微机控制技术：2.3 模拟量输入通道 (2)

1、2021年10月8日16时18分2.3 2.3 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道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，经接口送往计算机。传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压(或电流)信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成010mA或420mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。2.3.1

2、 模拟量输入通道结构模拟量输入通道结构 2.3.1 模拟量输入通道的组成 由五部分组成。模拟量输入通道有哪几部分组成？2.3.2 2.3.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换1.1.信号调理电路信号调理电路 信号调理电路：主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。 （1 1）非电信号的检测）非电信号的检测不平衡电桥不平衡电桥RRttRtR00)()(pt热敏电阻测量电桥电路一般情况下：R3=R2,R1=100；Rpt是Pt100。热敏电阻三线制接线图长距离传输时，热电阻采用三线与调理电路相连，可以补偿引线的常

3、值误差及随温度变化引起的误差。（2 2）信号放大电路）信号放大电路 1)1)基于基于ILC7650ILC7650的前置放大电路的前置放大电路ILC7650的前置放大电路P35运放需要考虑的主要指标。2 2）AD526AD526可编程仪用放大器可编程仪用放大器 AD526AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是器件本身所提供的增益是xlxl、x2x2、x4x4、x8x8、x16x16等五挡。等五挡。 AD526AD526可以在透明与锁存两种模式下工作。（表可以在透明与锁存两种模式下工作。（表2-52-5提

4、供状态表）提供状态表） 透明模式是透明模式是1313脚脚CLKCLK端接地。端接地。 锁存模式是锁存模式是CLKCLK内逻辑信号提供。内逻辑信号提供。2 I/V2 I/V变换变换 电流输出 仪表DDZ-：010mA 仪表DDZ-,DDZ-S：420mA 无源无源I/VI/V变换变换（利用无源器件完成） 010mA:R1 100 R2 500 V: 05V输出 420mA:R1 100 R2 250 V: 15V输出R1大小主要与什么参数有关？R1、C组成了滤波电路，二极管D为限幅有源有源I/VI/V变换变换（利用有源器件完成） 010mA:R1 200 R3 100k R4 150k V: 0

5、5V输出 420mA:R1 200 R3 100k R4 25k V: 15V输出 同相放大器倍数 A=1+R4/R32.3.3 多路转换器多路转换器 由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。 目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成

6、一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。多路开关理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。 举例：CD40518通道开关 INH 禁止输入控制信号2.3.4 2.3.4 采样、量化及常用的采样保持器采样、量化及常用的采样保持器 1、信号的采样、信号的采样 信号的采样过程 2 2、量化、量化 量化：。 量化过程： 量化单位： q=(ymax-ymin)/(2n-1) 量化误差：3 3、采样保持器、采样保持器 (1)孔径时间和孔径误差的消除孔径时间和孔径误差的消除孔径时间tA/D：完成一次

7、A/D转换需要的时间。 孔径误差：孔径误差：采样时刻的最大转换误差。 孔径误差的消除：孔径误差的消除：采用采样保持器孔径误差的大小：要求：三个参数知二求一。孔径时间内，信号的变化导致转换误差，如其大于量化误差，则A/D转换的结果将不可靠。A/D转换器需要采样保持器来提高输入信号的频率范围。 (2)采样保持原理采样保持原理采样保持器的组成何时要加采保？缓慢变化的信号无需采样保持器？零阶集成采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AD582、LF198/298/398等，其内部结构和引脚如下图 (a)、(b)所示。这里，用TTL逻辑电平控制采样和保持状态，如AD582的采样电平为“

8、0”，保持电平为“1”，而LF198的则相反。(a) AD582(b) LF398LF198/298/398简介供电电源：5V 18V，典型值15V；信号获取时间：小于10us；Vin：模拟量输入电压；Vout；模拟量输出电压；Logic：Logic逻辑控制，Logic逻辑参考。用来控制S/H的工作方式。Pin2：偏差调整引脚，采用1K可调电位器。Pin6：CH保持电容引脚，取值范围510 1000PF。典型值1000PF（0.01uF）。V+,V-：电源引脚。电容CH值-增大电容CH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样精度成正比而与采样频率成反比。

9、一般情况下，保持电容CH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。 选择采样保持器的主要因素有：获取时间，电压下降率。 LF398的CH取为001F时，信号达到001%精度所需的获取时间(采样时间)为25S，保持期间的输出电压下降率为每秒3mV。若A/D转换器的转换时间为100S，转换期间，保持器输出电压下降约300V。 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。采样保持器在采样期间，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。2.3.5 A/D转换器及其接口技术定义

10、：A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。常用常用A/D转换方式：转换方式： 1 1逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D 2 2双斜积分式双斜积分式A/DA/D 3 3电压电压/ /频率式频率式A/DA/D：简称：简称V/FV/F转换器，是把模拟电转换器，是把模拟电压信号转换成频率信号的器件。压信号转换成频率信号的器件。逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比较） ADC0809（8位），AD574（12位）。 双斜积分型：转换时间长，抗扰性好（积分） MC14433（11位），ICL7135（14位）。 V/F转换器：转换时间长，具有输出连续跟踪输入,线性度好的特点, 抗扰性好（

11、开关量输入）。LM331 ，AD652。 A/D转换器的主要技术指标：转换器的主要技术指标： 转换时间：积分型：毫秒级；逐次比较：微秒级； 全并行：纳秒级。 分辨率： LSB（最低有效位）满量程的1/2n 线性误差： 量程： 对基准电源的要求：逐次比较式逐次比较式A/DA/D转换器组成及原理转换器组成及原理一个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。（介绍转换原理） 反馈电压D / A转换器VIN比较器控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VOVCD0图 图 2-9 逐位逼近式逐位逼近式A/

12、D转换原理图转换原理图 D1D2D3 一个 n 位A/D转换器的模数转换表达式是 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呈正比。nRRRVVVVB2IN 例题：一个8位A/D转换器，设VR+ = 5.02 V， 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 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

13、位单路ADC0801ADC0805、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。82002. 502ININVVVVVBnRRR1、8位位A/D转换器转换器ADC0809 带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器 开关树与256R T型电阻网络合起来为DAC。SAR逐次逼近寄存器。 主要技术指标：主要技术指标：转换时间：100引脚及功能引脚及功能Vin0-Vin7：8个模拟量输入端；START：启动A/D转换信号，下降沿 开始A/D转换；EOC：转换结束信号，当A/D转换结束后，发出一个正脉冲，表示A/D转换结

14、束。用作A/D转换结束的检测信号；OE：输出允许信号，高电平有效。此信号有效，允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量；CLOCK：时钟输入，Vcc:电源，GND:地 8通道模拟开关及通道选择通道模拟开关及通道选择 地址锁存信号地址锁存信号 VIN1 100VIN0000通道ABCVIN7 1112、12位位A/D转换器转换器AD547A （AD1674） AD574A是一种高性能的12位逐位逼近式A/D转换器 分辨率为1/212 = 0.024% 转换时间为25s,适合于在高精度快速采样系统中使用 误差1/2LSB，单极性或双极性输入，量程10V或20V。 内部有时钟脉冲源和基准电压源，AD1

15、674有S/H。 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。 AD574A也采用28脚双立直插式封装。与ADC0809的主要区别：不需要外接时钟，内部参考电压。各引脚功能如下：各引脚功能如下：Vcc（7）：工作电源正端，+12 VDC或+15 VDC。V EE （11) ：工作电源负端，12 VDC或15 VDC。V L （1) ：逻辑电源端，+5 VDC。虽然使用的工作电源为12VDC或15 VDC， 但数字量输出及控制信号的逻辑电平仍可直接与TTL兼容。DGND （15) ，

16、AGND （9) ：数字地，模拟地。VREF OUT （8) ：基准电压源输出端，芯片内部基准电压源为+10.00 V1。VREF IN （10) ：基准电压源输入端， +10 VDC。如果VREF OUT通过电阻接至VREF IN ，则可用来调量程。 ：转换结束信号，高电平表示正在转换，低电平表示已转换完毕。 DB0-DB11：12位输出数据线，三态输出锁存，可与主机数据线直接相连。 CE：片能用信号，输入，高电平有效。 ：片选信号，输入，低电平有效。 R/ ：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。 12/ ：数据输出方式选择信号，输入，高电平时输出12位数据

17、，低电平时与A0信号配合输出高8位或低4位数据。12/ 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)。STSCSC88A0：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/ 为低电平，A0为低电平时，则输出高8位数，而A0为高电平时，则输出低4位数；如果12/ 为高电平，则A0的状态不起作用。 10VIN，20VIN，BIP OFF：模拟电压信号输入端。单极性应用时，将BIP OFF接0 V，双极性时接10 V。量程可以是10 V，也可以是20 V。输入信号在10 V范围内变化时，将输入

18、信号接至10 VIN；在20V范围内变化时，接至20VIN。88单、双极性应用单、双极性应用 单极性：BIP OFF接0V ；双极性：BIP OFF接10V。调零方法：满量程调整方法：调零满度转换结果输出：转换结果输出： 引脚12/ =1：D11-D0并行输出； 引脚12/ =0：D的高8位D11-D4与低4位D3-D0分时输出； 控制逻辑控制逻辑 88CEA0工作状态0禁止1禁止1000启动12位转换1001启动8位转换101接+5V12位并行输出有效101接地0高8位并行输出有效101接地1低4位加上尾随4个0有效CSCR/812/3. AD574A/16743. AD574A/1674与

19、与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口A/D转换器的接口技术要考虑七个方面：见讲义P24（补充）CSCR/CEA0工作状态0禁止1禁止1000启动12位转换1001启动8位转换101接+5V12位并行输出有效101接地0高8位并行输出有效101接地1低4位加上尾随4个0有效CSCR/812/=/Y0:对应地址BASE=SA1,SA0=A0 假设片选信号有效时，高位地址为BASE，则12位A/D启动控制端口地址为BASE+0，A/D数据输出高8位端口地址为BASE+2，低4位端口地址为BASE+3。BASE+0BASE+2BASE+3端口地址BASE+1A/DA/D转换的子程序段如下：转

20、换的子程序段如下：（1 1）启动子程序）启动子程序 ADSTART: MOV DXADSTART: MOV DX，BASE+0BASE+0 OUT DX OUT DX，AL;AL;CE=1CE=1,/,/CS=0,R/ =0,CS=0,R/ =0, 启动启动A/DA/D转换转换 NOPNOP RET RET（2 2）读数子程序）读数子程序 ADREAD: MOV DXADREAD: MOV DX，BASE+2 BASE+2 IN AL IN AL，DXDX MOV AH MOV AH，ALAL MOV DX MOV DX，BASE+3BASE+3 IN AL IN AL，DXDX RET RE

21、T 假设片选信号有效时，高位地址为假设片选信号有效时，高位地址为BASEBASE，则，则1212位位A/DA/D启动控启动控制端口地址为制端口地址为BASE+0BASE+0，A/DA/D数据输出高数据输出高8 8位端口地址为位端口地址为BASE+2BASE+2，低低4 4位端口地址为位端口地址为BASE+3BASE+3。转换结束采用中断方式读取转换结转换结束采用中断方式读取转换结果。果。C2.3.6 模拟量输入通道模板举例图2-36 PCL-813B数据采集卡组成框图 对照P34图2-14。1.1.PCL-813B PCL-813B 的寄存器地址的寄存器地址 寄存器地址：基地址寄存器地址：基地

22、址+ +偏移量偏移量 寄存器格式：寄存器格式：2.2.程序设计举例程序设计举例 PCL-813B A/D PCL-813B A/D 转换转换基于查询方式，由软件触发。基于查询方式，由软件触发。A/D A/D 转转换器被触发后，利用程序检查换器被触发后，利用程序检查A/DA/D状态寄存器的数据准备位状态寄存器的数据准备位（DRDY DRDY ）。）。如果检测到该位为如果检测到该位为“1 1”，则，则A/D A/D 转换正在进行。转换正在进行。当当A/D A/D 转换完成后，该位变为低电平，此时转换数据可由程转换完成后，该位变为低电平，此时转换数据可由程序读出。序读出。 PCL-813BPCL-8

23、13B是台湾研华公司生产的数据采集卡，单端是台湾研华公司生产的数据采集卡，单端32CH32CH，光电隔离。，光电隔离。AD574A/1674AD574A/1674。如何选择ADC (1)如何确定ADC的位数 ADC位数的确定与整个测控系统所要测量控制的范围和精度有关，但又不能唯一确定系统的精度。 ADC的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。实际选取的ADC的位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，选的太高不仅没有意义，而且价格高的多。 对ADC 位数的另一点考虑是后续的数字电路系统硬件配置情况，尤其是微处理器的参数。如：8位CPU，选8位以下ADC简单。高了需加缓冲器，数据分次读出。 （2）如何确定ADC的转换速率 主要考虑的是信号的最高频率，需要满足采样定理。 （3）是否加采样保持器