过程输入输出通道.ppt

范立南 李雪飞 编著机械工业出版社,计算机控制技术第2章 过程输入输出通道,第2章 过程输入输出通道,2.1 信号的采样与恢复2.2 模拟量输入通道2.3 模拟量输出通道2.4 数字量输入输出通道,2.1 信号的采样与恢复,2.1.1 信号的采样过程,1信号类型,在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型。（1）模拟信号 在时间和幅值上均连续取值而不发生突变的信号，一般用十进制数表示。这是控制对象需要的信号。（2）离散模拟信号 在时间上不连续，而在幅值上连续取值的信号。这是在信号变换过程中需要的中间信号。（3）数字（离散）信号 在时间和幅值上均不连续取值的信号，通常用二进制代码形式表示。这是计算机需要的信号。,2.1 信号的采样与恢复,输入和输出计算机的信息转换如图2-1所示。,图2-1 输入和输出计算机的信息转换,2.1 信号的采样与恢复,2采样过程及其数学描述,将模拟信号转换为离散模拟信号的过程称为采样过程。实现这个采样过程的装置称为采样器，又叫采样开关。采样器可以用一个按一定周期闭合的开关来表示，其采样周期为T，每次闭合的持续时间为。连续的输入信号经过采样器S后，变成离散的脉冲序列，如图2-2所示。,2.1 信号的采样与恢复,图2-2 连续信号的采样过程,2.1 信号的采样与恢复,采样器的闭合时间通常远远小于采样周期T，也远远小于被控对象连续部分的所有时间常数。在分析时，可以认为=0。这样，采样器就相当于一个理想采样器，它等效于一个理想的单位脉冲序列发生器，能够产生以T为周期的单位脉冲序列，其数学表达式为,（2-1）,式中，T为采样周期；K为整数。,2.1 信号的采样与恢复,这样，理想采样器的输入信号和采样器的输出信号之间存在下面的关系,（2-2）,等价地，还可以写成,（2-3）,在分析一个系统时，一般都是讨论零状态响应，控制作用也都是零时刻开始施加的，因此采样器的输入信号在时为零。这时，式（2-1）、式（2-2）和式（2-3）中的求和下限应该取零。,2.1 信号的采样与恢复,由于在整个控制过程中，采样周期一般是不变的，所以也可以记为或简记为。由上所述，在理想采样器的作用下，采样过程如图2-3所示。,图2-3 连续信号的理想采样过程,2.1 信号的采样与恢复,2.1.2 采样定理,在计算机控制系统中对连续信号进行采样，是要用抽取的离散信号序列代表相应的连续信号来参与控制运算，所以要求采样到的离散信号序列能够表达相应的连续信号的基本特征。为使离散信号能不失真地恢复为原来的连续信号，对采样角频率有一定的要求，香农（Shannon）采样定理则定量地给出了采样角频率的选择原则。,采样定理：如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为，则对进行周期采样且采样角频率时，连续信号可以由采样信号惟一确定，亦即可以从不失真地恢复。,2.1 信号的采样与恢复,对其采样定理进行解释性说明：,对于信号和分别求出傅里叶变换以便得到频谱函数，设它们的傅里叶变换分别用和表示，则有,（2-4）,（2-5）,2.1 信号的采样与恢复,由于是一个周期为T的周期函数，因此可以展开如下的傅里叶级数形式,（2-6）,式中，为采样角频率；为傅里叶系数，且有,（2-7）,2.1 信号的采样与恢复,将式（2-7）代入式（2-6）得,（2-8）,再把式（2-8）代入式（2-2）得,（2-9）,2.1 信号的采样与恢复,所以，,（2-10）,的傅里叶变换为,2.1 信号的采样与恢复,连续信号的频谱为，它是单一的连续频谱，如图2-4所示。,图2-4 连续信号频谱,2.1 信号的采样与恢复,而由式（2-10）给出的采样信号的频谱则是以采样角频率为周期的无穷多个频谱之和，如图2-5曲线1所示。,k=0时对应的频谱为采样频谱的主频谱，它包含了连续信号x(t)的全部信息，其形状与连续频谱相同，但幅值是后者的1/T。其余频谱是采样频谱的补分量，如图2-5曲线2所示。,设max为连续信号频谱中的最大角频率，则图2-5表示的是 的情况；,如果,，则如图2-6所示，采样频谱中的,补分量相互交叠，使采样器输出信号失真。,2.1 信号的采样与恢复,2.1 信号的采样与恢复,2.1 信号的采样与恢复,由以上分析，可知要想从采样信号 中不失真地恢复连续信号，采样角频率 必须满足,（2-11）,2.1 信号的采样与恢复,在计算机控制系统中，连续信号通常是非周期性的，其频谱中的最高频率可能是无限的，为了避免频率混淆问题，可以在采样前对连续信号进行滤波，滤除其中频率高于 的分量，使其成为具有有限频谱的连续信号。另外，对于实际系统中的非周期的连续信号，其频率幅值随着采样频率的增加会衰减得很小。因此，只要选择足够高的采样频率，频率混淆现象的影响就会很小以至于可以忽略不计，基本不影响控制性能。,2.1 信号的采样与恢复,2.1.3 信息的恢复过程和零阶保持器,为了实现对被控对象的有效控制，必须把离散信号恢复为连续信号。采样定理从理论上给出了从采样信号 恢复为原来连续信号 的条件，可以注意到，信号的恢复需要通过一个理想的低通滤波器滤除 中的高频分量，滤波器的输出就是原来的连续信号。理想的低通滤波器在物理上是很难实现的，因此在工程上通常采用接近理想滤波器特性的零阶保持器来代替。,2.1 信号的采样与恢复,1零阶保持器,零阶保持器的作用是把采样时刻kT的采样值恒定不变地保持（外推）到（k+1）T时刻，也就是说，在 时间区间内，它的输出量一直保持为 这个值，从而使得两个采样点之间不为零值。这样，零阶保持器把离散信号恢复成了一个阶梯波形信号，如图2-7所示。,图2-7采样和保持电路的结构及前后信号对比,2.1 信号的采样与恢复,如果取两个采样点的中点做平滑，平滑后的信号与原来连续信号 相比有1/2个采样周期的滞后，成为，如图2-7所示。因此，无论采样周期T取多么小，经零阶保持器恢复的连续信号都是带有时间滞后的。一般情况下，采样周期T都很小，可以将这种滞后忽略。,2.1 信号的采样与恢复,2零阶保持器的数学模型,零阶保持器的输出信号 的数学描述可以写成,（2-12）,它的拉氏变换为,（2-13）,2.1 信号的采样与恢复,由此可以看出，零阶保持器的传递函数为,（2-14）,零阶保持器的频率特性为,（2-15）,式中 为采样角频率。,2.1 信号的采样与恢复,零阶保持器的频率特性曲线如图2-8所示。,图2-8 零阶保持器的频率特性,2.1 信号的采样与恢复,由图2-8可见，零阶保持器的幅度谱随着频率的增高而逐渐减小，这说明它确实是一个低通滤波器，但并不是一个理想的低通滤波器，高频分量仍能通过一部分。因此，经零阶保持器恢复的连续信号与原来的信号有一些差别。另外，信号通过零阶保持器之后会产生滞后相移，由图2-7的虚线可见，比 平均滞后，采样周期越大，滞后越大，相当于引入一个纯滞后环节，这对闭环系统的稳定性是不利的。,2.1 信号的采样与恢复,3零阶保持器的实现,零阶保持器可以用无源网络来近似实现。如果将零阶保持器传递函数中的 展开成幂级数,取级数的前两项可得,（2-16）,2.1 信号的采样与恢复,式（2-16）可以用图2-9所示的RC无源网络来实现。,图2-9 用RC无源网络近似零阶保持器,2.1 信号的采样与恢复,假如取级数的前3项，则,（2-17）,式（2-17）可以用图2-10所示的RLC无源网络来实现。,图2-10 用RLC无源网络近似零阶保持器,2.2 模拟量输入通道,2.2.1 模拟量输入通道的一般组成,模拟量输入通道的一般组成框图如图2-11所示。,图2-11 模拟量输入通道的组成框图,2.2 模拟量输入通道,1信号调理电路,在计算机控制系统中，模拟量输入信号主要有传感器输出的信号和变送器输出的信号两类。因此，信号调理电路的设计主要是根据传感器输出的信号、变送器输出的信号及A/D转换器的具体情况而有所不同。,2.2 模拟量输入通道,电流信号：一般为010mA（01.5k负载）或420mA（0500负载）。电压信号：一般为05V或15V信号。,传感器输出的信号包括：,电压信号：一般为mV或V信号。电阻信号：单位为，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。电流信号：一般为mA或A信号。,变送器输出的信号包括：,2.2 模拟量输入通道,以上这些信号往往不能直接送入A/D转换器，对于较小的电压信号需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标准电压信号（如05V，15V，010V，-5+5V等），再经滤波后才能送入A/D转换器。而对于电流信号应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。,2.2 模拟量输入通道,I/V变换电路主要有两种形式：无源I/V变换电路和有源I/V变换电路。,（1）无源I/V变换电路,无源I/V变换电路如图2-12所示。,图2-12 无源I/V变换电路,2.2 模拟量输入通道,图中R2为精密电阻，通过此电阻可将电流信号转换为电压信号。当输入电流为010mA时，可取R1=100，R2=500，这样输出的电压就为05V；当输入电流为420mA时，可取R1=100，R2=250，这样输出的电压就为15V。,2.2 模拟量输入通道,（2）有源I/V变换电路,有源I/V变换电路如图2-13所示。,图2-13 有源I/V变换电路,2.2 模拟量输入通道,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。这里R1应该取精密电阻。该放大电路的电压放大倍数为,（2-18）,当输入电流为010mA时，可取R1=200，R3=100k，R4=150k，这样输出的电压就为05V；当输入电流为420mA时，可取R1=200，R3=100k，R4=25k，这样输出的电压就为15V。,2.2 模拟量输入通道,RCV420是美国RURR-BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将420mA输入信号转换为05V输出信号，具有很高的性价比，它包含一个高级运算放大器，一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准，其总转换精度为0.1%，共模抑制比可达86dB，共模输入范围达40V。RCV420的功能框图如图2-14所示。,集成I/V变换电路RCV420:,2.2 模拟量输入通道,图2-14 RCV420的功能框图,2.2 模拟量输入通道,RCV420的引脚排列如图2-15所示。,图2-15 RCV420的引脚排列,2.2 模拟量输入通道,RCV420芯片的各引脚功能如下。,+IN，-IN：正、负信号输入端。CT：输入中心抽头。V+，V-：正、负电源端。Ref Com：基准公共端。NC：空端。Ref Noise Reduction：基准降噪端。Ref Trim：基准调整端。Ref fB：基准反馈端。Ref in，Ref OUT：基准输入、输出端。Rcv Com：接收公共端。Rcv OUT：接收输出端。Rcv fB：接收反馈端。,2.2 模拟量输入通道,对于4mA20mA的输入电流和05V的输出电压，要求电路的的传输阻抗为,（V/mA）,为了得到期望的输出（输入4mA时，输出0V；输入20mA时，输出5V），运算放大器的输出必须有一个偏置电压为,=-（4mA）(0.3125V/mA)=-1.25V,2.2 模拟量输入通道,输入电流信号连接到+IN或-IN端，取决于信号的极性，并通过中间抽头CT返回地。两个精密电阻RS将输入电流信号经差分放大电路放大，转换成一个与之成正比的电压信号。运算放大电路的电压增益为,5V/（16mA）（75）=4.1667,位于放大电路反馈通道中的T型网络节点用于产生所需要的-1.25V偏置电压。,2.2 模拟量输入通道,RCV420电源和信号的基本接法如图2-16所示。,图2-16 RCV420电源和信号的基本接法,2.2 模拟量输入通道,2多路模拟开关,当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或AD转换器上，实现对各个输入通道的分时控制。,目前采用CMOS工艺的多路开关应用最为广泛。尽管模拟开关种类很多，但其功能基本相同，只是在通道数、开关电阻、漏电流、输入电压及方向切换等性能参数有所不同。多路模拟开关主要有4选1、8选1、双4选1、双8选1和16选1等，它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组成及工作原理基本相同。,2.2 模拟量输入通道,常用的单端、双向8路模拟开关CD4051的引脚图如图2-17所示。,图2-17 CD4051的引脚图,2.2 模拟量输入通道,CD4051的真值表见表2-1所示。,2.2 模拟量输入通道,VDD为正电源，VEE为负电源，VSS为地，要求VDD+|VEE|18V。,例如，采用CD4051模拟开关切换05V电压信号时，电源可取为：VDD=+12V，VEE=-5V，VSS=0V。,CD4051可以完成1到8或8选1的数据传输。,在实际应用中，往往由于被测参数多，使用一个多路模拟开关不能满足通道数的要求。为此，可以把多路模拟开关进行扩展。,2.2 模拟量输入通道,两个CD4051扩展成16通道的多路模拟开关，如图2-18所示。,图2-18 用两个CD4051扩展成16通道的多路模拟开关,2.2 模拟量输入通道,16通道的多路模拟开关真值表如表2-2所示：,2.2 模拟量输入通道,3前置放大器,前置放大器的任务是将模拟小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如05V）。它可以分为固定增益放大器和可变增益放大器两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器。,2.2 模拟量输入通道,（1）固定增益放大器,固定增益放大器一般采用差动输入放大器，因其输入阻抗高，因而有着极强的抗共模干扰能力，如图2-19所示。,图2-19 固定增益差动放大器,2.2 模拟量输入通道,图中,（2-19）,（2-20）,（2-21）,所以其增益为,（2-22）,2.2 模拟量输入通道,（2）可变增益放大器,在计算机控制系统中，当多路输入信号的电平相差较悬殊时，采用可变增益放大器，可以使A/D转换器信号满量程达到均一化，以提高多路数据采集的精度。,常用的可变增益放大器有AD526、AD625、PGA100、PGA102、PGA202/PGA203、LH0084等。,下面介绍PGA202/PGA203程控仪表放大器。,2.2 模拟量输入通道,PGA202/PGA203是BURR-BROWN公司生产的程控仪表放大器，PGA202的增益倍数为1，10，100，1000；PGA203的增益倍数为1，2，4，8。当增益G1000时，增益误差为0.050.15；当增益G=1000时，增益误差为0.080.1。电源供电范围为6V18V。共模抑制比为8094dB。,2.2 模拟量输入通道,PGA202/203的内部结构如图2-20所示。,图2-20 PGA202/203的内部结构,2.2 模拟量输入通道,PGA202/203的引脚排列如图2-21所示。,图2-21 PGA202/203的引脚排列,2.2 模拟量输入通道,各引脚功能如下：,A1、A0：增益数字选择输入端。+VCC、-VCC：正、负供电电源端。VREF：参考电压端。Filter A、Filter B：输出滤波端。VOS Adjust：偏置电压调整端。+VIN、-VIN：正、负信号输入端。Digital Com：数字公共端。VOUT Sense：信号检测端。VOUT：信号输出端。,2.2 模拟量输入通道,PGA202/203的增益选择及增益误差见表2-3所示。把PGA202与PGA203级联使用可组成从18000倍的16种程控增益。,表2-3 PGA202/203的增益选择及误差,2.2 模拟量输入通道,如果需要另外的放大倍数，可以通过外接缓冲器及衰减电阻来获得，其接线如图2-22所示，增益见表2-4所示。改变R1与R2的阻值比例，可获得不同的增益。,图2-22 外接缓冲器及衰减电阻获得不同的增益,2.2 模拟量输入通道,表2-4 电阻、与增益的关系,2.2 模拟量输入通道,PGA202/203的电源和信号的基本接法如图2-23所示。,图2-23 PGA202/203的电源和信号的基本接法,2.2 模拟量输入通道,4采样/保持器,A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样/保持器S/H（Sample Hold）。如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，不必再选用采样/保持器。,2.2 模拟量输入通道,（1）采样/保持器的工作原理,S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成，如图2-24所示。,图2-24 采样/保持器的原理图,2.2 模拟量输入通道,采样/保持器有采样和保持两种工作状态。当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过电阻R向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，由于电容C此时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。在采样期间，不启动A/D转换器，一旦进入保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换的模拟输入电压恒定，提高了A/D转换的精度。,2.2 模拟量输入通道,（2）常用的采样/保持器,常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，介绍集成电路S/H的工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。,LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10s，输入阻抗为，保持电容为1F时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源范围宽，可以从5V到18V，并可与TTL、PMOS和CMOS兼容。,2.2 模拟量输入通道,LF398的组成原理图如图2-25所示。,图2-25 LF398的组成原理图,2.2 模拟量输入通道,引脚排列如图2-26所示。,图2-26 LF398的引脚排列图,2.2 模拟量输入通道,各引脚功能如下：,V+、V-：正负电源电压输入引脚，输入范围为5V到18V。OFFSET ADJ：偏置调整引脚。可用外接电阻调整采样-保持器的偏差。VIN：输入引脚。VOUT：输出引脚。CH：保持电容引脚。用来外接保持电容。LOGIC REF：参考逻辑电平。LOGIC：输入控制逻辑。,2.2 模拟量输入通道,由图2-25可见，LF398由输入缓冲级（A1）、输出驱动级（A3）和控制电路（A2和S）组成。运算放大器A1和A3均接成电压跟随器形式。当输入控制逻辑电平高于参考逻辑电平时，A2输出一个低电平信号，驱动开关S闭合，此时输入信号经A1后进入A3，A3的输出跟随输入电压变化，同时向保持电容充电；而当输入控制逻辑电平低于参考逻辑电平时，A2输出一个高电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此，A1和A3的作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持器的性能。,2.2 模拟量输入通道,LF398典型的电源和信号的接法如图2-27所示。,图2-27 LF398典型的电源和信号的接法,2.2 模拟量输入通道,只要改变输入控制逻辑电平，即可控制采样/保持器的工作状态。当输入控制逻辑为高电平时，为采样状态，此时输出随着输入变化；当输入控制逻辑为低电平时，为保持状态，此时，输出保持不变。保持电容CH可选用漏电流较小的聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容。CH的数值直接影响采样时间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电容CH的容量，但CH增大时又会使其采样时间加长。因此，当精度要求不高（1%）而速度要求较高时，CH可小至100Pf。当精度要求高（0.01%）时，应取CH=1000pF。当CH 400pF时，采样时间tAC与CH有经验公式,tAC=CH/40,（2-23）,式中，CH为保持电容的容量，单位为F；tAC为采样时间，单位为s。,2.2 模拟量输入通道,2.2.2 A/D转换器接口逻辑设计要点,A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，是模拟量输入通道必不可少的器件。常用的AD转换器从转换原理上可分为逐次逼近型、计数比较型和双积分型。从分辨率上可分为8位、12位、16位等；无论哪一种A/D转换器将其与计算机接口连接时，都会遇到许多实际问题，比如：数字量输出信号的连接，A/D转换器的启动方式，转换结束信号的处理方式，时钟信号的连接。,下面以A/D转换器与8位单片微型计算机的接口逻辑为例说明设计要点。,2.2 模拟量输入通道,1数字量输出信号的连接,A/D转换器数字量输出引脚和8位单片微型计算机的连接方法与其内部结构有关。如果转换器的数据输出寄存器具有三态锁存功能，则AD转换器的数字量输出引脚可直接接到CPU的数据总线上，转换结束，CPU可以直接读入数据。对于10位以上的AD转换器，输出数据寄存器增加了读数控制逻辑电路，把10位以上的数据分时读出。对于内部不包含读数据控制逻辑电路的AD转换器，应增设三态门对转换后数据进行锁存，以便控制10位以上的数据分两次进行读取。,2.2 模拟量输入通道,2A/D转换器的启动方式,任何一个AD转换器都必须在外部启动信号的作用下才能开始工作，启动方式分脉冲启动和电平控制启动两种。,脉冲启动转换只需给AD转换器的启动控制转换的输入引脚上，加一个符合要求的脉冲信号即可，如ADC0809、ADC80、ADC1210等均属此列。电平控制转换的AD转换器，当把符合要求的电平加到控制转换输入引脚上时，立即开始转换，而且此电平应保持在转换的全过程中，否则将会中止转换的进行。因此，该电平一般需由D触发器锁存供给，例如，AD570、AD571、AD574等均是如此。,2.2 模拟量输入通道,3转换结束信号的处理方式,当AD转换结束时，AD转换器芯片内部的转换结束触发器置位，并输出转换结束标志电平，以通知主机读取转换结果的数字量。主机判断AD转换结束的方法有3种：即中断、查询和延时方式。这3种方式的选择往往取决于AD转换器的速度和应用系统总体设计要求以及程序的安排。,2.2 模拟量输入通道,4时钟信号的连接,AD转换器的频率是决定其转换速度的基准。整个AD转换过程都是在时钟作用下完成的。AD转换时钟的提供方法有两种:一种是由芯片内部提供，如AD574A；另一种是由外部时钟提供。外部时钟少数由单独的振荡器提供，更多的则是由CPU经时钟分频后，送至A/D转换器的时钟端。,2.2 模拟量输入通道,2.2.3 典型AD转换器与微机的接口设计,18位A/D转换器与微机的接口设计,（1）8位A/D转换器,8通道A/D转换器ADC0808/ADC0809。,NATIONAL公司生产的ADC0808/0809是8位逐次逼近型A/D转换器，其分辨率是8位，两种芯片的外特性完全一样，采用28引脚双列直插式封装，不必进行零点和满度调整，功耗为15mW。但两者的转换精度不同，ADC0808的最大不可调误差小于1/2LSB，ADC0809的最大不可调误差小于1LSB。,2.2 模拟量输入通道,ADC0808/0809的内部结构如图2-28所示。,图2-28 ADC0808/0809内部结构框图,2.2 模拟量输入通道,ADC0808/0809的芯片引脚如图2-29所示。,图2-29 ADC0808/0809引脚图,2.2 模拟量输入通道,引脚功能介绍如下。,IN0 IN7：8路模拟量输入端口，电压范围为05V。2-12-8：8位数字量输出端口。ADDA、ADDB、ADDC：8路模拟开关的三位地址输入端，以选择对应的输入通道。ADDC为高位，ADDA为低位。ALE：地址锁存允许信号输入端。高电平时，转换通道地址送入锁存器中，下降沿时将三位地址线A、B、C锁存到地址锁存器中。START：启动控制输入端口，它与ALE可以连接在一起，当通过软件输入一个正脉冲，便立即启动模/数转换。,2.2 模拟量输入通道,EOC：转换结束信号输出端。EOC=0，说明A/D正在转换中；EOC=1，说明A/D转换结束，同时把转换结果锁在输出锁存器中。OE：输出允许控制端，高电平有效。在此端提供给一个有效信号则打开三态输出锁存缓冲器，把转换后的结果送至外部数据线。VREF（+）、VREF（-）、Vcc、GND：VREF（+）和VREF（-）为参考电压输入端，Vcc为主电源输入端，单一的+5V供电，GND为接地端。一般VREF（+）与Vcc连接在一起，VREF（-）与GND连接在一起。CLK：时钟输入端。由于ADC0808/0809芯片内无时钟，所以必须靠外部提供时钟，外部时钟的频率范围为10K1280KHz。,2.2 模拟量输入通道,图2-30所示为ADC0808/0809的时序图。,图2-30 ADC0808/0809时序图,2.2 模拟量输入通道,16通道A/D转换器ADC0816/0817。,ADC0816/0817是National Semiconductor公司生产的16路8位A/D转换器，与ADC0808/0809相比，除模拟量输入通道数增加至16路、封装为40引脚外，其原理、性能结构基本相同。ADC0816和ADC0817的主要区别是：ADC0816的最大不可调误差为1/2LSB，精度高、价格也高；ADC0817的最大不可调误差为1LSB，价格低。,2.2 模拟量输入通道,图2-31所示为ADC0816/0817的内部结构框图。,图2-31 ADC0816/0817内部结构框图,2.2 模拟量输入通道,图2-32所示为ADC0816/0817的引脚图。,图2-32 ADC0816/0817的引脚图,2.2 模拟量输入通道,ADC0816/0817的引脚功能如下。,IN0IN15：16路模拟量输入端，模拟量范围为0V+5V。ADDA、ADDB、ADDC、ADDD：通道选择输入端。ADDD为高位，ADDA为低位。MULTIPLEXER OUT：多路开关输出端。COMPARATOR IN：比较器输入端，若与MULTIPLEXER OUT相连，且扩展控制输入端为高电平，则不允许通路扩展。EXPANSION CONTROL：通路扩展控制输入端，当其为低电平时，对IN0IN15的通路断开而对接在比较器输入端上的扩展通路输入的模拟量进行转换。OUTPUT ENABLE：输出选通端。其他引脚可参见ADC0808/0809相应引脚的说明。,2.2 模拟量输入通道,ADC0816/0817的工作时序图如图2-33所示。,图2-33 ADC0816/0817的工作时序图,2.2 模拟量输入通道,带仪器放大器的A/D转换器AD670。,AD670是一个完整的8位逐次逼近型A/D转换器。经过传感器检测过来的信号，不必先经变送器将信号变成05V的统一电信号，而是可以直接输入AD670进行A/D转换。它由集成在片内的仪器放大器、D/A转换器、比较器、逐次逼近型寄存器（SAR）、精密电压基准和一个三态输出缓冲器组成，,2.2 模拟量输入通道,AD670电路原理图如图2-34所示。,图2-34 AD670电路原理图,2.2 模拟量输入通道,由图2-34可以看到，AD670的前置输入端增设一个仪器放大器。放大器的两个输入端配有输入定标电阻，以适应器件的输入范围的变化：0255mV或02.55V。在上述输入范围内，信号可以单极性输入，也可以双极性输入。输入端的仪器放大器来采用差分电路，这样可以提高模拟量输入电路的抗干扰能力及共模抑制比。由于它所有的元件都被集成在芯片的内部，且出厂时已经校准，用户可以直接采用。但为了使其能在应用中获得更大的灵活性，对一些选件和连接方式应加以考虑。,2.2 模拟量输入通道,AD670的引脚排列如图2-35所示。,图2-35 AD670的引脚排列图,2.2 模拟量输入通道,各引脚的功能如下。,DB0DB7：带锁存器的8位数字量输出端。可以与任何微机的数据总线相连接。STATUS：忙信号输出端。该信号作为A/D转换器的结束标志信号。当STATUS=1时，表示正在转换，当STATUS=0时，表示A/D转换已经完成。VCC：A/D转换的电源，一般接+5V。GND：芯片地线。+VIN（LO）、+VIN（HI）、-VIN（LO）、-VIN（HI）：仪器放大器的差动信号输入端。：片选信号，低电平有效。：芯片使能信号，不论芯片处于读周期还是写周期，该信号均为低电平有效。,2.2 模拟量输入通道,：读/写信号，它与和共同作用完成启动A/D转换或读出A/D转换结果的控制，具体读/写控制的真值表如表2-4所示。,2.2 模拟量输入通道,：单极性和双极性信号方式选择输入端，单极性输入时该引脚应接地；双极性输入时，该引脚应接高电平，一般接+Vcc。FORMAT：输出数据格式控制引脚，它与 共同作用，可以实现4种数据输入/输出形式，具体真值表如表2-5所示。,2.2 模拟量输入通道,AD670的典型单极性输入电路连接如图2-36所示，,图2-36 单极性输入连接,图（a）是输入较大的信号，存在较大的偏置电流，所以将16引脚和18引脚接地。,2.2 模拟量输入通道,典型双极性输入电路连接如图2-37所示。,图2-37 双极性输入连接,图（a）是输入较大的信号，存在较大的偏置电流，所以将16引脚和18引脚接地。,2.2 模拟量输入通道,（2）8位A/D转换器的程序设计,A/D转换器与单片机的硬件接口有3种方式：查询方式、延时方式和中断方式。,查询方式：首先由CPU向A/D转换器发出启动脉冲，然后读取转换结束信号（如ADC0809的EOC），根据转换结束信号的状态，判断A/D转换是否结束，如果结束，可以读取A/D转换结果，否则继续查询，直至A/D转换结束。,这种方法程序设计比较简单，且可靠性高，但实时性差。但由于大多数控制系统对于这点时间都是允许的，所以，这种方法用得最多。,采用查询方式时，转换结束引脚通常连接到数据线或I/O口线上。,2.2 模拟量输入通道,延时方式：向A/D发出启动脉冲后，先进行软件延时，此延时时间取决于A/D转换器完成A/D转换所需要的时间（如ADC0809约为100s），经过延时后可读取数据。,在这种方式中，为了确保转换完成，必须把时间适当延长，因此，其速度比查询方式还慢，故应用较少。,采用延时方式时，转换结束引脚悬空。,2.2 模拟量输入通道,中断方式：CPU启动A/D转换后即可转而处理其他的程序，一旦A/D转换结束，则由A/D转换器发出一转换结束信号向CPU申请中断，CPU响应中断后，便读入数据。,在中断方式中，CPU与A/D转换器是并行工作的，因此，其工作效率高。在多回路数据采集系统中一般采用中断方式。,采用中断方式时，转换结束信号通常与计算机的外部中断引脚连接（如80C51的 或）。,2.2 模拟量输入通道,下面结合实际例子介绍最常用的两种接口方式，即查询方式和中断方式。,ADC0808/ADC0809与80C51单片机的接口程序设计。,图2-38所示为ADC0808/ADC0809与80C51单片机的硬件接口的查询方式连接图。,2.2 模拟量输入通道,图2-38 ADC0808/0809查询方式硬件接口,2.2 模拟量输入通道,图2-38中，ADC0808/0809的时钟是利用80C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得。如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE引脚的输出频率为1MHz，再二分频后为500kHz，符合ADC0808/0809对时钟频率的要求。由于ADC0808/0809具有输出三态锁存器，故其8位数据输出引脚直接与数据总线相连。地址选通输入端A、B、C分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相连，以选通IN0IN7中的一个通道。将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动。,2.2 模拟量输入通道,由于ALE和START连在一起，因此ADC0808/0809在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.7引脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。由图2-38可知，P2.7与ADC0808/0809的ALE、START和OE之间有如下关系：,ALE=START=,OE=,2.2 模拟量输入通道,下面的程序是采用查询方式，将ADC0809的IN4通道模拟量进行5次转换，转换结果存入单片机内部RAM40H为首地址的存储单元中的程序清单。,AD:MOV R0,#40H；存储单元首地址 MOV R1,#05H；转换次数 MOV P1,#0FFH；P1口写1（准输入口）AD0:MOV DPTR,#7FFFH；送ADC0809口地址 MOV A,#04H；对IN4通道电信号进行转换 MOVX DPTR,AAD1:MOV A,P1；检测P1.4的状态，若P1.4=0，开 始转换ANL A,#10HJNZ AD1,2.2 模拟量输入通道,AD2:MOV A,P1；检测P1.4的状态，若P1.4=1，转换结束ANL A,#10HJZ AD2MOV DPTR,#7FFFH；读A/D转换结果 MOVX A,DPTRMOV R0,AINC R0 DJNZ R1,AD0 RET,2.2 模拟量输入通道,ADC0808/ADC0809与80C51单片机的硬件接口采用中断方式的连接图如图2-39所示。,图2-39 ADC0808/0809中断方式硬件接口,2.2 模拟量输入通道,在图2-39中，如果设单片机的外部中断0为下降沿触发，则EOC需要经过反相器后连接。图中采用P2.5和写信号启动A/D转换器，因而其端口地址为DFFFH。在单片机的振荡频率不太高的情况下，若ALE引脚的输出频率范围满足ADC0808/0809的要求，可以直接作为ADC0808/0809的时钟输入。,2.2 模拟量输入通道,下面程序是采用中断方式，对IN1通道进行转换后，读取转换后的数字量的程序段。,INTADC:SETBIT0；选择为边沿触发方式SETBEA；开中断SETBEX0；MOV DPTR,#0DFFFH；端口地址送DPTRMOV A,#01H；选择1通道输入MOVXDPTR,A；启动转换ADINT0:MOVDPTR,#0DFFFH；端口地址送DPTRMOVXA,DPTR；读取转换结果存入50HMOV50H,AMOV A,#01H；启动A/D转换MOVXDPTR,A；RETI；返回,2.2 模拟量输入通道,ADC0816/0817与80C51单片机的接口程序设计。,图2-40是80C51单片机与ADC0816/0817的一种典型的接口逻辑。,图2-40 ADC0816/0817与80C51单片机的硬件接口,2.2 模拟量输入通道,图2-40可以用在一个16路的数据循环采集系统中。如果要求对16路模拟输入量依次采样256个点，存放在外部存储单元的B000HBFFFH单元中。B000HB0FFH为IN0通道的采样数据缓冲区，B100HB1FFH为通道IN1采样数据缓冲区，依次类推。按图2-40，输入通道地址依IN0IN15顺序为BFF0HBFFFH。程序清单如下：,START:MOVR0,#00H；建立RAM缓冲区地址指针 MOVR2,#0B0H MOVR3,#0FFH；置采样次数计数器初值MOV R4,#00HMOVR6,#10H；设通道计数器初值MOVP1,#0FFH；P1口为准输入口MOVDPTR,#0BFF0H；通道地址寄存器设初值,2.2 模拟量输入通道,AGAIN:MOVXDPTR,A；启动A/D转换LOOP0:JBP1.5,LOOP0LOOP1:JNB P1.5,LOOP1；等待A/D转换MOVXA,DPTR；读A/D转换结果MOVXR0,A；存入RAM单元INCD