第二章 智能仪器模拟量输入输出通道.ppt
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1、智能仪器智能仪器模拟量的输入模拟量的输入/输出输出通道通道第2章1主要内容:主要内容:模拟量输入通道高速模拟量输入通道模拟量输出通道数据采集系统22.1模拟量输入通道2.1.1 转换器概述 A/D转转换换器器常常用用以以下下几几项项技技术术指指标标来来评评价其质量水平。价其质量水平。(1)分辨率与量化误差分辨率与量化误差ADC的的分分辨辨率率定定义义为为ADC所所能能分分辨辨的的输输入入模拟量的最小变化量。模拟量的最小变化量。量量化化误误差差是是由由于于ADC有有限限字字长长数数字字量量对对输输入入模模拟拟量量进进行行离离散散取取样样(量量化化)而而引引起起的的误误差。其大小在理论上为一个单位
2、。差。其大小在理论上为一个单位。3(2)转换精转换精度度 转换精度反映了一个实际转换精度反映了一个实际ADC与理想与理想ADC在量化值上的差值。包括在量化值上的差值。包括偏移误差、满刻度误偏移误差、满刻度误差、非线性误差、微分非线性误差。差、非线性误差、微分非线性误差。偏移误差偏移误差:输出为零时,输入不为零的值。:输出为零时,输入不为零的值。满刻度误差满刻度误差:又称增益误差是指:又称增益误差是指ADC输出达到输出达到满量程时,实际模拟输入与理想模拟输入之间满量程时,实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值。的差值。非线性误差非线性误差:实际转移函数与理想直线的最大:实际转移函数与理想直线的最大
3、偏移。偏移。微分非线性误差微分非线性误差:实际阶梯电压与理想阶梯电:实际阶梯电压与理想阶梯电压之间的差值。压之间的差值。4 ADC的非线性度误差的非线性度误差 ADC的微分非线性度误差的微分非线性度误差 5(3)转换速率转换速率转换速率转换速率是指是指ADC在每秒钟内所能完成的转在每秒钟内所能完成的转换次数。换次数。(4)满刻度范围满刻度范围满刻度范围满刻度范围是指是指ADC所允许最大的输入电压范所允许最大的输入电压范围。围。62.1.1 逐次比较式逐次比较式A/DA/D转换器转换器逐次逐次比较式比较式A/DA/D转换器原理图转换器原理图 7逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器的工作原理:转
4、换器的工作原理:转换开始前先将逐次逼近寄存器转换开始前先将逐次逼近寄存器SARSAR清清“0 0”;开开始始转转换换以以后后,第第一一个个时时钟钟脉脉冲冲首首先先将将寄寄存存器器最最高高位位置置成成1 1,使使输输出出数数字字为为1001000 0。这这个个数数码码被被D/AD/A转转换换器器转转换换成成相相应应的的模模拟拟电电压压u uo o,经经偏偏移移/2/2后后得得到到u uO Ou uO O/2/2,并并送送到到比比较较器器中中与与u uI I进进行行比比较较。若若u uI Iu uo o,说说明明数数字字过过大大,故故将将最最高高位位的的1 1清除置零;若清除置零;若u uI Iu
5、 uo o,说明数字还不够大,应将这一位保留。说明数字还不够大,应将这一位保留。然然后后,按按同同样样的的方方法法将将次次高高位位置置成成1 1,并并且且经经过过比比较较以以后后确确定定这这个个1 1是是保保留留还还是是清清除除。这这样样逐逐位位比比较较下下去去,一一直直到到最最低低位位为止。比较完毕后,为止。比较完毕后,SARSAR中的状态就是所要求的数字量输出。中的状态就是所要求的数字量输出。8二、二、ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口输入输入3 3位地址信号,在位地址信号,在ALEALE脉冲的脉冲的上升沿上升沿将将地址锁存地址锁存,经,经译码选通某一通道的模拟信号进入比
6、较器;译码选通某一通道的模拟信号进入比较器;发出发出A/DA/D转换转换启动信号启动信号STARTSTART,在在STARTSTART的的上升沿上升沿将将SARSAR清清0 0,转换结束标志,转换结束标志EOCEOC变为低电平,在变为低电平,在STARTSTART的的下降沿开下降沿开始转换始转换;转换过程在时钟脉冲转换过程在时钟脉冲CLKCLK的控制下进行;的控制下进行;转换结束后,转换结束后,EOCEOC跳为高电平跳为高电平,在,在OEOE端输入高电平,从端输入高电平,从而得到转换结果输出。而得到转换结果输出。93.3.ADC0809ADC0809引脚功能引脚功能ININ0 0ININ7 7
7、:8 8路模拟电压输入。路模拟电压输入。ADDADDC C、ADDADDB B、ADDADDA A:3 3位地址信号。位地址信号。ALEALE:地址锁存允许信号输入,高电平有效。地址锁存允许信号输入,高电平有效。D D7 7D D0 0(2 2-1-12 2-8-8):):8 8位二进制数码输出。位二进制数码输出。OEOE:输输出出允允许许信信号号,高高电电平平有有效效。即即当当OE=1OE=1时时,打打开开输输出出锁存器的三态门,将数据送出。锁存器的三态门,将数据送出。U UR(+)R(+)和和U UR(-)R(-):基准电压的正端和负端。基准电压的正端和负端。10CLKCLK:时钟脉冲输入
8、端。一般在此端加时钟脉冲输入端。一般在此端加500500kHzkHz的时钟信号。的时钟信号。STARTSTART:A/DA/D转转换换启启动动信信号号,为为一一正正脉脉冲冲。在在STARTSTART的的上上升升沿沿将将逐逐次次比比较较寄寄存存器器SARSAR清清0 0,在在其其下下降降沿沿开开始始A/DA/D转转换换过过程。程。EOCEOC:转转换换结结束束标标志志输输出出信信号号。在在STARTSTART信信号号上上升升沿沿之之后后 EOCEOC信信号号变变为为低低电电平平;当当转转换换结结束束后后,EOCEOC变变为为高高电电平平。此此信号可作为向信号可作为向CPUCPU发出的中断请求信号
9、。发出的中断请求信号。11ADCADC08090809的时序图的时序图 12ADCADC08090809与单片机与单片机80318031的接口电路的接口电路 131)查询方式程序清单如下:MOV DPTR,#FEF8H ;指出IN0通道地址 MOV A,#00H ;MOVX DPTR,A ;启动IN0通道转换 MOV R2,#20H ;DELY:DJNZ R2,DELY ;等待EOC信号变低WAIT:JB P3.3,WAIT ;查询等待EOC信号变高 MOVX A,DPTR ;读取转换结果 MOV 3030H,A ;存放结果 将由将由IN0端输入的模拟电压转换为对应的数字量,然后再端输入的模拟
10、电压转换为对应的数字量,然后再存入存入80318031内部的内部的3030H单元中单元中 142)延时等待方式程序清单如下:MOV DPTR,#FEF8H ;指出IN0通道地址 MOV A,#00H ;MOVX DPTR,A ;启动IN0通道转换 MOV R2,#48H ;WAIT:DJNZ R2,WAIT ;延时约140us MOVX A,DPTR ;读取转换结果 MOV 3030H,A ;存放结果 15(3)中断方式程序清单如下:MAIN:SETB IT0 ;外部中断0为边沿触发方式 SETB EX0 ;允许外部中断0中断 SETB EA ;开放CPU中断 MOV DPTR,#0FEF8H
11、 ;采样数据存放地址 MOV A,#00H ;启动A/D转换 MOVX DPTR,A ;INTR1:PUSH DPL ;保护现场 PUSH DPH PUSH A MOV DPTR,#0FEF8H MOVX A,DPTR;读取转换结果 MOV 30H,A ;存放结果 MOV A,#00H MOVX DPTR,A ;启动下一转换 POP A ;恢复现场 POP DPH POP DPL RET1 ;16三、AD574芯片及其接口芯片及其接口AD574主要特性主要特性17三、AD574芯片及其接口芯片及其接口18芯片芯片引脚19AD574的控制状态表:的控制状态表:20AD574与8031的接口电路2
12、12.1.32.1.3双积分双积分A/DA/D转换器转换器双积分型ADC又称双斜率ADC。它的工作原理工作原理是:对输入模拟电压和参考电压进行两次积分,变换成和输入电压平均值成正比的时间间隔,并利用计数器测出时间间隔,计数器的输出就是转换后的数字量。下图为双积分型ADC的电路图。该电路由运算放大器A构成的积分器、检零比较器C、时钟输入控制门G、定时器和计数器等组成。22双积分型ADC电路图比较器积分器23工作原理:1)转换前,所有计数器复位,S2闭合,C放电;2)第一次积分(采样阶段)积分器对VI进行固定时间T1的积分,积分结束时积分器的输出电压为:24计数器从全0到计满为全1时所用的时间为:
13、N1T1时间内进入计数器的CP个数。N1=2N253)第二次积分(比较阶段)t=t1时采样结束,S1接-VREF,积分器对-VREF进行积分。26T2=N2TCN2T2时间内进入计数器的CP脉冲个数。T1VI=T2VREF2NVI=N2VREF27T1T2VIVOt1t2CPN1TCN2TC第一次积分第二次积分28双积分式双积分式ADC的优点:的优点:对R、C及时钟脉冲Tc的长期稳定性无过高要求即可获得很高的转换精度。微分线性度极好,不会有非单调性。因为积分输出是连续的,因此,计数必然是依次进行的,即从本质上说,不会发生丢码现象。积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积分式ADC是测量输入电压在
14、定时积分时间T1内的平均值,对干扰有很强的抑制作用,尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。29三、三、MC14433MC14433芯片芯片1.MC14433主要特性参数1)转换精度具有1/1999分辨率或读数的0.05%1个字。2)电压量程分1.999V和199.9mV两档。3)基准电压取2V或200mV。4)转换速度为3次/秒10次/秒。5)具有过量程和欠量程输出标志。302.MC14433的内部结构及引脚功能MC14433的内部结构31模拟电路部分有基准电压,模拟电压输入部分。模入电压量程为199.9mV或1.9999V两种,对应基准电压为+200mV和+2V。数字电路部分由逻辑控制B
15、CD码及输出锁存器,多路开关,时钟以及极性判别,溢出检测等电路组成。采用字位动态扫描BCD码输出方式。即千,百,十,个 位 BCD码 轮 流 地 在 Q0Q3端 输 出。同 时 在DS1DS4端出现同步字位选通信号MC14433千位编码定义千位编码定义323.MC14433与8031单片机的接口设计由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码。Q0Q3和DS1DS4可以通过并行口P1或通过扩展I/O电路与其相连。下面介绍的电路是将MC14433与P1口相连的电路见图。图9.31MC14433与8031的接口电路该电路采用中断方式管理MC14433的操作。由于引脚E0C与DU连接在
16、一起,所以MC14433能自动连续转换。E0C经与非门接外中断INT1端,当EOC发出中断申请,转入中断服务程序处理转换结果。332.32.3模拟量输出通道模拟量输出通道2.3.1 2.3.1 D/AD/A转换器概述转换器概述一、一、D/AD/A转换转换原理原理DACDAC的基本原理的基本原理DAC是将每一位数字量的代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后将代表各位的模拟量相加,所得的总模拟量与数字量成正比。34DAC的输入是N位二进制数字信息D(dN-1,dN-2,d0),其最低位的d0和最高位的dN-1的权分别是20 和2N-1:DAC的输出是与输入数字量成正比的电压VO或电流i。35R-
17、2RR-2R倒倒T T型电阻网络型电阻网络DACDAC36工作原理:当输入全部为“1”时,电路的总电阻为R,所以,总电流为I=VREF/Rd3对应的电流:I3=I2I=I3+I2=2I3I3=I/2RR2RVREFI3I237RR2RVREFd2对应的电流:I3=I2I2=I2+I1=2I2I2=I/4R2RI1=I/8I0=I/16I3I2I1I2I3=I/23839二二、D/AD/A转换转换器的主要器的主要技术指标技术指标1 1、分辨率、分辨率分辨率分辨率是指是指输输入数字入数字发生单位数码发生单位数码变变化化时时,所,所对应对应的的输输出出模模拟拟量(常量(常为电压为电压)的)的变变化量
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