单片机原理与应用_07模拟通道技术

1、第第7 7章章 模拟通道技术模拟通道技术 7.1 7.1 概概 述述 7.2 7.2 传感器传感器 7.3 7.3 模拟信号输入通道模拟信号输入通道 7.4 7.4 模拟信号输出通道模拟信号输出通道 7.5 7.5 光电隔离技术光电隔离技术 7.6 V/F7.6 V/F与与F/VF/V转换电路转换电路 7.1 概概 述述 在测量和工业实时控制中，经常需要对现场物理量进行测量，或在测量和工业实时控制中，经常需要对现场物理量进行测量，或者采集下来进行处理。这就需要构成一个模拟信号的输入通道，如图者采集下来进行处理。这就需要构成一个模拟信号的输入通道，如图7.17.1所示。所示。 单片机或微处理器低

2、通滤波采样保持A/D转换传感器前置放大图7.1 模拟输入通道 如果采集路数较多时，可设计成多路采集系统，如果采集路数较多时，可设计成多路采集系统，如图如图7.27.2所示，所示，使用多路开送进行输入信号的切换。使用多路开送进行输入信号的切换。 图7.2 多路模拟输入输出通道多路开关单片机或微处理器采样保持A/D低通滤波传感器0放大信号0低通滤波传感器0放大信号1低通滤波传感器0放大信号n模拟控制D/A7.2 7.2 传感器传感器 传感器的种类很多，工作原理也各不相同，下面仅以最传感器的种类很多，工作原理也各不相同，下面仅以最常用的几种为例，说明传感器的工作原理与使用。常用的几种为例，说明传感器

3、的工作原理与使用。 7.2.1 7.2.1 拉力传感器拉力传感器7.2.2 7.2.2 热电偶热电偶7.2.3 7.2.3 光敏（红外）传感器光敏（红外）传感器7.2.1 7.2.1 拉力传感器拉力传感器 拉力传感器的外形结构拉力传感器的外形结构如图如图7.37.3（a a）所示，呈圆柱形，可在轴向）所示，呈圆柱形，可在轴向施加拉力。在其侧面有一个转接插座，连有施加拉力。在其侧面有一个转接插座，连有4 4条引出线，其中两条为电条引出线，其中两条为电源线，另外两条为信号输出线。传感器内部采用电阻应变测量原理，源线，另外两条为信号输出线。传感器内部采用电阻应变测量原理，将四块电阻应变片联接成将四块

4、电阻应变片联接成如图如图7.37.3（b b）所示的桥式结构。其中）所示的桥式结构。其中R1R1、R2R2、R3R3、R4R4为电阻应变片，为电阻应变片，R0R0为零平衡补偿电阻，为零平衡补偿电阻，RTRT为温度补偿电阻，为温度补偿电阻，RKRK为输出灵敏度补偿电阻。应变电阻为输出灵敏度补偿电阻。应变电阻R1R1、R3R3沿轴线方向粘结在两块弹性沿轴线方向粘结在两块弹性板面上，板面上，R2R2、R4R4沿垂直于轴的方向，粘结在两块弹性板面上。当外界沿垂直于轴的方向，粘结在两块弹性板面上。当外界沿轴向施加拉力时，弹性板面发生组合形变，轴向拉伸，径向收缩。沿轴向施加拉力时，弹性板面发生组合形变，轴

5、向拉伸，径向收缩。这样应变电阻这样应变电阻R R 1 1、R3R3因拉伸，电阻增大，因拉伸，电阻增大，R2R2、R4R4因压缩，电阻减小，因压缩，电阻减小，使电桥产生不平衡的电压输出：使电桥产生不平衡的电压输出：1URRRRRRRRRRRRV4433221122121 其中其中U U为电源输入电压，为电源输入电压，1-1-为非线性系数。为非线性系数。 一般一般很小，于是可认为输出电压很小，于是可认为输出电压V V与拉力近似成正比例关系。与拉力近似成正比例关系。 图7.3 拉力传感器(b) 内部电阻RKR1R2R3R4abcd电源输入RTR0输出.(a) 外形7.2.2 7.2.2 热电偶热电偶

6、 热电偶是工业中用来测量温度或者温差的传感器，其工作原热电偶是工业中用来测量温度或者温差的传感器，其工作原理如图理如图7.47.4所示。对于任何两种不同的导体或半导体，若按所示。对于任何两种不同的导体或半导体，若按图图7.47.4所示，联接成闭合回路。如果将它们的两个接头分别置于温度分所示，联接成闭合回路。如果将它们的两个接头分别置于温度分别为别为T T和和T0T0（假设（假设T TT0T0）的热源中，则在该回路中产生热电动势）的热源中，则在该回路中产生热电动势（简称为热电势），这种现象称为热电效应。热电效应就把热信（简称为热电势），这种现象称为热电效应。热电效应就把热信号转换成为电信号，因此

7、根据热电效应即可测量温度或温差。号转换成为电信号，因此根据热电效应即可测量温度或温差。 热电偶一般用特殊金属材料制成。目前，在我国广泛使热电偶一般用特殊金属材料制成。目前，在我国广泛使用的热电偶有以下几种：用的热电偶有以下几种：（1 1）铂铑一铂热电偶）铂铑一铂热电偶（2 2）镍铬一镍硅或镍铬一镍铅热电偶）镍铬一镍硅或镍铬一镍铅热电偶（3 3）镍铬一考铜热电偶）镍铬一考铜热电偶（4 4）铂铑）铂铑3030一铂铑一铂铑6 6热电偶热电偶（5 5）铁一康铜热电偶）铁一康铜热电偶（6 6）铜一康铜热电偶）铜一康铜热电偶 图7.4 热电偶回路T0TAB这些热电偶的性能参数各不相同，使用时可根据实际需要

8、进行这些热电偶的性能参数各不相同，使用时可根据实际需要进行选择。选择。在用热电偶测量温度时，一端置于热源中，称为热端，另一端在用热电偶测量温度时，一端置于热源中，称为热端，另一端置于室温中，称为冷端。由于热电偶的温度置于室温中，称为冷端。由于热电偶的温度-热电势曲线是在冷端热电势曲线是在冷端为为00时测定的，因此使用时冷端最好也保持为时测定的，因此使用时冷端最好也保持为00。若不能使冷端保。若不能使冷端保持在持在00，则要对冷端进行温度补偿。补偿的办法可用硬件电路来进，则要对冷端进行温度补偿。补偿的办法可用硬件电路来进行，对于计算机数据采集，可用软件的办法补偿，补偿公式为：行，对于计算机数据采

9、集，可用软件的办法补偿，补偿公式为：E(TE(T，0 0)= E(T)= E(T，t t0 0)+E(t)+E(to o，0 0) )除了上述热电偶外，还有一些特殊用途的热电偶，用于超高温除了上述热电偶外，还有一些特殊用途的热电偶，用于超高温和低温测量。例如钨和低温测量。例如钨- -铼热电偶测量高温达铼热电偶测量高温达24002400；金黄色铁；金黄色铁镍铬镍铬热电偶测量低温，可在热电偶测量低温，可在2 2 273273范围内使用。范围内使用。 7.2.3 7.2.3 光敏（红外）传感器光敏（红外）传感器 由于许多非电量能够影响和改变红外光的特性，因此可利用红由于许多非电量能够影响和改变红外光

10、的特性，因此可利用红外光敏元件来测量红外光的变化，进而确定待测量的非电信号。按外光敏元件来测量红外光的变化，进而确定待测量的非电信号。按其原理，红外光敏元件大体可分为两类，即热型和量子型。其原理，红外光敏元件大体可分为两类，即热型和量子型。1. 1. 量子型红外光敏元件量子型红外光敏元件 量子型红外光敏元件有光电导式（量子型红外光敏元件有光电导式（PCPC）、光生伏特式（）、光生伏特式（PVPV）、）、光电磁式（光电磁式（PEMPEM）和肖特基势垒式等数种，）和肖特基势垒式等数种，如图如图7.57.5所示。所示。 图7.5 量子型红外光敏元件Ib偏流红外线(a) PC式红外线np(b) PV式

11、(c) PEM式I电场磁场(d) 肖特基式金属半导体 其中光电导式元件是在其上通一固定的偏置电流，当红外光照射到其中光电导式元件是在其上通一固定的偏置电流，当红外光照射到元件上时，由于光电导效应元件的阻值发生改变，取元件两端电压变化元件上时，由于光电导效应元件的阻值发生改变，取元件两端电压变化的输出量，即可构成红外光敏元件。的输出量，即可构成红外光敏元件。 光生伏特式元件具有光生伏特式元件具有PNPN结光敏二极管相同的结构。当元件结光敏二极管相同的结构。当元件PNPN结的耗结的耗尽层受到红外光照射时产生光生伏特效应，元件两端呈现光生电势。尽层受到红外光照射时产生光生伏特效应，元件两端呈现光生电

12、势。 光电磁式元件是把电场、磁场都加于元件，当有红外光光电磁式元件是把电场、磁场都加于元件，当有红外光照射时，元件两端呈现出比例于红外光强的光生电势，即光照射时，元件两端呈现出比例于红外光强的光生电势，即光电磁效应。电磁效应。 肖特基势垒式红外光敏元件与肖特基二极管结构完全相肖特基势垒式红外光敏元件与肖特基二极管结构完全相同，其基础是肖特基势垒，由于金属与半导体接触而产生。同，其基础是肖特基势垒，由于金属与半导体接触而产生。 目前最常用的量子型红外光敏元件有目前最常用的量子型红外光敏元件有PbSPbS元件（元件（3000K3000K、1 1 3m3m）、）、InSbInSb元件（元件（77K7

13、7K，3 3 5m5m）和混晶体）和混晶体HgCdTeHgCdTe元件元件(77K(77K，8 8 12m)12m)等。为了防止元件氧化，常封存在真空容器等。为了防止元件氧化，常封存在真空容器中，一般为中，一般为PCPC式。式。 2. 2. 热型红外光敏元件热型红外光敏元件 热型红外光敏元件有热电偶式、电容式和焦电式等数种。量子型红外热型红外光敏元件有热电偶式、电容式和焦电式等数种。量子型红外光敏元件是把红外光能转换成电能，而热型红外光敏元件是把红外光能转光敏元件是把红外光能转换成电能，而热型红外光敏元件是把红外光能转换成元件自身的热信号，然后再转换成电信号。因此，热型红外光敏元件换成元件自身

14、的热信号，然后再转换成电信号。因此，热型红外光敏元件的响应速度稍慢一些。下面仅以热释电式红外光敏元件为例来说明热型红的响应速度稍慢一些。下面仅以热释电式红外光敏元件为例来说明热型红外光敏元件的工作原理。外光敏元件的工作原理。 热释电式红外光敏元件的工作原理基于热释电效应，即在强电介质温热释电式红外光敏元件的工作原理基于热释电效应，即在强电介质温度变化度变化t t时时, ,其表面呈现其表面呈现Q Qs s的自然极化电荷。若设元件电容量为的自然极化电荷。若设元件电容量为C C，则，则元件两端的电压为元件两端的电压为 。热释电式红外光敏元件的结构与构成电路。热释电式红外光敏元件的结构与构成电路如图如

15、图7.67.6所示，其中红外光敏材料常采用钛锆酸铅（所示，其中红外光敏材料常采用钛锆酸铅（PZTPZT）。由于元件输出）。由于元件输出阻抗高而电压信号微弱，所以内附场效应管放大器进行放大和阻抗变换。阻抗高而电压信号微弱，所以内附场效应管放大器进行放大和阻抗变换。整个元件用树脂封装，正前方是聚乙烯光窗。整个元件用树脂封装，正前方是聚乙烯光窗。 cQsU树脂铅基板PZT红外光敏材料FET窗口聚乙烯光窗引线(a) 元件结构(b) 电路EPZT红外光敏材料场效应管FETRSRSDS图7.6 热释电式红外光敏元件构造及其电路由于红外光有以下特点，所以红外光敏元件的使用越来越广。由于红外光有以下特点，所以

16、红外光敏元件的使用越来越广。 （1 1）红外光不受周围可见光的影响，故在同样条件下可昼夜测量；）红外光不受周围可见光的影响，故在同样条件下可昼夜测量；（2 2）只要被测对象自身具有一定的温度就会发射红外光，不需另备光源；）只要被测对象自身具有一定的温度就会发射红外光，不需另备光源；（3 3）大气对某些特定波长范围的红外光吸收甚少，所以适用遥感技术。）大气对某些特定波长范围的红外光吸收甚少，所以适用遥感技术。 7.3 7.3 模拟信号输入通道模拟信号输入通道 7.3.1 7.3.1 模拟信号的放大与整形模拟信号的放大与整形7.3.2 7.3.2 采样保持器采样保持器7.3.3 7.3.3 多路转

17、换开关多路转换开关7.3.4 A/D7.3.4 A/D转换器的工作原理与使用转换器的工作原理与使用7.3.1 7.3.1 模拟信号的放大与整形模拟信号的放大与整形 由于传感器输出的信号一般都比较小，不能直接用于显示、记录由于传感器输出的信号一般都比较小，不能直接用于显示、记录或或A/DA/D转换，因此需要放大、滤波和整形。放大电路一般由运算放大器转换，因此需要放大、滤波和整形。放大电路一般由运算放大器构成，滤波器可根据需要采用无源滤波器或有源滤波器。根据输入信构成，滤波器可根据需要采用无源滤波器或有源滤波器。根据输入信号的频率可选用低通滤波器，带通滤波器或高通滤波器。号的频率可选用低通滤波器，

18、带通滤波器或高通滤波器。1. 1. 运算放大器运算放大器 运算放大器是一种高放大倍数的直接运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器，常作为传感器输出的微弱信耦合放大器，常作为传感器输出的微弱信号的高增益放大器，使用形式比较多，但号的高增益放大器，使用形式比较多，但基本形式有以下三种：基本形式有以下三种：图7.6 反相运算放大器 +- AV0R3R1R2Vi图7.7 同相运算放大器R1-+AV0R2Vi （1 1）反相运算放大器电路）反相运算放大器电路 反相运算放大器反相运算放大器如图如图7.67.6所示。输入信号通过电阻所示。输入信号通过电阻R R1 1送运算放送运算放大器大器A A的反相输

19、入端，输出信号与输入信号的符号相反。运算放大器的反相输入端，输出信号与输入信号的符号相反。运算放大器的同相输入端通过电阻的同相输入端通过电阻R R2 2接地，一般情况下接地，一般情况下R R2 2的阻值约等于的阻值约等于R R1 1和和R R3 3的的并联值。输出电压并联值。输出电压V V0 0与输入电压与输入电压V VI I之比称为电压增益，等于之比称为电压增益，等于R R3 3与与R R1 1之之比，即：比，即： 。（2 2）同相运算放大器电路）同相运算放大器电路 同相运算放大器如图同相运算放大器如图7.77.7所示。输入信号送运算放大器的同相所示。输入信号送运算放大器的同相输入端，输出信

20、号与输入信号的符号相同。同相放大时电压增益为：输入端，输出信号与输入信号的符号相同。同相放大时电压增益为： 。 13i0RRVV21i0RR1VV（3 3）差动输入运算放大器电路）差动输入运算放大器电路 差动输入运算放大器如图差动输入运算放大器如图7.87.8所示，输入信号由运算放大器的所示，输入信号由运算放大器的同相输入端和反相输入端送入。图中同相输入端和反相输入端送入。图中R R1 1和和R R2 2构成负反馈回路，若构成负反馈回路，若取取 ，则，则 。 差动输入运算放大器对共模干扰信号有着很好的抑制作用，差动输入运算放大器对共模干扰信号有着很好的抑制作用，因此经常用来对直流信号进行放大。

21、因此经常用来对直流信号进行放大。3412RRRR12120VVRRVR1R3图7.8 差动输入运算放大器 +-AV0R2V1 V2 R4 在实际应用中，运算放大器须根据需要增添在实际应用中，运算放大器须根据需要增添零补偿、频率补偿以及自动增益调节等电路，零补偿、频率补偿以及自动增益调节等电路，以提高整个电路的性能。以提高整个电路的性能。图图7.97.9所示是运算放大所示是运算放大器器F011F011的外部引脚图与联接电路。的外部引脚图与联接电路。 图图7.107.10所示是由所示是由F011F011构成的直流放大器，可构成的直流放大器，可把传感器输出的把传感器输出的0 010mV10mV的直流

22、信号放大成的直流信号放大成0 05V5V的电压信号，以满足的电压信号，以满足A/DA/D转换器的要求。转换器的要求。图7.9 F011引脚与典型联接(a) 引脚图12348765COMP1COMP2IN-IN+V-V+OUTBI1876235+-COMP1COMP2IN-IN+V-V+OUTBI4V-R1R3VIN2F011R2R4 1M3418567V+V0(b) 典型连接图7.10 直流放大器1M210K470K8.2K+12V36.8K467-12V F01128.2KVIN51M1830P5467-12V36.8K1830P10K470K F0112. 2. 滤波器滤波器 滤波器用来滤

23、除检测信号中的干扰杂波，往往与放大器设滤波器用来滤除检测信号中的干扰杂波，往往与放大器设计在一起，即采用有源滤波器。实际使用时可选用一阶有源滤计在一起，即采用有源滤波器。实际使用时可选用一阶有源滤波器，也可选用二阶有源滤波器。波器，也可选用二阶有源滤波器。 在构成有源滤波器时，常分为低通、高通和带通有源滤波在构成有源滤波器时，常分为低通、高通和带通有源滤波器。这里仅介绍一阶有源滤波器，供读者使用时参考。器。这里仅介绍一阶有源滤波器，供读者使用时参考。 一阶低通有源滤波器一阶低通有源滤波器如图如图7.107.10所示，其中图（所示，其中图（a a）为正相输）为正相输入一阶低通有源滤波器，图（入一

24、阶低通有源滤波器，图（b b）为反相输入一阶低通有源滤波）为反相输入一阶低通有源滤波器。一阶高通有源滤波器器。一阶高通有源滤波器如图如图7.117.11所示，一阶带通有源滤波器所示，一阶带通有源滤波器如图如图7.127.12所示。所示。 图7.10 一阶低通有源滤波器Vi+-AV0R3R1C2R2(a) 同相输入一阶低通有源滤波器器(b) 反相输入一阶低通有源滤波器器+-AR1V0ViR2C2图7.11 一阶高通有源滤波器图7.12 一阶带通有滤波器V0R2+-AR1C1ViC2V0+-AR1C1ViR2 一阶低通有源滤波器的截止频率由一阶低通有源滤波器的截止频率由R R2 2C C2 2决定

25、，决定， 。一阶。一阶高通有源滤波器的下限频率由高通有源滤波器的下限频率由R R1 1C C1 1决定，决定， 。一阶带通。一阶带通有源滤波器的下限频率由有源滤波器的下限频率由R R1 1C C1 1决定，决定， ；上限频率由；上限频率由R R2 2C C2 2决决定，定， 。在实际使用时，如果一阶有源滤波器不能满足。在实际使用时，如果一阶有源滤波器不能满足要求，可选取用二阶有源滤波器。要求，可选取用二阶有源滤波器。 22HCR21F11LCR21F11LCR21F22HCR21F7.3.2 7.3.2 采样保持器采样保持器 在对外界信号采集时，在对外界信号采集时， A/DA/D转换器需要一定

26、的时间，在这一段时转换器需要一定的时间，在这一段时间内要求外界信号保持不变。这样就得间内要求外界信号保持不变。这样就得如图如图7.137.13所示，对外界信号进所示，对外界信号进行采样和保持工作。根据采样定律，只要最低采样频率等于信号最高行采样和保持工作。根据采样定律，只要最低采样频率等于信号最高频率分量的频率分量的2 2倍倍(pmin=2n)(pmin=2n)时，即可得到不失真采样。一般采样时时，即可得到不失真采样。一般采样时间很短，主要考虑的是保持时间，在保持时间内进行间很短，主要考虑的是保持时间，在保持时间内进行A/DA/D转换。在一转换。在一般情况下，采样频率主要由保持时间（即般情况下

27、，采样频率主要由保持时间（即A/DA/D转换时间）来决定。转换时间）来决定。 采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理如图如图7.147.14所示，所示，K K为控制开关，为控制开关，C C为保持电为保持电容。当开关容。当开关K K接通时，进行采样，输出量随输入量变化。当开关接通时，进行采样，输出量随输入量变化。当开关K K断开断开时，进入保持状态，进行时，进入保持状态，进行A/DA/D转换。转换。 图7.13 采样与保持S/HViVo方式控制(b) 符号图 图7.14 采样保持器(a) 原理图VO方式控制KVINC 图7.15 AD582引脚与内部结构 14 13 12 11 10 9 8

28、1 2 3 4 5 6 7NCNCIN+IN-+VS-INOUTLogic+INNC-VSCHNCNULLNULL 目前，已有大量的集成电路采样保持器，其中常用的有目前，已有大量的集成电路采样保持器，其中常用的有LF398LF398，AD582/583AD582/583等。等。AD582AD582的外部引脚与内部结构的外部引脚与内部结构如图如图7.157.15所示，外接保持电容。所示，外接保持电容。在使用时其引脚功能如下：在使用时其引脚功能如下：（1 1） 电源引脚电源引脚+V+Vs s和和-V-Vs s：分别接：分别接+15V+15V和和-15V-15V。（2 2）调零引脚）调零引脚NULL

29、NULL：外接电位器，用来调整第一级运算放大器的工作电：外接电位器，用来调整第一级运算放大器的工作电流。流。（3 3）保持电容引脚）保持电容引脚C CH H：外接保持电容器，通常可选几百：外接保持电容器，通常可选几百pFpF 0.01F0.01F。（4 4）模拟量输入引脚）模拟量输入引脚+IN+IN和和-IN-IN：用来输入模拟量信号。由：用来输入模拟量信号。由+IN+IN输入时，输输入时，输出与输入同相；由出与输入同相；由-IN-IN输入时，输出与输入反相。输入时，输出与输入反相。（5 5）采样保持输出引脚）采样保持输出引脚OUTOUT：输出采样保持的信号。：输出采样保持的信号。（6 6）状

30、态控制信号差动输入引脚）状态控制信号差动输入引脚LogicIN+LogicIN+和和Logic IN-Logic IN-：当：当Logic IN+Logic IN+相相对于对于LogicIN-LogicIN-为为0 0（-6V-6V +0.8V+0.8V）时，）时，AD582AD582处于采样状态；当处于采样状态；当LogicIN+LogicIN+相对相对于于LogicIN-LogicIN-为为1 1（+2V+2V +V+Vs s-3V-3V）时，）时，AD582AD582处于保持状态。该引脚的逻辑电平处于保持状态。该引脚的逻辑电平与与CMOSCMOS和和TTLTTL电路兼容。电路兼容。 AD

31、582AD582采样最短时间可达采样最短时间可达6S6S，主要由保持电容器决定。适合于，主要由保持电容器决定。适合于1212位的位的A/DA/D转换器。转换器。 7.3.3 7.3.3 多路转换开关多路转换开关 多路转换开关是多路采集系统中必不可少的器件。目前常用多路转换开关是多路采集系统中必不可少的器件。目前常用的有的有4 4路、路、8 8路、路、1616路等，转换形式有多路等，转换形式有多1 1，1 1多或二者兼用。多或二者兼用。下面以下面以CD4051CD4051为例说明其组成原理和使用。为例说明其组成原理和使用。 CD4051CD4051是一种是一种8 8路多路多1/11/1多开关，其

32、内部组成多开关，其内部组成如图如图7.167.16所所示。其中包括电平转换电路、译码器示。其中包括电平转换电路、译码器/ /驱动器和开关电路，可实现驱动器和开关电路，可实现CMOSCMOS到到TTLTTL的电平转换。输入电平范围宽，数字量信号的幅度为的电平转换。输入电平范围宽，数字量信号的幅度为3 3 20V20V，模拟量信号的峰，模拟量信号的峰-峰值可达峰值可达20V20V。引脚功能如下：。引脚功能如下：（1 1）电源引脚：）电源引脚：VEEVEE、VDDVDD、VSSVSS，提供电源，提供电源，VEEVEE、VSSVSS接地，接地，VDDVDD接接+15+15 +20V+20V。（2 2）

33、通道控制引脚）通道控制引脚ABCABC：也称为地址，用来选择通道，即：也称为地址，用来选择通道，即000000 111111。（3 3）禁止控制引脚）禁止控制引脚INHINH：为数字控制信号。当：为数字控制信号。当INHINH为为1 1时，所时，所有通道断开；当有通道断开；当INHINH为为0 0时，按时，按CBACBA选择的通道接通。可用来控选择的通道接通。可用来控制多路开关的扩展。制多路开关的扩展。（4 4）输入输出引脚）输入输出引脚IN0IN0 IN7/OUT0IN7/OUT0 OUT7OUT7与与OUT/INOUT/IN：多：多1 1使用使用时，由时，由CBACBA选择的输入端选择的输

34、入端IN0IN0 IN7IN7与与OUTOUT接通；接通；1 1多使用时，多使用时，由由CBACBA选择的输出端选择的输出端OUT0OUT0 OUT7OUT7与与ININ接通。接通。 在实际使用时，可使用两块在实际使用时，可使用两块CD4051CD4051组成组成1616路多路开关，其路多路开关，其连接如图连接如图7.177.17所示。所示。 OUT/INVDD图7.16 CD4051内部组成原理TGTGTGTGTGTGTGTG逻辑电平转换电路带禁止线的二进制译码器VSSVEE7 6 5 4 3 2 1 0IN/OUTABCINH图7.17 由CD4051构成16路多路开关ABC INH131

35、415121524CD405131#1N01N11N21N31N41N51N61N7ABC INH131415121524CD405132#1N81N91N101N111N121N131N141N15D0D1D2D3OUT/IN7.3.4 A/D7.3.4 A/D转换器的工作原理与使用转换器的工作原理与使用1. A/D1. A/D转换原理转换原理 A/DA/D转换是把模拟量信号转换成数字量信号转换是把模拟量信号转换成数字量信号的过程。的过程。A/DA/D转换的方法有计数式、双斜（积分）转换的方法有计数式、双斜（积分）式、逐次逼近式以及并行转换等。下面仅以逐次式、逐次逼近式以及并行转换等。下面仅

36、以逐次逼近式逼近式A/DA/D转换器为例，介绍转换器为例，介绍A/DA/D转换原理及应用。转换原理及应用。 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器如图如图7.187.18所示，由五部分组成，即逐次所示，由五部分组成，即逐次逼近寄存器逼近寄存器SARSAR、D/AD/A转换器、电压比较器、输出缓冲器及时序与控转换器、电压比较器、输出缓冲器及时序与控制逻辑电路。转换电压由制逻辑电路。转换电压由V VININ端输入，启动转换信号由端输入，启动转换信号由STARTSTART端输入。端输入。转换开始后，首先由控制逻辑电路将逐次逼近寄存器转换开始后，首先由控制逻辑电路将逐次逼近寄存器SARSAR的最

37、高位的最高位置置1 1，其余位清，其余位清0 0。然后将该假定数据送。然后将该假定数据送D/AD/A转换器转换成模拟电压转换器转换成模拟电压V VA A，并与输入的电压信号一起送电压比较器进行比较。如果，并与输入的电压信号一起送电压比较器进行比较。如果V VININV VA A，则说明将则说明将SARSAR的最高位置的最高位置1 1不合适，应清不合适，应清0 0；如果；如果V VININVVA A，则说明将，则说明将SARSAR的最高位置的最高位置1 1合适，应保留。然后，再把合适，应保留。然后，再把SARSAR的次高位置的次高位置1 1，重复，重复上述的转换、比较、判断以及决定该位置上述的转

38、换、比较、判断以及决定该位置1 1还是清还是清0 0。上述过程反复。上述过程反复进行，直到确定了进行，直到确定了SARSAR的最低位时为止。这样的最低位时为止。这样SARSAR中的数就是中的数就是V VININ所转所转换成的二进制数。换成的二进制数。2. ADC08092. ADC0809 图图7.197.19所示为所示为ADC0809ADC0809的内部结构与引脚分布。它采用逐次逼近的内部结构与引脚分布。它采用逐次逼近式转换原理，内部分为两大部分，一部分为模拟量多路转换开关，式转换原理，内部分为两大部分，一部分为模拟量多路转换开关，另一部分是另一部分是A/DA/D转换器。它的输出可以直接与转

39、换器。它的输出可以直接与CPUCPU总线联接。总线联接。 最后将最后将SARSAR中的数送入输出缓冲器，准备输出。在转换过程中中的数送入输出缓冲器，准备输出。在转换过程中控制逻辑电路输出控制逻辑电路输出“忙忙”（BUSYBUSY）信号，转换结束后输出）信号，转换结束后输出DONEDONE信信号号 ，即完成了一次转换。，即完成了一次转换。 D/A转换器 输出缓冲器逐次逼近寄存器SAR 时序与控制逻辑电路CLKSTARTDONEBUSYOE比较器VIN图7.18 逐次逼近A/D转换器逻辑框图图7.19 ADC0809内部结构与引脚分布8位D/A转换器三态输出锁存器D0D7.8路模拟量开关IN0IN

40、7.地址锁存与译码ADDAADDBADDCALEEOCSC CLKREF(+) REF(-) VCCGNDOE (a) 内部结构示意图2-5IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCOECLKVCCREF(+)GND2-71 2 82 2 73 2 64 2 55 2 46 ADC 237 0809 228 2 19 2 01 0 1 911 1 81 2 1 71 3 1 61 4 1 5IN2IN0ADDAIN1ADDBADDCALE2-12-22-32-42-8REF(-)2-6(b) 引脚图 模拟量多路开关包括模拟量多路开关包括8 8路输入开关和路输入开关和3 3位地址锁存器位地址

41、锁存器/ /译码器。译码器。8 8路输路输入开关可接入入开关可接入8 8路模拟量输入信号。路模拟量输入信号。3 3位地址位地址ADDAADDA、ADDBADDB及及ADDCADDC由由ALEALE信信号输入锁存，经译码后决定对哪一路输入的模拟量信号进行转换。号输入锁存，经译码后决定对哪一路输入的模拟量信号进行转换。SCSC为为启动转换信号，启动转换信号，EOCEOC为转换结束信号，为转换结束信号，OEOE为输出允许信号，转换一次共需为输出允许信号，转换一次共需6464个时钟周期。个时钟周期。 ADC0809 ADC0809单片机的联接如单片机的联接如图图7.207.20所示，作为单片机的一所示

42、，作为单片机的一个扩展输入接口，采用线选寻个扩展输入接口，采用线选寻址方式，口地址设置为址方式，口地址设置为0FEFFH0FEFFH，采用中断方式与单片机联络。采用中断方式与单片机联络。单片机响应中断请求后，执行单片机响应中断请求后，执行中断服务程序，读取数据。中断服务程序，读取数据。P0P0口作为数据口作为数据/ /地址输入地址输入/ /输出端输出端口。口。11111SCOEP2.0474LS373GCLKD7D0AB 0809CEOCALEP0口ALECLKINT1WRRD80C51VR(+)VR(-)+15VGNDIN7IN0图7.20 ADC0809与8031的联接 程序设计分为两部分

43、，一部分是初始化程序，用来对单片机的有关程序设计分为两部分，一部分是初始化程序，用来对单片机的有关寄存器置初值和启动寄存器置初值和启动08090809进行进行A/DA/D转换；另一部分是中断服务程序，用转换；另一部分是中断服务程序，用来读取转换结果和启动下一次转换。程序设计如下：来读取转换结果和启动下一次转换。程序设计如下： 初始化程序SETBIT1 初始化 SETBEA SETBEX1 MOVDPTR，#0FEFFH启动转换 MOVA，#00H MOVXDPTR，A 中断服务程序PUSHDPL压栈保护现场 PUSHDPH MOVDPTR，#0FEFFH读取数据 MOVXA，DPTR MOV4

44、0H，A MOVA，#00H启动转换 MOVXDPTR，A POPDPH恢复现场 POPDPL RETI 3.AD5743.AD574 AD574 AD574是一种是一种1212位逐次逼近式位逐次逼近式A/DA/D转换器。它的内转换器。它的内部结构如部结构如图图7.217.21所示，主要由两部分组成。其中一部所示，主要由两部分组成。其中一部分是模拟电路，包括高性能的分是模拟电路，包括高性能的AD565AD565（1212位位D/AD/A转换转换器）和参考电压；另一部分是数字电路，包括逐次逼器）和参考电压；另一部分是数字电路，包括逐次逼近寄存器、三态输出缓冲器和控制逻辑电路。其工作近寄存器、三态

45、输出缓冲器和控制逻辑电路。其工作原理与原理与ADC0809ADC0809基本相同。基本相同。 VCC +15VVL +5VDGNDVEE -15V10VREF3K5K20VIN10VINAGNDBIP OFFREF INREF OUT10.00V图 7.21 AD574内部结构DACOUT12/8 CSA0R/C CE输出数据MSBLSB数字芯片模拟芯片控制逻辑电路时钟+-比较器启动停止 NIB A NIB B NIB C12位三态输出缓冲器输出控制12位逐次逼近寄存器SARREF INAGNDD/A (AD565)12位5K标志状态STSBUSY/EOC如图所示，如图所示，AD574AD57

46、4的引脚有的引脚有2828个，其功能如下：个，其功能如下：（1 1） 、CECE、R/ R/ ：分别是片选、片允许和数据读：分别是片选、片允许和数据读/ /启动信号，启动信号， 用来控制芯片的选择、数据读出的启动转换。用来控制芯片的选择、数据读出的启动转换。（2 2）A A0 0和和12/ 12/ ：用来控制数据转换的长度和输出格式。：用来控制数据转换的长度和输出格式。CECE、 、R/ R/ 、12/ 12/ 和和A A0 0的组合控制作用如表的组合控制作用如表7.17.1所示。所示。 CSC8CSC8表7.1 AD574组合控制功能CECSR/C12/8A0功 能0111111000000

47、0111+5V地地0101禁 止禁 止12位转换8位转换12位数据并行输出输出数据高8位输出数据低4位（3 3）DBDB1111 DBDB0 0：是：是1212位数据输出端。位数据输出端。（4 4）STSSTS：表示：表示AD574AD574当前的状态，即当前的状态，即BUSY/ BUSY/ 。（5 5）供电电源）供电电源V VL L： 逻辑电平，逻辑电平，+4.5V+4.5V +5.5V+5.5V。V VCCCC：电源电压，：电源电压，+13.5V+13.5V +16.5V+16.5V。V VEEEE：负电压，：负电压，-13.5V-13.5V -16.5-16.5。（6 6）参考电压）参考

48、电压REF OUTREF OUT：参考电压输出（：参考电压输出（+10V+10V）。）。REF INREF IN： 参考电压输入。参考电压输入。BIP OFFBIP OFF： 双极性偏差调节端。双极性偏差调节端。（7 7）模拟输入）模拟输入10V10VININ：10V10V模拟输入。模拟输入。20V20VININ：20V20V模拟输入。模拟输入。（8 8）地）地AGNDAGND：模拟地。：模拟地。DGNDDGND：数字地。：数字地。EOC 在使用时，在使用时，AD574AD574有两种联接方式，一种是单极性输入，另一有两种联接方式，一种是单极性输入，另一种是双极性输入。单极性输入时，模拟信号由

49、种是双极性输入。单极性输入时，模拟信号由10V10VININ或或20V20VININ端输入。端输入。如果不需要调零，如果不需要调零，BIP OFFBIP OFF接接AGNDAGND；如果需要调零，；如果需要调零，BIP OFFBIP OFF接调零接调零电路。双极性输入时，输入信号为电路。双极性输入时，输入信号为5V5V或或10V10V，分别由，分别由10V10VININ和和20V20VININ端输入。端输入。 AD574AD574与单片机的联接与单片机的联接如图如图7.227.22所示，用来进行所示，用来进行1212位数据采集，位数据采集，设使用查询方式读取数据，结果存入设使用查询方式读取数据

50、，结果存入31H31H 30H30H单元中，程序设计如单元中，程序设计如下：下： 图7.22 AD574与80C51单片机的联接D7D0P1.0P0口ALEWRRD80C51EACSR/CDB0VCCVEEDGNDAGNDREF OUTBIP OFF10VIN20VINA0REF INDB11AD574CE12/8STSVL+5V74LS373GA0A1A7&E增益+15V-15V100100模拟输入补偿；使 =1，A0=0；使 =0， =0，A0=0 选择12位转换；使 =1，A0=1 ORG2000H MOVR0，#30H CLRP3.7；使CE=1 CLRP3.6 MOVDPTR

51、，#0FF7CH MOVXDPTR，A；启动A/D转换HER：JBP1.0，HER；查询STS MOVDPTR，#0FF7EH MOVXA，DPTR；读高8位 MOVR0，A MOVDPTR，#0FF7FH MOVXA，DPTR ；读低4位 ANLA，#0FH INCR0 MOVR0，A LOOP：SJMPLOOP END CSR/C R/C R/C 7.4 7.4 模拟信号输出通道模拟信号输出通道 在数据采集系统中，计算机采集到的数据往往需要输出，在数据采集系统中，计算机采集到的数据往往需要输出，显示，打印，或者用于调节或控制受控对象。在很多情况下，显示，打印，或者用于调节或控制受控对象。在

52、很多情况下，受控对象需要的是模拟量信号，这就需要进行受控对象需要的是模拟量信号，这就需要进行D/AD/A转换。这中间转换。这中间除除D/AD/A转换器外，还需要转换开关，功率驱动器以及光电耦合等转换器外，还需要转换开关，功率驱动器以及光电耦合等器件。这些器件组合起来，就构成模拟信号输出通道。器件。这些器件组合起来，就构成模拟信号输出通道。 7.4.1 D/A7.4.1 D/A转换器的工作原理与使用转换器的工作原理与使用7.4.2 7.4.2 开关信号输出电路开关信号输出电路7.4.3 7.4.3 模拟信号输出电路模拟信号输出电路7.4.1 D/A7.4.1 D/A转换器的工作原理与使用转换器的

53、工作原理与使用 D/A D/A转换是把数字量信号转换成模拟量信号的过程，其转换方式转换是把数字量信号转换成模拟量信号的过程，其转换方式比较多，下面仅以两种为例，简单介绍一下比较多，下面仅以两种为例，简单介绍一下D/AD/A转换的方法。转换的方法。1.1.加权电阻网络加权电阻网络D/AD/A转换转换 加权电阻网络加权电阻网络D/AD/A转换法是用一个二进制数的每一位产生一个与二转换法是用一个二进制数的每一位产生一个与二进制数的权成正比的电压，然后将这些电压加起来，就可得到与该二进制数的权成正比的电压，然后将这些电压加起来，就可得到与该二进制数所对应的模拟量电压信号。例如，让二进制数的第进制数所对

54、应的模拟量电压信号。例如，让二进制数的第0 0位产生一个位产生一个1V1V（2020）的电压信号，第）的电压信号，第1 1位产生位产生2V2V（2121）的电压信号，第）的电压信号，第2 2位产生位产生4V4V（2222）的电压信号，以次类推，第）的电压信号，以次类推，第n n位产生位产生2n2n的电压信号。再把这些电的电压信号。再把这些电压加起来，就得到与原二进制数成正比的电压信号，这种转换方法就压加起来，就得到与原二进制数成正比的电压信号，这种转换方法就称为加权电阻网络法。称为加权电阻网络法。 加权电阻网络法加权电阻网络法如图如图7.237.23所示，是一个所示，是一个4 4位二进制数的位

55、二进制数的D/AD/A转换器。转换器。它包括一个它包括一个4 4位切换开关、位切换开关、4 4个加权电阻的网络，一个运算放大器和一个加权电阻的网络，一个运算放大器和一个比例反馈电阻个比例反馈电阻R Rf f。加权电阻的阻值按。加权电阻的阻值按8:4:2:18:4:2:1配置，相应的增溢分别配置，相应的增溢分别为为-R-Rf f/8R/8R、-R-Rf f/4R/4R、-R-Rf f/2R/2R和和-R-Rf f/R/R。切换开关由二进制数来控制，当。切换开关由二进制数来控制，当二进制数的某一位为二进制数的某一位为1 1时，相应位的开关闭合，否则断开。当开关闭合时，相应位的开关闭合，否则断开。当

56、开关闭合时，输入电压时，输入电压V Vc c加在该位的电阻上，于是在放大器的输出端产生加在该位的电阻上，于是在放大器的输出端产生 的电压。当输入数据为的电压。当输入数据为b b3 3、b b2 2、b b1 1、b b0 0时输出电压为：时输出电压为： VA=-VCRfVA=-VCRf（b3/R+b2/2R+b1/4R+b0/8Rb3/R+b2/2R+b1/4R+b0/8R） 选用不同的加权电阻网络，就可得到不同编码数的选用不同的加权电阻网络，就可得到不同编码数的D/AD/A转换器。转换器。 R2RVnfc图7.23 加权电阻网络D/A转换器运算放大器VC位切换开关0位1位2位3位VARfR2

57、R4R8R二进制数据输入+-A模拟量输出图7.24 T型电阻网络D/A转换器运算放大器VAA模拟量输出Rf2RRRR2RVCb02R2R2R2Rb1b2b3+-节点0节点22. R-2R T2. R-2R T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换转换 实际应用的实际应用的D/AD/A转换器多采用转换器多采用R-2R TR-2R T形电阻网络，其结构形电阻网络，其结构如图如图7.247.24所示，包括一个所示，包括一个4 4位切换开关、位切换开关、4 4路路R-2RR-2R电阻网络、一个运算放大电阻网络、一个运算放大器和一个比例电阻器和一个比例电阻R Rf f。这种转换法与上述加权电阻网络法的主要

58、区别。这种转换法与上述加权电阻网络法的主要区别在于电阻求和网络的形式不同。它采用分流原理实现对输入位数字量在于电阻求和网络的形式不同。它采用分流原理实现对输入位数字量的转换。图中无论从哪一个的转换。图中无论从哪一个R-2RR-2R的节点向上或者向下看，等效电阻都的节点向上或者向下看，等效电阻都是是2R2R，从，从b b3 3、b b2 2、b b1 1、b b0 0看进去的等效输入电阻都是看进去的等效输入电阻都是3R3R，于是从每个，于是从每个开关流入的电流开关流入的电流I I可视为相等，即可视为相等，即 。这样由开关。这样由开关b b3 3 b b0 0流入运算放大流入运算放大器的电流依次为

59、器的电流依次为 I I， I I， I I和和 I I。设。设b b3 3b b2 2b b1 1b b0 0为输入的二进制数，为输入的二进制数，于是输出电压为：于是输出电压为： 这样就完成了由二进制数到模拟量电压信号转换。这样就完成了由二进制数到模拟量电压信号转换。 R3Vc214181161001122334cffA2b2b2b2b2R3VRIiRV3. DAC08323. DAC0832 DAC0832 DAC0832是一个是一个8 8位单片位单片D/AD/A转换器，逻辑框图转换器，逻辑框图如如7.257.25所示，采用所示，采用R-2R R-2R T T型网络转换法。它由二级缓冲寄存器

60、和型网络转换法。它由二级缓冲寄存器和D/AD/A转换电路组成，可直接与转换电路组成，可直接与CPUCPU总线联接。输入寄存器用来锁存数据总线上输入的数据。当输入锁存允总线联接。输入寄存器用来锁存数据总线上输入的数据。当输入锁存允许许ILEILE、片选信号、片选信号 和写和写 同时有效时，数据总线（同时有效时，数据总线（DIDI7 7 DIDI0 0）上的）上的数据送输入寄存器锁存。当传送控制数据送输入寄存器锁存。当传送控制 和写和写 同时有效时，输入同时有效时，输入寄存器中的数据送寄存器中的数据送DACDAC寄存器，然后由寄存器，然后由D/AD/A转换电路进行转换，最后在转换电路进行转换，最后在I I