《模拟量输入输出》PPT课件.ppt

第六章 模拟量输入输出,*基本功能 *一般连结关系 6.1 模拟通道接口 (Analog Signal Input and Output) *概念： 模拟通道的组成 转换接口电路 基准地 电压基准源； *ADC/DAC线性转换关系,生产过程控制系统结构示意图,过程对象被控对象 ,传感器 变送器,执行机构,传感器,执行机构,传感、执行,检测/控制,微机主机,操作台,电平变换,功放驱动,I/O接口,I/O接口,I/O接口,I/O接口,A/D,D/A,DI,DO,输入调理,V/I变换,I/O通道,信号调理,打印机,显示器,I/O接口,变换,信号处理,模拟量,数字量,频率、其他,模拟量I/O接口,模拟量的概念（信号连续量）：DC-V(mv)/mA(V)典型：过程控制、各类监控/自动化系统 转换输入输出:实验P22输入：V/F计数器-输出：计数器F/V(LM331)；PWM调宽（时间）,F/V,V/F,模 拟 信 号 ,T/C 8253/8254,MPU,ADC/DAC,脉冲频率,模拟量转换与I/O通道,1. 模数转换-ADC 数模转换-DAC Analog to Digital Converter/ Digital to Analog Converter 2. 模入与模出通道的组成： 输入通道: (高精度测量,1%0.05%,可分时采样,同步采样),Multiplexer：（6.4 ）多路转换器（开关，（模拟）多路(电子)开关 1-N,N-1,N选一）：N路入一路输出：巡回扫描/分时转换； Sample/Holder：(6.5) 捕捉后保持信号（电容） Voltage reference: 电压基准源 输出通道:(精度,同步输出,输出保持-动态扫描),放大驱动,执行机构,Vref,复习：运算放大器,DAC,V/I,调理,MUX, S/H,数字量 (MPU),DAC原理,Iout1,等效电阻=R,Iout2,V0,R-2R梯形电阻网络,Vref,Rfb,参见书P365 图6.3,DAC接口电路原理,电压型电流型（外接：同相反相输出）,D/A转换器原理框图,DAC主要技术指标 （P367）,分辨率 Resolution （LSB）所对应的模出电流(压)值 满量程稳定（建立）时间(setting time) 电压型（输出电平）电流范围绝对精度（对应max数字量：单位LSB） （最大）相对精度（单位LSB或%） Full-scale error 线性误差（最大值）Linear Error 温度系数(xxx vs. Temperature) 电源灵敏度(Power supply sensitivity) 接口方式,典型DAC(一) 8位DAC0832(P368),Vref D Iout1= R 256,单电源：+5V+15V；Vref:-10V+10V；低功耗：20mW；分辨率：8位；线性误差：0. 2%(FS)；NL误差：0.4%(FS)；建立时间：1s；温度系数：200ppm/；输出方式：电流。,DAC0832功能结构图,双缓冲结构,CPU数据,基准电压源,输出（I）,CPU控制,DAC 0832三种工作方式,输入锁存器和DAC寄存器的不同的控制: （1）直通方式 输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式。此时提供给DAC的数据，必须来自锁存端口(/LE1=/LE2=0); （2）单缓冲方式 控制输入寄存器和DAC寄存器同时跟随或锁存数据，或只控制这两个寄存器之一，而另一个接成直通方式(/LE=0)。此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形。,有效数据,MOV DX,288H OUT DX,AL,(288H),DAC 0832三种工作方式,（3）双缓冲方式 分别控制输入寄存器和DAC寄存器，此方式适用于多路D/A同时输出的情形：使各路数据分别锁存于各输入寄存器，然后同时（相同控制信号）打开各DAC寄存器、实现同步转换。,有效数据,输入寄存器更新,模出更新,DAC 0832同步转换控制(接口),DB,典型DAC(二)12位DAC1210,高8位,低4位,锁存(B1=1),DAC1210控制时序:自动传输,高8位锁存(低4位锁存也已变,覆盖低4位,全部12位传送到DAC,XFER=0,有效数据,有效数据,DAC1210控制时序:,独立处理器传输控制,加载高8位输入锁存(低4位也改变),覆盖低4位输入锁存,12位传送到DAC,有效数据,有效数据,OUT DX,AL ;OUT DX,AL,模数转换器ADC,分类：双积分/逐次比较/ V/F型 二重积分/双积分式（比较两个积分时间：计数）先积分Vi时间到VA=T0*Vi/RC, 再切换到Vref, (放电至0)VA=-T1*Vref/RC-Vi=-Vref* T1/T0 (计时由时钟脉冲计数得到)-积分器+比较器+计数器 ms级, 抗串模干扰(0均值)。,逐次比较-DAC+比较器+SAR（逐次逼近寄存器）,模数转换器ADC性能指标,分辨率（LSB）所对应的模入电平值；1/2n Vref (单极性)； 精度 1，1/2，LSB（绝对：理想与实际差的max：mv /相对：vs.FS，%） 转换时间 Tc，转换速率 1/Tc AD574 -35s，30KHZ；AD578 5s，200KHZ 电源灵敏度 (PS Rejection) （1%变化/参数）转换误差nLSB； (AD574: 15V1.5/12V0.6;5V0.5,n=12) 量程 单/双极性范围（AD574A:010V,020V/-5+5V,-10V+10V)； 输出电平（多TTL）与接口（P8/16位）/数据格式（BCD/BIN）：（是否三态；锁存） 8/10/12/14/16bits 3 1/2, 4 1/2, 5 -逻辑设计 启动转换，EOC条件，结果读取 温度范围（存、用军-55125（工）民070） 其他 温漂(nLSBppm/)功耗(850mWAD574A)输入电阻(10K) 输入转换整体精度的影响因素 （Vref, V+/V-/Vcc,L-err, Resol,T）,典型ADC芯片,(1)MC14433：3（1/2）精度，自校零，自动极性；字位动态BCD，千个位轮流在Q0Q3上输出，DS1DS34同步字典位选通对应Q0Q3上1/2（千位，含符号）、百、十、个输出，宽18CLK），110HZ; DU转换更新（EOC为1/2CLK周期宽正脉冲，/OR为过量程输出） (Vref=+2/+200mV, R1、C1改变时钟频率，2V时R1=0.1F，R1=470K，200mV时R1=27K) (2)ADC0809：逐次逼近式8位ADC带P接口、8路Multiplexer，100s (3)AD574A 12位逐次逼近式带Vref和时钟，P接口,高速ADC 35s 兼容芯片:AD674B(15s),AD774B:(8s ) AD1674(10s+内部S/H),ADC 0809 (Top View),D7 D6 D5 D4 D0,D2,D1,D3,ADC0809功能结构,（ALE上升沿锁存地址编码）,（min 10K,Typ640K,max 1280K）,输入信号: GND0.1VVCC+0.1V Ri 1K(min) /2.5K(Typ),(Vin-Vref-) (Vref+-Vref-),*256,ADC0809工作时序,CH选择,EOCOE或EOCIRQ申请中断,启动,CLK(1/F) =1/ 640KHZ,OE=1读允许,ADC0809典型应用,通道地址,12位高速ADC-AD574A,AD674B/AD774B,AD1674 ADC内部结构,AD574A 管脚兼容,AD574A单极性输入,MPU数据 总线,AD574A双极性输入,AD574A逻辑真值表,DGND,VCC,AD574转换时序,AD574读时序,AD574A应用(参见p388 图6.26),程序：查询式（有无问题？） START： MOV DX，DR0 OUT DX，AL MOV DX，DR3 TEST： IN AL，DX ;? TEST AL，80H JNZ TEST MOV DX，DR1 IN AL，DX MOV BH，AL MOV DX，DR2 IN AL，DX MOV BL，AL 跳码现象与数字滤波的概念 平均滤波（4），MAX-MIN平均（5），一阶惯性滤波，区间滑动滤波（实验P70）,多路转换器Multiplexer(MUX),用途（作用）:信号复用 机械（干簧继电器、水银R等）：导通电阻小，断开高阻隔离，百万次，400HZ 电子模拟开关：晶体管、场效应管、IC导通电阻大（几十（百）欧姆），断开高阻不独立，隔离？(信号限制-共模电压)高速 Analog Multiplexer-N-1，1-N 分时使用1端器件 典型MUX芯片 单向/双向 CD4051B 8-1 双向，带INH端（=0使能）； LF13508（NSC）/DG508 8-1; LF13509 差分输入四选一 AD7501/3八选一单向(7501EN=0/7302EN=1);CD7502双四选一 逻辑关系简单：通道选择信号需外加锁存；电平匹配问题CMOS+5时TTL兼容；+15V时HTL,AD7501 多路复用开关,LF13508/13509 MUX 逻辑结构,主要性能参数,Ron：导通电阻(170300欧),Ronvs接通电阻的温度漂移(.5%/)。 Is(off)：漏电流。在开关断开时,仍有电流通过开关（0.22nA）。 Iout(off)：开关断开时，输出端的电流。(110nA)。 ton(s)：选通信号EN达到50到开关接通的时间延迟。(0.8s); toff (0.8)。 Ts：选通信号EN达到50到开关断开时的延迟。 Cs：开关断开时，开关对地电容。(5pF); Cout开关断开时，输出端对地电容。(30pF) Topen：切换时间。从一个通道接通状态到另一个通道接通状态之间两个开关断开的时间。 电源：电源电压VDD、VSS和VEE 。模拟开关能接通的最大模拟电压范围为？（VDDVEE）。 Is：开关电流（switch current）。,采样保持器（Sample/Holder),作用：快变模拟信号转换误差量化误差 参数：工作电压；捕捉时间；输入电阻；输出电阻;封装;功耗,K闭合：跟随 K 断开: 保持,常用S/H芯片 LF1/2/398,AD582K.AD583K,典型S/H芯片,LF1/2/398；5V18V；10s（10V变化0.1%精度1000PF，4s ；0.01sF,20s ）0.01F,0.01%时为25us,HOLD下降率3mV/S）; 0.002%增益精度;(6s0.01%)M,;DIP8P/SOP14/Mmetal Can8; 500mW; 工艺Bi-FET; 控制基准 1SAMPLE（跟踪）(直接接TTL，CMOS，PMOS电平；门坎电压1.4V)；捕捉时间/保持下降率与Ch有关；Ch最好为聚苯/聚四氟乙烯电容。,基准电压源Vref,AD584（2.500V/5.000/7.500/10.00V）; AD580 2.500V;AD581-10.00V; LM336-2.5/5; 5.0V+/-0.1V; 10mA 7805-5+/-0.25V,3.9K,+10V,Vref,模拟接口电路应用与小结,1.DAC-ADC-MUX-S/H: 模拟I/O通