第3章 过程输入输出通道

；读转换值低4位地址
；读A/D转换低4位 ； 送R2 ；读转换值高8位地址 ；读A/D转换高8 位 ；送R3 ；结束
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3.3 模拟量输出通道
一、模拟量输出通道的结构
1. 共用D/A 转换器形式结构图
保持器
放大变换
通道1
微型 计算 机
D/A 接口 电路 转 换 器
多 路 开 关
保持器
放大变换
线编址，从而有过程通道与存储器独立编址、过程
通道与存储器统一编址等常用方法。
2. 间接编址方式
通过接口对过程通道进行编址，此时的通道地址 不与地址总线相连。
3.2 模拟量输入通道
模入通道的功能是对过程量（即模拟量）进行 变换、放大、采样和模/数转换，使其变为二进制数 字信号并送入计算机 。
一、模拟量输入通道的结构
(2) 器件主要结构特性和应用特性
数字量输入特性
包括码制、数据格式以及逻辑电平。
模拟输出特性
目前D/A芯片多为电流输出型
锁存特性及转换控制
有些 D/A芯片内部不带锁存器，必须外加。
参考电源
参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量。
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三、D/A转换器与单片机的接口 1. DAC0832与8051的接口 （1） 直通方式
INC DPTR MOVX @DPTR , A DJNZ R7,LOOP CLR EX0
； 修改RAM区地址
； 修改通道号 ；启动A/D转换 ；8路未采集完，返回 ；采集完，关中断
LOOP: RETI
；中断返回
AD574（12位）与8051单片机的硬件接口电路。
8051
八、A/D转换器软件编程
CPU获取A/D转换的结果有两种办法：一是用查询、一 是用中断。
IN
OUTCD4051 B S7 A
模拟输入 （8 ~ 15）
五、采样保持器 采样保持器有两种工作状态，一种是采样状态， 另一种是保持状态。两种状态的切换由采样/保持命
令完成。
采样状态时，输出跟随模拟量输入电压变化； 保持状态时，输出则维持采样原态不变。
独立D/A 转换器形式的优点是转换速度快、工作 可靠，每条输出通路相互独立，互不影响。但
使用了较多的D/A转换器，成本较高 。
二、D/A转换器 1. D/A转换器的原理
D/A转换器有并行和串行两种，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”。也就是说：D/A 转换器能把输入数字量中的每位都按其权值分别转 换成模拟量，并通过运算放大器求和相加。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。
DAC0832单极性输出电路图
DAC0832双极性输出电路图
4. D/A转换器的选择
在选择D/A转换器时，主要考虑芯片的性能、 结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换器 技术要求；在结构及应用特性满足借口方便、外 围电路简单、价格低廉等特点。
(1) D/A转换器的位数
一般选输出通道D/A转换器的位数与输入通 道A/D转换器的位数相同。
（2）单缓冲方式
所谓的单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器 中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。 在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模 拟量但并不要求同步输出的情况下，可采用单缓冲方式。 单缓冲方式接线如图所示（反相输入）。
（3）双缓冲方式
所谓双缓冲方式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成 受控锁存方式。双缓冲方式DAC0832的连接如图所示。
信 号 拾 传 取 感 电 器 路
A/D 转换 转换 器
CPU 总 线
各部分的作用：
信号拾取电路：将过程量（非电参量）转换为电信
号。
多路开关：将多路模拟信号按要求分时输出。
放大电路：对微弱电信号进行放大。
采样保持电路：对模拟信号进行采样，在模数转换
期间对采样信号进行保持。
A/D转换：将模拟信号转换为二进制数字量。 控制器：实现通道各环节在逻辑和时序上的协调。
Vin
Vout
Vin
采样
S/H
Vout
工作方式
保持
采样保持过程示意图
最简单的采样保持器由模拟开关、电容和缓冲放
大器组成，如图所示。在采样阶段，开关K闭合，电
容快速充电到输入电压值；在保持阶段，开关K断开， 电容缓慢放电。
K Vx Vx
.
C
+
.
Vout
采样保持器原理图
LF198是常用的采样保持器。
15V 直流调整 2 1 VIN LF198 6 8 7 CB 5 VOUT
交流调整
六、A/D转换器
1. 转换位数
Least significant bit
有8位、10位、12位、14位、16位等，它表
示了对输入模拟信号变化的反应灵敏度。如将
0~5V变化的信号，转换成8位的数字量，则分辨 率是5V× 2-8=19.5mV 。m位的A/D转换器可用其
4. 增益放大器 对不同通道的参数增益进行放大。常采用程控增益 放大器。
PGA100是一种8级二进制程控增益放大器。其增益
分别为× 1， × 2， × 4， × 8， × 16， × 32， ×
64， × 128，有8个模拟输入通道。由地址码选择相应
的通道和增益。P58表3-1。
四、多路转换器 目前常用的多路开关有 CD4051， 其A、B、C 三个信号组合将对应的通道开关接通，INH用于芯
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。
2. DAC0832（8位）
DAC0832原理框图
3. 单极性与双极性输出
若执行机构需要0~10mA或4~20mA信号，则应用单极
性输出方式。执行机构的控制信号要求是双极性的电信号 （如±5V或±10mA），模拟量输出通道必须用双极性输出。
其信息传递通过磁路和光路来实现。Model277是一
种变压器耦合的隔离放大器。
在输入信号与输出信号需要隔离时使用：


测量处于高共模电压下的低电平信号；
消除由于信号源地网络的干扰所引起的误差；


避免形成地回路及其寄生拾取问题；
保护应用系统电路不被输入端大的共模电压损坏；

为仪器仪表提供安全接口。
输入信息的分类
信息种类 开关量输入 数据数码 脉冲量输入 中断输入 电流信号 模拟量 电压信号 信息来源 阀门的开、关，接点的通、断， 电平的高、低 各类数字传感器、控制器等 长度、转速、流量测定转换等 操作人员请求、过程报警等 数字量输入 通道 通道类型
数字量
压力、温度、液位、速度、重 模拟量输入 量、位移等 通道
片的扩展 。
多 路 转 换 器 原 理 示 意 图
CD4051真值表
多路开关的扩展 当采样的通道比较多，可将两个以上的多路开
关并联起来，进行通道扩展。下图为CD4051的扩
展方法。
模拟输出
模拟输入 （0 ~ 7）
S0
IN
S7
INH CD4051 C B A
IN
IN
D3 D 2 D 1 D 0
{
{
二、过程输入输出通道与CPU交换的信息类型 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三 种： （1）数据信息 反映生产现场的参数及状态的信息。
（2）状态信息
（3）控制信息
反映过程通道的状态。
用来控制过程通道的启动和停止
等信息。
三、过程通道的编址方式 过程通道有以下两种编址方法： 1. 直接编址方式 该方法将通道等同于端口，直接接受主机地址总
其它指标还有， A/D芯片的工作电压、是否外
接基准电压源等。
七、A/D转换器与单片机的接口电路
ADC0809（8位）和8051的硬件接线如图所示。
8051
中断服务子程序：
ORG 0200H
INDER: MOVX A,@DPTR ；输入AD转换值 ；存入片内RAM区 MOV @R0，A
INC R0
化输出。
三、放大器
放大器的作用是将传感器的微弱信号放大到A/D 转换电路需要的信号范围。 信号放大电路主要由放大器构成，另外附加一些 零点校正、线性化处理、温度补偿、压力补偿、误
差修正、量程切换等信号处理电路。信号处理电路
可以通过软件完成。
通常采用的放大器有以下四种类型：
1. 测量放大器
测量放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、低 失调电压、低温度漂移系数和稳定的放大倍数 。可
输 出 驱 动
工 业 现 场 设 备
工业现场设备
微 型 计 算 机
输出锁存 器
输出驱 动
数字量输入/输出通道一般由三部分组成：CPU
接口逻辑电路、输入缓冲器和输出锁存器、输入/输
出电气接口亦即数字量输入信号调理和输出信号驱
动电路。 输入缓冲器用来对外部输入信号起缓冲、暂存 和选通作用，CPU通过一定的端口地址和读信号来 读缓冲器以取得输入数据。
对于转换速度较慢的A/D，不用查询方法，因为太浪费 CPU 时间了。可以用中断申请的办法通知 CPU 来取A/D 转 换的结果。 对于转换速度在十几微妙以下的A/D芯片，采样周期又 很短的场合，用中断也许更花费 CPU 时间。因为中断服务 程序地址进栈、出栈、保护现场、恢复现场所占时间这时不 可忽略了。也许用查询法比中断法更省时间，应视具体情况 而定。
最低有效位（LSB）具有的权值表示它的相对分
辨率，即2-m 。
A/D转换器的位数越多，分辨率越高，价格
也越贵。
2. 转换精度 信号的实际转换结果相对于理论值的准确程度， 常以量化误差1/2 LSB 作为精度来选择 A/D芯片。 3. 转换速度