计算机控制系统的数据采集技术前向通道.ppt

1,2.0 数据通道概述 2.1 数据采集系统的组成结构 2.2 信号调理2.2.1 传感器的选用2.2.2 运用前置放大器的依据2.2.3 信号调理通道中的常用放大器 2.2.4 V/I和I/V转换电路,第二章(1)计算机控制系统的数据采集技术(前向通道),2,2.3 多路模拟开关2.3.1 结构原理2.3.2 扩展电路2.4 采样/保持器 2.4.1 概述2.4.2 采样/保持器的工作原理2.4.3 系统采集速度与采样/保持2.4.4 采样保持器,3,2.5 A/D(Analog/Digital)转换器及接口技术2.5.1 A/D转换器的作用 2.5.2 ADC的转换原理2.6 常用ADC集成芯片及其与微处理器的接口2.6.1 典型芯片ADC0809介绍2.6.2 AD574A及其与微处理器的接口2.6.3 CS5360及其与微处理器的接口2.7 A/D转换模板2.8 A/D转换器的选择2.9 数字量输入通道 2.9.1 开关输入电路 2.9.2 脉冲计数电路,4,2.0 数据通道概述,人-机界面,工业系统,机-机界面,数据通道,人通过键盘、鼠标等向计算机输入信息；计算机通过显示器输出信息,5,数据通道,工业系统,数据通道的分类,开关量:某个开关通、断的状态.只有两种状态,模拟量:时间上连续；量值在一定范围内连续,模拟量输入到计算机,需要将模拟量转换为数字量即模数转换,因此该通道也称为A/D通道,6,实例1:研华PCL-724数据采集卡,7,数据采集卡 接口,20芯扁平线,8,电源线,9,实例2:智能模块,泓格I7017 模拟量输入,10,泓格I7014 模拟量输出,11,模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号.结构组成如图2-1所示,来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理,然后经多路模拟开关,分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换,通过接口电路以数字量信号进入主机系统,从而完成对过程参数的巡回检测任务.,2.1 数据采集系统的组成结构,12,显然,该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器,通常把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道.,13,实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点.因此,多路模拟输人通道更具有普遍性.按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个,多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型.,14,一、集中采集式,图2-2 集中式数据采集系统的典型结构,15,二、分散采集式(分布式),(a)分布式单机数据采集结构,16,(b)网络式数据采集结构图2-3 分布式数据采集系统的典型结构,上位机、下位机的概念,17,2.2 信号调理(Signal Conditioning),所谓信号调理,就是将传感器或者变送器所输出的电信号进行放大、隔离、滤波,以便数据采集板实现数据的采集.传感器/数电/模电知识,图2-4 典型调理电路的组成框图,18,2.2.1 传感器的选用(复习)传感器是信号输人通道的第一道环节,也是决定整个测试系统性能的关键环节之一.要正确选用传感器,首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器系统对传感器的技术要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器,把同类产品的指标和价格进行对比,从中挑选合乎要求的性价比最高的传感器.,19,传感器:用于将被测物理信号转化为电信号的器件.常用传感器举例:温度测量:热电阻(0200度)热电偶(2001500度)压力测量:弹簧位移、压敏器件流量测量:压力差原理位移测量:电位器、电容式、光栅(调速系统中介绍)速度测量:电磁感应、离心位移,20,变送器(复习),用于将传感器信号进行初步处理.包括:1.信号滤波:实现一个低通滤波器,滤除常见高频干扰2.小信号放大:小信号易受干扰,不易传输,要进行放大.3.I/V变换:将电压/电流信号统一变换为规定标准信号,以利于传输使用.常见标准:计算机接口标准:范围05V DDZ-型仪表标准:范围010mA DDZ-型仪表标准:范围420mA4.非线性补偿:对实际物理信号与电信号成非线性关系的情况进行补偿操作,使其成为线性关系,这部分工作亦可由计算机软件完成.如:热电偶中,热电势e与温度T的关系一般为:T=a1e4+a2e3+a3e2+a4e+a5(a1a5为常数)补偿后,变送器的输出电压V与温度T的关系可转化为线性关系,即:V=aT+b,21,(一)对传感器的主要技术要求1.具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能,转换范围与被测量实际变化范围相一致.2.转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标,转换速度应符合整机要求.3.能满足被测介质和使用环境的特殊要求,如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等.4.能满足用户对可靠性和可维护性的要求.,22,(二)可供选用的传感器类型 温度的传感器就有:热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种.在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下,应侧重考虑成本低、适配电路是否简单等因素进行取舍,尽可能选择性价比高的传感器.,23,1.大信号输出传感器:为了与A/D输入要求相适应,传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出传感器.,图2-5 大信号输出传感器的使用,电流/电压转换,电压/频率转换,24,2.数字式传感器:数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成,也可以是由敏感参数R、L、C构成的振荡器,或模拟电压输入经V/F转换等,因此,数字量传感器一般都是输出频率参量,具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点.,25,图2.6 频率量及开关量输出传感器的使用,26,3.集成传感器:(DS18B20 温度传感器)集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体.例如,将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体,构成集成压力传感器.采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务,简化通道结构.,27,4.光纤传感器:这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的,避免了电路系统的电磁干扰.在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰.,28,2.2.2 运用前置放大器的依据 多数传感器输出信号都比较小,必须选用前置放大器进行放大.判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行放大的依据又是什么？放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？,29,2.2.3 信号调理通道中的常用放大器(难点),在智能仪器的信号调理通道中,针对被放大信号的特点,并结合数据采集电路的现场要求,目前使用较多的放大器有测量放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等.前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内,如0-5VDC;对单纯的微弱信号,可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大.如图2-5所示,信号源的一端若接放大器的正端为同相放大,同相放大电路的放大倍数G=1+R2/R1；若信号源的一端接放大器的负端为反相放大,反相放大电路的放大倍数G=R2/R1.当然,这两种电路都是单端放大,所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地.(电路/模电),30,图2-5 放大电路,31,OP07,32,(一)测量放大器,在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰,而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用.因此,A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器,也称仪表放大器,如图2-6(a)所示.经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构,测量放大器的差动输入端Vin和Vin分别是两个运放A1、A2的同相输入端,输入阻抗很高,而且完全对称地直接与被测信号相连,因而有着极强的抑制共模干扰能力.,33,图2-6 测量放大器,34,仪用放大器上下对称,即图中R1=R2,R4=R6,R5=R7.则放大器闭环增益为:假设R4=R5,即第二级运算放大器增益为1,则可以推出仪用放大器闭环增益为:由上式可知,通过调节电阻RG,可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益.当采用集成仪用放大器时,RG一般为外接电阻.,35,测量放大器的特点:具有高共模抑制比、高速度、高精度、宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等.测量放大器的工作原理 a.结构:由三个运算放大器构成,其内部基本电路如图所示.b.工作原理:A1、A2二个同相放大器组成差动式放大电路,输入信号加在A1、A2的同相输入端,从而具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗.功率放大器A3为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将双端输入方式变换成单端输出方式,以满足负载的需要.,36,测量放大器集成芯片 常用的有AD521S、AD522B、AD612、AD605、ZF605、INA102等.a.AD521采用标准DIP-14双列直插式封装,其管脚功能如图a与基本接法如图b所示.在使用AD521(或其他测量放大器)时,要特别注意为偏置电流提供回路.为此,输入(引脚l或引脚3)端必须与电源的地线相连构成回路.b.AD522也是单芯片集成精密测量放大器.,37,AD521的管脚功能及基本接法,38,在实际的设计过程中,可根据模拟信号调理通道的设计要求,并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路(了解).1.非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差.当增益为1时,如果一个12位A/D转换器有0.025%的非线性偏差,当增益为500时,非线性偏差可达0.1%,相当于把12位A/D转换器变成10位以下转换器,故一定要选择非线性偏差小于0.024%的仪用放大器.,39,2.温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度.通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生(150)V/变化,这与仪用放大器的增益有关3.恢复时间 恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间.显然,放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率.,40,4.建立时间 建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间5.电源引起的失调 电源引起的失调是指电源电压每变化1%,引起放大器的漂移电压值.仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器,对于共电源系统,该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一.,41,6.共模抑制比(CMRR-Common Mode Rejection Ratio)当放大器两个输入端具有等量电压变化值UI时,在放大器输出端测量出电压变化值UCM,则共模抑制比CMRR可用下式计算:CMRR也是放大器增益的函数,它随增益的增加而增大,这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构,这个前端结构对差动信号有增益,对共模信号没有增益.但CMRR的计算却是折合到放大器输出端,这样就使CMRR随增益的增加而增大.,42,(二)程控增益放大器(PGA-Programmable Gain Amplifier)了解 程控放大器是智能仪器的常用部件之一,在许多实际应用中,特别是在通用测量仪器中,为了在整个测量范围内获取合适的分辨力,常采用可变增益放大器.在智能仪器中,可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制.这种由程序控制增益的放大器,称为程控放大器.在A/D转换通道中,多路被测信号常常共用一个测量放大器,而各路的输入信号大小往往不同,但都要放大到A/D转换器的同一量程范围.因此,对应于各路不同大小的输入信号,测量放大器的增益也应不同.具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器,如图2-6(b)所示.,43,图2-6 前置放大器(b)可变增益放大器,44,把图2-6(b)中的外接电阻Rg换成一组精密的电阻网络,每个电阻支路上有一个开关,通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益,根据开关支路上的电阻值与增益公式,就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为2、4、8、16、32、64、128、256倍.显然,这一组开关如果用多路模拟开关(类似CD4051)就可方便地进行增益可变的计算机数字程序控制.此类集成电路芯片有AD612/614等.可编程增益放大器的特点:硬件设备少,放大倍数可根据需要通过编程进行控制,使A/D转换器满量程信号达到均一化,提高了测量精度.可编程增益放大器结构:它是测量放大器电路的扩展,增加了增益模拟开关和驱动电路.可编程增益放大器的应用:可编程增益放大器PGA的优越性之一就是能进行量程自动切换.,45,例:数字电压表的量程自动切换 分析:CPU首先对被测参数进行A/D转换,判断被测值是否大于当前量程,若大于,再判断PGA的增益是否为最低档,如果是,就转入超量程处理,否则,将PGA增益降低一档并重复前面的处理过程；如果被测值小于当前量程再判断最高位是否为零.如果是零,就进一步判断增益是否为最高一档,若不是最高档,将增益升高一级再进行AD转换及判断；如不为零或PGA已经升到最高档,则说明量程已经切换到最合适档,此时微处理器对所测得的数据再进一步处理.,自动量程切换流程图,46,PGA102是一种独立、高速、高精度的数字式可程序设置增益的仪器放大器,由COMS/TTL电平来选择增益为1、10或100,其内部结构如图所示.改变X10、X100两管脚的电平,即可选择VIN1,VIN2和VIN3.由于三种输入的反馈电阻不同,因而可得到不同的增益.,PGA102原理结构图,常用的可编程增益放大器芯片有AD526、AD625、AD620B-B公司的PGA100、PGA102、LH0084等.,47,(三)隔离放大器(变压器耦合,光耦合)隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中,例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号,而测试现场的干扰比较大对信号的传递精度要求又高,这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离,以保证系统的可靠性.,48,由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入、输出端之间的耦合,因此具有以下特点:1.能保护系统元件不受高共模电压的损害,防止高压对低压信号系统的损坏.2.泄漏电流低,对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路.3.共模抑制比高,能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量,避免各种干扰对系统的影响.,49,隔离放大器应用场合:测量处于高共模电压下的低电平信号；消除信号源地网络干扰(如大电流的跳变)所引起的测量误差；避免与地构成回路及其寄生拾取问题；保护系统电路不致因输入端或输出端的高共模电压造成损坏；用于医疗仪器为病人提供安全接口等.变压器耦合隔离放大器组成:由输入级、输出级和电源振荡器三个基本部分.典型的隔离放大器原理图如下图所示.,50,图2.12 GF289集成隔离放大器,51,图2-14 GF289典型接法,52,工作原理:将传感器送来的信号滤波和放大,并调制成交流信号,通过隔离变压器耦合到输出级.在输出级把交流信号解调变成直流信号,再经滤波和放大,最后输出010V的直流电压.由于放大器的两个输入端都是浮空的,所以,它能够有效地起测量放大器的作用,又因采用变压器耦合,所以输入部分和输出部分是隔离的.增益计算:,GIN输入部分电压增益；GOUT输出部分电压增益.,53,光耦合隔离放大器 光耦合隔离放大器是通过输入极激励发光管,由光电管将光信号耦合到输出极,实现信号的传输,同时保证了输入和输出间的电气隔离.隔离放大器集成芯片 常用变压器耦合隔离放大器有Model277、Model278、AD293、AD294 GF289等,光耦合隔离放大器有ISO100等.,54,AD293应用电路如图所示,信号VIN的输入端可接地也可悬空.电阻RG是增益调整电阻,输入级增益为 W1是输入级调零电位器,如果需调零,W1的滑动点与引脚2相连.如果不调零,W1可不接.引脚33还可输出13V(相对引脚2),以供其它外电路使用,电容C2用于对13V滤波.,R1输入级内部反馈电阻,55,2.2.4 V/I和I/V转换电路 控制系统中,对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器,当它们的输出信号为0-10 mA或4-20 mA的电流信号时,一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号1.V/I转换电路(1)010V420mA转换电路 电流信号传输的优点:以消除电缆衰减,抗工业现场干扰.,56,常用精密010/420mA转换电路如图所示.图中REF10为+10V精密电压基准,提供一个+10标准的稳压电源,此标准电源与0l0输入信号一起加到由超低噪声精密运算放大器OPA27所组成的反相比例求和电路.,工作原理:当输入信号在010V间变化时,OPA27的输出范围为-0.2V1V,该输出加到由精密单位增益差动放大器INA105组成的V/I变换电路的输入端,可以推出当输入电压为-0.2-1时,流过负载电阻RLOAD的电流为420mA,而与RLOAD的大小无关.,57,(2)隔离型V/I转换电路 采用ISO100光电隔离放大器组成的V/I 420mA变换电路,原理如图所示.,58,2.I/V转换电路,(1)无源I/V变换无源I/V变换电路是利用无源器件-电阻来实现,加上RC滤波和二极管限幅等保护,如图2-15(a)所示,其中R2为精密电阻.对于010mA输入信号,可取R1=100,R2=500,这样当输入电流在010mA量程变化时,输出的电压就为05V范围;对于420mA输入信号,可取R1=100,R2=250,这样当输入电流为420mA时,输出的电压为15V.,59,图2-15 电流/电压变换电路,R1=100,R2=500,60,(2)有源I/V变换,有源I/V变换是利用有源器件运算放大器和电阻电容组成,如图2-15(b)所示.利用同相放大电路,把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压.该同相放大电路的放大倍数为 若取R1=200,R3=100k,R4=150k,则输入电流I的010mA就对应电压输出V的05V；若取R1=200,R3=100k,R4=25k,则420mA的输入电流对应于15V的电压输出.,61,RCV420是一种精密的电流/电压变换器,它能将420mA的电流信号转换成05V的电压信号.其典型应用电路如图所示.,62,多路开关的主要用途是把多个模拟量参数分时的接通并送入A/D转换器,即完成多到一的转换;或者把经计算机处理,且由D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路(或外部设备)中,即完成一到多的转换.前者称为多路开关(Multiplexer),后者叫做反多路开关(De-MultiPlexer)或者叫做多路分配器.这类器件中有的只能做一种用途,称为单向多路开关,如AD7501(8路)、AD7506(16路);有些则既能做多路开关,又能当反多路开关,称为双向多路开关,如CD4051.从输入信号的连接方式来分,有的是单端输入,有的则允许双端输入(或者差动输入),2.3 多路模拟开关 Multi-plexer(重点),63,64,介绍:0.如何看datasheet.pdf现以常用的CD4051(datasheet)为例,学生看书1.引脚:2.内部原理:8路模拟开关的结构原理如图2-16所示.CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成.当禁止端INH(Inhibit)为“1”时,前后级通道断开,即S0-S7端与Sm端不可接通；当为“0”时,则通道可以被接通,通过改变控制输入端C、B、A的数值,就可选通8个通道S0-S7中的一路.比如:当C、B、A=000时,通道S0选通；当C、B、A=001时,通道S1通；当C、B、A=111时,通道S7选通.其真值表如表3-1所示(138).,65,The CD4051B is a single 8-Channel multiplexer having three binary control inputs,A,B,and C,and an inhibit input.The three binary signals select 1 of 8 channels to be turned on,and connect one of the 8 inputs to the output.When these devices are used as demultiplexers,the“CHANNEL IN/OUT”terminals are the outputs and the“COMMON OUT/IN”terminals are the inputs.,66,67,图2-16 CD4051结构原理图,68,2.4 采样/保持器2.4.1 概述 模拟信号进行A/D转换时,从启动转换到转换结束输出数字量,需要一定的转换时间.在这个转换时间内,模拟信号要基本保持不变.如果输入信号变化较快(频率较高),就会引起较大的转换误差.要防止这种误差的产生,必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住,而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化.能完成这种功能的器件叫采样/保持器(S/H-Sample/Hold).采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”.,69,数据采样定理(复习),离散系统或采样数据系统-把连续变化的量变成离散量后再进行处理的计算机控制系统.离散系统的采样形式-有周期采样、多阶采样和随机采样.应用最多的是周期采样.周期采样-就是以相同的时间间隔进行采样,即把一个连续变化的模拟信号y(t),按一定的时间间隔T转变为在瞬时0,T,2T,的一连串脉冲序列信号y*(t),如图2-18所示.,70,采样器的常用术语:1.采样器或采样开关-执行采样动作的装置,2.采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时间3.采样周期T-采样开关每次通断的时间间隔 在实际系统中,T,也就是说,可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值.,图2-18 信号的采样过程,71,由经验可知,采样频率越高,采样信号 y*(t)越接近原信号y(t),但若采样频率过高,在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上,从而失去了实时控制的机会.为了使采样信号y*(t)既不失真,又不会因频率太高而浪费时间,我们可依据香农采样定理.香农采样定理(Shannon)指出:为了使采样信号y*(t)能完全复现原信号y(t),采样频率f至少要为原信号最高有效频率fmax的2倍,即f2fmax.采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率.实际应用中,常取f(510)fmax.,72,2.4.2 采样/保持器的工作原理 采样/保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路.它主要由模拟开关K、电容Ch 和缓冲放大器A组成,它的一般结构形式如图所示.图中K为模拟开关,Vc为模拟开关K的控制信号,Ch为保持电容.当控制信号Vc为采样电平时,开关S导通,模拟信号通过开关S向保持电容Ch充电,这时输出电压Uo跟踪输入电压Ui的变化.当控制信号Vc为保持电平时,开关K断开,此时输出电压Uo保持模拟开关S断开时的瞬时值.,73,2.4.3 采样保持器,1.零阶采样保持器-零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内,一直保持采样值不变直到下一个采样时刻.它的组成原理电路与工作波性如图2-19(a)、(b)所示.采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容Ch等组成.采样期间,开关S闭合,输入电压Vin通过A1对Ch快速充电,输出电压Vout跟随Vin变化；保持期间,开关S断开,由于A2的输入阻抗很高,理想情况下电容Ch将保持电压Vc不变,因而输出电压Vout=Vc也保持恒定.,74,图2-19 采样保持器,75,零阶保持器的功能,主要特点:1.输出信号为阶梯波,含有高频分量2.具有半个采样周期的纯滞后,76,零阶保持器的脉冲响应函数,77,2、零阶集成采样保持器-常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF398/198/298/(2-20 b)等,其内部结构和引脚如图所示.这里,用TTL逻辑电平控制采样和保持状态,如 LF398的采样电平为“1”,保持电平为“0”,而AD582的则相反.(datasheet),图2-20 集成采样保持器,AD582,LF398,78,LF398内部由三部分组成:输入电路A1、输出电路A2及逻辑控制电路A3和开关S.运算放大器A1和A2均接成电压跟随器形式.当控制逻辑IN+为高电平,通过A3控制开关S闭合,使输入电压经过A1进入A2,A2的输出跟随输入电压变化,同时向保持电容(接引脚6)充电.当控制逻辑IN+为低电平时,开关S断开,保持电容上的电压不变,维持A2输出不变.IN-一般接地.,LF398典型的接线方法如图所示.Logic input1时,为采样状态,此时输出跟随输入变化；Logic input0时,为保持状态,此时输出保持不变.,79,在A/D通道中,采样保持器的采样和保持电平应与后级的A/D转换相配合,该电平信号既可以由其它控制电路产生,也可以由A/D转换器直接提供.总之,保持器在采样期间,不启动A/D转换器,而一旦进入保持期间,则立即启动A/D转换器,从而保证A/D转换时的模拟输入电压恒定,以确保A/D转换精度.,80,(1)采样周期应符合香农采样定理的要求fs2fmax(2)采样周期应远小于系统的时间常数,但对于响应很慢或设定值变化很缓的系统,不必用过短的采样周期;(3)闭环系统对给定信号的跟踪,要求采样周期要小;(4)从抑制扰动的要求来说,采样周期应该选择得小些;(5)从计算机精度考虑,采样周期不宜过短;(6)从系统成本上考虑,希望采样周期越长越好;(7)从执行元件的要求来看,有时要求输入控制信号要保持一定的宽度;,采样周期的选择:,81,综合上述各因素,选择采样周期,应在满足控制系统的性能要求的条件下,尽可能地选择低的采样速率.工业控制中,大量的受控对象都具有低通的性质.采样周期的选择,要根据所设计的系统的具体情况,用试凑的方法,在试凑过程中根据各种合理的建议来预选采样周期,多次试凑.,常用被测对象采样周期的经验值如表所示.,82,2.5 A/D转换器及接口技术,A/D(Analog/Digital)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,但在一般情况下,模拟量是指电压而言的.在数字系统中,数字量是离散的,一般用量子因子Q来度量.,83,2.5.1 A/D转换器的作用,将模拟量转换为数字量,以便计算机接收处理,传感器,单片机,双积分式A/D转换器逐次逼近式A/D转换器,84,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(Resolution)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.分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度.分辨率越高,转换时对输入量微小变化的反应越灵敏.通常用数字量的位数来表示,如8位、10位、12位(偶数)等.分辨率为n,表示它可以对满刻度的1/2n(指数)的变化量作出反应.即:分辨率=满刻度值/2n(n为指数),85,(2)转换时间 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.如逐位逼近式A/D 转换器的转换时间为微秒级,双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级.(3)精度绝对精度定义为:对应于产生一个给定的输出数字码,理论模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值.相对精度定义为在整个转换范围内,任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比.一般用百分数来表示,对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB(Least Significant Bit)来表示,1LSB=1/2n.例如,对于一个8位05V的A/D转换器,如果其相对误差为1LSB,则其绝对误差为19.5 mV,相对百分误差为0.39.一般来说,位数n越大,其相对误差(或绝对误差)越小.,86,2.5.2 ADC的转换原理(了解)(一)比较型ADC 比较型ADC可分为反馈比较型及非反馈(直接)比较型两种.高速的并行比较型ADC是非反馈的,智能仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC是反馈型,87,图2-20 逐次逼近式转换器原理,88,一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成.现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例,说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理.如图2-20所示.,89,当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下,首先使寄存器的最高位D31,其余为0,此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即Vo8,送到比较器输入端与被转换的模拟量Vin=9进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断.当VinVo,则保留D3=1；再对下一位D2进行比较,同样先使D21,与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器,转换为Vo12再进入比较器,与Vin9比较,因VinVo,则使D20；再下一位D1位也是如此,D11即1010,经D/A转换为Vo=10,再与Vin9比较,因VinVO,则使D10；最后一位D01-即1001经D/A转换为Vo9,再与Vin9比较,因VinVo,保留D01.比较完毕,寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果,存在输出锁存器中等待输出.,90,一个n位A/D转换器的模数转换表达式是(2-4)式中 n n位A/D转换器；VR+、VR-基准电压源的正、负输入；Vin要转换的输入模拟量；B转换后的输出数字量.即当基准电压源确定之后,n位A/D转换器的输出数字量B与要转换的输入模拟量Vin成正比.,91,例:一个8位A/D转换器,设VR+=5.02V,VR-=0 V,计算当Vin分别为0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量.解:把已知数代入公式(2-4):0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量分别为00H、80H、FFH.此种A/D转换器的常用品种有普通型8位单路ADC0801ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等,混合集成高速型12位单路AD574A、ADC803等.,92,(二)双积分型ADC,图2-21 双积分ADC,93,双积分式A/D转换原理如图2-21所示,在转换开始信号控制下,开关接通模拟输入端,输入的模拟电压Vin在固定时间T内对积分器上的电容C充电(正向积分),时间一到,控制逻辑将开关切换到与Vin极性相反的基准电源上,此时电容C开始放电(反向积分),同时计数器开始计数.当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号,由控制逻辑停止计数器的计数,并发出转换结束信号.这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间.放电时间T1或T2又正比于输入电压VIN,即输入电压大,则放电时间长,计数器的计数值越大.因此,计数器计数值的大小反映了输入电压VIN在固定积分时间T内的平均值.此种A/D转换器的常用品种有输出为3位半BCD码(二进制编码的十进制数)的ICL7107、MC14433、输出为4位半BCD码的ICL7135等.,94,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.,95,(三)-型ADC,过采样-A/D变换器由于采用了过采样技术和-调制技术,增加了系统中数字电路的比例,减少了模拟电路的比例,并且易于与数字系统实现单片集成,因而能够以较低的成本实现高精度的A/D变换器,适应了VLSI(Very Large Scale Integration)超大规模集成电路技术发展的要求.,96,(四)V/F型ADC 智能仪器中常用的另一种ADC是V/F型ADC.简称V/F转换器,是把模拟电压信号转换成频率信号的器件.它主要由V/F转换器和计数器构成.V/F型ADC的特点是:与积分式ADC一样,对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离.,97,2.6 常用AD集成电路及与微处理器的接口(重点)考虑到逐次逼近式ADC具有转换速度快,精度较高,价格适中的优点,-型ADC具有转换精度高,价格低廉的优点,下面将介绍常用转换芯片ADC0809/逐次逼近式ADC-AD574A和-型ADC-CS5360及其与CPU的接口.,98,A/D转换器概述,逐次逼近式典型A/D转换器芯片有:(1)ADC0801ADC0805型8位MOS型A/D转换器(2)ADC0808/0809型8位MOS型A/D转换器(3)ADC0816/0817,99,ADC08322通道AD转换常用芯片,100,2.6.1 典型芯片ADC0809介绍(学生看书 重点讲解 看datasheet),ADC0809芯片介绍8位逐位逼近式8通道的AD转换器.A/D转换器分辨率为1/280.39%模拟电压转换范围是0+5V标准转换时间为100s采用28脚双列直插式封装,101,102,1.引脚(1)IN7IN0:8路模拟量输入端.允许8路模拟量分时输入,共用一个A/D转换器.(2)D7D0:8位数字量输出.D7为最高位,D0为最低位.由于有三态输出锁存,可与主机数据总线直接相连.(3)C、B、A:3位地址线即模拟量通道选择线.ALE为高电平时,地址译码与对应通道选择见表2-2.(4)ALE:地址锁存允许信号(Address Latch Enable),输入,高电平有效.上升沿时锁存3位通道选择信号.(5)START:启动A/D转换信号,输入,高电平有效.上升沿时将转换器内部清零,下降沿时启动A/D转换.(6)EOC(End of Convention):转换结束信号,输出,AD转换完成,EOC变为高电平.(7)OE(Output Enable):输出使能信号,输入,高电平有效.该信号用来打开三态输出缓冲器,将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上.,103,(8)CLOCK:外部时钟脉冲输入端.当脉冲频率为640kHz时,A/D转换时间为100s(9)Vref+,Vref-:参考电压源正、负端.取决于被转换的模拟电压范围,通常Vref+=+5V,Vref-=0V(10)Vcc:工作电源,+5V(11)GND:电源地,表2-2 被选通道和地址的关系CD4051/138,104,2.ADC0809功能分析,CLK:时钟信号,可由单片机ALE信号分频得到.,转换有以下几步:,ALE信号上升沿有效,锁存地址并选中相应通道.Start信号有效,开始转换.A/D转换期间ST为低电平.EOC信号输出高电平,表示转换结束.OE信号有效,允许输出转换结果.,105,转换过程表述如下:首先ALE的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路,使该路模拟量进入到A/D转换器中.同时START的上升沿将转换器内部清零,下降沿起动A/D转换,即在时钟的作用下,逐位逼近过程开始,转换结束信号EOC即变为低电平.当转换结束后,EOC恢复高电平,此时,如果对输出允许OE输入一高电平命令,则可读出数据.,106,ADC0809的内部转换时序,图2-22 ADC0809的转换时序,107,ADC0809和单片机的连接,回顾:ALE以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲,因此可以作为外部时钟或外部定时脉冲使用,108,109,110,通道选择表,1.首先分析各个通道的地址.(IN0到IN7的地址为7FF8H到7FFFH),111,编程:可采用中断、查询、延时(掌握)三种方式.,中断方式 ORG 0000H;主程序入口地址 AJMP MAIN;跳转主程序 ORG OO13H;外部