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1、过程输入输出通道接口技术过程输入输出通道接口技术第一页，本课件共有31页4.2 模拟量输入通道模拟量输入通道学习要点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。第二页，本课件共有31页4.2.1 模拟量输入通道的组成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 性能指标第三页，本课件共有31页4.2.2 A/D转换器的工作原理转换器的工作原理计数比较式计数比较式A/D转换器转
2、换器n结构简单，价格便宜，但转换速度慢，较结构简单，价格便宜，但转换速度慢，较少采用。少采用。逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器n有较高的转换速度和精度，采用较多，但抗有较高的转换速度和精度，采用较多，但抗干扰能力不够强。干扰能力不够强。双积分式双积分式A/D转换器转换器n精度高，但转换速度偏慢，抗干扰能力强。精度高，但转换速度偏慢，抗干扰能力强。-型型A/DA/D转换器转换器n新型、分辨率高、线性度好、成本低新型、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 性能指标第四页，本课件共有31页1.逐次逼近式逐次逼近式A/D转换原理转换原理D3 D2 D
3、1 D01 0 0 01 1 0 01 0 1 01 0 0 1981 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 112109 AI的组成逐次逼近原理 双积分原理 AD转换关系 量化 性能指标第五页，本课件共有31页 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 性能指标第六页，本课件共有31页 当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，
4、下，首先使寄存器的最高位首先使寄存器的最高位D3 D3 1 1，其余为其余为0 0，此数字量此数字量10001000经经D/AD/A转换器转换成模拟电压即转换器转换成模拟电压即V VO O 8 8，送到比较器输入端与被转换的模拟量，送到比较器输入端与被转换的模拟量V VIN=IN=9 9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当当V VIN IN V VO O，则保留，则保留D3=1D3=1；再对下一位再对下一位D2D2进行比较进行比较，同样先使同样先使D2 D2 1 1，与，与上一位上一位D3D3位一起即位一起即11001100进入进入D/AD
5、/A转换器，转换为转换器，转换为V VO O 12 12再进入比较器，与再进入比较器，与V VIN IN 9 9比较，因比较，因V VIN IN V VO O，则，则使使D2 D2 0 0；再下一位再下一位D1D1位也是如此确定位也是如此确定，D1 D1 0 0；最后一位最后一位D0 D0 1 1，比较完毕，寄存器中的数字比较完毕，寄存器中的数字量量10011001即为模拟量即为模拟量9 9的转换结果，存在输出锁存器的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。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 性能指标第七页，本课件共有31页逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器逐次
6、逼近式逐次逼近式A/D转换器的常用品种转换器的常用品种n普通型普通型8位单路位单路ADC0801ADC0805、8位位8路路ADC0808/0809、8位位16路路ADC0816/0817等，等，n混合集成高速型混合集成高速型12位单路位单路AD574A、ADC803等。等。AI的组成逐次逼近原理 双积分原理 AD转换关系 量化 性能指标第八页，本课件共有31页 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VI
7、N成正比。模拟量与数字量的对应关系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 性能指标第九页，本课件共有31页 例题：一个8位A/D转换器，设VR+=5.02 V，VR=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：0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量分别为00H、80H、FFH。AI的组成 逐次逼近原理AD转换关系 双积分原理 量化 性能指标第十页，本课件共有31页2 2双积分式双积分式A/DA/D转换原理转换原理 AI的组成 逐次逼近原理 AD转换关系双积分原理 量化 性能指标第十一页，本课件
8、共有31页 双积分式双积分式A/DA/D转换原理如图转换原理如图4-184-18所示，在转换开所示，在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压压V VIN IN 在固定时间在固定时间T T内对积分器上的电容内对积分器上的电容C C充电（正向积充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与V VININ极性相极性相反的基准电源上，此时电容反的基准电源上，此时电容C C开始放电（反向积分），开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容同时计数器开始计数。当比较器判定电容C C放电完毕
9、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。放电时间放电时间T T1 1或或T T2 2又正比于输入电压又正比于输入电压V VININ，即输入电压大，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值的大小反映了输入电压V VININ在固定积分时间在固定积分时间T T内的平均值。内的平均值。此种此种A/DA/D转换器的常用品种有输出为转换器的
10、常用品种有输出为3 3位半位半BCDBCD码（二码（二进制编码的十进制数）的进制编码的十进制数）的ICL7107ICL7107、MC14433MC14433、输出为、输出为4 4位位半半BCDBCD码的码的ICL7135ICL7135等。等。AI的组成 逐次逼近原理 AD转换关系双积分原理 量化 性能指标第十二页，本课件共有31页4.2.3 量化量化量化：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：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
11、位1.量化与量化误差量化与量化误差 AI的组成 逐次逼近原理 双积分原理 AD转换关系量化 性能指标第十三页，本课件共有31页量化误差：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。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 性能指标第十四页，本课件共有31页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
12、数字量时编码变换操作。AI的组成 逐次逼近原理 双积分原理 AD转换关系量化 性能指标第十五页，本课件共有31页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/2n 4.2.4 A/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 量化性能指标第十六页，本课件共有31页 A/D A/D转换器的转换精度可以用绝对转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。误差和相对误差来表示。
13、相对误差是指绝对误差与满刻度值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，对之比，一般用百分数来表示，对A/DA/D转换转换器常用最低有效值的位数器常用最低有效值的位数LSBLSB（Least Least Significant Bit)Significant Bit)）来表示，）来表示，1LSB=11LSB=1 2 2n n 。例如，对于一个例如，对于一个8 8位位0-5V0-5V的的A/DA/D转换器，转换器，如果其相对误差为如果其相对误差为1LSB1LSB，则其绝对误差为，则其绝对误差为19.5 mV19.5 mV，相对百分误差为，相对百分误差为0.390.39。一般。一般来
14、说，位数来说，位数n n越大，其相对误差（或绝对误越大，其相对误差（或绝对误差）越小。差）越小。2.2.转换精度转换精度 AI的组成 逐次逼近原理 双积分原理 AD转换关系 量化性能指标第十七页，本课件共有31页3.3.转换时间转换时间 A/D A/D转换器完成一次转换所需的时间转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式称为转换时间。如逐位逼近式A/D A/D 转换器转换器的转换时间为微秒级，双积分式的转换时间为微秒级，双积分式A/DA/D转换器转换器的转换时间为毫秒级。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 量化性能指标第十八页，本课件共有31页量
15、程量程nA/D转换器所能转换的电压范围。转换器所能转换的电压范围。电源灵敏度电源灵敏度n当电源电压变化时，将使当电源电压变化时，将使A/D转换器转换器的输出发生变化，相当于的输出发生变化，相当于A/D转换器转换器输入量的变化，从而产生误差。输入量的变化，从而产生误差。n灵敏度通常用相当于同样变化的模拟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。输入值的百分数表示。n0.05%/%Us:Us:表示电源电压变化表示电源电压变化1%1%时，相当于引入时，相当于引入0.05%0.05%的模拟输入的模拟输入值的变化。值的变化。AI的组成 逐次逼近原理 双积分原理 AD转换关系 量化性能指标第十九
16、页，本课件共有31页4.3 8位位A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术 知识点知识点ADC0809原理及引脚功能原理及引脚功能ADC0809工作时序工作时序硬件设计硬件设计软件设计软件设计第二十页，本课件共有31页4.3 8位位A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术4.3.1、ADC0809芯片介绍n8位逐次逼近式A/D转换器n分辨率为1/28 0.39%n单一5V供电时，模拟电压转换范围是 0-+5 Vn具有锁存控制的8路模拟开关n可锁存三态输出，输出与TTL兼容n功耗为15mWnCLK=640kHz时，标准转换时间为100sn不必进行零点和满刻度调整n采用28脚双列直插式封装AD
17、C0809 工作时序工作时序 硬件设计硬件设计 软件设计软件设计第二十一页，本课件共有31页ADC0809内部结构及引脚ADC0809 工作时序工作时序 硬件设计硬件设计 软件设计软件设计第二十二页，本课件共有31页IN0IN0IN7IN7：8 8路模拟量输入端。允许路模拟量输入端。允许8 8路模拟量路模拟量分时输入，共用一个分时输入，共用一个A/DA/D转换器。转换器。ALEALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存升沿时锁存3 3位通道选择信号。位通道选择信号。A A、B B、C C：3 3位地址线即模拟量通道选择线。位地址线即模拟量通
18、道选择线。ALEALE为高为高电平时，地址译码与对应通道选择见电平时，地址译码与对应通道选择见表表4-5 4-5。STARTSTART：启动：启动A/DA/D转换信号，输入，高电平有效。转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/DA/D转换。转换。D0D0D7D7：8 8位数字量输出。位数字量输出。D0D0为最低位，为最低位，D7D7为最高位。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。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。ADC0809各引脚功能各引脚功能(1)ADC0809 工作时序工作时序 硬件设计硬件
19、设计 软件设计软件设计第二十三页，本课件共有31页EOCEOC：转换结束信号，输出，高电平有效。：转换结束信号，输出，高电平有效。OEOE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信：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，将号用来打开三态输出缓冲器，将A/DA/D转换得到的转换得到的8 8位数字量送到数据总线上。位数字量送到数据总线上。CLOCKCLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz640kHz时，时，A/DA/D转换时间为转换时间为100100 s s。VR+VR+，VR-VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换：基准电压
20、源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常的模拟电压范围，通常VR+=VR+=5V DC5V DC，VR-=0V VR-=0V DCDC。VccVcc：工作电源，：工作电源，5VDC5VDC。GNDGND：电源地。：电源地。ADC0809各引脚功能各引脚功能(2)ADC0809 工作时序工作时序 硬件设计硬件设计 软件设计软件设计第二十四页，本课件共有31页表4-5 被选通道和地址的关系CBA选中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809 工作时序工作时序 硬件设计硬件设计 软件设计软件设计第二十五页，本课件共有31页A
21、DC0809的内部转换时序图图4-28 ADC08094-28 ADC0809的转换时序的转换时序 ADC0809工作时序工作时序 硬件设计硬件设计 软件设计软件设计第二十六页，本课件共有31页首先首先ALEALE的上升沿将地址代码锁存、译码后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，使该路模拟量选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量进入到进入到A/DA/D转换器中。转换器中。同时同时START START 的上升沿将转换器内部清零，的上升沿将转换器内部清零，下降沿起动下降沿起动A/DA/D转换，即在时钟的作用下，转换，即在时钟的作用下，逐位逼近过程开始，转换结束信号逐位逼近过程开始
22、，转换结束信号EOCEOC即变即变为低电平。为低电平。当转换结束后，当转换结束后，EOCEOC恢复高电平，恢复高电平，此时，如果对输出允许此时，如果对输出允许OEOE输入一高电平命输入一高电平命令，则可读出数据。令，则可读出数据。ADC0809转换过程转换过程 ADC0809工作时序工作时序 硬件设计硬件设计 软件设计软件设计第二十七页，本课件共有31页4.3.2 8位位A/D转换器与转换器与CPU的接口的接口8路模拟量输入地址：路模拟量输入地址：0000H0007H数字量输入地址：数字量输入地址：0000H0007H,。启动转换：MOV DPTR，#0000HMOVX DPTR，A读取转换后
23、的数据：MOV DPTR，#0000HMOVX A，DPTR ADC0809 工作时序工作时序硬件设计硬件设计 软件设计软件设计8051第二十八页，本课件共有31页A/D转换器硬件接口应注意的问题转换器硬件接口应注意的问题A/D的数字量输出的方式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。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。存电路再接到数据总线上。片选、启动及读写信号的设置片选、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
24、启动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。注意信号的选脉冲，待转换结束后再读入数据。注意信号的选取，保证取，保证A/D转换器的正常工作。转换器的正常工作。时钟时钟CLK的产生的产生参考电平参考电平参考电平直接关系到转换精度，常用单独的稳压参考电平直接关系到转换精度，常用单独的稳压电源供电。电源供电。ADC0809 工作时序工作时序硬件设计硬件设计 软件设计软件设计第二十九页，本课件共有31页4.3.3 8位位A/D转换器的程序设计转换器的程序设计1.1.程序查询方式程序查询方式 CPU CPU向向A/DA/D转换器发出启动脉冲，然后读取转转换器发出启动脉冲，然后读
25、取转换结束信号，直到读取到换结束信号，直到读取到A/DA/D转换的结果才转换的结果才结束查询。结束查询。2.2.定时采样方式定时采样方式 CPU CPU向向A/DA/D转换器发出启动脉冲后，软件延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，时，然后读取数据。为了确保转换完成，要适当延长延时时间。要适当延长延时时间。3.3.中断方式中断方式 CPU CPU启动启动A/DA/D转换后，即可转而处理其他转换后，即可转而处理其他事情。一旦事情。一旦A/DA/D转换结束，由转换结束，由A/DA/D转换器转换器发中断信号到发中断信号到CPUCPU，CPUCPU响应中断后，读响应中断后，读入数据。入数据。ADC0809 工作时序工作时序 硬件设计硬件设计软件设计软件设计第三十页，本课件共有31页作业作业课后习题课后习题 6,7,8,9 概述概述 模拟量输入通模拟量输入通道道8位位A/D转换转换器及其接口技器及其接口技术术 模拟量输出通模拟量输出通道道 8位位D/A转换转换器及其接口技器及其接口技术术 数字量输入输数字量输入输出通道出通道 过程通道的抗过程通道的抗干扰与可靠性干扰与可靠性设计设计第三十一页，本课件共有31页