（一）计算机接口技术概述
在控制系统中，由计算机进行实时控制及数据处理，计算机所处理加工的信息是数 字量，而被控制对象的有关参量往往是一些连续变化的模拟量和一些开关量。如温度、
压力、流量、位置、速度和控制阀门开闭的电磁线圈、!"# 等等。因此必然将这些模拟 量和开关量转换为数字量以便送到计算机中进行处理，或把计算机加工处理的数字量 转换成模拟量和开关量以便对被控对象进行控制。此外，计算机配置的打印机、终端装 置、磁盘都必须用各式各样的输入输出接口来实现 $%& 的信号与外围设备之间的匹配 或转换，并由该接口提供适当的时序、控制信号、数据缓冲、同步协调、传送设备的状态 信息心及暂时保存数据等功能，由于篇幅限制，本节只介绍控制量的接口电路原理和选 择使用，以及 ’$( ) *+ , *- 单片微机的接口电路。
（二）模拟量接口
在一个计算机控制系统中，典型的模拟量接口是由多路模拟开关、采样 , 保持电路、
. , # 转换器、# , . 转换器等组成，其过程如图 / ) 0 ) 1+ 所示。
图 / ) 0 ) 1+ 典型计算机控制系统的模拟接口
传感器是把非电量的模拟量（如位置、速度、加速度、温度、压力、流量等）转换成电 压或电流信号。因此，传感器也称为非电量转换。常用的传感器有温度传感器、压力传
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感器、流量传感器、振动传感器和重量传感器、位置传感器等。
量程放大器把微弱的传感器信号（通常为毫伏或微伏级）放大到 ! " # 转换器所需 的量程范围。
低通滤波器降低噪声，滤去不必要的干扰，以增加信噪比。
多路开关可以使多个模拟信号共用一个 ! " # 转换器。但这仅适用于模拟信号变 化缓慢的过程。
采样 $ 保持电路，由于模拟信号是连续不断地在变化，而 ! " # 转换总需要一定时 间，所以需要把转换的信号采样后，还应保护一段时间，以便给 ! " # 转换器转换。
! " # 转换器和 # " ! 转换器则通过相应的 ! " # 转换和 # " ! 转换把模拟量转换成数 字量和数字量转换成模拟量。
% & 模拟信号的采样与保持
图 % $ ’ $ () 采样过程
（%）采样过程
采样过程如图 % $ ’ $ () 所示。一个时间连续的信号通过模拟开关 ! 每隔一定的 时间间隔 " 闭合一次，在开关的输出端形成一连串的脉冲信号。我们称这种把时间连 续的信号变成一连串不连续的脉冲信号的过程为采样过程或离散过程。
采样后的脉冲序列 #!（ $）是离散信号，称为采样信号。*、" 、( " ……各时间点称 为采样时刻，" 称为采样周期，! 称为保持时间，供 ! " # 转换用。
根据香农（+,-../.）定理，如果随时间变化的模拟信号的最高频率为 #0-1，只要使 采样频率 # "( #0-1进行采样，那么取出的样品序列 #!%（ $）、#!(（ $）、……就足以代表 #
（ $）。因此，只要我们根据不同的过程参数，选择适当的采样周期 " ，就不会失去信号 的主要特征，使得采样信号 #!（ $）能如实反映被采样信号 #（ $）。实际使用中常取 # "
（2 3 %*）#0-1。
（(）采样 " 保持器及其选用原则
在 % " & 进行转换期间，为提高系统的转换精度，需加采样 " 保持电路，最基本的采 样 " 保持器由模拟开关 ’、保持电容 ()和缓冲放大器组成，如图 % $ ’ $ (4（-）所示。当 控制信号 *5为采样电平时，+ 导通，保持电容充电，这时，输出电压 ** 跟踪输入电压 变化，当控制信号 *5为保持电平时，’ 断开，输出电压保持在模拟开关断开瞬间的输
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入信号值，如图 ! " # " $%（ !）所示。
图 ! " # " $% 采样 & 保持器原理图
采样 & 保持器选用时考虑的主要因素有：
!孔径时间 "#$。在采样 & 保持器中，由于模拟开关有一定的动作滞后，在保持命 令发出后直到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间 "#$。由于采样 & 保持器仍 然具有一定的孔径时间，’ & ( 采样时间被额外地延迟了。
"捕捉时间 "#%。采样 & 保持器的状态逻辑控制信号 &)由“保持”电平转为“采样”
电平之后，其输出电压 &* 将从原保持值过渡到跟迹信号 &’(值，这段时间称为捕捉时 间 "#%。它包括模拟开关的导通延迟时间和建立跟踪的稳定过程时间。显然，’ & ( 转 换的采样周期必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分地采集到输入模拟信号 &’(。
目前采样 & 保持电路大都做成集成电路芯片。最常用的有 +,!-% 和 ’(.%$，它是 由一个高性能的运放、低漏电阻的模拟开关和一个放大器组成。它有较低的捕捉时间
（最低为 /#0），有较高的采样 & 保持电流化（即 ’ & %)）可达 !*1，有较高的输入阻抗（约
#*2$），输入信号可达到供电电源电压的范围，适用 !$ 位的 ’ & ( 转换器。
$ 3 模 & 数转换器
（!）模 & 数转换的原理
完成 ’ & ( 转换的方法有很多，最常用的有逐次逼近式和积分式。
!逐次逼近的 ’ & ( 转换器原理
逐次逼近的 ’ & ( 转换器是由一个比较器、( & ’ 转换器和一些控制逻辑电路组成，
如图 ! " # " $- 所示。
它的转换方式类似于用天平称物体，先用一颗最重砝码来称，若小于物体的重量，
该砝码保留。再加一颗比它轻一半的砝码一起来称，若此时大于物体的重量，则把刚加 的砝码拿去。再加一颗比它还轻一半的砝码一起来称，……就这样，如果大于物体重 量，就把刚加的砝码拿去，再加一颗比它轻一半的砝码；如果小于物体重量，就继续加较 小的砝码，直至砝码的重量等于物体重量为止。
逐次逼近式 ’ & ( 转换的具体过程如下：转换开始时，使 ( & ’ 转换器输出的各位为 - —
— 1
“!”。启动转换后，先使最高位 !" " #置“#”，它经 $ % & 转换后，得到一个模拟电压 #$， 把 #$和输入模拟电压 #$相比较，若 #$’ #$，由控制逻辑电路保留最高位的“#”；若 #%
( #$，则该位为“!”。然后使下一位 !" " )置“#”，它和 !" " #一起经 $ % & 转换后得到的
#$再和 #% 比较。由 #%’ #$，还是 #%( #$决定 !" " )*“!”还是“#”。重复上述类似 过程，直至最低位。最后所得的数值 !" " #!" " )… !#!! 就是输入模拟电压 #% 转换得 到的数字量。
图 # " + " ), 逐次逼近式 & % $ 转换器原理图
逐次逼近式的 & % $ 转换器由于精度高、转换速度快，所以应用很广泛。它的精度、
线性和速度取决于 $ % & 转换网络的位数、基准电压和比较器的性能。
!积分式 & % $ 转换原理
积分式 & % $ 转换的原理是将输入电压变换成与它的平均值成正比的时间间隔，然 后用脉冲发生器和计数器测量时间间隔。它的工作原理如图 # " + " +! 所示。
图 # " + " +! 积分式 & % $ 转换器原理图
工作过程分为采样和比较（测量）两个阶段。
在第一阶段，开关 &#将输入电压 ’()接到积分器的输入端进行固定时间的积分，
积分器从原始状态（! 伏输出）开始积分，积分时间为 *#。当积分到 *#时，积分器输出 为：
! —
—
-!"#$! " #
-!量化误差与分辨率
! " # 转换器的分辨率习惯上以输出二进制数或者 $%# 码位数表示。与一般测量 仪表的分辨率表达方式不相同，不采用可分辨的输入模拟电压相对值表示。例如：一
&’ 位 ! " # 转换器，即该转换器的输出数据可以用 ’&’个二进制数进行量化，其分辨力为
&()$。如果有百分数来表示分辨率时，其分辨率为
& " ’!* &++, - & " ’&’* &++, - & " . +/0 * &++, - + 1 +’..,
量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于有限数字对模拟数值进行离散取值
（量化）而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位分辨率，即 2 & " ’()$。提高 分辨率可减少量化误差。
"转换精度
! " # 转换器转换精度反映了一个实际 ! " # 转换器在量化值上与一个理想 ! " # 转 换器进行模 " 数转换的差值，可表示成绝对误差或相对误差，与一般测试仪表的定义相 似。例如手册上给出 !#%+3+& 八位逐次比较式 ! " # 转换器的不可调整的总误差为!
2 & " .()$，如以相对误差表示则为 + 1 &,。
! " # 转换器的精度指标是反映实际 ! " # 转换器与理想 ! " # 转换器的差别。既然 理想 ! " # 转换器存在着量化误差，那么实际的 ! " # 转换器无疑也存在着量化误差。
精度所对应的误差指标是不包括量化误差的。例如精度指标为! 2 & " .()$ 的某 ! " # 转换器的一小段传递特性可能如图 & 4 5 4 5’ 所示。由图可见它的实际测量值与标称 值之间的最大偏差量可达 2 & " ’ 6 2 & " .()$。
#转换时间与转换速率
! " # 转换器完成一次转换所需要的时间为 ! " # 转换时间。通常，转换速率是转换 时间的倒数。
$失调（零点）温度系数和增益温度系数
这两项指标都是表示 ! " # 转换器受环境温度影响的程度。一般用每摄氏度温度 变化所产生的相对误差作为指标，以 778 " 9为单位表示。
图 & 4 5 4 5’ ! " # 转换精度指标!& " .()$ 的实际传递特性
%对电源电压变化的抑制化
! " # 转换器对电源电压的抑制比（ "#$$ ）用改变电源电压使数据发生 2 &()$ 变 化时所对应的电源电压变化范围来表示。
（5）! " # 转换器的选择
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在选择 ! " # 转换器时，最主要考虑精度要求。目前工业控制中用的 ! " # 转换器，
一般为 $ % &’ 位。其次是转换时间和转换率。例如转换时间是 ()!*，转换率是 +),-.。
这就说明该系统的采样频率最高为 +),-.。对于快速系统，这个参数很重要。此外，还 要根据模拟量输入通道的指标来选择，等等。
（’）/01 2 34 单片机的 ! " # 接口
"! " # 转换器原理
$)34 片内集成了模拟采集模块，它包括一个 ’ 通道的模拟多路转换开关，采样—
保持电路以及 &) 位的模数转换器（如图 & 2 5 2 55 所示）。$)3$ 可任选某一模拟通道，
对输入的模拟信号进行采样和保持并将其转换成数字信号。当采用 &(/-. 晶振时，
! " # 转换器完成一次变换所需的时间为 ((!*。
图 & 2 5 2 55 $)3$ ! " # 转换器方框图
$)3$ 的 ! " # 转换器采用的是逐次比较方式来完成模拟 " 数字信号的转换。转换 器硬件由 (+4 个梯形电阻网络、一个比较器、耦合电容及 &) 位的逐次比较寄存器
（1!6）组成。梯形网络提供 ()78 的步进电压（ !69:; + < &(8），而耦合电容再由 ()78 的阶梯电压产生 +78 的步进电压。因此，共有 &)(’ 个内部基准电压与模拟输入信号 来进行比较，其结果是产生 &) 位的数字信号输出。
#! " # 转换器的控制
$)3$! " # 转换器完成一次变换需 $$ 个状态周期（&(/ -. 时钟时为 ((!*），其中采 样时间为 ’ 个状态周期（&!*）。当输入电压为 !"#（) % +8 时），! " # 转换器的输出结果
$)3$! " # 转换器完成一次变换需 $$ 个状态周期（&(/ -. 时钟时为 ((!*），其中采 样时间为 ’ 个状态周期（&!*）。当输入电压为 !"#（) % +8 时），! " # 转换器的输出结果