第2章輸入輸出接口技術(shù)2.1多路開關(guān)及采樣/保持器2.2開關(guān)量輸入輸出接口2.3模擬量輸入通道接口技術(shù)2.4模擬量輸出通道接口技術(shù)2.5電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù)

2.1多路開關(guān)及采樣/保持器

1.多路開關(guān)

不少微控制器具有A/D轉(zhuǎn)換通道，但通道數(shù)有限，當(dāng)采集的模擬量較多時(shí)需擴(kuò)展大量的A/D轉(zhuǎn)換器，致使成本增加。當(dāng)模擬量的變化不是很快時(shí)，可以采用多路開關(guān)來實(shí)現(xiàn)用較少的通道采集較多模擬量的功能。圖2-1

CD4051原理電路圖在圖2-1中，邏輯轉(zhuǎn)換單元完成TTL到CMOS的電平轉(zhuǎn)換。由此，這種多路開關(guān)輸入電平范圍大，數(shù)字控制信號(hào)邏輯“1”的電平可選為3～15V，模擬量可達(dá)15V。CD4051可以用做二進(jìn)制3-8譯碼器，對(duì)選擇輸入端C、B、A的狀態(tài)進(jìn)行譯碼，以控制開關(guān)電路T，使某一路開關(guān)接通，從而連接輸入和輸出通道。CD4051的真值表見表2-1。

2.采樣/保持器

采樣保持器的主要作用是：

(1)保持采樣信號(hào)不變，以便完成A/D轉(zhuǎn)換；

(2)同時(shí)采樣幾個(gè)模擬量，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和測量；

(3)減少D/A轉(zhuǎn)換器的輸出毛刺，從而消除輸出電壓的峰值及縮短穩(wěn)定輸出值的建立時(shí)間；

(4)把一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出分配到幾個(gè)輸出點(diǎn)，以保證輸出的穩(wěn)定性。

2.2開關(guān)量輸入輸出接口

計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，需處理一類最基本的輸入輸出信號(hào)，即開關(guān)量(數(shù)字量)信號(hào)，這些信號(hào)包括開關(guān)的閉合與斷開、指示燈的亮與滅、繼電器或接觸器的吸合與釋放、電機(jī)的啟動(dòng)與停止、閥門的打開與關(guān)閉等，這些信號(hào)的共同特征是信號(hào)只有兩個(gè)狀態(tài)：“導(dǎo)通”和“截止”。

1.開關(guān)量輸入接口

設(shè)片選地址為PORT，可用如下指令來完成取數(shù)操作：

2.開關(guān)量輸出接口

當(dāng)執(zhí)行OUT指令周期時(shí)，產(chǎn)生IOW信號(hào)，使IOW＝CS＝0，設(shè)片選端口地址為PORT，可利用以下指令完成數(shù)據(jù)的輸出控制：

2.3模擬量輸入通道接口技術(shù)

2.3.1

A/D轉(zhuǎn)換原理

A/D轉(zhuǎn)換的常用方法有：計(jì)數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換和V/F變換型A/D轉(zhuǎn)換。在這些轉(zhuǎn)換方式中，計(jì)數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換線路比較簡單，但轉(zhuǎn)換速度較慢，所以現(xiàn)在很少應(yīng)用。這里介紹逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換原理，如圖2-2所示。圖2-2逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換原理2.3.2

8位A/D轉(zhuǎn)換器

1.電路組成及轉(zhuǎn)換原理

ADC0808／0809都是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)、與微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。8位A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近法。在A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器、一個(gè)帶有模擬開關(guān)樹組的256電阻分壓器，以及一個(gè)逐次逼近寄存器。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問一個(gè)單邊的模擬信號(hào)。其原理框圖如圖2-3所示。圖2-3

ADC0808/0809原理框圖

2．ADC0808/0809的引腳功能

ADC0808/0809的引腳圖如圖2-4所示。圖2-4

ADC0808/0809引腳圖

3．時(shí)序

ADC0808/0809的啟動(dòng)脈沖START和地址鎖存允許脈沖ALE的上升沿將地址送上地址總線，模擬量經(jīng)C、B、A選擇開關(guān)所指定的通道送至A/D轉(zhuǎn)換器，在START信號(hào)下降沿的作用下，逐次逼近過程開始；在時(shí)鐘的控制下，一位一位地逼近。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，信號(hào)EOC呈低電平狀態(tài)。由于逐次逼近需要一定的過程，在此期間，模擬輸入值應(yīng)維持不變，比較器需一次次進(jìn)行比較，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束。此時(shí)，若計(jì)算機(jī)發(fā)出一個(gè)允許命令(OE呈高電平)，則可讀出數(shù)據(jù)。

4．ADC0808/0809的技術(shù)指標(biāo)

(1)單一電源，+5V供電，模擬輸入范圍為0~5V。

(2)分辨率為8位。

(3)最大不可調(diào)誤差：

ADC0808＜±1/2LSB；

ADC0809＜±1LSB。

(4)功耗為15mW。

(5)轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率范圍為10~1280kHz。當(dāng)CLOCK等于500kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換速度為128μs。

(6)可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。

(7)無需進(jìn)行零位及滿量程調(diào)整。

(8)溫度范圍為-40℃~+85℃。2.3.3

8位A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)

1.模擬量輸入信號(hào)的連接

2.數(shù)字量輸出引腳的連接

3.A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)方式

4.轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理方法

5.參考電平的連接

6.時(shí)鐘的連接

7.接地問題2.3.4

8位A／D轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)

例2.1如圖2-5所示，試用中斷方式編寫程序，對(duì)IN5通道上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入內(nèi)部RAM20H單元。圖2-5

ADC0809與8031的接線圖2.4模擬量輸出通道接口技術(shù)

2.4.1

D/A轉(zhuǎn)換器原理

D/A轉(zhuǎn)換器由參考電源(標(biāo)準(zhǔn)電源)、數(shù)字開關(guān)控制、模擬轉(zhuǎn)換、數(shù)字接口及放大器組成，其原理圖如圖2-6

所示。圖2-6

D/A轉(zhuǎn)換器原理圖

R－2RT形解碼網(wǎng)絡(luò)的原理電路圖如圖2-7所示。

在圖2-7中，整個(gè)電路由若干個(gè)相同的支路組成，每個(gè)支路包括兩個(gè)電阻和一個(gè)開關(guān)。開關(guān)Si是按二進(jìn)制位進(jìn)行控制的。當(dāng)Di=1時(shí)，開關(guān)置向左方，使加權(quán)電阻與電流輸出端Iout1接通；Di=0時(shí)，開關(guān)動(dòng)作，將加權(quán)電阻與電流輸出端Iout2連通。

由于Iout2接地，Ioutl為虛地，所以圖2-7

R－2RT形解碼網(wǎng)絡(luò)的原理圖流過每個(gè)權(quán)電阻Ri的電流依次為由于Iout1端輸出的總電流是置“1”各位加權(quán)電流的總和，Iout2端輸出的總電流是置“0”各位加權(quán)電流的總和，

所以，當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入為全“1”時(shí)，Iout1和Iout2分別為當(dāng)運(yùn)算放大器的反饋電阻Rf等于反向端輸入電阻∑R時(shí)，其輸出模擬電壓為

對(duì)于任意二進(jìn)制碼，其輸出模擬電壓為

當(dāng)ai＝1或ai=0時(shí)，由上式便可得到相應(yīng)的模擬量輸出。2.4.2

8位D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)

1.DAC0832的結(jié)構(gòu)及原理

DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部具有兩級(jí)輸入數(shù)據(jù)緩沖器和一個(gè)R－2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)，其原理框圖如圖2-8所示。圖2-8

DAC0832原理框圖

2.DAC0832的引腳功能

DAC0832芯片的引腳排列如圖2-9所示。圖2-9

DAC0832引腳排列

3.D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式

(1)單極性電壓輸出。

(2)雙極性電壓輸出。圖2-10

DAC0832單極性電壓輸出電路圖圖2-11

DAC0832雙極性電壓輸出電路由圖2-11可求出D/A轉(zhuǎn)換器的總輸出電壓:

代入R1(2R)、R2(R)、R3(2R)的值可得

(3)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出。

4.8位D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)

(1)數(shù)字量輸入端的連接。

(2)外部控制信號(hào)的連接。

(3)D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例。

①直通方式。

②單緩沖方式。圖2-12

DAC0832單緩沖方式接線

例2.2

DAC0832用作波形發(fā)生器。試根據(jù)圖2-12接線，分別寫出產(chǎn)生鋸齒波、三角波和方波的程序，產(chǎn)生的波形如圖2-13所示。圖2-13例2.2所產(chǎn)生的波形

解針對(duì)圖2-12，DAC0832采用的是單緩沖單極性的接線方式，它的選通地址為7FFFH。

鋸齒波程序：三角波程序：方波程序：③雙緩沖方式。所謂雙緩沖方式，就是把DAC0832

的兩個(gè)鎖存器都接成受控鎖存方式。雙緩沖方式DAC0832的連接如圖2-14所示。圖2-14帶數(shù)據(jù)鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的連接

例2.3

DAC0832用作波形發(fā)生器。試根據(jù)圖2-14接線，分別寫出產(chǎn)生鋸齒波、三角波和方波的程序，產(chǎn)生的波形如圖2-15所示。圖2-15例2.3所產(chǎn)生的波形

解由圖2-14可以看出，DAC0832采用的是雙緩沖雙極性的接線方式，輸入寄存器的地址為FEH，DAC寄存器的地址為FFH。

鋸齒波程序：三角波程序：方波程序：

2.5電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù)

1.電機(jī)控制接口

直流電機(jī)與微型機(jī)接口可采用以下幾種方法：

光電隔離器+大功率場效應(yīng)管；

固態(tài)繼電器；

專用接口芯片；

專用接口板。圖2-16采用固態(tài)繼電器的直流電機(jī)控制電路原理圖

2.交流電機(jī)控制接口技術(shù)

1)交流電機(jī)接口方法

圖2-17所示為OPTO公司生產(chǎn)的MODELS51203/

240D3交流電機(jī)控制用固態(tài)繼電器。圖2-17交流電機(jī)用固態(tài)繼電器

2)交流電流專用控制接口板

美國Pro-Log公司研制的7504是一種可用于STD總線工業(yè)控制機(jī)中的交流電機(jī)控制接口板。7504有8路三端雙向晶閘管開關(guān)，每路允許40~280V交流電壓和2A電流。該板采用光電隔離技術(shù)，每路一個(gè)光電隔離器，把TTL電平與交流信號(hào)隔開，從而大大地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，并保護(hù)計(jì)算機(jī)，使之免于損壞。

3.步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)

由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流比較大，所以單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都