計算機控制技術及應用教學課件王平謝昊飛蔣建春等編著第五章過程輸入輸出通道技術.ppt

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在線教務輔導網 教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務輔導網 QQ 349134187或者直接輸入下面地址 第五章過程輸入輸出通道接口技術 過程輸入輸出通道是計算機和工業(yè)生產過程相互交換信息的橋梁 根據(jù)過程信息的性質及傳遞方向 過程輸入輸出通道包括模擬量輸入通道 模擬量輸出通道 數(shù)字量 開關量 輸入通道和數(shù)字量 開關量 輸出通道 5 1過程輸入輸出通道的組成與功能 5 2過程輸入輸出通道的控制方式 5 2 l過程輸入輸出通道與CPU交換的信息類型過程輸入輸出通道與CPU交換的信息類型有三種 1 數(shù)據(jù)信息 反映生產現(xiàn)場的參數(shù)及狀態(tài)的信息 它包括數(shù)字量 開關量和模擬量 2 狀態(tài)信息 又叫協(xié)議信息 如應答信息 握手信息 它反映過程通道的狀態(tài) 如準備就緒信號 3 控制信息 用來控制過程通道的啟動和停止等信息 如三態(tài)門的打開和關閉 觸發(fā)器的啟動等 在過程輸入輸出通道中 必須設置一個與CPU聯(lián)系的接口電路 傳送數(shù)據(jù)信息 狀態(tài)信息和控制信息 5 2 2過程通道的編址方式由于計算機控制系統(tǒng)一般都有多個過程輸入輸出通道 因此需對每一個過程輸入輸出通道安排地址 過程通道編址方式有兩種 1 過程通道與存儲器統(tǒng)一編址方式這種編址方式又稱存儲器映像方式 它從存貯器空間劃出一部分地址空間給過程通道 把過程通道的端口當作存貯單元一樣進行訪問 對I O端口進行輸入輸出操作跟對存儲單元進行讀寫操作方式相同 只是地址不同 2 過程通道與存儲器獨立編址方式這種編址方式將過程通道的端口地址單獨編址 有自己獨立的過程通道地址空間 而不占用存儲器地址空間 在過程通道地址空間中 每一個過程通道的端口有一個唯一對應的過程通道的端口地址 這種獨立編址方式要求CPU有專用的I O指令 IN及OUT指令 用于CPU與過程通道端口之間的數(shù)據(jù)傳輸 地址總線配合存儲器操作信號實現(xiàn)存儲器的訪問控制 地址總線與I O操作信號配合則可訪問過程通道 實現(xiàn)這種編址方式的CPU分別有存儲器訪問和I O訪問的指令及相應的控制信號 編址方式的比較統(tǒng)一編址的最大優(yōu)點是無需專門的I O指令 從而簡化了指令系統(tǒng)的設計 并能省去相應的I O操作的對外引線 而且CPU可直接對I O數(shù)據(jù)進行算術和邏輯運算 指令豐富 統(tǒng)一編址的不足之處在于I O端口地址占用了一部分存儲器空間 另外訪問內存的指令長度一般比專用的I O指令長 因而取指周期較長 又多占了指令字節(jié) 5 2 3CPU對過程通道的控制方式計算機的外圍設備及過程通道種類繁多 它們的傳送速率又很不相同 因此輸入輸出產生復雜的定時問題 也就是CPU采用什么控制方式向過程通道輸入和輸出數(shù)據(jù) 常用的控制方式有三種 程序查詢方式 中斷控制方式和直接存儲器存取 DMA 方式 1 程序查詢方式 采用中斷控制方式時 CPU與I O通道處于并行工作方式 當CPU與I O通道需要傳送數(shù)據(jù)時 過程通道作好準備后 主動向CPU請求中斷 CPU響應這一請求 并暫停正在運行的程序 一般用優(yōu)先級來解決中斷響應的先后順序問題 DMA方式是一種完全由硬件完成輸入輸出操作的工作方式 在這種方式下 I O通道和存儲器之間不通過CPU而直接進行數(shù)據(jù)交換 2 中斷控制方式 3 直接存儲器存取 DMA 方式 所謂 可編程接口 是指其功能可由程序指令 接口芯片功能設定的初始化程序 設定接口芯片的功能 故接口的設計與應用除了合理選擇 接口芯片進行硬件設計外 還應包括對接口芯片的功能初始化程序和接口程序的分析與設計 CPU對過程通道的控制方式比較 程序查詢方式的主要優(yōu)點是能保證主機與輸入輸出通道之間協(xié)調工作 主要缺點是重復查詢輸入輸出通道是否 準備就緒 從而浪費了CPU的時間 過程通道需要傳送數(shù)據(jù)時就向CPU發(fā)出中斷請求信號 實時性比程序查詢方式好 主要缺點 由于為了能接受中斷請求信號 CPU內部需要有一些線路來控制 另外采用中斷控制方式時 每傳送一次數(shù)據(jù)就要中斷一次CPU原來的運行 CPU響應中斷后 每次都要執(zhí)行 中斷處理程序 而且在其中都要保護斷點 恢復斷點 浪費了很多不必要的CPU時間 DMA方式的主要優(yōu)點是速度快 數(shù)據(jù)傳送速度只受存儲器存取時間的限制 主要缺點是需要一個專用的芯片 控制器來加以控制 管理 硬件連接也稍微復雜一些 5 2 4過程通道接口設計應考慮的問題 接口電路起著連接過程通道與CPU的橋梁作用 它的基本任務有 1 控制信息的傳遞路徑 即根據(jù)控制的任務在眾多的信息源中進行選擇 以確定該信息傳送的路徑和目的地 2 控制信息傳送的順序 計算機控制的過程就是執(zhí)行程序的過程 為確保進程正確無誤 接口電路應根據(jù)控制程序的要求 適時地發(fā)出一組有序的門控信號 在過程通道接口電路設計中應解決以下問題 1 觸發(fā)方式 有序的門控信號的主要作用就是嚴格遵循系統(tǒng)工作時序要求 適時對系統(tǒng)中某個或某些特定部件發(fā)出開啟或關閉 觸發(fā) 信號 這必然涉及到同步觸發(fā)和異步觸發(fā)的方式 2 時序 控制邏輯的結構有組合控制邏輯與存儲控制邏輯兩種類型 不管哪種類型都要嚴格遵守規(guī)定的操作步驟 每一個操作步驟又都是在一組有序的控制信號驅動下實現(xiàn)的 3 負載能力 一旦控制邏輯確定后 系統(tǒng)能否可靠運行與器件的選擇關系密切 器件的選擇除了要考慮電平的擺幅 數(shù)值 延時外 還應考慮器件所帶負載是否匹配 5 3多路開關及采樣 保持器 在計算機測量及控制系統(tǒng)中 往往需要對多路或多種參數(shù)進行采集和控制 另一方面 模擬量參數(shù)經放大 濾波等一系列處理后 尚需轉變成數(shù)字量 才能進入計算機系統(tǒng) 由于A D轉換過程需要一定的時間 為了保證A D轉換的精度 必須在A D轉換進行時保持待轉換值不變 而在 D轉換結束后又能跟蹤輸入信號的變化 同時 在模擬量輸出通道中 為使各輸出通道得到一個平滑的模擬量輸出 也必須保持有一個恒定的值 能夠完成上述兩項任務的器件叫做采樣 保持器 單片機和被控實體間的接口示意 5 3 1多路開關與多路分配器 多路開關的主要用途是把多個模擬量參數(shù)分時地接通并送入A D轉換器 即完成多到一的轉換 或者把經計算機處理 且由D A轉換器轉換成的模擬信號按一定的順序輸出到不同的控制回路 或外部設備 中 即完成一到多的轉換 前者成為多路開關 后者叫做多路分配器 或叫做反多路開關 這類器件中有的只能做一種用途 成為單向多路開關 如AD7501 8路 AD8506 16路 有些則既能做多路開關 又能當多路分配器 成為雙向多路開關 如CD4051 從輸入信號的連接方式來分 有的是單端輸入 有的則允許雙端輸入 或差動輸入 表5 1常用的多路開關芯片 在以前的數(shù)字控制系統(tǒng)中 大多采用干簧 濕簧 繼電器 由于這類開關結構簡單 閉合時接觸電阻小 而斷開接點時阻抗高 工作壽命長 且不受外界環(huán)境溫度的影響 所以應用比較廣 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展 廠家已推出各式各樣的半導體多路開關 從組成開關的電路來看 有TTL電路 CMOS和HMOS電路等 有的芯片還能在其內部進行TTL與CMOS之間的電平轉換 如CD4051 更加拓寬了芯片的使用環(huán)境 半導體多路開關的特點是 1 采用標準的雙列直插式結構 尺寸小 便于安排 2 直接與TTL 或CMOS 電平相兼容 3 內部帶有通道選擇譯碼器 使用方便 4 可采用正或負雙極性輸入 5 轉換速度快 通常其導通或關斷時間在l s左右 有些產品已達到幾十到幾百納秒 ns 6 壽命長 無機械磨損 7 接通電阻低 一般小于100 有的可達幾歐姆 8 斷開電阻高 通常達109 以上 1 CD4051 表5 2CD4051的真值表 CD4067B是16通道雙向多路模擬開關 2 CD4067B CD4097B 表5 3CD4067B通道控制真值表 CD4097B為雙向雙8通道多路模擬開關 CD4097B的雙通道多路開關的原理是每當接到選通信號時 X Y兩通道同步切換 且兩個通道均受同一組選擇控制信號C B A的控制 它主要用于兩個通道信號的同步輸入 如差動放大器的輸入等 3 8816 隨著控制系統(tǒng)的增大 被控參數(shù)的增多 不僅要求多路輸入 也要求能有多通道輸出 最好是輸入輸出都能控制 能夠滿足這種要求的裝置稱做矩陣多路開關 4 多路開關的擴展 由于兩個多路開關只有兩種狀態(tài) 1 多路開關工作 2 必須停止 或者相反 所以 只用一根地址總線即可作為兩個多路開關的允許控制端的選擇信號 而兩個多路開關的通道選擇輸入端共用一組地址 或數(shù)據(jù) 總線 改變數(shù)據(jù)總線D2 D0 也可以用地址總線A2 A0 的狀態(tài) 即可得到分別選擇IN7 IN0的8個通道之一 若需要通道數(shù)很多 兩個多路開關擴展仍不能達到系統(tǒng)要求 此時 可通過譯碼器控制CD4051的控制端INH 把4個CD4051芯片組合起來 構成32個通道或16路差動輸入系統(tǒng) 表5 4CD4051擴展電路真值表 5 3 2采樣 保持器 如果直接將模擬量送入A D轉換器進行轉換 則應考慮到任何一種A D轉換器都需要用一定的時間來完成量化與編碼的操作 在轉換過程中 如果模擬量產生變化 將直接影響轉換精度 特別是在同步系統(tǒng)中 幾個并聯(lián)的參量需取自同一瞬時 而各參數(shù)的A D轉換又共享一個芯片 所得到的幾個量就不是同一時刻的值 無法進行計算和比較 所以要求輸入到A D轉換器的模擬量在整個轉換過程中保持不變 但轉換之后 又要求A D轉換器的輸入信號能夠跟隨模擬量變化 能夠完成上述任務的器件叫做采樣 保持器 Sample Hold 簡寫為S H A D轉換器完成一次完整的轉換過程所需的時間稱轉換時間 對變化快的模擬信號來說 轉換期間將引起轉換誤差 這個誤差叫做孔徑誤差 設模擬信號為 5 1 它的微分為 5 2 最大變化率為 5 3 在信號與橫座標交點處 信號變化率最大 可能引起最大的信號誤差 設孔徑時間為 這時最大誤差為 5 4 為滿足A D轉換精度要求 希望在時間內 信號變化最大幅度應小于A D轉換器的量化誤差 對于12位A D轉換器ADS1211 轉換時間為100 s 基準電壓為10 24V 其量化誤差為 若 由此要求輸入信號的最高變化頻率 當轉換時間越長時 不影響轉換精度所允許的信號最高頻率就越低 這將大大地限制A D轉換器的工作頻率范圍 因此 為了在滿足轉換精度的條件下提高信號允許的工作頻率 可在A D轉換前加入采樣保持器 為滿足A D轉換精度要求 希望在時間內 信號變化最大幅度應小于A D轉換器的量化誤差 對于12位A D轉換器ADS1211 轉換時間為100 s 基準電壓為10 24V 其量化誤差為 采樣保持器又叫做采樣保持放大器 SHA 它的原理如圖5 9所示 它由模擬開關S 保持電容C和緩沖放大器組成 其工作原理如下 S H有兩種工作方式 一種是采樣方式 另一種是保持方式 圖5 9采樣保持器原理圖 采樣保持器的主要性能參數(shù)有采樣時間 孔徑時間 輸出電壓衰減率 直通饋入等 1 采樣時間 給出采樣指令 跟蹤輸入信號到滿量程并穩(wěn)定在終值誤差的 0 2 0 005 內變化所滯留的最小時間 2 孔徑時間 保持指令給出后到采樣開關真正斷開所需的時間 3 輸出電壓衰減率 保持階段中泄漏電壓引起的放電速度 4 直通饋入 輸入信號通過采樣保持開關的極間電容穿通到保持電容上的現(xiàn)象 采樣 保持器的主要用途是 1 保持采樣信號不變 以便完成A D轉換 2 同時采樣幾個模擬量 以便進行數(shù)據(jù)處理和測量 3 減少D A轉換器的輸出毛刺 從而消除輸出電壓的峰值及縮短穩(wěn)定輸出值的建立時間 4 把一個D A轉換器的輸出分配到幾個輸出點 以保證輸出的穩(wěn)定性 圖5 0LFl98 298 398的原理圖 選擇采樣 保持器時主要考慮的因素包括 輸入信號范圍 輸入信號變化率 多路轉換器的切換速度 采集時間等 若輸入模擬信號變化緩慢 D A轉換器轉換速度相對很快 可以不用采樣保持器 5 4開關量 數(shù)字量 輸出通道 5 4 1開關量 數(shù)字量 輸出通道的結構形式 開關量輸出通道將計算機輸出的數(shù)字量控制信號傳遞給開關型或脈沖型執(zhí)行機構 其典型結構如圖5 2所示 圖5 12開關量輸出通道結構框圖 5 2開關量輸出通道與CPU的接口 開關量輸出通道與計算機接口的任務是將計算機輸出的數(shù)字量鎖存后再輸出 以保證在控制程序規(guī)定的期限內輸出的開關狀態(tài)不變 開關量輸出通道與計算機的接口可以采用以下方法 1 對于單片機 由于本身帶有具備鎖存功能的I O口 因此可以直接利用其I O口作為輸出 而無需另加接口電路 例如利用8031的Pl口作為輸出 2 采用通用集成可編程輸入 輸出接口芯片 可編程芯片的最大特點就是在不增加任何硬件的條件下 通過改變程序內容就可達到改變芯片功能的目的 可編程并行接口芯片一般有兩個以上具備鎖存或緩沖功能的數(shù)據(jù)端口 一個以上的控制寄存器和中斷邏輯電路 因此使用非常方便 3 采用通用邏輯芯片 采用TTL或CMOS邏輯芯片實現(xiàn) 5 4 3功率接口技術 計算機輸出的數(shù)字量經鎖存器輸出后 要進行隔離和放大才能加到執(zhí)行機構上 開關量輸出通道控制的執(zhí)行機構大都屬于脈沖型功率元件或開關型功率元件 1 直流電磁式繼電器 接觸器功率接口 對于接觸器或中大功率繼電器可采用一個小型直流繼電器來驅動 用小繼電器觸點來接通接觸器線圈電源 2 交流電磁式接觸器功率接口交流電磁式接觸器由于線圈的工作電壓要求是交流電 所以通常使用雙向晶閘管驅動或使用直流繼電器作中間繼電器 圖5 5交流接觸器接口 晶閘管觸發(fā)電路通常采用光電隔離或脈沖變壓器來觸發(fā) 由于晶閘管觸發(fā)采用脈沖形式 因此觸發(fā)脈沖可通過軟件來產生 3 晶閘管觸發(fā)電路 5 5 1開關量 數(shù)字量 輸入通道的結構形式開關量輸入通道又可稱為數(shù)字量輸入通道 該通道將雙值邏輯的開關量 數(shù)字量 變換為計算機能夠接收的數(shù)字量 5 5開關量 數(shù)字量 輸入通道 圖5 17開關量輸入通道結構框圖 開關量 數(shù)字量 大致可分為三種形式 機械有觸點開關量 電子無觸點開關量和非電量開關量 1 機械有觸點開關量 1 控制系統(tǒng)自帶電源方式 5 5 2開關量 數(shù)字量 形式及變換 2 外接電源方式 它適合于開關安裝在離控制設備較遠位置的場合 3 恒流源方式 這種方式用于抗干擾能力要求高 傳輸距離較遠的場合 電流一般取0 10mA 即觸點閉合時輸出電流為10mA 觸點打開時輸出電流為0 圖5 19外接直流電源開關量變化電路 2 無觸點開關量無觸點開關量指電子開關 例如固態(tài)繼電器 功率電子器件 模擬開關等 產生的開關量 由于無觸點開關通常沒有輔助機構 其開關狀態(tài)與主電路沒有隔離 因而隔離電路是它的信號變換電路的重要組成部分 無觸點開關量的采集可由兩種方式實現(xiàn) 第一種方式與有觸點開關處理方法相同 即把無觸點開關當做有觸點開關 按圖5 20方式連接電路即可 需要注意的是連接極性不能隨意更換 5 20無觸點開關變換電路 無觸點開關量變換的第二種方法是從功率開關的負載電路取樣法 它的原理電路框圖如圖5 21所示 這種方法直接反映負載電路工作狀態(tài) 而對開關狀態(tài)的采樣是間接的 圖5 21開關量取樣變換電路框圖 3 非電量開關量 數(shù)字量 通過采用磁 光 聲等方式反映過程狀態(tài) 在許多控制領域中得到廣泛應用 這種非電量開關量 數(shù)字量 需要通過電量轉換后才能以電的形式輸出 實現(xiàn)非電量開關量 數(shù)字量 的信號變換電路由非電量 電量變換 放大 或檢波 電路 光電隔離電路等組成 如圖5 22所示 圖5 22非電量開關量變換電路結構圖 5 5 3整形與電平變換各種過程開關量經信號變換后轉換成邏輯電信號或脈沖信號 但這種信號在脈沖寬度 脈沖波形形狀 脈沖前后沿陡度及信號電平可能不很理想 通常需進行波形整形及電平變換才能輸入到計算機 1 波形整形波形整形的目的是使邏輯信號變?yōu)檩^理想的電信號 并提高抗干擾能力 波形整形包括觸點消抖 脈沖定寬 去除尖峰毛刺等 1 觸點消抖 在機械有觸點開關中 當觸點閉合或打開時將產生抖動 使得開關量在動作瞬間的狀態(tài)不穩(wěn) 若是工作在計數(shù)方式或作為中斷輸入 將導致系統(tǒng)工作不正常 因此采用觸點消抖是必要的 實現(xiàn)觸點消抖的方法很多 圖5 23為采用定時器555的一種消抖電路 圖5 23觸點消抖電路 T 0 632RC 2 脈沖定寬 在許多控制系統(tǒng)中 有時要求在開關量變化時提供一個脈沖寬度穩(wěn)定的脈沖 如上跳時產生脈沖 下跳時產生脈沖 上下跳變時都產生脈沖 圖5 24開 關狀態(tài)產生定寬脈沖電路 3 消除毛刺 由于受環(huán)境干擾的影響 傳輸?shù)拈_關量信號將產生毛刺 消除毛刺通常采用史密特觸發(fā)器 例如74LSl4等 或集成比較器 圖5 25為采用比較器的整形電路及其電路特性 圖5 25回環(huán)比較器 2 電平變換在計算機控制系統(tǒng)中 CPU一般只接受TTL電平信號 當開關量變換后的信號為非TTL電平時 則需要進行電平變換 圖5 26電平變換電路 5 5 4開關量輸入通道與CPU的接口根據(jù)計算機控制系統(tǒng)的功能要求 CPU對開關量輸入信號的處理形式主要有三種 開關狀態(tài)檢測 脈寬測量和脈沖計數(shù) 1 開關狀態(tài)檢測及其接口開關狀態(tài)檢測是指計算機在適當時刻將外部開關量的狀態(tài)讀入到計算機中 通常采用的方式為定時查詢或中斷 在定時查詢方式里 CPU周期性地在規(guī)定時刻將開關量狀態(tài)讀入 這種方式對開關量狀態(tài)變化時刻不能正確反映 其誤差大小與讀取周期相關 采用定時查詢方式的接口非常簡單 如果從數(shù)據(jù)總線讀入 只需加入總線緩沖器即可 總線緩沖器通常為三態(tài)邏輯門電路 圖5 27為采用74LS244的接口 對于單片機而言 開關量輸入信號也可直接與I O口相連 無需添加接口元件 圖5 27定時查詢方式接口電路 2 脈寬測量接口電路脈寬測量指對開關量輸入的某個狀態(tài) 1 或 0 的持續(xù)時間進行測量 圖5 288253的原理圖 表5 5通道與操作時序的關系 8253工作方式由工作方式控制字定義 控制字定義見圖5 29 它有六種工作方式 可以完成計數(shù) 脈沖寬度測量等工作 圖5 298253的控制字 圖5 308253與8031的接口 3 脈沖計數(shù)脈沖計數(shù)通常用來測量單位時間內的脈沖數(shù) 主要用于測頻率 測轉速或用于V F方式的模 數(shù)轉換 脈沖計數(shù)可直接采用單片機的定時器 計數(shù)器來完成 也可采用8253實現(xiàn) 采用8253進行脈沖計數(shù)時 被測信號連接到CLK上 而GATE則接入一個脈寬為采樣周期的方波信號 用它來控制計數(shù)時間 5 6模擬量輸出通道的接口技術 1 可變增益放大電路D A轉換器是增益可以按數(shù)字量進行編程的放大器 圖5 31的運算放大器電路的增益 可以通過改變無源電路元件的值來加以調整 5 6 1D A轉換器的原理 5 5 圖5 31可變增益放大器電路 2 權電阻解碼型D A轉換原理圖5 32中 若按數(shù)字要求改變 則D A轉換器可以改變輸入電流 這些電阻可按并聯(lián)方式連結 其并聯(lián)電阻值取決于受控于二進制控制信號的開關接通情況 圖5 32D A轉換器的原理如同二進制增益調整 5 6 流入電路的總電流 等于流過各個電阻的電流之和 由式 5 5 可知 式 5 6 也就確定了D A轉換器的輸出電壓 每一個電阻都是其鄰近電阻的兩倍 若只有第一個開關接通 相當于輸出電壓滿刻度一半 第1位 1 若僅有第二個開關接通 相當于滿刻度的四分之一 第2位 1 按順序逐位接通開關 其輸出電壓將越來越小 第N位 1 因此 D A轉換器產生電壓的方法相似于按一系列二進制加權配比配平 有關5位分辨率的D A轉換器的例子表示在圖5 33中 圖5 335位分辨率的D A轉換器按一系列二進制加權配比配平的示意圖 若所有位都置 1 所有開關都接通 則輸出電壓非常接近于滿刻度時的參考電壓 或者表示成更一般的形式 所有位均置1 根據(jù)這個例子可以歸納出 D A轉換器的輸出電壓為 在所有位均為1的情況下 其最大輸出電壓為 5 9 5 8 5 7 但是 在實際應用中卻不采用圖5 32中的電路 這是因為 在該電路中電阻取值 電阻的調節(jié)范圍以及穩(wěn)定時間都受到限制 例如 為了使耗電保持在低水平 R應取10k 對于一個10位分辨率的D A轉換器 一般利用集成電路工藝要獲得如此大阻值的電阻是難以辦到的 此外 要使有意義 必須精確到 這就要求對許多不同的阻值進行精密的調整 最為嚴重的問題是 開關時間受最低有效位上電阻以及雜散電容的限制 而一般雜散電容值很容易接近1OOpF 以10位分辨率的D A轉換器作為例子 其穩(wěn)定時間為 3 R 2RT型D A轉換原理R 2RT形網絡電路 圖5 34 是一種最通用的D A轉換電路 它克服了先前電路所存在的問題 這種電路在換接開關端鈕時 電壓不發(fā)生變化 由于不存在電壓瞬變過程 因而也就減輕了由RC穩(wěn)定過程所引起的不良影響 圖5 34R 2RT形網絡式D A轉換器示意圖 a 各順序節(jié)點都是等值的b 每一節(jié)點都有兩條通過2R電阻與地相連的支路c 二進制電流分配器 圖5 35R 2R梯形網絡的工作原理 5 6 2模擬量輸出通道的基本結構在許多場合要求具有多路模擬量輸出通道 多路模擬量輸出通道的結構形式主要取決于輸出保持器的構成方式 輸出保持器的作用主要是在新的控制信號到來前 使本次控制信號維持不變 1 多D A結構 圖5 36多D A轉換器結構形式示意圖 2 共享式D A結構 圖5 37共用D A轉換器結構 5 6 38位D A轉換器及其接口技術5 6 3 1D A轉換器的主要技術指標分辨率轉換時對輸入模擬信號變化的反應越靈敏 分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示 如8位 10位 12位 16位等 2 建立時間D A轉換器代碼有滿刻度值的變化時 其輸出達到穩(wěn)定所需的時間 一般為幾十個ns到幾個ms 3 輸出電平 D A轉換器滿量程輸出電壓的大小 4 輸入編碼 D A轉換器輸入數(shù)字量代碼的編碼方式 如二進制碼 BCD碼 補碼 反碼等 5 6 3 2模擬量輸入通道設計中應考慮的問題 在D A轉換器接口設計中 主要考慮的問題是D A轉換芯片的選擇 輸入數(shù)字量的編碼形式及模擬量的輸出極性 參考電壓電源流 模擬電量輸出的調整與分配等 1 D A轉換芯的選擇原則 選擇D A轉換器芯片時 主要考慮芯片的性能 結構及應用特性 在性能上必須滿足D A轉換的技術要求 在結構和應用特性上滿足接口方便 外圍電路簡單 價格低廉等要求 D A轉換器結構性能指標包括靜態(tài)指標 各項精度指標 動態(tài)指標 建立時間 尖峰等 環(huán)境指標 使用的環(huán)境溫度范圍 各種溫度系數(shù) D A轉換器結構特性與應用特性主要表現(xiàn)為芯片內部結構的配置狀態(tài) 主要的特性有 1 數(shù)字輸入特性 包括接收數(shù)字量的編碼形式 數(shù)據(jù)格式及邏輯電平等 2 數(shù)字輸出特性 指D A轉換器的輸出電量特性 電壓還是電流 多數(shù)D A轉換器采用電流輸出 3 鎖存特性及轉換控制 D A轉換器對輸入數(shù)字量是否具有鎖存功能 將直接影響與CPU的接口設計 4 參考電源 參考電壓源是影響輸出結構的模擬參量 它是重要的接口電路 2 參考電壓源的配置目前多數(shù)D A轉換器不帶參考電壓源 因而設計D A接口電路時要配置參考電源 目前參考電壓源主要有帶溫度補償?shù)凝R納二極管 能隙電壓源 由于能隙電壓源工作在正常線性區(qū)域 因而內部噪聲小 工作穩(wěn)定性好 在制作精密參考電壓源時經常采用 外接參考電壓源可以采用簡單的穩(wěn)壓電路形式 也可以采用帶運算放大器的穩(wěn)壓電路 如圖5 38所示 簡單穩(wěn)壓電路提供的參考電壓恒定 帶運算放大器的參考電壓源具有驅動能力強 負載變化對輸出參考電壓沒有影響 所供參考電壓可以調節(jié)等性能 圖5 38參考電壓源電路形式 3 數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的極性所有D A轉換器的輸出電壓VO 都可表示為輸入數(shù)字量D和模擬參考電壓的乘積 5 10 二進制代碼D可以表示為 取0或1 5 11 D A轉換器的輸出有電流和電壓兩種方式 其中電壓輸出形式又有單極性電壓輸出和雙極性電壓輸出之別 D A轉換器的輸出方式只與模擬量輸出端的連接方式有關 與其位數(shù)無關 這里 以典型的8位D A轉換器 DAC0832為例進行討論 1 單極性電壓輸出 圖5 39DAC0832單極性電壓輸出電路 表5 6單極性電壓輸出時數(shù)字量與模擬量之間的關系 2 雙極性電壓輸出 圖5 40DAC0832雙極性電壓輸出電路 在隨動系統(tǒng)中 由偏差產生的控制量不僅與其大小有關 而且與極性相關 由圖5 40所示 可求出D A轉換器的總輸出電壓 代入 的值可得 5 12 設 5V 則由式 5 12 可得出 當 0V時 5V 2 5V時 0V 5V時 5V 表5 7雙極性輸出時數(shù)字量與模擬量之間的關系 圖5 41基準電壓切換方法 4 尖峰及其消除 圖5 42D A轉換時產生的尖峰波形示意圖 產生尖峰的原因是由于開關在換向過程中 導通 延遲時間與 截止 延時時間不相等所致 圖5 43消尖峰電路工作原理 5 6 3 38位D A轉換器模擬量輸出通道不論采用何種結構形式 總是需要解決D A轉換器與計算機的接口問題 D A轉換器要求輸入在一定時間內保持穩(wěn)定 它采用的二進制數(shù)據(jù)輸入方式有并行和串行兩種形式 1 普通型D A轉換器 DAC0832DAC0832內部結構引腳功能DAC0832的技術指標 1 DAC0832內部結構 DAC0832內部由三部分電路組成 如圖5 3所示 圖5 3DAC0832原理框圖 2 引腳功能 DAC0832芯片為20引腳 雙列直插式封裝 其引腳排列如圖5 4所示 1 數(shù)字量輸入線D7 D0 8條 2 控制線 5條 3 輸出線 3條 4 電源線 4條 圖5 4DAC0832引腳圖 3 DAC0832的技術指標 DAC0832的主要技術指標 1 分辨率8位 2 電流建立時間1 S 3 增益溫度系數(shù)0 0002 FS 4 低功耗20mW 5 單一電源 5 15V 因DAC0832是電流輸出型D A轉換芯片 為了取得電壓輸出 需在電流輸出端接運算放大器 Rf為運算放大器的反饋電阻端 運算放大器的接法如圖5 5所示 運算放大器接法 返回本節(jié) 1 單極性輸出 在需要單極性輸出的情況下 可以采用圖5 6所示接線 圖5 6單極性DAC的接法 2 雙極性輸出 在需要雙極性輸出的情況下 可以采用圖5 7所示接線 圖5 7雙極性DAC的接法 2 電壓輸出型D A轉換器 AD558 圖5 45AD558原理電路圖 圖5 46輸出量程選擇連接圖 3 多通道D A轉換器 AD7226 圖5 47AD7226電路原理圖 表5 8AD7226真值表 5 6 3 48位D A轉換器與微機的接口及程序設計由于各種D A轉換器的結構不同 它們與微型計算機接口的連接方法也有差異 但在基本連接關系方面 它們仍然有共同之處 數(shù)字量輸入 模擬量輸出 外部控制信號的連接 1 數(shù)字輸入端的連接D A轉換器數(shù)字量輸入端與微型計算機的接口的連接需要考慮兩個問題 一個是位數(shù) 另一個是D A轉換器的內部結構 2 外部控制信號的連接外部控制信號主要是片選信號 寫信號及啟動信號 此外 還有電源及參考電平可根據(jù)D A轉換器的具體要求進行選擇 3 D A轉換器與單片機的接口及程序設計應用舉例由于在單片機系統(tǒng)中采用統(tǒng)一編址的方式 尋址時將I O端口視為外部存儲單元 所以 用訪問外部存儲器的指令MOVX DPTR A或者MOV A i 0 1 即可完成對I O端口的訪問 不含數(shù)據(jù)鎖存器的D A轉換器與單片機的接口 完成圖5 48所示的D A轉換程序只需要3條指令 設74LS273的端口地址為FEH 實現(xiàn)D A轉換的源程序如下 MOVA nnH nnH為待轉換的數(shù)字量MOVR1 OFEH 送端口地址到R1寄存器MOVX Ri A D A轉換 含數(shù)據(jù)鎖存器的D A轉換器與單片機的接口 真值表 START MOVDPTR 0FDFFH 建立D A轉換器地址指針MOVA nnH 待轉換的數(shù)字量送AMOVX DPTR A 輸出D A轉換數(shù)字量INCDPH 求第二級地址MOVX DPTR A 完成D A轉換 5 6 4高于8位的D A轉換器及其接口設計為了提高轉換精度 可選用更多位數(shù)的D A轉換器 如10位 12位 16位 其轉換原理與8位D A轉換器基本一樣不同的是在與數(shù)據(jù)線位數(shù)較少的微型計算機 如8位單片機 進行接口連接時 數(shù)據(jù)要分成兩次或三次輸入 例如 對于一個12位的數(shù) 模轉換器 就要分成高低字節(jié)分別進行傳送 分兩次傳送12位數(shù)字量時 D A轉換器的輸出就有一個中間量 圖5 50是12位D A轉換器與8位微處理器的接口 低8位先送入8位的暫存鎖存器 當高四位傳送時 同時選通低8位 圖5 5012位D A轉換器與微處理器的接口 圖5 51為DACl230的結構框圖 它是兩級緩沖寄存器結構 其主要特性為 分辨率 12位輸出電流穩(wěn)定時間 1參考電壓 10V 10V單工作電源 5V 15V 圖5 51DACl230結構圖 圖5 52DACl230的工作時序圖 圖5 53DACl230與單片機8031的接口電路 表5 9 輸入 輸入 接口程序如下 MOVDPTR 8000HMOVA DAH DAV數(shù)字量高8位MOV DPTR AMOVDPTR 8001HMOVA DAL DAC數(shù)字量低8位 其中最低4位為0MOV DPTR AMOVDPTR 8002HMOV DPTR A 刷新輸出 與A中值無關 5 5 5串行D A轉換器及其接口技術 1 10位串行D A轉換器TLC5615特性 分辨率 帶有緩沖基準輸入的10位輸出類型 電壓輸出通信方式 串行輸出 SPI QSP功耗 在5V供電時僅1 75mW建立時間 12 5us 應用 廣泛應用于電池供電的測試儀器 儀表 工業(yè)控制等領域 1 TLC5615的內部結構及引腳 2 TLC5615的工作時序 TLC5615的工作時序如圖5 55所示 在不使用多片級聯(lián)時 可只用12位方式 其中前10位是數(shù)字量 后2位是0 圖5 55TLC5615的工作時序 2 TLC5615與MCS 51單片機的接口 TLC5615在不使用級聯(lián)方式時DOUT引腳可懸空 參考電壓小于2 5V TLC5615的模擬量輸出引腳是帶緩沖的 具有短路保護功能 可驅動2K歐負載 圖5 56TLC5615與MCS 51單片機接口 SETBSCLKNOPNOPCLRSCLKDJNZR7 LOP2MOVR7 4MOVA R3LOP3 RLCA 發(fā)送低4位MOVDIN CNOPNOPSETBSCLKNOPNOPDJNZR7 LOP3END CSBITP1 0SCLKBITP1 1DINBITP1 2TLC5615 OUT MOVR7 6 將低位數(shù)據(jù)左移6位 使數(shù)據(jù)左對齊LOP1 MOVA R3RLCAMOVR3 ADJNZR7 LOP1MOVA R2MOVR7 8CLRCSCLRSCLKLOP2 RLCA 發(fā)送高8位MOVDIN CNOPNOP 5 7模擬量輸入通道 5 7 1模擬量輸入通道的基本結構模擬量輸入通道各部分電路作用如下 1 傳感器 將過程量轉換為電信號 2 放大電路 對微弱的電信號進行放大 3 多路轉換開關 將多路模擬信號按要求分時輸出 4 采樣保持 對模擬信號進行采樣 在模 數(shù)轉換期間保持采樣信號不變 5 A D轉換 即模 數(shù)轉換 將模擬信號轉換為二進制數(shù)字量 6 接口電路 提供模擬輸入通道與計算機之間的控制信號和數(shù)據(jù)傳送通路 圖5 54模擬量輸入通道結構 5 7 2A D轉換原理 在計算機控制系統(tǒng)及過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 通常采用低 中速的大規(guī)模集成模 數(shù)轉換器芯片 這類芯片采用的轉換方法有 計數(shù)器式A D轉換 逐次逼近型A D轉換 雙斜率積分式A D轉換 V F變換型A D轉換 型A D轉換 在這些轉換方式中 計數(shù)器式A D轉換線路比較簡單 但轉換速度較慢 所以現(xiàn)在很少應用 雙斜率積分式和 方式A D轉換精度高 在儀器儀表中應用非常廣泛 多用于數(shù)據(jù)采集及精度要求比較高的場合 如5G14433 31 2位 AD7555 41 2位或51 2位 等 但速度較慢 逐次逼近型A D轉換既照顧了轉換速度 又具有一定的精度 所以是目前應用較多的一種A D轉換器結構 在16位以下A D轉換器得到廣泛應用 此外 V F變換型A D轉換器則多用于需要遠距離串行傳送的場合 1 逐次逼近式A D轉換器 圖5 55逐次逼近式轉換電路原理圖 圖5 56逐次逼近過程 2 雙斜率積分式A D轉換器 圖5 57雙斜率積分式A D轉換器電路原理圖 圖5 58雙斜率積分式A D轉換器一個測量周期內的積分輸出 3 電壓 頻率變換器 VFC 作A D轉換器VFC是把電壓變換為頻率的裝置 其輸出為脈沖形式 如鋸齒波 方波 尖脈沖等 1 VFC的基本原理VFC有四種基本結構 積分復原式 電荷平衡式 交替積分式和電壓反饋式 其中使用最多的是電荷平衡式 其電路原理如圖5 61 a 所示 5 17 反向充電時 正向充電時 根據(jù)電荷平衡 2 VFC作A D轉換器 圖5 62用VFC構成A D轉換器 輸入電壓加到VFC上產生頻率與VIN成正比的脈沖序列 該脈沖序列通過門電路由計數(shù)器測定規(guī)定時間內的脈沖數(shù) 若額定測定時間為Ts 5 18 5 6 2A D轉換器的選用 1 模擬量輸入通道的結構典型的模擬量輸入通道的結構如圖5 63所示 圖5 63模擬量輸入通道結構 2 A D轉換器的主要技術指標 1 分辨率 分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示 如8位 10位 12位 16位等 2 量程 A D轉換器能轉換的模擬電壓的范圍 3 精度 分為絕對精度和相對精度 4 轉換時間 完成一次完整轉換所需要的時間 5 輸出邏輯電平 輸出數(shù)據(jù)的電平形式和數(shù)據(jù)輸出方式 如三態(tài)邏輯和數(shù)據(jù)是否鎖存 6 工作溫度范圍 A D轉換器在規(guī)定精度內允許的工作溫度范圍 7 對基準電源的要求 基準電源精度對A D轉換器精度有重大影響 因此應加以考慮 3 A D轉換器的選擇模擬量輸入通道是計算機控制系統(tǒng)的信號采集通道 從信號的傳感 變換到計算機輸入 必須考慮信號拾取 信號調節(jié) A D轉換 電源配置和防止干擾等問題 1 信號的拾取方式通過敏感元件拾取被測信號通過傳感器拾取被測信號通過測量儀表拾取被測信號 2 信號的調節(jié)在模擬量輸入通道中 信號調節(jié)的任務是將傳感器信號轉換成滿足A D電路要求的電平信號 3 模 數(shù)轉換方式的選擇模擬量輸入通道的模 數(shù)轉換方式有A D轉換電路和V F變換方式 V F變換方式將信號電壓變換為頻率量 由計算機或計數(shù)電路計數(shù)來實現(xiàn)模擬量轉化為數(shù)字量 4 電源配置信號拾取時 要考慮對傳感器的供電 對于不同的信號調節(jié)電路中的芯片 一般會提出對電源的要求 必須很好地解決電源問題 5 抗干擾措施 4 A D轉換器與微型計算機接口設計需要注意的幾個問題模擬量輸入信號的連接A D轉換器的模擬量輸入有時是雙極性的 有時是單極性的 輸入信號的最小值有從零開始的 也有從非零開始的 因此 產品出廠時 有的A D轉換器芯片已經設計了不同量程的引腳 以滿足不同情況的需求 只有正確使用A D轉換器有關量程的引腳 才能保證A D轉換器的轉換精度 雙參考電壓引腳的A D轉換器AD0809芯片連接組成的對稱參考電壓接法如圖5 64所示 如果輸入信號的模擬量不是從零開始的 輸入信號模擬量的最大值也不是滿量程時 就可以利用雙參考電壓引腳的A D轉換器AD0809芯片的兩個參考電壓引腳 連接成對稱參考電壓接法解決顯示滿刻度和測量精度問題 2 數(shù)字量輸出引腳的連接A D轉換器數(shù)字量輸出引腳和微型計算機的連接方法與其內部結構有關 對于內部未含輸出鎖存器的A D轉換器來說 一般通過鎖存器或I O接口與微型計算機相連 常用的接口及鎖存器有Intel8155 8255 8243以及74LS273 74LS373 8212等 當A D轉換器內部含數(shù)據(jù)輸出鎖存器時 可直接與微型計算機相連 有時為了增加控制功能 也采用I O接口連接 3 A D轉換器的啟動方式任何一個A D轉換器在開始轉換前 都必須經過啟動 才開始工作 芯片不同 要求的啟動方式也不同 一般分脈沖啟動和電平啟動兩種 脈沖啟動型芯片 只要在啟動轉換輸入引腳引入一個啟動脈沖即可 如ADC0809 ADC80 AD574A等均屬于脈沖啟動轉換芯片 所謂電平啟動轉換 就是在A D轉換器的啟動引腳上加上要求的電平 一旦電平加上以后 A D轉換即刻開始 而且在轉換過程中 必須保持這一電平 否則將停止轉換 AD570 571 572等都屬電平控制轉換電路 不同的A D轉換器 要求啟動信號的電平不一樣 有的要求高電平啟動 如ADC0809 ADC80 AD574 有的則要求低電平啟動 如ADC0801 0802和AD670等 4 轉換結束信號的處理方法微型計算機檢查判斷A D轉換結束的方法有以下三種 中斷方式 查詢方式 軟件延時方式 5 A D轉換器的工作電壓和基準電壓早期的集成A D轉換器采用 15V的直流工作電壓 近年來新開發(fā)的集成A D轉換器產品 可在 12 15V的范圍內工作 還有的集成A D轉換器芯片使用單一 5V直流工作電壓 6 時鐘的連接A D轉換器的另一個重要連接信號是時鐘 A D轉換時鐘的提供方法也有兩種 一種由芯片內部提供 一種由外部時鐘提供 圖5 66采用內部時鐘的一般操作方法 圖5 67采用外部時鐘的A D轉換電路圖 8位A D轉換器內部設有時鐘發(fā)生器 但經常外接RC電路來提供所需的時鐘 如圖5 68所示 改變RC的值 便可改變時鐘頻率 7 接地問題A D轉換器應用的設計 在硬件設計方面 除了前面講的幾種信號的連接方式之外 還有一個需要注意的問題就是地線的連接 5 6 3逐次逼近式并行A D轉換器及其接口 1 8位并行A D轉換器及其接口逐次逼近式A D轉換器有單片集成與混合集成兩種集成電路或模塊 轉換速度在幾個微秒到一百多個微秒之間 分辯率有8位 10位 12位 14位和16位幾種 1 普通型A D轉換器 AD7574AD7574采用CMOS工藝 是單片型 含內部時鐘振蕩器 5V供電 芯片內部設有比較器和控制邏輯 以及功耗低 30mW 轉換速度快 15 s 的逐次逼近型A D轉換器 它采用18腳雙列直插式封裝結構 易于與微型計算機接口連接 在過程控制自動化和智能化儀器中得到廣泛的應用 AD7574的內部結構 如圖5 70所示 圖5 70AD7574原理圖 AD7574與MCS 51的電路連接如圖5 71所示 2 帶儀器放大器的A D轉換器AD670上述的AD7574A D轉換器的輸入信號必須是標準信號 因此 被測信號 如溫度 壓力 流量等 在輸入到普通A D轉換器之前 首先要經過變送器的轉換 將傳感器輸出的信號變成0 5V的統(tǒng)一電信號 然后才能與A D轉換器進行連接 這在一般的過程控制中是完全可行的 但是 在智能化儀器中這種結構就顯得比較復雜 特別是在一些手提式現(xiàn)場測試儀器中更是如此 為滿足這種需要 廠商研制出一種內部帶儀器放大器的A D轉換器 AD670即為其中之一 圖5 64AD670電路結構原理 表5 10AD670控制信號真值表 圖5 65AD670的連接方式 3 多通道A D轉換器ADC0808 0809電路組成及轉換原理ADC0808 0809都是含8位A D轉換器 8路多路開關以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件 其轉換方法為逐次逼近型 在A D轉換器內部有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器 一個帶模擬開關樹組的256電阻分壓器 以及一個逐次逼近型寄存器 8路的模擬開關的通斷由地址鎖存器和譯碼器控制 可以在8個通道中任意訪問一個單邊的模擬信號 其原理框圖 如圖5 66所示 圖5 66ADC0808 0809原理圖 ADC0808 0809的引腳功能 IN7一IN0 8個模擬量輸入端 START 啟動信號 高電平有效 EOC 轉換結束信號 OE 輸出允許信號 CLOCK 實時時鐘 可通過外接RC電路改變時鐘頻率 ALE 地址鎖存允許 高電平有效 C B A 通道號選擇端子 C為最高位 A為最低位 D7 D0 數(shù)字量輸出端 VREF VREF 參考電壓端子 Vcc 電源端子 接 5V GND 接地端 圖5 67ADC0808 0809應用接線圖 圖5 68ADC0808 0809時序圖 ADC0808 0809的技術指標 單一電源 5V供電 模擬輸入范圍為0 5V 分辨率為8位 最大不可調誤差 功耗為15mW 轉換速度取決于芯片的時鐘頻率 時鐘頻率范圍 10 1280kHz 當CLOCK等于500kHz時 轉換速度為128 s 可鎖存三態(tài)輸出 輸出與TTL兼容 無需進行零位及滿量程調整 溫度范圍為 400C 85 4 8位A D轉換器的接口技術 直接接口 根據(jù)圖5 77的電路可編寫A D采樣程序 通道號放在R2中 采集結果放在30H 37H中 起始通道號為0 SETBSTART 發(fā)啟動轉換脈沖NOPNOPCLRSTARTJNBEOC 等待轉換結束SETBOEMOVA P0 讀轉換數(shù)據(jù)CLROEMOV R0 A 暫存數(shù)據(jù)INCR2INCR0CJNER2 08H ADC0809 1 8個通道沒轉換完 轉換下一個通道RET STARTBITP2 3EOCBITP3 2ALEBITP2 4OEBITP3 7ADC0809 MOVR2 0 設起始通道號MOVR0 30H 設數(shù)據(jù)緩沖區(qū)ADC0809 1 MOVA R2MOVP2 A 寫通道號SETBALENOPCLRALE 全譯碼方式接口 根據(jù)圖5 78編寫的ADC0809轉換程序 ADC0809的地址是8000H 8007H 通道號在R2中 采樣后的結果存放在30H 37H中 在程序中啟動ADC0809的同時將通道號寫到ADC0809中 ORG00HAJMPMAINORG03HAJMPADC0809ORG1000HMAIN SETBEASETBEX0SETBIT0MOVR2 0MOVR0 30HMOVDPTR 8000HMOVX DPTR AAJMP ADC0809 MOVXA DPTRMOV R0 AINCR0INCR2MOVA R2ORLA DPLMOVDPL AMOVX DPTR ACJNER2 07H ADC0809RETMOVR2 0MOVR0 30HRETIADC0809RET RETI 2 高于8位的并行A D轉換器及其接口 1 AD574的結構及原理AD574是美國模擬器件公司 AnalogDevices 生產的12位逐次逼近型快速A D轉換器 其轉換速度最快為35 s 轉換誤差 是目前我國應用廣泛 價格適中的A D轉換器 加之其內部含三態(tài)輸出緩沖電路 可直接與各種微處理器連接 且無須附加邏輯接口電路 便能與CMOS及TTL電平兼容 內部配置的高精度參考電壓源和時鐘電路 使它不需要任何外部電路和時鐘信號 就能完成A D轉換功能 應用非常方便 圖5 79AD574結構原理圖 2 AD574A的引腳及功能表5 12AD574控制信號組合表 3 AD574A的應用單極性輸入 圖5 80單級性模擬量輸入電路的連接 雙極性輸入 5 81雙極性模擬量輸入電路圖 4 高于8位的A D轉換器接口技術及程序設計 D轉換程序如下 ORG0200HATOD MOVDPTR 9000H 設置數(shù)據(jù)地址指針MOVP2 0FFHMOVR0 0FCH 設置啟動12位A D轉換的地址MOVX R0 A 啟動A D轉換MOVR0 0FEHLOOP JBP1 0 LOOP 檢查A D轉換是否結束 MOVXA R0 讀取高8位數(shù)據(jù)0FEHMOVX DPTR A 存高8位數(shù)據(jù)INCR0 求低4位數(shù)據(jù)的地址0FFHINCDPTR 求存放低4位數(shù)據(jù)的RAM單元地址MOVXA R0 讀取低4位數(shù)據(jù)MOVX DPTR A 存低4位數(shù)據(jù)HERE AJAMPHERE 5 6 5串行A D轉換器及其接口技術TLC2543是12位11通道開關電容逐次逼近A D轉換器 它有11個輸入端 分辨率為12位 具有轉換快 轉換時間小于10 s 穩(wěn)定性好 線性誤差小于 1LSB 與微處理器接口簡單等特點 同時其內部自帶時鐘 工作電壓為 5V 表5 13輸入寄存器格式 3 TLC2543的工作時序 4 TLC2543的使用方法 1 控制字的格式控制字為從DATAINPUT端串行輸入的8位數(shù)據(jù) 它規(guī)定了TLC2543要轉換的模擬量通道 轉換口的輸出數(shù)據(jù)長度 輸出數(shù)據(jù)的格式 其中高4位 D7 D4 決定通道號 對于0通道至10通道 該4位分別位0000 1010H 當位1011 1101時 用于對TLC2543的自檢 分別測試 VREF VREF 2 VREF VREF 的值 當位1110時 TLC2543進入休眠狀態(tài) 低4位決定輸出數(shù)據(jù)長度及格式 其中D3 D2決定輸出數(shù)據(jù)長度 01表示輸出數(shù)據(jù)長度位8位 11表示輸出數(shù)據(jù)長度為16為 其它為12位 D1決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出 還是低位先送出 為0表示高位先送出 D0決定輸出數(shù)據(jù)是單極性 二進制 還是雙極性 補碼 若為單極性 該位為0 反之為1 2 轉換過程上電后 片選CS必須從高到低 才能開始一次工作周期 此時EOC為高 輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為0 輸出數(shù)據(jù)寄存器的內容是隨機的 開始時 CS片選為高 I OCLOCK DTATINPUT被禁止 DATAOUT呈高組態(tài) EOC為高 使CS變低 I OCLOCKDTATINPU使能 DATAOUT脫離高組態(tài) 12個時鐘信號從I OCLOCK端一次加入 隨著時鐘信號的加入 控制字從DATAINPUT一位一位地在時鐘信號的上升沿時被送入TLC2543 高位先送入 同時上一周期轉換的A D數(shù)據(jù) 即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DATAOUT一位一位地移出 TLC2543收到第4個時鐘信號后 通道號也已收到 此時TLC2543開始對選定通道的模擬量進行采樣 并保持到第12和時鐘的下降沿 在第12和時鐘下降沿 EOC變低 開始對本次采用的模擬量進行A D轉換 轉換時間約為10US 轉換完成后EOC變高 轉換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中 待下一個工作周期輸出 此后 可以進行新的工作周期 5 MCS 51單片機與TLC2543的接口技術 下面的程序是采用查詢方式讀TLC2543的11個通道的模擬量 通道號在R2中 轉換結果放到30H起始地址的內部RAM中 設置TLC2543為12位方式 高位在前 數(shù)據(jù)為二進制格式 CSBITP1 0DIBITP1 1DOBITP1 2CLKBITP1 3EOCBITP3 2ORG00HAJMPMAINORG100HMAIN LCALLREAD ADAJMPMAINREAD AD 讀11個外部通道子程序MOVR0 30H 設置緩沖區(qū)首址MOVR2 0MOVR6 11 最大采集路數(shù)LCALLREAD2543 空讀 第一次啟動 數(shù)據(jù)不準 READ AD 1 MOVA R2SWAPAMOVR2 A 將通道號的高4位與低4位交換 低4位為通道號 高4位為數(shù)據(jù)長度 數(shù)據(jù)格式等LCALLREAD2543MOVA R3MOV R0 AINCR0MOVA R4MOV R0 A 保存數(shù)據(jù)MOVA R2 將R2的高低4位交換 以便通道號加1SWAPAMOVR2 AINCR2DJNZR6 READ AD 1RET REDA2543 JNBEOC 等待TLC2543轉換完畢CLRCLK 清I O時鐘SETBCS 設置片選為高CLRCS 設置片選為低MOVR7 08 先讀高8位MOVA R2 把方式 通道控制字放到AREAD 1 MOVC DO 讀轉換結果RLCA A寄存器左移 移入結果數(shù)據(jù)位 移出方式 通道控制位MOVDI C 輸出方式 通道位SETBCLK 設置I O時鐘為高CLRCLK 清I O時鐘DJNZR7 READ 1 R7不為0 則返回READ 1MOVR3 A 轉換結果的高8位放到R3中MOVA 00H 復位A寄存器MOVR7 04H 再讀低4位 READ 2 MOVC DO 讀轉換結果RLCA A寄存器左移 移入結果數(shù)據(jù)位SETBCLK 設置I O時鐘為高CLRCLK 清I O時鐘DJNZR7 READ 2 R7不為0 則返回LOP2MOVR4 A 轉換結果的低4位放到R4中SETBCS 設置片選為高RETEND