智能仪器原理与设计基于STC15系列可在线仿真8051单片机课件.ppt

第五章第五章模拟信号的输入输出模拟信号的输入输出 模拟信号的输入模拟信号的输入-A/D模拟信号的输出模拟信号的输出-D/A主讲：朱兆优主讲：朱兆优东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程 朱兆优教授朱兆优教授 制作制作东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作5.1模拟信号的输入模拟信号的输入 介绍介绍A/D转换及其相关技术转换及其相关技术东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作5.1.1A/D转换器件的选择转换器件的选择 技术参数：技术参数： （1）分辨率与量化误差：分辨率与量化误差：能引起转换结果变化的输能引起转换结果变化的输入的最小变化量入的最小变化量2）转转换换精精度度：理理论论结结果果与与实实际际结结果果之之差差误误差差种种类类有偏移误差、满刻度误差、非线性误差、微分非线性误差有偏移误差、满刻度误差、非线性误差、微分非线性误差3）转转换换速速度度：每每秒秒可可以以完完成成的的次次数数，转转换换时时间间的的倒倒数4）满满刻刻度度范范围围：输输入入信信号号的的允允许许范范围围从从0到到Vref（12n）。

东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作选择选择A/D转换器件的方法：转换器件的方法：（1）精度要求选择：）精度要求选择：通过这个指标就可以换算出所需的通过这个指标就可以换算出所需的A/D转换器件的最低指标转换器件的最低指标2）采样频率要求选择：）采样频率要求选择：采样频率至少要超过信号上限频采样频率至少要超过信号上限频率的两倍率的两倍低速低速A/D转换器件，采样频率每秒转换器件，采样频率每秒100次以下中速中速A/D转换器件，采样频率每秒转换器件，采样频率每秒100次以上高速高速A/D转换器件，采样频率超过转换器件，采样频率超过1MHz3）其它选择考虑：）其它选择考虑：片内片内A/D串行串行A/D器件封装形式器件封装形式东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作模拟输入通道包括信号调理电路、采样保持模拟输入通道包括信号调理电路、采样保持电路和电路和A/D转换电路转换电路 （1）信号调理电路设计：）信号调理电路设计：传统的信号调理电路包括硬件滤波电路、放传统的信号调理电路包括硬件滤波电路、放大器、增益校准电路、零点校准电路、线性校准大器、增益校准电路、零点校准电路、线性校准电路、温度补偿电路等等。

电路、温度补偿电路等等5.1.2模拟输入通道的设计模拟输入通道的设计 东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作硬件滤波电路硬件滤波电路可选择低通滤波器、高通滤波可选择低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器器或带通滤波器分析有用信号的频谱和干扰信号的频谱，并分析有用信号的频谱和干扰信号的频谱，并把两者的频谱明显分开把两者的频谱明显分开放大器放大器将信号放大到将信号放大到A/D转换器所需要的幅度，转换器所需要的幅度，检测精度要求越高，对运算放大器芯片的要求也检测精度要求越高，对运算放大器芯片的要求也越高INA114是是BB公司的仪器仪表专用的运算放公司的仪器仪表专用的运算放大器东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作仪器仪表放大器原理图仪器仪表放大器原理图东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作INA114仪器仪表专用的运算放大器原理图仪器仪表专用的运算放大器原理图5.1.2模拟输入通道的设计模拟输入通道的设计 东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作（2）采样保持电路设计：）采样保持电路设计：A/D转换器件完成一个转换过转换器件完成一个转换过程需要一定时间，如果在这段时间内信号的幅度发生变化，转程需要一定时间，如果在这段时间内信号的幅度发生变化，转换结果将会受到影响。

换结果将会受到影响 采样保持电路工作原理：采样保持电路工作原理：采样过程为保持电容的充放采样过程为保持电容的充放电并稳定的过程，保持过程为跟随器的输出过程电并稳定的过程，保持过程为跟随器的输出过程 采样保持电路的技术指标：采样保持电路的技术指标：孔径时间、捕捉时间、孔径时间、捕捉时间、保持电压的下降、馈通、电压增益精度保持电压的下降、馈通、电压增益精度采样保持芯片：采样保持芯片：LF198/298/398单级采样保持电路和单级采样保持电路和两级采样保持电路两级采样保持电路东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作 （3）A/D转换电路设计：转换电路设计：A/D转换电路包括转换电路包括A/D转换芯片、基准电源电路和控制电路转换芯片、基准电源电路和控制电路下面介绍下面介绍2个个A/D转换器件的用法：转换器件的用法：（1）STC15W4K32S4（2）TLC2543 东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作单片机数据采集与处理方法：单片机数据采集与处理方法：STC15W4K32S4系列片内集成了系列片内集成了8路路10位位A/D转换转换部件的单片机（为了简化算法部件的单片机（为了简化算法AD只用只用8位）。

位）1、A/D采集分采集分3步进行：步进行：(1)设置输入信号的通道号设置输入信号的通道号(2)启动启动A/D转换，等待转换完成转换，等待转换完成(3)最后读取转换结果最后读取转换结果A/D转换过程有三种工作方式：查询方式，节电睡转换过程有三种工作方式：查询方式，节电睡眠方式和掉电方式眠方式和掉电方式东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作2 2、采样电压数据处理方法：、采样电压数据处理方法：(1)目标：目标：电压值电压值数字量数字量数值处理数值处理电压数字显示电压数字显示(2)数字量数字量变换出变换出电压的算法思路：电压的算法思路：VD=(AD*5V)/256即将即将AD采样值采样值(A)，乘以量程（，乘以量程（5V）结果结果处理：高位处理：高位整数整数保存，低位保存，低位小数小数放大放大100倍倍低字节丢掉，处理高字节（小数点低字节丢掉，处理高字节（小数点2位）位）（处理方法（处理方法除以除以10）东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作假设输入假设输入ADCADC的电压的电压3.51V3.51V进行验证程序算法思想：进行验证程序算法思想：(1)假设假设A/D采样数字量为采样数字量为180(=B4H)(2)计算计算180*5=384H（二进制乘法）（二进制乘法）(3)除以除以256，就是低字节为余数，高字节为整数，就是低字节为余数，高字节为整数(4)则高位则高位3直接保存，保留直接保存，保留2位小数，则把位小数，则把低位小数低位小数84H*100=3390H。

如果要保留如果要保留1位小数呢，则乘以位小数呢，则乘以10)(5)小数的低字节小数的低字节90H丢掉丢掉高字节高字节33H/10=商商5.余余1，即是，即是=0.51再从电压值换算再从电压值换算为所称的重量（为所称的重量（0.1V/kg）东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作 DINS:MOVTH0,#80HINCCLOCK;调整时钟调整时钟MOVA,CLOCKANLA,#07HJNZDINSE;每每8次时钟中断启动一次次时钟中断启动一次A/D转换SETBADCS;启动启动A/D转换（每秒约转换转换（每秒约转换4次）ORLPCON,#02H;使使CPU进入掉电模式进入掉电模式MOVA,DAC0;A/D转换结束后，被中断唤醒，读取转换结果转换结束后，被中断唤醒，读取转换结果MOVB,#5;取量程取量程MULAB;相乘相乘MOVVIH,B;保存电压的整数部分保存电压的整数部分MOVB,#100;将小数部分将小数部分扩大扩大100倍倍MULABMOVA,#10;将小数部分转换为将小数部分转换为BCD码XCHA,BDIVABSWAPAORLA,BMOVVIL,A;保存电压的小数部分保存电压的小数部分。

LCALLDISP;显示新的检测结果显示新的检测结果DINSE:RETI;定时中断结束定时中断结束BCD码码算算法法变变换换程程序序东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作3 3、重量变换处理：、重量变换处理：保留保留2位小数点位小数点(1)目标：目标：重量重量电压值电压值数字量数字量数值处理数值处理数字显示数字显示(2)数字量数字量变换出变换出电压电压的算法思路：的算法思路：V0电压换算为传感器的输出信号思路电压换算为传感器的输出信号思路： Vi=V0/放大倍数放大倍数再由传感器的分辨率把再由传感器的分辨率把Vi转换为重量转换为重量东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作5.1.2模拟输入通道的设计模拟输入通道的设计 TLC2543是是TI公司的公司的12位位串行串行A/D转换转换器，使用开关电容器，使用开关电容逐次逼近技术逐次逼近技术完成完成A/D转转换过程串行串行A/D可节省单片机可节省单片机I/O东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作5.1.2模拟输入通道的设计模拟输入通道的设计TLC2543特点：特点：（1）12位分辨率位分辨率A/D转换器；线性误差转换器；线性误差+1LSB；（2）采样率为）采样率为66kbps；10s转换时间；转换时间；（3）11个模拟输入通道；个模拟输入通道；3路内置自测试方式；路内置自测试方式；（4）有转换结束（）有转换结束（EOC）输出；）输出；（5）具有单、双极性输出；）具有单、双极性输出；（6）可编程的）可编程的MSB或或LSB前导；前导；（7）可编程的输出数据长度。

可编程的输出数据长度 东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作TLC2543引脚功能：引脚功能：AIN0AIN10为模拟输入端；为模拟输入端；CS为片选端；为片选端；DIN为串行数据输入端；为串行数据输入端；DOUT为为A/D转换结果的三态串行输出端；转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；为转换结束端；CLK为为I/O时钟；时钟；REF+为正基准电压端；为正基准电压端；REF-为负基准电压端；为负基准电压端；Vcc为电源；为电源；GND为地5.1.2模拟输入通道的设计模拟输入通道的设计 东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作TLC2543引脚引脚:5.1.2模拟输入通道的设计模拟输入通道的设计 东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作TLC2543工作时片选端工作时片选端CS置置0，CLK由软件产生时钟脉冲，由软件产生时钟脉冲，转换结果从转换结果从DOUT端输出，操作指令从端输出，操作指令从DIN端输入（端输入（1字节）当选择从高到低的顺序输出当选择从高到低的顺序输出12位转换结果的工作模式时，操作位转换结果的工作模式时，操作指令的低四位为零，高四位为通道号。

指令的低四位为零，高四位为通道号TLC2543与单片机与单片机连接如右图连接如右图示例程序参阅教材示例程序参阅教材 东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作TLC2543工作时序：工作时序： 东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程朱兆优教授朱兆优教授制作制作TLC2543例程：例程： 5.1.2模拟输入通道的设计模拟输入通道的设计 先对先对A/D转换器写入转换通道地址（转换器写入转换通道地址（4位），启动该路。