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1、第第3 3章章 模拟量输入通道模拟量输入通道 本章要点本章要点 1 1模拟量输入通道的结构组成。模拟量输入通道的结构组成。2 2多路开关，前置放大、采样保持等各环节多路开关，前置放大、采样保持等各环节 的功能作用。的功能作用。3 38 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809芯片及其接口电路芯片及其接口电路 4 41212位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A芯片及其接口电路芯片及其接口电路v 引言引言v 3.1 3.1 信号调理电路信号调理电路 v 3.2 3.2 多路模拟开关多路模拟开关v 3.3 3.3 前置放大器前置放大器v 3.4 3.4 采样保持器采
2、样保持器v 3.5 A/D3.5 A/D转换器转换器 v 3.6 A/D3.6 A/D转换模板转换模板v 本章小结本章小结v 思考题思考题 本章主要内容引言 模拟量输入通道的任务模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。以接收的数字量信号。结构组成如图结构组成如图3 3-1所示，来自于工业现场传感器或变送所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开
3、关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。对过程参数的巡回检测任务。显然，该通道的核心是模显然，该通道的核心是模/数转换器即数转换器即A/DA/D转换器，通常转换器，通常把模拟量输入通道称为把模拟量输入通道称为A/DA/D通道或通道或AIAI通道。通道。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类型的测量变送器，当它
4、们的输出信号为0-10 0-10 mAmA或或4-20 4-20 mAmA的电流信号时，的电流信号时，一般是采用电阻分压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。是两种变换电路。1.1.无源无源I/VI/V变换变换 2.2.有有源源I/VI/V变换变换 1.无源I/V变换 无源无源I/VI/V变换电路是利用无源器件变换电路是利用无源器件电阻电阻来实现，加上来实现，加上RCRC滤波和二极管限幅等保护，如滤波和二极管限幅等保护，如图图3-23-2（a a）所示，其中所示，其中R2R2为精密电阻。对于为精密电阻。对于0-
5、0-10 10 mAmA输入信号，可取输入信号，可取R1=100R1=100，R2=500R2=500，这这样当输入电流在样当输入电流在0-10 0-10 mAmA量程变化时，输出的量程变化时，输出的电压就为电压就为0-5 V0-5 V范围；而对于范围；而对于4-20 4-20 mAmA输入信输入信号，可取号，可取R1=100R1=100，R2=250R2=250，这样当输入电这样当输入电流为流为4-20 4-20 mAmA时，输出的电压为时，输出的电压为1-5 V1-5 V。图 3-2 电流/电压变换电路 2.有源I/V变换 有源有源I/V变换是利用有源器件变换是利用有源器件运算放大器运算放
6、大器和电阻电容组成，如图和电阻电容组成，如图3-2（b）所示。利用同所示。利用同相放大电路，把电阻相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准上的输入电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为输出电压。该同相放大电路的放大倍数为 (3-1)若取若取R1=200，R3=100k，R4=150k，则输入电流则输入电流 I 的的0 10 mA就对应电压输出就对应电压输出V的的0 5 V；若取若取R1=200，R3=100k，R4=25k，则，则4 20 mA的输入电流对应于的输入电流对应于1 5 V的电压的电压输出。输出。3.2 多路模拟开关主要知识点 引言引言 3.2.1 3.2.1 结构原理
7、结构原理 3.2.2 3.2.2 扩展电路扩展电路引言 由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选关实现多选1 1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片有不
8、同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(CD4051(双向、单端、双向、单端、8 8路路)、CD4052(CD4052(单向、双端、单向、双端、4 4路路)、AD7506(AD7506(单向、单端、单向、单端、1616路路)等。所谓等。所谓双向双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而可以完成一到多的切换；而单向单向则只能完成多到一的切换。则只能完成多到一的切换。双端双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。号的切换，以满足抑制共模干扰
9、的需要。3.2.13.2.1结构原理结构原理 现以常用的现以常用的CD4051为例，为例，8路模拟开关的结构原路模拟开关的结构原理如图理如图3-3所示。所示。CD4051由电平转换、译码驱动及由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后时，前后级通道断开，即级通道断开，即S0S7端与端与Sm端不可能接通；当为端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端端C、B、A的数值，就可选通的数值，就可选通8个通道个通道S0S7中的一中的一路。比如：当路。比如：当C、B、A=000时，通道时，通道
10、S0选通；当选通；当C、B、A=001时，通道时，通道S通；通；当当C、B、A=111时，时，通道通道S7选通。其真值表如表选通。其真值表如表3-1所示。所示。图图3-3 CD40513-3 CD4051结构原理图结构原理图 链接动画链接动画3.2.2 扩展电路 当采样通道多当采样通道多至至16路时，可直接选用路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，路模拟开关的芯片，也可以将也可以将2个个8路路4051并联起来，组成并联起来，组成1个单端的个单端的16路开关。路开关。例题例题3-1 试用两个试用两个CD4051扩展成一个扩展成一个116路的模拟开关。路的模拟开关。例题分析：例题分析：图图3-4给
11、出了两个给出了两个CD4051扩展为扩展为116路模拟开关的电路模拟开关的电路。数据总线路。数据总线D3D0作为通道选择信号，作为通道选择信号，D3 用来控制两个多路用来控制两个多路开关的禁止端。当开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当时，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、D0从从000变为变为111，则依次选通，则依次选通S0S7通道；当通道；当D3=1时，经反时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0从从000变为变为111，则依次选通，则依次选通S8S15通道。如此，组成一个通道。如此，组成一个16路的
12、模路的模拟开关。拟开关。图图3-4 3-4 多路模拟开关的扩展电路多路模拟开关的扩展电路链接动画链接动画3.3 前置放大器主要知识点 引言引言 3.3.1 3.3.1 测量放大器测量放大器 3.3.2 3.3.2 可变增益放大器可变增益放大器 引言 前置放大器的任务前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到是将模拟输入小信号放大到A/DA/D转换的量程范围之内，如转换的量程范围之内，如0-5VDC;0-5VDC;对单纯的微弱信号对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如图同相放大或单端反相放大。如图3-53-5所示，信号源的一所示，信号源的
13、一端若接放大器的正端为端若接放大器的正端为同相放大同相放大，同相放大电路的放大，同相放大电路的放大倍数倍数G G=1+R2/R1=1+R2/R1；若信号源的一端接放大器的负端为若信号源的一端接放大器的负端为反相放大反相放大，反相，反相放大电路的放大倍数放大电路的放大倍数G G=R2/R1R2/R1。当然，这两种电路都当然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。输入端共地。图3-5 放大电路 链接动画链接动画3.3.1 测量放大器 在实际工程中在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的来自生产现场的传感器
14、信号往往带有较大的共模干扰共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。作用。因此，因此，A/DA/D通道中的前置放大器通道中的前置放大器常采用由一组运放构成常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图的测量放大器，也称仪表放大器，如图3-6(a)3-6(a)所示。所示。经典的测量放大器经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端大器的差动输入端V VININ 和和V VININ 分别是两个运放分别是两个运放A1A1、A2A2的同相的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称
15、地直接与被测信号相连，输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。因而有着极强的抑制共模干扰能力。-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV(外接外接)(a)经典的前置放大器经典的前置放大器图图3-6 3-6 前置放大器前置放大器 链接动画链接动画 图中图中RGRG是外接电阻，专用来调整放大器增是外接电阻，专用来调整放大器增益的。因此，放大器的增益益的。因此，放大器的增益G G与这个外接电阻与这个外接电阻RGRG有着密切的关系。增益公式为有着密切的关系。增益公式为 (3-2)目前这种测量放大器
16、的集成电路芯片有多目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种，如种，如AD521/522AD521/522、INA102INA102等。等。3.3.2 3.3.2 可变增益放大器可变增益放大器 在在A/DA/D转换通道中，多路被测信号常常共用一个测转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到大到A/DA/D转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增
17、益放大器或可编程放大器，这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器，如图如图3-6(b)3-6(b)所示。所示。3A2A-NIN负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+(b)(b)可变增益放大器可变增益放大器图图3-6 3-6 前置放大器前置放大器 链接动画链接动画 把图把图3-63-6（a a）中的外接电阻中的外接电阻RGRG换成一组精密的电阻网换成一组精密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断络，每个电阻支路上有一个开关，通过
18、支路开关依次通断就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为别为2 2、4 4、8 8、1616、3232、6464、128128、256256倍。显然，这一组倍。显然，这一组开关如果用多路模拟开关开关如果用多路模拟开关(类似类似CD4051)CD4051)就可方便地进行增就可方便地进行增益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路芯片有益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路芯片有AD612/614AD612/614等。等。3.4 采样保
19、持器 当当某某一一通通道道进进行行A/DA/D转转换换时时，由由于于A/D A/D 转转换换需需要要一一定定的的时时间间，如如果果输输入入信信号号变变化化较较快快，就就会会引引起起较较大大的的转转换换误误差差。为为了了保保证证A/DA/D转转换换的的精精度度，需需要要应应用用采采样样保保持器。持器。v 3.4.1 3.4.1 数据采样定理数据采样定理 v 3.4.2 3.4.2 采样保持器采样保持器 3.4.1 3.4.1 数据采样定理数据采样定理离散系统或采样数据系统离散系统或采样数据系统-把连续变化的量变成离把连续变化的量变成离 散量后再进行处理的计算机控制系统。散量后再进行处理的计算机控
20、制系统。离散系统的采样形式离散系统的采样形式-有周期采样、多阶采样和随机有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。采样。应用最多的是周期采样。周期采样周期采样-就是以相同的时间间隔进行采样，即把一就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号个连续变化的模拟信号y y(t t)，按一定的按一定的时间间隔时间间隔T T 转变为在瞬时转变为在瞬时0 0，T T，2 2T T，的一连串脉冲序列信号的一连串脉冲序列信号 y y*(*(t t)，如图如图3-73-7所示。所示。采样器的常用术语：采样器的常用术语：采样器或采样开关采样器或采样开关-执行采样动作的装置，执行采样动作的装
21、置，采样时间或采样宽度采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时间采样开关每次闭合的时间采样周期采样周期T-T-采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔 在实际系统中，在实际系统中，T T ，也就是说，可以近似地认为采样信也就是说，可以近似地认为采样信号号y y*(*(t t)是是y y(t t)在采样开关闭合时的瞬时值在采样开关闭合时的瞬时值。图3-7 信号的采样过程 链接动画链接动画 由经验可知，采样频率越高，采样信号由经验可知，采样频率越高，采样信号 y*y*(t t)越接近原越接近原信号信号y y(t t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多但若采样频率过高，在实时
22、控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号采样信号y y*(*(t t)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号y*y*(t t)能完全复现原信号能完全复现原信号y y(t t)，采样频率采样频率f f 至少要为原信号最至少要为原信号最高有效频率高有效频率f fmaxmax的的2 2倍，即倍，即f f 2f 2fmaxmax。采样定理给出了采样定理给出了y*y*(
23、t t)唯一地复现唯一地复现y y(t t)所必需的最低采样所必需的最低采样频率。实际应用中，常取频率。实际应用中，常取f f （5 51010）f fmaxmax。3.4.23.4.2采样保持器采样保持器 1、零阶采样保持器零阶采样保持器-零阶采样保持器是在两次采样零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如图它的组成原理电路与工作波性如图3-8(a)3-8(a)、(b)(b)所示。所示。采样保持器由输入输出缓冲放大器采样保持器由输入输出缓冲放大器A1A1、A2A2和采样开关和采
24、样开关S S、保持电容保持电容CH等组成。采样期间，开关等组成。采样期间，开关S S闭合，输入电压闭合，输入电压V VININ通通过过A1A1对对CH快速充电，输出电压快速充电，输出电压V VOUTOUT跟随跟随V VININ变化；保持期间，变化；保持期间，开关开关S S断开，由于断开，由于A2A2的输入阻抗很高，理想情况下电容的输入阻抗很高，理想情况下电容C CH H将保将保持电压持电压VCVC不变，因而输出电压不变，因而输出电压V VOUT=OUT=VCVC也保持恒定。也保持恒定。图图3-8 3-8 采样保持器采样保持器链接动画链接动画 显然，保持电容显然，保持电容C H的作用十分重要。实
25、际上保持期的作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保持电容在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压的漏电流所致。保持电压VC的变化率为的变化率为 (3-3)式中：式中：ID-为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电容电容CH值值-增大电容增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又值可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大
26、小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为高质量的电容器，容量为5101000pF。2 2、零阶集成采样保持器、零阶集成采样保持器-常用的零阶集成采样保持器有常用的零阶集成采样保持器有AD582AD582、LF198/298/398LF198/298/398等，其内部结构和引脚如图等，其内部结构和引脚如图3-9(a)3-9(a)、(b)(b)所示。这里，用所示。这里，用TTLTTL逻辑电平控制采样和保持状态，如逻辑电平
27、控制采样和保持状态，如AD582AD582的采样电平为的采样电平为“0”0”，保持电平为，保持电平为“1”1”，而，而LF198LF198的则的则相反。相反。图图3 39 9 集成采样保持器集成采样保持器 在在A/DA/D通道中，采样保持器的采样和保持电通道中，采样保持器的采样和保持电平应与后级的平应与后级的A/DA/D转换相配合，该电平信号既可以转换相配合，该电平信号既可以由其它控制电路产生，也可以由由其它控制电路产生，也可以由A/DA/D转换器直接提转换器直接提供。供。总之，保持器在采样期间，不启动总之，保持器在采样期间，不启动A/DA/D转换器，转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动而一
28、旦进入保持期间，则立即启动A/DA/D转换器，从转换器，从而保证而保证A/D A/D 转换时的模拟输入电压恒定，以确保转换时的模拟输入电压恒定，以确保A/DA/D转换精度转换精度（可参见图（可参见图3-19 83-19 8路路1212位位A/DA/D转换模转换模板电路）。板电路）。3.5 A/D转换器v 3.5.1 3.5.1 工作原理与性能指标工作原理与性能指标 v 3.5.2 ADC08093.5.2 ADC0809及其接口电路及其接口电路 v 3.5.3 AD574A3.5.3 AD574A芯片及其接口电路芯片及其接口电路 主要知主要知识识点点3.5.1 3.5.1 工作原理与性能指标工
29、作原理与性能指标 1 1逐位逼近式逐位逼近式A/DA/D转换原理转换原理 2 2双积分式双积分式A/DA/D转换原理转换原理 3 3电压电压/频率式频率式A/DA/D转换原理转换原理 4 4A/DA/D转换器的性能指标转换器的性能指标 1逐位逼近式A/D转换原理 一个一个n n位位A/DA/D转换器是由转换器是由n n位寄存器、位寄存器、n n位位D/AD/A转转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。现以等五部分组成。现以4 4位位A/DA/D转换器把模拟量转换器把模拟量9 9转换转换为二进制数为二进制数10011001为例，说明逐位
30、逼近式为例，说明逐位逼近式A/DA/D转换器转换器的工作原理。的工作原理。如图如图3-103-10所示。所示。图图3-10 3-10 逐位逼近式逐位逼近式A/DA/D转换原理图转换原理图 链接动画链接动画 当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，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首先使寄存器的最高位D3 D3 1 1，其余其余为为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送到比较器输入端与被转换的模拟量换的模拟量V VIN=9IN=9进行比较，控制逻辑根据比较
31、器的输出进行进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。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，与上一位与上一位D3D3位一位一起即起即11001100进入进入D/AD/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，则使则使D2 D2 0 0；再下一位再下一位D1D1位也是如此位也是如此，D1 D1 1 1即即10101010，经，经D/AD/A转换为转换为V VO=O
32、=1010，再与再与V VIN IN 9 9比较，因比较，因V VIN IN V VO O，则使则使D1 D1 0 0；最后一位最后一位D0 D0 1-1-即即10011001经经D/AD/A转换为转换为V VO O 9 9，再与再与V VIN IN 9 9比比较，因较，因V VIN IN V VO O，保留保留D0 D0 1 1。比较完毕，寄存器中的数字量比较完毕，寄存器中的数字量10011001即为模拟量即为模拟量9 9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。一个一个 n n 位位A/DA/D转换器的模数转换表达式是转换器的模数转换表达式是 （3-43-
33、4）式中式中 n n n n位位A/DA/D转换器；转换器；VR+VR+、VRVR-基准电压源的正、负输入；基准电压源的正、负输入；VINVIN要转换的输入模拟量；要转换的输入模拟量；B B转换后的输出数字量。转换后的输出数字量。即当基准电压源确定之后，即当基准电压源确定之后，n n位位A/DA/D转换器的输转换器的输出数字量出数字量B B与要转换的输入模拟量与要转换的输入模拟量VINVIN呈正比。呈正比。例题例题3-23-2：一个：一个8 8位位A/DA/D转换器，设转换器，设V VR+=5.02 VR+=5.02 V，V VR R =0 V=0 V，计算当计算当V VININ分别为分别为0
34、 V0 V、2.5 V2.5 V、5 V5 V时所时所对应的转换数字量。对应的转换数字量。解：把已知数代入公式（解：把已知数代入公式（3-43-4）：）：0 V0 V、2.5 V2.5 V、5 V5 V时所对应的转换数字量分别为时所对应的转换数字量分别为00H00H、80H80H、FFHFFH。此种此种A/DA/D转换器的常用品种有普通型转换器的常用品种有普通型8 8位单路位单路ADC0801ADC0801ADC0805ADC0805、8 8位位8 8路路ADC0808/0809ADC0808/0809、8 8位位1616路路ADC0816/0817ADC0816/0817等，混合集成高速型等
35、，混合集成高速型1212位单路位单路AD574AAD574A、ADC803ADC803等。等。2 2双积分式双积分式A/DA/D转换原理转换原理 图图3-11 3-11 双积分式双积分式A/DA/D转换原理图转换原理图 双积分式双积分式A/DA/D转换原理如图转换原理如图3-113-11所示，在转换开始信号控所示，在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压V VIN IN 在固定时在固定时间间T T内对积分器上的电容内对积分器上的电容C C充电（正向积分），时间一到，控充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与制逻辑将开关切换到与V
36、 VININ极性相反的基准电源上，此时电极性相反的基准电源上，此时电容容C C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容器判定电容C C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数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。数正比于放电时间。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，则即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。因此，计数器计数值的放电
37、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常用品种有输出为3 3位位半半BCDBCD码（二进码（二进制编码的十进制数）的制编码的十进制数）的ICL7107ICL7107、MC14433MC14433、输出为输出为4 4位半位半BCDBCD码的码的ICL7135ICL7135等。等。3电压/频率式A/D转换原理电压电压/频率式转换器频率式转换器-简称简称V/FV/F转换器，是把模拟转换器，是把模拟 电压信号转换成频率信号的器件。电压
38、信号转换成频率信号的器件。V/FV/F转换的方法转换的方法-实现实现V/FV/F转换的方法很多，现以转换的方法很多，现以常见的电荷平衡常见的电荷平衡V/FV/F转换法说明其转换转换法说明其转换原理，如图原理，如图3-123-12（a a）、（）、（b b）所示。所示。(a)电路原理图 图3-12 电荷平衡式V/F转换原理 A1A1是积分输入放大器，是积分输入放大器，A2A2为零电压比较器，恒流为零电压比较器，恒流源源I IR R和开关和开关S S构成构成A1A1的反充电回路，开关的反充电回路，开关S S由单稳态定由单稳态定时器触发控制。当积分放大器时器触发控制。当积分放大器A1A1的输出电压的
39、输出电压V VO O下降到下降到零伏时，零电压比较器零伏时，零电压比较器A2A2输出跳变，则触发单稳态定输出跳变，则触发单稳态定时器，即产生暂态时间时器，即产生暂态时间为为T T1 1的定时脉冲，并使开关的定时脉冲，并使开关S S闭合；同时又使晶体管闭合；同时又使晶体管T T截止，频率输出端截止，频率输出端VfOVfO输出高输出高电平。电平。在开关在开关S S闭合期间，恒流源闭合期间，恒流源I IR R被接入被接入积分器的输入端。由于电路是按积分器的输入端。由于电路是按 I IR RV Vimax/imax/R Ri i设计的，故此时电容设计的，故此时电容C C被反向充被反向充电，充电电流电，
40、充电电流为为I IR-R-V Vi/i/R Ri i，则积分器则积分器A1A1输出电压输出电压V VO O从零伏起线性上升。当定时从零伏起线性上升。当定时T T1 1时间结束，定时器恢复稳态，使开关时间结束，定时器恢复稳态，使开关S S断断开，反向充电停止，同时使晶体管开，反向充电停止，同时使晶体管T T导通，导通，V VfOfO端输出低电平。端输出低电平。开关开关S S断开后，正输入电压断开后，正输入电压V Vi i开始对电开始对电容容C C正向充电，其充电电流为正向充电，其充电电流为V Vi/i/R Ri i，则积则积分器分器A1A1输出电压输出电压V VO O开始线性下降。当开始线性下降
41、。当V VO=0O=0时，比较时，比较器器A2A2输出再次跳变，又使单稳态输出再次跳变，又使单稳态定时器产生定时器产生T T1 1时间的定时脉冲而控制开关时间的定时脉冲而控制开关S S再次闭合再次闭合，A1A1再次反向充电，同时再次反向充电，同时V VfOfO端又端又输出高电平。如此反复下去，就会在积分输出高电平。如此反复下去，就会在积分器器A1A1输出输出端端V VO O、单稳态定时器脉冲输出端单稳态定时器脉冲输出端和频率输出和频率输出端端V VfOfO端产生如图端产生如图3-123-12（b b）所所示的波形，其波形的周期为示的波形，其波形的周期为T T。根据反向充电电荷量和正向充电电荷量
42、相等的电荷平衡原理，可得 （3-5）整理得 （3-6）则VfO端输出的电压频率为（3-7）这个这个f fO O就是由就是由V V i i转换而来的输出频率，两者成转换而来的输出频率，两者成线性比例关系。由上式可见，要精确地实现线性比例关系。由上式可见，要精确地实现V/FV/F变换，变换，要求要求I IR R、R Ri i和和T T1 1应准确稳定。积分电容应准确稳定。积分电容C C虽没有出虽没有出现在上式中，但它的漏电流将会影响到充电电流现在上式中，但它的漏电流将会影响到充电电流V Vi i/R Ri i，从而影响转换精度。为此应选择漏电流小的电从而影响转换精度。为此应选择漏电流小的电容。容。
43、此种此种V/FV/F转换器的常用品种有转换器的常用品种有VFC32VFC32、LM131/LM231/LM331LM131/LM231/LM331、AD650AD650、AD651AD651等。等。（1）分辨率分辨率 分辨率是指分辨率是指A/DA/D转换器对微小输入信号变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小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如示，如8 8位、位、1010位、位、1212位等。分辨率位等。分辨率为为n n，表示它表示它可以对满刻度的可以对满刻度的1/21/2
44、n n的变化量作出反应。即：的变化量作出反应。即：分辨率分辨率 =满刻度值满刻度值/2 2n n 4A/D转换器的性能指标 A/DA/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。误差来表示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量量A/DA/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。差，零点误差和非线性误差等。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一相对误差是指绝对误差与
45、满刻度值之比，一般用百分数来表示，对般用百分数来表示，对A/DA/D转换器常用最低有效值转换器常用最低有效值的位数的位数LSBLSB（Least Significant Bit)Least Significant Bit)）来表示，来表示，1LSB=11LSB=1 2 2n n 。（2 2）转换精度）转换精度 例如，对于一个例如，对于一个8 8位位05V05V的的A/DA/D转换转换器，如果其相对误差为器，如果其相对误差为1LSB1LSB，则其绝对则其绝对误差为误差为19.5 mV19.5 mV，相对百分误差为相对百分误差为0.390.39。一般来说，位。一般来说，位数数n n越大，其相对误差
46、越大，其相对误差（或绝对误差）越小。（或绝对误差）越小。（3 3）转换时间）转换时间 A/DA/D转换器完成一次转换所需的时间称为转转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式换时间。如逐位逼近式A/D A/D 转换器的转换时间转换器的转换时间为微秒级，双积分式为微秒级，双积分式A/DA/D转换器的转换时间为毫转换器的转换时间为毫秒级。秒级。下面介绍几种典型芯片及其与下面介绍几种典型芯片及其与PCPC总线的接总线的接口电路。口电路。3.5.2 ADC08093.5.2 ADC0809及其接口电路及其接口电路主要知识点主要知识点v 1 1、ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍v
47、 2 2ADC0809ADC0809接口电路接口电路1 1、ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍1 1、ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍8 8位逐位逼近式位逐位逼近式A/DA/D转换器转换器分辨率为分辨率为1/1/2 28 8 0.39%0.39%模拟电压转换范围是模拟电压转换范围是 0-+5 V0-+5 V标准转换时间为标准转换时间为100100 s s采用采用2828脚双立直插式封装脚双立直插式封装 图图3-13 ADC0809内部内部结结构及引脚构及引脚链接动画链接动画各引脚功能如下：各引脚功能如下：IN0IN0IN7IN7：8 8路模拟量输入端。允许路模拟量输入端。
48、允许8 8路模拟量分时输入，共路模拟量分时输入，共用一个用一个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。上升沿时锁地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存存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道选择线。ALEALE为高电平时，为高电平时，地址译码与对应通道选择见地址译码与对应通道选择见表表3-2 3-2。STARTSTART：启动启动A/DA/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动转换器内部清零，下降沿时启
49、动A/DA/D转换。转换。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。该信号用来打开三输出允许信号，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。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。由于为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。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
50、。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。取决于被转换的基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常模拟电压范围，通常VR+=VR+=5V DC5V DC，VR-=0V DCVR-=0V DC。VccVcc：工作电源，工作电源，5VDC5VDC。GNDGND：电源地。电源地。表表3-2 3-2 被选通道和地址的关系被选通道和地址的关系C CB BA A选中选中通通道道0 00 00 0IN0IN00 00 01 1IN1IN10 01 10 0IN2IN20 01 11 1IN3I