計(jì)算機(jī)控制過(guò)程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)課件

第三章

過(guò)程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1本章學(xué)習(xí)目的:解決微型計(jì)算機(jī)和外部的連接問(wèn)題，使計(jì)算機(jī)和外部構(gòu)成一個(gè)整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的基本問(wèn)題。

計(jì)算機(jī)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)無(wú)法進(jìn)行直接傳遞，這就需要在二者之間進(jìn)行信息傳遞和交換的裝置，這就是過(guò)程通道，是本章的主要內(nèi)容之一。

2本章主要內(nèi)容3.1

概述3.2模擬量輸入通道3.3

A/D與D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)3.4單片A/D轉(zhuǎn)換器及其與微處理器的接口3.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3.6模擬量輸出通道3.7本章總結(jié)3過(guò)程通道：計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。（AI、AO、DI、DO）微機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖5

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出接口(經(jīng)常被稱作生產(chǎn)過(guò)程通道)是計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程或外部設(shè)備之間交換信息的橋梁，也是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)過(guò)程控制的計(jì)算機(jī)，必須實(shí)時(shí)地了解被控對(duì)象的情況，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況發(fā)出各種控制命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，如果沒(méi)有輸入輸出接口的支持，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就失去了實(shí)用的價(jià)值。6接口的必要性速度不匹配，CPU速度快，外圍設(shè)備速度不盡相同數(shù)據(jù)格式不同，CPU以字節(jié)為單位傳送，外圍通道字長(zhǎng)可以是10位、12位等，有的要求串行傳送信號(hào)形式不匹配，CPU現(xiàn)在多為T(mén)TL電平標(biāo)準(zhǔn)，而外圍通道則有電子、機(jī)械、電磁等不同形式必須具有電平轉(zhuǎn)換、字/字節(jié)轉(zhuǎn)換、串/并轉(zhuǎn)換，為CPU提供外圍通道的狀態(tài)信息，地址譯碼電路、中斷申請(qǐng)、中斷屏蔽電路等72)I／O通道I／O通道：也稱為過(guò)程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。信號(hào)的輸入通路:模擬量、數(shù)字量信號(hào)的輸出通路:模擬量、數(shù)字量輸入和輸出通路的主要功能———實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號(hào)變換在微型機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間起到了紐帶和橋梁的作用

。9第二節(jié)Unit2模擬量輸入通道AnalogInputInterface10本節(jié)主要內(nèi)容模擬量輸入通道的一般組成信號(hào)處理多路模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可編程序放大器采樣與保持A/D轉(zhuǎn)換器控制電路11

模擬量輸入通道的一般組成

模擬輸入通道一般由信號(hào)處理、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器和控制器組成

A/D通道或AI通道131.信號(hào)處理：是整個(gè)控制系統(tǒng)中很重要的一環(huán)，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精度。信號(hào)處理主要包括：小信號(hào)放大、信號(hào)濾波、信號(hào)衰減、阻抗匹配、電平變換、非線性補(bǔ)償、電流/電壓電平轉(zhuǎn)換等2.多路轉(zhuǎn)換器：由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻只能接收一個(gè)回路的信號(hào)。所以，必須通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多選一的操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換14

目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開(kāi)關(guān)種類很多，并具有不同的功能和用途。如集成電路芯片CD4051(雙向、單端、8路)、CD4052(單向、雙端、4路)、AD7506(單向、單端、16路)等。

多個(gè)信號(hào)要共用一個(gè)模擬通道輸入微型機(jī)，需要多路轉(zhuǎn)換器，這種方式主要適用于A/D轉(zhuǎn)換芯片比較昂貴，信號(hào)路數(shù)比較多的情況，有些A/D轉(zhuǎn)換芯片帶有多路轉(zhuǎn)換器：如ADC0809、ADC0816。多路轉(zhuǎn)換器實(shí)際上就是多路開(kāi)關(guān)。

所謂雙向，就是該芯片既可以實(shí)現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換；而單向則只能完成多到一的切換。雙端是指芯片內(nèi)的一對(duì)開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信號(hào)的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。15

CD4051結(jié)構(gòu)原理圖

由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動(dòng)及開(kāi)關(guān)電路三部分組成1718擴(kuò)展電路當(dāng)采樣通道多至16路時(shí)，可直接選用16路模擬開(kāi)關(guān)的芯片，也可以將2個(gè)8路4051并聯(lián)起來(lái)，組成1個(gè)單端的16路開(kāi)關(guān)。

例題試用兩個(gè)CD4051擴(kuò)展成一個(gè)1×16路的模擬開(kāi)關(guān)。分析：圖示給出了兩個(gè)CD4051擴(kuò)展為1×16路模擬開(kāi)關(guān)的電路。數(shù)據(jù)總線D3～D0作為通道選擇信號(hào)，D3用來(lái)控制兩個(gè)多路開(kāi)關(guān)的禁止端。當(dāng)D3=0時(shí)，選中上面的多路開(kāi)關(guān)，此時(shí)當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S0～S7通道；當(dāng)D3=1時(shí)，經(jīng)反相器變成低電平，選中下面的多路開(kāi)關(guān)，此時(shí)當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S8～S15通道。如此，組成一個(gè)16路的模擬開(kāi)關(guān)。193.可編程序放大器：當(dāng)多路輸入的信號(hào)源電平相差較懸殊時(shí)，用同一增益的放大器去放大時(shí)，就有可能使低電平信號(hào)測(cè)量精度降低，而高電平信號(hào)則可能超出A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍?？删幊绦蚍糯笃魇且环N通用性比較強(qiáng)的高級(jí)放大器，根據(jù)需要用程序來(lái)改變放大系數(shù)。常用可編程放大器的兩種形式1）放大器并聯(lián)反饋電阻

通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻R來(lái)改變?cè)鲆?原理參見(jiàn)教材48頁(yè)2）采用增益可調(diào)的儀表放大器：如LH0086、LH0084、AM-542AM-543，原理參見(jiàn)教材第49、50頁(yè)

優(yōu)點(diǎn)：共模抑制能力強(qiáng)，輸入阻抗高，漂移低采用可編程序放大器，可通過(guò)程序來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使A/D轉(zhuǎn)信號(hào)滿量程達(dá)到均一化，以提高多路數(shù)據(jù)采集的精度。21

4.采樣與保持

當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化較快，而A/D轉(zhuǎn)換都要花一定的時(shí)間才能完成轉(zhuǎn)換過(guò)程。這樣就會(huì)造成一定的誤差。因?yàn)檗D(zhuǎn)換所得到的數(shù)字量不能真正代表發(fā)出轉(zhuǎn)換命令的那一瞬間所要轉(zhuǎn)換的電平，用采樣保持器對(duì)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行快速“采樣”，而在轉(zhuǎn)換過(guò)程中“保持”該信號(hào)。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器，而當(dāng)輸入的模擬信號(hào)變化很緩慢，不用采樣-保持器。

數(shù)據(jù)采樣定理（第1章內(nèi)容）

采樣保持器（原理圖見(jiàn)教材27頁(yè)）22

零階集成采樣保持器--常用的零階集成采樣保持器有AD582、LF198/298/398等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖(a)、(b)所示。這里，用TTL邏輯電平控制采樣和保持狀態(tài)，如AD582的采樣電平為“0”，保持電平為“1”，而LF198的則相反。集成采樣保持器

23技術(shù)指標(biāo)：精度0.01%采集時(shí)間：5μs輸入范圍：±10v增益：±1.00孔徑時(shí)間：50μs電源：±15V常用芯片：LF198/LF298/LF398高速采樣—保持放大器:H0023/LH0043C/LH0053選擇采樣—保持器時(shí)，主要應(yīng)考慮如下因素：

輸入信號(hào)變化率，有時(shí)還考慮多路轉(zhuǎn)換器的切換速度—確定時(shí)間應(yīng)為多少才不會(huì)超過(guò)誤差要求采樣保持器的性能指標(biāo)25第三節(jié)Unit3A/D與D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)

263.1.1D/A轉(zhuǎn)換器原理及器件（1）D/A轉(zhuǎn)換器工作原理

輸入的數(shù)字量是二進(jìn)制代碼按數(shù)位的組合，如任一個(gè)8位數(shù)DATA=D020+D121+D222+D323+D424+D525+ D626+D727

其中，Di=0或1，20，21，…，27分別為對(duì)應(yīng)數(shù)位的權(quán)碼。D/A轉(zhuǎn)換要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須先把每一位代碼按其“權(quán)”的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將各模擬分量相加，其總和就是與數(shù)字量相應(yīng)的模擬量。293.1.1D/A轉(zhuǎn)換器原理及器件（2）D/A轉(zhuǎn)換器的主要組成基準(zhǔn)電壓VREFT型（R-2R）電阻網(wǎng)絡(luò)位切換開(kāi)關(guān)BSi（i=0，1，…，n-1）運(yùn)算放大器A輸出電壓VOUT與輸入二進(jìn)制數(shù)D0~Dn-1的關(guān)系

VOUT=－VREF（D020+D121+D222+…+Dn-12n-1）/2n303.1.1D/A轉(zhuǎn)換器原理及器件（3）T型網(wǎng)絡(luò)組成的D/A轉(zhuǎn)換器原理圖（P20）VOUT=－VREF（D020+D121+D222+…+Dn-12n-1）/2n31

假設(shè)D3、D2、D1、D0全為1，則BS3、BS2、BS1、BS0全部與“1”端相連。根據(jù)電流定律，有：

由于開(kāi)關(guān)BS3-BS0的狀態(tài)是受要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)D3、D2、D1、D0控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通式：32考慮到放大器反相端為虛地，故：選取Rfb=R，可以得到：

對(duì)于n位D/A轉(zhuǎn)換器，它的輸出電壓VOUT與輸入二進(jìn)制數(shù)B(Dn-1～D0)的關(guān)系式可寫(xiě)成：

結(jié)論：由上述推導(dǎo)可見(jiàn)，輸出電壓除了與輸入的二進(jìn)制數(shù)有關(guān)，還與運(yùn)算放大器的反饋電阻

Rfb以及基準(zhǔn)電壓VREF有關(guān)。333.1.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片介紹D/A轉(zhuǎn)換器的種類按數(shù)字量輸入方式，有并行輸入和串行輸入按模擬量輸出方式電流輸出和電壓輸出按D/A轉(zhuǎn)換的分辯率低分辯率、中分辯率和高分辯率348位轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832（1）主要組成部分8位輸入寄存器8位DAC寄存器采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)的8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路分辨率為8位，電流輸出，穩(wěn)定時(shí)間1微秒(μs)，20腳雙列直插式封裝358位轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832（2）內(nèi)部原理框圖36

DAC0832的原理框圖及引腳如圖所示。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。8位輸入寄存器用于存放主機(jī)送來(lái)的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存；

8位DAC寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量；

8位D/A轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門(mén)、非與門(mén)組成的輸入控制電路來(lái)控制2個(gè)寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。378位轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832（3）8位轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832引腳主要功能DI0~DI7

：數(shù)據(jù)輸入線ILE、CS和WR1同時(shí)有效時(shí)，輸入寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D的電平變化而變化；當(dāng)LE1端為低電平“0”時(shí)，原D端輸入數(shù)據(jù)被鎖存于Q端，D端電平的變化不影響Q端當(dāng)WR2和XFER同時(shí)有效時(shí)，DAC寄存器LE2端為高電平“1”，此時(shí)將第一級(jí)８位輸入寄存器Q端的狀態(tài)鎖存到第二級(jí)8位DAC寄存器中，以便進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換原理參見(jiàn)P233812位轉(zhuǎn)換器芯片DAC1210（1）與8位DAC0832的兩點(diǎn)區(qū)別分辨率為12位，有12條數(shù)據(jù)輸入線（DI0~DI11），采用24腳雙立直插式封裝。可用字節(jié)控制信號(hào)BYTE1/2控制數(shù)據(jù)的輸入該信號(hào)為高電平時(shí)，12位數(shù)據(jù)（DI0~DI11）同時(shí)存入第一級(jí)的兩個(gè)輸入寄存器；當(dāng)該信號(hào)為低電平時(shí)，只將低4位數(shù)據(jù)（DI0~DI3）存入低4位輸入寄存器。

DAC1210--是一個(gè)12位D/A轉(zhuǎn)換器，電流輸出方式，其結(jié)構(gòu)原理與控制信號(hào)功能基本類似于DAC0832。由于它比DAC0832多了4條數(shù)據(jù)輸入線，故有24條引腳，DAC1210內(nèi)部原理框圖如圖所示，其同系列芯片DAC1208、DAC1209可以相互代換。3912位轉(zhuǎn)換器芯片DAC1210（2）DAC1210原理框圖40DAC1210內(nèi)部有三個(gè)寄存器：

一個(gè)8位輸入寄存器，用于存放12位數(shù)字量中的高8位DI11-DI4；一個(gè)4位輸入寄存器，用于存放12位數(shù)字量中的低4位DI3-DI0；一個(gè)12位DAC寄存器，存放上述兩個(gè)輸入寄存器送來(lái)的12位數(shù)字量；12位D/A轉(zhuǎn)換器用于完成12位數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。由與門(mén)、非與門(mén)組成的輸入控制電路來(lái)控制3個(gè)寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。其中引腳（片選信號(hào)、低電平有效）、（寫(xiě)信號(hào)、低電平有效）和BYTE1/（字節(jié)控制信號(hào)）的組合，用來(lái)控制8位輸入寄存器和4位輸入寄存器。41串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器AD7543（1）AD7543是CMOS單片串行輸入D/A轉(zhuǎn)換電路，其數(shù)字量輸入端僅有一條引線，12位數(shù)字量由高位到低位逐次一位位輸入AD7543的組成一個(gè)12位串行輸入并行輸出移位寄存器12位輸入寄存器12位D/A轉(zhuǎn)換電路42串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器AD7543（2）AD7543原理框圖VREFIOUT2IOUT1RFBAGNDDGNDVCCSRI12位D/A轉(zhuǎn)換器12位DAC寄存器12位串行輸入移位寄存器STB4STB3STB2STB1LD1LD2CLR43

3.2.1A/D轉(zhuǎn)換器原理及器件逐位逼近式A/D的工作原理從SAR輸出的數(shù)碼送至D/A，其輸出電壓Vf與模擬量輸入Vin比較后，再控制SAR的數(shù)字逼近Vin模擬量輸入數(shù)字量輸出寄存器D/A轉(zhuǎn)換器逐位逼近寄存器（SAR）控制時(shí)序和邏輯電路比較器－+Vf（反饋電壓）逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖D0~D73.2.1.1逐位逼近法（1）44

逐位逼近法（2）理想的2位A/D轉(zhuǎn)換器示意圖VREF+VREF－1D1D0來(lái)自SAR01001S00S01S02S03S10S11V0VINVfD/A轉(zhuǎn)換的輸出電壓Vf大小取決于正、負(fù)基準(zhǔn)電壓源（VREF+，VREF-）和開(kāi)關(guān)樹(shù)中各位開(kāi)關(guān)Sij的狀態(tài)(來(lái)自于SAR）45

逐位逼近法（3）對(duì)一個(gè)n位的逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換輸出的二進(jìn)制數(shù)字量B與輸入模擬電壓VIN、正基準(zhǔn)電壓VREF+、負(fù)基準(zhǔn)電壓VREF-的關(guān)系為設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器為８位，VREF+=5.00V，VREF-=0V，則VIN為0V、2.5V、5.0V對(duì)應(yīng)的數(shù)字量分別為00H、7FH、0FFH。463.2.2逐位逼近式A/D芯片介紹逐位逼近式A/D芯片品種很多，可滿足各種需要8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC080912位A/D轉(zhuǎn)換器芯片AD1674473.2.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（1）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)是一種間接A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。模擬電壓先轉(zhuǎn)換成積分時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，最后將代表模擬輸入電壓大小的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼輸出。轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要幾十毫秒。器件少、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、價(jià)格便宜，適用于非快速計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)或精度要求較高的地方。483.2.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（2）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理先對(duì)模擬輸入電壓Vin進(jìn)行固定時(shí)間t1的正向積分，積分器的輸出電壓上升的速率與輸入電壓Vin成正比當(dāng)固定時(shí)間t1到后，計(jì)數(shù)器清零，對(duì)積分器進(jìn)行反向積分，并自動(dòng)按一定的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。積分器的輸出電壓，從正向積分結(jié)束時(shí)的VI開(kāi)始以恒定的斜率下降，當(dāng)反向積分使其積分器輸出為零時(shí)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，完成一次A/D轉(zhuǎn)換工作。493.2.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（3）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器示意圖控制邏輯計(jì)數(shù)器時(shí)鐘+比較器－+積分器－123積分電容VOVIK數(shù)據(jù)輸出VinVREF

（基準(zhǔn)電壓）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的原理框圖t1VOt2tAVOt1t3tBtt1VI積分輸出t2t3AB雙積分A/D的工作示意圖50

3.2.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（4）常用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器芯片介紹MC14433其它芯片513.3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率:

分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，如8位、10位、12位等。分辨率為n，表示它可以對(duì)滿刻度的1/2n的變化量作出反應(yīng)。即：分辨率=滿刻度值/2n

引起輸出從一個(gè)數(shù)碼增加（或減少）到下一個(gè)相鄰數(shù)碼的最小輸入變化量522.量程：即所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍，一般片子有5V,10V切記：不能超過(guò)片子電壓電源。

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差來(lái)表示。所謂絕對(duì)誤差，是指對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差的大小由實(shí)際模擬量輸入值和理論值之差來(lái)度量。絕對(duì)誤差包括增益誤差，零點(diǎn)誤差和非線性誤差等。

相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù)LSB（LeastSignificantBit)）來(lái)表示，1LSB=1／2n。3.精度：53注意：精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得相對(duì)實(shí)際結(jié)果的準(zhǔn)確度。分辨率是指能對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。一般情況下，二者相等，但受溫度漂移，線性不良、噪聲影響，有時(shí)二者不等。如ADC121112位分辨率10位精度545.輸出邏輯電平：多為與TTL電平配合，有些與CMOS配合6.工作溫度范圍（略）7.對(duì)基準(zhǔn)電源的要求：基準(zhǔn)電源對(duì)精度產(chǎn)生影響，可外加精密電源4.轉(zhuǎn)換時(shí)間：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。如逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒級(jí)，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)。55

D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)是衡量芯片質(zhì)量的重要參數(shù)，也是選用D/A芯片型號(hào)的依據(jù)。主要性能指標(biāo)有：

（1）分辨率（2）轉(zhuǎn)換精度（3）穩(wěn)定時(shí)間（4）輸出形式（5）輸入編碼3.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)56

分辨率--是指D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出模擬增量，即當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)輸出模擬量的變化量，它取決于能轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)，數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率也就越高。其分辨率與二進(jìn)制位數(shù)n呈下列關(guān)系：分辨率

=VREF/2n1.分辨率：572.轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度--是指轉(zhuǎn)換后所得的實(shí)際值和理論值的接近程度。它和分辨率是兩個(gè)不同的概念。例如，滿量程時(shí)的理論輸出值為10V，實(shí)際輸出值是在9.99V~10.01V之間，其轉(zhuǎn)換精度為±10mV。對(duì)于分辨率很高的D/A轉(zhuǎn)換器并不一定具有很高的精度。58

穩(wěn)定時(shí)間--是描述D/A轉(zhuǎn)換速度快慢的一個(gè)參數(shù)，指從輸入數(shù)字量變化到輸出模擬量達(dá)到終值誤差1/2LSB時(shí)所需的時(shí)間。顯然，穩(wěn)定時(shí)間越大，轉(zhuǎn)換速度越低。對(duì)于輸出是電流的D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定時(shí)間是很快的，約幾微秒，而輸出是電壓的D/A轉(zhuǎn)換器，其穩(wěn)定時(shí)間主要取決于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間。3.穩(wěn)定時(shí)間：594.輸出形式；電壓型5～10V高電壓型24～30V電流型：20MA.3A5.輸入編碼：二進(jìn)制、BCD碼、偏移二進(jìn)制碼等60第四節(jié)Unit4單片A/D轉(zhuǎn)換器及其與微處理器的接口61本節(jié)主要內(nèi)容8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口（以ADC0809

為例）12位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口62首先考慮以下問(wèn)題A/D轉(zhuǎn)換的精度:分辨率、相對(duì)精度A/D轉(zhuǎn)換器的路數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的片子與微處理器的接線方式634.18位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809及其接口1．功能：8通道8位逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器可直接與微處理器相連，不需另加接口邏輯輸入輸出引腳電平與TTL電路兼容2.技術(shù)指標(biāo)：

分辨率：8位1/28≈0.39%

無(wú)漏碼轉(zhuǎn)換時(shí)間100μs

單一電源：0~+5v

帶有鎖存控制邏輯的8通道多路開(kāi)關(guān)。帶有鎖存器的三態(tài)輸出采用28腳雙立直插式封裝643.管腳圖65ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳66各引腳功能如下：

IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。上升沿時(shí)鎖存3位通道選擇信號(hào)。A、B、C：3位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時(shí)，地址譯碼與對(duì)應(yīng)通道選擇見(jiàn)表3-2。START：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)，輸入，高電平有效。上升沿時(shí)將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。該信號(hào)用來(lái)打開(kāi)三態(tài)輸出緩沖器，將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0～D7：8位數(shù)字量輸出。D0為最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)總線直接相連。67CLOCK：外部時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s。VR+，VR-：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作電源，5VDC。GND：電源地。68

表3-2被選通道和地址的關(guān)系CBA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN769

4.與Z80主機(jī)的典型連接方式工作過(guò)程1）選擇輸入通道,對(duì)ABC輸入端進(jìn)行編程2）輸出指令啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換3）EOC變高電平作為轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請(qǐng)求信號(hào)4）輸入指令讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果704.212位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口

工作過(guò)程（以ADC1211逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換器為例）：1.微處理器發(fā)出負(fù)脈沖START啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，脈沖寬度大于一個(gè)時(shí)鐘周期2.經(jīng)100μs轉(zhuǎn)換完成后，端由高變低，經(jīng)由反相緩沖器CD4009反相，單穩(wěn)DW延遲從端輸出負(fù)脈沖到,作為中斷請(qǐng)求信號(hào)。3.數(shù)據(jù)輸出端經(jīng)六反相緩沖器CH4009取反之后輸出偏移二進(jìn)制碼，加緩沖器的作用是使電路可靠工作。Q0～Q5:PA0～PA5Q6～Q7:PA6～PA7Q8～Q11:PB0～PB371第五節(jié)Unit5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)72一、典型結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是把生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)采集后以數(shù)字量的形式進(jìn)行存儲(chǔ)、整理、傳送、顯示或打印。完成這些任務(wù)的基本手段是模擬量輸入通道，其核心部分是A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮：分辨率（精度）

通道數(shù)

采集速度

成本典型結(jié)構(gòu)有：?jiǎn)瓮ǖ琅c多通道73

1.單通道2.多通道1）采用單通道方案2）對(duì)采樣—保持器進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換3）對(duì)放大器的輸入進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換，注意抗干擾問(wèn)題74二.數(shù)據(jù)采集的實(shí)例1.設(shè)計(jì)要求64路模擬量數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到0.4%每隔10ms檢測(cè)一路2.硬件設(shè)計(jì)(1)方案一以ADC0809為A/D轉(zhuǎn)換器，需8片占有8個(gè)口地址方案二以CD4051組成多路轉(zhuǎn)換（1）8片CD4051一級(jí)地址譯碼，占用8個(gè)口地址，再加上A、B、C三端選擇75（2）8片CD4051二級(jí)地址譯碼，加一個(gè)8D鎖存器和一個(gè)138譯碼器，用一個(gè)口地址。比較兩種方案，方案二比較合理8D鎖存器：74LS259373A/D轉(zhuǎn)換器：8位ADC080412位ADC12118212：8位I/O緩沖器，數(shù)碼寄存器：輸入控制：器件選擇T4LS138:4、5端Q2為低電平6端為高電平工作原理：64路模擬量經(jīng)過(guò)多路轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換為一路模擬量，再經(jīng)采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換器再經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖器8212送到CPU總線。2硬件設(shè)計(jì)(2)76

2硬件設(shè)計(jì)(3)

1）地址譯碼：和或非輸入8D鎖存器:D0～D2:CD4051的A、B、C三端D3～D5：8個(gè)CD4051片選信號(hào)D6～D7：74LS138控制端2）A/D轉(zhuǎn)換器選擇:或非3）8212八位I/O接口：2片12根或8根數(shù)據(jù)線，一根狀態(tài)信號(hào)根77

3.軟件設(shè)計(jì)10ms檢測(cè)一路：CTC定時(shí)，軟件延時(shí)1）CTC定時(shí)（1）通道控制字：定時(shí)、自動(dòng)啟動(dòng)、上升沿啟動(dòng)定標(biāo)系數(shù)256允