通道模拟量输入电路课件

计算机控制系统计算机控制系统主讲教师主讲教师:路飞路飞山东大学网络教育学院山东大学网络教育学院计算机控制系统1第第4 4章章 过程输入输出通道接口技术过程输入输出通道接口技术 本章要点本章要点 1 1多路开关、采样保持等环节的功能作用多路开关、采样保持等环节的功能作用 2 2模拟量输入通道的结构组成模拟量输入通道的结构组成 3 38 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809芯片及其接口电路芯片及其接口电路 4.4.模拟量输入通道的结构组成模拟量输入通道的结构组成 5 58 8位位D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832芯片及其接口电路芯片及其接口电路第4章 过程输入输出通道接口技术 本章要点2v 4.1 4.1 概述概述 v 4.2 4.2 模拟量输入通道模拟量输入通道v 4.3 8 4.3 8位位A/DA/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术v 4.4 12 4.4 12位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574Av 4.5 4.5 模拟量输出通道模拟量输出通道 v 4.6 8 4.6 8位位D/AD/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术v 4.7 12 4.7 12位位D/AD/A转换器转换器DAC1208DAC1208v 4.8 4.8 过程通道的抗干扰与可靠性设计过程通道的抗干扰与可靠性设计v 本章小结本章小结v 思考题思考题 本章主要内容本章主要内容 4.1 概述 本章主要内容34.1 4.1 概述概述 本本节节主主要要介介绍绍采采样样定定理理、采采样样/保保持持器和多路模拟开关。器和多路模拟开关。v 4.1.1 4.1.1 信号和采样定理信号和采样定理 v 4.1.2 4.1.2 采样采样/保持器保持器 v 4.1.3 4.1.3 模拟开关模拟开关v 4.1.4 32 4.1.4 32 通道模拟量输入电路设计通道模拟量输入电路设计4.1 概述 本节主要介绍采样定理、采样/保持44.1.1 4.1.1 信号和采样定理信号和采样定理u信号类型信号类型:在计算机控制系统中常用的三种信号是在计算机控制系统中常用的三种信号是:模拟（连续）信号模拟（连续）信号离散模拟信号离散模拟信号数字（离散）信号数字（离散）信号4.1.1 信号和采样定理信号类型:54.1.1 4.1.1 信号和采样定理信号和采样定理u信号类型信号类型:模拟信号模拟信号采样器采样器A/DA/D计算机计算机D/AD/A保持器保持器模拟信号模拟信号信息输入信息输入信息处理信息处理信息输出信息输出时间时间信号信号连续连续模拟模拟离散离散模拟模拟离散离散数字数字离散离散数字数字离散离散模拟模拟连续连续模拟模拟图图4-14-1计算机前后的信息转换计算机前后的信息转换4.1.1 信号和采样定理信号类型:模拟信号采样器A/D计算64.1.1 4.1.1 信号和采样定理信号和采样定理离散系统或采样数据系统离散系统或采样数据系统-把连续变化的量变成离把连续变化的量变成离 散量后再进行处理的计算机控制系统。散量后再进行处理的计算机控制系统。离散系统的采样形式离散系统的采样形式-有周期采样、多阶采样和随机有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。采样。应用最多的是周期采样。周期采样周期采样-就是以相同的时间间隔进行采样，即把一就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号个连续变化的模拟信号y y(t t)，按一定的，按一定的时间间隔时间间隔T T 转变为在瞬时转变为在瞬时0 0，T T，2 2T T，的一连串脉冲序列信号的一连串脉冲序列信号 y y*(*(t t)，如图，如图4-24-2所示。所示。u采样过程的数学描述采样过程的数学描述:4.1.1 信号和采样定理采样过程的数学描述:7采样的常用术语：采样的常用术语：采样器或采样开关采样器或采样开关-执行采样动作的装置执行采样动作的装置采样时间或采样宽度采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时间采样开关每次闭合的时间采样周期采样周期T-T-采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔 在实际系统中，在实际系统中，T T ，也就是说，可以近似地认为采样，也就是说，可以近似地认为采样信号信号y y*(*(t t)是是y y(t t)在采样开关闭合时的瞬时值在采样开关闭合时的瞬时值。图4-2 信号的采样过程 采样的常用术语：图4-2 信号的采样过程 8 由经验可知，采样频率越高，采样信号由经验可知，采样频率越高，采样信号 y*y*(t t)越接近原信越接近原信号号y y(t t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号样信号y y*(*(t t)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号y*y*(t t)能完全复现原信号能完全复现原信号y y(t t)，采样频率，采样频率f f 至少要为原信号最高有效至少要为原信号最高有效频率频率f fmaxmax的的2 2倍，即倍，即f f 2f 2fmaxmax。采样定理给出了采样定理给出了y*y*(t t)唯一地复现唯一地复现y y(t t)所必需的最低采样所必需的最低采样频率。实际应用中，常取频率。实际应用中，常取f f （510510）f fmaxmax。4.1.1 4.1.1 信号和采样定理信号和采样定理u采样定理采样定理:由经验可知，采样频率越高，采样信号 y*(t)越接94.1.24.1.2采样采样/保持器保持器 采样采样/保持器的作用保持器的作用在采样时在采样时,其输出能其输出能够跟随输入变化够跟随输入变化,而在保持状态时而在保持状态时,能使其输出能使其输出值不变值不变.保持器是在两次采样的间隔时间内，一保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如图组成原理电路与工作波性如图4-3(a)4-3(a)、(b)(b)所示。所示。4.1.2采样/保持器 采样/保持器的作用在采样10图图4-3 4-3 采样保持器采样保持器OUTVINVtt 路电理原)a(性波作工)b(采样保持ININV VS/HV VOUTOUT工作方式工作方式图4-3 采样保持器OUTVINVtt 路电理原)a(性波114.1.24.1.2采样采样/保持器保持器l采样采样/保持器的工作原理保持器的工作原理 采样采样/保持器主要由模拟开关、保持元件保持器主要由模拟开关、保持元件C C、缓、缓冲放大器组成。冲放大器组成。控制控制图图4-4 4-4 采样采样/保持器电路保持器电路4.1.2采样/保持器采样/保持器的工作原理控制图4-4 124.1.24.1.2采样采样/保持器保持器l采样采样/保持器的工作原理保持器的工作原理 当开关当开关K K闭合时，输入信号通过电阻向电容闭合时，输入信号通过电阻向电容C C充电，使输出充电，使输出跟随输入变化此时为采样状态；要求充电时间越短越好，跟随输入变化此时为采样状态；要求充电时间越短越好，以使电容电压迅速达到输入电压值。以使电容电压迅速达到输入电压值。当开关当开关K K断开时，由于电容具有一定的容量，仍能够使输断开时，由于电容具有一定的容量，仍能够使输出保持不变，此时为保持状态；电容维持稳定电压的时间出保持不变，此时为保持状态；电容维持稳定电压的时间越长越好，电容容量的大小将决定采样越长越好，电容容量的大小将决定采样/保持器的精度。保持器的精度。4.1.2采样/保持器采样/保持器的工作原理134.1.24.1.2采样采样/保持器保持器l常用的采样常用的采样/保持器保持器 常用的采样常用的采样/保持器有：保持器有：AD582AD582、AD583AD583、LF198/298/398LF198/298/398等等l采样保持器的用途：采样保持器的用途：保持模拟量信号不变，以便完成保持模拟量信号不变，以便完成A/DA/D转换；转换；同时采样几个模拟信号，以便进行数据处理和测量；同时采样几个模拟信号，以便进行数据处理和测量；减少减少D/AD/A转换器的输出转换器的输出“毛刺毛刺”；把一个把一个D/AD/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出电压的稳定性电压的稳定性4.1.2采样/保持器常用的采样/保持器144.1.34.1.3模拟开关模拟开关l在用计算机进行测量和控制中，经常需要有多路和多参数的采在用计算机进行测量和控制中，经常需要有多路和多参数的采集与控制，如果每一路单独采用各自的输入回路，会造成成本集与控制，如果每一路单独采用各自的输入回路，会造成成本高、体积庞大等问题，因此通常采用公共的采样高、体积庞大等问题，因此通常采用公共的采样/保持及保持及A/DA/D转转换电路，为实现这种设计，往往采用多路模拟开关；换电路，为实现这种设计，往往采用多路模拟开关；l由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选1 1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。4.1.3模拟开关在用计算机进行测量和控制中，经常需要有多路15 目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(CD4051(双向、单端、双向、单端、8 8路路)、CD4052(CD4052(单向、双端、单向、双端、4 4路路)、AD7506(AD7506(单向、单端、单向、单端、1616路路)等。所谓等。所谓双向双向，就，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而到多的切换；而单向单向则只能完成多到一的切换。则只能完成多到一的切换。双双端端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。本节主要讲解本节主要讲解CD4051CD4051。4.1.34.1.3模拟开关模拟开关 目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有164.1.34.1.3模拟开关模拟开关1 162 153 144 135 126 117 10 8 946COM75INHVEEVSSVDD2103ABC图图4-5 CD40514-5 CD4051引脚图引脚图INH为禁止端，高为禁止端，高电平时，八个通道电平时，八个通道全部禁止；全部禁止；INH为为低电平时，由低电平时，由A、B、C决定选通的通道，决定选通的通道，COM为公共端。为公共端。4.1.3模拟开关1 174.1.34.1.3模拟开关模拟开关输入入接通通道接通通道INHCBA00000000110010200113010040101501106011171禁止禁止CD4051CD4051真值表真值表4.1.3模拟开关输入接通通道INHCBA000000001184.1.4 244.1.4 24通道模拟量输入电路设计通道模拟量输入电路设计 当采样通道多至当采样通道多至2424路时，可以将路时，可以将3 3个个8 8路路40514051并联并联起来，组成起来，组成1 1个个2424路开关。路开关。例题例题3-1 3-1 试用试用3 3个个CD4051CD4051扩展成一个扩展成一个2424路的模拟开路的模拟开关。关。例题分析：例题分析：图图4-64-6给出了三个给出了三个CD4051CD4051扩展为扩展为124124路路模拟开关的电路。数据总线模拟开关的电路。数据总线D2D0D2D0作为通道选择信号，作为通道选择信号，D4D3D4D3 用来控制哪个用来控制哪个CD4051CD4051被选中。如此，组成一个被选中。如此，组成一个2424路的模拟开关。路的模拟开关。4.1.4 24通道模拟量输入电路设计 当采样通道多19VDD 0VEE 1A 2B 3C 4INH 5OUT 6VSS 7+12V-6VAIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7 VCC1D 1Q2D 2Q3D 3Q4D 4Q5D 5Q6D 6Q7D 7Q8D 8QCLK CLR GNDVDD 0VEE 1A 2B 3C 4INH 5OUT 6VSS 7+12V-6VAIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7VDD 0VEE 1A 2B 3C 4INH 5OUT 6VSS 7+12V-6VAIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7+5VD0D7CHSEL+5VA Y0B Y1C Y2G1 Y3G2AG2BGNDA/D转换器74HC138CD405110K图图4-6 244-6 24通道模拟量输入电路通道模拟量输入电路74HC273VDD 0+12V-620假设选中假设选中AIN12AIN12通道通道,则通道控制字为则通道控制字为4CH4CHD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 选中通道选中通道控制字控制字 1 0 0 0 0 0 0 AIN0 40H 1 0 0 0 0 0 1 AIN1 41H 1 0 0 0 0 1 0 AIN2 42H 1 0 0 0 0 1 1 AIN3 43H 1 0 0 0 1 0 0 AIN4 44H 1 0 0 0 1 0 1 AIN5 45H 1 0 0 0 1 1 0 AIN6 46H 1 0 0 0 1 1 1 AIN7 47H 1 0 0 1 0 0 0 AIN8 48H 1 0 0 1 0 0 1 AIN9 49H 1 0 0 1 0 1 0 AIN10 4AH 1 0 0 1 0 1 1 AIN11 4BH 1 0 0 1 1 0 0 AIN12 4CH 1 0 1 0 1 1 1 AIN23 57H假设选中AIN12通道,则通道控制字为4CHD7 D6 21图414 32通道模拟量输入电路 74HC13874HC273 VCC1D 1Q2D 2Q3D 3Q4D 4Q5D 5Q6D 6Q7D 7Q8D 8QCLK CLR GNDA/D转换器D0D7CHSEL10k+5VD0D1D2D3D4D5D6D7+5VA Y0B Y1C Y2G1 Y3G2AG2BGNDCD4051AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7+12V6VVDD 0VEE 1A 2B 3C 4INH 5OUT 6VSS 7 CD4051AIN8AIN9AIN10AIN11AIN12AIN13AIN14AIN15+12V6VVDD 0VEE 1 A 2B 3C 4INH 5OUT 6VSS 7 CD4051AIN16AIN17AIN18AIN19AIN20AIN21AIN22AIN23+12V6VVDD 0VEE 1A 2B 3C 4INH 5OUT 6VSS 7 CD4051AIN24AIN25AIN26AIN27AIN28AIN29AIN30AIN31+12V6VVDD 0VEE 1A 2 B 3C 4INH 5OUT 6VSS 7 图414 32通道模拟量输入电路 74HC1387422图415 通道控制字 D7D6 D5 D4D3D2D1D0选中通道 控制字未用为01000000AIN0 40H1000001AIN1 41H1000010AIN242H1000011AIN343H1000100AIN444H1000101AIN545H1000110AIN646H1000111AIN747H1001000AIN848H1001001AIN949H1001010AIN104AH1001011AIN114BH1001100AIN124CH1001101AIN134DH1001110AIN144EH1001111AIN154FH1010000AIN1650H 1010001AIN1751H1010010AIN1852H1010011AIN1953H0101000AIN2054H1010101AIN21 55H1010110AIN2256H1010111AIN2357H1011000AIN2458H1011001AIN2559H1011010AIN265AH1011011AIN275BH1011100AIN285CH1011101AIN295DH1011110AIN305EH1011111AIN315FHG1CBACBA74HC138 CD4051图415 通道控制字 D7D6 234.2 模拟量输入通道v 4.2.1 4.2.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成 v 4.2.2 A/D 4.2.2 A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 v 4.2.3 4.2.3 量化量化v 4.2.4 A/D 4.2.4 A/D转换器的技术指标转换器的技术指标4.2 模拟量输入通道 4.2.1 模拟量输入通道的组成24 模拟量输入通道的任务模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。成计算机可以接收的数字量信号。结构组成如图结构组成如图4-74-7所示，来自于工业现场传感器或所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。4.2.1模拟量输入通道的组成 模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度25 显然，该通道的核心是模显然，该通道的核心是模/数转换器即数转换器即A/DA/D转换器，通常转换器，通常把模拟量输入通道称为把模拟量输入通道称为A/DA/D通道或通道或AIAI通道。通道。过程参数检测信号处理信号处理信号处理模拟开关 放大器采样-保持A/D接口CPU总线CPU总线控制图图4-7 4-7 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成 显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常264.2.2 A/D转换器的工作原理 一个逐次逼近式一个逐次逼近式A/DA/D转换器是由逐次逼近寄存转换器是由逐次逼近寄存器器SARSAR、D/AD/A转换器、运算比较器、时序及控制逻转换器、运算比较器、时序及控制逻辑电路、等组成。现以辑电路、等组成。现以4 4位位A/DA/D转换器把模拟量转换器把模拟量9 9转转换为二进制数换为二进制数10011001为例，说明逐次逼近式为例，说明逐次逼近式A/DA/D转换转换器的工作原理。器的工作原理。如图如图4-8(a)4-8(a)所示。所示。1 1 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换原理转换原理4.2.2 A/D转换器的工作原理 一个逐次逼近式A/27 图图4-8 4-8(a)逐位逼近式逐位逼近式A/DA/D转换原理图转换原理图 时序及控制逻辑SARD/A转换比较器比较器数字量输出基准电压VxVC转换命令状态线 图4-8(a)逐位逼近式A/D转换原理图 时序及控制28 当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器的最高位首先使寄存器的最高位D3 D3 1 1，其余为，其余为0 0，此数字量此数字量10001000经经D/AD/A转换器转换成模拟电压即转换器转换成模拟电压即V VC C 8 8，送到比较器输入端，送到比较器输入端与被转换的模拟量与被转换的模拟量V Vx x=9=9进行比较，控制逻辑根据比较器进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当的输出进行判断。当V Vx x V VC C ，则保留，则保留D3=1D3=1；再对下一位再对下一位D2D2进行比较进行比较，同样先使，同样先使D2 D2 1 1，与上一位，与上一位D3D3位位一起即一起即11001100进入进入D/AD/A转换器，转换为转换器，转换为 V VC C 12 12再进入比较器，再进入比较器，与与 V Vx x 9 9比较，因比较，因 V Vx x V VC C ，则使，则使D2 D2 0 0；再下一位再下一位D1D1位也是如此位也是如此，D1 D1 1 1即即10101010，经，经D/AD/A转换为转换为 V VC C =10=10，再与，再与V Vx x 9 9比较，因比较，因 V Vx x V VC C ，则使，则使D1 D1 0 0；最后一位最后一位D0 D0 1-1-即即10011001经经D/AD/A转换为转换为 V VC C 9 9，再与，再与 V Vx x 9 9比较，因比较，因 V Vx x V VC C ，保留，保留D0 D0 1 1。比较完毕，寄存器中的。比较完毕，寄存器中的数字量数字量10011001即为模拟量即为模拟量9 9的转换结果，存在输出锁存器中等的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。待输出。当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，29逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换器的优点优点:精度高精度高;转换速度较快转换速度较快;转换时间固定。因而特别转换时间固定。因而特别适合于计算机数据采集系统和控制系统的模拟量适合于计算机数据采集系统和控制系统的模拟量输入通道。输入通道。缺点：缺点：抗干扰能力弱，信号变化率较高时，会产抗干扰能力弱，信号变化率较高时，会产生较大生较大 的线性误差。的线性误差。逐次逼近式A/D转换器的优点:302 2 双积分式双积分式A/DA/D转换原理转换原理 该方法的基础是测量两个时间：一个是该方法的基础是测量两个时间：一个是模拟输入电压向电容充电的固定时间；另一模拟输入电压向电容充电的固定时间；另一个是在已知参考电压下放电所需要的时间。个是在已知参考电压下放电所需要的时间。模拟输入电压与参考电压的模拟输入电压与参考电压的 比值就等于上述比值就等于上述两个时间值之比。两个时间值之比。4.2.2 A/D转换器的工作原理2 双积分式A/D转换原理 该方法的基础是测量两个时间31时钟时钟控制逻辑控制逻辑计数器计数器转换开始转换开始数字量输出数字量输出转换结束转换结束基准电压基准电压输入模拟电压输入模拟电压V VX X积分器积分器比较器比较器 图图4-8 4-8(b)双积分式双积分式A/DA/D转换器组成框图转换器组成框图 时钟控制逻辑计数器转换开始数字量输出转换结束基准电压输入模拟32 图图4-8 4-8(c)双积分式双积分式A/DA/D转换器原理图转换器原理图 积分输出积分输出0 0tA AB BT T固定积分时间固定积分时间T T1 1正比于输入电压正比于输入电压T T2 2 图4-8(c)双积分式A/D转换器原理图 积分输出033优点：消除干扰和电源噪声的能力强，精度高；优点：消除干扰和电源噪声的能力强，精度高；缺点：转换速度慢；缺点：转换速度慢；在信号变化缓慢，模拟量输入速率要求较低，转在信号变化缓慢，模拟量输入速率要求较低，转换精度要求较高且现场干扰比较严重的情况下，换精度要求较高且现场干扰比较严重的情况下，有时可以采用这种有时可以采用这种A/DA/D转换器。转换器。优点：消除干扰和电源噪声的能力强，精度高；344.2.3 4.2.3 量化量化量化与量化误差量化与量化误差 将时间连续、幅值连续的模拟量转换为以二将时间连续、幅值连续的模拟量转换为以二进制数码表示的数字量过程是一个采样和量化的进制数码表示的数字量过程是一个采样和量化的过程。过程。量化量化：用有限字长的一组数码和二进制数码去：用有限字长的一组数码和二进制数码去整量化或逼近时间离散幅值连续的采样信号。整量化或逼近时间离散幅值连续的采样信号。对对n n位字长的位字长的A/DA/D转换器，若满度（满量程）输转换器，若满度（满量程）输入的模拟量值表示为入的模拟量值表示为FSRFSR，则量化单位，则量化单位q q：q q=FSR/2=FSR/2n n 量化误差量化误差：由量化引起的误差，表征为：由量化引起的误差，表征为4.2.3 量化量化与量化误差354.2.3 4.2.3 量化量化编码编码 在计算机控制系统中使用的编码形式有多种。在计算机控制系统中使用的编码形式有多种。选用不同的编码形式，不仅影响到选用不同的编码形式，不仅影响到A/DA/D转换器的转换器的结构和性能，而且影响到处理这一数字量时的编结构和性能，而且影响到处理这一数字量时的编码变换操作。常用的编码有：码变换操作。常用的编码有：单极性编码单极性编码：最常用的单极性编码是二进制：最常用的单极性编码是二进制数码。数码。双极性编码双极性编码：常用的双极性编码有：符号：常用的双极性编码有：符号-数数值码；偏移二进制码；补码表示法。值码；偏移二进制码；补码表示法。4.2.3 量化编码36（1 1）分辨率）分辨率 分辨率是指分辨率是指A/DA/D转换器对微小输入信号变化的转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如如8 8位、位、1010位、位、1212位等。分辨率为位等。分辨率为n n，表示它可以，表示它可以对满刻度的对满刻度的1/21/2n n的变化量作出反应。即：的变化量作出反应。即：分辨率分辨率=满刻度值满刻度值/2/2n n 4.2.4 A/D4.2.4 A/D转换器的技术指标转换器的技术指标（1）分辨率4.2.4 A/D转换器的技术指标37（2）转换精度转换精度 A/D A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。误差来表示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/DA/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。差，零点误差和非线性误差等。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对般用百分数来表示，对A/DA/D转换器常用最低有效值转换器常用最低有效值的位数的位数LSBLSB（Least Significant Bit)Least Significant Bit)来表示来表示:1LSB=1 1LSB=1 2 2n n 。4.2.4 A/D4.2.4 A/D转换器的技术指标转换器的技术指标（2）转换精度 4.2.4 A/D转换器的技术指标38 例如，对于一个例如，对于一个8 8位位0 0 5V 5V的的A/DA/D转换器，转换器，如果其相对误差为如果其相对误差为1LSB1LSB，则其绝对误差为，则其绝对误差为19.5 mV19.5 mV，相对百分误差为，相对百分误差为0.390.39。一般来。一般来说，位数说，位数n n越大，其相对误差（或绝对误差）越大，其相对误差（或绝对误差）越小。越小。例如，对于一个8位0 5V的A/D转换器，如果39（3 3）转换时间）转换时间 A/D A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式转换时间。如逐位逼近式A/D A/D 转换器的转换转换器的转换时间为微秒级，典型值为时间为微秒级，典型值为1.0 1.0 200us 200us；双积；双积分式分式A/DA/D转换器的转换时间为毫秒级。转换器的转换时间为毫秒级。4.2.4 A/D4.2.4 A/D转换器的技术指标转换器的技术指标（3）转换时间4.2.4 A/D转换器的技术指标404.2.4 A/D4.2.4 A/D转换器的技术指标转换器的技术指标（4 4）电源灵敏度：）电源灵敏度：用相当于同样变化的模拟输入用相当于同样变化的模拟输入值的百分数表示；值的百分数表示；（5 5）对基准电源的要求：）对基准电源的要求：基准电源的精度将对整基准电源的精度将对整个系统的精度产生影响，因此在选片时应考虑是个系统的精度产生影响，因此在选片时应考虑是否外加精密参考电源等。否外加精密参考电源等。4.2.4 A/D转换器的技术指标（4）电源灵敏度：用相当于414.3 84.3 8位位A/DA/D转换器及其接口电路转换器及其接口电路主要知识点主要知识点v 1 1、ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍v 2 2ADC0809ADC0809接口电路接口电路v 3.8 3.8位位A/DA/D转换器的程序设计转换器的程序设计4.3 8位A/D转换器及其接口电路主要知识点 1、ADC424.3.1 ADC08094.3.1 ADC0809芯片介绍芯片介绍1 1、ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍 8 8位逐位逼近式位逐位逼近式A/DA/D转换器转换器 分辨率为分辨率为1/21/28 8 0.39%0.39%模拟电压转换范围是模拟电压转换范围是 0-+5 V 0-+5 V 标准转换时间为标准转换时间为100100 s s 采用采用2828脚双立直插式封装脚双立直插式封装4.3.1 ADC0809芯片介绍1、ADC0809芯片介绍43 图4-9 ADC0809内部内部结构及引脚构及引脚 图4-9 ADC0809内部结构及引脚44各引脚功能如下各引脚功能如下：IN0IN0IN7IN7：8 8路模拟量输入端。允许路模拟量输入端。允许8 8路模拟量分时输入，共路模拟量分时输入，共用一个用一个A/DA/D转换器。转换器。ALEALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存存3 3位通道选择信号。位通道选择信号。A A、B B、C C：3 3位地址线即模拟量通道选择线。位地址线即模拟量通道选择线。ALEALE为高电平时，为高电平时，地址译码与对应通道选择见表地址译码与对应通道选择见表3-2 3-2。STARTSTART：启动：启动A/DA/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动转换器内部清零，下降沿时启动A/DA/D转换。转换。EOCEOC：转换结束信号，输出，高电平有效。：转换结束信号，输出，高电平有效。OEOE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将态输出缓冲器，将A/DA/D转换得到的转换得到的8 8位数字量送到数据总线上。位数字量送到数据总线上。D0D0D7D7：8 8位数字量输出。位数字量输出。D0D0为最低位，为最低位，D7D7为最高位。由于为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。各引脚功能如下：45CLOCKCLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz640kHz时，时，A/DA/D转换时间为转换时间为100100 s s。V VREFREF(+)(+)，V VREFREF(-)(-)：基准电压源正、负端。取决于被：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常转换的模拟电压范围，通常V VREFREF(+)=(+)=5V DC5V DC，V VREFREF(-)=0V DC(-)=0V DC。VccVcc：工作电源，：工作电源，5VDC5VDC。GNDGND：电源地。：电源地。CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，46 被选通道和地址的关系被选通道和地址的关系C CB BA A选中选中通通道道0 00 00 0IN0IN00 00 01 1IN1IN10 01 10 0IN2IN20 01 11 1IN3IN31 10 00 0IN4IN41 10 01 1IN5IN51 11 10 0IN6IN61 11 11 1IN7IN7CBA选中通道000IN0001IN1010IN2011IN47ADC0809ADC0809的内部转换时序的内部转换时序图4-10 ADC0809的的转换时序序ALEC.B.ASTARTEOCOEDO7DO0ADC0809的内部转换时序图4-10 ADC0809的转换48 其转换过程表述如下其转换过程表述如下：首先：首先ALEALE的上升沿将的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量进入到路，使该路模拟量进入到A/DA/D转换器中。同时转换器中。同时START START 的上升沿将转换器内部清零，下降沿起的上升沿将转换器内部清零，下降沿起动动A/DA/D转换，即在时钟的作用下，逐位逼近过程转换，即在时钟的作用下，逐位逼近过程开始，转换结束信号开始，转换结束信号EOCEOC即变为低电平。当转换即变为低电平。当转换结束后，结束后，EOCEOC恢复高电平，恢复高电平，CPUCPU可以用查询方式可以用查询方式或中断方式判断或中断方式判断A/DA/D转换过程是否结束。此时，转换过程是否结束。此时，如果对输出允许如果对输出允许OEOE输入一高电平命令，则可读输入一高电平命令，则可读出数据。出数据。OEOE为低电平时，数据输出线为高阻态。为低电平时，数据输出线为高阻态。其转换过程表述如下：首先ALE的上升沿将地址代码494.3.2 ADC08094.3.2 ADC0809的接口电路的接口电路 A/DA/D转换器的接口电路主要是解决主机如何转换器的接口电路主要是解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动动A/DA/D转换，如何判断转换，如何判断A/DA/D完成一次模数转换，如完成一次模数转换，如何读入并存放转换结果的。何读入并存放转换结果的。ADC0809ADC0809与与CPUCPU的接口的接口可以采用如下方式可以采用如下方式:l直接方式直接方式l通过通过82558255l通过三态缓冲器通过三态缓冲器本节重点介绍直接连接方式。本节重点介绍直接连接方式。4.3.2 ADC0809的接口电路 A/D转换器的接501 1 直接连接直接连接 当当A/DA/D转换器具有三态输出锁存缓冲器时转换器具有三态输出锁存缓冲器时,可以直接可以直接与与CPUCPU相连。其连接电路如图相连。其连接电路如图4-114-11所示。所示。V VIN0 IN0 V VIN7IN7为为8 8路路0 0 5V 5V的模拟量输入，的模拟量输入，8088CPU8088CPU的地的地址线址线A15 A15 A3 A3经过译码器译码产生片选信号经过译码器译码产生片选信号CSCS，CSCS与控与控制信号线制信号线IOWIOW逻辑组合接至逻辑组合接至ADC0809ADC0809的的STARTSTART和和ALEALE引脚，引脚，在在8088CPU8088CPU低低3 3位地址线位地址线A2 A2 A0 A0的配合下，用于选择某一的配合下，用于选择某一模拟量输入通道，并启动模拟量输入通道，并启动A/DA/D转换，当转换，当A/DA/D转换结束后，转换结束后，发出转换结束信号发出转换结束信号EOCEOC，通过，通过8259A8259A中断控制器向中断控制器向8088CPU8088CPU申请中断。片选信号申请中断。片选信号CSCS和控制信号和控制信号IORIOR相组合接至相组合接至ADC0809ADC0809的输出允许信号的输出允许信号OEOE端，在中断服务程序中读取端，在中断服务程序中读取A/DA/D转换结果。转换结果。1 直接连接 当A/D转换器具有三态输出锁存缓冲器51图图4-11A/D4-11A/D转换器转换器ADC0809ADC0809与与CPUCPU直接连接电路直接连接电路ADD A IN0ADD B IN1ADD C IN7 OE VREF(+)START VCCALED7 D0 VREF(-)EOC GNDCLK640kHz8259A11译码器 A0 A1 A2 IOR A15-A3 IOW D7D0 INTR8088CPUADC0809CS74HC02图4-11A/D转换器ADC0809与CPU直接连接电路AD522 A/D2 A/D转换器硬件接口注意问题转换器硬件接口注意问题（1 1）数字输出的方式）数字输出的方式 A/D A/D转换器的输出有两种方式：转换器的输出有两种方式：l具有可控的三态门：具有可控的三态门：输出线允许与微机系统的数据总线直接相连，在输出线允许与微机系统的数据总线直接相连，在转换结束后，利用读信号控制三态门，将数据送上总转换结束后，利用读信号控制三态门，将数据送上总线；线；l数据输出寄存器不具备可控的三态门电路：数据输出寄存器不具备可控的三态门电路：输出线不允许与输出线不允许与CPUCPU直接相连，必须通过直接相连，必须通过I/OI/O通道通道与与CPUCPU交换信息。交换信息。2 A/D转换器硬件接口注意问题（1）数字输出的方式532 A/D2 A/D转换器硬件接口注意问题转换器硬件接口注意问题（2 2）片选、启动及读写信号的设置）片选、启动及读写信号的设置 以上信号主要由三以上信号主要由三-八译码器的通道号及微处理八译码器的通道号及微处理器的器的IORIOR、IOWIOW等信号经适当的逻辑电路连接而成等信号经适当的逻辑电路连接而成（3 3）时钟）时钟CLKCLK的产生的产生l使用转换器内部时钟使用转换器内部时钟l用外接电阻电容产生用外接电阻电容产生l由定时电路供给由定时电路供给（4 4）参考电平）参考电平2 A/D转换器硬件接口注意问题（2）片选、启动及读写信号的544.3.3 84.3.3 8位位A/DA/D转换器的程序设计转换器的程序设计 根据根据A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU连接方式以及控制系统连接方式以及控制系统本身要求的不同，实现本身要求的不同，实现A/DA/D转换所需要的软件也不转换所需要的软件也不同。常用的控制方式有：同。常用的控制方式有：l 程序查询方式程序查询方式l 定时采样方式定时采样方式l 中断方式中断方式 4.3.3 8位A/D转换器的程序设计 根据A/D55（1 1）程序查询方式）程序查询方式 程序查询方式首先由程序查询方式首先由CPUCPU向向A/DA/D转换器发出转换器发出启动脉冲启动脉冲,然后读取转换结束信号，根据转换结然后读取转换结束信号，根据转换结束信号的状态束信号的状态,判断判断A/DA/D转换是否结束转换是否结束,如结束如结束,可以读取可以读取A/DA/D转换结果转换结果,否则再继续查询否则再继续查询,直至直至A/DA/D转换结束。转换结束。特点：程序设计简单，可靠性高，但实时特点：程序设计简单，可靠性高，但实时性差。性差。（1）程序查询方式56（2 2）定时采样方式）定时采样方式 定时采样方式是向定时采样方式是向A/DA/D发出启动脉冲后，发出启动脉冲后，先进行软件延时，延时时间取决于先进行软件延时，延时时间取决于A/DA/D转换器转换器完成完成A/DA/D转换所需要的时间（转换所需要的时间（ADC0809ADC0809为为100100 s s），经延时后可以读取数据。），经延时后可以读取数据。特点：为了确保转换完成，经常要延长延特点：为了确保转换完成，经常要延长延时时间，因此转换速度慢，应用较少。时时间，因此转换速度慢，应用较少。（2）定时采样方式57（3 3）中断方式）中断方式 CPUCPU启动启动A/DA/D转换后，即可转而处理其它事情。转换后，即可转而处理其它事情。一旦一旦A/DA/D转换结束，由转换结束，由A/DA/D转换器发出一转换结束信转换器发出一转换结束信号到号到8088CPU8088CPU的的INTRINTR引脚，引脚，CPUCPU响应中断后，便读入响应中断后，便读入数据。数据。特点：特点：CPUCPU与与A/DA/D转换器并行工作，效率高。在转换器并行工作，效率高。在多回路数据采集系统中常采用该方式。多回路数据采集系统中常采用该方式。A/D A/D 转换采用什么方式，要视具体情况而定。转换采用什么方式，要视具体情况而定。（3）中断方式A/D 转换采用什么方式，要视具体情况而定。584.4 124.4 12位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A主要知识点主要知识点v 1 AD574A1 AD574A芯片介绍芯片介绍v 2 AD574A 2 AD574A接口电路接口电路4.4 12位A/D转换器AD574A主要知识点 1 AD559 8 8位位A/DA/D转换器的分辨率约为转换器的分辨率约为0.00390.0039，转换，转换精度在精度在0.40.4以下以下,这对一些精度要求比较高的这对一些精度要求比较高的控制系统而言是不够的，因此要采用更多位的控制系统而言是不够的，因此要采用更多位的A/DA/D转换器，如转换器，如1010位、位、1212位、位、1414位等位等A/DA/D转换器。转换器。下面以下面以AD574AAD574A为例介绍为例介绍1212位位A/DA/D转换器及其接口转换器及其接口电路。电路。8位A/D转换器的分辨率约为0.0039，转换精度在604.4.1 AD574A4.4.1 AD574A芯片介绍芯片介绍1 1AD574AAD574A芯片介绍芯片介绍vAD574AAD574A是一种高性能的是一种高性能的1212位逐位逼近式位逐位逼近式A/DA/D转换器转换器v分辨率为分辨率为1/21/212 12=0.024%=0.024%v转换时间为转换时间为25s,25s,适合于在高精度快速采样系统中使用适合于在高精度快速采样系统中使用v内部结构大体与内部结构大体与ADC0809ADC0809类似，由类似，由1212位位A/DA/D转换器、控制转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与逻辑、三态输出锁存缓冲器与10V10V基准电压源构成，可基准电压源构成，可以直接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量以直接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量vAD574AAD574A也采用也采用2828脚双列直插式封装脚双列直插式封装4.4.1 AD574A芯片介绍1AD574A芯片介绍61 图图 4-12 AD574A 4-12 AD574A原理框图及引脚原理框图及引脚 图 4-12 AD574A原理框图及引脚62各引脚功能如下：各引脚功能如下：V Vcccc：工作电源正端，：工作电源正端，+12VDC+12VDC或或+15VDC+15VDC。V VEEEE：工作电源负端，：工作电源负端，12VDC12VDC或或 15VDC15VDC。V VL L：逻辑电源端，：逻辑电源端，+5VDC+5VDC。虽然使用的工作电源为。虽然使用的工作电源为 12VDC12VDC或或 15 VDC15 VDC，但数字量输出及控制信号的逻辑但数字量输出及控制信号的逻辑 电平仍可直接与电平仍可直接与TTLTTL兼容。兼容。DGNDDGND，AGNDAGND：数字地，模拟地。：数字地，模拟地。REF OUTREF OUT：基准电压源输出端，芯片内部基准电压源为：基准电压源输出端，芯片内部基准电压源为+10.00V+10.00V 1 1。REF INREF IN：基准电压源输入端，如果：基准电压源输入端，如果REF OUTREF OUT通过电阻接通过电阻接至至REF INREF IN，则可用来调量程。，则可用来调量程。各引脚功能如下：Vcc：工作电源正端，+12VDC或+15V63 ：转换结束信号，高电平表示正在转换，低电平：转换结束信号，高电平表示正在转换，低电平表示已转换完毕。表示已转换完毕。DB0-DB11 DB0-DB11：1212位输出数据线，三态输出锁存，可与主位输出数据线，三态输出锁存，可与主机数据线直接相连。机数据线直接相连。CE CE：片能用信号，输入，高电平有效。：片能用信号，输入，高电平有效。：片选信号，输入，低电平有效。：片选信号，输入，低电平有效。R/R/：读：读/转换信号，输入，高电平为读转换信号，输入，高电平为读A/DA/D转换数据，转换数据，低电平为启动低电平为启动A/DA/D转换。转换。12/12/：数据输出方式选择信号，输入，高电平时输出：数据输出方式选择信号，输入，高电平时输出1212位数据，低电平时与位数据，低电平时与A0A0信号配合输出高信号配合输出高8 8位或低位或低4 4位数位数据。据。12/12/不能用不能用TTLTTL电平控制，必须直接接至电平控制，必须直接接至+5V(+5V(引脚引脚1)1)或数字地或数字地(引脚引脚15)15)。：转换结束信号，高电平表示正在转换，低电平表示已转换64A0A0：字节信号，在转换状态，：字节信号，在转换状态，A0A0为低电平可使为低电平可使AD574AAD574A产产生生1212位转换，位转换，A0A0为高电平可使为高电平可使AD574AAD574A产生产生8 8位转换。在读位转换。在读数状态，如果数状态，如果12/12/为低电平，为低电平，A0A0为低电平时，则输出高为低电平时，则输出高8 8位数，而位数，而A0A0为高电平时，则输出低为高电平时，则输出低4 4位数；如果位数；如果12/12/为高为高电平，则电平，则A0A0的状态不起作用。的状态不起作用。CECE、R/R/、12/12/、A0 A0各控制信号的组合作用，见各控制信号的组合作用，见下表。下表。注：注：表示表示1 1或或0 0都可以。都可以。A0：字节信号，在转换状态，A0为低电平可使AD574A产生65 10VIN10VIN，20VIN20VIN，BIP OFFBIP OFF：模拟电压信号输入端。单极：模拟电压信号输入端。单极性应用时，将性应用时，将BIP OFFBIP OFF接接0 V0 V，双极性时接，双极性时接10 V10 V。量程可以。量程可以是是10 V10 V，也可以是，也可以是20 V20 V。输入信号在。输入信号在10 V10 V范围内变化时，范围内变化时，将输入信号接至将输入信号接至10 VIN10 VIN；在；在20V20V范围内变化时，接至范围内变化时，接至20VIN20VIN。模拟输入信号的几种接法如表模拟输入信号的几种接法如表3-33-3所示，相应电路如图所示，相应电路如图3-3-1818所示。所示。模拟输入信号的几种接法模拟输入信号的几种接法 10VIN，20VIN，BIP OFF：模拟电压信号66图图 4-13 AD574A 4-13 AD574A的输入信号连接方法的输入信号连接方法 图 4-13 AD574A的输入信号连接方法 674.4.2.AD574A4.4.2.AD574A接口电路接口电路 1212位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A与与PCPC总线的接口有多种总线的接口有多种方式。既可以与方式。既可以与PCPC总线的总线的1616位数据总线直接相连，位数据总线直接相连，构成简单的构成简单的1212位数据采集系统；也可以只占用位数据采集系统；也可以只占用PCPC总线的低总线的低8 8位数据总线，将转换后的位数据总线，将转换后的1212位数字量分位数字量分两次读入主机，以节省硬件投入。两次读入主机，以节省硬件投入。4.4.2.AD574A接口电路 12位A/