第三章模拟量输入通道

1、第三章第三章(3) (3) 模拟量输入通道模拟量输入通道 本章要点本章要点 1 1模拟量输入通道的结构组成。模拟量输入通道的结构组成。 2 2多路开关，前置放大、采样保持等各环节多路开关，前置放大、采样保持等各环节 的功能作用。的功能作用。 3 38 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809芯片及其接口电路芯片及其接口电路 4 41212位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A芯片及其接口电路芯片及其接口电路 引言 模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温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度、压

2、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。可以接收的数字量信号。 结构组成如图结构组成如图3 3-1所示，来自于工业现场传感器或变送所示，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置放大、采样保持和模模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、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。完成对过程参数的巡回检测任务。 传 感 变 送 器 信 号 调 理

3、 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 3-1 模拟量输入通道的结构组成 A/D 显然，该通道的核心是模显然，该通道的核心是模/ /数转换器即数转换器即A/DA/D转换器，通常转换器，通常 把模拟量输入通道称为把模拟量输入通道称为A/DA/D通道或通道或AIAI通道。通道。 3.1 信号调理电路 在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种在控制系统中，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类型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 0 - 10 mAmA或或4 -20

4、mA4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压的电流信号时，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，以下法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下 是两种变换电路。是两种变换电路。 1. 1. 无源无源I/VI/V变换变换 2. 2. 有源有源I/VI/V变换变换 1.无源I/V变换 无源无源I/VI/V变换电路是利用无源器件变换电路是利用无源器件电阻电阻 来实现，加上来实现，加上RCRC滤波和二极管限幅等保护，如滤波和二极管限幅等保护，如 图图3-23-2（a a）所示，其中）所示，其中R2R2为精密电阻。对于为精密电阻。对于0- 0- 10 mA10 mA输入信

5、号，可取输入信号，可取R1=100R1=100，R2=500R2=500，这，这 样当输入电流在样当输入电流在0 -10 mA0 -10 mA量程变化时，输出的量程变化时，输出的 电压就为电压就为0 -5 V0 -5 V范围；而对于范围；而对于4 -20 mA4 -20 mA输入信输入信 号，可取号，可取R1=100R1=100，R2=250R2=250，这样当输入电，这样当输入电 流为流为4 -20 mA4 -20 mA时，输出的电压为时，输出的电压为1 - 5 V1 - 5 V。 图 3-2 电流/电压变换电路 - + A 2R 1 R V I (a ) 无无 源源 I I / / V V

6、 变变 换换 电电 路路(b ) 有有 源源 I I / / V V 变变 换换 电电 路路 图图 2 -2 电电 流流 / / 电电 压压 变变 换换 电电 路路 + 3R 5 R 4 R 2R 1 R I D C C V + - + 5 V 2. 有源I/V变换 有源有源I/V变换是利用有源器件变换是利用有源器件运算放大器运算放大器 和电阻电容组成，如图和电阻电容组成，如图3-2（b）所示。利用同）所示。利用同 相放大电路，把电阻相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准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输出电压。该同相放大电路的放大倍数为 (3-1) 若取若取R1

7、=200，R3=100k，R4=150k， 则输入电流则输入电流 I 的的0 10 mA就对应电压输出就对应电压输出V的的0 5 V；若取；若取R1=200，R3=100k，R4=25k， 则则4 20 mA的输入电流对应于的输入电流对应于1 5 V的电压输的电压输 出。出。 3 4 1 1 R R IR V G 3.2 3.2 多路转换开关结构原理多路转换开关结构原理 现以常用的现以常用的CD4051为例，为例，8路模拟开关的结构原路模拟开关的结构原 理如图理如图3-3所示。所示。CD4051由电平转换、译码驱动及由电平转换、译码驱动及 开关电路三部分组成。当禁止端为开关电路三部分组成。当禁

8、止端为“1”时，前后级时，前后级 通道断开，即通道断开，即S0S7端与端与Sm端不可能接通；当为端不可能接通；当为 “0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端 C、B、A的数值，就可选通的数值，就可选通8个通道 个通道S0S7中的一路。中的一路。 比如：当比如：当C、B、A=000时，通道时，通道S0选通；当选通；当C、B、 A=001时，通道时，通道S通；通；当当C、B、A = 111时，通时，通 道道S7选通。其真值表如表选通。其真值表如表3-1所示。所示。 图2 -3 CD4051结构原理图 0S 2S 3S 4S 5S 6S 7S 1S 动动

9、 驱驱 码码 译译 换换 转转 平平 电电 A B C INH mS 图图3-3 CD40513-3 CD4051结构原理图结构原理图 3.3 扩展电路 当采样通道多至当采样通道多至16路时，可直接选用路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，路模拟开关的芯片， 也可以将也可以将2个个8路路4051并联起来，组成并联起来，组成1个单端的个单端的16路开关。路开关。 例题例题3-1 试用两个试用两个CD4051扩展成一个扩展成一个116路的模拟开关。路的模拟开关。 例题分析：图例题分析：图3-4给出了两个给出了两个CD4051扩展为扩展为116路模拟开关的路模拟开关的 电路。数据总线电路。数据总线D

10、3D0作为通道选择信号，作为通道选择信号，D3用来控制两个多用来控制两个多 路开关的禁止端。当路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当时，选中上面的多路开关，此时当D2、 D1、D0从从000变为变为111，则依次选通，则依次选通S0S7通道；当通道；当D3=1时，经时，经 反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0 从从000变为变为111，则依次选通，则依次选通S8S15通道。如此，组成一个通道。如此，组成一个16路的路的 模拟开关。模拟开关。 图图3-4 3-4 多路模拟开关的扩展电路多路模拟开关的扩展电路 D

11、3D2D1D0 动 驱 码 译 动 驱 码 译 换 转 平 电 换 转 平 电 0S 2S 3S 4S 5S 6S 7S 1S 8S 10S 11S 12S 13S 14S 15S 9S A B C mS A B C mS 图2-4 多路模拟开关的扩展电路 INH INH 3.4 前置放大器 前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/DA/D 转换的量程范围之内，如转换的量程范围之内，如0-5VDC;0-5VDC; 对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端 同相放大或单端反相放大。如图同相放大或单端反相放

12、大。如图3-53-5所示，信号源的一所示，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 倍数倍数G G =1+R2/R1=1+R2/R1； 若信号源的一端接放大器的负端为反相放大，反相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放大电路的放大倍数G G = =R2/R1R2/R1。当然，这两种电路都。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。输入端共地。 图3-5 放大电路 VI VO 1R 2R 图 2-5 放大电路 VI

13、 VO 1R 2R (a)同相放大 Us Us (b)反相放大 3.4.1 测量放大器 在实际工程中在实际工程中, ,来自生产现场的传感器信号往往带有较大来自生产现场的传感器信号往往带有较大 的共模干扰，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而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的 抑制作用。抑制作用。 因此，因此，A/DA/D通道中的前置放大器常采用由一组运通道中的前置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，如图放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图3-6(a)3-6(a)所示。所示。 经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放经典的测量放大器是由

14、三个运放组成的对称结构，测量放 大器的差动输入端大器的差动输入端V VININ 和和V VININ 分别是两个运放分别是两个运放A1A1、A2A2的同相的同相 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。连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。 - + 3A 2 A 1 A 1 R 2 R S R 1 R 2 R S R -NI V G R NI V + 负载负载 (外接外接) 外接地外接地 TUO V (外接外接) (a) 经典的前置放大器经典的前置放大器 图图3-6 3-6 前置放大器前置放大器

15、图中图中RGRG是外接电阻，专用来调整放大器增是外接电阻，专用来调整放大器增 益的。因此，放大器的增益益的。因此，放大器的增益G G与这个外接电阻与这个外接电阻RGRG 有着密切的关系。增益公式为有着密切的关系。增益公式为 (3-2) 目前这种测量放大器的集成电路芯片有多目前这种测量放大器的集成电路芯片有多 种，如种，如AD521/522AD521/522、INA102INA102等。等。 ) 2 1 ( 1 2ININ OUT G S R R R R VV V G 3.4.2 3.4.2 可变增益放大器可变增益放大器 在在A/DA/D转换通道中，多路被测信号常常共用一个测转换通道中，多路被测

16、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，但都要放量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放 大到大到A/DA/D转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不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，这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器， 如图如图3-6(b)3-6(b)所示。所示。 3 A 2A -NI N 负载负载 (外接外接) 外接地外接地 TUO V 16K 16K16K 16K 2 4 8 16 32 64

17、 128 256 80K 26.67K 11.43K 5.33K 2.58K 1.27K 314 630 - + 1 A I V + (b)(b)可变增益放大器可变增益放大器 图图3-6 3-6 前置放大器前置放大器 把图把图3-63-6（a a）中的外接电阻）中的外接电阻RGRG换成一组精密换成一组精密 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

18、为开关自上而下闭合时的放大器增益分别为2 2、4 4、8 8、 1616、3232、6464、128128、256256倍。显然，这一组开关如倍。显然，这一组开关如 果用多路模拟开关果用多路模拟开关( (类似类似CD4051)CD4051)就可方便地进行就可方便地进行 增益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路增益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路 芯片有芯片有AD612/614AD612/614等。等。 3.5 采样保持器 当某一通道进行当某一通道进行A/DA/D转换时，由于转换时，由于A/D A/D 转换需要转换需要 一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较一定的时间，如果输入信号

19、变化较快，就会引起较 大的转换误差。为了保证大的转换误差。为了保证A/DA/D转换的精度，需要应用转换的精度，需要应用 采样保持器。采样保持器。 v 3.5.1 3.5.1 数据采样定理数据采样定理 v 3.5.2 3.5.2 采样保持器采样保持器 3.5.1 3.5.1 数据采样定理数据采样定理 离散系统或采样数据系统离散系统或采样数据系统-把连续变化的量变成离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。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离散系统的采样形式-有周期采样、多阶采样和随机有周期采样、多阶采样和随机 采样。应用最多的是周期采样。采样。应用最多的是周期

20、采样。 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个连续变化的模拟信号y y( (t t) )，按一定的，按一定的 时间间隔时间间隔T T 转变为在瞬时转变为在瞬时0 0，T T，2 2T T， 的一连串脉冲序列信号的一连串脉冲序列信号 y y* *( (t t) )，如图，如图3-73-7 所示。所示。 0 t 0T2T3T 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：采样器的常用术语： 采样器或采样开关采样器或采样开关-执行采样动作的装置

21、，执行采样动作的装置， 采样时间或采样宽度采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时间采样开关每次闭合的时间 采样周期采样周期T-T-采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔 在实际系统中，在实际系统中， T T ，也就是说，可以近似地认为采样，也就是说，可以近似地认为采样 信号信号y y* *( (t t) )是是y y( (t t) )在采样开关闭合时的瞬时值在采样开关闭合时的瞬时值。 图3-7 信号的采样过程 由经验可知，采样频率越高，采样信号由经验可知，采样频率越高，采样信号 y y* *( (t t) )越接近原越接近原 信号信号y y( (t t) )，但若采样频率过高，

22、在实时控制系统中将会把许多，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 采样信号采样信号y y* *( (t t) )既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我 们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号y y* *( (t t) ) 能完全复现原信号能完全复现原信号y y( (t t) )，采样频率，采样频率f f 至少要为原信号最高有效至少要为原信号最高有效 频率频率f fmaxmax

23、的的2 2倍，即倍，即f f 2f 2fmaxmax。 采样定理给出了采样定理给出了y y* *( (t t) )唯一地复现唯一地复现y y( (t t) )所必需的最低采样所必需的最低采样 频率。实际应用中，常取频率。实际应用中，常取f f （5 51010）f fmaxmax。 3.5.23.5.2采样保持器采样保持器 1、 零阶采样保持器零阶采样保持器-零阶采样保持器是在两次采样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。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它的组成原理电路与工作波性如图3-8(a)3-8

24、(a)、(b)(b)所示。所示。 采样保持器由输入输出缓冲放大器采样保持器由输入输出缓冲放大器A1A1、A2A2和采样开关和采样开关S S、 保持电容保持电容CH等组成。采样期间，开关等组成。采样期间，开关S S闭合，输入电压闭合，输入电压V VININ通通 过过A1A1对对CH快速充电，输出电压快速充电，输出电压V VOUTOUT跟随跟随V VININ变化；保持期间，变化；保持期间， 开关开关S S断开，由于断开，由于A2A2的输入阻抗很高，理想情况下电容的输入阻抗很高，理想情况下电容C CH H将保将保 持电压持电压VCVC不变，因而输出电压不变，因而输出电压V VOUT=OUT=VCVC

25、也保持恒定。也保持恒定。 IN V 1A 2A HC OUT V S OUT V IN V t t 图 2-8 采样保持器 路电理原) a ( 性波作工)b( 采样保持 图图3-8 3-8 采样保持器采样保持器 显然，保持电容显然，保持电容C H的作用十分重要。实际上保持期的作用十分重要。实际上保持期 间的电容保持电压间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保持电容在缓慢下降，这是由于保持电容 的漏电流所致。保持电压的漏电流所致。保持电压VC的变化率为的变化率为 (3-3) 式中：式中： ID-为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入 电流、

26、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。 电容电容CH值值-增大电容增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又值可以减小电压变化率，但同时又 会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采 样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持 电容电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等 高质量的电容器，容量为高质量的电容器，容量为5101000pF。 H D d cd C I t V 2 2、零阶集成采

27、样保持器、零阶集成采样保持器-常用的零阶集成采样保持器有常用的零阶集成采样保持器有 AD582AD582、LF198/298/398LF198/298/398等，其内部结构和引脚如图等，其内部结构和引脚如图3-9(a)3-9(a)、 (b)(b)所示。这里，用所示。这里，用TTLTTL逻辑电平控制采样和保持状态，如逻辑电平控制采样和保持状态，如 AD582AD582的采样电平为的采样电平为“0 0”，保持电平为，保持电平为“1 1”，而，而LF198LF198的则的则 相反。相反。 图图3 39 9 集成采样保持器集成采样保持器 在在A/DA/D通道中，采样保持器的采样和保持电通道中，采样保持

28、器的采样和保持电 平应与后级的平应与后级的A/DA/D转换相配合，该电平信号既可以转换相配合，该电平信号既可以 由其它控制电路产生，也可以由由其它控制电路产生，也可以由A/DA/D转换器直接提转换器直接提 供。供。 总之，保持器在采样期间，不启动总之，保持器在采样期间，不启动A/DA/D转换器，转换器， 而一旦进入保持期间，则立即启动而一旦进入保持期间，则立即启动A/DA/D转换器，从转换器，从 而保证而保证A/D A/D 转换时的模拟输入电压恒定，以确保转换时的模拟输入电压恒定，以确保 A/DA/D转换精度（可参见图转换精度（可参见图3-19 83-19 8路路1212位位A/DA/D转换模

29、转换模 板电路）。板电路）。 3.6 A/D转换器 v 3.6.1 3.6.1 工作原理与性能指标工作原理与性能指标 v 3.6.2 ADC08093.6.2 ADC0809及其接口电路及其接口电路 v 3.6.3 AD574A3.6.3 AD574A芯片及其接口电路芯片及其接口电路 主要知识点主要知识点 3.6.1 3.6.1 工作原理与性能指标工作原理与性能指标 1 1逐位逼近式逐位逼近式A/DA/D转换原理转换原理 2 2双积分式双积分式A/DA/D转换原理转换原理 3 3电压电压/ /频率式频率式A/DA/D转换原理转换原理 4 4A/DA/D转换器的性能指标转换器的性能指标 1逐位逼

30、近式A/D转换原理 一个一个n n位位A/DA/D转换器是由转换器是由n n位寄存器、位寄存器、n n位位D/AD/A转转 换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器 等五部分组成。现以等五部分组成。现以4 4位位A/DA/D转换器把模拟量转换器把模拟量9 9转换转换 为二进制数为二进制数10011001为例，说明逐位逼近式为例，说明逐位逼近式A/DA/D转换器转换器 的工作原理。的工作原理。如图如图3-103-10所示。所示。 图图3-10 3-10 逐位逼近式逐位逼近式A/DA/D转换原理图转换原理图 反馈电压 D / A转换器 VIN 比较器 控

31、制时序和 逻辑电路 逐位逼近寄 存器(SAR) 数字量 输 出 锁存器 启动 CLK 模拟量 输 入 VO VC D0 图图 2-9 逐逐位位逼逼近近式式A/D转转换换原原理理图图 D1 D2 D3 当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，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首先使寄存器的最高位D3 D3 1 1，其余为，其余为0 0， 此数字量此数字量10001000经经 D/AD/A转换器转换成模拟电压即转换器转换成模拟电压即V VO O 8 8，送到比较器输入端与被转，送到比较器输入端与被转 换的模拟量换的模拟量V VIN = 9IN = 9进行比较，控

32、制逻辑根据比较器的输出进行进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行 判断。当判断。当V VIN IN V VO O，则保留，则保留D3 = 1D3 = 1； 再对下一位再对下一位D2D2进行比较，同样先使进行比较，同样先使D2 D2 1 1，与上一位，与上一位D3D3位一位一 起即起即11001100进入进入D/AD/A转换器，转换为转换器，转换为V VO O 12 12再进入比较器，与再进入比较器，与V VIN IN 9 9比较，因比较，因V VIN IN V VO O，则使，则使D2 D2 0 0； 再下一位再下一位D1D1位也是如此，位也是如此，D1 D1 1 1即即10101010，经，

33、经D/AD/A转换为转换为V VO = O = 1010，再与，再与V VIN IN 9 9比较，因比较，因V VIN IN V VO O，则使，则使D1 D1 0 0； 最后一位最后一位D0 D0 1- 1-即即10011001经经D/AD/A转换为转换为V VO O 9 9，再与，再与V VIN IN 9 9 比较，因比较，因V VIN IN V VO O，保留，保留D0 D0 1 1。比较完毕，寄存器中的数字。比较完毕，寄存器中的数字 量量10011001即为模拟量即为模拟量9 9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。 一个一个 n n 位位A/DA

34、/D转换器的模数转换表达式是转换器的模数转换表达式是 （3-43-4） 式中式中 n n n n位位A/DA/D转换器；转换器； VR+VR+、VRVR- - 基准电压源的正、负输入；基准电压源的正、负输入； VINVIN要转换的输入模拟量；要转换的输入模拟量； B B转换后的输出数字量。转换后的输出数字量。 即当基准电压源确定之后，即当基准电压源确定之后，n n位位A/DA/D转换器的输转换器的输 出数字量出数字量B B与要转换的输入模拟量与要转换的输入模拟量VINVIN呈正比。呈正比。 n RR R VV VV B2 IN 例题例题3-23-2：一个：一个8 8位位A/DA/D转换器，设转

35、换器，设V VR+ = 5.02 VR+ = 5.02 V， V VR R = 0 V = 0 V，计算当，计算当V VININ分别为分别为0 V0 V、2.5 V2.5 V、5 V5 V时所对时所对 应的转换数字量。应的转换数字量。 解：把已知数代入公式（解：把已知数代入公式（3-43-4）：）： 0 V0 V、2.5 V2.5 V、5 V5 V时所对应的转换数字量分别为时所对应的转换数字量分别为00H00H、 80H80H、FFHFFH。 此种此种A/DA/D转换器的常用品种有普通型转换器的常用品种有普通型8 8位单路位单路 ADC0801ADC0801ADC0805ADC0805、8 8

36、位位8 8路路ADC0808/0809ADC0808/0809、8 8位位1616路路 ADC0816/0817ADC0816/0817等，混合集成高速型等，混合集成高速型1212位单路位单路AD574AAD574A、 ADC803ADC803等。等。 8 2 002. 5 0 2 ININ V VV VV B n RR R 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 0D1-nD 定固率斜 1T 2T 间时分积定固压压电电入入输输于于比比正正 2T和和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 2

37、2双积分式双积分式A/DA/D转换原理转换原理 图图3-11 3-11 双积分式双积分式A/DA/D转换原理图转换原理图 双积分式双积分式A/DA/D转换原理如图转换原理如图3-113-11所示，在转换开始信号控所示，在转换开始信号控 制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压V VIN IN 在固定时在固定时 间间T T内对积分器上的电容内对积分器上的电容C C充电（正向积分），时间一到，控充电（正向积分），时间一到，控 制逻辑将开关切换到与制逻辑将开关切换到与V VININ极性相反的基准电源上，此时电容极性相反的基准电源上，此时电容 C C开始放电（反

38、向积分），同时计数器开始计数。当比较器判开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判 定电容定电容C C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计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。于放电时间。 放电时间放电时间T T1 1或或T T2 2又正比于输入电压又正比于输入电压V VIN IN，即输入电压大，则放 ，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 小反映了输入电压小反

39、映了输入电压V VIN IN在固定积分时间 在固定积分时间T T内的平均值。内的平均值。 此种此种A/DA/D转换器的常用品种有输出为转换器的常用品种有输出为3 3位半位半BCDBCD码（二进码（二进 制编码的十进制数）的制编码的十进制数）的ICL7107ICL7107、MC14433MC14433、输出为、输出为4 4位半位半BCDBCD 码的码的ICL7135ICL7135等。等。 3电压/ /频率式A/D转换原理 电压电压/ /频率式转换器频率式转换器-简称简称V/FV/F转换器，是把模拟转换器，是把模拟 电压信号转换成频率信号的器件。电压信号转换成频率信号的器件。 V/FV/F转换的方

40、法转换的方法-实现实现V/FV/F转换的方法很多，现以转换的方法很多，现以 常见的电荷平衡常见的电荷平衡V/FV/F转换法说明其转换转换法说明其转换 原理，如图原理，如图3-123-12（a a）、（）、（b b）所示。）所示。 (a) 电路原理图 图3-12 电荷平衡式V/F转换原理 V0 积分器 输出 定时脉冲 （开关S 状态） Vfo 频率输出 （三极管 T状态） t t t S闭和 S断开 T截止 T导通 T1 T 反充电充电 (b) 波形图 A1A1是积分输入放大器，是积分输入放大器，A2A2为零电压比较器，为零电压比较器， 恒流源恒流源I IR R和开关和开关S S构成构成A1A1

41、的反充电回路，开关的反充电回路，开关S S由由 单稳态定时器触发控制。当积分放大器单稳态定时器触发控制。当积分放大器A1A1的输出的输出 电压电压V VO O下降到零伏时，零电压比较器下降到零伏时，零电压比较器A2A2输出跳变，输出跳变， 则触发单稳态定时器，即产生暂态时间为则触发单稳态定时器，即产生暂态时间为T T1 1的定的定 时脉冲，并使开关时脉冲，并使开关S S闭合；同时又使晶体管闭合；同时又使晶体管T T截止，截止， 频率输出端频率输出端VfOVfO输出高电平。输出高电平。 在开关在开关S S闭合期间，恒流源闭合期间，恒流源I IR R被接入被接入 积分器的输入端。由于电路是按积分器

42、的输入端。由于电路是按 I IR R V Vimax/imax/R Ri i设计的，故此时电容设计的，故此时电容C C被反向充被反向充 电，充电电流为电，充电电流为I IR-R-V Vi /i /R Ri i，则积分器，则积分器A1A1 输出电压输出电压V VO O从零伏起线性上升。当定时从零伏起线性上升。当定时T T1 1 时间结束，定时器恢复稳态，使开关时间结束，定时器恢复稳态，使开关S S断断 开，反向充电停止，同时使晶体管开，反向充电停止，同时使晶体管T T导通，导通， V VfOfO端输出低电平。端输出低电平。 开关开关S S断开后，正输入电压断开后，正输入电压V Vi i开始对电开

43、始对电 容容C C正向充电，其充电电流为正向充电，其充电电流为V Vi /i /R Ri i，则积，则积 分器分器A1A1输出电压输出电压V VO O开始线性下降。当开始线性下降。当V VO=0O=0 时，比较器时，比较器A2A2输出再次跳变，又使单稳态输出再次跳变，又使单稳态 定时器产生定时器产生T T1 1时间的定时脉冲而控制开关时间的定时脉冲而控制开关S S 再次闭合，再次闭合，A1A1再次反向充电，同时再次反向充电，同时V VfOfO端又端又 输出高电平。如此反复下去，就会在积分输出高电平。如此反复下去，就会在积分 器器A1A1输出端输出端V VO O、单稳态定时器脉冲输出端、单稳态定

44、时器脉冲输出端 和频率输出端和频率输出端V VfOfO端产生如图端产生如图3-123-12（b b）所）所 示的波形，其波形的周期为示的波形，其波形的周期为T T。 根据反向充电电荷量和正向充电电荷量相等 的电荷平衡原理，可得 （3-5） 整理得 （3-6） 则VfO端输出的电压频率为 )(-1 i i 1 i i RTT R V T R V I i 1i R V TRI T 1 R i O i 1 TRI V T f （3-7） 这个这个f fO O就是由就是由V V i i转换而来的输出频率，两者成转换而来的输出频率，两者成 线性比例关系。由上式可见，要精确地实现线性比例关系。由上式可见，

45、要精确地实现V/FV/F变换，变换， 要求要求I IR R 、R Ri i和和T T1 1应准确稳定。积分电容应准确稳定。积分电容C C虽没有出虽没有出 现在上式中，但它的漏电流将会影响到充电电流现在上式中，但它的漏电流将会影响到充电电流V Vi i / /R Ri i，从而影响转换精度。为此应选择漏电流小的电，从而影响转换精度。为此应选择漏电流小的电 容。容。 此种此种V/FV/F转换器的常用品种有转换器的常用品种有VFC32VFC32、 LM131/LM231/LM331LM131/LM231/LM331、AD650AD650、AD651AD651等。等。 （1）分辨率分辨率 分辨率是指分

46、辨率是指A/DA/D转换器对微小输入信号变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小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表 示，如示，如8 8位、位、1010位、位、1212位等。分辨率为位等。分辨率为n n，表示它，表示它 可以对满刻度的可以对满刻度的1/21/2n n的变化量作出反应。即：的变化量作出反应。即： 分辨率分辨率 = = 满刻度值满刻度值/2/2n n 4A/D转换器的性能指标 A/D A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相转换器的转换精度可以用绝对误差和相 对误

47、差来表示。对误差来表示。 所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字 量量A/DA/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟转换器的误差，其误差的大小由实际模拟 量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括 增益误差，零点误差和非线性误差等。增益误差，零点误差和非线性误差等。 相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，相对误差是指绝对误差与满刻度值之比， 一般用百分数来表示，对一般用百分数来表示，对A/DA/D转换器常用最低有转换器常用最低有 效值的位数效值的位数LSBLSB（Least Significant Bit)Least Si

48、gnificant Bit)）来）来 表示，表示，1LSB = 11LSB = 1 2 2n n 。 （2 2）转换精度）转换精度 例如，对于一个例如，对于一个8 8位位05V05V的的A/DA/D转换转换 器，如果其相对误差为器，如果其相对误差为1LSB1LSB，则其绝对，则其绝对 误差为误差为19.5 mV19.5 mV，相对百分误差为，相对百分误差为0.390.39 。一般来说，位数。一般来说，位数n n越大，其相对误差越大，其相对误差 （或绝对误差）越小。（或绝对误差）越小。 （3 3）转换时间）转换时间 A/DA/D转换器完成一次转换所需的时间称为转转换器完成一次转换所需的时间称为转

49、 换时间。如逐位逼近式换时间。如逐位逼近式A/D A/D 转换器的转换时间转换器的转换时间 为微秒级，双积分式为微秒级，双积分式A/DA/D转换器的转换时间为毫转换器的转换时间为毫 秒级。秒级。 下面介绍几种典型芯片及其与下面介绍几种典型芯片及其与PCPC总线的接总线的接 口电路。口电路。 3.6.2 ADC08093.6.2 ADC0809及其接口电路及其接口电路 主要知识点主要知识点 v 1 1、ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍 v 2 2ADC0809ADC0809接口电路接口电路 1 1、 ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍 1 1、 ADC0809ADC0809

50、芯片介绍芯片介绍 8 8位逐位逼近式位逐位逼近式A/DA/D转换器转换器 分辨率为分辨率为1/ 21/ 28 8 0.39 % 0.39 % 模拟电压转换范围是模拟电压转换范围是 0 - +5 V0 - +5 V 标准转换时间为标准转换时间为100100 s s 采用采用2828脚双立直插式封装脚双立直插式封装 图图3-13 ADC0809内部结构及引脚内部结构及引脚 各引脚功能如下：各引脚功能如下： IN0IN0IN7IN7：8 8路模拟量输入端。允许路模拟量输入端。允许8 8路模拟量分时输入，路模拟量分时输入， 共用一个共用一个A/DA/D转换器。转换器。 ALEALE：地址锁存允许信号，

51、输入，高电平有效。上升沿时锁：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁 存存3 3位通道选择信号。位通道选择信号。 A A、B B、C C：3 3位地址线即模拟量通道选择线。位地址线即模拟量通道选择线。ALEALE为高电平时，为高电平时， 地址译码与对应通道选择见表地址译码与对应通道选择见表3-2 3-2 。 STARTSTART：启动：启动A/DA/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时转换信号，输入，高电平有效。上升沿时 将转换器内部清零，下降沿时启动将转换器内部清零，下降沿时启动A/DA/D转换。转换。 EOCEOC：转换结束信号，输出，高电平有效。：转换结束信号，输出，高电平有效

52、。 OEOE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开 三态输出缓冲器，将三态输出缓冲器，将A/DA/D转换得到的转换得到的8 8位数字量送到数据总位数字量送到数据总 线上。线上。 D0D0D7D7：8 8位数字量输出。位数字量输出。D0D0为最低位，为最低位，D7D7为最高位。由于为最高位。由于 有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。 CLOCKCLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为 640kHz640kHz时，时，A/DA/D转换时间为转换时间为100

53、100 s s。 VR+VR+，VR-VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换：基准电压源正、负端。取决于被转换 的模拟电压范围，通常的模拟电压范围，通常VR+ = VR+ = 5V DC5V DC，VR- = 0V DCVR- = 0V DC。 VccVcc：工作电源，：工作电源， 5VDC5VDC。 GNDGND：电源地。：电源地。 表表3-2 3-2 被选通道和地址的关系被选通道和地址的关系 C CB BA A选中通道选中通道 0 00 00 0IN0IN0 0 00 01 1IN1IN1 0 01 10 0IN2IN2 0 01 11 1IN3IN3 1 10 00 0IN4IN4 1

54、 10 01 1IN5IN5 1 11 10 0IN6IN6 1 11 11 1IN7IN7 ADC0809ADC0809的内部转换时序的内部转换时序 ALE C.B.A START EOC OE DO7DO0 图2-12 ADC0809的转换时序 图图3-14 ADC08093-14 ADC0809的转换时序的转换时序 其转换过程表述如下：首先其转换过程表述如下：首先ALEALE的上升沿的上升沿 将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的 某一路，使该路模拟量进入到某一路，使该路模拟量进入到A/DA/D转换器中。转换器中。 同时同时START START 的

55、上升沿将转换器内部清零，下的上升沿将转换器内部清零，下 降沿起动降沿起动A/DA/D转换，即在时钟的作用下，逐位转换，即在时钟的作用下，逐位 逼近过程开始，转换结束信号逼近过程开始，转换结束信号EOCEOC即变为低电即变为低电 平。当转换结束后，平。当转换结束后，EOCEOC恢复高电平，此时，恢复高电平，此时， 如果对输出允许如果对输出允许OEOE输入一高电平命令，则可输入一高电平命令，则可 读出数据。读出数据。 2 2ADC0809ADC0809接口电路接口电路 A/DA/D转换器的接口电路主要是解决主机如何分时转换器的接口电路主要是解决主机如何分时 采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动

56、采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动A/DA/D 转换，如何判断转换，如何判断A/DA/D完成一次模数转换，如何读入完成一次模数转换，如何读入 并存放转换结果的。下面仅介绍两种典型的接口电并存放转换结果的。下面仅介绍两种典型的接口电 路路。 v （1 1）查询方式读）查询方式读A/DA/D转换数转换数 v （2 2）定时方式读）定时方式读A/DA/D转换数转换数 （1）查询方式读A/D转换数 图图3-153-15为采用程序查询方式的为采用程序查询方式的8 8路路8 8位位A/DA/D转转 换接口电路，由换接口电路，由PCPC总线、总线、ADC0809ADC0809以及以及138138译码译

57、码 器、器、74LS0274LS02非与门（即或非门）与非与门（即或非门）与74LS12674LS126三态三态 缓冲器组成。图中，启动转换的板址缓冲器组成。图中，启动转换的板址PA= 0100 PA= 0100 00000000，每一路的口址分别为，每一路的口址分别为000-111000-111，故，故8 8路转路转 换地址为换地址为40H-47H40H-47H。 VIN0 VIN1 VIN7 VIN6 VIN5 VIN4 VIN3 VIN2三态输 出锁存 缓冲器 DO0 DO1 DO2 DO3 DO4 DO6 DO5 DO7 地址锁存 与译码 A B C ALE OECLOCKSTART

58、ADC0809 8路A/D 转换器 138 译码器 A B C GA GB G1 A0 A1 A2 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 IOW IOR AEN A7 A6 A5 A4 A3 PC总线 Y0 Y1 EOC PA PB 126 02(1) 02(2) 02(3) 图 3-15 查询方式读A/D转换数 图图3-153-15查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数 接口程序如下接口程序如下： MOV BX，BUFF ；置采样数据区首址；置采样数据区首址 MOV CX，08H ；路输入；路输入 START： OUT PA，AL ；启动；启动A/D转换转换 REOC： IN

59、 AL，PB ；读；读EOC RCR AL，01 ；判断；判断EOC JNC REOC ；若；若EOC=0，继续查询，继续查询 IN AL，PA ；若；若EOC=1，读，读A/D转转 换数换数 MOV BX，AL ；存；存A/D转换数转换数 INC BX ；存；存A/D转换数地址加转换数地址加1 INC PA ；接口地址加；接口地址加1 LOOP START ；循环；循环 现说明启动转换过程：现说明启动转换过程： 首先主机执行一条启动转换第首先主机执行一条启动转换第1 1路的输出指令，即是把路的输出指令，即是把ALAL 中的数据送到地址为中的数据送到地址为PAPA的接口电路中，此时的接口电路中

60、，此时ALAL中的内容无关紧要，中的内容无关紧要， 而地址而地址PA=40HPA=40H使使138138译码器的输出一个低电平，连同译码器的输出一个低电平，连同OUTOUT输出指令输出指令 造成的低电平，从而使非与门造成的低电平，从而使非与门0202（3 3）产生脉冲信号到引脚）产生脉冲信号到引脚ALEALE和和 STARTSTART，ALEALE的上升沿将通道地址代码的上升沿将通道地址代码000000锁存并进行译码，选通锁存并进行译码，选通 模拟开关中的第一路模拟开关中的第一路VIN0VIN0，使该路模拟量进入到，使该路模拟量进入到A/DA/D转换器中；转换器中； 同时同时STARTSTAR