模擬量輸入通道

模擬量輸入通道第1頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

引言

3.1信號調(diào)理電路

3.2多路模擬開關(guān)

3.3前置放大器

3.4采樣保持器

3.5A/D轉(zhuǎn)換器

3.6A/D轉(zhuǎn)換模板

本章小結(jié)

思考題

本章主要內(nèi)容第2頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五引言

模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號。結(jié)構(gòu)組成如圖3-1所示，來自于工業(yè)現(xiàn)場傳感器或變送器的多個模擬量信號首先需要進(jìn)行信號調(diào)理，然后經(jīng)多路模擬開關(guān)，分時切換到后級進(jìn)行前置放大、采樣保持和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，通過接口電路以數(shù)字量信號進(jìn)入主機(jī)系統(tǒng)，從而完成對過程參數(shù)的巡回檢測任務(wù)。第3頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

顯然，該通道的核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，通常把模擬量輸入通道稱為A/D通道或AI通道。第4頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.1信號調(diào)理電路

在控制系統(tǒng)中，對被控量的檢測往往采用各種類型的測量變送器，當(dāng)它們的輸出信號為0-10mA或4-20mA的電流信號時，一般是采用電阻分壓法把現(xiàn)場傳送來的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，以下是兩種變換電路。

1.無源I/V變換

2.有源I/V變換

第5頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五1.無源I/V變換

無源I/V變換電路是利用無源器件—電阻來實現(xiàn)，加上RC濾波和二極管限幅等保護(hù)，如圖3-2（a）所示，其中R2為精密電阻。對于0-10mA輸入信號，可取R1=100Ω，R2=500Ω，這樣當(dāng)輸入電流在0-10mA量程變化時，輸出的電壓就為0-5V范圍；而對于4-20mA輸入信號，可取R1=100Ω，R2=250Ω，這樣當(dāng)輸入電流為4-20mA時，輸出的電壓為1-5V。第6頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

圖3-2電流/電壓變換電路

第7頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五2.有源I/V變換

有源I/V變換是利用有源器件——運算放大器和電阻電容組成，如圖3-2（b）所示。利用同相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為

(3-1)

若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，則輸入電流I的0~10mA就對應(yīng)電壓輸出V的0~5V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，則4~20mA的輸入電流對應(yīng)于1~5V的電壓輸出。

第8頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.2多路模擬開關(guān)主要知識點

引言

3.2.1結(jié)構(gòu)原理

3.2.2擴(kuò)展電路第9頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五引言

由于計算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測參數(shù)的變化，因此一臺計算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個檢測回路使用，但計算機(jī)在某一時刻只能接收一個回路的信號。所以，必須通過多路模擬開關(guān)實現(xiàn)多選1的操作，將多路輸入信號依次地切換到后級。目前，計算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開關(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。所謂雙向，就是該芯片既可以實現(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)的一對開關(guān)同時動作，從而完成差動輸入信號的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。第10頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.2.1結(jié)構(gòu)原理

現(xiàn)以常用的CD4051為例，8路模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖3-3所示。CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路三部分組成。當(dāng)禁止端為“1”時，前后級通道斷開，即S0~S7端與Sm端不可能接通；當(dāng)為“0”時，則通道可以被接通，通過改變控制輸入端C、B、A的數(shù)值，就可選通8個通道S0~S7中的一路。比如：當(dāng)C、B、A=000時，通道S0選通；當(dāng)C、B、A=001時，通道S通；……當(dāng)C、B、A=111時，通道S7選通。其真值表如表3-1所示。第11頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五圖3-3CD4051結(jié)構(gòu)原理圖

鏈接動畫第12頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五第13頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.2.2擴(kuò)展電路

當(dāng)采樣通道多至16路時，可直接選用16路模擬開關(guān)的芯片，也可以將2個8路4051并聯(lián)起來，組成1個單端的16路開關(guān)。

例題3-1試用兩個CD4051擴(kuò)展成一個1×16路的模擬開關(guān)。

例題分析：圖3-4給出了兩個CD4051擴(kuò)展為1×16路模擬開關(guān)的電路。數(shù)據(jù)總線D3~D0作為通道選擇信號，D3用來控制兩個多路開關(guān)的禁止端。當(dāng)D3=0時，選中上面的多路開關(guān)，此時當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S0~S7通道；當(dāng)D3=1時，經(jīng)反相器變成低電平，選中下面的多路開關(guān)，此時當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S8~S15通道。如此，組成一個16路的模擬開關(guān)。第14頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五圖3-4多路模擬開關(guān)的擴(kuò)展電路鏈接動畫第15頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.3前置放大器主要知識點

引言

3.3.1測量放大器

3.3.2可變增益放大器

第16頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五引言

前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;

對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進(jìn)行單端同相放大或單端反相放大。如圖3-5所示，信號源的一端若接放大器的正端為同相放大，同相放大電路的放大倍數(shù)G=1+R2/R1；

若信號源的一端接放大器的負(fù)端為反相放大，反相放大電路的放大倍數(shù)G=－R2/R1。當(dāng)然，這兩種電路都是單端放大，所以信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地。第17頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

圖3-5放大電路

鏈接動畫第18頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.3.1測量放大器

在實際工程中,來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號往往帶有較大的共模干擾，而單個運放電路的差動輸入端難以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一組運放構(gòu)成的測量放大器，也稱儀表放大器，如圖3-6(a)所示。

經(jīng)典的測量放大器是由三個運放組成的對稱結(jié)構(gòu)，測量放大器的差動輸入端VIN和VIN分別是兩個運放A1、A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對稱地直接與被測信號相連，因而有著極強(qiáng)的抑制共模干擾能力。第19頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負(fù)載(外接)外接地TUOV(外接)(a)經(jīng)典的前置放大器圖3-6前置放大器

鏈接動畫第20頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

圖中RG是外接電阻，專用來調(diào)整放大器增益的。因此，放大器的增益G與這個外接電阻RG有著密切的關(guān)系。增益公式為

(3-2)

目前這種測量放大器的集成電路芯片有多種，如AD521/522、INA102等。第21頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.3.2可變增益放大器

在A/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測信號常常共用一個測量放大器，而各路的輸入信號大小往往不同，但都要放大到A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對應(yīng)于各路不同大小的輸入信號，測量放大器的增益也應(yīng)不同。具有這種性能的放大器稱為可變增益放大器或可編程放大器，如圖3-6(b)所示。第22頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3A2A-NIN負(fù)載(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314Ω630Ω-+1AIV+(b)可變增益放大器圖3-6前置放大器鏈接動畫第23頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

把圖3-6（a）中的外接電阻RG換成一組精密的電阻網(wǎng)絡(luò)，每個電阻支路上有一個開關(guān)，通過支路開關(guān)依次通斷就可改變放大器的增益，根據(jù)開關(guān)支路上的電阻值與增益公式，就可算得支路開關(guān)自上而下閉合時的放大器增益分別為2、4、8、16、32、64、128、256倍。顯然，這一組開關(guān)如果用多路模擬開關(guān)(類似CD4051)就可方便地進(jìn)行增益可變的計算機(jī)數(shù)字程序控制。此類集成電路芯片有AD612/614等。第24頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.4采樣保持器

當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，如果輸入信號變化較快，就會引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器。

3.4.1數(shù)據(jù)采樣定理

3.4.2采樣保持器第25頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.4.1數(shù)據(jù)采樣定理離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)--把連續(xù)變化的量變成離散量后再進(jìn)行處理的計算機(jī)控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的采樣形式--有周期采樣、多階采樣和隨機(jī)采樣。應(yīng)用最多的是周期采樣。周期采樣--就是以相同的時間間隔進(jìn)行采樣，即把一個連續(xù)變化的模擬信號y(t)，按一定的時間間隔T轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r0，T，2T，…的一連串脈沖序列信號

y*(t)，如圖3-7所示。第26頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五采樣器的常用術(shù)語：采樣器或采樣開關(guān)--執(zhí)行采樣動作的裝置，采樣時間或采樣寬度τ--采樣開關(guān)每次閉合的時間采樣周期T--采樣開關(guān)每次通斷的時間間隔在實際系統(tǒng)中，《T

，也就是說，可以近似地認(rèn)為采樣信號y*(t)是y(t)在采樣開關(guān)閉合時的瞬時值。圖3-7信號的采樣過程鏈接動畫第27頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

由經(jīng)驗可知，采樣頻率越高，采樣信號

y*(t)越接近原信號y(t)，但若采樣頻率過高，在實時控制系統(tǒng)中將會把許多寶貴的時間用在采樣上，從而失去了實時控制的機(jī)會。為了使采樣信號y*(t)既不失真，又不會因頻率太高而浪費時間，我們可依據(jù)香農(nóng)采樣定理。香農(nóng)定理指出：為了使采樣信號y*(t)能完全復(fù)現(xiàn)原信號y(t)，采樣頻率f至少要為原信號最高有效頻率fmax的2倍，即f2fmax。采樣定理給出了y*(t)唯一地復(fù)現(xiàn)y(t)所必需的最低采樣頻率。實際應(yīng)用中，常取f（5~10）fmax。第28頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.4.2采樣保持器

1、零階采樣保持器--零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻。它的組成原理電路與工作波性如圖3-8(a)、(b)所示。采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器A1、A2和采樣開關(guān)S、保持電容CH等組成。采樣期間，開關(guān)S閉合，輸入電壓VIN通過A1對CH快速充電，輸出電壓VOUT跟隨VIN變化；保持期間，開關(guān)S斷開，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下電容CH將保持電壓VC不變，因而輸出電壓VOUT=VC也保持恒定。第29頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

圖3-8采樣保持器鏈接動畫第30頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

顯然，保持電容CH的作用十分重要。實際上保持期間的電容保持電壓VC在緩慢下降，這是由于保持電容的漏電流所致。保持電壓VC的變化率為

(3-3)式中：ID--為保持期間電容的總泄漏電流，它包括放大器的輸入電流、開關(guān)截止時的漏電流與電容內(nèi)部的漏電流等。電容CH值--增大電容CH值可以減小電壓變化率，但同時又會增加充電即采樣時間，因此保持電容的容量大小與采樣精度成正比而與采樣頻率成反比。一般情況下，保持電容CH是外接的，所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高質(zhì)量的電容器，容量為510~1000pF。第31頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五2、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3-9(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。圖3－9集成采樣保持器

第32頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

在A/D通道中，采樣保持器的采樣和保持電平應(yīng)與后級的A/D轉(zhuǎn)換相配合，該電平信號既可以由其它控制電路產(chǎn)生，也可以由A/D轉(zhuǎn)換器直接提供?？傊３制髟诓蓸悠陂g，不啟動A/D轉(zhuǎn)換器，而一旦進(jìn)入保持期間，則立即啟動A/D轉(zhuǎn)換器，從而保證A/D轉(zhuǎn)換時的模擬輸入電壓恒定，以確保A/D轉(zhuǎn)換精度（可參見圖3-198路12位A/D轉(zhuǎn)換模板電路）。第33頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.5A/D轉(zhuǎn)換器

3.5.1工作原理與性能指標(biāo)

3.5.2ADC0809及其接口電路

3.5.3AD574A芯片及其接口電路

主要知識點第34頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.5.1工作原理與性能指標(biāo)

1．逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

2．雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理

3．電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理

4．A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

第35頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五1．逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

一個n位A/D轉(zhuǎn)換器是由n位寄存器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、運算比較器、控制邏輯電路、輸出鎖存器等五部分組成?，F(xiàn)以4位A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量9轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)1001為例，說明逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。如圖3-10所示。

第36頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五圖3-10逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖

鏈接動畫第37頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

當(dāng)啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下，

首先使寄存器的最高位D31，其余為0，此數(shù)字量1000經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即VO8，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量VIN=9進(jìn)行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進(jìn)行判斷。當(dāng)VIN

VO，則保留D3=1；

再對下一位D2進(jìn)行比較，同樣先使D21，與上一位D3位一起即1100進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為VO12再進(jìn)入比較器，與VIN9比較，因VIN

VO，則使D20；

再下一位D1位也是如此，D11即1010，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO=10，再與VIN9比較，因VIN

VO，則使D10；

最后一位D01-即1001經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO9，再與VIN9比較，因VIN

VO，保留D01。比較完畢，寄存器中的數(shù)字量1001即為模擬量9的轉(zhuǎn)換結(jié)果，存在輸出鎖存器中等待輸出。第38頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

一個n位A/D轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換表達(dá)式是（3-4）式中n

——n位A/D轉(zhuǎn)換器；

VR+、VR-

——基準(zhǔn)電壓源的正、負(fù)輸入；

VIN——要轉(zhuǎn)換的輸入模擬量；

B——轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)字量。即當(dāng)基準(zhǔn)電壓源確定之后，n位A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量B與要轉(zhuǎn)換的輸入模擬量VIN呈正比。第39頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

例題3-2：一個8位A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)VR+=5.02V，VR=0V，計算當(dāng)VIN分別為0V、2.5V、5V時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量。解：把已知數(shù)代入公式（3-4）：

0V、2.5V、5V時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量分別為00H、80H、FFH。此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有普通型8位單路ADC0801～ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等，混合集成高速型12位單路AD574A、ADC803等。第40頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五2．雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理

圖3-11雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖

第41頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理如圖3-11所示，在轉(zhuǎn)換開始信號控制下，開關(guān)接通模擬輸入端，輸入的模擬電壓VIN在固定時間T內(nèi)對積分器上的電容C充電（正向積分），時間一到，控制邏輯將開關(guān)切換到與VIN極性相反的基準(zhǔn)電源上，此時電容C開始放電（反向積分），同時計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)比較器判定電容C放電完畢時就輸出信號，由控制邏輯停止計數(shù)器的計數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正比于放電時間。放電時間T1或T2又正比于輸入電壓VIN，即輸入電壓大，則放電時間長，計數(shù)器的計數(shù)值越大。因此，計數(shù)器計數(shù)值的大小反映了輸入電壓VIN在固定積分時間T內(nèi)的平均值。此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為3位半BCD碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)）的ICL7107、MC14433、輸出為4位半BCD碼的ICL7135等。

第42頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3．電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理電壓/頻率式轉(zhuǎn)換器--簡稱V/F轉(zhuǎn)換器，是把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的器件。V/F轉(zhuǎn)換的方法--實現(xiàn)V/F轉(zhuǎn)換的方法很多，現(xiàn)以常見的電荷平衡V/F轉(zhuǎn)換法說明其轉(zhuǎn)換原理，如圖3-12（a）、（b）所示。第43頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

(a)電路原理圖

圖3-12電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換原理第44頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

A1是積分輸入放大器，A2為零電壓比較器，恒流源IR和開關(guān)S構(gòu)成A1的反充電回路，開關(guān)S由單穩(wěn)態(tài)定時器觸發(fā)控制。當(dāng)積分放大器A1的輸出電壓VO下降到零伏時，零電壓比較器A2輸出跳變，則觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)定時器，即產(chǎn)生暫態(tài)時間為T1的定時脈沖，并使開關(guān)S閉合；同時又使晶體管T截止，頻率輸出端VfO輸出高電平。第45頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

在開關(guān)S閉合期間，恒流源IR被接入積分器的㈠輸入端。由于電路是按IR＞Vimax/Ri設(shè)計的，故此時電容C被反向充電，充電電流為IR-Vi/Ri，則積分器A1輸出電壓VO從零伏起線性上升。當(dāng)定時T1時間結(jié)束，定時器恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，使開關(guān)S斷開，反向充電停止，同時使晶體管T導(dǎo)通，VfO端輸出低電平。第46頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

開關(guān)S斷開后，正輸入電壓Vi開始對電容C正向充電，其充電電流為Vi/Ri，則積分器A1輸出電壓VO開始線性下降。當(dāng)VO=0時，比較器A2輸出再次跳變，又使單穩(wěn)態(tài)定時器產(chǎn)生T1時間的定時脈沖而控制開關(guān)S再次閉合，A1再次反向充電，同時VfO端又輸出高電平。如此反復(fù)下去，就會在積分器A1輸出端VO、單穩(wěn)態(tài)定時器脈沖輸出端和頻率輸出端VfO端產(chǎn)生如圖3-12（b）所示的波形，其波形的周期為T。第47頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

根據(jù)反向充電電荷量和正向充電電荷量相等的電荷平衡原理，可得（3-5）整理得（3-6）則VfO端輸出的電壓頻率為（3-7）第48頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五這個fO就是由Vi轉(zhuǎn)換而來的輸出頻率，兩者成線性比例關(guān)系。由上式可見，要精確地實現(xiàn)V/F變換，要求IR、Ri和T1應(yīng)準(zhǔn)確穩(wěn)定。積分電容C雖沒有出現(xiàn)在上式中，但它的漏電流將會影響到充電電流Vi/Ri，從而影響轉(zhuǎn)換精度。為此應(yīng)選擇漏電流小的電容。此種V/F轉(zhuǎn)換器的常用品種有VFC32、LM131/LM231/LM331、AD650、AD651等。

第49頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五（1）分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對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)來表示，如8位、10位、12位等。分辨率為n，表示它可以對滿刻度的1/2n的變化量作出反應(yīng)。即：分辨率=滿刻度值/2n

4．A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)第50頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對誤差和相對誤差來表示。所謂絕對誤差，是指對應(yīng)于一個給定數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差的大小由實際模擬量輸入值和理論值之差來度量。絕對誤差包括增益誤差，零點誤差和非線性誤差等。相對誤差是指絕對誤差與滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來表示，對A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù)LSB（LeastSignificantBit)）來表示，1LSB=1／2n

。（2）轉(zhuǎn)換精度

第51頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

例如，對于一個8位0~5V的A/D轉(zhuǎn)換器，如果其相對誤差為±1LSB，則其絕對誤差為±19.5mV，相對百分誤差為0.39％。一般來說，位數(shù)n越大，其相對誤差（或絕對誤差）越小。第52頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五（3）轉(zhuǎn)換時間

A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。如逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為微秒級，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為毫秒級。下面介紹幾種典型芯片及其與PC總線的接口電路。第53頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.5.2ADC0809及其接口電路主要知識點

1、ADC0809芯片介紹

2．ADC0809接口電路第54頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五1、ADC0809芯片介紹1、ADC0809芯片介紹8位逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為1/28≈0.39%模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是0-+5V標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時間為100s采用28腳雙立直插式封裝第55頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五圖3-13ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳鏈接動畫第56頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五各引腳功能如下：

IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。上升沿時鎖存3位通道選擇信號。A、B、C：3位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時，地址譯碼與對應(yīng)通道選擇見表3-2。START：啟動A/D轉(zhuǎn)換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(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。第57頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五CLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時，A/D轉(zhuǎn)換時間為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。第58頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

表3-2被選通道和地址的關(guān)系CBA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7第59頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時序圖3-14ADC0809的轉(zhuǎn)換時序第60頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

其轉(zhuǎn)換過程表述如下：首先ALE的上升沿將地址代碼鎖存、譯碼后選通模擬開關(guān)中的某一路，使該路模擬量進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器中。同時START的上升沿將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿起動A/D轉(zhuǎn)換，即在時鐘的作用下，逐位逼近過程開始，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC即變?yōu)榈碗娖健．?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC恢復(fù)高電平，此時，如果對輸出允許OE輸入一高電平命令，則可讀出數(shù)據(jù)。第61頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五2．ADC0809接口電路

A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路主要是解決主機(jī)如何分時采集多路模擬量輸入信號的，即主機(jī)如何啟動A/D轉(zhuǎn)換，如何判斷A/D完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，如何讀入并存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的。下面僅介紹兩種典型的接口電路。

（1）查詢方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

（2）定時方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

第62頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五（1）查詢方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)圖3-15為采用程序查詢方式的8路8位A/D轉(zhuǎn)換接口電路，由PC總線、ADC0809以及138譯碼器、74LS02非與門（即或非門）與74LS126三態(tài)緩沖器組成。圖中，啟動轉(zhuǎn)換的板址PA=01000000，每一路的口址分別為000-111，故8路轉(zhuǎn)換地址為40H-47H。第63頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五圖3-15查詢方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)鏈接動畫第64頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五接口程序如下：

MOVBX，BUFF；置采樣數(shù)據(jù)區(qū)首址

MOVCX，08H；８路輸入START：OUTPA，AL；啟動A/D轉(zhuǎn)換

REOC：INAL，PB；讀EOCRCRAL，01；判斷EOCJNCREOC；若EOC=0，繼續(xù)查詢

INAL，PA；若EOC=1，讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

MOV[BX]，AL；存A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

INCBX；存A/D轉(zhuǎn)換數(shù)地址加1INCPA；接口地址加1LOOPSTART；循環(huán)第65頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五現(xiàn)說明啟動轉(zhuǎn)換過程：

首先主機(jī)執(zhí)行一條啟動轉(zhuǎn)換第1路的輸出指令，即是把AL中的數(shù)據(jù)送到地址為PA的接口電路中，此時AL中的內(nèi)容無關(guān)緊要，而地址PA=40H使138譯碼器的輸出一個低電平，連同OUT輸出指令造成的低電平，從而使非與門02（3）產(chǎn)生脈沖信號到引腳ALE和START，ALE的上升沿將通道地址代碼000鎖存并進(jìn)行譯碼，選通模擬開關(guān)中的第一路VIN0，使該路模擬量進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器中；同時START的上升沿將ADC0809中的逐位逼近寄存器SAR清零,下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，即在時鐘的作用下，逐位逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程開始。第66頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

接著，主機(jī)查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC的狀態(tài)，通過執(zhí)行輸入指令，即是把地址為PB的轉(zhuǎn)換接口電路的數(shù)據(jù)讀入AL中，此時地址PB=01001000（48H），使138譯碼器的輸出一個低電平，連同IN輸入指令造成的低電平，從而使非與門02（1）產(chǎn)生脈沖信號并選通126三態(tài)緩沖器，使EOC電平狀態(tài)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線D0上。然后將讀入的8位數(shù)據(jù)進(jìn)行帶進(jìn)位循環(huán)右移，以判斷EOC的電平狀態(tài)。如果EOC為“0”，表示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，程序再跳回REOC，反復(fù)查詢；當(dāng)EOC為“1”，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。第67頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

然后，主機(jī)便執(zhí)行一條輸入指令，把接口地址為PA的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入AL中，即是輸出一個低電平，連同IN輸入指令造成的低電平，從而使非與門02（2）產(chǎn)生脈沖信號，即產(chǎn)生輸出允許信號到OE，使ADC0809內(nèi)部的三態(tài)輸出鎖存器釋放轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，并被讀入到AL中。接下來，把A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入寄存器BX所指的數(shù)據(jù)區(qū)首地址0000H中，數(shù)據(jù)區(qū)地址加1，為第2路A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存放作準(zhǔn)備；接口地址加1，準(zhǔn)備接通第2路模擬量信號；計數(shù)器減1，不為0則返回到START，繼續(xù)進(jìn)行下一路的A/D轉(zhuǎn)換。如此循環(huán)，直至完成8路A/D轉(zhuǎn)換。第68頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五（2）定時方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

定時方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)的電路組成如圖3-16所示，它與查詢方式不同的僅僅在于啟動A/D轉(zhuǎn)換后，無需查詢EOC引腳狀態(tài)而只需等待轉(zhuǎn)換時間，然后讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)。因此，硬件電路可以取消126三態(tài)緩沖器及其控制電路，軟件上也相應(yīng)地去掉查詢EOC電平的REOC程序段，而換之以調(diào)用定時子程序（CALLDELAY）即可。這里定時時間應(yīng)略大于ADC0809的實際轉(zhuǎn)換時間。圖中，ADC0809的CLOCK引腳（輸入時鐘頻率）為640KHz，因此轉(zhuǎn)換時間為8×8個時鐘周期，相當(dāng)于100μS。第69頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五圖3-16定時方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

鏈接動畫第70頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

顯然，定時方式比查詢方式簡單，但前提是必須預(yù)先精確地知道A/D轉(zhuǎn)換芯片完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間。這兩種方法的共同點是硬軟件接口簡單，但在轉(zhuǎn)換期間獨占了CPU時間，好在這種逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換的時間只在微秒數(shù)量級。當(dāng)選用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器時，因其轉(zhuǎn)換時間在毫秒級，因此采用中斷法讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)的方式更為適宜。因此，在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，究竟采用何種接口方式要根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器芯片而定。第71頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率約為0.0039，轉(zhuǎn)換精度在0.4％以下,這對一些精度要求比較高的控制系統(tǒng)而言是不夠的，因此要采用更多位的A/D轉(zhuǎn)換器，如10位、12位、14位等A/D轉(zhuǎn)換器。下面以AD574A為例介紹12位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路。第72頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.5.3AD574A芯片及其接口電路

主要知識點

1．AD574A芯片介紹

2.AD574A接口電路第73頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五1．AD574A芯片介紹1．AD574A芯片介紹AD574A是一種高性能的12位逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為1/212=0.024%轉(zhuǎn)換時間為25μs,適合于在高精度快速采樣系統(tǒng)中使用內(nèi)部結(jié)構(gòu)大體與ADC0809類似，由12位A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、三態(tài)輸出鎖存緩沖器與10V基準(zhǔn)電壓源構(gòu)成，可以直接與主機(jī)數(shù)據(jù)總線連接，但只能輸入一路模擬量AD574A也采用28腳雙立直插式封裝第74頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

圖3-17AD574A原理框圖及引腳第75頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五各引腳功能如下：Vcc：工作電源正端，+12VDC或+15VDC。VEE：工作電源負(fù)端，12VDC或15VDC。VL：邏輯電源端，+5VDC。雖然使用的工作電源為12VDC或15VDC，但數(shù)字量輸出及控制信號的邏輯電平仍可直接與TTL兼容。DGND，AGND：數(shù)字地，模擬地。REFOUT：基準(zhǔn)電壓源輸出端，芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源為+10.00V1％。REFIN：基準(zhǔn)電壓源輸入端，如果REFOUT通過電阻接至REFIN，則可用來調(diào)量程。第76頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，高電平表示正在轉(zhuǎn)換，低電平表示已轉(zhuǎn)換完畢。

DB0-DB11：12位輸出數(shù)據(jù)線，三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)線直接相連。

CE：片能用信號，輸入，高電平有效。：片選信號，輸入，低電平有效。

R/：讀/轉(zhuǎn)換信號，輸入，高電平為讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，低電平為起動A/D轉(zhuǎn)換。12/：數(shù)據(jù)輸出方式選擇信號，輸入，高電平時輸出12位數(shù)據(jù)，低電平時與A0信號配合輸出高8位或低4位數(shù)據(jù)。12/不能用TTL電平控制，必須直接接至+5V(引腳1)或數(shù)字地(引腳15)。第77頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五A0：字節(jié)信號，在轉(zhuǎn)換狀態(tài)，A0為低電平可使AD574A產(chǎn)生12位轉(zhuǎn)換，A0為高電平可使AD574A產(chǎn)生8位轉(zhuǎn)換。在讀數(shù)狀態(tài)，如果12/為低電平，A0為低電平時，則輸出高8位數(shù)，而A0為高電平時，則輸出低4位數(shù)；如果12/為高電平，則A0的狀態(tài)不起作用。CE、、R/、12/、A0各控制信號的組合作用，列于表3-4。注：×表示1或0都可以。第78頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

10VIN，20VIN，BIPOFF：模擬電壓信號輸入端。單極性應(yīng)用時，將BIPOFF接0V，雙極性時接10V。量程可以是10V，也可以是20V。輸入信號在10V范圍內(nèi)變化時，將輸入信號接至10VIN；在20V范圍內(nèi)變化時，接至20VIN。模擬輸入信號的幾種接法如表3-3所示，相應(yīng)電路如圖3-18所示。

表3-3模擬輸入信號的幾種接法第79頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五圖3-18AD574A的輸入信號連接方法

第80頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五2.AD574A接口電路

12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A與PC總線的接口有多種方式。既可以與PC總線的16位數(shù)據(jù)總線直接相連，構(gòu)成簡單的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；也可以只占用PC總線的低8位數(shù)據(jù)總線，將轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)字量分兩次讀入主機(jī)，以節(jié)省硬件投入。同樣，在A/D轉(zhuǎn)換器與PC總線之間的數(shù)據(jù)傳送上也可以使用程序查詢、軟件定時或中斷控制等多種方法。由于AD574A的轉(zhuǎn)換速度很高，一般多采用查詢或定時方式。其接口電路及其程序參見下一節(jié)。第81頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五3.6A/D轉(zhuǎn)換模板

在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，同模擬量輸出通道一樣，模擬量輸入通道也是以模板或板卡形式出現(xiàn)的，A/D轉(zhuǎn)換模板也需要遵循I/O模板的通用性原則：符合總線標(biāo)準(zhǔn)，接口地址可選以及輸入方式可選。前兩條同D/A模板一樣，而輸入方式可選主要是指模板既可以接受單端輸入信號也可以接受雙端差動輸入信號。在結(jié)構(gòu)組成上，A/D轉(zhuǎn)換模板也是按照I/O電氣接口、I/O功能邏輯和總線接口邏輯三部分布局的。其中。I/O電氣接口完成電平轉(zhuǎn)換、濾波、隔離等信號調(diào)理作用，I/O功能部分實現(xiàn)采樣、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，總線接口完成數(shù)據(jù)緩沖、地址譯碼等功能。第82頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五第83頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五

圖3-19是一種8路12位A/D轉(zhuǎn)換模板的示例。圖中只給出了總線接口與I/O功能實現(xiàn)部分，由8路模擬開關(guān)CD4051、采樣保持器LF398、12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A和并行接口芯片8255A等組成。該模板的主要技術(shù)指標(biāo)如下：分辨率：12位通道數(shù)：單端8路輸入量程：單極性0~10V

轉(zhuǎn)換時間：25μs

傳送應(yīng)答方式：查詢第84頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五該模板采集數(shù)據(jù)的過程如下：

(1)通道選擇將模擬量輸入通道號寫入8255A的端口C低4位（PC3~PC0），可以依次選通8路通道。

(2)采樣保持控制把AD574A的信號通過反相器連到LF398的信號采樣保持端，當(dāng)AD574A未轉(zhuǎn)換期間或轉(zhuǎn)換結(jié)束時＝0，使LF398處于采樣狀態(tài)，當(dāng)AD574A轉(zhuǎn)換期間＝1，使LF398處于保持狀態(tài)。

(3)啟動AD574A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換通過8255A的端口PC6~PC4輸出控制信號啟動AD574A。第85頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五（4）查詢AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束讀8255A的端口A，查詢是否已由高電平變?yōu)榈碗娖?。?）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果若已由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑒t讀8255A端口A、B，便可得到12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。設(shè)8255A的A、B、C端口與控制寄存器的地址為2C0H-2C3H，主過程已對8255A初始化，且已裝填DS、ES(兩者段基值相同)，采樣值存入數(shù)據(jù)段中的采樣值緩沖區(qū)BUF，另定義一個8位內(nèi)存單元BUF1。該過程的數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖3-20所示，數(shù)據(jù)采集程序如下：第86頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五圖3-208路數(shù)據(jù)采集程序框圖

第87頁，共91頁，2023年，2月20日，星期五AD574APROCNEAR；過程定義偽指令

MOVCX，8；計數(shù)器初始

CLD；標(biāo)志位DF清零

MOVAL，00000000B；

MOVBUF1，AL；CE=0，=0，R/=0，=B=A=0，控制信號初始，通道號初始

LEABX，BUF；置采樣緩沖區(qū)首址

NEXTCH：MOVDX，2C2H；8255A的PC口址

MOVAL，BUF1

OUTDX，AL