第三章模擬量輸入通道

第三章模擬量輸入通道第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日

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

思考題

主要內(nèi)容：第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日

模擬量輸入通道的任務：

轉(zhuǎn)換——模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。組成核心——A/D轉(zhuǎn)換器

引言第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日將現(xiàn)場物理量變換為電信號抑制干擾、保證A/D轉(zhuǎn)換精度實現(xiàn)多選一將輸入信號放大到A/D可接受的范圍保持、保證A/D精度核心，實現(xiàn)A到D的轉(zhuǎn)換進行地址譯碼，產(chǎn)生片旋信號和寫信號第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日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

第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.無源I/V變換構(gòu)成－－無源器件電阻＋RC濾波＋二極管限幅等實現(xiàn)，取值:輸入0-10mA，輸出為0-5V，R1=100Ω，R2=500Ω； 輸入4-20mA，輸出為1-5V，R1=100Ω，R2=250Ω；

電路圖：第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日2.有源I/V變換構(gòu)成－－

運算放大器＋電阻電容組成；電路放大倍數(shù)－－同相放大電路

取值－

R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ輸入0~10mA輸出0~5V

R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ輸入4~20mA輸出1~5V電路圖：

第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.2多路模擬開關(guān)

主要知識點

3.2.1結(jié)構(gòu)原理

3.2.2擴展電路第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.2.1結(jié)構(gòu)原理

圖CD4051結(jié)構(gòu)原理鏈接動畫構(gòu)成－電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路三部分組成。第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.2.2擴展電路鏈接動畫圖多路模擬開關(guān)的擴展電路第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日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

第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日引言鏈接動畫

圖放大電路前置放大器的任務－將輸入模擬小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍，如0-5VDC;第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.3.1測量放大器鏈接動畫對稱結(jié)構(gòu)，可抑制共模干擾。第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.3.2可變增益放大器

鏈接動畫第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.4采樣保持器

3.4.1數(shù)據(jù)采樣定理

3.4.2采樣保持器第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.4.1數(shù)據(jù)采樣定理鏈接動畫圖信號的采樣過程周期采樣過程：第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.4.2采樣保持器

1、零階采樣保持器鏈接動畫圖零階采樣保持器第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日構(gòu)成－－輸入輸出緩沖放大器A1、A2和采樣開關(guān)S、保持電容CH。工作過程－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。第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日2、零階集成采樣保持器圖集成采樣保持器

（a）AD582（b）LF198/298/398圖3－9集成采樣保持器

第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.5A/D轉(zhuǎn)換器

3.5.1工作原理與性能指標

3.5.2ADC0809芯片及其接口電路

3.5.3AD574A芯片及其接口電路

主要知識點第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.5.1工作原理與性能指標

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

第二十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日1．逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理鏈接動畫圖逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日

例題3-2：一個8位A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)VR+=5.02V，VR=0V,計算當VIN分別為0V、2.5V、5V時所對應的轉(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。第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日2．雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理

圖雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日3．電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理圖電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換原理第二十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日（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。即：分辨率=滿刻度值/2n

4．A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度,用絕對誤差和相對誤差來表示。絕對誤差＝實際模擬量輸入值－理論值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－(指絕對誤差/滿刻度值)*100%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。

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。（2）轉(zhuǎn)換精度

第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日（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。

（4）非線性誤差A/D轉(zhuǎn)換器實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差。在轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，一般要求非線性誤差不大于1/2LSB。通常用非線性誤差來表示A/D轉(zhuǎn)換器的線性度。第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.5.2ADC0809及其接口電路主要知識點1.ADC0809芯片介紹

2．ADC0809接口電路第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日

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標準轉(zhuǎn)換時間為100s采用28腳雙立直插式封裝第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日

圖ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳鏈接動畫第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時序圖ADC0809的轉(zhuǎn)換時序第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2．ADC0809接口電路

A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路主要是解決主機如何分時采集多路模擬量輸入信號的，即主機如何啟動A/D轉(zhuǎn)換（體現(xiàn)為對START和ALE引腳的控制），如何判斷A/D完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換（體現(xiàn)為是否讀取EOC標志，如何讀取），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)第三十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日（1）查詢方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

非與門02（3）、/IOW控制A/D轉(zhuǎn)換啟動；通過三態(tài)緩沖器讀入EOC狀態(tài)以判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束——查詢。第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日鏈接動畫第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日接口程序如下：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)第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日（2）定時方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

鏈接動畫第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日這兩種方法的共同點：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。第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.5.3AD574A芯片及其接口電路

主要知識點

1．AD574A芯片介紹

2.AD574A接口電路第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日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基準電壓源構(gòu)成，可以直接與主機數(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四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日AD574A原理框圖及引腳第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日

模擬輸入信號的幾種接法圖AD574A的輸入信號連接方法第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日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，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)。第四十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.6A/D轉(zhuǎn)換模板1、A/D轉(zhuǎn)換模板也需要遵循I/O模板的通用性原則：符合 總線標準，接口地址可選以及輸入方式可選。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。2、A/D轉(zhuǎn)換模板結(jié)構(gòu)組成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。第四十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日8路12位A/D轉(zhuǎn)換模板的示例第四十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日

該過程的數(shù)據(jù)

采集程序框圖:第四十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日AD574APROCNEAR；過程定義偽指令

MOVCX，8；計數(shù)器初始

CLD；標志位DF清零

MOVAL，00000000B；

MOVBUF1，AL；CE=0，=0，R/=0，＝0＝C =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；送PC口控制信號與通道號

NOP

NOP

ORAL，01000000B；CE=1OUTDX，AL；啟動A/DANDAL，10111111B；CE=0OUTDX，ALMOVDX，2C0H；8255A的PA口址POLLING：INAL，DX

TESTAL，80H

JNZPOLLING；測試

第四十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日

MOVAL，BUF1

ORAL，01010000B；R/=1

MOVDX，2C2H

OUTDX，AL；輸出12位轉(zhuǎn)換數(shù)到8255A

MOVDX，2C0H

INAL，DX；讀8255A的PA口

ANDAL，0FH

MOVAH，AL；保留PA口低4位（12位中的高4位）

INCDX；