過程輸入輸出通道接口技術(shù)

過程輸入輸出通道接口技術(shù)第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4.2模擬量輸入通道——學(xué)習(xí)要點了解模擬量輸入通道的組成掌握逐次逼近與雙積分轉(zhuǎn)換原理模擬量與數(shù)字量的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系量化與量化誤差的概念A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)及其所表示的意義。第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

4.2.1模擬量輸入通道的組成放大器現(xiàn)場參數(shù)傳感器檢測信號調(diào)理信號調(diào)理多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣/保持模/數(shù)轉(zhuǎn)換微機控制

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逐次逼近原理雙積分原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化性能指標(biāo)第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理計數(shù)比較式A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但轉(zhuǎn)換速度慢，較少采用。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，采用較多，但抗干擾能力不夠強。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但轉(zhuǎn)換速度偏慢，抗干擾能力強。Σ-△型A/D轉(zhuǎn)換器新型、分辨率高、線性度好、成本低AI的組成

逐次逼近原理雙積分原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化性能指標(biāo)第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四1.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理D3D2D1D01000110010101001981

00010

001000100112109

AI的組成逐次逼近原理

雙積分原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化性能指標(biāo)第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

一個n位A/D轉(zhuǎn)換器是由n位寄存器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、運算比較器、控制邏輯電路、輸出鎖存器等五部分組成?，F(xiàn)以4位A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量9轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)1001為例，說明逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。

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當(dāng)啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下，

首先使寄存器的最高位D31，其余為0，此數(shù)字量1000經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即VO8，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量VIN=9進行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進行判斷。當(dāng)VIN

VO，則保留D3=1；

再對下一位D2進行比較，同樣先使D21，與上一位D3位一起即1100進入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為VO12再進入比較器，與VIN9比較，因VIN

VO，則使D20；

再下一位D1位也是如此確定，D10；

最后一位D01，比較完畢，寄存器中的數(shù)字量1001即為模擬量9的轉(zhuǎn)換結(jié)果，存在輸出鎖存器中等待輸出。

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雙積分原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化性能指標(biāo)第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種普通型8位單路ADC0801～ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等，混合集成高速型12位單路AD574A、ADC803等。

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雙積分原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化性能指標(biāo)第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

一個n位A/D轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換表達(dá)式是式中n

——

n位A/D轉(zhuǎn)換器；VR+、VR-

——基準(zhǔn)電壓源的正、負(fù)輸入；

VIN——要轉(zhuǎn)換的輸入模擬量；

B——轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)字量。

即當(dāng)基準(zhǔn)電壓源確定之后，n位A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量B與要轉(zhuǎn)換的輸入模擬量VIN成正比。模擬量與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系

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雙積分原理量化性能指標(biāo)第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四

例題：一個8位A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)VR+=5.02V，VR=0V，計算當(dāng)VIN分別為0V、2.5V、5V時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量。解：把已知數(shù)代入公式：0V、2.5V、5V時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量分別為00H、80H、FFH。

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雙積分原理量化性能指標(biāo)第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四2．雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理

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量化性能指標(biāo)第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理如圖4-18所示，在轉(zhuǎn)換開始信號控制下，開關(guān)接通模擬輸入端，輸入的模擬電壓VIN在固定時間T內(nèi)對積分器上的電容C充電（正向積分），時間一到，控制邏輯將開關(guān)切換到與VIN極性相反的基準(zhǔn)電源上，此時電容C開始放電（反向積分），同時計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)比較器判定電容C放電完畢時就輸出信號，由控制邏輯停止計數(shù)器的計數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正比于放電時間。放電時間T1或T2又正比于輸入電壓VIN，即輸入電壓大，則放電時間長，計數(shù)器的計數(shù)值越大。因此，計數(shù)器計數(shù)值的大小反映了輸入電壓VIN在固定積分時間T內(nèi)的平均值。此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為3位半BCD碼（二進制編碼的十進制數(shù)）的ICL7107、MC14433、輸出為4位半BCD碼的ICL7135等。

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量化性能指標(biāo)第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4.2.3量化量化：用有限字長的一組數(shù)碼和二進制數(shù)碼去整量化或逼近時間離散幅值連續(xù)的采樣信號。量化過程即A/D轉(zhuǎn)換的過程。量化單位：最低有效位所代表的模擬量的量值，就稱為量化單位q。對于n位的A/D轉(zhuǎn)換器，滿量程輸入的模擬量表示為FSR，則量化單位1.量化與量化誤差

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性能指標(biāo)第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四量化誤差：

在滿刻度輸入范圍內(nèi)的模擬量數(shù)值是有無數(shù)多個的，而n位二進制所表示的數(shù)值個數(shù)是有限的，所以絕大多數(shù)量化是用二進制數(shù)去近似模擬數(shù)值，不可避免的存在誤差，這種由量化引起的誤差，稱為量化誤差。量化誤差的最大值為q/2。

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性能指標(biāo)第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四2.編碼編碼：即對采樣信號進行量化處理，以二進制數(shù)碼給出數(shù)字量的過程，稱為編碼。不同的編碼形式，影響到A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和性能，而且影響到處理這一數(shù)字量時編碼變換操作。

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性能指標(biāo)第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四1.分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位等。分辨率為n，表示它可以對滿刻度的1/2n的變化量作出反應(yīng)。即：分辨率=滿刻度值/2n

4.2.4A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

AI的組成逐次逼近原理雙積分原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化性能指標(biāo)第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對誤差和相對誤差來表示。相對誤差是指絕對誤差與滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來表示，對A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù)LSB（LeastSignificantBit)）來表示，1LSB=1／2n。

例如，對于一個8位0-5V的A/D轉(zhuǎn)換器，如果其相對誤差為±1LSB，則其絕對誤差為±19.5mV，相對百分誤差為0.39％。一般來說，位數(shù)n越大，其相對誤差（或絕對誤差）越小。2.轉(zhuǎn)換精度

AI的組成逐次逼近原理雙積分原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化性能指標(biāo)第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四3.轉(zhuǎn)換時間A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。如逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為微秒級，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為毫秒級。

AI的組成逐次逼近原理雙積分原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化性能指標(biāo)第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四量程A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。電源靈敏度當(dāng)電源電壓變化時，將使A/D轉(zhuǎn)換器的輸出發(fā)生變化，相當(dāng)于A/D轉(zhuǎn)換器輸入量的變化，從而產(chǎn)生誤差。靈敏度通常用相當(dāng)于同樣變化的模擬輸入值的百分?jǐn)?shù)表示。0.05%/%△Us:表示電源電壓變化1%時，相當(dāng)于引入0.05%的模擬輸入值的變化。

AI的組成逐次逼近原理雙積分原理AD轉(zhuǎn)換關(guān)系量化性能指標(biāo)第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4.38位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)

——知識點ADC0809原理及引腳功能ADC0809工作時序硬件設(shè)計軟件設(shè)計第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4.38位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)4.3.1、ADC0809芯片介紹8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為1/28≈0.39%單一5V供電時，模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是0-+5V具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容功耗為15mWCLK=640kHz時，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時間為100s不必進行零點和滿刻度調(diào)整采用28腳雙列直插式封裝ADC0809

工作時序硬件設(shè)計軟件設(shè)計第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳ADC0809

工作時序硬件設(shè)計軟件設(shè)計第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四IN0～IN7：8路模擬量輸入端。允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。上升沿時鎖存3位通道選擇信號。A、B、C：3位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時，地址譯碼與對應(yīng)通道選擇見表4-5。START：啟動A/D轉(zhuǎn)換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時啟動A/D轉(zhuǎn)換。D0～D7：8位數(shù)字量輸出。D0為最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機數(shù)據(jù)總線直接相連。ADC0809各引腳功能(1)ADC0809

工作時序硬件設(shè)計軟件設(shè)計第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。CLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時，A/D轉(zhuǎn)換時間為100s。VR+，VR-：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作電源，5VDC。GND：電源地。ADC0809各引腳功能(2)ADC0809

工作時序硬件設(shè)計軟件設(shè)計第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四表4-5被選通道和地址的關(guān)系CBA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809

工作時序硬件設(shè)計軟件設(shè)計第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時序圖4-28ADC0809的轉(zhuǎn)換時序

ADC0809工作時序

硬件設(shè)計軟件設(shè)計第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四首先ALE的上升沿將地址代碼鎖存、譯碼后選通模擬開關(guān)中的某一路，使該路模擬量進入到A/D轉(zhuǎn)換器中。同時START的上升沿將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿起動A/D轉(zhuǎn)換，即在時鐘的作用下，逐位逼近過程開始，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC即變?yōu)榈碗娖?。?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC恢復(fù)高電平，此時，如果對輸出允許OE輸入一高電平命令，則可讀出數(shù)據(jù)。ADC0809轉(zhuǎn)換過程

ADC0809工作時序

硬件設(shè)計軟件設(shè)計第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4.3.28位A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的接口8路模擬量輸入地址：0000H~0007H

數(shù)字量輸入地址：0000H~0007H,。啟動轉(zhuǎn)換：MOVDPTR，#0000HMOVX@DPTR，A讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)：MOVDPTR，#0000HMOVXA，@DPTR

ADC0809工作時序硬件設(shè)計

軟件設(shè)計8051第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四A/D轉(zhuǎn)換器硬件接口應(yīng)注意的問題A/D的數(shù)字量輸出的方式A/