第二章模拟量输入输出通道的接口技术
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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
模拟量输入输出通道dq
▲采样和保持涉及到采样间隔中信号的问题，将直 接影响传递特性，因而是本质问题，必须加以考 虑。
▲量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当 量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时可 不予考虑。
36
★ 计算机控制系统的简化结构图
采样
计算机
ZOH
被控对象
检测
37
2.1.2 多路开关
在微型计算机测量及控制系统中,往往需对 多路或多种参数进行采集和控制。一台微型计 算机可供多回路使用，但是，微型计算机在某 一时刻只能接收一个通道的信号，因此必须通 过多路模拟开关进行切换，使各路参数分时进 入微型计算机。
1 计算机控制系统信号变换结构图
E
A
B 采样
C 量化
编码
D 计算机
F 解码 G
保持
H
检测
I 被控对象
2 系统中信号形式的分类
连续信号（或模拟信号） 时间及幅值上均连续
的信号，如图中的 A、I 处的信号
数字信号
时间上离散、幅值上采用二进制编
码的信号，如图中的D、F 处的信号 33
▲采样信号 时间上离散而幅值上连续的信号，如
（0000）
（1000）
-1
-1/8
+1/8
1001
1111
0111
-2
1110
0110
-3
-3/8
+3/8
1011
1101
0101
-4
-4/8
+4/8
1100
1100
0100
-5
-5/8
+5/8
1101
1011
0011
-6
▲量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当 量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时可 不予考虑。
36
★ 计算机控制系统的简化结构图
采样
计算机
ZOH
被控对象
检测
37
2.1.2 多路开关
在微型计算机测量及控制系统中,往往需对 多路或多种参数进行采集和控制。一台微型计 算机可供多回路使用，但是，微型计算机在某 一时刻只能接收一个通道的信号，因此必须通 过多路模拟开关进行切换，使各路参数分时进 入微型计算机。
1 计算机控制系统信号变换结构图
E
A
B 采样
C 量化
编码
D 计算机
F 解码 G
保持
H
检测
I 被控对象
2 系统中信号形式的分类
连续信号（或模拟信号） 时间及幅值上均连续
的信号，如图中的 A、I 处的信号
数字信号
时间上离散、幅值上采用二进制编
码的信号，如图中的D、F 处的信号 33
▲采样信号 时间上离散而幅值上连续的信号，如
（0000）
（1000）
-1
-1/8
+1/8
1001
1111
0111
-2
1110
0110
-3
-3/8
+3/8
1011
1101
0101
-4
-4/8
+4/8
1100
1100
0100
-5
-5/8
+5/8
1101
1011
0011
-6
计算机控制技术课件：第2章 模拟量输出通道2
接
多
采样保持器
V/I
通道1
PC
口
路
总
电
D/A
开
线
路
关
采样保持器
V/I
通道n
图 2-1 （b）共享D/A结构
特点：1、多路输出通道共用一个D/A转换器
2、每一路通道都配有一个采样保持放大器 3、D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用 4、采样保持器实现模拟信号保持功能 5、节省D/A转换器，但电路复杂，精度差，可靠低、占用
由与门、非与门组成的输入控制电路来控制3个寄存器 的选通或锁存状态。其中引脚（片选信号、低电平有 效）、（写信号、低电平有效）和BYTE1/（字节控制 信号）的组合， 用来控制 8 位输入寄存器和 4 位输入 寄存器。
(MSB) DI11 DI10 DI9 DI8 DI7 DI6 DI5 DI4
DI3 DI2 DI1 DI0 (LSB)
XFER(Transfer Control Signal):传送控制信号，输入 线， 低电平有效。
IOUT1：DAC电流输出端1，一般作为运算放大器差动输 入信号之一。
IOUT2：DAC电流输出端2，一般作为运算放大器另一个 差动输入信号。
Rfb：固化在芯片内的反馈电阻连接端，用于连接运算放 大器的输出端。
(MSB) DI7 DI6 DI5 DI4 DI3 DI2 DI1 DI0 (LSB)
ILE
CS WR1
XFER WR2
D
Q
8位 输入 寄存器
D
Q
LE1
D
Q
8位
DAC 寄存器
8位 DAC 转换器
D
Q
LE2 当LE=1时,输出数 据随输入变化。
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
过程通道——模拟量输入通道
AD521、AD522、INA101等。
§2.5.2 信号处理
3、程控放大器 在模拟信号送到模数变换系统时，为减少转
换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能大。
如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变 换等。 较容易想到的办法就是通过模拟开关改变反 馈电阻阻值，如下图所示。
§2.5.2 信号处理
在也有许多集成的程控放大器，如AD524、AD624、 PGA200等。
§2.5.2 信号处理
三、I/V变换
在模拟输入通道中AD一般只能将电压信号转换成 数字信号，故若传感器输出的是电流信号就必须采用 I/V转换电路进行变换。
无源I/V变换 有源I/V变换
§2.5.2 信号处理
无源I/V变换
最简单的无源I/V变换？
令电流通过一个精密电阻R，则电阻上的电压(V＝ I×R)就是所要转换的电压。 对于0～10mA输入 信号，可取R1=100Ω， R2=500Ω，且R2为精密 电阻，这样当输入的电 流为0～10mA电流时， 输出的电压为0～5V
§2.5.5 A/D转换技术
1、逐次逼近式
A/D转换芯片中包括逐次逼近寄存器SAR、D/A转 换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成如图所示。 转换过程如下： ①时序及控制逻辑给SAR最高位为“1”，其余为“0”， 经D/A转换为模拟电压Vf ，然后与输入电压Vx 比较，确 定该位； ②当Vx ≥Vf ，此位为“1”，置下位为“1”； ③当Vx < Vf ，此位为“0”，置下位为“1”。 ④按上述方法依次类推，逐位比较判断，直至确定SAR 的最低位为止。
§2.5.5 A/D转换技术
模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度 τ 一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持 所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之 后须加保持电路。
模拟量输入、输出通道
在能源管理系统中，模拟量输入/输出通道用于监测 和控制各种能源设备的运行状态，如电力、燃气等 ，实现能源的优化利用和节能减排。
医疗设备
在医疗设备中，模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制，如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化，从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值， 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%，但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型，正确连接信号线，避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备，应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件，如瞬态抑制二极管、滤波电容等， 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数，通常 以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz） 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高，表示模 拟量输入通道的误差越小，测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
医疗设备
在医疗设备中，模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制，如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化，从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值， 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%，但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型，正确连接信号线，避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备，应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件，如瞬态抑制二极管、滤波电容等， 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数，通常 以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz） 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高，表示模 拟量输入通道的误差越小，测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
模拟量输入输出接口技术
模拟量输出接口的电路设计
电压跟随器
设计电压跟随器来提高输出阻抗， 减小信号损失。
差分放大器
使用差分放大器来减小共模干扰， 提高信号的抗干扰能力。
保护电路
设计保护电路以防止过流、过压 等异常情况对接口电路的损坏。
CHAPTER 03
模拟量输入输出接口的应用
在工业控制中的应用
实时监测与控制
模拟量输入输出接口技术能够实时采集工业设备的运行状态，并 将控制信号输出到执行机构，实现精确控制。
模拟量输入输出接口技 术
CONTENTS 目录
• 模拟量输入接口技术 • 模拟量输出接口技术 • 模拟量输入输出接口的应用 • 模拟量输入输出接口的发展趋势 • 模拟量输入输出接口的挑战与解决方
案
CHAPTER 01
模拟量输入接口技术
模拟量输入接口的种类
电压型模拟量输入接口
通过电阻将信号源的模拟电压信号转 换为适合后续电路处理的电压信号。
诊断分析与辅助治疗
通过模拟量输入输出接口技术，医疗设备能够提 供诊断依据和辅助治疗手段，提高医疗效果。
3
设备控制与调节
模拟量输出接口在医疗设备中用于控制和调节设 备的运行状态，如呼吸机、输液泵等。
CHAPTER 04
模拟量输入输出接口的发展趋势
高精度化
总结词
随着工业自动化和测量技术的发展，对模拟量输入输出接口的精度要求越来越 高。
远程控制与调节
通过模拟量输出接口，智能仪表能够将控制信号 传输到执行机构，实现远程控制和调节。
故障诊断与预警
智能仪表中的模拟量输入接口能够实时监测设备 的运行状态，及时发现故障并进行预警。
在医疗设备中的应用
1 2
计算机控制技术第二章
第二章输入输出接口与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，要将对象的被控参数及运行状态，按要求的方式送人计算机处理，再将结果以数字量的形式输出，并将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机接口和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置，这个装置就称之为过程输入输出通道，也叫I／O通道。
2.1 过程输入输出通道概述2.1.1 过程输入输出通道的类型及功能根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道可分为模拟量输人通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道等几种类型。
生产过程的被调参数(如温度、压力、流量、速度、位移等)，一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件和变送器转换为对应的模拟电压和电流。
由于计算机只识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入通道转化为数字量后，才能送人计算机。
对于生产现场的状态量(如开关、电平高低、脉冲量等)也不能为计算机直接接受，因此数字量(开关量)输入通道将状态信号转变为数字量送入计算机。
计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道和数字量输出通道。
计算机输出的控制信号以数字形式给出，若执行元件要求提供模拟电压或电流，则采用模拟量输出通道将数字量转换为模拟电压或电流，若执行元件要求数字量(开关量)，则应采用数字量输出通道，将计算机输出的数字量经处理和放大后输出。
由此可见，过程输人输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。
2.1.2 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，它包括数字量、开关量和模拟量。
(2)状态信息又叫应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。
(3)控制信号用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。
接口电路含这三类信息交换的端口。
2.1.3 过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输人输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。
第2章接口技术与输入输出通道3-DI、DO
通过对各种输入输出通道接口电路的分析，可以看出， 光电耦合隔离器的抗干扰作用是十分重要的。
习题与思考
1. 分析三极管型光电耦合隔离器的工作原理。
2. 光耦隔离器的两种应用。
3.简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱 动电路。 4. 对 比 分 析 几 种 输 出 驱 动 电 路 的 应 用 特 点 。
+5V
+5V
c +
D7~D0
D7~D0
数 据 缓 冲 器
c +
选通脉冲
e
选通脉冲
-
e
分类：数字量同相传递 与数字量反相传递。 数字量同相传递：当数 据线为低电平“0”时， 发光管导通且发光，使 得光敏管导通，输出c端 接地而获得低电平“0”； 当数据线为高电平“1” 时，发光管截止不发光， 则光敏管也截止使输出c 端从电源处获得高电平 “1”。如此，完成了数 字信号的同相传递。
晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与CPU直接相连，在实际使用时要采 用隔离措施。
2.3.3.4 固态继电器驱动电路
固态继电器SSR（Solid State Relay）：是一种新 型的无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实 现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合， 而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电 器的功能，故称为固态继电器。 特点：它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、 无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优 点，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取 代电磁继电器之势。
信号调理电路--虽然都是数字信号，不需进
2.3.2
数字量输入通道
主要知识点
引言
2.3.2.1 开关输入电路
习题与思考
1. 分析三极管型光电耦合隔离器的工作原理。
2. 光耦隔离器的两种应用。
3.简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱 动电路。 4. 对 比 分 析 几 种 输 出 驱 动 电 路 的 应 用 特 点 。
+5V
+5V
c +
D7~D0
D7~D0
数 据 缓 冲 器
c +
选通脉冲
e
选通脉冲
-
e
分类：数字量同相传递 与数字量反相传递。 数字量同相传递：当数 据线为低电平“0”时， 发光管导通且发光，使 得光敏管导通，输出c端 接地而获得低电平“0”； 当数据线为高电平“1” 时，发光管截止不发光， 则光敏管也截止使输出c 端从电源处获得高电平 “1”。如此，完成了数 字信号的同相传递。
晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与CPU直接相连，在实际使用时要采 用隔离措施。
2.3.3.4 固态继电器驱动电路
固态继电器SSR（Solid State Relay）：是一种新 型的无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实 现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合， 而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电 器的功能，故称为固态继电器。 特点：它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、 无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优 点，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取 代电磁继电器之势。
信号调理电路--虽然都是数字信号，不需进
2.3.2
数字量输入通道
主要知识点
引言
2.3.2.1 开关输入电路
第2章(1)模拟量输入通道讲解
结论 -保持器在采样期间，不启动A/D转换器， 保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证 A/D 转换时的模拟输入电压恒定，以确保 A/D转换精度
2.4.5、A/D转换器
模拟量输入通道的任务就是将模拟量转 换成数字量，能够完成这一任务的器件就 是模/数转换器,即A/D转换器，或简称 ADC。
A/D转换器种类
数字量由逐次逼近寄存器提供。 思路：
从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（0,1）。 例题: 以输出四位数字量a3a2a1a0为例: 1.输入1000到逐次逼近寄存器，以确定a3的值； 2.输入a3100到逐次逼近寄存器，以确定a2的值； 3.输入a3a210到逐次逼近寄存器，以确定a1的值； 4.输入a3a2a11到逐次逼近寄存器，以确定a0的值；
2、香农定理（采样定理）指出：为了使采样信号
采样保持器
零阶采样保持器--是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一 个采样时刻。
VIN A1 S
＋
－
VIN A2 VOUT t VOUT t
采样 (a ) 原理电路 保持
CH
构成－－输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH。
图 2-8 采样保持器
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。
（1）无源I/V变换
I/V变换的基本思想：电流 变换电路中各部分的作用：
？
ch02输入通道接口技术解读
326.48
332.79 339.06 345.28
32.648
33.279 33.906 34.528
0℃
20℃ 40℃ 60℃ 80℃ 100℃ 120℃ 140℃
100.00
107.79 115.54 123.24 130.90 138.51 146.07 153.58
10.000
10.779 11.554 12.324 13.090 13.851 14.607 15.358
80℃
60℃ 40℃ 20℃
68.33
76.33 84.27 92.16
6.833
7.633 8.427 9.216
280℃
300℃ 320℃ 340℃
204.90
212.05 219.15 226.21
20.490
21.205 21.915 22.621
640℃
660℃ 680℃ 700℃
图2-3 多路模拟信号检测框图
按用途分： 单向多路开关：只能完成多到一的切换，如 AD7501（8路）、AD8506(16路)； 双向多路开关：该芯片既可以实现多到一的 切换，也可以完成一到多的切换。如CD4051。 从输入信号的连接方式来分： 单端输入 双端输入（或差动输入）。双端是指芯片 内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信 号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。
第2章 输入通道接口技术
输入通道接口技术
• • • • 2.1 2.2 2.3 2.4 信号测量与传感器技术 模拟信号输入通道接口 键盘接口技术 开关量信号输入接口
2.1 信号测量与传感器技术
2.1.1 温度测量传感器
温度测量原理：通过温度敏感元件与被测对 象的热交换，测量相关的物理量，即可确定 被测对象的温度。
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多阶采样：
tk r tk 是周期性的重复，即tk r tk 常量，r 1
随机采样：
根据需要选择采样时刻
采样前后波形的变化图
通常，连续函数的频带宽度是有限的，为一孤立的连
续频谱，设其包括的最高频率为fmax ，采样频率为fs。
香农定理：若fs≥2fmax，则可以由采样信号完全恢复出原始 信号。 在实际应用中， fs至少取4fmax 。
IN：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15） OUT：（1、17） 反多路转换开关（一到多的转换）： IN： （1、17） OUT：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15）
VREF I out1 I 3 I 2 I1 I 0 2 2 2 2 4 2R
3 2
1
0
由于S3~S0的状态是受b3~b0控制的，并不一定 全是“1”。若它们中有些位为“0”，S3~S0中相应 开关会因和“0”端相连而无电流流过，所以Iout1还 与b3~b0的状态有关。 则 I out1 b3 I3 b2 I 2 b1 I1 b0 I 0
返回
2.1.2 多路转换开关
多 路 转 换 开 关 反 多 路 转 换 开 关
A/D
微机
D/A
完成多到一的转换
完成一到多的转换
2.1.2 多路转换开关
多路开关的分类：
从用途上分 双向：既能实现多到一的转换，也能实现一到多的 转换 单向：只能实现多到一的转换 从输入信号的连接方式上分 单端输入 双端输入（或差动输入）
2、多路转换开关的扩展 当采样的通道比较多，可以将两个或两 个以上的多路开关并联起来，组成8×2或 16×2的多路开关。 下面以CD4051为例说明多路开关的扩 展方法。两个8路开关扩展成16路的多路 开关的方法。
用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图 数据总线D3~D0为通道选择信号 D3：控制两个多路开关的允许输入端INH D2~D0：用于选择8个通道
返回
用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图 数据总线D3~D0为通道选择信号 D3：控制两个多路开关的允许输入端INH D2~D0：用于选择8个通道 D3=1： 左边CD4051的INH=0，通道接通，可选择1~8通道 右边CD4051的INH=1，通道断开 D3=0 ： 左边CD4051的INH=1，通道断开 右边CD4051的INH=0，通道接通，可选择9~16通道
多路转换开关（多到一的转换）： IN：2、3、4、5、6、7、8、9、16、17、18、19、20、 21、22、23 OUT：1 反多路转换开关（一到多的转换）： IN：1 OUT：2、3、4、5、6、7、8、9、16、17、18、19、20、 21、22、23
2、CD4067B/CD4097B 2）CD4097B是双端双向8通道多路开关，允许两个通道信号的同步输入。 第13脚为INH，当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通。 C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种 状态，并选中其中之一，使输入输出接通。其真值表见下表所示。 改变图中IN/OUT0～7及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或 反多路开关。
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DAC0832（电流输出型） 1）DAC0832的结构及原理
&
& &
DAC0832 芯 片 为 20 引 脚，双列直插式封装。其引 脚排列如图所示。 （ 1 ）数字量输入线 D7~D0 （ 8 条）
CS WR1 AGND D3 D2
CD4051引脚图
多路转换开关（多到一的转换）： IN：1、2、4、5、12、13、14、15 OUT：3 反多路转换开关（一到多的转换）： IN：3 OUT： 1、2、4、5、12、13、14、15
2、CD4067B/CD4097B 1）CD4067B是单端双向16通道多路开关。 第15脚为INH，当INH=1时，通道断开；当INH=0时， 通道接通。 D、C、B、A为二进制控制输入端，改变D、C、B、A 的数值，可以译出16种状态，并选中其中之一，使输入 输出接通。其真值表见表2.3所示。 改变图中IN/OUT0～15及OUT/IN的传递方向，则可用 作多路开关或反多路开关。
1、CD4051 CD4051是单端双向8通道多路开关，其引脚结构如下图所示。 图中第6脚INH为禁止输入端。 当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通 C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可 以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。其真值 表如下表所示。 改变图中IN/OUT0～7及OUT/IN的传递方向，则可用作多 路开关或反多路开关。
DAC0832内部由三部分电路组成 ①8位输入寄存器：用来存放 CPU送来的数字量，使输入数字量 得到缓冲和锁存。由/LE1加以控制。 ILE=1且/CS=0且/WR1=0→M1=1→/LE1=1 →8位输入寄存器接收信号 否则→8位输入寄存器锁存数据
D/A转换器的原理
D/A转换器的原理→ “按权展开，然后相加”： D/A转换器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。
解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络 和T型电阻解码网络。
第二章 模拟量输入/输出通道的接口技 术
在工业生产过程中，被测参数都是模拟量， 微型计算机处理的数据只能是数字量，大多数执 行机构只能接受模拟量，所以A/D和D/A转换是微 型计算机接收、处理、控制模拟量参数过程中不 可缺少的环节。 微型计算机速度很快，而模拟量的变化速度 一般较慢，则可用一台计算机采样或控制多个参 数，这样参数需要分时地被采样和控制。
2、工作原理 图2.6所示的采样—保持器LF198/LF298/LF398工 作原理： 引脚8为高电平时，开关S闭合，输出跟随输入 →采样方式 引脚8为低电平时，开关S断开，输出保持不变 →保持方式
3、输入输出特性
3、输入输出特性
4、作用
保持模拟量信号不变，以便完成A/D转换
同时采样几个模拟信号，以便进行数据处理 和测量
1 2 3 4 5 6 7 8 DAC0832
20 19 18 17 16 15 14 13
Vcc ILE WR2 XFER D4 D5 D6 D7
D1
D0 VREF
（2）控制线（5条）
（3）输出GND
9
10
12 11
Iout2 Iout1
（ 1）数字量输入线 D7~D0： D7~D0常和 CPU数据总线相连，用 于输入CPU送来的待转换数字量。 （2）控制线 /CS→片选线 ILE →数据锁存允许信号 /XFER →数据传送控制信号 /WR1和/WR2 →写信号输入线 （3）输出线 Rf →反馈电阻端，接到运算放大器输出端 Iout1 和 Iout2 → 模 拟 电 流 输 出 线 ， 接 到 运 算 放 大 器 输入端 （4）电源线 VCC →电源输入线 VREF →参考电压 DGND →数字量地线 AGND →模拟量地线
返回
用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图 数据总线D3~D0为通道选择信号 D3：控制两个多路开关的允许输入端INH D2~D0：用于选择8个通道 D3=1： D3=0 左边CD4051的INH=0，通道接通，可选择1~8通道 右边CD4051的INH=1，通道断开 D3=0 ： D3=1 左边CD4051的INH=1，通道断开 右边CD4051的INH=0，通道接通，可选择9~16通道
减少D/A转换器的输出“毛刺”
保证输出电压的稳定性
返回
2.2 模拟量输出通道的接口技术
模拟量输出通道主要完成数字量到模拟量的 转换，也就是D/A转换。 D/A转换器的分类： 1、按输入数字量位数来分：8位、10位、12位、16 位等 2、按输出形式分： 电流输出型 电压输出型 单极性输出 双极性输出
1、工作方式
采样方式：
保持方式：
采样保持器的输出跟随模拟量输入变化，即输出跟随输入。
输出保持在进入保持方式这一时刻的输入不变。
2、工作原理 最简单的采样/保持器是由开关和电容组成， 如下图所示。
K闭合时：VX经限流电阻R向电容充电，使输出 Vout跟随输入VX变化→采样状态 K断开时：由于电容具有一定的容量，仍能使 输出Vout保持不变→保持状态
VREF b3 2 b2 2 b1 2 b0 2 4 2 R
3 2
1
0
A点虚地
I Rf I out1
3 2
1
则 Vout I Rf R f
VREF b3 2 b2 2 b1 2 b0 2 4 R f 2 R VREF 3 2 0 1 b3 2 b2 2 b1 2 b0 2 4 2
INH 0 0 0 0 C B A 选中通道号 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0#（9、23） 1#（8、22） 2#（7、21） 3#（6、20）
0
0 0
1
1 1
0
0 1
0
1 0
4#（5、19）
5#（4、18） 6#（3、16）
0
1
1
1
7#（2、15）
多路转换开关（多到一的转换）：
n 2
例题：对于一个8位D/A转换器， 已知VREF=10V，数字量输入为10011101，求 模拟量输出？ 解： VREF 10V n 8
tk r tk 是周期性的重复，即tk r tk 常量，r 1
随机采样：
根据需要选择采样时刻
采样前后波形的变化图
通常，连续函数的频带宽度是有限的，为一孤立的连
续频谱，设其包括的最高频率为fmax ，采样频率为fs。
香农定理：若fs≥2fmax，则可以由采样信号完全恢复出原始 信号。 在实际应用中， fs至少取4fmax 。
IN：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15） OUT：（1、17） 反多路转换开关（一到多的转换）： IN： （1、17） OUT：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15）
VREF I out1 I 3 I 2 I1 I 0 2 2 2 2 4 2R
3 2
1
0
由于S3~S0的状态是受b3~b0控制的，并不一定 全是“1”。若它们中有些位为“0”，S3~S0中相应 开关会因和“0”端相连而无电流流过，所以Iout1还 与b3~b0的状态有关。 则 I out1 b3 I3 b2 I 2 b1 I1 b0 I 0
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2.1.2 多路转换开关
多 路 转 换 开 关 反 多 路 转 换 开 关
A/D
微机
D/A
完成多到一的转换
完成一到多的转换
2.1.2 多路转换开关
多路开关的分类：
从用途上分 双向：既能实现多到一的转换，也能实现一到多的 转换 单向：只能实现多到一的转换 从输入信号的连接方式上分 单端输入 双端输入（或差动输入）
2、多路转换开关的扩展 当采样的通道比较多，可以将两个或两 个以上的多路开关并联起来，组成8×2或 16×2的多路开关。 下面以CD4051为例说明多路开关的扩 展方法。两个8路开关扩展成16路的多路 开关的方法。
用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图 数据总线D3~D0为通道选择信号 D3：控制两个多路开关的允许输入端INH D2~D0：用于选择8个通道
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用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图 数据总线D3~D0为通道选择信号 D3：控制两个多路开关的允许输入端INH D2~D0：用于选择8个通道 D3=1： 左边CD4051的INH=0，通道接通，可选择1~8通道 右边CD4051的INH=1，通道断开 D3=0 ： 左边CD4051的INH=1，通道断开 右边CD4051的INH=0，通道接通，可选择9~16通道
多路转换开关（多到一的转换）： IN：2、3、4、5、6、7、8、9、16、17、18、19、20、 21、22、23 OUT：1 反多路转换开关（一到多的转换）： IN：1 OUT：2、3、4、5、6、7、8、9、16、17、18、19、20、 21、22、23
2、CD4067B/CD4097B 2）CD4097B是双端双向8通道多路开关，允许两个通道信号的同步输入。 第13脚为INH，当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通。 C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种 状态，并选中其中之一，使输入输出接通。其真值表见下表所示。 改变图中IN/OUT0～7及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或 反多路开关。
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DAC0832（电流输出型） 1）DAC0832的结构及原理
&
& &
DAC0832 芯 片 为 20 引 脚，双列直插式封装。其引 脚排列如图所示。 （ 1 ）数字量输入线 D7~D0 （ 8 条）
CS WR1 AGND D3 D2
CD4051引脚图
多路转换开关（多到一的转换）： IN：1、2、4、5、12、13、14、15 OUT：3 反多路转换开关（一到多的转换）： IN：3 OUT： 1、2、4、5、12、13、14、15
2、CD4067B/CD4097B 1）CD4067B是单端双向16通道多路开关。 第15脚为INH，当INH=1时，通道断开；当INH=0时， 通道接通。 D、C、B、A为二进制控制输入端，改变D、C、B、A 的数值，可以译出16种状态，并选中其中之一，使输入 输出接通。其真值表见表2.3所示。 改变图中IN/OUT0～15及OUT/IN的传递方向，则可用 作多路开关或反多路开关。
1、CD4051 CD4051是单端双向8通道多路开关，其引脚结构如下图所示。 图中第6脚INH为禁止输入端。 当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通 C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可 以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。其真值 表如下表所示。 改变图中IN/OUT0～7及OUT/IN的传递方向，则可用作多 路开关或反多路开关。
DAC0832内部由三部分电路组成 ①8位输入寄存器：用来存放 CPU送来的数字量，使输入数字量 得到缓冲和锁存。由/LE1加以控制。 ILE=1且/CS=0且/WR1=0→M1=1→/LE1=1 →8位输入寄存器接收信号 否则→8位输入寄存器锁存数据
D/A转换器的原理
D/A转换器的原理→ “按权展开，然后相加”： D/A转换器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。
解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络 和T型电阻解码网络。
第二章 模拟量输入/输出通道的接口技 术
在工业生产过程中，被测参数都是模拟量， 微型计算机处理的数据只能是数字量，大多数执 行机构只能接受模拟量，所以A/D和D/A转换是微 型计算机接收、处理、控制模拟量参数过程中不 可缺少的环节。 微型计算机速度很快，而模拟量的变化速度 一般较慢，则可用一台计算机采样或控制多个参 数，这样参数需要分时地被采样和控制。
2、工作原理 图2.6所示的采样—保持器LF198/LF298/LF398工 作原理： 引脚8为高电平时，开关S闭合，输出跟随输入 →采样方式 引脚8为低电平时，开关S断开，输出保持不变 →保持方式
3、输入输出特性
3、输入输出特性
4、作用
保持模拟量信号不变，以便完成A/D转换
同时采样几个模拟信号，以便进行数据处理 和测量
1 2 3 4 5 6 7 8 DAC0832
20 19 18 17 16 15 14 13
Vcc ILE WR2 XFER D4 D5 D6 D7
D1
D0 VREF
（2）控制线（5条）
（3）输出GND
9
10
12 11
Iout2 Iout1
（ 1）数字量输入线 D7~D0： D7~D0常和 CPU数据总线相连，用 于输入CPU送来的待转换数字量。 （2）控制线 /CS→片选线 ILE →数据锁存允许信号 /XFER →数据传送控制信号 /WR1和/WR2 →写信号输入线 （3）输出线 Rf →反馈电阻端，接到运算放大器输出端 Iout1 和 Iout2 → 模 拟 电 流 输 出 线 ， 接 到 运 算 放 大 器 输入端 （4）电源线 VCC →电源输入线 VREF →参考电压 DGND →数字量地线 AGND →模拟量地线
返回
用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图 数据总线D3~D0为通道选择信号 D3：控制两个多路开关的允许输入端INH D2~D0：用于选择8个通道 D3=1： D3=0 左边CD4051的INH=0，通道接通，可选择1~8通道 右边CD4051的INH=1，通道断开 D3=0 ： D3=1 左边CD4051的INH=1，通道断开 右边CD4051的INH=0，通道接通，可选择9~16通道
减少D/A转换器的输出“毛刺”
保证输出电压的稳定性
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2.2 模拟量输出通道的接口技术
模拟量输出通道主要完成数字量到模拟量的 转换，也就是D/A转换。 D/A转换器的分类： 1、按输入数字量位数来分：8位、10位、12位、16 位等 2、按输出形式分： 电流输出型 电压输出型 单极性输出 双极性输出
1、工作方式
采样方式：
保持方式：
采样保持器的输出跟随模拟量输入变化，即输出跟随输入。
输出保持在进入保持方式这一时刻的输入不变。
2、工作原理 最简单的采样/保持器是由开关和电容组成， 如下图所示。
K闭合时：VX经限流电阻R向电容充电，使输出 Vout跟随输入VX变化→采样状态 K断开时：由于电容具有一定的容量，仍能使 输出Vout保持不变→保持状态
VREF b3 2 b2 2 b1 2 b0 2 4 2 R
3 2
1
0
A点虚地
I Rf I out1
3 2
1
则 Vout I Rf R f
VREF b3 2 b2 2 b1 2 b0 2 4 R f 2 R VREF 3 2 0 1 b3 2 b2 2 b1 2 b0 2 4 2
INH 0 0 0 0 C B A 选中通道号 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0#（9、23） 1#（8、22） 2#（7、21） 3#（6、20）
0
0 0
1
1 1
0
0 1
0
1 0
4#（5、19）
5#（4、18） 6#（3、16）
0
1
1
1
7#（2、15）
多路转换开关（多到一的转换）：
n 2
例题：对于一个8位D/A转换器， 已知VREF=10V，数字量输入为10011101，求 模拟量输出？ 解： VREF 10V n 8