智能仪器 第5章 模拟量信号的输入输出.ppt

《智能仪器 第5章 模拟量信号的输入输出.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能仪器 第5章 模拟量信号的输入输出.ppt（53页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第四章内容的复习第四章内容的复习1.开关和开关量信号的特点、区别？开关和开关量信号的特点、区别？2.开关是一种有二个可选择的、有固定位置的开关是一种有二个可选择的、有固定位置的装置，主要用于向单片机输入电平信号。开关量信装置，主要用于向单片机输入电平信号。开关量信号就是通过拨动开关的位置，使单片机得到的一个号就是通过拨动开关的位置，使单片机得到的一个固定不变的电平信号（固定不变的电平信号（0或或1）。）。3.2.电子开关的缺点是什么？如何解决该缺点？电子开关的缺点是什么？如何解决该缺点？由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是电压、电流和开关的触点，这些

2、信号经常会产生瞬电压、电流和开关的触点，这些信号经常会产生瞬时高压、过电流或接触抖动等现象。因此为使信号时高压、过电流或接触抖动等现象。因此为使信号安全可靠，在输入到单片机之前必须接入信号输入安全可靠，在输入到单片机之前必须接入信号输入电气接口电路，对外部的输入信号进行滤波、电平电气接口电路，对外部的输入信号进行滤波、电平转换和隔离保护等转换和隔离保护等.3.开关量输入通道的基本组成？每个组成的作用？第开关量输入通道的基本组成？每个组成的作用？第四章四章PPT4.读取扳键开关状态的程序采用的编程方法？读取扳键开关状态的程序采用的编程方法？5.了解扳键开关、了解扳键开关、BCD拨盘开关与单片机的

3、接口拨盘开关与单片机的接口 电路和工作原理？电路和工作原理？5.开关量输出通道的基本组成？第四章开关量输出通道的基本组成？第四章PPT6.小功率直流负载的基本类型有哪些？其输出电流小功率直流负载的基本类型有哪些？其输出电流范围？采用什么驱动电路？如何驱动小功率交流范围？采用什么驱动电路？如何驱动小功率交流 负载？负载？第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出本章重点本章重点:1.A/D,D/A1.A/D,D/A转换器选择转换器选择2.2.模拟模拟I/OI/O通道的设计通道的设计第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出

4、一般的智能仪器仪表一般的智能仪器仪表,测得的测得的大多是大多是连续变化连续变化的物理量的物理量,如话音、温度、压力、流量等如话音、温度、压力、流量等,通常要将通常要将测量到的这些测量到的这些参数转换为数字量参数转换为数字量，送给微处理器或，送给微处理器或者单片机进行处理，处理的结果又要转换为模拟量者单片机进行处理，处理的结果又要转换为模拟量信号去控制现场，因此信号去控制现场，因此A/D、D/A变换是生产过程变换是生产过程自动控制和智能仪器仪表不可缺少的部分。自动控制和智能仪器仪表不可缺少的部分。A/DA/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这，这个模拟量泛指

5、电压、电阻、电流、时间等参量，但个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在在实际应用中是把模拟电压转换成二进制数字量。实际应用中是把模拟电压转换成二进制数字量。要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，通常要经过通常要经过 4 个步骤：个步骤：采样、保持、量化和编码采样、保持、量化和编码。一般前两步由一般前两步由采样保持电路采样保持电路完成，量化和编码由完成，量化和编码由AD转换器转换器来完成。来完成。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出5.1 模拟信号的输入常用常用A/DA/D转换器的种类转换器的种类 目前最常用的目前最常用的AD

6、转换器是转换器是双积分式双积分式A/D转换器（略讲）和并行比较式转换器。转换器（略讲）和并行比较式转换器。双积分式双积分式A/D转换器转换器主要优点是转换精度主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜。其缺点是转换高，抗干扰性能好，价格便宜。其缺点是转换速度较慢，因此，这种转换器主要用于速度要速度较慢，因此，这种转换器主要用于速度要求不高的场合。求不高的场合。v它由积分器它由积分器(由集成运放由集成运放A组成组成)、过零比较器、过零比较器(C)、时钟脉冲、时钟脉冲控制门（控制门（G）和计数器（）和计数器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。v 双积分式AD的基本原理是对输入模拟电压和

7、参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力。并并行行比比较较式式A/D转转换换器器由由电电阻阻分分压压器器、寄寄存存器器及及编编码码器器组组成成。根根据据各各比比较较器器的的参参考考电电压压值值，可可以以确确定定输输入入模模拟拟电电压压值值与与各各比比较较器器的的输输出出状状态态的的关关系系。比比较较器器的的输输出出状状态态由由D触触发发器器存存储储，经经优优先先编编码码器器编编码码，得得到到数数字字量量输输出出。转转换换过过程程

8、简简单单,转转换换速速度度快快,但但是是随随着着位位数数的的增增加加所所需需硬硬件件将将迅迅速速增增加加，当当n4时时，并并行行AD变变得得比比较较复复杂杂，因因此此并并行行A/D适适用用于于速速度度要要求求很很高高，而而输输出出位位数数较较少少的的场场合。合。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 A/DA/D转换器是模拟信号数字化的核心器件转换器是模拟信号数字化的核心器件,它的它的主要性能指标有主要性能指标有:1.1.分辨率分辨率 2.2.精度精度 3.3.转换时间转换时间 4.4.量程量程 5.1.1 A/D5.1.1 A/D转换器的选择转换器的选择第五章第五章 模拟信号的

9、输入模拟信号的输入/输出输出 分辨率是指分辨率是指A/DA/D转换器能分辨的最小模拟输转换器能分辨的最小模拟输入电压值，常用可转换成的数字量的位数来表入电压值，常用可转换成的数字量的位数来表示示(例如，例如，8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位等位等)。分辨率分辨率 其中，其中，n n是可转换成的数字量的位数。所是可转换成的数字量的位数。所以位数越高，分辨率也越高。例如，当输入满以位数越高，分辨率也越高。例如，当输入满量程电压为量程电压为5V5V时，对于时，对于8 8位位A/DA/D转换器，转换器，A/DA/D转转换的分辨率为换的分辨率为5V/2555V/2550.0195

10、 V0.0195 V。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 精度指标分为绝对精度和相对精度指标精度指标分为绝对精度和相对精度指标.绝对精度是指绝对精度是指A/DA/D输出端产生一给定数字量输出端产生一给定数字量时，输入端的实际模拟量输入值与理论值之差时，输入端的实际模拟量输入值与理论值之差,绝对精度是个范围绝对精度是个范围,而不是一数值。而不是一数值。相对精度是绝对精度的最大值与满量程值之相对精度是绝对精度的最大值与满量程值之比，一般用百分数来表示。比，一般用百分数来表示。转转换换时时间间是是指指A/D转转换换器器完完成成一一次次转转换换所所需需的的时时间间定定义义为为A/D转

11、转换换时时间间。转转换换时时间间反反映映了了A/D转转换换的的速速度度。转转换换时时间间是是启启动动ADC开开始始转转换换到到完完成成一一次次转转换换所所需需要要的的时时间间。目目前前常常用用的的A/D转转换换集集成电路芯片的转换时间在微秒数量级。成电路芯片的转换时间在微秒数量级。量程是指能进行转换的输入电压的最大范围。量程是指能进行转换的输入电压的最大范围。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出1.1.根据精度要求选择根据精度要求选择A/DA/D转换器件转换器件 若给定一智能仪器的设计任务若给定一智能仪器的设计任务,那么就那么

12、就会要求检测的精度指标会要求检测的精度指标,从而换算出从而换算出A/DA/D的转的转换精度。当仪器的非线性误差控制在换精度。当仪器的非线性误差控制在1 1位以位以下时，可以用分辨率指标来考核转换精度指下时，可以用分辨率指标来考核转换精度指标，即可用标，即可用A/DA/D转换器件的位数来选择转换转换器件的位数来选择转换器。器。实际设计中，还要结合经济性来考虑。实际设计中，还要结合经济性来考虑。讨论教材讨论教材P49的倒数第三段。的倒数第三段。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出2.2.根据采样频率选择根据采样频率选择A/DA/D转换器件转换器件 每一信号都有其频率特性，为使获取的

13、每一信号都有其频率特性，为使获取的信号真实，在选择信号真实，在选择A/DA/D时，也必须考虑符合时，也必须考虑符合奈奎斯特采样定理奈奎斯特采样定理（Fs=2*fmax,一般取2.56-4倍，采样频率至少大于信号上限频率的2倍)。A/DA/D转换器根据采样频率的不同可分为转换器根据采样频率的不同可分为:低速低速A/DA/D转换器转换器;中速中速A/DA/D转换器转换器;高速高速A/DA/D转转换器换器。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出低速低速A/DA/D转换器转换器：适用场合：适用场合：FsFs=10HZ=10HZ检测对象：变化缓慢的物理量（温度检测对象：变化缓慢的物理量（温

14、度/湿度湿度/液位）液位）A/DA/D转换器类型：双积分型转换器类型：双积分型优势：很强的抗工频干扰能力，转换精度高，便宜优势：很强的抗工频干扰能力，转换精度高，便宜应用：在数字电压表中应用广泛应用：在数字电压表中应用广泛 第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出中速中速A/DA/D转换器转换器：适用场合：适用场合：FsFs=100HZ=100HZ检测对象：变化较快的物理量（运动状态参数）检测对象：变化较快的物理量（运动状态参数）A/DA/D转换器类型：逐次逼近型转换器类型：逐次逼近型优势：转换速度较块，精度较高优势：转换速度较块，精度较高应用：绝大多数的应用系统，很常用应用：绝大

15、多数的应用系统，很常用 A/D0808A/D0808的采样频率是的采样频率是8 8位的。位的。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出高速高速A/DA/D转换器转换器：适用场合：适用场合：FsFs=1MHZ=1MHZ检测对象：变化极快的物理量（视频信号）检测对象：变化极快的物理量（视频信号）A/DA/D转换器类型：并行比较型转换器类型：并行比较型优势：转换速度较块，精度较高优势：转换速度较块，精度较高应用：多媒体信息采集与处理系统应用：多媒体信息采集与处理系统第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出3 3其他选择考虑其他选择考虑片内片内A/DA/D：精度要求不大于12位

16、,可选片内集成A/D转换部件单片机,使结构紧凑。封装：封装：常用DIP封装（双列直插式），发展趋势为表贴型SO封装第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 5.1.2 5.1.2 模拟输入通道设计模拟输入通道设计 模模拟拟量量输输入入通通道道可可完完成成模模拟拟量量信信号号的的采采集集并并将将它它转转换换成成数数字字量量送送入入单单片片机机的的任任务务。依依据据被被控控参参量量和和控控制制要要求求的的不不同同，模模拟拟量量输输入入通通道道的的结结构构形形式式不不完完全全相相同同。但但其其基基本本结结构构都都有有信信号号调调理理电电路路、采采样样保保持持电电路路和和D/A转换电路转换

17、电路组成。组成。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出1.信号调理电路设计 信号调理电路包括硬硬件件滤滤波波电电路路、放放大大器器、增增益益校校准准电电路路、零零点点校校准准电电路路、线线性性校校准准电电路路和和温温度度补偿电路补偿电路等。智智能能仪仪器器可可以以通通过过微微处处理理器器软软件件来来进进行行自自动动校校准准和和自自动动补补偿偿，因因此此设设计计信信号号调调理理电电路路可可省省去去线线性性校校准准电电路路和和温温度度补补偿偿电电路路，对增益校准电路和零点校准电路的要求也可以降低一些，甚至可以不必采用非常昂贵的高档运算放大器。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入

18、/输出输出 (1)(1)硬件滤波电路设计硬件滤波电路设计：滤滤波波电电路路作作用用：滤滤除除传传感感器器器器件件传传来来的的混混在在信信号号中中的干扰成分。（可以省略设计不？）的干扰成分。（可以省略设计不？）设计步骤：设计步骤：首首先先：设设计计前前分分析析有有用用信信号号的的频频谱谱和和干干扰扰信信号号的的频频谱谱，只只有有当当两两者者的的频频谱谱明明显显分分开开时时，硬硬件件滤滤波波电电路路才能发挥作用。才能发挥作用。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 其次：根据信号和干扰的频谱特性，选择低通滤波器、其次：根据信号和干扰的频谱特性，选择低通滤波器、高通滤波器。高通滤波器。

19、为了降低成本，低通滤波器可用多节为了降低成本，低通滤波器可用多节RCRC电路组成。此电路组成。此时前置放大器的输入阻抗应够高，以避免时前置放大器的输入阻抗应够高，以避免RCRC滤波环节对有滤波环节对有用信号的衰减。用信号的衰减。最后：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，最后：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，就需要采用就需要采用调制解调技术（调制解调技术（把要传输的模拟信号或数字信号变换把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号）成适合信道传输的信号）将有用信号的频谱进行搬移，从而分离将有用信号的频谱进行搬移，从而分离有用信号和干扰信号的频谱。有用信号和干扰信号的频谱。调制解调

20、器就是我们常说的猫（调制解调器就是我们常说的猫（modemmodem）。）。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 (2)(2)放大器设计放大器设计：放大器放大器作用：作用：将信号放大到将信号放大到AD转换器需要的幅度转换器需要的幅度。图5-1 仪表放大器INA114原理图 外外部部电电阻阻RSRS可可调调，实现放大倍数设置。实现放大倍数设置。偏偏值值电电压压：实实现现放放大大器器的的窗窗口口（P51P51第第二二段段）作作用用（UoUo=KUiKUi-Us-Us）；UoUo输输出出电电压压，UiUi输输入入电电压，压，UsUs偏置电压。偏置电压。第五章第五章 模拟信号的输入模拟

21、信号的输入/输出输出 (3)(3)校准电路设计：校准电路设计：校校准准电电路路作作用用：使使信信号号调调理理电电路路的的参参数数满足要求。满足要求。图图51中中，外外部部可可调调电电阻阻Rg电电路路就就是是增增益益校校准准电电路路，作作用用是是通通过过仔仔细细调调节节可可调调电电阻阻Rg，使使放放大大器器的的放放大大倍倍数数等等于于设设定定值值（P52P52第第一一段段）。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出2.2.采样保持电路设计采样保持电路设计 所谓采样，就是将一个时间上连续变化的模拟量所谓采样，就是将一个时间上连续变化的模拟量转化为时间上离散变化的模拟量。转化为时间上离散

22、变化的模拟量。模拟信号的采样过模拟信号的采样过程如图程如图5-2a所示。其中所示。其中uI(t)为输入模拟信号，为输入模拟信号，uO(t)为为输出模拟信号。输出模拟信号。采样过程的实质就是将连续变化的模拟信号变成采样过程的实质就是将连续变化的模拟信号变成一串等距不等幅的脉冲。采样的宽度往往是很窄的，一串等距不等幅的脉冲。采样的宽度往往是很窄的，为了使后续电路能很好的对这个采样结果进行处理，为了使后续电路能很好的对这个采样结果进行处理，通常需要将采样结果存储起来，直到下次采样，这个通常需要将采样结果存储起来，直到下次采样，这个过程称作保持过程称作保持,如图如图5-2b。采样器和保持电路一起总称为

23、采样保持电路。采样器和保持电路一起总称为采样保持电路。图 5-2a 信号的采样过程 图 5-2b 采样保持电路及波形第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出3.A/D3.A/D转换电路设计转换电路设计 AD转换电路包括转换电路包括AD转换芯片、基准转换芯片、基准电源电路和控制电路。电源电路和控制电路。例1：P87LPC767单片机中的8位转换部件的功能;例2:TI的12位A/D转换芯片TLC2543。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出图53a P87LPC767芯片的连接方法 内部带有一个四通道的位转换器。四个口

24、可选择为转换的输入。其转换的电源和参考电压与共用和。转换器包括一个模拟多路开关选择器和一个位逐次逼近。该转换器可由特殊功能寄存器控制，并可通过置位位来使能，同时可通过置位位来启动转换。转换完成时，将结果放入中。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 AIN0一AINl0为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DouT为AD转换结果的三态串行输出端；Eoc为车结束端；CLK为IO时钟；REF+为正基准电压端；REF一为负基准电压端；Vc为电源；G为地。工作时首先将片选端CS置低电平，然后用软件产生时钟脉冲并加到CLK在时钟脉冲作用下，TLC2543一方面从DOUT端口输

25、出上次转换的结果，同时从DIN端C入下一次的操作指令(1字节)。图53b TLC2543芯片与单片机的连接图第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出3.1.3 3.1.3 其他其他A/DA/D转换模式介绍转换模式介绍 1.VFC式式A/D转换转换 VFC(VFC(电压电压/频率转换器频率转换器)根据电荷平衡的原理，根据电荷平衡的原理，将输入的模拟电压转换成与之成正比的频率信号输出。将输入的模拟电压转换成与之成正比的频率信号输出。把该频率信号送入计数器定时计数，就可以得到与输把该频率信号送入计数器定时计数，就可以得到与输入模拟电压成正比的二进制数字量。因此，入模拟电压成正比的二进制数

26、字量。因此，VFCVFC可以作可以作为为A/DA/D转换器的前置电路，实现模拟到数字量的转换。转换器的前置电路，实现模拟到数字量的转换。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 VFC式式A/D转换器由于频率信号的测量比较转换器由于频率信号的测量比较耗时，故采样频率比较低，检测对象只能是慢变耗时，故采样频率比较低，检测对象只能是慢变信号，如温度、湿度等。但频率信号便于远距离信号，如温度、湿度等。但频率信号便于远距离传输和隔离，故适用于多路慢变信号的远距离巡传输和隔离，故适用于多路慢变信号的远距离巡回检测。回检测。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出2.2.廉价的比较

27、器式廉价的比较器式A/DA/D转换器转换器 此种比较器的输出电平只有高电平此种比较器的输出电平只有高电平VccVcc和地电平两和地电平两种情况种情况,当输入信号电压在当输入信号电压在0 0和和VccVcc之间时，比较器的输之间时，比较器的输出是不停跳变的方波出是不停跳变的方波,该方波经过平滑滤波之后形成的该方波经过平滑滤波之后形成的电压包含直流分量和残留的交流分量，其直流分量与电压包含直流分量和残留的交流分量，其直流分量与输入电压相等，而残留的交流分量使比较器维持输出输入电压相等，而残留的交流分量使比较器维持输出方波。因此方波的直流分量占空比就是高电平维持时方波。因此方波的直流分量占空比就是高

28、电平维持时间的比例，即可通过对直流分量的时间测量来得出输间的比例，即可通过对直流分量的时间测量来得出输入信号的电压入信号的电压.第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 该方法的硬件成本非常低，很适合精度要该方法的硬件成本非常低，很适合精度要求不很高的慢变信号检测。理论上，只要延长求不很高的慢变信号检测。理论上，只要延长检测时间，就可以提高检测精度，实际上受高检测时间，就可以提高检测精度，实际上受高电平电平Vcc精度的影响，这种廉价的比较器式精度的影响，这种廉价的比较器式A/D转换器只能做到转换器只能做到1的检测精度。的检测精度。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出

29、3.3.-型型A/DA/D转换器转换器 -型型A/D转换器转换器即过采样型转换器，其内集成了即过采样型转换器，其内集成了精密比较器、积分器、精密基准电压源、电子开关和脉精密比较器、积分器、精密基准电压源、电子开关和脉冲源等功能部件。在精密基准电压源的配合下，通过增冲源等功能部件。在精密基准电压源的配合下，通过增加对检测信号的采样次数来提高检测精度，通过提高采加对检测信号的采样次数来提高检测精度，通过提高采样频率来缩短检测时间。目前转换精度达到样频率来缩短检测时间。目前转换精度达到14位以上的位以上的A/D转换芯片都是此种类型。转换芯片都是此种类型。-型型A/D转换转换芯片转换精度高，可达芯片转

30、换精度高，可达1824位，转位，转换时间为换时间为1001 000ps，达到中速，达到中速AD转换水平，是高转换水平，是高精度智能仪器和检测设备中精度智能仪器和检测设备中A/D转换器的最好选择。转换器的最好选择。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出5.2 模拟信号的输出vD/A转换器的基本原理转换器的基本原理v D/A转换器就是一种将离散的数字量转换为连续变化的模拟量的电路。数字量是用代码表示的，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换为模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表每位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比。第五章第五章 模拟信号的输

31、入模拟信号的输入/输出输出D/A转换器的基本组成 D/AD/A转换器主要由逻辑电路、电子开关、产生转换器主要由逻辑电路、电子开关、产生权电流或权电压的电阻网络、基准电压以及电压或权电流或权电压的电阻网络、基准电压以及电压或电流放大器等部分组成电流放大器等部分组成.第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出5.2.1 D/A转换器的选择转换器的选择 D/A转换器的技术性能指标很多，例如绝对精度、相对精度、线性度、输出电压范围、温度系数、输入数字代码种类（二进制或BCD码）等。由于DA转换的速度通常都能满足要求，故DA转换器件的选择标准主要是精度标准。设计时，通常要将DA的精度要求比系统

32、控制精度要求提高12位。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出选择思路：选择思路：1.只只要要其其精精度度满满足足要要求求，最最好好选选择择集集成成了了DA部部件件的的单单片片机机，选选择择这这类类单单片片机机将将对对简简化化电电路路设设计和降低成本有利。计和降低成本有利。2.若若系系统统没没有有三三总总线线，串串行行DA芯芯片片将将是是合合适适的选择。的选择。3.如如果果系系统统要要求求微微型型化化，则则可可选选择择表表贴贴型型SO封封装芯片。装芯片。4.从从发发展展趋趋势势来来看看,高高精精度度、串串行行总总线线、多多路路输输出出、内内嵌嵌基基准准电电压压源源及及直直接接输输

33、出出模模拟拟电电压压类类型型的的D/A芯片将成为选择最佳芯片的必备条件。芯片将成为选择最佳芯片的必备条件。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出5.2.2 模拟输出通道设计模拟输出通道设计 传统的模拟输出通道设计包括DA器件的接口电路设计、电流电压转换电路设计、输出驱动电路设计。如今,DA芯片基本上将电流电压转换电路集成到芯片内部，直接输出转换后的电压信号，使得电路设计更加简单。当DA转换的精度要求不是很高时，可选择带DA功能部件的单片机；当DA转换的精度要求比较高或需要多路DA时，通常需要选择专用DA芯片。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 (1)(1)片内片

34、内D DA A部件的使用：部件的使用：P87LPC769P87LPC769单片机是一款单片机是一款内含两路内含两路8 8位位D DA A转换部件的具有转换部件的具有5151内核的单片机，如内核的单片机，如果需要使用两路果需要使用两路D DA A转换部件，必须将端口转换部件，必须将端口P1.6P1.6和和P1.7P1.7的数字输出功能关闭，将的数字输出功能关闭，将A AD D部件功能关闭，打部件功能关闭，打开两路开两路D DA A部件，就可以方便地输出两路模拟信号。部件，就可以方便地输出两路模拟信号。P87LP769单片机内含的单片机内含的DA转换部件采用电转换部件采用电源电压作为基准电压，输出

35、电压的范围为源电压作为基准电压，输出电压的范围为0一一Vcc。因。因此，电源电压的稳定性和噪音对输出的模拟信号有直此，电源电压的稳定性和噪音对输出的模拟信号有直接影响接影响。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 (2)(2)片内多路片内多路D DA A芯片的使用：芯片的使用：DAC8420DAC8420是是ADAD公司生产的公司生产的4 4路输出路输出1212位位D DA A转换芯转换芯片。该芯片具有高速串行接口，而且功耗很低，能广泛片。该芯片具有高速串行接口，而且功耗很低，能广泛应用于伺服系统控制和过程自动化控制系统中。应用于伺服系统控制和过程自动化控制系统中。主要特点有：可

36、选择单极或双极模式；复位后输出主要特点有：可选择单极或双极模式；复位后输出置置0 0或中间值；电源选择广泛，或中间值；电源选择广泛，+5+5一士一士15 V15 V均可；采用均可；采用1616脚脚PDIPPDIP、CERDIPCERDIP或或SOICSOIC封装封装。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出图5-4串行多路D/A转换芯片DAC8042的使用第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 DAC22408的引脚功能：Vdd：正电源，范围为+5一+15 V。Vss：负电源，范围为0一一15 V。GND：接数字地。CLK；系统串行时钟输入端。在时钟上升沿，由SDI输

37、入的串行数据将进入DAC8420 内部的串并转换寄存器。CLR：复位操作输入端。低电平有效。可用于将内部4路寄存器置。或者置为中间值 (具体方式由CLSEl决定)。ClSEL：复位方式控制端。该端为低电平时，复位时将4路寄存器置o；为高电平时 复位时将4路寄存器置为中间值。CS：片选信号输入端。低电平有效。LD；异步DAC寄存器载入控制端。低电平有效。在LD的下降沿，串行输入寄存器。SDI：串行数据输入端。VREFHI：参考电压高值端。取值范围是VDD一2.5 VVEFLO+25 V。VREFLO：参考电压低值端。当输人数据为0时，输出电压为yREFL。，其取值范围是 VssvREI一25 V

38、。VOUTAVOUTD：4路电压输出端。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出注意:1.为了降低电压噪声对输出的影响，各种电压均需要接入滤波电容。2.如果输出电内复位方式固定，可将CLSEL接地或接+5 V，单片机的n2端口便可改作其它用途。如F需要复位操作(用具体数据对4路输出进行初始化)，可将CLR端接斗5 V，单片机的P18口也可改作其它用途，这在单片机端口紧张时是可行的。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出5.2.3 PWM5.2.3 PWM型型D/AD/A转换器转换器 脉宽调制电路脉宽调制电路(PWM)型型D/A转换器与标准转换器与标准D/A转换器相转换

39、器相比比,具有以下两种特征具有以下两种特征:1.在同样输出分辨率的情况下，在同样输出分辨率的情况下，PWM部件的成本要低部件的成本要低得得(纯数字电路集成工艺纯数字电路集成工艺)2.2.由于由于PWM部件输出的模拟信号是方波信号经过平滑部件输出的模拟信号是方波信号经过平滑滤波后得的，故输出的模拟信号变化速度较慢，只能用来滤波后得的，故输出的模拟信号变化速度较慢，只能用来控制低速对象。控制低速对象。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 脉宽调制电路脉宽调制电路(PWM)部件的使用方法部件的使用方法 1)重复周期的控制重复周期的控制:特殊功能寄存器CNSW0和CNSWl的内容控制输

40、出方波的重复周期。脉冲方波的重复周期越短，平滑滤波电路的时常数就可以越小，输出模拟信号的响应就越快，但是，输出信号的分辨率也随之下降。由于PWM部件的控制对象都是低速对象，速度问题基本上不必考虑。为提高分辨率，可以将脉冲周期设置为最大值，以便获得10位的分辨率。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 2)占空比的控制占空比的控制:PWM部件的DA功能是通过控制其高电平的占空比来实现的，P87PLC768单片机单片机4个个PWM通道的占空比可以通道的占空比可以各不相同，分别由各自的各不相同，分别由各自的CPSW0、CPSWl、CPSW2、CPSW3和公共的和公共的CPSW4来控制。

41、脉冲方波的占空比随着来控制。脉冲方波的占空比随着CPSW0和和CPSW4的内容改变而线性变化，变化范围不超的内容改变而线性变化，变化范围不超过过CNSW0和和CNSWl的值的值 第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出 3)平滑滤波与功率驱动平滑滤波与功率驱动:PWM部件的部件的DA功能是通过控制其高电平的占空比功能是通过控制其高电平的占空比来实现的，来实现的，PWM部件输出占空比可调的方波经过平滑滤波部件输出占空比可调的方波经过平滑滤波后输出的是与占空比成正比的直流成分，即完成了后输出的是与占空比成正比的直流成分，即完成了DA转转换功能。平滑滤波环节由多滤波电路组成，换功能。平滑

42、滤波环节由多滤波电路组成，RC时间常数必时间常数必须比方波的重复周期大若干倍。须比方波的重复周期大若干倍。RC时间常数越大，滤波效时间常数越大，滤波效果越好，输出信号中的纹波越小，但系统的惯性也随之加果越好，输出信号中的纹波越小，但系统的惯性也随之加大，对控制的反应变得迟钝。因此，大，对控制的反应变得迟钝。因此，RC时间常数应该在滤时间常数应该在滤波效果和反应速度两者之间进行折中。波效果和反应速度两者之间进行折中。PWM部件输出信号部件输出信号经过经过RC滤波环节之后，几乎没有负载能力，必须经过高输滤波环节之后，几乎没有负载能力，必须经过高输入阻抗的入阻抗的i路和功率驱动电路后才能控制最终负载

43、。路和功率驱动电路后才能控制最终负载。第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出提示提示 请同学们将自己的问题和课请同学们将自己的问题和课堂没听懂的地方以纸条的形式提堂没听懂的地方以纸条的形式提出来出来,下次课解答。下次课解答。请同学们将自己对上课的方请同学们将自己对上课的方式和方法式和方法,提出宝贵意见提出宝贵意见,我将在我将在以后的课时中加以改进以后的课时中加以改进!第五章第五章 模拟信号的输入模拟信号的输入/输出输出谢谢 谢谢！课后复习题课后复习题1:模拟量输入模拟量输入A/D转换器的选择原则转换器的选择原则?2：模拟输入通道设计包括哪些电路设计？信号调理电：模拟输入通道设计包

44、括哪些电路设计？信号调理电路设计又包括哪些电路设计路设计又包括哪些电路设计?3：常用：常用A/D转换器的类型，说出转换器的类型，说出6种类型？种类型？4：为什么智能仪器的信号调理电路可省去或者降低校：为什么智能仪器的信号调理电路可省去或者降低校准电路设计工作？准电路设计工作？5：硬件滤波器和软件滤波器在模拟信号输入电路的作：硬件滤波器和软件滤波器在模拟信号输入电路的作用用？6：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，如何分：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，如何分离有用信号和干扰信号的频谱？离有用信号和干扰信号的频谱？课后综合复习题：给定一设计条件，设计选用一智能温课后综合复习题：给定一设计

45、条件，设计选用一智能温度仪器的度仪器的A/D转换器转换器(不提问)课后复习题解答课后复习题解答问题问题1:模拟量输入模拟量输入A/D转换器的选择原则转换器的选择原则?根据精度要求进行选择,习惯上用位数衡量转换精度；根据采样频率进行选择，在符合采样定理的基础上，结合检测对象信号特性选取低速、中速、高速A/D根据系统结构要求选择片内还是片外A/D根据设计方案是否可简化电路选择串行、并行A/D根据封装工艺选择DIP、表贴型SO封装问题问题2：模拟输入通道设计包括哪些电路设计？信号调理电路设计又：模拟输入通道设计包括哪些电路设计？信号调理电路设计又包括哪些电路设计？包括哪些电路设计？模拟输入通道设计包

46、括信号调理电路，采样保持电路，A/D转换电路等设计信号调理电路设计包括硬件滤波电路，放大器电路，校准电路设计。问题问题3：常用：常用A/D转换器的类型，说出转换器的类型，说出6种类型？种类型？常用A/D转换器有双积分式、逐次逼近式、并行比较式、VFC式、简单比较器式、-型A/D转换器式。问题问题4：为什么智能仪器的信号调理电路可省去或者降低：为什么智能仪器的信号调理电路可省去或者降低校准电路设计工作？校准电路设计工作？因为智能仪器有强大的信号处理和分析功能，可以通过微处理器软件来进行自动校准和自动补偿。问题问题5：硬件滤波器和软件滤波器在模拟信号输入电路的：硬件滤波器和软件滤波器在模拟信号输入电路的作用作用？硬件滤波器用在A/D转换前，用于滤除传感器器件传来的混在信号中的干扰成分软件滤波器用在A/D转换后，用于滤除在信号采样保持A/D转换过程中产生的噪声。问题问题6：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，如何：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，如何分离有用信号和干扰信号的频谱？分离有用信号和干扰信号的频谱？可采用调制解调技术将有用信号的频谱进行搬移，从而实现有用信号和干扰信号的分离。