第06章模擬量輸入通道

本章要點

1．模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成。

2．多路開關(guān)，前置放大、采樣保持等各環(huán)節(jié)的功能作用。

3．8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809芯片及其接口電路

4．中泰A/D接口板

引言

6.1信號調(diào)理電路

6.2多路模擬開關(guān)

6.3前置放大器

6.4采樣保持器

6.5A/D轉(zhuǎn)換器

6.6A/D轉(zhuǎn)換模板

本章小結(jié)

思考題

本章主要內(nèi)容引言

模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號。結(jié)構(gòu)組成如圖6-1所示，來自于工業(yè)現(xiàn)場傳感器或變送器的多個模擬量信號首先需要進(jìn)行信號調(diào)理，然后經(jīng)多路模擬開關(guān)，分時切換到后級進(jìn)行前置放大、采樣保持和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，通過接口電路以數(shù)字量信號進(jìn)入主機(jī)系統(tǒng)，從而完成對過程參數(shù)的巡回檢測任務(wù)。

顯然，該通道的核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，通常把模擬量輸入通道稱為A/D通道或AI通道。圖6.16.1信號調(diào)理電路

在控制系統(tǒng)中，對被控量的檢測往往采用各種類型的測量變送器，當(dāng)它們的輸出信號為0-10mA或4-20mA的電流信號時，一般是采用電阻分壓法把現(xiàn)場傳送來的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，以下是兩種變換電路。

1.無源I/V變換

2.有源I/V變換

1.無源I/V變換

無源I/V變換電路是利用無源器件—電阻來實現(xiàn)，加上RC濾波和二極管限幅等保護(hù)，如圖6-2（a）所示，其中R2為精密電阻。對于0-10mA輸入信號，可取R1=100Ω，R2=500Ω，這樣當(dāng)輸入電流在0-10mA量程變化時，輸出的電壓就為0-5V范圍；而對于4-20mA輸入信號，可取R1=100Ω，R2=250Ω，這樣當(dāng)輸入電流為4-20mA時，輸出的電壓為1-5V。

圖6-2電流/電壓變換電路

1.無源I/V變換

構(gòu)成－－無源器件電阻+RC濾波+二極管限幅等實現(xiàn)，取值:

輸入0-10mA，輸出為0-5V，R1=100Ω，R2=500Ω； 輸入4-20mA，輸出為1-5V，R1=100Ω，R2=250Ω；

電路圖：2.有源I/V變換構(gòu)成－－

運算放大器＋電阻電容組成；電路放大倍數(shù)－－同相放大電路

取值－

R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ輸入0~10mA輸出0~5V

R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ輸入4~20mA輸出1~5V電路圖：

2.有源I/V變換

有源I/V變換是利用有源器件——運算放大器和電阻電容組成，如圖6-2（b）所示。利用同相放大電路，把電阻R1上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為

(6-1)

若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，則輸入電流I的0~10mA就對應(yīng)電壓輸出V的0~5V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，則4~20mA的輸入電流對應(yīng)于1~5V的電壓輸出。

6.2多路模擬開關(guān)主要知識點

引言

6.2.1結(jié)構(gòu)原理

6.2.2擴(kuò)展電路引言

由于計算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測參數(shù)的變化，因此一臺計算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個檢測回路使用，但計算機(jī)在某一時刻只能接收一個回路的信號。所以，必須通過多路模擬開關(guān)實現(xiàn)多選1的操作，將多路輸入信號依次地切換到后級。目前，計算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開關(guān)種類很多，并具有不同的功能和用途。如集成電路芯片CD4051(雙向、單端、8路)、CD4052(單向、雙端、4路)、AD7506(單向、單端、16路)等。所謂雙向，就是該芯片既可以實現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換；而單向則只能完成多到一的切換。雙端是指芯片內(nèi)的一對開關(guān)同時動作，從而完成差動輸入信號的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。6.2.1結(jié)構(gòu)原理

現(xiàn)以常用的CD4051為例，8路模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖6-3所示。CD4051由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路三部分組成。當(dāng)禁止端為“1”時，前后級通道斷開，即S0~S7端與Sm端不可能接通；當(dāng)為“0”時，則通道可以被接通，通過改變控制輸入端C、B、A的數(shù)值，就可選通8個通道S0~S7中的一路。比如：當(dāng)C、B、A=000時，通道S0選通；當(dāng)C、B、A=001時，通道S通；……當(dāng)C、B、A=111時，通道S7選通。其真值表如表6-1所示。表6-1圖6-3CD4051結(jié)構(gòu)原理圖

鏈接動畫構(gòu)成－電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路三部分組成。6.2.2擴(kuò)展電路

當(dāng)采樣通道多至16路時，可直接選用16路模擬開關(guān)的芯片，也可以將2個8路4051并聯(lián)起來，組成1個單端的16路開關(guān)。

例題6-1試用兩個CD4051擴(kuò)展成一個1×16路的模擬開關(guān)。

例題分析：圖6-4給出了兩個CD4051擴(kuò)展為1×16路模擬開關(guān)的電路。數(shù)據(jù)總線D3~D0作為通道選擇信號，D3用來控制兩個多路開關(guān)的禁止端。當(dāng)D3=0時，選中上面的多路開關(guān)，此時當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S0~S7通道；當(dāng)D3=1時，經(jīng)反相器變成低電平，選中下面的多路開關(guān)，此時當(dāng)D2、D1、D0從000變?yōu)?11，則依次選通S8~S15通道。如此，組成一個16路的模擬開關(guān)。圖6-4多路模擬開關(guān)的擴(kuò)展電路鏈接動畫6.3前置放大器主要知識點

引言

6.3.1測量放大器

6.3.2可變增益放大器

引言

前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;

對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進(jìn)行單端同相放大或單端反相放大。如圖6-5所示，信號源的一端若接放大器的正端為同相放大，同相放大電路的放大倍數(shù)G=1+R2/R1；

若信號源的一端接放大器的負(fù)端為反相放大，反相放大電路的放大倍數(shù)G=－R2/R1。當(dāng)然，這兩種電路都是單端放大，所以信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地。

圖6-5放大電路

鏈接動畫6.3.1測量放大器

在實際工程中,來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號往往帶有較大的共模干擾，而單個運放電路的差動輸入端難以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一組運放構(gòu)成的測量放大器，也稱儀表放大器，如圖6-6(a)所示。

經(jīng)典的測量放大器是由三個運放組成的對稱結(jié)構(gòu)，測量放大器的差動輸入端VIN和VIN分別是兩個運放A1、A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對稱地直接與被測信號相連，因而有著極強(qiáng)的抑制共模干擾能力。-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負(fù)載(外接)外接地TUOV(外接)(a)經(jīng)典的前置放大器圖6-6前置放大器

對稱結(jié)構(gòu)，可抑制共模干擾。鏈接動畫

圖中RG是外接電阻，專用來調(diào)整放大器增益的。因此，放大器的增益G與這個外接電阻RG有著密切的關(guān)系。增益公式為

(6-2)

目前這種測量放大器的集成電路芯片有多種，如AD521/522、INA102等。6.3.2可變增益放大器

在A/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測信號常常共用一個測量放大器，而各路的輸入信號大小往往不同，但都要放大到A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對應(yīng)于各路不同大小的輸入信號，測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增益放大器或可編程放大器，如圖6-6(b)所示。3A2A-NIN負(fù)載(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314Ω630Ω-+1AIV+(b)可變增益放大器圖6-6前置放大器鏈接動畫

把圖6-6（a）中的外接電阻RG換成一組精密的電阻網(wǎng)絡(luò)，每個電阻支路上有一個開關(guān)，通過支路開關(guān)依次通斷就可改變放大器的增益，根據(jù)開關(guān)支路上的電阻值與增益公式，就可算得支路開關(guān)自上而下閉合時的放大器增益分別為2、4、8、16、32、64、128、256倍。顯然，這一組開關(guān)如果用多路模擬開關(guān)(類似CD4051)就可方便地進(jìn)行增益可變的計算機(jī)數(shù)字程序控制。此類集成電路芯片有AD612/614等。6.4采樣保持器

當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，如果輸入信號變化較快，就會引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器。

6.4.1數(shù)據(jù)采樣定理

6.4.2采樣保持器6.4.1數(shù)據(jù)采樣定理離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)--把連續(xù)變化的量變成離散量后再進(jìn)行處理的計算機(jī)控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的采樣形式--有周期采樣、多階采樣和隨機(jī)采樣。應(yīng)用最多的是周期采樣。周期采樣--就是以相同的時間間隔進(jìn)行采樣，即把一個連續(xù)變化的模擬信號y(t)，按一定的時間間隔T轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r0，T，2T，…的一連串脈沖序列信號

y*(t)，如圖6-7所示。采樣器的常用術(shù)語：采樣器或采樣開關(guān)--執(zhí)行采樣動作的裝置，采樣時間或采樣寬度τ--采樣開關(guān)每次閉合的時間采樣周期T--采樣開關(guān)每次通斷的時間間隔在實際系統(tǒng)中，<<T

，也就是說，可以近似地認(rèn)為采樣信號y*(t)是y(t)在采樣開關(guān)閉合時的瞬時值。圖6-7信號的采樣過程鏈接動畫

由經(jīng)驗可知，采樣頻率越高，采樣信號

y*(t)越接近原信號y(t)，但若采樣頻率過高，在實時控制系統(tǒng)中將會把許多寶貴的時間用在采樣上，從而失去了實時控制的機(jī)會。為了使采樣信號y*(t)既不失真，又不會因頻率太高而浪費時間，我們可依據(jù)香農(nóng)采樣定理。香農(nóng)定理指出：為了使采樣信號y*(t)能完全復(fù)現(xiàn)原信號y(t)，采樣頻率f至少要為原信號最高有效頻率fmax的2倍，即f2fmax。采樣定理給出了y*(t)唯一地復(fù)現(xiàn)y(t)所必需的最低采樣頻率。實際應(yīng)用中，常取f（5~10）fmax。6.4.2采樣保持器1、零階采樣保持器--零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻。它的組成原理電路與工作波性如圖6-8(a)、(b)所示。采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器A1、A2和采樣開關(guān)S、保持電容CH等組成。采樣期間，開關(guān)S閉合，輸入電壓VIN通過A1對CH快速充電，輸出電壓VOUT跟隨VIN變化；保持期間，開關(guān)S斷開，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下電容CH將保持電壓VC不變，因而輸出電壓VOUT=VC也保持恒定。

圖6-8采樣保持器鏈接動畫

顯然，保持電容CH的作用十分重要。實際上保持期間的電容保持電壓VC在緩慢下降，這是由于保持電容的漏電流所致。保持電壓VC的變化率為

(6-3)式中：ID--為保持期間電容的總泄漏電流，它包括放大器的輸入電流、開關(guān)截止時的漏電流與電容內(nèi)部的漏電流等。電容CH值--增大電容CH值可以減小電壓變化率，但同時又會增加充電即采樣時間，因此保持電容的容量大小與采樣精度成正比而與采樣頻率成反比。一般情況下，保持電容CH是外接的，所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高質(zhì)量的電容器，容量為510~1000pF。2、零階集成采樣保持器--常用的零階集成采樣保持器有AD582、LF198/298/398等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖6-9(a)、(b)所示。這里，用TTL邏輯電平控制采樣和保持狀態(tài)，如AD582的采樣電平為“0”，保持電平為“1”，而LF198的則相反。圖6－9集成采樣保持器

在A/D通道中，采樣保持器的采樣和保持電平應(yīng)與后級的A/D轉(zhuǎn)換相配合，該電平信號既可以由其它控制電路產(chǎn)生，也可以由A/D轉(zhuǎn)換器直接提供。

總之，保持器在采樣期間，不啟動A/D轉(zhuǎn)換器，而一旦進(jìn)入保持期間，則立即啟動A/D轉(zhuǎn)換器，從而保證A/D轉(zhuǎn)換時的模擬輸入電壓恒定，以確保A/D轉(zhuǎn)換精度（可參見圖6-198路12位A/D轉(zhuǎn)換模板電路）。6.5A/D轉(zhuǎn)換器主要知識點

6.5.1工作原理與性能指標(biāo)

6.5.2ADC0809及其接口電路

*6.5.3AD574A芯片及其接口電路

6.5.1工作原理與性能指標(biāo)

1．逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

2．雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理

3．電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理

4．A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

1．逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

一個n位A/D轉(zhuǎn)換器是由n位寄存器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、運算比較器、控制邏輯電路、輸出鎖存器等五部分組成?，F(xiàn)以4位A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量9轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)1001為例，說明逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。如圖6-10所示。

圖6-10逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖

鏈接動畫

當(dāng)啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下，

首先使寄存器的最高位D31，其余為0，此數(shù)字量1000經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即VO8，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量VIN=9進(jìn)行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進(jìn)行判斷。當(dāng)VIN

VO，則保留D3=1；

再對下一位D2進(jìn)行比較，同樣先使D21，與上一位D3位一起即1100進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為VO12再進(jìn)入比較器，與VIN9比較，因VIN

VO，則使D20；

再下一位D1位也是如此，D11即1010，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO=10，再與VIN9比較，因VIN

VO，則使D10；

最后一位D01-即1001經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO9，再與VIN9比較，因VIN

VO，保留D01。比較完畢，寄存器中的數(shù)字量1001即為模擬量9的轉(zhuǎn)換結(jié)果，存在輸出鎖存器中等待輸出。

一個n位A/D轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換表達(dá)式是

（6-4）式中n

——n位A/D轉(zhuǎn)換器；

VR+、VR-

——基準(zhǔn)電壓源的正、負(fù)輸入；

VIN——要轉(zhuǎn)換的輸入模擬量；

B——轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)字量。即當(dāng)基準(zhǔn)電壓源確定之后，n位A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量B與要轉(zhuǎn)換的輸入模擬量VIN呈正比。

例題6-2：一個8位A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)VR+=5.02V，VR=0V，計算當(dāng)VIN分別為0V、2.5V、5V時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量。解：把已知數(shù)代入公式（6-4）：

0V、2.5V、5V時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量分別為00H、80H、FFH。此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有普通型8位單路ADC0801～ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等，混合集成高速型12位單路AD574A、ADC803等。2．雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理

圖6-11雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理如圖6-11所示，在轉(zhuǎn)換開始信號控制下，開關(guān)接通模擬輸入端，輸入的模擬電壓VIN在固定時間T內(nèi)對積分器上的電容C充電（正向積分），時間一到，控制邏輯將開關(guān)切換到與VIN極性相反的基準(zhǔn)電源上，此時電容C開始放電（反向積分），同時計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)比較器判定電容C放電完畢時就輸出信號，由控制邏輯停止計數(shù)器的計數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正比于放電時間。放電時間T1或T2又正比于輸入電壓VIN，即輸入電壓大，則放電時間長，計數(shù)器的計數(shù)值越大。因此，計數(shù)器計數(shù)值的大小反映了輸入電壓VIN在固定積分時間T內(nèi)的平均值。此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為3位半BCD碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)）的ICL7107、MC14433、輸出為4位半BCD碼的ICL7135等。

3．電壓/頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理電壓/頻率式轉(zhuǎn)換器--簡稱V/F轉(zhuǎn)換器，是把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的器件。V/F轉(zhuǎn)換的方法--實現(xiàn)V/F轉(zhuǎn)換的方法很多，現(xiàn)以常見的電荷平衡V/F轉(zhuǎn)換法說明其轉(zhuǎn)換原理，如圖6-12（a）、（b）所示。(a)電路原理圖

圖6-12電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換原理

A1是積分輸入放大器，A2為零電壓比較器，恒流源IR和開關(guān)S構(gòu)成A1的反充電回路，開關(guān)S由單穩(wěn)態(tài)定時器觸發(fā)控制。當(dāng)積分放大器A1的輸出電壓VO下降到零伏時，零電壓比較器A2輸出跳變，則觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)定時器，即產(chǎn)生暫態(tài)時間為T1的定時脈沖，并使開關(guān)S閉合；同時又使晶體管T截止，頻率輸出端VfO輸出高電平。

在開關(guān)S閉合期間，恒流源IR被接入積分器的㈠輸入端。由于電路是按IR＞Vimax/Ri設(shè)計的，故此時電容C被反向充電，充電電流為IR-Vi/Ri，則積分器A1輸出電壓VO從零伏起線性上升。當(dāng)定時T1時間結(jié)束，定時器恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，使開關(guān)S斷開，反向充電停止，同時使晶體管T導(dǎo)通，VfO端輸出低電平。

開關(guān)S斷開后，正輸入電壓Vi開始對電容C正向充電，其充電電流為Vi/Ri，則積分器A1輸出電壓VO開始線性下降。當(dāng)VO=0時，比較器A2輸出再次跳變，又使單穩(wěn)態(tài)定時器產(chǎn)生T1時間的定時脈沖而控制開關(guān)S再次閉合，A1再次反向充電，同時VfO端又輸出高電平。如此反復(fù)下去，就會在積分器A1輸出端VO、單穩(wěn)態(tài)定時器脈沖輸出端和頻率輸出端VfO端產(chǎn)生如圖6-12（b）所示的波形，其波形的周期為T。

根據(jù)反向充電電荷量和正向充電電荷量相等的電荷平衡原理，可得

（6-5）整理得

（6-7）則VfO端輸出的電壓頻率為（6-6）

這個fO就是由Vi轉(zhuǎn)換而來的輸出頻率，兩者成線性比例關(guān)系。由上式可見，要精確地實現(xiàn)V/F變換，要求IR、Ri和T1應(yīng)準(zhǔn)確穩(wěn)定。積分電容C雖沒有出現(xiàn)在上式中，但它的漏電流將會影響到充電電流Vi/Ri，從而影響轉(zhuǎn)換精度。為此應(yīng)選擇漏電流小的電容。此種V/F轉(zhuǎn)換器的常用品種有VFC32、LM131/LM231/LM331、AD650、AD651等。

（1）分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位等。分辨率為n，表示它可以對滿刻度的1/2n的變化量作出反應(yīng)。即：分辨率=滿刻度值/2n

4．A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對誤差和相對誤差來表示。所謂絕對誤差，是指對應(yīng)于一個給定數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差的大小由實際模擬量輸入值和理論值之差來度量。絕對誤差包括增益誤差，零點誤差和非線性誤差等。

相對誤差是指絕對誤差與滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來表示，對A/D轉(zhuǎn)換器常用最低有效值的位數(shù)LSB（LeastSignificantBit)）來表示，1LSB=1／2n

。（2）轉(zhuǎn)換精度

例如，對于一個8位0~5V的A/D轉(zhuǎn)換器，如果其相對誤差為±1LSB，則其絕對誤差為±19.5mV，相對百分誤差為0.39％。一般來說，位數(shù)n越大，其相對誤差（或絕對誤差）越小。（3）轉(zhuǎn)換時間

A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。如逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為微秒級，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為毫秒級。下面介紹幾種典型芯片及其與PC總線的接口電路。6.5.2ADC0809及其接口電路主要知識點

1、ADC0809芯片介紹

2．ADC0809接口電路1、ADC0809芯片介紹1、ADC0809芯片介紹8位逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為1/28≈0.39%模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是0-+5V標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時間為100s采用28腳雙立直插式封裝

圖6-13ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳鏈接動畫各引腳功能如下：

IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。上升沿時鎖存3位通道選擇信號。A、B、C：3位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時，地址譯碼與對應(yīng)通道選擇見表3-2。START：啟動A/D轉(zhuǎn)換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0～D7：8位數(shù)字量輸出。D0為最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)總線直接相連。CLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時，A/D轉(zhuǎn)換時間為100s。VR+，VR-：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作電源，5VDC。GND：電源地。

表6-2被選通道和地址的關(guān)系CBA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時序圖6-14ADC0809的轉(zhuǎn)換時序

其轉(zhuǎn)換過程表述如下：首先ALE的上升沿將地址代碼鎖存、譯碼后選通模擬開關(guān)中的某一路，使該路模擬量進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器中。同時START的上升沿將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿起動A/D轉(zhuǎn)換，即在時鐘的作用下，逐位逼近過程開始，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC即變?yōu)榈碗娖?。?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC恢復(fù)高電平，此時，如果對輸出允許OE輸入一高電平命令，則可讀出數(shù)據(jù)。2．ADC0809接口電路

A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路主要是解決主機(jī)如何分時采集多路模擬量輸入信號的，即主機(jī)如何啟動A/D轉(zhuǎn)換，如何判斷A/D完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，如何讀入并存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的。下面僅介紹兩種典型的接口電路。

（1）查詢方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

（2）定時方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

（1）查詢方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

圖6-15為采用程序查詢方式的8路8位A/D轉(zhuǎn)換接口電路，由PC總線、ADC0809以及138譯碼器、74LS02非與門（即或非門）與74LS126三態(tài)緩沖器組成。圖中，啟動轉(zhuǎn)換的板址PA=01000000，每一路的口址分別為000-111，故8路轉(zhuǎn)換地址為40H-47H。圖6-15查詢方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)鏈接動畫接口程序如下：

MOVBX，BUFF；置采樣數(shù)據(jù)區(qū)首址

MOVCX，08H；８路輸入START：OUTPA，AL；啟動A/D轉(zhuǎn)換

REOC：INAL，PB；讀EOCRCRAL，01；判斷EOCJNCREOC；若EOC=0，繼續(xù)查詢

INAL，PA；若EOC=1，讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

MOV[BX]，AL；存A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

INCBX；存A/D轉(zhuǎn)換數(shù)地址加1INCPA；接口地址加1LOOPSTART；循環(huán)現(xiàn)說明啟動轉(zhuǎn)換過程：

首先主機(jī)執(zhí)行一條啟動轉(zhuǎn)換第1路的輸出指令，即是把AL中的數(shù)據(jù)送到地址為PA的接口電路中，此時AL中的內(nèi)容無關(guān)緊要，而地址PA=40H使138譯碼器的輸出一個低電平，連同OUT輸出指令造成的低電平，從而使非與門02（3）產(chǎn)生脈沖信號到引腳ALE和START，ALE的上升沿將通道地址代碼000鎖存并進(jìn)行譯碼，選通模擬開關(guān)中的第一路VIN0，使該路模擬量進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器中；同時START的上升沿將ADC0809中的逐位逼近寄存器SAR清零,下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，即在時鐘的作用下，逐位逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程開始。

接著，主機(jī)查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC的狀態(tài)，通過執(zhí)行輸入指令，即是把地址為PB的轉(zhuǎn)換接口電路的數(shù)據(jù)讀入AL中，此時地址PB=01001000（48H），使138譯碼器的輸出一個低電平，連同IN輸入指令造成的低電平，從而使非與門02（1）產(chǎn)生脈沖信號并選通126三態(tài)緩沖器，使EOC電平狀態(tài)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線D0上。然后將讀入的8位數(shù)據(jù)進(jìn)行帶進(jìn)位循環(huán)右移，以判斷EOC的電平狀態(tài)。如果EOC為“0”，表示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，程序再跳回REOC，反復(fù)查詢；當(dāng)EOC為“1”，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。

然后，主機(jī)便執(zhí)行一條輸入指令，把接口地址為PA的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入AL中，即是輸出一個低電平，連同IN輸入指令造成的低電平，從而使非與門02（2）產(chǎn)生脈沖信號，即產(chǎn)生輸出允許信號到OE，使ADC0809內(nèi)部的三態(tài)輸出鎖存器釋放轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，并被讀入到AL中。接下來，把A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入寄存器BX所指的數(shù)據(jù)區(qū)首地址0000H中，數(shù)據(jù)區(qū)地址加1，為第2路A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存放作準(zhǔn)備；接口地址加1，準(zhǔn)備接通第2路模擬量信號；計數(shù)器減1，不為0則返回到START，繼續(xù)進(jìn)行下一路的A/D轉(zhuǎn)換。如此循環(huán)，直至完成8路A/D轉(zhuǎn)換。（2）定時方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

定時方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)的電路組成如圖6-16所示，它與查詢方式不同的僅僅在于啟動A/D轉(zhuǎn)換后，無需查詢EOC引腳狀態(tài)而只需等待轉(zhuǎn)換時間，然后讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)。因此，硬件電路可以取消126三態(tài)緩沖器及其控制電路，軟件上也相應(yīng)地去掉查詢EOC電平的REOC程序段，而換之以調(diào)用定時子程序（CALLDELAY）即可。這里定時時間應(yīng)略大于ADC0809的實際轉(zhuǎn)換時間。圖中，ADC0809的CLOCK引腳（輸入時鐘頻率）為640KHz，因此轉(zhuǎn)換時間為8×8個時鐘周期，相當(dāng)于100μS。圖6-16定時方式讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)

鏈接動畫

顯然，定時方式比查詢方式簡單，但前提是必須預(yù)先精確地知道A/D轉(zhuǎn)換芯片完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間。這兩種方法的共同點是硬軟件接口簡單，但在轉(zhuǎn)換期間獨占了CPU時間，好在這種逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換的時間只在微秒數(shù)量級。當(dāng)選用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器時，因其轉(zhuǎn)換時間在毫秒級，因此采用中斷法讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)的方式更為適宜。因此，在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，究竟采用何種接口方式要根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器芯片而定。

8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率約為0.0039，轉(zhuǎn)換精度在0.4％以下,這對一些精度要求比較高的控制系統(tǒng)而言是不夠的，因此要采用更多位的A/D轉(zhuǎn)換器，如10位、12位、14位等A/D轉(zhuǎn)換器。下面以AD574A為例介紹12位A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路。6.5.3AD574A芯片及其接口電路

主要知識點

1．AD574A芯片介紹

2.AD574A接口電路1．AD574A芯片介紹1．AD574A芯片介紹AD574A是一種高性能的12位逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為1/212=0.024%轉(zhuǎn)換時間為25μs,適合于在高精度快速采樣系統(tǒng)中使用內(nèi)部結(jié)構(gòu)大體與ADC0809類似，由12位A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、三態(tài)輸出鎖存緩沖器與10V基準(zhǔn)電壓源構(gòu)成，可以直接與主機(jī)數(shù)據(jù)總線連接，但只能輸入一路模擬量AD574A也采用28腳雙立直插式封裝

圖6-17AD574A原理框圖及引腳各引腳功能如下：Vcc：工作電源正端，+12VDC或+15VDC。VEE：工作電源負(fù)端，12VDC或15VDC。VL：邏輯電源端，+5VDC。雖然使用的工作電源為12VDC或15VDC，但數(shù)字量輸出及控制信號的邏輯電平仍可直接與TTL兼容。DGND，AGND：數(shù)字地，模擬地。REFOUT：基準(zhǔn)電壓源輸出端，芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源為+10.00V1％。REFIN：基準(zhǔn)電壓源輸入端，如果REFOUT通過電阻接至REFIN，則可用來調(diào)量程。

：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，高電平表示正在轉(zhuǎn)換，低電平表示已轉(zhuǎn)換完畢。

DB0-DB11：12位輸出數(shù)據(jù)線，三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)線直接相連。

CE：片能用信號，輸入，高電平有效。：片選信號，輸入，低電平有效。

R/：讀/轉(zhuǎn)換信號，輸入，高電平為讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，低電平為起動A/D轉(zhuǎn)換。12/：數(shù)據(jù)輸出方式選擇信號，輸入，高電平時輸出12位數(shù)據(jù)，低電平時與A0信號配合輸出高8位或低4位數(shù)據(jù)。12/不能用TTL電平控制，必須直接接至+5V(引腳1)或數(shù)字地(引腳15)。A0：字節(jié)信號，在轉(zhuǎn)換狀態(tài)，A0為低電平可使AD574A產(chǎn)生12位轉(zhuǎn)換，A0為高電平可使