过程输入输出通道设计

S/H
┇ ┇ S/H
A/D
┇ A/D
输 入 口
C P U
主机电路
图3-1 模拟量输入多通道结构

多通道共享放大器、S/H和A/D 多用于低速数据采集系统，多路开关轮流采 入各通道模拟信号，经放大保持和A/D转换 后送入单片机。
多 路 模 拟 开 关
模 拟 输 入 信 号
S/H
A/D
输 入 口
CPU
TCON外部中断1 为边沿触发方式
ICL7135及接口电路
•
4-1/2位(BCD码)双积分型A/D芯片 分辨率相当于二进制14位（16384）
转换误差± 1LSB
模拟电压输入范围：0~± 1.9999V
•
工作原理与14433基本相同，控制信 号线不同
D5 ~D1：位驱动信号输出端，分 别选通万千百十个位 B8 B4 B2 B1 ：BCD码数码输出线 UR：欠量程标志输出端。当输入 信号小于量程的9％（1800），该 端输出高电平。 OR：过量程标志输出端。当输入 信号超过转换器计数范围 （19999），OR输出高电平。 POL：极性输出端。当输入信号 为正时，POL输出为高电平；当 输入信号为负时，POL输出为低 电平。
输出： • 并行 • 串行 并行，串行 占用大量单片机I/O口线，速度快。 节省口线，信号一位位传送
A/D转换器的控制信号：
启动控制信号（脉冲或电位） 转换结束控制信号 转换结果的输出控制信号。
转换结束信号：中断式，查询式
AD574及接口电路：
•12位A/D芯片，转换时间25μs，转换误差± 1LSB •单极性或双极性输入，12位可并行输出，也 可分两次输出(量程有10V和20V两种) •输出具有三态缓冲器，可直接与单片机相连
DS2
EOC 每次转 换结束，输出 一正脉冲，宽 为1/2时钟周 期
DS3
DS4 千 百 十 个 千
MC14433 输出时序
输入电路之二：双积分型14433 （BCD3-1/2位）与单 片机的接口。
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 INT1 80C51
A/D转换芯片的类型：
比较型和积分型
逐次比较 (逼近)型： 速度快，抗干扰能力弱。
积 分 型
双积分型(即电压－时间转换式): 抗干扰能力强，价低 电压-频率转换型： 速度慢，价低 -转换型： 分辨率高但速度较慢。
逐次比较 (逼近)型：
比较器和计数逻辑器件完成转换，AD574
双积分型(即电压－时间转换式): MC14433, ICL7135 -转换型： 1位DAC、滤波和附加采样来实现精确转换，实际 上是一种以牺牲速度为代价的过采样技术。 AD7710系列
零点校准方法
调整R1，使得输入模拟电压为1.22mV（即 对于0~+10V范围，为1/2LSB）时，输出数字量从 000000000000变到000000000001，即可认为零点 校准好了。
满度校准方法
调整 R2，即对于0~+10V范围，调整R2，使 得对应输入电压为9.9963V（即电压变化1又 1/2LSB）时，数字量从111111111110变到 111111111111，即可认为满刻度校准好了。
100K
28 24~27
20~23
100K R2
5 6 10 8
16~19
100Ω
10 REFIN 8 REFOUT BIPOFF 13 10VIN 14 20VIN 9 AC
±10V
（a） 单极性输入 （b）双极性输入 AD574单极性和双极性输入
启动A/D或读数可用CE或信号CS来触发。 STS为转换结束标志信号。STS输出引脚为高电平，表示 转换正在进行，转换结束后，STS为低电平。
模拟量输入通道研究内容：
3.1.1 模拟量输入通道结构
3.1.2 A/D芯片及其与单片机接口
3.1.3 模拟量输入通道其它器件 3.1.4 模拟量输入通道设计举例
3.1.1 模拟量输入通道结构

多通道结构：
每个通道有独自的放大器、S/H和A/D，多用于 高速数据采集系统
S/H 模 拟 输 入 信 号 A/D
× × 接＋5V 接地 接地
0 1
× 输出数据格式为并行12位 0 1 输出数据是8位最高有效位（由20-27脚输出） 输出数据是4位最低有效位（由16-19脚输出） 加4位“0‖（由20-23脚输出）
-15V
R1
+15V 2 3 4 12/8 CS A0 R/C CE REFIN REFOUT BIPOFF 13 14 9 10VIN 20VIN AC AD574 STS HIGHBIT 20~23 MIDBIT 16~19 LOWBIT +5V +15V -15V DC 1 7 11 15 ±5V R1 R2 28 24~27 2 3 4 5 6 12/8 CS A0 R/C CE AD574 STS HIGHBIT MIDBIT LOWBIT +5V +15V -15V DC 1 7 11 15
输入电路之一： 比较型 AD574 （12位）与单片机 的接口
RD
WR
CE
80C51 P2.7 P2.0 P0.0 ~ 0.7
Baidu NhomakorabeaR/C
CS A0
AD574 VIN
R/C:读/启动转换信号
DB11~4 DB3~0 12/8
A0 、12/8: 控制转换数 据的长度以及数据输出 格式
调试程序：
RD
WR
CE
CLK：时钟输入端。工作于双极 性情况下，时钟最高频率为 125KHz，这时转换速率为3次／秒 左右；如果输入信号为单极性，则 时钟频率可增加到1MHz，这时转 换速率为25次／秒左右。 STB：选通脉冲输出端。脉冲宽度 是时钟脉冲宽度的1/2，A/D转换结 束后，该端输出5个负脉冲，分别 选通高位到低位的BCD码输出。 也可作为中断请求信号，向主机申 请中断。
AD574引脚图见下图。图中R/C是读／启动转换信号，A0和 12/8用于控制转换数据长度是12位或8位以及数据输出格 式。它们的功能见下页表。
-15V R1 +15V 2 3 4 100K R2 5 6 10 8 100Ω 13 14 9 12/8 CS A0 R/C CE REFIN REFOUT BIPOFF 10VIN 20VIN AC AD574 STS HIGHBIT 20~23 MIDBIT 16~19 LOWBIT +5V +15V -15V DC 1 7 11 15 ±5V R1 R2 28 24~27 2 3 4 5 6 12/8 CS A0 R/C CE AD574 STS HIGHBIT 20~23 MIDBIT 16~19 LOWBIT +5V +15V -15V DC 1 7 11 15 28 24~27 100K
DS1有效期间Q0 ~Q3输出结果为： Q3 代表千位数， Q2代表被测电 压极性， Q0代表量程范围
Q3 1 0 1 0 X X
Q2 X X X X 1 0
Q1 X X X X X X
Q0 0 0 1 1 0 0
说
明
千位为 0 千位为 1 输入欠量程 输入过量程 输出为正 输出为负
EOC
DS1
┇
主机电路
图3-2 模拟量输入多通道共享结构
3.1.2 A/D芯片及其与单片机接口
A/D转换芯片的主要性能指标：
分辨率（resolution）: A/D输出数码变动一个LSB时，输入模拟信号的最 小变化量。Vref/2n(n位)
转换时间(conversion time)： A/D 从启动转换到转换结束的时间。(转换速度) 转换率 转换误差(precision)： 实际值与真实值之间的偏差.（精度）.包括量化误 差、偏移误差、量程误差、非线性误差
转换结果存放在20H、21H里，格式为
D7 20H 21H
D4
D3
D0
符 号 十 位
千 位
百 位 个 位
调试程序：
INIT:
SETB IT1 SETB EA SETB EX1
AI3: CLR 04H AI4: MOV A, P1 JNB ACC.5, AI4 MOV P1.0 Q0 P1.0 Q0 R0, #20H XCHD …… P1.1 Q1 P1.1 Q1 14433 14433 A, @R0 MOV A, P1.2 Q2 P1.2 Q2 AINT: MOV A,P1 P1.3P1 Q3 P1.3 Q3 AI5: JNB ACC.6, V +2v VR P1.4 DS1 JNB ACC.4,AINT P1.4 DS1 P1.5AI5 SWAP A DS2 P1.5 DS2 CLR 06H P1.6INC R0 DS3 P1.6 DS3 V CLR 05H 输入 VIN P1.7 DS4 MOV @R0, A P1.7 DS4 JB ACC.0,AER MOV A, P1 DU DU INT1 INT1 JB ACC.2,AI1 EOC AI6: JNB ACC.7, AI6EOC C01 SETB 07H C01 XCHD A,@R0 80C51 80C51 C02 AJMP AI2 C02 RETI CLK0 ~ CLK CLK 0 ~ CLK 1 AI1: CLR 07H SETB 10H AI2: JB ACC.3,AI3 AER: RETI SETB 04H AJMP AI4
INT、AZ、BUF：分别为积分电容器的 输出端、自动校零端和缓冲放大器输出 端。 R/H：启动A/D转换控制端。接高电平时， 7135连续自动转换，每隔40002个时钟完 成一次A/D转换；接低电平时，转换结 束后保持转换结果，若输入一个正脉冲 （大于30nS），启动A/D进入新的转换 周期。 BUSY：输出状态信号端。 BUSY输出 高电平，表示A/D转换正在进行；输出 低电平，表示转换已经结束。
过程输入/输出通道设计
本章的主要研究内容：
3.1 模拟量输入通道设计
3.2 模拟量输出通道设计
3.3 开关量输入/输出通道部分（自学）
3.1 模拟量输入通道设计
模拟量输入通道构成： 滤波电路(去噪)、多路模拟开关、放大器、采样 保持器（S/H）和A/D； 重点：A/D芯片的使用方法
A/D芯片与单片机的接口
几种常用芯片性能见P47表3-1
A/D芯片的选用
主要依据指标： 分辨率和转换时间 设计者应根据仪表设计要求，从实际出发选用 合适类型的A/D芯片。
A/D芯片的选用
举例1：如某测温系统的输入范围为0～500℃，要求 测温的分辨率为2.5℃，转换时间在1ms之内。
由：
得：
模拟量的满度值 2.5 n 2
Q0 Q1 14433 Q2 Q3 VR DS1 DS2 DS3 VIN DS4 DU EOC C01 C02
CLK0 ~ CLK1
+2v
C01、C02为失调 补偿电容
EOC:转换结束 信号 DU:输出方式选 择
输入
DU:输出方式选择。
向该端输入一正脉冲，当前转换周期的转 换结果将被送入输出锁存器，经多路开关输出， 否则输出锁存器中为原来的转换结果。 若DU与EOC连接，则每一次的转换结果都将 被输出。
R/C
~
MC14433 及接口电路 Binary-Coded Decimal
•3 又1/2位(BCD码)双积分型A/D芯片 分辨率相当于二进制11 位，转换误差± 1LSB 模拟电压输入范围： 0~± 1.999v, 0~± 199.9mv
MC14433 及接口电路
•通过多路开关输出多路选通脉冲信号 DS2 DS3 DS4有效期间，Q0 ~Q3 输出三个全位BCD码
n=7.64
可选用分辨率为8位的逐次比较式A/D（例如 ADC0804、ADC0809等）；
A/D芯片的选用
举例2：如要求测温的分辨率为0.5℃（即满量程的 1/1000），转换时间为0.5s。
则可选用双积分型A/D芯片14433。
A/D输入、输出方式 输入： 单端，差动（双端）
单极性，双极性
80C51 P2.7 P2.0
P0.0
~ 0.7
MOV DPTR, #7EFFH AD574 MOV @DPTR, A V IN CS MOV R7, #20H A0 LOOP： DJNZ R7, LOOP DB11 4 MOVX A, @DPTR DB3~0 MOV R0, A 12/8 INC DPH MOVX A, @DPTR MOV R1, A RET
10 REFIN 8 REFOUT BIPOFF 13 10VIN 14 20VIN 9 AC
±10V
（a） 单极性输入 （b）双极性输入 AD574单极性和双极性输入
AD574的转换方式和数据输出格式
CE
1 1 1 1 1
CS
R C
12 8
A0
功能 12位转换 8位转换
0 0 0 0 0
0 0 1 1 1