智能仪器 第5章 模拟量信号的输入输出.ppt

第四章内容的复习 开关和开关量信号的特点 区别 开关是一种有二个可选择的 有固定位置的装置 主要用于向单片机输入电平信号 开关量信号就是通过拨动开关的位置 使单片机得到的一个固定不变的电平信号 0或1 2 电子开关的缺点是什么 如何解决该缺点 由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是电压 电流和开关的触点 这些信号经常会产生瞬时高压 过电流或接触抖动等现象 因此为使信号安全可靠 在输入到单片机之前必须接入信号输入电气接口电路 对外部的输入信号进行滤波 电平转换和隔离保护等 3 开关量输入通道的基本组成 每个组成的作用 第四章PPT 读取扳键开关状态的程序采用的编程方法 了解扳键开关 BCD拨盘开关与单片机的接口电路和工作原理 开关量输出通道的基本组成 第四章PPT小功率直流负载的基本类型有哪些 其输出电流范围 采用什么驱动电路 如何驱动小功率交流负载 第五章模拟信号的输入 输出 第五章模拟信号的输入 输出 本章重点 1 A D D A转换器选择2 模拟I O通道的设计 第五章模拟信号的输入 输出 一般的智能仪器仪表 测得的大多是连续变化的物理量 如话音 温度 压力 流量等 通常要将测量到的这些参数转换为数字量 送给微处理器或者单片机进行处理 处理的结果又要转换为模拟量信号去控制现场 因此A D D A变换是生产过程自动控制和智能仪器仪表不可缺少的部分 A D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 但在实际应用中是把模拟电压转换成二进制数字量 要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量 通常要经过4个步骤 采样 保持 量化和编码 一般前两步由采样保持电路完成 量化和编码由AD转换器来完成 第五章模拟信号的输入 输出 5 1模拟信号的输入 常用A D转换器的种类目前最常用的A D转换器是双积分式A D转换器 略讲 和并行比较式转换器 双积分式A D转换器主要优点是转换精度高 抗干扰性能好 价格便宜 其缺点是转换速度较慢 因此 这种转换器主要用于速度要求不高的场合 它由积分器 由集成运放A组成 过零比较器 C 时钟脉冲控制门 G 和计数器 FF0 FFn 等几部分组成 双积分式AD的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分 将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔 然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔 进而得到相应的数字量输出 由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换 所以它具有很强的抗工频干扰能力 并行比较式A D转换器由电阻分压器 寄存器及编码器组成 根据各比较器的参考电压值 可以确定输入模拟电压值与各比较器的输出状态的关系 比较器的输出状态由D触发器存储 经优先编码器编码 得到数字量输出 转换过程简单 转换速度快 但是随着位数的增加所需硬件将迅速增加 当n 4时 并行AD变得比较复杂 因此并行A D适用于速度要求很高 而输出位数较少的场合 第五章模拟信号的输入 输出 A D转换器是模拟信号数字化的核心器件 它的主要性能指标有 1 分辨率2 精度3 转换时间4 量程 5 1 1A D转换器的选择 第五章模拟信号的输入 输出 分辨率是指A D转换器能分辨的最小模拟输入电压值 常用可转换成的数字量的位数来表示 例如 8位 10位 12位 16位等 分辨率 其中 n是可转换成的数字量的位数 所以位数越高 分辨率也越高 例如 当输入满量程电压为5V时 对于8位A D转换器 A D转换的分辨率为5V 255 0 0195V 第五章模拟信号的输入 输出 精度指标分为绝对精度和相对精度指标 绝对精度是指A D输出端产生一给定数字量时 输入端的实际模拟量输入值与理论值之差 绝对精度是个范围 而不是一数值 相对精度是绝对精度的最大值与满量程值之比 一般用百分数来表示 转换时间是指A D转换器完成一次转换所需的时间定义为A D转换时间 转换时间反映了A D转换的速度 转换时间是启动ADC开始转换到完成一次转换所需要的时间 目前常用的A D转换集成电路芯片的转换时间在微秒数量级 量程是指能进行转换的输入电压的最大范围 第五章模拟信号的输入 输出 第五章模拟信号的输入 输出 1 根据精度要求选择A D转换器件若给定一智能仪器的设计任务 那么就会要求检测的精度指标 从而换算出A D的转换精度 当仪器的非线性误差控制在1位以下时 可以用分辨率指标来考核转换精度指标 即可用A D转换器件的位数来选择转换器 实际设计中 还要结合经济性来考虑 讨论教材P49的倒数第三段 第五章模拟信号的输入 输出 2 根据采样频率选择A D转换器件每一信号都有其频率特性 为使获取的信号真实 在选择A D时 也必须考虑符合奈奎斯特采样定理 Fs 2 fmax 一般取2 56 4倍 采样频率至少大于信号上限频率的2倍 A D转换器根据采样频率的不同可分为 低速A D转换器 中速A D转换器 高速A D转换器 第五章模拟信号的输入 输出 低速A D转换器 适用场合 Fs 10HZ检测对象 变化缓慢的物理量 温度 湿度 液位 A D转换器类型 双积分型优势 很强的抗工频干扰能力 转换精度高 便宜应用 在数字电压表中应用广泛 第五章模拟信号的输入 输出 中速A D转换器 适用场合 Fs 100HZ检测对象 变化较快的物理量 运动状态参数 A D转换器类型 逐次逼近型优势 转换速度较块 精度较高应用 绝大多数的应用系统 很常用A D0808的采样频率是8位的 第五章模拟信号的输入 输出 高速A D转换器 适用场合 Fs 1MHZ检测对象 变化极快的物理量 视频信号 A D转换器类型 并行比较型优势 转换速度较块 精度较高应用 多媒体信息采集与处理系统 第五章模拟信号的输入 输出 3其他选择考虑片内A D 精度要求不大于12位 可选片内集成A D转换部件单片机 使结构紧凑 封装 常用DIP封装 双列直插式 发展趋势为表贴型SO封装 第五章模拟信号的输入 输出 5 1 2模拟输入通道设计 模拟量输入通道可完成模拟量信号的采集并将它转换成数字量送入单片机的任务 依据被控参量和控制要求的不同 模拟量输入通道的结构形式不完全相同 但其基本结构都有信号调理电路 采样保持电路和D A转换电路组成 第五章模拟信号的输入 输出 1 信号调理电路设计信号调理电路包括硬件滤波电路 放大器 增益校准电路 零点校准电路 线性校准电路和温度补偿电路等 智能仪器可以通过微处理器软件来进行自动校准和自动补偿 因此设计信号调理电路可省去线性校准电路和温度补偿电路 对增益校准电路和零点校准电路的要求也可以降低一些 甚至可以不必采用非常昂贵的高档运算放大器 第五章模拟信号的输入 输出 1 硬件滤波电路设计 滤波电路作用 滤除传感器器件传来的混在信号中的干扰成分 可以省略设计不 设计步骤 首先 设计前分析有用信号的频谱和干扰信号的频谱 只有当两者的频谱明显分开时 硬件滤波电路才能发挥作用 第五章模拟信号的输入 输出 其次 根据信号和干扰的频谱特性 选择低通滤波器 高通滤波器 为了降低成本 低通滤波器可用多节RC电路组成 此时前置放大器的输入阻抗应够高 以避免RC滤波环节对有用信号的衰减 最后 若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合 就需要采用调制 解调技术 把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号 将有用信号的频谱进行搬移 从而分离有用信号和干扰信号的频谱 调制解调器就是我们常说的猫 modem 第五章模拟信号的输入 输出 2 放大器设计 放大器作用 将信号放大到A D转换器需要的幅度 图5 1仪表放大器INA114原理图 外部电阻RS可调 实现放大倍数设置 偏值电压 实现放大器的窗口 P51第二段 作用 Uo KUi Us Uo输出电压 Ui输入电压 Us偏置电压 第五章模拟信号的输入 输出 3 校准电路设计 校准电路作用 使信号调理电路的参数满足要求 图5 1中 外部可调电阻Rg电路就是增益校准电路 作用是通过仔细调节可调电阻Rg 使放大器的放大倍数等于设定值 P52第一段 第五章模拟信号的输入 输出 2 采样保持电路设计所谓采样 就是将一个时间上连续变化的模拟量转化为时间上离散变化的模拟量 模拟信号的采样过程如图5 2a所示 其中uI t 为输入模拟信号 uO t 为输出模拟信号 采样过程的实质就是将连续变化的模拟信号变成一串等距不等幅的脉冲 采样的宽度往往是很窄的 为了使后续电路能很好的对这个采样结果进行处理 通常需要将采样结果存储起来 直到下次采样 这个过程称作保持 如图5 2b 采样器和保持电路一起总称为采样保持电路 图5 2a信号的采样过程 图5 2b采样保持电路及波形 第五章模拟信号的输入 输出 3 A D转换电路设计A D转换电路包括A D转换芯片 基准电源电路和控制电路 例1 P87LPC767单片机中的8位 转换部件的功能 例2 TI的12位A D转换芯片TLC2543 第五章模拟信号的输入 输出 第五章模拟信号的输入 输出 图5 3aP87LPC767芯片的连接方法 内部带有一个四通道的 位 转换器 四个 口可选择为 转换的输入 其 转换的电源和参考电压与 共用 和 转换器包括一个 模拟多路开关选择器和一个 位逐次逼近 该 转换器可由特殊功能寄存器 控制 并可通过置位 位来使能 同时可通过置位 位来启动 转换 转换完成时 将结果放入 中 第五章模拟信号的输入 输出 AIN0一AINl0为模拟输入端 CS为片选端 DIN为串行数据输入端 DouT为A D转换结果的三态串行输出端 Eoc为车结束端 CLK为I O时钟 REF 为正基准电压端 REF一为负基准电压端 Vc为电源 G为地 工作时首先将片选端CS置低电平 然后用软件产生时钟脉冲并加到CLK在时钟脉冲作用下 TLC2543一方面从DOUT端口输出上次转换的结果 同时从DIN端C入下一次的操作指令 1字节 图5 3bTLC2543芯片与单片机的连接图 第五章模拟信号的输入 输出 3 1 3其他A D转换模式介绍1 VFC式A D转换VFC 电压 频率转换器 根据电荷平衡的原理 将输入的模拟电压转换成与之成正比的频率信号输出 把该频率信号送入计数器定时计数 就可以得到与输入模拟电压成正比的二进制数字量 因此 VFC可以作为A D转换器的前置电路 实现模拟到数字量的转换 第五章模拟信号的输入 输出 VFC式A D转换器由于频率信号的测量比较耗时 故采样频率比较低 检测对象只能是慢变信号 如温度 湿度等 但频率信号便于远距离传输和隔离 故适用于多路慢变信号的远距离巡回检测 第五章模拟信号的输入 输出 2 廉价的比较器式A D转换器此种比较器的输出电平只有高电平Vcc和地电平两种情况 当输入信号电压在0和Vcc之间时 比较器的输出是不停跳变的方波 该方波经过平滑滤波之后形成的电压包含直流分量和残留的交流分量 其直流分量与输入电压相等 而残留的交流分量使比较器维持输出方波 因此方波的直流分量占空比就是高电平维持时间的比例 即可通过对直流分量的时间测量来得出输入信号的电压 第五章模拟信号的输入 输出 该方法的硬件成本非常低 很适合精度要求不很高的慢变信号检测 理论上 只要延长检测时间 就可以提高检测精度 实际上受高电平Vcc精度的影响 这种廉价的比较器式A D转换器只能做到1 的检测精度 第五章模拟信号的输入 输出 3 型A D转换器 型A D转换器即过采样型转换器 其内集成了精密比较器 积分器 精密基准电压源 电子开关和脉冲源等功能部件 在精密基准电压源的配合下 通过增加对检测信号的采样次数来提高检测精度 通过提高采样频率来缩短检测时间 目前转换精度达到14位以上的A D转换芯片都是此种类型 型A D转换芯片转换精度高 可达18 24位 转换时间为100 1000ps 达到中速A D转换水平 是高精度智能仪器和检测设备中A D转换器的最好选择 第五章模拟信号的输入 输出 5 2模拟信号的输出 D A转换器的基本原理D A转换器就是一种将离散的数字量转换为连续变化的模拟量的电路 数字量是用代码表示的 每位代码都有一定的权 为了将数字量转换为模拟量 必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量 然后将代表每位的模拟量相加 所得的总模拟量就与数字量成正比 第五章模拟信号的输入 输出 D A转换器的基本组成 D A转换器主要由逻辑电路 电子开关 产生权电流或权电压的电阻网络 基准电压以及电压或电流放大器等部分组成 第五章模拟信号的输入 输出 5 2 1D A转换器的选择 D A转换器的技术性能指标很多 例如绝对精度 相对精度 线性度 输出电压范围 温度系数 输入数字代码种类 二进制或BCD码 等 由于D A转换的速度通常都能满足要求 故D A转换器件的选择标准主要是精度标准 设计时 通常要将 D A的精度要求比系统控制精度要求提高1 2位 第五章模拟信号的输入 输出 第五章模拟信号的输入 输出 5 2 2模拟输出通道设计 传统的模拟输出通道设计包括D A器件的接口电路设计 电流 电压转换电路设计 输出驱动电路设计 如今 D A芯片基本上将电流 电压转换电路集成到芯片内部 直接输出转换后的电压信号 使得电路设计更加简单 当D A转换的精度要求不是很高时 可选择带D A功能部件的单片机 当D A转换的精度要求比较高或需要多路D A时 通常需要选择专用D A芯片 第五章模拟信号的输入 输出 1 片内D A部件的使用 P87LPC769单片机是一款内含两路8位D A转换部件的具有51内核的单片机 如果需要使用两路D A转换部件 必须将端口P1 6和P1 7的数字输出功能关闭 将A D部件功能关闭 打开两路D A部件 就可以方便地输出两路模拟信号 P87LP 769单片机内含的D A转换部件采用电源电压作为基准电压 输出电压的范围为0一Vcc 因此 电源电压的稳定性和噪音对输出的模拟信号有直接影响 第五章模拟信号的输入 输出 2 片内多路D A芯片的使用 DAC8420是AD公司生产的4路输出12位D A转换芯片 该芯片具有高速串行接口 而且功耗很低 能广泛应用于伺服系统控制和过程自动化控制系统中 主要特点有 可选择单极或双极模式 复位后输出置0或中间值 电源选择广泛 5一士15V均可 采用16脚PDIP CERDIP或SOIC封装 第五章模拟信号的输入 输出 图5 4串行多路D A转换芯片DAC8042的使用 第五章模拟信号的输入 输出 第五章模拟信号的输入 输出 注意 1 为了降低电压噪声对输出的影响 各种电压均需要接入滤波电容 2 如果输出电内复位方式固定 可将CLSEL接地或接 5V 单片机的n 2端口便可改作其它用途 如F需要复位操作 用具体数据对4路输出进行初始化 可将CLR端接斗5V 单片机的P1 8口也可改作其它用途 这在单片机端口紧张时是可行的 第五章模拟信号的输入 输出 5 2 3PWM型D A转换器脉宽调制电路 PWM 型D A转换器与标准D A转换器相比 具有以下两种特征 1 在同样输出分辨率的情况下 PWM部件的成本要低得 纯数字电路集成工艺 2 由于PWM部件输出的模拟信号是方波信号经过平滑滤波后得的 故输出的模拟信号变化速度较慢 只能用来控制低速对象 第五章模拟信号的输入 输出 脉宽调制电路 PWM 部件的使用方法1 重复周期的控制 特殊功能寄存器CNSW0和CNSWl的内容控制输出方波的重复周期 脉冲方波的重复周期越短 平滑滤波电路的时常数就可以越小 输出模拟信号的响应就越快 但是 输出信号的分辨率也随之下降 由于PWM部件的控制对象都是低速对象 速度问题基本上不必考虑 为提高分辨率 可以将脉冲周期设置为最大值 以便获得10位的分辨率 第五章模拟信号的输入 输出 2 占空比的控制 PWM部件的D A功能是通过控制其高电平的占空比来实现的 P87PLC768单片机4个PWM通道的占空比可以各不相同 分别由各自的CPSW0 CPSWl CPSW2 CPSW3和公共的CPSW4来控制 脉冲方波的占空比随着CPSW0和CPSW4的内容改变而线性变化 变化范围不超过CNSW0和CNSWl的值 第五章模拟信号的输入 输出 3 平滑滤波与功率驱动 PWM部件的D A功能是通过控制其高电平的占空比来实现的 PWM部件输出占空比可调的方波经过平滑滤波后输出的是与占空比成正比的直流成分 即完成了D A转换功能 平滑滤波环节由多滤波电路组成 RC时间常数必须比方波的重复周期大若干倍 RC时间常数越大 滤波效果越好 输出信号中的纹波越小 但系统的惯性也随之加大 对控制的反应变得迟钝 因此 RC时间常数应该在滤波效果和反应速度两者之间进行折中 PWM部件输出信号经过RC滤波环节之后 几乎没有负载能力 必须经过高输入阻抗的i路和功率驱动电路后才能控制最终负载 第五章模拟信号的输入 输出 提示请同学们将自己的问题和课堂没听懂的地方以纸条的形式提出来 下次课解答 请同学们将自己对上课的方式和方法 提出宝贵意见 我将在以后的课时中加以改进 第五章模拟信号的输入 输出 谢谢 课后复习题 1 模拟量输入A D转换器的选择原