第二章模拟量输入 / 输出通道的接口技术

第二章模拟量输入/输出通道的接口技术 • 前言 • 2.1 多路开关及采样-保持器 • 2.2 模拟量输出通道的接口技术 • 2.3 模拟量输入通道接口技术

第二章模拟量输入/输出通道的接口技术 • 在微型机控制系统与智能化仪器中被测物理量多为模拟量，而计算机只能接收数字量。 • 在检测/控制系统中必须先把传感器输出的模拟量转换成数字量，才能送到计算机进行数据处理，实现控制或显示。 • 能够变模拟量为数字量的器件称作模/数转换器（简称 A/D 转换器）。微机控制技术

第二章模拟量输入/输出通道的接口技术 • 经计算机处理后的以数字量输出。 • 大多数执行机构只能接收模拟量。（如电动执行机构、气动执行机构以及直流电机等） • 必须把数字量变成模拟量即完成数/模转换（简称D/A转换）。可见: A/D、D/A 转换是微型机接收、处理、控制模拟量参数过程中必不可少的环节。微机控制技术

2．1 多路开关及采样／保持器 多路开关、采样/保持器是微型机控制系统的重要元件，是计算机进行多路控制、采集数据必不可少的组成部分。本节主要介绍他们的原理及应用。微机控制技术

2．1 多路开关及采样／保持器 2．1．1 多路开关 2．1．2 采样／保持器微机控制技术

2．1．1 多路开关 • 多路开关的主要用途 (1)把多个模拟量参数分时地接通送入 A/D 转换器即完成多到一的转换。称为多路开关。 (2)把经计算机处理后输出且由 D/A 转换器转换成的模拟信号按顺序输出到不同的控制回路/外部设备，即完成一到多的转换。称多路分配器或反多路开关。微机控制技术

2．1．1 多路开关 2.多路开关的种类： (1)单向多路开关，如 AD7501（8路），AD7506（16路）。 (2)双向多路开关，如CD4051（8路），CD4067（16路）。 (3)差动输入多路开关如 CD4052 (双4通道), CD4053 (三重二通道) CD4097 (双8通道)。 (4)多路输入/多路数出矩阵多路开关如8816（16入8出）等。微机控制技术

2．1．1 多路开关 3.半导体多路开关（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，通常导通/关断时间为 1μs 有些产品已达到几十～几百ns。（6）寿命长，无机械磨损；（7）接通电阻低，一般小于100Ω,有的可达几个Ω。（8）断开电阻高，通常达109Ω以上。广泛应用微机控制技术

2．1．1 多路开关 1. CD4051 2. CD4067B/CD4097B 3. 多路开关的扩展微机控制技术

1. CD4051 1. CD4051 0 1 0 0 图2- 1 CD4051 原理电路图微机控制技术

1. CD4051 00 1 0

1. CD4051 （1）CD4051 的组成： ① 逻辑转换单元完成 TTL 到 CMOS 的转换。输入电平范围大: 数字量为 3～15V，模拟量可达 15VP-P。 ② 二进制 3：8译码器对选择输入端 C、B、A的状态进行译码，以控制所选电路 TG 的开/关，使某一路开关接通，将输入和输出通道接口。 ③ 电子开关 TG 用来接通或断开输入/输出通道。 ±15V 微机控制技术

1. CD4051 INH 接高电平所有通道全部断开（2）控制原理 ① 禁止输入端 INH ② 3个通道选择输入端 C、B、A C、B、A 的信号编码用来选择 8个通道之一被接通。微机控制技术

1. CD4051 （3）用法 ① 用作多路开关 8 进 1 出 ② 用作分路路开关 1 进 8 出改变 C、B、A 的值, 改变接通的通道微机控制技术

1. CD4051 表2-2 CD4051真值表微机控制技术

2. CD4067B/CD4097B 2. CD4067B/CD4097B CD4067B 和 CD4097B 相比: ·相同:原理基本， ·不同: CD4067B 单16路，双向、 4个选择控制端: D、C、B 、A CD4097B 双 8 路，双向、 3个选择控制端: C、B 、A CD4051 单 8 路，双向、 3个选择控制端: C、B 、A 微机控制技术

2. CD4067B/CD4097B 0 1 1 0 1

2. CD4067B/CD4097B

OUT IN 输入选择输出选择矩阵式多路开关（补充）可将一个输入信号传至到任选输出通道

3.多路开关的扩展 3.多路开关的扩展（1）由于被测参数多，应用中需要扩展。（2）作法： ·将两个多路开关串联可成倍增加路数。 ·采用译码器可组成通路更多的多路开关。微机控制技术

3.多路开关的扩展 （2）扩展方法输入通道 :不变，只是把2#CD4051的8个通道编号为8—15。输出通道 :把两个CD4051的OUT/IN并联。通道选择控制管脚 C、B、A同名并联，并分别接到D2、D1和D0。禁止端:用做两个CD4051的选择控制，由D3控制。当D3=0时，1#CD4051工作，2#截止。当D3=1时，正好相反。微机控制技术

3.多路开关的扩展 由于两个多路开关只有两种状态，1 #多路开关工作，2 #就得停止，或者相反。所以，只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号，而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址（或数据）总线。微机控制技术

3.多路开关的扩展 （3）扩展电路由两个CD4051构成的16通道多路开关两片 IN 端并联两片 IN 端串联非门 1 OUT/IN 端连在一起图2-4 CD4051的扩展电路 0 1 0 0 微机控制技术

3.多路开关的扩展 （3）工作原理图2-8中， • 改变数据总线D2~D0（或地址总线A2～A0）的状态即可得到分别选择IN7～IN0的8个通道之一。 • D3用来控制两个多路开关的INH输入端的电平。其真值表，如表3-4所示。微机控制技术

3.多路开关的扩展 （3）真值表 · INH 为 0：选通 1# 芯片（1N0～IN7） · INH 为 1：选通 2# 芯片（IN8~IN15） ·在 INH 为 0 的前提下，由 C、B、A 的编码决定被选通的通道。微机控制技术

3.多路开关的扩展 讨论 ※ 若需要通道数很多，可通过译码器控制 CD4051 的控制端 INH，把多个 CD4051 芯片组合起来，构成更多通道或差动输入系统。 ※ 对于其它多路开关芯片同样适用。微机控制技术

2．1．2采样／保持器 1．采样／保持器的用途 2．采样／保持器工作原理 3．常用采样／保持器微机控制技术

1．采样／保持器的用途 1．采样／保持器（Sample/Hold）的用途（1）保持采样信号不变，以便完成 A/D 转换；（2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；（3）减少 D/A 转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；（4）把一个 D/A 转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。微机控制技术

2．采样／保持器工作原理 2．采样／保持器工作原理（1）S／H 有两种工作方式： ① 采样方式采样／保持器的输出跟随模拟量输入电压。 ② 保持方式采样／保持器的输出保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤消（即再度接到采样命令）时为止。。微机控制技术

2．采样／保持器工作原理 图2-9 描述上述采样／保持过程的示意曲线图微机控制技术

3．常用采样／保持器 3．常用采样／保持器 · AD 公司 AD582、AD585、AD346、AD389、ADSHC—85。 ·国家半导体公司 LF198 / 298 / 398 等。微机控制技术

3．常用采样／保持器 （1）LF198/298/398 的结构 ·结构由双极型绝缘栅场效应管组成（低偏差电压和宽频带）使用一个单独的端子实现输人偏置电压的调整， ·特点采样速度快，保持下降速度慢，精度高等特点。允许带宽 1MHz，输入电阻为 1010Ω。作为单一的放大器时，其电流增益精度为 0.002％，采样时间小于 6μs时，精度可达 0.01％。微机控制技术

3．常用采样／保持器 当保持电容为 1μF时，其下降速度为5mV／min。结型场效应管与 MOS 电路相比：抗干扰能力强，且不受温度影响。设计保证，即使是在输入信号等于电源电压时，也可以将输入馈送到输出端。 LF198的逻辑输入全部为具有低输入电流的差动输入允许直接与 TTL、PMOS、CMOS电平相连。其门限值为 1.4V。 LF198 供电电源可以从 5V 到 18V。微机控制技术

3．常用采样／保持器 图2-6 LF198 LF298 LF398 原理图微机控制技术

3．常用采样／保持器 （2）LF198／LF298／LF398芯片引脚功能 ·VIN：模拟量电压输入； ·VOUT：模拟量电压输出； ·逻辑、逻辑参考：控制 S/H 的工作方式。引脚 8接高电平，采样低电平，保持。 ·偏置（OFFSET）：可用外接电阻调整 S/H 的偏差 ·CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。 ·V+、V- ：电源引脚。电源变化范围为 5V 到 10V 。微机控制技术

2．2 D／A 转换器及其接口技术 典型的微型机控制系统由模拟量输入通道、微型机、模拟量输出通道组成其中： ·模拟量输入通道主要完成模拟量（ Analog ）到数字量（ Digital ）的转换。 ·微型机主要完成数据处理、控制量计算、输出等。 ·模拟量输出通道主要完成数字量（ Digital ）到模拟量（ Analog ）的转换

D/A 转换器分类 1. 按 D/A 转换器输出方式分类电流输出型：如 DAC0832，AD7522 等。电压输出型：如 AD558，AD7224 等。( 单极性输出、双极性输出 )。 2. 按输入数字量位数分类有 8 位、10 位、12 位和 16 位等。 3.结构: 双 D/A（AD7528 ）、4 通道D/A（ AD7226 ）转换器串行 D/A 转换器（ DAC80 ）等。 4.其它: 直接接收 BCD 码（如AD7525）。直接输出 4～20mA 标准电流的 D/A 转换器（如AD1420 /1 422 ）。

2．2 D／A 转换器及其接口技术 2.2.1 8位D/A转换器及其接口技术 2.2.2 高于8位的D/A转换器及其接口技术

2．2 .1 8位D／A转换器及其接口技术 1．普通型 D/A 转换器 DAC 0832 2．D/A 转换器的输出方式 3. 8 位 D/A 转换器与微型机的接口及程序设计微机控制技术

1．普通型 D/A 转换器 DAC 0832 1．普通型 D/A 转换器 DAC 0832 ·美国数据公司产品，8 位 D/A 转换器。 ·与 CPU 完全兼容。 ·采用 CMOS 工艺: 功耗低，输出漏电流误差较小。 ·特殊的电路结构可与 TTL 逻辑输入电平兼容。微机控制技术

1．普通型 D/A 转换器 DAC 0832 （1）DAC 0832 的结构及原理图2-7 微机控制技术

① 内部结构 二级缓冲，一级转换，逻辑电路图2-14中，为寄存器命令。当＝l时，寄存器的输出随输入而变化；＝0时，数据被锁存在寄存器中。 1．普通型 D/A 转换器 DAC 0832 根据不同的接法，可将 DAC0832 设计成单缓冲、双缓冲、直通三种工作方式 ② 寄存器命令控制（1）LE（1）= ILE × CS×WR1 （2）LE（2）= WR2 × ② 寄存器命令控制（1）LE（1）= ILE × CS×WR1 （2）LE（2）= WR2 × ② 寄存器命令控制（1）LE（1）= ILE × CS×WR1 （2）LE（2）= WR2 × ② 寄存器命令控制（1）LE（1）= ILE × CS×WR1 （2）LE（2）= WR2 × ② 寄存器命令控制（1）（ ② 寄存器命令控制（1）（ ② 寄存器命令控制（1）（ ② 寄存器命令控制（1）（ 8位数据锁存器控制 8位 DAC 寄存器控制微机控制技术

1．普通型 D/A 转换器 DAC 0832 D7～D0 = 00H IOUT1输出为0 （2）DAC 0832的引脚功能 ① 数据 · D7～D0：数字量输入 · IOUT1：DAC 电流输出1。 · IOUT2：DAC 电流输出2。 ② 控制 · CS：片选信号 · ILE：输人锁存允许信号 · WR1：输入锁存器写选通信号 · WR2: DAC 寄存器写选通信号 · XFER：数据传送控制信号 · Rfb: 反馈电阻 D7～D0 = 0FFH IOUT1输出最大值 IOUT2 = 常数- IOUT1 采用单极性输出时， IOUT2接地为外部运算放大器提供反馈电阻（可用片内电阻 / 外接电阻）微机控制技术

1．普通型 D/A 转换器 DAC 0832 · VREF：参考电压输入线。要求外接一精密电源。当 VREF 为 ±10V ( 或±5V )时，可获得满量程四象限的可乘操作。输出电压的极性两者符号之积输出电压的数值取决于输入的数字量微机控制技术

1．普通型 D/A 转换器 DAC 0832 ③ 电源与地 · Vcc：数字电路供电电压，一般为 +5V ~ +15V。 · AGND：模拟地。 · DGND：数字地。两种不同性质的地，应单独连接，但在一般情况下，最后总有一点接在一起，以提高抗干扰的能力。微机控制技术

2．D/A 转换器的输出方式 2．D/A 转换器的输出方式（1）电压输出外接一级运算放大器，构成单极性电压输出；（图2-8）外接两级运算放大器，构成双极性电压输出。（图2-9）（2）电流输出直接输出电流。微机控制技术

2．D/A 转换器的输出方式 VREF 可接：±5V ±10V 极性与 VREF反相；数值与输入数字量相关图2-8 DAC0832单极性电压输出电路 P29 微机控制技术

VOUT2 = - [R3× I3] = -[ R3 × ( I1+I2 )] I3 ∑ 图2-9 DAC0832双极性电压输出电路 P30 微机控制技术

2．D/A 转换器的输出方式 注意：① Vout1 与 VREF 反相 ② Vout2 与输入反相 ③ R1=2R，R2=R，R3=2R 图2-9 可求出 D/A转换器的总输出电压代入R1、R2、R3 的值，可得（2-1）微机控制技术

第二章 模拟量输入 / 输出通道的接口技术