模拟量输入电路设计

发布者:admin 发布时间:2019-10-20 20:46 浏览次数:

  第3章 模拟量输入通道 本章要点 1.模拟量输入通道的结构组成。 2.多路开关,前臵放大、采样保持等各环节 的功能作用。 3.8位A/D转换器ADC0809芯片及其接口电路 4.12位A/D转换器AD574A芯片及其接口电路 本章主要内容 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 引言 信号调理电路 多路模拟开关 前臵放大器 采样保持器 A/D转换器 A/D转换模板 本章小结 思考题 引言 模拟量输入通道的任务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 可以接收的数字量信号。 结构组成如图3-1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 模拟开关,分时切换到后级进行前臵放大、采样保持和模/ 数转换,通过接口电路以数字量信号进入主机系统,从而 完成对过程参数的巡回检测任务。 过 程 参 数 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 A/D 转 换 器 接 口 逻 辑 电 路 PC 总 线 模拟量输入通道的结构组成 显然,该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器,通常 把模拟量输入通道称为A/D通道或AI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 类型的测量变送器,当它们的输出信号为0 - 10 mA或4 -20 mA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 是两种变换电路。 1. 无源I/V变换 2. 有源I/V变换 1.无源I/V变换 无源I/V变换电路是利用无源器件—电阻 来实现,加上RC滤波和二极管限幅等保护,如 图3-2(a)所示,其中R2为精密电阻。对于0- 10 mA输入信号,可取R1=100Ω,R2=500Ω,这 样当输入电流在0 -10 mA量程变化时,输出的 电压就为0 -5 V范围;而对于4 -20 mA输入信 号,可取R1=100Ω,R2=250Ω,这样当输入电 流为4 -20 mA时,输出的电压为1 - 5 V。 D R1 I C R2 +5V I + V R1 + C R2 + R3 A R4 (b) 有源I/V变换电路 R5 V (a) 无源I/V变换电路 图 图 3-2 电流/电压变换电路 2-2 电流/电压变换电路 2. 有源I/V变换 有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器 和电阻电容组成,如图3-2(b)所示。利用同 相放大电路,把电阻R1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 R4 V G? ? 1? IR1 R3 (3-1) 若取R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=150kΩ, 则输入电流 I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出V的0 ~ 5 V;若取R1=200Ω,R3=100kΩ,R4=25kΩ, 则4 ~ 20 mA的输入电流对应于1 ~ 5 V的电压输 出。 3.2 多路模拟开关 主要知识点 引言 3.2.1 结构原理 3.2.2 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 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 关实现多选1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 有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、 8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16 路)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,从而完成差动输入信 号的切换,以满足抑制共模干扰的需要。 3.2.1结构原理 现以常用的CD4051为例,8路模拟开关的结构 原理如图3-3所示。CD4051由电平转换、译码驱动 及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时,前后 级通道断开,即S0~S7端与Sm端不可能接通;当为 “0”时,则通道可以被接通,通过改变控制输入端 C、B、A的数值,就可选通8个通道S0~S7中的一 路。比如:当C、B、A=000时,通道S0选通;当C、 B、A=001时,通道S通;……当C、B、A = 111时, 通道S7选通。其线 S7 A 译 码 驱 动 电 平 转 换 B C INH 图3-3 CD4051结构原理图 图2 -3 CD4051结构原理图 链接动画 3.2.2 扩展电路 当采样通道多至16路时,可直接选用16路模拟开关的芯片, 也可以将2个8路4051并联起来,组成1个单端的16路开关。 例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。 例题分析:图3-4给出了两个CD4051扩展为1×16路模拟开关的 电路。数据总线?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D2、 D1、D0从000变为111,则依次选通S0~S7通道;当D3=1时,经 反相器变成低电平,选中下面的多路开关,此时当D2、D1、D0 从000变为111,则依次选通S8~S15通道。如此,组成一个16路的 模拟开关。 Sm S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 译 码 驱 动 电 平 转 换 A B C INH Sm S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 译 码 驱 动 电 平 转 换 A B C INH D 3 D2 D1 D 0 图3-4 多路模拟开关的扩展电路 图2-4 多路模拟开关的扩展电路 链接动画 3.3 前置放大器 主要知识点 引言 3.3.1 测量放大器 3.3.2 可变增益放大器 引言 前臵放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D 转换的量程范围之内,如0-5VDC; 对单纯的微弱信号,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3-5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G =1+R2/R1; 若信号源的一端接放大器的负端为反相放大,反相 放大电路的放大倍数G =-R2/R1。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。 R2 VI R1 VO Us ~ R1 R2 VI VO Us ~ (a)同相放大 图 2-5 放大电路 (b)反相放大 图3-5 放大电路 链接动画 3.3.1 测量放大器 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 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 作用。 因此,A/D通道中的前臵放大器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3-6(a)所示。 经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构,测量放 大器的差动输入端VIN?和VIN?分别是两个运放A1、A2的同相输 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。 V IN - + A1 - R 2 R S (外接) R G R R (外接) 1 A3 V O UT 1 负载 R A2 V I N+ 2 R S 外接地 (a) 经典的前置放大器 图3-6 前臵放大器 链接动画 图中RG是外接电阻,专用来调整放大器增 益的。因此,放大器的增益G与这个外接电阻RG 有着密切的关系。增益公式为 VOUT RS 2 R1 G? ? (1 ? ) VIN ? ? VIN ? R2 RG (3-2) 目前这种测量放大器的集成电路芯片有多 种,如AD521/522、INA102等。 3.3.2 可变增益放大器 在A/D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 大到A/D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 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3-6(b)所示。 I N - + 2 4 A 1 16K 16K 80K 26.67K 11.43K 5.33K 2.58K (外接) 8 16 A 3 V O UT 32 64 128 256 负载 1.27K 630Ω 314Ω 16K A V I N + 2 16K 外接地 (b)可变增益放大器 图3-6 前臵放大器 链接动画 把图3-6(a)中的外接电阻RG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 分别为2、4、8、16、32、64、128、256倍。显然,这一 组开关如果用多路模拟开关(类似CD4051)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 AD612/614等。 3.4 采样保持器 当某一通道进行A/D转换时,由于A/D 转换需要一 定的时间,如果输入信号变化较快,就会引起较大的 转换误差。为了保证A/D转换的精度,需要应用采样保 持器。 ? ? 3.4.1 数据采样定理 3.4.2 采样保持器 3.4.1 数据采样定理 离散系统或采样数据系统--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。 离散系统的采样形式--有周期采样、多阶采样和随 机采样。应用最多的是周期采样。 周期采样--就是以相同的时间间隔进行采样,即把 一个连续变化的模拟信号y(t),按一定 的时间间隔T 转变为在瞬时0,T, 2T,…的一连串脉冲序列信号 y*(t), 如图3-7所示。 y( t ) y( t ) y* t ) ( y* t ) ( ? 采样器 0 t 0 T T 2T 3T t 图3-7 图2-7 信号的采样过程 信号的采样过程 采样器的常用术语: 链接动画 采样器或采样开关--执行采样动作的装臵, 采样时间或采样宽度τ--采样开关每次闭合的时间 采样周期T--采样开关每次通断的时间间隔 在实际系统中,?《T ,也就是说,可以近似地认为采样 信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。 由经验可知,采样频率越高,采样信号 y*(t)越接近原 信号y(t),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,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y(t),采样频率f 至少要为原信号最高有效 频率fmax的2倍,即f ? 2fmax。 采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样 频率。实际应用中,常取f ?(5~10)fmax。 3.4.2采样保持器 1、 零阶采样保持器--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。 它的组成原理电路与工作波性如图3-8(a)、(b)所示。 采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、 保持电容CH等组成。采样期间,开关S闭合,输入电压VIN通 过A1对CH快速充电,输出电压VOUT跟随VIN变化;保持期间, 开关S断开,由于A2的输入阻抗很高,理想情况下电容CH将保 持电压VC不变,因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。 VIN S VIN A1 CH + - A2 VOUT t VOUT t 采样 保持 (a ) 原理电路 图 2-8 采样保持器 ( b ) 工作波性 图3-8 采样保持器 链接动画 显然,保持电容C H的作用十分重要。实际上保持 期间的电容保持电压VC在缓慢下降,这是由于保持电 容的漏电流所致。保持电压VC的变化率为 d Vc I D ? dt CH 式中: (3-3) ID--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。 电容CH值--增大电容CH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 样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下,保持 电容CH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510~1000pF。 2、零阶集成采样保持器--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3-9(a)、 (b)所示。这里,用TTL逻辑电平控制采样和保持状态,如 AD582的采样电平为“0”,保持电平为“1”,而LF198的则相 反。 图3-9 集成采样保持器 在A/D通道中,采样保持器的采样和保持电 平应与后级的A/D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A/D转换器直接提 供。 总之,保持器在采样期间,不启动A/D转换器, 而一旦进入保持期间,则立即启动A/D转换器,从 而保证A/D 转换时的模拟输入电压恒定,以确保 A/D转换精度(可参见图3-19 8路12位A/D转换模 板电路)。 3.5 A/D转换器 主要知识点 ? ? ? 3.5.1 3.5.2 3.5.3 工作原理与性能指标 ADC0809及其接口电路 AD574A芯片及其接口电路 3.5.1 工作原理与性能指标 ? 1.逐位逼近式A/D转换原理 ? 2.双积分式A/D转换原理 ? 3.电压/频率式A/D转换原理 ? 4.A/D转换器的性能指标 1.逐位逼近式A/D转换原理 一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转 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4位A/D转换器把模拟量9转换 为二进制数1001为例,说明逐位逼近式A/D转换器 的工作原理。如图3-10所示。 反馈电压 VO V IN 模拟量 输 入 启动 CLK 控制时序和 逻辑电路 逐位逼近寄 存 器 (SAR) 比较器 VC D / A转 换 器 数字量 输 出 锁存器 D0 D1 D2 D3 图3-10 逐位逼近式A/D转换原理图 链接动画 图 2-9 逐位逼近式A/D转换原理图 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D3 ? 1,其余为0, 此数字量1000经 D/A转换器转换成模拟电压即VO ? 8,送到比较器输入端与被转 换的模拟量VIN = 9进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行 判断。当VIN ? VO,则保留D3 = 1; ? 再对下一位D2进行比较,同样先使D2 ? 1,与上一位D3位一 起即1100进入D/A转换器,转换为VO ? 12再进入比较器,与VIN ? 9比较,因VIN ? VO,则使D2 ? 0; ? 再下一位D1位也是如此,D1 ? 1即1010,经D/A转换为VO = 10,再与VIN ? 9比较,因VIN ? VO,则使D1 ? 0; ? 最后一位D0 ? 1-即1001经D/A转换为VO ? 9,再与VIN ? 9 比较,因VIN ? VO,保留D0 ? 1。比较完毕,寄存器中的数字 量1001即为模拟量9的转换结果,存在输出锁存器中等待输出。 ? 一个 n 位A/D转换器的模数转换表达式是 VIN ? VR ? B? ? 2n VR ? ? VR ? (3-4) 式中 n —— n位A/D转换器; VR+、VR- ——基准电压源的正、负输入; VIN——要转换的输入模拟量; B——转换后的输出数字量。 即当基准电压源确定之后,n位A/D转换器的输 出数字量B与要转换的输入模拟量VIN呈正比。 例题3-2:一个8位A/D转换器,设VR+ = 5.02 V, VR? = 0 V,计算当VIN分别为0 V、2.5 V、5 V时所对 应的转换数字量。 解:把已知数代入公式(3-4): B? VIN ? VR? V ?0 ? 2 n ? IN ? 28 VR? ? VR? 5.02 ? 0 0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量分别为00H、 80H、FFH。 此种A/D转换器的常用品种有普通型8位单路 ADC0801~ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路 ADC0816/0817等,混合集成高速型12位单路AD574A、 ADC803等。 2.双积分式A/D转换原理 模 拟输 入 开关 VIN 积分器 基准 电源 比较 器 斜率固定 时钟 转换 开始 控制逻辑 转换 结束 计 数器 数字 量 输 出 固 定积 分 时 间 T1 T2 T 1 和 T 2 正 比 于输 入 电 压 Dn-1 ~ D0 ( a ) 电 路 组成 框 图 ( b ) 双 积分 原理 图3-11 双积分式A/D转换原理图 图 图 2 ? 10 双积分式 A/D 转换原理 双积分式A/D转换原理如图3-11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VIN 在固定时 间T内对积分器上的电容C充电(正向积分),时间一到,控 制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上,此时电 容C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C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 数正比于放电时间。 放电时间T1或T2又正比于输入电压VIN,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 大小反映了输入电压VIN在固定积分时间T内的平均值。 此种A/D转换器的常用品种有输出为3位半BCD码(二进 制编码的十进制数)的ICL7107、MC14433、输出为4位半BCD 码的ICL7135等。 3.电压/频率式A/D转换原理 电压/频率式转换器--简称V/F转换器,是把模拟 电压信号转换成频率信号的器件。 V/F转换的方法--实现V/F转换的方法很多,现以 常见的电荷平衡V/F转换法说明其转换 原理,如图3-12(a)、(b)所示。 V0 积分器 输出 反充电 充电 t 定时脉冲 (开关S 状态) S闭和 S断开 t Vfo 频率输出 (三极管 T状态) T截止 T导通 t T1 T (a) 电路原理图 (b) 波形图 图3-12 电荷平衡式V/F转换原理 A1是积分输入放大器,A2为零电压比较器,恒 流源IR和开关S构成A1的反充电回路,开关S由单稳态 定时器触发控制。当积分放大器A1的输出电压VO下降 到零伏时,零电压比较器A2输出跳变,则触发单稳态 定时器,即产生暂态时间为T1的定时脉冲,并使开关 S闭合;同时又使晶体管T截止,频率输出端VfO输出 高电平。 在开关S闭合期间,恒流源IR被接入 积分器的㈠输入端。由于电路是按 IR> Vimax/Ri设计的,故此时电容C被反向充 电,充电电流为IR-Vi /Ri,则积分器A1 输出电压VO从零伏起线 时间结束,定时器恢复稳态,使开关S断 开,反向充电停止,同时使晶体管T导通, VfO端输出低电平。 开关S断开后,正输入电压Vi开始对电 容C正向充电,其充电电流为Vi /Ri,则积 分器A1输出电压VO开始线输出再次跳变,又使单稳态 定时器产生T1时间的定时脉冲而控制开关S 再次闭合,A1再次反向充电,同时VfO端又 输出高电平。如此反复下去,就会在积分 器A1输出端VO、单稳态定时器脉冲输出端 和频率输出端VfO端产生如图3-12(b)所 示的波形,其波形的周期为T。 根据反向充电电荷量和正向充电电荷量相等 的电荷平衡原理,可得 Vi ? Vi ? ? IR - ?T 1 ? (T ? T 1) Ri ? Ri ? (3-5) 整理得 IR Ri T 1 T? Vi 则VfO端输出的电压频率为 1 Vi fO ? ? T IR Ri T 1 (3-6) (3-7) 这个fO就是由V i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V/F变换, 要求IR 、Ri和T1应准确稳定。积分电容C虽没有出 现在上式中,但它的漏电流将会影响到充电电流Vi /Ri,从而影响转换精度。为此应选择漏电流小的电 容。 此种V/F转换器的常用品种有VFC32、 LM131/LM231/LM331、AD650、AD651等。 4.A/D转换器的性能指标 (1)分辨率 分辨率是指A/D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。通常用数字量的位数来 表示,如8位、10位、12位等。分辨率为n,表示 它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即: 分辨率 = 满刻度值/2n (2)转换精度 A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对 误差来表示。 所谓绝对误差,是指对应于一个给定数字量 A/D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 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 般用百分数来表示,对A/D转换器常用最低有效值 的位数LSB(Least Significant Bit))来表示, 1LSB = 1/ 2n 。 例如,对于一个8位0~5V的A/D转换 器,如果其相对误差为±1LSB,则其绝对 误差为±19.5 mV,相对百分误差为0.39 %。一般来说,位数n越大,其相对误差 (或绝对误差)越小。 (3)转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转 换时间。如逐位逼近式A/D 转换器的转换时间 为微秒级,双积分式A/D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PC总线及其接口电路 主要知识点 ? 1、ADC0809芯片介绍 ? 2.ADC0809接口电路 1、 ADC0809芯片介绍 1、 ADC0809芯片介绍 ?8位逐位逼近式A/D转换器 ?分辨率为1/ 28 ≈0.39 % ?模拟电压转换范围是 0 - +5 V ?标准转换时间为100?s ?采用28脚双立直插式封装 图3-13 ADC0809内部结构及引脚 链接动画 各引脚功能如下: ? IN0~IN7:8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入, 共用一个A/D转换器。 ? ALE:地址锁存允许信号,输入,高电平有效。上升沿时锁 存3位通道选择信号。 ? A、B、C:3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电平时, 地址译码与对应通道选择见表3-2 。 ? START:启动A/D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A/D转换。 ? EOC: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。该信号用来打开 三态输出缓冲器,将A/D转换得到的8位数字量送到数据总 线为最高位。由于 有三态输出锁存,可与主机数据总线直接相连。 ?CLOCK:外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为 640kHz时,A/D转换时间为100?s。 ?VR+,VR-:基准电压源正、负端。取决于被转换 的模拟电压范围,通常VR+ = ?5V DC,VR- = 0V DC。 ?Vcc:工作电源, ?5VDC。 ?GND:电源地。 表3-2 C 0 0 0 0 1 被选通道和地址的关系 B 0 0 1 1 0 A 0 1 0 1 0 选中通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 1 1 1 0 1 1 1 0 1 IN5 IN6 IN7 ADC0809的内部转换时序 ALE C.B.A START EOC OE DO7~DO0 图3-14 ADC0809的转换时序 时 序 图 2-12 ADC0809的 转 换 其转换过程表述如下:首先ALE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 路模拟量进入到A/D转换器中。同时START 的上升沿 将转换器内部清零,下降沿起动A/D转换,即在时钟 的作用下,逐位逼近过程开始,转换结束信号EOC即 变为低电平。当转换结束后,EOC恢复高电平,此时, 如果对输出允许OE输入一高电平命令,则可读出数 据。 2.ADC0809接口电路 A/D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 A/D转换,如何判断A/D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。 ? (1)查询方式读A/D转换数 ? (2)定时方式读A/D转换数 (1)查询方式读A/D转换数 图3-15为采用程序查询方式的8路8位A/D转 换接口电路,由PC总线三态 缓冲器组成。图中,启动转换的板址PA= 0100 0000,每一路的口址分别为000-111,故8路转 换地址为40H-47H。 ADC0809 VIN0 VIN1 VIN2 VIN3 VIN4 VIN5 VIN6 VIN7 8路A/D 转换器 三态输 出锁存 缓冲器 DO7 DO6 DO5 DO4 DO3 DO2 DO1 DO0 PA D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PC总线 EOC A B C ALE 地址锁存 与译码 START CLOCK OE A3 A4 A5 A6 A7 AEN 02(1) 02(2) 02(3) IOR IOW A2 A1 A0 图3-15查询方式读A/D转换数 图 3-15 查询方式读A/D转换数 链接动画 接口程序如下: MOV BX,BUFF ;置采样数据区首址 MOV CX,08H ;8路输入 START: OUT PA,AL ;启动A/D转换 REOC: IN AL,PB ;读EOC RCR AL,01 ;判断EOC JNC REOC ;若EOC=0,继续查询 IN AL,PA ;若EOC=1,读A/D转 换数 MOV [BX],AL ;存A/D转换数 INC BX ;存A/D转换数地址加1 INC PA ;接口地址加1 LOOP START ;循环 现说明启动转换过程: 首先主机执行一条启动转换第1路的输出指令,即是把AL 中的数据送到地址为PA的接口电路中,此时AL中的内容无关紧要, 而地址PA=40H使138译码器的输出一个低电平,连同OUT输出指令 造成的低电平,从而使非与门02(3)产生脉冲信号到引脚ALE和 START,ALE的上升沿将通道地址代码000锁存并进行译码,选通 模拟开关中的第一路VIN0,使该路模拟量进入到A/D转换器中; 同时START的上升沿将ADC0809中的逐位逼近寄存器SAR清零,下降 沿启动A/D转换,即在时钟的作用下,逐位逼近的模数转换过程 开始。 接着,主机查询转换结束信号EOC的状态,通过 执行输入指令,即是把地址为PB的转换接口电路的数据 读入AL中,此时地址PB= 0100 1000(48H),使138译 从而使非与门02(1)产生脉冲信号并选通126三态缓冲 器,使EOC电平状态出现在数据线 位数据进行带进位循环右移,以判断EOC的电平状态。 如果EOC为“0”,表示A/D转换正在进行,程序再跳回 REOC,反复查询;当EOC为“1”,表示A/D 转换结束。 码器的输出一个低电平,连同IN输入指令造成的低电平, 然后,主机便执行一条输入指令,把接口地址为 PA的转换数据读入AL中,即是输出一个低电平,连同IN 输入指令造成的低电平,从而使非与门02(2)产生脉 冲信号,即产生输出允许信号到OE,使ADC0809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 AL中。 接下来,把A/D转换数据存入寄存器BX所指的数据 区首地址0000H中,数据区地址加1,为第2路A/D转换数 据的存放作准备;接口地址加1,准备接通第2路模拟量 信号;计数器减1,不为0则返回到START,继续进行下 一路的A/D转换。如此循环,直至完成8路A/D转换。 (2)定时方式读A/D转换数 定时方式读A/D转换数的电路组成如图3-16所示,它与查询 方式不同的仅仅在于启动A/D转换后,无需查询EOC引脚状态而只 需等待转换时间,然后读取A/D转换数。因此,硬件电路可以取 消126三态缓冲器及其控制电路,软件上也相应地去掉查询EOC电 平的REOC程序段,而换之以调用定时子程序(CALL 可。 DELAY)即 这里定时时间应略大于ADC0809的实际转换时间。图中, ADC0809的CLOCK引脚(输入时钟频率)为640KHz,因此转换时间 为8×8个时钟周期,相当于100μS。 ADC0809 VIN0 VIN1 VIN2 VIN3 VIN4 VIN5 VIN6 VIN7 8路A/D 转换器 三态输 出锁存 缓冲器 DO7 DO6 DO5 DO4 DO3 DO2 DO1 DO0 PA Y0 Y1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A B C 138 G1 译码器 GA GB A3 PC总线 AEN A B C ALE 地址锁存 与译码 OE START CLOCK 640KHz 02(1) 02(2) IOR IOW A2 A1 A0 图3-16定时方式读A/D转换数 链接动画 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A/D转换芯片完成一次A/D转换所 需的时间。 这两种方法的共同点是硬软件接口简单,但在 转换期间独占了CPU时间,好在这种逐位逼近式A/D 转换的时间只在微秒数量级。当选用双积分式A/D转 换器时,因其转换时间在毫秒级,因此采用中断法 读A/D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A/D转换器 芯片而定。 8位A/D转换器的分辨率约为0.0039,转换 精度在0.4%以下, 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A/D转 换器,如10位、12位、14位等A/D转换器。下面以 AD574A为例介绍12位A/D转换器及其接口电路。 3.5.3 AD574A芯片及其接口电路 主要知识点 ? 1.AD574A芯片介绍 ? 2. AD574A接口电路 1.AD574A芯片介绍 1.AD574A芯片介绍 ? AD574A是一种高性能的12位逐位逼近式A/D转换器 ? 分辨率为1/212 = 0.024% ? 转换时间为25μs,适合于在高精度快速采样系统中使用 ? 内部结构大体与ADC0809类似,由12位A/D转换器、控制 逻辑、三态输出锁存缓冲器与10V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 ? AD574A也采用28脚双立直插式封装 图 3-17 AD574A原理框图及引脚 各引脚功能如下: ? Vcc:工作电源正端,+12 VDC或+15 VDC。 ? VEE:工作电源负端,?12 VDC或?15 VDC。 ? VL:逻辑电源端,+5 VDC。虽然使用的工作电源为 ?12VDC或?15 VDC, 但数字量输出及控制信号的逻辑 电平仍可直接与TTL兼容。 ? DGND,AGND:数字地,模拟地。 ? REF OUT:基准电压源输出端,芯片内部基准电压源 为+10.00 V?1%。 ? REF IN:基准电压源输入端,如果REF OUT通过电阻 接至REF IN,则可用来调量程。 STS :转换结束信号,高电平表示正在转换,低电平表 示已转换完毕。 DB0-DB11:12位输出数据线,三态输出锁存,可与主 机数据线直接相连。 CE:片能用信号,输入,高电平有效。 CS :片选信号,输入,低电平有效。 R/ C :读/转换信号,输入,高电平为读A/D转换数据, 低电平为起动A/D转换。 12/ 8 :数据输出方式选择信号,输入,高电平时输出 12位数据,低电平时与A0信号配合输出高8位或低4位数 据。12/ 8 不能用TTL电平控制,必须直接接至+5V(引脚 1)或数字地(引脚15)。 ?A0:字节信号,在转换状态,A0为低电平可使AD574A产 生12位转换,A0为高电平可使AD574A产生8位转换。在读 数状态,如果12/ 8 为低电平,A0为低电平时,则输出高8 位数,而A0为高电平时,则输出低4位数;如果12/ 8 为高 电平,则A0的状态不起作用。 ?CE、 、R/ C 、12/ 8 、 A0各控制信号的组合作用,列 CS 于表3-4。 注:× 表示1或0都可以。 10VIN,20VIN,BIP OFF:模拟电压信号输入端。单极 性应用时,将BIP OFF接0 V,双极性时接10 V。量程可以 是10 V,也可以是20 V。输入信号在10 V范围内变化时, 将输入信号接至10 VIN;在20V范围内变化时,接至20VIN。 模拟输入信号的几种接法如表3-3所示,相应电路如图318所示。 表3-3 模拟输入信号的几种接法 零点调整 + 12V 100kΩ 100 Ω 100k Ω _ 12V AD574A 量程调整 100Ω 10 8 12 13 14 9 REF IN REF OUT 10 0 Ω 零点调整 -5 ~ +5 V输入 -10 ~ +10V输入 BIP OFF 10VIN 20VIN AGND AD574A 10 8 12 13 14 9 100 Ω 量程调整 BIP OFF 0 ~ 10V输入 0 ~ 20V输入 10VIN 20VIN AGND (a) 单极性 图 2-14 AD574A的输入信号连接方法 (b) 双极性 图 3-18 AD574A的输入信号连接方法 2. AD574A接口电路 12位A/D转换器AD574A与PC总线的接口有多种方式。既 可以与PC总线位数据总线位数 据采集系统;也可以只占用PC总线位数据总线位数字量分两次读入主机,以节省硬件投入。 同样,在A/D转换器与PC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 AD574A的转换速度很高,一般多采用查询或定时方式。其接 口电路及其程序参见下一节。 3.6 A/D转换模板 在计算机控制系统中,同模拟量输出通道一样,模拟量 输入通道也是以模板或板卡形式出现的,A/D转换模板也需要 遵循I/O模板的通用性原则:符合总线标准,接口地址可选以 及输入方式可选。前两条同D/A模板一样,而输入方式可选主 要是指模板既可以接受单端输入信号也可以接受双端差动输 入信号。 在结构组成上,A/D转换模板也是按照I/O电气接口、 I/O功能逻辑和总线接口逻辑三部分布局的。其中。I/O电气 接口完成电平转换、滤波、隔离等信号调理作用,I/O功能部 分实现采样、放大、模/数转换等功能,总线接口完成数据缓 冲、地址译码等功能。 +5V 100 Ω PA 7 PA 3 PA 0 PB 7 PC总线 PC 0 D0 CE CS R/C 12/8 VLOGIC STS BIFOFF D11 REFIN D8 REFOUT D7 AD574A 10VIN AGND A0 DGND 5 4 +12V 100K Ω 100K Ω -12V 100Ω +15V +15V -15V 8 Sm VDD VEE V0 1 3 LF398 7 6 CH -15V CD4051 S0 INH C B A VSS S7 V7 图 3-19 8路12位A/D转换模板电路 图3-19是一种8路12位A/D转换模板的示例。图 中只给出了总线接口与I/O功能实现部分,由8路模 拟开关CD4051、采样保持器LF398、12 位A/D 转换 器AD574A和并行接口芯片8255A等组成。 该模板的主要技术指标如下: 分辨率:12位 通道数:单端8路 输入量程:单极性0~10V 转换时间:25μs 传送应答方式:查询 该模板采集数据的过程如下: (1) 通道选择 将模拟量输入通道号写入8255A的端口C低4位(PC3~ PC0),可以依次选通8路通道。 (2)采样保持控制 把AD574A的信号通过反相器连到LF398的信号采样保持 端,当AD574A未转换期间或转换结束时=0,使LF398处 于采样状态,当AD574A转换期间=1,使LF398处于保持 状态。 (3)启动AD574A进行A/D转换 通过8255A的端口PC6~PC4输出控制信号启动AD574A。 (4)查询AD574A是否转换结束 读8255A的端口A,查询是否已由高电平变为低电平。 (5)读取转换结果 若已由高电平变为低电平,则读8255A端口A、B, 便可得到12位转换结果。 设8255A的A、B、C端口与控制寄存器的地址为2C0H2C3H,主过程已对8255A初始化,且已装填DS、ES(两者 段基值相同),采样值存入数据段中的采样值缓冲区BUF, 另定义一个8位内存单元BUF1。该过程的数据采集程序 框图如图3-20所示,数据采集程序如下: 图 3-20 8路数据采集程序框图 AD574A PROC NEAR ;过程定义伪指令 MOV CX,8 ;计数器初始 CLD ;标志位DF清零 MOV AL,00000000B ; MOV BUF1,AL ;CE=0, =0,R/ C =0, CS INH =C =B=A=0,控制信号初始,通道号初始 LEA BX,BUF NEXTCH: MOV DX,2C2H MOV AL,BUF1 OUT DX,AL NOP NOP OR AL,01000000B OUT DX,AL AND AL,10111111B OUT DX,AL MOV DX,2C0H POLLING: IN AL,DX TEST AL,80H JNZ POLLING ;置采样缓冲区首址 ;8255A的PC口址 ;送PC口控制信号与通道号 ;CE=1 ;启动A/D ;CE=0 ;8255A的PA口址 ;测试 MOV AL,BUF1 OR AL,01010000B;R/=1 MOV DX,2C2H OUT DX,AL ;输出12位转换数到8255A MOV DX,2C0H IN AL,DX ;读8255A的PA口 AND AL,0FH MOV AH,AL ;保留PA口低4位(12位中的高4位) INC DX ;读低8位 IN AL,DX ;读8255A的PB口(12位中的低8位) STOSW ;12位数存入内存,自动修改采样缓 冲区指针 INC BUF1 ;修改通道号 LOOP NEXTCH ;采集下一个通道,直到第8路 MOV AL,00111000B;CE=0,=R/=1 MOV DX,2C2H OUT DX,AL ;不操作 RET AD574A ENDP 本章小结 模拟量输入通道是计算机测控系统、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组成部分。 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——信号调理、多路模拟开关、前臵放大器、采样保 持器、A/D转换器及其接口电路与A/D转换模板的结构原理与功能 作用,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A/D转换量程要求,那就不必再用I/V转换 和前臵放大器;又如输入信号变化缓慢而A/D转换时间足够短, 能满足A/D转换精度,也就不必用采样保持器;当可以利用A/D转 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——A/D转换器是不能缺少的。 最后给出一种8路12位A/D转换模板的电路原理图及其接口程 序。 思考题 1.画图说明模拟量输入通道的功能、各组成部分及其作用? 2.分析说明8路模拟开关CD4051的结构原理图,结合线路双端模拟开关的示意图。 3.什么叫周期采样?采样时间?采样周期? 4.分析图3-8采样保持器的原理电路及工作过程。 5.简述逐位逼近式、双积分式、电压/频率式的A/D转换原理。 6.结合图3-13与图3-14,分析说明ADC0809的结构组成及其引 脚作用。 7.试分析图3-15、图3-16 ADC0809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。 8.分析说明图3-19的8路12位A/D转换模板的工作原理。


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