智能仪器模拟量输入输出通道

智能仪器模拟量输入输出通道1第一页，共七十五页，编辑于2023年，星期六主要内容：模拟量输入通道高速模拟量输入通道模拟量输出通道数据采集系统2第二页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2.1模拟量输入通道2.1.1

转换器概述

A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。

(1)分辨率与量化误差ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量。量化误差是由于ADC有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）而引起的误差。其大小在理论上为一个单位。3第三页，共七十五页，编辑于2023年，星期六(2)转换精度

转换精度反映了一个实际ADC与理想ADC在量化值上的差值。包括偏移误差、满刻度误差、非线性误差、微分非线性误差。偏移误差：输出为零时，输入不为零的值。满刻度误差：又称增益误差是指ADC输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值。非线性误差：实际转移函数与理想直线的最大偏移。微分非线性误差：实际阶梯电压与理想阶梯电压之间的差值。4第四页，共七十五页，编辑于2023年，星期六ADC的非线性度误差

ADC的微分非线性度误差

5第五页，共七十五页，编辑于2023年，星期六(3)转换速率

转换速率是指ADC在每秒钟内所能完成的转换次数。(4)满刻度范围满刻度范围是指ADC所允许最大的输入电压范围。6第六页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2.1.1逐次比较式A/D转换器逐次比较式A/D转换器原理图7第七页，共七十五页，编辑于2023年，星期六逐次逼近型A/D转换器的工作原理：①转换开始前先将逐次逼近寄存器SAR清“0”；②开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，经偏移Δ/2后得到uO′＝uO－Δ/2，并送到比较器中与uI′进行比较。若uI′＜uo′，说明数字过大，故将最高位的1清除置零；若uI′≥uo′，说明数字还不够大，应将这一位保留。③然后，按同样的方法将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，SAR中的状态就是所要求的数字量输出。8第八页，共七十五页，编辑于2023年，星期六二、ADC0809芯片及其接口①输入3位地址信号，在ALE脉冲的上升沿将地址锁存，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；②发出A/D转换启动信号START，在START的上升沿将SAR清0，转换结束标志EOC变为低电平，在START的下降沿开始转换；③转换过程在时钟脉冲CLK的控制下进行；④转换结束后，EOC跳为高电平，在OE端输入高电平，从而得到转换结果输出。9第九页，共七十五页，编辑于2023年，星期六3.ADC0809引脚功能IN0～IN7：8路模拟电压输入。ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信号。ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。D7～D0（2-1～2-8）：8位二进制数码输出。OE：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端。10第十页，共七十五页，编辑于2023年，星期六CLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz的时钟信号。START：A/D转换启动信号，为一正脉冲。在START的上升沿将逐次比较寄存器SAR清0，在其下降沿开始A/D转换过程。EOC：转换结束标志输出信号。在START信号上升沿之后EOC信号变为低电平；当转换结束后，EOC变为高电平。此信号可作为向CPU发出的中断请求信号。

11第十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期六ADC0809的时序图12第十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期六ADC0809与单片机8031的接口电路13第十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期六1）查询方式程序清单如下：

MOVDPTR,#FEF8H；指出IN0通道地址MOVA，#00H；MOVX@DPTR，A；启动IN0通道转换MOVR2，#20H；DELY：DJNZR2，DELY；等待EOC信号变低WAIT：JBP3.3，WAIT；查询等待EOC信号变高

MOVXA,@DPTR；读取转换结果

MOV30H，A；存放结果

将由IN0端输入的模拟电压转换为对应的数字量，然后再存入8031内部的30H单元中

14第十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2）延时等待方式程序清单如下：MOVDPTR,#FEF8H；指出IN0通道地址MOVA，#00H；MOVX@DPTR，A；启动IN0通道转换MOVR2，#48H；WAIT：DJNZR2，WAIT；延时约140us

MOVXA,@DPTR；读取转换结果

MOV30H，A；存放结果

15第十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期六（3）中断方式程序清单如下：MAIN：SETBIT0；外部中断0为边沿触发方式SETBEX0；允许外部中断0中断SETBEA；开放CPU中断MOVDPTR，#0FEF8H；采样数据存放地址MOVA，#00H；启动A/D转换MOVX@DPTR，A；INTR1：PUSHDPL；保护现场PUSHDPHPUSHAMOVDPTR，#0FEF8HMOVXA,@DPTR；读取转换结果MOV30H，A；存放结果MOVA，#00HMOVX@DPTR，A；启动下一转换POPA；恢复现场POPDPHPOPDPLRET1；16第十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期六三、AD574芯片及其接口AD574主要特性17第十七页，共七十五页，编辑于2023年，星期六三、AD574芯片及其接口18第十八页，共七十五页，编辑于2023年，星期六芯片引脚19第十九页，共七十五页，编辑于2023年，星期六AD574的控制状态表：20第二十页，共七十五页，编辑于2023年，星期六AD574与8031的接口电路21第二十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2.1.3双积分A/D转换器双积分型ADC又称双斜率ADC。它的工作原理是:对输入模拟电压和参考电压进行两次积分，变换成和输入电压平均值成正比的时间间隔，并利用计数器测出时间间隔，计数器的输出就是转换后的数字量。下图为双积分型ADC的电路图。该电路由运算放大器A构成的积分器、检零比较器C、时钟输入控制门G、定时器和计数器等组成。22第二十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期六双积分型ADC电路图比较器积分器23第二十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期六工作原理:1)转换前,所有计数器复位,S2闭合,C放电;2)第一次积分(采样阶段) 积分器对VI进行固定时间T1的积分,积分结束时积分器的输出电压为:24第二十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期六计数器从全0到计满为全1时所用的时间为：N1—T1时间内进入计数器的CP个数。

N1=2N25第二十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期六3）第二次积分（比较阶段）

t=t1

时采样结束，S1

接-VREF，积分器对-VREF进行积分。26第二十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期六∵T2=N2•TCN2—T2时间内进入计数器的CP脉冲个数。∴T1•VI=T2•VREF2N

•VI=N2•VREF27第二十七页，共七十五页，编辑于2023年，星期六T1T2VIVOt1t2CP

N1TC

N2TC第一次积分第二次积分28第二十八页，共七十五页，编辑于2023年，星期六双积分式ADC的优点：对R、C及时钟脉冲Tc的长期稳定性无过高要求即可获得很高的转换精度。微分线性度极好，不会有非单调性。因为积分输出是连续的，因此，计数必然是依次进行的,即从本质上说，不会发生丢码现象。积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积分式ADC是测量输入电压在定时积分时间T1内的平均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。

29第二十九页，共七十五页，编辑于2023年，星期六三、MC14433芯片1.MC14433主要特性参数1）

转换精度具有±1/1999分辨率或读数的±0.05%±1个字。2）

电压量程分1.999V和199.9mV两档。3）

基准电压取2V或200mV。4）

转换速度为3次/秒~10次/秒。5）

具有过量程和欠量程输出标志。

30第三十页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2.MC14433的内部结构及引脚功能MC14433的内部结构31第三十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期六模拟电路部分有基准电压，模拟电压输入部分。模入电压量程为199.9mV或1.9999V两种，对应基准电压为+200mV和+2V。数字电路部分由逻辑控制BCD码及输出锁存器，多路开关，时钟以及极性判别，溢出检测等电路组成。采用字位动态扫描BCD码输出方式。即千，百，十，个位BCD码轮流地在Q0~Q3端输出。同时在DS1~DS4端出现同步字位选通信号MC14433千位编码定义32第三十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期六3.MC14433与8031单片机的接口设计由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码。Q0~Q3和DS1~DS4可以通过并行口P1或通过扩展I/O电路与其相连。下面介绍的电路是将MC14433与P1口相连的电路见图。

图9.31MC14433与8031的接口电路该电路采用中断方式管理MC14433的操作。由于引脚E0C与DU连接在一起，所以MC14433能自动连续转换。E0C经与非门接外中断INT1端，当EOC发出中断申请，转入中断服务程序处理转换结果。33第三十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2.3模拟量输出通道

2.3.1D/A转换器概述一、D/A转换原理DAC的基本原理

DAC是将每一位数字量的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量与数字量成正比。34第三十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期六DAC的输入是N位二进制数字信息D（dN-1，dN-2，……，d0），其最低位的d0和最高位的dN-1的权分别是20和2N-1：DAC的输出是与输入数字量成正比的电压VO或电流i。35第三十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期六R-2R倒T型电阻网络DAC36第三十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期六工作原理： 当输入全部为“1”时，电路的总电阻为R，所以，总电流为

I=VREF/Rd3

对应的电流：I3=I2’I=I3+I2’=2I3I3=I/2RR2R••VREF①②I3I2’37第三十七页，共七十五页，编辑于2023年，星期六RR2R••VREFd2

对应的电流：I3=I2’I2’=I2+I1’=2I2I2=I/4••R2RI1=I/8I0=I/16①②③I3I2I1’I2’I3=I/238第三十八页，共七十五页，编辑于2023年，星期六39第三十九页，共七十五页，编辑于2023年，星期六二、D/A转换器的主要技术指标1、分辨率分辨率是指输入数字发生单位数码变化时，所对应的输出模拟量（常为电压）的变化量。它反映了输出模拟量的最小变化值。2、转换精度转换精度是指在整个工作区间实际的输出电压与理想输出电压之间的偏差，可用绝对值或相对值来表示。可以用综合误差方式来描述，与ADC基本一致。3、转换时间转换时间指从开始转换到与满量程值相差±1/2LSB所对应的模拟量所需要的时间4、尖峰误差尖峰误差是指输入代码发生变化时而使输出模拟量产生的尖峰所造成的误差。40第四十页，共七十五页，编辑于2023年，星期六转换时间从开始转换到与满量程值相差±1/2LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2LSBtCVFULL41第四十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2.3.2D/A转换器与微型计算机接口

一、DAC0832DAC0832是使用非常普遍的８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。属于该系列的芯片还有DAC0830、DAC0831，它们可以相互代换。DAC0832主要特性：分辨率８位；电流建立时间１μS；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；输出电流线性度可在满量程下调节；逻辑电平输入与TTL电平兼容；单一电源供电（＋5V～＋15V）；低功耗，20mＷ。

42第四十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期六DAC0832的内部结构43第四十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期六主要引脚功能输入寄存器控制信号：D7～D0：输入数据线ILE：输入锁存允许CS：片选信号WR1：写输入锁存器44第四十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期六主要引脚功能用于DAC寄存器的控制信号：WR2：写DAC寄存器XFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器45第四十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期六主要引脚功能其它引线：VREF：参考电压。

-10V～+10V，一般为+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出。用于连接运算放大器的输入Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出AGND、DGND：模拟地和数字地46第四十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期六工作时序写输入寄存器写DAC寄存器47第四十七页，共七十五页，编辑于2023年，星期六工作模式１、单缓冲工作方式

此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。

48第四十八页，共七十五页，编辑于2023年，星期六例1DAC作为波形发生器49第四十九页，共七十五页，编辑于2023年，星期六1.锯齿波程序。

ORG2000HSTART：MOVDPTR，#0FEFFH MOVA，#00HLOOP：MOVX@DPTR，A INCA MOVR1，#data ；data为延时常数

DJNZR1，$ ；延时，改变data可改变锯齿波周期T值。

SJMPLOOP 50第五十页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2.产生三角波

ORG2000HMOVA,＃00H;取下限值

MOVMOVDPTR，#0FEFFH;指向0832口地址SS1:MOVX@DPTR,A;输出

NOP;延时

NOPNOPSS2:INCA;转换值增量

JNZSS1;未到峰值,则继续SS3:DECA;已到峰值,则取后沿

MOVX@DPTR,A;输出

NOP;延时

NOPNOPJNZSS3;未到谷值,则继续

SJMPSS2;已到谷值,则反复51第五十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期六3.矩形波程序。

ORG2000HSTART：MOVDPTR，#0FEFFHLOOP：MOVA，#data1；上限电平

MOVX@DPTR，A LCALLDELAY1调用延时程序 MOVA，#data2；下限电平

MOVX@DPTR，ALCALLDELAY2 SJMPLOOP 52第五十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2、双缓冲工作方式

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。53第五十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期六完成两路D/A同步输出的程序如下：MOVDPTR，#0DFFFH；指向0832（１）输入锁存器MOVA，#data1MOVX@DPTR，A；data1送入0832（１）输入锁存器MOVDPTR，#0BFFFH；指向DAC0832（２）输入锁存器MOVA，#data2MOVX@DPTR，A；data2送入0832（2）输入锁存器MOVDPTR，#7FFFH；同时启动0832(1)、0832(2)MOVX@DPTR，A；完成D/A转换输出54第五十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期六3、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。55第五十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期六在一个时钟频率为12MHZ的8031系统中接一片DAC0832，它的地址为7FFFH，输出电压为0~5V。画出有关电路图，并编写产生锯齿波，高电平为2V，低电平为0V的转换程序。56第五十六页，共七十五页，编辑于2023年，星期六解：输出电压为0~5V，对应数字量为00H~66H；每次数据量增值为3，共102/3=34次循环，34*5us=170usSTART：MOVDPTR，#7FFFHLOOP1：MOVA，#00HLOOP2：MOVX@DPTR，A ADDA，#03H CJNEA，#66H，LOOP2；未到2V，继续增值转换输出SJMPLOOP1；到2V，从00H开始转换输出 57第五十七页，共七十五页，编辑于2023年，星期六DAC120858第五十八页，共七十五页，编辑于2023年，星期六59第五十九页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2.4数据采集系统2.4.1数据采集系统的组成

智能仪器的数据采集系统简称DAS（DataAcquisitionSystem），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。60第六十页，共七十五页，编辑于2023年，星期六工作过程①数据采集②数据处理③处理结果的复现与保存61第六十一页，共七十五页，编辑于2023年，星期六传感器微型计算机数据采集系统放大器采样/保持器传感器传感器传感器…A/D转换器计算机显示器打印机绘图机定时与逻辑控制传感器传感器接口被测物理量数字信号开关信号…多路开关62第六十二页，共七十五页，编辑于2023年，星期六系统组成①传感器—将非电量转换为电信号。②多路开关—分时切换各路模拟量与采样／保持器的通路。③程控放大器—对模拟信号进行放大。④采样/保持器—保持模拟信号电压。⑤A/D转换器—将模拟信号转换为数字信号。⑥接口电路—将数字信号进行整形电平调整。63第六十三页，共七十五页，编辑于2023年，星期六2.4.2模拟多路开关及接口作用：将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换。机电式：电子式：类型用于大电流、低速切换用于小电流、高速切换64第六十四页，共七十五页，编辑于2023年，星期六CD4501

CD4501为8通道单刀结构形式，它允许双向使用，即可用于多到一的切换输出，也可用于一到多的输出切换。65第六十五页，共七十五页，编辑于2023年，星期六CD4501真值表

C

B

A

接通通道

000000001

00001111×

00110011×

01010101×

S0S1S2S3S4S5S6S7