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1、第三章模拟量输入通道本讲稿第一页，共四十九页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 思考题思考题 主要内容：主要内容：本讲稿第二页，共四十九页 模拟量输入通道的任务：模拟量输入通道的任务：转换转换 模拟量到数字量的转换。模拟量到数字量的转换。组成核心组成核心A/D转换器转换器 引引 言言本讲稿第三页，共四十九页将现场物理量变换为电将现场物理量变换为电信号信号
2、抑制干扰、保证抑制干扰、保证A/D转转换精度换精度实现多选一实现多选一将输入信号放大到将输入信号放大到A/D可可接受的范围接受的范围保持、保证保持、保证A/D精度精度核心，实现核心，实现A到到D的转的转换换进行地址译码，产生片旋信进行地址译码，产生片旋信号和写信号号和写信号本讲稿第四页，共四十九页3.1 信号调理电路信号调理电路 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的测量变送器，当它们的输出信号为0-10 mA0-10 mA或或4-20 4-20 mAmA的电流信号时，一般是采用的电流信号时，一般是采用电阻分压
3、法电阻分压法把现场传送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。来的电流信号转换为电压信号，以下是两种变换电路。1.1.无源无源I/VI/V变换变换 2.2.有源有源I/VI/V变换变换 本讲稿第五页，共四十九页1.无源无源I/V变换变换 构成构成无源器件电阻无源器件电阻RCRC滤波二极管限幅等实现，滤波二极管限幅等实现，取值取值:输入输入0-10 mA0-10 mA，输出为，输出为0-5 V 0-5 V，R1=100R1=100，R2=500R2=500；输输入入4-20 mA4-20 mA，输出为，输出为1-5 V1-5 V，R1=100R1=100，R2=250R2=25
4、0；电路图：电路图：本讲稿第六页，共四十九页2.有源有源I/V变换变换 构成构成 运算放大器电阻电容组成；运算放大器电阻电容组成；电路放大倍数电路放大倍数同相放大电路同相放大电路 取值取值 R1=200，R3=100k，R4=150k 输入输入0 10 mA输出输出0 5 V R1=200，R3=100k，R4=25k 输入输入4 20 mA输出输出1 5 V电路图：电路图：本讲稿第七页，共四十九页3.2 多路模拟开关多路模拟开关 主要知识点主要知识点 3.2.1 3.2.1 结构原理结构原理 3.2.2 3.2.2 扩展电路扩展电路本讲稿第八页，共四十九页3.2.1结构原理结构原理 图 CD
5、4051结构原理结构原理链接动画链接动画构成电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。构成电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。本讲稿第九页，共四十九页3.2.2 扩展电路扩展电路链接动画链接动画图 多路模拟开关的扩展电路本讲稿第十页，共四十九页3.3 前置放大器前置放大器主要知识点主要知识点 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 本讲稿第十一页，共四十九页引引 言言链接动画链接动画 图图 放大电路放大电路前置放大器的任务将输入模拟小信号放大到前置放大器的任务将输入模拟小信号放大到A/D转换的转换的量程范围量程范围，如，如
6、0-5VDC;本讲稿第十二页，共四十九页3.3.1 测量放大器测量放大器链接动画链接动画对称结构，可抑制共模干扰。对称结构，可抑制共模干扰。本讲稿第十三页，共四十九页3.3.2 可变增益放大器可变增益放大器 链接动画链接动画本讲稿第十四页，共四十九页3.4 采样保持器采样保持器n 3.4.1 3.4.1 数据采样定理数据采样定理 n 3.4.2 3.4.2 采样保持器采样保持器 本讲稿第十五页，共四十九页3.4.1 数据采样定理数据采样定理链接动画链接动画图图 信号的采样过程信号的采样过程周期采样过程：周期采样过程：本讲稿第十六页，共四十九页3.4.2采样保持器采样保持器 1 1、零阶采样保持
7、器零阶采样保持器链接动画链接动画图 零阶采样保持器本讲稿第十七页，共四十九页构成构成输入输出缓冲放大器输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关和采样开关S、保持电、保持电容容CH。工作过程工作过程采样期间，开关采样期间，开关S闭合，输入电压闭合，输入电压VIN通过通过A1对对CH快速充电，输出电压快速充电，输出电压VOUT跟随跟随VIN变化；保持期间，开变化；保持期间，开关关S断开，由于断开，由于A2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CH将保将保持电压持电压VC不变，因而输出电压不变，因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。也保持恒定。本讲稿第十八页，共四十九页2 2、零
8、阶集成采样保持器、零阶集成采样保持器图图 集成采样保持器集成采样保持器 （a）AD582 （b）LF198/298/398图39 集成采样保持器 本讲稿第十九页，共四十九页3.5 A/D转换器转换器n 3.5.1 3.5.1 工作原理与性能指标工作原理与性能指标 n 3.5.2 ADC08093.5.2 ADC0809芯片芯片及其接口电路及其接口电路 n 3.5.3 AD574A3.5.3 AD574A芯片及其接口电路芯片及其接口电路 主要知识点主要知识点本讲稿第二十页，共四十九页3.5.1 工作原理与性能指标工作原理与性能指标 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
9、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 本讲稿第二十一页，共四十九页1逐位逼近式逐位逼近式A/D转换原理转换原理链接动画链接动画图图 逐位逼近式逐位逼近式A/D转换原理图转换原理图本讲稿第二十二页，共四十九页 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 V R R =0 V,=0 V,计算当计算当V VININ分别为分别为0 V0 V、2.5 V2.5 V、5 V5 V时所对应的转时所对应的转换数字量。换数
10、字量。解：把已知数代入公式（解：把已知数代入公式（3-43-4）：）：0 V 0 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，混等，混合集成高速型合集成高速型1212位单路位单路AD574AAD574A、ADC803ADC8
11、03等。等。本讲稿第二十三页，共四十九页2双积分式双积分式A/D转换原理转换原理 图图 双积分式双积分式A/D转换原理图转换原理图本讲稿第二十四页，共四十九页3电压电压/频率式频率式A/D转换原理转换原理图图 电荷平衡式电荷平衡式V/F转换原理转换原理本讲稿第二十五页，共四十九页（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化的敏感程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。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，如通常用数字量的位数来表示，如8 8位、位、1010位、位、1212位等。
12、分位等。分辨率为辨率为n n，表示它可以对满刻度的，表示它可以对满刻度的1/21/2n n的变化量作出反的变化量作出反应。即：应。即：分辨率分辨率=满刻度值满刻度值/2 2n n 4A/D转换器的性能指标转换器的性能指标本讲稿第二十六页，共四十九页 A/D转换器的转换精度转换器的转换精度,用用绝对误差和相对误差绝对误差和相对误差来表示。来表示。绝对误差实际模拟量输入值理论值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。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。相对误差相对误差(指绝对误差指绝对误差/满刻度值满刻度值)*100%对对A/D转换器常用最低有效值的
13、位数转换器常用最低有效值的位数LSB（Least Significant Bit)）来表示，）来表示，1LSB=1 2n。例如，对于一个例如，对于一个8位位05V的的A/D转换器，如果其相对误差为转换器，如果其相对误差为1LSB，则，则其绝对误差为其绝对误差为19.5 mV，相对百分误差为，相对百分误差为0.39。一般来说，位数。一般来说，位数n越大，越大，其相对误差（或绝对误差）越小。其相对误差（或绝对误差）越小。（2）转换精度）转换精度 本讲稿第二十七页，共四十九页 （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称为转换时间。如逐位转换器完成一次转换所需的时间称为转换
14、时间。如逐位逼近式逼近式A/D A/D 转换器的转换时间为微秒级，双积分式转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/DA/D转换器的转换器的转换时间为毫秒级。转换时间为毫秒级。（4）非线性误差）非线性误差 A/D 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差。在转换器设计中，一般要求非线性误差不大于1/2LSB1/2LSB。通。通常用非线性误差来表示常用非线性误差来表示A/DA/D转换器的线性度。转换器的线性度。本讲稿第二十八页，共四十九页 3.5.2 ADC0809及其接口电路及其接口电路 主
15、要知识点主要知识点n 1.ADC08091.ADC0809芯片介绍芯片介绍n 2 2ADC0809ADC0809接口电路接口电路本讲稿第二十九页，共四十九页 1.ADC0809芯片介绍芯片介绍n8 8位逐位逼近式位逐位逼近式A/DA/D转换器转换器n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 V 0-+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本讲稿第三十页，共四十九页 图图 ADC0809内部内部结结构及引脚构及引脚链接动画链接动画本讲稿第三十一页，共四十九页ADC080
16、9的内部转换时序的内部转换时序图 ADC0809的转换时序本讲稿第三十二页，共四十九页2ADC0809接口电路接口电路 A/DA/D转换器的接口电路主要是解决主机如何分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，即主机如何启动时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动A/DA/D转换（体现为对转换（体现为对STARTSTART和和ALEALE引脚的控制），如引脚的控制），如何判断何判断A/DA/D完成一次模数转换（体现为是否读取完成一次模数转换（体现为是否读取EOCEOC标志，如何读取），如何读入并存放转换结果的。标志，如何读取），如何读入并存放转换结果的。下面仅介绍下面仅
17、介绍两种典型的接口电路两种典型的接口电路。n（1 1）查询方式读）查询方式读A/DA/D转换数转换数 n（2 2）定时方式读）定时方式读A/DA/D转换数转换数本讲稿第三十三页，共四十九页（1）查询方式读）查询方式读A/D转换数转换数 非与门非与门02（3）、）、/IOW控制控制A/D转换启动；转换启动；通过三态缓冲器读入通过三态缓冲器读入EOC状态以判断是否转换结束状态以判断是否转换结束 查询。查询。本讲稿第三十四页，共四十九页链接动画链接动画本讲稿第三十五页，共四十九页n接口程序如下：接口程序如下：n MOV BX，BUFF；置采样数据区首址；置采样数据区首址n MOV CX，08H ；路
18、输入；路输入nSTART：OUT PA，AL ；启动；启动A/D转换转换n REOC：IN AL，PB ；读；读EOCn RCR AL，01 ；判断；判断EOCn JNC REOC ；若；若EOC=0，继续查询，继续查询n IN AL，PA ；若；若EOC=1，读，读A/D转换数转换数n MOV BX，AL ；存；存A/D转换数转换数n INC BX ；存；存A/D转换数地址加转换数地址加1n INC PA ；接口地址加；接口地址加1n LOOP START ；循环；循环本讲稿第三十六页，共四十九页 （2）定时方式读）定时方式读A/D转换数转换数 链接动画链接动画本讲稿第三十七页，共四十九页这
19、两种方法的共同点：这两种方法的共同点：硬软件接口简单，但在转换期间独占了硬软件接口简单，但在转换期间独占了CPU时间，时间，好在这种逐位逼近式好在这种逐位逼近式A/D转换的时间只在微秒数量转换的时间只在微秒数量级。级。当选用双积分式当选用双积分式A/D转换器时，因其转换时间在毫转换器时，因其转换时间在毫秒级，因此采用中断法读秒级，因此采用中断法读A/D转换数的方式更为适转换数的方式更为适宜。宜。因此，在设计数据采集系统时，究竟采用何种接口方式要因此，在设计数据采集系统时，究竟采用何种接口方式要根据根据A/D转换器芯片而定。转换器芯片而定。本讲稿第三十八页，共四十九页3.5.3 AD574A芯片
20、及其接口电路芯片及其接口电路 主要知识点主要知识点n 1 1AD574AAD574A芯片介绍芯片介绍n 2.AD574A2.AD574A接口电路接口电路本讲稿第三十九页，共四十九页1AD574A芯片介绍芯片介绍vAD574AAD574A是一种高性能的是一种高性能的1212位逐位逼近式位逐位逼近式A/DA/D转换器转换器v分辨率为分辨率为1/21/212 12=0.024%=0.024%v转换时间为转换时间为25s,25s,适合于在高精度快速采样系统中使用适合于在高精度快速采样系统中使用v内部结构大体与内部结构大体与ADC0809ADC0809类似，由类似，由1212位位A/DA/D转换器、控制
21、逻辑、转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与三态输出锁存缓冲器与10V10V基准电压源构成，可以直接与主基准电压源构成，可以直接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量机数据总线连接，但只能输入一路模拟量vAD574AAD574A也采用也采用2828脚双立直插式封装脚双立直插式封装本讲稿第四十页，共四十九页AD574AAD574A原理框图及引脚原理框图及引脚本讲稿第四十一页，共四十九页模拟输入信号的几种接法模拟输入信号的几种接法图 AD574A的输入信号连接方法本讲稿第四十二页，共四十九页2.AD574A接口电路接口电路 12 12位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A与与PCP
22、C总线的接口有多种方式。既可以与总线的接口有多种方式。既可以与PCPC总线总线的的1616位数据总线直接相连，构成简单的位数据总线直接相连，构成简单的1212位数据采集系统；也可以只占位数据采集系统；也可以只占用用PCPC总线的低总线的低8 8位数据总线，将转换后的位数据总线，将转换后的1212位数字量分两次读入主机，以位数字量分两次读入主机，以节省硬件投入。节省硬件投入。同样，在同样，在A/DA/D转换器与转换器与PCPC总线之间的数据传送上也可以使用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。由于程序查询、软件定时或中断控制等多种方法。由于AD574AAD574A
23、的转的转换速度很高，一般多采用查询或定时方式。其换速度很高，一般多采用查询或定时方式。其接口电路及其程序接口电路及其程序参见下一节。参见下一节。本讲稿第四十三页，共四十九页3.6 A/D转换模板转换模板1、A/DA/D转换模板也需要遵循转换模板也需要遵循I/OI/O模板的通用性原则模板的通用性原则：符合：符合总线标准，接口地址可选以及输入方式可选。输入总线标准，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方式可选主要是指模板既可以接受单端输入信号也可可以接受双端差动输入信号。以接受双端差动输入信号。2 2、A/DA/D转换模板结构组成转换模板结构组成I/OI
24、/O电气接口电气接口完成电平转换、滤波、隔离等信号调理完成电平转换、滤波、隔离等信号调理作用；作用；I/OI/O功能部分功能部分实现采样、放大、模实现采样、放大、模/数转换等功能，数转换等功能，总线接口总线接口完成数据缓冲、地址译码等功能。完成数据缓冲、地址译码等功能。本讲稿第四十四页，共四十九页8路路12位位A/D转换模板的示例转换模板的示例本讲稿第四十五页，共四十九页 该过程的数据该过程的数据 采集程序框图采集程序框图:本讲稿第四十六页，共四十九页AD574A PROC NEAR AD574A PROC NEAR ；过程定义伪指令过程定义伪指令过程定义伪指令过程定义伪指令 MOV CXMO
25、V CX，8 8 ；计数器初始；计数器初始；计数器初始；计数器初始 CLD CLD ；标志位；标志位；标志位；标志位DFDF清零清零清零清零 MOV ALMOV AL，00000000B 00000000B ；MOV BUF1MOV BUF1，AL AL ；CE=0CE=0，=0=0，R/=0R/=0，0 0 C C =B=A=0=B=A=0，控制信号初始，通道号初始，控制信号初始，通道号初始，控制信号初始，通道号初始，控制信号初始，通道号初始 LEA BXLEA BX，BUF BUF ；置采样缓冲区首址；置采样缓冲区首址；置采样缓冲区首址；置采样缓冲区首址 NEXTCHNEXTCH：MOV
26、DXMOV DX，2C2H 2C2H ；8255A8255A的的的的PCPC口址口址口址口址 MOV ALMOV AL，BUF1 BUF1 OUT DX OUT DX，AL AL ；送；送；送；送PCPC口控制信号与通道号口控制信号与通道号口控制信号与通道号口控制信号与通道号 NOPNOP NOP NOP OR AL，01000000B ；CE=1 OUT DX，AL ；启动；启动A/D AND AL，10111111B ；CE=0 OUT DX，AL MOV DX，2C0H ；8255A的的PA口址口址POLLING：IN AL，DX TEST AL，80H JNZ POLLING ；测试；
27、测试本讲稿第四十七页，共四十九页 MOV ALMOV AL，BUF1BUF1 OR AL OR AL，01010000B 01010000B ；R/=1R/=1 MOV DX MOV DX，2C2H2C2H OUT DX OUT DX，AL AL ；输出；输出；输出；输出1212位转换数到位转换数到位转换数到位转换数到8255A8255A MOV DXMOV DX，2C0H 2C0H IN AL IN AL，DX DX ；读；读；读；读8255A8255A的的的的PAPA口口口口 AND ALAND AL，0FH0FH MOV AH MOV AH，AL AL ；保留；保留；保留；保留PAPA口
28、低口低口低口低4 4位（位（位（位（1212位中的高位中的高位中的高位中的高4 4位）位）位）位）INC DX INC DX ；读低；读低；读低；读低8 8位位位位 IN ALIN AL，DX DX ；读；读；读；读8255A8255A的的的的PBPB口（口（口（口（1212位中的低位中的低位中的低位中的低8 8位）位）位）位）STOSW STOSW ；1212位数存入内存，自动修改采样缓冲区指针位数存入内存，自动修改采样缓冲区指针位数存入内存，自动修改采样缓冲区指针位数存入内存，自动修改采样缓冲区指针 INC BUF1 INC BUF1 ；修改通道号；修改通道号；修改通道号；修改通道号 LO
29、OP NEXTCH LOOP NEXTCH ；采集下一个通道，直到第；采集下一个通道，直到第；采集下一个通道，直到第；采集下一个通道，直到第8 8路路路路 MOV ALMOV AL，00111000B 00111000B；CE=0CE=0，=R/=1=R/=1 MOV DX MOV DX，2C2H2C2H OUT DX OUT DX，AL AL ；不操作；不操作；不操作；不操作 RET RET AD574A ENDPAD574A ENDP本讲稿第四十八页，共四十九页思考题思考题 1.1.画图说明模拟量输入通道的功能、各组成部分及其作用？画图说明模拟量输入通道的功能、各组成部分及其作用？2.2.
30、分析说明分析说明8 8路模拟开关路模拟开关CD4051CD4051的结构原理图，结合真值表设的结构原理图，结合真值表设 计出两个计出两个CD4051CD4051扩展为一个扩展为一个8 8路双端模拟开关的示意图。路双端模拟开关的示意图。3 3什么叫周期采样？采样时间？采样周期？什么叫周期采样？采样时间？采样周期？4 4分析图分析图3-83-8采样保持器的原理电路及工作过程。采样保持器的原理电路及工作过程。5 5简述逐位逼近式、双积分式、电压简述逐位逼近式、双积分式、电压/频率式的频率式的A/DA/D转换原理。转换原理。6 6结合图结合图3-133-13与图与图3-143-14，分析说明，分析说明ADC0809ADC0809的结构组成及其引脚的结构组成及其引脚作用。作用。7 7试分析图试分析图3-153-15、图、图3-16 ADC08093-16 ADC0809接口电路的启动、转换、查询或定时读接口电路的启动、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。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 8分析说明图分析说明图3-193-19的的8 8路路1212位位A/DA/D转换模板的工作原理。转换模板的工作原理。本讲稿第四十九页，共四十九页