第5章模擬量信號的輸入輸出2010

第四章內(nèi)容的復(fù)習(xí)開關(guān)和開關(guān)量信號的區(qū)別？開關(guān)量信號的特點(diǎn)是什么？開關(guān)量信號的作用？常見電子開關(guān)都有哪些？電子開關(guān)的缺點(diǎn)是什么？如何解決該缺點(diǎn)？開關(guān)量輸入通道的基本組成？每個組成的作用？讀取扳鍵開關(guān)狀態(tài)的程序可以采用哪兩種方法編程？開關(guān)量輸出通道的基本組成？小功率直流負(fù)載的基本類型有哪些？其驅(qū)動電流范圍？采用什么驅(qū)動電路？中功率直流負(fù)載的基本類型有哪些？其驅(qū)動電流范圍？采用什么驅(qū)動電路？達(dá)林頓管的特點(diǎn)？固體繼電器(SSR)的特點(diǎn)？交流固體繼電器的兩種類型和特點(diǎn)？弱電控制強(qiáng)電的方法和抗干擾措施？可控硅、繼電器、接觸器的區(qū)別？了解扳鍵開關(guān)、BCD撥盤開關(guān)、溫度超限開關(guān)與單片機(jī)的接口電路和工作原理？第五章模擬信號的輸入/輸出第五章模擬信號的輸入/輸出本章重點(diǎn):1.A/D,D/A轉(zhuǎn)換器選擇2.模擬I/O通道的設(shè)計(jì)第五章模擬信號的輸入/輸出

一般的智能儀器儀表,測得的大多是連續(xù)變化的物理量,如話音、溫度、壓力、流量等,通常要將測量到的這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送給微處理器或者單片機(jī)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果又要轉(zhuǎn)換為模擬量信號去控制現(xiàn)場，因此A/D、D/A變換是生產(chǎn)過程自動控制和智能儀器儀表不可缺少的部分。

A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個模擬量泛指電壓、電阻、電流、時間等參量，但在實(shí)際應(yīng)用中是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量。要實(shí)現(xiàn)將連續(xù)變化的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量，通常要經(jīng)過4個步驟：采樣、保持、量化和編碼。一般前兩步由采樣保持電路完成，量化和編碼由AD轉(zhuǎn)換器來完成。第五章模擬信號的輸入/輸出5.1模擬信號的輸入常用A/D轉(zhuǎn)換器的種類

目前最常用的A／D轉(zhuǎn)換器是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行比較式轉(zhuǎn)換器。

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器主要優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾性能好，價格便宜。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢，因此，這種轉(zhuǎn)換器主要用于速度要求不高的場合。它由積分器(由集成運(yùn)放A組成)、過零比較器(C)、時鐘脈沖控制門（G）和計(jì)數(shù)器（FF0～FFn）等幾部分組成。

雙積分式AD的基本原理是對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測出此時間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。由于該轉(zhuǎn)換電路是對輸入電壓的平均值進(jìn)行變換，所以它具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力。

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種速度較快，轉(zhuǎn)換精度較高的轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換時間大約在幾μs到幾百μs之間,適用于大部分智能儀器測控電路。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成。

基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進(jìn)行試探。

并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器由電阻分壓器、寄存器及編碼器組成。根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器的輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。轉(zhuǎn)換過程簡單,轉(zhuǎn)換速度快,但是隨著位數(shù)的增加所需硬件將迅速增加，當(dāng)n>4時，并行AD變得比較復(fù)雜，因此并行A/D適用于速度要求很高，而輸出位數(shù)較少的場合。

第五章模擬信號的輸入/輸出

A/D轉(zhuǎn)換器是模擬信號數(shù)字化的核心器件,它的主要性能指標(biāo)有:

1.分辨率2.精度3.轉(zhuǎn)換時間4.量程

5.1.1A/D轉(zhuǎn)換器的選擇第五章模擬信號的輸入/輸出

分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬輸入電壓值，常用可轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量的位數(shù)來表示(例如，8位、10位、12位、16位等)。分辨率＝

其中，n是可轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量的位數(shù)。所以位數(shù)越高，分辨率也越高。例如，當(dāng)輸入滿量程電壓為5V時，對于8位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換的分辨率為5V/255＝0.0195V。第五章模擬信號的輸入/輸出

精度指標(biāo)有分為絕對精度和相對精度指標(biāo).

絕對精度是指A/D輸出端產(chǎn)生一給定數(shù)字量時，輸入端的實(shí)際模擬量輸入值與理論值之差,絕對精度是個范圍,而不是一數(shù)值。相對精度是絕對精度的最大值與滿量程值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來表示。

轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間定義為A/D轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換時間反映了A/D轉(zhuǎn)換的速度。轉(zhuǎn)換時間是啟動ADC開始轉(zhuǎn)換到完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間。目前常用的A/D轉(zhuǎn)換集成電路芯片的轉(zhuǎn)換時間在微秒數(shù)量級。

量程是指能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的輸入電壓的最大范圍。

第五章模擬信號的輸入/輸出第五章模擬信號的輸入/輸出1.根據(jù)精度要求選擇A/D轉(zhuǎn)換器件

若給定一智能儀器的設(shè)計(jì)任務(wù),那么就會要求檢測的精度指標(biāo),從而換算出A/D的轉(zhuǎn)換精度。當(dāng)儀器的非線性誤差控制在1位以下時，可以用分辨率指標(biāo)來考核轉(zhuǎn)換精度指標(biāo)，即可用A/D轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)來選擇轉(zhuǎn)換器。實(shí)際設(shè)計(jì)中，還要結(jié)合經(jīng)濟(jì)性來考慮。

智能溫制儀表設(shè)計(jì)中的A/D轉(zhuǎn)換器選擇

第五章模擬信號的輸入/輸出2.根據(jù)采樣頻率選擇A/D轉(zhuǎn)換器件

每一信號都有其頻率特性，為使獲取的信號不至于真實(shí)，在設(shè)計(jì)A/D時，也必須考慮符合奈奎斯特采樣定理（Fs>=2*fmax,一般取2.56-4倍)

。A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)采樣頻率的不同可分為:低速A/D轉(zhuǎn)換器;中速A/D轉(zhuǎn)換器;高速A/D轉(zhuǎn)換器。

第五章模擬信號的輸入/輸出低速A/D轉(zhuǎn)換器：適用場合：Fs〈=10HZ檢測對象：變化緩慢的物理量（溫度/濕度/液位）A/D轉(zhuǎn)換器類型：雙積分型優(yōu)勢：很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，轉(zhuǎn)換精度高，便宜應(yīng)用：在數(shù)字電壓表中應(yīng)用廣泛

第五章模擬信號的輸入/輸出中速A/D轉(zhuǎn)換器：適用場合：Fs〉=100HZ檢測對象：變化較快的物理量（運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)）A/D轉(zhuǎn)換器類型：逐次逼近型優(yōu)勢：轉(zhuǎn)換速度較塊，精度較高應(yīng)用：絕大多數(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)，很常用

第五章模擬信號的輸入/輸出高速A/D轉(zhuǎn)換器：適用場合：Fs〉=1MHZ檢測對象：變化極快的物理量（視頻信號）A/D轉(zhuǎn)換器類型：并行比較型優(yōu)勢：轉(zhuǎn)換速度較塊，精度較高應(yīng)用：多媒體信息采集與處理系統(tǒng)第五章模擬信號的輸入/輸出3其他選擇考慮片內(nèi)A/D：精度要求不大于12位,可選片內(nèi)集成A/D轉(zhuǎn)換部件單片機(jī),使結(jié)構(gòu)緊湊。串行A/D：不采用三總線設(shè)計(jì)方案而采用單片系統(tǒng)時，用串行A/D可簡化電路設(shè)計(jì)。封裝：常用DIP封裝（雙列直插式），發(fā)展趨勢為表貼型SO封裝第五章模擬信號的輸入/輸出

5.1.2模擬輸入通道設(shè)計(jì)

模擬量輸入通道可完成模擬量信號的采集并將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)的任務(wù)。依據(jù)被控參量和控制要求的不同，模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式不完全相同。但其基本結(jié)構(gòu)都有信號調(diào)理電路、采樣保持電路和D/A轉(zhuǎn)換電路組成。第五章模擬信號的輸入/輸出1.信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的信號調(diào)理電路包括硬件濾波電路、放大器、增益校準(zhǔn)電路、零點(diǎn)校準(zhǔn)電路、線性校準(zhǔn)電路和溫度補(bǔ)償電路等。

智能儀器可以通過微處理器軟件來進(jìn)行自動校準(zhǔn)和自動補(bǔ)償，因此設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路可省去線性校準(zhǔn)電路和溫度補(bǔ)償電路，對增益校準(zhǔn)電路和零點(diǎn)校準(zhǔn)電路的要求也可以降低一些，甚至可以不必采用非常昂貴的高檔運(yùn)算放大器。

第五章模擬信號的輸入/輸出

(1)硬件濾波電路設(shè)計(jì)：濾波電路作用：濾除傳感器器件傳來的混在信號中的干擾成分。（可以省略設(shè)計(jì)不？）

設(shè)計(jì)步驟：首先：設(shè)計(jì)前分析有用信號的頻譜和干擾信號的頻譜，只有當(dāng)兩者的頻譜明顯分開時，硬件濾波電路才能發(fā)揮作用。

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其次：根據(jù)信號和干擾的頻譜特性，選擇低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器。為了降低成本，低通濾波器可用多節(jié)RC電路組成。此時前置放大器的輸入阻抗應(yīng)夠高，以避免RC濾波環(huán)節(jié)對有用信號的衰減。

最后：若有用信號與干擾信號頻譜相互交叉重合，就需要采用調(diào)制／解調(diào)技術(shù)將有用信號的頻譜進(jìn)行搬移，從而分離有用信號和干擾信號的頻譜。

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(2)放大器設(shè)計(jì)：放大器作用：將信號放大到A／D轉(zhuǎn)換器需要的幅度。

圖5-1儀表放大器INA114原理圖

外部電阻RS可調(diào)，實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)設(shè)置。偏值電壓：實(shí)現(xiàn)放大器的窗口作用（Uo=KUi-Us）；Uo輸出電壓，Ui輸入電壓，Us偏置電壓。

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(3)校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)：

校準(zhǔn)電路作用：使信號調(diào)理電路的參數(shù)滿足要求。圖5—1中，外部可調(diào)電阻Rg電路就是增益校準(zhǔn)電路作用是通過仔細(xì)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻Rg，使放大器的放大倍數(shù)等于設(shè)定值。

第五章模擬信號的輸入/輸出2.采樣保持電路設(shè)計(jì)

所謂采樣，就是將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為時間上離散變化的模擬量。模擬信號的采樣過程如圖5-2a所示。其中uI(t)為輸入模擬信號，uO(t)為輸出模擬信號。采樣過程的實(shí)質(zhì)就是將連續(xù)變化的模擬信號變成一串等距不等幅的脈沖。采樣的寬度往往是很窄的，為了使后續(xù)電路能很好的對這個采樣結(jié)果進(jìn)行處理，通常需要將采樣結(jié)果存儲起來，直到下次采樣，這個過程稱作保持,如圖5-2b。采樣器和保持電路一起總稱為采樣保持電路。圖5-2a信號的采樣過程

圖5-2b采樣保持電路及波形

第五章模擬信號的輸入/輸出3.A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

A／D轉(zhuǎn)換電路包括A／D轉(zhuǎn)換芯片、基準(zhǔn)電源電路和控制電路。

例1：P87LPC767單片機(jī)中的8位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換部件的功能;例2:TI的12位A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543。

第五章模擬信號的輸入/輸出第五章模擬信號的輸入/輸出圖5—3aP87LPC767芯片的連接方法

Ｐ８７ＬＰＣ７６７內(nèi)部帶有一個四通道的８位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。四個Ｐ０口可選擇為Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的輸入。其Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的電源和參考電壓與ＭＣＵ共用ＶＣＣ和ＶＳＳ。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器包括一個４模擬多路開關(guān)選擇器和一個８位逐次逼近ＡＤＣ。該Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器可由特殊功能寄存器ＡＤＣＯＮ控制，并可通過置位ＥＮＡＤＣ位來使能Ａ／Ｄ，同時可通過置位ＡＤＣＳ位來啟動Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成時，將結(jié)果放入ＤＡＣ０中。第五章模擬信號的輸入/輸出

AIN0一AINl0為模擬輸入端；CS為片選端；DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端；DouT為A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端；Eoc為車結(jié)束端；CLK為I／O時鐘；REF+為正基準(zhǔn)電壓端；REF一為負(fù)基準(zhǔn)電壓端；Vc為電源；G為地。工作時首先將片選端CS置低電平，然后用軟件產(chǎn)生時鐘脈沖并加到CLK在時鐘脈沖作用下，TLC2543一方面從DOUT端口輸出上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，同時從DIN端C入下一次的操作指令(1字節(jié))。圖5—3bTLC2543芯片與單片機(jī)的連接圖第五章模擬信號的輸入/輸出3.1.3其他A/D轉(zhuǎn)換模式介紹

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