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1、计算机控制技术计算机控制技术吴国辉吴国辉第四章第四章 模拟量输入通道模拟量输入通道v 引言引言v 4.1 4.1 信号调理电路信号调理电路 v 4.2 4.2 多路模拟开关多路模拟开关v 4.3 4.3 前置放大器前置放大器v 4.4 4.4 采样保持器采样保持器v 4.5 A/D4.5 A/D转换器转换器 v 本章小结本章小结v 思考题思考题 引言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以接收的数字量信号。转换成计算机可以接收的数字量信号。 结构组
2、成如下图所示，来自于工业现场传感器结构组成如下图所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号或变送器的多个模拟量信号首先首先需要进行信号调理，需要进行信号调理，然后然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模大、采样保持和模/ /数转换，数转换，通过通过接口电路以数字接口电路以数字量信号进入主机系统，从而量信号进入主机系统，从而完成完成对过程参数的巡回对过程参数的巡回检测任务。检测任务。引言引言显然显然,该通道的核心是模该通道的核心是模/数转换器即数转换器即A/D转换转换器器,通常把模拟量输入通道称为通常把模拟量输入通道称为A/D通
3、道或通道或AI通道通道。传感变送器信号调理多路模拟开关前置放大器采样保持器转换器接口逻辑电路过程参数PC总线A/D4.1 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，当它们的输出信号为0 - 10 mA或或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压法的电流信号时，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，以下是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。两种变换电路。 1. 无源无源I/V变换变换 2. 有源有源I/V变换变换4.1 信号调理电路
4、信号调理电路1. 无源无源I/V变换变换 无源无源I/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来实现，电阻来实现，加上加上RC滤波和二极管限幅等保护，如下左图所示，滤波和二极管限幅等保护，如下左图所示，其中其中R2为精密电阻。对于为精密电阻。对于0- 10 mA输入信号，可取输入信号，可取R1=100，R2=500，这样当输入电流在，这样当输入电流在0 -10 mA量程变化时，输出的电压就为量程变化时，输出的电压就为0 -5 V范围范围;而对于而对于4 -20 mA输入信号输入信号,可取可取R1=100, R2=250，这样当，这样当输入电流为输入电流为4 -20 mA时，输出的电压
5、为时，输出的电压为1 - 5 V。4.1 信号调理电路信号调理电路. 有源有源I/V变换变换有源有源I/V变换是利用有源器件变换是利用有源器件运放和电阻电容组成，运放和电阻电容组成，如上图（如上图（b）所示。利用同相放大电路，把电阻）所示。利用同相放大电路，把电阻R1上的输入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电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为 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 m
6、A的输入电流对应于的输入电流对应于1 5 V的电压输出。的电压输出。4.1 信号调理电路信号调理电路. 引言引言由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变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，化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所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关实现多选以，必须通过多路模拟开关实现多选1 1的操作，将的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。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目前，计算机控制系统使用的多路开关种
7、类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片多，并具有不同的功能和用途。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、4.2 多路模拟开关多路模拟开关. 引言引言4 4路路) )、AD7506(AD7506(单向、单端、单向、单端、1616路路) )等。所谓双向，等。所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成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；而单向则只能完成多到一的切换。一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差双端是指芯
8、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。动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。4.2 多路模拟开关多路模拟开关. 结构原理结构原理现以常用的现以常用的CD4051为例，为例，8路模拟开关的结构路模拟开关的结构原理如下图所示。原理如下图所示。CD4051由电平转换、译码驱动由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前时，前后级通道断开，即后级通道断开，即S0S7端与端与Sm端不可能接通；当端不可能接通；当为为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端入端C、B、
9、A的数值，就可选通的数值，就可选通8个通道个通道S0S7中的中的一路。比如：当一路。比如：当C、B、A=000时，通道时，通道S0选通；选通；当当C、B、A = 111时时,通道通道S7选通。其真值表如选通。其真值表如下表下表.4.2 多路模拟开关多路模拟开关. 结构原理结构原理4.2 多路模拟开关多路模拟开关. 结构原理结构原理4.2 多路模拟开关多路模拟开关3. 扩展电路扩展电路当采样通道多至当采样通道多至16路时，可直接选用路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将路模拟开关的芯片，也可以将2个个8路路4051并并联起来，组成联起来，组成1个单端的个单端的16路开关。路开关。 例题例
10、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。4.2 多路模拟开关多路模拟开关3. 扩展电路扩展电路例题分析：例题分析：下图给出了两个下图给出了两个CD4051扩展为扩展为116路路模拟开关的电路。数据总线模拟开关的电路。数据总线D3D0作为通道选择信作为通道选择信号，号，D3 用来控制两个多路开关的禁止端。当用来控制两个多路开关的禁止端。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，时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关
11、，此时经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当当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路的模拟开关。路的模拟开关。4.2 多路模拟开关多路模拟开关4.2 多路模拟开关多路模拟开关1. 引言引言 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转换转换的量程范围之内，如的量程范围之内，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同相，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如下图所示，信号源的一端若接放大放大或
12、单端反相放大。如下图所示，信号源的一端若接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的放大倍数器的正端为同相放大，同相放大电路的放大倍数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，反相放大反相放大电路的放大倍数电路的放大倍数G G = =R2/R1R2/R1。当然，这两种电路都是单端放。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输入端共地。大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。4.3 4.3 前置放大器前置放大器4.3 4.3 前置放大器前置放大器放大电路放大电路 2. 测量放大器测量
13、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来自生产现场的传感器信号往往带有较大的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而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。好的抑制作用。 因此，因此，A/DA/D通道中的前置放大器常采用由一通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器仪表放大器，如下图，如下图(a)(a)所所示。示。 经典的测量放大器是经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端放大器的差动输入端V VININ 和和V VININ
14、 分别是两个运放分别是两个运放A1A1、A2A2的同相输入端，输入阻抗很高，而且的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称完全对称地直接与被测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。信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。4.3 4.3 前置放大器前置放大器4.3 4.3 前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV(外接外接)2. 测量放大器测量放大器 图中图中RGRG是外接电阻，专用来调整放大器增益的。是外接电阻，专用来调整放大器增益的。因此，放大器的增益因此，放大器的增益G G与
15、这个外接电阻与这个外接电阻RGRG有着密切有着密切的关系。增益公式为的关系。增益公式为 目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种，目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种，如如AD521/522AD521/522、INA102INA102等。等。4.3 4.3 前置放大器前置放大器3. 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，个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到但都要放大到A/DA/D转换器的同一量程范围。因此，转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输
16、入信号，测量放大器的增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。具有这种性能的放大器称为可变增益益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器，如下图所示。放大器或可编程放大器，如下图所示。4.3 4.3 前置放大器前置放大器4.3 4.3 前置放大器前置放大器可变增益放大器可变增益放大器3A2A-NIN负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+3. 可变增益放大器可变增益放大器 把上图中的外接电阻把上图中的外接电阻RGRG换
17、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，通过支路开关依络，每个电阻支路上有一个开关，通过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公式，就可算得支路开关自上而下闭电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为合时的放大器增益分别为2 2、4 4、8 8、1616、3232、6464、128128、256256倍。显然，这一组开关如果用多路模拟开倍。显然，这一组开关如果用多路模拟开关关( (类似类似CD4051)CD4051)就可方便地进行增益可变的计算机就可方便地进行增益可变的计
18、算机数字程序控制数字程序控制. .此类集成电路芯片有此类集成电路芯片有AD612/614AD612/614等。等。4.3 4.3 前置放大器前置放大器 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，需需要要应应用采样保持器。用采样保持器。4.4 4.4 采样保持器采样保持器1.1.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-把连续变化的量变把连续变化的量变成离散
19、量后再进行处理的计算机控制系统。成离散量后再进行处理的计算机控制系统。 离散系统的采样形式离散系统的采样形式-有周期采样、多阶采样有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。和随机采样。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，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即把一个连续变化的模拟信号y y( (t t) )，按一定的时间，按一定的时间间隔间隔T T 转变为在瞬时转变为在瞬时0 0，T T，2 2T T，的一连串脉冲序的一连串脉冲序列信号列信号 y y*(*(t t) )，如下图所示。，如下图所示。4.4 4.4 采样保持器采样保
20、持器1.1.数据采样定理数据采样定理采样器的常用术语：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，也就是说，可以近似地认为采样信号信号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。4.4 4.4 采样保持器采样保持器1.1.数据采样定理数据采样定理 由经验可知，采
21、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*(t)越接近原越接近原信号信号y(t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许，但若采样频率过高，在实时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。为了使采样信号了使采样信号y*(t)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，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：为了使采样信号我们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号y*(t)能完全复现原信号能完全复现原信号y(t)，采样频率，采样频率f 至少要为原信号最高至少
22、要为原信号最高有效频率有效频率fmax的的2倍，即倍，即f 2fmax。 采样定理给出了采样定理给出了y*(t)唯一地复现唯一地复现y(t)所必需的最低采样频所必需的最低采样频率。实际应用中，常取率。实际应用中，常取f （510）fmax。4.4 4.4 采样保持器采样保持器2.2.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的零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间隔时间间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成内，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形如下图所示。原理电路与工作波形如下图所示。 采样保持器由输入输出缓冲放
23、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断开断开, ,由于由于A2A2的输入阻抗很高的输入阻抗很高, ,理想情况下电容理想情况下电容C CH H将保持将保持电压电压VCVC不变不变, ,因而输出电压因而输出电压V VOUT=OUT=VC VC 也保持恒定。也保持恒定。4.4 4.4 采样保持器采样保
24、持器2.2.采样保持器采样保持器4.4 4.4 采样保持器采样保持器采样保持器采样保持器2.2.采样保持器采样保持器 显然，保持电容显然，保持电容C H的作用十分重要。实际上保的作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压持期间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保在缓慢下降，这是由于保持电容的持电容的漏电流漏电流所致。保持电压所致。保持电压VC的变化率为的变化率为: 4.4 4.4 采样保持器采样保持器2.2.采样保持器采样保持器ID-为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的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输入电流、开关截止时的漏电流与
25、电容内部的漏电流等。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样精度成正比而与采样频率成反比。一量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容般情况下，保持电容CH是外接的，所以要选用聚四是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为5101000pF。4.4 4.4 采样保持器采样保持器2.2.采样保持器采样保持器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
26、保持器有常用的零阶集成采样保持器有AD582,LF198/298/398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)、(b)所示。所示。这里，用这里，用TTL逻辑电平控制采样和保持状态，如逻辑电平控制采样和保持状态，如AD582的的采样采样电平电平为为“0”，保持电平保持电平为为“1”，而，而LF198的则相反。的则相反。4.4 4.4 采样保持器采样保持器2.2.采样保持器采样保持器2)零阶集成采样保持器零阶集成采样保持器 在在A/DA/D通道中，采样保持器的采样和保持电平应通道中，采样保持器的采样和保持电平应与后级的与后级的A/DA/D转换相配合，该电平信号既可以由其它转换
27、相配合，该电平信号既可以由其它控制电路产生，也可以由控制电路产生，也可以由A/DA/D转换器直接提供。转换器直接提供。 总之，保持器在总之，保持器在采样期间采样期间，不启动不启动A/DA/D转换器，转换器，而一旦进入而一旦进入保持保持期间，则期间，则立即启动立即启动A/DA/D转换器，从而转换器，从而保证保证A/D A/D 转换时的模拟输入转换时的模拟输入电压恒定电压恒定，以确保，以确保A/DA/D转转换精度换精度。4.4 4.4 采样保持器采样保持器1.1.工作原理与性能指标工作原理与性能指标1) A/DA/D转换原理主要有：逐位逼近式转换原理主要有：逐位逼近式A/DA/D，双积分式，双积分
28、式A/DA/D，电压，电压/ /频率式频率式A/DA/D。2)2)性能指标性能指标a.a.分辨率分辨率: : 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。度。b.b.转换精度转换精度: : A/DA/D转换器的转换精度可以用转换器的转换精度可以用绝对误差绝对误差和和相对误差相对误差来表示。来表示。 4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器1.1.工作原理与性能指标工作原理与性能指标2)2)性能指标性能指标 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入值转换器的误差，其误差的
29、大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差增益误差，零零点误差点误差和和非线性误差非线性误差等。等。 相对误差相对误差是指是指绝对误差绝对误差与与满刻度值满刻度值之比，一般之比，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的位转换器常用最低有效值的位数数LSBLSB（Least Significant Bit)Least Significant Bit)）来表示，）来表示，1LSB = 1LSB = 1 12 2n n 。4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器1.1.工作原理与性能指标工作原理与性能指标2)2)性
30、能指标性能指标c.c.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。如逐位逼近式为转换时间。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秒级。转换器的转换时间为毫秒级。 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总线的接口电总线的接口电路。路。4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路1) 1) ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍2) ADC08092) ADC0
31、809接口电路接口电路4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路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4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路1) 1) ADC0809
32、ADC0809芯片介绍芯片介绍( (ADC0809ADC0809内部结构及引脚内部结构及引脚) )4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路1)1)ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍( (ADC0809ADC0809引脚功能引脚功能) )IN0IN7：8路模拟量输入端。允许路模拟量输入端。允许8路模拟量分路模拟量分时输入，共用一个时输入，共用一个A/D转换器。转换器。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存上升沿时锁存3位通道选择信号。位通道选择信号。A、B、C：3位地
33、址线即模拟量通道选择线。位地址线即模拟量通道选择线。START：启动：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。转换信号，输入，高电平有效。上升沿上升沿时将转换器内部时将转换器内部清零清零，下降沿下降沿时时启动启动A/D转换转换。4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路1)1)ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍( (ADC0809ADC0809引脚功能引脚功能) )EOC：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。OE：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
34、开三态输出缓冲器，将号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的转换得到的8位数字量送到数据总线上。位数字量送到数据总线上。D0D7：8位数字量输出。位数字量输出。D0为最低位，为最低位，D7为为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。线直接相连。4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路1)1)ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍( (ADC0809ADC0809引脚功能引脚功能) )CLOCK：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640
35、kHz时，时，A/D转换时间为转换时间为100 s。VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围换的模拟电压范围,通常通常VR+ = 5V DC,VR- = 0V 。Vcc：工作电源，：工作电源， 5VDC。GND：电源地。：电源地。4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路1)1)ADC0809ADC0809芯片介绍芯片介绍( (ADC0809ADC0809的内部转换时序的内部转换时序) )4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC
36、08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路1) ADC08091) ADC0809芯片介绍芯片介绍( (ADC0809ADC0809的内部转换时序的内部转换时序) ) 其转换过程表述如下其转换过程表述如下：首先首先ALEALE的上升沿将地址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路模拟量进入到A/DA/D转换器中。同时转换器中。同时STARTSTART 的的上升沿上升沿将转换器内部清零，将转换器内部清零，下降沿起动下降沿起动A/DA/D转换转换，即在时钟，即在时钟的作用下，逐位逼近过程开始，的作用下，逐位逼近
37、过程开始，转换结束信号转换结束信号EOCEOC即即变为低电平。当变为低电平。当转换结束后转换结束后，EOCEOC恢复高电平恢复高电平，此时，此时，如果对输出允许如果对输出允许OEOE输入一高电平输入一高电平命令，则可读出数命令，则可读出数据。据。4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路 A/D A/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，如何
38、判断转换，如何判断A/DA/D完成一次模数转换，如何读入并完成一次模数转换，如何读入并存放转换结果的。下面仅介绍两种典型的接口电路。存放转换结果的。下面仅介绍两种典型的接口电路。 （a a）查询方式读）查询方式读A/DA/D转换数转换数 （b b）定时方式读）定时方式读A/DA/D转换数转换数 4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数) ) 下图为采用程序查询方式的下图为采用程序查询方式的8 8路路8 8位位A/DA/D转换接
39、口转换接口电路，由电路，由PCPC总线、总线、ADC0809ADC0809以及以及138138译码器、译码器、74LS0274LS02非与门（即或非门）与非与门（即或非门）与74LS12674LS126三态缓冲器组成。图三态缓冲器组成。图中，启动转换的板址中，启动转换的板址PA= 0100 0000PA= 0100 0000，每一路的口址，每一路的口址分别为分别为000-111000-111，故，故8 8路转换地址为路转换地址为40H-47H40H-47H。4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接
40、口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数) )接口程序如下接口程序如下： MOV BXMOV BX，BUFF BUFF ；置采样数据区首址；置采样数据区首址 MOV CX MOV CX，08H 08H ；路输入；路输入STARTSTART：OUT PAOUT PA，AL AL ；启动；启动A/DA/D转换转换 REOC REOC：IN ALIN AL，PB PB ；读；读EOCEOC RCR AL RCR AL，01 01 ；判断；判断EOCEOC JNC REOC JNC REOC ；若；若EOC=0EOC=0，继续查询
41、，继续查询 4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数) ) IN AL IN AL，PA PA ；若；若EOC=1EOC=1，读，读A/DA/D转换数转换数 MOV BX MOV BX，AL AL ；存；存A/DA/D转换数转换数 INC BX INC BX ；存；存A/DA/D转换数地址加转换数地址加1 1 INC PA INC PA ；接口地址加；接口地址加1 1 LOOP START LOOP START ；循环；循环4
42、.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数) ) 首先首先主机执行一条启动转换第主机执行一条启动转换第1 1路的输出指令，路的输出指令，即是把即是把ALAL中的数据送到地址为中的数据送到地址为PAPA的接口电路中，此的接口电路中，此时时ALAL中的内容无关紧要，而地址中的内容无关紧要，而地址PA=40HPA=40H使使138138译码器译码器的输出一个低电平，连同的输出一个低电平，连同OUTOUT输出指令造成的低电平，输出指令造成
43、的低电平，从而使非与门从而使非与门02(3)02(3)产生脉冲信号到引脚产生脉冲信号到引脚ALEALE和和STARTSTART，ALEALE的上升沿将通道地址代码的上升沿将通道地址代码000000锁存并进行译码，锁存并进行译码，选通模拟开关中的第一路选通模拟开关中的第一路VIN0VIN0，使该路模，使该路模4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数) )拟量进入到拟量进入到A/DA/D转换器中；同时转换器中；同时STARTSTA
44、RT的上升沿将的上升沿将ADC0809ADC0809中的逐位逼近寄存器中的逐位逼近寄存器SARSAR清零清零, ,下降沿启动下降沿启动A/DA/D转换，即在时钟的作用下，逐位逼近的模数转换转换，即在时钟的作用下，逐位逼近的模数转换过程开始。过程开始。 接着接着，主机查询转换结束信号，主机查询转换结束信号EOCEOC的状态，通过的状态，通过执行输入指令，即是把地址为执行输入指令，即是把地址为PBPB的转换接口电路的的转换接口电路的数据读入数据读入ALAL中，此时地址中，此时地址PB= 0100 1000PB= 0100 1000（48H48H），），4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2.
45、ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数) )使使138138译码器的输出一个低电平，连同译码器的输出一个低电平，连同ININ输入指令造输入指令造成的低电平，从而使非与门成的低电平，从而使非与门0202（1 1）产生脉冲信号并）产生脉冲信号并选通选通126126三态缓冲器，使三态缓冲器，使EOCEOC电平状态出现在数据线电平状态出现在数据线D0D0上。然后将读入的上。然后将读入的8 8位数据进行带进位循环右移，位数据进行带进位循环右移，以判断以判断EOCEOC的电平状态。
46、如果的电平状态。如果EOCEOC为为“0”“0”，表示，表示A/DA/D转换正在进行，程序再跳回转换正在进行，程序再跳回REOCREOC，反复查询；当，反复查询；当EOCEOC为为“1”“1”，表示，表示A/D A/D 转换结束。转换结束。 4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数) ) 然后然后，主机便执行一条输入指令，把接口地址，主机便执行一条输入指令，把接口地址为为PAPA的转换数据读入的转换数据读入ALAL中，即是输出
47、一个低电平，中，即是输出一个低电平，连同连同ININ输入指令造成的低电平，从而使非与门输入指令造成的低电平，从而使非与门0202（2 2）产生脉冲信号，即产生输出允许信号到）产生脉冲信号，即产生输出允许信号到OEOE，使使ADC0809ADC0809内部的三态输出锁存器释放转换数据到数内部的三态输出锁存器释放转换数据到数据线上，并被读入到据线上，并被读入到ALAL中。中。 4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (查询方式读查询方式读A/DA/D转换数转换数) ) 接下来
48、接下来，把，把A/DA/D转换数据存入寄存器转换数据存入寄存器BXBX所指的数所指的数据区首地址据区首地址0000H0000H中，数据区地址加中，数据区地址加1 1，为第，为第2 2路路A/DA/D转换数据的存放作准备；接口地址加转换数据的存放作准备；接口地址加1 1，准备接通第，准备接通第2 2路模拟量信号；计数器减路模拟量信号；计数器减1 1，不为，不为0 0则返回到则返回到STARTSTART，继续进行下一路的，继续进行下一路的A/DA/D转换。如此循环，直至完成转换。如此循环，直至完成8 8路路A/DA/D转换。转换。4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. A
49、DC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (定时方式读定时方式读A/DA/D转换数转换数) ) 定时方式读定时方式读A/DA/D转换数的电路组成如下图所示，转换数的电路组成如下图所示，它与查询方式不同的仅仅在于启动它与查询方式不同的仅仅在于启动A/DA/D转换后，无需转换后，无需查询查询EOCEOC引脚状态而只需等待转换时间，然后读取引脚状态而只需等待转换时间，然后读取A/DA/D转换数。因此，硬件电路可以取消转换数。因此，硬件电路可以取消126126三态缓冲三态缓冲器及其控制电路，软件上也相应地去掉查询器及其控制电路，软件上也相应地去掉查
50、询EOCEOC电平电平的的REOCREOC程序段，而换之以调用定时子程序（程序段，而换之以调用定时子程序（CALL CALL DELAYDELAY）即可。）即可。 4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (定时方式读定时方式读A/DA/D转换数转换数) ) 这里定时时间应略大于这里定时时间应略大于ADC0809ADC0809的实际转换时间。的实际转换时间。图中，图中，ADC0809ADC0809的的CLOCKCLOCK引脚（输入时钟频率）为引脚（输入时钟频率）为640KH
51、z640KHz，因此转换时间为，因此转换时间为8888个时钟周期，相当于个时钟周期，相当于100S100S。4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器定时方式读定时方式读A/DA/D转换数转换数4.4 A/D4.4 A/D转换器转换器2. ADC08092. ADC0809及其接口电路及其接口电路2) ADC08092) ADC0809接口电路接口电路( (定时方式读定时方式读A/DA/D转换数转换数) ) 显然，定时方式比查询方式简单，但前提是必须预先精显然，定时方式比查询方式简单，但前提是必须预先精确地知道确地知道A/DA/D转换芯片完成一次转换芯片完成一次A/DA/D转换所需的时间。转换所
52、需的时间。 这两种方法的共同点是硬软件接口简单，但在转换期间这两种方法的共同点是硬软件接口简单，但在转换期间独占了独占了CPUCPU时间，好在这种逐位逼近式时间，好在这种逐位逼近式A/DA/D转换的时间只在微转换的时间只在微秒数量级。当选用双积分式秒数量级。当选用双积分式A/DA/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/DA/D转换数的方式更为适宜。因此，转换数的方式更为适宜。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在设计数据采集系统时，究竟采用何种接口方式要根据A/DA/D转转换器芯片而定。换器芯片而定。4.4 A/
53、D4.4 A/D转换器转换器3. 3. 其他其他ADCADC 8 8位位A/DA/D转换器的分辨率约为，转换精度在以转换器的分辨率约为，转换精度在以下下, , 这对一些精度要求比较高的控制系统而言是不这对一些精度要求比较高的控制系统而言是不够的，因此要采用更多位的够的，因此要采用更多位的A/DA/D转换器，如转换器，如1010位、位、1212位、位、1414位等位等A/DA/D转换器。如转换器。如AD574AAD574A等等1212位位A/DA/D转换器转换器及其接口电路可查阅相关书籍了解等及其接口电路可查阅相关书籍了解等. .小小 节节 模拟量输入通道是计算机测控系统、智能测量模拟量输入通道
54、是计算机测控系统、智能测量仪表以及以微处理器为基础组成的各种产品的重要仪表以及以微处理器为基础组成的各种产品的重要组成部分。组成部分。 本章按照系统内信号的流向，依次介绍模拟量本章按照系统内信号的流向，依次介绍模拟量输入通道的各个组成部分输入通道的各个组成部分信号调理、多路模拟开信号调理、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器、关、前置放大器、采样保持器、A/DA/D转换器及其接口转换器及其接口电路电路, ,其中有些环节可以根据实际需要来选择取舍。其中有些环节可以根据实际需要来选择取舍。比如输入信号已是电压信号且满足比如输入信号已是电压信号且满足A/DA/D转换量程要求，转换量程要求，那就不必再
55、用那就不必再用I/VI/V转换和前置放大器；又如输入转换和前置放大器；又如输入小小 节节信号变化缓慢而信号变化缓慢而A/DA/D转换时间足够短，能满足转换时间足够短，能满足A/DA/D转转换精度，也就不必用采样保持器；当可以利用换精度，也就不必用采样保持器；当可以利用A/DA/D转转换器内部的多路模拟开关时，也可不用外部的多路换器内部的多路模拟开关时，也可不用外部的多路模拟开关。但无论如何，其核心器件模拟开关。但无论如何，其核心器件A/DA/D转换器是转换器是不能缺少不能缺少的。的。思考题思考题1 1画图说明模拟量输入通道的功能、各组成部分及画图说明模拟量输入通道的功能、各组成部分及其作用？其作用？2 2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，结的结构原理图，结合真值表设计出两个合真值表设计出两个CD4051CD4051扩展为一个扩展为一个8 8路双端模拟路双端模拟开关的示意图。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？思考题思考题4 4分析下图采样保持器的原理电路及工作过程。分析下图采样保持器的原理电路及工作过程。思考题思考题5 5结合下图，分析说明结合下图，分析说明ADC0809ADC0809的结构组成及其引的结构组成及其引脚作用。脚作用。思考题思考题
