微型計算機控制技術第二章課件

第2章輸入/輸出接口與過程通道第2章輸入/輸出接口與過程通道12.6A/D轉換器及接口技術2.6.1逐次逼近式A/D轉換原理2.6.2如何選擇A/D轉換器件2.6.3常用A/D轉換器2.6.4A/D轉換器的接口技術2.6A/D轉換器及接口技術2.6.1逐次逼近式A/D22.6A/D轉換器及接口技術A/D轉換器是把模擬電壓或電流轉換成數字量的集成電路器件，是模擬量輸入通道中的關鍵器件，其性能對通道的設計和計算機控制系統(tǒng)性能的影響很大。按位數來分：有4位、8位、12位、16位等按結構來分：有單一功能A/D轉換器，有多功能的A/D轉換器，如AD363，其內部含有16路多路開關、數據放大器、采樣保持器及12位A/D轉換器。按工作原理來分：有雙積分型、逐次逼近型、∑-△調制型及電壓頻率變換型等。2.6A/D轉換器及接口技術A/D轉換器是把模擬電壓或電流32.6.1逐次逼近式A/D轉換原理逐次逼近式種類多、應用廣。主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A轉換器、比較器、時鐘及控制邏輯等組成。2.6.1逐次逼近式A/D轉換原理逐次逼近式種類多、應用廣42.6.1逐次逼近式A/D轉換原理轉換原理：逐位設定SAR寄存器中的數字量，該數字量經過D/A轉換后得到電壓Uo，將Uo與待轉換的輸入模擬電壓Ui進行比較。根據比較結果，修正SAR中的數字量，逐次逼近輸入模擬量。2.6.1逐次逼近式A/D轉換原理轉換原理：52.6.1逐次逼近式A/D轉換原理比較時，先從SAR的最高位開始，逐次確定各位的數碼是“1”還是“0”工作過程如下：如果Ui≥Uo，該位的“1”保留；如果Ui<Uo，該位應予清零。2.6.1逐次逼近式A/D轉換原理比較時，先從SAR的最高62.6.1逐次逼近式A/D轉換原理其逐次逼近類似于對分，一個N位的A/D轉換器，只需要比較N次即可，因而轉換速度快。2.6.1逐次逼近式A/D轉換原理其逐次逼近類似于對分，一7舉例：有一個4位A/D轉換器，滿刻度值5V，若輸入3.5V模擬電壓，試分析其逐次逼近的轉換過程量化單位：當最高位為“1”時，Uo=？Uo=0.3125V×23=2.5V，

Ui>Uo，最高位保留。依次類推，給定輸入3.5V電壓時對應的逐次比較過程如下：舉例：有一個4位A/D轉換器，滿刻度值5V，若輸入3.5V8UO=0.3125V×D*Ui=3.5V步驟SAR內容轉換后電壓UO(V)UiUO比較該位去留8421(1)10002.5Ui>UO保留(2)11003.75Ui<UO去掉(3)10103.125Ui>UO保留(4)10113.4375Ui>UO保留結果1011誤差：3.5V－3.4375V=0.0625VUO=0.3125V×D*Ui=3.5VUO=0.3125V×D*Ui=3.5V步驟SAR內容92.6.2如何選擇A/D轉換器件1．A/D轉換器的位數對于測量或測控系統(tǒng)，模擬信號都是先經過測量裝置再經過A/D轉換器轉換后采進行處理的，也就是說，總的誤差是由測量誤差和量化誤差共同構成的。因此A/D轉換器的精度應與測量裝置的精度相匹配。量化誤差與A/D轉換器位數有關。2.6.2如何選擇A/D轉換器件1．A/D轉換器的位數10A/D轉換器的分辨率通常用位數n來表示，如8位、12位等。一般把8位以下的A/D轉換器稱為低分辨率A/D轉換器，9~12位的稱為中分辨率的A/D轉換器，13位以上的稱為高分辨率A/D轉換器。A/D轉換器的分辨率通常用位數n來表示，如8位、12位等。11分辨率定義為滿刻度電壓與2n的比值，即分辨率是A/D轉換器對微小輸入量變化的敏感程度。假設A/D轉換器的位數為n，滿量程電壓為FSR，則分辨率定義為：量化單位就是分辨率。相對分辨率定義為：分辨率定義為滿刻度電壓與2n的比值，即分辨率是A/D轉換器對12A/D轉換器分辨率與位數的關系（假設滿量程為10V）位數級數相對分辨率絕對分辨率82560.391%39.1mV1010240.0977%9.77mV1240960.0244%2.44mV14163840.0061%0.61mV16655360.0015%0.15mV分辨率的高低取決于位數的多少，因此，一般用位數來間接表示分辨率。A/D轉換器分辨率與位數的關系（假設滿量程為10V）位數級132．A/D轉換器的轉換速率A/D轉換器從啟動轉換到結束轉換，需要一定的轉換時間。轉換時間的倒數就是轉換速率，它是每秒鐘完成的轉換次數。3．采樣/保持器對于一般頻率較高的模擬信號都要加采樣/保持器。如果信號頻率不高，A/D轉換的時間短，即采用高速A/D器件時，可不使用采樣/保持器。采集直流或者變化非常緩慢的信號時，也可以不使用采樣/保持器。2．A/D轉換器的轉換速率144．A/D轉換器量程表示A/D轉換器所能轉換的輸入電壓范圍，如-5V~+5V，0~10V，0~5V等。有些A/D轉換器件提供了不同量程的引腳，只有正確使用，才能保證轉換精度。5．偏置極性有些A/D器件提供了雙極性偏置控制。當此引腳接地時，信號為單極性輸入方式，當此引腳接基準電壓時，信號為雙極性輸入方式。6．數據輸出方式A/D轉換器件輸出的邏輯電平多數為TTL電平，有并行和串行兩種輸出形式。4．A/D轉換器量程157．工作溫度范圍由于溫度會對運算放大器和電阻網絡產生影響，故只有在一定的溫度范圍內才能保證額定的精度指標。8．線性度線性度指的是實際A/D器件的轉移函數與理想直線的最大偏移。9．A/D轉換對電源電路的要求A/D轉換器對電源的要求較高。這是因為在A/D轉換電路中，電源除了完成對A/D轉換芯片供電外，還需提供A/D轉換的基準電壓?；鶞孰娫吹木葘⒂绊慉/D轉換結果精度。如何選擇合適的電壓基準源呢？簡單來說，需要電壓基準源簡單、基準電壓穩(wěn)定。7．工作溫度范圍162.6.3常用A/D轉換器1.ADC0808/0809ADC0808/0809是采用CMOS工藝的多路8位逐次逼近型A/D轉換器，芯片內包括一個8通道多路模擬開關、8位A/D轉換器和一個8位數據輸出鎖存器。2.6.3常用A/D轉換器1.ADC0808/080917IN3IN2IN4IN1IN5IN0IN6ADDAIN7ADDBSTARTADDCEOCALED3D7OED6CLKD5VCCD4VREF+D0GNDVREF-D1D2ADC0809IN3IN2IN418（1）ADC0809主要技術指標。線性誤差為±1LSB；轉換時間為100μs；單一電源+5V供電，模擬量輸入范圍0~+5V；功耗15mW；輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器；無需進行零位及滿量程調整；溫度范圍-40℃~+85℃。價格（6~30元，與廠家和封裝形式有關）（1）ADC0809主要技術指標。19圖2-20ADC0808/0809原理圖圖2-20ADC0808/0809原理圖20（2）ADC0809的內部結構引腳功能ADC0809的邏輯結構框圖如下圖所示，其結構可分為：①多路模擬開關；②逐次逼近型A/D轉換器；③輸出鎖存器（2）ADC0809的內部結構引腳功能ADC0809的邏輯結21ADC0808/0809原理框圖三態(tài)輸出鎖存器逐次逼近寄存器8選1模擬多路開關地址鎖存器譯碼器開關數組比較器控制邏輯STARTEOCCLKABCALEVccOEGNDIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0D7D6D5D4D3D2D1D0+VREF-VREF電阻分壓器UiUOADC0808/0809原理框圖8選1地址開關數組比控制22Vcc：芯片工作電源，+5VGND：芯片地信號CLK：時鐘信號,10~1280KHz，決定A/D轉換速率三態(tài)輸出鎖存器逐次逼近寄存器8選1模擬多路開關地址鎖存器譯碼器開關數組比較器控制邏輯STARTEOCCLKABCALEOEVccGNDIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0D7D6D5D4D3D2D1D0+VREF-VREF電阻分壓器UiUO+VREF：+參考電壓，一般接+5V－VREF：－參考電壓,一般接0VVcc：芯片工作電源，+5V三態(tài)逐次8選1地23IN0~IN7：8個模擬輸入端A、B、C：地址選擇輸入端ALE：地址鎖存允許,其上升沿將地址C、B、A鎖存三態(tài)輸出鎖存器逐次逼近寄存器8選1模擬多路開關地址鎖存器譯碼器開關數組比較器控制邏輯STARTEOCCLKABCALEOEVccGNDIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0D7D6D5D4D3D2D1D0+VREF-VREF電阻分壓器UiUOIN0~IN7：8個模擬輸入端三態(tài)逐次8選1地址開關24A、B、C：3位地址輸入，C為最高位，A為最低位。通過C、B、A的不同組合選擇即可選擇接入的模擬量輸入通道。CBA所選通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7CBA所選000IN0001IN1010IN2011IN3125START：

高電平時開始轉換；即一個正脈沖完成啟動A/D轉換器?？膳cALE端子連接在一起，當通過軟件或硬件輸入一個正脈沖，便啟動A/D。三態(tài)輸出鎖存器逐次逼近寄存器8選1模擬多路開關地址鎖存器譯碼器開關數組比較器控制邏輯STARTEOCCLKABCALEOEVccGNDIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0D7D6D5D4D3D2D1D0+VREF-VREF電阻分壓器UiUOSTART：高電平時開始轉換；即一個正脈沖完成啟動A26EOC：轉換結束信號，A/D轉換期間為低電平，A/D轉換完成后變?yōu)楦唠娖?，可用作判斷轉換是否結束。三態(tài)輸出鎖存器逐次逼近寄存器8選1模擬多路開關地址鎖存器譯碼器開關數組比較器控制邏輯STARTEOCCLKABCALEOEVccGNDIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0D7D6D5D4D3D2D1D0+VREF-VREF電阻分壓器UiUOOE（OUTPUTENABLE）:

輸出允許信號,高電平有效，允許從三態(tài)輸出鎖存器讀取數字信號。D7~D0：數字量輸出端EOC：轉換結束信號，A/D轉換期間為低電平，A/D轉27（3）時序圖（3）時序圖282.AD574AD574是美國模擬器件公司（AnalogDevices）生產的12位逐次逼近型A/D轉換器。片內配有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的8位或16位的微機相連。2.AD574AD574是美國模擬器件公司（Analog29（1）AD574主要技術指標AD574是12位逐次逼近型A/D轉換器，具有可控三態(tài)輸出緩沖鎖存器，12位數據可以一次讀出；內部集成+10.000V電壓基準源，內部集成時鐘電路，不需外部接線；通過改變外部接線，模擬量輸入電壓既可以是單極性也是可以是雙極性；單極性輸入時，允許輸入的模擬量范圍為0~+10V和0~+20V；雙極性輸入時允許輸入的模擬量范圍為-5V~+5V和-10V~+10V。（1）AD574主要技術指標30（2）AD574的內部結構圖2-22AD574內部結構及管腳排列圖（2）AD574的內部結構圖2-22AD574內部結構及管31（3）AD574芯片引腳功能Vcc：工作電源正端，+12VDC~+15VDC。VEE：工作電源負端，-12VDC~-15VDC。VL：邏輯電路供電輸入端，+5VDC。DGND：數字地。各種數字電路（譯碼器、門電路、觸發(fā)器等）及+5V電源的地。AGND：模擬地。各模擬器件（放大器、比較器、采樣保持器等）及+15V和-15V的地。REFOUT：基準電壓源輸出端，+10.000V。REFIN：基準電壓源輸入端，如果REFOUT通過電阻接至REFIN，可用來調增益。微型計算機控制技術第二章ppt課件32STS：轉換結束信號，高電平表示正在轉換，低電平表示已轉換完畢。DB0-DB11：12位輸出數據線，三態(tài)輸出鎖存，可與主機數據線直接相連。CE：片使能信號（芯片啟動），輸入，高電平有效。當CE=1時，允許轉換或讀取結果，到底是轉換還是讀取結果與有關。：片選信號，輸入，低電平有效。必須同時有效，AD574才能工作，否則處于禁止狀態(tài)。STS：轉換結束信號，高電平表示正在轉換，低電平表示已33：數據輸出方式選擇信號。此引腳為高電平時，12位數據同時有效輸出；當此引腳為低電平時，與引腳A0配合，把12位數據分兩次輸出。：讀/轉換信號。：數據輸出方式選擇信號。此引腳為高電平時，12位數據同34注意：如果此時A0：轉換和讀字節(jié)選擇信號。此管腳有兩個功能：

一是選擇字節(jié)長度。在轉換之前，當A0=0時，按12位進行A/D轉換，轉換時間為35μs；當A0=1時，按8位進行A/D轉換，轉換時間為15μs，與狀態(tài)無關。二是選擇輸出方式。在讀周期中，A0=0，高8位數據有效；A0=1，低8位數據有效。，同時輸出12位數據，與A0狀態(tài)無關。注意：如果此時A0：轉換和讀字節(jié)選擇信號。此管腳有兩個功能35操作0××××禁止×1×××禁止100×0啟動12位轉換100×1啟動8位轉換101+5V×12位數據并行輸出101地0輸出高8位數據101地1輸出低4位數據，尾隨4個0表2-9AD574控制信號狀態(tài)表操作0××××禁止×1×××禁止100×0啟動12位轉換103610VIN：模擬電壓信號輸入端，單極性0~10V，雙極性-5V~+5V。20VIN：模擬電壓信號輸入端，單極性0~20V，雙極性-10V~+10V。BIPOFF：雙極性補償，此腳適當連接，可實現(xiàn)單極性或雙極性輸入。BIPOFF接0V，單極性輸入；BIPOFF接10V，雙極性輸入。10VIN：模擬電壓信號輸入端，單極性0~10V，雙極性-537（a）單極性輸入（b）雙極性輸入圖2-23AD574A模擬輸入電路的外部接法（a）單極性輸入（b）雙極性輸入圖2-23AD574A模擬38（1）零點調整在單極性輸入時，當輸入模擬量Vin為0時，輸出數字量為0。當Vin=1LSB/2時，那么D應在0與001H之間。單極性輸入零點調整步驟：另Vin=1LSB/2（從10Vin腳輸入時為+0.0012V），調整圖2-23中的RP1，使D在0與001H之間跳動。（1）零點調整39（2）增益調整增益調整在輸入為最大的附近調整。在單極性輸入時，當輸入模擬量Vin=+VFS-1LSB時，D=FFFH。當Vin==+VFS-2LSB時，那么D應在FFFH與FFEH之間。單極性輸入零點調整步驟：另Vin=+VFS-1.5LSB（從10Vin腳輸入時為+4.9936V），調整圖2-23中的RP2，使D在FFFH與FFEH之間跳動。（2）增益調整402.6.4A/D轉換器的接口技術無論哪種A/D轉換器，也不管其內部結構怎樣，在將其與微型計算機連接時，都會遇到許多實際的技術問題。比如：A/D轉換器的啟動方式，模擬量輸入通道的構成，參考電源如何提供，狀態(tài)檢測及鎖存，時鐘信號的提供方式，以及電源和地線的處理等。2.6.4A/D轉換器的接口技術無論哪種A/D轉換器，也不411．模擬輸入信號在多數情況下，A/D轉換器所接受的模擬輸人信號為0~5V，但允許雙極性信號輸入的A/D也很多。因此，在連接時一定要弄清輸入信號的極性是否與A/D轉換器的極性相符，否則要通過外接電路改變輸入的極性。也有少數內部帶有放大器的A/D可直接接受傳感器輸出的弱信號，但要注意量程范圍。1．模擬輸入信號在多數情況下，A/D轉換器所接受的模擬輸人信422．數字量輸出信號在一般的控制系統(tǒng)中所用的A/D轉換器多為并行數據輸出，因此當A/D轉換器內部設置數據鎖存器及三態(tài)輸出控制時，可直接掛在CPU的數據總線上；若A/D轉換器內部無三態(tài)輸出控制，就必須通過I/O接口。必須注意的是：當8位微機與8位A/D連接時，可一次并行傳送8位數；而若與12位或更多位數A/D轉換器連接，數據必須分時傳送。2．數字量輸出信號在一般的控制系統(tǒng)中所用的A/D轉換器多為并433．A/D轉換器的啟動方式啟動轉換信號是A/D轉換器開始進行轉換的關鍵信號，根據芯片的要求，它可以是脈沖信號或電平信號。在微機控制系統(tǒng)中，脈沖啟動信號可由CPU的地址線及讀/寫控制信號邏輯組合產生，也可以通過I/O接口用程序控制產生。若采用電平信號啟動，一般情況下，在整個A/D轉換的過程中，要求啟動轉換的電平維持不變，這就需要用鎖存器保存該電平狀態(tài)直至轉換結束。脈沖的正負、電平的高低應根據具體電路的要求而定。3．A/D轉換器的啟動方式啟動轉換信號是A/D轉換器開始進行444．轉換結束信號的處理方法轉換結束信號一般為電平信號（高電平或低電平），它是A/D轉換器的輸出信號，該信號已變?yōu)橛行B(tài)（高電平或低電平），即表明A/D轉換工作已經結束。根據該信號的狀態(tài)即可從A/D中讀取轉換結果。因此轉換結束信號是A/D與外界的聯(lián)絡信號。在微機控制系統(tǒng)中，可由此信號向CPU申請中斷或通過程序查詢該信號的狀態(tài)，以便讀取A/D轉換結果。4．轉換結束信號的處理方法轉換結束信號一般為電平信號（高電平455．時鐘信號的連接時鐘信號是A/D轉換器的又一個重要信號，整個轉換過程都是在時鐘控制下完成的。若A/D轉換器帶有內部振蕩器，一般不需要任何附加電路，如AD574A等。若芯片要求提供外部時鐘，可根據芯片提供的參數要求，使用單獨的振蕩器。更多的場合是利用CPU的時鐘經過分頻后產生。5．時鐘信號的連接時鐘信號是A/D轉換器的又一個重要信號，整466．電源和地線的連接A/D轉換器的電源分為兩類：一類是芯片工作所必須提供的電源，另一類是芯片所需的基準電源。工作電源一般為+5V，可由直流電源直接供電。但也有一些芯片，需要為內部的模擬電路提供電，如AD574A除了5V外，尚須±15V電源?；鶞试醋鳛锳/D的比較基準，直接影響到A/D轉換器的精度，要求較高，一般要經過穩(wěn)壓以提高電源精度，或采用專用的精密電源模塊供電。6．電源和地線的連接A/D轉換器的電源分為兩類：一類是芯片工47在任何一個控制系統(tǒng)中，接地處理都占著很重要的位置。處理不好就是一個大的干擾源。在有A/D轉換器組成的采集系統(tǒng)中，有許多接地點，包括數字地（邏輯電路的返回端），模擬公共地（模擬電路的返回端）、信號地，有的還有信號的屏蔽地等，不少的A/D、D/A轉換器芯片都單獨提供模擬地和數字地的引腳，對這些地線的處理原則采用“一點接地”，這樣可以避免地環(huán)流。在任何一個控制系統(tǒng)中，接地處理都占著很重要的位置。處理不好就48微型計算機控制技術第二章ppt課件492.6.5A/D轉換器的程序設計及應用舉例1.A/D轉換器與微機的數據交換方式（1）程序查詢方式。（2）定時方式。（3）中斷方式。A/D轉換器的程序設計主要分為三步：（1）啟動A/D轉換；（2）用上述數據交換方式（查詢、定時或中斷）等待A/D轉換結束；（3）讀取轉換結果。2.6.5A/D轉換器的程序設計及應用舉例1.A/D轉換502.A/D轉換器應用設計實例利用51單片機和ADC0809設計一個8路數據采集系統(tǒng)設計要求：1）采用中斷方式讀取轉換結果。2）轉換結果存放在30H~37H8個單元中。2.A/D轉換器應用設計實例利用51單片機和ADC080951圖2-27ADC0809與AT89S51單片機的接口電路ADC0809的8個通道所對應的口地址是：FEF0~FEF7H。

圖2-27ADC0809與AT89S51單片機的接口電路A52ORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPINTORG0030HMAIN:MOVR0, #30HMOVR2, #08HSETBIT0SETBEASETBEX0MOVDPTR,#0FEF0H

MOVXDPTR,AHERE:SJMPHEREINT:MOVXA,DPTR;讀數據MOVR0,A;INCR0;指向下一緩存INCDPTR;指向下一通道DJNZR2,RTN;8次未完就繼續(xù)采集,已完就關中斷、停采集CLREACLREX0RETIRTN:MOVXDPTR,ARETIORG0000HINT:MOVXA,DPTR53?中斷方式讀取數據

PA7

┇┇PA0PB0

/STBA8255DB7┇ADC0809DB0

STARTALEEOC8086CPUD7│D074LS048259INTRAINTRIR3VX?中斷方式讀取數據PA7854主程序關中斷8259初始化8255A，B口初始化開中斷啟動A/D執(zhí)行主程序

中斷服務程序入口保護現(xiàn)場讀入數據恢復現(xiàn)場返回主程序和中斷服務程序流程圖主程序關中斷8259初始化8255A，B口初始化開中斷啟動A55（2）AD574應用實例利用AT89S51單片機、8255A和AD574設計一個8路