第二章模拟量输入输出通道.ppt
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第第22章章智能仪器模拟量输入智能仪器模拟量输入/输出通道输出通道2.1模拟量输入通道模拟量输入通道2.1.1AD转换器概述转换器概述2.1.2逐次比较式逐次比较式AD转换器与微处理器接口转换器与微处理器接口2.1.3积分式积分式AD转换器与微处理器接口转换器与微处理器接口2.2高速模拟量输入通道高速模拟量输入通道2.3模拟量输出通道模拟量输出通道2.4数据采集系统数据采集系统第第22章章智能仪器模拟量输入智能仪器模拟量输入/输出通道输出通道智能仪器所处理的对象大部分是模拟量。
而智能仪器的智能仪器所处理的对象大部分是模拟量。
而智能仪器的核心核心微处理器能接受并处理的是数字量,因此被测模拟量微处理器能接受并处理的是数字量,因此被测模拟量必须先通过必须先通过AD转换器转换成数字量,并通过适当的接口送转换器转换成数字量,并通过适当的接口送入微处理器。
在这里,我们把入微处理器。
在这里,我们把AD转换器及其接口称为模拟转换器及其接口称为模拟量输入通道。
量输入通道。
同样,微处理器处理后的数据往往又需要使用同样,微处理器处理后的数据往往又需要使用DA转换转换器及相应的接口将其变换成模拟量送出。
在这里,我们把器及相应的接口将其变换成模拟量送出。
在这里,我们把DA转换器及相应的接口称为模拟量输出通道。
转换器及相应的接口称为模拟量输出通道。
2.1模拟量输入通道模拟量输入通道2.1.1AD转换器概述转换器概述AD转换器是将模拟量转换为数字量的器件,这转换器是将模拟量转换为数字量的器件,这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量,但在个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量,但在一般情况下,模拟量是指电压而言的。
一般情况下,模拟量是指电压而言的。
一、一、AD转换器的定义转换器的定义1.分辨率与量化误差分辨率与量化误差2.转换精度转换精度3.转换速率转换速率4.满刻度范围满刻度范围二、二、AD转换器的技术指标转换器的技术指标二、二、AADD转换器的技术指标转换器的技术指标1.分辨率与量化误差分辨率与量化误差分辨率是衡量分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化量的技术转换器分辨输入模拟量最小变化量的技术指标,是数字量变化一个字所对应模拟信号的变化量。
例如:
指标,是数字量变化一个字所对应模拟信号的变化量。
例如:
某某A/D转换器为转换器为12位,即表示该转换器可以用位,即表示该转换器可以用212个二进制数对个二进制数对输入模拟量进行量化。
输入模拟量进行量化。
若用百分比表示,其分辨率为(若用百分比表示,其分辨率为(1/212)100=0.025,若允许最大输入电压为若允许最大输入电压为10V,则它能分辨输入模拟电压的最小变,则它能分辨输入模拟电压的最小变化量为化量为10V1/212=2.4mV。
A/D转换器的分辨率取决于转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数,所以习惯上转换器的位数,所以习惯上也以也以BCD码数的位数直接表示。
码数的位数直接表示。
二、二、AADD转换器的技术指标转换器的技术指标1.分辨率与量化误差分辨率与量化误差量化误差是由量化误差是由A/D转换器有限字长数字量对输入模拟量进行转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样(量化)引起的误差,其大小在理论上为一个单位离散取样(量化)引起的误差,其大小在理论上为一个单位(1LSB)。
将实际转移曲线在零刻度处偏移)。
将实际转移曲线在零刻度处偏移1/2单位,可使得单位,可使得量化误差为量化误差为1/2LSB。
A/D转换器的量化误差转换器的量化误差2.1.1AD转换器概述转换器概述二、二、AADD转换器的技术指标转换器的技术指标1.分辨率与量化误差分辨率与量化误差分辨率是衡量分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。
技术指标。
A/D转换器的分辨率取决于转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数,所转换器的位数,所以习惯上以输出二进制数或以习惯上以输出二进制数或BCD码数的位数来表示。
码数的位数来表示。
量化误差是由于量化误差是由于A/D转换器有限字长数字量对输入模拟量进转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样(量化)引起的误差,其大小在理论上也为一个单行离散取样(量化)引起的误差,其大小在理论上也为一个单位(位(1LSB)。
)。
量化误差和分辨率是统一的,即提高分辨率可以减小量化误差。
量化误差和分辨率是统一的,即提高分辨率可以减小量化误差。
2.1.1AD转换器概述转换器概述二、二、AADD转换器的技术指标转换器的技术指标2、转换精度、转换精度转换精度反映了一个实际转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想转换器与一个理想A/D转换器转换器在量化值上的差值,用绝对误差或相对误差来表示。
由于理想在量化值上的差值,用绝对误差或相对误差来表示。
由于理想A/D转换器也存在着量化误差,因此,转换器也存在着量化误差,因此,实际实际A/D转换器转换精度转换器转换精度所对应的误差指标不包括量化误差在内。
所对应的误差指标不包括量化误差在内。
转换精度指标通常由以下分项误差有组成:
转换精度指标通常由以下分项误差有组成:
偏移误差偏移误差满刻度误差满刻度误差非线性误差非线性误差微分非线性误差微分非线性误差转换精度转换精度转换精度指标通常由以下分项误差有组成:
转换精度指标通常由以下分项误差有组成:
偏移误差:
是指输出为零时,输入不为零的值,所以有偏移误差:
是指输出为零时,输入不为零的值,所以有时又称零点误差。
偏移误差可以通过在时又称零点误差。
偏移误差可以通过在A/D转换器的外部加接调转换器的外部加接调节电位器,将偏移误差调至最小。
节电位器,将偏移误差调至最小。
满刻度误差:
又称增益误差,它是指满刻度误差:
又称增益误差,它是指A/D转换器满刻度时转换器满刻度时输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差,满输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差,满刻度误差一般是由参考电压、放大器放大倍数、电阻网络误差等刻度误差一般是由参考电压、放大器放大倍数、电阻网络误差等引起。
满刻度误差可以通过外部电路来修正。
引起。
满刻度误差可以通过外部电路来修正。
非线性误差:
是指实际转移函数与理想直线的最大偏移。
非线性误差:
是指实际转移函数与理想直线的最大偏移。
非线性误差不包括量化误差,偏移误差和满刻度误差。
非线性误差不包括量化误差,偏移误差和满刻度误差。
微分非线性误差:
是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯微分非线性误差:
是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯电压电压(1LSB)之间的差值。
为保证之间的差值。
为保证A/D转换器的单调性能,转换器的单调性能,A/D转转换器的微分非线性误差一般不大于换器的微分非线性误差一般不大于1LSB。
非线性误差和微分非。
非线性误差和微分非线性误差在使用中很难进行调整。
线性误差在使用中很难进行调整。
2.1.1AD转换器概述转换器概述二、二、AADD转换器的技术指标转换器的技术指标3、转换速率、转换速率转换速率是指转换速率是指AD转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。
转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。
转换速率也可表述为转换时间,即转换速率也可表述为转换时间,即AD转换从启动到结束转换从启动到结束所需的时间,转换速率与转换时间互为倒数。
所需的时间,转换速率与转换时间互为倒数。
例如,某例如,某AD转换器的转换速率为转换器的转换速率为5MHz,则其转换时间是,则其转换时间是200ns。
2.1.1AD转换器概述转换器概述二、二、AADD转换器的技术指标转换器的技术指标4、满刻度范围、满刻度范围满刻度范围是指满刻度范围是指A/D转换器所允许最大的输入电压范围。
转换器所允许最大的输入电压范围。
如(如(05)V,(,(010)V,(,(55)V等等满刻度值只是个名义值,实际的满刻度值只是个名义值,实际的AD转换器的最大输入转换器的最大输入电压值总比满刻度值小电压值总比满刻度值小12n(n为转换器的位数)。
这是因为转换器的位数)。
这是因为为0值也是值也是2n个转换器状态中的一个。
个转换器状态中的一个。
例如例如12位的位的AD转换器,其满刻度值为转换器,其满刻度值为10V,而实际允,而实际允许的最大输入电压值为许的最大输入电压值为109.9976V。
三、三、AADD转换器的分类转换器的分类逐次比较式逐次比较式AD转换器:
转换时间一般在转换器:
转换时间一般在s级,转换精级,转换精度一般在度一般在0.1上下,适用于一般场合。
上下,适用于一般场合。
积分式积分式AD转换器:
其核心部件是积分器,因此转换时转换器:
其核心部件是积分器,因此转换时间一般在间一般在ms级或更长,但抗干扰性能强,转换精度可达级或更长,但抗干扰性能强,转换精度可达0.01或更高。
适于数字电压表类仪器采用。
或更高。
适于数字电压表类仪器采用。
并行比较式又称闪烁式:
采用并行比较,其转换时间可并行比较式又称闪烁式:
采用并行比较,其转换时间可达达ns级,但抗干扰性能较差,由于工艺限制,其分辨率一般不高级,但抗干扰性能较差,由于工艺限制,其分辨率一般不高于于8位。
可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。
位。
可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。
改进型是在上述某种形式改进型是在上述某种形式AD转换器的基础上,为满足转换器的基础上,为满足某项高性能指标而改进或复合而成的。
例如余数比较式即是在逐某项高性能指标而改进或复合而成的。
例如余数比较式即是在逐次比较式的基础上加以改进,使其在保持原有较高转换速率的前次比较式的基础上加以改进,使其在保持原有较高转换速率的前提下精度可达提下精度可达0.01以上。
以上。
2.1.2逐次比较式逐次比较式A/D转换器与微处理器接口转换器与微处理器接口一、一、逐次比较式逐次比较式AADD转换器原理转换器原理它由它由N位寄存器、位寄存器、N位位DA转换器、比较器、逻辑控制电路、转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲器输出缓冲器五部分组成,五部分组成,逐次比较式逐次比较式AD转转换器大都做成单片集成换器大都做成单片集成电路形式,使用时只需电路形式,使用时只需发出发出AD转换启动信转换启动信号,然后在号,然后在EOC端查知端查知AD转换过程结束后,转换过程结束后,取出数据即可(实际取出数据即可(实际AD转换过程已不是非转换过程已不是非常重要)。
常重要)。
二、二、ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口二、二、ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口ADC0809由三大部分组成:
由三大部分组成:
1、8路输入模拟量选择电路:
路输入模拟量选择电路:
8路输入模拟量信号分别接到路输入模拟量信号分别接到IN0IN7端。
端。
A,B,C为输入地址选择线,地址信息由为输入地址选择线,地址信息由ALE的上的上升沿打入地址锁存器。
升沿打入地址锁存器。
2、逐次比较式、逐次比较式AD转换器:
转换器:
START为启动信号,其上升为启动信号,其上升沿复位内部寄存器,下降沿启动沿复位内部寄存器,下降沿启动AD转换。
转换。
EOC为转换结束标为转换结束标志位,志位,“0”表示正在转换,表示正在转换,“1”表示一次表示一次A/D转换的结束。
转换的结束。
CLOCK为外部时钟输入信号,当时钟频率取为外部时钟输入信号,当时钟频率取640kHz时,转换一时,转换一次约需次约需100s时间(时间(ADC0809所能容许的最短转换时间)。
所能容许的最短转换时间)。
3、三态输出缓冲锁存器:
、三态输出缓冲锁存器:
AD转换的结果由转换的结果由EOC信号上升信号上升沿打入三态输出缓冲锁存器。
沿打入三态输出缓冲锁存器。
OE为输出允许信号,当向为输出允许信号,当向OE端输端输入一个高电平时,三态门电路被选通,这时便可读取结果。
否则入一个高电平时,三态门电路被选通,这时便可读取结果。
否则缓冲锁存器输出为高阻态。
缓冲锁存器输出为高阻态。
二、二、ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口二、二、
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- 第二 模拟 输入输出 通道