智能仪器输入输出通道及接口技术计算机教学课件PPT

智能仪器智能仪器1112学时第二章第二章 智能仪器输入智能仪器输入/输出通道及接口技术输出通道及接口技术 （五）（五）A/D转换器接口技术转换器接口技术本章主要讲解内容：1.A/D转换器转换原理2.A/D转换器技术指标3.A/D转换器与微处理器的接口一. 概述 1.概述概述 智能仪器首先应将传感器检测到的模拟量调理成智能仪器首先应将传感器检测到的模拟量调理成数字量才便于计算机处理。这种将模拟量转换成数字数字量才便于计算机处理。这种将模拟量转换成数字量的量的器件器件称（称（ADCADC即即A/DA/D转换器）。转换器）。这个模拟量泛指这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。模拟量是指电压而言的。一一. A/D. A/D转换器转换原理转换器转换原理传传感感器器信号调理电路信号调理电路S/HA/DCPU1 1）双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器: :精度高，抗周期性干扰好，价精度高，抗周期性干扰好，价 格低，但转换速度慢。格低，但转换速度慢。 2 2）逐次逼近式）逐次逼近式A/DA/D转换器转换器: :转换速度快，精度高，但价转换速度快，精度高，但价 格较贵。格较贵。 3 3） V-FV-F变换型变换型A/DA/D转换器转换器: :精度高，价格低，接口简精度高，价格低，接口简 单，但转换速度慢。单，但转换速度慢。 A/DA/D转换器的种类较多，但从原理上讲通常可分为以转换器的种类较多，但从原理上讲通常可分为以下四种：下四种：下面以逐次逼近式为例来讨论：下面以逐次逼近式为例来讨论：2.2.逐逼近式逐逼近式A/DA/D转换器转换原理转换器转换原理对分搜索对分搜索 也叫连续比较式也叫连续比较式A/DA/D转换器，是一种采用对分搜索原理转换器，是一种采用对分搜索原理来实现来实现A/DA/D转换转换111112481625V+2.5V+1.25V+0.625V+=10VrrrrrrnVVVVVV52.51.250.6259.375rVVVVVV 2)2)逐逼近式逐逼近式A/DA/D转换器组成原理转换器组成原理UxUxUrUr上图为一个4位逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的原理图，主要转换器的原理图，主要由比较器，控制电路，逐次逼近寄存器和由比较器，控制电路，逐次逼近寄存器和4 4位位DACDAC转换转换器等组成。器等组成。原理如下原理如下: :转换开始前转换开始前, ,逐次逼近寄存器输出清零逐次逼近寄存器输出清零,4,4位位DACDAC输出输出Ur=0,Ur=0,转换控制信号转换控制信号U UL L=1=1时开始转换时开始转换, ,在第一个时钟脉冲在第一个时钟脉冲CLKCLK作用作用下下, ,逐次逼近寄存器最高位输出逐次逼近寄存器最高位输出1,1,其余位为其余位为0,0,即逐次逼近寄存器即逐次逼近寄存器输出输出1000,1000,进入进入D/AD/A转换器转换器, ,转换为与之对应的模拟电压转换为与之对应的模拟电压UrUr送入比送入比较器与较器与UxUx进行比较进行比较. .若若UrUr UxUx, ,则说明寄存器高位是去码则说明寄存器高位是去码, ,若若UrUr 0,0,则有则有V00,0,计数器开始计数计数器开始计数, ,当计当计数器计满溢出时数器计满溢出时, ,计数器复计数器复0 0积分器的输出积分器的输出U U0 0和比较器的输出和比较器的输出U UC C的波形图如下所示：的波形图如下所示：假设输入信号假设输入信号U Ui i在某一时间是在某一时间是常数，则第一次积分为：常数，则第一次积分为：式中式中T T0 0为计数脉冲周期。为计数脉冲周期。第一次积分阶段为第一次积分阶段为积分器对积分器对V Vi i反向积分。反向积分。第二次积分阶段第二次积分阶段(定值积分定值积分)当计数器复当计数器复0 0时时, ,模拟开关模拟开关S S与基准电压与基准电压-VREF-VREF接通。接通。同时计数器又开始从同时计数器又开始从0 0计数计数. .此时积分器开始正向积分此时积分器开始正向积分. .当当V V0 0上升到略大于上升到略大于0 0时时, Vc, Vc变为低电平变为低电平, ,该低电平使计数该低电平使计数器停止计数器停止计数, ,此刻计数器的计数值即为此刻计数器的计数值即为A/DA/D转换值转换值. .第二次积分为：第二次积分为：式中式中T T2 2=DT=DT0 0，所以，所以D=TD=T2 2/T/T0 0=T=T2 2/T/T1 12 2n n D D为计数器中的计数值。为计数器中的计数值。由于由于U U0 0(t(t2 2）=0=0，所以将上式，所以将上式整理后得：整理后得：常用以下几项来评价其质量水平。常用以下几项来评价其质量水平。(1)(1)转换精度转换精度: :转转精度常用分辨率和转换误差来描述转转精度常用分辨率和转换误差来描述. .分辨率和量化误差分辨率和量化误差ADCADC的分辨率定义为的分辨率定义为ADCADC所能分辨的输入模拟量的最小所能分辨的输入模拟量的最小变化量。常用位数来表示分辨率变化量。常用位数来表示分辨率, ,例如例如1212位二进制数位二进制数的的ADCADC分辨率为分辨率为1212位位(1/2(1/21212=1/4096).=1/4096).凡不足以引起一个最小数字量变化的模拟量形成的误凡不足以引起一个最小数字量变化的模拟量形成的误差称为量化误差差称为量化误差. .它是由分辨率有限引起的它是由分辨率有限引起的, ,位数越多位数越多, ,则能够区分模拟则能够区分模拟输入电压的最小值越小输入电压的最小值越小, ,分辨能力越高分辨能力越高, ,量化误差越小量化误差越小. .二二. A/D. A/D转换器技术指标转换器技术指标 转换误差转换误差 通常以输出误差的最大值形式给出通常以输出误差的最大值形式给出. .表示实际输出的数表示实际输出的数字量与理论上应该输出的数字量之间的差别字量与理论上应该输出的数字量之间的差别, ,一般以相一般以相对误差的形式给出对误差的形式给出. .并用最低有效位的倍数表示并用最低有效位的倍数表示. . 例如例如, ,转换误差转换误差1/2 LSB,1/2 LSB,表示实际输出的数字量与理表示实际输出的数字量与理论应得到的输出数字量之间的误差小于最低有效位的论应得到的输出数字量之间的误差小于最低有效位的半个字半个字. .转换误差综合反映了在一定使用条件下总的偏差转换误差综合反映了在一定使用条件下总的偏差( (不包不包含量化误差含量化误差).).但有的厂家以分项误差形式给出但有的厂家以分项误差形式给出, ,分项误分项误差常包含以下几项差常包含以下几项: : A)A)偏移误差。偏移误差。输入信号为零时输入信号为零时, ,输出信号不为零时的值输出信号不为零时的值. .可外接电可外接电位器调至最小位器调至最小. .B)B)满刻度误差满刻度误差当输出到满量程时，对应的输入与理想的满量程输入当输出到满量程时，对应的输入与理想的满量程输入之差之差. .C)C)非线性度误差非线性度误差实际特性曲线和理想特性曲线输出值的最大误差点对实际特性曲线和理想特性曲线输出值的最大误差点对应的输入值之差应的输入值之差. .(2)(2)转换速度转换速度 : :用转换时间和转换速率来描述用转换时间和转换速率来描述转换时间转换时间:A/DA/D转换器完成一次转换所需的时间转换器完成一次转换所需的时间. .例如例如一般电流输出型的转换时间较短一般电流输出型的转换时间较短, ,一般几百纳秒一般几百纳秒. .电压电压输出型的转换时间较长输出型的转换时间较长. .一般几十微秒一般几十微秒. .转换速率转换速率: :转换时间的倒数转换时间的倒数. .(3)(3)满量程输入范围满量程输入范围ADCADC从零变到最大值时对应的模拟信号的变化范围从零变到最大值时对应的模拟信号的变化范围. .例例如，某如，某1212位的位的ADCADC输出输出000H000H时对应输入电压为时对应输入电压为0 0伏，输伏，输出出FFFHFFFH时的对应输入电压为时的对应输入电压为5 5伏，则其满量程输入范伏，则其满量程输入范围是围是0-5V0-5V。三.A/D转换器与微处理器的接口A/D转换器的品种繁多，它们的性能也不尽相同，它们转换器的品种繁多，它们的性能也不尽相同，它们的输出特性决定了接口形式。例如与单片机的接口，的输出特性决定了接口形式。例如与单片机的接口，根据输出形式大致可分为并行，串根据输出形式大致可分为并行，串-并行和串行输出三并行和串行输出三种。由于串种。由于串-并行输出方式大多用于积分型并行输出方式大多用于积分型A/D转换器转换器中，所以这里主要介绍并行和串行输出的接口。中，所以这里主要介绍并行和串行输出的接口。1. 8位并行输出的位并行输出的ADC与微处理器的接口与微处理器的接口1)接口的一般形式接口的一般形式可用下图来表示：可用下图来表示：从逻辑图中可看出，从逻辑图中可看出，ADCADC通过通过三总线三总线和微处理器和微处理器相连。相连。数据总线数据总线通过三通过三态缓冲器和态缓冲器和ADCADC的的DB0-DB0-DB7DB7相连；相连；控制线控制线状态应状态应答是答是CPUCPU控制控制ADCADC工作并工作并从从ADCADC读取有效数据所必读取有效数据所必需的。只有当需的。只有当ADCADC一次转一次转换结束换结束并更新其输出线的数据时，并更新其输出线的数据时， CPUCPU才能读取有效转换结果。才能读取有效转换结果。地地址逻辑线址逻辑线产生芯片选通信号，以供读取数据时打开三态缓冲产生芯片选通信号，以供读取数据时打开三态缓冲器。器。2)2)例例1.ADC08091.ADC0809与微机的接口与微机的接口是一种是一种8 8位并行输出位并行输出A/DA/D转换器转换器,28,28脚封装脚封装, ,输出带三态输出带三态锁存器锁存器. .其其内部结构内部结构如下图所示如下图所示:ALEALECA ABSTARTSTARTEOCEOC(逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器)外部引脚如下外部引脚如下: :(1(1）IN0-IN7:IN0-IN7:八路模拟量八路模拟量 输入通道。输入通道。(2) 2(2) 21 1-2-28 8为为8 8位数据输出位数据输出(3)ADDA,ADDB,ADDC(3)ADDA,ADDB,ADDC通道通道 选择选择(4) START(4) START为启动信号为启动信号(5) EOC(5) EOC为转换结束标志为转换结束标志(6)OE(6)OE为输出允许为输出允许(7)ALE(7)ALE为通道地址锁存信为通道地址锁存信号号, ,其上升沿将地址信息送其上升沿将地址信息送入地址锁存器入地址锁存器. .(8)CLK(8)CLK为外部时钟输入信号为外部时钟输入信号(9)VCC,GND(9)VCC,GND电源电源(10)REF(+),REF(-)(10)REF(+),REF(-)为参考电压为参考电压被选模拟电压路数 ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7000000000000111111111111地址选择信号和通道号的关系地址选择信号和通道号的关系由地址码由地址码CBACBA经译码后控制经译码后控制ININ0 0-IN-IN7 7上的一路进入上的一路进入A/DA/D转换部分转换转换部分转换. .(3)START(3)START为启动信号为启动信号. .高电平有效高电平有效. .上升沿将所有内部寄电器清零上升沿将所有内部寄电器清零, ,下降沿启动下降沿启动A/DA/D转换转换. .ALEALECA ABSTARTSTARTEOCEOC(4)EOC(4)EOC为转换结束标志为转换结束标志, EOC=0, EOC=0表示正在转换表示正在转换, EOC=1, EOC=1表示一次表示一次转换结束转换结束. .(5)OE(5)OE为输出允许为输出允许, ,高电平时高电平时, ,选通三态输出数据锁存器选通三态输出数据锁存器, ,转换结转换结果可以从果可以从8 8位输出数字量输出位输出数字量输出. .ALEALECA ABSTARTSTARTEOCEOCOEOE(6)CLOCK(6)CLOCK为外部时钟输入信号为外部时钟输入信号, ,时钟频率决定了转换速率时钟频率决定了转换速率. .ALEALECA ABSTARTSTARTEOCEOCOEOECLOCKCLOCK3)与微处理器的典型接口与微处理器的典型接口:由于由于ADC0809ADC0809具有输出三态锁存器，故具有输出三态锁存器，故08090809的的8 8位数据输出引脚位数据输出引脚DB0-DB7DB0-DB7可直接与可直接与80318031数据总线数据总线P0.0-P0.7P0.0-P0.7相连相连; ;08090809的地址译码引脚的地址译码引脚ADDAADDA，ADDBADDB，ADDCADDC分别与分别与P0.0-P0.2P0.0-P0.2口相连，口相连，以选通以选通IN0-IN7IN0-IN7。80318031的的EAEA接地接地, ,表示表示CPUCPU永远访问外存永远访问外存. .将将P2.7P2.7作为片选信号，和单片机的写信号（作为片选信号，和单片机的写信号（WRWR）经一级或非门后）经一级或非门后控制控制ADC0809ADC0809的的地址锁存地址锁存ALEALE和和启动转换启动转换STARTSTART。由于。由于ALEALE和和STARTSTART连连在一起，因此在一起，因此ADC0809ADC0809锁存通道地址的同时也启动转换。这里单片锁存通道地址的同时也启动转换。这里单片机访问机访问ADC0809ADC0809的地址为的地址为7FFFH7FFFH。 转换结束信号转换结束信号EOCEOC由由P1.0查询后读出查询后读出，或经由中断信号判断查或经由中断信号判断查询后读出。询后读出。输出允许信号输出允许信号0E0E用单片机的读信号（用单片机的读信号（RDRD）和）和P2.7P2.7经经一级或非门后控制，产生的正脉冲作为一级或非门后控制，产生的正脉冲作为OEOE信号。信号。A/DA/D转换的程转换的程序有三种编写形式：序有三种编写形式：a)a)查询方式查询方式程序程序，转换结束信号，转换结束信号EOCEOC经反相接至单片经反相接至单片机的外中断输入引脚（机的外中断输入引脚（INTIINTI），该引脚也可作），该引脚也可作I/OI/O口口用，由程序查询该口线的状态，以判断是否转换结用，由程序查询该口线的状态，以判断是否转换结束。束。#7FFFH#7FFFHP1.0P1.0b)b)延时等待方式，在启动延时等待方式，在启动A/DA/D转换后，通过软件程序延转换后，通过软件程序延时等待再读取转换结时等待再读取转换结果。果。7FFFH7FFFH C）中断方式，用中断方式，用OECOEC信号作为向单片机的中断申请信号作为向单片机的中断申请信号，在主程序中，向信号，在主程序中，向ADCADC器件发出首次启动器件发出首次启动A/DA/D转转换信号，并计数管理转换的通道数，当检测到换信号，并计数管理转换的通道数，当检测到OECOEC的的请求后，转去执行中断服务程序，读取转换结果，请求后，转去执行中断服务程序，读取转换结果，并启动下一次转换，然后继续执行主程序。并启动下一次转换，然后继续执行主程序。7FFF7FFF2. 2. 高于高于8 8位并行输出位并行输出A/DA/D转换器与微处理器的接口转换器与微处理器的接口(1)(1)接口的一般形式。接口的一般形式。对于对于8 8位微机系统，当位微机系统，当ADCADC的位数高于的位数高于8 8位时，则需分位时，则需分二次输入数据。除此之外，其接口形式和工作原理二次输入数据。除此之外，其接口形式和工作原理与与8 8位位ADCADC相同。见下图相同。见下图: :这二个并行这二个并行端口分别通端口分别通过三态缓冲过三态缓冲器输入器输入ADCADC输输出的高位字出的高位字节（高节（高8 8位）位）和低位字节和低位字节（低（低8 8位）。位）。