第2章模拟量输入输出通道.ppt

第2章 智能仪器模拟量输入/输出通道,2.1 模拟量输入通道 2.1.1 A／D转换器概述 2.1.2 逐次比较式A／D转换器与微型计算机接口 2.1.3 积分式A／D转换器与微型计算机接口2.2 高速模拟量输入通道2.3 模拟量输出通道2.4 数据采集系统,第2章 智能仪器模拟量输入/输出通道,智能仪器所处理的对象大部分是模拟量而智能仪器的核心——微处理器能接受并处理的是数字量，因此被测模拟量必须先通过A／D转换器转换成数字量，并通过适当的接口送入微处理器在这里，我们把A／D转换器及其接口称为模拟量输入通道 同样，微处理器处理后的数据往往又需要使用D／A转换器及相应的接口将其变换成模拟量送出在这里，我们把D／A转换器及相应的接口称为模拟量输出通道2.1 模拟量输入通道,2.1.1 A／D转换器概述,A／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、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的,一、A／D转换器的定义,分辨率与量化误差转换精度转换速率 满刻度范围,二、A／D转换器的技术指标,二、A／D转换器的技术指标,分辨率与量化误差,分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。

例如：某A/D转换器为12位，若用百分比表示，即表示该转换器可以用212个二进制数对输入模拟量进行量化，其分辨力为1LSB 若用百分比表示，其分辨率为（1/212)×100％ =0.025％，若允许最大输入电压为10V，则它能分辨输入模拟电压的最小变化量为10V×1/212 = 2.4mV A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上也以BCD 码数的位数直接表示二、A／D转换器的技术指标,分辨率与量化误差,量化误差是由A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上为一个单位（1LSB ）将实际转移曲线在零刻度处偏移1/2单位，可使得量化误差为±1/2LSBA/D转换器的量化误差,2.1.1 A／D转换器概述,二、A／D转换器的技术指标,分辨率与量化误差,分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上以输出二进制数或BCD 码数的位数来表示量化误差是由于A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上也为一个单位（1LSB ）。

,量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差2.1.1 A／D转换器概述,二、A／D转换器的技术指标,2、转换精度,转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示由于理想A/D转换器也存在着量化误差，因此， 实际A/D转换器转换精度所对应的误差指标不包括量化误差在内转换精度指标通常由以下分项误差有组成：① 偏移误差② 满刻度误差③ 非线性误差④ 微分非线性误差,转换精度,,,,,转换精度指标通常由以下分项误差有组成： ① 偏移误差：是指输出为零时，输入不为零的值，所以有时又称零点误差偏移误差可以通过在A/D转换器的外部加接调节电位器，将偏移误差调至最小 ② 满刻度误差：又称增益误差，它是指A/D转换器满刻度时输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差，满刻度误差一般是由参考电压、放大器放大倍数、电阻网络误差等引起满刻度误差可以通过外部电路来修正 ③ 非线性误差：是指实际转移函数与理想直线的最大偏移非线性误差不包括量化误差，偏移误差和满刻度误差 ④ 微分非线性误差：是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯电压(1LSB)之间的差值。

为保证A/D转换器的单调性能，A/D转换器的微分非线性误差一般不大于1LSB非线性误差和微分非线性误差在使用中很难进行调整2.1.1 A／D转换器概述,二、A／D转换器的技术指标,3、转换速率,转换速率是指A／D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数 转换速率也可表述为转换时间，即A／D转换从启动到结束所需的时间，转换速率与转换时间互为倒数 例如，某A／D转换器的转换速率为5MHz，则其转换时间是200ns,2.1.1 A／D转换器概述,二、A／D转换器的技术指标,4、满刻度范围,满刻度范围是指A／D转换器所允许最大的输入电压范围如(0～5)V，(0～10)V，(－5～＋5)V等,满刻度值只是个名义值，实际的A／D转换器的最大输入电压值总比满刻度值小1／2n（n为转换器的位数）这是因为0值也是2n个转换器状态中的一个 例如12位的A／D转换器，其满刻度值为10V，而实际允许的最大输入电压值为 ×10＝9.9976V三、A／D转换器的分类,① 逐次比较式A／D转换器：转换时间一般在μs级，转换精度一般在0.1％上下，适用于一般场合 ② 积分式A／D转换器：其核心部件是积分器，因此转换时间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01％或更高。

适于数字电压表类仪器采用 ③ 并行比较式又称闪烁式：采用并行比较，其转换时间可达ns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中 ④ 改进型是在上述某种形式A／D转换器的基础上，为满足某项高性能指标而改进或复合而成的例如余数比较式即是在逐次比较式的基础上加以改进，使其在保持原有较高转换速率的前提下精度可达0.01％以上2.1.2 逐次比较式A／D转换器与计算机接口,一、 逐次比较式A／D转换器原理,它由N位寄存器、N位D／A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲器 五部分组成，,逐次比较式A／D转换器大都做成单片集成电路形式，使用时只需发出A／D转换启动信号，然后在EOC端查知A／D转换过程结束后，取出数据即可（实际A／D转换过程已不是非常重要）二、 ADC0809芯片及其接口,二、 ADC0809芯片及其接口,ADC0809由三大部分组成： 1、8路输入模拟量选择电路：8路输入模拟量信号分别接到IN0～IN7端A，B，C为输入地址选择线，地址信息由ALE的上升沿打入地址锁存器 2、逐次比较式A／D转换器：START为启动信号，其上升沿复位内部寄存器，下降沿启动A／D转换。

EOC为转换结束标志位，“0”表示正在转换，“1”表示一次A/D转换的结束CLOCK为外部时钟输入信号，当时钟频率取640kHz时，转换一次约需100μs时间（ADC0809所能容许的最短转换时间） 3、三态输出缓冲锁存器：A／D转换的结果由EOC信号上升沿打入三态输出缓冲锁存器OE为输出允许信号，当向OE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二、 ADC0809芯片及其接口,二、 ADC0809芯片及其接口,2.1.2 逐次比较式A／D转换器与计算机接口,A／D转换器与微处理器连接方式以及智能仪器要求的不同，实现A／D转换软件的控制方式就不同目前常用的控制方式主要有： 1． 程序查询方式： 2． 延时等待方式： 3． 中断方式：,结合下图所示的ADC0809与8031的接口电路， 给出查询、等待定时和中断这三种方式下的转换程序转换程序的功能是将由IN0端输入的模拟电压转换为对应的数字量， 然后再存入8031内部RAM的30H单元中1． 程序查询方式2． 延时等待方式3． 中断方式,a． 查询方式 MOV DPTR， #0FEF8H ;指出IN0通道地址 MOV A， #00H MOVX ＠DPTR，A ; 启动IN0通道转换 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,b． 延时等待方式 MOV DPTR， #0FEF8H  MOV A， #00H  MOVX ＠DPTR， A ；启动IN0通道 MOVX R2， #48HWAIT：DJNZ R2， WAIT ；延时约140μs MOVX A， ＠DPTR MOV 30H， A ；转换结果存30H,c． 中断方式 （主程序）MAIN：SETB IT1 ；选边沿触发 SETB EX1 ；允许中断 SETB EA ；打开中断 MOV DPTR，#0FEF8H MOV A， #00H ；启动A／D转换 MOVX @DPTR，A  …… ；执行其他任务,中断服务程序：NTR1：PUSH DPL ；保护现场 PUSH DPH PUSH A MOV DPTR，#0FEF8H MOVX A， ＠DPTR ；读结果 MOV 30H， A ；结果存30H MOV A， #00H  MOVX ＠DPTR, A ；启动下次转 POP A ；恢复现场 POP DPH POP DPL RETI ；返回,三、 AD574芯片及其接口,CS： 片选信号，低电平有效。

　　CE： 片使能信号，高电平有效　　R/C：读/启动转换信号，高时读A/D转换结果，低时启动A/D转换　　12/8：输出数据长度控制信号，高为12位，低为8位　　A0： A0 有两种含义：当R/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/C为高时，A0为高，输出低4位数据；A0 低，输出高8位数据,CE CS R／C 12／8 A0 操 作 1 0 0 × 0 12位转换 1 0 0 × 1 8位转换 1 1 0 ＋5V 0 12位并行输出 1 0 1 接地 0 输出高8位数据 1 0 1 接地 1 输出低4位数据,。