输入输出接口与过程通道

A/D转换器的主要技术指标
： －转换时间：积分型 毫秒级，逐次比较 微秒级， 全并行 纳秒级。 －分辨率：数字量位数n。 LSB（最低有效位）－满量程的1/2n. －线性误差：量程范围内，偏离理想转换 特性的最大误差，通常为1/2LSB或1LSB －量程：能转换的电压范围。 －对基准电源的要求：电源精度。
2.3.5 模拟量输入通道设计
器件：AD547A, LF398, CD4051,8255A 指标 －8通道模拟量输入 －12位A/D转换（25us)，量程0～10V －查询应答方式 电路逻辑： －通道选择->PC0-PC2, 通道禁止->PC3 －LF398采样和保持->ADC547的STS+反相器 －AD547A的R/C, CS, CE ->PC4-PC6 －转换状态检测STS->PA7 －数据输入：高4位->PA0-PA3，低8位->B口
第2章 输入输出接口与过程通道
接口：计算机与外部设备交换信息的桥梁，包 括输入和输出接口。
接口技术：研究计算机与外部设备交换信息的 技术。
过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息 传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO）
2.1.1 数字量输入输出接口
• 1、数字量输入接口
三态门缓冲器74LS244
AD574A
PROC NEAR CLD LEA DI,BUF MOV BL,00000000B; 令CE，CS, R/C, INH=0,初始 MOV CX,8 MOV DX,2C2H ; C口地址 MOV AL,BL OUT DX,AL; 选择多路开关，STS=0, LF398采样 NOP NOP OR AL,01000000B； 令CE=1, 启动转换A/D OUT DX,AL； AND AL,10111111B； 令CE=0, 形成启动脉冲 OUT DX,AL； MOV DX,2C0H; A口地址
•大功率输入调理电路
－采用光电隔离
2.1.3 数字量输出通道
1、数字量输出通道结构 P C 总 线 生 产 过 程
输出 锁存 器
输出 驱动 器
地址译码器
2、输出驱动电路 •小功率直流驱动电路 －功率晶体管输出驱动继电器电路 续流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器线 圈产生的反电动势提供旁路通道，保护晶体管。 •
－乘算型，在基准电压输入上加交变信号，能输 出数字输入和基准电压输入相乘的结果，完成乘 法运算。 － 1 bit D/A转换器，将数字值转换为脉冲宽度调 制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均 化而得到电压输出(又称位流方式)。
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•转换时序
•12位A/D转换器AD547A
－单通道12位逐次逼近A/D转换器 －转换时间25us, 误差±1/2LSB，单极性或双极 性输入，量程10V或20V。
•单、双极性应用
－单极性：BIP OFF接0V －双极性：BIP OFF接10V
•转换结果输出：
－引脚12/8=1：D11-D0并行输出；
•转换进行：STS为高电平
•转换结束：STS从高电平转为低电平
•转换时序： 启动
•转换时序：读
2.2.2 A/D转换接口技术
ADC0809与8255A接口 －8255A的A口工作方式0。 A口为数据输入端 －C口上半部分为输入，下半部分为输出。
PC0-PC2 － 通道地址ABC PC3 － ALE和START，启动转换 PC7 － OE和EOC，检测转换结束 －8255A系统地址2C0H~2C3H。
MOV DX, port IN AL,DX
MOV DX, 00H
IN AL,DX
2、数字量输出接口
锁存器74LS273
利用IOW上 升沿锁存 MOV AL,DATA MOV DX, port OUT DX,AL
MOV AL,DATA MOV DX, 00H OUT DX,AL
2.1.2 数字量输入通道
引脚12/8=0：D11-D8和D7-D0分时输出；
•控制逻辑
CE 1 CS 0 R/C 0 12/8 X A0 0 操作功能 启动12位转换
1 1 1 1 0 X
0 0 0 0 X 1
0 1 1 1 X X
0 1 0 0 X X
1 X 0 1 X X
启动8位转换 输出12位数字 输出高8位数字 输出低4位数字 无操作 无操作
R4 25kΩ
1～5V输出
2.3.3 多路转换器
• 多路开关－理想工作状态：开路电阻无穷大， 导通电阻为0。要求切换速度快。
• 举例：CD4051－8通道开关 •
INH 禁止输入
2.3.4 采样、量化及常用的采样保持器
• 信号的采样
－采样过程：以周期时间间隔T，把时间与幅 值连续的模拟信号转变为连串脉冲输出信号。 －τ为采样宽度，即K闭合的时间。
•
0～10mA:R1 100Ω
R2 500Ω 0～5V输出 4～20mA:R1 100Ω R2 250Ω
1～5V输出
•有源I/V变换（利用有源器件完成）
0～10mA:R1 200Ω R3 100kΩ
R4 150kΩ
0～5V输出 4～20mA:R1 200Ω R3 100kΩ
同相放大器倍数 A=1+R4/R3
化 ADC:
PULLING
IN AL,DX ； 测试STS，看转换是否结束 TEST AL,80H JNZ PULLING ；转换期间 STS＝1，LF398保 MOV AL,BL； OR AL,00010000B; 转换结束，令R/C＝1，准
持
备读 MOV DX,2C2H; OUT DX,AL OR AL,01000000B;令 CE, R/C＝1，开始读 MOV DX,2C0H ; 读A口高4位 IN AL,DX AND AL,0FH MOV AH,AL ；高4位存在AH INC DX; 读B口低8位 IN AL,DX ；低8位存在AL STOSW; 数据存储
• 采样保持器 －孔径时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时 间。 －孔径误差：采样时刻的最大转换误差。
－孔径误差的消除：采用采样保持器
－孔径时间内，信号的变化导致转换误 差，A/D转换器需要采样保持器来提高输入 信号的频率范围。 －采样保持器：把t=KT时刻的采样值保持 到A/D转换结束。
－香农采样定量：若信号的最高频率为fmax， 只要采样频率f ≥ 2 fmax，采样信号就能唯 一复现原信号。 量化 －量化：用一组数码逼近离散模拟信号 的幅值。 －量化过程：模拟信号－>数字信号。 －量化单位：A/D转换器的最低有效位LSB 对应的模拟量。 q=(ymax-ymin)/(2n-1) －量化误差：± 1/2q
ADC0809
NEXTA:
PROC NEAR MOV CX,8 ; 循环次数 CLD ; DI自动增量 MOV BL,00H ;模拟通道地址 LEA DI,DATABUF ；字串存储地址 MOV DX,02C2H MOV AL,BL OUT DX,AL INC DX MOV AL,00000111B；输出启动信号，上升沿 NOP NOP NOP MOV AL,00001110B；使OE=0，开放输出数据
转换结束
ADC0809
AD574与8255A接口 －AD574的12/8接＋5V，A0接地，工作于12 位 转换和读出方式。 －8255A的A口、B口工作方式0，数据输入端 －C口上半部分为输入，下半部分为输出。 PC0-PC2 － R/C，CS，CE PC7 － STS，检测转换结束 －8255A系统地址2C0H~2C3H。
2.2.1 A/D转换器
•8位A/D转换器ADC0809
－带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器
－转换时间100us, 误差±1/2LSB
• 8通道模拟开关及通道选择
－地址锁存信号ALE •转换启动：START收到正脉冲 •转换结束：EOC从低电平变为高电平 •基准电压：VREF(+)=5.12V, VREF(-)=0V C 0 B 0 A 0 通道 VIN0 VIN1 … VIN7
－达林顿阵列输出驱动继电器电路 MC1416，7路驱动，带保护二极管 •
•大功率直流驱动电路
－固态继电器。零交叉电路在交流电过零时产生 触发信号，减少干扰。 •
2.2 A/D转换器及接口技术
常用A/D转换方式： －逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比 较） ADC0809（8位），AD574（12位） －双斜积分型：转换时间长，抗扰性好（积分） MC14433（11位），ICL7135（14位） －全并行比较型（Flash型）：采用多个比较器， 速度极高，电路规模大，成本高。 －分级型：减少并行比较ADC的位数，分级多次 转换，减小电路规模，保持较高速度。 －Σ-Δ型（过采样转换器）：高速1bit DAC+数字 滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。
•数字量输入通道结构 P C 总 线 生 产 过 程
输入 缓冲 器
输入 调理 电路
地址译码器
•输入调理电路 －把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 计算机能够接收的逻辑信号。 •小功率输入调理电路 －开关去抖电路
A1 A O
O
A
积分电路
O
RS触发器 去抖
RS触发器
“ 1” 负脉冲
“ 0” 高电平
采样：K闭合，CH快速充电，VOUT跟随VIN 保持：K断开，VOUT保持VC －缓慢变化的信号无需采样保持器
常用的集成采样保持器有LF398、AD582等，LF398的采样控制电平为“1”，保 持电平为“0”，AD582相反。
－LF398
采样保持控制引脚8：高电平，采样 ;低电平，保持 ; CH外接高品质电容，其减小 可以提高采样频率。 获取时间：CH为0.01uF时, 时间为25us
POLLING:
MOV DX,02C2H; 令CS,R/C为低电平 MOV AL,00H OUT DX,AL NOP NOP MOV AL,04H； 令CE=1, 启动转换 OUT DX,AL NOP NOP MOV AL,03H；令CE=0，CS, R/C＝1，启动完毕 OUT DX,AL IN AL,DX; 查询STS状态 TEST AL,80H JNZ POLLING; STS=1 则等待，检测下降沿（转换 MOV AL,01H；令CS＝0,R/C＝1, 准备读
锁存地址
锁存器
NOSC:
NOEOC:
OUT DX,AL DEC DX IN AL, DX; 检测转换结束信号 TEST AL,80H JZ NOSC; EOC=0, 则等待，检测EOC下降沿 IN AL, DX; TEST AL,80H JNZ NOSC; EOC=1, 则等待，检测EOC上升沿， MOV DX,02C0H; 读转换结果 IN AL,DX STOS DATABUF; 保存结果 INC BL; 修改模拟通道地址 CX-1 LOOP NEXTA RET ENDP
第二章 输入输出接口于过程通道
2.3 模拟量输入通道 •模拟量输入通道－把模拟信号转换为二进制数字 信号，送入计算机中。 •模拟信号传输－0～10mA或4～20mA电流传输。
2.3.1 模拟量输入通道结构
2.3.2 I/V变换 •电流输出 仪表DDZ-Ⅱ：0～10mA 仪表DDZ-Ⅲ,DDZ-S：4～20mA •无源I/V变换（利用无源器件完成）
INC BL ; 更换通道 LOOP ADC MOV AL,00111000B; CE=0，CS, R/C, INH=1, 芯片复位 MOV DX,2C2H OUT DX,AL RET AD574A ENDP
模拟量输入通道模板举例
数据采集卡组成框图
2.4 D/A转换器及接口技术
D/A转换器的技术指标 －分辨率：D/A转换器输入二进制数的位数。 －建立时间：输入数字信号的变化是满量程时， 输出信号达到离终值± 1/2LSB的所需时间。 －线性误差：偏离理想转换特性的最大误差。 常见D/A转换器类型： －电流输出型，通常要转为电压，速度因外接放 大器有滞后。 －电压输出形，速度快，仅用于高阻抗负载。
结束）
OUT DX,AL NOP MOV AL,05H; 令CE=1,允许读出 OUT DX,AL MOV DX,02C0H IN AL,DX ; 读高4位DB11-DB8; AND AL, 0FH MOV BH,AL；存高4位 INC DX IN AL,DX ；读低8位DB7-DB0 MOV BL,AL INC DX MOV AL,03H OUT DX,AL; 结束读出操作