微機控制系統(tǒng)與應(yīng)用6(2013老師修改補充版)

1、第六章 過程通道 6.1 6.1 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)6.2 6.2 過程通道中存在的普遍問題過程通道中存在的普遍問題6.3 6.3 模擬量輸入通道模擬量輸入通道6.4 6.4 模擬量輸出通道模擬量輸出通道6.5 6.5 開關(guān)量輸入輸出通道開關(guān)量輸入輸出通道1第六章 過程通道 微機控制系統(tǒng)實質(zhì)上是測控系統(tǒng)，是在微機最小應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場被測、被控對象的情況，通過擴展相應(yīng)的接口并在軟件的支持下實現(xiàn)由模擬量到數(shù)字量再到模擬量的轉(zhuǎn)換，從而完成系統(tǒng)所要求的測控目標?！皽y” ，即所謂的數(shù)據(jù)采集過程。它是通過被測信號的輸入通道，將傳感器送來的過程參數(shù)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入微機。

2、“控” ，即所謂的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程。它是由輸出通道將微機運算的結(jié)果變成控制參量送到執(zhí)行機構(gòu)取得相應(yīng)的控制效果。 2過程通道：指計算機與被控制對象之間信息傳遞的通道，包括模擬量輸入/輸出通道和開關(guān)量輸入/輸出通道。36.1.1 6.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概論數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概論 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)就是對生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)就是對生產(chǎn)現(xiàn)場的過程參數(shù)進行檢測、記錄、存現(xiàn)場的過程參數(shù)進行檢測、記錄、存儲、處理、打印、顯示及報警。儲、處理、打印、顯示及報警。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能： 時鐘功能。時鐘功能。即確定數(shù)據(jù)采樣周期，同時也能為系統(tǒng)提供時間基準。即確定數(shù)據(jù)采樣周期，同

3、時也能為系統(tǒng)提供時間基準。 完成數(shù)據(jù)的采集。完成數(shù)據(jù)的采集。將現(xiàn)場檢測傳感器送來的模擬電信號按一定的次將現(xiàn)場檢測傳感器送來的模擬電信號按一定的次序巡回地采樣、進行序巡回地采樣、進行A ADD轉(zhuǎn)換并存儲數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換并存儲數(shù)據(jù)。 對數(shù)字量按預(yù)定算法進行處理。對數(shù)字量按預(yù)定算法進行處理。 顯示和打印輸出。顯示和打印輸出。 當過程參數(shù)越限時進行報警。當過程參數(shù)越限時進行報警。 信號 輸出 信號 輸入 主機箱 數(shù)據(jù)采集與控制通道 通用計算機 CRT 打印機 鍵盤 磁盤 驅(qū)動器 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 6.1 6.1 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)46.1.2 6.1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)數(shù)

4、據(jù)采集系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要由輸入通道、輸出通道組成的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要由輸入通道、輸出通道組成的。1.1.輸入通道的一般結(jié)構(gòu)輸入通道的一般結(jié)構(gòu) （1 1）輸入通道的內(nèi)容）輸入通道的內(nèi)容輸入通道是將被測對象信號傳送到單片機數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)通路。輸入通道是將被測對象信號傳送到單片機數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)通路。輸入通道結(jié)構(gòu)型式取決于被測對象的環(huán)境、輸出信號的類型、數(shù)輸入通道結(jié)構(gòu)型式取決于被測對象的環(huán)境、輸出信號的類型、數(shù)量、大小等。根據(jù)傳感器輸出信號的大小、類型，輸入通道的結(jié)構(gòu)類型量、大小等。根據(jù)傳感器輸出信號的大小、類型，輸入通道的結(jié)構(gòu)類型有所不同。有所不同。6.1 6.1 數(shù)據(jù)

5、采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)5 傳感器輸出信號為大信號模擬電壓傳感器輸出信號為大信號模擬電壓 若直接滿足若直接滿足A/DA/D轉(zhuǎn)換輸入的要求，則可直接送入轉(zhuǎn)換輸入的要求，則可直接送入A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 傳感器輸出的是小信號模擬電壓傳感器輸出的是小信號模擬電壓 應(yīng)將該信號電壓放大，以滿足應(yīng)將該信號電壓放大，以滿足A/DA/D、V/FV/F轉(zhuǎn)換所要求的輸入電壓。轉(zhuǎn)換所要求的輸入電壓。 以電流為輸出信號的傳感器或傳感儀表以電流為輸出信號的傳感器或傳感儀表 應(yīng)通過應(yīng)通過I/VI/V轉(zhuǎn)換，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。轉(zhuǎn)換，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。 頻率信號頻率信號 能滿足能滿足TT

6、LTTL電平要求的直接輸入電平要求的直接輸入I/OI/O口；不滿足則應(yīng)通過放大、整形口；不滿足則應(yīng)通過放大、整形變換成變換成TTLTTL電平信號后再送入。電平信號后再送入。 開關(guān)信號開關(guān)信號 若能滿足若能滿足TTLTTL電平要求時，可直接輸入到電平要求時，可直接輸入到I/OI/O口，否則，就應(yīng)進行整口，否則，就應(yīng)進行整形處理。形處理。6.1 6.1 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)傳感器輸出信號 輸入通道結(jié)構(gòu) TTL 電平 TTL 電平信號 大信號電流 010mA 420mA 大信號 模擬電壓 V A/D 單片機 V/F 單片機 放大 V/F I/V I/V V/F I/V 放大

7、A/D 單片機 I/V 放大 V/F 放大 整形 單片機 單片機 防抖 整形 單片機 單片機 小信號模擬電 壓 mV、V 放大 A/D 單片機 單片機 頻率 信號 A/D 單片機 單片機 單片機 小信號電流 mA、A 小信號 非 TTL 開關(guān) 信號 6輸入通道結(jié)構(gòu)類型表輸入通道結(jié)構(gòu)類型表 7（2 2）輸入通道的結(jié)構(gòu)）輸入通道的結(jié)構(gòu) 單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 模擬信號經(jīng)放大器放大，通過采樣模擬信號經(jīng)放大器放大，通過采樣/ /保持器（保持器（S/HS/H）送入）送入A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。換器。 傳感器 放大器 S/H A/D CPU 單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 6.1 6.1 數(shù)據(jù)采集與處

8、理技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)8 多通道典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 利用多路開關(guān)（利用多路開關(guān)（MUXMUX）讓多個被測對象共用同一個）讓多個被測對象共用同一個采集通道，這就是多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實質(zhì)。采集通道，這就是多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實質(zhì)。 傳感器 放大器 S/H A/D CPU 傳感器 傳感器 傳感器 多路開關(guān) MUX 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 6.1 6.1 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)93.3.輸出通道的一般結(jié)構(gòu)輸出通道的一般結(jié)構(gòu) （1 1）輸出通道的作用）輸出通道的作用是計算機對采樣數(shù)據(jù)實現(xiàn)某種運算處理后，將處理結(jié)果回送給是計算機對采樣數(shù)據(jù)實現(xiàn)某種運算處

9、理后，將處理結(jié)果回送給被測對象的數(shù)據(jù)通路。被測對象的數(shù)據(jù)通路。（2 2）輸出數(shù)據(jù)的形式）輸出數(shù)據(jù)的形式 數(shù)字信號的形式主要有開關(guān)量、二進制數(shù)字量和頻率量，它們數(shù)字信號的形式主要有開關(guān)量、二進制數(shù)字量和頻率量，它們可直接用于開關(guān)量、數(shù)字量控制系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)?？芍苯佑糜陂_關(guān)量、數(shù)字量控制系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)。 模擬量控制系統(tǒng)，則應(yīng)通過數(shù)模擬量控制系統(tǒng)，則應(yīng)通過數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換（模轉(zhuǎn)換（D/AD/A）將其變換成模擬）將其變換成模擬量信號。量信號。6.1 6.1 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)CPUI/O接口D/A多路轉(zhuǎn)換開關(guān)保持器保持器模擬量輸出.10（3 3）輸出通道一般結(jié)構(gòu)）輸出通

10、道一般結(jié)構(gòu) 輸出通道的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。輸出通道的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。6.1 6.1 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式6.2.1 6.2.1 采樣定理采樣定理1.1.信號的采樣信號的采樣: :把連續(xù)變化量變成離散量的過程。把連續(xù)變化量變成離散量的過程。2.2.采樣信號采樣信號: :以一定時間間隔以一定時間間隔T T逐點采集連續(xù)的模擬信號，并保持一個時逐點采集連續(xù)的模擬信號，并保持一個時間間 ，使被采集的信號變成時間上離散、幅值等于采樣時刻該信號瞬時，使被采集的信號變成時間上離散、幅值等于采樣時刻該信號瞬時值的一組脈沖序列信號。采樣周

11、期為值的一組脈沖序列信號。采樣周期為: : 3. 3. 采樣過程的數(shù)學表示采樣過程的數(shù)學表示11KKtt1常量（T）（K=0、1、） 6.2 6.2 過程通道中的普遍性問題過程通道中的普遍性問題 對連續(xù)函數(shù)對連續(xù)函數(shù)f(t)f(t)的采樣表示為的采樣表示為f(t)f(t)與開關(guān)函數(shù)與開關(guān)函數(shù)s(t)s(t)的乘積：的乘積：s sT TT TsTsTs s f(t)f(t) s(t) f(t)f(t) s(t)當當 T0T0時時，s(t)s(t)可可用用單單位位脈脈沖沖序序列列(t)(t)表表示示 (t)(t)(tnT)(tnT)則則f(t)f(t) s(t)f(t)f(t)f(t) s(t)f

12、(t)(t)f(t)(t)f(t)(tnT)(tnT)上上式式中中僅僅當當tnTtnT時時，(tnT)1,f(t)(tnT)1,f(t)才才有有意意義義，所所以以 f(t)f(nT) f(t)f(nT)(tnT)(tnT)126.2 6.2 過程通道中的普遍性問題過程通道中的普遍性問題理想采樣過程：抽樣脈沖序列（開關(guān)函數(shù)）為寬度趨于理想采樣過程：抽樣脈沖序列（開關(guān)函數(shù)）為寬度趨于0 0的周期沖擊序列的周期沖擊序列實際采樣過程：采樣脈沖序列（開關(guān)函數(shù)）為有一定寬度的周期脈沖序列。實際采樣過程：采樣脈沖序列（開關(guān)函數(shù)）為有一定寬度的周期脈沖序列。 13s sf f( (t t) )f f( (t

13、t) ) s s( (t t) )（a）（b）采樣過程 （a）理想采樣過程 （b）實際采樣過程6.2 6.2 過程通道中的普遍性問題過程通道中的普遍性問題s sf f( (t t) )f f( (n nT T) )( (t tn nT T) )4. 4. 采樣定理與采樣頻率的選擇采樣定理與采樣頻率的選擇146.2 6.2 過程通道中的普遍性問題過程通道中的普遍性問題。不不失失真真地地重重構(gòu)構(gòu)f f( (t t) )( (t t) )才才能能f f時時，采采樣樣后后的的離離散散信信號號2 2采采樣樣頻頻率率僅僅當當, ,率率為為信信號號f f( (t t) )的的最最高高頻頻 采采樣樣定定理理

14、：設(shè)設(shè)連連續(xù)續(xù)s sm ma ax xs sm ma ax x采樣信號的混頻現(xiàn)象采樣定理給出了理論上的采樣頻率的下限，但是由于：采樣定理給出了理論上的采樣頻率的下限，但是由于： （1 1）被采樣信號的最高頻率難以確定；）被采樣信號的最高頻率難以確定； （2 2）計算機只能采樣過去和當前的信號；）計算機只能采樣過去和當前的信號； （3 3）理想的采樣器不可能存在。）理想的采樣器不可能存在。 所以在實際應(yīng)用中，采樣頻率通常為被采樣信號可能的最高頻率的所以在實際應(yīng)用中，采樣頻率通常為被采樣信號可能的最高頻率的5 5到到1010倍。常用被測對象采樣周期的經(jīng)驗值如表所示。倍。常用被測對象采樣周期的經(jīng)驗值

15、如表所示。 15被控參數(shù) 采樣周期（s） 備注 流量 壓力 液位 溫度 成分 15 310 68 1520 1520 優(yōu)選 12 優(yōu)選 68 6.2 6.2 過程通道中的普遍性問題過程通道中的普遍性問題 量化量化 ：將采樣后時間上已經(jīng)離散的模擬信號變換成一系列的數(shù)碼。將采樣后時間上已經(jīng)離散的模擬信號變換成一系列的數(shù)碼。 量化單位量化單位 ：單位數(shù)字量對應(yīng)的模擬數(shù)值。當用單位數(shù)字量對應(yīng)的模擬數(shù)值。當用n n位二進制數(shù)進行量化位二進制數(shù)進行量化時，量化單位表示為：時，量化單位表示為： q = ( Vmax - Vmin )/( 2q = ( Vmax - Vmin )/( 2n n 1 ) 1 )

16、其中，其中，VmaxVmax和和VminVmin分別為模擬數(shù)值的上限和下限。分別為模擬數(shù)值的上限和下限。 量化誤差量化誤差 ：由于采用有限位數(shù)的數(shù)字表示模擬數(shù)值所產(chǎn)生的誤差。由于采用有限位數(shù)的數(shù)字表示模擬數(shù)值所產(chǎn)生的誤差。量化誤差是量化過程的固有誤差，只能減小，不能消除。量化誤差是量化過程的固有誤差，只能減小，不能消除。6.2 6.2 過程通道中的普遍性問題過程通道中的普遍性問題6.2.2 6.2.2 量化誤差量化誤差16截斷誤差截斷誤差：小于一個量化單位的值被舍去小于一個量化單位的值被舍去 量化誤差總是正的，最大量化誤差等于兩個相鄰量化級的量化誤差總是正的，最大量化誤差等于兩個相鄰量化級的

17、間隔，即量化單位間隔，即量化單位q 舍入誤差舍入誤差：小于半個量化單位的值被舍棄，大于半個量化單位的值則小于半個量化單位的值被舍棄，大于半個量化單位的值則 進入。進入。 量化誤差有正有負，量化誤差的絕對值最大為量化誤差有正有負，量化誤差的絕對值最大為q/2 6.2 過程通道中的普遍性問題17VmaxVmax4Vmax/54Vmax/53Vmax/53Vmax/52Vmax/52Vmax/5Vmax/5Vmax/50 0VmaxVmax4Vmax/54Vmax/53Vmax/53Vmax/52Vmax/52Vmax/5Vmax/5Vmax/50 05 54 43 32 21 10 05 54 4

18、3 32 21 10 0 單極性編碼單極性編碼 ：只表示模擬量的大小，不表示極性，用普通的無符只表示模擬量的大小，不表示極性，用普通的無符號二進制數(shù)字表示。號二進制數(shù)字表示。 雙極性編碼雙極性編碼 ：需要表示模擬量的大小和極性，常用符號需要表示模擬量的大小和極性，常用符號- -數(shù)值碼、數(shù)值碼、偏移二進制碼和二進制補碼表示。偏移二進制碼和二進制補碼表示。6.2 過程通道中的普遍性問題6.2.3 A/D6.2.3 A/D轉(zhuǎn)換的編碼轉(zhuǎn)換的編碼18符號符號-數(shù)值碼數(shù)值碼：類似原碼，除用單極性碼表示數(shù)值外，增加一位符號位類似原碼，除用單極性碼表示數(shù)值外，增加一位符號位表示極性。表示極性。偏移二進制碼偏移

19、二進制碼：在數(shù)的真值上加一個偏移量形成，定義為在數(shù)的真值上加一個偏移量形成，定義為二進制二進制補碼補碼：以以2n為模的二進制數(shù)，定義為為模的二進制數(shù)，定義為6.2 過程通道中的普遍性問題19n1n1n12 22XXX 移nn12 02XXX 補200 06.3 模擬量輸入通道21模擬量輸入通道模擬量輸入通道是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入通道中的一種，它的任務(wù)是是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入通道中的一種，它的任務(wù)是把傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過適當?shù)恼{(diào)理，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸把傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過適當?shù)恼{(diào)理，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入計算機。入計算機。6.3.1 6.3.1 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)1.

20、1.單路模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)及單路模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)及各部分作用：各部分作用： 傳感器部分傳感器部分 其作用是把工業(yè)其作用是把工業(yè) 現(xiàn)場的各種非電物理量檢測出來，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號?，F(xiàn)場的各種非電物理量檢測出來，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。 信號調(diào)理電路部分信號調(diào)理電路部分 其作用是將傳感器輸出的信號作適當?shù)奶幚?，其作用是將傳感器輸出的信號作適當?shù)奶幚?，使之成為適合使之成為適合A/DA/D轉(zhuǎn)換的電壓信號。主要包括信號的濾波、放大、轉(zhuǎn)換的電壓信號。主要包括信號的濾波、放大、隔離、變換以及線性化處理等內(nèi)容。隔離、變換以及線性化處理等內(nèi)容。 傳感器 信號 調(diào)理 電路 S/H A/D 微型 計算

21、 機 單路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖 6.3 模擬量輸入通道 采樣采樣/ /保持器（保持器（S/HS/H） 由于任何一種由于任何一種A/DA/D轉(zhuǎn)換器都需要有一定時轉(zhuǎn)換器都需要有一定時間來完成量化及編碼操作。因此，在轉(zhuǎn)換過程中，模擬量不能發(fā)生變間來完成量化及編碼操作。因此，在轉(zhuǎn)換過程中，模擬量不能發(fā)生變化，否則，將直接影響轉(zhuǎn)換精度?；?，否則，將直接影響轉(zhuǎn)換精度。 A/D A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 其作用是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。其作用是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。2.2.多路模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)多路模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu) 多路開關(guān)的作用是把多路多路開關(guān)的作用是把多路輸入的模擬

22、量分時地送入輸入的模擬量分時地送入A/DA/D，即完成多到一的轉(zhuǎn)換。即完成多到一的轉(zhuǎn)換。 傳感器 S/H A/D 微型 計算 機 信號調(diào)理 信號調(diào)理 傳感器 傳感器 信號調(diào)理 多路開關(guān) 多路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖 226.3 模擬量輸入通道6.3.2 6.3.2 模擬量輸入通道中的常用器件及電路模擬量輸入通道中的常用器件及電路一一. . 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)當有多個輸入信號時，可采用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，分時輸入到后級處理當有多個輸入信號時，可采用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，分時輸入到后級處理電路。電路。（1 1）CD4051 CD4051 是八通道雙向是八通道雙向多路開關(guān)右圖所示為多路開關(guān)右圖所示為CD4051

23、CD4051的原理圖。的原理圖。當當INH=0INH=0時允許芯片工作，時允許芯片工作，C C、B B、A A為譯碼信號，其值從為譯碼信號，其值從000000到到111111變化，使公共端變化，使公共端IN/OUTIN/OUT分別與分別與IN/OUT0IN/OUT0到到IN/OUT7IN/OUT7的的其中一個接通。其中一個接通。 236.3 模擬量輸入通道引腳排列如圖所示。引腳排列如圖所示。 a.a.引腳功能引腳功能 C C、B B、A A為通道選擇輸入端；為通道選擇輸入端； INH INH為禁止端，高電平時，禁止為禁止端，高電平時，禁止通道接通，低電平時，允許通道通道接通，低電平時，允許通道

24、接通；接通； V VININ的范圍是的范圍是V VEEEEV VDDDD V VDDDD的范圍的范圍5 515V15V。 b.CD4051b.CD4051的真值表的真值表 如表所示。如表所示。 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 CD4051 IN/OUT4 IN/OUT6 OUT/IN IN/OUT7 IN/OUT5 INH VEE VSS VDD IN/OUT2 IN/OUT1 IN/OUT0 IN/OUT3 A B C CD4051引腳排列圖 輸入狀態(tài) 接通通道號 INH C B A CD4051 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

25、0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 246.3 模擬量輸入通道(2)(2)多路開關(guān)的擴展多路開關(guān)的擴展 當模擬量輸入通道較多，使用一片多路開關(guān)不夠用時，可以把多片當模擬量輸入通道較多，使用一片多路開關(guān)不夠用時，可以把多片多多路開關(guān)連在一起，構(gòu)成更多通道的多路開關(guān)。路開關(guān)連在一起，構(gòu)成更多通道的多路開關(guān)。擴展方法：擴展方法：并聯(lián)、串聯(lián)并聯(lián)、串聯(lián)舉例：利用多片舉例：利用多片CD4051CD4051組成的組成的1616路多路開關(guān)路多路開關(guān)并聯(lián)連接如圖所示：并聯(lián)連接如圖所示：A3A3用來控制兩個用來控制兩個CD4051CD40

26、51的的INHINH，當，當A3A31 1時，經(jīng)時，經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖?，使反相器變?yōu)榈碗娖?，?#2#片片被選中；反之選中被選中；反之選中1# 1# 。256.3 模擬量輸入通道266.1 6.1 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)二二. . 信號的放大與隔離技術(shù)及常用器件信號的放大與隔離技術(shù)及常用器件1.1.輸入通道的信號調(diào)節(jié)輸入通道的信號調(diào)節(jié) （1 1）信號調(diào)節(jié)的任務(wù)）信號調(diào)節(jié)的任務(wù) 是將被測對象的輸出信號變換成計算機要求的輸入信號。是將被測對象的輸出信號變換成計算機要求的輸入信號。（2 2）信號調(diào)節(jié)電路的結(jié)構(gòu)）信號調(diào)節(jié)電路的結(jié)構(gòu) 對于單路小信號（電流或電壓），如下圖對于單路小信

27、號（電流或電壓），如下圖a a所示，必須經(jīng)過小信號所示，必須經(jīng)過小信號放大環(huán)節(jié)。一般小信號放大環(huán)節(jié)可選擇測量放大器。為了減少經(jīng)過放大環(huán)節(jié)。一般小信號放大環(huán)節(jié)可選擇測量放大器。為了減少經(jīng)過通道的耦合干擾，可采用隔離放大器。通道的耦合干擾，可采用隔離放大器。 對于大信號輸出傳感器，可以省去小信號放大。若是大電流輸出，對于大信號輸出傳感器，可以省去小信號放大。若是大電流輸出，只需經(jīng)簡單的只需經(jīng)簡單的I/VI/V轉(zhuǎn)換即可；若是大信號電壓，可以直接進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換即可；若是大信號電壓，可以直接進行轉(zhuǎn)換。 信號濾波是為了提高信噪比。信號濾波是為了提高信噪比。286.1 6.1 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

28、與處理技術(shù)基礎(chǔ) 電流信號 大信號 小信號 傳感器 傳感器 傳感器 小信號放大 信號修正與變換 I/V A/D V/F 光電 耦合 計 算 機 濾 波 環(huán) 節(jié) 傳感器 傳感器 傳感器 前置放大器 多 路 開 關(guān) 前置放大器 A/D 計 算 機 V/F 光電 耦合 濾 波 環(huán) 節(jié) 前置放大器 可編程增益放大器 信號調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu) a）單路采集 b）多路采集 對于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道，必須設(shè)置多路選擇開關(guān)，如圖對于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道，必須設(shè)置多路選擇開關(guān)，如圖b b所示。為避免小信號通過模擬開關(guān)造成較大的附加誤差，在傳感器所示。為避免小信號通過模擬開關(guān)造成較大的附加誤差，在傳感器輸出

29、信號過小時，每個通道應(yīng)設(shè)前置放大環(huán)節(jié)。在多路選擇開關(guān)之后輸出信號過小時，每個通道應(yīng)設(shè)前置放大環(huán)節(jié)。在多路選擇開關(guān)之后設(shè)置一可編程增益放大器，利用計算機編程控制增益，以滿足各通道設(shè)置一可編程增益放大器，利用計算機編程控制增益，以滿足各通道對信號增益的要求。對信號增益的要求。 6.3 模擬量輸入通道2 2 信號的放大及常用器件信號的放大及常用器件 作用：作用：信號放大、阻抗匹配、有源濾信號放大、阻抗匹配、有源濾波波 通用放大器通用放大器 ：種類多，應(yīng)用面廣，選擇余地大種類多，應(yīng)用面廣，選擇余地大 儀用放大器儀用放大器 ：共模抑制比高，零漂低，精度高共模抑制比高，零漂低，精度高 隔離放大器隔離放大器

30、 ：采用變壓器或光電耦合，起隔離保護作用采用變壓器或光電耦合，起隔離保護作用 程控放大器程控放大器 ：增益可通過編程控制增益可通過編程控制種類：種類：29（1 1）測量放大器（儀用放大器）測量放大器（儀用放大器） 測量放大器的特點：具有高共模抑制比、高速度、高精度、寬頻帶、高穩(wěn)定測量放大器的特點：具有高共模抑制比、高速度、高精度、寬頻帶、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等。性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等。 測量放大器的工作原理測量放大器的工作原理 a.a.結(jié)構(gòu)：由三個運算放大器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)：由三個運算放大器構(gòu)成，其內(nèi)部基本電路如圖所示。內(nèi)部基本電路如圖所示。b.b.工作原理：工作

31、原理：A1A1、A2A2二個同相放大器二個同相放大器組成差動式放大電路，輸入信號加在組成差動式放大電路，輸入信號加在A1A1、A2A2的同相輸入端，從而具有高抑的同相輸入端，從而具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。功制共模干擾的能力和高輸入阻抗。功率放大器率放大器A3A3為后級，它不僅切斷共模為后級，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式，以滿足負載的需要。成單端輸出方式，以滿足負載的需要。 306.3 模擬量輸入通道31c.c.增益增益 6.3 模擬量輸入通道(2)(2)隔離放大器隔離放大器 隔離放大器特點隔離放大器特點 避免各種干擾對

32、系統(tǒng)的影響。避免各種干擾對系統(tǒng)的影響。 應(yīng)用場合應(yīng)用場合 強磁場、強電場的干擾環(huán)境中，消除信號源的地網(wǎng)絡(luò)強磁場、強電場的干擾環(huán)境中，消除信號源的地網(wǎng)絡(luò)干擾（如大電流的跳變）所引起的測量誤差；保護系統(tǒng)電路不致因干擾（如大電流的跳變）所引起的測量誤差；保護系統(tǒng)電路不致因輸入端或輸出端的高共模電壓造成損壞；用于醫(yī)療儀器為病人提供輸入端或輸出端的高共模電壓造成損壞；用于醫(yī)療儀器為病人提供安全接口等。安全接口等。 變壓器耦合隔離放大器變壓器耦合隔離放大器組成：由輸入級、輸出級和電源振蕩器三個基本部分。典型的隔離組成：由輸入級、輸出級和電源振蕩器三個基本部分。典型的隔離放大器原理圖（放大器原理圖（ADAD

33、的的Model289Model289）如下圖所示。）如下圖所示。 326.3 模擬量輸入通道 -15V b c 3 2 1 5 4 +15V 10k 1#隔離電源 濾波 調(diào)制 A1 解調(diào) 濾波 2#隔離電源 100kHz 電源振蕩器 穩(wěn)壓器 A2 100k 100k -15V +15V 輸入 7 + - 6 -15V +15V 輸出 8 10 9 電源 a e d 輸入屏蔽 V010V 同步 I/O T2 直流電源 VS從+12.5V 至+25V 公共端 T1 增益 R 增益 Vi 公共端 5mA 隔離電源 輸出 289 型 隔離放大器原理結(jié)構(gòu)圖 336.3 模擬量輸入通道工作原理：將傳感器送

34、來的信號濾波和放大，并調(diào)制成交流信號，工作原理：將傳感器送來的信號濾波和放大，并調(diào)制成交流信號，通過隔離變壓器耦合到輸出級。在輸出級把交流信號解調(diào)變成直流通過隔離變壓器耦合到輸出級。在輸出級把交流信號解調(diào)變成直流信號，再經(jīng)濾波和放大，最后輸出信號，再經(jīng)濾波和放大，最后輸出0 010V10V的直流電壓。由于放大的直流電壓。由于放大器的兩個輸入端都是浮空的，所以，它能夠有效地起測量放大器的器的兩個輸入端都是浮空的，所以，它能夠有效地起測量放大器的作用，又因采用變壓器耦合，所以輸入部分和輸出部分是隔離的。作用，又因采用變壓器耦合，所以輸入部分和輸出部分是隔離的。增益計算：增益計算： 光耦合隔離放大器

35、。光耦合隔離放大器是通過輸入極激勵發(fā)光管，由光耦合隔離放大器。光耦合隔離放大器是通過輸入極激勵發(fā)光管，由光電管將光信號耦合到輸出極，實現(xiàn)信號的傳輸，同時保證了輸入和光電管將光信號耦合到輸出極，實現(xiàn)信號的傳輸，同時保證了輸入和輸出間的電氣隔離。輸出間的電氣隔離。 10001OUTINGGGGIN輸入部分電壓增益；GOUT輸出部分電壓增益。 346.3 模擬量輸入通道35（3 3）可編程增益放大器（）可編程增益放大器（PGAPGA） 可編程增益放大器的特點是硬件設(shè)備少，放大倍數(shù)可可編程增益放大器的特點是硬件設(shè)備少，放大倍數(shù)可根據(jù)需要通過編程進行控制，使根據(jù)需要通過編程進行控制，使A/DA/D轉(zhuǎn)換器

36、滿量程信號轉(zhuǎn)換器滿量程信號達到均一化，提高了測量精度。達到均一化，提高了測量精度。 可編程增益放大器原理結(jié)構(gòu)可編程增益放大器原理結(jié)構(gòu) 它是測量放大器電路的擴它是測量放大器電路的擴展，增加了增益模擬開關(guān)和驅(qū)展，增加了增益模擬開關(guān)和驅(qū)動電路?？删幊淘鲆鏈y量放大動電路?？删幊淘鲆鏈y量放大器的原理如圖所示。器的原理如圖所示。 可編程增益放大器的應(yīng)用可編程增益放大器的應(yīng)用 可編程增益放大器可編程增益放大器PGAPGA的的優(yōu)越性之一就是能進行量程優(yōu)越性之一就是能進行量程自動切換。自動切換。 - Ui S1 S2 S3 U0 + Ui R S1 S2 S3 R2 R3 R3 A1 A2 開關(guān)驅(qū)動電路 數(shù)字量

37、輸入 A3 可編程增益測量放大器的原理圖 6.3 模擬量輸入通道6.3 模擬量輸入通道簡易程控放大器簡易程控放大器IN0IN0IN1IN1CD4051CD4051- -+ +IN2IN2IN3IN3IN4IN4IN5IN5IN6IN6IN7IN7INHINHA AB BC CR7R7Rw7Rw7R6R6Rw6Rw6R0R0Rw0Rw0R5R5Rw5Rw5R4R4Rw4Rw4R3R3Rw3Rw3R2R2Rw2Rw2R1R1Rw1Rw1R R譯譯碼碼R8R8OUTOUT 簡易程控放大器簡易程控放大器 ： 簡易程控放大器由一個多簡易程控放大器由一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)路轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4051CD4051與一個

38、與一個通用運算放大器組成，通過通用運算放大器組成，通過譯碼選擇相應(yīng)的通道接入放譯碼選擇相應(yīng)的通道接入放大器的負反饋支路，從而使大器的負反饋支路，從而使放大器獲得不同的增益放大器獲得不同的增益KiKi。Ki= Ki= （Ri+RwiRi+Rwi）/R/R36 差動輸入程控放大器差動輸入程控放大器 ：差動輸入程控放大電路原理圖差動輸入程控放大電路原理圖6.3 模擬量輸入通道37 可編程增益放大器集成芯片可編程增益放大器集成芯片PGA102PGA102是一種獨立、高速、是一種獨立、高速、高精度的數(shù)字式可程序高精度的數(shù)字式可程序設(shè)置增益的儀器放大器，設(shè)置增益的儀器放大器，由由CMOS/TTLCMOS/

39、TTL電平來選電平來選擇增益為擇增益為1 1、1010或或100100，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。 改變改變X10X10、X100X100兩管兩管腳的電平，即可選擇腳的電平，即可選擇V VININ1 1，V VININ2 2和和V VININ3 3。由于三種輸入。由于三種輸入的反饋電阻不同，固而可的反饋電阻不同，固而可得到不同的增益。得到不同的增益。 敏感公共端 VOUT 15 11 12 2 1 3 16 13 10 9 8 7 6 5 4 -VCC 1.33k 10.8k 1.2k 10.8k 1.2k 10.8k 模擬地 VIN1 增益/通道 選擇 VIN2 VIN3 增益

40、調(diào)整 增益調(diào)整 X10 +VCC 邏輯地 X100 失調(diào)調(diào)整 PGA102原理結(jié)構(gòu)圖 386.3 模擬量輸入通道6.3 模擬量輸入通道三三. V/I. V/I和和I/VI/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 微型機測控系統(tǒng)中直流標準信號均采用電壓微型機測控系統(tǒng)中直流標準信號均采用電壓0 05V5V或或0 010V10V和和直流電流直流電流0 010mA10mA或或4 420mA20mA。1. V/I1. V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路0 010V10V4 420mA20mA轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 電流信號傳輸?shù)膬?yōu)點：以消除電纜衰減，抗工業(yè)現(xiàn)場干擾。電流信號傳輸?shù)膬?yōu)點：以消除電纜衰減，抗工業(yè)現(xiàn)場干擾。 39常用精密常用精密0

41、 010104 420mA20mA轉(zhuǎn)換電路如圖所示。轉(zhuǎn)換電路如圖所示。 010V 12.5k 1k +15V 50k INA105 420mA OUT 10V OPA27 2 3 1 6 5 2 6 REF10 4 RLOAD 50.1 50.1 圖中圖中REF10REF10為為10V10V精密電壓基準，提供一精密電壓基準，提供一個個1010標準的穩(wěn)壓電源，此標準電源與標準的穩(wěn)壓電源，此標準電源與0 0l0l0輸入信號一起加到由超低噪聲精密運輸入信號一起加到由超低噪聲精密運算放大器算放大器OPA27OPA27所組成的反相比例求和電路所組成的反相比例求和電路 406.3 模擬量輸入通道VVVVV

42、).V(Vinin12 . 01001050151222工作原理：當輸入信號在工作原理：當輸入信號在0 010V10V間變化時，間變化時，OPA27OPA27的輸出范圍的輸出范圍為為0.2V0.2V1V1V，該端輸出電壓加到由精密單位增益差動放大，該端輸出電壓加到由精密單位增益差動放大器器INA105INA105組成的組成的V VI I變換電路的輸入端，可以推出當輸入電壓變換電路的輸入端，可以推出當輸入電壓為為0.20.211時，流過負載電阻時，流過負載電阻R RLOADLOAD的電流為的電流為4 420mA20mA，而與而與R RLOADLOAD的大小無關(guān)。的大小無關(guān)。 416.3 模擬量輸

43、入通道010V 12.5k 1k +15V 50k INA105 420mA OUT 10V OPA27 2 3 1 6 5 2 6 REF10 4 RLOAD 50.1 50.1 2. I/V2. I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 I/VI/V轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)V/IV/I的逆轉(zhuǎn)換。的逆轉(zhuǎn)換。RCV420RCV420是一種精密的電流是一種精密的電流/ /電壓變換器，它能將電壓變換器，它能將4 420mA20mA的電流信號轉(zhuǎn)換成的電流信號轉(zhuǎn)換成0 05V5V的電的電壓信號。壓信號。 其典型應(yīng)用電路如圖所示。其典型應(yīng)用電路如圖所示。 IIN 420mA +in 3 Cr 2 -IIN 1 + + 1F

44、公共 公共 Rcv Rcv Ref 噪聲抑制 16 4 13 7 5 8 Ref 調(diào)整 10 Ref fA 11 Rcv Out （05V） 15 Ref 12 Ref 14 RCV420 +10V Referenco RS RS RS=75 V0 1F 426.3 模擬量輸入通道孔徑誤差孔徑誤差：當輸入信號為動態(tài)模擬信號時，在模當輸入信號為動態(tài)模擬信號時，在模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器從數(shù)轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換開始到結(jié)束的時間里，由于輸入的模擬信號值的變化而引起轉(zhuǎn)換開始到結(jié)束的時間里，由于輸入的模擬信號值的變化而引起輸出數(shù)字量的不確定性誤差。輸出數(shù)字量的不確定性誤差。四四. . 采樣采樣/ /保持保持6.3 模擬

45、量輸入通道ftVVm 2sin 例如，輸入信號為例如，輸入信號為 時，孔徑時，孔徑誤差的最大值出現(xiàn)在信誤差的最大值出現(xiàn)在信號斜率的最大處，即：號斜率的最大處，即：mmfVftfVdtdV 2)dtdV( 2cos2max 孔徑誤差孔徑誤差436.3 模擬量輸入通道當轉(zhuǎn)換當轉(zhuǎn)換時間為時間為t tA A時，時，最大最大孔徑誤差為：孔徑誤差為：2mm AVfV t 如果一個如果一個1010位位A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為間為1010微秒，要求精度為微秒，要求精度為0.1%0.1%，則輸，則輸入信號的最高頻率不能超過入信號的最高頻率不能超過16Hz16Hz。如。如果輸入信號的頻率過高，

46、則應(yīng)在每個果輸入信號的頻率過高，則應(yīng)在每個采樣點將信號值保持到下個采樣點。采樣點將信號值保持到下個采樣點。%1002%100)/(AmmftVV最大相對最大相對孔徑誤差為：孔徑誤差為：4420.1%100/(2 )15.9Aftf6.3 模擬量輸入通道采樣采樣/ /保持器保持器：是在輸入邏輯電平控制下，交替工作在是在輸入邏輯電平控制下，交替工作在“采樣采樣”或或“保持保持”狀態(tài)的電路。在采樣狀態(tài)時，電路的輸出跟蹤輸入信號；狀態(tài)的電路。在采樣狀態(tài)時，電路的輸出跟蹤輸入信號；在保持狀態(tài)時，電路的輸出保持上次采樣結(jié)束時的輸入信號的電平。在保持狀態(tài)時，電路的輸出保持上次采樣結(jié)束時的輸入信號的電平。采樣

47、采樣/ /保持器的工作原理如圖所示。保持器的工作原理如圖所示。采樣采樣/ /保持器的作用：保持器的作用：（1 1）為）為A/DA/D轉(zhuǎn)換器提轉(zhuǎn)換器提供恒定的轉(zhuǎn)換信號。供恒定的轉(zhuǎn)換信號。（2 2）在保證精度的條）在保證精度的條件下提高件下提高A/DA/D轉(zhuǎn)換的頻轉(zhuǎn)換的頻率。率。45 CH OFFSET V0 2 V1 V2 5 3 8 R2 7 R1 A1 A3 A2 VIN IN- IN+ S 7 8 3 2 6 LF198/298/398原理圖 6.3 模擬量輸入通道 常用集成采樣常用集成采樣/ /保持器保持器LF398LF398(1)(1)工作原理工作原理原理如圖所示。原理如圖所示。LF3

48、98LF398內(nèi)部由三部分組成。輸入電路內(nèi)部由三部分組成。輸入電路A1A1、輸出電路、輸出電路A2A2及邏輯控制及邏輯控制電路電路A3A3和和S S。運算放大器。運算放大器A1A1和和A2A2均接成電壓跟隨器形式。當控制均接成電壓跟隨器形式。當控制邏輯邏輯IN-IN-為低電平，通過為低電平，通過A3A3控制開關(guān)控制開關(guān)S S閉合，使輸入電壓經(jīng)過閉合，使輸入電壓經(jīng)過A1A1進進入入A2A2，A2A2的輸出跟隨輸入電壓變化，同時向保持電容（接引腳的輸出跟隨輸入電壓變化，同時向保持電容（接引腳6 6）充電。當控制邏輯充電。當控制邏輯IN-IN-為高電平時，開關(guān)為高電平時，開關(guān)S S斷開，保持電容上的

49、電壓斷開，保持電容上的電壓不變，維持不變，維持A2A2輸出不變。輸出不變。IN+IN+一般接地。一般接地。 +15V -15V 1000pF IN+ VIN V0 1 4 5 3 6 7 8 LF398 LF398典型的接線方法 6.3 模擬量輸入通道（2 2）使用方法）使用方法 LF398LF398典型的接線方法如典型的接線方法如圖所示。圖所示。 當當IN-IN-0 0時，為采樣狀態(tài)，時，為采樣狀態(tài)，此時輸出跟隨輸入變化；當此時輸出跟隨輸入變化；當IN-IN-1 1時，為保持狀態(tài)，此時，為保持狀態(tài)，此時輸出保持不變。時輸出保持不變。 IN-6.3 模擬量輸入通道保持電容保持電容C CHH的選

50、擇的選擇 可選用漏電流小的聚苯乙烯電容、云母電容或聚四氟乙烯電容?？蛇x用漏電流小的聚苯乙烯電容、云母電容或聚四氟乙烯電容。C CHH的數(shù)值直接影響采樣時間及保持精度，為提高精度，就需要增加的數(shù)值直接影響采樣時間及保持精度，為提高精度，就需要增加保持電容保持電容C CHH的容量，但的容量，但C CH H增大又會使其采樣時間加長。因此，當精增大又會使其采樣時間加長。因此，當精度要求不高（度要求不高（1%1%）而速度要求較高時，）而速度要求較高時，C CH H可小至可小至100pF100pF。當精度。當精度要求高（要求高（0.01%0.01%），如與），如與1212位位A/DA/D相配合時，為減小下

51、降誤差和相配合時，為減小下降誤差和干干擾，應(yīng)取擾，應(yīng)取C CHH1000pF1000pF。當。當C CH H400pF400pF時，采樣時間時，采樣時間t tACAC與與C CH H有經(jīng)有經(jīng)驗公式：驗公式：式中式中 C CHH保持電容，單位為保持電容，單位為FF；t tACAC采樣時間，單位為秒。采樣時間，單位為秒。4840/HACCt6.3 模擬量輸入通道采樣采樣/ /保持器性能指標：保持器性能指標：直流偏差：輸入接地時，電路輸出與輸入之間的偏差，用直流偏差：輸入接地時，電路輸出與輸入之間的偏差，用mVmV表示。表示。是時間、溫度的函數(shù)。是時間、溫度的函數(shù)。采樣時間（捕捉時間、穩(wěn)定建立時間）

52、：從保持狀態(tài)進入跟蹤狀態(tài)開采樣時間（捕捉時間、穩(wěn)定建立時間）：從保持狀態(tài)進入跟蹤狀態(tài)開始，到輸出與輸入數(shù)值之差小于輸入數(shù)值的始，到輸出與輸入數(shù)值之差小于輸入數(shù)值的0.010.01所需的時間。所需的時間。輸出最大變化速率：用輸出最大變化速率：用V/SV/S表示。其值取決于電容及運放的實際變化表示。其值取決于電容及運放的實際變化速率。速率。孔徑時間：保持命令一旦被接收，孔徑時間：保持命令一旦被接收，S/HS/H從采樣狀態(tài)進入保持狀態(tài)所需從采樣狀態(tài)進入保持狀態(tài)所需時間。時間?？讖讲环€(wěn)定時間：進入保持狀態(tài)后，孔徑不穩(wěn)定時間：進入保持狀態(tài)后，S/HS/H不能馬上穩(wěn)定在保持點期望不能馬上穩(wěn)定在保持點期望值

53、，而處于動態(tài)過程的時間。值，而處于動態(tài)過程的時間。衰減率：單位時間內(nèi)衰減率：單位時間內(nèi)S/HS/H輸出下降的電壓值，單位輸出下降的電壓值，單位mV/smV/s，由電容的，由電容的漏電造成的。漏電造成的。49五五. A/D. A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理轉(zhuǎn)換器的工作原理6.3 模擬量輸入通道1. A/D1. A/D轉(zhuǎn)換器的分類：轉(zhuǎn)換器的分類： 直接轉(zhuǎn)換型直接轉(zhuǎn)換型 ：將模擬輸入信號與一個特定的基準源進行比較以獲將模擬輸入信號與一個特定的基準源進行比較以獲得數(shù)字量。典型代表為逐次比較型得數(shù)字量。典型代表為逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的速度快，抗轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的速度快，抗干擾能力差。干擾能力差。 間接

54、轉(zhuǎn)換型間接轉(zhuǎn)換型 ：先將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成某種中間物理量（如時間、先將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成某種中間物理量（如時間、頻率等），然后再將中間物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。典型代表為雙積分頻率等），然后再將中間物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。典型代表為雙積分型型A/DA/D轉(zhuǎn)換器（中間物理量為積分時間），轉(zhuǎn)換的速度慢，抗干擾轉(zhuǎn)換器（中間物理量為積分時間），轉(zhuǎn)換的速度慢，抗干擾能力強。能力強。506.3 模擬量輸入通道 分辨率分辨率 ：指指A/DA/D轉(zhuǎn)換器單位數(shù)字量變化時，所需要的最小模擬轉(zhuǎn)換器單位數(shù)字量變化時，所需要的最小模擬電壓（量化單位）對滿刻度電壓的比值：電壓（量化單位）對滿刻度電壓的比值： 分辨率分辨率= =量化

55、單位量化單位/ /滿刻度電壓滿刻度電壓= V= Vmaxmax/(2/(2n n-1)/V-1)/Vmaxmax=1/(2=1/(2n n-1)-1)通常直接用通常直接用A/DA/D結(jié)果的位數(shù)結(jié)果的位數(shù)n n表示，如表示，如8 8、1010、1212位等。位等。 轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差 ：指對于一個給定的模擬量輸入，實際指對于一個給定的模擬量輸入，實際A/DA/D轉(zhuǎn)換器與轉(zhuǎn)換器與理想理想A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果之差。常用最小有效位的分數(shù)值表示。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果之差。常用最小有效位的分數(shù)值表示。例如轉(zhuǎn)換誤差為例如轉(zhuǎn)換誤差為1LSB1LSB表示在整個量程范圍內(nèi)，表示在整個量程范圍內(nèi)，A/DA/D轉(zhuǎn)換

56、的最轉(zhuǎn)換的最大誤差為大誤差為1LSB1LSB。 轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 ：指完成一次指完成一次A/DA/D轉(zhuǎn)換所需時間。轉(zhuǎn)換所需時間。2. A/D2. A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)516.3 模擬量輸入通道 3. 3. 逐次比較式逐次比較式A/DA/D轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理逐次比較逐次比較A/DA/D轉(zhuǎn)換原理圖轉(zhuǎn)換原理圖52 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) ：由逐次逼近寄存由逐次逼近寄存器器SARSAR、D/AD/A轉(zhuǎn)換器、比轉(zhuǎn)換器、比較器、置數(shù)選擇邏輯等部較器、置數(shù)選擇邏輯等部分組成。分組成。 原理原理 ：采用對分搜索法，采用對分搜索法，從從SARSAR的最高位開始逐次的最高位開始逐次比較、逐步逼近，直到最

57、比較、逐步逼近，直到最低位比較結(jié)束，整個轉(zhuǎn)換低位比較結(jié)束，整個轉(zhuǎn)換是一個是一個“試探試探”過程。過程。6.3 模擬量輸入通道 例例 ：設(shè)設(shè)SARSAR寄存器為寄存器為4 4位，輸入位，輸入U Ui i=0.65V(=0.65V(設(shè)最大值為設(shè)最大值為1V)1V)。U Uf f0 0. .6 65 50 0. .5 50 0. .7 75 50 0. .6 62 25 50 0. .6 68 87 75 51 10 00 00 0n n1 12 23 34 4逐逐次次比比較較過過程程示示意意圖圖U Ui i1 11 10 00 01 10 01 10 01 10 01 11 11 10 01 10

58、 0531 1 令令DD3 3=1(1000)=1(1000)，U Uf f = 0.5V= 0.5V， U Uf f U U Ui i，DD2 2清零；清零；3 3 令令DD1 1=1(1010)=1(1010)，U Uf f = 0.625V = 0.625V， U Uf f U U Ui i，DD0 0清零。清零。8通道多路模擬開關(guān)IN75IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN04321282726SAR控制邏輯610STARTCLOCK地址鎖存器和譯碼器A25BCALE242322模擬量輸入地址選擇地址鎖存256R電阻分壓器開關(guān)樹組11131216VccGNDVREF+VREF-3態(tài)

59、輸出緩沖鎖存器201918815141721D7D6D5D4D3D2D1數(shù)字量輸出D079OE輸出允許EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束+-A4. 84. 8位逐次比較位逐次比較A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) ：ADC0809ADC0809結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖546.3 模擬量輸入通道 引腳功能引腳功能 ：IN0IN0IN7IN7：8 8通道單極性模擬量輸入，通道單極性模擬量輸入，0 05V5V。CC、B B、AA：地址選擇，：地址選擇，000000111111，選通，選通IN0IN0IN7 IN7 。ALEALE：地址允許，其上升沿將：地址允許，其上升沿將C C、B B、A A狀態(tài)鎖存入

60、地址鎖存寄存器。狀態(tài)鎖存入地址鎖存寄存器。STARTSTART：轉(zhuǎn)換啟動，其上升沿復(fù)位：轉(zhuǎn)換啟動，其上升沿復(fù)位08090809；下降沿開始轉(zhuǎn)換。；下降沿開始轉(zhuǎn)換。CLOCKCLOCK：時鐘，：時鐘，10101280KHz1280KHz。VccVcc、GNDGND：+5V+5V電源、接地端電源、接地端VVREF+REF+、V VREF-REF- ：基準電源，精度要求不高時可分別接：基準電源，精度要求不高時可分別接VccVcc和和GNDGND。EOCEOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束，：轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC=0EOC=0表示正在轉(zhuǎn)換；表示正在轉(zhuǎn)換；EOC=1EOC=1表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。OEOE：輸出允許，：輸