第4章 过程输入输出通道接口技术(2)

4.2模拟量输入通道4.2.1模拟量输入通道的组成4.2.2A/D转换器的工作原理4.2.3量化4.2.4A/D转换器的性能指标4.2模拟量输入通道——学习要点了解模拟量输入通道的组成掌握逐次逼近与双积分转换原理模拟量与数字量的对应转换关系量化与量化误差的概念A/D转换器的主要技术指标及其所表示的意义。4.2.1模拟量输入通道的组成放大器现场参数传感器检测信号调理信号调理多路转换开关采样/保持模/数转换微机控制┇┇AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标4.2.2A/D转换器的工作原理计数比较式A/D转换器结构简单，价格便宜，但转换速度慢，较少采用。逐次逼近式A/D转换器有较高的转换速度和精度，采用较多，但抗干扰能力不够强。双积分式A/D转换器精度高，但转换速度偏慢，抗干扰能力强。Σ-△型A/D转换器新型、分辨率高、线性度好、成本低AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标1.逐次逼近式A/D转换原理反馈电压D/A转换器VIN比较器控制时序和逻辑电路逐位逼近寄存器(SAR)数字量输出锁存器启动CLK模拟量输入VOVCD0图2-9逐位逼近式A/D转换原理图D1D2D3D3D2D1D0100011001010100198100010001000100112109AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例，说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器的最高位D31，其余为0，此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即VO8，送到比较器输入端与被转换的模拟量VIN=9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当VINVO，则保留D3=1；再对下一位D2进行比较，同样先使D21，与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器，转换为VO12再进入比较器，与VIN9比较，因VINVO，则使D20；再下一位D1位也是如此确定，D10；最后一位D01，比较完毕，寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标逐次逼近式A/D转换器逐次逼近式A/D转换器的常用品种普通型8位单路ADC0801～ADC0805、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。AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标一个n位A/D转换器的模数转换表达式是式中n——n位A/D转换器；VR+、VR-——基准电压源的正、负输入；VIN——要转换的输入模拟量；B——转换后的输出数字量。即当基准电压源确定之后，n位A/D转换器的输出数字量B与要转换的输入模拟量VIN成正比。nRRRVVVVB2IN模拟量与数字量的对应关系AI的组成逐次逼近原理AD转换关系双积分原理量化性能指标例题：一个8位A/D转换器，设VR+=5.02V，VR=0V，计算当VIN分别为0V、2.5V、5V时所对应的转换数字量。解：把已知数代入公式：0V、2.5V、5V时所对应的转换数字量分别为00H、80H、FFH。82002.502ININVVVVVBnRRRAI的组成逐次逼近原理AD转换关系双积分原理量化性能指标NIV源电准基辑逻制控器分积器较比钟时器数计入输拟模始开换转束结换转出输量字数0D～1-nD定固率斜1T2T间时分积定固压电入输于比正2T和1T关开图框成组路电)a(理原分积双)b(图理原换转D/A式分积双102图2．双积分式A/D转换原理NIV源电准基辑逻制控器分积器较比钟时器数计入输拟模始开换转束结换转出输量字数0D～1-nD定固率斜1T2T间时分积定固压电入输于比正2T和1T关开图框成组路电)a(理原分积双)b(图理原换转D/A式分积双102图AI的组成逐次逼近原理AD转换关系双积分原理量化性能指标双积分式A/D转换原理如图4-18所示，在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压VIN在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。放电时间T1或T2又正比于输入电压VIN，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。因此，计数器计数值的大小反映了输入电压VIN在固定积分时间T内的平均值。此种A/D转换器的常用品种有输出为3位半BCD码（二进制编码的十进制数）的ICL7107、MC14433、输出为4位半BCD码的ICL7135等。AI的组成逐次逼近原理AD转换关系双积分原理量化性能指标4.2.3量化/2nqFSR量化：用有限字长的一组数码和二进制数码去整量化或逼近时间离散幅值连续的采样信号。量化过程即A/D转换的过程。量化单位：最低有效位所代表的模拟量的量值，就称为量化单位q。对于n位的A/D转换器，满量程输入的模拟量表示为FSR，则量化单位1.量化与量化误差AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标量化误差：在满刻度输入范围内的模拟量数值是有无数多个的，而n位二进制所表示的数值个数是有限的，所以绝大多数量化是用二进制数去近似模拟数值，不可避免的存在误差，这种由量化引起的误差，称为量化误差。量化误差的最大值为q/2。AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标2.编码编码：即对采样信号进行量化处理，以二进制数码给出数字量的过程，称为编码。不同的编码形式，影响到A/D转换器的结构和性能，而且影响到处理这一数字量时编码变换操作。单极性编码最常见的二进制原码符号－数值码在单极性码的基础上增加一位符号位双极性码偏移二进制码满量程直接加以偏移的直接二进制码补码表示法偏移二进制码的补码AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标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/2n4.2.4A/D转换器的性能指标AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（LeastSignificantBit)）来表示，1LSB=1／2n。例如，对于一个8位0-5V的A/D转换器，如果其相对误差为±1LSB，则其绝对误差为±19.5mV，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AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标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。AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标量程A/D转换器所能转换的电压范围。电源灵敏度当电源电压变化时，将使A/D转换器的输出发生变化，相当于A/D转换器输入量的变化，从而产生误差。灵敏度通常用相当于同样变化的模拟输入值的百分数表示。0.05%/%△Us:表示电源电压变化1%时，相当于引入0.05%的模拟输入值的变化。AI的组成逐次逼近原理双积分原理AD转换关系量化性能指标4.38位A/D转换器及其接口技术——知识点ADC0809原理及引脚功能ADC0809工作时序硬件设计软件设计4.38位A/D转换器及其接口技术4.3.1、ADC0809芯片介绍8位逐次逼近式A/D转换器分辨率为1/28≈0.39%单一5V供电时，模拟电压转换范围是0-+5V具有锁存控制的8路模拟开关可锁存三态输出，输出与TTL兼容功耗为15mWCLK=640kHz时，标准转换时间为100s不必进行零点和满刻度调整采用28脚双列直插式封装ADC0809工作时序硬件设计软件设计ADC0809内部结构及引脚ADC0809工作时序硬件设计软件设计IN0～IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择见表4-5。START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。D0～D7：8位数字量输出。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。ADC0809各引脚功能(1)ADC0809工作时序硬件设计软件设计EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作电源，5VDC。GND：电源地。ADC0809各引脚功能(2)ADC0809工作时序硬件设计软件设计表4-5被选通道和地址的关系CBA选中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809工作时序硬件设计软件设计ADC0809的内部转换时序图4-28ADC0809的转换时序ADC0809工作时序硬件设计软件设计首先ALE的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量进入到A/D转换器中。同时START的上升沿将转换器内部清零，下降沿起动A/D转换，即在时钟的作用下，逐位逼近过程开始，转换结束信号EOC即变为低电平。当转换结束后，EOC恢复高电平，此时，如果对输出允许OE输入一高电平命令，则可读出数据。ADC0809转换过程ADC0809工作时序硬件设计软件设计4.3.28位A/D转换器与CPU的接口8路模拟量输入地址：0000H~0007H数字量输入地址：0000H~0007H,。启动转换：MOVDPTR，#0000HMOVX@DPTR，A读取转换后的数据：MOVDPTR，#0000HMOVXA，@DPTRADC0809工作时序硬件设计软件设计8051A/D转换器硬件接口应注意的问题①ADC的数字量输出的方式•A/D转换器本身集成三态可控门的，输出线允许直接与数据总线相连。•A/D转换器本身不具有三态门的，要外接锁存电路再接到数据总线上。②片选、启动及读写信号的设置•A/D转换器的工作过程一般是系统先发一个启动脉冲，待转换结束后再读入数据。注意信号的选取，保证A/D转换器的正常工作。③时钟CLK的产生④参考电平•参考电平直接关系到转换精度，常用单独的稳压电源供电。ADC0809工作时序硬件设计软件设计4.3.38位A/D转换器的程序设计1.程序查询方式CPU向A/D转换器发出启动脉冲，然后读取转换结束信号，直到读取到A/D转换的结果才结束查询。2.定时采样方式CPU向A/D转换器发出启动脉冲后，软件延时，然后读取数据。为了确保转换完成，要适当延长延时时间。3.中断方式CPU启动A/D转换后，即可