計算機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)前向通道1第1頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.3多路模擬開關(guān) 2.3.1結(jié)構(gòu)原理 2.3.2擴展電路2.4采樣/保持器 2.4.1概述 2.4.2采樣/保持器的工作原理 2.4.3系統(tǒng)采集速度與采樣/保持 2.4.4采樣保持器2第2頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.5A/D(Analog/Digital)轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) 2.5.1A/D轉(zhuǎn)換器的作用 2.5.2ADC的轉(zhuǎn)換原理2.6常用ADC集成芯片及其與微處理器的接口 2.6.1典型芯片—ADC0809介紹 2.6.2AD574A及其與微處理器的接口 2.6.3CS5360及其與微處理器的接口2.7A/D轉(zhuǎn)換模板2.8A/D轉(zhuǎn)換器的選擇2.9數(shù)字量輸入通道 2.9.1開關(guān)輸入電路 2.9.2脈沖計數(shù)電路3第3頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.0數(shù)據(jù)通道概述

人-機界面工業(yè)系統(tǒng)機-機界面數(shù)據(jù)通道人通過鍵盤、鼠標等向計算機輸入信息；計算機通過顯示器輸出信息4第4頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四數(shù)據(jù)通道工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道的分類

開關(guān)量:某個開關(guān)通、斷的狀態(tài).只有兩種狀態(tài)模擬量:時間上連續(xù)；量值在一定范圍內(nèi)連續(xù)模擬量輸入到計算機,需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量即模數(shù)轉(zhuǎn)換,因此該通道也稱為A/D通道5第5頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四實例1:研華PCL-724數(shù)據(jù)采集卡6第6頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四數(shù)據(jù)采集卡接口20芯扁平線7第7頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四電源線8第8頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四實例2:智能模塊泓格I7017模擬量輸入9第9頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四泓格I7014模擬量輸出10第10頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

模擬量輸入通道的任務是把被控對象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的數(shù)字量信號.結(jié)構(gòu)組成如圖2-1所示,來自于工業(yè)現(xiàn)場傳感器或變送器的多個模擬量信號首先需要進行信號調(diào)理,然后經(jīng)多路模擬開關(guān),分時切換到后級進行前置放大、采樣保持和模/數(shù)轉(zhuǎn)換,通過接口電路以數(shù)字量信號進入主機系統(tǒng),從而完成對過程參數(shù)的巡回檢測任務.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

11第11頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四顯然,該通道的核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器,通常把模擬量輸入通道稱為A/D通道或AI通道.傳感變送器信號調(diào)理多路模擬開關(guān)前置放大器采樣保持器轉(zhuǎn)換器接口邏輯電路過程參數(shù)PC總線圖2-1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成A/D12第12頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往需要同時測量多種物理量或同一種物理量的多個測量點.因此,多路模擬輸人通道更具有普遍性.按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個還是每路各用一個,多路模擬輸人通道可分為集中采集式和分散采集式兩大類型.13第13頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四一、集中采集式圖2-2集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)14第14頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四二、分散采集式(分布式)(a)分布式單機數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)15第15頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四通信接口上位機數(shù)據(jù)采集站1數(shù)據(jù)采集站2數(shù)據(jù)采集站3數(shù)據(jù)采集站N…………………………模擬信號和數(shù)字信號(b)網(wǎng)絡式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖2-3分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)上位機、下位機的概念16第16頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.2信號調(diào)理(SignalConditioning)所謂信號調(diào)理,就是將傳感器或者變送器所輸出的電信號進行放大、隔離、濾波,以便數(shù)據(jù)采集板實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集. 傳感器/數(shù)電/模電知識傳感器前置放大低通濾波高通至采集電路圖2-4典型調(diào)理電路的組成框圖17第17頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.2.1傳感器的選用(復習)傳感器是信號輸人通道的第一道環(huán)節(jié),也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一.要正確選用傳感器,首先要明確所設計的測試系統(tǒng)需要什么樣的傳感器——系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器,把同類產(chǎn)品的指標和價格進行對比,從中挑選合乎要求的性價比最高的傳感器.18第18頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四傳感器:用于將被測物理信號轉(zhuǎn)化為電信號的器件.常用傳感器舉例:溫度測量:熱電阻(0～200度)

熱電偶(200～1500度)壓力測量:彈簧位移、壓敏器件流量測量:壓力差原理位移測量:電位器、電容式、光柵(調(diào)速系統(tǒng)中介紹)…速度測量:電磁感應、離心位移………19第19頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四變送器(復習)用于將傳感器信號進行初步處理.包括:1.信號濾波:實現(xiàn)一個低通濾波器,濾除常見高頻干擾2.小信號放大:小信號易受干擾,不易傳輸,要進行放大.3.I/V變換:將電壓/電流信號統(tǒng)一變換為規(guī)定標準信號,以利于傳輸使用.常見標準:計算機接口標準:范圍0～5VDDZ-П型儀表標準:范圍0～10mADDZ-Ш型儀表標準:范圍4～20mA4.非線性補償:對實際物理信號與電信號成非線性關(guān)系的情況進行補償操作,使其成為線性關(guān)系,這部分工作亦可由計算機軟件完成.如:熱電偶中,熱電勢e與溫度T的關(guān)系一般為:T=a1e4+a2e3+a3e2+a4e+a5(a1～a5為常數(shù))補償后,變送器的輸出電壓V與溫度T的關(guān)系可轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系,即:V=aT+b20第20頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(一)對傳感器的主要技術(shù)要求1.具有將被測量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能,轉(zhuǎn)換范圍與被測量實際變化范圍相一致.2.轉(zhuǎn)換精度符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標,轉(zhuǎn)換速度應符合整機要求.3.能滿足被測介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求,如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等.4.能滿足用戶對可靠性和可維護性的要求.21第21頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(二)可供選用的傳感器類型

溫度的傳感器就有:熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導體PN結(jié)、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種.在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下,應側(cè)重考慮成本低、適配電路是否簡單等因素進行取舍,盡可能選擇性價比高的傳感器.22第22頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四1.大信號輸出傳感器:為了與A/D輸入要求相適應,傳感器廠家開始設計、制造一些專門與A/D相配套的大信號輸出傳感器.

傳感器傳感器傳感器小信號放大信號修正與變換濾波A/D微機微機I/V轉(zhuǎn)換V/F光電耦合小電流小電壓大電壓大電流圖2-5大信號輸出傳感器的使用電流/電壓轉(zhuǎn)換電壓/頻率轉(zhuǎn)換23第23頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.數(shù)字式傳感器:數(shù)字式傳感器一般是采用頻率敏感效應器件構(gòu)成,也可以是由敏感參數(shù)R、L、C構(gòu)成的振蕩器,或模擬電壓輸入經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換等,因此,數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量,具有測量精度高、抗干擾能力強、便于遠距離傳送等優(yōu)點.

24第24頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四傳感器放大整形光電隔離計算機傳感器整形光電隔離計算機頻率量輸出開關(guān)量輸出圖2.6頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用25第25頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四3.集成傳感器:(DS18B20溫度傳感器)集成傳感器是將傳感器與信號調(diào)理電路做成一體.例如,將應變片、應變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體,構(gòu)成集成壓力傳感器.采用集成傳感器可以減輕輸人通道的信號調(diào)理任務,簡化通道結(jié)構(gòu).

26第26頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四4.光纖傳感器:這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸都是通過光導纖維實現(xiàn)的,避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾.在信號輸入通道中采用光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾.

27第27頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.2.2運用前置放大器的依據(jù)多數(shù)傳感器輸出信號都比較小,必須選用前置放大器進行放大.判斷傳感器信號“大”還是“小”和要不要進行放大的依據(jù)又是什么？放大器為什么要“前置”,即設置在調(diào)理電路的最前端？前置放大器的放大倍數(shù)應該多大？28第28頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.2.3信號調(diào)理通道中的常用放大器(難點)

在智能儀器的信號調(diào)理通道中,針對被放大信號的特點,并結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路的現(xiàn)場要求,目前使用較多的放大器有測量放大器、程控增益放大器以及隔離放大器等.前置放大器的任務是將模擬輸入小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi),如0-5VDC;對單純的微弱信號,可用一個運算放大器進行單端同相放大或單端反相放大.如圖2-5所示,信號源的一端若接放大器的正端為同相放大,同相放大電路的放大倍數(shù)G=1+R2/R1；若信號源的一端接放大器的負端為反相放大,反相放大電路的放大倍數(shù)G=－R2/R1.當然,這兩種電路都是單端放大,所以信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地.(電路/模電)29第29頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四圖2-5放大電路30第30頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四OP0731第31頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(一)測量放大器在實際工程中,來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號往往帶有較大的共模干擾,而單個運放電路的差動輸入端難以起到很好的抑制作用.因此,A/D通道中的前置放大器常采用由一組運放構(gòu)成的測量放大器,也稱儀表放大器,如圖2-6(a)所示.

經(jīng)典的測量放大器是由三個運放組成的對稱結(jié)構(gòu),測量放大器的差動輸入端Vin和Vin分別是兩個運放A1、A2的同相輸入端,輸入阻抗很高,而且完全對稱地直接與被測信號相連,因而有著極強的抑制共模干擾能力.32第32頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負載(外接)外接地TUOV(外接)圖2-6測量放大器

33第33頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

儀用放大器上下對稱,即圖中R1=R2,R4=R6,R5=R7.則放大器閉環(huán)增益為:假設R4=R5,即第二級運算放大器增益為1,則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為:由上式可知,通過調(diào)節(jié)電阻RG,可以很方便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益.當采用集成儀用放大器時,RG一般為外接電阻.34第34頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四①測量放大器的特點:具有高共模抑制比、高速度、高精度、寬頻帶、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等.②測量放大器的工作原理a.結(jié)構(gòu):由三個運算放大器構(gòu)成,其內(nèi)部基本電路如圖所示.b.工作原理:A1、A2二個同相放大器組成差動式放大電路,輸入信號加在A1、A2的同相輸入端,從而具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗.功率放大器A3為后級,它不僅切斷共模干擾的傳輸,還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式,以滿足負載的需要.35第35頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四③測量放大器集成芯片常用的有AD521S、AD522B、AD612、AD605、ZF605、INA102等.a.AD521采用標準DIP-14雙列直插式封裝,其管腳功能如圖a與基本接法如圖b所示.在使用AD521(或其他測量放大器)時,要特別注意為偏置電流提供回路.為此,輸入(引腳l或引腳3)端必須與電源的地線相連構(gòu)成回路.b.AD522也是單芯片集成精密測量放大器.36第36頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四AD521的管腳功能及基本接法

37第37頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

在實際的設計過程中,可根據(jù)模擬信號調(diào)理通道的設計要求,并結(jié)合儀用放大器的以下主要性能指標確定具體的放大電路(了解).1.非線性度

它是指放大器實際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差.當增益為1時,如果一個12位A/D轉(zhuǎn)換器有0.025%的非線性偏差,當增益為500時,非線性偏差可達0.1%,相當于把12位A/D轉(zhuǎn)換器變成10位以下轉(zhuǎn)換器,故一定要選擇非線性偏差小于0.024%的儀用放大器.38第38頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.溫漂溫漂是指儀用放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的程度.通常儀用放大器的輸出電壓會隨溫度的變化而發(fā)生(1～50)V/℃變化,這與儀用放大器的增益有關(guān)3.恢復時間恢復時間是指放大器撤除驅(qū)動信號瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復到最終值所需的時間.顯然,放大器的建立時間和恢復時間直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率.39第39頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四4.建立時間建立時間是指從階躍信號驅(qū)動瞬間至儀用放大器輸出電壓達到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時間5.電源引起的失調(diào)電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化1%,引起放大器的漂移電壓值.儀用放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器,對于共電源系統(tǒng),該指標則是設計系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一.

40第40頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四6.共模抑制比(CMRR---CommonModeRejectionRatio)當放大器兩個輸入端具有等量電壓變化值UI時,在放大器輸出端測量出電壓變化值UCM,則共模抑制比CMRR可用下式計算:CMRR也是放大器增益的函數(shù),它隨增益的增加而增大,這是因為測量放大器具有一個不放大共模的前端結(jié)構(gòu),這個前端結(jié)構(gòu)對差動信號有增益,對共模信號沒有增益.但CMRR的計算卻是折合到放大器輸出端,這樣就使CMRR隨增益的增加而增大.41第41頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(二)程控增益放大器(PGA-ProgrammableGainAmplifier)了解程控放大器是智能儀器的常用部件之一,在許多實際應用中,特別是在通用測量儀器中,為了在整個測量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力,常采用可變增益放大器.在智能儀器中,可變增益放大器的增益由儀器內(nèi)置計算機的程序控制.這種由程序控制增益的放大器,稱為程控放大器.

在A/D轉(zhuǎn)換通道中,多路被測信號常常共用一個測量放大器,而各路的輸入信號大小往往不同,但都要放大到A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍.因此,對應于各路不同大小的輸入信號,測量放大器的增益也應不同.具有這種性能的放大器稱為可變增益放大器或可編程放大器,如圖2-6(b)所示.

42第42頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四3A2A-NIN負載(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314Ω630Ω-+1AIV+圖2-6前置放大器(b)可變增益放大器43第43頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四把圖2-6(b)中的外接電阻Rg換成一組精密的電阻網(wǎng)絡,每個電阻支路上有一個開關(guān),通過支路開關(guān)依次通斷就可改變放大器的增益,根據(jù)開關(guān)支路上的電阻值與增益公式,就可算得支路開關(guān)自上而下閉合時的放大器增益分別為2、4、8、16、32、64、128、256倍.顯然,這一組開關(guān)如果用多路模擬開關(guān)(類似CD4051)就可方便地進行增益可變的計算機數(shù)字程序控制.此類集成電路芯片有AD612/614等.①可編程增益放大器的特點:硬件設備少,放大倍數(shù)可根據(jù)需要通過編程進行控制,使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號達到均一化,提高了測量精度.②可編程增益放大器結(jié)構(gòu):它是測量放大器電路的擴展,增加了增益模擬開關(guān)和驅(qū)動電路.③可編程增益放大器的應用:可編程增益放大器PGA的優(yōu)越性之一就是能進行量程自動切換.44第44頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四例:數(shù)字電壓表的量程自動切換

分析:CPU首先對被測參數(shù)進行A/D轉(zhuǎn)換,判斷被測值是否大于當前量程,若大于,再判斷PGA的增益是否為最低檔,如果是,就轉(zhuǎn)入超量程處理,否則,將PGA增益降低一檔并重復前面的處理過程；如果被測值小于當前量程再判斷最高位是否為零.如果是零,就進一步判斷增益是否為最高一檔,若不是最高檔,將增益升高一級再進行A／D轉(zhuǎn)換及判斷；如不為零或PGA已經(jīng)升到最高檔,則說明量程已經(jīng)切換到最合適檔,此時微處理器對所測得的數(shù)據(jù)再進一步處理.自動量程切換流程圖

45第45頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

PGA102是一種獨立、高速、高精度的數(shù)字式可程序設置增益的儀器放大器,由COMS/TTL電平來選擇增益為1、10或100,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示.

改變X10、X100兩管腳的電平,即可選擇VIN1,VIN2和VIN3.由于三種輸入的反饋電阻不同,因而可得到不同的增益.PGA102原理結(jié)構(gòu)圖

④常用的可編程增益放大器芯片有AD526、AD625、AD620B-B公司的PGA100、PGA102、LH0084等.46第46頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(三)隔離放大器(變壓器耦合,光耦合)

隔離放大器主要用于要求共模抑制比高的模擬信號的傳輸過程中,例如輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號是微弱的模擬信號,而測試現(xiàn)場的干擾比較大對信號的傳遞精度要求又高,這時可以考慮在模擬信號進入系統(tǒng)之前用隔離放大器進行隔離,以保證系統(tǒng)的可靠性.47第47頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四由于隔離放大器采用了浮離式設計,消除了輸入、輸出端之間的耦合,因此具有以下特點:1.能保護系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害,防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞.2.泄漏電流低,對于測量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路.3.共模抑制比高,能對直流和低頻信號(電壓或電流)進行準確、安全的測量,避免各種干擾對系統(tǒng)的影響.48第48頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四⑴隔離放大器應用場合:測量處于高共模電壓下的低電平信號；消除信號源地網(wǎng)絡干擾(如大電流的跳變)所引起的測量誤差；避免與地構(gòu)成回路及其寄生拾取問題；保護系統(tǒng)電路不致因輸入端或輸出端的高共模電壓造成損壞；用于醫(yī)療儀器為病人提供安全接口等.⑵變壓器耦合隔離放大器組成:由輸入級、輸出級和電源振蕩器三個基本部分.典型的隔離放大器原理圖如下圖所示.

49第49頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四圖2.12GF289集成隔離放大器50第50頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四圖2-14GF289典型接法

51第51頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四工作原理:將傳感器送來的信號濾波和放大,并調(diào)制成交流信號,通過隔離變壓器耦合到輸出級.在輸出級把交流信號解調(diào)變成直流信號,再經(jīng)濾波和放大,最后輸出0～±10V的直流電壓.由于放大器的兩個輸入端都是浮空的,所以,它能夠有效地起測量放大器的作用,又因采用變壓器耦合,所以輸入部分和輸出部分是隔離的.增益計算:GIN——輸入部分電壓增益；GOUT——輸出部分電壓增益.52第52頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四⑶光耦合隔離放大器光耦合隔離放大器是通過輸入極激勵發(fā)光管,由光電管將光信號耦合到輸出極,實現(xiàn)信號的傳輸,同時保證了輸入和輸出間的電氣隔離.⑷隔離放大器集成芯片常用變壓器耦合隔離放大器有Model277、Model278、AD293、AD294GF289等,光耦合隔離放大器有ISO100等.53第53頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

AD293應用電路如圖所示,信號VIN的輸入端可接地也可懸空.電阻RG是增益調(diào)整電阻,輸入級增益為

W1是輸入級調(diào)零電位器,如果需調(diào)零,W1的滑動點與引腳2相連.如果不調(diào)零,W1可不接.引腳33還可輸出－13V(相對引腳2),以供其它外電路使用,電容C2用于對－13V濾波.R1——輸入級內(nèi)部反饋電阻54第54頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.2.4V/I和I/V轉(zhuǎn)換電路

控制系統(tǒng)中,對被控量的檢測往往采用各種類型的測量變送器,當它們的輸出信號為0-10mA或4-20mA的電流信號時,一般是采用電阻分壓法把現(xiàn)場傳送來的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號1.V/I轉(zhuǎn)換電路(1)0～10V／4～20mA轉(zhuǎn)換電路

電流信號傳輸?shù)膬?yōu)點:以消除電纜衰減,抗工業(yè)現(xiàn)場干擾.55第55頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四常用精密0～10Ⅴ/4～20mA轉(zhuǎn)換電路如圖所示.圖中REF10為+10V精密電壓基準,提供一個+10Ⅴ標準的穩(wěn)壓電源,此標準電源與0～l0Ⅴ輸入信號一起加到由超低噪聲精密運算放大器OPA27所組成的反相比例求和電路.工作原理:當輸入信號在0～10V間變化時,OPA27的輸出范圍為-0.2V～1V,該輸出加到由精密單位增益差動放大器INA105組成的V/I變換電路的輸入端,可以推出當輸入電壓為-0.2～-1Ⅴ時,流過負載電阻RLOAD的電流為4～20mA,而與RLOAD的大小無關(guān).56第56頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(2)隔離型V/I轉(zhuǎn)換電路采用ISO100光電隔離放大器組成的V/I4～20mA變換電路,原理如圖所示.57第57頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.I/V轉(zhuǎn)換電路(1)無源I/V變換

無源I/V變換電路是利用無源器件-電阻來實現(xiàn),加上RC濾波和二極管限幅等保護,如圖2-15(a)所示,其中R2為精密電阻.

對于0～10mA輸入信號,可取R1=100Ω,R2=500Ω,這樣當輸入電流在0～10mA量程變化時,輸出的電壓就為0～5V范圍;

對于4～20mA輸入信號,可取R1=100Ω,R2=250Ω,這樣當輸入電流為4～20mA時,輸出的電壓為1～5V.58第58頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四圖2-15電流/電壓變換電路

R1=100Ω,R2=500Ω59第59頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(2)有源I/V變換

有源I/V變換是利用有源器件——運算放大器和電阻電容組成,如圖2-15(b)所示.利用同相放大電路,把電阻R1上的輸入電壓變成標準輸出電壓.該同相放大電路的放大倍數(shù)為

若取R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=150kΩ,則輸入電流I的0～10mA就對應電壓輸出V的0～5V；若取R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=25kΩ,則4～20mA的輸入電流對應于1～5V的電壓輸出.

60第60頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

RCV420是一種精密的電流/電壓變換器,它能將4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓信號.

其典型應用電路如圖所示.61第61頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

多路開關(guān)的主要用途是把多個模擬量參數(shù)分時的接通并送入A/D轉(zhuǎn)換器,即完成多到一的轉(zhuǎn)換;

或者把經(jīng)計算機處理,且由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號按一定的順序輸出到不同的控制回路(或外部設備)中,即完成一到多的轉(zhuǎn)換.

前者稱為多路開關(guān)(Multiplexer),后者叫做反多路開關(guān)

(De-MultiPlexer)或者叫做多路分配器.

這類器件中有的只能做一種用途,稱為單向多路開關(guān),如AD7501(8路)、AD7506(16路);有些則既能做多路開關(guān),又能當反多路開關(guān),稱為雙向多路開關(guān),如CD4051.

從輸入信號的連接方式來分,有的是單端輸入,有的則允許雙端輸入(或者差動輸入)2.3多路模擬開關(guān)Multi-plexer(重點)62第62頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四63第63頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四介紹:0.如何看datasheet.pdf現(xiàn)以常用的CD4051(datasheet)為例,學生看書1.引腳:2.內(nèi)部原理:8路模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖2-16所示.CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路三部分組成.

當禁止端INH(Inhibit)為“1”時,前后級通道斷開,即S0-S7端與Sm端不可接通；當為“0”時,則通道可以被接通,通過改變控制輸入端C、B、A的數(shù)值,就可選通8個通道S0-S7中的一路.

比如:當C、B、A=000時,通道S0選通；當C、B、A=001時,通道S1通；……當C、B、A=111時,通道S7選通.其真值表如表3-1所示(138).64第64頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四TheCD4051Bisasingle8-Channelmultiplexerhavingthreebinarycontrolinputs,A,B,andC,andaninhibitinput.Thethreebinarysignalsselect1of8channelstobeturnedon,andconnectoneofthe8inputstotheoutput.Whenthesedevicesareusedasdemultiplexers,

the“CHANNELIN/OUT”terminalsaretheoutputsandthe“COMMONOUT/IN”terminalsaretheinputs.65第65頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四66第66頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四圖2-16CD4051結(jié)構(gòu)原理圖

67第67頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.4采樣/保持器2.4.1概述模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換時,從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量,需要一定的轉(zhuǎn)換時間.在這個轉(zhuǎn)換時間內(nèi),模擬信號要基本保持不變.如果輸入信號變化較快(頻率較高),就會引起較大的轉(zhuǎn)換誤差.要防止這種誤差的產(chǎn)生,必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時將輸入信號的電平保持住,而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化.能完成這種功能的器件叫采樣/保持器(S/H---Sample/Hold).采樣/保持器在保持階段相當于一個“模擬信號存儲器”.68第68頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四數(shù)據(jù)采樣定理(復習)離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)-----把連續(xù)變化的量變成離散量后再進行處理的計算機控制系統(tǒng).

離散系統(tǒng)的采樣形式----有周期采樣、多階采樣和隨機采樣.應用最多的是周期采樣.

周期采樣--就是以相同的時間間隔進行采樣,即把一個連續(xù)變化的模擬信號y(t),按一定的時間間隔T轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r0,T,2T,…的一連串脈沖序列信號y*(t),如圖2-18所示.69第69頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四采樣器的常用術(shù)語:1.采樣器或采樣開關(guān)----執(zhí)行采樣動作的裝置,2.采樣時間或采樣寬度τ----采樣開關(guān)每次閉合的時間3.采樣周期T----采樣開關(guān)每次通斷的時間間隔在實際系統(tǒng)中,<<T,也就是說,可以近似地認為采樣信號y*(t)是y(t)在采樣開關(guān)閉合時的瞬時值.圖2-18信號的采樣過程70第70頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四由經(jīng)驗可知,采樣頻率越高,采樣信號y*(t)越接近原信號y(t),但若采樣頻率過高,在實時控制系統(tǒng)中將會把許多寶貴的時間用在采樣上,從而失去了實時控制的機會.為了使采樣信號y*(t)既不失真,又不會因頻率太高而浪費時間,我們可依據(jù)香農(nóng)采樣定理.

香農(nóng)采樣定理(Shannon)指出:為了使采樣信號y*(t)能完全復現(xiàn)原信號y(t),采樣頻率f至少要為原信號最高有效頻率fmax的2倍,即f2fmax.

采樣定理給出了y*(t)唯一地復現(xiàn)y(t)所必需的最低采樣頻率.實際應用中,常取f(5～10)fmax.71第71頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.4.2采樣/保持器的工作原理采樣/保持器是一種具有信號輸入、信號輸出以及由外部指令控制的模擬門電路.它主要由模擬開關(guān)K、電容Ch和緩沖放大器A組成,它的一般結(jié)構(gòu)形式如圖所示.圖中K為模擬開關(guān),Vc為模擬開關(guān)K的控制信號,Ch為保持電容.當控制信號Vc為采樣電平時,開關(guān)S導通,模擬信號通過開關(guān)S向保持電容Ch充電,這時輸出電壓Uo跟蹤輸入電壓Ui的變化.當控制信號Vc為保持電平時,開關(guān)K斷開,此時輸出電壓Uo保持模擬開關(guān)S斷開時的瞬時值.72第72頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.4.3采樣保持器

1.零階采樣保持器----零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時間內(nèi),一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻.它的組成原理電路與工作波性如圖2-19(a)、(b)所示.采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器A1、A2和采樣開關(guān)S、保持電容Ch等組成.

采樣期間,開關(guān)S閉合,輸入電壓Vin通過A1對Ch快速充電,輸出電壓Vout跟隨Vin變化； 保持期間,開關(guān)S斷開,由于A2的輸入阻抗很高,理想情況下電容Ch將保持電壓Vc不變,因而輸出電壓Vout=Vc也保持恒定.73第73頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

圖2-19采樣保持器74第74頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四零階保持器的功能主要特點:1.輸出信號為階梯波,含有高頻分量2.具有半個采樣周期的純滯后75第75頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四零階保持器的脈沖響應函數(shù)76第76頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2、零階集成采樣保持器--常用的零階集成采樣保持器有AD582、LF398/198/298/

(2-20b)等,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖所示.這里,用TTL邏輯電平控制采樣和保持狀態(tài),如

LF398的采樣電平為“1”,保持電平為“0”,而AD582的則相反.(datasheet)圖2-20集成采樣保持器

AD582LF39877第77頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

LF398內(nèi)部由三部分組成:輸入電路A1、輸出電路A2及邏輯控制電路A3和開關(guān)S.運算放大器A1和A2均接成電壓跟隨器形式.

當控制邏輯IN+為高電平,通過A3控制開關(guān)S閉合,使輸入電壓經(jīng)過A1進入A2,A2的輸出跟隨輸入電壓變化,同時向保持電容(接引腳6)充電.

當控制邏輯IN+為低電平時,開關(guān)S斷開,保持電容上的電壓不變,維持A2輸出不變.IN-一般接地.LF398典型的接線方法如圖所示.Logicinput＝1時,為采樣狀態(tài),此時輸出跟隨輸入變化；Logicinput＝0時,為保持狀態(tài),此時輸出保持不變.78第78頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

在A/D通道中,采樣保持器的采樣和保持電平應與后級的A/D轉(zhuǎn)換相配合,該電平信號既可以由其它控制電路產(chǎn)生,也可以由A/D轉(zhuǎn)換器直接提供.

總之,保持器在采樣期間,不啟動A/D轉(zhuǎn)換器,而一旦進入保持期間,則立即啟動A/D轉(zhuǎn)換器,從而保證A/D轉(zhuǎn)換時的模擬輸入電壓恒定,以確保A/D轉(zhuǎn)換精度.79第79頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(1)采樣周期應符合香農(nóng)采樣定理的要求fs≥2fmax

(2)采樣周期應遠小于系統(tǒng)的時間常數(shù),但對于響應很慢或設定值變化很緩的系統(tǒng),不必用過短的采樣周期;(3)閉環(huán)系統(tǒng)對給定信號的跟蹤,要求采樣周期要小;(4)從抑制擾動的要求來說,采樣周期應該選擇得小些;(5)從計算機精度考慮,采樣周期不宜過短;(6)從系統(tǒng)成本上考慮,希望采樣周期越長越好;(7)從執(zhí)行元件的要求來看,有時要求輸入控制信號要保持一定的寬度;采樣周期的選擇:80第80頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四綜合上述各因素,選擇采樣周期,應在滿足控制系統(tǒng)的性能要求的條件下,盡可能地選擇低的采樣速率.工業(yè)控制中,大量的受控對象都具有低通的性質(zhì).采樣周期的選擇,要根據(jù)所設計的系統(tǒng)的具體情況,用試湊的方法,在試湊過程中根據(jù)各種合理的建議來預選采樣周期,多次試湊.

常用被測對象采樣周期的經(jīng)驗值如表所示.81第81頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.5A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)A/D(Analog/Digital)轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件,這個模擬量泛指電壓、電阻、電流、時間等參量,但在一般情況下,模擬量是指電壓而言的.在數(shù)字系統(tǒng)中,數(shù)字量是離散的,一般用量子因子Q來度量.

82第82頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.5.1A/D轉(zhuǎn)換器的作用將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,以便計算機接收處理傳感器單片機A/D轉(zhuǎn)換雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器83第83頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四A/D轉(zhuǎn)換器常用以下幾項技術(shù)指標來評價其質(zhì)量水平.(1)分辨率(Resolution)ADC的分辨率定義為ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量.分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對微小輸入信號變化的敏感程度.分辨率越高,轉(zhuǎn)換時對輸入量微小變化的反應越靈敏.通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示,如8位、10位、12位(偶數(shù))等.分辨率為n,表示它可以對滿刻度的1/2^n(指數(shù))的變化量作出反應.即:分辨率=滿刻度值/2^n(n為指數(shù))84第84頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(2)轉(zhuǎn)換時間

A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間定義為A/D轉(zhuǎn)換時間.

如逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為微秒級,雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為毫秒級.(3)精度

絕對精度定義為:對應于產(chǎn)生一個給定的輸出數(shù)字碼,理論模擬輸入電壓與實際模擬輸入電壓的差值.

相對精度定義為在整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi),任一數(shù)字輸出碼所對應的模擬輸入實際值與理想值之差與模擬滿量程值之比.一般用百分數(shù)來表示,對A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù)LSB(LeastSignificantBit))來表示, 1LSB=1/2^n. 例如,對于一個8位0～5V的A/D轉(zhuǎn)換器,如果其相對誤差為±1LSB,則其絕對誤差為±19.5mV,相對百分誤差為0.39％.一般來說,位數(shù)n越大,其相對誤差(或絕對誤差)越小.85第85頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.5.2ADC的轉(zhuǎn)換原理

(了解)(一)比較型ADC比較型ADC可分為反饋比較型及非反饋(直接)比較型兩種.高速的并行比較型ADC是非反饋的,智能儀器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC是反饋型86第86頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四圖2-20逐次逼近式轉(zhuǎn)換器原理87第87頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

一個n位A/D轉(zhuǎn)換器是由n位寄存器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、運算比較器、控制邏輯電路、輸出鎖存器等五部分組成.現(xiàn)以4位A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量9轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)1001為例,說明逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理.如圖2-20所示.

88第88頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

當啟動信號作用后,時鐘信號在控制邏輯作用下,首先使寄存器的最高位D31,其余為0,此數(shù)字量1000經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即Vo8,送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量Vin=9進行比較,控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進行判斷.當VinVo,則保留D3=1；再對下一位D2進行比較,同樣先使D21,與上一位D3位一起即1100進入D/A轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換為Vo12再進入比較器,與Vin9比較,因VinVo,則使D20；再下一位D1位也是如此,D11即1010,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為Vo=10,再與Vin9比較,因VinVO,則使D10；最后一位D01---即1001經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為Vo9,再與Vin9比較,因VinVo,保留D01.比較完畢,寄存器中的數(shù)字量1001即為模擬量9的轉(zhuǎn)換結(jié)果,存在輸出鎖存器中等待輸出.89第89頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

一個n位A/D轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換表達式是

(2-4)式中n——n位A/D轉(zhuǎn)換器；

VR+、VR-——基準電壓源的正、負輸入；

Vin——要轉(zhuǎn)換的輸入模擬量；

B——轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)字量.

即當基準電壓源確定之后,n位A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量B與要轉(zhuǎn)換的輸入模擬量Vin成正比.90第90頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

例:一個8位A/D轉(zhuǎn)換器,設VR+=5.02V,VR-=0V,計算當Vin分別為0V、2.5V、5V時所對應的轉(zhuǎn)換數(shù)字量.

解:把已知數(shù)代入公式(2-4):0V、2.5V、5V時所對應的轉(zhuǎn)換數(shù)字量分別為00H、80H、FFH.

此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有普通型8位單路ADC0801～ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等,混合集成高速型12位單路AD574A、ADC803等.91第91頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(二)雙積分型ADC圖2-21雙積分ADC92第92頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理如圖2-21所示,在轉(zhuǎn)換開始信號控制下,開關(guān)接通模擬輸入端,輸入的模擬電壓Vin在固定時間T內(nèi)對積分器上的電容C充電(正向積分),時間一到,控制邏輯將開關(guān)切換到與Vin極性相反的基準電源上,此時電容C開始放電(反向積分),同時計數(shù)器開始計數(shù).當比較器判定電容C放電完畢時就輸出信號,由控制邏輯停止計數(shù)器的計數(shù),并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號.這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正比于放電時間.

放電時間T1或T2又正比于輸入電壓VIN,即輸入電壓大,則放電時間長,計數(shù)器的計數(shù)值越大.因此,計數(shù)器計數(shù)值的大小反映了輸入電壓VIN在固定積分時間T內(nèi)的平均值.

此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為3位半BCD碼(二進制編碼的十進制數(shù))的ICL7107、MC14433、輸出為4位半BCD碼的ICL7135等.

93第93頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四雙積分式ADC的優(yōu)點:對R、C及時鐘脈沖Tc的長期穩(wěn)定性無過高要求即可獲得很高的轉(zhuǎn)換精度.微分線性度極好,不會有非單調(diào)性.因為積分輸出是連續(xù)的,因此,計數(shù)必然是依次進行的,即從本質(zhì)上說,不會發(fā)生丟碼現(xiàn)象.積分電路為抑制噪聲提供了有利條件.雙積分式ADC是測量輸入電壓在定時積分時間T1內(nèi)的平均值,對干擾有很強的抑制作用,尤其對正負波形對稱的干擾信號抑制效果更好.

94第94頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(三)

Σ-Δ型ADC過采樣Σ-ΔA/D變換器由于采用了過采樣技術(shù)和Σ-Δ調(diào)制技術(shù),增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例,減少了模擬電路的比例,并且易于與數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)單片集成,因而能夠以較低的成本實現(xiàn)高精度的A/D變換器,適應了VLSI(VeryLargeScaleIntegration)超大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的要求.

95第95頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(四)V/F型ADC智能儀器中常用的另一種ADC是V/F型ADC.簡稱V/F轉(zhuǎn)換器,是把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的器件.它主要由V/F轉(zhuǎn)換器和計數(shù)器構(gòu)成.V/F型ADC的特點是:與積分式ADC一樣,對工頻干擾有一定的抑制能力；分辨率較高；特別適合現(xiàn)場與主機系統(tǒng)距離較遠的應用場合；易于實現(xiàn)光電隔離.96第96頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.6常用AD集成電路及與微處理器的接口(重點)考慮到逐次逼近式ADC具有轉(zhuǎn)換速度快,精度較高,價格適中的優(yōu)點,Σ-Δ型ADC具有轉(zhuǎn)換精度高,價格低廉的優(yōu)點,下面將介紹常用轉(zhuǎn)換芯片ADC0809/逐次逼近式ADC-AD574A和Σ-Δ型ADC-CS5360及其與CPU的接口.97第97頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四A/D轉(zhuǎn)換器概述逐次逼近式典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片有:(1)ADC0801～ADC0805型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器(2)ADC0808/0809型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器(3)ADC0816/081798第98頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四ADC0832

2通道AD轉(zhuǎn)換常用芯片99第99頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.6.1典型芯片—ADC0809介紹

(學生看書重點講解看datasheet)ADC0809芯片介紹8位逐位逼近式8通道的AD轉(zhuǎn)換器.A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為1/2^8≈0.39%模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是0～+5V標準轉(zhuǎn)換時間為100s采用28腳雙列直插式封裝100第100頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳101第101頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四1.引腳

(1)IN7～IN0:8路模擬量輸入端.允許8路模擬量分時輸入,共用一個A/D轉(zhuǎn)換器.(2)D7～D0:8位數(shù)字量輸出.D7為最高位,D0為最低位.由于有三態(tài)輸出鎖存,可與主機數(shù)據(jù)總線直接相連.(3)C、B、A:3位地址線即模擬量通道選擇線.ALE為高電平時,地址譯碼與對應通道選擇見表2-2.

(4)ALE:地址鎖存允許信號(AddressLatchEnable),輸入,高電平有效.上升沿時鎖存3位通道選擇信號.(5)START:啟動A/D轉(zhuǎn)換信號,輸入,高電平有效.上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零,下降沿時啟動A/D轉(zhuǎn)換.(6)EOC(EndofConvention):轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,輸出,AD轉(zhuǎn)換完成,EOC變?yōu)楦唠娖?(7)OE(OutputEnable):輸出使能信號,輸入,高電平有效.該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器,將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上.102第102頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(8)CLOCK:外部時鐘脈沖輸入端.當脈沖頻率為640kHz時,A/D轉(zhuǎn)換時間為100s(9)Vref+,Vref-:參考電壓源正、負端.取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍,通常Vref+=+5V,Vref-=0V(10)Vcc:工作電源,+5V(11)GND:電源地表2-2被選通道和地址的關(guān)系CD4051/138CBA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7103第103頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.ADC0809功能分析CLK:時鐘信號,可由單片機ALE信號分頻得到.轉(zhuǎn)換有以下幾步:ALE信號上升沿有效,鎖存地址并選中相應通道.Start信號有效,開始轉(zhuǎn)換.A/D轉(zhuǎn)換期間ST為低電平.EOC信號輸出高電平,表示轉(zhuǎn)換結(jié)束.OE信號有效,允許輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果.104第104頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)換過程表述如下: 首先ALE的上升沿將地址代碼鎖存、譯碼后選通模擬開關(guān)中的某一路,使該路模擬量進入到A/D轉(zhuǎn)換器中. 同時START的上升沿將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零,下降沿起動A/D轉(zhuǎn)換,即在時鐘的作用下,逐位逼近過程開始,轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC即變?yōu)榈碗娖?

當轉(zhuǎn)換結(jié)束后,EOC恢復高電平,此時,如果對輸出允許OE輸入一高電平命令,則可讀出數(shù)據(jù).105第105頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時序圖2-22ADC0809的轉(zhuǎn)換時序106第106頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四ADC0809和單片機的連接寫信號、P2.7有效時,啟動AD轉(zhuǎn)換.轉(zhuǎn)換結(jié)束后,輸出高電平,向CPU發(fā)出中斷請求讀信號、P2.7有效時,允許輸出AD轉(zhuǎn)換結(jié)果.轉(zhuǎn)換時鐘由ALE分頻得到.回顧:ALE以1/6晶振頻率的固定頻率輸出的正脈沖,因此可以作為外部時鐘或外部定時脈沖使用805174LS373ADC0809÷2CLKD0-D7≥1≥1111GEOCSTARTALEOERDP2.7WRINT1ALEP0A0-A7A0A1A2ABCVR(+)VR(-)+5VGNDIN0轉(zhuǎn)換結(jié)果由此輸出IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7或非門107第107頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四ALECLK2分頻電路74LS74D觸發(fā)器108第108頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四109第109頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四通道選擇表

選擇的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7CBA

8051A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A008090××××××××××××CBA

0××××××X×××××000

…

…

0××××××X×××××1111.首先分析各個通道的地址.(IN0到IN7的地址為7FF8H到7FFFH)110第110頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四編程:可采用中斷、查詢、延時(掌握)三種方式.中斷方式 ORG0000H ;主程序入口地址 AJMPMAIN ;跳轉(zhuǎn)主程序 ORGOO13H ;外部中斷1入口地址 AJMPEXINT1 ;跳轉(zhuǎn)到外部中斷服務程序MAIN:MOVSP,#60H ;設置堆棧 MOVR0,#30H ;取片內(nèi)RAM首地址 MOVR7,#08 ;設置通道數(shù)

SETBIT1 ;邊沿觸發(fā)

SETBEA ;開中斷

SETBEX1 ;允許外部中斷1 MOVDPTR,#7FF8H ;指向0809IN0通道地址LOOP: MOVX@DPTR,A

;啟動A/D轉(zhuǎn)換 SJMP$ ;等待中斷 DJNZR7,LOOP ;8路采集 …… ;其余數(shù)據(jù)處理要求:采用中斷方式,對8路模擬量輸入信號進行檢測,并將數(shù)據(jù)存入片內(nèi)RAM30H-37H單元111第111頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四EXINT1:MOVXA,@DPTR ;讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV@R0,A ;存數(shù) INCR0 INCDPTR

RETI ;返回 END112第112頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四 ORG0000H ;主程序入口地址 AJMPMAIN ;跳轉(zhuǎn)主程序 ORG1000H ;程序入口地址MAIN:MOVDPTR,#7FF8H ;指向0809IN0通道地址 MOVR7,#08H

MOVX@DPTR,A ;啟動A/D轉(zhuǎn)換LOOP: JNBP3.3,$ ;EOC直接和P3.3相連(硬件改動)

MOVXA,@DPTR ;讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV@R0,A ;存數(shù) INCR0 INCDPTR DJNZR7,LOOP SJMP$ END查詢方式113第113頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.6.2AD574A及其與微處理器的接口

(比ADC0809復雜，一般了解，看書，datasheet)圖2-31AD57A的實物圖和管腳圖114第114頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四115第115頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四AD574有6個等級.AD574J、K和L專門用在0～+70℃溫度范圍內(nèi).AD574S、T和U專門用在-55℃～+125℃范圍內(nèi),所有的AD574全部采用28腳,雙列直插式封裝.AD574的原理圖,如下圖所示.116第116頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四1.AD574的技術(shù)指標AD574是一個完整的12位逐次逼近型帶三態(tài)緩沖器,單通道的A/D轉(zhuǎn)換器,它可以直接與8位、12位或16位微機總線進行接口,其主要技術(shù)指標如下:(1)分辨率:12位1/2^12=0.024%；(2)模擬輸入雙極性:±5V,±10V單極性:0～10V,0～20V；(3)供電電源:Vlogic:邏輯電平+4.5V～5.5VVcc:+13.5V～+16.5VVee供電電源:-13.5V～-16.5V(4)內(nèi)部參考電平:10V(5)內(nèi)部結(jié)構(gòu)大體與ADC0809類似,由12位A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、三態(tài)輸出鎖存緩沖器與10V基準電壓源構(gòu)成,可以直接與主機數(shù)據(jù)總線連接,但只能輸入一路模擬量(6)轉(zhuǎn)換時間為25μs,適合于在高精度快速采樣系統(tǒng)中使用(7)存放溫度:-65～150℃(8)AD574A也采用28腳雙立直插式封裝117第117頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(1)DB11-DB0:12位輸出數(shù)據(jù)線,三態(tài)輸出鎖存,可與主機數(shù)據(jù)線直接相連.(2)10Vin,20Vin,BIPOFF(Bipolaroffset):模擬電壓信號輸入端.單極性應用時,將BIPOFF接0V,雙極性時接10V.量程可以是10V,也可以是20V.輸入信號在10V范圍內(nèi)變化時,將輸入信號接至10Vin；在20V范圍內(nèi)變化時,接至20Vin.模擬輸入信號的幾種接法如表2-3所示,相應電路如圖2-32所示.(3)CS*(ChipSelected)片選信號,輸入,低電平有效.(4)CE(ChipEnable)使能信號,輸入,高電平有效.(5)R/C*(Read/Conversion*)讀/轉(zhuǎn)換信號,輸入,高電平為讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)低,電平為起動A/D轉(zhuǎn)換(6)12/8*:數(shù)據(jù)模式選擇信號,輸入,高電平時一次輸出12位數(shù)據(jù),低電平時與A0信號配合分兩次輸出高8位或低4位數(shù)據(jù).12/8*不能用TTL電平控制,必須直接接至+5V(引腳1)或數(shù)字地(引腳15)2.引腳118第118頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四(7)STS*

(status)轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號,轉(zhuǎn)換過程中呈現(xiàn)高電平,轉(zhuǎn)換結(jié)束呈現(xiàn)低電平(注意和ADC0809EOC信號的區(qū)別)(8)A0:字節(jié)信號

在轉(zhuǎn)換狀態(tài),A0為低電平可使AD574A產(chǎn)生12位轉(zhuǎn)換, A0為高電平可使AD574A產(chǎn)生8位轉(zhuǎn)換.

在讀數(shù)狀態(tài),如果12/8*為低電平,A0為低電平時,則輸出高8位數(shù),

A0為高電平時,則輸出低4位數(shù)； 如果12/8*為高電平,則A0的狀態(tài)不起作用.(9)REFIN(Reference):基準電壓源輸入端,如果REFOUT通過電阻接至REFIN,則可用來調(diào)量程.

REFOUT(Reference):基準電壓源輸出端,芯片內(nèi)部基準電壓源為10V1％.(10)Vlogic:邏輯電源端,+5VDC.Vcc:工作電源正端,+12VDC或+15VDC.Vee:工作電源負端,-12VDC或-15VDC.(11)DGND,AGND:數(shù)字地,模擬地.119第119頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四CE、CS*、R/C*、12/8*、A0各控制信號的組合作用,列于下表注:×表示1或0都可以.模擬輸入信號的幾種接法:尾隨4個0120第120頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四圖2-32ADC574A單極性輸入接法

121第121頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四圖2-33ADC574A雙極性輸入接法122第122頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四從圖中可以看出,AD574由兩部分組成,一部分是模擬芯片,另一部分是數(shù)字芯片.模擬芯片是由高性能的AD565D/A(12位)轉(zhuǎn)換器和參考電壓組成(AD565、快速、單片結(jié)構(gòu),電流輸出,建立時間為200ns).數(shù)字芯片由控制邏輯電路,逐次逼近型寄存器和三態(tài)輸出緩沖器組成.AD574的轉(zhuǎn)換原理與AD0809基本是一樣的,也是采用逐次逼近型原理工作的.圖中控制邏輯,用來發(fā)出啟動/停止時鐘信號以及復位信號,并控制轉(zhuǎn)換過程,此邏輯控制信號受到外部五個信號以及內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的控制,整個轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后,輸出一個標志狀態(tài)STS*(低電平有效).

123第123頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四圖2.34AD574A啟動轉(zhuǎn)換和讀數(shù)據(jù)時序

124第124頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A與PC總線的接口有多種方式.既可以與PC總線的16位數(shù)據(jù)總線直接相連,構(gòu)成簡單的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；也可以只占用PC總線的低8位數(shù)據(jù)總線,將轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)字量分兩次讀入主機,以節(jié)省硬件投入.同樣,在A/D轉(zhuǎn)換器與PC總線之間的數(shù)據(jù)傳送上也可以使用程序查詢、軟件定時或中斷控制等多種方法.由于AD574A的轉(zhuǎn)換速度很高,一般多采用查詢或定時方式125第125頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四圖2.35AD574A與8031的接口

Note:1.WR*和RD*相與后接入CE,保證AD574A啟動和CPU讀入數(shù)據(jù)時CE有效;2.STS接P1.0,采用查詢方式讀入AD轉(zhuǎn)換結(jié)果;3.REFIN/REFOUT/BIPOFF的接線方式采用雙極性輸入;4.12/8*接地,A0信號配合分兩次輸出高8位或低4位數(shù)據(jù).126第126頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四 ORG0030HSTART:MOVR0,#30H ;置片內(nèi)RAM地址 MOVR1,#7EH ;01111110(CS*=0A0=1R/C*=0) MOVX@R1,A ;啟動AD轉(zhuǎn)換WAIT:JNBP1.0,NEXT ;查STS狀態(tài),低電平轉(zhuǎn)換結(jié)束,所以JNB SJMPWAITNEXT:MOVR1,#7DH ;01111101(CS*=0A0=0R/C*=1) MOVXA,@R1 ;輸出高8位數(shù)據(jù) MOV@R0,A ;存入片內(nèi)30h單元 INCR0

MOVR1,#7FH ;01111111(CS*=0A0=1R/C*=1) MOVXA,@R1 ;輸出低4位數(shù)據(jù) MOV@R0,A ……127第127頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四CE、CS*、R/C*、12/8*、A0各控制信號的組合作用,列于下表注:×表示1或0都可以.模擬輸入信號的幾種接法:尾隨4個0128第128頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四表2.2AD574系列產(chǎn)品主要性能比較129第129頁，共148頁，2023年，2月20日，星期四2.7A/D轉(zhuǎn)換模板(了解)