AD转换实战—模拟量输入电路与软件设计.ppt

1、第9章 A/D转换实战模拟量输入电路与软件设计,本章主要通过实际的例子讲解AT89S51单片机的模拟量输入电路软件设计。真实世界中所有物理量都是模拟量，一个基于单片机嵌入式系统要能够控制一个实际的设备，就必须要感知到真实世界的模拟量变化，实现模拟量变换成数字量的设备就称为A/D转换器（模数转换器），这是单片机获得外界真实模拟量的重要手段。 由于基础的51系列单片机没有A/D转换器，因此要在51单片机上实现A/D转换功能，就必须外扩A/D转换器。本章以AT89S51单片机为基础，详细讲解AT89S51单片机的模拟量输入电路设计方法与经验技巧。本章所有的代码实例都能够在开发板上进行调试与实验。,9

2、.1 A/D转换器的基本原理,在工业设备中的电压、温度、电流、速度、位移等关键测控量都是通过A/D转换实现的，只有将需要检测的连续变化的模拟量转换成对应离散的数字量，才能输入到单片机中进行处理，因此A/D转换部分是单片机控制系统中的一个非常重要的组成部分。 A/D转换器把模拟量转化为与其大小成正比的数字量信号。根据不同的转换原理，A/D转换器的种类很多，最常见的两种转换器是逐次逼近式和双积分式A/D转换器，下面分别介绍目前常用的A/D转换器的基本原理。,9.1.1 逐次逼近式A/D转换器原理,逐次逼近转换的基本原理是用一个计量单位使连续量整量化，即用离散的计量单位与连续量相比将，把连续量变为离

3、散计量单位的整数倍，略去小于计量单位的连续量部分，即得到离散后的数字量。这个离散的计量单位就是A/D转换器的分辨率，分辨率越小，A/D转换器的精度就越高。,9.1.2 双积分式A/D转换器原理,与逐次逼近式A/D转换器原理不同，双积分式A/D转换器采用了间接测量的原理。双积分式A/D转换器将被测量的电压值转化为时间的常数，通过测量时间常数得到未知电压值。,9.1.3 A/D转换器的技术指标,选择A/D转换器时，需要考虑A/D转换器的主要技术指标，下面简要介绍A/D转换器的技术指标。 （1）分辨率（Resolution） 分辨率指转换后的离散数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与

4、2n的比值，其中n为A/D转换器的位数。因此，分辩率又称为精度，以A/D转换器的位数表示，它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。理论上，n位输出的A/D转换器能区分2n个不同等级的输入模拟电压，因此能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，分辨率愈高。例如A/D转换器输出为10位二进制数，输入信号最大值为5V，那么这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为5/210 = 4.88mV。,9.1.3 A/D转换器的技术指标,（2）量化误差（Quantizing Error） 量化误差即A/D转换器有限分辨率引起的误差。在不考虑其余误差的情况下，一个分辨率有

5、限的A/D转换器的离散转换结果与连续的模拟量之间必定存在误差，这个误差称为量化误差。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。,9.1.3 A/D转换器的技术指标,（3）转换时间（Conversion Time） 转换时间体现了A/D转换器的效率，转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的A/D转换器具有不同的转换时间。其中并行比较A/D转换器的转换速度最高，8位二进制输出的单片集成

6、A/D转换器转换时间可达到50ns以内，逐次比较型A/D转换器次之，多数转换时间能够在1050s以内，如双积分A/D转换器的间接A/D转换器速度最慢，转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。实际应用中，A/D转换器的选用，应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围以及输入信号极性等角度综合考虑。,9.1.3 A/D转换器的技术指标,（4）偏移误差（Offset Error） 对于一个A/D转换器，当外界输入信号为零时，而输出信号不为零，此时的误差值称为偏移误差，又称零值误差，偏移误差可以通过外接电位器调至最小。 （5）满刻度误差（Full Scale Error） 满刻度误差又称为增益误

7、差（Gain Error）。A/D转换器的满刻度误差是指满刻度输出转换离散数字量所对应的实际输入电压与理想输入电压之差，一般满刻度误差的调节着偏移误差调整后进行。,9.1.3 A/D转换器的技术指标,（6）线性度（Linearity） 线性度是A/D转换器实际的转换函数与理想直线的最大偏移，理想直线可以通过立项的转换函数的所有点绘出，普通A/D转换器的线性度典型值是LSB/2。 除考虑以上技术指标外，还应注意满足其输入电压的范围、输出数字的编码、工作温度范围和电压稳定度等方面的要求，根据实际的需要选择合适的A/D转换器。,9.2 基于AT89S51的A/D转换器电路设计,根据不同的应用，不同的

8、精度要求，可以选用不同的A/D转换器在AT89S51上进行扩展，本章介绍不同的A/D转换器芯片在AT89S51上的扩展应用。,9.2.1 ADC0809扩展电路设计,ADC0809是一种8位的逐次逼近式A/D转换器，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，可以测量8路不同的模拟信号，分时对模拟信号进行A/D转换，在工业中多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛。,9.2.2 AD7812扩展电路设计,由于并行接口的A/D转换器需要占用大量的单片机引脚资源，因此各芯片公司纷纷推出了许多不同种类的串行的A/D转换器。AD7812是ADI公司生产的一款串行接口的10位8通道A/D转换器，其具

9、体性能参数如下： 分辨率：10位 供电电源：+2.7V+5V 总的不可调误差：1/2LSB1LSB 转换时间：典型转换时间2.3us 模拟输入范围：单极性0Vref 具备内部转换时钟源 工作温度范围：-40C85C,9.3 基于AT89S51的A/D转换实用案例,下面以AD7812为AT89S51单片机的A/D转换器扩展为基础，具体讲解A/D转换在实际中的各种应用。通过各种案例的学习，能够掌握各种A/D转换的应用及其软件设计方法。,9.3.1 AD7812扩展软件设计,如图所示为AD7812在AT89S51单片机上的扩展电路，电路中使用磁珠将数字信号供电与模拟信号供电分开。,9.3.2 温度测

10、量,LM35是美国国家半导体公司（National Semiconductor）生产的一种高精度的集成温度传感器，在单电源供电的条件下可以测量+2+150C范围的温度，当采用正负电源供电时，可以测量-55+150C范围的温度，该芯片具有以下一些特点。 采用摄氏度单位进行标定处理，可以直接计算得到摄氏度。 +10.0mV/C线性特性。 测温范围覆盖整个-55+150C区间。 特别适合用于移动式设备。 采用Wafer-level timing技术，成本低廉。 可在+4+30V电压范围内工作。 小于60uA的内部电流消耗。 仅仅1/4C的非线性误差。 低阻抗输出，在1mA输出时仅0.1欧。,9.3.

11、3 电流测量,电流是多种工业现场最重要的测控变量之一，在冶金、动力工程、石化、电力、电机控制等各应用领域都需要对电流进行检测与控制。因此，电流测量是实现自动化控制的重要技术手段之一。 最常用的电流传感器是基于霍尔效应的非接触式传感器，霍尔式电流传感器主要分两类，如下所示。 （1）直测式霍尔电流传感器：待测电流产生的磁通量聚集在磁路中，由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精确地反映待测电流。 （2）磁平衡霍尔电流传感器：待测电流产生的磁通量与霍尔电压经放大产生副边电流，通过副边线圈所产生的磁通量相平衡，副边电流精确地反映待测电流的大小。,9.3.4 光强测量,对光强进行测量，

12、可以采用光敏电阻来实现。光敏电阻是利用半导体的光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，其电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。广泛应用于各种自动控制电路，例如自动照明灯控制电路、自动报警电路等、电视机中的亮度自动调节、照相机的自动曝光控制等等及各种测量仪器中。 光敏电阻可以分为以下几类. 可见光光敏电阻：主要应用于各种光电自动控制系统、电子照相机、光报警等。 紫外光光敏电阻：主要应用于紫外线探测仪器。 红外光光敏电阻：主要应用于天文、军事等领域的有关自动控制系统。,9.4 问题与思考,本节针对在A/D转换电路设计中，初学者经常遇到的问题，进行提问与讲解，请读者自行完成题目后再依照题后答案进行思考与学习。,9.4.1 磁珠（Ferrite Bead）,如图所示的电路中，在AVCC和VCC，以及VREF之间都使