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第四章 过程通道与人机接口(二)


3 模拟量输出通道
转换速度快、工作可靠。

D/A PC总线 接

V/I和自动/手动切换 通道1

?
口 D/A V/I和自动/手动切换

?
通道 n

一个通路一个D/A转换器的结构

只适用于通路数量多且速度 要求不高

的场合,可靠性较 差。

PC总线

采样 保持器 接 D/A 口 多 路 开 关

V/I和自动/手动切换 通道1

?
采样 保持器 V/I和自动/手动切换 通道 n

共用D/A转换器的结构

3.1 模拟量输出通道中常用器件和电路
模拟量输出通道的组成:接口电路,控制电路,

D/A转换器,电压/电流(V/I)变换器等。

(1)D/A转换器
D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量,它

是模拟量输出通道的核心部件,是计算机和模拟系
统之间的接口。

? D/A转换器原理 任何一个n位的二进制数,均可用表达式

DATA=D020+D121+ D222+…… +Dn-12n-1
来表示。 在D/A转换中,要将数字量转换成模拟量,必须 先把每一位代码按其“权”的大小转换成相应的模

拟量,然后将各分量相加,其总和就是与数字量相
应的模拟量,这就是D/A转换的基本原理。

? D/A转换器的主要技术指标 ?分辨率: 定义为基准电压 VREF 与 2 n 之比值,其 中n为D/A转换器的位数。 ?稳定时间:输入二进制数变化量是满刻度时,输 出达到离终值 ? 1 / 2 LSB 时所需的时间。 ?线性度:在满刻度范围内,实际特性与理想特性

的最大偏移称为非线性度,用LSB的分数来表示,
如土1/2 LSB、土1/4 LSB等。

? 转换精度:转换精度用最低有效位LSB的分数
来表示,如土1/2 LSB、土1/4 LSB等。 绝对精度:是指输入满刻度数字量时,D/A转 换器的实际输出值与理论值之间的最大偏差; 相对精度:是指在满刻度己校准的情况下,整

个转换范围内对应于任一输入数据的实际输出值
与理论值之间的最大偏差。

?D/A转换器的种类 ?数字量输入方式:并行输入和串行输入

?模拟量输出方式:电流输出和电压输出
?D/A转换的分辩率:低分辩率、中分辩率和高分

辩率。

? 8位D/A转换器DAC0832

DAC0832是8位D/A转换芯片,具有以下特点:
与TTL电平兼容;

分辨率为8位;
建立时间为1μs;

功耗为20mW;
电流输出型D/A转换器。

?DAC0832结构及引脚说明

?DAC0832工作过程

① CPU执行输出指令,输出8位数据给DAC0832;
② 在CPU执行输出指令的同时,使ILE、/CS、

/WR1三个控制信号端都有效,8位数据锁存在8位
输入寄存器中; ③ 当/WR2、/XFER两个控制信号端都有效时,8位 数据再次被锁存到8位DAC寄存器,这时8位D/A转 换器开始工作,8位数据转换为相对应的模拟电流, 从Iout1和Iout2输出。

?DAC0832接口电路

?12位D/A转换器芯片DAC1210

与8位DAC0832的2点区别
分辨率为12位,12条数据输入线(DI0~DI11)。 通过字节控制信号BYTE1/2控制数据的输入 该信号为高电平时,12位数据(DI0~DI11)同时 存入第一级的两个输入寄存器; 该信号为低电平时,只将低4位数据(DI0~DI3) 存入低4位输入寄存器。

? DAC1210结构及引脚说明
(MSB)
DI11 15 DI10 16 DI 9 17 18 DI8 19 DI 7 20 DI 6 4 DI 5 5 DI 4

D

Q

D

Q

10

VREF

8位 输入 寄存器

12位 DAC 寄存器
D D
Q 4位 输入 寄存器
LE

14

I OUT

12位
Q

D

Q

D/A 转换器

13

I OUT1

DI 3 DI 2 DI1 (LSB) DI 0

6 7 8 9 23

D

Q

11
Rfb

Rfb

D

Q
LE

BYTE1 / BYTE2

3
12

AGN
DGND

21 XFER 22 WR 2

CS WR 1

1 2 当 LE ? 1 时, Q ? D; 当 LE ? 0 时,锁存数据

24
Vcc

? DAC1210接口电路
+ 5V VR

端口地址译码器 译 Y0 、 1 、 三 Y Y

DI

V

0

CC

V

REF R fb A + 1 10 K 10 K

D ?

0

? DAC 1210

个口地址,这三 个口地址用来控 制DAC1210工作 方式和进行12位 转换。

2

I I

? OUT1

-

V

A
+

0

OUT2

2

D

7

DI

11 AGND 1 2 5K

IOW

WR

WR

BYTE / BYTE 1 2

A A A

Y 0 1 9 译

DGND 0 XFER CS ?

?

码 器

Y 1 Y 2

AEN

?
置8位输入寄存器口地址

送高8位数

置4位输入寄存器口地址

送低4位数

置12位DAC寄存器口地址

启动D/A转换

?
12位D/A转换程序框图

(2)D/A转换器的输出
在计算机过程控制中,外部执行机构有电流控制
的,也有电压控制的,因此根据不同的情况,使用 不同的输出方式。 D/A转换的结果若是与输入二进制码成比例的电 流,称为电流DAC,若是与输入二进制码成比例的

电压,称为电压DAC。

? 单极性电压输出

VOUT1

D ? -VREF ? n 2

?双极性电压输出
VREF
Rfb
R1 ? 2 R R3 ? 2 R

PC总线
D/A

I OUT1
I OUT2
AGND

-

+

A1

R2 ? R
VOUT1

-

+

A2
VOUT2

VOUT 2

? R3 ? R3 ? -? VREF + VOUT1 ? ? V ( D - 1) ?R ? REF n-1 R2 ? 1 ? 2

? 电流输出

?V/I转换和自动/手动切换
?V/I转换
E

当运放开环增益足够 大时,输出电流Io 与 输入电压Vi的关系只 与反馈电阻Rf有关, 因而具有恒流性能。 反馈电阻的值由组件 的量程决定。
Vi R1 100kΩ R2 100kΩ VN VP
-

R6
VT2

A
+

R5 R3 20kΩ R4 20kΩ

VT1

IO V1 Rf 200Ω V2 RL
0 ~ 10mA

Vf

?自动/手动切换
K2

H A

+V
R4
C
+ Ec



DI


D/A

Vi Vf

R1 R2

-

R5 A1

A H
R6

K1


A/D
A

+

-

A2
+

V2
BG 1

H K3

R3 R7 R8

R9
W

IL





+ E -E

3.2 模拟量输出通道设计
(1)D/A转换器位数的选择 D/A转换器位数取决于系统输出精度;D/A转换

器输出一般都通过功率放大器推动执行机构。
设执行机构最大输入值为Umax ,灵敏度为Umin, 可得D/A转换器的位数
? U max n ? log 2 ? 1 + ? U min ? ? ? ? ?

(2)D/A转换器接口的隔离技术
由于D/A转换器输出直接与被控对象相连,容易 通过公共地线引入干扰,因此要采取隔离措施。通 常采用光电耦合器,使控制器和被控对象只有光的 联系,达到隔离的目的。

隔离方式:模拟信号隔离和数字信号隔离。

? 模拟量隔离

Vout1 V_

Vout2

Iw

IL

模拟信号隔离方法的优点是:只使用少量的光电 耦合器,成本低;

缺点是调试困难,如果光电耦合器挑选不合适,
将会影响变换的精度和线性度。

? 数字量隔离

数字信号隔离的优点是调试简单,不影响转换
的精度和线性度; 缺点是使用较多的光电耦合器,成本高。

(3)D/A转换器模板的标准化设计 ?D/A转换器模板的设计原则
?合理地选择D/A转换芯片及相关外围电路:掌握 各类集成电路性能指标及引脚功能,以及与D/A转

换模板连接的CPU总线的功能、接口及其特点;
?软硬件设计相结合:不增加硬件成本就能实现的

功能应由硬件来实现,需要增加硬件成本才能实现
的功能,同时软件也能实现的功能由软件实现。

? 安全可靠:尽量选用性能好的元器件,并采用光

电隔离技术;
? 性能与经济的统一:好的设计不仅在性能上应达

到预定指标,还必须考虑经济性,应综合考虑速
度、精度、工作环境和经济性等因素。 ? 通用性:从通用性出发,在设计D/A转换器模板 时应考虑以下三个方面:符合总线标准、用户可 以任意选择口地址和输入方式。

? D/A转换模板的设计
设计步骤 : ●确定性能指标 ●设计电路原理图

●设计和制造电路板
●焊接和调试电路板

D0 D1 D2 D7

?

DAC0832 DI 0 R fb DI1 I OUT1 DI 2 I OUT2 ? DI 7 AGND

+12V

CD4051

μA741 +

1kΩ

A B C X0 X
VSS

保持器

V/ I

I0

?

?
保持器
V/ I

接 PC 总 线

LOW

WR 1

CS

WR 2 XEER

-12V

INH X 7 VDD VEE

I1

+5V
Y0

A0

A9 AEN

?

译 码 器

Y1

8通道模拟量输出通道电路图

4 人机接口 Human-Machine Interface
?键盘接口 ?显示器接口 ?打印机接口 ?其它人—机接口

人机接口是操作人员与计算机之间相互交换信 息的接口,通过这些接口,操作人员可以对计算机 进行操作,并能实时了解到计算机控制的有关内容。 通用人机接口包括键盘、打印机、显示器等。

4.1 键盘接口

键盘是一组按键或开关的集合,键盘接口向计

算机提供被按键的代码。常用的键盘有两种 :
编码键盘:能够自动提供被按键的编码,其特 点是使用方便、结构复杂、成本高。 非编码键盘:仅仅简单地提供按键的通或断状 态(“0”或“1”),而按键的扫描和识别则由用户

的键盘程序来实现。其特点是结构简单、便于用户
自行设计。

(1)独立连接式键盘

?按键抖动干扰的消除方法 ?硬件方法:采用单稳态触发器或滤波器来消除抖 动干扰。 ?软件方法:采用软件延时或重复扫描的方法。 ?独立连接式键盘的优缺点 ?优点:电路简单,适用于按键数较少的情况。

?缺点:浪费电路,按键数较多时,应采用矩阵式
键盘。

(2)矩阵式键盘

?工作过程
①输出0到4根行线,再输入4根列线的状态。如果 列输入为1111,则无一键被按下;否则有键被按 下。称为键扫描。 ②确定有键被按下后,还需确定哪只键被按下。采

用行扫描法,即逐行输出行扫描信号0,再根据输
入的列线状态,判定那只键被按下。称为键识别。

③确定被按键后,再根据该键的功能进行相应的处
理,称为键处理。

?按键抖动干扰的消除方法

可采用软件延时法来消除。在键盘扫描周期,每
行重复扫描n次,如果n次的列输入状态相同,则表 示按键已稳定。

(3)二进制编码键盘

二进制编码键盘是编码键盘的一种,二进制编码
键盘的按键状态对应二进制数。二进制编码键盘可 以通过优先级编码器来完成。

?静态键盘编码器74148 74148 是 8 to 3 的优先权位编码器。

?可编程的键盘/显示器接口器件8279
8279 是通用可编程的键盘/显示器接口器件, 可对64 个开关组成的键盘矩阵进行自动扫描,接 收键盘上的输入信息,并在有键输入时向单片机请

求中断,还能对8 位或16位LED 自动扫描,使显示
缓冲器的内容在LED 上显示出来。 利用8279 对键盘/显示器的自动扫描,可以减轻 CPU 负担,具有显示稳定、程序简单、不会出现 误动作等特点。

(4)智能式键盘

在键盘的内部装有专门的微处理器等,由这些
微处理器来完成键盘开关矩阵的扫描、键盘扫描值 的读取和键盘扫描值的发送。这样,键盘作为一个 独立的输入设备就可以和主机脱离,仅仅依靠传输 线(一般采用5芯电缆)和主机进行通信。

4.2 显示器接口
常用的显示方式
指示灯 LED、LCD(液晶显示) 模拟屏显示 图文显示 新型薄膜晶体管TFT等

(1)图形显示器CRT
由图形监视器和相应的控制电路组成。

是目前在工业控制计算机系统应用最多,技术最
成熟的图形显示技术; 最常用的方式是插入一块TVGA图形控制卡来实 现很强的图形显示功能; 特点是技术成熟、支持软件丰富、价格低廉,可 以满足大部分工业控制现场的一般性需要。

(2)其它数字型显示方式 LED八段显示器 液晶显示器(LCD)

由MC14595构成的8位静态LED显示器

用MC14499构成的4位动态LED显示器

软件译码静态显示器接口实例

用8155实现8位动态LED显示器

硬件译码静态LCD显示实例

4.3 打印机接口
(1)打印机的种类 ?从与计算机的连接方式分:有并行接口打印机

和串行接口打印机。
?从打印原理分:有点阵式、喷墨式、激光式、

热敏式、墨点式、液晶快门式和磁式打印机等。
?从打印色彩分:有单色、双色、彩色打印机。

GP16微型打印机结构框图

图形数据编排示例(正弦波)

GP16与8031接口

4.4 其它人-机接口
(1)鼠标(轨迹球)
机械式、半光电式样、光电式。广泛使用在过 程检测报警、动态流程监测、画面显示、故障追踪

等方面。

(2)触摸屏
触摸屏系统由触摸检测装置和触摸屏控制卡组 成。有自己的CPU及固化的监控程序,将触摸检

测装置送来的位置信息转换成相关的坐标信息并
传送给计算机,接收和执行计算机的指令。

从工作原理来分,触摸屏有五类产品 电阻式触摸屏

电容式触摸屏
红外线式触摸屏

表面声波式触摸屏
遥控力感式触摸屏

触摸屏使用方便,并有如下一些特点

人机界面友好
简化信息输入设备 便于系统维护和改造 在可靠性方面还有待进一步改进 还难以做到像标准键盘那样的定位输入


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