数据采集技术与输入输出接口智能仪表.ppt

第三章数据采集技术与输入输出接口,主要内容,四、采样保持器及其与微机的连接五、微机控制式A/D转换器 六、A/D转换器与微机的接口,四、采样保持器及其与微机的连接,(1)在A/D转换过程中，必须保持输入信号不变，才能得到正确的转换结果。(2)当要同步采集多个传感器信号时，需一种电 路将各传感器同一时刻的信号保持住，然后 通过共用A/D转换器进行转换并送入内存。(3)这种电路就是采样保持器，又简称S/H(Sample and Hold Amplifier).,四、采样保持器及其与微机的连接,1、采样保持器工作原理,采样保持器由输入放大器A1，模拟开关S，保持电容C和输出放大器A2组成，如下图所示。,四、采样保持器及其与微机的连接,采样期：控制信号使模拟开关S闭合时，输入信号VI经输入放大器与保持电容C相连，输出电压VO可随输入信号VI变化，电容上电压与输入电压相同。保持期：控制信号使模拟开关断开时，电容只与放大器A2高阻输入端相连，这可以保持模拟开关断开前瞬间的输入信号VI的值不变，输出放大器因此也可在相当长时间保持一恒定输出值不变，直至模拟开关再次闭合。,四、采样保持器及其与微机的连接,.断开时间（保持建立时间）由于电路的延时作用，t2与t1之差称为断开时间，它通常很小，在输入信号变化速度不很快的情况下，引起的误差很小。如果芯片的断开时间可知，输入信号变化很快，则可以通过调整保持信号的跳变时间（前移）来校正这一误差。这一调整时间又称孔径时间。,四、采样保持器及其与微机的连接,.捕捉时间 转到采样状态时，电容电压跟随输入信号变化达到规定的采样精度（误差小于一定值例如0.01%）所需的最小时间称为捕捉时间。它与输入放大器的响应时间、电容充放电时间常数及输入信号的变化率、捕捉精度有关。.泄漏电流（下降速率）实际上开关的关断电阻、运算放大器的输入电阻以及电容本身的介质电阻都是有限的，这必将引起电容上电荷的泄漏而使保持电压不断下降。泄漏电流IS可以表示保持电压的下降速率，即.馈送影响（馈通影响）在保持期间内，由于模拟开关的断开电阻不为无穷大，以及开关极间电容的影响，输入信号会耦合到保持电容上引起输出电压的微小变化。,四、采样保持器及其与微机的连接,.瞬变效应对保持电压的影响（保持阶跃）当控制信号产生由采样到保持的跳变时，驱动线路的瞬变电压会通过模拟开关的极间电容和驱动线与保持电容的杂散电容耦合，使电荷转移到保持电容上，从而对保持电压产生影响。其值可按下式计算：,式中，VH 为保持电压的变化；VG为控制信号的跳变电压，通常为+5V；CGD为模拟开关极间电容量；C为保持电容量。,四、采样保持器及其与微机的连接,2、常用采样保持器芯片,(1).LF198、LF298、LF398 LF198/LF298/LF398是单片采样保持器。原理结构如下图所示；管脚2为调零端，管脚1、4为电源端，电源设置范围为5V到18V。,四、采样保持器及其与微机的连接,LF198/LF298/LF398具有采样速度高，保持电压下降速率慢以及精度高等特点。其采样时间小于6s时精度可达0.01%,在保持电容为1F时，下降速率为5mV/min，作单位增益跟随器工作时，直流增益精度为0.002%，其输入阻抗为1010，与高阻抗信号相连也不会影响精度。该采样保持芯片的典型应用如下图所示。逻辑输入为差动信号，差动门限为1.4V，因此可与TTL、PMOS和CMOS电路输出直接相连。,2、常用采样保持器芯片,四、采样保持器及其与微机的连接,(2).AD582/AD583 AD582是单片采样保持器，由结型场效应管结构的输入放大器、低泄漏电阻的模拟开关及高性能输出运算放大器组成。控制逻辑差动输入。AD583是与AD582类似的采样保持芯片。区别在AD583为单逻辑输入。AD582/AD583同样具有捕捉时间短，下降速率慢的特点，而又能差动输入，输入信号电平可达到电源电压VS,2、常用采样保持器芯片,四、采样保持器及其与微机的连接,3、采样保持器与微机的连接,(1).采样保持器的控制逻辑输入端应与微机连接，微机可通过I/O口按计划时序产生一个一位的采样脉冲和保持电平。(2).一个采样保持器的逻辑输入端也可以和并口芯片（例如8255）的一位或锁存器的一个输出端连接，微机通过控制并行口或锁存器达到控制采样保持器的目的，如下图所示。,四、采样保持器及其与微机的连接,4、保持电容器的选择,保持阶跃、捕捉时间和下降速率是选择保持电容容量时应该考虑的三个主要因素。查阅保持器器件手册上的曲线、表格可以得到电容量与三个参数之间的关系，根据实际需要经过综合选择电容量，它一般在1000pF1F之间。保持电容的介质吸收是采样保持电路中的一个重要误差来源，选电容器时应该注意。聚苯乙烯、聚苯烯和聚四氟乙烯都是滞后很小、低介质吸收、绝缘电阻很高的介质，可以优先选用。陶瓷电容的滞后一般大于1%，不能选用。,五、微机控制式A/D转换器,A/D转换器的主要技术指标是分辨率、速度、精度等。这些技术指标越高其价格也越贵。为了降低仪表的成本，可以利用微机的功能，构成微机控制式A/D转换器。,五、微机控制式A/D转换器,1、微机控制间接比较型A/D转换器,意义：间接比较型A/D转换器是指积分型A/D转换器，它通过积分器对被测电压和基准电压分别积分，转而通过时间间接获取被测电压的大小。其最大特点是对工频串模干扰具有很强的抑制能力（整周期积分等于零），容易获得高的分辨率和精度。但廉价的单片式A/D转换器芯片的分辨率仍有限（14位），用微机构成的微机控制积分式A/D转换器能达到20位及以上分辨率。,五、微机控制式A/D转换器,原理：微机控制式双积分A/D转换器的模拟部分和传统的双积分A/D转换器类似，由基准电压源、模拟开关、积分器、比较器和微机接口组成，如下图所示。微机取代纯硬件式逻辑控制器，通过输出锁存器控制模拟开关，通过三态门了解比较器的状态，决定T2期间应接入的基准极性，检测T2的结束时刻。转换器的工作波形和微机控制的程序流程图如下页图所示。(回忆双积分A/D工作原理),五、微机控制式A/D转换器,五、微机控制式A/D转换器,极性判断：在程序中，VX的极性判别在T1将要结束时（可以用定时实现）进行，即在T1时间内了解比较器状态，判断并保存VX的极性信息，同时根据极性接通S+或S-，并断开SX，结束T1进入T2。因此实际程序延时时间T1应减少T1，预留一个读指令时间T1。读得比较器状态后，只需加上04H便可直接输出控制模拟开关的信号，不必使用判别、测位指令，如下表所示。,极性判别及对应开关接通表,转换分辨率：由程序流程图可知，转换结果由程序计数（内部寄存器增量）获取。在一定的正向积分时间（例如T1=100ms）内，计数速度愈高，则转换分辨率愈高。上述的查询与软件计数方式包括读比较器状态、加数、输出开关控制信号和软件计数，需用多条指令，最大计数值可达10000以上。如果改查询方式为中断方式，用T2结束时比较器的翻转来触发一次中断而停止计数，则软件计数只要用两条指令（80C196指令）就可完成；当然还可以用其它方法进行计数。,五、微机控制式A/D转换器,COUNT:INC BX SJMP COUNT,六、A/D转换器与微机的接口,1、A/D转换器的选择,(1)A/D转换器 A/D转换器（Analog to Digital Converter）和D/A转换器（Digital to Analog Converter）分别简称为A/D和D/A。A/D、D/A转换器是智能仪表进行测量和控制所必需的重要环节。A/D转换器将模拟量转换成数字量的函数关系可表示为DVx/VR，这里D是数字量信号，Vx是输入的模拟电压，VR是基准电压。恒等号表示D接近比值Vx/VR,D与比值之差即为量化误差。好的A/D转换器的精度主要取决于量化误差，等于1/2LSB。量化的位数越多，分辨率越高，即LSB所能区分的模拟量的最小变化量越小。,六、A/D转换器与微机的接口,（A/D转换的结果不仅在时间上是离散的，而且在数值上也是离散的，可见A/D转换的精度取决于数值量化的位数和采样速度，而采样速度又主要由A/D转换器的速度所确定。因此选择A/D转换器时，首先应注意选择合适的位数和转换速度，保证其量化位数决定的分辨率高于智能仪表的整机精度要求，有条件时可选位数较多的A/D芯片，保持较高的内部分辨率。）,六、A/D转换器与微机的接口,(2)A/D转换器的选择,选择A/D转换器转换速度指标时，应根据所采集变量信号的性质来决定，信号中所含最高频率成分的频率越高，采样频率就越高，要求所选A/D转换器的转换时间应越短。一般，工业过程的温度、液位变化较慢，压力、流量变化较快，工业加工的机械量变化又快一些，各种系统的电量变化、发动机燃烧、爆破、火器发射等的变量变化速度则更快，这对A/D转换器转换速度的要求就不同。在允许的条件下，选择速度较高的A/D转换器进行数据采集，将有利于进行数据处理。另外要特别注意，选择A/D转换器时应考虑仪表的抗干扰问题，A/D转换工作原理、与微机连接的方式（串行或并行）、输入特性等与抗干扰能力密切相关。,六、A/D转换器与微机的接口,(3)A/D转换器类型,按A/D转换工作原理的不同，A/D转换器可分为积分型、逐次比较逼近型、直接比较型（无反馈）和-型。双积分型A/D是积分型中应用较广泛的一种，主要芯片有MC14433、ICL7135等。优点：分辨率高，抗工频干扰能力强，其积分时间为工频周期的整数倍，可以使工频干扰的积分结果为零；缺点：转换速度较慢，通常每秒只能完成几次转换；但对于采集速度要求不高的工业过程检测，双积分型A/D转换器往往成为设计的首选。直接比较型A/D是迄今为止能获得最高转换速度的A/D转换器，例如8位的并行直接比较型A/D转换器的转换速度可达250MHz，特别适合在发动机燃烧、爆破、火器发射等情况的变量采集时应用。缺点：结果复杂，芯片内元器件多，因而价格较贵。,六、A/D转换器与微机的接口,-型A/D转换器 一种新型的A/D转换器，采用1位编码技术，模拟电路简单，采样速度高，其量化噪音可用数字低通滤波器滤除，可获得很高的转换分辨率（20位）。其模拟低通滤波器也是积分器（），可去除输入信号中的噪声，亦有抗工频干扰能力，因此特别受到智能仪表开发设计人员的青睐。要了解更详细的情况，可参考有关的技术资料。逐次比较逼近型 原理已知，品种多，接口方便，分辨率、速度、价格适中，在选择A/D转换器时必需考虑转换精度（分辨率）、速度和芯片价格等主要因素，获得较高的性能价格比。表3.4中列举了几种A/D转换器的部分指标，供读者参考。根据表3.5可以详细评价和选择A/D转换器芯片。一方面要正确选择A/D、D/A转换器，同时还必须合理设计微机系统与A/D、D/A转换器的连接硬件与程序，而后者往往是成败的关键。,(1)A/D接口技术 一般A/D转换器都有 启动转换输入、转换状态输出、基准（参考）电源输入、时钟输入、数据输出五类功能管脚。,六、A/D转换器与微机的接口,3、A/D转换器与微机的连接,微机与A/D转换器连接时应该有一个逻辑输出控制信号供启动A/D使用，还有一个输入通道接收转换状态信号，并且有数据通道接受A/D转换所产生的数据。设计A/D转换器与微机的接口包括硬件与软件两部分，其软件设计的主要任务为：启动A/D转换，判断（等待）A/D转换结束与否，只有等A/D转换结束后，才能读出数据。,六、A/D转换器与微机的接口,显然A/D接口比D/A接口要复杂一些。应注意：启动方式由芯片决定，一般分脉冲启动和电平启动。前者只要在启动转换输入管脚加一启动脉冲即可，如ADC0809（正脉冲）、ADC0804（负脉冲）、AD574等。用WR信号和地址译码信号即可形成启动脉冲的条件。执行一个I/O写指令即可产生启动脉冲。电平启动的A/D转换器，要求在启动管脚加上并保持一定电平，否则转换停止。因此必须用锁存器或I/O接口保持启动电平。AD570、AD571、AD572均属电平启动式A/D转换器。A/D转换器每次转换结束后，片内转换结束触发器置位，便输出一转换结束标志信号EOC。微机可通过三种方式了解这一标志，即中断、查询、等待。,六、A/D转换器与微机的接口,三种方式要求微机将中断申请通道，或一个I/O通道，或WAIT通道，作为接受这一标志信号的输入通道。如用定时方式则不需要硬件通道接受转换结束标志，根据A/D转换器的转换时间，微机启动A/D转换后直接延时一段时间，即认为A/D转换已经结束，可直接读入数据。大多数A/D转换器经一次启动后只能完成一次转换，需再转换时应再启动。A/D转换器按数据输出结构分为有三态寄存器和无三态寄存器两种。前者的数据输出管脚可直接与微机数据总线连接。有时为了增强I/O接口的功能，对有三态寄存器的A/D转换器也通过并行I/O口再与系统相连。10位以上A/D转换器与8位微机系统的连接还应增加读取控制逻辑信号，以便分几次将数据读入。下面例中将具体说明。,六、A/D转换器与微机的接口,(2).ADC0809与单片机直接连接,如左图所示，ADC0809为8通道8位A/D转换器，内部有三态输出缓冲器，因此可以和89C51单片机数据总线直接相连。,ADC0809作为89C51单片机的一个I/O接口，可以采用线性编址方式，结合通道选择一次确定地址。例如对通道IN1，地址为F7F9H，其高字节表示P2.3为低时选中ADC0809芯片，低字节表示选择8个通道中的IN1通道，这时芯片通道选择信号C、B、A对应地址总线的A2、A1、A0，为001B。,六、A/D转换器与微机的接口,图中采用中断方法进行I/O通道接口控制，即通过中断方式了解A/D转换结束与否，在外部中断服务程序中读取A/D转换结果，并启动下一次转换。根据ADC0809的时序要求，必须先锁存通道地址再启动A/D转换。时序下图所示，上升沿(前沿)锁存通道号在先，下降沿(后沿)启动A/D转换在后。,ADC0809两种封装,六、A/D转换器与微机的接口,初始化和中断服务程序如下：START:SETB IT1 SETB EA SETB EX1 MOV DPTR,#0F7F9H MOVX DPTR,A,PINT1:MOV DPTR,#0F7F9H;读转换结果 MOVX A,DPTR MOV 30H,A;送30H单元;再启动对IN1的转 MOVX DPTR,A RETI;中断返回,六、A/D转换器与微机的接口,(3).MAX187与单片机的光耦式连接,MAX187是一种典型的串行A/D转换器，12位分辨率，3线串行输出的接口方式，单5V工作电源，低功耗（关断电流2A，工作电流1.5mA），内部基准电压，8脚封装。为了提高抗干扰能力，又可以发挥串行A/D转换器连接线少的优势，可通过光耦合形式实现MAX187与单片机的连接，如下图所示。,六、A/D转换器与微机的接口,MAX187的时序如下图所示,其接口程序必须严格按时序要求编写。程序主要包括启动、状态识别和数据读出三部分。启动转换时用片选信号由高到低的变化（下降沿）启动ADC，这时输出端Dout由高阻自动跳变到低电平，整个转换器件必须保持SCLK引脚安静；转换结束后Dout将由低电平跳至高电平，该上升沿可以作为单片机查询识别的依据，也可通过单片机P1.0提出中断申请；转换完成后的任意时间都可用SCLK脉冲将结果寄存器的数据一位位移出，如下图所示，每个SCLK由高至低下降沿移动一位。,六、A/D转换器与微机的接口,(4)ICL7135与单片机的连接,ICL7135也是一种常用的4位半双积分型单片集成ADC芯片。其分辨率相当于14位二进制数；转换精度高，转换误差为1LSB；并且能在单极性参考电压下，对双极性的输入模拟电压进行A/D转换；模拟输入电压范围为01.9999V(十进制显示)。芯片采用了自动校零技术，可保证零点在常温下的长期稳定性；模拟输入可以是差动信号，输入阻抗极高。ICL7135芯片引脚排列如右图所示。,六、A/D转换器与微机的接口,芯片引脚的功能如下：IN+、IN-：模拟电压差分输入端。输入电压应在放大器的共模电压范围内，即从低于正电源0.5V到高于负电源1V。但端输入时，通常IN-与模拟地（ANALOGCOM）连在一起。VREF：基准电压端，其值为，一般取1V。的稳定性对A/D转换精度有很大影响，应当采用高精度稳压电源。INTOUT、AZIN、BUFFOUT：分别为积分器的输出端、自动校零段和缓冲放大器输出端。这三个端子用来外接积分电阻、电容以及校零电容。积分电阻RINT的计算公式为,RINT=满度电压/20uA,积分电容CINT的计算公式为,六、A/D转换器与微机的接口,如果电源电压取5V，电路的模拟地端接0V，则积分器输出摆幅取4V较合适。校零电容可取1F。CREF-，CREF+：外接基准电容端。电容可取1F。CLOCK：时钟输入端。工作在双极性情况下，时钟最高频率为125KHz，这时转换速率为3次/秒左右；如果输入信号为单极性，则时钟频率可增加到1MHz，这时转换速率为25次/秒左右。R/H：启动A/D转换控制端。该端接高电平时，7135连续自动转换，每隔40002个时钟周期完成一次A/D转换；该端接低电平时，转换结束后保持转换结果，若输入一个正脉冲（宽度大于300ns），启动7135开始一次新的A/D转换。BUSY：输出状态信号端。积分器在对信号积分和反向积分过程中，BUSY输出高电平（表示A/D转换正在进行）；积分器反向积分过零后，BUSY输出低电平（表示转换已经结束）。,六、A/D转换器与微机的接口,STROBE：选通脉冲输出端。脉冲宽度是时钟脉冲的1/2，A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD码输出。也可作为中断请求信号，向主机申请中断。POL：极性输出端。当输入信号为正时，POL输出为高电平；输入信号为负时，POL输出为低电平。OVERRANGE：过量程标志输出端。当输入信号超过转换器计算范围（19999）时，该端输出高电平。UNDERRANGE：欠量程标志输出端。当输入信号效益量程的9%（1800）时，该端输出高电平。B8、B4、B2、B1：BCD码数据输出端，其中为最高位，为最低位。D5、D4、D3、D2、D1：BCD码数据的为位驱动信号输出端，分别选通万、千、百、十、个位。,：,六、A/D转换器与微机的接口,为了使7135工作于最佳状态，获得最好的性能，必须注意外接元器件性能的选择。,如左图所示，ICL7135 转换结果输出是动态的，因此必须通过并行接口才能与单片机连接。,六、A/D转换器与微机的接口,下图所示为ICL7135 与单片机89C51的接口电路。图中74LS157位4位2选1的数据多路开关，74LS157的SEL输入为低电平时，1A、2A、3A输入信息在1Y、2Y、3Y输出；SEL为高电平时，1B、2B、3B输入信息在1Y、2Y、3Y输出。因此，当7135的高位选通信输出为高电平时，万位数据和极性、过量程、欠量程标志输入到单片机的P1.0P1.3，当为低电平时，7135的B8、B4、B2、B1输出低位的BCD码，此时BCD码数据线B8、B4、B2、B1输入到单片机的P1.3P1.0。,六、A/D转换器与微机的接口,ICL7135的数据输出选通脉冲线接到单片机的外部中断引脚上，当ICL7135完成一次A/D转换后，产生5个数据选通脉冲，分别将各位的BCD码结果和标志D1D4 输入单片机的P1口，当单片机的外部中断0接受到一个低电平后，便向CPU请求中断，CPU响应中断后，就读取P1口的数据。,由于ICL7135的A/D转换是自动进行的，完成一次A/D转换后，选通脉冲的产生和89C51中断的开发是不同步的。为了保证读出数据的完整性，单片机只对最高位的中断请求作出响应，低位数据的输入则采用查询的方法。下图所示为读取A/D转换结果的程序流程图。,六、A/D转换器与微机的接口,4、A/D、D/A转换的输入、输出形式与基准电压,(1).多数D/A转换器为电流输出型 为了得到电压输出，需要通过电流放大器进行I/V转换（直接通过电阻转换则性能较差），适当改变转换电路，即可实现单极型输出和双极型输出，以满足不同的需要。以DAC0832 D/A转换器为例，用下图所示的电路可实现单极型输出。由数字量转换得到的输出电流IOUT1通过Rfb流向放大器的输出端，从而使输出电压为-IOUT1Rfb，通过改变VR的极性，即可使输出电压在双象限范围变化，或0到正最大，或0到负最大。,六、A/D转换器与微机的接口,将电路改为下图所示形式:(双极型),根据运算放大器的两条基本性质，以及D/A转换器的转换特性，可得下列方程：,解方程得：VOUT=VR(B-128)/128,式中，B为DAC寄存器的二进制数,六、A/D转换器与微机的接口,双极型电压输出对应关系,其结果如下表所示。一种VR的极性可实现两象限的输出，改变VR的极性，可得四象限的输出。,六、A/D转换器与微机的接口,(2).A/D转换器的输入有单边输入（例如ADC0809）和差分输入（例如ADC0804）两种形式 利用差分输入可以增加共模抑制作用，补偿零输入电压。0804的两差分输入端为VIN+和VIN-，如已知某单极性输入模拟信号的变化范围为Vmin到Vmax，则可产生一个等于Vmin的零点补偿电压接于VIN-端，达到零点迁移的目的，如下图所示。利用半值基准电压输入(Vmin Vmax)/2特性，还可以使转换量程减小,即将0(Vmax-Vmin)的模拟量（无论其大小如何）转换为0FFH的数字量，提高转换分辨率。,六、A/D转换器与微机的接口,ADC0809虽是单边输入型A/D转换器，如一次用两个通道，加上一定程序也可实现差动输入，例如IN0、IN1作为通道1的差分输入，先转换IN0的输入，再转换IN1的输入，然后由微机作减法，所得差值为差动输入值。这样的转换时间要增至两倍，本质上不能减小量程。,(3).多数A/D转换器有两个基准电压输入端 管脚标记为VR(+)和VR(-)。根据模拟输入信号的极性不同，这两端子的接法亦不同。当模拟信号为单极性时，VR(-)接模拟地，VR(+)接基准电压源。当模拟信号为双极性时，VR(+)、VR(-)应分别接到基准电源相应的正负极性端上。,六、A/D转换器与微机的接口,基准电源VR的提供方式有两种，一种由外部供给，一般8位逐次比较式和双积分型A/D转换器用此方式。基准电压是转换的量值基准，必须稳定准确，因此外接的基准电源必须在工作电源基础上经过再次稳压，并且产生一定负载能力（如图3.40所示）。D/A转换器的外接基准电源也必须经过这样处理。多数10位、12位的逐次比较式A/D转换器芯片内有稳压电源作为基准电源，不用外接，属另一种方式。使用这类A/D转换器时有时还可以通过量程电阻调整基准电压幅值进行量程调节。,(4).A/D转换器也需要时钟信号 该时钟是整个转换过程的工作节拍，是决定转换速度的依据，如芯片内部没有提供这种信号，则应由外部提供。外部提供的方式有单独振荡器形式和微机时钟分频形式等两种。,谢 谢！,