第二章输入输出接口技术

1、微机控制技术微机控制技术第二章第二章 输入输入/ /输出接口技术输出接口技术本章主要内容本章主要内容 1 1、基本概念、基本概念 2 2、模拟量输出通道、模拟量输出通道 3 3、模拟量输入通道、模拟量输入通道 4 4、开关量输入输出接口、开关量输入输出接口 5 5、I/OI/O通道抗干扰技术通道抗干扰技术2.1 基本概念基本概念 输入输出通道输入输出通道 信号的采样信号的采样 采样定理采样定理 量化及量化误差量化及量化误差 问题：连续信号问题：连续信号离散信号？误差？离散信号？误差？ I/O通道通道: :计算机和生产过程之间的信息传送和转换的连接通道计算机和生产过程之间的信息传送和转换的连接通

2、道输入通道输入通道: :将被控对象的信号提供给计算机的通道将被控对象的信号提供给计算机的通道输出通道输出通道: :计算机的控制信号作用于被控对象的通道。计算机的控制信号作用于被控对象的通道。I/O通道分为通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道道和开关量输出通道 。计算机I/O接口电路D/A转 换 器保持器放大器执行机构A/D转 换 器采样器检测元件开 关 量 输 入开 关 量 输 出工 业对 象 输 入 输 出 通 道 的 组 成2.1 基本概念基本概念1 1、信号的采样过程、信号的采样过程对于一个连续的信号首先通过对

3、于一个连续的信号首先通过采样采样开关，按预定的时间开关，按预定的时间间隔取连续变化信号的瞬间值，形成一系列等间隔的离间隔取连续变化信号的瞬间值，形成一系列等间隔的离散信号，再经过散信号，再经过A/DA/D转换器将离散信号进行转换器将离散信号进行量化量化处理，处理，转换为转换为时间时间上和上和幅值幅值上都离散的数字信号。上都离散的数字信号。计算机控制系统采用离散的采样数据进行处理，计算机控制系统采用离散的采样数据进行处理，模拟控制系统采用连续信号进行控制。计算机控模拟控制系统采用连续信号进行控制。计算机控制系统也称为制系统也称为离散系统离散系统，或，或采样数据系统采样数据系统。计算机控制中采样形

4、式有：计算机控制中采样形式有：（1）周期采样周期采样 即采样间隔为常数即采样间隔为常数tk-tk-1=T（k=0,1,2,）T称为采样周期称为采样周期（2）多阶采样多阶采样 tk-tk-r=常数（常数（r1）（3）随机采样随机采样 即没有固定的采样周期，根据需即没有固定的采样周期，根据需要选择采样时刻要选择采样时刻应用最多的是周期采样。应用最多的是周期采样。)()()(*tstftf对连续信号的采样过程可用公式对连续信号的采样过程可用公式2.12.1来描述。来描述。 其中其中f(t)f(t)是连续函数，是连续函数，s(t)s(t)为开关函数，为开关函数，f f* *(t)(t)为采样为采样函数

5、，即函数，即f(t)f(t)在时间上离散以后的值。在时间上离散以后的值。设两次开关闭合的设两次开关闭合的间隔时间间隔时间为为T T，开关开关闭合的时间闭合的时间为为, s(t)s(t)可用一系列宽度为可用一系列宽度为的矩形脉冲之和来表示。在采的矩形脉冲之和来表示。在采样系统中，一般将样系统中，一般将T T称为称为采样周期采样周期，称为称为采样时间采样时间。（2.1）由于脉冲宽度由于脉冲宽度一般远小于采样周期一般远小于采样周期T T，即即/T0/T0，可用可用单单位脉冲函数位脉冲函数(t)(t)来替代来替代开关脉冲开关脉冲，用，用单位脉冲序列单位脉冲序列T T(t)(t)替替代代开关函数开关函数

6、s(t)s(t)。单位脉冲是一种理想脉冲，幅值无穷大，宽度无穷小，面积单位脉冲是一种理想脉冲，幅值无穷大，宽度无穷小，面积（单位脉冲冲量）为（单位脉冲冲量）为1 1。单位脉冲序列可表示为。单位脉冲序列可表示为: :nTnTtt)()(（2.2）式中式中n=0,n=0,1,1,2,2,；T T为采样周期。为采样周期。用脉冲函数代替采样函数，采样过程用公式可表示为：用脉冲函数代替采样函数，采样过程用公式可表示为： nTnTttfttftf)()()()()(*（2.3）由单位脉冲函数的性质则有：由单位脉冲函数的性质则有： nnTtnTftf)()()(*在实际应用中，物理上可实现的时间函数在实际应

7、用中，物理上可实现的时间函数f(t)f(t)当时间当时间为负值时无意义，故式（为负值时无意义，故式（2.42.4）可简为：）可简为： 0*)()()(nnTtnTftf（2.4）（2.5）2 2、采样定理、采样定理采样后的信号跟采样周期采样后的信号跟采样周期T T的合理选取密切相关，的合理选取密切相关，合理地合理地选取采样周期选取采样周期T是能否再现是能否再现f(t)的关键。的关键。 T T过大会造成信息过大会造成信息的丢失的丢失，T T过小带来过多的数据存储和计算过小带来过多的数据存储和计算，加重计算机，加重计算机的负担。的负担。香农香农定理定理（ShannonShannon）证明，对一个具

8、有有限频谱的连续证明，对一个具有有限频谱的连续函数（频带为函数（频带为 ）进行采样，仅当采样频率）进行采样，仅当采样频率 时，采样函数能不失真地恢复到原函数。其中时，采样函数能不失真地恢复到原函数。其中 为输入信号所含的最高频率。为输入信号所含的最高频率。maxmaxmax2smax 采样定理为数字系统（包括数字通讯、数字信采样定理为数字系统（包括数字通讯、数字信号处理和数字控制等）采样周期的选择提供了号处理和数字控制等）采样周期的选择提供了理论依据，给出了理论依据，给出了采样周期的上限采样周期的上限。在实际应在实际应用中采样周期的选择要考虑以下因素用中采样周期的选择要考虑以下因素： 加于生产

9、过程的加于生产过程的扰动程度扰动程度； 被控对象的被控对象的动态特性动态特性； 所采用的所采用的控制方式和执行机构控制方式和执行机构的类型的类型； 被控对象所要求的被控对象所要求的控制品质指标控制品质指标。在工程实际应用中，一般选取采样频率在工程实际应用中，一般选取采样频率max)104(s3 3、量化及量化误差、量化及量化误差 采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号必须采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号必须经过量化过程，变成数字信号才能被计算机接受和处理。经过量化过程，变成数字信号才能被计算机接受和处理。 量化过程量化过程（简称量化）就是用一组数码（如（简称量化）就是用一组数码（

10、如8 8位或位或1616位位二进制码）来表示离散的模拟信号的大小。二进制码）来表示离散的模拟信号的大小。量化是由量化是由A/DA/D转换器完成的转换器完成的。计算机、计算机、D/AD/A（A/DA/D）转换器，只能在一定精度条件下用有限转换器，只能在一定精度条件下用有限的字长来表示数，从而造成误差，称为的字长来表示数，从而造成误差，称为量化误差量化误差。量化误差是量化过程中的固有误差，其大小与量化单位有关，量化误差是量化过程中的固有误差，其大小与量化单位有关，即与数值的细分成程度有关。即与数值的细分成程度有关。量化单位量化单位是指量化中二进制数是指量化中二进制数的最低位的最低位(LSB)(LS

11、B)对应的模拟量的值。对应的模拟量的值。 设设f fmaxmax和和f fminmin分别表示可被转化的模拟信号最大值和最小值，分别表示可被转化的模拟信号最大值和最小值，则量化单位则量化单位q q为：为：其中其中n n为转换器的二进制字长（位数）。大多数为转换器的二进制字长（位数）。大多数A/DA/D转换器量转换器量化误差为化误差为( (1/2)q1/2)q 。 maxmin2nffq2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道信号调理信号调理多路开关多路开关采样采样/保持器保持器A/D转换原理转换原理8位位A/D转换器转换器ADC080912A/D转换器转换器AD574A/D转换接口技术转换接口技术

12、模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计 模拟量输入通道的模拟量输入通道的任务任务是把从系统中检测到的模拟信号，是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 传感器传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大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多数传感器的输出是直流电压( (或电流或电流) )信号，也有一些信号，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。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，经常要将测为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，

13、经常要将测量元件的输出信号经量元件的输出信号经变送器变送器变送，如温度变送器、压力变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成变成0 010mA10mA或或4 420mA20mA的统一信号，然后经过模拟量输的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。入通道来处理。常见的传感器检测的量包括：温度、压力、流量、常见的传感器检测的量包括：温度、压力、流量、物位（液位）、机械量、成分等。物位（液位）、机械量、成分等。热电偶：热电偶：测温范围宽测温范围宽，一般，一般为为-50 +1600 ，常用于，常用于高温测量高温测量或或精

14、度要求不高的精度要求不高的场合场合，此外由于材料较柔软，此外由于材料较柔软，便于折弯，因此可以对物体便于折弯，因此可以对物体表面温度表面温度进行测量。进行测量。热电阻：热电阻：精度高，性能稳定，精度高，性能稳定，测温范围宽测温范围宽，一般为，一般为-200 +600 ，工业中精确测温，工业中精确测温大多用该类传感器。其类型大多用该类传感器。其类型有：有：Pt100、Pt50、Cu50等。等。热敏电阻压力传感器压差传感器涡轮流量传感器液位传感器超声波流量传感器 模拟量输入通道的功能是将各类传感器转换来的模拟电信号转换成数字信号送入模拟量输入通道的功能是将各类传感器转换来的模拟电信号转换成数字信号

15、送入计算机。其组成包括：计算机。其组成包括： 信号调理信号调理 通过信号变换、滤波、线性化、隔离等，将信号转换成标准信号通过信号变换、滤波、线性化、隔离等，将信号转换成标准信号(2)(2)多路转换器多路转换器 当有多个信号源分时使用模拟量输入通道时，必须采用多路转换器。当有多个信号源分时使用模拟量输入通道时，必须采用多路转换器。(3)(3)前置放大器前置放大器 将传感器得到的电信号进行放大处理，以满足将传感器得到的电信号进行放大处理，以满足A/DA/D转换器规定的量转换器规定的量程输入。程输入。(4)(4)采样采样/ /保持器保持器 用以保持采样点的模拟信号，使其在用以保持采样点的模拟信号，使

16、其在A/DA/D转换期间保持不变。转换期间保持不变。(5)A/D(5)A/D转换器转换器 将模拟量转换为计算机可识别的二进制数字量。将模拟量转换为计算机可识别的二进制数字量。(6)I/O(6)I/O接口接口 用来锁存用来锁存A/DA/D转换后的数字量，以供计算机来读取。转换后的数字量，以供计算机来读取。1 信号调理信号调理 信号调理电路信号调理电路（信号预处理）主要是对来自传感器或变送器（信号预处理）主要是对来自传感器或变送器的信号进行处理。如将的信号进行处理。如将4mA4mA20mA20mA或或0 010mA10mA电流信号变为电电流信号变为电压信号压信号，将热电阻，将热电阻(Pt100(P

17、t100或或Cu50)Cu50)的电阻信号经过桥路变为电的电阻信号经过桥路变为电压信号等。压信号等。 绝大多数传感器均有相应的变送器，但温度传感器的调理电绝大多数传感器均有相应的变送器，但温度传感器的调理电路往往需自己制作。常见的温度调理电路采用路往往需自己制作。常见的温度调理电路采用桥式电路桥式电路原理原理进行测量。进行测量。ICL7650 无源无源I/VI/V变换变换无源无源I/VI/V变换可以利用一个的精密电阻，将变换可以利用一个的精密电阻，将0 010mA10mA的电流信号转换为的电流信号转换为0 05V5V的电压信号。的电压信号。有源有源I/VI/V变换变换有源有源I/VI/V变换是

18、利用变换是利用有源器件运算放大器有源器件运算放大器和和电阻组成。电阻组成。如图，输入的如图，输入的0 010mA10mA电流在电阻电流在电阻R R上产生的上产生的输入电压，通过运算放大电路，选择适当的输入电压，通过运算放大电路，选择适当的电阻，可将电阻，可将0 010mA10mA输入变换为输入变换为0 05V5V的电压的电压输出。该电路的放大倍数为输出。该电路的放大倍数为1f1RRA 泛华测控 / Pansino模拟信号调理模拟信号调理低电压信号低电压信号电流输入电流输入/输出输出RTDs 和热敏电阻和热敏电阻热电偶热电偶热电偶热电偶应变仪应变仪应变仪应变仪隔离隔离放大放大噪声滤波噪声滤波隔离

19、隔离放大放大噪声滤波噪声滤波电流与电压的转换电流与电压的转换;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波电流与电压的转换电流与电压的转换;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿冷端补偿隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿冷端补偿激励电源激励电源隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波激励电源激励电源隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波激励电压激励电压全桥和半桥设置全桥和半桥设置隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波激励电压激励电压全桥和半桥设置全桥和半桥设置隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波多功能多功能I/O多功能多功能I

20、/ODemo泛华测控 / PansinoSCXI 选择选择传感器和信号传感器和信号 热电偶热电偶 RTDs 热敏电阻热敏电阻 应变仪应变仪 电压信号电压信号微伏，毫伏，伏微伏，毫伏，伏 电流信号电流信号4 20 mA, 0 20 mA 数字信号数字信号信号调理多路复用放大隔离滤波传感器激励冷端补偿2 多路开关多路开关 多路转换器多路转换器又称又称多路开关多路开关，利用多路开关可将各个，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/DA/D转换转换器上，实现多路共享。其特点：器上，实现多路共享。其特点： * * 一般采用集成芯片一般采用集

21、成芯片 * * 4 4路、路、8 8路、路、1616路路* * 单向和双向单向和双向* * 内部一般带有译码电路进行二进制译码内部一般带有译码电路进行二进制译码* * 每次只允许一路信号输入或输出每次只允许一路信号输入或输出* * 可直接和微机的数据总线相连可直接和微机的数据总线相连。常用的多路开关有常用的多路开关有CD4051CD4051（8 8路双向）、路双向）、AD7501AD7501（8 8路路单向）、单向）、MAX308MAX308（8 8路单向）等。路单向）等。lCD405l是常用的是常用的8路模拟开关器。它由路模拟开关器。它由逻辑电平转换、二进逻辑电平转换、二进制译码器制译码器及

22、及8个开关电路个开关电路组成。组成。lA，B，C为二进制输入控制端，通过译码器可译出为二进制输入控制端，通过译码器可译出8种状态，种状态，选通其中一个通道工作。选通其中一个通道工作。l译码输出受控制锁存端译码输出受控制锁存端INH控制，控制，INH =1时，禁止通道工作，时，禁止通道工作，INH=0时允许通道工作。时允许通道工作。lCD4051可可双向双向工作，可完成工作，可完成8入入1出出或或1入入8出出的转换。的转换。 CD4051原理图原理图主要特性：主要特性：直流供电电源：直流供电电源：VDD+5V+15V 数字信号电位变化范围：数字信号电位变化范围：315V输入电压：输入电压：UIN

23、0VDD模拟信号峰峰值：模拟信号峰峰值：15V 例例1 1 用两个用两个CD4051CD4051扩展成一个扩展成一个1 11616路的模拟开关。路的模拟开关。数据总线数据总线D3D3D0D0作为通道选择信号，作为通道选择信号，D3D3用来控制两个多用来控制两个多路开关的禁止端。路开关的禁止端。D3=0D3=0时时，选中右边的多路开关选中右边的多路开关。当。当D2D2、D1D1、D0D0从从000000变变为为111111，依次选通，依次选通IN1IN1IN8IN8通道通道 D3=1D3=1时时，经反相器变成低电平，选中左边的多路开关经反相器变成低电平，选中左边的多路开关。当当D2D2、D1D1

24、、D0D0从从000000变为变为111111，依次选通，依次选通IN9IN9IN16IN16通道。通道。 多路开关的选用多路开关的选用：（1 1）模拟量路数较多模拟量路数较多的场合，选用多路开关以及多路开的场合，选用多路开关以及多路开关的扩展。关的扩展。（2 2）尽可能选择单片尽可能选择单片能完成的多路开关，以保证每路特能完成的多路开关，以保证每路特性参数的一致性。性参数的一致性。（3 3）多路开关）多路开关速度应高于后级速度应高于后级的采样保持电路及的采样保持电路及A/DA/D（或（或D/AD/A）的工作速度。）的工作速度。（4 4）应考虑多路开关对模拟信号的要求。包括带宽、建）应考虑多路

25、开关对模拟信号的要求。包括带宽、建立时间等。立时间等。建立时间建立时间指一旦某通道被接通，模拟开关的输出达到输指一旦某通道被接通，模拟开关的输出达到输入信号额定百分比所需的时间。入信号额定百分比所需的时间。带宽带宽指多路开关被接通指多路开关被接通后，开关能通过的信号频带宽度。后，开关能通过的信号频带宽度。3 采样采样/保持器保持器采样中问题采样中问题：A/DA/D转换器完成一次转换过程的时间称为转换时间（转换器完成一次转换过程的时间称为转换时间（孔径时间孔径时间）。）。转换期间会引起转换误差（转换期间会引起转换误差（孔径误差孔径误差）。）。 例例2 2 幅值幅值V Vf f=5V=5V的正弦模

26、拟信号进行的正弦模拟信号进行A/DA/D转换。采用转换。采用1212位的位的A/DA/D，基，基准电压准电压10.24V10.24V，量化误差为半个量化单位；转换时间，量化误差为半个量化单位；转换时间0.1ms0.1ms。确。确定模拟输入信号最高频率。定模拟输入信号最高频率。tVEffVEtEtfVVtftfVVftVVfffff2;222cos2;2sin)(5 . 010521025. 1225. 1224.102143max12HztVEfmVEf 采样采样/ /保持器保持器：对变化的模拟信号快速采样并保持对变化的模拟信号快速采样并保持模拟信号模拟信号。两种工作方式：两种工作方式：采样方

27、式采样方式和和保持方式保持方式。在在采样采样时，采时，采/ /保电路的输出跟踪模拟输入电压。保电路的输出跟踪模拟输入电压。在在保持保持时，采时，采/ /保电路将保持采样命令撤销时刻的保电路将保持采样命令撤销时刻的采样值。采样值。基本工作原理：基本工作原理：由放大器由放大器A1A1、A2A2及逻辑输入控制的开关电路组成。及逻辑输入控制的开关电路组成。 1 1 采样周期采样周期开关开关K K闭合，输入信号闭合，输入信号V VININ经高增益放大器经高增益放大器A1A1输出，输出，向电容向电容C CH H充电；充电；2 2 保持周期保持周期开关开关K K断开，由于断开，由于A2A2输入阻抗很高，在理

28、想情况输入阻抗很高，在理想情况下，电容将保持充电时的最终值。下，电容将保持充电时的最终值。电容电容C CH H的大小直接影响采样的大小直接影响采样/ /保持器的速度和精度。保持器的速度和精度。采样期间：采样期间：C CH H越小，充电时间越短，采样获取时间越小，充电时间越短，采样获取时间越短。越短。 保持期间：保持期间：C CH H中保持电压中保持电压V VC C由于漏电流所致会缓慢由于漏电流所致会缓慢下降，下降，C CH H越小下降越快。越小下降越快。保持电压保持电压V VC C的变化率为的变化率为式中：式中： I ID D为保持期间电容的总泄漏电流（放大器的输入电为保持期间电容的总泄漏电流

29、（放大器的输入电流、开关截止时漏电流、电容内部漏电流等）。流、开关截止时漏电流、电容内部漏电流等）。增大电容增大电容C CH H值可以减小电压变化率，但又会增加充值可以减小电压变化率，但又会增加充电（采样）时间，电（采样）时间，保持电容的容量大小与采样精度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。成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容一般情况下，保持电容C CH H是外接的，容量为是外接的，容量为5105101000pF1000pF。HDdcdCItV常用的采样保持电路的集成电路芯片包括常用的采样保持电路的集成电路芯片包括AD582AD582，LF198 /LF298 /L

30、F398LF198 /LF298 /LF398 等。等。选择采样保持器的主要因素有：选择采样保持器的主要因素有：获取时间，电压下降获取时间，电压下降率。率。 LF398的的CH取为取为0.01f时，信号达到时，信号达到0.01%精度所需的精度所需的获取时间获取时间(采样时间采样时间)为为25s，保持期间的输出电压下降，保持期间的输出电压下降率为每秒率为每秒3mv。若。若A/D转换器的转换时间为转换器的转换时间为100s，转，转换期间，保持器输出电压下降约换期间，保持器输出电压下降约300v。在实际设计中在实际设计中（）在输入的（）在输入的模拟信号变化频率较高模拟信号变化频率较高；要；要求求同时

31、采样多个过程参数同时采样多个过程参数的情况下；的情况下； A/D转转换器转换时间比较长换器转换时间比较长等情况下，等情况下，才需要设置才需要设置采样采样/ /保持电路。保持电路。（）对于（）对于变化缓慢变化缓慢的模拟信号，的模拟信号，若若A/D转转换器转换时间足够短换器转换时间足够短，则可以不加采样保持，则可以不加采样保持器器 。4 A/D转换原理转换原理 A/D转换器是将连续变化的模拟信号转换为数值上等效的数字转换器是将连续变化的模拟信号转换为数值上等效的数字信号。信号。A/D转换器位数有转换器位数有8位、位、10位、位、12位等；位等；接口方式有串行、并行；接口方式有串行、并行；变换方式有

32、计数器式、逐次逼近式、双积分式、变换方式有计数器式、逐次逼近式、双积分式、-等。等。常用常用A/DA/D转换器一般采用转换器一般采用逐次逼近式逐次逼近式和和双积分式双积分式。逐次逼近式。逐次逼近式转换时间短转换时间短( (几个微秒几百个微秒几个微秒几百个微秒) )，但抗干扰能力较差。，但抗干扰能力较差。双积分式转换时间长双积分式转换时间长( (几十个毫秒几百个毫秒几十个毫秒几百个毫秒) )，抗干扰能抗干扰能力较强。力较强。在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜采用后在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜采用后者。者。计数器式计数器式AD转换器转换器由计数器、由计数器、DA转换器及比较器组成。结

33、转换器及比较器组成。结构简单，价格便宜，但转换速度比较慢。构简单，价格便宜，但转换速度比较慢。 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器一种采用对分搜索原理来实现一种采用对分搜索原理来实现A/DA/D转换。它由转换。它由D/AD/A转换、转换、比较器、逐次移位寄存器、控制逻辑及时钟组成比较器、逐次移位寄存器、控制逻辑及时钟组成。 工作过程是将工作过程是将N N位寄存器依次从高位置位寄存器依次从高位置1 1，如果，如果V VININV VO O，则保留；如果，则保留；如果V VININVVO O，则清除置，则清除置0 0。以以4 4位位A/DA/D转换器把模拟量转换器把模拟量3.5V转换为转

34、换为二进制数二进制数为例，说为例，说明逐次逼近式明逐次逼近式A/DA/D转换器的工作原理。转换器的工作原理。( (假设参考电压为假设参考电压为5v A/D5v A/D转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：5V/25V/24 4 = 0.3125V= 0.3125V) )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 逐逐位位逼逼近近式式A/D转转换换原原理理图图 D1D2D3逐位逼近式逐位逼近式A/DA/D转换原理图转换原理图当启动信号作用后，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

35、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D3D3 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 2.5v2.5v，送到比较器输入端与，送到比较器输入端与被转换的模拟量被转换的模拟量V VININ=3.5v=3.5v进行比较，控制逻辑根据比较器的进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当输出进行判断。当V VININ V VO O，则保留，则保留D3=1D3=1； 再对下一位再对下一位D2D2进行比较进行比较，同样先使，同样先使D2D2 1 1，与上一位，与上一位D3D3位位一起即一起即

36、11001100进入进入D/AD/A转换器，转换为转换器，转换为V VO O 3.75v3.75v再进入比较器，再进入比较器，与与V VININ=3.5v=3.5v比较，因比较，因V VININ V VO O，则使，则使D2D2 0 0； 再下一位再下一位D1D1位进行比较位进行比较，D1D1 1 1即即10101010，经，经D/AD/A转换为转换为V VO O= = 3.125v3.125v，再与，再与V VININ=3.5v=3.5v比较，因比较，因V VIN IN V VO O，则使，则使D1D1 1 1； 最后一位最后一位D0D0 1 1，即，即10011001经经D/AD/A转换为

37、转换为V VO O 3.4375v3.4375v，再与，再与V VININ=3.5v=3.5v比较，因比较，因V VININ V VO O，保留，保留D0D0 1 1。比较完毕，寄存器中的数字量比较完毕，寄存器中的数字量10111011即为模拟量即为模拟量3.5v3.5v的转的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。换结果，存在输出锁存器中等待输出。 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器是最常用转换器是最常用A/DA/D转换器。如转换器。如8 8位位单路单路ADC0801ADC0801ADC0805ADC0805、8 8位位8 8路路ADC0808/0809ADC0808/0809、8 8位位1

38、616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。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1T2T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转换转换1 1 正向积分正向积分：开关接通模拟输入端，输入的模拟电压：开关接通模拟输入端，输入的模拟电压V VININ 在

39、在固定固定时间时间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）。充电（正向积分）。2 2 反向积分反向积分：固定时间到，控制逻辑将开关切换到与：固定时间到，控制逻辑将开关切换到与V VININ极性相极性相反的基准电源上，此时电容反的基准电源上，此时电容C C开始放电（反向积分），同时开始放电（反向积分），同时计数计数器开始计数器开始计数。3 3 反向积分结束反向积分结束：电容：电容C C放电完毕，由控制逻辑放电完毕，由控制逻辑停止计数器停止计数器的计的计数，并发出转换结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放数，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。电

40、时间。 放电时间正比于输入电压放电时间正比于输入电压V VININ，即输入电压大，则放电时间长，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小反映了输入电压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V VININ 的大小。从而实现模的大小。从而实现模/ /数的转换。数的转换。 双积分式双积分式A/DA/D转换器的常用的有输出为转换器的常用的有输出为3 3位半位半BCDBCD码（码（二进制编二进制编码的十进制数）的码的十进制数）的ICL7107ICL7107、MC14433MC14433、输出为、输出为4 4位半位半BCDBCD码码的的ICL7135ICL7

41、135等。等。A/DA/D转换器的主要性能指标有：转换器的主要性能指标有：分辨率、转换时分辨率、转换时间、线性误差、量程、对基准电源的要求等。间、线性误差、量程、对基准电源的要求等。（1 1）分辨率）分辨率分辨率是指转换器对输入量微小变化的反应越灵分辨率是指转换器对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用敏。通常用A/DA/D转换器的位数来表示分辨率，如转换器的位数来表示分辨率，如8 8位、位、1212位、位、1616位等，或用满刻度电压值与位等，或用满刻度电压值与2 2n n之比之比表示（表示（n n为为A/DA/D转换器的位数）。转换器的位数）。分辨率为分辨率为n，表示它可以对满刻度的，表示它可

42、以对满刻度的1/21/2n n的变化的变化量作出反应。即：量作出反应。即：分辨率分辨率 = = 满刻度值满刻度值/2/2n n （2 2）转换时间）转换时间指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。逐逐位逼近式位逼近式A/D A/D 转换器的转换时间为转换器的转换时间为微秒级微秒级，双积分双积分式式A/DA/D转换器的转换时间为转换器的转换时间为毫秒级毫秒级。（3 3）线性误差）线性误差理想转换特性理想转换特性( (量化特性量化特性) )应该是线性的、无温度漂应该是线性的、无温度漂移，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围移，但实际转换特征并非如此。

43、在满量程输入范围内，内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差一般也称为精度。常用最低有效值的位数线性误差一般也称为精度。常用最低有效值的位数LSBLSB（Least Significant Bit)Least Significant Bit)）LSBLSB来表示，如来表示，如(1/2)LSB(1/2)LSB或或1LSB1LSB。（4）量程）量程即所能转换的输入电压范围，如双极性输入：即所能转换的输入电压范围，如双极性输入：-5V+5V，-10V+10V；单极性输入：；单极性输入：05V，010V等。等。（5）对基准电源的要求）对基准电源的要

44、求基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。 其他参数还有：输出逻辑电平、温度范围等。在设其他参数还有：输出逻辑电平、温度范围等。在设计各类微机控制系统时，可根据系统的要求及上述计各类微机控制系统时，可根据系统的要求及上述各项参数指标，选择满足要求的各项参数指标，选择满足要求的A/DA/D转换器。转换器。5 8位位A/D转换器转换器ADC0809 ADC0808/0809 8位位逐次比较式逐次比较式A/D转换器，是转换器，是一种单片一种单片CMOS器件。包括器件。包

45、括8通道多路转换器通道多路转换器、 8位的位的A/D转换器转换器、输出缓冲锁存器输出缓冲锁存器（三态）和（三态）和与微处理器兼容的与微处理器兼容的控制逻辑控制逻辑。(1)8(1)8通道多路转换器通道多路转换器该部分的功能是实现该部分的功能是实现8 8选选1 1操作，由通道选择信操作，由通道选择信号号C C、B B、A A，在，在ALEALE的作用下送入通道选择逻辑。的作用下送入通道选择逻辑。(2)8(2)8位位A/DA/D转换器转换器 在在STARTSTART上收到一个启动转换命令上收到一个启动转换命令( (正脉冲正脉冲) )后后开始转换，开始转换，6464个时钟周期后转换结束。转换结个时钟周

46、期后转换结束。转换结束时，束时，EOCEOC信号由低电平变为高电平，通知信号由低电平变为高电平，通知CPUCPU读结果。读结果。 (3)(3)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 用于存放转换结果用于存放转换结果D D，输出允许信号，输出允许信号OEOE为高电为高电平时，平时，D D由由DO7DO7DO0DO0上输出；上输出；OEOE为低电平输入时，为低电平输入时，数据输出线数据输出线DO7DO7DO0DO0为高阻态。为高阻态。ADC0808/0809主要技术指标主要技术指标l采用单一的采用单一的+5V电源供电，允许的模拟量输电源供电，允许的模拟量输入范围为入范围为05Vl无需进行零位和满度调

47、整无需进行零位和满度调整lADC0808精度为精度为1/2LSB，ADC0809则为则为1LSBl功耗为功耗为15mWl转换速度为转换速度为64个时钟周期，时钟频率个时钟周期，时钟频率101280kHZ引脚功能：引脚功能： IN0IN0IN7IN7：8 8路路模拟量输入模拟量输入端。允许端。允许8 8路模拟量分时输路模拟量分时输入，共用一个入，共用一个A/DA/D转换器。转换器。ALEALE：地址锁存允许信号地址锁存允许信号，高电平有效。上升沿时锁存高电平有效。上升沿时锁存3 3位通道选择信号。位通道选择信号。A A、B B、C C：3 3位地址位地址线即模拟线即模拟量通道选择线。量通道选择线

48、。ALEALE为高电为高电平时，地址译码出对应通道。平时，地址译码出对应通道。STARTSTART：启动启动A/DA/D转换信号转换信号，高电平有效。上升沿时将转高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启换器内部清零，下降沿时启动动A/DA/D转换。转换。IN5D7D6D0D1D2D3D4D5Vref(+)OEGNDVccADDCADC08091109876543220141516171819131211IN3IN4IN7IN6STARTEOCCLOCKVref(-)ALEADDAADDBIN0IN1IN22827262524232221EOCEOC：转换结束信号转换结束信号。从从STA

49、RT上升沿开始上升沿开始8个时钟周期后个时钟周期后由由高电平变为低电平。转换结果在高电平变为低电平。转换结果在EOCEOC上升沿上升沿(64(64个时钟周期后个时钟周期后由低电平转换为高电平由低电平转换为高电平) )前一个时钟周期存入寄存器。该信号前一个时钟周期存入寄存器。该信号可作为中断请求信号。可作为中断请求信号。OEOE：输出允许信号输出允许信号，高电平有效。该信号用来打开三态输出，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将缓冲器，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线上。位数字量送到数据总线上。D0D0D7D7：8 8位数字量输出。位数字量输出。D0D0为最低位

50、，为最低位，D7D7为最高位。由于有为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。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外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为。当脉冲频率为640kHz640kHz时，时，A/DA/D转换时间为转换时间为100100 s s（8 8* *8 8个时钟周期）。个时钟周期）。VR+VR+，VR-VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常范围，通常VR+ = VR+ = 5V DC5V DC，VR- = 0V DCVR- = 0V DC。VccVcc：工作电源，

51、：工作电源， 5VDC5VDC。GNDGND：电源地。：电源地。6 12位位A/D转换器转换器AD574AD574AD574是是1212位逐次逼近位逐次逼近型快速型快速A/DA/D转换器。转换速度最快为转换器。转换速度最快为35s35s。AD574AD574片内有三态输出缓冲电路。片内包含高精度的片内有三态输出缓冲电路。片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，应用方便。参考电压源和时钟电路，应用方便。 AD574AD574由由1212位位A/DA/D转换器、控制逻辑、三态输出锁转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器存缓冲器和和10V10V基准电压源基准电压源四部分构成。四部分构成。 控制逻辑的任务

52、包含：控制逻辑的任务包含：启动转换、控制转换过启动转换、控制转换过程和控制转换结果的输出程和控制转换结果的输出。CECE、CSCS均为片选信号，均为片选信号，R/CR/C为读为读/ /启动控制信号，启动控制信号，12/812/8为数字量输出位数为数字量输出位数控制，控制，A0A0为分辨率和字节选择。为分辨率和字节选择。 STSSTS为为AD574AD574的状态输出信号。启动后，的状态输出信号。启动后，STSSTS为为高电平表示正在转换；转换结束，高电平表示正在转换；转换结束，STSSTS为低电平。为低电平。CPUCPU可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。可用查询或中断方式了解转换过程是否

53、结束。 AD574AD574芯片引脚功能芯片引脚功能Vcc, VEEVcc, VEE ：工作电源正端：工作电源正端+15+15V V，工作电源负端工作电源负端 15V15V。VLVL：逻辑电源端，：逻辑电源端，+5V+5V。DGNDDGND，AGNDAGND：数字地，模拟地。：数字地，模拟地。REF OUTREF OUT：基准电压源输出端。：基准电压源输出端。REF INREF IN：基准电压源输入端，用来：基准电压源输入端，用来调量程。调量程。STSSTS：转换结束信号转换结束信号，高电平表示，高电平表示正在转换，低电平表示已转换完正在转换，低电平表示已转换完毕。毕。DB0-DB11DB0-

54、DB11：1212位输出数据线位输出数据线，三态，三态输出锁存。输出锁存。CECE：片使能信号片使能信号，高电平有效。，高电平有效。/CS/CS：片选信号片选信号，低电平有效。，低电平有效。R/-CR/-C：读读/ /转换信号转换信号，高电平为读，高电平为读A/DA/D转换数据，低电转换数据，低电平为启动平为启动A/DA/D转换。转换。12/-812/-8：数据输出方式选择信号数据输出方式选择信号，高电平时输出，高电平时输出1212位位数据；低电平时单字节输出，与数据；低电平时单字节输出，与A0A0信号配合输出高信号配合输出高8 8位或低位或低4 4位数据。位数据。A0A0：字节信号字节信号，

55、在转换状态，在转换状态，A0A0为低电平为低电平AD574AD574按按1212位位A/DA/D转换，转换，A0A0为高电平按为高电平按8 8位位A/DA/D转换。在读数状转换。在读数状态，如果态，如果12/-812/-8为低电平，则为低电平，则A0A0为低电平时，输出为低电平时，输出高高8 8位数，位数，A0A0为高电平时，输出低为高电平时，输出低4 4位数。位数。10V10VININ，20V20VININ，BIP OFFBIP OFF：模拟电压信号输入端：模拟电压信号输入端l通过对通过对CECE、/CS/CS、R/-CR/-C、12/-812/-8、A0A0控制信号的不控制信号的不同控制，

56、可以使同控制，可以使AD574AD574工作于不同的状态。工作于不同的状态。l单极性单极性/双极性输入双极性输入BIP OFFBIP OFF接接0V0V，AD574AD574为单极性输入。为单极性输入。量程为量程为0 010 V10 V，或或20V20V。分别通过分别通过10V10VININ或或20V20VININ接入。接入。将将BIP OFFBIP OFF接接10V10V，AD574AD574为双极性输入。为双极性输入。量程为量程为- -5V5V，或，或-10-1010V10V。分别通过分别通过10V10VININ或或20V20VININ接入。接入。1081213149AD574AAD574

57、A1081213149零点调整12V+100k REF OUTREF INBIP OFFBIP OFF量程调整12V_ 0 0 1 10 0V V输输入入(a)(b)001100k 00120VININ10VIN10V20VIN001001单单极极性性双双极极性性图图 2-14 AD574A的的输输入入信信号号连连接接方方法法量程调整零点调整0 0 20 0V V输输入入- -5 5 +5 V V输输入入- -1 10 0 +10V V输输入入AGNDAGND7 A/D接口技术接口技术lA/D转换器与微机接口的主要包括硬件连转换器与微机接口的主要包括硬件连接及控制程序设计。接及控制程序设计。l

58、A/D转换器的外部引出线主要包括：转换器的外部引出线主要包括：数据数据输出线、选通及状态控制线、基准电源线输出线、选通及状态控制线、基准电源线及模拟输入信号线。及模拟输入信号线。lA/D转换器与微机的接口技术主要解决四转换器与微机的接口技术主要解决四个方面的问题：个方面的问题：数据线连接、控制线连接、数据线连接、控制线连接、电源、数据传输方式。电源、数据传输方式。l数据输出线的连接方式数据输出线的连接方式 当当A/D转换器内部设置数据锁存器及三态输转换器内部设置数据锁存器及三态输出控制时，可出控制时，可直接挂在直接挂在CPU的数据总线上的数据总线上； 若若A/D转换器内部无三态输出控制，则必须

59、转换器内部无三态输出控制，则必须通通过过I/O接口接口，如可编程的并行接口、带有三态，如可编程的并行接口、带有三态控制的数据锁存器（如控制的数据锁存器（如74LS373等）等。等）等。当当8位计算机与位计算机与8位位A/D连接时，可一次并行连接时，可一次并行传送传送8位数；而若与位数；而若与12位或更多位位或更多位A/D转换器转换器连接，数据必须分时传送。连接，数据必须分时传送。选通信号、启动转换及读出控制信号的连接方法选通信号、启动转换及读出控制信号的连接方法 通过通过片选信号和启动转换信号来启动片选信号和启动转换信号来启动A/D转换转换。信。信号可以是电平或脉冲沿，可由地址译码及读号可以是

60、电平或脉冲沿，可由地址译码及读/写控制写控制信号共同产生。信号共同产生。 转换结束信号转换结束信号一般为电平信号。通常用此信号向一般为电平信号。通常用此信号向CPU申请申请中断中断或或CPU对该信号态进行对该信号态进行查询查询，以决定，以决定是否从是否从A/D转换器中读取数据。转换器中读取数据。 读出控制信号读出控制信号控制控制A/D内的三态输出锁存器，读出内的三态输出锁存器，读出A/D转换值。信号一般由地址线、读转换值。信号一般由地址线、读/写控制线通过写控制线通过译码器和逻辑电路组合产生。译码器和逻辑电路组合产生。注意：必须满足各种时序要求。注意：必须满足各种时序要求。电源和地线的处理电源