過(guò)程輸入輸出通道接口技術(shù)

1、過(guò)程輸入輸出通道接口技術(shù)第1頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三4.2 模擬量輸入通道學(xué)習(xí)要點(diǎn)了解模擬量輸入通道的組成掌握逐次逼近與雙積分轉(zhuǎn)換原理模擬量與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系量化與量化誤差的概念A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)及其所表示的意義。第2頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三4.2.1 模擬量輸入通道的組成放大器現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)傳感器檢測(cè)信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣/保持模/數(shù)轉(zhuǎn)換微機(jī)控制 AI的組成 逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 量化 性能指標(biāo)第3頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理計(jì)

2、數(shù)比較式A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但轉(zhuǎn)換速度慢，較少采用。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，采用較多，但抗干擾能力不夠強(qiáng)。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但轉(zhuǎn)換速度偏慢，抗干擾能力強(qiáng)。-型A/D轉(zhuǎn)換器新型、分辨率高、線性度好、成本低AI的組成 逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 量化 性能指標(biāo)第4頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三1. 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理D3 D2 D1 D01 0 0 01 1 0 01 0 1 01 0 0 1981 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 112109 AI的組成逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)

3、系 量化 性能指標(biāo)第5頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三 一個(gè)n位A/D轉(zhuǎn)換器是由n位寄存器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)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(shuō)明逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。 AI的組成逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 量化 性能指標(biāo)第6頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三 當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)作用后，時(shí)鐘信號(hào)在控制邏輯作用下， 首先使寄存器的最高位D3 1，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VO 8，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量VIN =

4、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(duì)下一位D2進(jìn)行比較，同樣先使D2 1，與上一位D3位一起即1100進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為VO 12再進(jìn)入比較器，與VIN 9比較，因VIN VO，則使D2 0； 再下一位D1位也是如此確定，D1 0； 最后一位D0 1，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。 AI的組成逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 量化 性能指標(biāo)第7頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種普通型8位單路ADC08

5、01ADC0805、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。 AI的組成逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 量化 性能指標(biāo)第8頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三 一個(gè) n 位A/D轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換表達(dá)式是式中 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成正比。模擬量與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系 AI的組成 逐次逼近原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 雙積分原

6、理 量化 性能指標(biāo)第9頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三 例題：一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)VR+ = 5.02 V， VR = 0 V，計(jì)算當(dāng)VIN分別為0 V、2.5 V、5 V時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量。 解：把已知數(shù)代入公式： 0 V、2.5 V、5 V時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量分別為00H、80H、FFH。 AI的組成 逐次逼近原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 雙積分原理 量化 性能指標(biāo)第10頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理 AI的組成 逐次逼近原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系雙積分原理 量化 性能指標(biāo)第11頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40

7、分，星期三 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理如圖4-18所示，在轉(zhuǎn)換開始信號(hào)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(shí)間T內(nèi)對(duì)積分器上的電容C充電（正向積分），時(shí)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(shí)電容C開始放電（反向積分），同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)比較器判定電容C放電完畢時(shí)就輸出信號(hào)，由控制邏輯停止計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。這時(shí)計(jì)數(shù)器所記的脈沖個(gè)數(shù)正比于放電時(shí)間。 放電時(shí)間T1或T2又正比于輸入電壓VIN，即輸入電壓大，則放電時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值越大。因此，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值的大小反映了輸入電壓VIN在固定積分時(shí)間T內(nèi)的平均值。 此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有

8、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。 AI的組成 逐次逼近原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系雙積分原理 量化 性能指標(biāo)第12頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三4.2.3 量化量化：用有限字長(zhǎng)的一組數(shù)碼和二進(jìn)制數(shù)碼去整量化或逼近時(shí)間離散幅值連續(xù)的采樣信號(hào)。量化過(guò)程即A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程。量化單位：最低有效位所代表的模擬量的量值，就稱為量化單位q。對(duì)于n位的A/D轉(zhuǎn)換器，滿量程輸入的模擬量表示為FSR ，則量化單位1. 量化與量化誤差 AI的組成 逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化 性能指標(biāo)第13頁(yè)，共3

9、1頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三量化誤差： 在滿刻度輸入范圍內(nèi)的模擬量數(shù)值是有無(wú)數(shù)多個(gè)的，而n位二進(jìn)制所表示的數(shù)值個(gè)數(shù)是有限的，所以絕大多數(shù)量化是用二進(jìn)制數(shù)去近似模擬數(shù)值，不可避免的存在誤差，這種由量化引起的誤差，稱為量化誤差。量化誤差的最大值為q/2。 AI的組成 逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化 性能指標(biāo)第14頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三2. 編碼編碼：即對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行量化處理，以二進(jìn)制數(shù)碼給出數(shù)字量的過(guò)程，稱為編碼。不同的編碼形式，影響到A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和性能，而且影響到處理這一數(shù)字量時(shí)編碼變換操作。 AI的組成 逐次逼近原理

10、雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化 性能指標(biāo)第15頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三1. 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 4.2.4 A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo) AI的組成 逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 量化性能指標(biāo)第16頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三 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。 相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤

11、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（Least Significant Bit)）來(lái)表示，1LSB = 1 2n 。 例如，對(duì)于一個(gè)8位0-5V的A/D轉(zhuǎn)換器，如果其相對(duì)誤差為1LSB，則其絕對(duì)誤差為19.5 mV，相對(duì)百分誤差為0.39。一般來(lái)說(shuō)，位數(shù)n越大，其相對(duì)誤差（或絕對(duì)誤差）越小。2. 轉(zhuǎn)換精度 AI的組成 逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 量化性能指標(biāo)第17頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三3. 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

12、/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)。 AI的組成 逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 量化性能指標(biāo)第18頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三量程A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。電源靈敏度當(dāng)電源電壓變化時(shí)，將使A/D轉(zhuǎn)換器的輸出發(fā)生變化，相當(dāng)于A/D轉(zhuǎn)換器輸入量的變化，從而產(chǎn)生誤差。靈敏度通常用相當(dāng)于同樣變化的模擬輸入值的百分?jǐn)?shù)表示。0.05%/%Us:表示電源電壓變化1%時(shí)，相當(dāng)于引入0.05%的模擬輸入值的變化。 AI的組成 逐次逼近原理 雙積分原理 AD轉(zhuǎn)換關(guān)系 量化性能指標(biāo)第19頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三4.3 8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口

13、技術(shù) 知識(shí)點(diǎn)ADC0809原理及引腳功能ADC0809工作時(shí)序硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)第20頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三4.3 8位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)4.3.1、 ADC0809芯片介紹8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為1/ 28 0.39 %單一5V供電時(shí)，模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是 0 - +5 V具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容功耗為15mWCLK=640kHz時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整采用28腳雙列直插式封裝ADC0809 工作時(shí)序 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)第21頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三A

14、DC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳ADC0809 工作時(shí)序 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)第22頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三IN0IN7：8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4-5 。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。D0D7：8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。ADC0809各引

15、腳功能(1) ADC0809 工作時(shí)序 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)第23頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三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。CLOCK：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+ = 5V DC，VR- = 0V DC。Vcc：工作電源， 5VDC。GND：電源地。ADC0809各引腳功能(2) ADC0809 工作時(shí)序 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)第

16、24頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三表4-5 被選通道和地址的關(guān)系CBA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809 工作時(shí)序 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)第25頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)序圖4-28 ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序 ADC0809工作時(shí)序 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)第26頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三首先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(shí)START 的上

17、升沿將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿起動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，即在時(shí)鐘的作用下，逐位逼近過(guò)程開始，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC即變?yōu)榈碗娖?。?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC恢復(fù)高電平，此時(shí)，如果對(duì)輸出允許OE輸入一高電平命令，則可讀出數(shù)據(jù)。ADC0809轉(zhuǎn)換過(guò)程 ADC0809工作時(shí)序 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)第27頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三4.3.2 8位A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的接口8路模擬量輸入地址：0000H0007H數(shù)字量輸入地址：0000H0007H,。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換：MOV DPTR，#0000HMOVX DPTR ， A讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)：MOV DPTR，#0000HMOVX A ，DPTR ADC0

18、809 工作時(shí)序硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)8051第28頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三A/D轉(zhuǎn)換器硬件接口應(yīng)注意的問(wèn)題A/D的數(shù)字量輸出的方式A/D轉(zhuǎn)換器本身集成三態(tài)可控門的，輸出線允許直接與數(shù)據(jù)總線相連。A/D轉(zhuǎn)換器本身不具有三態(tài)門的，要外接鎖存電路再接到數(shù)據(jù)總線上。片選、啟動(dòng)及讀寫信號(hào)的設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程一般是系統(tǒng)先發(fā)一個(gè)啟動(dòng)脈沖，待轉(zhuǎn)換結(jié)束后再讀入數(shù)據(jù)。注意信號(hào)的選取，保證A/D轉(zhuǎn)換器的正常工作。時(shí)鐘CLK的產(chǎn)生參考電平參考電平直接關(guān)系到轉(zhuǎn)換精度，常用單獨(dú)的穩(wěn)壓電源供電。 ADC0809 工作時(shí)序硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)第29頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)40分，星期三4.3.3 8位A/D轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)程序查詢方式 CPU向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)脈沖，然后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，直到讀取到A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果才結(jié)束查詢。定時(shí)采樣方式 CP