多路模似轉換器

1、12.2.2模擬I/O通道建立1. 模擬I/O通道概述1）模擬輸入通道微機系統(tǒng)的模擬輸入通道，就是微機用來對單個或多個模擬量進行采集的A/D通道，有時也叫前向通道。 建立模擬輸入通道的目的，通常是為了進行參數(shù)測量或數(shù)據(jù)采集。它的核心部件是A/D轉換器及其與微處理器的接口。但在許多情況下僅有它們還不夠，按照實 際模數(shù)轉換的四個步驟，常常還需要用到采樣保持器等電路；在需要采集或檢測多個模擬信號的A/D通道中，一般還需要用到模擬多路開關。2）模擬輸出通道微機系統(tǒng)的模擬輸出通道，則是微機用來發(fā)送單路或多路模擬信號的D/A通道，有時也叫后向通道。建立模擬輸出通道的目的，主要是為了對外部參數(shù)進行控制或對被

2、采集的參數(shù)進行形象的記錄顯示，如在X Y記錄儀上繪出曲線，在示波器上畫出波形等。模擬輸出通道的基本組成部分同樣有三種：D/A轉換器及其與 MPU的接口，這是不可少的核心部件；數(shù)字或模擬寄存器；模擬多路開關。具體組成取決于通道結構的形式。2. 模擬輸入通道的結構形式模擬輸入通道的結構形式根據(jù)實際需要選定。粗分有單路通道和多路通道兩種；細分， 在單路、多路通道中又各有多種不同的形式。1）不帶采樣保持器的單路模擬輸入通道這種模擬輸入通道實際上就是第十一章講過的ADC及其與MPU的接口，結構最簡單，如圖12.2所示。一般只采集一個點的直流或低頻信號時，可采用這種通道結構。那么，信號的頻率低到什么程度可

3、以用它呢？要求模擬輸入電壓的最大變化率與A/D轉換器的轉換時間之間應滿足下列關系：dviVFS ? 1IT max w 歹'TCON7其中：Vi模擬輸入電壓；VfsADC滿刻度電壓值；n ADC分辨率（位數(shù)）；TconvADC轉換時間。為了更便于理解，不妨將上面關系式變換一下：=dVLITTVfs =max max CONV= q Vidrw 2該式表明，在ADC的轉換時間內(nèi)，輸入電壓的最大變化 Vi max應小于ADC的量化電平q。 例如，A/D轉換芯片的 Vfs=10V,n=10位，Tconv=0.1s,則要求輸入電壓的最大變化率不能超 過0.1V/S。如果超過這個值，在采用同樣A

4、DC芯片的情況下，就不能采用這種簡單的模入通道，而要采用帶采樣保持器的模入通道；如果還想采用這種簡單的模入通道，就必須改換速度更快或分辨率更高的 ADC芯片。2）帶采樣保持器的單路模擬輸入通道當模擬輸入信號的變化率比較大時，逐次比較式ADC會產(chǎn)生相當大的非線性誤差，這是它的一個缺點。為了改善這種情況，一般需要在ADC前面增加一個采樣保持電路 （S/H）,使模擬輸入通道變?yōu)槿鐖D 12.3所示的形式。圖12.2不帶采樣保持器的單路模擬輸入通道圖12.3帶采樣保持器的單路模擬輸入通道上述兩種單路模擬輸入通道只能采集一個模擬信號。當需要采集多個模擬信號時，就必須使用多路模擬輸入通道結構。多路模擬輸入通

5、道結構一般有兩類：各路獨立轉換的多路模入通道；各路分時轉換的多路模入通道。后者的結構形式通常又有兩種：同時采樣、分時轉換型和分時采樣、分時轉換型。下面分述這幾種多路模擬輸入通道結構。3) 各路獨立轉換的多路模擬輸入通道這種通道結構的特點是各路模擬輸入信號都對應有自己獨立的A/D轉換通道，因此可以允許對各路信號同時采樣、同時轉換，同時得到轉換結果，所以也叫同時采樣、同時轉換型多路模擬輸入通道，如圖12.4所示。這種結構的采樣頻率可以達到幾乎與單路一樣高，特別適合于要求描述系統(tǒng)性能的各項參數(shù)必須是同一時刻數(shù)據(jù)的高速采集、控制系統(tǒng)。4) 同時采樣、分時轉換型多路模擬輸入通道這種結構比前幾種多了一個模

6、擬多路開關(MUX Multiplexer)，以適應分時轉換的需要，如圖12.5所示。多路開關在這里是起多路選擇的作用，通過它可對各路采樣保持器的 輸出模擬信號順序地或隨機地切換到一個公共的ADC進行轉換。所以這種結構的工作原理和特點是： 各路同時采樣、分時轉換，或叫并行采樣、串行轉換。圖12.4 各路獨立轉換的多路模擬輸入通道圖12.5同時采樣、分時轉換型多路模擬輸入通道這種結構的模擬輸入通道，只用了一個ADC，與前一種結構相比，其優(yōu)點是顯然的,即節(jié)省了硬件。但速度卻必然降低，精度也受到影響（多路開關會引入新誤差）。而且一般說來，多路傳輸?shù)男盘枖?shù)目越多，采樣頻率就越低。可見，通過分時轉換來獲

7、得硬件上的簡化和成本的降低，是以犧牲一定的轉換速度和精度為代價的。所以多路信號分時共享ADC的結構方案只是在總的系統(tǒng)的精度和速度允許壓縮的情況下才可以應用。不過，在實際的測控系統(tǒng)中，被測信號的變化速度與目前ADC芯片所能達到的轉換速度相比，大多是很慢的。因此這種結構在實際中，特別在多點參數(shù)的巡回檢測系統(tǒng)中，應用非常廣泛。正因如此，為了適應方便組成這種通道結構的需要，集成電路生產(chǎn)廠家已推出了一些多通道型 ADC 芯片，如 ADC0808/0809（8位8通道）、ADC0816/0817（8位16通道）等。5）分時采樣、分時轉換型多路模擬輸入通道如圖12.6所示，這種模擬輸入通道結構將各路分時共享

8、的范圍擴大到全套通道設備，通過多路開關將各路模擬輸入信號分時輸入到采樣保持器，經(jīng)采樣保持后進行A/D轉換。這種通道結構在精度上與上一種結構差不多，速度更慢些，但進一步節(jié)省了硬件，降低了成本。所以在實際的巡回檢測系統(tǒng)中比上一種結構用得還多。上面只是介紹了幾種常見的模擬輸入通道結構，要想使各種結構的模擬輸入通道正常地工作，關鍵是從硬件和軟件兩方面設計好通道接口。比如對于圖12.6所示的多路模擬輸入通道，其接口起碼應完成以下幾項工作：（1）向MUX發(fā)出通道切換控制信號（順序或隨機切換）。（2）向采樣保持器發(fā)出控制信號。（3）向ADC發(fā)出啟動轉換信號。（4）向MPU傳送A/D轉換結束信號。（5） 將A

9、/D轉換結果送到 MPU的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。并且，前三種設備控制信號必須滿足正確的時序關系。3. 模擬輸出通道的結構形式和模擬輸入通道一樣，同樣有單路、多路之分。1）單路模擬輸出通道這實際上就是第一章講過的DAC及其與MPU的接口，如圖12.7所示。圖12.6分時采樣、分時轉換型多路模擬輸入通道卜。U 卜心卜圖12.7單路模擬輸出通道2）多路模擬輸出通道多路模擬輸出通道主要是解決數(shù)據(jù)如何分配或數(shù)據(jù)如何存儲的問題。目前使用的數(shù)據(jù)分配方法主要有數(shù)字分配和模擬分配兩種。（1）數(shù)字分配型多路模擬輸出通道這種通道的結構形式其實又有兩種。圖12.8給出的是其中之一。每個通道都有一個DAC 和一個數(shù)字數(shù)據(jù)寄存器。

10、MPU按程序安排以順序或隨機形式把數(shù)據(jù)分配給各個數(shù)據(jù)寄存器， 再經(jīng)各個DAC轉換，得到多路模擬輸出。這里各個寄存器是起保持各路輸出數(shù)據(jù)的作用， 但保持的不是 D/A轉換后的模擬量，而是 D/A轉換前的數(shù)字量。相當于 MPU將表示各個 輸出數(shù)據(jù)的數(shù)字量分配給相應通道，所以叫做數(shù)字分配型多路模擬輸出通道。數(shù)字分配的任務是由MPU分時地給出各個寄存器輸入控制信號來完成的，而這些寄存器輸入控制信號實 際上就是各寄存器的端口地址譯碼信號。這種通道結構的特點是：各路通道分時送數(shù)，分時 D/A轉換，分時輸出模擬量。圖12.8中每個模擬輸出通道上的寄存器和 DAC，其實可以用一片帶輸入緩存器的 DAC芯 片來

11、代替，就是說，如果DAC芯片上含有輸入緩存器（大多數(shù)DAC芯片都是如此），則圖中 的各個數(shù)據(jù)寄存器不必另加。數(shù)字分配型多路模擬輸出通道的另一種結構形式如圖12.9所示。每個通道上比圖 12.8中多了一級寄存器。各路數(shù)字量由MPU分時送入相應的緩沖寄存器，然后同時打入各自的DAC輸入寄存器，使各路同時進行D/A轉換，同時輸出轉換結果?？梢?，這種通道結構的工作特點是：各通道分時送數(shù)，同時轉換，同時輸出模擬量。因此很適合于用在對描述系統(tǒng)性能的各項參數(shù)數(shù)據(jù)需要同時更新的實時控制等場合。圖12.8數(shù)字分配型多路模擬輸出通道結構之一圖12.9數(shù)字分配型多路模擬輸出通道結構之同樣，如果DAC芯片內(nèi)集成了兩級

12、輸入緩沖寄存器，構成這種通道結構就很方便，不 必外加圖中兩級寄存器，比如用前面講過的DAC0832或DAC1210即可直接構成這種多路模擬輸出通道。（2）模擬分配型多路模擬輸出通道這種通道的結構形式一般如圖12.10所示。這種結構，各路輸出通道共用一個DAC ,各用一個保持器。MPU輸出數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉換后得到模擬電壓，然后由模擬多路開關將模擬 電壓分配到相應通道的保持器去再輸出。模擬多路開關在這里起的是多路采樣器或者多路分配器的作用，而且分配的是多路模擬信號，所以稱這種結構為模擬分配型多路模擬輸出通道 結構。如果改從保持器的角度看，它們起的是存儲各路模擬輸出量的作用，所以又把這種結構稱為模擬存

13、儲型多路模擬輸出通道。要是將圖12.10中各個保持器都改成采樣保持器，則多路模擬開關可以取消，從而可得到另一種形式的模擬分配型多路模擬輸出通道結構，如圖12.11所示。圖12.10模擬分配型多路模擬輸出通道結構之一圖12.11模擬分配型多路模擬輸出通道結構之圖12.11和圖12.10兩種通道結構本質(zhì)上是一樣的。但當通道數(shù)目較多時，前者比后者 的造價要高得多，因為一個通用采樣保持電路芯片比一個簡單的保持器芯片要貴很多。實際上，無論采用模擬多路開關加保持器，還是采用采樣保持器，都是依靠電容記憶的功能來保持模擬信息，而這種保持的作用由于電容存在著漏電而不可能長久不變，隨著時間的延長， 保持的電壓會偏

14、離開關剛斷開時的值。所以在實際中當需要將模擬輸出信號保持很長時間 時，必須通過軟件來定時刷新數(shù)據(jù)，刷新方法是編制程序，使輸入到DAC的數(shù)字量在一個輸出周期內(nèi)不斷循環(huán)更新。4. 模擬多路開關與采樣保持器從前述模擬I/O通道的各種結構形式中可看出，模擬I/O通道除了以第十一章介紹的ADC和DAC為核心部件外，還常常需要使用模擬多路開關和采樣保持器等部件?，F(xiàn)將這兩種模擬器件作一簡介。人MUX1）模擬多路開關 AMUX（Analog Multiplexer）能夠分時地將多個模擬信號接通至一根線上的部件叫做模擬多路開關，如圖12.12所示?？梢钥闯觯M多路開關實際上是由多個模擬開關加上通道選擇譯碼電路

15、所組成。這和數(shù)字電路中的多路選擇器、多路分配器是相似的，差別只在于那里接通（選擇或分配）的是數(shù)字信號，而這里接通的是模擬信號。模擬多路開關按被接通模擬信號的傳輸方向分，有單向和雙向兩種。 單向模擬多路開關一般只能用于“多到一”分時切換，相當于數(shù)字多路選擇器的功能；雙向模擬多路開關則既能用于“多到一”切換（選擇），又可用于“一到多”切換 （分配），兼具有類似數(shù)字多路選擇 器和多路分配器的功能。圖12.12所示的是單向開關。模擬多路開關按一次所能接通的模擬信號端數(shù)的不同，有單端輸入和雙端輸入之分。雙端輸入的多路開關特別適合于轉接、切換差動輸入的模擬信號。圖12.12示出的是單端輸入的n路模擬開關。

16、如圖中增加一套相同的 n路模擬開關，但開關的選擇控制仍共用原有的通 道譯碼器，則變成了雙端輸入的n路模擬開關，簡稱為雙n路模擬開關或雙n通道模擬開關。模擬多路開關的通道數(shù) n般取2i值，而在通常所見的實際模擬開關器件中，以n=4,8,16居多。面介紹幾種常用的美國AD公司生產(chǎn)的多通道模擬開關器件。1）AD7501/AD7503AD7501/AD7503是8通道單端輸入模擬開關，這個CMOS器件的方框圖和引腳如圖12.13所示，由Ao、A1、A2三根地址線和允許輸出線EN的狀態(tài)決定SoS7中的一個輸入接通到OUT輸出。AD7503與AD7501不同之處是EN控制邏輯相反，它們的通道選擇真值表如表

17、12.1所示。EN A.J A j A 材OUT So - S7（h）引腳圖圖 12.13 AD7501/7503(2) AD7502AD7502是雙四通道模擬開關，由 Ai和Ao地址線及EN決定8個輸入中的兩個輸入同 兩個輸出端UTo3和 OUT47接通，它適于雙端輸入時的情況。圖 12.14示出了方框圖和引 腳圖，表12.2列出了通道選擇真值表。EN A|TTL到CMOS堪平轉換OUTgOUT"(a)圖 12.14AD7502(b)引腳圖表12.1AD7501/AD7503通道選擇真值表AD7501AD7503A2A1AoEN“ON ”A2A1AoEN“ON”0001000000

18、0011100101010120100201113011031001410004101151010511016110061111711107XXX0無XXX1無表12.2 AD7502通道選擇真值表A1A0EN“ON ”0010、40111、51012、61113、7XX0無(3) AD7506 和 AD7507AD7506和AD7507都是有16個輸入端的CMOS模擬開關，28腳封裝。兩者不同之處是AD7506為16通道單端輸入，AD7507為8通道雙端輸入雙端輸出。圖12.15和圖12.16分別示出了它們的方框圖和引腳圖，表12.3列出了它們的真值表。:TTL到CMOS電平轉換 orOUT

19、 So & EA A A(a)方框圖圖 12.15AD7506(b)引腳圖Vdd 1 28()門1二vssNC 一s7S<5 AD*7507 書21*R% ENJti %NC A,NC -1415a2(a)方框圖fb)引腳圖圖 12.16AD7507表12.3 AD7506/7507通道選擇真值表AD7506AD7507A 3A2A1A0EN“ON ”A2A1A0EN“ON”00001000010,800011100111,900101201012,1000111301113,1101001410014,1201011510115,1301101611016,1401111711

20、117,15100018XXX1無100119101011010111111100112110111311101141 1 1 1 115XXXX0無上述這幾種AD公司的開關器件使用的最大范圍是： Vdd電壓+17V。 Vss電壓-17V。 開關端點之間電壓 25V。 輸入電壓范圍0Vdd。 開關電流20mA（連續(xù)使用）。 工作溫度0+70C（塑料封裝的產(chǎn)品）。需注意的是，不要在任何引腳上接高于 Vdd或低于VSS的電壓。特別是當Vss=Vdd=0V 時，所有引腳也應為 0V。另外，上述這幾種多路開關器件一般都是作為多到一電壓信號選擇器而單向使用的，即從多個輸入電壓信號中選擇一個輸出。然而，我

21、們的使用實踐證明，它們不僅可作為電壓切換開關，也可作為電流切換開關；不僅可作為多路選擇器正向使用，也可作為多路分配器反向使用，即以輸出端 OUT作為輸入，而以輸入端 S。Sn作為輸出。比如我們在一個制冷壓 縮機試驗的微機控制系統(tǒng)中，就曾以AD7506用作多路電流信號分配器和多路電壓信號選擇器，系統(tǒng)運行多年，工作一直正?？煽俊Ｏ旅嬖俳榻B幾種實際中也很常用的、價格便宜得多的美國RCA公司的雙向多通道模擬開關器件 CD4051A/CD4052A 和 CD4067B/CD4097B。 CD4051A/CD4052ADD、CD4051A的方框圖和引腳如圖 12.17所示。INH是允許或禁止輸出控制端，它

22、的邏輯 電平控制是，當INH=0即INH=V ss時，允許輸出；當 INH=1即INH=V dd時，禁止輸出。 輸入信號Vi的范圍是VddVee，所以用戶可以根據(jù)自己的輸入信號范圍和數(shù)字控制信號的 邏輯電平來選擇 Vdd、Vee電壓。該芯片允許 Vdd Vss和Vdd Vee在-0.5V到+ 15V范圍內(nèi)。 一般使用時，數(shù)字控制信號邏輯“1”電平可從3V到15V，模擬信號可達15p-p。IN OIJT通道A止的二進制C16邏輯電平帶冇禁50I'G ITG圖12.17CD4051A方框圖和引腳圖CD4052A的方框圖和引腳如圖 12.18所示。它和 CD4051A不同之處是可雙端輸入、雙

23、端輸出，其X、Y通道可由A、B選擇。CD4051A和CD4052A的通道選擇真值表一起示于 表12.4中。X 通道 1N/OUTNilY通道IN OUT 圖12.18CD4052A方框圖及引腳圖公旅XOUT'IN公共¥OUT/JN表12.4CD4051A/CD4052A 通道選擇真值表輸入狀態(tài)選中的通道INHCBACD4051ACD4052A000000X,0Y000111X,1Y001022X,2Y001133X,3Y010040X,0Y010151X,1Y011062X,2Y011173X,3Y1XXX沒有沒有(5) CD4067B/CD4097BCD4067B是16通道

24、雙向多/1模擬開關，CD4097B是雙輸入、雙輸出 8路多/1模擬開 關，它們有 Vdd和Vss兩種電源。Vdd相對于Vss可從-0.5V到+18V之間選擇。所有輸入信 號范圍是VssvviVVdd。OUT.'IN 一1232A23VDDK、r ?通道.121INOLTT:¥5CD20:>&4067B197耳IT5 916序丿A 一1015INHB 一5S -H12冷13二iliaIN<>! I124%f 7 223一0322421咒通迫IN OUT :520-:>b1971R-8179167A 1015d丿B II14C3怎一1213Y通道I

25、N OU1YOLTT/IN圖 12.19CD4067B/4097B 引腳排列CD4067B和CD4097B的外部引腳如圖12.19所示。它們的內(nèi)部結構和工作原理與前幾 種芯片類似。CD4067B的通道選擇由INH和A、B、C、D輸入端決定。CD4097B的通道 選擇由INH和A、B、C輸入端決定，其XOUT/IN和YOUT/IN為公共輸出或輸入端， X通 道IN/OUT和Y通道IN/OUT為信號輸入或輸出的通道。具體通道選擇真值表與表12.8所示的CD4051A/CD4052A 相似，CD4067B對應于 CD4051A，只是輸入狀態(tài)為 C、D、B、A 決定的16種，分別選中015通道；CD4

26、097B對應于CD4052A，選中的通道為 Xo/YoX7/Y7, 分別由C、B、A的8種控制狀態(tài)決定。模擬多路開關的性能好壞，也是由一些參數(shù)來說明的。模擬開關的主要參數(shù)有開關接通 后的導通電阻 Ron,所有開關斷開時的輸出端漏電流IOUT，輸入端漏電流IS,開關接通時間延遲Toff,通道切換時間Topen等。這些參數(shù)值直接影響模擬開關所在A/D、D/A通道的精度和速度。2)采樣保持電路(S/H,Sample Hold Circuits)控制信號圖亦0采樣保持電路組成采樣保持電路的作用和基本原理在11.2.1節(jié)已討論。它通常由保持電容器、輸入/輸出緩沖放大器、模擬開關及其控制邏輯組成，如圖12

27、.20所示。圖中A1、A2運算放大器接成單位增益電壓跟隨器。由于它們具有高輸入阻抗，所以A1輸入端可接高阻抗模擬信號源，而對信號源無多大影響。采樣期間，控制模擬開關S接通，A1輸出給保持電容器 Ch快速充電；當模擬開關斷開時，由于A2運算放大器的高輸入阻抗，保持電容Ch上的電壓幾乎不變。一般選擇漏電流小的聚苯乙烯或聚四氟乙烯電容作保持電 容，其大小由用戶自己選擇外接。(1)采樣保持電路的主要參數(shù) 孔徑時間Tap。指該電路接到保持命令后，開關由導通變成斷開所需的時間。由于這個時間的存在，實際采樣時間被延遲了。如果保持命令和A/D轉換命令同時發(fā)出，由于孔徑時間的存在，所轉換的值將不是保持值，而是在

28、Tap時間內(nèi)的一個輸入信號的變化值，這樣影響轉換精度。 捕捉時間Tac，或叫采樣時間。指該電路處于保持模式時，從接到采樣命令到采樣保持器輸出跟蹤上當前輸入信號值所需的時間。它包括邏輯輸入控制開關的延時時間Tsmd，達到穩(wěn)定值的建立時間 Tset,以及保持值到終值的跟蹤時間Tsl等。這個時間影響采樣速度，但對轉換精度無影響。?V 保持電壓衰減率 ？T (V/s)。由于漏電，導致保持的電壓要下降，它反映了下降的速 度。 饋送。在保持模式時，由于寄生電容，輸入電壓變化引起的輸出電壓的微小變化。 直流偏差。采樣期間將信號輸入端(Vi端)接到地電平時的輸出電壓值。直流偏差可通過附加補償電阻進行調(diào)整。此外，還有反映模擬輸入特性的一些參數(shù)和控制信號，即數(shù)字輸入特性的參數(shù)等，詳細情況可參閱產(chǎn)品說明書和有關芯片手冊。(2)采樣保持器集成芯片舉例采樣保持器集成芯片種類很多。常用的有AD582、AD583、LF198、LF398等；高速采樣保持器集成芯片有 THC系列的0025、0060、0300等；高分辨率的有 ADC1130等。其中以LF398 應用更普遍，因此下面我們僅以它為例作一簡介。LF398是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種廉價采樣保持器芯片，其功能框圖及典型接線如圖12.21所示。其供電電壓 V+、V-可在土 5