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1、第十章 模拟通道技术,数据采集系统一般由信号调理电路、多路切换电路、采样保持电路、A/D、CPU、RAM、EPROM组成。,一、数据采集系统的组成,数据采集系统一般由信号调理电路、多路切换电路、采样保持电路、A/D、CPU、RAM、EPROM组成。1.信号调理电路是传感器与A/D之间的桥梁，是测控系统中重要组成部分。主要功能：（1）目前标准化工业仪表通常采用010mA，420 mA信号，为了和A/D的输入形式相适应，经I/V转换器变换成电压信号。,一、数据采集系统的组成,（2）某些测量信号可能是非电量，这些非电压量信号必须变为电压信号，还有些信号即使是电压信号，也必须经过放大、滤波，这些处理包
2、括信号形式的变换、量程调整、环境补偿、线性化等。（3）某些恶劣条件下，共模电压干扰很强，如共模电平高达220V，不采用隔离的办法无法完成数据采集任务，因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施，包括地线隔离、路间隔离等等。,一、数据采集系统的组成,综上所述，非电量的转换、信号形式的变换、放大、滤波、共模抑制及隔离等等，都是信号调理的主要功能。信号调理电路包括电桥、放大、滤波、隔离等电路。根据不同的调理对象，采用不同的电路。电桥电路的典型应用之一就是热阻测温。信号放大电路通常由运放承担，运放的选择主要考虑精度要求（失调及失调温漂），速度要求（带宽、上升率），幅度要求（工作电压范
3、围及增益）及共模抑制要求。滤波和限幅电路通常采用二极管、稳压管、电容等器件。用二极管和稳压管的限幅方法会产生一定的非线性且灵敏度下降，这可以通过后级增益调整和非线性校正补偿。,一、数据采集系统的组成,2.多路切换电路（1）CD4051 CD4051是单边8通道多路调制器/多路解调器。如图所示，C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。当INH=1时，通道断开；当INH=0时，通道接通。改变图中IN/OUT07及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。其真值表如表2-3所示。,一、数据采集系统的组成,CD4051引脚图,C
4、D4051真值表,一、数据采集系统的组成,（2）多路转换开关的扩展 当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联起来，组成82或162的多路开关。下面以CD4051为例说明多路开关的扩展方法。两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法。,返回本节,一、数据采集系统的组成,3.采样保持电路（S/H）（1）采样定理 离散系统的采样形式有周期采样、多阶采样和随机采样。周期采样应用最为广泛。所谓周期采样就是以相同的时间间隔进行采样。图为采样前后波形的变化。,一、数据采集系统的组成,为保证采样信号的频谱是被采样信号的频谱无重叠的重复（沿频率轴方向），以便采样信号能反映被采样信号的变化规律，采样频
5、率 至少应是 的频谱 的最高频率 的两倍，即,采样定理奠定了选择采样频率的理论基础，但对于连续对象的离散控制，不易确定连续信号的最高频率。因此，采样定理给出了选择频率的准则，在实际应用中还要根据系统的实际情况综合考虑.。,一、数据采集系统的组成,（2）采样保持采样保持电路：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中保持模拟信号基本不变。,注：保持电容一般外接，其取值与采样频率和精度有关。减小CH可提高采样频率，但会降低精度。,一、数据采集系统的组成,常用采样/保持器：随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采样/保持器。如用于一般目的有AD582、AD583、LF198/398等；用于高速的
6、有THS-0025、THS-0060、THC-0030、THC-1500等；用于高分辨率的有SHA1144、ADC1130等。,一、数据采集系统的组成,采样保持器的主要参数有：采样时间、电压下降率等。保持器的两个工作状态：采样状态 保持状态 注：模拟信号一般不直接送A/D转换器，而加保持器作信号保持。但是，当A/D转换速度很快且输入信号变化缓慢时可不加保持器。,1）为什么要用保持器？A/D转换需要时间，称为A/D转换时间。在转换过程中采样信号应保持基本不变，否则影响转换精度。,2）采样保持器的两种工作状态 采样状态：采样保持器的输出跟随模拟量变化。保持状态：采样保持器维持输出值不变。,一、数据
7、采集系统的组成,二、模数转换,A/D转换器，或简写ADC（Analog to Digital Converter）是一种能把模拟量转换成相应的数字量的电子器件。D/A转换器，或简写DAC（Digital To Analog Converter）则相反，它能把数字量转换成相应的模拟量。（模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是声、光、压力、湿度、温度等随时间连续变化的非电的物理量。非电的模拟量可通过合适的传感器（如光电传感器、压力传感器、温度传感器）转换成电信号；数值量主要指计算机能直接处理的二进制编码或十六机制编码）,1、模数转换原理 A/D转换器的种类很多，根据转换原理可以分计数式、平行式、
8、双积分式、逐次逼近式等。,二、模数转换,（）逐次逼近式A/D转换器,二、模数转换,工作原理采用对分搜索法逐次比较、逐步逼近的原理来转换。控制逻辑先置1结果寄存器最高位Dn-1 若Vx经转换的Vs则保留此位Dn-1（为1），否则清“0”Dn-1位。然后控制逻辑置1结果寄存器次高位Dn-2Vs再和Vx比较，以决定Dn-2位保留为1还是清成“0”，依次类推到最低位D0。结果寄存器的状态便是与输入的模拟量Vx对应的数字量。,（）双积分式的A/D 转换器,双积分式也称二重积分式，其实质是测量和比较两个积分的时间。一个是对模拟输入电压积分的时间T0，此时间往往是固定的；另一个是以充电后的电压为初值，对参考
9、电源Vref反向积分，积分电容被放电至零所需的时间Ti(Vref 与Vi 符号相反)。模拟输入电压Vi 与参考电压Vref 之比，等于上述两个时间之比。由于Vref、T0 固定，而放电时间Ti可以测出，因而可计算出模拟输入电压的大小。,二、模数转换,双积分式A/D转换器工作原理图,二、模数转换,2、性能指标,衡量A/D性能的主要参数是：（1）分辨率（resolution）分辨率是指输出的数字量变化一个相邻的值所对应的输入模拟量的变化值；取决于输出数字量的二进制位数。一个n位的A/D转换器所能分辨的最小输入模拟增量定义为满量程值的2-n倍。如：满量程为10V的8位A/D芯片的分辨率为：10V2-
10、839mV；而16位的A/D是：10V2-16153V。,二、模数转换,（2）满刻度误差（full scale error）满刻度误差也称增益误差，即输出全1时输入电压与理想输入量之差。（3）转换速率（conversion rate）转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。（4）转换精度（conversion accuracy）转换精度由模拟误差和数字误差组成。模拟误差属于非固定误差，由器件质量决定，数字误差和A/D输出数字量的位数有关，位数越多，误差越小。,二、模数转换,3、典型的A/D转换芯片ADC0809,二、模数转换,（1）ADC0809的
11、内部逻辑结构8路A/D转换器8路模拟量开关ADC0809的内部逻辑结构如图所示。,（2）引脚结构ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。其引脚结构如图。,二、模数转换,IN7IN0：8条模拟量输入通道 地址输入和控制线：4条 数字量输出及控制线：11条 电源线及其他：5条,IN0IN7：8通道模拟量输入端D0D7：8位数字量输出端ADDC、ADDB、ADDA：接地址锁存器的低三位地址ALE：地址锁存允许控制信号START：启动转换OE：允许读A/D结果,高有效CLK：时钟输入端,应640KHzEOC：转换结束时为高Vcc：+5VVref+：参考电压，+5VVref-：0V,ADC 0
12、809引脚定义:,二、模数转换,ADC 0809时序:,二、模数转换,（3）MCS-51和A/D转换器的接口,二、模数转换,ADC0809芯片各通道的地址为：0 x7FF80 x7FFF,二、模数转换,#include#include/确定各存储空间的绝对地址 P25unsigned char value;void main()EA=1;EX0=1;IT0=1;/转换结束EOC=1，外部中断0 XBYTE0 x7FF8=0;/访问形式：宏名地址 while(1);,二、模数转换,void adc-conversion interrupt 0 using 1/转换结束执行外部中断0 value=
13、XBYTE0 x7FF8;XBYTE0 x7FF8=0;,三、数/模转换,1、数模转换原理及性能指标（1）转换原理D/A转换器的原理很简单，可以总结为“按权展开，然后相加”几个字。D/A转换器内部必须有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络 T型电阻网络,T型电阻网络D/A转换原理框图,开关控制,运算放大器,T型电阻网络,三、数/模转换,（2）性能指标,主要的性能指标有4条：（1）分辨率（resolution）指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，为满量程值的2-n倍。例如，满量程为10V的8位D/A芯片的分辨率为10V2-839mV；而16位的
14、D/A是10V2-16153V。（2）转换精度（conversion accuracy）转换精度是指满量程时D/A的实际模拟输出值和理论值的接近程度。例如，满量程时理论输出值为10V，实际输出值是在9.9910.01之间，则其转换精度为10mV。通常为LSB/2。LSB(Least Significant Bit)是分辨率，指最低1位数字变化引起输出电压幅度的变化量。,三、数/模转换,（3）偏移量误差（offset error）偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。这种误差通常可以通过D/A转换器的外接VREF和电位器加以调整。（4）线性度（linearity）线性度是指D/
15、A转换器的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏差。通常线性度不应超出1/2LSB。除此以外，指标还有转换速度、温度灵敏度等，通常这些参数都很小，一般不予考虑。,三、数/模转换,2、DAC0832引脚及内部结构 DAC0832是使用非常普遍的位D/A转换器，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。,三、数/模转换,三、数/模转换,3、DAC0832与80C51单片机的接口（1）单缓冲工作方式 适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求同步的系统。,三、数/模转换,DAC用作单极性电压输出,DAC08
16、32地址0 x7FFF,双极性模拟输出电压：,双极性输出时的分辨率比单极性输出时降低1/2，这是由于对双极性输出而言，最高位作为符号位，只有7位数值位。,三、数/模转换,三、数/模转换,（2）双缓冲工作方式应用 多路D/A转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器同步方式。,三、数/模转换,（3）直通工作方式当DAC0832芯片的片选信号、写信号、及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号ILE引脚接5V时，DAC0832芯片就处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。,三、数/模转换,例 DAC0832用作波形发生器,分别写出产生锯齿波和方波的程序。设
17、：运算放大器OA输出端VOUT直接反馈到RFB，故这种接线产生的模拟输出电压是单极性的。源程序如下：#include#include#define DAC0832 XBYTE 0 x7fff/*定义DAC0832端口地址*/#define uchar unsigned charvoid delay(uchar t)/*延时函数*/while(t-);,三、数/模转换,源程序,void saw(void)/*锯齿波发生函数*/uchar i;for(i=0;i255;i+)DAC0832=i;void square(void)/*方波发生函数*/DAC0832=0 x00;delay(0 x10);DAC0832=0 xff;delay(0 x10);,三、数/模转换,源程序,void main(void)uchar i,j;i=j=0 xff;while(i-)saw();/*产生一段锯齿波*/while(j-)square();/*产生一段方波*/,
