数据采集系统设计.pptx

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1、数据采集系统是医学信号数字化的基础数据采集系统是医学信号数字化的基础 人体的各种物理量，如生物电位、心音、体温、血压、血流、肌电、脑电、神经传导速度等，采用各种传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送模/数转换器（A/D），变成适合于微处理机使用的数字量供系统处理。同样，微处理器处理后的数据往往又需要使用数/模转换器（D/A）及适应的接口将其变换成模拟量送出，如图2-1所示。第1页/共137页模拟量输入模拟量输入/输出通道示意输出通道示意A/D转换器及其接口统称为模拟量输入通道；D/A转换器及相应接口称为模拟量输出通道。第2页/

2、共137页2.1 2.1 模拟量输入通道模拟量输入通道2.1.1 A/D2.1.1 A/D转换器概述转换器概述一概述 A/DA/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电流、时间等参量,但通常情况下，模拟量是指电压参量。在A/DA/D转换的过程中通常要完成采样、量化和编码三个步骤。第3页/共137页1 1 采样采样 待采样的模拟信号是连续的，可看成无限多个瞬时值组成，而A/DA/D转换以及计算机处理需要一定的时间，不可能把每一个瞬时值都转换成数字量。必须在连续变化的模拟量上按周期取样的规律取出某一些瞬时值来代表这个模拟量，这个过程就是采样。采样是通过采样保持电路实现的，采样器

3、（电子模拟开关）在控制脉冲s(t)s(t)的控制下，周期性地把随时间连续变化的模拟信号f(t)f(t)转变为时间上的离散的模拟信号f fs s(t)(t)。第4页/共137页仅在采样瞬间允许输入信号f(t)通过采样器，其它时间断开。采样器的输出fS(t)是一串窄脉冲，脉冲的包络线是与输入信号相同的。图2-2 采样器输入输出波形 第5页/共137页输出信号能否如实反映原始输入信号输出信号能否如实反映原始输入信号？采样得的信号f fs s(t)(t)的值和原始输入信号f(t)f(t)在相应的瞬时值相同，因此采样后的信号在量值上仍然是连续的。可以证明：当采样器的采样频率f fs s高于或至少等于输入

4、信号最高频率f fm m的两倍时（即f fs s 2f2fm m时），采样输出信号f fs s(t)(t)（采样器脉冲序列）能代表或恢复成输入模拟信号f(t)f(t)，这就是采样定理。第6页/共137页 如何知道输入信号如何知道输入信号f(t)f(t)的频率，的频率，特别是它的最高频率特别是它的最高频率fm fm？信号“最高频率”指的是输入信号经频谱分析后得到的最高频率分量。“恢复”指的是样品序列f fS S(t)(t)通过截止频率为f fm m的理想低通滤波器后，能得到的原始信号f(t)f(t)。在应用中，一般取采样频率f fs s为最高频率f fm m 的4 48 8倍。简单模拟信号的频谱

5、范围是已知的，如温度低于1Hz1Hz，声音为20Hz20Hz20000Hz20000Hz。复杂信号要用傅立叶变换算出，或用频谱分析仪测得，也可用试验的方法选取最合适的f fs s 。第7页/共137页2.2.量化量化 所谓量化，就是以一定的量化单位把数值上连续的模拟量转变为数值上离散的阶跃量的过程。量化相当于只取近似整数商的除法运算。量化单位用q q表示，对于模拟量小于一个q q的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常为了减少误差采用“四舍五入”的方法使之整量化。这种量化方法的输入输出特性如图2-32-3所示，图中虚线表示量化单位为0 0时的特性，实线表示实际特性。第8页/共137页图2-3

6、量化特性和量化误差 量化过程舍入误差为量化误差。以=x(t)-y(t)表示量化误差，量化误差有正有负（图2-3(c)）,最大为q/2，平均误差为0。最大误差随量化单位而改变，q愈小也愈小。第9页/共137页3 3 编码编码 编码往往涉及到A/DA/D转换的具体应用，若考虑为双极性信号，可采用补码方式。第10页/共137页二二A/DA/D转换器的技术指标转换器的技术指标1 1分辨率分辨率 A/DA/D转换器的分辨率:转换器能分辨最小的量化信号的能力。分辨率取决于A/DA/D转换器的位数，习惯上以输出二进制数的位数来表示。如ADC0809ADC0809转换器的分辨率为8 8位，表示可以用2 28

7、8个二进制数对输入模拟量进行量化，其分辨率为1LSB1LSB（最低有效位值），若最大允许输入电压为10V10V，则1LSB=10V/1LSB=10V/2 28 8=39.06mV=39.06mV。第11页/共137页2.2.转换精度转换精度 转换精度反映实际A/DA/D转换器与理想A/DA/D转换器量化值上的差。用绝对或相对误差来表示（1 1）绝对精度 指的是在A/DA/D输出端产生给定的数字代码，实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差（中间模拟值）。（2 2）相对精度 指的是A/DA/D满度值校准以后，任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值（中间值）之差。第12页/共

8、137页3 3转换速率转换速率 转换速率:指A/DA/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这个指标也可以表述为转换时间，即A/DA/D转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。例如，某A/DA/D转换器的转换速率为5KHz5KHz，则其转换时间是200200 s s。第13页/共137页4.4.满刻度范围满刻度范围 满刻度范围:指A/DA/D所允许输入电压范围。如（0 05 5）V V，（0 01010）V V，（-5-5+5+5）V V等。满刻度只是个名义值，实际的A/DA/D转换器的最大输入值总比满刻度小1/21/2n n（n n为转换器的位数）。这是因为0 0值也是2 2n n个转换器

9、状态中的一个。例如1212位的A/DA/D转换器，其满刻度值为10V10V，而实际允许的最大输入电压值为:10V*210V*212-112-1/2/21212=9.9976V=9.9976V。第14页/共137页A/DA/D转换器的种类转换器的种类常用的有逐次逼近式、积分式、并行式等三类。常用的有逐次逼近式、积分式、并行式等三类。逐次逼近式:转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在1 1100100 s s之间，转换精度一般在0.1%0.1%上下，适用于一般场合。积分式:转换时间一般在msms级。适用于要求精度高，但转换速度较慢的仪器中使用。并行式:采用并行比较，转换速率可以很高，其转换时间

10、可达nsns级，可用于医学图象处理等转换速度较快的仪器中。第15页/共137页2.1.22.1.2逐次逼近式逐次逼近式ADCADC 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D原理概述原理概述 N N位的逐次逼近式A/DA/D转换器（图2-42-4），由N N位寄存器、N N位D/AD/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲器等五部分组成。工作原理：启动信号作用后，时钟信号先通过逻辑控制电路使N N位寄存器的最高位D DN-1N-1为1 1，以下各位为0 0，这个二进制代码经D/AD/A转换器转换成电压U U0 0（此时为全量程电压的一半）送到比较器与输入模拟电压U UX X比较。若U UX XUU0

11、0，则保留这一位；若U UX XUU0 0，则D DN-1N-1 位置0 0。第16页/共137页逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D原理概述原理概述D DN-1N-1位比较完毕后，再对下一位即D DN-2N-2位进行比较，控制电路使寄存器D DN-2N-2为1 1，其以下各位仍为0 0，然后再与上一次D DN-1N-1结果一起经过D/AD/A转换后再次送到比较器与U UX X相比较。如此一位一位地比较下去，直至最后一位D D0 0比较完毕为止。最后，发出EOCEOC信号表示转换结束。这样经过N N次比较后，N N位寄存器保留的状态就是转换后的数字量数据。第17页/共137页图图2-4逐次逼近式逐

12、次逼近式A/D转换器的结构转换器的结构第18页/共137页A/DA/D转换器实际转换过程已不重要转换器实际转换过程已不重要 目前，逐次逼近式A/DA/D转换器大都做成单片集成电路的形式，使用时只需发出A/DA/D转换启动信号，然后在EOCEOC端查知A/DA/D转换过程结束后，取出数据即可。这类芯片有ADC0809ADC0809、ADC1210ADC1210、ADC7574ADC7574、AD574AD574、TLC549TLC549、MAX1241MAX1241等是应用得最多的A/DA/D转换器类型。第19页/共137页ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口 ADC0809AD

13、C0809是8 8路8 8位逐次逼近式A/DA/D转换器。它能分时地对8 8路模拟量信号进行A/DA/D转换，结果为8 8位二进制数据，结构如图2-52-5所示，它由三大部分组成：第一部分是:8:8路输入模拟量选择电路；第二部分是:一个逐次逼近式A/DA/D转换器；第三部分是:三态输出缓冲锁存器。第20页/共137页 ADC0809 ADC0809原理结构图原理结构图 图图2-5ADC0809原理结构图原理结构图第21页/共137页8 8路输入模拟量选择电路路输入模拟量选择电路8 8路路输输入入模模拟拟量量选选择择电路：电路：8 8路路输输入入模模拟拟量量信信号号分分别别接接到到ININ0 0

14、到到ININ7 7端端，究究竟竟选选通通哪哪一一路路去去进进行行A/DA/D转转换换由由地地址址锁锁存存器器与与译译码码器器电电路控制，见右表所示。路控制，见右表所示。A A，B B，C C为为输输入入地地址址选选择择线线，地地址址信信息息由由ALEALE的的上上升沿打入地址锁存器升沿打入地址锁存器。ALEALEC B AC B A接通信号1 11 11 11 11 11 11 11 10 00 0 00 0 00 0 10 0 10 1 00 1 00 1 10 1 11 0 01 0 01 0 11 0 11 1 01 1 01 1 11 1 1 ININ0 0ININ1 1ININ2 2

15、ININ3 3ININ4 4ININ5 5ININ6 6ININ7 7均不通表表2-1ADC0809真值表真值表第22页/共137页逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器 STARTSTART为启动信号，要求输入正脉冲信号，在上升沿复位内部逐次逼近寄存器，在下降沿启动A/DA/D转换。EOCEOC为转换结束标志位，“0 0”表示正在转换，“1 1”表示一次A/DA/D转换的结束。CLOCKCLOCK为外部时钟输入信号，时钟频率决定了A/DA/D转换器的转换速率，ADC0809ADC0809每一通道的转换约需（66667373）个时钟周期，当时钟频率取640KHz640KHz时，转换一次约

16、需100100 s s时间，这是ADC0809ADC0809所能允许的最短转换时间。第23页/共137页三态输出缓冲锁存器三态输出缓冲锁存器A/DA/D转换的结果就是由EOCEOC信号打入三态输出缓冲锁存器。OEOE为输出允许信号，当向OEOE端输入一个高电平时，三态门电路被选通，这时便可读取结果。否则缓冲锁存器输出为高阻态。第24页/共137页ADC0809ADC0809的时序图的时序图 ADC0809 ADC0809的时序图如图2-62-6所示。启动ADC0809ADC0809后，EOCEOC约在1010 s s后才变为低电平，因而在用STARTSTART启动08090809转换器后，不能

17、立即通过检测EOCEOC来判断转换是否结束，而应等待约1010 s s再检测，否则会出现错误结果。第25页/共137页图图2-6ADC0809时序图时序图第26页/共137页ADC0809ADC0809与单片机与单片机80318031接口电路接口电路 ADC0809ADC0809输出带有三态输出缓冲锁存器，因而不加I/OI/O接口芯片，可以直接接到微机系统的总线上。ADC0809ADC0809的时钟信号（CLOCKCLOCK）由80318031的ALEALE端的输出脉冲（其频率为80318031时钟频率的1/61/6）经二分频得到，80318031由地址线P P2.02.0和读写控制线启动AD

18、C0809ADC0809的STARTSTART、地址锁存ALEALE和输出允许OEOE信号。A/DA/D转换结束信号EOCEOC反相后连至80318031的INTINT1 1（P P3.33.3）。模拟输入通道地址的译码输入信号A A，B B，C C由P P0.00.0P P0.20.2提供。根据以上连接，08090809的地址为FEFFHFEFFH。第27页/共137页图图2-7ADC0809与单片机与单片机8031接口电路接口电路第28页/共137页A/DA/D转换常用的软件控制方式转换常用的软件控制方式 常用的控制方式主要有：程序查询方式、延时等待方式和中断方式。1 1程序查询方式微处理

19、器向A/DA/D转换器发出启动信号后，读入转换结束信号，查询转换是否结束；若转换结束，可以读入数据；否则再继续查询，直至转换结束再读入数据。微机“查询”消耗时间，效率低，但比较简单，可靠性高。实际应用还是比较普遍的。第29页/共137页A/DA/D转换常用的软件控制方式转换常用的软件控制方式2 2延时等待方式启动A/DA/D后，根据A/DA/D转换所需的时间（如ADC0809ADC0809为100100 s s）软件延时等待，延时结束，读入数据。这种方法可靠性高，不占查询端口。3 3中断方式微处理器启动A/DA/D转换后可转去处理其他事情，A/DA/D转换结束便向微处理器发出中断申请信号，微处

20、理器响应中断后再来读入数据。微处理器与A/DA/D转换器并行工作，提高了工作效率。第30页/共137页ADC0809ADC0809与单片机与单片机80318031接口实例接口实例 以下图示的ADC0809ADC0809与单片机80318031接口电路，给出查询、延时和中断这三种方式下的转换程序。转换程序是将由ININ0 0端输入的0 05V5V模拟信号转换为对应的数字量00H00HFFHFFH，然后再存入80318031内部RAMRAM的30H30H单元中。第31页/共137页a.a.查询方式查询方式 MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H;赋通道0地址 MOVX DPTR,A

21、 ;启动IN0转换 MOV R2,#20H DLY:DJNZ R2,DLY ;延时,等待EOC变低WAIT:JB P3.3,WAIT ;查询,等待EOC变高 MOVX A,DPTR MOV 30H,A ;结果存30H第32页/共137页b.b.延时等待方式延时等待方式MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H ;赋通道0地址 MOVX DPTR,A ;启动IN0转换 MOV R2,#40H WAIT:DJNZ R2,DLY ;延时约120uS MOVX A,DPTR MOV 30H,A ;结果存30H 第33页/共137页c.c.中断方式中断方式 主程序：主程序：MAIN:SETB

22、 IT1 ；选INT1为边沿触发SETB EX1 ；允许INT1中断 SETB EA ；打开中断MOV DPTR,#0FEFFHMOV A,#00H MOVX DPTR,A ；启动A/D转换 ；执行其他任务第34页/共137页中断服务程序中断服务程序INT1:PUSHDPL；保护现场PUSHDPHPUSHAMOVDPTR,#0FEFFHMOVXA,DPTR；读转换结果MOV30H,A；结果存30HMOVA,00HMOVXDPTR,A；启动下一次转换POP APOPDPHPOPDPL；返回现场RETI；返回第35页/共137页AD574AD574芯片及其接口芯片及其接口 AD574AD574是1

23、212位快速逐次逼近型A/DA/D转换器，其最快转换时间为2525 s s，转换误差为 1LSB1LSB。AD574AD574具有下述几个基本特点：片内含有电压基准和时钟电路等，因而外围电路较少；数字量输出具有三态缓冲器，因而可直接与微处理器接口；模拟量输入有单极性和双极性两种方式，接成单极性方式时，输入电压范围为010V010V或020V020V，接成双极性方式时，输入电压范围为-5V5V,-10V10V-5V5V,-10V10V。第36页/共137页图图2-8AD574原理与引脚图原理与引脚图第37页/共137页AD574AD574原理与主要引脚信号定义原理与主要引脚信号定义 CS CS：

24、片选信号，低电平有效。CECE：片使能信号，高电平有效。R/C R/C：读/启动信号，高时读A/DA/D转换结果，低时启动A/DA/D转换。12/8 12/8：输出数据长度控制信号，高为1212位，低为8 8位。STSSTS：工作状态信号，高为正在转换，低为转换结束。第38页/共137页A A0 0：有两种含义：当R/CR/C为低时，A0为高，启动8位A/D转换；A0为低，启动12位A/D转换。当R/CR/C为高时，A0为高，输出低4位数据；A0为低，输出高8位数据上述5个信号的组合所对应的A/D转换器的状态见表2-2所示。STSSTS：工作状态信号，高表示正在转换，低表示转换结束。REF I

25、NREF IN：基准输出线。BIP OFFBIP OFF：单极性补偿。DBDB1111DBDB0 0：12位数据线。10VIN10VIN，20VIN20VIN：模拟量输入端。第39页/共137页表表2-2 AD5742-2 AD574的操作的操作表表2-2AD574的操作的操作第40页/共137页 AD574AD574与与80318031单片机的接口电路单片机的接口电路 根据AD574各引脚的功能，8031单片机与AD574的接口电路可按如图2-9所示电路来安排。由于8031的高8位地址P2.0P2.7没有使用，故可采用寄存器间接寻址方式。其中启动A/D的地址为1FH，读出低4位数地址为7FH

26、，读出高8位数地址为3FH。第41页/共137页图图2-9AD574与与8031单片机的接口电路单片机的接口电路第42页/共137页AD574AD574与与80318031单片机的接口电路单片机的接口电路图中STS可有三种接法以对应三种控制方式：(1)如STS空着，单片机只能采取延时等待方式，在启动转换后，延时25 s以上时间，再读入A/D转换结果；(2)如STS接单片机一条端口线，单片机就可以用查询的方法等待STS为低后再读入A/D转换结果；(3)如STS接单片机外部中断线，就可以在引起单片机中断后，再读入A/D转换结果。第43页/共137页采用延时等待方式的控制程序清单：MOVR0，#1F

27、H；启动MOVX R0，AMOVR7，#10H；延时DJNZR7，$MOVR1，#7FH；读低4位MOVX A，R1MOVR2，A；存低4位MOVR1，#3FH；读高8位MOVX A，R1MOVR3，A；存高8位SJMP$第44页/共137页单极性模拟输入方式接线的调整单极性模拟输入方式接线的调整 单极性模入方式(图2-9)中，10VIN输入电压范围为0V10V，1LSB对应的模拟电压为2.44mV；20VIN输入电压范围为0V20V，1LSB对应的模拟电压为4.88mV。R1用于零点调整，R2用于满刻度校准。方法为：如输入电压接10VIN端，调整R1，使输入模拟电压为1.22mV（即12LS

28、B）时，输出数字量从000000000000变到000000000001；调整R2，使得输入电压为9.9963V时，数字量从111111111110 变到111111111111。第45页/共137页双极性模拟输入方式的调整双极性模拟输入方式的调整 对于双极性模入方式，把REF IN，REFOUT，和BIP OFF三个引脚的接线按图2-10重新安排，双极性模入方式零点与满刻度校准方法与单极性方式近似。需要注意的是，输入模拟量与输出数字量之间的对应关系为：10VIN端输入时：5V0V十5V对应000H800HFFFH20VIN端输入时：一10V0V十10V对应000H800HFFFH第46页/共

29、137页图图2-10AD574双极性模拟输入接线方式双极性模拟输入接线方式第47页/共137页MAX1241MAX1241芯片及其接口芯片及其接口 以串行数据形式输出的A/D转换器具有引脚少、体积小的特点；接口所需的IO位数也比较少。有利于提高仪器的集成度和减小体积，能方便、廉价地实现需要进行模拟与数字隔离的场合。串行输出的AD转换器虽有多种型号，接口时序也有所不同。但接口的实现和控制方法还是基本相同的。现以MAX1241为例来说明串行输出ADC接口技术。第48页/共137页MAX1241MAX1241串行输出单片串行输出单片ADCADC简介简介 MAX1241是一种低功耗、低电压的12位逐次

30、逼近型ADC，最大非线性误差小于1LSB，转换时间9 s。采用三线式串行接口，内置快速采样保持电路。其结构和引脚定义如图2-11所示。图2-11MAX1241内部结构和管脚定义第49页/共137页MAX1241MAX1241串行输出单片串行输出单片ADCADC简介简介MAX1241采用8引脚DIP或SO形式封装，完善的内部电路几乎不需要外围器件即能工作。内置采样/保持电路在AD转换开始时，自动捕捉信号，最大捕捉时间1.5 s。12位逐次逼近型ADC的并行输出经输出移位寄存器变换为串行输出，整个工作过程受控于三线串行接口。第50页/共137页表表2-3MAX1241管脚功能管脚功能MAX1241

31、MAX1241采采用用单单电电源源供供电电，动动态态功功耗耗在在以以每每秒秒73K73K转转换换速速率率工工作作时时，仅仅需需0 09mA9mA电电流流。在在停停止止转转换换时时，可可通通过过控控制制端端使使其其处处于于休休眠眠状状态态，以以降降低低静静态态功功耗耗。休休眠方式下，电源电流仅眠方式下，电源电流仅1 1 A A。第51页/共137页MAXI 241MAXI 241的工作时序的工作时序 MAXI241的工作时序（图2-12）：每次转换由芯片选通信号的下降沿触发，但此时驱动时钟SCLK必须为低。AD转换启动后，内部控制逻辑切换采样保持电路为保持状态，并使输出数据线DOUT变低。在整个

32、转换期内,SCLK应保持低电平。转换结束时DOUT由低变高。一次转换结束，内部控制逻辑将自动把采样保持器切换为捕捉状态。第52页/共137页图2-12MAX1241工作时序第53页/共137页MAXI 241MAXI 241的工作时序的工作时序对MAX1241转换结果的输入在转换结束后进行，由驱动时钟SCLK的下降沿触发一位数据输出。在下一个SCLK脉冲下降沿到来前，该位数据将始终保持在DOUT输出端上。数据输出从最高位开始，每个SCLK脉冲下降沿输出一位。第12个SCLK的下降沿输出最低位。在数据输出周期内，必须保持低电平，若在第13个SCLK下降沿后，仍保持低电平，DOUT则一直保持为低电

33、平。第54页/共137页2 2MAX1241 MAX1241 与与 803180315151的接口的接口 MAX1241与微机接口的实现有二种选择，一是使用普通端口，利用程序实现串行输入。另一种则是直接使用串行接口。前者输入速度低，后者需占用串行通信口。（l）MAX1241与8031/51的通用IO方式接口：MAX1241与 8031/51的通用 IO接口如图2-13所示。接口使用三位通用IO端口P1.0P1.2。其中P1.0用于片选信号，P1.1产生驱动脉冲SCLK，P1.2为数据输入。第55页/共137页第56页/共137页 控制程序如下：控制子程序完成一次A/D转换和输入，输入数据存放于

34、R0，R1寄存器。；寄存器及端口定义：CS：BITP1.0；片选信号位DOUT：BITP1.2；串行数据输入位SCLK：BITP1.1；驱动时钟位DATA_BH：EQUR0；高字节数据存储单元DATA_BL：EQUR1；低字节数据存储单元CONT_H：EQUR0；高位取数计数器CONT_L：EQUR1；低8位取数计数器第57页/共137页；控制子程序SADC_R：XRLA，A；清AMOVCONT_H，04H；高8位计数MOVCONT_L，08H；低8位计数CLRSCLK；SCLK置“0”CLRCS；选中1241，启动转换SADCEND：JNBDOUT，SADC_END；检测A/D转换结束REA

35、D_H：SETBSCLKCLRSCLK；产生一个驱动时钟MOVC，DOUT；输入一位数据RLCA；数据移位至ACC0DJNZCONT_H，READ_H；高4位输入结束判别MOVDATA_BH，A；高4位数据送寄存器第58页/共137页READ_L：SETBSCLKCLRSCLK；产生一个驱动时钟MOVC，DOUT；输入一位数据RLCA；数据移位置ACC0DJNZCONT_L，READ_L；低8位输入结束判别MOVDATA_BL，A；低8位数据送寄存器SETBSCLKCLRSCLK；清DOUT输出SETBCS；撤消片选RET第59页/共137页（2 2）MAX1241MAX1241与与80318

36、0315151串行接口串行接口 当使用803151串行口实现与MAX1241联接时，串行口应工作于同步移位寄存器方式（方式0）。此时，串行口的接受数据端RXD（P3.0）被用于接受MAX1241的输出数据。而发送数据端TXD（P3.1）则被用于提供驱动时钟，为满足时序要求；应将其反相。片选信号仍使用P1.0。接口电路如图2-14所示。第60页/共137页第61页/共137页8031/518031/51串行接口控制程序串行接口控制程序 由于8031/51串行口一次只能接受8位数据，故12位AD转换结果必须分二次接受。同前述程序直接输入一样，控制程序必须检测AD转换结束信号，即DOUT的上跳变，只

37、要当DOUT变为高电平后，方能启动串行接受。接口控制程序如下所示:第62页/共137页MAX1241ADC串行接口控制子程序；寄存器及端口定义CS：BITP1.0EOC：BITP3.0DATA_BH：EQUR0；接受数据高位存储寄存器DATA_BL：EQUR1；接受数据低位存储寄存器；串行口设置子程序SPOR_SET：CLRES；禁止串行中断MOVSCON，00H；串行口为方式0，停止接受SETBCS；禁止ADCRET第63页/共137页；接口控制子程序SAD_SR：CLRCS；启动AD转换AD_NEND：JNBEOC，AD_NEND；等待转换结束SETBREN；启动串行接收FR_NEND：J

38、NBRI，FR_NEND；等待接收结束MOVDATA_BH，SBUF；从串行数据缓冲器输 入高8位数据CLRRI；启动第二次接收SR_NEND：JNBRI，SR_NEND；等待接收结束MOVDATA_BL，SBUF；从串行数据缓冲器 输入低4位数据CLRREN；停止接收SETBCS；禁止ADCRET第64页/共137页2 21 13 3 积分式积分式ADCADC 大多用于低速、廉价的积分型AD转换器中，几乎无一例外地采用了十进制编码方式，每次输出一位并行十进制编码，整个转换结果分若干次输出。这种低速、廉价但高精度、强抗干扰的集成A/D转换器以其优良的性能价格比被广泛应用于低速测量领域。第65页

39、/共137页1 1MC14433 3MC14433 3位双积分位双积分ADCADC MC14433是具备零漂补偿和采用CMOS工艺制造的3位单片双积分A/D转换器，最大输出数码1999，具有功耗低、输入阻抗高和自动调零、自动极性转换功能。其转换精度为土（005Vi1LSB），输入电阻大于100M,对应时钟频率范围为50150kHz，转换速度为每秒310次。内部结构框图及管脚功能如图2-15所示。第66页/共137页图图2-15MC14433ADC结构框图及管脚功能结构框图及管脚功能第67页/共137页MC14433采用土5V供电电源，只需一个正基准电压VR，其与输入电压Vi成下列比例关系输出读

40、数=1999（2-1）当满量程时Vi=VR。Vi输入有2V和200mV两个量程挡。当满度电压为1999V时，VR取2000V；当满度电压为1999mV时，VR取2000mV。当然，也可根据需要在200mV2V之间任意选择VR的值，此时，读数的一个LSB所对应的输入电压则需通过式2-1求得。第68页/共137页MC14433MC14433输出时序输出时序 MC14433由内部电路自动控制转换,无需外加启动信号，输出数据通过Q3Q0输出端，逐位输出BCD码，并不断重复。并通过DS1DS4指明现行输出BCD码是十进制位中的某一位(千位个位）。A/D转换结束，在EOC端输出一正脉冲，宽度为一个时钟周期

41、。输出数据更新需通过DV端的正跳变信号实现，通常将EOC与其短接。其整个输出时序如图2-16所示。在千位输出时，携带输出极性及超量程信息，如表2-4所示。第69页/共137页图图2-16MC14433输出时序输出时序第70页/共137页MC14433MC14433千位编码定义千位编码定义 表表2-4MC14433千位编码定义千位编码定义第71页/共137页2 2MC14433ADCMC14433ADC与与 803180315151接口接口 MC14433输出不具有三态缓冲，故必须通过接口方可挂接于微机总线。对于803151单片机而言，最简接的方法是直接与其I/O端口相连。因MC14433为低速

42、ADC，所以宜采用中断方式接口。图2-17给出了其与8031/51的接口电路。第72页/共137页图图2-17 MC14433ADC2-17 MC14433ADC与与 8031/518031/51的接口的接口图图2-18 2-18 数据格式数据格式第73页/共137页MC14433ADCMC14433ADC与与 803180315151接口接口接口使用P1口，高4位输入BCD码，低4位输入位选信号DS1DS4。EOC的下跳沿触发中断。按MC14433的输出时序和接口形式，控制程序如下所示。控制程序由中断启动，每次输入一个完整的转换结果，并存入803151内部RAM。存入数据格式如图2-18所示

43、。第74页/共137页2 21 14 4 并行或特高速并行或特高速ADCADC在高速数据采集领域，如图像处理、频谱分析等，双积分式和逐次逼近型AD转换器的转换速度都不能满足要求。并行型AD转换器的速度高，它将输入模拟电压Vi与一系列标准电压同时进行比较，将比较的结果经过编码后得到二进制数据。第75页/共137页并行或特高速并行或特高速ADCADC原理原理3位二进制并行型AD转换器(图2-19)由标准电压源经电阻分压后得到m（m2n-1）个标准电压（n是转换后得到二进制位数）;每一个分压后的标准电压与输入模拟电压Vi同时（并行）进行比较，若输入模拟电压大于标准电压，则相应的比较器输出为“真”（即

44、为“1”），反之为“假”（即“0”）；经数字编码后，输出即为等效于输入模拟量的二进制数据。一个n位二进制并行型AD转换器需要m（m2n-1）个比较器。第76页/共137页图图2-19并行型并行型AD转换器原理图转换器原理图第77页/共137页几点说明：几点说明：由图可知，并行型A/D转换器的精度取决于几个因素：分压电阻精度要高，主要是一致性要好；比较器的灵敏度要能鉴别两个相邻标准电压；标准电压源VR的精度也有一定的要求。并行ADC的速度主要取决于比较器的响应速度及数据寄存器（D触发器）的响应时间。n位并行型ADC转换器需要（2n1）个比较器，成本相当昂贵。第78页/共137页并行型并行型A/D

45、A/D转换器的应用转换器的应用输入信号是双极性时，只需将参考电压的接地端改接为负电源端。这种转换器速度极快，但结构复杂，无法做到高精度，价格也非常昂贵，如图像处理及模式识别等领域。因为模式识别及图像处理一帧画面有数以2.2万计的像素，为了适应视觉的要求必须每秒钟处理几十帧画面。如果每秒钟处理30个画面，则相当每秒钟要对6.6兆个像素进行处理，所以对A/D转换速度要求极高。第79页/共137页2 22 2模拟量输出通道模拟量输出通道 模拟量输出通道的作用是将经智能化医学仪器处理后的数据转换成模拟量送出，它是许多智能设备的重要组成部分。模拟量输出通道一般由DA转换器、多路模拟开关、采样保持器等组成

46、。本节侧重讨论DA转换器及其与微处理器的接口。第80页/共137页2 22 21 1 D DA A转换器概述转换器概述一、一、D/AD/A转换原理转换原理DA转换器是由电阻网络、开关及基准电源等部分组成，目前基本都已集成于一块芯片上。为了便于接口，有些DA芯片内还含有锁存器。DA转换器的组成原理有多种，采用最多的是R2R梯形网络DA转换器，图2-20显示了一个4位DA转换器的原理图。第81页/共137页D/AD/A转换原理转换原理一般由D/A转换器,多路模拟开关,采样/保持器等组成.作用是将经智能仪器处理后的数据转换成模拟量送出.一、D/A转换原理（图2-20）由电阻网络,开关及基准电源等组成

47、.URUo=-(23 D3+22 D2+21 D1+20 D0)24第82页/共137页R-2RR-2R梯形网络梯形网络D/AD/A转换器原理转换器原理 图图2-20R-2R梯形网络梯形网络D/A转换器原理转换器原理第83页/共137页二、二、D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 分辨率：当输入数字发生单位数码变化时所对应模拟量输出的变化量.转换精度：在整个工作区间实际的输出电压与理想输出电压之间的偏差.转换时间：通常为几十个纳秒.尖峰误差：指输入代码发生变化时刻,而使输出模拟量产生的尖峰所造成的误差.第84页/共137页 D/A D/A转换器尖峰误差及消峰原理转换器尖峰误差及

48、消峰原理 第85页/共137页三、三、D DA A转换电路输入与输出形式转换电路输入与输出形式 D/A数字量输入端可以分为：1.不含数据锁存器(需外加数据锁存器).2.含单个数据锁存器.3.含双个数据锁存器(用于多个D/A同时转换的场合).D/A的输出电路分为:1.单极性电路图2-222.双极性电路图2-23第86页/共137页UOUT=-（VREF/28）D第87页/共137页UOUT=-（2U1+VREF）第88页/共137页2.2.2 D/A2.2.2 D/A转换器与微机接口转换器与微机接口8 8位位D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832及其与微机接及其与微机接口口 八位D

49、/A转换器DAC0832及其与微机接口内部含有双输入数据锁存器的8位D/A器件（图2-24）。1.单缓冲接口电路（图2-25）程序:MOVDPTR,#0FEFFHMOVA,#DATAMOVXDPTR,A第89页/共137页第90页/共137页第91页/共137页双缓冲接口的程序双缓冲接口的程序MOVDPTR,#0FEFFHMOVA,R2MOVXDPTR,A;数据送1#0832输入寄存器MOVDPTR,#0FDFFHMOVA,R3MOVXDPTR,A;另一数据送2#0832输入寄存器MOVDPTR,#0FBFFHMOVXDPTR,A;1#、2#D/A转换器同时输出第92页/共137页第93页/共

50、137页二、二、1212位位D/AD/A转换器转换器DAC1208DAC1208与微机接与微机接口口 双缓冲,12位D/A器件.第一级缓冲由8位输入寄存器和4位输入寄存器组成.第二级缓冲为12位DAC寄存器.字节控制信号：=1;12位数字量同时送入输入寄存器；BYTE1/BYTE2=0;只将12位数字量中的低4位送到对应的4位输入寄存器。其余控制类似DAC0832（图2-27）：第94页/共137页图图2-27DAC1208与与8031单片机接口示意图单片机接口示意图第95页/共137页DAC1208DAC1208与与80318031单片机接口单片机接口设有一个12位的待转换的数据存放在地址D