第3章過(guò)程輸入輸出通道

1、第第3章章 過(guò)程輸入輸出通道過(guò)程輸入輸出通道3.1 概述概述3.2 模擬量輸入通道模擬量輸入通道3.3 模擬量輸入出通道模擬量輸入出通道3.4 數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道3.5 數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道 3.6 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 3.1 概述概述1. 過(guò)程輸入輸出通道與主機(jī)交換的信息類型過(guò)程輸入輸出通道與主機(jī)交換的信息類型1）數(shù)據(jù)信息：反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)及狀態(tài)的信息，包括數(shù)字）數(shù)據(jù)信息：反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)及狀態(tài)的信息，包括數(shù)字量和模擬量。量和模擬量。2）狀態(tài)信息：又叫應(yīng)答信息、握手信息，反映過(guò)程通道的狀）狀態(tài)信息：又叫應(yīng)答信息、握手信息，反映過(guò)程通道的狀態(tài)，如準(zhǔn)備就緒信號(hào)等。態(tài)，如準(zhǔn)

2、備就緒信號(hào)等。3）控制信息：用來(lái)控制過(guò)程通道的啟動(dòng)和停止等信息，如三）控制信息：用來(lái)控制過(guò)程通道的啟動(dòng)和停止等信息，如三態(tài)門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動(dòng)等。態(tài)門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動(dòng)等。2. 過(guò)程通道的編址方式過(guò)程通道的編址方式1）過(guò)程通道與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式）過(guò)程通道與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式2）過(guò)程通道與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式）過(guò)程通道與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式3. 主機(jī)對(duì)過(guò)程通道的控制方式主機(jī)對(duì)過(guò)程通道的控制方式1 1）程序傳送控制方式）程序傳送控制方式程序傳送控制方式是指完全靠程序來(lái)控制信息在程序傳送控制方式是指完全靠程序來(lái)控制信息在CPU與與I/O設(shè)備之間的傳送，又分為無(wú)條件（同步）傳送方式和條件

3、設(shè)備之間的傳送，又分為無(wú)條件（同步）傳送方式和條件（查詢）傳送方式。（查詢）傳送方式。2 2）中斷傳送方式）中斷傳送方式 中斷是外設(shè)中斷是外設(shè)(或其他中斷源或其他中斷源)中止中止CPU當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)向該外設(shè)服務(wù)的程序，即完成外設(shè)與轉(zhuǎn)向該外設(shè)服務(wù)的程序，即完成外設(shè)與CPU間傳送一次數(shù)據(jù)，間傳送一次數(shù)據(jù)，一旦服務(wù)結(jié)束，又返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。一旦服務(wù)結(jié)束，又返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。 3 3）直接存儲(chǔ)器存?。ǎ┲苯哟鎯?chǔ)器存?。―MADMA）傳送方式）傳送方式 數(shù)據(jù)傳送執(zhí)行的時(shí)間小于完成中斷過(guò)程所需時(shí)間，大量數(shù)據(jù)傳送執(zhí)行的時(shí)間小于完成中斷過(guò)程所需時(shí)間，大量數(shù)據(jù)在高速外設(shè)與存儲(chǔ)器之

4、間傳送時(shí)，采用數(shù)據(jù)在高速外設(shè)與存儲(chǔ)器之間傳送時(shí)，采用DMA方式。方式。 DMA的工作流程的工作流程 3.2 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對(duì)象的過(guò)程參數(shù)如溫度、模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對(duì)象的過(guò)程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收壓力、流量、液位、重量等模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號(hào)。的數(shù)字量信號(hào)。 3.2.1 信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路 信號(hào)處理電路包括信號(hào)濾波、小信號(hào)放大、信號(hào)衰減、阻抗信號(hào)處理電路包括信號(hào)濾波、小信號(hào)放大、信號(hào)衰減、阻抗匹配、電平變換、線性化處理、電流匹配、電平變換、線性化處理、電流/電壓轉(zhuǎn)換等。電壓

5、轉(zhuǎn)換等。 在控制系統(tǒng)中，對(duì)被控量的檢測(cè)往往采用各種類型的測(cè)量變?cè)诳刂葡到y(tǒng)中，對(duì)被控量的檢測(cè)往往采用各種類型的測(cè)量變送器，當(dāng)它們的輸出信號(hào)為送器，當(dāng)它們的輸出信號(hào)為010 mA或或420 mA的電流信號(hào)的電流信號(hào)時(shí)，一般是采用電阻分壓法把現(xiàn)場(chǎng)傳送來(lái)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電時(shí)，一般是采用電阻分壓法把現(xiàn)場(chǎng)傳送來(lái)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，主要有兩種變換電路。壓信號(hào)，主要有兩種變換電路。（1）無(wú)源）無(wú)源I/V變換電路變換電路 （2）有源）有源I/V變換電路變換電路-+A2R1RVI(a ) 無(wú)無(wú) 源源 I I / / V V 變變 換換 電電 路路(b ) 有有 源源 I I / / V V 變變 換換 電電

6、 路路圖圖 2 -2 電電 流流 / / 電電 壓壓 變變 換換 電電 路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+ 5 Vv R1=100R2=500 ， 則則010mA對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)05Vv R1=100R2=250， 則則 420mA對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)15Vv R為精密電阻為精密電阻v 二極管保護(hù)作用二極管保護(hù)作用2） 有源有源I/V變換變換3411RRIRVG若取若取R1=200，R3=100k，R4=150k，則輸入電流，則輸入電流I的的010 mA就對(duì)應(yīng)電壓輸出就對(duì)應(yīng)電壓輸出V的的05 V；若取若取R1=200，R3=100k，R4=25k，則，則420 mA的的輸入電流對(duì)應(yīng)于輸入電流對(duì)應(yīng)于15 V

7、的電壓輸出。的電壓輸出。-+A2R1RVI(a ) 無(wú)無(wú) 源源 I I / / V V 變變 換換 電電 路路(b ) 有有 源源 I I / / V V 變變 換換 電電 路路圖圖 2 -2 電電 流流 / / 電電 壓壓 變變 換換 電電 路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+ 5 V 由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)計(jì)由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻只能接算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻只能接收一個(gè)回路的信號(hào)。所以，必須通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多選一的收一個(gè)回路的信號(hào)。所以，必須

8、通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多選一的操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。多路開(kāi)關(guān)有兩類：多路開(kāi)關(guān)有兩類： （1）、機(jī)械觸點(diǎn)式，如干簧繼電器、水銀繼電器和機(jī)械振子）、機(jī)械觸點(diǎn)式，如干簧繼電器、水銀繼電器和機(jī)械振子式繼電器，目前已很少使用；式繼電器，目前已很少使用； （2）、電子式開(kāi)關(guān)，如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管及可編程集成電路）、電子式開(kāi)關(guān)，如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管及可編程集成電路開(kāi)關(guān)等。在這里我們主要介紹常用的集成電路芯片，如集成電開(kāi)關(guān)等。在這里我們主要介紹常用的集成電路芯片，如集成電路芯片路芯片CD4051(雙向、單端、雙向、單端、8路路)、CD4052(單向、雙端、單向、

9、雙端、4路路)、AD7506(單向、單端、單向、單端、16路路)等。等。 3.2.2 多路模擬開(kāi)關(guān)多路模擬開(kāi)關(guān)現(xiàn)以常用的現(xiàn)以常用的CD4051為例為例 當(dāng)采樣通道多至當(dāng)采樣通道多至16路時(shí)，可直接選用路時(shí)，可直接選用16路路模擬開(kāi)關(guān)的芯片，也可模擬開(kāi)關(guān)的芯片，也可以將以將2個(gè)個(gè)8路路CD4051并并聯(lián)起來(lái)，組成聯(lián)起來(lái)，組成1個(gè)單端的個(gè)單端的16路開(kāi)關(guān)。圖路開(kāi)關(guān)。圖3-7給出了給出了兩個(gè)兩個(gè)CD4051擴(kuò)展為擴(kuò)展為116路模擬開(kāi)關(guān)的電路模擬開(kāi)關(guān)的電路。路。 多路模擬開(kāi)關(guān)的擴(kuò)展多路模擬開(kāi)關(guān)的擴(kuò)展3.2.3 前置放大器前置放大器 前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小

10、信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如范圍之內(nèi)，如05VDC。1. 測(cè)量放大器測(cè)量放大器 在實(shí)際工程中在實(shí)際工程中,來(lái)自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)往往帶有較大的共來(lái)自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)往往帶有較大的共模干擾，而單個(gè)運(yùn)放電路的差動(dòng)輸入端難以起到很好的抑制作模干擾，而單個(gè)運(yùn)放電路的差動(dòng)輸入端難以起到很好的抑制作用。用。 因此，因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一組運(yùn)放構(gòu)成的通道中的前置放大器常采用由一組運(yùn)放構(gòu)成的測(cè)量放大器，也稱儀表放大器。測(cè)量放大器，也稱儀表放大器。 經(jīng)典的測(cè)量放大器是由三個(gè)運(yùn)放組成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，測(cè)量放大器經(jīng)典的測(cè)量放大器是由三個(gè)運(yùn)放組成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，測(cè)量放大器的差動(dòng)輸入端

11、的差動(dòng)輸入端VIN 和和VIN 分別是兩個(gè)運(yùn)放分別是兩個(gè)運(yùn)放A1、A2的同相輸入端，的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對(duì)稱地直接與被測(cè)信號(hào)相連，因而有著輸入阻抗很高，而且完全對(duì)稱地直接與被測(cè)信號(hào)相連，因而有著極強(qiáng)的抑制共模干擾能力。圖中極強(qiáng)的抑制共模干擾能力。圖中RG是外接電阻，專用來(lái)調(diào)整放是外接電阻，專用來(lái)調(diào)整放大器增益的。增益公式為：大器增益的。增益公式為：OUT1ININ22(1)SGVRRGVVRR2. 可變?cè)鲆娣糯笃骺勺冊(cè)鲆娣糯笃?在在A/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測(cè)信號(hào)常常共用一個(gè)測(cè)量放大器，轉(zhuǎn)換通道中，多路被測(cè)信號(hào)常常共用一個(gè)測(cè)量放大器，而各路的輸入信號(hào)大小往往不同，但都要放大到而各

12、路的輸入信號(hào)大小往往不同，但都要放大到A/D轉(zhuǎn)換器的同轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對(duì)應(yīng)于各路不同大小的輸入信號(hào)，測(cè)量放一量程范圍。因此，對(duì)應(yīng)于各路不同大小的輸入信號(hào)，測(cè)量放大器的增益也應(yīng)不同。具有這種性能的放大器稱為可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆嬉矐?yīng)不同。具有這種性能的放大器稱為可變?cè)鲆娣糯笃骰蚩删幊谭糯笃鳌４笃骰蚩删幊谭糯笃鳌?3.2.4 采樣保持器采樣保持器 當(dāng)某一通道進(jìn)行當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由于轉(zhuǎn)換時(shí)，由于A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化較快，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證果輸入信號(hào)變化較快，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采

13、樣保持器換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器。1. 零階采樣保持器零階采樣保持器2. 零階集成采樣保持器零階集成采樣保持器 常用的零階集成采樣保持器有常用的零階集成采樣保持器有AD582、LF198/298/398等，其等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖3-10所示。這里，用所示。這里，用TTL邏輯電平控制采邏輯電平控制采樣和保持的狀態(tài)，如若樣和保持的狀態(tài)，如若AD582的采樣電平為的采樣電平為“0”，則保持電平，則保持電平為為“1”，而，而LF198的則相反。的則相反。3.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. A/D轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理常用的常用的A/D轉(zhuǎn)換器原理可分為轉(zhuǎn)換器原理可分為逐位

14、逼近式逐位逼近式和和雙積分式雙積分式兩種。兩種。 1) 逐位逼近式逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理根據(jù)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理，一個(gè)轉(zhuǎn)換器的原理，一個(gè)n位位A/D轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制數(shù)字量字量B與模擬輸入電壓與模擬輸入電壓VIN、正基準(zhǔn)電壓、正基準(zhǔn)電壓VR+、負(fù)基準(zhǔn)電壓、負(fù)基準(zhǔn)電壓VR-的關(guān)系為的關(guān)系為IN2RnRRVVBVV 一個(gè)一個(gè)8位位A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)轉(zhuǎn)換器，設(shè)VR+ = 5.00V， VR = 0 V，那么，那么當(dāng)當(dāng)VIN分別為分別為0 V、2.5 V、5 V時(shí)所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量時(shí)所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量B分別分別為為00H、80H、FFH。 逐位逼近式逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)

15、換器很好的兼顧了速度和精度，在轉(zhuǎn)換器很好的兼顧了速度和精度，在16位位以下的以下的A/D轉(zhuǎn)換器中廣泛的使用。缺點(diǎn)是抗干擾能力不夠強(qiáng)，轉(zhuǎn)換器中廣泛的使用。缺點(diǎn)是抗干擾能力不夠強(qiáng)，且當(dāng)信號(hào)變化率較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大線性誤差。且當(dāng)信號(hào)變化率較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大線性誤差。 此種此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有普通型轉(zhuǎn)換器的常用品種有普通型8位單路位單路ADC0801ADC0805、8位位8路路ADC0808/0809、8位位16路路ADC0816/0817等，混合集成高速型等，混合集成高速型12位單路位單路AD574A、ADC803等。等。2)雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理3)其它其它A/D轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)

16、換方式 （1）電壓電壓/頻率式轉(zhuǎn)換器：頻率式轉(zhuǎn)換器：簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱V/F轉(zhuǎn)換器，是把模擬電壓信轉(zhuǎn)換器，是把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)的器件。此種號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)的器件。此種V/F轉(zhuǎn)換器的常用品種有轉(zhuǎn)換器的常用品種有VFC32、LM131/LM231/LM331、AD650、AD651等。等。（2）計(jì)數(shù)比較式：計(jì)數(shù)比較式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，速度慢，較少采用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，速度慢，較少采用。（3）全并行比較型（全并行比較型（Flash型）：型）：采用多個(gè)比較器，速度極采用多個(gè)比較器，速度極高，電路規(guī)模大，成本高。高，電路規(guī)模大，成本高。 （4）分級(jí)型：分級(jí)型：減少并行比較減少并行比較ADC的位數(shù)

17、，分級(jí)多次轉(zhuǎn)換，減的位數(shù)，分級(jí)多次轉(zhuǎn)換，減小電路規(guī)模，保持較高速度。小電路規(guī)模，保持較高速度。 （5）-型（過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器）：型（過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器）：高速高速1bit DAC+數(shù)字濾波，數(shù)字濾波，轉(zhuǎn)換成低采樣率高位數(shù)字，分辨率高。轉(zhuǎn)換成低采樣率高位數(shù)字，分辨率高。-型型A/D轉(zhuǎn)換芯片有轉(zhuǎn)換芯片有AD7715等。等。2. A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)1) 分辨率：分辨率：是指是指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)變化的敏感程度，轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)變化的敏感程度，通常用數(shù)字輸出最低有效位（通常用數(shù)字輸出最低有效位（Least Significant Bit，LSB）所對(duì)應(yīng)的模擬量輸入電壓值表

18、示。所對(duì)應(yīng)的模擬量輸入電壓值表示。2) 轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間：從發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號(hào)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)有效的時(shí)間從發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號(hào)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)有效的時(shí)間間隔，即完成間隔，即完成n位轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)即每秒能位轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)即每秒能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。 3) 轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度：有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。其中絕對(duì)有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。其中絕對(duì)精度是指滿量程輸出情況下模擬量輸入電壓的實(shí)際值與理想值精度是指滿量程輸出情況下模擬量輸入電壓的實(shí)際值與理想值之間的差值；相對(duì)精度是指在滿量程已校準(zhǔn)的情況下，整個(gè)轉(zhuǎn)之間的差值；相對(duì)

19、精度是指在滿量程已校準(zhǔn)的情況下，整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)任一數(shù)字量輸出所對(duì)應(yīng)的模擬量輸入電壓的實(shí)際值與換范圍內(nèi)任一數(shù)字量輸出所對(duì)應(yīng)的模擬量輸入電壓的實(shí)際值與理想值之間的最大差值。轉(zhuǎn)換精度常用理想值之間的最大差值。轉(zhuǎn)換精度常用LSB的分?jǐn)?shù)值來(lái)表示，的分?jǐn)?shù)值來(lái)表示，如如1/2LSB、1/4LSB等。等。 4) 線性度：線性度：理想理想A/D轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性應(yīng)是線性的，滿量轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性應(yīng)是線性的，滿量程范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換的實(shí)際特性與理想特性的最大偏移稱為非線性度，程范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換的實(shí)際特性與理想特性的最大偏移稱為非線性度，用用LSB的分?jǐn)?shù)值來(lái)表示，如的分?jǐn)?shù)值來(lái)表示，如1/2LSB、1/4LSB等。等。 5)

20、轉(zhuǎn)換量程：轉(zhuǎn)換量程：所能轉(zhuǎn)換的模擬量輸入電壓范圍，如所能轉(zhuǎn)換的模擬量輸入電壓范圍，如05V，010V，55V等等 。6) 轉(zhuǎn)換輸出：轉(zhuǎn)換輸出：通常數(shù)字輸出電平與通常數(shù)字輸出電平與TTL電平兼容，并且為三電平兼容，并且為三態(tài)邏輯輸出態(tài)邏輯輸出 7) 對(duì)基準(zhǔn)電源的要求：對(duì)基準(zhǔn)電源的要求：基準(zhǔn)電源的精度將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)基準(zhǔn)電源的精度將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響，故選片時(shí)應(yīng)考慮是否要外加精密參考電源等生影響，故選片時(shí)應(yīng)考慮是否要外加精密參考電源等 模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理誤差模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理誤差n取樣量化導(dǎo)致信息丟失。這主要來(lái)自兩個(gè)方面的原因；取樣量化導(dǎo)致信息丟失。這主要來(lái)自兩個(gè)方面的原因；其一：取樣其一：取樣

21、使得我們用時(shí)間軸上的有限時(shí)間點(diǎn)來(lái)代替原模擬信號(hào)使得我們用時(shí)間軸上的有限時(shí)間點(diǎn)來(lái)代替原模擬信號(hào)的無(wú)限連續(xù)時(shí)間點(diǎn)；的無(wú)限連續(xù)時(shí)間點(diǎn)；其二：量化其二：量化使得我們用幅度軸上有限位數(shù)（模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有限位使得我們用幅度軸上有限位數(shù)（模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有限位數(shù)）來(lái)代替模擬信號(hào)的無(wú)限位數(shù)。數(shù)）來(lái)代替模擬信號(hào)的無(wú)限位數(shù)。n 這樣兩個(gè)因素破壞了模擬信號(hào)的完整性，導(dǎo)致我們無(wú)法獲得真實(shí)這樣兩個(gè)因素破壞了模擬信號(hào)的完整性，導(dǎo)致我們無(wú)法獲得真實(shí)模擬信號(hào)中的信息。模擬信號(hào)中的信息。n這是一個(gè)原理性的誤差源，若要減小這個(gè)誤差，只有提高采樣速率，這是一個(gè)原理性的誤差源，若要減小這個(gè)誤差，只有提高采樣速率，增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度（提

22、高轉(zhuǎn)換器的位數(shù)），當(dāng)這兩個(gè)參數(shù)達(dá)增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度（提高轉(zhuǎn)換器的位數(shù)），當(dāng)這兩個(gè)參數(shù)達(dá)到極限時(shí)，可以復(fù)現(xiàn)出模擬信號(hào)。然而，這兩個(gè)參數(shù)是處在相互矛到極限時(shí)，可以復(fù)現(xiàn)出模擬信號(hào)。然而，這兩個(gè)參數(shù)是處在相互矛盾之中，目前還無(wú)法和諧、統(tǒng)一。盾之中，目前還無(wú)法和諧、統(tǒng)一。 在在NI可提供的產(chǎn)品中：可提供的產(chǎn)品中： nNI PXI-5154是目前采樣速率最高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但分辨率只有是目前采樣速率最高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但分辨率只有8bits。NI PXI-4071是目前測(cè)量分辨率最高的模塊，是目前測(cè)量分辨率最高的模塊，26bits分辨率時(shí)，每秒分辨率時(shí)，每秒7次讀數(shù)。次讀數(shù)。NI PXI-5922則是高速

23、度、高分辨率二者兼顧最好的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，則是高速度、高分辨率二者兼顧最好的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，24bits分辯率時(shí)分辯率時(shí)500KHz采樣速率；采樣速率；16bits分辨率時(shí)分辨率時(shí)15MHz采樣率。采樣率。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多越好嗎？模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多越好嗎？n為了消除模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理誤差，應(yīng)該盡可能的提高采樣為了消除模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理誤差，應(yīng)該盡可能的提高采樣速率和分辨率（這個(gè)概念是對(duì)的），但是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分速率和分辨率（這個(gè)概念是對(duì)的），但是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率越高就意味著測(cè)量準(zhǔn)確度越高嗎？辨率越高就意味著測(cè)量準(zhǔn)確度越高嗎？ 分辨率（精密度）高不等于精度高分辨率（精密度）高不等于精度高（正是由于避免

24、混用的（正是由于避免混用的原因，精度這個(gè)詞已經(jīng)不建議使用了）。原因，精度這個(gè)詞已經(jīng)不建議使用了）。如：如：NI PXI-4461（NI USB-9233）都具備）都具備24bits的分辨的分辨率，不能說(shuō)測(cè)量精度就很高。精密度與準(zhǔn)確度（精度）不率，不能說(shuō)測(cè)量精度就很高。精密度與準(zhǔn)確度（精度）不能混為一談。能混為一談。n可以說(shuō)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率高，測(cè)量的精密度好，動(dòng)態(tài)范可以說(shuō)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率高，測(cè)量的精密度好，動(dòng)態(tài)范圍大。圍大。 以以NI USB-9233為例為例 從它的產(chǎn)品介紹來(lái)看：它的準(zhǔn)確度在從它的產(chǎn)品介紹來(lái)看：它的準(zhǔn)確度在060度的環(huán)境溫度范度的環(huán)境溫度范圍內(nèi)是：圍內(nèi)是：0.1dB。這個(gè)數(shù)

25、值是比較差的，即便是與它的動(dòng)態(tài)。這個(gè)數(shù)值是比較差的，即便是與它的動(dòng)態(tài)范圍相比，其準(zhǔn)確度也就在：正、負(fù)范圍相比，其準(zhǔn)確度也就在：正、負(fù)0 .1。實(shí)際上，。實(shí)際上，14bits以上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器都可以達(dá)到這樣的技術(shù)性能以上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器都可以達(dá)到這樣的技術(shù)性能 .但是要注意，但是要注意，它的穩(wěn)定性很好，對(duì)比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，它的穩(wěn)定性指標(biāo)要比它的穩(wěn)定性很好，對(duì)比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，它的穩(wěn)定性指標(biāo)要比準(zhǔn)確度指標(biāo)好準(zhǔn)確度指標(biāo)好100倍，所以適合做精密測(cè)試。倍，所以適合做精密測(cè)試。 以以NI USB-9233為例為例n那干什么還要用干什么還要用24bits的模數(shù)轉(zhuǎn)換器呢？的模數(shù)轉(zhuǎn)換器呢？n 其實(shí)這來(lái)自于測(cè)量不同信號(hào)的

26、需求，我們知道：聲音其實(shí)這來(lái)自于測(cè)量不同信號(hào)的需求，我們知道：聲音和振動(dòng)沖擊信號(hào)的（瞬時(shí)值）變化范圍比較大，比如：聲和振動(dòng)沖擊信號(hào)的（瞬時(shí)值）變化范圍比較大，比如：聲音的最大變化范圍可以是：音的最大變化范圍可以是：0140dB（通常最大為（通常最大為120dB）。為了測(cè)量這些信號(hào)需要再同一個(gè)量程下實(shí)現(xiàn)完）。為了測(cè)量這些信號(hào)需要再同一個(gè)量程下實(shí)現(xiàn)完整的測(cè)量，這就需要這種動(dòng)態(tài)范圍較大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而整的測(cè)量，這就需要這種動(dòng)態(tài)范圍較大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而相對(duì)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度的要求并不是很高，比如：工業(yè)聲級(jí)計(jì)的相對(duì)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度的要求并不是很高，比如：工業(yè)聲級(jí)計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度為：測(cè)量準(zhǔn)確度為：1dB。以以NI USB

27、-9233為例為例n所以這類模數(shù)轉(zhuǎn)換器也被稱為：所以這類模數(shù)轉(zhuǎn)換器也被稱為：DSA（動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡）。（動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡）。 NI USB-9233等就是專為這些用途設(shè)計(jì)的，當(dāng)然也包等就是專為這些用途設(shè)計(jì)的，當(dāng)然也包含了信號(hào)調(diào)理部分（含了信號(hào)調(diào)理部分（IEPE激勵(lì)源）。激勵(lì)源）。 順便提一下順便提一下NI USB-9233的替代產(chǎn)品的替代產(chǎn)品NI USB-9234，它的技術(shù)性能要好很多，并且可以使用在它的技術(shù)性能要好很多，并且可以使用在AC或或DC耦合方耦合方式下。但價(jià)格也要式下。但價(jià)格也要2000多元。多元。上圖中左邊是上圖中左邊是NI USB-9233的準(zhǔn)確度指標(biāo)，右邊是的準(zhǔn)確度指標(biāo)，右邊是

28、 NI USB-9234準(zhǔn)確度的技術(shù)指標(biāo)，可以看出后者的技術(shù)性能要好的多。準(zhǔn)確度的技術(shù)指標(biāo)，可以看出后者的技術(shù)性能要好的多。 NI還有許多還有許多24bits分辨率的數(shù)據(jù)采集卡，比如：分辨率的數(shù)據(jù)采集卡，比如：NI 9217（溫（溫度）、度）、NI 9219（多功能）、（多功能）、NI 9229（通用）（通用） 、NI9239（通（通用）、用）、NI 9237（應(yīng)變測(cè)量）等等以適應(yīng)不同的測(cè)量用途。（應(yīng)變測(cè)量）等等以適應(yīng)不同的測(cè)量用途。 NI PXI-5922 這是一塊貨真價(jià)實(shí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其技術(shù)性能這是一塊貨真價(jià)實(shí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其技術(shù)性能堪稱一流，也難怪它一出現(xiàn)就被評(píng)為：堪稱一流，也難怪它一出

29、現(xiàn)就被評(píng)為：2006年最佳測(cè)試儀器。年最佳測(cè)試儀器。 精密度（精密度（precision)與與 精確度精確度(accuracy準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度)精確度精確度(accuracy)測(cè)量值與測(cè)量值與真值或期望值真值或期望值之間彼之間彼此一致的程度此一致的程度一般產(chǎn)品給出的精度值是指誤一般產(chǎn)品給出的精度值是指誤差的最大值差的最大值精密度（精密度（precision)q對(duì)被測(cè)量的同一值進(jìn)行多次重對(duì)被測(cè)量的同一值進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量所得到結(jié)果的變動(dòng)程度復(fù)測(cè)量所得到結(jié)果的變動(dòng)程度測(cè)量結(jié)果的重復(fù)程度測(cè)量結(jié)果的重復(fù)程度不考慮真值究竟是多少不考慮真值究竟是多少主要取決于重復(fù)性與穩(wěn)定性主要取決于重復(fù)性與穩(wěn)定性例：鐘表的精密

30、度與精確度例：鐘表的精密度與精確度測(cè)量點(diǎn)位于時(shí)區(qū)的中心，太陽(yáng)直射時(shí)，指向測(cè)量點(diǎn)位于時(shí)區(qū)的中心，太陽(yáng)直射時(shí)，指向12:00，精確，精確測(cè)量點(diǎn)位于時(shí)區(qū)的邊緣，太陽(yáng)直射時(shí)，指向測(cè)量點(diǎn)位于時(shí)區(qū)的邊緣，太陽(yáng)直射時(shí)，指向11:30，不精確，不精確太陽(yáng)直射時(shí)，該鐘表在數(shù)月內(nèi)都指向太陽(yáng)直射時(shí)，該鐘表在數(shù)月內(nèi)都指向7:00，精密，精密不考慮時(shí)區(qū)，僅考慮該鐘表是否能給出重復(fù)的測(cè)量結(jié)果不考慮時(shí)區(qū)，僅考慮該鐘表是否能給出重復(fù)的測(cè)量結(jié)果精密度（精密度（precision)與與 精確度精確度(accuracy)如何選擇ADCn(1)如何確定如何確定ADC的位數(shù)的位數(shù)nADC位數(shù)的確定與整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)所要測(cè)量控制的范圍和精度

31、位數(shù)的確定與整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)所要測(cè)量控制的范圍和精度有關(guān)，但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度。有關(guān)，但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度。nADC的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。實(shí)際的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。實(shí)際選取的選取的ADC的位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所能達(dá)到的精度相適應(yīng)。只的位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所能達(dá)到的精度相適應(yīng)。只要不低于它們就行，選的太高不僅沒(méi)有意義，而且價(jià)格高的要不低于它們就行，選的太高不僅沒(méi)有意義，而且價(jià)格高的多。多。n對(duì)對(duì)ADC 位數(shù)的另一點(diǎn)考慮是后續(xù)的數(shù)字電路系統(tǒng)硬件配置情位數(shù)的另一點(diǎn)考慮是后續(xù)的數(shù)字電路系統(tǒng)硬件配置情況，尤其是微處理器的參數(shù)。如：況，尤其是微處理器的參數(shù)。如：

32、8位位CPU，選，選8位以下位以下ADC簡(jiǎn)單。高了需加緩沖器，數(shù)據(jù)分次讀出。簡(jiǎn)單。高了需加緩沖器，數(shù)據(jù)分次讀出。n（2）如何確定）如何確定ADC的轉(zhuǎn)換速率的轉(zhuǎn)換速率n主要考慮的是信號(hào)的最高頻率，需要滿足采樣定理。主要考慮的是信號(hào)的最高頻率，需要滿足采樣定理。n（3）是否加采樣保持器）是否加采樣保持器n原則上直流和變化非常緩慢的信號(hào)可不用采樣保持器。原則上直流和變化非常緩慢的信號(hào)可不用采樣保持器。n（4）工作電壓和基準(zhǔn)電壓的選擇）工作電壓和基準(zhǔn)電壓的選擇n工作電壓的選擇主要應(yīng)考慮輸入信號(hào)的電壓幅值已經(jīng)工作電壓的選擇主要應(yīng)考慮輸入信號(hào)的電壓幅值已經(jīng)與數(shù)字電路的兼容性。與數(shù)字電路的兼容性。n基準(zhǔn)電壓

33、是參考電壓，要求高時(shí)采用高精度穩(wěn)壓電源基準(zhǔn)電壓是參考電壓，要求高時(shí)采用高精度穩(wěn)壓電源供給。供給。n1、某爐溫度變化范圍為、某爐溫度變化范圍為01000，要求分辨率為，要求分辨率為5，溫度變送器輸出范圍為溫度變送器輸出范圍為05V。n（1）若）若AD轉(zhuǎn)換器的輸入范圍也為轉(zhuǎn)換器的輸入范圍也為05V，則求，則求AD轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)n應(yīng)為多少位應(yīng)為多少位?n（2）若）若n不變，現(xiàn)在通過(guò)變送器零點(diǎn)遷移而將信號(hào)零點(diǎn)不變，現(xiàn)在通過(guò)變送器零點(diǎn)遷移而將信號(hào)零點(diǎn)遷移到遷移到300，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)爐溫變化的分辨率為多少，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)爐溫變化的分辨率為多少?n 1、解、解: （1）n所以取所以取n=8；n（2）若字

34、長(zhǎng)）若字長(zhǎng)n不變，變送器零點(diǎn)遷移而將信號(hào)零點(diǎn)遷移不變，變送器零點(diǎn)遷移而將信號(hào)零點(diǎn)遷移到到300，則系統(tǒng)的分辨率為：，則系統(tǒng)的分辨率為：10003007002 7521255.Cn 22100012017 65log ()log ().n n2、某控制系統(tǒng)，其溫度變化范圍為：、某控制系統(tǒng)，其溫度變化范圍為：-10+60，經(jīng)溫度變送器變換為經(jīng)溫度變送器變換為15電壓信號(hào)，送至電壓信號(hào)，送至12位位A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD574（AD574的電路輸入范圍為的電路輸入范圍為5）。）。請(qǐng)計(jì)算：請(qǐng)計(jì)算：n（1）當(dāng)）當(dāng)AD574的轉(zhuǎn)換結(jié)果為的轉(zhuǎn)換結(jié)果為500H時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)溫時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)溫度是多少？度是多

35、少？n（2）當(dāng)系統(tǒng)的溫度是）當(dāng)系統(tǒng)的溫度是50時(shí)，時(shí)，AD574的的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換結(jié)果是多少？是多少？n2、解：、解：n（1）n（2）5005 2561280H 1212801 56521.VVV 1 56 11017 35 16010. C -0.2 CTT （）（）； 150102 435 16010().V 4.43()VV 122 431965 67521.NN.C6(H) E2C(H) ； 3. A/D轉(zhuǎn)換器選擇要點(diǎn)轉(zhuǎn)換器選擇要點(diǎn)1) 如何確定如何確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù) 2) 如何確定如何確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率3) 如何決定是否要加采樣保持器如何決

36、定是否要加采樣保持器4) 工作電壓和基準(zhǔn)電壓工作電壓和基準(zhǔn)電壓4. A/D轉(zhuǎn)換器芯片及其接口轉(zhuǎn)換器芯片及其接口 接口電路的構(gòu)成取決于接口電路的構(gòu)成取決于A/D轉(zhuǎn)換器本身的性能特點(diǎn)，又取決于轉(zhuǎn)換器本身的性能特點(diǎn)，又取決于采用何種方式讀取采用何種方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換結(jié)果。CPU讀取讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的方法轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的方法有三種：查詢法，定時(shí)法和中斷法。有三種：查詢法，定時(shí)法和中斷法。A/D轉(zhuǎn)換器的品種很多，下轉(zhuǎn)換器的品種很多，下面僅從使用角度介紹兩種常用的面僅從使用角度介紹兩種常用的8位位A/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809和和12位位A/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片AD574A，要掌握該芯片

37、的外特性和引腳功，要掌握該芯片的外特性和引腳功能，以便正確使用。能，以便正確使用。 1) ADC0809芯片及其接口電路芯片及其接口電路 (1) 芯片介紹：芯片介紹：(2) 與與MCS-51接口接口 (3) 與與8255A接口接口2) AD574A芯片及其接口電路芯片及其接口電路 (1)芯片介紹：芯片介紹： 12位位A/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片AD574A采用逐位逼近式原理，分辨率為采用逐位逼近式原理，分辨率為12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25 s(0809:100 s), 誤差誤差1/2LSB(0809：1LSB)，單極性或雙極性輸入，量程，單極性或雙極性輸入，量程10V或或20V，內(nèi)部集成

38、有轉(zhuǎn)，內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器。換時(shí)鐘、參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器。(2) 接口電路接口電路 下圖是一種下圖是一種8路路12位位A/D轉(zhuǎn)換模板的示例。圖中只給出了總線接轉(zhuǎn)換模板的示例。圖中只給出了總線接口與口與I/O功能實(shí)現(xiàn)部分，由功能實(shí)現(xiàn)部分，由8路模擬開(kāi)關(guān)路模擬開(kāi)關(guān)CD4051、采樣保持器、采樣保持器LF398、12 位位A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD574A和并行接口芯片和并行接口芯片8255A等組等組成。成。5. A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)實(shí)用技術(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)實(shí)用技術(shù)1) A/D轉(zhuǎn)換器與轉(zhuǎn)換器與MCS-51單片機(jī)接口邏輯設(shè)計(jì)單片機(jī)接口邏輯設(shè)計(jì) MCS-51單片機(jī)

39、配置單片機(jī)配置A/D轉(zhuǎn)換器的硬件邏輯設(shè)計(jì)，就是要轉(zhuǎn)換器的硬件邏輯設(shè)計(jì)，就是要處理好數(shù)據(jù)輸出、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、控制轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)束等控制引處理好數(shù)據(jù)輸出、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、控制轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)束等控制引腳與腳與MCS-51主機(jī)的硬件連接。主機(jī)的硬件連接。 2) 影響影響A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)指標(biāo)的主要因素轉(zhuǎn)換技術(shù)指標(biāo)的主要因素（1）工作電源電壓不穩(wěn)定；）工作電源電壓不穩(wěn)定；（2）外接時(shí)鐘頻率不適合；）外接時(shí)鐘頻率不適合；（3）環(huán)境溫度不適合；）環(huán)境溫度不適合；（4）與其它器件的電特性不匹配，如負(fù)載過(guò)重；）與其它器件的電特性不匹配，如負(fù)載過(guò)重；（5）外界有強(qiáng)干擾；）外界有強(qiáng)干擾；（6）印刷電路板布線不合理。）印刷電路板布線不

40、合理。3.3 模擬量輸出通道模擬量輸出通道 模擬量輸出通道的任務(wù)模擬量輸出通道的任務(wù)把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器，從而達(dá)到控成模擬量電壓或電流信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器，從而達(dá)到控制的目的。制的目的。 模擬量輸出通道模擬量輸出通道(稱為稱為D/A通道或通道或AO通道通道)構(gòu)成構(gòu)成一般是由接一般是由接口電路、數(shù)口電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱D/A或或DAC)和電壓和電壓/電流變換器等。電流變換器等。 對(duì)該通道的要求，除了可靠性高、滿足一定的精度要求外，對(duì)該通道的要求，除了可靠性高、滿足一定的精度要求外，輸出還必須具有

41、保持的功能，以保證被控制對(duì)象可靠地工作。輸出還必須具有保持的功能，以保證被控制對(duì)象可靠地工作。D/A轉(zhuǎn)換電路集成在一塊芯片上一般用戶沒(méi)有必要了解其內(nèi)部電轉(zhuǎn)換電路集成在一塊芯片上一般用戶沒(méi)有必要了解其內(nèi)部電路的細(xì)節(jié)，只要掌握芯片的外特性和使用方法就夠了。不過(guò)，路的細(xì)節(jié)，只要掌握芯片的外特性和使用方法就夠了。不過(guò)，若不具備一定的基礎(chǔ)知識(shí)就應(yīng)用，也會(huì)導(dǎo)致意外的故障。本節(jié)若不具備一定的基礎(chǔ)知識(shí)就應(yīng)用，也會(huì)導(dǎo)致意外的故障。本節(jié)主要討論主要討論D/A轉(zhuǎn)換器及其接口，以及模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)和設(shè)轉(zhuǎn)換器及其接口，以及模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。計(jì)。3.3.1 多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式多路模擬量輸出通道的結(jié)

42、構(gòu)形式 多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式，主要取決于輸出保持器的構(gòu)成多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式，主要取決于輸出保持器的構(gòu)成方式。輸出保持器的作用主要是在新的控制信號(hào)到來(lái)之前，使本方式。輸出保持器的作用主要是在新的控制信號(hào)到來(lái)之前，使本次控制信號(hào)保持不變。保持器一般有數(shù)字保持方案和模擬保持方次控制信號(hào)保持不變。保持器一般有數(shù)字保持方案和模擬保持方案兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。案兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。1. 每個(gè)輸出通道設(shè)置一個(gè)每個(gè)輸出通道設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式 2. 多個(gè)輸出通道共用一個(gè)多個(gè)輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形

43、式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式 3.3.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. D/A轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理 D/A轉(zhuǎn)換器主要由以下幾個(gè)部分組成：基準(zhǔn)電壓（電流），轉(zhuǎn)換器主要由以下幾個(gè)部分組成：基準(zhǔn)電壓（電流），模擬二進(jìn)制數(shù)的位切換開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生二進(jìn)制權(quán)電流（電壓）的精模擬二進(jìn)制數(shù)的位切換開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生二進(jìn)制權(quán)電流（電壓）的精密電阻網(wǎng)絡(luò)，提供電流（電壓）相加輸出的運(yùn)算放大器密電阻網(wǎng)絡(luò)，提供電流（電壓）相加輸出的運(yùn)算放大器(010mA,420mA 或者或者 TTL, CMOS,) 。轉(zhuǎn)換原理可以歸納為。轉(zhuǎn)換原理可以歸納為“按權(quán)展開(kāi)，然后相加按權(quán)展開(kāi)，然后相加”。因此，。因此，D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部必須要有一轉(zhuǎn)換器內(nèi)部必須要有一

44、個(gè)解碼網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)按權(quán)值分別進(jìn)行個(gè)解碼網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)按權(quán)值分別進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。解碼網(wǎng)絡(luò)通常轉(zhuǎn)換。解碼網(wǎng)絡(luò)通常有兩種：有兩種：二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和和T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)。 1）二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)）二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電壓為基準(zhǔn)電壓為E，S1S4為晶體管位切換開(kāi)關(guān)，為晶體管位切換開(kāi)關(guān)，它受二進(jìn)制各位狀態(tài)控它受二進(jìn)制各位狀態(tài)控制。制。2nR為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，其阻值與各位權(quán)相對(duì)應(yīng)，其阻值與各位權(quán)相對(duì)應(yīng)，權(quán)越大，電阻越大權(quán)越大，電阻越大(電流電流越小越小)，以保證一定權(quán)的，以保證一定權(quán)的數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的模數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電流。運(yùn)算放大器的擬電流。運(yùn)算放大器的虛地按二

45、進(jìn)制權(quán)的大小虛地按二進(jìn)制權(quán)的大小和各位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)對(duì)電和各位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)對(duì)電流求和，然后轉(zhuǎn)換成相流求和，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出電壓應(yīng)的輸出電壓U。設(shè)輸入數(shù)字量為設(shè)輸入數(shù)字量為D，采用定點(diǎn)二進(jìn)制小數(shù)編碼，采用定點(diǎn)二進(jìn)制小數(shù)編碼，D可表示為：可表示為：122222121nniDaaaanii L L當(dāng)當(dāng) 時(shí)，開(kāi)關(guān)接基準(zhǔn)電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)接基準(zhǔn)電壓E，相應(yīng)支路產(chǎn)生的電流，相應(yīng)支路產(chǎn)生的電流為為 ；當(dāng)；當(dāng) 時(shí)，開(kāi)關(guān)接地，相應(yīng)支路中沒(méi)有電流。時(shí)，開(kāi)關(guān)接地，相應(yīng)支路中沒(méi)有電流。因此，各支路電流可以表示為：因此，各支路電流可以表示為： ；這里；這里 1ai2EiIIiRi 0ai 2iiiII a 2IE R 運(yùn)算放大

46、器輸出的模擬電壓為：運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓為：11121222222()LnniififfiinfnUIRI aRI RDERaaaR 可見(jiàn)，可見(jiàn)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 U 正比于輸入數(shù)字量正比于輸入數(shù)字量 D，從而，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)是位數(shù)越多，阻值差異越大。實(shí)現(xiàn)了數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)是位數(shù)越多，阻值差異越大。2）T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò) 從節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)a, b, c, d向右向上看，其等效電阻均為向右向上看，其等效電阻均為2R。位切換開(kāi)。位切換開(kāi)關(guān)受相應(yīng)的二進(jìn)制碼控制，相應(yīng)碼位為關(guān)受相應(yīng)的二進(jìn)制碼控制，相應(yīng)碼位為“1”，開(kāi)關(guān)接運(yùn)算放大，開(kāi)關(guān)接運(yùn)算放大器虛地，

47、相應(yīng)碼位為器虛地，相應(yīng)碼位為“0”，開(kāi)關(guān)接地。流經(jīng)各切換開(kāi)關(guān)的支路，開(kāi)關(guān)接地。流經(jīng)各切換開(kāi)關(guān)的支路電流分別為電流分別為IREF/2、IREF/4、IREF/8、 IREF/16，各支路電流，各支路電流在運(yùn)算放大器的虛地相加，運(yùn)算放大器的滿度輸出為：在運(yùn)算放大器的虛地相加，運(yùn)算放大器的滿度輸出為：1111152481616()FSREFREFUIRIR 這里滿度輸出電壓這里滿度輸出電壓(流流)比基準(zhǔn)電壓比基準(zhǔn)電壓(流流)少了少了1/16，是因端電阻，是因端電阻常接地造成的，沒(méi)有端電阻會(huì)引起譯碼錯(cuò)誤。對(duì)常接地造成的，沒(méi)有端電阻會(huì)引起譯碼錯(cuò)誤。對(duì) n 位位D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器而言，其輸出電壓為：器而言，

48、其輸出電壓為： 1212222()LnREFnUIRaaa 2. D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)1）分辨率）分辨率 分辨率是指分辨率是指 D/A 轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出模擬增量，即轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出模擬增量，即當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)輸出模擬量的變化量，當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)輸出模擬量的變化量，它取決于能轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)，數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率也就它取決于能轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)，數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率也就越高越高 。其分辨率與二進(jìn)制位數(shù)。其分辨率與二進(jìn)制位數(shù)n呈下列關(guān)系：呈下列關(guān)系： 分辨率分辨率 = 滿刻度值滿刻度值/（2n1）=VREF / 2n2）轉(zhuǎn)換精度）轉(zhuǎn)換

49、精度 轉(zhuǎn)換精度是指轉(zhuǎn)換后所得的實(shí)際值和理論值的接近程度。轉(zhuǎn)換精度是指轉(zhuǎn)換后所得的實(shí)際值和理論值的接近程度。它和分辨率是兩個(gè)不同的概念：精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相它和分辨率是兩個(gè)不同的概念：精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度，而分辨率指的是能對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度，而分辨率指的是能對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。響的最小輸入量。 3）穩(wěn)定時(shí)間）穩(wěn)定時(shí)間 穩(wěn)定時(shí)間是描述穩(wěn)定時(shí)間是描述D/A轉(zhuǎn)換速度快慢的一個(gè)參數(shù)，指輸入二轉(zhuǎn)換速度快慢的一個(gè)參數(shù)，指輸入二進(jìn)制數(shù)變化量是滿刻度時(shí)，輸出達(dá)到離終值時(shí)所需的時(shí)間。進(jìn)制數(shù)變化量是滿刻度時(shí)，輸出達(dá)到離終值時(shí)所需的時(shí)間。顯然，穩(wěn)定時(shí)間越大，轉(zhuǎn)換速

50、度越低。對(duì)于輸出是電流的顯然，穩(wěn)定時(shí)間越大，轉(zhuǎn)換速度越低。對(duì)于輸出是電流的D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定時(shí)間是很快的，約幾微秒，而輸出是轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定時(shí)間是很快的，約幾微秒，而輸出是電壓的電壓的D/A轉(zhuǎn)換器，其穩(wěn)定時(shí)間主要取決于運(yùn)算放大器的響轉(zhuǎn)換器，其穩(wěn)定時(shí)間主要取決于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間。應(yīng)時(shí)間。 4）線性誤差）線性誤差 理想轉(zhuǎn)換特性理想轉(zhuǎn)換特性(量化特性量化特性)應(yīng)該是線性的，但實(shí)際轉(zhuǎn)換特征應(yīng)該是線性的，但實(shí)際轉(zhuǎn)換特征并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。線性誤差常用誤差定義為線性誤差。線性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)

51、表示，如的分?jǐn)?shù)表示，如(1/2)LSB或或1LSB。與。與A/D轉(zhuǎn)換器的線性誤差定義相同。轉(zhuǎn)換器的線性誤差定義相同。 3. D/A與與A/D轉(zhuǎn)換器的調(diào)零和增益校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器的調(diào)零和增益校準(zhǔn)1）D/A轉(zhuǎn)換器的調(diào)整轉(zhuǎn)換器的調(diào)整調(diào)零：調(diào)零：設(shè)置一定的代碼設(shè)置一定的代碼(全零全零)，使開(kāi)關(guān)均關(guān)閉，然后調(diào)節(jié)調(diào)零，使開(kāi)關(guān)均關(guān)閉，然后調(diào)節(jié)調(diào)零電路，直至輸出信號(hào)為零或落入適當(dāng)?shù)淖x數(shù)（電路，直至輸出信號(hào)為零或落入適當(dāng)?shù)淖x數(shù)（ 1/10LSB范圍范圍內(nèi)內(nèi) ）為止；）為止；增益校準(zhǔn)：增益校準(zhǔn)：設(shè)置一定的代碼設(shè)置一定的代碼(全全1) ，使開(kāi)關(guān)均導(dǎo)通，使開(kāi)關(guān)均導(dǎo)通，然后調(diào)節(jié)增益校準(zhǔn)電路，直至輸出信號(hào)讀數(shù)與滿度值減去一個(gè)然后

52、調(diào)節(jié)增益校準(zhǔn)電路，直至輸出信號(hào)讀數(shù)與滿度值減去一個(gè)LSB 之差小于之差小于1/10LSB為止。為止。2）A/D轉(zhuǎn)換器的調(diào)整轉(zhuǎn)換器的調(diào)整調(diào)零：調(diào)零：將輸入電壓精確地置于使將輸入電壓精確地置于使“開(kāi)關(guān)均關(guān)閉開(kāi)關(guān)均關(guān)閉”的輸入狀態(tài)的輸入狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸入值高于對(duì)應(yīng)的輸入值高于1/2LSB的電平上，然后調(diào)節(jié)調(diào)零電路，使的電平上，然后調(diào)節(jié)調(diào)零電路，使轉(zhuǎn)換器恰好切換到最低位導(dǎo)通的狀態(tài)；轉(zhuǎn)換器恰好切換到最低位導(dǎo)通的狀態(tài)；增益校準(zhǔn)：增益校準(zhǔn)：將輸入電將輸入電壓精確地置于使壓精確地置于使“開(kāi)關(guān)均導(dǎo)通開(kāi)關(guān)均導(dǎo)通”的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸入值低的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸入值低3/2LSB的電平上的電平上 ，然后調(diào)節(jié)增益校準(zhǔn)電路，使輸

53、出位于最后，然后調(diào)節(jié)增益校準(zhǔn)電路，使輸出位于最后一位恰好變成導(dǎo)通之處。一位恰好變成導(dǎo)通之處。4. D/A轉(zhuǎn)換器芯片及其接口轉(zhuǎn)換器芯片及其接口下面從使用角度介紹兩種常用的下面從使用角度介紹兩種常用的8位位D/A轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832和和12位位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC1210，要掌握芯片的外特性和引腳功能，以，要掌握芯片的外特性和引腳功能，以便正確使用。便正確使用。1）DAC0832 芯片介紹芯片介紹（2）DAC0832接口接口.與與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口總線工業(yè)控制機(jī)接口 B與與MCS-51的接口的接口 a. 直通方式：直通方式：指指DAC0832內(nèi)部的兩個(gè)寄存器都處于不鎖存內(nèi)部的

54、兩個(gè)寄存器都處于不鎖存狀態(tài)，數(shù)據(jù)一旦到達(dá)輸入端就直接被送到狀態(tài)，數(shù)據(jù)一旦到達(dá)輸入端就直接被送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，所有控制信號(hào)都接成有效形式。擬量，所有控制信號(hào)都接成有效形式。 b. 單緩沖方式：?jiǎn)尉彌_方式：指指DAC0832的兩個(gè)寄存器中有一個(gè)處于直的兩個(gè)寄存器中有一個(gè)處于直通方式，而另一個(gè)處于受控的鎖存方式；或者兩級(jí)寄存器同時(shí)通方式，而另一個(gè)處于受控的鎖存方式；或者兩級(jí)寄存器同時(shí)鎖存。如圖鎖存。如圖3-25所示，它的選通地址為所示，它的選通地址為7FFFH。MOV DPTR，#7FFFH MOV A，#data MOVX DPTR，A SJMP c. 雙緩沖方式：雙緩沖

55、方式：把把DAC0832的兩個(gè)寄存器都接成分時(shí)受控鎖存的兩個(gè)寄存器都接成分時(shí)受控鎖存方式。如圖方式。如圖3-26所示，輸入寄存器的地址為所示，輸入寄存器的地址為FEH，DAC寄存器寄存器的地址為的地址為FFH。 MOV R0，#0FEH MOVX R0， A INC R0 MOVX R0， A SJMP 2）DAC1210（1）芯片介紹）芯片介紹（2）DAC1210接口接口.與與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口總線工業(yè)控制機(jī)接口B與與MCS-51的接口的接口如圖如圖3-29所示，所示，DAC1210采用的是單極性的輸出方式，采用的是單極性的輸出方式，8位輸位輸入寄存器的地址為入寄存器的地址為FFH，4位

56、輸入寄存器的地址為位輸入寄存器的地址為FEH。設(shè)內(nèi)部。設(shè)內(nèi)部RAM的的20H和和21H單元內(nèi)存放一個(gè)單元內(nèi)存放一個(gè)12位數(shù)字量（位數(shù)字量（20H單元中為單元中為低低4位，位，21H單元中為高單元中為高8位）。位）。3.3.3 DAC輸出方式輸出方式1. 電壓輸出方式電壓輸出方式 由于系統(tǒng)要求不同，電壓輸出方式又可分為由于系統(tǒng)要求不同，電壓輸出方式又可分為單極性輸出單極性輸出和和雙極性輸出雙極性輸出兩種形式。兩種形式。 雙極性輸出的一般原理如圖雙極性輸出的一般原理如圖3-30所示。在單極性輸出之后，所示。在單極性輸出之后，再加一級(jí)運(yùn)算放大器反相輸出。再加一級(jí)運(yùn)算放大器反相輸出。 VOUT1為單極

57、性輸出，若為單極性輸出，若D為輸入數(shù)字量，為輸入數(shù)字量，VREF為基準(zhǔn)參考為基準(zhǔn)參考電壓，且為電壓，且為n位位D/A轉(zhuǎn)換器，則有轉(zhuǎn)換器，則有VOUT1=VREFD/2n。 A1 和和 A2 為運(yùn)算放大器，為運(yùn)算放大器，A點(diǎn)為虛地，故可得：點(diǎn)為虛地，故可得： VOUT為雙極性輸出，可推導(dǎo)得到為雙極性輸出，可推導(dǎo)得到: 1230III 11122122()()()REFoutoutREFoutREFnVVDVRVVVRR 2. 電流輸出方式電流輸出方式工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表和執(zhí)行器常常要以電流方式傳輸，這是因工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表和執(zhí)行器常常要以電流方式傳輸，這是因?yàn)樵陂L(zhǎng)距離傳輸信號(hào)時(shí)容易引入干擾，而電流

58、傳輸具有較強(qiáng)的為在長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)時(shí)容易引入干擾，而電流傳輸具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，許多場(chǎng)合必須經(jīng)過(guò)電壓抗干擾能力。因此，許多場(chǎng)合必須經(jīng)過(guò)電壓/電流（電流（V/I）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。電流輸出方式一般有兩種電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。電流輸出方式一般有兩種形式：形式：普通運(yùn)放普通運(yùn)放V/I變換電路變換電路和和集成轉(zhuǎn)換器集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路變換電路。1) 普通運(yùn)放普通運(yùn)放V/I變換電路變換電路 經(jīng)典經(jīng)典V/I變換電路圖如圖變換電路圖如圖3-31所示。這是一種利用電壓比較器方所示。這是一種利用電壓比較器方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的跟蹤，從而保證輸出電流為所需值。利用法來(lái)實(shí)

59、現(xiàn)對(duì)輸入電壓的跟蹤，從而保證輸出電流為所需值。利用A1作比較器，將輸入電壓與反饋電壓進(jìn)行比較，通過(guò)比較器輸出作比較器，將輸入電壓與反饋電壓進(jìn)行比較，通過(guò)比較器輸出電壓控制電壓控制A2的輸出電壓，從而改變晶體管的輸出電壓，從而改變晶體管T1的輸出電流的輸出電流IL，IL的的大小又影響參考電壓大小又影響參考電壓Vf，這種負(fù)反饋的結(jié)果是使得，這種負(fù)反饋的結(jié)果是使得Vi=Vf，而此，而此時(shí)流過(guò)負(fù)載的電流為：時(shí)流過(guò)負(fù)載的電流為：77fiLWWVVIRRRR 2) 集成轉(zhuǎn)換器集成轉(zhuǎn)換器V/I變換電路變換電路3）自動(dòng)）自動(dòng)/手動(dòng)輸出方式手動(dòng)輸出方式 自動(dòng)自動(dòng)/手動(dòng)輸出方式如圖手動(dòng)輸出方式如圖3-33所示，是

60、在普通運(yùn)放所示，是在普通運(yùn)放V/I變換電變換電路的基礎(chǔ)上，增加了自、手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)路的基礎(chǔ)上，增加了自、手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)K1、K2、K3和手動(dòng)增和手動(dòng)增減電路與輸出跟蹤電路。減電路與輸出跟蹤電路。 目的：目的：在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以手動(dòng)操作。在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以手動(dòng)操作。 電路的兩個(gè)功能：電路的兩個(gè)功能：實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)V/I變換、變換、能夠?qū)崿F(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)A/H切換切換3.3.4 D/A轉(zhuǎn)換通道的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換通道的設(shè)計(jì)1. D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇2. D/A轉(zhuǎn)換模板的通用性轉(zhuǎn)換模板的通用性 符合總線標(biāo)準(zhǔn)符合總線標(biāo)準(zhǔn) 接口地址可選接口地址可選 輸出方式可選輸出方式可選 3. D/A 轉(zhuǎn)換模板的