计算机控制系统第2章.ppt

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1、计算机控制技术,第2章输入输出接口与过程通道技术,2,第二章 输入输出接口与过程通道技术 内容提要,内 容 提 要,一、输入输出过程通道概述 二、模拟量输入通道 三、模拟量输出通道 四、数字量（开关量）输入输出通道 五、测量数据的预处理技术 六、输入输出通道模板实例,3,第二章 输入输出接口与过程通道技术 输入输出接口概述,2.1输入输出接口概述,图2-1 过程通道组成结构图,过程通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。包括模拟输入通道、模拟输出通道、数字输入通道和数字输出通道四种，如图2-1所示。,4,表2-1 生产过程输入输出信息来源与用途,第二章 输入输出接口与过程通道

2、技术 输入输出接口概述,5,模拟输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。通常也把模拟量输入接口简称为AD通道。主要由信号调理单元、多路转换开关、程控放大器、采样保持器、A/D转换器和控制电路组成。,图2-2 模拟量输入通道方框图,第二章 输入输出接口与过程通道技术 模拟量输入通道,2.2 模拟量输入通道,6,传感器的作用：主要是将物理信号转变为电信号。,工业过程中主要的物理参数有：,一、传感器（自学）,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,7,1.温度传感器,热电偶：测温范围宽，一般为-50 +1600 ，常用于高温测量或精度要求不高的场合，此外由于材料较柔软，便于折弯，

3、因此可以对物体表面温度进行测量。用热电偶测温时，要对其进行冷端补偿。其常用型号有：K、J、T型等,K型热电偶： -2001000 3 ，400 0 .75， 400 ,J型热电偶： -2001200 1.1 2.2 ,T型热电偶： -200200 1.5 ， -20050 0.75 ， 50200,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,8,热电阻：精度高，性能稳定，测温范围宽，一般为-200 +600 ，工业中精确测温大多用该类传感器。其类型有：Pt100、Pt50、Cu50等。工业A级的Pt100，精度为0.15 （标定前）,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,9,热敏电阻：为

4、NTC （负温度系数）型的电阻式温度传感器，其阻值高，反应灵敏，但非线性化强烈，性能不稳定，一般用于非重要的场合。其常用的型号为502AT。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,10,集成温度传感器：其特点是灵敏度高，线形好，体积小，直接输出电信号或数字信号，使用方便，精度为0.5，其常用的型号为AD590和DS18B20。,DS18B20 测量温度范围为： -55 +125 ，在-10+85 范围内,精度为0.5 ,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,11,2. 压力传感器,表压或绝压压力传感器：,PT110S-10B133型压力传感器： 测量范围：010bar(公斤） 基本

5、测量精度：0.25%FS 压力接口：M20*1.5 输出方式：420mA 接线端子: DIN接头 生产厂家:上海奇正电子,第二章 过程通道技术 模拟量输入接口技术,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,12,压差传感器：,1151型压差传感器： 测量范围： -10100kPa 基本测量精度： 0.25% 不确定度: 500Pa,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,13,微压差传感器：,B0300型压差传感器（扩散硅型）： 测量范围： 0500Pa 基本测量精度： 0.15%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,14,大气压力传感器：,PTB100型压力传感器： 测量范围：

6、 80106kPa 基本测量精度： 30Pa,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,15,3.流量传感器,涡轮型流量传感器：,LWGY-50A型涡轮流量传感器： 测量范围： 04m3/h 基本测量精度：1.5%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,16,旋涡（涡街）流量传感器：,YFl00型旋涡流量计 ： 基本测量精度： 1%,在流体中插入一个圆柱体或角柱体，则会从其两侧交替地产生旋涡。在一定的条件下，这些旋涡的发生频率与流速成正比。本流量计就是应用这个原理，通过测试旋涡的频率，实现流量测量的。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,17,电磁流量传感器：,LDCK型电磁流

7、量计 ： 基本测量精度： 0.5%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,18,超声波流量传感器：,1010SN型超声波流量计 ： 基本测量精度： 0.5%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,19,孔板式流量传感器：,HZKL-M型孔板式流量计 ： 基本测量精度： 1%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,20,4.液位传感器,磁致伸缩液位传感器：,传感器： 测量范围：0.25m 基本测量精度：0.05%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,21,压力型液位变送器：,JYB-K*-*型液位变送器 量程：0-0.5m,4m,100m 精度：A级0.25 B级0.5

8、,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,22,信号调理的作用：主要是将传感器送来的非标准电信号转变为标准的电信号，即变送器所做的工作。,常见的标准信号： 010V 05V 420mA 15V,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,二、信号调理,23,模拟信号调理的功能,低电压信号,电流输入/输出,RTDs 和热敏电阻,热电偶,应变仪,隔离、放大噪声、滤波,电流与电压的转换; 隔离，放大，噪声滤波,隔离，放大，噪声滤波 冷端补偿,激励电源 隔离，放大，噪声滤波,激励电压 全桥和半桥设置 隔离，放大，噪声滤波,多功能I/O,第二章 过程通道技术 信号调理,第二章 输入输出接口与过程通

9、道技术 信号调理,24,1. 桥式电路,第二章 过程通道技术 信号调理,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,电桥电路是最常见的信号调理电路之一，通常用于微电压、热电偶和应变测量中。,图2-3 热电偶变送器输入电路,I =1mA,R16=R21=10k,I1=I20.5mA。,其它电阻200,R24=RRP2=100,25,第二章 过程通道技术 信号调理,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,从图2-3可知,(2-1),铜电阻RCu用于热电偶的冷端温度补偿 ，显然，引入铜电阻RCu能完成自动补偿的条件应为：,(2-2),26,第二章 过程通道技术 信号调理,第二章 输入输出接口

10、与过程通道技术 信号调理,(2-3),一般地，变送器实际设计时要求在冷端温度为20时完全补偿，此时应有,式中 E(20，0)表示冷端温度为0时，用热电偶测量被测温度为20的热电势,27,W1用于调零点，W2用于调电流，W3用于调满刻度,2）热电偶的输入电路,第二章 过程通道技术 信号调理,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,28,热电阻,若Pt100从0100 0时变化时，输出为05V。 若采用8位A/D转换器（如ADC0809），则分辨率为100/256=0.4 ； 若采用12位A/D转换器（如AD574A），则分辨率为100/4096=0.024 ；,第二章 过程通道技术 信号调

11、理,3）热电阻的输入电路,29,2.仪表放大器,在数据采集系统中，放大器的作用一般是：, 对信号幅度放大；,增大输入阻抗，起到 隔离和缓冲前后级单元；,抑制噪声，提高信噪比；,其他作用，如电压、电流变换、量程切换、极性自动变换等。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,30,仪表放大器与普通运算放大器区别：,运算放大器只是在信号为单纯有效，而没有干扰的情况下方可用于小信号放大；,普通运算放大器对于来自信号源的共模干扰信号不能有效地起到抑制作用；,仪表放大器（测量放大器）具有高输入阻抗，低输出阻抗，强抗共模干扰能力，低温漂、低失调电压和高稳定增益。,仪表放大器广泛应用于微弱信号的检测系统

12、中，作为前置放大器；,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,31,仪表放大器的原理结构,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,32,AD620仪表放大器的内部结构,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,33,AD620仪表放大器在单电源测量中的应用,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,AD705构成的电压跟随器为AD620提供了Vref，以提高其输出摆幅的中心点，以防止信号在负半波被削波。,34,AD620仪表放大器在差分屏蔽驱动接法中的应用,在许多应用场合，常采用屏蔽电缆方法来减小输入端的噪声干扰。对屏蔽给予适当的驱动，可减小电缆电容和杂散电容造成的差分相移

13、，保证交流共模抑制比不下降。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,35,AD620仪表放大器在公共屏蔽驱动接法中的应用,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,36,3. 隔离放大器,在有强电或强电磁的干扰环境线，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道通常采用隔离技术，隔离放大器作用是在输入信号与输出信号之间保持电气隔离的同时实现输出电压与输入电压的线性传输。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,37,根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要可分为三种: 1.变压器耦合隔离放大器 2.光电耦合隔离放大器 3.电容耦合隔离放大器,隔离放大器就其隔离对象而言，分为二

14、种: 1. 两端口隔离 2. 三端口隔离。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,38,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,两端口隔离,电源由输出电路提供,输入电源：DC15V 功耗：75mW,输出电压：7.5V 电流：2mA,最大隔离电压： 1000VP-P 最大非线性误差: 0.025%,39,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,三端口隔离(全隔离),输入电源：DC15V 功耗：1.2W,输出电压：15V 电流：5mA,最大隔离电压： 3500VP-P 最大非线性误差: 0.012%,40,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,AD210隔离放大器在热电

15、偶测量中的应用，其冷端采用AD590补偿。温度变化范围040，电路总增益为183（集成运放OP07的增益为100，AD210的增益为1.83）,41,4. 电流/电压转换器,工业自动化仪表采用的变送器大多是DDZ-型电动单元组合仪表，采用线性集成电路，其输出信号为420mA的国际标准。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,42,(1)无源IV变换 无源IIV变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，,对于010mA输入信号，可取R1=100，R2=500 ，且R2为精密电阻， 这样当输入的I为010mA电流时，输出的V为05V； 对于420mA输入信号，可取R1

16、=100 及R2=250 ，且R2为精密电阻，这样当输入的I为420mA时，输出的V为15V。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,43,(2)有源IV变换 有源IV变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成，,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,44,利用同相放大电路，把电阻R1上产生的输入电压变成标准的输出电压。,该同相放大电路的放大倍数为 A=1+R5/R3 若取R3=100k及R5=150k ，R1=200 ，则0 10mA输入对应于05V的电压输出。 若取R3=100k及R5=25k ， R1=200 ，则4 20mA输入对应于15V的电压输出。,第二章 输入输出

17、接口与过程通道技术 信号调理,45,5.调理模块产品,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,46,调理模块的选择,信号调理 多路复用 放大 隔离 滤波 传感器激励 冷端补偿,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,47,多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。 利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高过程参数的测量精度，对多路开关提出了较高的要求。 理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换 速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。,第二章 过程通道技术 多路转换器,三、多路转换器,第

18、二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,48,常用的多路开关有CD4051、CD4052、CD4067、AD4097等。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,49,1.CD4051,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,50,它是单端的8通道开，它有3根二进制的控制输入端和 1根禁止输入端INH(高电平禁止)。通道选择表如表2.3所示。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,51,CD4051有较宽的数字和模拟信号电平，数字信号为315V，模拟信号峰峰值为15V P-P ； 当VDD-VEE=15V，输入幅值为15VP-P时，其导通电阻为 80； VDD-

19、VEE 越大则导通电阻越小。 当VDD-VEE=10V时，其断开时的漏电流为10pA；静态功耗为1W。 VEE通常与电源地VSS直接连接。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,52,2.CD4052,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,53,第二章 输入输出接口与过程通道技术 多路转换器,CD4052是双4对1多路开关，其内部有两个完全独立（电绝缘）的4选1模拟开关，其真值表如表2-4所示。,54,可编程放大器的放大倍数随时可由一组数字序列控制，这样，在MUX改变其通道序号时，放大电路也由相应的一组数字序列控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数。,第二章

20、 输入输出接口与过程通道技术 可编程增益放大器,四、可编程增益放大器,在计算机测控系统的模拟输入通道中，由于被测量所处的环境和时间不同，可能会造成其变化范围不同，因此希望能自动改变放大器的增益，使信号通过放大器后，具有合适的动态范围，即实现自动里程切换，以便于A/D转换。,在多路数据采集系统中，也可能遇到各路信号动态范围不一致的情况，这时希望放大器对不向的通路具有小同的增益，以实现相同的动态输出。,55,第二章 输入输出接口与过程通道技术 可编程增益放大器,用仪表放大器实现的可编程增益放大器,56,第二章 输入输出接口与过程通道技术 可编程增益放大器,基于上述原理的器件有LH0084，通过控制

21、信号DlD0通过控制逻辑驱动模拟开关切换运算放大器的反馈电阻。DlD0的四种组合对应l、2、5、10共4种程控增益值。,57,五、采样保持器,1采样保持器的作用,式中Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率 。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,58,假定A/D转换器之前无采样保持器，在坐标的原点上，正弦信号的最大变化率为,取t=tA/D ，则得原点处转换的不确定电压为,误差百分数,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,59,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,由此可见，对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和信号的频率呈正比。,例如：一个10位的A/D转换

22、器（量化误差为0.1%），孔径时间tA/D为10s，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为,此例表明，尽管信号频率不算高，但对A/D转换速度要求太苛刻。解决的方法就是在A/D转换之前加采样/保持器。保证A/D转换在保持期间进行，以便有足够的时间完成。,60,由此可见：如果直接用A/D转换器对模拟量进行采样，由于模拟量的变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的量均需要取同一瞬时的值，若仍直接送入AD转换器进行转换(共用一个AD)，所得到的几个分量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变。但转换之后，又要求A/D变换器的输入

23、信号能够跟踪模拟量的变化，能够完成上述任务的器件叫采样保持器，简称 S/H。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,61,由以上分析可知，采样/保持器是一种与锁存器作用相当的模拟电路元件。 一个理想的采样/保持器工作原理下图所示，采样保持的输出，在采样周期内跟踪电压输入，并在保持周期内把它保持在最后跟踪的模拟电压值。为了表示清晰起见，在图中将输出曲线稍微偏离输入一点。,2.采样/保持器的工作原理,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,62,最简单的采样保持电路是由一个电容器和一个开关组成，如下图所示。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,63,采样保持器的结构原

24、理,采样时，开关K闭合，由于A1输出阻抗很小，电容CH快速充电，即电容器的电压跟随输入电压的变化。 保持时，开关K断开，由于A2输入阻抗很大，流入A2的电流几乎为0，则电容器的电压保持不变。,注意：这里的“保持时”就是A/D转换器的“转换过程”，即“A/D的采样时”。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,64,(1)采样/保持器的作用,稳定地保持模拟信号以便能够完成A/D转换。,在测量中同时对若干个模拟输入量采样(每个输入需 要一个采样/保持电路)。,消除A/D转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,65,(2)采样保持器的的主要参

25、数,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,孔径时间TAP：在采样保持器中，由于模拟开关有一定的动作滞后，从保持命令发出后至模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间，一般是纳秒级。这个时间由器件的开关动作时间决定。,值得注意的是采样保持器的孔径时间TAP与A/D转换器的孔径时间TA/D完全不同,孔径时间不确定性TAP 。它是孔径时间的变化范围。孔径时间可以提前发出保持命令加以克服，而TAP是随机的，所以它是影响采样精度的主要因素之一。,66,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,转换速率：指输出变化的最大速率，以V/s为单位;,采集时间(捕捉时间)TAC：采样保持器处于保持模式

26、时，从计算机发出采样命令，由“保持”转为“采样”后，采样保持器的输出值由原来的保持值过渡到跟踪当前输入信号值所需的时间，称为捕捉时间,包括开关动作时间，达到稳定值的建立时间和保持值到终值的跟踪时间，它是影响采样频率提高的主要因素，但不影A/D转换精度。,67,下跌率(衰减率)：在进入保持阶段后，由于开关的漏电流及保持电容泄漏，输出电压会下降，以mV/s表示。在选择保持电容的容量时要折中地考虑采集时间和下跌率。,增大电容可减少保持电压的下降率，提高精度，但会增多捕捉时间。,在转换时间较长且精度高的系统中应该用较大电容。当然较大电容带来的是采样时间加长，这对矛盾应该根据精度和A/D转换时间折中选取

27、。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,68,因此，通常采取的办法 是努力减小泄漏电流，采用高输入阻抗的运放作为缓冲放大器，选择优质电容如聚四氟乙烯电容作为保持电容，选用漏电流小的模拟开关等。,(3)常用的采样保持器芯片,廉价的： LF398 通用的： AD582、AD583 高速型： THS-0060 超高速： THS-0010,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,69,LF398的工作原理及主要性能,主要技术指标： 工作电压: 518V； 采样时间：10m。,当控制逻辑IN+脚加“1”时，则开关闭合，处于采样； 当控制逻辑IN+脚加“0”时，则开关断开，处于保持；

28、这样刚好与ADC0809的转换结束脚EOC相连（结束时为“1”）,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,70,AD582的工作原理及主要性能,主要技术指标： 工作电压: 918V； 采样时间：6m。,当控制逻辑LOGIC+脚加“0”时，则开关闭合，处于采样； 当控制逻辑LOGIC+脚加“1”时，则开关断开，处于保持； 这样刚好与AD574A的转换结束脚STS相连（结束时为“0”）,第二章 输入输出接口与过程通道技术 采样保持器,71,A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中，得到了广泛的应用。,1.A/D转换

29、器的类型,属于中速A/D转换器,如：ADC08098位带选择开关，120s; AD574A 12位 ADC121012位无输出锁存器,六、 A/D转换器,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,72,2）积分方式,先对输入模拟电压进行定时积分，然后转向对标准电压进行反向积分，测量时间T的脉冲数。,属于慢速A/D转换器,如：CC14433、5G14433、ICL7135,3）V/F变换式如：AD652,4）双极型属于高速A/D转换器，20100ns,5）-型属于高分辨率、中速A/D转换器。,如：AD7701（16位）、AD7710(24位）,6）余数反馈比较型属于高精度A/D转换器，,

30、如：AD7884 ，16位高速高精度，6s,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,73,2.A/D转换器的主要技术指标,分辨率：通常用数字量的位数n(字长)来表示，如8位、12位、16位等。分辨率为n位表示,它能对满量程输入的12n的增量作出反映，即数字量的最低有效位(LSB)对应于满量程输入的12n。若n=8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压为：5.12V28=20mV。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,量程 它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。,74,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,转换精度 它是指转换后所得结果相对于实

31、际值的准确度。A/D转换器的转换精度取决于量化误差q、微分线性度误差DNLE和积分线性度误差INLE 。,在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为积分线性度误差INLE 。,每转换一步（即转换最低有效位(LSB) 所对应的电压），偏离理想转换特性的误差定义为微分线性度误差DNLE 。,线性误差常用LSB的分数表示，如1/2LSB或1LSB。,75,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,通常用绝对精度和相对精度两种表示方法。,绝对精度常用数字量的位数表示法，如绝对精度为1/2LSB； 相对精度用相对于满量程的百分比表示,如满量程为10V的8位AD转换器，其绝对精度为，,而

32、8位A/D的相对精度为,精度和分辨率不能混淆。即使分辨率很高，但温度漂移、线性不良等原因可能造成精度不是很高。,76,对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,转换时间（即孔径时间TA/D ）：指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。,工作温度范围： 较好的A/D转换器的工作温度为-4085，较差的为070。,77,3.A/D转换器的外部特性,各厂家的A/D转换器芯片不仅型号五花八门，性能各异，而且功能相同的引脚命名也各不相同，没有统一的名称，但从使用的角度来看，任何一种A/D转

33、换器芯片一般具有以下输出信号线。,（1）转换启动线(输入) 它是由系统控制器发出的一种控制信号，此信号一旦有效，转换立即开始。,（2）转换结束线(输出) 转换完毕后由A/D转换器发出的一种状态信号，由它中断或DMA传送，或作查询之用。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,78,（3）模拟信号输入线 来自被转换的对象，有单通道输入与多通道输入之分。,（4）数字信号输出线 由A/D转换器将数字量送给CPU的数据线。数据线的根数表示A/D转换器的分辨率。,有的AD转换器还有时钟输入线和模拟输入通道选择线,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,79,输入输出线对于不同类型的A

34、/D转换器又有差异，因此，在选择和使用AD转换器芯片时，除了要满足用户的转换速度和分辨率要求之外，还要注意A/D转换器的连接特性，一般有以下几点。,A/D转换器芯片的转换启动信号是用电平启动还是脉冲沿启动。对那些要求用电位启动的AD芯片，如AD574要求用低电平启动，必须在转换过程中一直保持低电平有效，如果在转换过程结束之前将启动信号撤销，就会终止转换过程，而得到错误的转换结果。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,80,A/D转换器芯片内是否带有三态门输出锁存器来输出数字量。若有，则输出线可与CPU的数据总线直接连接；若无，则需外加锁存缓冲器。,输出数字量的形式，是二进制还是B

35、CD码。如MCl4433就是BCD码输出，故可以直接送到显示器进行十进制数字显示。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,81,4.12位A/D转换器芯片AD574A,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,82,AD574A的引脚特性, 10VIN、20 VIN、BIPOFF：模拟电压信号输入线，当输入电压量程为DC10V时，电压信号从10VIN脚输入，如为DC20V时，电压信号从20V1N脚输入。 在单极性输入方式下，BIPOFF引脚接模拟公共地； 在双极性输入方式下，BIPOFF引脚可接-5V(-5+5V输入信号)或-10V(-10+10V输入信号)。 BIPOFF

36、双极性偏置,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,83, VDD：模拟电路工作正电源输入线，电压为DC+12V或DC+15V；,VEE：模拟电路工作负电源输入线，电压为DC-12V或DC-15V；,AGND：模拟电路公共接地线；,Vcc：数字电路工作正电源输入线，电压为DC+5V,DGND：数字电路公共接地线,REFOUT：内部基准电源输出线，提供DC+10V(1)的基准电压；,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,84,REFIN：A/D转换基准电压输入线，将REFOUT输出线通过电阻与REFIN输入线连接，可以调整输入转换电压的量程范围。,STS：转换结束输出信号线

37、。 A/D转换时，为高电平； A/D转换结束后，为低电平。,D0D11：转换数据输出线。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,85,（11）CE：使能信号输入线，高电平有效,（12）CS：片选信号输入线，低电平有效。,（13）R/C：读、起动转换控制信号输入线，高电平时，表示操作是读取AD转换数据； 低电平时，表示操作是起动A/D转换。,（14）12/8：12位、8位数据读取方式选择输入线，此线不能采用TTL电平控制，必须直接接在VCC或数字地上。 当接在VCC时，一次读出12位数据； 当接在数字地上时，分2次读出12位数据。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,8

38、6,（15）A0：字节选择控制输入线。 在起动A/D转换时： A0 低电平，产生12位的转换； A0 高电平时，只产生8位的转换。 在读取数据操作时： A0低电平，输出高8位的转换数据； A0高电平时，输出低4位的转换数据。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,87,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,AD574的单极性和双极性输入电路,AD574单极性输入电路 AD574双极性输入电路,88,模拟量输人接口设计,（1）AD574与ISA总线前62根信号线（即PC/XT总线）的接口,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,89,图中，双向缓冲器74LS24

39、5用于数据缓冲，当IOW=0时， R/C=0， DIR=0（74LS245数据传送方向由B0B7到A0A7） ，系统用假定外设操作来启动AD574作双极性A/D转换。当IOW=1时， R/C=1， DIR=1 ，系统通过74LS245读AD574转换结果。,系统地址A0接AD574的A0时： 当用偶地址写AD574时，启动进行12位A/D转换；否 则，启动进行8位AD转换。 当用偶地址读AD574时，读出高8位；否则读出低4位。,由于AD574没有考虑转换结束信号，因此只能用延时的方法来转换。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,90,采集程序如下： MOV DX，ADPORT

40、； ADPORT为偶地址 OUT DX，AL ；假写外设操作，启动12位 A/D转换 CALL DELAY ；调用延时100s(35s转换时间)的子程序 MOV DX，ADPORT； ADPORT为偶地址，可省略 IN AL，DX ；读高8位 MOV AH，AL MOV DX， ADPORT+1 ; ADPORT+1为奇地址 IN AL，DX ；从数据总线D4D7位读入低4位,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,91,5.-A/D转换器（自学）,常规ADC对一恒定直流电压的多次采样，得到的数字输出量总是相同的，但由于受到其量化误差的限制，输出值不一定能真实反映输入值！,第二章 输

41、入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,92,过采样的概念,针对上述情况，如果在这个输入直流电压上叠加一个交流信号，并用比这个交流频率高得多的采样频率进行采样，此时得到的数字是变化的，用这种采样结果的平均值表示ADC的转化结果，便可以得到比常规ADC高得多的分辨率，这种方法称之为“过采集”（Over-sampling),第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,93,-A/ D转换器的基本思想,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,94,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,95,-A/ D转换器的结构原理,采用-A/ D原理进行A/D转换的过程大体分为两步：

42、1）产生一个用来拟合输入信号X(t)的阶梯波X(t) ，即对信号进行调制，求U，这部分由调制器来完成。 2）计算X(t) = 并转换成二进制代码，再根据采样率要求 进行抽取滤波，这部分工作由数字滤波器来完成。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,96,-A/ D转换器的中调制器的工作原理,注意：这里的Uref 数值很小!,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,97,调制器主要产生一个拟合输入信号X(t)的阶梯波X(t) ， 即对信号进行调制。,目的有2个： 1）提高采样频率，以减少采样噪声； 2）调制器内有一个积分器起到模拟低通滤波器的作用，以过滤高频噪声，相当于前置

43、滤波器的作用，使信号频率均在采样频率之内。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,98,延时存储器用于存储调制器输出的每位 数码值。,数字滤波器和抽取对1bit数据流求平均值，即计算并 移去带外（fs/2kfs/2）的量化噪声， 改善ADC的分辨率。,-A/ D转换器的中降噪原理,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,99,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,6.20位A/D转换器AD7703（自学）,AD7703 它是美国ADI公司推出的20位单片A/D转换器，由于采用了过采样-转换技术和和片内自校准控制电路，不仅具有精度高、成本低、工作温度范围宽、噪声

44、低、抗干扰能力强等特点，而且具有灵活的串行输出模式，极易和单片机接口，适用于工业过程参数检测、遥控检测和户外智能化仪器仪表。,100,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,AD7703的主要性能： 20位分辨率； 最大非线性误差为0.0003%； 满量程误差为4LSB，典型有效值噪声1.6LSB； 片内自校准系统； 低通滤波器的转折频率为0.110Hz； 数据传输率为4kHz； 灵活的串行接口； 工作温度范围：A、B、C级为-40+85，S级为-55+125； 超低功耗：正常工作为40 mw，睡眠状态为10 W。,101,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,AD7703的内部结构,102,第二章 输入输出接口与过程通道技术 A/D转换器,引脚功能,（ 1）MODE（1脚）串行接口方式选择。接数字地时工作于同步外部时钟 通信方式，接+5V时工作于同步内部时