微型计算机控制技术第二章2

第2章输入/输出接口与过程通道2.6A/D转换器及接口技术2.6.1逐次逼近式A/D转换原理2.6.2如何选择A/D转换器件2.6.3常用A/D转换器2.6.4A/D转换器的接口技术2.6A/D转换器及接口技术A/D转换器是把模拟电压或电流转换成数字量的集成电路器件，是模拟量输入通道中的关键器件，其性能对通道的设计和计算机控制系统性能的影响很大。按位数来分：有4位、8位、12位、16位等按结构来分：有单一功能A/D转换器，有多功能的A/D转换器，如AD363，其内部含有16路多路开关、数据放大器、采样保持器及12位A/D转换器。按工作原理来分：有双积分型、逐次逼近型、∑-△调制型及电压频率变换型等。2.6.1逐次逼近式A/D转换原理逐次逼近式种类多、应用广。主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、时钟及控制逻辑等组成。2.6.1逐次逼近式A/D转换原理转换原理：逐位设定SAR寄存器中的数字量，该数字量经过D/A转换后得到电压Uo，将Uo与待转换的输入模拟电压Ui进行比较。根据比较结果，修正SAR中的数字量，逐次逼近输入模拟量。2.6.1逐次逼近式A/D转换原理比较时，先从SAR的最高位开始，逐次确定各位的数码是“1”还是“0”工作过程如下：如果Ui≥Uo，该位的“1”保留；如果Ui<Uo，该位应予清零。2.6.1逐次逼近式A/D转换原理其逐次逼近类似于对分，一个N位的A/D转换器，只需要比较N次即可，因而转换速度快。举例：有一个4位A/D转换器，满刻度值5V，若输入3.5V模拟电压，试分析其逐次逼近的转换过程量化单位：当最高位为“1”时，Uo=？Uo=0.3125V×23=2.5V，

Ui>Uo，最高位保留。依次类推，给定输入3.5V电压时对应的逐次比较过程如下：UO=0.3125V×D*Ui=3.5V步骤SAR内容转换后电压UO(V)UiUO比较该位去留8421(1)10002.5Ui>UO保留(2)11003.75Ui<UO去掉(3)10103.125Ui>UO保留(4)10113.4375Ui>UO保留结果1011误差：3.5V－3.4375V=0.0625VUO=0.3125V×D*Ui=3.5V2.6.2如何选择A/D转换器件1．A/D转换器的位数对于测量或测控系统，模拟信号都是先经过测量装置再经过A/D转换器转换后采进行处理的，也就是说，总的误差是由测量误差和量化误差共同构成的。因此A/D转换器的精度应与测量装置的精度相匹配。量化误差与A/D转换器位数有关。A/D转换器的分辨率通常用位数n来表示，如8位、12位等。一般把8位以下的A/D转换器称为低分辨率A/D转换器，9~12位的称为中分辨率的A/D转换器，13位以上的称为高分辨率A/D转换器。分辨率定义为满刻度电压与2n的比值，即分辨率是A/D转换器对微小输入量变化的敏感程度。假设A/D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则分辨率定义为：量化单位就是分辨率。相对分辨率定义为：A/D转换器分辨率与位数的关系（假设满量程为10V）位数级数相对分辨率绝对分辨率82560.391%39.1mV1010240.0977%9.77mV1240960.0244%2.44mV14163840.0061%0.61mV16655360.0015%0.15mV分辨率的高低取决于位数的多少，因此，一般用位数来间接表示分辨率。2．A/D转换器的转换速率A/D转换器从启动转换到结束转换，需要一定的转换时间。转换时间的倒数就是转换速率，它是每秒钟完成的转换次数。3．采样/保持器对于一般频率较高的模拟信号都要加采样/保持器。如果信号频率不高，A/D转换的时间短，即采用高速A/D器件时，可不使用采样/保持器。采集直流或者变化非常缓慢的信号时，也可以不使用采样/保持器。4．A/D转换器量程表示A/D转换器所能转换的输入电压范围，如-5V~+5V，0~10V，0~5V等。有些A/D转换器件提供了不同量程的引脚，只有正确使用，才能保证转换精度。5．偏置极性有些A/D器件提供了双极性偏置控制。当此引脚接地时，信号为单极性输入方式，当此引脚接基准电压时，信号为双极性输入方式。6．数据输出方式A/D转换器件输出的逻辑电平多数为TTL电平，有并行和串行两种输出形式。7．工膏作温黑度范貌围由于抄温度向会对霜运算耕放大贺器和魔电阻思网络掩产生愤影响瞒，故演只有歪在一闲定的甘温度温范围篇内才范能保贝证额正定的怒精度口指标券。8．线物性度线性那度指士的是容实际A/遣D器件槐的转犬移函渐数与迷理想讲直线张的最歼大偏访移。9．A/逼D转换茧对电牙源电剑路的妹要求A/诉D转换理器对胳电源脸的要中求较毒高。附这是葱因为杨在A/治D转换摄电路挺中，援电源冬除了脂完成梦对A/凳D转换原芯片庆供电哀外，含还需孤提供A/陈D转换惹的基就准电弦压。隆基准勒电源版的精序度将遣影响A/问D转换春结果库精度职。如鼠何选偿择合示适的刻电压据基准裙源呢袜？简肝单来奋说，皱需要肥电压汪基准平源简遇单、谨基准绝电压垫稳定场。2.骗6.挪3常用A/翅D转换割器1.猪A植DC则08杏08假/0类80利9AD及C0其80扰8/问08耻09是采译用CM冰OS工艺或的多些路8位逐始次逼吊近型A/苗D转换砖器，拔芯片桃内包降括一桶个8通道屠多路膨模拟葵开关徒、8位A/献D转换底器和兼一个8位数塌据输辆出锁奋存器旨。IN3IN2IN4IN1IN5IN0IN6ADDAIN7ADDBSTARTADDCEOCALED3D7OED6CLKD5VCCD4VREF+D0GNDVREF-D1D2ADC0809（1）AD域C0掘80乞9主要遭技术胞指标碗。线性伸误差扒为±1终LS撇B；转换坟时间说为10剑0μ称s；单一纠电源+5颈V供电择，模邻拟量号输入奔范围0~策+5免V；功耗15娃mW；输出物具有TT北L三态村锁存生缓冲旧器；无需墓进行职零位地及满史量程南调整巷；温度监范围-4政0℃裁~+惠85倾℃。价格重（6~吊30元，壤与厂稍家和氏封装沙形式刊有关俭）图2-焰20衫A毙DC脊08饭08套/0籍80报9原理袭图（2）AD夫C0锐80裹9的内湖部结谷构引贯脚功慢能AD傍C0届80众9的逻眯辑结侍构框狗图如测下图辨所示迷，其滑结构喉可分包为：①多丛路模阁拟开译关；②逐袍次逼嚼近型A/监D转换艇器；③输惊出锁氧存器AD东C0叉80泡8/印08凳09原理榆框图三态输出锁存逗器逐次逼近寄存亦器8选1模拟多路开关地址锁存灭器译码患器开关枯数组比较器控情制朴逻抛辑ST妄AR堪TEO棒CCL妻KABCAL孩EVccOEGN铲DIN慰7IN趋6IN卷5IN千4IN陷3IN要2IN鼠1IN买0D7D6D5D4D3D2D1D0+VRE睁F-VRE叛F电阻吸分压挂器UiUOVc纳c：芯片改工作纹电源亿，+5锈VGN躬D：芯片钳地信贤号CL弄K：时钟昌信号,架10欢~1慕28苗0K持Hz，决定A/栗D转换咸速率三态输出锁存届器逐次逼近寄存泛器8选1模拟多路开关地址锁存决器译码词器开关荣数组比较器控恭制俭逻虹辑ST责AR封TEO侨CCL恐KABCAL伐EOEVc估cGN基DIN酿7IN裳6IN忆5IN挥4IN呀3IN呆2IN址1IN葡0D7D6D5D4D3D2D1D0+VRE错F-VRE践F电阻洒分压上器UiUO+眉VRE鸽F：+参考亭电压俩，一烧般接+5茧V－VRE鸡F：－参考拆电压,一般红接0VIN氏0访~庆IN没7：8个模阁拟输镜入端A、B、C：地址槐选择傍输入顾端AL直E：地址荣锁存我允许,其上聪升沿匙将地原址C、B、A锁存三态输出锁存李器逐次逼近寄存正器8选1模拟多路开关地址锁存罚器译码烂器开关鞠数组比较器控拖制贫逻杏辑ST属AR船TEO砌CCL逆KABCAL茧EOEVc策cGN吗DIN握7IN羽6IN参5IN榨4IN密3IN两2IN天1IN樱0D7D6D5D4D3D2D1D0+VRE航F-VRE镰F电阻各分压皇器UiUOA、B、C：3位地薪址输芳入，C为最嫂高位营，A为最于低位例。通街过C、B、A的不狐同组岛合选贯择即奴可选然择接运入的止模拟权量输和入通益道。CBA所选通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ST湾AR束T：高电擦平时裂开始绳转换逼；即英一个蚊正脉示冲完从成启灿动A/角D转换运器。晴可与AL网E端子创连接海在一毛起，润当通税过软件愚或硬促件输入马一峡个正勉脉冲锡，便岸启动A/蚊D。三态输出锁存豆器逐次逼近寄存钳器8选1模拟多路开关地址锁存怨器译码瓜器开关肢数组比较器控丝式制苹逻盟辑ST台AR驴TEO军CCL堵KABCAL蠢EOEVc为cGN亲DIN昨7IN钓6IN惹5IN啊4IN佣3IN励2IN姐1IN雾0D7D6D5D4D3D2D1D0+VRE白F-VRE景F电阻钱分压淹器UiUOEO秀C：转换备结束箱信号哥，A/岁D转换商期间装为低确电平本，A/拖D转换胖完成萝后变粪为高生电平旅，可著用作食判断坝转换厚是否擦结束泉。三态输出锁存秋器逐次逼近寄存剪器8选1模拟多路开关地址锁存开器译码根器开关营数组比较器控对制塌逻稀辑ST栏AR淹TEO块CCL痕KABCAL漆EOEVc塞cGN倦DIN拍7IN连6IN轻5IN边4IN吹3IN运2IN兔1IN依0D7D6D5D4D3D2D1D0+VRE鱼F-VRE色F电阻洪分压佣器UiUOOE（OU坑TP础UT孟E嫁NA萝BL社E）:输出危允许样信号,高电秤平有扫效，荣允帽许从解三态侧输出孤锁存则器读临取数药字信野号。D7衫~D戴0：数字铸量输慈出端（3）时贴序图2.刻A低D5哑74AD糕57浪4是美互国模舱拟器盯件公幻玉司（An架al专og笋D蹄ev饱ic水es）生那产的12位逐论次逼对近型A/婆D转换姓器。茫片内钳配有华三态督输出呀缓冲仿电路漂，因助而可点直接废与各涌种典晚型的8位或16位的历微机材相连逮。（1）AD灭57添4主要词技术罪指标AD益57他4是12位逐企次逼绢近型A/杯D转换烦器，胡具有速可控晨三态默输出惭缓冲悠锁存滥器，12位数催据可争以一缺次读辽出；内部杆集成+1炊0.浑00锻0V电压语基准究源，内部借集成罢时钟亚电路勉，不很需外捕部接父线；通过隔改变润外部罪接线谣，模爱拟量各输入肤电压巨既可远以是所单极叨性也颂是可抹以是仿双极纪性；夫单极委性输峰入时家，允茧许输巾入的桑模拟收量范熊围为0~僵+1角0V和0~燥+2锯0V；双庆极性如输入词时允龄许输福入的悬模拟贡量范牙围为-5惭V~版+5属V和-1娘0V鸭~+垮10拢V。（2）AD蓄57炼4的内怨部结吼构图2-22AD574内部结构及管脚排列图（3）AD执57刃4芯片牺引脚帖功能Vcc：工作逆电源栽正端紫，+1铺2犹VD捡C止~杏+1鸣5洋VD庸C。VEE：工作膝电源野负端蛙，-垃12崇V取DC院~倡誉-1酒5泳VD班C。VL：逻揉辑电筹路供吩电输久入端废，+5唇V荷DC。DG律ND：数字渠地。孙各种额数字远电路估（译哥码器症、门并电路眼、触诸发器浮等）阴及+5捐V电源爷的地挽。AG陕ND：模拟俘地。秆各模有拟器挨件（免放大掠器、缝比较堆器、桨采样阴保持驾器等姨）及+1纽奉5V和-1妙5V的地矮。RE奏F怪OU喜T：基准拌电压姜源输华出端您，+1射0.扰00忌0填V。RE歪F集IN：基准让电压腐源输筑入端茎，如孤果RE近F此OU失T通过剥电阻揉接至RE伟F烤IN，可羡用来垄调增童益。ST茄S：转换同结束患信号险，高男电平两表示培正在裹转换稼，低着电平茫表示虫已转笔换完余毕。DB0-D刃B11：12位输算出数民据线湖，三配态输建出锁懂存，俘可与浸主机压数据煮线直绕接相落连。CE：片使娇能信患号（穿芯片督启动锻），穿输入膏，高叨电平之有效岁。当CE休=1时，校允许灭转换方或读疑取结师果，振到底贱是转席换还增是读铜取结山果与疾有关锐。：片崇选信带号，伯输入琴，低沸电平灭有效教。必须镰同时秩有效乓，AD叛57且4才能允工作铸，否拆则处干于禁止典状态。：数却据输宅出方兴式选穷择信传号。碎此引奏脚为膝高电算平时隙，12位数态据同吵时有阀效输毁出；吗当此广引脚叶为低鹊电平冬时，矩与引培脚A0配合滚，把12位数详据分临两次险输出搞。：读/转换稼信号歼。注意抬：如果陷此时A0：转换亩和读价字节睡选择拿信号语。幻玉此管脏脚有做两个塔功能夹：首一对是选巡寿择字偶节长泛度。在转播换之娃前，材当A0=0时，锁按12位进猾行A/甜D转换佩，转乳换时壮间为35鸣μs；当A0=1时，犁按8位进朗行A/摩D转换堂，转萄换时少间为15尊μs，与餐状练态无圾关。二是评选择倾输出顺方式屠。在读你周期概中，A0榨=0，高8位数秩据有洽效；A0寄=1，低8位数介据有降效。，同猛时输贫出12位数统据，与A0状态历无关盯。操作0××××禁止×1×××禁止100×0启动12位转换100×1启动8位转换101+5V×12位数据并行输出101地0输出高8位数据101地1输出低4位数据，尾随4个0表2-掠9搭AD蹲57先4控制供信号邮状态薪表10材VIN：模拟同电压澡信号耀输入景端，蓄单极诊性0~卷10椅V，双害极性-5叶V~干+5碑V。20哥VIN：模拟燥电压烦信号互输入激端，箭单极蕉性0~驶20堤V，双理极性-1载0V偶~+凑10腰V。BI拳P瘦OF蚕F：双极雹性补链偿，沸此脚待适当爱连接工，可某实现已单极抽性或妨双极宰性输松入。BI遭P瞒OF牢F接0V，单纱极性宰输入酒；BI忧P樱OF闹F接10守V，双牺极性穷输入疲。（a）单币极性日输入（b）双融极性呀输入图2-艘23够A纳D5伍74待A模拟砌输入腥电路顿的外瞎部接必法（1）零爹点调识整在单票极性巩输入兴时，雕当输挠入模即拟量Vin为0时，雪输出合数字论量为0。当Vin=1肥LS信B/笋2时，防那么D应在0与00督1H之间毁。单极受性输舒入零锤点调缺整步蝴骤：烘另Vin=1陪LS怎B/富2（从10甚Vin脚输疫入时枝为+0斥.0世01炊2V），从调整惕图2-弓23中的RP鞭1，使D在0与00佛1H之间衡跳动园。（2）增忘益调晶整增益妻调整夜在输爪入为毙最大炉的附抓近调否整。在单灰极性刊输入些时，姓当输锡入模论拟量Vin=+骆VFS-1牧LS坐B时，D=柜FF舍FH。当Vin=博=+贴VFS-2限LS犁B时，猾那么D应在FF巡寿FH与FF活EH之间吧。单极辛性输星入零呈点调尤整步抄骤：保另Vi纪n=兔+VFS奴-1.跌5L般SB（从10煎Vi休n脚输丈入时杜为+4支.9看93警6V），稍调整且图2-纱23中的RP命2，使D在FF王FH与FF细EH之间迅跳动泛。2.割6.声4斤A/炉D转换裹器的味接口墙技术无论兰哪种A/进D转换冤器，谱也不肿管其封内部鸭结构符怎样像，在傍将其粮与微竟型计抽算机肉连接漫时，伟都会尚遇到胞许多仪实际摄的技腥术问欠题。比如砍：A/残D转换局器的毕启动陕方式忠，模贡拟量之输入刮通道装的构茶成，摩参考柄电源婶如何梦提供云，状彩态检良测及胃锁存吩，时壶钟信急号的持提供恰方式畜，以已及电活源和葡地线衰的处丑理等品。1．模骆拟输虽入信袄号在多框数情剖况下纷，A/扎D转换瓦器所腐接受鞭的模治拟输川人信睛号为0~爹5V，但舅允许栏双极忧性信攻号输比入的A/持D也很籍多。孩因此馅，在润连接嚷时一叙定要速弄清鞋输入剪信号赛的极徐性是村否与A/屑D转换炭器的货极性介相符粘，否疾则要额通过雀外接支电路洁改变焰输入拳的极叫性。鼓也有较少数肾内部历带有贪放大包器的A/户D可直者接接貌受传馆感器楼输出爹的弱柜信号谷，但躲要注逆意量饺程范劳围。2．数欺字量炒输出通信号在一思般的截控制枕系统决中所泼用的A/赤D转换吴器多细为并使行数警据输详出，尝因此否当A/莲D转换扮器内栗部设些置数涉据锁历存器事及三足态输剩出控剥制时辟，可锋直接视挂在CP感U的数盟据总越线上例；若A/泻D转换全器内间部无布三态危输出让控制页，就荡必须宾通过I/乓O接口唇。必须歼注意缺的是盈：当8位微久机与8位A/剃D连接养时，狗可一宴次并绵行传活送8位数牌；而雹若与12位或剂更多仗位数A/砖D转换尽器连膜接，简数据慌必须抹分时海传送充。3．A/靠D转换嫁器的暑启动挎方式启动堤转换壁信号润是A/充D转换旁器开关始进逆行转藏换的串关键窃信号巩，根胳据芯鸽片的向要求宫，它掘可以绍是脉冲偶信号或电平妥信号。在微蛮机控婆制系救统中溪，脉畜冲启常动信循号可贿由CP捐U的地票址线揪及读/写控艰制信闷号逻帅辑组排合产荡生，抹也可县以通涉过I/瓶O接口城用程墨序控蚁制产羞生。若采嚷用电杆平信涉号启田动，舞一般诉情况拜下，潜在整攻个A/民D转换蒸的过浸程中遍，要董求启郊动转通换的贵电平峡维持饶不变宰，这赢就需能要用蜻锁存水器保岸存该甚电平鲁状态悉直至念转换峰结束爱。脉焰冲的舟正负饲、电己平的次高低缓应根宪据具澡体电筝路的汇要求优而定全。4．转判换结盆束信悲号的茂处理测方法转换香结束祥信号赤一般师为电奖平信用号（永高电狼平或奏低电阿平）叠，它新是A/皆D转换甘器的钓输出状信号丽，该弦信号大已变期为有读效态臂（高缠电平肉或低办电平箱），商即表脚明A/飘D转换雁工作卸已经拼结束引。根拌据该陕信号着的状贱态即杆可从A/厉D中读鸟取转谎换结犬果。呜因此拳转换秃结束显信号酿是A/毕D与外喘界的丝式联络姥信号艘。在敏微机烟控制寻系统嘴中，桑可由掌此信瞧号向CP嘱U申请母中断径或通牲过程位序查燃询该闲信号冷的状的态，刷以便蔑读取A/柿D转换标结果惑。5．时浑钟信旱号的俱连接时钟缩慧信号脉是A/库D转换池器的纹又一有个重岁要信爽号，排整个抄转换矿过程寇都是熟在时孤钟控挨制下状完成叶的。轮若A/麻D转换购器带垄有内盼部振绑荡器恒，一版般不膊需要痕任何磁附加垮电路田，如AD称57瘦4A等。它若芯窜片要鼠求提晴供外瓦部时单钟，狼可根状据芯摩片提脏供的理参数圆要求中，使兄用单慌独的大振荡婆器。爪更多没的场向合是印利用CP编U的时朵钟经久过分份频后锹产生乔。6．电扔源和饶地线鹿的连撤接A/甚D转换扮器的症电源匙分为泄两类锋：一洋类是拖芯片风工作拦所必领须提蒜供的凉电源辨，另消一类庆是芯使片所党需的品基准肚电源阴。工松作电迅源一污般为+5炮V，可嫩由直骨流电利源直危接供率电。懒但也忌有一停些芯纹片，把需要愿为内鉴部的灿模拟津电路剃提供司电，揪如AD存57第4A除了5V外，初尚须±1拒5V电源烤。基撕准源荐作为A/蝇D的比葬较基斧准，镇直接钱影响液到A/梳D转换录器的傅精度肉，要躁求较胖高，拥一般温要经帝过稳挖压以荒提高军电源悬精度没，或释采用怠专用仇的精妇密电成源模仇块供冷电。在任道何一践个控爽制系删统中她，接碰地处康理都您占着强很重郊要的扁位置淹。处闸理不赌好就继是一售个大樱的干眨扰源菊。在禁有A/栽D转换飘器组家成的船采集足系统非中，制有许客多接凑地点抢，包王括数字犯地（逻稀辑电殿路的钓返回变端）埋，模拟止公共跟地（模云拟电猎路的邻返回帐端）牢、信号冷地，有扫的还而有信息号的仇屏蔽闲地等深，不隔少的A/田D、D/见A转换市器芯魄片都莲单独密提供吸模拟刷地和连数字哈地的算引脚黄，对嫁这些斜地线烧的处养理原贸则采货用“一搏点接有地”，这谦样可阵以避养免地乔环流塔。2.弱6.藏5美A/桃D转换织器的哥程序汁设计积及应多用举营例1.电A敬/D转换阅器与好微机尚的数右据交稼换方等式（1）程坝序查肃询方扮式。（2）定东时方程式。（3）中造断方晌式。A/絮D转换挪器的电程序浆设计楚主要忍分为距三步扯：（1）启建动A/拿D转换麻；（2）用榜上述能数据反交换纲方式师（查慌询、绍定时衰或中相断）较等待A/饰D转换凝结束弹；（3）读涂取转稀换结罢果。2.且A粗/D转换正器应扰用设历计实利例利用51单片你机和AD永C0恢80纯9设计蛛一个8路数卸据采贴集系惜统设计矿要求意：1）采慎用中储断方铲式读欺取转祖换结雕果。2）转捆换结扔果存计放在30班H~些37崇H际8个单渣元中敌。图2-燃27诱A耗DC制08斥09与AT读89初S5躲1单片先机的涉接口污电路AD搞C0稠80猜9的8个通葵道所荐对应护的口敲地址背是：FE倚F0肆~F间EF肤7H。OR葡G偶00网00奸HAJ鬼MP敌M顾AI擦NOR邀G梯00谱03柱HAJ里MP书I际NTOR埋G顽00及30单HMA艰IN搭:机MO貌V谋R0粉,仿#斤30已HMO胳V笛R2壳,剩#决08派HSE姥TB秃I籍T0SE敞TB臣E竞ASE凡TB辣E旱X0MO顷V聪DP拢TR瓦,涨#0耗FE绝F0现HMO晨VX斑@栋DP踩TR慰,坚AHE旦RE父:辆SJ待MP堪H纠ER眉EIN企T:南MO竖VX尺A填,描@D社PT疮R;读数貌据MO办V桶@R衣0,鉴A栽;IN狐C牧R0;指向障下一未缓存IN上C夫DP斩TR;指向北下一代通道DJ叔NZ时R偏2,睡R混TN;赛8次未丘完就缺继续巨采集,已完苹就关出中断升、停急采集CL巡寿R录EACL渗R海EX饿0RE肌TIRT夹N:扯MO渣VX照@袄DP岗TR扎,ARE分TI►中断蛙方式爸读取原数据

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