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1、第三章 模拟量输入通道,本章要点： 1模拟量输入通道的结构组成。 2多路开关，前置放大、采样保持等各环节的功能作用。 38位A/D转换器ADC0809芯片及其接口电路。 412位A/D转换器AD574A芯片及其接口电路。,返回总目录,引言 3.1 信号调理电路 3.2 多路模拟开关 3.3 前置放大器 3.4 采样保持器 3.5 A/D转换器 3.6 A/D转换模板 思考题,主要内容：,模拟量输入通道的任务： 转换 模拟量到数字量的转换。 组成核心A/D转换器,引 言,将现场物理量变换为电信号,抑制干扰、保证A/D转换精度,实现多选一,将输入信号放大到A/D可接受的范围,保持、保证A/D精度,
2、核心，实现A到D的转换,进行地址译码，产生片旋信号和写信号,3.1 信号调理电路,在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下是两种变换电路。 1. 无源I/V变换 2. 有源I/V变换,1.无源I/V变换,构成无源器件电阻RC滤波二极管限幅等实现， 取值: 输入0- 10 mA，输出为0 -5 V ，R1=100，R2=500； 输入4 -20 mA，输出为1 - 5 V，R1=100，R2=250； 电路图：,2. 有源I/V变换,构成 运算放大器
3、电阻电容组成； 电路放大倍数同相放大电路 取值 R1=200，R3=100k，R4=150k 输入0 10 mA输出0 5 V R1=200，R3=100k，R4=25k 输入4 20 mA输出1 5 V 电路图：,3.2 多路模拟开关,主要知识点,3.2.1 结构原理 3.2.2 扩展电路,3.2.1结构原理,图 CD4051结构原理,链接动画,构成电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。,3.2.2 扩展电路,链接动画,图 多路模拟开关的扩展电路,3.3 前置放大器,主要知识点,引言 3.3.1 测量放大器 3.3.2 可变增益放大器,引 言,链接动画,图 放大电路,前置放大器的任务将输入
4、模拟小信号放大到A/D转换的量程范围 ，如0-5VDC;,3.3.1 测量放大器,链接动画,对称结构，可抑制共模干扰。,3.3.2 可变增益放大器,链接动画,3.4 采样保持器,3.4.1 数据采样定理 3.4.2 采样保持器,3.4.1 数据采样定理,链接动画,图 信号的采样过程,周期采样过程：,3.4.2采样保持器,1、 零阶采样保持器,链接动画,图 零阶采样保持器,构成输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH。 工作过程采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH
5、将保持电压VC不变，因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。,2、零阶集成采样保持器,图 集成采样保持器,（a）AD582 （b） LF198/298/398 图39 集成采样保持器,3.5 A/D转换器,3.5.1 工作原理与性能指标 3.5.2 ADC0809芯片及其接口电路 3.5.3 AD574A芯片及其接口电路,主要知识点,3.5.1 工作原理与性能指标,1逐位逼近式A/D转换原理 2双积分式A/D转换原理 3电压/频率式A/D转换原理 4A/D转换器的性能指标,1逐位逼近式A/D转换原理,链接动画,图 逐位逼近式A/D转换原理图,例题3-2：一个8位A/D转换器，设VR+ = 5.0
6、2 V， V R = 0 V,计算当VIN分别为0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量。 解：把已知数代入公式（3-4）： 0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量分别为00H、80H、FFH。 此种A/D转换器的常用品种有普通型8位单路ADC0801ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等，混合集成高速型12位单路AD574A、ADC803等。,2双积分式A/D转换原理,图 双积分式A/D转换原理图,3电压/频率式A/D转换原理,图 电荷平衡式V/F转换原理,（1）分辨率 分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越
7、高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即： 分辨率 = 满刻度值/2n,4A/D转换器的性能指标,A/D转换器的转换精度,用绝对误差和相对误差来表示。 绝对误差实际模拟量输入值理论值 绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。 相对误差(指绝对误差/满刻度值)*100% 对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（Least Significant Bit)）来表示，1LSB = 1 2n 。 例如，对于一个8位05V的A/D转换器，如果其相对误差为1LSB，则其绝对误差为19.5
8、 mV，相对百分误差为0.39。一般来说，位数n越大，其相对误差（或绝对误差）越小。,（2）转换精度,（3）转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D 转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。 （4）非线性误差 A/D转换器实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差。在转换器设计中，一般要求非线性误差不大于1/2LSB。通常用非线性误差来表示A/D转换器的线性度。,3.5.2 ADC0809及其接口电路,主要知识点,1. ADC0809芯片介绍 2ADC0809接口电路,1. ADC0809芯片介绍 8位逐位逼近式A/D转换器 分辨
9、率为1/ 28 0.39 % 模拟电压转换范围是 0 - +5 V 标准转换时间为100s 采用28脚双立直插式封装,链接动画,ADC0809的内部转换时序,图 ADC0809的转换时序,2ADC0809接口电路,A/D转换器的接口电路主要是解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动A/D转换（体现为对START和ALE引脚的控制），如何判断A/D完成一次模数转换（体现为是否读取EOC标志，如何读取），如何读入并存放转换结果的。下面仅介绍两种典型的接口电路。,（1）查询方式读A/D转换数 （2）定时方式读A/D转换数,（1）查询方式读A/D转换数,非与门02（3）、/IOW控制A
10、/D转换启动； 通过三态缓冲器读入EOC状态以判断是否转换结束 查询。,链接动画,接口程序如下： MOV BX，BUFF ；置采样数据区首址 MOV CX，08H ；路输入 START： OUT PA，AL ；启动A/D转换 REOC： IN AL，PB ；读EOC RCR AL，01 ；判断EOC JNC REOC ；若EOC=0，继续查询 IN AL，PA ；若EOC=1，读A/D转换数 MOV BX，AL ；存A/D转换数 INC BX ；存A/D转换数地址加1 INC PA ；接口地址加1 LOOP START ；循环,（2）定时方式读A/D转换数,链接动画,这两种方法的共同点： 硬软
11、件接口简单，但在转换期间独占了CPU时间，好在这种逐位逼近式A/D转换的时间只在微秒数量级。 当选用双积分式A/D转换器时，因其转换时间在毫秒级，因此采用中断法读A/D转换数的方式更为适宜。 因此，在设计数据采集系统时，究竟采用何种接口方式要根据A/D转换器芯片而定。,3.5.3 AD574A芯片及其接口电路,主要知识点,1AD574A芯片介绍 2. AD574A接口电路,1AD574A芯片介绍,AD574A是一种高性能的12位逐位逼近式A/D转换器 分辨率为1/212 = 0.024% 转换时间为25s,适合于在高精度快速采样系统中使用 内部结构大体与ADC0809类似，由12位A/D转换器
12、、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与10V基准电压源构成，可以直接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量 AD574A也采用28脚双立直插式封装,AD574A原理框图及引脚,模拟输入信号的几种接法,图 AD574A的输入信号连接方法,2. AD574A接口电路,12位A/D转换器AD574A与PC总线的接口有多种方式。既可以与PC总线的16位数据总线直接相连，构成简单的12位数据采集系统；也可以只占用PC总线的低8位数据总线，将转换后的12位数字量分两次读入主机，以节省硬件投入。 同样，在A/D转换器与PC总线之间的数据传送上也可以使用程序查询、软件定时或中断控制等多种方法。由于AD574A的转
13、换速度很高，一般多采用查询或定时方式。其接口电路及其程序参见下一节。,3.6 A/D转换模板,1、A/D转换模板也需要遵循I/O模板的通用性原则：符合 总线标准，接口地址可选以及输入方式可选。输入 方式可选主要是指模板既可以接受单端输入信号也 可以接受双端差动输入信号。 2、A/D转换模板结构组成 I/O电气接口完成电平转换、滤波、隔离等信号调理 作用； I/O功能部分实现采样、放大、模/数转换等功能， 总线接口完成数据缓冲、地址译码等功能。,8路12位A/D转换模板的示例,该过程的数据 采集程序框图:,AD574A PROC NEAR ；过程定义伪指令 MOV CX，8 ；计数器初始 CLD
14、 ；标志位DF清零 MOV AL，00000000B ； MOV BUF1，AL ；CE=0， =0，R/ =0， 0 C =B=A=0，控制信号初始，通道号初始 LEA BX，BUF ；置采样缓冲区首址 NEXTCH： MOV DX，2C2H ；8255A的PC口址 MOV AL，BUF1 OUT DX，AL ；送PC口控制信号与通道号 NOP NOP OR AL，01000000B ；CE=1 OUT DX，AL ；启动A/D AND AL，10111111B ；CE=0 OUT DX，AL MOV DX，2C0H ；8255A的PA口址 POLLING： IN AL，DX TEST AL
15、，80H JNZ POLLING ；测试,MOV AL，BUF1 OR AL，01010000B ；R/=1 MOV DX，2C2H OUT DX，AL ；输出12位转换数到8255A MOV DX，2C0H IN AL，DX ；读8255A的PA口 AND AL，0FH MOV AH，AL ；保留PA口低4位（12位中的高4位） INC DX ；读低8位 IN AL，DX ；读8255A的PB口（12位中的低8位） STOSW ；12位数存入内存，自动修改采样缓冲区指针 INC BUF1 ；修改通道号 LOOP NEXTCH ；采集下一个通道，直到第8路 MOV AL，00111000B ；
16、CE=0，=R/=1 MOV DX，2C2H OUT DX，AL ；不操作 RET AD574A ENDP,思考题,1.画图说明模拟量输入通道的功能、各组成部分及其作用？ 2.分析说明8路模拟开关CD4051的结构原理图，结合真值表设 计出两个CD4051扩展为一个8路双端模拟开关的示意图。 3什么叫周期采样？采样时间？采样周期？ 4分析图3-8采样保持器的原理电路及工作过程。 5简述逐位逼近式、双积分式、电压/频率式的A/D转换原理。 6结合图3-13与图3-14，分析说明ADC0809的结构组成及其引脚作用。 7试分析图3-15、图3-16 ADC0809接口电路的启动、转换、查询或定时读入数据的工作过程。比较说明这两种接口电路在硬软件上的异同点。 8分析说明图3-19的8路12位A/D转换模板的工作原理。,