计算机控制过程通道和数据采集系统课件

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1、第三章第三章 过程通道和数据采集系统过程通道和数据采集系统 1 1计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统本章学习目的: 解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。 计算机和工业现场信号无法进行计算机和工业现场信号无法进行直接传递，这就需要在二者之间进行直接传递，这就需要在二者之间进行信息传递和交换的装置，这就是过程信息传递和交换的装置，这就是过程通道，是本章的主要内容之一。通道，是本章的主要内容之一。 2 2计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统本章

2、主要内容3.13.1 概述概述3.23.2 模拟量输入通道模拟量输入通道3.33.3 A/DA/D与与D/AD/A转换技术转换技术3.43.4 单片单片A/DA/D转换器及其与微处理器的接口转换器及其与微处理器的接口3.53.5 数据采集系统数据采集系统3.63.6 模拟量输出通道模拟量输出通道3.73.7 本章总结本章总结3 3计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统第一节第一节 Unit 1概述概述 Introduction4 4计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统n n过程通道：过程通道：计算机和生产过程之间设置计算机和生产过程之间设置

3、的信息传送和转换的连接通道。的信息传送和转换的连接通道。（AIAI、AOAO、DIDI、DODO）微机控制系统组成框图微机控制系统组成框图5 5计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 计算机控制系统的计算机控制系统的输入输出接口输入输出接口( (经常被称作生产过程通道经常被称作生产过程通道) )是是计算机计算机与生产过程或外部设备之间与生产过程或外部设备之间交换信息交换信息的的桥梁桥梁，也是计算机控制系统中的一，也是计算机控制系统中的一个重要组成部分。个重要组成部分。 工业过程控制的计算机，必须工业过程控制的计算机，必须实时实时地地了解了解被控对象的情况被控对象的情况

4、，并根据现场，并根据现场情况发出各种控制命令情况发出各种控制命令控制执行机构控制执行机构动作，如果没有输入输出接口的支持，动作，如果没有输入输出接口的支持，计算机控制系统就失去了实用的价值。计算机控制系统就失去了实用的价值。6 6计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统接口的必要性接口的必要性n n速度不匹配，速度不匹配，CPU速度快，外围设备速度不速度快，外围设备速度不尽相同尽相同n n数据格式不同，数据格式不同，CPU以字节为单位传送，外以字节为单位传送，外围通道字长可以是围通道字长可以是10位、位、12位等，有的要求位等，有的要求串行传送串行传送n n信号形式不匹

5、配，信号形式不匹配，CPU现在多为现在多为TTL电平标电平标准，而外围通道则有电子、机械、电磁等不准，而外围通道则有电子、机械、电磁等不同形式同形式n n必须具有电平转换、字必须具有电平转换、字/字节转换、串字节转换、串/并转并转换，为换，为CPU提供外围通道的状态信息，地址提供外围通道的状态信息，地址译码电路、中断申请、中断屏蔽电路等译码电路、中断申请、中断屏蔽电路等7 7计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 输入输出接口技术输入输出接口技术 研究微处理器和外部设研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。备之间信息交换的技术。 输入输出接口输入输出接口 简简称称“

6、接口接口”1 1、接口、通道及其功能、接口、通道及其功能 1)I 1)IO O接口电路接口电路I IO O接口电路：是主机和外围设备之间交换信息接口电路：是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。使主机和外设能够协调工作，有效的连接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完成信息交换。地完成信息交换。8 8计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 2)IO通道通道I IO O通道：也称为过程通道。它是计算机和控制通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。对象之间信息传送和变换的连接通道。信号的输入通路信号的输入通路: 模拟量、数字量模拟量、数字

7、量模拟量、数字量模拟量、数字量信号的输出通路信号的输出通路: 模拟量、数字量模拟量、数字量模拟量、数字量模拟量、数字量输入和输出通路的主要功能输入和输出通路的主要功能 实现模拟量与数字量之间的信号变换实现模拟量与数字量之间的信号变换在微型机和生产过程之间起到了在微型机和生产过程之间起到了在微型机和生产过程之间起到了在微型机和生产过程之间起到了纽带纽带纽带纽带和和和和桥梁桥梁桥梁桥梁的作用的作用的作用的作用 。9 9计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统第二节第二节 Unit 2模拟量输入通道模拟量输入通道 Analog Input Interface1010计算机控制

8、过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统本节主要内容本节主要内容n n模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成n n信号处理信号处理n n多路模拟转换开关多路模拟转换开关n n可编程序放大器可编程序放大器n n采样与保持采样与保持n nA/D转换器转换器n n控制电路控制电路1111计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 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是把被控对象的过过程参数程参数如温度、压力、流量、液位、重量等如温度、压力、流量、液位、重量等模模拟量信号拟量信号转换成计算机可以接收的转换成计算机可以接收的数字量信号数字量

9、信号。 结构组成如图所示，来自于工业现场传感结构组成如图所示，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，然后经多路模拟开关，分时切换到后号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模级进行前置放大、采样保持和模/ /数转换，通数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而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。完成对过程参数的巡回检测任务。1212计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 模拟量输入通道的模拟量输入通道的一般组成一般组成 模拟输入通道一

10、般由模拟输入通道一般由模拟输入通道一般由模拟输入通道一般由信号处理信号处理信号处理信号处理、多路转换器多路转换器多路转换器多路转换器 、放大器放大器放大器放大器、采样保持器采样保持器采样保持器采样保持器、A/DA/DA/DA/D转换器转换器转换器转换器和和和和控制器控制器控制器控制器组组组组成成成成 A/D通道或通道或AI通道通道1313计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统1.信号处理信号处理：是整个控制系统中很重要的一环，是整个控制系统中很重要的一环，关系到整个系统的精度。关系到整个系统的精度。 信号处理主要包括：信号处理主要包括：小信号放大、信号滤波、小信号放大

11、、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流偿、电流/ /电压电平转换电压电平转换等等2.多路转换器多路转换器：由于计算机的工作速度远远快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，但计算机在某一时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，必须通刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过过多路模拟开关多路模拟开关实现实现多选一多选一的操作，将多路的操作，将多路输入信号依次地切换输入信号依次地切换1414计算机控制过程通道和数据采集系统计算

12、机控制过程通道和数据采集系统 目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不目前，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。如集成电路芯片同的功能和用途。如集成电路芯片同的功能和用途。如集成电路芯片同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(CD4051(CD4051(CD4051(双向、单端、双向、单端、双向、单端、双向、单端、8 8 8 8路路路路) ) ) )、CD4052(CD4052(CD4052(CD4052(单向、双端、单向、双端、单向、双端、单向、双

13、端、4 4 4 4路路路路) ) ) )、AD7506(AD7506(AD7506(AD7506(单向、单端、单向、单端、单向、单端、单向、单端、16161616路路路路) ) ) )等。等。等。等。 多个信号要共用一个模拟通道输入微型机，需要多个信号要共用一个模拟通道输入微型机，需要多路转换器多路转换器，这种方式主要适用于，这种方式主要适用于 A/D A/D转换芯片比较转换芯片比较昂贵，信号路数比较多的情况，有些昂贵，信号路数比较多的情况，有些A/DA/D转换芯片带有转换芯片带有多路转换器：如多路转换器：如 ADC0809 ADC0809、ADC0816ADC0816。多路转换器多路转换器实

14、际实际上就是上就是多路开关多路开关。 所谓所谓所谓所谓双向，双向，双向，双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完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；而成一到多的切换；而成一到多的切换；而成一到多的切换；而单向单向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。则只能完成多到一的切换。则只能完成多到一的切换。双端双端双端双端是指芯是指芯是指芯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，以满片内的一对开关同时

15、动作，从而完成差动输入信号的切换，以满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。足抑制共模干扰的需要。足抑制共模干扰的需要。足抑制共模干扰的需要。1515计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 现以常用的现以常用的现以常用的现以常用的CD4051CD4051为例，为例，为例，为例，8 8路模拟开关的结构原路模拟开关的结构原路模拟开关的结构原路模拟开关的结构原理如图所示。理如图所示。理如图所示。理如图所示。CD4051CD4051由由由由电平转换电平转换电平转换电平转换、译码驱动译码驱动译码驱动译码驱动及及及及开开开开关电路关电路关电

16、路关电路三部分三部分三部分三部分组成。当禁止端为组成。当禁止端为组成。当禁止端为组成。当禁止端为“1”“1”时，前后级时，前后级时，前后级时，前后级通道断开，即通道断开，即通道断开，即通道断开，即S0S7S0S7端与端与端与端与SmSm端不可能接通；当为端不可能接通；当为端不可能接通；当为端不可能接通；当为“0”“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端端C C、B B、A A的数值，就可选通的数值，就可选通的数值，就可选通的数值，就可选通8 8个通道个通道个通道个通道S0

17、S7S0S7中的一中的一中的一中的一路。比如：当路。比如：当路。比如：当路。比如：当C C、B B、A=000A=000时，通道时，通道时，通道时，通道S0S0选通；当选通；当选通；当选通；当C C、B B、A=001A=001时，通道时，通道时，通道时，通道S1S1通；通；通；通；当当当当C C、B B、A = 111A = 111时，时，时，时，通道通道通道通道S7S7选通。其真值表如表所示。选通。其真值表如表所示。选通。其真值表如表所示。选通。其真值表如表所示。1616计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 CD4051CD4051结构原理图结构原理图 由由由由

18、电平转换、译码驱动电平转换、译码驱动电平转换、译码驱动电平转换、译码驱动及及及及开关电路开关电路开关电路开关电路三部分三部分三部分三部分组成组成组成组成1717计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统1818计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统扩展电路扩展电路n n当采样通道多至当采样通道多至当采样通道多至当采样通道多至16161616路时，可直接选用路时，可直接选用路时，可直接选用路时，可直接选用16161616路模拟开关的芯路模拟开关的芯路模拟开关的芯路模拟开关的芯片，也可以将片，也可以将片，也可以将片，也可以将2 2 2 2个个个个8

19、8 8 8路路路路4051405140514051并联起来，组成并联起来，组成并联起来，组成并联起来，组成1 1 1 1个单端的个单端的个单端的个单端的16161616路开关。路开关。路开关。路开关。n n 例题例题例题例题试用两个试用两个试用两个试用两个CD4051CD4051扩展成一个扩展成一个扩展成一个扩展成一个116116路的模拟开路的模拟开路的模拟开路的模拟开关。关。关。关。n n分析：图示给出了两个分析：图示给出了两个分析：图示给出了两个分析：图示给出了两个CD4051CD4051CD4051CD4051扩展为扩展为扩展为扩展为116116116116路模拟开关路模拟开关路模拟开关

20、路模拟开关的电路。数据总线的电路。数据总线的电路。数据总线的电路。数据总线D3D3D3D3D0D0D0D0作为通道选择信号，作为通道选择信号，作为通道选择信号，作为通道选择信号，D3D3D3D3 用来用来用来用来控制两个多路开关的禁止端。当控制两个多路开关的禁止端。当控制两个多路开关的禁止端。当控制两个多路开关的禁止端。当D3=0D3=0D3=0D3=0时，选中上面的多时，选中上面的多时，选中上面的多时，选中上面的多路开关，此时当路开关，此时当路开关，此时当路开关，此时当D2D2D2D2、D1D1D1D1、D0D0D0D0从从从从000000000000变为变为变为变为111111111111

21、，则依次选通，则依次选通，则依次选通，则依次选通S0S0S0S0S7S7S7S7通道；当通道；当通道；当通道；当D3=1D3=1D3=1D3=1时，经反相器变成低电平，选中下时，经反相器变成低电平，选中下时，经反相器变成低电平，选中下时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当面的多路开关，此时当面的多路开关，此时当面的多路开关，此时当D2D2D2D2、D1D1D1D1、D0D0D0D0从从从从000000000000变为变为变为变为111111111111，则依，则依，则依，则依次选通次选通次选通次选通S8S8S8S8S15S15S15S15通道。如此，组成一个通道。如此，组成一个通道

22、。如此，组成一个通道。如此，组成一个16161616路的模拟开关。路的模拟开关。路的模拟开关。路的模拟开关。1919计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 多路模拟开关的扩展电路多路模拟开关的扩展电路多路模拟开关的扩展电路多路模拟开关的扩展电路2020计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统3.可编程序放大器：可编程序放大器：当多路输入的信号源电平相当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，用同一增益的放大器去放大时，差较悬殊时，用同一增益的放大器去放大时，就有可能使低电平信号测量精度降低，而高电就有可能使低电平信号测量精度降低，而高电平信号则可能超

23、出平信号则可能超出A/DA/D转换器的输入范围。可转换器的输入范围。可编程序放大器是一种通用性比较强的高级放大编程序放大器是一种通用性比较强的高级放大器，根据需要用程序来改变放大系数。器，根据需要用程序来改变放大系数。常用可编程放大器的两种形式常用可编程放大器的两种形式1 1 1 1）放大器并联反馈电阻）放大器并联反馈电阻）放大器并联反馈电阻）放大器并联反馈电阻 通过调节反馈电阻通过调节反馈电阻通过调节反馈电阻通过调节反馈电阻R R R R来改变增益来改变增益来改变增益来改变增益, , , ,原理参见教材原理参见教材原理参见教材原理参见教材48484848页页页页2 2 2 2）采用增益可调的

24、仪表放大器：如）采用增益可调的仪表放大器：如）采用增益可调的仪表放大器：如）采用增益可调的仪表放大器：如LH0086LH0086LH0086LH0086、LH0084LH0084LH0084LH0084、AM-542 AM-543AM-542 AM-543AM-542 AM-543AM-542 AM-543，原理参见教材第，原理参见教材第，原理参见教材第，原理参见教材第49494949、50505050页页页页 优点：共模抑制能力强，输入阻抗高，漂移低优点：共模抑制能力强，输入阻抗高，漂移低优点：共模抑制能力强，输入阻抗高，漂移低优点：共模抑制能力强，输入阻抗高，漂移低采用可编程序放大器，可通

25、过程序来调节放大倍数，使采用可编程序放大器，可通过程序来调节放大倍数，使A/D转转信号满量程达到均一化，以提高多路数据采集的精度。信号满量程达到均一化，以提高多路数据采集的精度。2121计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 4.采样与保持采样与保持 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，而而A/DA/D转转换换都都要要花花一一定定的的时时间间才才能能完完成成转转换换过过程程。这这样样就就会会造造成成一一定定的的误误差差。因因为为转转换换所所得得到到

26、的的数数字字量量不不能能真真正正代代表表发发出出转转换换命命令令的的那那一一瞬瞬间间所所要要转转换换的的电电平平，用用采采样样保保持持器器对对变变化化的的模模拟拟信信号号进进行行快快速速“采采样样”，而而在在转转换换过过程程中中“保保持持”该该信信号号。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持器器，而而当当输输入入的的模模拟信号变化很缓慢，不用采样拟信号变化很缓慢，不用采样- -保持器。保持器。 v 数据采样定理（第数据采样定理（第1 1章内容）章内容） v 采样保持器采样保持器 （原理图见教材（原理图见教材2727页）页）2222计算机控制过程通道和

27、数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 零阶集成采样保持器零阶集成采样保持器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常用的零阶集成采样保持器常用的零阶集成采样保持器常用的零阶集成采样保持器有有有有AD582AD582AD582AD582、LF198/298/398LF198/298/398LF198/298/398LF198/298/398等，其内部结构和引脚如等，其内部结构和引脚如等，其内部结构和引脚如等，其内部结构和引脚如图图图图(a)(a)(a)(a)、(b)(b)(b)(b)所示。这里，用所示。这里，用所示。这里，用所示。这里，用TTLTTLTTLTTL逻辑

28、电平控制采样和逻辑电平控制采样和逻辑电平控制采样和逻辑电平控制采样和保持状态，如保持状态，如保持状态，如保持状态，如AD582AD582AD582AD582的采样电平为的采样电平为的采样电平为的采样电平为“0”“0”“0”“0”，保持电平，保持电平，保持电平，保持电平为为为为“1”“1”“1”“1”，而，而，而，而LF198LF198LF198LF198的则相反。的则相反。的则相反。的则相反。集成采样保持器集成采样保持器 2323计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统n n 在在A/DA/D通道中，采样保持器的采样和通道中，采样保持器的采样和保持电平应与后级的保持电平

29、应与后级的A/DA/D转换相配合，转换相配合，该电平信号既可以由其它控制电路产该电平信号既可以由其它控制电路产生，也可以由生，也可以由A/DA/D转换器直接提供。转换器直接提供。n n 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，而一旦进入保持期间，则转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动立即启动A/DA/D转换器，从而保证转换器，从而保证A/D A/D 转转换时的模拟输入电压恒定，以确保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2424计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统n技术指标：精度技术指标：精度0.01%n

30、采集时间：采集时间：5sn输入范围：输入范围：10 vn增益：增益： 1.00n孔径时间：孔径时间：50sn电源：电源：15Vn常用芯片：常用芯片：LF198/LF298/LF398n高速采样高速采样保持放大器保持放大器 : H0023/LH0043C/LH0053选择采样选择采样选择采样选择采样保持器时，主要应考虑如下因素：保持器时，主要应考虑如下因素：保持器时，主要应考虑如下因素：保持器时，主要应考虑如下因素： 输入信号变化率，有时还考虑多路转换器的切输入信号变化率，有时还考虑多路转换器的切换速度换速度确定时间应为多少才不会超过误差要求确定时间应为多少才不会超过误差要求采样保持器的性能指标

31、2525计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统第三节第三节 Unit 3A/D与与D/A转换技术转换技术 2626计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统本节主要内容本节主要内容n nD/AD/A转换器基本原理及器件转换器基本原理及器件n nA/DA/D转换器基本原理及器件转换器基本原理及器件n nD/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标n nA/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2727计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 对对于于低低、中中速速A/DA/D转转换换器器，常常用用的的转转换

32、换方方法法有有计计数数比较式、双斜率积分式和逐次逼近式三种（比较式、双斜率积分式和逐次逼近式三种（P38P38）：）：计数计数比较式：简单、价格便宜，但速度慢，基本淘汰比较式：简单、价格便宜，但速度慢，基本淘汰双斜率积分式：精度高，抗干扰能力强。但速度较慢。双斜率积分式：精度高，抗干扰能力强。但速度较慢。逐次逼近式：很好的兼顾了速度和精度，广泛应用。逐次逼近式：很好的兼顾了速度和精度，广泛应用。 D/AD/A转换器是把输入的数字量转换成模拟信号的转换器是把输入的数字量转换成模拟信号的器件，器件，有权电阻式有权电阻式和和R-2RR-2R电阻网络式电阻网络式二种。二种。 对于我们搞微机应用的人来讲

33、关键在于正确对于我们搞微机应用的人来讲关键在于正确使用。所以更重要的是掌握主要技术指标、原使用。所以更重要的是掌握主要技术指标、原理。理。 2828计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统3.1.1 D/A转换器原理及器件转换器原理及器件（1）n nD/A转换器工作原理转换器工作原理 输入的数字量是二进制代码按数位的组输入的数字量是二进制代码按数位的组合，如任一个合，如任一个8 8位数位数DATA= DDATA= D0 02 20 0+ D+ D1 12 21 1+ D+ D2 22 22 2+ D+ D3 32 23 3+ D+ D4 42 24 4+ D+ D5 5

34、2 25 5+ + DD6 62 26 6+ D+ D7 72 27 7 其中，其中，D Di i = 0= 0或或1 1， 2 20 0，2 21 1，2 27 7分别分别为对应数位的权码。为对应数位的权码。D/AD/A转换要将数字量转换转换要将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其成模拟量，必须先把每一位代码按其“权权”的的大小转换成相应的模拟量，然后将各模拟分量大小转换成相应的模拟量，然后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量。相加，其总和就是与数字量相应的模拟量。2929计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统3.1.1 D/A转换器原理及器件转换

35、器原理及器件（2）n nD/A转换器的主要组成转换器的主要组成基准电压基准电压基准电压基准电压VVREFREFT T型（型（型（型（R-2RR-2R）电阻网络）电阻网络）电阻网络）电阻网络位切换开关位切换开关位切换开关位切换开关BSBSi i （i i=0=0，1 1，n-1n-1）运算放大器运算放大器运算放大器运算放大器AAn n输出电压输出电压VVOUTOUT与输入二进制数与输入二进制数DD0 0 D Dn-1n-1的关系的关系 VVOUT OUT = = VVREFREF（DD0 02 20 0+ D+ D1 12 21 1+ D+ D2 22 22 2+ + D+ + Dn-1n-12

36、 2n-1n-1）/ 2/ 2n n3030计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统3.1.1 D/A转换器原理及器件转换器原理及器件（3）n nT型网络组成的型网络组成的D/A转换器原理图（转换器原理图（P20）VVOUT OUT = = VVREFREF（DD0 02 20 0+ D+ D1 12 21 1+ D+ D2 22 22 2+ + D+ + Dn-1n-12 2n-1n-1）/ 2/ 2n n3131计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 假设假设D3D3、D2D2、D1D1、D0D0全为全为1 1，则，则BS3BS3、BS2B

37、S2、BS1BS1、BS0BS0全部与全部与“1”“1”端相连。根据电流定律，有：端相连。根据电流定律，有： 由于开关由于开关 BS BS3 3 - BS - BS0 0 的状态是受要转换的二进制数的状态是受要转换的二进制数 D3D3、D2D2、D1D1、D0 D0 控制的，并不一定全是控制的，并不一定全是“1”“1”。因此，可。因此，可以得到通式：以得到通式：3232计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统考虑到放大器反相端为虚地，故：考虑到放大器反相端为虚地，故：选取选取 R Rfb fb = = R R ，可以得到：，可以得到： 对于对于 n n 位位 D/A D

38、/A 转换器，它的输出电压转换器，它的输出电压V VOUTOUT与输入二进与输入二进制数制数B( DB( Dn-1 n-1 D D0 0) ) 的关系式可写成：的关系式可写成：v 结结论论：由由上上述述推推导导可可见见，输输出出电电压压除除了了与与输输入入的的二二进进制制数数有有关关，还还与与运运算算放放大大器器的的反反馈馈电电阻阻 R Rfbfb以以及及基基准准电电压压V VREFREF有关。有关。3333计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统3.1.2 D/A转换器芯片介绍转换器芯片介绍n nD/A转换器的种类转换器的种类按数字量输入方式，有按数字量输入方式，有按

39、数字量输入方式，有按数字量输入方式，有n n并行输入和串行输入并行输入和串行输入并行输入和串行输入并行输入和串行输入按模拟量输出方式按模拟量输出方式按模拟量输出方式按模拟量输出方式n n电流输出和电压输出电流输出和电压输出电流输出和电压输出电流输出和电压输出按按按按D/AD/A转换的分辩率转换的分辩率转换的分辩率转换的分辩率n n低分辩率、中分辩率和高分辩率低分辩率、中分辩率和高分辩率低分辩率、中分辩率和高分辩率低分辩率、中分辩率和高分辩率3434计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统8位转换器芯片位转换器芯片DAC0832（1）n n主要组成部分主要组成部分8位输入

40、寄存器位输入寄存器8位位DAC寄存器寄存器采用采用T型电阻网络的型电阻网络的8位位D/A转换器转换器以及输入控制电路以及输入控制电路n n分辨率为分辨率为8位，电流输出，稳定时间位，电流输出，稳定时间1微秒微秒(s)，20脚双列直插式封装脚双列直插式封装3535计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统8位转换器芯片DAC0832（2）内部原理框图内部原理框图3636计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 DAC0832的的 原原 理理 框框 图图 及及 引引 脚脚 如如 图图 所所 示示 。DAC0832主主要要由由8 8位位输输入入寄寄存存器

41、器、8 8位位DAC寄寄存存器器、8 8位位D/A转转换换器器以以及及输输入入控控制制电电路路四四部部分分组组成。成。 8 8位位输输入入寄寄存存器器用用于于存存放放主主机机送送来来的的数数字字量量，使使输入数字量得到缓冲和锁存；输入数字量得到缓冲和锁存； 8 8位位DACDAC寄存器寄存器用于存放待转换的数字量；用于存放待转换的数字量； 8 8位位D/AD/A转转换换器器输输出出与与数数字字量量成成正正比比的的模模拟拟电电流流；由由与与门门、非非与与门门组组成成的的输输入入控控制制电电路路来来控控制制2 2个个寄存器的选通或锁存状态。寄存器的选通或锁存状态。3737计算机控制过程通道和数据采

42、集系统计算机控制过程通道和数据采集系统8位转换器芯片DAC0832（3）n n8位转换器芯片位转换器芯片DAC0832引脚主要功能引脚主要功能 DIDI0 0DIDI7 7 ：数据输入线数据输入线数据输入线数据输入线 ILEILE、CSCS和和和和WRWR1 1同时有效时，输入寄存器的输出端同时有效时，输入寄存器的输出端同时有效时，输入寄存器的输出端同时有效时，输入寄存器的输出端QQ跟跟跟跟随输入端随输入端随输入端随输入端DD的电平变化而变化；当的电平变化而变化；当的电平变化而变化；当的电平变化而变化；当LELE1 1端为低电平端为低电平端为低电平端为低电平“0”“0”时，原时，原时，原时，原

43、DD端输入数据被锁存于端输入数据被锁存于端输入数据被锁存于端输入数据被锁存于QQ端，端，端，端，DD端电平的端电平的端电平的端电平的变化不影响变化不影响变化不影响变化不影响QQ端端端端当当当当WRWR2 2和和和和XFERXFER同时有效时，同时有效时，同时有效时，同时有效时，DACDAC寄存器寄存器寄存器寄存器LE2LE2端为高端为高端为高端为高电平电平电平电平“1”“1”，此时将第一级位输入寄存器，此时将第一级位输入寄存器，此时将第一级位输入寄存器，此时将第一级位输入寄存器QQ端的状端的状端的状端的状态锁存到第二级态锁存到第二级态锁存到第二级态锁存到第二级8 8位位位位DACDAC寄存器中

44、，以便进行寄存器中，以便进行寄存器中，以便进行寄存器中，以便进行D/AD/A转转转转换。换。换。换。转换原理参见转换原理参见转换原理参见转换原理参见P23P233838计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统12位转换器芯片位转换器芯片DAC1210（1）n n与与与与8 8位位位位DAC0832DAC0832的两点区别的两点区别的两点区别的两点区别 分辨率为分辨率为分辨率为分辨率为1212位，有位，有位，有位，有1212条数据输入线（条数据输入线（条数据输入线（条数据输入线（ DIDI0 0DIDI1111 ），采用），采用），采用），采用2424脚双立直插式封装。脚

45、双立直插式封装。脚双立直插式封装。脚双立直插式封装。 可用字节控制信号可用字节控制信号可用字节控制信号可用字节控制信号BYTE1/2BYTE1/2控制数据的输入控制数据的输入控制数据的输入控制数据的输入n n该信号为高电平时，该信号为高电平时，该信号为高电平时，该信号为高电平时，1212位数据（位数据（位数据（位数据（DIDI0DI110DI11）同时存入第一）同时存入第一）同时存入第一）同时存入第一级的两个输入寄存器；级的两个输入寄存器；级的两个输入寄存器；级的两个输入寄存器；n n当该信号为低电平时，只将低当该信号为低电平时，只将低当该信号为低电平时，只将低当该信号为低电平时，只将低4 4

46、位数据位数据位数据位数据（DIDI0DI30DI3）存入低存入低存入低存入低4 4位输入寄存器。位输入寄存器。位输入寄存器。位输入寄存器。 DAC1210-DAC1210-是是是是一一一一个个个个12121212位位位位D/AD/AD/AD/A转转转转换换换换器器器器，电电电电流流流流输输输输出出出出方方方方式式式式 ， 其其其其 结结结结 构构构构 原原原原 理理理理 与与与与 控控控控 制制制制 信信信信 号号号号 功功功功 能能能能 基基基基 本本本本 类类类类 似似似似 于于于于 DAC0832DAC0832。由由由由于于于于它它它它比比比比 DAC0832DAC0832多多多多了了了

47、了4 4 4 4条条条条数数数数据据据据输输输输入入入入线线线线，故故故故有有有有24242424条条条条引引引引脚脚脚脚，DAC DAC 12101210内内内内部部部部原原原原理理理理框框框框图图图图如如如如图图图图所所所所示示示示，其同系列芯片其同系列芯片其同系列芯片其同系列芯片DAC1208DAC1208、DAC1209DAC1209可以相互代换。可以相互代换。可以相互代换。可以相互代换。3939计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统12位转换器芯片DAC1210（2）n nDAC1210原理框图原理框图4040计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通

48、道和数据采集系统DAC1210DAC1210内部有三个寄存器：内部有三个寄存器： 一一一一个个个个8 8 8 8位位位位输输输输入入入入寄寄寄寄存存存存器器器器，用用用用于于于于存存存存放放放放12121212位位位位数数数数字字字字量量量量中中中中的的的的高高高高8 8 8 8位位位位DIDI1111-DI-DI4 4；一一一一个个个个4 4 4 4位位位位输输输输入入入入寄寄寄寄存存存存器器器器，用用用用于于于于存存存存放放放放12121212位数字量中的低位数字量中的低位数字量中的低位数字量中的低4 4 4 4位位位位DIDI3 3 -DI0 -DI0； 一一一一个个个个12121212

49、位位位位DACDACDACDAC寄寄寄寄存存存存器器器器，存存存存放放放放上上上上述述述述两两两两个个个个输输输输入入入入寄寄寄寄存存存存器器器器送来的送来的送来的送来的12121212位数字量；位数字量；位数字量；位数字量；12121212位位位位D/AD/AD/AD/A转换器用于完成转换器用于完成转换器用于完成转换器用于完成12121212位数字量的转换。位数字量的转换。位数字量的转换。位数字量的转换。 由由由由与与与与门门门门、非非非非与与与与门门门门组组组组成成成成的的的的输输输输入入入入控控控控制制制制电电电电路路路路来来来来控控控控制制制制3 3 3 3个个个个寄寄寄寄存存存存器器

50、器器的的的的选选选选通通通通或或或或锁锁锁锁存存存存状状状状态态态态。其其其其中中中中引引引引脚脚脚脚（片片片片选选选选信信信信号号号号、低低低低 电电电电 平平平平 有有有有 效效效效 ） 、 （ 写写写写 信信信信 号号号号 、 低低低低 电电电电 平平平平 有有有有 效效效效 ） 和和和和BYTE1/BYTE1/BYTE1/BYTE1/（字字字字节节节节控控控控制制制制信信信信号号号号）的的的的组组组组合合合合，用用用用来来来来控控控控制制制制 8 8 8 8 位位位位输入寄存器和输入寄存器和输入寄存器和输入寄存器和 4 4 4 4 位输入寄存器。位输入寄存器。位输入寄存器。位输入寄存器

51、。4141计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统串行输入串行输入D/A转换器转换器AD7543（1）n nAD7543是是CMOS单片串行输入单片串行输入D/A转转换电路，其数字量输入端仅有一条引线，换电路，其数字量输入端仅有一条引线，12位数字量由高位到低位逐次一位位位数字量由高位到低位逐次一位位输入输入n nAD7543的组成的组成一个一个一个一个1212位串行输入并行输出移位寄存器位串行输入并行输出移位寄存器位串行输入并行输出移位寄存器位串行输入并行输出移位寄存器1212位输入寄存器位输入寄存器位输入寄存器位输入寄存器1212位位位位D/AD/A转换电路转换电路

52、转换电路转换电路4242计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统串行输入D/A转换器AD7543（2）AD7543原理框图原理框图VREFIOUT2IOUT1RFBAGNDDGNDVCCSRI12位位D/A转换转换器器12位位DAC寄存寄存器器12位位串行串行输入输入移位寄移位寄存器存器STB4STB3STB2STB1LD1LD2CLR43计算机控制过程通道和数据采集系统 3.2.1 A/D转换器原理及器件逐位逼近式逐位逼近式A/D的工作原理的工作原理从从SAR输出的数码送至输出的数码送至D/A，其输出电压，其输出电压Vf与模拟量输入与模拟量输入Vin 比较后，再控制比

53、较后，再控制SAR的数的数字逼近字逼近Vin模拟量输入模拟量输入数字量数字量输出输出寄存器寄存器D/AD/A转换器转换器转换器转换器逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器（SARSAR）控制时序控制时序和逻辑电路和逻辑电路比较器比较器+Vf（反馈电压）（反馈电压） 逐位逼近式逐位逼近式A/D转换器原理框图转换器原理框图 D0D73.2.1.1 3.2.1.1 逐位逼近法（逐位逼近法（逐位逼近法（逐位逼近法（1 1）44计算机控制过程通道和数据采集系统 逐位逼近法（2）理想的理想的2位位A/D转换器示意图转换器示意图VREF+VREF1D1D0来自来自SAR01001S00S0

54、1S02S03S10S11V0VINVfD/A转换的输转换的输出电压出电压Vf大大小取决于正、小取决于正、负基准电压负基准电压源（源（VREF+，VREF-）和开）和开关树中各位关树中各位开关开关Sij的状的状态态(来自于来自于SAR）45计算机控制过程通道和数据采集系统 逐位逼近法逐位逼近法（3）n n对一个对一个n位的逐位逼近式位的逐位逼近式A/D 转换输出转换输出的二进制数字量的二进制数字量B与输入模拟电压与输入模拟电压VIN、正基准电压正基准电压VREF+、负基准电压、负基准电压VREF-的关系为的关系为n n设设A/D转换器为位，转换器为位，VREF+ = 5.00V，VREF- =

55、 0V，则，则VIN为为0V、2.5V、5.0V对应的数字量分别为对应的数字量分别为00H、7FH、0FFH。4646计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 3.2.2 逐位逼近式A/D芯片介绍n n逐位逼近式逐位逼近式A/D芯片品种很多，芯片品种很多，可满足各种需要可满足各种需要n n8位位A/D转换器芯片转换器芯片ADC0809n n12位位A/D转换器芯片转换器芯片AD16744747计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 3.2.2 双积分式A/D转换器（1）n n双积分式双积分式A/D转换器特点转换器特点是一种间接是一种间接是一种间

56、接是一种间接A/DA/D转换技术。转换技术。转换技术。转换技术。n n模拟电压先转换成积分时间，然后转换成模拟电压先转换成积分时间，然后转换成模拟电压先转换成积分时间，然后转换成模拟电压先转换成积分时间，然后转换成计数脉冲数，最后将代表模拟输入电压大计数脉冲数，最后将代表模拟输入电压大计数脉冲数，最后将代表模拟输入电压大计数脉冲数，最后将代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成小的脉冲数转换成小的脉冲数转换成小的脉冲数转换成BCDBCD码输出。码输出。码输出。码输出。n n转换时间较长，一般需要几十毫秒。转换时间较长，一般需要几十毫秒。转换时间较长，一般需要几十毫秒。转换时间较长，一般需要几十毫秒。

57、器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控制系统或精度要求较高的地方。制系统或精度要求较高的地方。制系统或精度要求较高的地方。制系统或精度要求较高的地方。4848计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 3.2.2 双积分式A/D转换器（2）n n双积分式双积分式A/D转换器的工作原理转换器的工作原理先对模拟输入

58、电压先对模拟输入电压先对模拟输入电压先对模拟输入电压VVinin进行固定时间进行固定时间进行固定时间进行固定时间t1t1的正的正的正的正向积分，积分器的输出电压上升的速率与输向积分，积分器的输出电压上升的速率与输向积分，积分器的输出电压上升的速率与输向积分，积分器的输出电压上升的速率与输入电压入电压入电压入电压VVinin成正比成正比成正比成正比当固定时间当固定时间当固定时间当固定时间t1t1到后，计数器清零，对积分器到后，计数器清零，对积分器到后，计数器清零，对积分器到后，计数器清零，对积分器进行反向积分，并自动按一定的频率进行计进行反向积分，并自动按一定的频率进行计进行反向积分，并自动按一

59、定的频率进行计进行反向积分，并自动按一定的频率进行计数。积分器的输出电压，从正向积分结束时数。积分器的输出电压，从正向积分结束时数。积分器的输出电压，从正向积分结束时数。积分器的输出电压，从正向积分结束时的的的的VVI I开始以恒定的斜率下降，当反向积分使开始以恒定的斜率下降，当反向积分使开始以恒定的斜率下降，当反向积分使开始以恒定的斜率下降，当反向积分使其积分器输出为零时，关闭计数器计数，完其积分器输出为零时，关闭计数器计数，完其积分器输出为零时，关闭计数器计数，完其积分器输出为零时，关闭计数器计数，完成一次成一次成一次成一次A/DA/D转换工作。转换工作。转换工作。转换工作。4949计算机

60、控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 3.2.2 双积分式A/D转换器（3）双积分式双积分式A/D转换器示意图转换器示意图控制逻辑控制逻辑计数器计数器时钟时钟+比较器比较器+积分器积分器123积分电容积分电容VOVIK数据输出数据输出VinVREF （基准电压）（基准电压）双双积积分分式式A/D转转换换的的原原理框图理框图t1VO t2tAVO t1t3tBtt1VI积分输出积分输出 t2t3AB双积分双积分A/D的工作示意图的工作示意图50计算机控制过程通道和数据采集系统 3.2.2 双积分式双积分式A/D转换器转换器（4）n n常用双积分式常用双积分式A/D转换器芯片

61、介绍转换器芯片介绍n nMC14433n n其它芯片其它芯片5151计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统3.3 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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，化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如如8 8位、位、1010位、位、1212位等。分辨率为位等。分辨率为n n，表示它可以，表示它可以对满刻度的对满刻度的1/21/2n n的变

62、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 引起输出从一个数码增加（或减少）到下一个引起输出从一个数码增加（或减少）到下一个相邻数码的最小输入变化量相邻数码的最小输入变化量5252计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统2.2.量程量程量程量程：即所能转换的电压范围，一般片子有即所能转换的电压范围，一般片子有即所能转换的电压范围，一般片子有即所能转换的电压范围，一般片子有5V, 10V 5V, 10V 5V, 10V 5V, 10V 切记：不能超过片子电压电源。切记：不能超过片子电压电源。切记：不能超过片子电压电源

63、。切记：不能超过片子电压电源。 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。 所谓所谓绝对误差绝对误差，是指对应于一个给定数字量，是指对应于一个给定数字量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。 相对误差相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对用百分数来表示，对A/DA/D转换器常用最低有效值

64、的转换器常用最低有效值的位数位数LSBLSB（Least Significant Bit)Least Significant Bit)）来表示，）来表示，1LSB = 11LSB = 1 2 2n n 。3.3.精度精度精度精度：5353计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统注意：注意：精度精度和和分辨率分辨率是两个不同的概念。是两个不同的概念。精度是指转换后所得相对实际结果的准精度是指转换后所得相对实际结果的准确度确度。分辨率分辨率是指能对转换结果发生影响的最是指能对转换结果发生影响的最小输入量。小输入量。 一般情况下，二者相等，但受温度一般情况下，二者相等，但受温

65、度漂移，线性不良、噪声影响，有时二者漂移，线性不良、噪声影响，有时二者不等。不等。如如ADC1211 12ADC1211 12位分辨率位分辨率 10 10位位精度精度5454计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统5.输出逻辑电平输出逻辑电平：多为与TTL电平配合，有些与CMOS配合6.工作温度范围（工作温度范围（略）7.对基准电源的要求：对基准电源的要求：基准电源对精度产生基准电源对精度产生影响，可外加精密电源影响，可外加精密电源4. 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。如逐位逼近式间。如

66、逐位逼近式A/D A/D 转换器的转换时间为微秒级，转换器的转换时间为微秒级，双积分式双积分式A/DA/D转换器的转换时间为毫秒级。转换器的转换时间为毫秒级。5555计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 D/AD/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用参数，也是选用D/AD/A芯片型号的依据。主要性能芯片型号的依据。主要性能指标有：指标有： （1 1）分辨率）分辨率 （2 2）转换精度）转换精度 （3 3）稳定时间）稳定时间 （4 4）输出形式）输出形式 （5 5）输入编码）输入编码3.4 D/A转换器的主要技术指标转换

67、器的主要技术指标5656计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 分分分分辨辨辨辨率率率率-是是是是指指指指 D/A D/A D/A D/A 转转转转换换换换器器器器能能能能分分分分辨辨辨辨的的的的最最最最小小小小输输输输出出出出模模模模拟拟拟拟增增增增量量量量，即即即即当当当当输输输输入入入入数数数数字字字字发发发发生生生生单单单单位位位位数数数数码码码码变变变变化化化化时时时时所所所所对对对对应应应应输输输输出出出出模模模模拟拟拟拟量量量量的的的的变变变变化化化化量量量量，它它它它取取取取决决决决于于于于能能能能转转转转换换换换的的的的二二二二进进进进制制制制位位位

68、位数数数数，数数数数字字字字量量量量位位位位数数数数越越越越多多多多，分分分分辨辨辨辨率率率率也也也也就就就就越越越越高高高高 。其其其其分分分分辨辨辨辨率与二进制位数率与二进制位数率与二进制位数率与二进制位数n n n n呈下列关系：呈下列关系：呈下列关系：呈下列关系：分辨率分辨率 = =V VREF REF / 2/ 2n n1.分辨率：分辨率：5757计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统2.2.转换精度转换精度 转转换换精精度度-是是指指转转换换后后所所得得的的实实际际值值和和理理论论值值的的接接近近程程度度。它它和和分分辨辨率率是是两两个个不不同同的的概概念

69、念。例例如如，满满量量程程时时的的理理论论输输出出值值为为10V10V，实实际际输输出出值值是是在在9.99V10.01V9.99V10.01V之之间间，其其转转换换精精度度为为10mV10mV。对对于于分分辨辨率率很很高高的的D/AD/A转转换换器器并并不不一定具有很高的精度。一定具有很高的精度。5858计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 稳稳定定时时间间-是是描描述述D/AD/A转转换换速速度度快快慢慢的的一一个个参参数数，指指从从输输入入数数字字量量变变化化到到输输出出模模拟拟量量达达到到终终值值误误差差1/2LSB1/2LSB时时所所需需的的时时间间。显显

70、然然，稳稳定定时时间间越越大大，转转换换速速度度越越低低。对对于于输输出出是是电电流流的的D/AD/A转转换换器器来来说说，稳稳定定时时间间是是很很快快的的，约约几几微微秒秒，而而输输出出是是电电压压的的D/AD/A转转换换器器，其其稳稳定定时间主要取决于运算放大器的响应时间。时间主要取决于运算放大器的响应时间。3. 稳定时间稳定时间：5959计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统4.输出形式；输出形式； 电压型电压型 510V 高电压型高电压型2430V 电流型：电流型：20MA. 3A5.输入编码：输入编码：二进制、二进制、BCD码、码、偏移二进制码等偏移二进制码

71、等6060计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统第四节 Unit 4单片单片A/D转换器转换器及其与微处理器的接口及其与微处理器的接口6161计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统本节主要内容本节主要内容n n8 位位A/D转换器及其接口（转换器及其接口（以以ADC0809 为例）为例）n n12位位A/D 转换器及其接口转换器及其接口6262计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统首先考虑以下问题首先考虑以下问题n nA/D转换的精度转换的精度: 分辨率、相对精度分辨率、相对精度n nA/D转换器的路数转换器的路数n

72、 nA/D转换器的片子与微处理器的接线方式转换器的片子与微处理器的接线方式6363计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统4.1 8 位位A/D转换器转换器ADC0809及其接口及其接口1功能功能： 8 通道通道8位位逐位逼近式逐位逼近式A/D转换器转换器 可直接与微处理器相连，不需另加接口逻辑可直接与微处理器相连，不需另加接口逻辑 输入输出引脚电平与输入输出引脚电平与TTL电路兼容电路兼容2.技术指标技术指标： 分辨率：分辨率：8位位 1/ 1/ 2 28 8 0.39 % 0.39 % 无漏码无漏码 转换时间转换时间100s 单一电源：单一电源：0+5v 带有锁存控

73、制逻辑的带有锁存控制逻辑的8 通道多路开关。通道多路开关。 带有锁存器的三态输出带有锁存器的三态输出 采用采用2828脚双立直插式封装脚双立直插式封装6464计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统3.管脚图管脚图65计算机控制过程通道和数据采集系统ADC0809内部内部结结构及引脚构及引脚66计算机控制过程通道和数据采集系统各引脚功能如下：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。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

74、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

75、。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。6767计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统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640640kHzkHz时，时，A/DA/D转换时间为转换

76、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， 5 5VDCVDC。GNDGND：电源地。电源地。6868计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 表表表表3-2 3-2 3-2 3-2 被选通道和地址的关系被选通道和地址的关系被选通道和地址的关系被选通道和地址的关系CBA选中通道选中通道000IN0001IN1010IN2011IN

77、3100IN4101IN5110IN6111IN769计算机控制过程通道和数据采集系统 4. 与与Z80 主机的典型连接方式主机的典型连接方式工作过程工作过程1）选择输入通道）选择输入通道,对对ABC输入端进输入端进行编程行编程2）输出指令启动）输出指令启动A/D 转换转换3）EOC 变高电平作为转换结束中断变高电平作为转换结束中断请求信号请求信号4）输入指令读）输入指令读A/D转换结果转换结果7070计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统4.2 12位A/D 转换器及其接口工作过程工作过程（以（以（以（以ADC1211ADC1211逐次逼近式的逐次逼近式的逐次逼近式

78、的逐次逼近式的A/DA/D转换器为例）转换器为例）转换器为例）转换器为例）：1.1.微处理器发出负脉冲微处理器发出负脉冲微处理器发出负脉冲微处理器发出负脉冲STARTSTART启动转换，脉冲宽度大于启动转换，脉冲宽度大于启动转换，脉冲宽度大于启动转换，脉冲宽度大于一个时钟周期一个时钟周期一个时钟周期一个时钟周期2.2.经经经经100s100s转换完成后，转换完成后，转换完成后，转换完成后， 端由高变低，端由高变低，端由高变低，端由高变低， 经由反相经由反相经由反相经由反相缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器CD4009CD4009反相，单稳反相，单稳反相，单稳反相，单稳DWDW延迟从延迟从延迟从延迟从 端

79、输出负端输出负端输出负端输出负脉冲到脉冲到脉冲到脉冲到 , ,作为中断请求信号。作为中断请求信号。作为中断请求信号。作为中断请求信号。3. 3. 数据输出端经六反相缓冲器数据输出端经六反相缓冲器数据输出端经六反相缓冲器数据输出端经六反相缓冲器CH4009CH4009取反之后输出取反之后输出取反之后输出取反之后输出偏移二进制码，加缓冲器的作用是使电路可靠工作。偏移二进制码，加缓冲器的作用是使电路可靠工作。偏移二进制码，加缓冲器的作用是使电路可靠工作。偏移二进制码，加缓冲器的作用是使电路可靠工作。 Q0 Q0Q5:PA0Q5:PA0PA5PA5 Q6 Q6Q7:PA6Q7:PA6PA7PA7 Q8

80、 Q8Q11:PB0Q11:PB0PB3PB37171计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统第五节 Unit 5数据采集系统数据采集系统7272计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统一、典型结构一、典型结构 数据采集系统的任务是把生产现场的工艺参数数据采集系统的任务是把生产现场的工艺参数采集后以数字量的形式进行存储、整理、传送、显采集后以数字量的形式进行存储、整理、传送、显示或打印。完成这些任务的基本手段是模拟量输入示或打印。完成这些任务的基本手段是模拟量输入通道，其核心部分是通道，其核心部分是A/DA/D转换器转换器系统设计必须考虑：系统设

81、计必须考虑：l 分辨率（精度）分辨率（精度）l 通道数通道数l 采集速度采集速度l 成本成本典型结构有：单通道与多通道典型结构有：单通道与多通道7373计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统 1.单通道单通道2.多通道多通道1 1）采用单通道方案）采用单通道方案2 2）对采样）对采样保持器进行多路转换保持器进行多路转换3 3）对放大器的输入进行多路转换，注意抗干扰问题）对放大器的输入进行多路转换，注意抗干扰问题7474计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统二二.数据采集的实例数据采集的实例1.设计要求设计要求 64路模拟量数据采集路模拟量数据

82、采集 精度达到精度达到0.4% 每隔每隔10ms检测一路检测一路2. 硬件设计硬件设计(1)方案一方案一 以以ADC0809为为A/D转换器，需转换器，需8片片 占有占有8个个口地址口地址方案二方案二 以以CD4051组成多路转换组成多路转换（1）8片片CD4051一级地址译码，占用一级地址译码，占用8 个口地址，个口地址，再加上再加上A、B、C三端选择三端选择 7575计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统（2）8片片CD4051二级地址译码，加一个二级地址译码，加一个8D锁存器和一个锁存器和一个138译码器，用一个口地址。译码器，用一个口地址。比较两种方案，方案二

83、比较合理比较两种方案，方案二比较合理8D 锁存器：锁存器：74LS259 373 A/D转换器：转换器：8位位ADC0804 12位位ADC12118212：8位位I/O缓冲器缓冲器 ，数码寄存器，数码寄存器 ：输入控制：输入控制 ：器件选择：器件选择T4LS138: 4、5端端Q2为低电平为低电平 6 端为高电平端为高电平工作原理：工作原理： 64路模拟量经过多路转换部分转换为一路模拟路模拟量经过多路转换部分转换为一路模拟量，再经采样保持器，量，再经采样保持器，A/D转换器再经数据缓冲器转换器再经数据缓冲器8212送到送到CPU总线。总线。2 硬件设计硬件设计(2)7676计算机控制过程通道

84、和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统2 硬件设计(3)1）地址译码地址译码 ： 和 或非输入 8D锁存器: D0 D2 : CD4051的A、B、C三端 D3D5 ：8个CD4051片选信号 D6 D7：74LS138控制端2）A/D转换器选择转换器选择: 或非3）8212 八位八位I/O接口接口：2片12根或8根数据线，一根状态信号根7777计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统3. 软件设计软件设计10ms10ms检测一路：检测一路：检测一路：检测一路：CTCCTC定时，定时，定时，定时， 软件延时软件延时软件延时软件延时1 1）CTCCTC定时定时定时

85、定时（1 1）通道控制字：定时、自动启动、上升沿启动）通道控制字：定时、自动启动、上升沿启动）通道控制字：定时、自动启动、上升沿启动）通道控制字：定时、自动启动、上升沿启动 定标定标定标定标系数系数系数系数256 256 允许中断。允许中断。允许中断。允许中断。（2 2）时间常数：）时间常数：）时间常数：）时间常数：（3 3）中断矢量：）中断矢量：）中断矢量：）中断矢量：0 0通道通道通道通道11111100F8H11111100F8H（4 4）程序框图（略）程序框图（略）程序框图（略）程序框图（略）2 2）程序查询方式）程序查询方式）程序查询方式）程序查询方式7878计算机控制过程通道和数据

86、采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统第六节第六节第六节第六节 Unit 6Unit 6模拟量输出通道 7979计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统v模拟量输出通道的任务模拟量输出通道的任务-把计算机处理后的数把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的动相应的执行器，从而达到控制的目的v模拟量输出通道模拟量输出通道( (称为称为D/AD/A通道或通道或AOAO通道通道) )构成构成- - -一般是由接口电路、数一般是由接口电路、数/ /模转换器模转换器( (简称简称D/AD/

87、A或或DAC)DAC)和电压和电压/ /电流变换器等电流变换器等v模拟量输出通道基本构成模拟量输出通道基本构成v多多D/AD/A结构（图结构（图( (a)a)）和共享和共享D/AD/A结构（图中结构（图中( (b)b)） 8080计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统6.1 多路模拟量输出通道的结构形式多路模拟量输出通道的结构形式 多路模拟量输出通道的结构多路模拟量输出通道的结构形式，主要取决于输出保持器形式，主要取决于输出保持器的构成方式的构成方式 输出保持器的作用主要是输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变，

88、保持本次控制信号维持不变，保持器一般有数字保持和模拟保持器一般有数字保持和模拟保持两种方案两种方案8181计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统接口电路通道 1通道nD/AD/AV/IV/I(a) 多D/A结构PC总线特点：特点：1、一路输出通道使用一个一路输出通道使用一个D/A转换器转换器 2 2、 D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器转换器芯片内部一般都带有数据锁存器 3 3、 D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用 4 4、 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立结构简单，转换速度快，工作可

89、靠，精度较高、通道独立 5 5、 缺点是所需缺点是所需D/A转换器芯片较多转换器芯片较多82计算机控制过程通道和数据采集系统接口电路通道 1通道nD/AV/IV/I多路开关采样保持器采样保持器（b）共享D/A结构PC总线 特点：特点：1、多路输出通道共用一个多路输出通道共用一个D/A转换器转换器 2 2、每一路通道都配有一个采样保持放大器、每一路通道都配有一个采样保持放大器 3 3、 D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用转换器只起数字到模拟信号的转换作用 4 4、采样保持器实现模拟信号保持功能、采样保持器实现模拟信号保持功能 5 5、节省、节省D/A转换器，转换器，但电路复杂，精度差，可靠

90、但电路复杂，精度差，可靠低、占用主低、占用主机时间机时间 83计算机控制过程通道和数据采集系统6.2 单片单片D/A转换器以及与微处理器的接口转换器以及与微处理器的接口 1. 8位位D/A转换器转换器以DAC0832为例，具有两级数据缓冲器84计算机控制过程通道和数据采集系统2. 大于大于8位位D/A转换器转换器当当D/AD/A转换器分辨率大于转换器分辨率大于8 8位时，与位时，与8 8 位微处理器位微处理器的接口就需二级缓冲。的接口就需二级缓冲。3. 双极性模拟量输出的实现双极性模拟量输出的实现1）用偏移二进制编码方法）用偏移二进制编码方法2）切换基准电源的方法）切换基准电源的方法为了实现正

91、、负两组电源的切换，应增加一个符为了实现正、负两组电源的切换，应增加一个符号位来进行控制。适用于小电流、两个基准电源、温号位来进行控制。适用于小电流、两个基准电源、温度系数匹配的情况。度系数匹配的情况。8585计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统本章总结本章总结n n过程通道的种类过程通道的种类n n模拟信号如何转换成数字信号模拟信号如何转换成数字信号n n模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成n nA/DA/D或或D/AD/A转换器的主要技术指标：分辨转换器的主要技术指标：分辨率、精度率、精度n nA/DA/D转换器与微处理器的接口转换器与微处理器的接口n n模拟量输出通道、数字保持器或模拟保模拟量输出通道、数字保持器或模拟保持器以及与微处理器的接口持器以及与微处理器的接口 8686计算机控制过程通道和数据采集系统计算机控制过程通道和数据采集系统