前向通道后向通道.ppt

7.1前向通道和后向通道7.2D/A转换器7.3A/D转换器7.4传感器及信号调理电路7.5驱动电路,7.1测控系统中前向和后向通道的构成,一、前向通道1、模拟通道传感器把非电量的模拟量（温度、压力、流量等）转换成电压或电流信号。量程放大器通常传感器输出的电压信号仅为毫伏级或微伏级，而A/D转换器要求的输入电压为几伏，因此必须用量程放大器进行信号放大。多路模拟开关为使多个模拟信号能共用一个A/D转换器，依次从多路模拟信号中选取一路转换。采样/保持电路把连续不断变化的模拟量送入AD转换器之前进行时间上的离散。A/D转换器把模拟量转换为数字量。2、数字通道整形电路使数字信号或开关量（编码器、行程开关、光电开关等信号）满足TTL电平要求。光电隔离防止现场干扰进入微型机。三态缓冲现场信号在需要时进入微型机数据总线。,二、后向通道1、模拟通道D/A转换器把数字量转换为使输出模拟量。平滑滤波器使输出模拟量连续。分路器将转换后的模拟量依次分配到多个模拟设备，使多个设备能共用一个D/A转换器。2、数字通道数据锁存锁存数据总线输出信号光电隔离防止现场干扰,7.2D/A转换器,7.2.1基本概念,一、D/A转换原理D/A转换器的核心电路是解码网络，解码网络的主要形式有两种：一种是权电阻网络；另一种是T型电阻网络。,二、D/A转换器的主要性能指标D/A转换器的主要性能指标是分辨率和建立时间。1、分辨率（Resolution）指最小模拟输出量（对应输入数字量仅最低位为1）与最大量（对应输入数字量所有有效位为1）之比。通常用D/A转换器输入的二进制数的位数来描述.2、建立时间（SettingTime）是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间,D/A转换器有电压输出型和电流输出型两种输出方法，电流输出型需外接电流电压转换电路得到电压输出，一般外接运算放大器使用。,7.2.2典型的D/A转换器芯片,DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，电流输出，电流建立时间1s，输入数字量8位，与微机并行连接。,双缓冲工作方式是指两个寄存器分别接收转换数据。使两个输入寄存器具有各自的地址，转换数据分别写入输入寄存器。而并联使两个DAC寄存器具有相同的地址，输入寄存器中的数据可以同时写入两个DAC寄存器，而后同时进行D/A转换。此工作方式一般用来实现多路模拟信号的同步输出。,DAC0832内部有两个8位寄存器：输入寄存器，DAC寄存器。可实现三种工作方式：双缓冲、单缓冲和直通方式。,单缓冲工作方式指两个寄存器在控制信号作用下，同时接收转换数据。一般用来实现一路信号模拟的输出。,直通工作方式是指两个寄存器的控制信号全部接固定的有效电平，使数字量直接进入D/A转换器进行转换，不需单片机参与控制,二、电压输出电路DAC0832电流输出型转换器两种电压输出电路。根据输出设备需要的信号极性选择。1、单极性输出电路2、双极性输出电路,三、DAC0832接口设计及应用程序举例,7.3A/D转换器,7.3.1A/D转换器工作原理,一、基本概念（1）逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC由比较器、D/A转换器、比较寄存器SAR、时钟发生器以及控制逻辑电路组成，将采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数。（2）并行比较型ADC并行比较型ADC是现今速度最快的模/数转换器，通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。（3）积分型ADC积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。（4）压频变换型ADC压频变换型ADC是先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量。（5）-型ADC-型ADC是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。,三、A/D转换芯片的主要性能指标（1）分辨率习惯上以输出的二进制位数或BCD码位数表示分辨率。如一个输出为8位二进制数的A/D转换器，称其分辨率为8位。分辨率还可以用百分数来表示，例如8位A/D转换器的百分数分辨率为（1/255）100%=0.39%。（2）转换精度转换精度是指一个实际的A/D转换器与理想的A/D转换器相比的转换误差。（3）转换时间转换时间是指A/D转换器完成一次转换所需要的时间。其倒数为转换速率。,7.3.2典型的A/D转换器芯片举例,ADC0809是8通道8位逐次逼近型A/D转换器。首先控制逻辑使逐次逼近寄存器最高位为1，接着该值经D/A转换后与输入电压比较。比较器输出决定该位1的去留，该工作如此向低位推进，直到完成最低位的转换，转换结果被锁存到逐次逼近寄存器作为ADC输出。,7.3.3ADC芯片与CPU接口,1、数据输出线的连接ADC芯片相当于给CPU提供数据的输入设备。为了防止总线冲突，其数据输出端通过三态门接数据总线。ADC内部带有三态门，与CPU数据总线可直接相连。ADC内部不带三态门，与CPU数据总线通过三态锁存器相连。当ADC位数大于CPU数据总线宽度时，也应考虑外接锁存器和控制逻辑，分两次或多次读取数据。也有串行连接ADC。2、A/D转换的启动信号当一个ADC在开始转换时，必须加一个启动信号。一般分脉冲启动信号和电平控制信号，用软件或硬件产生。脉冲信号启动转换的ADC，只要在启动引脚加一个脉冲即可。电平信号启动转换是在启动引脚上加一个所要求的电平。3、转换结束信号的处理方式当A/D转换结束，ADC输出一个转换结束信号，通知CPU，A/D转换已经结束，可以读取结果。CPU可以利用该信号作为中断请求信号接到CPU的中断请求线上，在中断服务程序中读取数据；或把结束信号作为状态进行查询，一旦查到转换结束，便读取数据；还可以不使用转换结束信号，定时读取数据。4、时钟的提供整个A/D转换过程都是在时钟作用下完成的。5、参考电压的接法当模拟信号为单极性时，VREF（-）接地，VREF（+）接正极电源。当模拟信号为双极性时，VREF（+）和VREF（-）分别接参考电源的正、负极性端。,7.4传感器及信号调理电路,传感器是将能够感受到得及规定的被测量按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受被测量（输入量）的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，存在非线性等因素，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算后，才能由计算机处理。,7.4.7信号调理电路,集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路.当理想运放外部接入不同的元件形成负反馈时，称线性应用，可以实现比例、加法、减法、积分、微分等模拟运算。,反相放大器,同相比例运算器,测量放大器,二阶有源低通滤波器,隔离放大,7.5驱动电路,一、I/O口驱动电路在单片机应用系统中，开关量都是通过单片机的I/O口或扩展I/O口输出的。这些I/O口的驱动能力有限，一般不足以驱动功率开关（如继电器等），因此经常需要增加I/O口的驱动能力。常用的集电极开路反向驱动器7406或同向驱动器7407。二、功率晶体管驱动电路当晶体管用作开关元件时，要保证使其工作在开关状态。晶体管导通时，驱动电流必须足够大并使其饱和。晶体管关断时要可靠截止。,四、晶闸管驱动电路晶闸管（SCR，又称可控硅）是一种半导体功率器件，当阳极高于阴极电位，并且门控极加触发，方可导通。一般用作整流和功率开关器件。双向可控硅适用于交流负载的开关控制。由于SCR通常用于开关高电压和大功率负载，故实际使用时常采用隔离措施，例如光电隔离。五、机械继电器继电器是工业控制系统中常用的设备，利用它可以实现电源的通断、阀门的开关、设备的启停等控制。继电器内部由电磁铁、金属簧片与两个触点构成，在继电器不工作时，常开触点处于断开状态，常闭触点处于接通状态。六、功率场效应管（MOSFET）功率场效应管用作功率开关，具有开关频率高、输入电流小的特点，有晶体管开关和SCR的全部优点。七、光电耦合器光电元器件由发光二极管和光电三极管构成。可应用于信号隔离、开关电路、数模转换、逻辑电路、长线传输、过载保护、高压控制和电路变换。八、固态继电器固态继电器（SSR）是无触点式电子开关。它是一个四端模块，两个为输入端，两个为输出端，在输入信号控制下可以开关大功率的交流或直流负载。,