模拟量输入输出通道dq.ppt

1,第二章 模拟量输入/输出通道,本章要点: 计算机控制系统的信号 多路开关及采样保持器 模拟量输出通道接口技术 模拟量输入通道接口技术,2,概述,过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO）,微机控制系统组成框图,3,概述,过程通道的组成和功能 数字量输入（DI）通道：把从控制对象检测得到的数字码、开关量、脉冲量或中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给计算机(检测通道),4,概述, 数字量输出（DO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口输出数字信号、脉冲信号或开关信号(控制通道,电磁阀),5,概述,模拟量输入（AI）通道：把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号（如温度,压力,流量,液位等）(0-5V,4-20mA)变换成二进制的数字信号，然后经接口送入到计算机(检测通道) 模拟量输出（AO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象(控制通道,连续调节阀) AI、AO比较重要，有不少特殊问题要解决,6,计算机控制系统的信号,一 信号形式的分类 二 A/D 转换器 三 D/A 转换器 四 计算机控制系统中信号形式的分类 五 计算机控制系统的简化结构图,7,一 信号形式的分类,计算机控制系统是包含模拟部件和数字部件的一个混合系统，因此信号的种类较多。,8,从时间上区分： 连续时间信号在任何时刻都可取值的信号 离散时间信号仅在离散断续时刻出现的信号 从幅值上区分： 模拟信号信号幅值连续变化 离散信号信号幅值只能取离散值 数字信号信号幅值用一定位数的二进制编码形 式表示的信号,9,计算机控制系统的信号流程图如下,其中主要有四种信号 模拟信号：时间上连续，幅值上连续。 离散模拟信号：时间上离散，幅值上连续。 数字信号：时间上离散，幅值离散量化。 量化模拟信号：时间上连续，幅值连续量化。 计算机系统要把连续变化的量变成离散量后再进行处理。因此，计算机系统称做离散系统(采样数据系统)。,10,二 A/D转换器,功能：连续的模拟信号变换成数字信号。 包括采样(Sample) 、量化(Quantity)、编码(Coding)三个过程,11,1 采样 功能：把时间上连续的模拟信号，按一定的时间间隔 T 进行采样，变成时间上不连续（离散）的、幅值等于采样时刻输入值的脉冲序列信号，即采样信号。,12,执行采样动作的开关为采样开关或采样器。 采样开关每次通断的时间间隔T称为采样周期。 离散系统的采样形式有： 周期采样:以相同的时间间隔进行采样(应用最多). 多阶采样:时间间隔是周期性的重复. 随机采样:没有固定的采样周期，根据需要选择采样时刻.,13,采样后的脉冲信号称为采样信号，采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍是连续的,14, 基本要求： 采样信号必须能如实反映被采样信号的所有变化和特征,15,怎样才可以无失真的采样？ 主要与信号的什么特征有关?,频率范围是信号重要特征,16,大提琴,小提琴,大提琴 100Hz250Hz,小提琴 200Hz400Hz,17,18,19,一个连续变化的信号，经采样后形成一个脉冲序列。采样的频率越高，离散后的信号x*(t) 越接近连续输入信号x(t)。但采样频率太高，在实时控制系统中，会把过多的时间用于采样，失去实时控制的机会。 采样定理香农（Shannon）定理 设max 为被采样信号变化的最高频率，则采样频率s 应满足：s 2 max ，才能用采样信号无失真地重构被采样信号。,20,实际信号一般都是带宽受限信号,音乐：20Hz22kHz， CD采样频率44.1KHz； 电话声音： 300Hz-3400Hz， 电话采样频率为8KHz；,21,2 量化 功能 将采样信号连续变化的幅值按最小量化单位q 取整数倍，即整量化，变为时间和幅值上均离散的信号,22,量化单位 q 量化过程中使用的最小数量单位 在A/D转换器中，量化单位 q 为最低有效位（LSB）所代表的物理量。例如10位A/D最小量化单位：,量化时,把输入信号分为1024层，输入信号分层越多，量化误差越小。即，数字量位数越多，量化等级越细。,23,A/D转换器中的量化误差怎样产生的？,由于模拟信号在时间、数值大小都是连续的，不一定被最小量化单位q整除，所以在量化过程中就可能引入量化误差。,24,量化时尾数的处理方法 (1) 尾数截断 尾数小于q，忽略不计 (2) 尾数舍入 尾数小于q/2，忽略不计，大于等于q/2，作q 处理,25,3 编码 将经整量化后的离散信号用一定位数的二进制数码来表示，称为编码,26,0VIVq,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,qVI2q,2qVI3q,3qVI4q,4qVI5q,5qVI6q,6qVI7q,7qVI8q,0VI0.5q,0.5qVI1.5q,1.5qVI2.5q,2.5qVI3.5q,3.5qVI4.5q,4.5qVI5.5q,5.5qVI6.5q,6.5qVI7.5q,最大量化误差为q,最大量化误差为±q/2,尾数截断法：,尾数舍入法：,0VIq,27,双极性(正负)信息的 3种表示方法 符号数值码 偏移二进制码 补码表示法,28,注记：常用的双极性编码,29,注记：常用的双极性编码关系,30,功能 将数字编码信号转换为相应的时间连续的模拟信号，相当于解码器与保持器的组合。,三 D/A 转换器,31,解码 将数字信号转换为幅值等于该数字量的模拟脉冲信号 解码后的信号在时间上仍是离散的，幅值上为模拟脉冲信号（电流或电压） 保持 将解码后的时间离散的模拟脉冲信号保持规定时间，变成时间上连续的模拟信号 保持时间通常为一个采样周期，这样的保持器称为零阶保持器（ZOH）,32,根据D/A转换器的不同结构，可以是先解码后保持（称为模拟量保持），也可以是先保持后解码（称为数字量保持）,33,四计算机控制系统中信号形式的分类,1 计算机控制系统信号变换结构图,量化,计算机,采样,解码,检测,编码,被控对象,保持,A,B,C,D,F,G,E,H,I,2 系统中信号形式的分类 连续信号（或模拟信号） 时间及幅值上均连续的信号，如图中的 A、I 处的信号 数字信号 时间上离散、幅值上采用二进制编码的信号，如图中的D、F 处的信号,34,采样信号 时间上离散而幅值上连续的信号，如图中的 B 处的信号 时间上连续，幅值为阶梯状模拟量的模拟保持信号，如图中的 H 点 时间上和幅值上均离散的离散信号，如图中的C、G 处的信号 时间上连续存在，幅值由二进制编码表示的计算机内存信号，如图中的 E 点,35,3 计算机控制系统中信号的传递速度 在不含纯滞后环节 的连续系统中，模拟信号的传递可认为是瞬时完成的，即系统的输出反映同一时刻输入的响应 在计算机控制系统中，由于A/D转换、计算机运算、D/A转换都需要花费一定的时间，系统的实际输出并不是当前时刻输入的响应，即所谓“计算机信号时延”,36,五 计算机控制系统的简化结构图,在系统的信号变换过程中，最重要的是采样、量化和保持 3 个变换过程，编码和解码仅是信号表现形式的改变，可看作无误差的等效变换。 采样和保持涉及到采样间隔中信号的问题，将直接影响传递特性，因而是本质问题，必须加以考虑。 量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时可不予考虑。,37, 计算机控制系统的简化结构图,38,2.1.2 多路开关,在微型计算机测量及控制系统中,往往需对多路或多种参数进行采集和控制。一台微型计算机可供多回路使用，但是，微型计算机在某一时刻只能接收一个通道的信号，因此必须通过多路模拟开关进行切换，使各路参数分时进入微型计算机。,39,多路开关的主要用途: 把多个模拟量参数分时接通并送入A/D转换器,即完成多到一的转换。多路开关 把经计算机处理，且由D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路中，完成一到多的转换。多路分配器 这类器件中有的只能做一种用途，称为单向多路开关。如AD7051；有些既能做多路开关，又能做多路分配器，称为双向多路开关。如CD4051。 从输入信号的连接方式来看，有的是单端输入，有的则允许双端输入。,40,1 . CD4051,CD4051是单端8通道多路开关.由逻辑电平转换单元、地址译码电路和CMOS开关等三部分组成。 三个通道选择输入端A,B,C.一个禁止输入端INH.当INH=1,禁止模拟量输入；当INH=0，允许模拟量输入。 逻辑电平转换单元完成TTL电平到CMOS电平的转换。 二进制译码器用来选择输入端C，B，A的状态进行译码，以控制开关电路TG，使某一路接通，从而将输入和输出接通。 若把输入信号与引脚3接通,改变C,B,A三个控制信号的值，可使其与8个输出端的任何一端接通，完成一到多的分配，即多路分配器。,41,引脚结构如图,42,43,真值表如下,44,2 多路开关的扩展,在实际应用中，往往由于被测参数，使用一个多路开关不能满足通道数的要求。为此，可把多路开关进行扩展。 由于两个多路开关只有两种状态，1#多路开关工作，2#必须停止，或者相反。所以，只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号，而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址(数据)线。,45,CD4051扩展电路图,46,当采样的通道比较多，可以将两个以上的多路开关并联起来。四个8路开关扩展成16路的差动输入方法,47,2.1.3 采样保持器,模拟量参数需转变成数字量，才能进入计算机系统。为保证A/D转换的精度，必须在A/D转换进行时保持待转换值不变，转换结束后能跟踪输入信号的变化。同时，在模拟量输出通道中，为使各项输出通道得到一个平滑的模拟量输出，也要保持一个恒定值。能完成上述两项任务的器件叫采样保持器。,48,采样保持器，简写为S/H。 S/H的工作方式有： 采样方式。采样保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。 保持方式。采样保持器的输出将保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤消为止。,49,采样保持器的主要用途： 保持采样信号不变，以便完成A/D转换。 同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量。 减少A/D转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值。 把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。,50,在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。 对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。,51,孔径时间,对于一定的转换时间，最大可能的误差发生在信号过零的时刻， 令U=Umsint，则：,Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率。,52,在坐标的原点,取t=tA/D ，则得原点处转换的不确定电压误差为 误差的百分数为 ,对于一定的转换时间tA/D ，误差的百分数和信号频率成正比。为了确保A/D 转换的精度，使它不低于0.1%，不得不限制信号的频率范围。,53,例如，一个10位的A/D转换器，若要求转换精度为0.1%，孔径时间10s，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为：,54,采样保持器的工作原理: 当控制信号为高电平(即采样时段)时,开关S闭合,输入信号通过电阻R向电容C充电.通常,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. 当控制信号为低电平(即保持阶段)时,S断开,A/D转换器根据电容C上的电压进行量化.,电容C对采样保持精度影响很大，应选取漏电阻抗较大的电容，如聚苯乙烯或聚四氟乙烯等材料制作的电容，同时在保证采样速度的前提下，可适当增加C的电容量。,55,LF198是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样-保持电路.具有采样速度快,保持下降速度慢,精度高等特点.下图为LF198原理图.,56,注意： 在模拟量输入通道中，只有在信号变化频率较高而A/D转换速度又不高，以致孔径误差影响转换精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，才需要设置采样保持电路，对于一些变化缓慢的生产过程(如石油、化工等)可以不设置保持电路。,57,2.2 模拟量输出通道的接口技术,模拟量输出通道的功能是，把计算机输出的运算结果(数字量)转换成模拟电压或电流，并且输出给相应的执行机构，驱动执行机构实现所要求的控制目的。 模拟信号输出通道的组成:由控制接口、数/模转换器、模拟多路开关和功率放大器三部分组成。,58,2.2.1 D/A转换器(Digital to Analog Converter，DAC),D/A转换器的组成 基准电压（电流） 模拟二进制数的位切换开关 产生二进制权电流（电压）的精密电阻网络 提供电流（电压）相加输出的运算放大器(010mA,420mA 或者 TTL, CMOS,),59,D/A转换器的原理 转换原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。 解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T型电阻网络。,60, 4位权电阻网络D/A转换器原理图,61, E为基准电压 为晶体管位切换开关，受二进制各位状态控制 相应位为“0”，开关接地 相应位为“1”，开关接E 为权电阻网络，其阻值与各位权相对应，权越大，电阻越大(电流越小)，以保证一定权的数字信号产生相应的模拟电流 运算放大器的虚地按二进制权的大小和各位开关的状态对电流求和,62, 设输入数字量为D，采用定点二进制小数编码，D可表示为： 当 时，开关接基准电压E，相应支路产生的电流为 当 时，开关接地，相应支路中没有电流。 因此，各支路电流可以表示为： 这里,63, 运算放大器输出的模拟电压为 可见，D/A转换器的输出电压 U 正比于输入数字量 D 缺点：位数越多，阻值差异越大,64, 4位T型电阻网络（R-2R）D/A转换器原理图,65, 从节点a, b, c, d向右向上看，其等效电阻均为2R 位切换开关受相应的二进制码控制，相应码位为“1”，开关接运算放大器虚地，相应码位为“0”，开关接地。 流经各切换开关的支路电流（从左到右）分别为 ， ， ， 各支路电流在运算放大器的虚地相加,66, 运算放大器的满度输出为 这里满度输出电压(流)比基准电压(流)少了1/16，是因端电阻常接地造成的，没有端电阻会引起译码错误 对 n 位D/A转换器而言，其输出电压为,67,D/A转换器的主要参数:,分辨率:常用D/A转换器输入二进制数的位数来表示,如8位,12位.分辨率为N位,表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程1/2n相对应.分辨率越高,转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏. 线性误差:理想转换特性(量化特性)应该是线性的,实际并非如此.在满量程输入范围内,偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差. 建立时间:输入数字信号的变化量是满量程时,输出模拟信号达到离终值±1/2LSB所需的时间.ns或s,68,2.2.2 8位D/A转换器及其接口技术,一 普通型D/A转换器DAC0832 DAC0832是一种具有两个输入锁存器的D/A转换芯片，能直接与计算机总线连接。 主要参数:分辨率8位,转换时间为1s,满量程误差为±1LSB,参考电压为(+10-10)V,供电电源为(+5+15)V,逻辑电平输入与TTL兼容.,69,1) DAC0832的结构及工作原理 DAC0832主要由8位数据锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器和选通控制逻辑四部分组成。,采用T型电阻网络实现D/A转换,由8个D锁存器组成，作为输入数据的缓冲器。,由8个D锁存器组成。,70,由图可见,在DAC0832中有两级锁存器,第一级锁存器为输入寄存器,它的锁存信号为ILE,第二级锁存器为DAC寄存器,锁存信号为通道控制信号 .,为寄存器命令。 1,寄存器的输出随输入而变化 = 0，数据被锁存在寄存器中,71,2) DAC0832的引脚, 引脚结构： 20引脚，双列直插式封装 数字量输入线D7D0（8条） 控制线（5条） 输出线（3条）Iout1,Iout2,Rf 电源线（4条）,72,DAC0832为20条引脚双列直插式封装结构，其各引脚功能如下： 片选端，低电平有效。 ILE 数据允许锁存信号，高电平有效。 写信号1端，低电平有效。用于将输入数据锁存到输入寄存器中， 必须与ILE、 同时有效。 写信号2端，低电平有效。只有当 和 同时有效时，输入寄存器中的数据才能通过DAC寄存器进行D/A转换。,73,传送控制信号，低电平有效。用于控制 。 DI0DI7 8位数据输入线。 Iout1 模拟电流输出端1。当输入数字量全为1时，输出电流最大；全为0时，输出电流为0。 Iout2 模拟电流输出端2。Iout2 与Iout1 为互补输出，即Iout1 +Iout2 =常数。 Rfb 反馈电阻连接端。用于连接运算放大器的输出端(反馈电阻多固化在片内)。 VREF 基准电压输入端，接外部-10+10V标准电源。 VCC 电源输入端，可选择515V电压。 AGND：模拟地； DGND：数字地。两种地单独连接。,74,3）DAC0832三种工作方式:,直通方式: 如果DAC0832的两个8位寄存器都处于直通状态(输出跟随输入变化)，即为直通方式。这时由DI7DI0输入的数据可以直接进入DAC寄存器进行D/A转换。 因此，所有控制信号都接成有效形式， 和 应当同时为1，即ILE=1，而 、 、 和 均为0。,75,单缓冲方式: 把两个寄存器中的任何一个接成直通方式,用另一个锁存数据，处于受CPU控制的状态，即为单缓冲方式。一般是将DAC寄存器接成直通方式。 例如：若 =1，使DAC寄存器处于直通状态，CPU则可以通过ILE、 控制输入寄存器，使DAC0832工作于单缓冲寄存器的工作方式。,76,也可以将两个寄存器同时锁存, 和 接在一起,而把 接地.,77,双缓冲方式: 如果两个8位寄存器都处于受控方式，即为双缓冲方式。 在这种方式下CPU分别控制两个缓冲寄存器的工作状态，数据输出要通过两步操作才能完成。,78,1先把转换的数据打入数据锁存器,然后在某时刻再启动D/A转换.这样可实现数据转换与数据输入同时进行,因此可有效提高转换速度. 2 在需要同步进行D/A转换的多路DAC系统中,采用双缓冲方式,可在不同的时刻把要转换的数据分别打入各DAC的数据锁存器,然后由一个转换命令同时启动多个DAC的转换. 实现同步输出. 注意: 在无特殊要求时,尽量采用单缓冲方式.只有在要求同时输入两个或两个以上数据的情况下,才采用双缓冲方式.,79,二 D/A转换器的输出方式,D/A转换器的输出有电流和电压两种方式，其中电压输出型又有单极性电压输出和双极性电压输出。 D/A转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，与其位数无关。 下面以8位D/A为例进行讨论。,80,(1) 单极性电压输出,在电流输出型D/A转化器中，一般要求Iout 端接地,否则将使T型网络各臂上的电压发生变化，致使解码网络的线形度变差。 将电流输出型D/A转换芯片转换成电压输出，只要在电流输出端加上一级电压放大器。,81,典型DAC0832的电压单极性输出电路如下图示DAC0832的电流输出端Iout1接至运放的反相输入端，故输出电压VOUT与参考电压VREF极性反相。,82,(2) 双极性电压输出,在随动系统中，由偏差产生的控制量不仅与大小有关，且与极性相关。 在单极性电压输出的基础上再加上一级电压放大器，并配以相关的电阻网络，就可构成双极性电压输出。,83,由下图知，运放A2的作用是把运放A1的单向输出电压变为双向输出。即将A2的输入端通过电阻R1与参考电压 相连。 VREF经R1向A2提供偏流I1，因此，运放A2的输入电流为两支路电流I1，I2之代数和。,由图可得D/A转换 器的总输出电压：,84, 运算放大器A2的作用是将运算放大器A的单向输出转变为双向输出，用图形表示如下：,85,三. 8位D/A转换器与微型计算机的接口及程序设计,(1) 数字量输入端的连接 需考虑两方面:位数D/A转换器的内部结构. 当D/A转换器内部没有输入锁存器时,必须在CPU与D/A转换器间增设锁存器或I/O接口.若有则可直接相连. (2) 外部控制信号的连接 片选信号、写信号、启动信号是D/A转换器的主要控制信号,一般由CPU或译码器提供.连接方法与D/A转换器结构有关. 片选信号主要由地址线或地址译码器提供. 写信号多由单片机（计算机）的写信号提供. 启动信号一般为片选及写信号的合成.,86,(3) D/A转换器与单片机的接口及程序设计应用举例 在单片机中采用统一编址的方式,寻址时将I/O端口视为外部存储单元,所以,采用访问外部存储器的指令MOVX DPTR, A或者MOVX Ri, A即可完成对I/O端口的访问. 不含数据锁存器的D/A转换器的连接(略) 两种方法:在单片机与D/A转换器间,增设锁存器或I/O接口芯片;利用单片机内部设有I/O接口的特点,直接与MCS-51系列单片机的P1口连接. 目前,这种D/A转换器比较少.,87,含有锁存器的D/A转换器的连接,88,由图知D/A转换器工作在双缓冲的工作方式. DAC0832的数字输入信号直接与8031的P0口连接.单片机的P2.1控制 ,P2.0控制 , 信号同时控制 和 .锁存允许信号ILE接高平. 当P2.1为0,执行MOVX DPTR,A指令时, 和 信号均为低电平,锁存允许信号ILE固定接高电平,此时,就打开第一级输入寄存器,把数据送入该寄存器. 再使P2.0=0(即 =0),执行MOVX DPTR, A指令,即可打开第二级8位DAC锁存器,完成D/A转换.,89,按图示连接方法,D/A转换器被作为8031的外部扩展存储器.设其第一级地址为FDFFH,第二级地址为FEFFH,则完成上图所示的D/A转换程序为:,START:MOV DPTR, #0FDFFH MOV A, #nnH MOVX DPTR, A INC DPH MOVX DPTR, A,90,课堂练习 试用DAC0832设计一个单缓冲的D/A转换器，要求画出接口电路图。,91,2. 2.4 12位D/A转换器DAC1210,主要性能指标如下： 12位数字分两次输入；分辨率为12位；电流建立时间1s；单电源供电，供电电压为515V；基准电压VREF 范围为-10+10V。,92,12位输入寄存器分成一个8位和一个4位并联，为的是便于和8位CPU总线连接。在和8位数据总线连接时，数据要分两次输出，先送高8位，再送低4位，然后12位一次输出进行D/A转换。,为1时，同时选中两个输入寄存器；为0时，只选中低4位寄存器。,93,94,思考：DAC1210采用的是单极性的输出方式，8位输入寄存器的地址为FFH，4位输入寄存器的地址为FEH。设内部RAM的20H和21H单元内存放一个12位数字量（20H单元中为低4位，21H单元中为高8位），写出实现D/A转换的程序。,95,2.2.4 模拟量输出通道结构形式,1 一个通道设置一个数/模转换器的形式 优点:转换速度快，精度高，工作可靠. 缺点:如果输出通路数量很多，将使用较多的 D/A转换器.,96,2 多个通路共用一个数/模转换器的形式 由于多个输出通路共用一个D/A转换器，因此每个通路应设置一个输出保持器，同时还应有一个多路转换开关. 适用于通路数多且速度要求不高的场合.此外，它还要用多路开关，并要求输出保持器的保持时间与采样时间之比较大，因此可靠性较差.,使本次输出的控制信号在新的控制信号来到之前维持不变，从而将离散的模拟信号变为连续的模拟信号,97,2.3 模拟量输入通道接口技术,模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量.能够完成这一任务的器件称为模-数转换器,简称A/D转换器. A/D转换器的位数越高,其分辨率越高,价格也越贵. 模拟量输入通道由数字控制接口电路、模/数信号转换器、模拟信号前置放大器和多路信号切换采样器四部分组成。,98,2.3.1 A/D转换原理,A/D转换常用方法: 计数器式A/D转换：转换线路简单,转换速度较慢，价格便宜，适用于慢速系统。现很少采用。 双积分式A/D转换：可达高分辨率，精度高，抗高频干扰及瞬间干扰能力强，但速度更慢。 逐次逼近型A/D转换：可达中等分辨率或高分辨率，适用于中等速度甚至高速转换系统，成本低，又具有一定精度，多用此种转换方法。,99,逐次逼近型A/D转换原理图,100, 采用对分搜索原理来实现A/D转换 主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、电压比较器、时序及控制逻辑等部分组成 工作过程：逐次把设定在SAR中的数字量所对应的D/A转换器输出的电压，与要被转换的模拟电压进行比较，比较时从SAR中的最高位开始，逐次确定各数码位是“1”还是“0”，最后，SAR中的内容就是与输入的模拟电压对应的二进制数字代码,101, 以4位A/D转换器为例，说明其逐次逼近过程的原理： LSB所代表的信号电压为0.25v(满量程,4/24)，模拟输入电压为1.8v 这里误差为0.05v。SAR位数越多，越逼近 ，但转换时间也越长,102,转换过程： 当A/D转换器接到启动脉冲后，在时钟的作用下，控制逻辑首先使N位逐次逼近寄存器的最高位DN-1置1(其余N-1位均为0),经D/A转换器转换成模拟量Vf后,与输入的模拟量VX在比较器中进行比较,由比较器给出比较结果.当VXVf时,保留这一位,否则,该位清零.然后,再使DN-2位置1,与上一位DN-1一起进入D/A转换器,经D/A转换后的模拟量Vf再次与模拟量VX进行比较.如此进行下去,直至最后一位D0比较完成为止.此时,N位寄存器中的数字量即为模拟量对应的数字量.,103,2.3.2 8位A/D转换器,1 普通型A/D转换器AD7574,AD7574采用CMOS工艺,是单片型,含内部时钟振荡器,+5V供电,芯片内设有比较器和控制逻辑,以及功耗低,转换速度快的逐次逼近型A/D转换器. 采用18脚双列直插式封装结构,易于与微型计算机接口连接,应用广泛.,104,AD7574是采用R-2R型解码网络D/A转换结构,利用逐次逼近型模-数转换的A/D转换器,片内还设有控制逻辑、时钟、以及三态输出缓冲器等几个部分.,105,各引脚的作用及控制方法如下: VREF:参考电压. VDD:A/D转换器的总电源,+5V. VIN:模拟量电压输入端.单极性. BOFS:二进制偏移选择端.用来控制A/D的输出码制. DB7DB0:带锁存器的8位数字量输出端. :忙信号输出端.该信号作为A/D转换器的标志信号.当 为0时,表示A/D转换器正在进行A/D转换.此时,若从A/D转换器中读取数据是错误;当 为1时,表示A/D转换结束,可读取A/D转换的结果. 和 : 为写/读信号,而 是片选信号.两者结合起来完成写或读的控制. CLK:时钟信号端. GND:地线.AGND模拟地,DGND数字地.,106,2 多通道A/D转换器ADC0808/0809,8位AD转换器ADC0809 带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器 转换时间100us, 总的不可调误差为±1LSB 可直接与微机相连，不需另加接口逻辑 输入、输出引脚电平与TTL电路兼容 当模拟电压范围为05v时可使用单一的5v电源 一般不需要调零和增益校准,107,108,芯片中8路模拟开关的通/断由地址锁存器和译码器控制,可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号. 该芯片无需进行零位和满量程调整.由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码,而且其三态TTL输出也可进行锁存,所以易于与计算机接口连接. 片内8通道多路模拟开关,其基本原理与CD4051相似. 逐次逼近型A/D转换器由比较器,控制逻辑,数字量输出缓存缓冲器,D/A转换器组成. 该芯片具有较高的转换速度和精度,受温度影响较小,能较长时间保证精度,重现性好,功耗较低,且具有8路模拟开关,对于过程控制它是比较理想的器件.,109,ADC0809引脚结构：, 采用双列直插式封装，共有28条引脚 8条模拟量输入通道 地址输入和控制线4条 数字量输出及控制线11条 电源线及其他：5条,110, 是转换后的二进制输出端，它们受输出允许信号OE的控制：OE0， 呈高阻态；OE1，输出转换后的数据 A、B、C是三个采样地址输入端，它们的8种组合用来选择8个模拟量输入通道 中的一个通道并进行转换,111, 输入通道选通地址表,112, ALE是地址锁存选通信号，该信号上升沿把地址状态选通入地址锁存器。也可以作为开始转换的启动信号 START为启动转换脉冲输入端，其上跳变复位转换器，下降沿启动转换。它可由程序或外部设备产生。当START与EOC端短接时，实现自动连续转换,113, EOC为转换结束信号，从START信号上升沿开始经8个时钟周期后由高电平变为低电平。该信号也可作为中断请求信号 CLK为时钟信号输入端，最高可达1280kHz REF(+) 和REF()为基准电压输入端，它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值。通常REF(+)和电源Vcc一起接基准电压，REF()接地端GND,114, 转换时序,115,2.3.3 8位A/D转换器的接口技术,1 模拟量输入信号的连接 A/D转换所要求的模拟量大都为05V的标准电压信号. 在模拟量输入通道中,除了单通道输入外,还有多通道输入方式. 2 数字量输出引脚的连接 对内部未含有输出锁存器的A/D转换器,多通过锁存器或I/O接口与计算机相连. 对内部含有数据输出锁存器的A/D转换器,可直接与计算机相连.,116,3 A/D转换器的启动 A/D转换器在开始转换前,必须经过启动才开始工作.启动的方式有脉冲启动和电平启动. 脉冲启动的芯片,只要在启动转换输入引脚引入一个启动脉冲即可.如ADC0809. 电平启动,就是在A/D转换器的启动引脚上加上要求的电平.在转换的过程中,必须保持这一电平,否则将停止转换.如AD570. 注意:不同的A/D转换器,要求的启动信号的电平不一样.,117,4 转换结束信号的处理方法,转换结束时,A/D转换器芯片内部的转换结束触发器置位.同时输出一个转换结束标志信号,通知计算机,转换完毕,可进行读数. 计算机检查判断A/D转换结束的方法有: 中断方式:将转换结束标志信号接到计算机的中断申请引脚或允许中断的I/O接口的相应引脚上.当转换结束时,提出中断申请,计算机响应后,在中断服务程序中读取数据. 查询方式:把转换结束信号经三态门送到CPU数据总线或I/O接口的某一位上,计算机向A/D转换器发出启动信号后,便开始查询A/D转换是否结束. 软件延时法:计算机启动A/D转换后,就根据转换芯片完成转换所需要的时间,调用一段延时程序,程序执行完后,A/D转换完成,即可读出数据.,118,5 参考电平的连接,在A/D转换器中,参考电平的作用是供给内部D/A转换器的标准电源.与A/D转换的精度密切相关.一般要求由稳压电源供电. 采用外电源供电的8位A/D转换器,如:AD7574,ADC0809. 采用内部设置精密参考电源的12位A/D转换器,如:AD574. 根据模拟量输入信号极性不同,参考电压源的两个引脚接法不同. 当模拟量信号为单极性时,VREF(-)接模拟地,VREF(+)接参考电源正端. 当模拟量信号为双极性时,则VREF(-)和VREF(+)分别接参考电源负,正极性端.,119,6 时钟的连接,时钟频率是决定A/D转换速度的基准. A/D转换时钟的提供方法有两种: 由外部时钟提供 可以用单独的振荡器,更多使用CPU时钟经分频后,送至A/D转换器的时钟端子. 由芯片内部提供 若A/D转换器内部设有时钟振荡器,一般不需任何附加电路,如AD574A. 注意:有些转换器,使用内部时钟或外部时钟均可.,120,121,122,123,7 接地问题,在包括A/D转换器组成的数据采集系统中,有许多接地点.这些接地点常被看作逻辑电路的返回端(数字地),模拟公共端(模拟电路返回端)模拟地. 有些A/D转换器还单独提供了模拟地和数字地接线端,分别有自己的引脚. 在连接时,应将这两种接地引脚分别接至系统的模拟地和数字地上,再将这两种“地”用一根导线连接起来.,124,2.3.4 8位A/D转换器的程序设计,若系统的参数不多,且变换速度较快,A/D转换器的转换时间比较短,多用查询方式. 若系统的参数较多,变换速度比较慢,所采用的A/D转换器的转换时间比较长,一般用中断方式. A/D转换器的程序设计主要分三步:启动A/D转换; 查询或等待A/D转换结束;读出转换结果. 在设计A/D转换程序时,必须和硬件接口电路结合起来进行.,125,1 采用中断方式,关键: 把A/D转换器的结束标志线与51系列单片机的 或 中断请求引脚相连.当启动A/D转换后,单片机可以继续执行其程序.一旦A/D转换结束,即通过中断请求引脚向CPU申请中断,CPU响应后,转到相应的中断服务程序,读出A/D转换结果.,126,完成中断方式的A/D转换的程序分两部分:主程序.即设置触发方式,中断方式,开中断等;中断服务程序 上图所示中断方式的A/D转换程序如下:,主程序: ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP ATOD ORG 0200H MAIN:SETB IT0 SETB EX0 SETB EA MOV DPTR , #AREAD MOVX DPTR, A HERE:AJMP HERE,中断服务程序: ORG 0220H ATOD:PUSH PSW PUSH ACC PUSH DPL PUSH DPH MOV DPTR , #AREAD MOVX A, DPTR MOV DATAR, A POP DPH POP DPL POP ACC POP PSW,RETI AREAD EQU OFF80H DATA EQU 50H,127,MCS-51系列单片机和ADC0809的接口,128, 单片机的端口0作为复用数据总线，与ADC0809的数据输出端 相连 单片机的低3位数据线(选通abc)用于选择8路模拟量输入 ADC0809的时钟信号CLK由单片机的ALE信号提供 转换的启动信号START和8路模拟输入开关的地址锁存允许信号ALE由单片机的写信号WR及地址译码输出信号逻辑提供。 本接口用P2.7作 I/O 地址选择信号，相当于用ADC0809的片选信号作启动信号，其地址为7FFFH,129, 转换开始