输入信号D1为1， D2 ～ Dn为零时，其等效电路为：
R
R
～～
2R 2R
2R
…
2R
R
2R
RL IL
2R 2R 2R
I
UR
T型电阻网络分析
2-3 D3 2-2 D2 2-1 D1
R 2R 2R
～～
R
R
2R RL IL
- If +A
U
2R 2R 2R
Sn
S3
S2
S1
…
2-n Dn
UR
2-3 D3 2-2 D2 2-1 D1
R 2R 2R
～～
R
R
2R RL IL
- If +A
U
2R 2R 2R
Sn
S3
S2
S1
…
2-n Dn
UR
2-3 D3当S1接到电源电压UR ，而S2， S3，… Sn 接地，即 输入信号D1为1， D2 ～ Dn为零时，其等效电路为：
I = UR 3R
2R 2R
RL IL I 2R
I IL= 2 = 2-1I （D1=1，D2 , 。。。 , Dn=0）
T型电阻网络分析
a)当S1接到电源电压UR ，而S2， S3，… Sn 接地，即 输入信号D1为1， D2 ～ Dn为零时，其等效电路为：