1
2.0 数据通道概述
2.1 数据采集系统的组成结构
2.2 信号调理
2.2.1 传感器的选用
2.2.2 运用前臵放大器的依据
2.2.3 信号调理通道中的常用放大器
2.2.4 V/I和 I/V转换电路第二章 (1) 计算机控制系统的数据采集技术 (前向通道 )
2
2.3 多路模拟开关
2.3.1 结构原理
2.3.2 扩展电路
2.4 采样 /保持器
2.4.1 概述
2.4.2 采样 /保持器的工作原理
2.4.3 系统采集速度与采样 /保持
2.4.4 采样保持器
3
2.5 A/D (Analog/Digital)转换器及接口技术
2.5.1 A/D转换器的作用
2.5.2 ADC的转换原理
2.6 常用 ADC集成芯片及其与微处理器的接口
2.6.1 典型芯片 — ADC0809介绍
2.6.2 AD574A及其与微处理器的接口
2.6.3 CS5360及其与微处理器的接口
2.7 A/D转换模板
2.8 A/D转换器的选择
2.9 数字量输入通道
2.9.1 开关输入电路
2.9.2 脉冲计数电路
4
2.0 数据通道概述用 户人 -机界面
2é?ˉ?¨
工业系统机 -机界面数据通道人通过键盘、鼠标等向计算机输入信息；计算机通过显示器输出信息
5
数据通道 工业系统数据通道的 分类开关量,某个开关通、断的状态,只有两种状态模拟量,时间上连续；量值在一定范围内连续模拟量输入到计算机,需要 将模拟量转换为数字量 即模数转换,因此该通道也称为 A/D通道
6
实例 1:研华 PCL-724数据采集卡
7
数据采集卡接口
20芯扁平线
8
电源线
9
实例 2:智能模块泓格 I7017 模拟量输入
10
泓格 I7014 模拟量输出
11
模拟量输入通道的任务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 转换成计算机可以接收的 数字量信号,
结构组成如图 2-1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,然后经 多路模拟开关,分时切换到后级进行 前臵放大、采样保持和模 /
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,
2.1 数据采集系统的 组成结构
12
显然,该通道的核心是模 /数转换器即 A/D转换器,通常把模拟量输入通道称为 A/D通道或 AI通道,
传感变送器信号调理多路模拟开关前置放大器采样保持器转换器接口逻辑电路过程参数
PC
总线图 2-1 模拟量输入通道的结构组成
A/D
13
实际的数据采集系统往往需要 同时测量多种物理量 或 同一种物理量的多个测量点,
因此,多路模拟输人通道 更具有 普遍性,按照系统中数据采集电路是 各路共用一个 还是 每路各用一个,多路模拟输人通道可分为 集中采集式和分散采集式 两大类型,
14
一,集中 采集式图 2-2 集中式数据采集系统的典型结构
15
二,分散 采集式 (分布式 )
(a) 分布式 单机 数据采集结构
16
通信接口上位机数据采集站 1
数据采集站 2
数据采集站 3
数据采集站 N
…
…
…
…
…
…
…
…
……
模拟信号和数字信号
(b) 网络式 数据采集结构图 2-3 分布式数据采集系统的典型结构上位机、下位机的概念
17
2.2 信号调理 (Signal Conditioning)
所谓 信号调理,就是将传感器或者变送器所输出的电信号进行 放大、隔离、滤波,以便数据采集板实现数据的采集,
传感器 /数电 /模电知识传感器前臵放大低通滤波高通至采集电路图 2-4 典型调理电路的组成框图
18
2.2.1 传感器 的选用 (复习 )
传感器是信号输人通道的第一道环节,也是决定整个测试系统性能的 关键环节 之一,要正确选用传感器,
首先要明确所设计的测试系统 需要什么样的传感器 —
— 系统对传感器的技术要求；
其次是要了解现有传感器厂家有哪些 可供选择的传感器,把同类产品的指标和价格进行对比,从中挑选合乎要求的 性价比 最高的传感器,
19
传感器,用于将被测物理信号转化为电信号的器件,
常用传感器举例,
温度测量,热电阻 (0～ 200度 )
热电偶 (200～ 1500度 )
压力测量,弹簧位移、压敏器件
流量测量,压力差原理
位移 测量,电位器、电容式,光栅 (调速系统中介绍 ) …
速度测量,电磁感应、离心位移 …
… …
20
变送器 (复习 )
用于将 传感器信号进行初步处理,包括,
1,信号滤波,实现一个低通滤波器,滤除常见 高频干扰
2,小信号放大,小信号易受干扰,不易传输,要进行放大,
3,I/V变换,将电压 /电流信号统一变换为规定 标准信号,以利于传输使用,
常见标准,计算机接口标准,范围 0～ 5V
DDZ-П 型仪表标准,范围 0～ 10mA
DDZ-Ш 型仪表标准,范围 4～ 20mA
4.非线性补偿,对实际 物理信号与电信号成非线性关系的情况进行补偿操作,使其成为线性关系,这部分工作亦可 由计算机软件完成,
如,热电偶 中,热电势 e与温度 T的关系一般为,
T = a1e4+a2e3+a3e2+a4e+a5 (a1～ a5为常数 )
补偿后,变送器的输出电压 V与温度 T的关系可转化为线性关系,
即,V = aT+b
21
(一 ) 对传感器的主要 技术要求
1,具有将 被测量 转换为后续电路 可用电量 的功能,转换范围与被测量实际变化范围 相一致,
2,转换精度 符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标,转换速度 应符合整机要求,
3,能满足 被测介质和使用环境 的特殊要求,如耐高温,
耐高压,防腐,抗振,防爆,抗电磁干扰,体积小,质量轻和不耗电或耗电少等,
4,能满足用户对 可靠性和可维护性 的要求,
22
(二 ) 可供选用的传感器 类型温度的传感器 就有,热电偶、热电阻、热敏电阻,半导体 PN结,IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种,在都能满足测量范围、精度、
速度、使用条件等情况下,应侧重考虑成本低、
适配电路是否简单等因素进行取舍,尽可能选择性价比高 的传感器,
23
1,大信号输出传感器,为了与 A/D输入要求相适应,
传感器厂家开始设计、制造一些 专门与 A/D相配套的大信号输出传感器,
传感器传感器传感器小信号放大 信号修正与变换 滤波 A/D 微机微机
I/V转换
V/F
光电耦合小电流小电压大电压大电流图 2-5 大信号输出传感器的使用电流 /电压转换电压 /频率转换
24
2.数字式 传感器,
数字式传感器一般是采用 频率敏感效应器件 构成,
也可以是由敏感参数 R,L,C构成的振荡器,或模拟电压输入经 V/F转换 等,因此,数字量传感器一般都是 输出频率参量,具有 测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送 等优点,
25
传感器 放大整形 光电隔离 计算机传感器 整形 光电隔离 计算机频率量输出开关量输出图 2.6 频率量及开关量 输出传感器的使用
26
3,集成传感器,(DS18B20 温度传感器 )
集成传感器是将 传感器与信号调理电路做成一体,例如,将 应变片,应变电桥、线性化处理,电桥 放大等做成一体,构成 集成压力传感器,
采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务,简化通道结构,
27
4.光纤 传感器,
这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过 光导纤维 实现的,避免了电路系统的电磁干扰,
在信号输入通道中采用光纤传感器可以从 根本上解决 由现场通过传感器引入的干扰,
28
2.2.2 运用 前臵放大器 的依据多数传感器输出信号都比较小,必须选用 前臵放大器进行放大,
判断传感器信号,大,还是,小,和要不要进行放大的依据又是什么？
放大器为什么要,前臵,,即设臵在调理电路的最前端
？
前臵放大器的 放大倍数应该多大？
29
2.2.3 信号调理通道中的 常用放大器 (难点 )
在智能仪器的信号调理通道中,针对被放大信号的特点,并结合数据采集电路的现场要求,目前使用较多的放大器有 测量放大器、
程控增益放大器以及隔离放大器 等,
前臵放大器的任务是将 模拟输入小信号放大到 A/D转换的量程范围之内,如 0-5VDC;
对单纯的微弱信号,可用一个运算放大器进行 单端同相放大或单端反相放大,如图 2-5所示,信号源的 一端若接放大器的正端为同相放大,同相放大电路的放大倍数 G=1+R2/R1；
若信号源的 一端接放大器的负端为反相放大,反相放大电路的放大倍数 G=－ R2/R1.当然,这两种电路都是单端放大,所以 信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地,(电路 /模电 )
30
图 2-5 放大电路
V
I
V O
1R
2R
图 2- 5 放大电路
V
I
V O
1R
2R
(a ) 同相放大
～U s
～U s
(b ) 反相放大
31
OP07
32
(一 )测量放大器在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的 共模干扰,而 单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用,因此,A/D通道中的前臵放大器常采用由 一组运放构成的测量放大器,也称仪表放大器,如图 2-6(a)所示,
经典 的测量放大器是由 三个运放组成的对称结构,测量放大器的差动输入端 Vin?和 Vin?分别是两个运放 A1,A2的同相输入端,输入阻抗很高,而且完全对称地直接与被测信号相连,因而有着 极强的抑制共模干扰能力,
33
-
+
3A
2A
1A
1R
2R SR
1R
2R SR
-NIV
GR
NIV +
负载
(外接 )
外接地
TUOV(外接 )
图 2-6 测量放大器
34
仪用放大器上下对称,即图中 R1=R2,R4=R6,R5=R7.则放大器闭环增益 为,
假设 R4=R5,即第二级运算放大器增益为 1,则可以推出仪用放大器闭环增益为,
由上式可知,通过 调节电阻 RG,可以很方便地改变仪用放大器的 闭环增益,当采用集成仪用放大器时,RG一般为外接电阻,
45G1f R/R)R/R21(A
)R/R21(A G1f
)
R
R2
1(
R
R
VV
V
G
G
1
2
S
ININ
O U T?
35
① 测量放大器的特点,具有 高共模抑制比、高速度、高精度、
宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声 等,
② 测量放大器的工作原理
a.结构,由 三个运算放大器 构成,其内部基本电路如图所示,
b.工作原理,A1,A2二个同相放大器 组成 差动式放大电路,输入信号加在 A1,A2的同相输入端,从而具有 高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗,功率放大器 A3为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将 双端输入 方式变换成 单端输出方式,以满足负载的需要,
36
③ 测量放大器 集成芯片 常用的有 AD521S,AD522B,AD612、
AD605,ZF605,INA102等,
a,AD521采用标准 DIP-14双列直插式封装,其管脚功能如图 a与基本接法如图 b所示,在使用 AD521(或其他测量放大器 )时,要特别注意为偏臵电流提供回路,为此,输入 (引脚 l或引脚 3)端必须与电源的地线相连构成回路,
b,AD522也是单芯片集成精密测量放大器,
37
OFF SET
OFF SET
OUTPUT
a ） b ）
V -
10k
3
5
R S =100k
V
OUT
R G
+IN
- IN
14
4
6
11
7
12
13
10
8
1
1 14
2 13
3 12
4 1 1
5 10
6 9
7 8
2
A D 521
V+
V
IN
R G
R S
SENSE
REF
R S
COMP
V+
+IN
R G
- IN
OFF SET
V -
OFF SET
OUTPUT
AD521的管脚功能及基本接法
38
在实际的设计过程中,可根据模拟信号调理通道的设计要求,并结合仪用放大器的 以下主要性能指标 确定具体的放大电路 (了解 ),
1,非线性度它是指放大器 实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差,当 增益为 1时,如果一个 12位 A/D转换器有 0.025%的非线性偏差,当 增益为
500时,非线性偏差可达 0.1%,相当于把 12位 A/D转换器变成 10位以下转换器,故一定要选择 非线性偏差小于 0.024%的仪用放大器,
39
2.温漂温漂是指仪用放大器 输出电压随温度变化而变化的程度,通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生 (1～ 50)?V/℃ 变化,这与仪用放大器的增益有关
3.恢复时间恢复时间是指 放大器 撤除驱动信号瞬间 至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间,显然,放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的 采样速率,
40
4.建立时间建立时间是指 从阶跃信号 驱动瞬间 至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间
5.电源引起的 失调电源引起的失调是指 电源电压每变化 1%,引起放大器的漂移电压值,仪用放大器一般用作数据采集系统的前臵放大器,
对于共电源系统,该指标则是 设计系统稳压电源的主要依据之一,
41
6.共模抑制比 (CMRR---Common Mode Rejection Ratio)
当放大器 两个输入端具有等量电压变化值 UI时,在放大器 输出端测量出电压变化值 UCM,则共模抑制比 CMRR
可用下式计算,
CMRR也是放大器增益的函数,它随增益的增加而增大,
这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构,
这个前端结构 对差动信号有增益,对共模信号没有增益,
但 CMRR的计算却是折合到放大器输出端,这样就使 CMRR
随增益的增加而增大,
I
CM
U
Ulg20C M R R?
42
(二 ) 程控增益放大器 (PGA-Programmable Gain Amplifier)了解程控放大器是智能仪器的常用部件之一,在许多实际应用中,
特别是在通用测量仪器中,为了在整个测量范围内获取合适的分辨力,常采用 可变增益放大器,在智能仪器中,可变增益放大器的增益由仪器内臵计算机的 程序控制,这种由程序控制增益的放大器,称为 程控放大器,
在 A/D转换通道中,多路被测信号常常共用一个测量放大器,而各路的输入信号大小往往不同,但都要放大到 A/D转换器的 同一量程范围,因此,对应于各路不同大小的输入信号,测量放大器的 增益也应不同,具有这种性能的放大器称为 可变增益放大器或可编程放大器,如图 2-6(b)所示,
43
3A
2A
-NI
N
负载
(外接 )
外接地
TUOV
16K
16K16K
16K
2
4
8
16
32
64
128
256
80K
26.67K
11.43K
5.33K
2.58K
1.27K
314Ω
630Ω
-
+
1A
IV +
图 2-6 前臵放大器
(b)可变增益放大器
44
把图 2-6(b)中的 外接电阻 Rg换成一组 精密的电阻网络,每个电阻支路上有一个开关,通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益,根据开关支路上的电阻值与增益公式,就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为 2,4,8,16,32,64,128、
256倍,显然,这一组开关如果用多路模拟开关 (类似 CD4051)就可方便地进行 增益可变 的 计算机数字程序控制,此类 集成电路芯片有 AD612/614等,
① 可编程增益放大器的 特点,硬件设备少,放大倍数可根据需要通过编程进行控制,使 A/D转换器满量程信号达到均一化,提高了测量精度,
② 可编程增益放大器 结构,它是 测量放大器电路的扩展,增加了增益模拟开关和驱动电路,
③ 可编程增益放大器的 应用,可编程增益放大器 PGA的优越性之一就是能进行 量程自动切换,
45
例,数字电压表 的 量程自动切换分析,CPU首先对被测参数进行 A/D转换,判断 被测值是否大于当前量程,若大于,再判断 PGA的增益是否为最低档,如果是,就转入超量程处理,否则,将 PGA增益降低一档并重复前面的处理过程；如果被测值小于当前量程再判断最高位是否为零,如果是零,就进一步判断增益是否为最高一档,若不是最高档,将增益升高一级再进行 A／ D转换及判断；如不为零或
PGA已经升到最高档,则说明量程已经切换到最合适档,此时微处理器对所测得的数据再进一步处理,
Y
数据处理
A / D 转换大于当前量程？
P G A 在最低档？
P G A 增益降一档转换后最高位 =0？
P G A 在最高档？
P G A 增益升一档 超量程处理
Y
Y
Y
自动量程切换自动量程切换流程图
46
PGA102是一种独立、
高速、高精度的数字式可程序设臵增益的仪器放大器,由 COMS/TTL电平来选择增益为 1,10或 100,其内部结构如图所示,
改变 X10,X100两管脚的电平,即可选择 VIN1,
VIN2和 VIN3.由于三种输入的反馈电阻不同,因而可得到不同的增益,
敏感公共端
V
OUT
15
11
12
2
1
3
16
13
10
9
8
7
6
5
4
- V
CC
1.33k 10.8k
1.2k 10.8k
1.2k 10.8k
模拟地
V
I N1
增益 / 通道选择
V
I N2
V
I N3
增益调整增益调整
X 10 +V CC 逻辑地 X1 00 失调调整
PGA102原理结构图
④ 常用的可编程增益放大器芯片有
AD526,AD625,AD620
B-B公司的 PGA100,PGA102,LH0084等,
47
(三 ) 隔离放大器 (变压器耦合,光耦合 )
隔离放大器主要用于要求 共模抑制比高的模拟信号 的传输过程中,例如输入数据采集系统的信号是 微弱的模拟信号,而测试现场的 干扰比较大 对信号的传递精度要求又高,这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离,以保证系统的可靠性,
48
由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入,输出端之间的耦合,因此具有以下 特点,
1.能保护系统元件不受 高共模电压 的损害,防止高压对低压信号系统的损坏,
2.泄漏电流低,对于测量放大器的输入端无须提供 偏流返回通路,
3.共模抑制比高,能对直流和低频信号 (电压或电流 )进行准确,安全的测量,避免各种干扰对系统的影响,
49
⑴ 隔离放大器 应用场合,测量处于 高共模电压下的低电平信号 ；
消除 信号源地网络干扰 (如大电流的跳变 )所引起的测量误差；
避免与地构成回路及其 寄生拾取 问题；
保护系统电路不致因输入端或输出端的 高共模电压造成损坏 ；
用于 医疗仪器 为病人提供安全接口等,
⑵ 变压器耦合 隔离放大器组成,由 输入级、输出级和电源振荡器 三个基本部分,典型的隔离放大器原理图如下图所示,
50
- 15V
b
c
3
2
1
5
4
+ 15V
10k
1# 隔离电源滤波调制 A1 解调 滤波
2# 隔离电源
100 kH z
电源振荡器稳压器
A2
100k
100k
- 15V
+ 15V
输入
7
+ -
6
- 15V
+ 15V
输出
8
10
9
电源
a
e
d
输入屏蔽
V
0
± 10V
同步 I / O
T
2
直流电源 V
S
从 + 12.5 V
至 + 25V
公共端
T
1
增益
R
增益
V
i
公共端
± 5mA
隔离电源输出
289 型图 2.12 GF289集成隔离放大器
51
图 2-14 GF289典型接法
52
工作原理,将 传感器送来的信号 滤波和放大,并 调制 成 交流信号,通过 隔离变压器耦合 到输出级,在输出级把交流信号 解调 变成 直流信号,再经滤波和放大,最后输出 0～ ± 10V的直流电压,由于放大器的两个输入端都是浮空的,所以,它能够有效地起测量放大器的作用,又因采用 变压器耦合,所以输入部分和输出部分是隔离的,
增益计算,
1 0 0 0~1GGG O U TIN
GIN—— 输入部分电压增益；
GOUT—— 输出部分电压增益,
53
⑶ 光耦合 隔离放大器光耦合隔离放大器是通过 输入极激励发光管,由光电管将光信号耦合到输出极,实现信号的传输,同时保证了输入和输出间的电气隔离,
⑷ 隔离放大器集成芯片常用 变压器耦合隔离放大器 有 Model277,Model278、
AD293,AD294 GF289等,光耦合隔离放大器 有 ISO100等,
54
AD293应用电路 如图所示,信号 VIN的输入端可接地也可悬空,电阻 RG是增益调整电阻,输入级增益为
W1是输入级调零电位器,如果需 调零,W1的滑动点与引脚 2相连,如果不调零,W1可不接,引脚 33还可输出－ 13V(相对引脚 2),以供其它外电路使用,电容 C2
用于对－ 13V滤波,
1G11 RR/R91G R1—— 输入级内部反馈电阻
55
2.2.4 V/I和 I/V转换电路控制系统中,对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器,
当它们的输出信号为 0 - 10 mA或 4 -20 mA的电流信号时,一般是采用电阻分压法 把现场传送来的 电流信号转换为电压信号
1.V/I转换电路
(1)0～ 10V／ 4～ 20mA转换电路电流信号传输的优点,以消除电缆衰减,抗工业现场干扰,
56
0 ~ 10V 12.5k 1k
+15V 50k INA105
4 ~2 0 m A
OUT
10V
OPA27
2
3 1
6
5
2 6
REF10
4
R L O A D
50.1 Ω
50.1 Ω
常用精密 0～ 10Ⅴ/4 ～ 20mA转换电路如图所示,
图中 REF10为 +10V精密电压基准,提供一个 +10Ⅴ 标准的稳压电源,此标准电源与 0～ l0Ⅴ 输入信号 一起加到由 超低噪声精密运算放大器 OPA27所组成的 反相比例求和电路,
工作原理,当输入信号在 0～ 10V间变化时,OPA27的输出范围为 -
0.2V～ 1V,该输出加到由 精密单位增益差动放大器 INA105组成的 V/I
变换电路 的输入端,可以推出当输入电压为 -0.2～ -1Ⅴ 时,流过负载电阻 RLOAD的电流为 4～ 20mA,而与 RLOAD的大小无关,
57
(2)隔离型 V/I转换电路采用 ISO100光电隔离放大器 组成的 V/I 4～ 20mA变换电路,原理如图所示,
58
2.I/V转换电路
(1)无源 I/V变换无源 I/V变换电路是利用 无源器件 -电阻 来实现,加上 RC滤波和二极管限幅 等保护,如图 2-15(a)所示,其中 R2为精密电阻,
对于 0～ 10mA输入信号,可取 R1=100Ω,R2=500Ω,这样当输入电流在 0～ 10mA量程变化时,输出的电压 就为 0～ 5V范围 ;
对于 4～ 20mA输入信号,可取 R1=100Ω,R2=250Ω,这样当输入电流为 4～ 20mA时,输出的电压为 1～ 5V.
59
图 2-15 电流 /电压变换电路
-
+
A
2R
1
R
V
I
(a) 无源I/ V变换电 路 (b) 有源I/ V变换电 路图 2-2 电流/电压变 换电路
+
3R
5
R
4
R
2R
1
R
I
D
C
C
V
+
-
+5 V
R1=100Ω,R2=500Ω
60
(2)有源 I/V变换有源 I/V变换是利用 有源器件 —— 运算放大器和电阻电容 组成,如图 2-15(b)所示,利用 同相放大电路,把电阻 R1上的输入电压变成标准输出电压,该同相放大电路的放大倍数为若取 R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=150kΩ,则输入电流 I的 0～
10mA就对应电压输出 V的 0～ 5V；
若取 R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=25kΩ,则 4～ 20mA的输入电流对应于 1～ 5V的电压输出,
3
4
1 R
R1
IR
VG
61
RCV420是一种精密的 电流 /电压变换器,它能将 4～
20mA的电流信号转换成 0～ 5V的电压信号,
其典型应用电路如图所示,
I IN
4~ 20mA
+in 3
Cr 2
- in 1
+ +
1 μ F
公共 公共
Rcv Rcv
Ref 噪声抑制
16 4 13 7 5 8 Ref 调整
10 Ref f A
11 Rcv O ut
（ 0 ~ 5V ）
15 R ef
f B
12 R ef
in
14
RC V 420
+ 10V
R ef er enc o
R
S
R
S
R
S
= 75 Ω
V 0
1 μ F
62
多路开关的主要用途是把 多个模拟量参数分时的接通并送入 A/D转换器,即完成 多到一的转换 ;
或者把经计算机处理,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 (或外部设备 )中,即完成 一到多 的转换,
前者称为 多路开关 (Multiplexer),后者叫做 反多路开关
(De-MultiPlexer)或者叫做多路分配器,
这类器件中有的只能做一种用途,称为 单向多路开关,如 AD7501 (8
路 ),AD7506 (16路 );有些则既能做 多路开关,又能当 反多路开关,称为 双向多路开关,如 CD4051.
从输入信号的连接方式来分,有的是 单端输入,有的则允许 双端输入
(或者差动输入 )
2.3 多路模拟开关 Multi-plexer(重点 )
63
64
现以常用的 CD4051(datasheet)为例,学生看书
1.引脚,
2.内部原理,8路模拟开关的结构原理如图 2-16所示,CD4051由 电平转换、译码驱动及开关电路 三部分组成,
当 禁止端 INH (Inhibit)为,1”时,前后级通道断开,即 S0-S7端与 Sm端不可接通 ； 当为,0”时,则通道可以被接通,通过改变控制输入端 C,B,A的数值,就可选通 8个通道 S0-S7中的一路,
比如,当 C,B,A=000时,通道 S0选通；当 C,B,A=001时,通道 S1
通 ； …… 当 C,B,A=111时,通道 S7选通,其真值表如表 3-1所示 (138).
65
The CD4051B is a single 8-Channel multiplexer having three binary
control inputs,A,B,and C,and an inhibit input,The three binary
signals select 1 of 8 channels to be turned on,and connect one of the 8
inputs to the output.
When these devices are used as demultiplexers,the“CHANNEL
IN/OUT” terminals are the outputs and the,COMMON OUT/IN”
terminals are the inputs.
66
67
图 2-16 CD4051结构原理图
68
2.4 采样 /保持器
2.4.1 概述模拟信号进行 A/D转换时,从启动转换到转换结束输出数字量,
需要一定的转换时间,在这个转换时间内,模拟信号要基本保持不变,
如果输入信号变化 较快 (频率较高 ),就会引起较大的转换 误差,要防止这种误差的产生,必须在 A/D转换 开始时 将 输入信号的电平保持住,
而在 A/D转换 结束后又能跟踪输入信号的变化,能完成这种功能的器件叫 采样 /保持器 (S/H---Sample/Hold).采样 /保持器在保持阶段相当于一个,模拟信号存储器,,
69
数据采样定理 (复习 )
离散系统 或采样数据系统 -----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,
离散系统的采样形式 ----有周期采样、多阶采样和随机采样,应用最多的是周期采样,
周期采样 --就是以 相同的时间间隔进行采样,即把一个连续变化的 模拟信号 y(t),按一定的 时间间隔 T转变为在 瞬时 0,T,2T,… 的一连串脉冲序列信号 y*(t),如图 2-18所示,
70
0 t 0 T 2T 3T t
采样器
y ( t )*
y ( t )*y
( t )
y ( t )?
T
图 2-7 信 号的采样过程采样器的常用术语,
1.采样器或 采样开关 ----执行采样动作的装臵,
2.采样时间或 采样宽度 τ ----采样开关每次闭合的时间
3.采样周期 T----采样开关每次通断的时间间隔在实际系统中,?<<T,也就是说,可以近似地认为采样信号 y*(t)是 y(t)在采样开关闭合时的瞬时值,
图 2-18 信号的采样过程
71
由经验可知,采样频率越高,采样信号 y*(t)越接近原信号 y(t),
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 采样信号 y*(t)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,
香农采样定理 (Shannon)指出,为了使采样信号 y*(t)能完全复现原信号 y(t),采样频率 f至少要为原信号最高有效频率 fmax的 2倍,
即 f?2fmax.
采样定理给出了 y*(t)唯一地复现 y(t)所必需的最低采样频率,
实际应用中,常取 f?(5～ 10)fmax.
72
2.4.2 采样 /保持器的 工作原理采样 /保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路,它主要由 模拟开关 K、电容 Ch 和缓冲放大器 A组成,它的一般结构形式如图所示,图中 K为模拟开关,Vc为模拟开关 K的控制信号,Ch为保持电容,
当控制信号 Vc为采样电平时,开关 S导通,模拟信号通过开关 S向保持电容 Ch充电,这时输出电压 Uo跟踪输入电压 Ui的变化,
当 控制信号 Vc为保持电平时,开关 K断开,此时输出电压 Uo保持模拟开关
S断开时的瞬时值,
73
2.4.3 采样保持器
1.零阶采样保持器 (Zero Order Hold)----零阶采样保持器是 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,它的组成原理电路与工作波性如图 2-
19(a),(b)所示,采样保持器由 输入输出缓冲放大器 A1、
A2和采样开关 S、保持电容 Ch等组成,
采样期间,开关 S闭合,输入电压 Vin通过 A1对 Ch快速充电,输出电压 Vout跟随 Vin变化 ；
保持期间,开关 S断开,由于 A2的输入阻抗很高,理想情况下电容 Ch将保持电压 Vc不变,因而输出电压 Vout=Vc也保持恒定,
74
INV
1A 2A
－
＋
HC
O UTV
S
O UTV
INV
t
t
图 2- 8 采样保持器路电理原)a( 性波作工)b(
采样 保持图 2-19 采样保持器
75
零阶保持器的功能主要特点,
1.输出信号为阶梯波,含有高频分量
2.具有 半个采样周期的纯滞后
76
零阶保持器的 脉冲响应函数
)Tt(1)t(1)t(g h
s
e1)]Tt(1)t(1[L)s(G Ts
h
77
2,零阶集成采样保持器 --常用的零阶集成采样保持器有 AD582、
LF398/198/298/ (2-20 b)等,其内部结构和引脚如图所示,这里,用
TTL逻辑电平控制采样和保持状态,如 LF398的采样电平为,1”,保持电平为,0”,而 AD582的则相反,(datasheet)
图 2-20 集成采样保持器AD582 LF398
78
LF398内部由三部分组成,输入电路 A1、输出电路 A2及逻辑控制电路 A3和开关 S.运算放大器 A1和 A2均接成电压跟随器形式,
当 控制逻辑 IN+为 高 电平,通过 A3控制开关 S闭合,使输入电压经过 A1进入 A2,A2的输出跟随输入电压变化,同时向保持电容 (接引脚 6)充电,
当 控制逻辑 IN+为 低 电平时,开关 S断开,保持电容上的电压不变,维持 A2输出不变,IN-一般接地,
LF398典型的接线方法 如图所示,
Logic input＝ 1时,为采样状态,此时输出跟随输入变化；
Logic input＝ 0时,为保持状态,此时输出保持不变,
79
在 A/D通道中,采样保持器的采样和保持电平应与后级的 A/D转换相配合,该电平信号既可以由其它控制电路产生,也可以由 A/D转换器直接提供,
总之,保持器 在采样期间,不启动 A/D转换器,而一旦进入保持期间,则立即启动 A/D转换器,从而保证 A/D转换时的模拟输入电压恒定,以确保 A/D转换精度,
80
(1)采样周期应符合 香农采样定理 的要求 fs≥2fmax
(2)采样周期应远小于系统的时间常数,但对于 响应很慢或设定值变化很缓的系统,不必用过短的采样周期 ;
(3)闭环系统 对给定信号的跟踪,要求采样周期要 小 ;
(4)从 抑制扰动 的要求来说,采样周期应该选择得小些 ;
(5)从计算机 精度考虑,采样周期 不宜过短 ;
(6)从 系统成本上 考虑,希望采样周期 越长越好 ;
(7)从 执行元件 的要求来看,有时要求输入控制信号要保持一定的宽度 ;
采样周期的选择,
81
综合上述各因素,选择采样周期,应在满足控制系统的性能要求的条件下,尽可能地选择 低 的采样速率,工业控制 中,大量的受控对象都具有低通的性质,采样周期的选择,要根据所设计的系统的具体情况,用 试凑 的方法,在试凑过程中根据 各种合理的建议来预选采样周期,多次试凑,被控参数 采样周期（ s ） 备注流量压力液位温度成分
1 ～ 5
3 ～ 10
8 ～ 8
15 ～ 20
15 ～ 20
优选 1 ～ 2
优选 6 ～ 8
常用被测对象采样周期的 经验值 如表所示,
82
2.5 A/D转换器及接口技术
A/D(Analog/Digital)转换器是将 模拟量转换为数字量 的器件,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,模拟量是指电压 而言的,在数字系统中,数字量是离散的,一般用 量子因子 Q来度量,
83
2.5.1 A/D转换器的作用将模拟量转换为数字量,以便计算机接收处理传感器 单片机A/D转换
双积分式 A/D转换器
逐次逼近式 A/D转换器
84
A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平,
(1) 分辨率 (Resolution)
ADC的分辨率定义为 ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量,分辨率是指 A/D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化的反应越灵敏,通常用数字量的位数来表示,如 8位,10位,12位 (偶数 )等,分辨率为 n,表示它可以对满刻度的 1/2^n(指数 )的变化量作出反应,
即,
分辨率 =满刻度值 /2^n (n为指数 )
85
(2) 转换时间
A/D转换器完成一次转换所需的时间 定义为 A/D转换时间,如逐位逼近式 A/D 转换器的转换时间为 微秒级,双积分式 A/D转换器的转换时间为 毫秒级,
(3) 精度绝对精度 定义为,对应于产生一个 给定的输出数字码,理论模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值,
相对精度 定义为在整个转换范围内,任一数字输出码所对应的 模拟输入实际值与理想值之差 与 模拟满量程值之比,一般用百分数来表示,对
A/D转换器常用最低有效值的位数 LSB(Least Significant Bit))来表示,
1LSB = 1/2^n,
例如,对于一个 8位 0～ 5V的 A/D转换器,如果其相对误差为 ± 1LSB,
则其绝对误差为 ± 19.5 mV,相对百分误差为 0.39％,一般来说,位数 n越大,
其相对误差 (或绝对误差 )越小,
86
2.5.2 ADC的 转换原理 (了解 )
(一 ) 比较型 ADC
比较型 ADC可分为 反馈比较型 及 非反馈 (直接 )比较型 两种,高速的并行比较型 ADC是非反馈的,智能仪器中常用到 的中速中精度的 逐次逼近型 ADC是反馈型
87
图 2-20 逐次逼近式转换器 原理反 馈 电 压
D / A 转换器
V
IN
比 较 器控 制 时 序 和逻 辑 电 路逐位逼近寄存器 (S A R )
数字量输 出锁存器启动
CLK
模 拟 量输 入
V
O
V
C
D 0
图 2-9 逐位逼近式 A /D 转换原理图
D 1
D 2
D 3
88
一个 n位 A/D转换器是由 n位寄存器,n位 D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成,现以 4位 A/D转换器把模拟量 9转换为二进制数 1001为例,说明逐位逼近式 A/D转换器的工作原理,如图 2-20所示,
89
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 D3?1,其余为 0,此数字量 1000经
D/A转换器转换成模拟电压即 Vo?8,送到比较器输入端与被转换的模拟量 Vin=9进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断,当 Vin?Vo,则 保留 D3=1；
再对下一位 D2进行比较,同样先使 D2?1,与上一位 D3位一起即 1100进入 D/A转换器,转换为 Vo?12再进入比较器,
与 Vin?9比较,因 Vin?Vo,则使 D2?0；
再下一位 D1位也是如此,D1?1即 1010,经 D/A转换为
Vo=10,再与 Vin?9比较,因 Vin?VO,则使 D1?0；
最后一位 D0?1---即 1001经 D/A转换为 Vo?9,再与 Vin?9
比较,因 Vin?Vo,保留 D0?1.比较完毕,寄存器中的数字量 1001即为模拟量 9的转换结果,存在输出锁存器中等待输出,
90
一个 n位 A/D转换器的模数转换表达式是
(2-4)
式中 n —— n位 A/D转换器；
VR+,VR- —— 基准电压源的正、负输入；
Vin—— 要转换的输入模拟量；
B—— 转换后的输出数字量,
即当基准电压源确定之后,n位 A/D转换器的输出 数字量 B与要转换的输入模拟量 Vin成正比,
n
RR
RIN 2
VV
VVB?
91
例,一个 8位 A/D转换器,设 VR+ = 5.02V,VR-= 0 V,计算当 Vin分别为 0 V,2.5 V,5 V时所对应的转换数字量,
解,把已知数代入公式 (2-4):
0 V,2.5 V,5 V时所对应的转换数字量分别为 00H、
80H,FFH.
此种 A/D转换器的常用品种有普通型 8位单路
ADC0801～ ADC0805,8位 8路 ADC0808/0809,8位 16路
ADC0816/0817等,混合集成高速型 12位单路 AD574A、
ADC803等,
8n
RR
R 2
002.5
0V2
VV
VVB?
ININ
92
(二 ) 双积分型 ADC
图 2-21 双积分 ADC
NIV
源电准基辑逻制控器分积器较比钟时器数计入输拟模始开换转 束结换转出输量字数
0D～1-nD
定固率斜
1T
2T
间时分积定固 压电入输于比正
2T和1T
关开图框成组路电)a( 理原分积双)b(
图理原换转D/A式分积双10?2图
93
双积分式 A/D转换原理如图 2-21所示,在转换开始信号控制下,
开关接通模拟输入端,输入的模拟电压 Vin在固定时间 T内对积分器上的电容 C充电 (正向积分 ),时间一到,控制逻辑将开关切换到与 Vin极性相反的基准电源 上,此时 电容 C开始放电 (反向积分 ),同时 计数器开始计数,当比较器判定电容 C放电完毕时就输出信号,
由控制逻辑停止计数器的计数,并发出转换结束信号,这时 计数器所记的脉冲个数正比于放电时间,
放电时间 T1或 T2又正比于输入电压 VIN,即 输入电压大,则放电时间长,计数器的计数值越大,因此,计数器计数值的大小反映了输入电压 VIN在固定积分时间 T内的平均值,
此种 A/D转换器的常用品种有 输出为 3位半 BCD码 (二进制编码的十进制数 )的 ICL7107,MC14433,输出为 4位半 BCD码 的
ICL7135等,
94
双积分式 ADC的 优点,
对 R,C及时钟脉冲 Tc的长期稳定性无过高要求即可获得很高的转换精度,
微分线性度极好,不会有非单调性,因为积分输出是连续的
,因此,计数必然是依次进行的,即从本质上说,不会发生丢码现象,
积分电路为 抑制噪声 提供了有利条件,双积分式 ADC是测量输入电压在定时积分时间 T1内的平均值,对干扰有很强的抑制作用,尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好,
95
(三 ) Σ -Δ 型 ADC
过采样 Σ -ΔA/D 变换器由于采用了 过采样技术和 Σ -Δ 调制技术,增加了系统中数字电路的比例,减少了模拟电路的比例,并且 易于与数字系统实现单片集成,因而能够以较低的成本实现高精度的 A/D变换器,适应了 VLSI(Very Large Scale Integration)超大规模集成电路技术 发展的要求,
96
(四 ) V/F型 ADC
智能仪器中常用的另一种 ADC是 V/F型 ADC.简称 V/F转换器,是把 模拟电压信号转换成频率信号 的器件,它主要由 V/F转换器和计数器构成,
V/F型 ADC的特点是,
① 与积分式 ADC一样,对工频干扰有一定的抑制能力 ；
② 分辨率较高；
③ 特别适合现场与主机系统距离 较 远 的应用场合 ；
④ 易于实现 光电隔离,
97
2.6 常用 AD集成电路及与微处理器的接口 (重点 )
考虑到逐次逼近式 ADC具有转换速度快,精度较高,价格适中的优点,Σ -Δ 型 ADC具有转换精度高,价格低廉的优点,下面将介绍 常用转换芯片 ADC0809/逐次逼近式
ADC-AD574A和 Σ -Δ 型 ADC-CS5360及其与 CPU的接口,
98
A/D转换器概述逐次逼近式典型 A/D转换器芯片有,
(1)ADC0801～ ADC0805型 8位 MOS型 A/D转换器
(2)ADC0808/0809型 8位 MOS型 A/D转换器
(3)ADC0816/0817
99
ADC0832
2通道 AD转换常用芯片
100
2.6.1 典型芯片 —ADC0809介绍
(学生看书 重点讲解 看 datasheet)
ADC0809芯片介绍
8位 逐位逼近式 8通道 的 AD转换器,
A/D转换器
分辨率为 1/2^8≈0.39%
模拟 电压转换范围 是 0～ +5V
标准转换时间为 100?s
采用 28脚双列直插式封装
101ADC0809内部结构及引脚
102
1.引脚
(1)IN7～ IN0:8路模拟量输入端,允许 8路模拟量分时输入,共用一个 A/D转换器,
(2)D7～ D0:8位数字量输出,D7为最高位,D0为最低位,由于有 三态输出锁存,
可与主机数据总线直接相连,
(3)C,B,A:3位地址线即 模拟量通道选择线,ALE为高电平时,地址译码与对应通道选择见表 2-2,
(4)ALE:地址锁存允许信号 (Address Latch Enable),输入,高电平有效,上升沿时锁存 3位通道选择信号,
(5)START:启动 A/D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 A/D转换,
(6)EOC(End of Convention):转换结束信号,输出,AD转换 完成,EOC变为 高电平,
(7)OE(Output Enable):输出使能信号,输入,高电平有效,该信号用来 打开三态输出缓冲器,将 A/D转换得到的 8位数字量送到数据总线上,
103
(8)CLOCK:外部时钟脉冲输入端,当脉冲频率为 640kHz时,A/D转换时间为 100?s
(9)Vref+,Vref-:参考电压源正、负端,取决于被转换的模拟电压范围,通常 Vref+ = +5V,Vref- = 0V
(10)Vcc:工作电源,+5V
(11)GND:电源地表 2-2 被选通道和地址的关系
CD4051/138
C B A 选中通道
0 0 0 IN0
0 0 1 IN1
0 1 0 IN2
0 1 1 IN3
1 0 0 IN4
1 0 1 IN5
1 1 0 IN6
1 1 1 IN7
104
2.ADC0809功能分析
CLK:时钟信号,可由单片机 ALE信号分频得到,
转换有以下 几步,
1,ALE信号上升沿有效,锁存地址并选中相应通道,
2,Start信号有效,开始转换,A/D转换期间 ST为低电平,
3,EOC信号输出高电平,表示转换结束,
4,OE信号有效,允许输出转换结果,
105
转换过程表述如下,
首先 ALE的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路,使该路模拟量进入到 A/D转换器中,
同时 START的上升沿将转换器内部清零,下降沿起动 A/D转换,
即在时钟的作用下,逐位逼近过程开始,转换结束信号 EOC即变为低电平,
当转换结束后,EOC恢复高电平,此时,如果 对输出允许 OE输入一高电平命令,则可读出数据,
106
ADC0809的内部转换 时序
ALE
C.B.A
ST AR T
EOC
OE
DO7~ DO0
图 2-1 2 ADC08 09 的 转 换 时 序图 2-22 ADC0809的转换时序
107
ADC0809和单片机的连接写信号,P2.7有效时,
启动 AD转换,
转换结束后,输出高电平,向 CPU发出中断请求读信号,P2.7有效时,允许输出 AD转换结果,
转换时钟由 ALE分频得到,
回顾,ALE以 1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲,因此可以作为外部时钟或外部定时脉冲使用
8051
74LS373
ADC0809
÷ 2
CLK
D0-D7
≥ 1
≥ 1
1
1
1
G
EOC
START
ALE
OERD
P2,7
WR
INT1
ALE
P0 A0-A7
A0 A1 A2
A
B
C
VR(+)
VR(-)
+5V
GND
IN0
转换结果由此输出
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
或非门
108
ALE CLK
2分频电路 74LS74 D触发器
109
110
通道选择表选择的通道
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
C B A
8051 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
0809 0 × × × × × × × × × × × × C B A
0 × × × × × × X × × × × × 0 0 0
…
…
0 × × × × × × X × × × × × 1 1 1
1,首先分析 各个通道的地址,(IN0到 IN7的地址为 7FF8H到 7FFFH)
111
2,编程,可采用 中断、查询、延时 (掌握 )三种方式,
中断方式
ORG 0000H ;主程序入口地址
AJMP MAIN ;跳转主程序
ORG OO13H ;外部中断 1入口地址
AJMP EXINT1 ;跳转到外部中断服务程序
MAIN:MOV SP,#60H ;设臵堆栈
MOV R0,#30H ;取片内 RAM首地址
MOV R7,#08 ;设臵通道数
SETB IT1 ;边沿触发
SETB EA ;开中断
SETB EX1 ;允许外部中断 1
MOV DPTR,#7FF8H ;指向 0809IN0通道 地址
LOOP,MOVX @DPTR,A ;启动 A/D转换
SJMP $ ;等待中断
DJNZ R7,LOOP ;8路采集
…… ;其余数据处理要求,采用中断方式,
对 8路模拟量输入信号进行检测,并将数据存入片内 RAM30H-37H
单元
112
EXINT1,MOVX A,@DPTR ;读 A/D转换结果
MOV @R0,A ;存数
INC R0
INC DPTR
RETI ;返回
END
113
ORG 0000H ;主程序入口地址
AJMP MAIN ;跳转主程序
ORG 1000H ;程序 入口地址
MAIN,MOV DPTR,#7FF8H ;指向 0809 IN0通道地址
MOV R7,#08H
MOVX @DPTR,A ;启动 A/D转换
LOOP,JNB P3.3,$ ;EOC直接和 P3.3相连 (硬件改动 )
MOVX A,@DPTR ;读 A/D转换结果
MOV @R0,A ;存数
INC R0
INC DPTR
DJNZ R7,LOOP
SJMP $
END
查询方式
114
2.6.2 AD574A及其与微处理器的接口
(比 ADC0809复杂,一般了解,看书,datasheet)
图 2-31 AD57A的实物图和管脚图
115
116
AD574有 6个等级,AD574J,K和 L专门用在 0～ +70℃ 温度范围内,AD574S,T
和 U专门用在 -55℃ ～ +125℃ 范围内,所有的 AD574全部采用 28脚,双列直插式封装,AD574的原理图,如下图所示,
+ 1 5 V
+ 5 V
D G N D
- 1 5 V
2 0 V
IN
1 0 V
IN
A G N D
B I P O F F
R E F I N
R E F O U T
( 1 0,0 0 V )
8
10
10V
R E F
R E F I N
A G N D
12
9
13
14
5K Ω
5K Ω
3K Ω D A C O U T 模拟芯片
A D 5 7 4
数 模转换器（ ）/ A D 5 6 5
12 位逐次逼近 型寄存器
（）
S A R
比较器
＋
－
数字芯片 时钟时钟启动 停止 /
复位逻辑控制转换结束输出控制
N I B A N I B B N I B C
12 位三状态输出缓冲器
12 位
1 2 / 8 CS A
0 R/ C CE
2 3 4 5 6
M S B
数字量输出
L S B
2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6
28
标志状态
S T S
B U S Y / E O C
7
1
15
11
117
1.AD574的技术指标
AD574是一个完整的 12位 逐次逼近型 带 三态缓冲器,单通道 的 A/D转换器,
它可以 直接 与 8位,12位或 16位微机总线进行接口,其主要技术指标如下,
(1)分辨率,12位 1/2^12 = 0.024%；
(2)模拟输入双极性,± 5V,± 10V 单极性,0～ 10V,0～ 20V；
(3)供电电源,
Vlogic:逻辑电平 +4.5V～ 5.5V
Vcc,+13.5V～ +16.5V
Vee供电电源,-13.5V～ -16.5V
(4)内部参考电平,10V
(5)内部结构大体与 ADC0809类似,由 12位 A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与 10V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
(6)转换时间为 25μs,适合于在 高精度快速采样系统 中使用
(7)存放温度,-65～ 150℃
(8)AD574A也采用 28脚 双立直插式封装
118
(1)DB11-DB0:12位输出数据线,三态输出锁存,可与主机数据线直接相连,
(2)10Vin,20Vin,BIP OFF(Bipolar offset):模拟电压信号输入端,
单极性应用时,将 BIP OFF接 0V,双极性时接 10V.量程可以是 10V,
也可以是 20V.输入信号在 10V范围内变化时,将输入信号接至
10Vin；在 20V范围内变化时,接至 20Vin.模拟输入信号的几种接法如表 2-3所示,相应电路如图 2-32所示,
(3)CS*(Chip Selected)片选信号,输入,低电平有效,
(4)CE (Chip Enable) 使能信号,输入,高电平有效,
(5)R/C*(Read/Conversion*)读 /转换信号,输入,高电平为读 A/D转换数据低,电平为起动 A/D转换
(6)12/8*:数据 模式 选择信号,输入,高电平时一次输出 12位数据,低电平时与 A0信号配合分 两次 输出高 8位或低 4位数据,12/8*不能用
TTL电平控制,必须 直接接至 +5V(引脚 1)或数字地 (引脚 15)
2.引脚
119
(7) STS* (status)转换状态信号,转换过程中呈现高电平,转换结束呈现低电平 (注意和 ADC0809EOC信号的区别 )
(8) A0:字节信号在 转换状态,A0为 低电平可使 AD574A产生 12位 转换,
A0为 高电平可使 AD574A产生 8位 转换,
在 读数状态,如果 12/8*为低电平,A0为低电平时,则输出高 8位数,
A0为高电平时,则输出低 4位数 ；
如果 12/8*为高电平,则 A0的状态不起作用,
(9)REF IN (Reference):基准电压源输入端,如果 REF OUT通过电阻接至 REF IN,则可用来调量程,
REF OUT (Reference):基准电压源输出端,芯片内部基准电压源为
10V?1％,
(10) Vlogic:逻辑电源端,+5VDC.
Vcc:工作电源 正端,+12VDC或 +15VDC.
Vee:工作电源 负端,-12VDC或 -15VDC.
(11)DGND,AGND:数字地,模拟地,
120
CE,CS*,R/C*,12/8*,A0各控制信号的组合作用,列于下表注,× 表示 1或 0都可以,
模拟输入信号的几种接法,
尾随 4个 0
121
图 2-32 ADC574A单极性 输入接法
122
图 2-33 ADC574A双极性 输入接法
123
从图中可以看出,AD574由两部分组成,一部分是模拟芯片,另一部分是数字芯片,
模拟芯片是由高性能的 AD565 D/A(12位 )转换器和参考电压组成 (AD565、快速、单片结构,电流输出,建立时间为 200ns).
数字芯片由控制逻辑电路,逐次逼近型寄存器和三态输出缓冲器组成,AD574的转换原理与 AD0809基本是一样的,也是采用 逐次逼近型原理 工作的,
图中控制逻辑,用来发出启动 /停止时钟信号以及复位信号,并控制转换过程,此逻辑控制信号受到外部五个信号以及内部转换结束信号的控制,整个转换过程结束后,输出一个标志状态 STS*(低电平有效 ).
124
图 2.34 AD574A启动转换和读数据时序
125
12位 A/D转换器 AD574A与 PC总线的接口有多种方式,既可以与 PC总线的 16位数据总线直接相连,构成简单的 12位数据采集系统 ；也可以只占用 PC总线的 低 8位数据总线,将转换后的 12位数字量 分两次读入主机,以节省硬件投入,
同样,在 A/D转换器与 PC总线之间的数据传送上也可以使用 程序查询、软件定时或中断控制 等多种方法,由于 AD574A的转换速度很高,一般多采用查询或定时方式
126
图 2.35 AD574A与 8031的接口
Note:
1.WR*和 RD*相与后接入 CE,保证 AD574A启动和 CPU读入数据时 CE有效 ;
2.STS接 P1.0,采用 查询方式 读入 AD转换结果 ;
3.REFIN/REFOUT/BIPOFF的接线方式 采用 双极性输入 ;
4.12/8*接地,A0信号配合分两次输出高 8位或低 4位数据,
127
ORG 0030H
START:MOV R0,#30H ;置片内 RAM地址
MOV R1,#7EH;0111 1110(CS*=0 A0=1 R/C*=0)
MOVX @R1,A ;启动 AD转换
WAIT,JNB P1.0,NEXT ;查 STS状态,低电平转换结束,所以 JNB
SJMP WAIT
NEXT,MOV R1,#7DH ;0111 1101(CS*=0 A0=0 R/C*=1)
MOVX A,@R1 ;输出高 8位数据
MOV @R0,A ;存入片内 30h单元
INC R0
MOV R1,#7FH ;0111 1111(CS*=0 A0=1 R/C*=1)
MOVX A,@R1 ;输出低 4位数据
MOV @R0,A
……
128
CE,CS*,R/C*,12/8*,A0各控制信号的组合作用,列于下表注,× 表示 1或 0都可以,
模拟输入信号的几种接法,
尾随 4个 0
129
表 2.2 AD574系列产品主要性能比较
130
2.7 A/D转换模板 (了解 )
在计算机控制系统中,模拟量输入通道是以模板或板卡形式出现的,A/D转换模板也需要遵循 I/O模板的通用性原则,符合总线标准,接口地址可选以及输入方式可选,
前两条同 D/A模板一样,而输入方式可选主要是指模板既可以接受 单端输入信号 也可以接受 双端差动输入信号,
在结构组成上,A/D转换模板也是按照 I/O电气接口、
I/O功能逻辑和总线接口逻辑三部分布局的,其中,I/O电气接口完成 电平转换、滤波、隔离等信号调理作用,I/O功能逻辑部分实现 采样、放大、模 /数转换等功能,总线接口完成 数据缓冲、地址译码等功能,
131
PA
PA
PA
PB
PB
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
7
3
0
7
0
6
5
4
3
2
1
0
8 25 5 A
PC 总线
ST S
D
D
D
D
CE
CS
R/C
DGND
1 2/ 8 V L O G I C
BIFOFF
RE FI N
RE FO U T
A D 5 7 4A
1 0V IN
AGND
A 0
+1 5V
-1 5V
L F3 98
5
4
7
6
3
8
1
+1 2V
-1 2V
1 00 K1 00
1 00 K
Ω Ω
Ω
+5 V
1 00 Ω
C H
+1 5V -1 5V
V 0
V 7
V DD
S m
V EE
CD 4 0 51
S 0
S 7
INH
C
B
A
V SS
图 3 -1 9 8 路 12 位 A /D 转换模板电路
0
7
8
11
132
图 3-19是一种 8路 12位 A/D转换模板的示例,
图中只给出了 总线接口与 I/O功能实现部分,由
8路模拟开关 CD4051、采样保持器 LF398,12位
A/D转换器 AD574A和并行接口芯片 8255A等组成,
该模板的主要技术指标如下,
分辨率,12位
通道数,单端 8路
输入量程,单极性 0～ 10V
转换时间,25μs
传送应答方式,查询
133
该模板采集数据的过程如下,
(1)通道选择将模拟量输入通道号写入 8255A的端口 C低 4位 (PC3～
PC0),可以依次选通 8路通道,
(2)采样保持控制把 AD574A的信号通过反相器连到 LF398的信号采样保持端,当 AD574A未转换期间或转换结束时 =0,使 LF398处于采样状态,当 AD574A转换期间 =1,使 LF398处于保持状态,
(3)启动 AD574A进行 A/D转换通过 8255A的端口 PC6～ PC4输出控制信号启动 AD574A.
134
(4)查询 AD574A是否转换结束读 8255A的端口 A,查询是否已由高电平变为低电平,
(5)读取转换结果若已由高电平变为低电平,则读 8255A端口 A,B,便可得到 12位转换结果,
设 8255A的 A,B,C端口与控制寄存器的地址为 2C0H-
2C3H,主过程已对 8255A初始化,且已装填 DS,ES(两者段基值相同 ),采样值存入数据段中的采样值缓冲区 BUF,另定义一个 8位内存单元 BUF1.该过程的数据采集程序框图如图 3-
20所示,数据采集程序如下 (参考课本 )
135
图 3-20 8路数据采集程序框图
136
2.8 A/D转换器的 选择 (综述 )
1.确定 A/D转换器的位数从数据采集系统的 静态精度 和 动态平滑性 两方面进行考虑,A/D
转换器的精度应与测量装臵的精度相匹配,
(1)从 精度上 看,一方面要求 量化误差在误差所占的比重要小,使它不显著地扩大测量误差；另一方面必须根据日前测量装臵的精度水平,对 A/D转换器的位数提出恰当的要求,
(2)从 动态平滑性 考虑,通过模拟的方法确定 A/D转换的位数,对动态平滑性要求较高的系统,还需要用硬件和软件的方法进行平滑处理,
通常满足静态精度要求的位数,也能满足动态平滑性的要求,
137
2.如何确定 A/D转换器的 转换速率
A/D转换器从 启动转换到转换结束,输出稳定的数字量,需要一定的转换时间,转换时间的 倒数 就是每秒钟能完成的转换次数,称为 转换速率,确定 A/D转换器的转换速率时,应该考虑系统的采样速率,
3.如何确定 是否要加采样 /保持器
采集 直流和变化非常缓慢的模拟信号 (例如温度 )时 可不用采样 /保持器,对于其它模拟信号都要加采样 /保持器,
138
4.工作电压和基准电压
有些早期生产的集成 A/D转换器需要 ± 15V的工作电压,这就需要多种电源,而近期开发的 A/D转换器可在 +5V --+15V范围 工作,
5.正确使用 A/D转换器有关 量程的引脚 (AD574A 10Vin 20Vin)
A/D转换器的模拟量输入,有时需要的是 双极性,有时需要 单极性 的,
输入信号最小值有 从零开始,也有 从非零开始 的,有的 A/D转换器提供了 不同的量程的引脚,只有正确使用,才能保证转换精度,
(1)变换量程的 双模拟输入引脚 和 双极性偏臵引脚 的正确使用；双极性偏臵控制引脚 BIPOFF.
(2)基准电压引脚 的正确使用
139
6,A/D转换器与微机接口
A/D转换器与微机接口的主要任务有两个,
(1)A/D转换器 每接收一次微机发出的转换指令,就进行一次 A/D转换；
(2)当微机发出 取数据指令时,转换所得的数据从 A/D转换器的输出寄存器中取出,经数据总线存入微机存储器的指定单元,
A/D转换器在与微机接口时,需要解决的问题有,
(1)A/D转换器 输出到总线的数据需加缓冲,以免对数据总线的工作造成干扰；
(2)产生 芯片选通信号和控制信号 ；
(3)从 A/D转换器读出数据,
140
1.数据 输出缓冲问题要求 A/D转换器的数据输出端 必须通过三态缓冲器与数据总线相连,
(1)芯片的数据输出端 有 三态缓冲器,且在片外有 三态控制端引脚,
ADC0809 AD7574
芯片 有三态输出缓冲器,且由 片内时序线控制,需要 时序调整接口转换
芯片 有三态输出缓冲器,且片内 控制时序能与微机总线时序配合,可 直接和微机总线时序配合 AD574A
(2)芯片 没有 三态输出缓冲器 ADC1210
141
2.产生芯片选通信号和控制信号地址信号、片选信号及控制信号
3.读出数据
4.联络方式
查询 方式,转换时间较短时,用查询方式
中断 方式,转换时间较长时,用中断方式,
延时 方式；
142
2.9 数字量 输入通道 (了解 )
数字量输入通道 (DI通道 )的任务 --是把生产过程中的 数字信号 转换成计算机易于接受的形式,
信号调理电路 --虽然都是数字信号,不需进行 A/D转换,但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施,即在外部信号与单片机之间要设臵 输入信号调理电路,
143
凡在电路中起到通、断作用的各种 按钮、触点、开关,其端子引出均统称为 开关信号,在开关输入电路中,主要是考虑信号调理技术,如 电平转换,RC滤波,过电压保护,反电压保护,光电隔离等,
(1)电平转换 是用 电阻分压法 把现场的 电流信号转换为电压信号
(2)RC滤波 是用 RC滤波器滤出高频干扰,
(3)过电压保护 是用 稳压管和限流电阻作过电压保护 ；用 稳压管或压敏电阻 把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上,
(4)反电压保护 是 串联一个二极管防止反极性电压输入,
(5)光电隔离 用光耦隔离器实现 计算机与外部的完全电隔离,
2.9.1 开关输入电路
144
-
+
S
2D
到输入缓冲器
CCV+
2R
1R
1C
1D
3R
光耦
S
2D
到输入缓冲器
CCV+
2R
1R
1C
1D
3R
光耦图 4 - 4 开关量输入信号调理电路
C 2
R 3
(a) 直 流输入电路
(b) 交 流输入电路
145
典型的开关量输入信号调理电路如图所示,点划线右边 是由开关 S
与电源组成的外部电路,(a)是直流输入电路,(b)是交流输入电路,交流输入电路比直流输入电路多一个 降压电容和整流桥块,可把 高压交流 (如 380VAC)变换为 低压直流 (如 5VDC).
开关 S的状态经 RC滤波、稳压管 D1箝位保护、电阻 R2限流、二极管 D2防止反极性电压输入 以及 光耦隔离 等措施处理后送至输入缓冲器,
主机通过 执行输入指令便可读取开关 S的状态,
比如,当 开关 S闭合时,输入回路有 电流流过,光耦中的发光管发光,
光敏管导通,数据线上为低电平,即 输入信号为,0”对应外电路开关 S
的闭合 ；
反之,当 开关 S断开,光耦中的发光管无电流流过,光敏管截止,数据线上为高电平,即 输入信号为,1”对应外电路开关 S的断开,
146
2.9.2 脉冲计数电路有些用于 检测流量、转速的传感器发出的是脉冲频率信号,对于大量程可以设计一种 定时计数输入接口电路,即在一定的采样时间内统计输入的脉冲个数,然后根据传感器的比例系数可换算出所检测的物理量,
图 4-5为一种定时计数输入接口电路,传感器发出的脉冲频率信号,经过简单的信号调理,引到 8253芯片的 计数通道 1的 CLK1口,8253是具有 3个 16位计数器通道的可编程计数器 /定时器,图中,计数通道 0工作于 模式 3,CLK0
用于接收系统时钟脉冲,OUT0输出一个周期为系统时钟脉冲 N倍 (N为通道 0
的计数初值 )的连续方波脉冲,其高、低电平时段是计数通道 1的采样时间和采样间隔时间,分别记为 TS,TW；计数通道 1和 2均选为工作模式 2,且
OUT1串接到 CLK2,使两者构成一个计数长度为 232的脉冲计数器,以对 TS内的输入脉冲计数,
147
图 4 -5 脉 冲 计 数 输 入 电 路
+ 12 V CCV
8 25 3 /8 25 4
C L K 0
OUT 0
G A T E 1
C L K 1
OUT 1
C L K 2
OUT 2
G A T E 0
G A T E 2
系统时钟
T S
T W
CR
CE
OL
+5 V
计数通道1
PC 总线
R
C
R
光耦
Dz
如果获得 TS时间内的输入脉冲个数为 n,则单位时间内的脉冲个数即脉冲频率为 n/TS,从而可换算出介质的流量或电机的转速值,比如,发出脉冲频率信号的是涡轮流量计或磁电式速度传感器,它们的脉冲当量 (即一个脉冲相当的流量或转数 )为 K,则介质的流量或电机的转数就为 n/TS·K.
148
本章小结模拟量输入通道是计算机测控系统、智能测量仪表以及以微处理器为基础组成的各种产品的重要组成部分,
本章按照系统内信号的流向,依次介绍模拟量输入通道的各个组成部分 —— 信号调理、多路模拟开关、前臵放大器、采样保持器,A/D转换器及其接口电路与 A/D转换模板的结构原理与功能作用,其中 有些环节可以根据实际需要来选择取舍,比如
(1)输入信号已是电压信号且满足 A/D转换量程要求,那就不必再用 I/V转换和前臵放大器； 又如 (2)输入信号变化缓慢而 A/D
转换时间足够短,能满足 A/D转换精度,也就不必用采样保持器 ；
当 (3)可以利用 A/D转换器内部的多路模拟开关时,也可不用外部的多路模拟开关,但无论如何,其 核心器件 —— A/D转换器是不能缺少的,
最后给出一种 8路 12位 A/D转换模板的电路原理图及其接口程序,
2.0 数据通道概述
2.1 数据采集系统的组成结构
2.2 信号调理
2.2.1 传感器的选用
2.2.2 运用前臵放大器的依据
2.2.3 信号调理通道中的常用放大器
2.2.4 V/I和 I/V转换电路第二章 (1) 计算机控制系统的数据采集技术 (前向通道 )
2
2.3 多路模拟开关
2.3.1 结构原理
2.3.2 扩展电路
2.4 采样 /保持器
2.4.1 概述
2.4.2 采样 /保持器的工作原理
2.4.3 系统采集速度与采样 /保持
2.4.4 采样保持器
3
2.5 A/D (Analog/Digital)转换器及接口技术
2.5.1 A/D转换器的作用
2.5.2 ADC的转换原理
2.6 常用 ADC集成芯片及其与微处理器的接口
2.6.1 典型芯片 — ADC0809介绍
2.6.2 AD574A及其与微处理器的接口
2.6.3 CS5360及其与微处理器的接口
2.7 A/D转换模板
2.8 A/D转换器的选择
2.9 数字量输入通道
2.9.1 开关输入电路
2.9.2 脉冲计数电路
4
2.0 数据通道概述用 户人 -机界面
2é?ˉ?¨
工业系统机 -机界面数据通道人通过键盘、鼠标等向计算机输入信息；计算机通过显示器输出信息
5
数据通道 工业系统数据通道的 分类开关量,某个开关通、断的状态,只有两种状态模拟量,时间上连续；量值在一定范围内连续模拟量输入到计算机,需要 将模拟量转换为数字量 即模数转换,因此该通道也称为 A/D通道
6
实例 1:研华 PCL-724数据采集卡
7
数据采集卡接口
20芯扁平线
8
电源线
9
实例 2:智能模块泓格 I7017 模拟量输入
10
泓格 I7014 模拟量输出
11
模拟量输入通道的任务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 转换成计算机可以接收的 数字量信号,
结构组成如图 2-1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,然后经 多路模拟开关,分时切换到后级进行 前臵放大、采样保持和模 /
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,
2.1 数据采集系统的 组成结构
12
显然,该通道的核心是模 /数转换器即 A/D转换器,通常把模拟量输入通道称为 A/D通道或 AI通道,
传感变送器信号调理多路模拟开关前置放大器采样保持器转换器接口逻辑电路过程参数
PC
总线图 2-1 模拟量输入通道的结构组成
A/D
13
实际的数据采集系统往往需要 同时测量多种物理量 或 同一种物理量的多个测量点,
因此,多路模拟输人通道 更具有 普遍性,按照系统中数据采集电路是 各路共用一个 还是 每路各用一个,多路模拟输人通道可分为 集中采集式和分散采集式 两大类型,
14
一,集中 采集式图 2-2 集中式数据采集系统的典型结构
15
二,分散 采集式 (分布式 )
(a) 分布式 单机 数据采集结构
16
通信接口上位机数据采集站 1
数据采集站 2
数据采集站 3
数据采集站 N
…
…
…
…
…
…
…
…
……
模拟信号和数字信号
(b) 网络式 数据采集结构图 2-3 分布式数据采集系统的典型结构上位机、下位机的概念
17
2.2 信号调理 (Signal Conditioning)
所谓 信号调理,就是将传感器或者变送器所输出的电信号进行 放大、隔离、滤波,以便数据采集板实现数据的采集,
传感器 /数电 /模电知识传感器前臵放大低通滤波高通至采集电路图 2-4 典型调理电路的组成框图
18
2.2.1 传感器 的选用 (复习 )
传感器是信号输人通道的第一道环节,也是决定整个测试系统性能的 关键环节 之一,要正确选用传感器,
首先要明确所设计的测试系统 需要什么样的传感器 —
— 系统对传感器的技术要求；
其次是要了解现有传感器厂家有哪些 可供选择的传感器,把同类产品的指标和价格进行对比,从中挑选合乎要求的 性价比 最高的传感器,
19
传感器,用于将被测物理信号转化为电信号的器件,
常用传感器举例,
温度测量,热电阻 (0～ 200度 )
热电偶 (200～ 1500度 )
压力测量,弹簧位移、压敏器件
流量测量,压力差原理
位移 测量,电位器、电容式,光栅 (调速系统中介绍 ) …
速度测量,电磁感应、离心位移 …
… …
20
变送器 (复习 )
用于将 传感器信号进行初步处理,包括,
1,信号滤波,实现一个低通滤波器,滤除常见 高频干扰
2,小信号放大,小信号易受干扰,不易传输,要进行放大,
3,I/V变换,将电压 /电流信号统一变换为规定 标准信号,以利于传输使用,
常见标准,计算机接口标准,范围 0～ 5V
DDZ-П 型仪表标准,范围 0～ 10mA
DDZ-Ш 型仪表标准,范围 4～ 20mA
4.非线性补偿,对实际 物理信号与电信号成非线性关系的情况进行补偿操作,使其成为线性关系,这部分工作亦可 由计算机软件完成,
如,热电偶 中,热电势 e与温度 T的关系一般为,
T = a1e4+a2e3+a3e2+a4e+a5 (a1～ a5为常数 )
补偿后,变送器的输出电压 V与温度 T的关系可转化为线性关系,
即,V = aT+b
21
(一 ) 对传感器的主要 技术要求
1,具有将 被测量 转换为后续电路 可用电量 的功能,转换范围与被测量实际变化范围 相一致,
2,转换精度 符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标,转换速度 应符合整机要求,
3,能满足 被测介质和使用环境 的特殊要求,如耐高温,
耐高压,防腐,抗振,防爆,抗电磁干扰,体积小,质量轻和不耗电或耗电少等,
4,能满足用户对 可靠性和可维护性 的要求,
22
(二 ) 可供选用的传感器 类型温度的传感器 就有,热电偶、热电阻、热敏电阻,半导体 PN结,IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种,在都能满足测量范围、精度、
速度、使用条件等情况下,应侧重考虑成本低、
适配电路是否简单等因素进行取舍,尽可能选择性价比高 的传感器,
23
1,大信号输出传感器,为了与 A/D输入要求相适应,
传感器厂家开始设计、制造一些 专门与 A/D相配套的大信号输出传感器,
传感器传感器传感器小信号放大 信号修正与变换 滤波 A/D 微机微机
I/V转换
V/F
光电耦合小电流小电压大电压大电流图 2-5 大信号输出传感器的使用电流 /电压转换电压 /频率转换
24
2.数字式 传感器,
数字式传感器一般是采用 频率敏感效应器件 构成,
也可以是由敏感参数 R,L,C构成的振荡器,或模拟电压输入经 V/F转换 等,因此,数字量传感器一般都是 输出频率参量,具有 测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送 等优点,
25
传感器 放大整形 光电隔离 计算机传感器 整形 光电隔离 计算机频率量输出开关量输出图 2.6 频率量及开关量 输出传感器的使用
26
3,集成传感器,(DS18B20 温度传感器 )
集成传感器是将 传感器与信号调理电路做成一体,例如,将 应变片,应变电桥、线性化处理,电桥 放大等做成一体,构成 集成压力传感器,
采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务,简化通道结构,
27
4.光纤 传感器,
这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过 光导纤维 实现的,避免了电路系统的电磁干扰,
在信号输入通道中采用光纤传感器可以从 根本上解决 由现场通过传感器引入的干扰,
28
2.2.2 运用 前臵放大器 的依据多数传感器输出信号都比较小,必须选用 前臵放大器进行放大,
判断传感器信号,大,还是,小,和要不要进行放大的依据又是什么？
放大器为什么要,前臵,,即设臵在调理电路的最前端
？
前臵放大器的 放大倍数应该多大？
29
2.2.3 信号调理通道中的 常用放大器 (难点 )
在智能仪器的信号调理通道中,针对被放大信号的特点,并结合数据采集电路的现场要求,目前使用较多的放大器有 测量放大器、
程控增益放大器以及隔离放大器 等,
前臵放大器的任务是将 模拟输入小信号放大到 A/D转换的量程范围之内,如 0-5VDC;
对单纯的微弱信号,可用一个运算放大器进行 单端同相放大或单端反相放大,如图 2-5所示,信号源的 一端若接放大器的正端为同相放大,同相放大电路的放大倍数 G=1+R2/R1；
若信号源的 一端接放大器的负端为反相放大,反相放大电路的放大倍数 G=－ R2/R1.当然,这两种电路都是单端放大,所以 信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地,(电路 /模电 )
30
图 2-5 放大电路
V
I
V O
1R
2R
图 2- 5 放大电路
V
I
V O
1R
2R
(a ) 同相放大
～U s
～U s
(b ) 反相放大
31
OP07
32
(一 )测量放大器在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的 共模干扰,而 单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用,因此,A/D通道中的前臵放大器常采用由 一组运放构成的测量放大器,也称仪表放大器,如图 2-6(a)所示,
经典 的测量放大器是由 三个运放组成的对称结构,测量放大器的差动输入端 Vin?和 Vin?分别是两个运放 A1,A2的同相输入端,输入阻抗很高,而且完全对称地直接与被测信号相连,因而有着 极强的抑制共模干扰能力,
33
-
+
3A
2A
1A
1R
2R SR
1R
2R SR
-NIV
GR
NIV +
负载
(外接 )
外接地
TUOV(外接 )
图 2-6 测量放大器
34
仪用放大器上下对称,即图中 R1=R2,R4=R6,R5=R7.则放大器闭环增益 为,
假设 R4=R5,即第二级运算放大器增益为 1,则可以推出仪用放大器闭环增益为,
由上式可知,通过 调节电阻 RG,可以很方便地改变仪用放大器的 闭环增益,当采用集成仪用放大器时,RG一般为外接电阻,
45G1f R/R)R/R21(A
)R/R21(A G1f
)
R
R2
1(
R
R
VV
V
G
G
1
2
S
ININ
O U T?
35
① 测量放大器的特点,具有 高共模抑制比、高速度、高精度、
宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声 等,
② 测量放大器的工作原理
a.结构,由 三个运算放大器 构成,其内部基本电路如图所示,
b.工作原理,A1,A2二个同相放大器 组成 差动式放大电路,输入信号加在 A1,A2的同相输入端,从而具有 高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗,功率放大器 A3为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将 双端输入 方式变换成 单端输出方式,以满足负载的需要,
36
③ 测量放大器 集成芯片 常用的有 AD521S,AD522B,AD612、
AD605,ZF605,INA102等,
a,AD521采用标准 DIP-14双列直插式封装,其管脚功能如图 a与基本接法如图 b所示,在使用 AD521(或其他测量放大器 )时,要特别注意为偏臵电流提供回路,为此,输入 (引脚 l或引脚 3)端必须与电源的地线相连构成回路,
b,AD522也是单芯片集成精密测量放大器,
37
OFF SET
OFF SET
OUTPUT
a ） b ）
V -
10k
3
5
R S =100k
V
OUT
R G
+IN
- IN
14
4
6
11
7
12
13
10
8
1
1 14
2 13
3 12
4 1 1
5 10
6 9
7 8
2
A D 521
V+
V
IN
R G
R S
SENSE
REF
R S
COMP
V+
+IN
R G
- IN
OFF SET
V -
OFF SET
OUTPUT
AD521的管脚功能及基本接法
38
在实际的设计过程中,可根据模拟信号调理通道的设计要求,并结合仪用放大器的 以下主要性能指标 确定具体的放大电路 (了解 ),
1,非线性度它是指放大器 实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差,当 增益为 1时,如果一个 12位 A/D转换器有 0.025%的非线性偏差,当 增益为
500时,非线性偏差可达 0.1%,相当于把 12位 A/D转换器变成 10位以下转换器,故一定要选择 非线性偏差小于 0.024%的仪用放大器,
39
2.温漂温漂是指仪用放大器 输出电压随温度变化而变化的程度,通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生 (1～ 50)?V/℃ 变化,这与仪用放大器的增益有关
3.恢复时间恢复时间是指 放大器 撤除驱动信号瞬间 至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间,显然,放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的 采样速率,
40
4.建立时间建立时间是指 从阶跃信号 驱动瞬间 至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间
5.电源引起的 失调电源引起的失调是指 电源电压每变化 1%,引起放大器的漂移电压值,仪用放大器一般用作数据采集系统的前臵放大器,
对于共电源系统,该指标则是 设计系统稳压电源的主要依据之一,
41
6.共模抑制比 (CMRR---Common Mode Rejection Ratio)
当放大器 两个输入端具有等量电压变化值 UI时,在放大器 输出端测量出电压变化值 UCM,则共模抑制比 CMRR
可用下式计算,
CMRR也是放大器增益的函数,它随增益的增加而增大,
这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构,
这个前端结构 对差动信号有增益,对共模信号没有增益,
但 CMRR的计算却是折合到放大器输出端,这样就使 CMRR
随增益的增加而增大,
I
CM
U
Ulg20C M R R?
42
(二 ) 程控增益放大器 (PGA-Programmable Gain Amplifier)了解程控放大器是智能仪器的常用部件之一,在许多实际应用中,
特别是在通用测量仪器中,为了在整个测量范围内获取合适的分辨力,常采用 可变增益放大器,在智能仪器中,可变增益放大器的增益由仪器内臵计算机的 程序控制,这种由程序控制增益的放大器,称为 程控放大器,
在 A/D转换通道中,多路被测信号常常共用一个测量放大器,而各路的输入信号大小往往不同,但都要放大到 A/D转换器的 同一量程范围,因此,对应于各路不同大小的输入信号,测量放大器的 增益也应不同,具有这种性能的放大器称为 可变增益放大器或可编程放大器,如图 2-6(b)所示,
43
3A
2A
-NI
N
负载
(外接 )
外接地
TUOV
16K
16K16K
16K
2
4
8
16
32
64
128
256
80K
26.67K
11.43K
5.33K
2.58K
1.27K
314Ω
630Ω
-
+
1A
IV +
图 2-6 前臵放大器
(b)可变增益放大器
44
把图 2-6(b)中的 外接电阻 Rg换成一组 精密的电阻网络,每个电阻支路上有一个开关,通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益,根据开关支路上的电阻值与增益公式,就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为 2,4,8,16,32,64,128、
256倍,显然,这一组开关如果用多路模拟开关 (类似 CD4051)就可方便地进行 增益可变 的 计算机数字程序控制,此类 集成电路芯片有 AD612/614等,
① 可编程增益放大器的 特点,硬件设备少,放大倍数可根据需要通过编程进行控制,使 A/D转换器满量程信号达到均一化,提高了测量精度,
② 可编程增益放大器 结构,它是 测量放大器电路的扩展,增加了增益模拟开关和驱动电路,
③ 可编程增益放大器的 应用,可编程增益放大器 PGA的优越性之一就是能进行 量程自动切换,
45
例,数字电压表 的 量程自动切换分析,CPU首先对被测参数进行 A/D转换,判断 被测值是否大于当前量程,若大于,再判断 PGA的增益是否为最低档,如果是,就转入超量程处理,否则,将 PGA增益降低一档并重复前面的处理过程；如果被测值小于当前量程再判断最高位是否为零,如果是零,就进一步判断增益是否为最高一档,若不是最高档,将增益升高一级再进行 A／ D转换及判断；如不为零或
PGA已经升到最高档,则说明量程已经切换到最合适档,此时微处理器对所测得的数据再进一步处理,
Y
数据处理
A / D 转换大于当前量程？
P G A 在最低档？
P G A 增益降一档转换后最高位 =0？
P G A 在最高档？
P G A 增益升一档 超量程处理
Y
Y
Y
自动量程切换自动量程切换流程图
46
PGA102是一种独立、
高速、高精度的数字式可程序设臵增益的仪器放大器,由 COMS/TTL电平来选择增益为 1,10或 100,其内部结构如图所示,
改变 X10,X100两管脚的电平,即可选择 VIN1,
VIN2和 VIN3.由于三种输入的反馈电阻不同,因而可得到不同的增益,
敏感公共端
V
OUT
15
11
12
2
1
3
16
13
10
9
8
7
6
5
4
- V
CC
1.33k 10.8k
1.2k 10.8k
1.2k 10.8k
模拟地
V
I N1
增益 / 通道选择
V
I N2
V
I N3
增益调整增益调整
X 10 +V CC 逻辑地 X1 00 失调调整
PGA102原理结构图
④ 常用的可编程增益放大器芯片有
AD526,AD625,AD620
B-B公司的 PGA100,PGA102,LH0084等,
47
(三 ) 隔离放大器 (变压器耦合,光耦合 )
隔离放大器主要用于要求 共模抑制比高的模拟信号 的传输过程中,例如输入数据采集系统的信号是 微弱的模拟信号,而测试现场的 干扰比较大 对信号的传递精度要求又高,这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离,以保证系统的可靠性,
48
由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入,输出端之间的耦合,因此具有以下 特点,
1.能保护系统元件不受 高共模电压 的损害,防止高压对低压信号系统的损坏,
2.泄漏电流低,对于测量放大器的输入端无须提供 偏流返回通路,
3.共模抑制比高,能对直流和低频信号 (电压或电流 )进行准确,安全的测量,避免各种干扰对系统的影响,
49
⑴ 隔离放大器 应用场合,测量处于 高共模电压下的低电平信号 ；
消除 信号源地网络干扰 (如大电流的跳变 )所引起的测量误差；
避免与地构成回路及其 寄生拾取 问题；
保护系统电路不致因输入端或输出端的 高共模电压造成损坏 ；
用于 医疗仪器 为病人提供安全接口等,
⑵ 变压器耦合 隔离放大器组成,由 输入级、输出级和电源振荡器 三个基本部分,典型的隔离放大器原理图如下图所示,
50
- 15V
b
c
3
2
1
5
4
+ 15V
10k
1# 隔离电源滤波调制 A1 解调 滤波
2# 隔离电源
100 kH z
电源振荡器稳压器
A2
100k
100k
- 15V
+ 15V
输入
7
+ -
6
- 15V
+ 15V
输出
8
10
9
电源
a
e
d
输入屏蔽
V
0
± 10V
同步 I / O
T
2
直流电源 V
S
从 + 12.5 V
至 + 25V
公共端
T
1
增益
R
增益
V
i
公共端
± 5mA
隔离电源输出
289 型图 2.12 GF289集成隔离放大器
51
图 2-14 GF289典型接法
52
工作原理,将 传感器送来的信号 滤波和放大,并 调制 成 交流信号,通过 隔离变压器耦合 到输出级,在输出级把交流信号 解调 变成 直流信号,再经滤波和放大,最后输出 0～ ± 10V的直流电压,由于放大器的两个输入端都是浮空的,所以,它能够有效地起测量放大器的作用,又因采用 变压器耦合,所以输入部分和输出部分是隔离的,
增益计算,
1 0 0 0~1GGG O U TIN
GIN—— 输入部分电压增益；
GOUT—— 输出部分电压增益,
53
⑶ 光耦合 隔离放大器光耦合隔离放大器是通过 输入极激励发光管,由光电管将光信号耦合到输出极,实现信号的传输,同时保证了输入和输出间的电气隔离,
⑷ 隔离放大器集成芯片常用 变压器耦合隔离放大器 有 Model277,Model278、
AD293,AD294 GF289等,光耦合隔离放大器 有 ISO100等,
54
AD293应用电路 如图所示,信号 VIN的输入端可接地也可悬空,电阻 RG是增益调整电阻,输入级增益为
W1是输入级调零电位器,如果需 调零,W1的滑动点与引脚 2相连,如果不调零,W1可不接,引脚 33还可输出－ 13V(相对引脚 2),以供其它外电路使用,电容 C2
用于对－ 13V滤波,
1G11 RR/R91G R1—— 输入级内部反馈电阻
55
2.2.4 V/I和 I/V转换电路控制系统中,对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器,
当它们的输出信号为 0 - 10 mA或 4 -20 mA的电流信号时,一般是采用电阻分压法 把现场传送来的 电流信号转换为电压信号
1.V/I转换电路
(1)0～ 10V／ 4～ 20mA转换电路电流信号传输的优点,以消除电缆衰减,抗工业现场干扰,
56
0 ~ 10V 12.5k 1k
+15V 50k INA105
4 ~2 0 m A
OUT
10V
OPA27
2
3 1
6
5
2 6
REF10
4
R L O A D
50.1 Ω
50.1 Ω
常用精密 0～ 10Ⅴ/4 ～ 20mA转换电路如图所示,
图中 REF10为 +10V精密电压基准,提供一个 +10Ⅴ 标准的稳压电源,此标准电源与 0～ l0Ⅴ 输入信号 一起加到由 超低噪声精密运算放大器 OPA27所组成的 反相比例求和电路,
工作原理,当输入信号在 0～ 10V间变化时,OPA27的输出范围为 -
0.2V～ 1V,该输出加到由 精密单位增益差动放大器 INA105组成的 V/I
变换电路 的输入端,可以推出当输入电压为 -0.2～ -1Ⅴ 时,流过负载电阻 RLOAD的电流为 4～ 20mA,而与 RLOAD的大小无关,
57
(2)隔离型 V/I转换电路采用 ISO100光电隔离放大器 组成的 V/I 4～ 20mA变换电路,原理如图所示,
58
2.I/V转换电路
(1)无源 I/V变换无源 I/V变换电路是利用 无源器件 -电阻 来实现,加上 RC滤波和二极管限幅 等保护,如图 2-15(a)所示,其中 R2为精密电阻,
对于 0～ 10mA输入信号,可取 R1=100Ω,R2=500Ω,这样当输入电流在 0～ 10mA量程变化时,输出的电压 就为 0～ 5V范围 ;
对于 4～ 20mA输入信号,可取 R1=100Ω,R2=250Ω,这样当输入电流为 4～ 20mA时,输出的电压为 1～ 5V.
59
图 2-15 电流 /电压变换电路
-
+
A
2R
1
R
V
I
(a) 无源I/ V变换电 路 (b) 有源I/ V变换电 路图 2-2 电流/电压变 换电路
+
3R
5
R
4
R
2R
1
R
I
D
C
C
V
+
-
+5 V
R1=100Ω,R2=500Ω
60
(2)有源 I/V变换有源 I/V变换是利用 有源器件 —— 运算放大器和电阻电容 组成,如图 2-15(b)所示,利用 同相放大电路,把电阻 R1上的输入电压变成标准输出电压,该同相放大电路的放大倍数为若取 R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=150kΩ,则输入电流 I的 0～
10mA就对应电压输出 V的 0～ 5V；
若取 R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=25kΩ,则 4～ 20mA的输入电流对应于 1～ 5V的电压输出,
3
4
1 R
R1
IR
VG
61
RCV420是一种精密的 电流 /电压变换器,它能将 4～
20mA的电流信号转换成 0～ 5V的电压信号,
其典型应用电路如图所示,
I IN
4~ 20mA
+in 3
Cr 2
- in 1
+ +
1 μ F
公共 公共
Rcv Rcv
Ref 噪声抑制
16 4 13 7 5 8 Ref 调整
10 Ref f A
11 Rcv O ut
（ 0 ~ 5V ）
15 R ef
f B
12 R ef
in
14
RC V 420
+ 10V
R ef er enc o
R
S
R
S
R
S
= 75 Ω
V 0
1 μ F
62
多路开关的主要用途是把 多个模拟量参数分时的接通并送入 A/D转换器,即完成 多到一的转换 ;
或者把经计算机处理,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 (或外部设备 )中,即完成 一到多 的转换,
前者称为 多路开关 (Multiplexer),后者叫做 反多路开关
(De-MultiPlexer)或者叫做多路分配器,
这类器件中有的只能做一种用途,称为 单向多路开关,如 AD7501 (8
路 ),AD7506 (16路 );有些则既能做 多路开关,又能当 反多路开关,称为 双向多路开关,如 CD4051.
从输入信号的连接方式来分,有的是 单端输入,有的则允许 双端输入
(或者差动输入 )
2.3 多路模拟开关 Multi-plexer(重点 )
63
64
现以常用的 CD4051(datasheet)为例,学生看书
1.引脚,
2.内部原理,8路模拟开关的结构原理如图 2-16所示,CD4051由 电平转换、译码驱动及开关电路 三部分组成,
当 禁止端 INH (Inhibit)为,1”时,前后级通道断开,即 S0-S7端与 Sm端不可接通 ； 当为,0”时,则通道可以被接通,通过改变控制输入端 C,B,A的数值,就可选通 8个通道 S0-S7中的一路,
比如,当 C,B,A=000时,通道 S0选通；当 C,B,A=001时,通道 S1
通 ； …… 当 C,B,A=111时,通道 S7选通,其真值表如表 3-1所示 (138).
65
The CD4051B is a single 8-Channel multiplexer having three binary
control inputs,A,B,and C,and an inhibit input,The three binary
signals select 1 of 8 channels to be turned on,and connect one of the 8
inputs to the output.
When these devices are used as demultiplexers,the“CHANNEL
IN/OUT” terminals are the outputs and the,COMMON OUT/IN”
terminals are the inputs.
66
67
图 2-16 CD4051结构原理图
68
2.4 采样 /保持器
2.4.1 概述模拟信号进行 A/D转换时,从启动转换到转换结束输出数字量,
需要一定的转换时间,在这个转换时间内,模拟信号要基本保持不变,
如果输入信号变化 较快 (频率较高 ),就会引起较大的转换 误差,要防止这种误差的产生,必须在 A/D转换 开始时 将 输入信号的电平保持住,
而在 A/D转换 结束后又能跟踪输入信号的变化,能完成这种功能的器件叫 采样 /保持器 (S/H---Sample/Hold).采样 /保持器在保持阶段相当于一个,模拟信号存储器,,
69
数据采样定理 (复习 )
离散系统 或采样数据系统 -----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,
离散系统的采样形式 ----有周期采样、多阶采样和随机采样,应用最多的是周期采样,
周期采样 --就是以 相同的时间间隔进行采样,即把一个连续变化的 模拟信号 y(t),按一定的 时间间隔 T转变为在 瞬时 0,T,2T,… 的一连串脉冲序列信号 y*(t),如图 2-18所示,
70
0 t 0 T 2T 3T t
采样器
y ( t )*
y ( t )*y
( t )
y ( t )?
T
图 2-7 信 号的采样过程采样器的常用术语,
1.采样器或 采样开关 ----执行采样动作的装臵,
2.采样时间或 采样宽度 τ ----采样开关每次闭合的时间
3.采样周期 T----采样开关每次通断的时间间隔在实际系统中,?<<T,也就是说,可以近似地认为采样信号 y*(t)是 y(t)在采样开关闭合时的瞬时值,
图 2-18 信号的采样过程
71
由经验可知,采样频率越高,采样信号 y*(t)越接近原信号 y(t),
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 采样信号 y*(t)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,
香农采样定理 (Shannon)指出,为了使采样信号 y*(t)能完全复现原信号 y(t),采样频率 f至少要为原信号最高有效频率 fmax的 2倍,
即 f?2fmax.
采样定理给出了 y*(t)唯一地复现 y(t)所必需的最低采样频率,
实际应用中,常取 f?(5～ 10)fmax.
72
2.4.2 采样 /保持器的 工作原理采样 /保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路,它主要由 模拟开关 K、电容 Ch 和缓冲放大器 A组成,它的一般结构形式如图所示,图中 K为模拟开关,Vc为模拟开关 K的控制信号,Ch为保持电容,
当控制信号 Vc为采样电平时,开关 S导通,模拟信号通过开关 S向保持电容 Ch充电,这时输出电压 Uo跟踪输入电压 Ui的变化,
当 控制信号 Vc为保持电平时,开关 K断开,此时输出电压 Uo保持模拟开关
S断开时的瞬时值,
73
2.4.3 采样保持器
1.零阶采样保持器 (Zero Order Hold)----零阶采样保持器是 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,它的组成原理电路与工作波性如图 2-
19(a),(b)所示,采样保持器由 输入输出缓冲放大器 A1、
A2和采样开关 S、保持电容 Ch等组成,
采样期间,开关 S闭合,输入电压 Vin通过 A1对 Ch快速充电,输出电压 Vout跟随 Vin变化 ；
保持期间,开关 S断开,由于 A2的输入阻抗很高,理想情况下电容 Ch将保持电压 Vc不变,因而输出电压 Vout=Vc也保持恒定,
74
INV
1A 2A
－
＋
HC
O UTV
S
O UTV
INV
t
t
图 2- 8 采样保持器路电理原)a( 性波作工)b(
采样 保持图 2-19 采样保持器
75
零阶保持器的功能主要特点,
1.输出信号为阶梯波,含有高频分量
2.具有 半个采样周期的纯滞后
76
零阶保持器的 脉冲响应函数
)Tt(1)t(1)t(g h
s
e1)]Tt(1)t(1[L)s(G Ts
h
77
2,零阶集成采样保持器 --常用的零阶集成采样保持器有 AD582、
LF398/198/298/ (2-20 b)等,其内部结构和引脚如图所示,这里,用
TTL逻辑电平控制采样和保持状态,如 LF398的采样电平为,1”,保持电平为,0”,而 AD582的则相反,(datasheet)
图 2-20 集成采样保持器AD582 LF398
78
LF398内部由三部分组成,输入电路 A1、输出电路 A2及逻辑控制电路 A3和开关 S.运算放大器 A1和 A2均接成电压跟随器形式,
当 控制逻辑 IN+为 高 电平,通过 A3控制开关 S闭合,使输入电压经过 A1进入 A2,A2的输出跟随输入电压变化,同时向保持电容 (接引脚 6)充电,
当 控制逻辑 IN+为 低 电平时,开关 S断开,保持电容上的电压不变,维持 A2输出不变,IN-一般接地,
LF398典型的接线方法 如图所示,
Logic input＝ 1时,为采样状态,此时输出跟随输入变化；
Logic input＝ 0时,为保持状态,此时输出保持不变,
79
在 A/D通道中,采样保持器的采样和保持电平应与后级的 A/D转换相配合,该电平信号既可以由其它控制电路产生,也可以由 A/D转换器直接提供,
总之,保持器 在采样期间,不启动 A/D转换器,而一旦进入保持期间,则立即启动 A/D转换器,从而保证 A/D转换时的模拟输入电压恒定,以确保 A/D转换精度,
80
(1)采样周期应符合 香农采样定理 的要求 fs≥2fmax
(2)采样周期应远小于系统的时间常数,但对于 响应很慢或设定值变化很缓的系统,不必用过短的采样周期 ;
(3)闭环系统 对给定信号的跟踪,要求采样周期要 小 ;
(4)从 抑制扰动 的要求来说,采样周期应该选择得小些 ;
(5)从计算机 精度考虑,采样周期 不宜过短 ;
(6)从 系统成本上 考虑,希望采样周期 越长越好 ;
(7)从 执行元件 的要求来看,有时要求输入控制信号要保持一定的宽度 ;
采样周期的选择,
81
综合上述各因素,选择采样周期,应在满足控制系统的性能要求的条件下,尽可能地选择 低 的采样速率,工业控制 中,大量的受控对象都具有低通的性质,采样周期的选择,要根据所设计的系统的具体情况,用 试凑 的方法,在试凑过程中根据 各种合理的建议来预选采样周期,多次试凑,被控参数 采样周期（ s ） 备注流量压力液位温度成分
1 ～ 5
3 ～ 10
8 ～ 8
15 ～ 20
15 ～ 20
优选 1 ～ 2
优选 6 ～ 8
常用被测对象采样周期的 经验值 如表所示,
82
2.5 A/D转换器及接口技术
A/D(Analog/Digital)转换器是将 模拟量转换为数字量 的器件,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,模拟量是指电压 而言的,在数字系统中,数字量是离散的,一般用 量子因子 Q来度量,
83
2.5.1 A/D转换器的作用将模拟量转换为数字量,以便计算机接收处理传感器 单片机A/D转换
双积分式 A/D转换器
逐次逼近式 A/D转换器
84
A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平,
(1) 分辨率 (Resolution)
ADC的分辨率定义为 ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量,分辨率是指 A/D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化的反应越灵敏,通常用数字量的位数来表示,如 8位,10位,12位 (偶数 )等,分辨率为 n,表示它可以对满刻度的 1/2^n(指数 )的变化量作出反应,
即,
分辨率 =满刻度值 /2^n (n为指数 )
85
(2) 转换时间
A/D转换器完成一次转换所需的时间 定义为 A/D转换时间,如逐位逼近式 A/D 转换器的转换时间为 微秒级,双积分式 A/D转换器的转换时间为 毫秒级,
(3) 精度绝对精度 定义为,对应于产生一个 给定的输出数字码,理论模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值,
相对精度 定义为在整个转换范围内,任一数字输出码所对应的 模拟输入实际值与理想值之差 与 模拟满量程值之比,一般用百分数来表示,对
A/D转换器常用最低有效值的位数 LSB(Least Significant Bit))来表示,
1LSB = 1/2^n,
例如,对于一个 8位 0～ 5V的 A/D转换器,如果其相对误差为 ± 1LSB,
则其绝对误差为 ± 19.5 mV,相对百分误差为 0.39％,一般来说,位数 n越大,
其相对误差 (或绝对误差 )越小,
86
2.5.2 ADC的 转换原理 (了解 )
(一 ) 比较型 ADC
比较型 ADC可分为 反馈比较型 及 非反馈 (直接 )比较型 两种,高速的并行比较型 ADC是非反馈的,智能仪器中常用到 的中速中精度的 逐次逼近型 ADC是反馈型
87
图 2-20 逐次逼近式转换器 原理反 馈 电 压
D / A 转换器
V
IN
比 较 器控 制 时 序 和逻 辑 电 路逐位逼近寄存器 (S A R )
数字量输 出锁存器启动
CLK
模 拟 量输 入
V
O
V
C
D 0
图 2-9 逐位逼近式 A /D 转换原理图
D 1
D 2
D 3
88
一个 n位 A/D转换器是由 n位寄存器,n位 D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成,现以 4位 A/D转换器把模拟量 9转换为二进制数 1001为例,说明逐位逼近式 A/D转换器的工作原理,如图 2-20所示,
89
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 D3?1,其余为 0,此数字量 1000经
D/A转换器转换成模拟电压即 Vo?8,送到比较器输入端与被转换的模拟量 Vin=9进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断,当 Vin?Vo,则 保留 D3=1；
再对下一位 D2进行比较,同样先使 D2?1,与上一位 D3位一起即 1100进入 D/A转换器,转换为 Vo?12再进入比较器,
与 Vin?9比较,因 Vin?Vo,则使 D2?0；
再下一位 D1位也是如此,D1?1即 1010,经 D/A转换为
Vo=10,再与 Vin?9比较,因 Vin?VO,则使 D1?0；
最后一位 D0?1---即 1001经 D/A转换为 Vo?9,再与 Vin?9
比较,因 Vin?Vo,保留 D0?1.比较完毕,寄存器中的数字量 1001即为模拟量 9的转换结果,存在输出锁存器中等待输出,
90
一个 n位 A/D转换器的模数转换表达式是
(2-4)
式中 n —— n位 A/D转换器；
VR+,VR- —— 基准电压源的正、负输入；
Vin—— 要转换的输入模拟量；
B—— 转换后的输出数字量,
即当基准电压源确定之后,n位 A/D转换器的输出 数字量 B与要转换的输入模拟量 Vin成正比,
n
RR
RIN 2
VV
VVB?
91
例,一个 8位 A/D转换器,设 VR+ = 5.02V,VR-= 0 V,计算当 Vin分别为 0 V,2.5 V,5 V时所对应的转换数字量,
解,把已知数代入公式 (2-4):
0 V,2.5 V,5 V时所对应的转换数字量分别为 00H、
80H,FFH.
此种 A/D转换器的常用品种有普通型 8位单路
ADC0801～ ADC0805,8位 8路 ADC0808/0809,8位 16路
ADC0816/0817等,混合集成高速型 12位单路 AD574A、
ADC803等,
8n
RR
R 2
002.5
0V2
VV
VVB?
ININ
92
(二 ) 双积分型 ADC
图 2-21 双积分 ADC
NIV
源电准基辑逻制控器分积器较比钟时器数计入输拟模始开换转 束结换转出输量字数
0D～1-nD
定固率斜
1T
2T
间时分积定固 压电入输于比正
2T和1T
关开图框成组路电)a( 理原分积双)b(
图理原换转D/A式分积双10?2图
93
双积分式 A/D转换原理如图 2-21所示,在转换开始信号控制下,
开关接通模拟输入端,输入的模拟电压 Vin在固定时间 T内对积分器上的电容 C充电 (正向积分 ),时间一到,控制逻辑将开关切换到与 Vin极性相反的基准电源 上,此时 电容 C开始放电 (反向积分 ),同时 计数器开始计数,当比较器判定电容 C放电完毕时就输出信号,
由控制逻辑停止计数器的计数,并发出转换结束信号,这时 计数器所记的脉冲个数正比于放电时间,
放电时间 T1或 T2又正比于输入电压 VIN,即 输入电压大,则放电时间长,计数器的计数值越大,因此,计数器计数值的大小反映了输入电压 VIN在固定积分时间 T内的平均值,
此种 A/D转换器的常用品种有 输出为 3位半 BCD码 (二进制编码的十进制数 )的 ICL7107,MC14433,输出为 4位半 BCD码 的
ICL7135等,
94
双积分式 ADC的 优点,
对 R,C及时钟脉冲 Tc的长期稳定性无过高要求即可获得很高的转换精度,
微分线性度极好,不会有非单调性,因为积分输出是连续的
,因此,计数必然是依次进行的,即从本质上说,不会发生丢码现象,
积分电路为 抑制噪声 提供了有利条件,双积分式 ADC是测量输入电压在定时积分时间 T1内的平均值,对干扰有很强的抑制作用,尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好,
95
(三 ) Σ -Δ 型 ADC
过采样 Σ -ΔA/D 变换器由于采用了 过采样技术和 Σ -Δ 调制技术,增加了系统中数字电路的比例,减少了模拟电路的比例,并且 易于与数字系统实现单片集成,因而能够以较低的成本实现高精度的 A/D变换器,适应了 VLSI(Very Large Scale Integration)超大规模集成电路技术 发展的要求,
96
(四 ) V/F型 ADC
智能仪器中常用的另一种 ADC是 V/F型 ADC.简称 V/F转换器,是把 模拟电压信号转换成频率信号 的器件,它主要由 V/F转换器和计数器构成,
V/F型 ADC的特点是,
① 与积分式 ADC一样,对工频干扰有一定的抑制能力 ；
② 分辨率较高；
③ 特别适合现场与主机系统距离 较 远 的应用场合 ；
④ 易于实现 光电隔离,
97
2.6 常用 AD集成电路及与微处理器的接口 (重点 )
考虑到逐次逼近式 ADC具有转换速度快,精度较高,价格适中的优点,Σ -Δ 型 ADC具有转换精度高,价格低廉的优点,下面将介绍 常用转换芯片 ADC0809/逐次逼近式
ADC-AD574A和 Σ -Δ 型 ADC-CS5360及其与 CPU的接口,
98
A/D转换器概述逐次逼近式典型 A/D转换器芯片有,
(1)ADC0801～ ADC0805型 8位 MOS型 A/D转换器
(2)ADC0808/0809型 8位 MOS型 A/D转换器
(3)ADC0816/0817
99
ADC0832
2通道 AD转换常用芯片
100
2.6.1 典型芯片 —ADC0809介绍
(学生看书 重点讲解 看 datasheet)
ADC0809芯片介绍
8位 逐位逼近式 8通道 的 AD转换器,
A/D转换器
分辨率为 1/2^8≈0.39%
模拟 电压转换范围 是 0～ +5V
标准转换时间为 100?s
采用 28脚双列直插式封装
101ADC0809内部结构及引脚
102
1.引脚
(1)IN7～ IN0:8路模拟量输入端,允许 8路模拟量分时输入,共用一个 A/D转换器,
(2)D7～ D0:8位数字量输出,D7为最高位,D0为最低位,由于有 三态输出锁存,
可与主机数据总线直接相连,
(3)C,B,A:3位地址线即 模拟量通道选择线,ALE为高电平时,地址译码与对应通道选择见表 2-2,
(4)ALE:地址锁存允许信号 (Address Latch Enable),输入,高电平有效,上升沿时锁存 3位通道选择信号,
(5)START:启动 A/D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 A/D转换,
(6)EOC(End of Convention):转换结束信号,输出,AD转换 完成,EOC变为 高电平,
(7)OE(Output Enable):输出使能信号,输入,高电平有效,该信号用来 打开三态输出缓冲器,将 A/D转换得到的 8位数字量送到数据总线上,
103
(8)CLOCK:外部时钟脉冲输入端,当脉冲频率为 640kHz时,A/D转换时间为 100?s
(9)Vref+,Vref-:参考电压源正、负端,取决于被转换的模拟电压范围,通常 Vref+ = +5V,Vref- = 0V
(10)Vcc:工作电源,+5V
(11)GND:电源地表 2-2 被选通道和地址的关系
CD4051/138
C B A 选中通道
0 0 0 IN0
0 0 1 IN1
0 1 0 IN2
0 1 1 IN3
1 0 0 IN4
1 0 1 IN5
1 1 0 IN6
1 1 1 IN7
104
2.ADC0809功能分析
CLK:时钟信号,可由单片机 ALE信号分频得到,
转换有以下 几步,
1,ALE信号上升沿有效,锁存地址并选中相应通道,
2,Start信号有效,开始转换,A/D转换期间 ST为低电平,
3,EOC信号输出高电平,表示转换结束,
4,OE信号有效,允许输出转换结果,
105
转换过程表述如下,
首先 ALE的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路,使该路模拟量进入到 A/D转换器中,
同时 START的上升沿将转换器内部清零,下降沿起动 A/D转换,
即在时钟的作用下,逐位逼近过程开始,转换结束信号 EOC即变为低电平,
当转换结束后,EOC恢复高电平,此时,如果 对输出允许 OE输入一高电平命令,则可读出数据,
106
ADC0809的内部转换 时序
ALE
C.B.A
ST AR T
EOC
OE
DO7~ DO0
图 2-1 2 ADC08 09 的 转 换 时 序图 2-22 ADC0809的转换时序
107
ADC0809和单片机的连接写信号,P2.7有效时,
启动 AD转换,
转换结束后,输出高电平,向 CPU发出中断请求读信号,P2.7有效时,允许输出 AD转换结果,
转换时钟由 ALE分频得到,
回顾,ALE以 1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲,因此可以作为外部时钟或外部定时脉冲使用
8051
74LS373
ADC0809
÷ 2
CLK
D0-D7
≥ 1
≥ 1
1
1
1
G
EOC
START
ALE
OERD
P2,7
WR
INT1
ALE
P0 A0-A7
A0 A1 A2
A
B
C
VR(+)
VR(-)
+5V
GND
IN0
转换结果由此输出
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
或非门
108
ALE CLK
2分频电路 74LS74 D触发器
109
110
通道选择表选择的通道
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
C B A
8051 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
0809 0 × × × × × × × × × × × × C B A
0 × × × × × × X × × × × × 0 0 0
…
…
0 × × × × × × X × × × × × 1 1 1
1,首先分析 各个通道的地址,(IN0到 IN7的地址为 7FF8H到 7FFFH)
111
2,编程,可采用 中断、查询、延时 (掌握 )三种方式,
中断方式
ORG 0000H ;主程序入口地址
AJMP MAIN ;跳转主程序
ORG OO13H ;外部中断 1入口地址
AJMP EXINT1 ;跳转到外部中断服务程序
MAIN:MOV SP,#60H ;设臵堆栈
MOV R0,#30H ;取片内 RAM首地址
MOV R7,#08 ;设臵通道数
SETB IT1 ;边沿触发
SETB EA ;开中断
SETB EX1 ;允许外部中断 1
MOV DPTR,#7FF8H ;指向 0809IN0通道 地址
LOOP,MOVX @DPTR,A ;启动 A/D转换
SJMP $ ;等待中断
DJNZ R7,LOOP ;8路采集
…… ;其余数据处理要求,采用中断方式,
对 8路模拟量输入信号进行检测,并将数据存入片内 RAM30H-37H
单元
112
EXINT1,MOVX A,@DPTR ;读 A/D转换结果
MOV @R0,A ;存数
INC R0
INC DPTR
RETI ;返回
END
113
ORG 0000H ;主程序入口地址
AJMP MAIN ;跳转主程序
ORG 1000H ;程序 入口地址
MAIN,MOV DPTR,#7FF8H ;指向 0809 IN0通道地址
MOV R7,#08H
MOVX @DPTR,A ;启动 A/D转换
LOOP,JNB P3.3,$ ;EOC直接和 P3.3相连 (硬件改动 )
MOVX A,@DPTR ;读 A/D转换结果
MOV @R0,A ;存数
INC R0
INC DPTR
DJNZ R7,LOOP
SJMP $
END
查询方式
114
2.6.2 AD574A及其与微处理器的接口
(比 ADC0809复杂,一般了解,看书,datasheet)
图 2-31 AD57A的实物图和管脚图
115
116
AD574有 6个等级,AD574J,K和 L专门用在 0～ +70℃ 温度范围内,AD574S,T
和 U专门用在 -55℃ ～ +125℃ 范围内,所有的 AD574全部采用 28脚,双列直插式封装,AD574的原理图,如下图所示,
+ 1 5 V
+ 5 V
D G N D
- 1 5 V
2 0 V
IN
1 0 V
IN
A G N D
B I P O F F
R E F I N
R E F O U T
( 1 0,0 0 V )
8
10
10V
R E F
R E F I N
A G N D
12
9
13
14
5K Ω
5K Ω
3K Ω D A C O U T 模拟芯片
A D 5 7 4
数 模转换器（ ）/ A D 5 6 5
12 位逐次逼近 型寄存器
（）
S A R
比较器
＋
－
数字芯片 时钟时钟启动 停止 /
复位逻辑控制转换结束输出控制
N I B A N I B B N I B C
12 位三状态输出缓冲器
12 位
1 2 / 8 CS A
0 R/ C CE
2 3 4 5 6
M S B
数字量输出
L S B
2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6
28
标志状态
S T S
B U S Y / E O C
7
1
15
11
117
1.AD574的技术指标
AD574是一个完整的 12位 逐次逼近型 带 三态缓冲器,单通道 的 A/D转换器,
它可以 直接 与 8位,12位或 16位微机总线进行接口,其主要技术指标如下,
(1)分辨率,12位 1/2^12 = 0.024%；
(2)模拟输入双极性,± 5V,± 10V 单极性,0～ 10V,0～ 20V；
(3)供电电源,
Vlogic:逻辑电平 +4.5V～ 5.5V
Vcc,+13.5V～ +16.5V
Vee供电电源,-13.5V～ -16.5V
(4)内部参考电平,10V
(5)内部结构大体与 ADC0809类似,由 12位 A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与 10V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
(6)转换时间为 25μs,适合于在 高精度快速采样系统 中使用
(7)存放温度,-65～ 150℃
(8)AD574A也采用 28脚 双立直插式封装
118
(1)DB11-DB0:12位输出数据线,三态输出锁存,可与主机数据线直接相连,
(2)10Vin,20Vin,BIP OFF(Bipolar offset):模拟电压信号输入端,
单极性应用时,将 BIP OFF接 0V,双极性时接 10V.量程可以是 10V,
也可以是 20V.输入信号在 10V范围内变化时,将输入信号接至
10Vin；在 20V范围内变化时,接至 20Vin.模拟输入信号的几种接法如表 2-3所示,相应电路如图 2-32所示,
(3)CS*(Chip Selected)片选信号,输入,低电平有效,
(4)CE (Chip Enable) 使能信号,输入,高电平有效,
(5)R/C*(Read/Conversion*)读 /转换信号,输入,高电平为读 A/D转换数据低,电平为起动 A/D转换
(6)12/8*:数据 模式 选择信号,输入,高电平时一次输出 12位数据,低电平时与 A0信号配合分 两次 输出高 8位或低 4位数据,12/8*不能用
TTL电平控制,必须 直接接至 +5V(引脚 1)或数字地 (引脚 15)
2.引脚
119
(7) STS* (status)转换状态信号,转换过程中呈现高电平,转换结束呈现低电平 (注意和 ADC0809EOC信号的区别 )
(8) A0:字节信号在 转换状态,A0为 低电平可使 AD574A产生 12位 转换,
A0为 高电平可使 AD574A产生 8位 转换,
在 读数状态,如果 12/8*为低电平,A0为低电平时,则输出高 8位数,
A0为高电平时,则输出低 4位数 ；
如果 12/8*为高电平,则 A0的状态不起作用,
(9)REF IN (Reference):基准电压源输入端,如果 REF OUT通过电阻接至 REF IN,则可用来调量程,
REF OUT (Reference):基准电压源输出端,芯片内部基准电压源为
10V?1％,
(10) Vlogic:逻辑电源端,+5VDC.
Vcc:工作电源 正端,+12VDC或 +15VDC.
Vee:工作电源 负端,-12VDC或 -15VDC.
(11)DGND,AGND:数字地,模拟地,
120
CE,CS*,R/C*,12/8*,A0各控制信号的组合作用,列于下表注,× 表示 1或 0都可以,
模拟输入信号的几种接法,
尾随 4个 0
121
图 2-32 ADC574A单极性 输入接法
122
图 2-33 ADC574A双极性 输入接法
123
从图中可以看出,AD574由两部分组成,一部分是模拟芯片,另一部分是数字芯片,
模拟芯片是由高性能的 AD565 D/A(12位 )转换器和参考电压组成 (AD565、快速、单片结构,电流输出,建立时间为 200ns).
数字芯片由控制逻辑电路,逐次逼近型寄存器和三态输出缓冲器组成,AD574的转换原理与 AD0809基本是一样的,也是采用 逐次逼近型原理 工作的,
图中控制逻辑,用来发出启动 /停止时钟信号以及复位信号,并控制转换过程,此逻辑控制信号受到外部五个信号以及内部转换结束信号的控制,整个转换过程结束后,输出一个标志状态 STS*(低电平有效 ).
124
图 2.34 AD574A启动转换和读数据时序
125
12位 A/D转换器 AD574A与 PC总线的接口有多种方式,既可以与 PC总线的 16位数据总线直接相连,构成简单的 12位数据采集系统 ；也可以只占用 PC总线的 低 8位数据总线,将转换后的 12位数字量 分两次读入主机,以节省硬件投入,
同样,在 A/D转换器与 PC总线之间的数据传送上也可以使用 程序查询、软件定时或中断控制 等多种方法,由于 AD574A的转换速度很高,一般多采用查询或定时方式
126
图 2.35 AD574A与 8031的接口
Note:
1.WR*和 RD*相与后接入 CE,保证 AD574A启动和 CPU读入数据时 CE有效 ;
2.STS接 P1.0,采用 查询方式 读入 AD转换结果 ;
3.REFIN/REFOUT/BIPOFF的接线方式 采用 双极性输入 ;
4.12/8*接地,A0信号配合分两次输出高 8位或低 4位数据,
127
ORG 0030H
START:MOV R0,#30H ;置片内 RAM地址
MOV R1,#7EH;0111 1110(CS*=0 A0=1 R/C*=0)
MOVX @R1,A ;启动 AD转换
WAIT,JNB P1.0,NEXT ;查 STS状态,低电平转换结束,所以 JNB
SJMP WAIT
NEXT,MOV R1,#7DH ;0111 1101(CS*=0 A0=0 R/C*=1)
MOVX A,@R1 ;输出高 8位数据
MOV @R0,A ;存入片内 30h单元
INC R0
MOV R1,#7FH ;0111 1111(CS*=0 A0=1 R/C*=1)
MOVX A,@R1 ;输出低 4位数据
MOV @R0,A
……
128
CE,CS*,R/C*,12/8*,A0各控制信号的组合作用,列于下表注,× 表示 1或 0都可以,
模拟输入信号的几种接法,
尾随 4个 0
129
表 2.2 AD574系列产品主要性能比较
130
2.7 A/D转换模板 (了解 )
在计算机控制系统中,模拟量输入通道是以模板或板卡形式出现的,A/D转换模板也需要遵循 I/O模板的通用性原则,符合总线标准,接口地址可选以及输入方式可选,
前两条同 D/A模板一样,而输入方式可选主要是指模板既可以接受 单端输入信号 也可以接受 双端差动输入信号,
在结构组成上,A/D转换模板也是按照 I/O电气接口、
I/O功能逻辑和总线接口逻辑三部分布局的,其中,I/O电气接口完成 电平转换、滤波、隔离等信号调理作用,I/O功能逻辑部分实现 采样、放大、模 /数转换等功能,总线接口完成 数据缓冲、地址译码等功能,
131
PA
PA
PA
PB
PB
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
7
3
0
7
0
6
5
4
3
2
1
0
8 25 5 A
PC 总线
ST S
D
D
D
D
CE
CS
R/C
DGND
1 2/ 8 V L O G I C
BIFOFF
RE FI N
RE FO U T
A D 5 7 4A
1 0V IN
AGND
A 0
+1 5V
-1 5V
L F3 98
5
4
7
6
3
8
1
+1 2V
-1 2V
1 00 K1 00
1 00 K
Ω Ω
Ω
+5 V
1 00 Ω
C H
+1 5V -1 5V
V 0
V 7
V DD
S m
V EE
CD 4 0 51
S 0
S 7
INH
C
B
A
V SS
图 3 -1 9 8 路 12 位 A /D 转换模板电路
0
7
8
11
132
图 3-19是一种 8路 12位 A/D转换模板的示例,
图中只给出了 总线接口与 I/O功能实现部分,由
8路模拟开关 CD4051、采样保持器 LF398,12位
A/D转换器 AD574A和并行接口芯片 8255A等组成,
该模板的主要技术指标如下,
分辨率,12位
通道数,单端 8路
输入量程,单极性 0～ 10V
转换时间,25μs
传送应答方式,查询
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该模板采集数据的过程如下,
(1)通道选择将模拟量输入通道号写入 8255A的端口 C低 4位 (PC3～
PC0),可以依次选通 8路通道,
(2)采样保持控制把 AD574A的信号通过反相器连到 LF398的信号采样保持端,当 AD574A未转换期间或转换结束时 =0,使 LF398处于采样状态,当 AD574A转换期间 =1,使 LF398处于保持状态,
(3)启动 AD574A进行 A/D转换通过 8255A的端口 PC6～ PC4输出控制信号启动 AD574A.
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(4)查询 AD574A是否转换结束读 8255A的端口 A,查询是否已由高电平变为低电平,
(5)读取转换结果若已由高电平变为低电平,则读 8255A端口 A,B,便可得到 12位转换结果,
设 8255A的 A,B,C端口与控制寄存器的地址为 2C0H-
2C3H,主过程已对 8255A初始化,且已装填 DS,ES(两者段基值相同 ),采样值存入数据段中的采样值缓冲区 BUF,另定义一个 8位内存单元 BUF1.该过程的数据采集程序框图如图 3-
20所示,数据采集程序如下 (参考课本 )
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图 3-20 8路数据采集程序框图
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2.8 A/D转换器的 选择 (综述 )
1.确定 A/D转换器的位数从数据采集系统的 静态精度 和 动态平滑性 两方面进行考虑,A/D
转换器的精度应与测量装臵的精度相匹配,
(1)从 精度上 看,一方面要求 量化误差在误差所占的比重要小,使它不显著地扩大测量误差；另一方面必须根据日前测量装臵的精度水平,对 A/D转换器的位数提出恰当的要求,
(2)从 动态平滑性 考虑,通过模拟的方法确定 A/D转换的位数,对动态平滑性要求较高的系统,还需要用硬件和软件的方法进行平滑处理,
通常满足静态精度要求的位数,也能满足动态平滑性的要求,
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2.如何确定 A/D转换器的 转换速率
A/D转换器从 启动转换到转换结束,输出稳定的数字量,需要一定的转换时间,转换时间的 倒数 就是每秒钟能完成的转换次数,称为 转换速率,确定 A/D转换器的转换速率时,应该考虑系统的采样速率,
3.如何确定 是否要加采样 /保持器
采集 直流和变化非常缓慢的模拟信号 (例如温度 )时 可不用采样 /保持器,对于其它模拟信号都要加采样 /保持器,
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4.工作电压和基准电压
有些早期生产的集成 A/D转换器需要 ± 15V的工作电压,这就需要多种电源,而近期开发的 A/D转换器可在 +5V --+15V范围 工作,
5.正确使用 A/D转换器有关 量程的引脚 (AD574A 10Vin 20Vin)
A/D转换器的模拟量输入,有时需要的是 双极性,有时需要 单极性 的,
输入信号最小值有 从零开始,也有 从非零开始 的,有的 A/D转换器提供了 不同的量程的引脚,只有正确使用,才能保证转换精度,
(1)变换量程的 双模拟输入引脚 和 双极性偏臵引脚 的正确使用；双极性偏臵控制引脚 BIPOFF.
(2)基准电压引脚 的正确使用
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6,A/D转换器与微机接口
A/D转换器与微机接口的主要任务有两个,
(1)A/D转换器 每接收一次微机发出的转换指令,就进行一次 A/D转换；
(2)当微机发出 取数据指令时,转换所得的数据从 A/D转换器的输出寄存器中取出,经数据总线存入微机存储器的指定单元,
A/D转换器在与微机接口时,需要解决的问题有,
(1)A/D转换器 输出到总线的数据需加缓冲,以免对数据总线的工作造成干扰；
(2)产生 芯片选通信号和控制信号 ；
(3)从 A/D转换器读出数据,
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1.数据 输出缓冲问题要求 A/D转换器的数据输出端 必须通过三态缓冲器与数据总线相连,
(1)芯片的数据输出端 有 三态缓冲器,且在片外有 三态控制端引脚,
ADC0809 AD7574
芯片 有三态输出缓冲器,且由 片内时序线控制,需要 时序调整接口转换
芯片 有三态输出缓冲器,且片内 控制时序能与微机总线时序配合,可 直接和微机总线时序配合 AD574A
(2)芯片 没有 三态输出缓冲器 ADC1210
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2.产生芯片选通信号和控制信号地址信号、片选信号及控制信号
3.读出数据
4.联络方式
查询 方式,转换时间较短时,用查询方式
中断 方式,转换时间较长时,用中断方式,
延时 方式；
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2.9 数字量 输入通道 (了解 )
数字量输入通道 (DI通道 )的任务 --是把生产过程中的 数字信号 转换成计算机易于接受的形式,
信号调理电路 --虽然都是数字信号,不需进行 A/D转换,但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施,即在外部信号与单片机之间要设臵 输入信号调理电路,
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凡在电路中起到通、断作用的各种 按钮、触点、开关,其端子引出均统称为 开关信号,在开关输入电路中,主要是考虑信号调理技术,如 电平转换,RC滤波,过电压保护,反电压保护,光电隔离等,
(1)电平转换 是用 电阻分压法 把现场的 电流信号转换为电压信号
(2)RC滤波 是用 RC滤波器滤出高频干扰,
(3)过电压保护 是用 稳压管和限流电阻作过电压保护 ；用 稳压管或压敏电阻 把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上,
(4)反电压保护 是 串联一个二极管防止反极性电压输入,
(5)光电隔离 用光耦隔离器实现 计算机与外部的完全电隔离,
2.9.1 开关输入电路
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-
+
S
2D
到输入缓冲器
CCV+
2R
1R
1C
1D
3R
光耦
S
2D
到输入缓冲器
CCV+
2R
1R
1C
1D
3R
光耦图 4 - 4 开关量输入信号调理电路
C 2
R 3
(a) 直 流输入电路
(b) 交 流输入电路
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典型的开关量输入信号调理电路如图所示,点划线右边 是由开关 S
与电源组成的外部电路,(a)是直流输入电路,(b)是交流输入电路,交流输入电路比直流输入电路多一个 降压电容和整流桥块,可把 高压交流 (如 380VAC)变换为 低压直流 (如 5VDC).
开关 S的状态经 RC滤波、稳压管 D1箝位保护、电阻 R2限流、二极管 D2防止反极性电压输入 以及 光耦隔离 等措施处理后送至输入缓冲器,
主机通过 执行输入指令便可读取开关 S的状态,
比如,当 开关 S闭合时,输入回路有 电流流过,光耦中的发光管发光,
光敏管导通,数据线上为低电平,即 输入信号为,0”对应外电路开关 S
的闭合 ；
反之,当 开关 S断开,光耦中的发光管无电流流过,光敏管截止,数据线上为高电平,即 输入信号为,1”对应外电路开关 S的断开,
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2.9.2 脉冲计数电路有些用于 检测流量、转速的传感器发出的是脉冲频率信号,对于大量程可以设计一种 定时计数输入接口电路,即在一定的采样时间内统计输入的脉冲个数,然后根据传感器的比例系数可换算出所检测的物理量,
图 4-5为一种定时计数输入接口电路,传感器发出的脉冲频率信号,经过简单的信号调理,引到 8253芯片的 计数通道 1的 CLK1口,8253是具有 3个 16位计数器通道的可编程计数器 /定时器,图中,计数通道 0工作于 模式 3,CLK0
用于接收系统时钟脉冲,OUT0输出一个周期为系统时钟脉冲 N倍 (N为通道 0
的计数初值 )的连续方波脉冲,其高、低电平时段是计数通道 1的采样时间和采样间隔时间,分别记为 TS,TW；计数通道 1和 2均选为工作模式 2,且
OUT1串接到 CLK2,使两者构成一个计数长度为 232的脉冲计数器,以对 TS内的输入脉冲计数,
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图 4 -5 脉 冲 计 数 输 入 电 路
+ 12 V CCV
8 25 3 /8 25 4
C L K 0
OUT 0
G A T E 1
C L K 1
OUT 1
C L K 2
OUT 2
G A T E 0
G A T E 2
系统时钟
T S
T W
CR
CE
OL
+5 V
计数通道1
PC 总线
R
C
R
光耦
Dz
如果获得 TS时间内的输入脉冲个数为 n,则单位时间内的脉冲个数即脉冲频率为 n/TS,从而可换算出介质的流量或电机的转速值,比如,发出脉冲频率信号的是涡轮流量计或磁电式速度传感器,它们的脉冲当量 (即一个脉冲相当的流量或转数 )为 K,则介质的流量或电机的转数就为 n/TS·K.
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本章小结模拟量输入通道是计算机测控系统、智能测量仪表以及以微处理器为基础组成的各种产品的重要组成部分,
本章按照系统内信号的流向,依次介绍模拟量输入通道的各个组成部分 —— 信号调理、多路模拟开关、前臵放大器、采样保持器,A/D转换器及其接口电路与 A/D转换模板的结构原理与功能作用,其中 有些环节可以根据实际需要来选择取舍,比如
(1)输入信号已是电压信号且满足 A/D转换量程要求,那就不必再用 I/V转换和前臵放大器； 又如 (2)输入信号变化缓慢而 A/D
转换时间足够短,能满足 A/D转换精度,也就不必用采样保持器 ；
当 (3)可以利用 A/D转换器内部的多路模拟开关时,也可不用外部的多路模拟开关,但无论如何,其 核心器件 —— A/D转换器是不能缺少的,
最后给出一种 8路 12位 A/D转换模板的电路原理图及其接口程序,
