第5章模拟量信号的输入输出2010

第四章内容的复习开关和开关量信号的区别？开关量信号的特点是什么？开关量信号的作用？常见电子开关都有哪些？电子开关的缺点是什么？如何解决该缺点？开关量输入通道的基本组成？每个组成的作用？读取扳键开关状态的程序可以采用哪两种方法编程？开关量输出通道的基本组成？小功率直流负载的基本类型有哪些？其驱动电流范围？采用什么驱动电路？中功率直流负载的基本类型有哪些？其驱动电流范围？采用什么驱动电路？达林顿管的特点？固体继电器(SSR)的特点？交流固体继电器的两种类型和特点？弱电控制强电的方法和抗干扰措施？可控硅、继电器、接触器的区别？了解扳键开关、BCD拨盘开关、温度超限开关与单片机的接口电路和工作原理？第五章模拟信号的输入/输出第五章模拟信号的输入/输出本章重点:1.A/D,D/A转换器选择2.模拟I/O通道的设计第五章模拟信号的输入/输出

一般的智能仪器仪表,测得的大多是连续变化的物理量,如话音、温度、压力、流量等,通常要将测量到的这些参数转换为数字量，送给微处理器或者单片机进行处理，处理的结果又要转换为模拟量信号去控制现场，因此A/D、D/A变换是生产过程自动控制和智能仪器仪表不可缺少的部分。

A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在实际应用中是把模拟电压转换成二进制数字量。要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，通常要经过4个步骤：采样、保持、量化和编码。一般前两步由采样保持电路完成，量化和编码由AD转换器来完成。第五章模拟信号的输入/输出5.1模拟信号的输入常用A/D转换器的种类

目前最常用的A／D转换器是双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行比较式转换器。

双积分式A/D转换器主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜。其缺点是转换速度较慢，因此，这种转换器主要用于速度要求不高的场合。它由积分器(由集成运放A组成)、过零比较器(C)、时钟脉冲控制门（G）和计数器（FF0～FFn）等几部分组成。

双积分式AD的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力。

逐次逼近式A/D转换器是一种速度较快，转换精度较高的转换器,其转换时间大约在几μs到几百μs之间,适用于大部分智能仪器测控电路。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。

基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。

并行比较式A/D转换器由电阻分压器、寄存器及编码器组成。根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器的输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。转换过程简单,转换速度快,但是随着位数的增加所需硬件将迅速增加，当n>4时，并行AD变得比较复杂，因此并行A/D适用于速度要求很高，而输出位数较少的场合。

第五章模拟信号的输入/输出

A/D转换器是模拟信号数字化的核心器件,它的主要性能指标有:

1.分辨率2.精度3.转换时间4.量程

5.1.1A/D转换器的选择第五章模拟信号的输入/输出

分辨率是指A/D转换器能分辨的最小模拟输入电压值，常用可转换成的数字量的位数来表示(例如，8位、10位、12位、16位等)。分辨率＝

其中，n是可转换成的数字量的位数。所以位数越高，分辨率也越高。例如，当输入满量程电压为5V时，对于8位A/D转换器，A/D转换的分辨率为5V/255＝0.0195V。第五章模拟信号的输入/输出

精度指标有分为绝对精度和相对精度指标.

绝对精度是指A/D输出端产生一给定数字量时，输入端的实际模拟量输入值与理论值之差,绝对精度是个范围,而不是一数值。相对精度是绝对精度的最大值与满量程值之比，一般用百分数来表示。

转换时间是指A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间。转换时间反映了A/D转换的速度。转换时间是启动ADC开始转换到完成一次转换所需要的时间。目前常用的A/D转换集成电路芯片的转换时间在微秒数量级。

量程是指能进行转换的输入电压的最大范围。

第五章模拟信号的输入/输出第五章模拟信号的输入/输出1.根据精度要求选择A/D转换器件

若给定一智能仪器的设计任务,那么就会要求检测的精度指标,从而换算出A/D的转换精度。当仪器的非线性误差控制在1位以下时，可以用分辨率指标来考核转换精度指标，即可用A/D转换器件的位数来选择转换器。实际设计中，还要结合经济性来考虑。

智能温制仪表设计中的A/D转换器选择

第五章模拟信号的输入/输出2.根据采样频率选择A/D转换器件

每一信号都有其频率特性，为使获取的信号不至于真实，在设计A/D时，也必须考虑符合奈奎斯特采样定理（Fs>=2*fmax,一般取2.56-4倍)

。A/D转换器根据采样频率的不同可分为:低速A/D转换器;中速A/D转换器;高速A/D转换器。

第五章模拟信号的输入/输出低速A/D转换器：适用场合：Fs〈=10HZ检测对象：变化缓慢的物理量（温度/湿度/液位）A/D转换器类型：双积分型优势：很强的抗工频干扰能力，转换精度高，便宜应用：在数字电压表中应用广泛

第五章模拟信号的输入/输出中速A/D转换器：适用场合：Fs〉=100HZ检测对象：变化较快的物理量（运动状态参数）A/D转换器类型：逐次逼近型优势：转换速度较块，精度较高应用：绝大多数的应用系统，很常用

第五章模拟信号的输入/输出高速A/D转换器：适用场合：Fs〉=1MHZ检测对象：变化极快的物理量（视频信号）A/D转换器类型：并行比较型优势：转换速度较块，精度较高应用：多媒体信息采集与处理系统第五章模拟信号的输入/输出3其他选择考虑片内A/D：精度要求不大于12位,可选片内集成A/D转换部件单片机,使结构紧凑。串行A/D：不采用三总线设计方案而采用单片系统时，用串行A/D可简化电路设计。封装：常用DIP封装（双列直插式），发展趋势为表贴型SO封装第五章模拟信号的输入/输出

5.1.2模拟输入通道设计

模拟量输入通道可完成模拟量信号的采集并将它转换成数字量送入单片机的任务。依据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。但其基本结构都有信号调理电路、采样保持电路和D/A转换电路组成。第五章模拟信号的输入/输出1.信号调理电路设计

传统的信号调理电路包括硬件滤波电路、放大器、增益校准电路、零点校准电路、线性校准电路和温度补偿电路等。

智能仪器可以通过微处理器软件来进行自动校准和自动补偿，因此设计信号调理电路可省去线性校准电路和温度补偿电路，对增益校准电路和零点校准电路的要求也可以降低一些，甚至可以不必采用非常昂贵的高档运算放大器。

第五章模拟信号的输入/输出

(1)硬件滤波电路设计：滤波电路作用：滤除传感器器件传来的混在信号中的干扰成分。（可以省略设计不？）

设计步骤：首先：设计前分析有用信号的频谱和干扰信号的频谱，只有当两者的频谱明显分开时，硬件滤波电路才能发挥作用。

第五章模拟信号的输入/输出

其次：根据信号和干扰的频谱特性，选择低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器。为了降低成本，低通滤波器可用多节RC电路组成。此时前置放大器的输入阻抗应够高，以避免RC滤波环节对有用信号的衰减。

最后：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，就需要采用调制／解调技术将有用信号的频谱进行搬移，从而分离有用信号和干扰信号的频谱。

第五章模拟信号的输入/输出

(2)放大器设计：放大器作用：将信号放大到A／D转换器需要的幅度。

图5-1仪表放大器INA114原理图

外部电阻RS可调，实现放大倍数设置。偏值电压：实现放大器的窗口作用（Uo=KUi-Us）；Uo输出电压，Ui输入电压，Us偏置电压。

第五章模拟信号的输入/输出

(3)校准电路设计：

校准电路作用：使信号调理电路的参数满足要求。图5—1中，外部可调电阻Rg电路就是增益校准电路作用是通过仔细调节可调电阻Rg，使放大器的放大倍数等于设定值。

第五章模拟信号的输入/输出2.采样保持电路设计

所谓采样，就是将一个时间上连续变化的模拟量转化为时间上离散变化的模拟量。模拟信号的采样过程如图5-2a所示。其中uI(t)为输入模拟信号，uO(t)为输出模拟信号。采样过程的实质就是将连续变化的模拟信号变成一串等距不等幅的脉冲。采样的宽度往往是很窄的，为了使后续电路能很好的对这个采样结果进行处理，通常需要将采样结果存储起来，直到下次采样，这个过程称作保持,如图5-2b。采样器和保持电路一起总称为采样保持电路。图5-2a信号的采样过程

图5-2b采样保持电路及波形

第五章模拟信号的输入/输出3.A/D转换电路设计

A／D转换电路包括A／D转换芯片、基准电源电路和控制电路。

例1：P87LPC767单片机中的8位Ａ／Ｄ转换部件的功能;例2:TI的12位A/D转换芯片TLC2543。

第五章模拟信号的输入/输出第五章模拟信号的输入/输出图5—3aP87LPC767芯片的连接方法

Ｐ８７ＬＰＣ７６７内部带有一个四通道的８位Ａ／Ｄ转换器。四个Ｐ０口可选择为Ａ／Ｄ转换的输入。其Ａ／Ｄ转换的电源和参考电压与ＭＣＵ共用ＶＣＣ和ＶＳＳ。Ａ／Ｄ转换器包括一个４模拟多路开关选择器和一个８位逐次逼近ＡＤＣ。该Ａ／Ｄ转换器可由特殊功能寄存器ＡＤＣＯＮ控制，并可通过置位ＥＮＡＤＣ位来使能Ａ／Ｄ，同时可通过置位ＡＤＣＳ位来启动Ａ／Ｄ转换。转换完成时，将结果放入ＤＡＣ０中。第五章模拟信号的输入/输出

AIN0一AINl0为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DouT为A／D转换结果的三态串行输出端；Eoc为车结束端；CLK为I／O时钟；REF+为正基准电压端；REF一为负基准电压端；Vc为电源；G为地。工作时首先将片选端CS置低电平，然后用软件产生时钟脉冲并加到CLK在时钟脉冲作用下，TLC2543一方面从DOUT端口输出上次转换的结果，同时从DIN端C入下一次的操作指令(1字节)。图5—3bTLC2543芯片与单片机的连接图第五章模拟信号的输入/输出3.1.3其他A/D转换模式介绍

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