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1、第五章 机电一体化系统的接口与电磁兼容技术,机电一体化系统的接口与电磁兼容技术,5.1 机电一体化系统的接口技术5.1.1 接口技术概述5.1.2 人机接口设计5.1.3 机电接口设计5.2 机电一体化系统的电磁兼容技术5.2.1 电磁兼容技术的5.2.2 电磁干扰的形式和途径5.2.3 常用的干扰抑制技术,一、概述组成机电一体化系统的各要素和子系统之间相接处必须具备一定的联系条件，这个联系条件通常被称为接口，简单地说就是各子系统之间以及子系统内各模块之间相互联接的硬件及相关协议软件。,5.1 机电一体化系统接口设计,一、概述接口设计的总任务是解决功能模块间的信号匹配问题。机电产品可看成是由许
2、多接口将组成产品各要素的输入/出联系为一体的系统，并且系统的要素间能够电磁兼容。,5.1 机电一体化系统接口设计,接口设计的基本原则及要求 机电一体化系统中的接口通常是由接口电路与之配套的驱动程序组成，就是我们通常说的硬件设计和软件设计。接口电路是接口的骨架，用来实现在被传输的数据、信息在电气上、时间上的匹配；接口程序是接口的中枢，完成接口数据的输入输出，传送可编程接口器件的方式设定、中断设定等控制信息。,接口设计需要满足信息传输和转换的要求信息采集（信号输入）驱动控制（信号输出）变送单元,1.接口的分类,从不同的角度及工作特点出发，机电一体化系统的接口有多种分类方法。按照信息传递的方式分为两
3、大类：输入接口、输出接口；,输入接口,输出接口,通过输入接口向系统输入各种控制命令和参数，对系统进行控制。,常用的输入设备：控制开关，拨码码盘，键盘等。,通过输出接口向操作者反映系统的各个状态和参数以及结果等信息。,常用的输出设备：状态指示灯，发光二极管，液晶显示器，微型打印机，阴极摄像管显示器，扬声器等。,1.接口的分类,根据接口的变换和调整功能特征分类 零接口：不进行参数的变换与调整。如联轴器、输送管、插头、插座、导线、电缆等。被动接口：仅对被动要素的参数进行变换与调整。如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻以及光学透镜等。,主动接口：含有主动因素、并能与被动要素进行匹配的接口。如电磁离
4、合器、放大器、光电耦合器、A/D、D/A转换器等。智能接口：含有微处理器、可进行程序编制或适应条件变化的接口。如自动调速装置、通用输入/输出芯片（如8255芯片）、RS232串行接口、通用接口总线等。,根据接口的输入/输出功能的性质分类 信息接口（软件接口）：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件的约束。机械接口：根据输入/输出部位的形状、尺寸、配合、精度等进行机械联结。物理接口：受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束。环境接口：对周围的环境条件（温度、湿度、电磁场、放射能、振动、水、火、粉尘等）有具体的保护作用和隔绝作用,按照所联系的子系统不同分类 以控制微机（微电子系
5、统）为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类。,2.接口设计的要求,1）计算机接口计算机接口通常由接口电路和与之配套的接口程序（驱动程序）组成接口电路：能够使被传输的数据实现在电气上、时间上相互匹配的电路，它是接口的骨架；接口程序：能够完成这种功能的程序，它是接口完成预定任务的中枢神经。系统要求计算机接口特点：能够可靠地传送相应的控制信息，并输入有关的状态信息能够进行相应的信息转换,1）计算机接口具体要求如下：传感器接口：要求传感器与被测机械量信号源具有直接关系，传感器与机械本体连接简单、稳固，能克服机械谐波干扰，正确反映对象的被测参数。变送接口：电气参数的匹配、远距离信号传输要求、阻抗匹
6、配、电平一致、输入/输出信号关系为线性关系。驱动接口：电平一致、电平匹配和阻抗匹配、抗干扰措施。2）机械传动接口要求它连接结构紧凑、轻巧，具有较高的传动精度和定位精度，安装、维修、调整简单方便、刚度好，响应快。,二、人机接口设计,人机接口是操作者与机电一体化系统(主要是控制微机)之间进行信息交换的接口。按照信息的传递方向，可以分为两大类:输入接口与输出接口。系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息。另一方面，操作者通过输入接口向系统输入各种控制命令及控制参数，对系统运行进行控制，实现所要求完成的任务。,二、人机接口设计,在机电一体化产品中，常用的输入设备有控制开关、BC
7、D或二进制码拨盘、键盘等;常用的输出设备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、微型打印机、阴极射线管显示器等。扬声器作为一种声音信号输出设备，在进行产品设计时经常被采用。人机接口作为人与微机之间进行信息传递的通道，有着其自身的一些特点，需要在进行设计时予以考虑。人机接口类型及特点:专用性、低速性、高性能价格比,1.专用性 每种机电一体化产品都有其自身特定的功能，对人机接口有着不同的要求，所以在制定人机接口的设计方案时，要根据产品的要求而定。2.低速性 与控制机的工作速度相比，大多数人机接口设备的工作速度很低，在进行人机接口设计时，要考虑控制机与接口设备间的速度匹配，以提高系统的工作效率；
8、3.高性价比 在满足功能要求的前提下，输入、输出设备配置以小型、微型、廉价型为原则。,人机接口特点,1.输入接口设计,输入口输入设备的数据，要通过数据总线传送给CPU，而CPU与存储器以及其他设备传输的输入/输出数据，也要通过这条数据总线分时地进行传输。因此，输入口的功能就是在只有CPU允许该输入口进行数据输入时，才将来自外设的数据传送到数据总线上。,左图为一简单开关输入电路，通过对A点电位进行检测，从而判断开关的状态。上拉电阻R的阻值越小，当开关处于断开状态（OFF）时，被传输的高电平值越高，但是当开关处于闭合状态（ON)时，流过开关触电的电流就越大。因此当采用这种电路时，上拉电阻的阻值应在
9、全面考虑开关的触电电流和整个电路的功耗电流后再确定。,1.输入接口设计,1）简单开关输入电路,1.输入接口设计,2）简单开关输入接口设计 对于一些二值型控制命令和参数，常采用简单的开关作为输入设备。常用的开关有按钮、转换开关等。,1.输入接口设计,2）简单开关输入接口设计 控制微机通过 I/O 口或扩展 I/O 口对开关点电位进行检测，从而判断开关的状态。由于这类开关大都是机械开关，机械触点的弹性作用使开关在闭合及断开瞬间产生抖动，造成开关点电位产生一系列脉冲，电压抖动时间的长短，与机械特性有关，一般为 510ms。按钮的稳定闭合期由操作员的按键动作决定，一般在几百微秒至几秒之间。所以，在进行
10、接口设计时需要采取软件或硬件措施进行消抖处理。,硬件消抖常采用下图 所示电路，其中左为双稳态滤波消抖，右为单稳态多谐震荡消抖，图中74xx121是带有施密特触发器输入端的单稳态多谐震荡器。,硬件去抖,软件消抖是在检测到开关状态后，延时一段时间再进行检测，若两次检测到的开关状态相同则认为有效。延时时间应大于抖动时间。,软件去抖,1.输入接口设计,2）键盘输入接口设计 当需要操作者输入的指令或参数比较多时，可以选择键盘作为输入接口。,矩阵键盘,矩阵键盘结构如上图，通常将行线通过上拉电阻接至+5V电源。当无键按下时，行线与列线断开，行线呈高电平。当键盘上某键按下时，则该键对应的行线与列线被短路。例如
11、，7号键被按下闭合时，行线X3与列线Y1被短路，此时X3的电平由Y1电位决定。,CPU对键盘处理控制的工作方式有以下3种：1、程序控制扫描方式 程序控制扫描方式是在CPU工作空余调用键盘扫描子程序，响应按键输入信号要求。程序控制扫描方式的按键处理程序固定在主程序的某个程序段。当主程序运行到该程序段时，依次扫描键盘，判断有否按键输入。若有，则计算按键编号，执行相应按键功能子程序。这种工作方式，对CPU工作影响小，但应考虑键盘处理程序的运行间隔周期不能太长，否则会影响对按键输入响应的及时性。,键盘扫描控制方式,键盘扫描程序流程图,CPU对键盘处理控制的工作方式有以下3种：2、定时控制扫描方式 定时
12、控制扫描方式是利用定时/计数器每隔一段时间产生定时中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有按键闭合时转入该按键的功能子程序。定时控制扫描方式与程序控制扫描方式的区别是，在扫描间隔时间内，前者用CPU工作程序填充，后者用定时/计数器定时控制。定时控制扫描方式也应考虑定时时间不能太长，否则会影响对按键输入响应的及时性。,键盘扫描控制方式,CPU对键盘处理控制的工作方式有以下3种：3、中断控制方式 中断控制方式是利用外部中断源，响应按键输入信号。当无按键按下时，CPU执行正常工作程序。当有按键按下时，CPU立即产生中断。在中断服务子程序中扫描键盘，判断是哪一个按键被按下，然后执行该按键的功能子程
13、序。这种控制方式克服了前两种控制方式可能产生的空扫描和不能及时响应按键输入的缺点，既能及时处理按键输入，又能提高CPU运行效率，但要占用一个宝贵的中断资源。,键盘扫描控制方式,(1)键盘接口电路,上图表示8031通过P1口与一个44键盘的接口电路，其中P1.7P1.4作扫描线，P1.3P1.0作输出线。,键盘接口电路,(2)键输入处理程序键输入程序具有下面三项功能：(a)判断键盘上有无键闭合的方法是在P1.0P1.3上全部送“0”，然后读取P1.4P1.7状态，若全为“1”，则无键闭合，若不全为“1”，则有键闭合；(b)去除键机械抖动的方法是读得键号后延时10ms，再次读键盘，若此键仍闭合则认
14、为有效，否则认定前述键的闭合是由于机械抖动或干扰所引起的；,(c)判别闭合键键号的方法是对键盘行线扫描，依次从P1.0、P1.1、Pl.2、P1.3中某位送出“0”，其它行线送出“1”，并顺序读入P1.4P1.7的状态，若P1.4P1.7全为“1”，则行线输出为“0”的这列上无键闭合；若P1.4P1.7不全为“1”，则有键闭合,且行列交叉点即为该键键号，如P1.0P1.3输出为1101，读回P1.4P1.7为1011，则位于第3行与第2列相交处的键处于闭合状态，键号为6；(d)使控制微机对键的一次闭合仅进行一次功能操作，采用的方法是，等待闭合键释放后再将键号送入累加器中,输出接口设计,从计算机
15、输出的数据，要经过输出口传输给输出设备，但在输出口与实际的输出设备之间一般需要进行信号电平转换，并需要对输出数据的传输时序进行控制。输出接口是操作者对机电一体化系统进行检测的窗口，通过输出接口，系统向操作者显示自身的运行状态、关键参数及运行结果等，并进行故障报警。,我们对人机通道输出接口中最为常用的LE D显示器接口技术作一简要说明。LED数码显示器的工作原理 LED数码显示器的结构。LE D是发光二极管的缩写。LED显示器应用非常普遍，从袖珍计算器到仪器仪表都用它，在单片机上的应用也很普遍。,输出接口设计,通常所说的LE D显示器由七个发光二极管组成，因此，也称为七段显示器。其排列形状如图5
16、-42所示，有共阴极和共阳极两种。此外，还有一个圆点型发光二极管，用以显示小数点。发光二极管点亮时，需要的电流为220 mA，压降为1.2 V，因而用TTL电路即可与它接口,输出接口设计,LED数码显示器的显示段码。为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码(或称字形代码)，可通过单片机接口使LED显示器某几段发亮来显示不同的数码，如除“。”段不亮其余六段全亮时，则为“0”字;七段全亮时，则为“8”字。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此，LED显示器的字形代码正好一个字节。各代码位的对应关系如下:,输出接口设计,LED数码显示器的接口及显示方法 单片机与显示器接口可以用硬件为主
17、和用软件为主的方法。所谓硬件为主就是用4位数据线而后用锁存器、译码驱动器显示一位十六进制字符。由于使用硬件较多，缺乏灵活性，所以常用软件查表来代替硬件译码，但这也需简单的硬件电路配合。例如，可用8255作为显示接口。由于接口提供不了较大的电流供LE D显示器使用，因此驱动电路一般是必不可少的。,输出接口设计,(1)静态显示方式。静态显示方式，是指每一位显示器的字段控制是独立的，每一位的显示器都需要配一个8位输出口来输出该字位的七段码。因此需要片外扩展CPU输出口。,输出接口设计,当显示位数很少(仅一、二位）时，采用静态显示方式是合适的。,(2)动态显示方式。动态显示方式，又称扫描显示方式，也就
18、是在某一时刻只让一个字位处于选通状态，其他字位一律断开，同时在字段线上发出该位要显示的字段码，这样在某一时刻，某一位数码管就被点亮，并显示出相应的字符。接着逐个改变所显示的字位和相应的字符段码，循环点亮各位显示器。虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮，但只要扫描速度足够快，由于人眼的视觉残留效应，与全部显示器都点亮的效果完全一样，会使人感觉到几个位数码管都在稳定地显示。,输出接口设计,动态显示方式中，为实现多位显示器的动态扫描，除了要给显示器提供段(字形编码)的输入之外，还要对显示器加位的控制。多位LE D显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于输出8条段控线(有小数点显示)，另一个用于输出
19、位控线，位控线的数目等于显示器的位数。,输出接口设计,当显示器工作时，单片机通过8155的PA口送扫描数据，其中只有一位为高电平，经75452后，只有一位LED显示器的公共端为低电平。同时，显示位对应的数据通过PB口送出。因此，只有公共端为低的LED显示器有显示，依次改变PA口中为高电平的位，则6位LED显示器就顺序显示。当扫描频率足够高时，由于人眼的视觉暂留效应，6位显示器便得到连续稳定的显示。,可以看出，如果要在同一时刻显示不同的字符，从电路上看，这是办不到的。因此只能利用人眼对视觉的残留效应，采用动态扫描显示的方法，逐个地循环点亮各位数码管，每位显示1 m*左右，使人看起来就好像在同时显
20、示不同的字符一样。在进行动态扫描显示时，往往事先并不知道应显示什么内容，这样也就无从选择被显示字符的显示段码。为此，一般采用查表的方法，由待显示的字符通过查表得到其对应的显示段码。,输出接口设计,采用动态扫描方式依次循环点亮各位数码管，构成多位动态数码管显示电路。,开 始,显示缓冲区首地址送R0显示位数送R2,起始显示位送R3,禁止所有位（关显示）,从缓冲区取要显示的数,查表得字型码,指向段选口，送字型码,指向位选口，送位选码,延时,指向显示缓冲区下一个单元,位选码左移,结束,1,1,扫描完一遍吗?,Y,N,机电接口技术,机电接口是指机电一体化产品中的机械装置与控制微机间的接口。按照信息的传递
21、方向可以将机电接口分为信息采集接口(传感器接口)与控制量输出接口。控制微机通过信息采集接口接收传感器输出信号，检测机械系统运动参数，经过运算处理后，发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大、驱动执行元件来调节机械系统的运行状态，使其按照要求动作。,按照信息传递的方向可以分为：信息采集接口（传感器接口）控制量输出接口,按照信息传递的方向可以分为：信息采集接口（传感器接口）控制量输出接口,机电接口技术,信息采集接口技术 1.信息采集接口的任务与特点 在机电一体化产品中，控制微机要对机械装置进行有效控制，使其按预定的规律运行，完成预定的任务，就必须随时对机械系统的运行状态进行控制，随
22、时检测各种工作和运行参数，如位置、速度、转矩、压力、温度等。因此进行系统设计时，必须选用相应传感器将这些物理量转换为电量，再经过信息采集接口的整形、放大、匹配、转换，变成微机可以接受的信号传递给微机。传感器的输出信号中，既有开关信号(如限位开关、时间继电器)，又有频率信号(超声波无损探伤);既有数字量，又有模拟量(如温敏电阻、应变片等)。,机电接口技术,信息采集接口技术 1.信息采集接口的任务与特点 针对不同性质的信号，信号采集接口要对其进行不同的处理，例如对模拟信号必须进行模/数变换，变成微机可以接受的数字量再传送给微机。另外，在机电一体化产品中，传感器要根据机械系统的结构来布置，环境往往比
23、较恶劣，易受干扰。再者，传感器与控制微机之间常要采用长线传输，加之传感器输出信号一般又比较弱，所以抗干扰设计也是信息采集接口设计的一个重要内容,机电接口技术,控制量输出接口技术2.控制输出接口的任务与特点 控制微机通过信息采集接口检测机械系统的状态，经过运算处理。发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大，驱动执行元件去调节机械系统的运行状态，使其按设计要求运行。,机电接口技术,控制量输出接口技术2.控制输出接口的任务与特点 根据执行元件的需要不同，控制接口的任务也不同，对于交流电机变频调速器，控制信号为05 v电压或420 mA电流信号，则控制输出接口必须进行数/模转换;对于交
24、流接触器等大功率器件，必须进行功率驱动。由于机电一体化系统中执行元件多为大功率设备，如电机、电热器、电磁铁等，这些设备产生电磁场、电源干扰，往往会影响微机的正常工作，所以抗干扰设计同样是控制输出接口设计时应考虑的重要问题,机电接口技术,1.信息采集接口,对于模拟信号的信息采集通道，首先选用传感器将这些物理量转换为电量，再经过信息采集接口进行整形、放大、匹配等信号处理环节，再经采样-保持器，将模拟信号变换成时间上离散的采样信号后，送A/D转换器将模拟保持信号转换成数字信号，再送入计算机。,1.信息采集接口,传感器信号的采样-保持A/D转换接口,多个信号源的数据采集通道通常有以下3种结构形式：多路
25、A/D通道多路同时采样、分时转换通道多路信号源共享采样-保持器和A/D转换器,1.信息采集接口,多路A/D通道,从每个信号源检测的信号都有各自独立的采样通道，即每个通道都有独自的采样-保持器和A/D转换器。由于这种通道结构的A/D转换速度高，并且控制各路同道的采样-保持器或A/D转换器，可完成各路同道同时进行采样或同时进行转换功能，因此常用于需同步高速数据采集、同步转换的计算机控制系统。,多路同时采样、分时转换通道,从多路信号源来的数据经各自的采样-保持器，经模拟多路转换开关控制，共用一个A/D转换器，此结构使用模拟多路开关进行多路选择，使多路信号按一定的顺序切换到共用的A/D转换器上进行A/
26、D转换。由于此种通道共用一个A/D转换器必须分时进行转换，多路开关的应用也使误差增大。因此该结构多用于转换速度、精度要求不高、需同时采集、分时转换的控制系统。,多路信号源共享采样-保持器和A/D转换器,从多路信号源来的数据先经多路开关，然后按某种顺序切换到具有采样-保持器和A/D转换器的通道上。此种结构共用一套采样-保持器和A/D转换器，节省硬件成本，但转换速度更慢，常用于分时采样、分时转换的计算机控制系统中。,1）传感器信号的采样-保持 当对模拟信号进行A/D转换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的转换时间，即A/D的孔径时间。在这个转换时间内，模拟信号要保持基本不变，这样才能保
27、证转换精度。,1）传感器信号的采样-保持 当输入信号频率提高时，由于A/D转换器孔径时间的存在，会造成较大的转换误差，要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能实现这种功能的器件叫采样/保持电路（S/H）。,(1)采样/保持器原理采样/保持由保持电容C，模拟开关S等组成。当S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段。当S断开时，电容C二端一直保持断开的电压，称保持阶段。,香侬采样定理,fs采样频率fmax原信号最高频率,实际上为使采样/保持器具有足够的精度，一般在输入级和输出级均采用缓冲器，以减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入
28、阻抗。,采样开关VF的关断电阻和N2的输入阻抗越高，C的泄漏电阻越大，uo的保持时间就越长，保持精度越好。,(2)集成采样/保持器 随着大规模集成电路技术的发展，目前已生产出多种集成采样保持器，如一般场合的AD582、AD583、LF398系列等；用于高速场合的有HTS-0025，HTS-0010，HTC-0300等。为了使用方便，有些采样保持器的内部还设有保持电容，如AD389、AD585等。,集成采样保持器的特点是：采样速度快、精度高一般保持在 即精度达到下降速率慢如AD585、AD348为0.5mV，SD389为,LF398内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。,控制电路中A
29、3主要起到比较器的作用，其中7脚为控制逻辑参考电压输入端，8脚为控制逻辑电压输入端。当输入控制逻辑电平高于参考端电压时，A3输出一个低电平信号驱动开关S闭合，此时输入经A1后跟随输出到A2，再由输出端跟随输出，同时向保持电容充电；而当控制逻辑电平低于参考电压时，A3输出一个正电平信号使开关S断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入信号的目的。因此A1、A2是跟随器，其主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样-保持器的性能。,LF398外引脚图,LF398典型应用,A/D 转换是从模拟量到数字量的转换，它是信息采集系统中模拟放大电路和CPU的接口，见下图。A/D转换芯片种类繁多，
30、主要有逐次比较式、双积分式、量化反馈式和并行式。,A/D转换接口,1A/D 转换的主要环节和常用术语(1)多路选择模拟开关(2)信号调节器 作用是调节模拟信号的幅度，使模拟信号的大小符合A/D转换的要求(3)采样保持和孔径误差 采样保持的作用是减小孔径误差。模拟量转换成数字量需要一个时间过程，对于一个动态模拟信号，在A/D转换器接通的孔径时间里，输入模拟信号的值是不确定的，从而引起输出的不确定性误差。,A/D转换接口,是Vm2f，故最大孔径误差是V=Vmsin2ft。对于某个动态信号，其孔径误差与信号的最高频率f和孔径t 有关。计算表明，当频率为10 Hz的信号被采样，且要求12位分辨率孔径误
31、差小于 1/2 LSB（LSB指最低有效位）时，A/D 转换速率必须小于2s，而一般A/D 转换时间远远大于2s。故采用12 位 A/D 转换器对10 Hz 或更高频率动态信号采样时，必须使用采样保持电路，以减小孔径误差。比较先进的A/D芯片本身具有采样保持功能，简化了设计。,孔径误差,设输入信号为一频率为f的正弦信号，如右图所示。图中 V=Vmsin2ft，由图可以明显地看出，最大孔径误差出现在信号斜率最大处。由数学推导可知，正弦函数的最大斜率,(4)A/D 转换、分辨率、量化误差 采样保持使模拟信号在时域离散化，但在幅值域仍然是连续的。量化(A/D 转换)环节使信号在幅值域离散化。关于量化
32、的具体细节请参阅有关专业书籍，此处仅涉及与应用有关且十分重要的分辨率和量化误差问题。量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于用有限数字对模拟数值进行离散取值(量化)而引起的误差。理论上量化误差为一个单位分辨率，即 1/2 LSB，提高分辨率可以减少量化误差。,(5)采样定理和抗混叠滤波 两次采样的间隔时间决定于A/D转换、采样、通道个数以及程序。采样间隔时间的倒数是采样频率。奈奎斯特采样定理的内容是:为了使采样输出信号能无失真地复现原输入信号，必须使采样频率至少为输入信号最高有效频率的两倍，否则会出现频率混叠误差。抗混叠滤波的作用是依据采样定理，滤除输入信号过高的频率成分，减小混叠误差。,(6
33、)A/D 转换时间与转换速率 A/D 转换器完成一次转换所需要的时间为 A/D 转换时间，其倒数为转换速率。目前，转换时间最短的是全并行式A/D转换器，转换时间可达为10ns。逐次比较式A/D转换器的转换时间可达0.4s，双积分A/D转换器的转换时间一般要大于4050s。采样定理和减小孔径误差都要求转换时间越小越好，转换速率越高越好。目前速度最快的全并行式A/D转换器价格比较贵，且分辨率低。双积分式 A/D 转换器速度慢，但价格便宜，抗干扰能力强。逐次比较式A/D转换器的速度和价格居中，分辨率远高于并行式A/D转换器，是目前种类最多、数量最大、应用最广的A/D转换器。,(7)转换精度 A/D
34、转换器的转换精度反映了实际A/D转换器的量化值与理想值的差值，可表示成绝对误差或相对误差。例如，手册上给出ADC0801八位逐次比较式A/D转换器的不可调整的总误差小于1/4LSB，如以相对误差表示则为 0.1。,逐次逼近式典型A/D转换器芯片有：(1)ADC0801ADC0805型8位MOS型A/D转换器(2)ADC0808/0809型8位MOS型A/D转换器(3)ADC0816/0817,典型芯片ADC0809介绍,ADC0809是一个8位8通道的AD转换器。,ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，它有8个模拟量输人通道，芯片内带通道地址译码锁存器，输出经三态输出数据锁存器，启动信号
35、为脉冲启动方式，每一通道的转换时间大约为100s。,A/D转换接口,ADC0809功能分析,CLK：时钟信号，可由单片机ALE信号分频得到。,转换有以下几步：,ALE信号上升沿有效，锁存地址并选中相应通道。ST信号有效，开始转换。A/D转换期间ST为低电平。EOC信号输出高电平，表示转换结束。OE信号有效，允许输出转换结果。,ADC0809和单片机的连接,通道选择表,1.首先分析各个通道的地址。(IN0到IN7的地址为0000H到0007H）,C、B、A输入的通道地址在ALE有效时被锁存，启动信号START启动后开始转换，但EOC是在START下降沿10s后才变为无效的低电平，这要求查询程序待
36、EOC无效后再开始查询，转换结束后由OE产生信号输出数据。,编程应用中断方式,编程：可采用中断、查询两种方式。,中断方式：ORG 0000H；主程序入口地址 AJMP MAIN；跳转主程序 ORG OO13H；中断入口地址 AJMP INT1；跳转中断服务程序 MAIN：SETB IT1；边沿触发 SETB EA；开中断 SETB EX1；允许中断 MOV DPTR，#0007H；指向0809 IN7通道地址,MOVX DPTR,A；启动A/D转换 SJMP$；等待中断INT1:MOVX A,DPTR；读A/D转换结果 MOV B,A；存数 RETI；返回,查询方式：ORG 0000H；主程序
37、入口地址 AJMP MAIN；跳转主程序 ORG 1000H；中断入口地址MAIN：MOV DPTR，#0007H；指向0809 IN7通道地址 MOVX DPTR,A；启动A/D转换 L1:JB P3.3 L1;查询 MOVX A,DPTR；读A/D转换结果 MOV B,A；存数 SJMP$,在机电一体化产品中，很多被控对象要求模拟量作控制信号，如交流电动机变频调速器、直流电动机调速器、滑差电动机调速器等，而计算机系统是数字系统，需要数字到模拟的转换接口，也即为D/A转换接口。,控制量输出接口,在机电一体化产品的控制系统中，当计算机完成控制运算处理后，通过输出通道向被控对象输出控制信号。计算
38、机输出的控制信号主要有三种形态：数字量、开关量和频率量，而被控对象接收的控制信号除上述三种直接由计算机产生的信号外，还有模拟量控制信号，该信号需通过D/A变换产生。,D/A转换接口,D/A转换器就是将每一位代码按“权”的分配进行模拟，具体地说，某一位二进制是“0”就不予理睬，某一位二进制是“1”就按该位的权的大小分配给一定的电压值。这里基准电压源是必不可少的。分配给一定电压往往是用不同电阻实现的。有了权电阻网络和基准电压，再加上电子开关就能组成最简单的D/A转换器。,D/A转换接口,R-2R网络型DA转换器主要由三部分构成，即R-2R电阻网络和受输入数字量控制的电子开关组及运算放大器构成的电流
39、电压转换器。电子开关组受输入二进制数据D0D7控制，当某一位为“1”时，电子开关闭合，当某一位为“0”时，则电子开关断开。,D/A转换基本原理,根据模拟电子技术知识，可知 这个电路并不实用，原因是各电阻相差太大，不宜集成。但这个电路给出了权电阻网络实现D/A转换的基本思想，实用电路原理都是以此为依据制作的。,D/A转换基本原理,典型芯片-DAC0832介绍,DAC0832是一个八位D/A转换器，转换时间1微秒，结构如下：,下图是DAC0832的内部结构，说明各部分的功能及作用,DAC0832的内部结构图,1、“8位输入寄存器”用于存放CPU送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由LE1控制
40、；2、“8位DAC寄存器”存放待转换的数字量，由LE2控制；3、“8位D/A转换电路”由R-2R型电阻网络和电子开关组成，R-2R型电阻网络输出和数字量成正比的模拟电流。4、寄存器输出控制逻辑电路由3个与门电路组成，该逻辑电路的功能是进行数据锁存控制，当/LE1(/LE2)=0时，输入数据被锁存；/LE1(/LE2)=1时，寄存器的输出跟随输入数据变化。,DAC0832功能分析,DI0-DI7：转换数据输入CS：片选信号,因此，DAC0832可以有三种工作形式：直通、单级锁存、两级锁存。,D/A转换器的种类及特点,D/A转换器的主要技术指标分辨率：分辨率通常用数字量的位数表示，如8位、10位、
41、12位、16位等。分辨率越高，对输入量的微小变化的反应越灵敏。输出形式：电压输出形式或电流输出形式。电流输出的D/A转换器，如需模拟电压输出，可在其输出端加一个I-V转换电路。输出信号范围：一般输出电压范围05V，010V，-5V+5V，-10V+10V等；一般输出电流的范围020mA。,D/A转换器的主要技术指标转换时间：完成一次DA转换所需的时间称为转换时间。不同型号、不同分辨率的器件，其转换时间长短相差很大，可能为几十纳秒到几微秒。工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻解码网络等产生影响，所以只有在一定的温度范围内才能保证额定的转换指标。较好的转换器件工作温度为-4085，较差者为0
42、70。,DA转换器的输入/输出特性,DAC是系统或设备中的一个功能学元，当把它接人系统或设备中与其他器件发生关系时，对不同用途的场合，它的输入/输出端有不同的要求。表示一个DA转换器输入/输出特性的有以下几个方面：输入/输出缓冲能力、输入码制、输入数据的宽度、是电流型还是电压型、是单极性输出还是多极性输出等。,DA转换器选择要点,在选用D/A芯片时，首先根据用户需要，合理选择转换速度、精度及分辨率以满足设计任务所要求的技术指标。但要注意到，一般情况下，位数愈多精度愈高，其转换的时间愈长；如果要求高速度又高精度，则芯片价格也就愈昂贵。其次是看芯片内部是否带有数据输入缓冲器，这一点在设计接口电路时
43、特别重要。,功率驱动接口,在机电一体化系统中，执行元件往往是功率较大的机电设备，如电磁铁、电磁阀、各类电动机、液动机及气缸等。微机控制系统后向通道输出的控制信号(数字量或模拟量)需要通过与执行元件相关的功率放大器才能对执行元件进行驱动，进而实现对机电系统的控制。在机电一体化系统中，功率放大器被称为功率驱动接口，其主要功能是把微机系统后向通道输出的弱电控制信号转换成能驱动执行元件动作的具有一定电压和电流的强电功率信号或液压气动信号。,功率驱动接口的分类和组成形式 功率驱动接口的组成原理及结构类型与控制方式、执行元件的机电特性及选用的电力电子器件密切相关，因此有不同的分类方式。根据功率驱动接口选用
44、的功率器件，功率驱动接口可分为功率晶体管、晶闸管、绝缘栅双极型晶体管、功率场效应管及专用功率驱动集成电路等多种类型。,功率驱动接口,根据控制方式，功率驱动接口分为锁相传动功率驱动接口、脉冲宽度调制型功率驱动接口、交流电动机调差调速功率驱动接口及变频调速功率驱动接口等。根据负载的供电特性，功率驱动接口可分为直流输出和交流输出两类，其中交流输出功率驱动接口又分为单相交流输出和三相交流输出。,功率驱动接口,开关型功率接口 在开关型功率接口中，微机输出的是开关量控制信号，执行元件工作于低频开关状态，如电磁阀、电磁铁、机器主电动机、电热器件、电光器件等。这类接口一般采用晶闸管触发驱动或继电器电路切换的方
45、法。常用的开关型功率接口主要有：光电耦合器驱动接口、晶闸管接口、继电器输出接口、固态继电器接口、大功率场效应管开关接口。,功率驱动接口,1光电藕合器 在控制微机和功率放大电路之间，常使用光电藕合器。光电藕合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当发光二极管二端加正向电压时被点亮，照射光敏晶体管使之导通，产生输出信号。,光电耦合器的特点：光电藕合器的信号传递采取电-光-电形式，发光部分和受光部分不接触，因此其绝缘电阻可高达1010以上，并能承受200OV以上的高压，被耦合的两个部分可以自成系统，能够实现强电部分和弱电部分隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微机。光电藕合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸
46、收尖峰干扰信号，所以具有很强的抑制干扰能力。光电藕合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和高速等优点，响应时间一般为数微秒以内，高速型光电藕合器的响应时间甚至小于10ns。,在接口电路设计中，应考虑光电藕合器的两个参数:电流传输比与时间延迟。电流传输比是指光电晶体管的集电极电流Ic与发光二极管的电流Ii之比。时间延迟是指光电藕合器在传输脉冲信号时，输出信号与输入信号的延迟时间。,右图中，当8031的P1.0为低电平时，设发光二极管中的电流为10mA，由于4N25的电流传输比20%，所以光敏晶体管中的电流Ic2mA，大功率晶体管把这个电流放大就可以带动步进电动机等负载。,功率驱动接口,晶闸管触发
47、驱动电路 晶闸管是目前应用最广的半导体功率元件之一，具有弱电控制，强电输出的特点。它可用于电动机的开关控制、电磁阀控制以及大功率继电器触发的控制，具有开关无噪声、可靠性高、体积小的特点。采用晶体管做成的各种固态继电器(SSR)已成为开关型功率接口优先选用的功率器件。晶闸管的型号和品种十分齐全，常用的有单向晶闸管SCR、双向晶闸管和可关断晶闸管GTO三种结构类型。,晶闸管功率接口电路的设计要点是触发电路的设计，微机输出的开关控制信号通常经脉冲变压器或光电藕合后加到晶闸管上。单向晶闸管又称可控硅整流器，其最大特点是有截止和导通两个稳定状态(开关作用)，同时又具有单向导电的整流作用。通过它可以用小的
48、功率信号控制大功率设备，因此在交直流电动机的调速、调功、伺服控制及无触点开关等方面均有广泛的应用。,功率驱动接口,(1)单向晶闸管(SCR)符号和原理如右图所示。SCR有三个极，分别为阳极A阴极K和控制极G(又称门极)从物理结构看，它是一个PNPN器件，其工作原理可以用一个PNP晶体管和一个NPN晶体管的组合来加以说明。SCR有截止和导通两个稳定状态，两种状态的转换可以由导通条件和关断条件来说明。,功率驱动接口,导通条件是指晶闸管从阻断到导通所需的条件，这个条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。关断条件是指晶闸管从导通到阻断所需要的条件。晶闸管一旦导通，控制极对晶闸管就不
49、起控制作用了。只有当流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的电流(维持电流)时，晶闸管才关断。,功率驱动接口,(2)双向晶闸管(TRIAC),双向晶闸管是双向导通的，它从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的过程，当负载是感性负载时(如电枢)，由于电流滞后于电压，有可能使,电压过零时电流仍存在，从而导致双向晶闸管失控(不关断)。为使双向晶闸管正常工作，应在其两主电极A1与A2间加RC电路。,功率驱动接口,(3)门极可关断晶闸管(GTO)内部结构及其符号如下图。当门极加上正控制信号时GTO导通，门极加上负控制信号时GTO截止。GTO是一种介于普通晶闸管和大功率晶体管之间的电力电子器件，它
50、既像SCR那样耐高压、通过电流大、价格便宜，又像GTR那样有自关断能力、工作频率高、控制功率小、线路简单、使用方便。,功率驱动接口,(4)光控晶闸管 是把光电藕合器件与双向晶闸管结合到一起形成的集成电路，其典型产品有MOC3041、MOC3021等。光控晶闸管的输入电流一般为l0100mA，输入端反向电压一般为6V；输出电流一般为1A，输出端耐压一般为400600V。光控晶闸管是特种晶闸管，大多用于驱动大功率的双向晶闸管。,功率驱动接口,(5)温控晶闸管 是一种小功率晶闸管，其输出电流一般为100mA左右。温控晶闸管的开关特性与普通晶闸管相同，性能优于热敏电阻、PN结温度传感器。温控晶闸管的温
