第三章模擬量輸入通道

第三章模擬量輸入通道第1頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

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2頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

模擬量輸入通道的任務(wù)：

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3頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月將現(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(shí)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(shí)現(xiàn)A到D的轉(zhuǎn)換進(jìn)行地址譯碼，產(chǎn)生片旋信號和寫信號第4頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)，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，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)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6頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.有源I/V變換構(gòu)成－－

運(yùn)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7頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2多路模擬開關(guān)

主要知識點(diǎn)

3.2.1結(jié)構(gòu)原理

3.2.2擴(kuò)展電路第8頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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9頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2擴(kuò)展電路鏈接動畫圖多路模擬開關(guān)的擴(kuò)展電路第10頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3前置放大器主要知識點(diǎn)

引言

3.3.1測量放大器

3.3.2可變增益放大器

第11頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月引言鏈接動畫

圖放大電路前置放大器的任務(wù)－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12頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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13頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2可變增益放大器

鏈接動畫第14頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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15頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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16頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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17頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月構(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18頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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19頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5A/D轉(zhuǎn)換器

3.5.1工作原理與性能指標(biāo)

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(diǎn)第20頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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21頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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22頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

例題3-2：一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)VR+=5.02V，VR

=0V,計(jì)算當(dāng)VIN分別為0V、2.5V、5V時(shí)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(shí)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23頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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24頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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25頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(shí)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26頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(shí)際模擬量輸入值－理論值絕對誤差包括增益誤差，零點(diǎn)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(gè)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27頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（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，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級。

（4）非線性誤差A(yù)/D轉(zhuǎn)換器實(shí)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(jì)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28頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2ADC0809及其接口電路主要知識點(diǎn)1.ADC0809芯片介紹

2．ADC0809接口電路第29頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(shí)間為100

s采用28腳雙立直插式封裝第30頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳鏈接動畫第31頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)序圖ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序第32頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)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（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(biāo)志，如何讀?。?，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(shí)方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)第33頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（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34頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月鏈接動畫第35頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月接口程序如下：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36頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）定時(shí)方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

鏈接動畫第37頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月這兩種方法的共同點(diǎn)：硬軟件接口簡單，但在轉(zhuǎn)換期間獨(dú)占了CPU時(shí)間，好在這種逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間只在微秒數(shù)量級。當(dāng)選用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，因其轉(zhuǎn)換時(shí)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(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，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38頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.3AD574A芯片及其接口電路

主要知識點(diǎn)

1．AD574A芯片介紹

2.AD574A接口電路第39頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)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40頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月AD574A原理框圖及引腳第41頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

模擬輸入信號的幾種接法圖AD574A的輸入信號連接方法第42頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)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(shí)方式。其接口電路及其程序參見下一節(jié)。第43頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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44頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月8路12位A/D轉(zhuǎn)換模板的示例第45頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

該過程的數(shù)據(jù)

采集程序框圖:第46頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月AD574APROCNEAR；過程定義偽指令

MOVCX，8；計(jì)數(shù)器初始

CLD；標(biāo)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47頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

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；讀