智能仪器第5章模拟量信号的输入输出.ppt

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1、第四章内容的复习,开关和开关量信号的特点、区别？开关是一种有二个可选择的、有固定位置的装置，主要用于向单片机输入电平信号。开关量信号就是通过拨动开关的位置，使单片机得到的一个固定不变的电平信号（0或1）。2.电子开关的缺点是什么？如何解决该缺点？由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是电压、电流和开关的触点，这些信号经常会产生瞬时高压、过电流或接触抖动等现象。因此为使信号安全可靠，在输入到单片机之前必须接入信号输入电气接口电路，对外部的输入信号进行滤波、电平转换和隔离保护等.3.开关量输入通道的基本组成？每个组成的作用？第四章PPT,读取扳键开关状态的程序采用的编程方法？了解扳键开关、BCD拨

2、盘开关与单片机的接口 电路和工作原理？开关量输出通道的基本组成？第四章PPT小功率直流负载的基本类型有哪些？其输出电流范围？采用什么驱动电路？如何驱动小功率交流 负载？,第五章 模拟信号的输入/输出,第五章 模拟信号的输入/输出,本章重点:1.A/D,D/A转换器选择2.模拟I/O通道的设计,第五章 模拟信号的输入/输出,一般的智能仪器仪表,测得的大多是连续变化的物理量,如话音、温度、压力、流量等,通常要将测量到的这些参数转换为数字量，送给微处理器或者单片机进行处理，处理的结果又要转换为模拟量信号去控制现场，因此A/D、D/A变换是生产过程自动控制和智能仪器仪表不可缺少的部分。,A/D转换器是

3、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，但在实际应用中是把模拟电压转换成二进制数字量。要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，通常要经过 4 个步骤：采样、保持、量化和编码。一般前两步由采样保持电路完成，量化和编码由AD转换器来完成。,第五章 模拟信号的输入/输出,5.1 模拟信号的输入,常用A/D转换器的种类 目前最常用的AD转换器是双积分式A/D转换器（略讲）和并行比较式转换器。双积分式A/D转换器主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜。其缺点是转换速度较慢，因此，这种转换器主要用于速度要求不高的场合。,它由积分器(由集成运放A组成)、过零比较器(C

4、)、时钟脉冲控制门（G）和计数器（FF0FFn）等几部分组成。双积分式AD的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力。,并行比较式A/D转换器由电阻分压器、寄存器及编码器组成。根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器的输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。转换过程简单,转换速度快,但是随着位数的增加所需硬件将迅速增加，当n4时，并行AD变得比

5、较复杂，因此并行A/D适用于速度要求很高，而输出位数较少的场合。,第五章 模拟信号的输入/输出,A/D转换器是模拟信号数字化的核心器件,它的主要性能指标有:1.分辨率 2.精度 3.转换时间 4.量程,5.1.1 A/D转换器的选择,第五章 模拟信号的输入/输出,分辨率是指A/D转换器能分辨的最小模拟输入电压值，常用可转换成的数字量的位数来表示(例如，8位、10位、12位、16位等)。分辨率 其中，n是可转换成的数字量的位数。所以位数越高，分辨率也越高。例如，当输入满量程电压为5V时，对于8位A/D转换器，A/D转换的分辨率为5V/2550.0195 V。,第五章 模拟信号的输入/输出,精度指

6、标分为绝对精度和相对精度指标.绝对精度是指A/D输出端产生一给定数字量时，输入端的实际模拟量输入值与理论值之差,绝对精度是个范围,而不是一数值。相对精度是绝对精度的最大值与满量程值之比，一般用百分数来表示。,转换时间是指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。转换时间反映了A/D转换的速度。转换时间是启动ADC开始转换到完成一次转换所需要的时间。目前常用的A/D转换集成电路芯片的转换时间在微秒数量级。量程是指能进行转换的输入电压的最大范围。,第五章 模拟信号的输入/输出,第五章 模拟信号的输入/输出,1.根据精度要求选择A/D转换器件 若给定一智能仪器的设计任务,那么就会要求检

7、测的精度指标,从而换算出A/D的转换精度。当仪器的非线性误差控制在1位以下时，可以用分辨率指标来考核转换精度指标，即可用A/D转换器件的位数来选择转换器。实际设计中，还要结合经济性来考虑。讨论教材P49的倒数第三段。,第五章 模拟信号的输入/输出,2.根据采样频率选择A/D转换器件 每一信号都有其频率特性，为使获取的信号真实，在选择A/D时，也必须考虑符合奈奎斯特采样定理（Fs=2*fmax,一般取2.56-4倍，采样频率至少大于信号上限频率的2倍)。A/D转换器根据采样频率的不同可分为:低速A/D转换器;中速A/D转换器;高速A/D转换器。,第五章 模拟信号的输入/输出,低速A/D转换器：适

8、用场合：Fs=10HZ检测对象：变化缓慢的物理量（温度/湿度/液位）A/D转换器类型：双积分型优势：很强的抗工频干扰能力，转换精度高，便宜应用：在数字电压表中应用广泛,第五章 模拟信号的输入/输出,中速A/D转换器：适用场合：Fs=100HZ检测对象：变化较快的物理量（运动状态参数）A/D转换器类型：逐次逼近型优势：转换速度较块，精度较高应用：绝大多数的应用系统，很常用 A/D0808的采样频率是8位的。,第五章 模拟信号的输入/输出,高速A/D转换器：适用场合：Fs=1MHZ检测对象：变化极快的物理量（视频信号）A/D转换器类型：并行比较型优势：转换速度较块，精度较高应用：多媒体信息采集与处

9、理系统,第五章 模拟信号的输入/输出,3其他选择考虑片内A/D：精度要求不大于12位,可选片内集成A/D转换部件单片机,使结构紧凑。封装：常用DIP封装（双列直插式），发展趋势为表贴型SO封装,第五章 模拟信号的输入/输出,5.1.2 模拟输入通道设计,模拟量输入通道可完成模拟量信号的采集并将它转换成数字量送入单片机的任务。依据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。但其基本结构都有信号调理电路、采样保持电路和D/A转换电路组成。,第五章 模拟信号的输入/输出,1.信号调理电路设计 信号调理电路包括硬件滤波电路、放大器、增益校准电路、零点校准电路、线性校准电路和温度补偿电

10、路等。智能仪器可以通过微处理器软件来进行自动校准和自动补偿，因此设计信号调理电路可省去线性校准电路和温度补偿电路，对增益校准电路和零点校准电路的要求也可以降低一些，甚至可以不必采用非常昂贵的高档运算放大器。,第五章 模拟信号的输入/输出,(1)硬件滤波电路设计：滤波电路作用：滤除传感器器件传来的混在信号中的干扰成分。（可以省略设计不？）设计步骤：首先：设计前分析有用信号的频谱和干扰信号的频谱，只有当两者的频谱明显分开时，硬件滤波电路才能发挥作用。,第五章 模拟信号的输入/输出,其次：根据信号和干扰的频谱特性，选择低通滤波器、高通滤波器。为了降低成本，低通滤波器可用多节RC电路组成。此时前置放大

11、器的输入阻抗应够高，以避免RC滤波环节对有用信号的衰减。最后：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，就需要采用调制解调技术（把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号）将有用信号的频谱进行搬移，从而分离有用信号和干扰信号的频谱。调制解调器就是我们常说的猫（modem）。,第五章 模拟信号的输入/输出,(2)放大器设计：放大器作用：将信号放大到AD转换器需要的幅度。,图5-1 仪表放大器INA114原理图,外部电阻RS可调，实现放大倍数设置。偏值电压：实现放大器的窗口（P51第二段）作用（Uo=KUi-Us）；Uo输出电压，Ui输入电压，Us偏置电压。,第五章 模拟信号的输入/输出,(

12、3)校准电路设计：校准电路作用：使信号调理电路的参数满足要求。图51中，外部可调电阻Rg电路就是增益校准电路，作用是通过仔细调节可调电阻Rg，使放大器的放大倍数等于设定值（P52第一段）。,第五章 模拟信号的输入/输出,2.采样保持电路设计 所谓采样，就是将一个时间上连续变化的模拟量转化为时间上离散变化的模拟量。模拟信号的采样过程如图5-2a所示。其中uI(t)为输入模拟信号，uO(t)为输出模拟信号。采样过程的实质就是将连续变化的模拟信号变成一串等距不等幅的脉冲。采样的宽度往往是很窄的，为了使后续电路能很好的对这个采样结果进行处理，通常需要将采样结果存储起来，直到下次采样，这个过程称作保持,

13、如图5-2b。采样器和保持电路一起总称为采样保持电路。,图 5-2a 信号的采样过程,图 5-2b 采样保持电路及波形,第五章 模拟信号的输入/输出,3.A/D转换电路设计 AD转换电路包括AD转换芯片、基准电源电路和控制电路。例1：P87LPC767单片机中的8位转换部件的功能;例2:TI的12位A/D转换芯片TLC2543。,第五章 模拟信号的输入/输出,第五章 模拟信号的输入/输出,图53a P87LPC767芯片的连接方法,内部带有一个四通道的位转换器。四个口可选择为转换的输入。其转换的电源和参考电压与共用和。转换器包括一个模拟多路开关选择器和一个位逐次逼近。,该转换器可由特殊功能寄存

14、器控制，并可通过置位位来使能，同时可通过置位位来启动转换。转换完成时，将结果放入中。,第五章 模拟信号的输入/输出,AIN0一AINl0为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DouT为AD转换结果的三态串行输出端；Eoc为车结束端；CLK为IO时钟；REF+为正基准电压端；REF一为负基准电压端；Vc为电源；G为地。工作时首先将片选端CS置低电平，然后用软件产生时钟脉冲并加到CLK在时钟脉冲作用下，TLC2543一方面从DOUT端口输出上次转换的结果，同时从DIN端C入下一次的操作指令(1字节)。,图53b TLC2543芯片与单片机的连接图,第五章 模拟信号的输入/输出,3.1

15、.3 其他A/D转换模式介绍 1.VFC式A/D转换 VFC(电压/频率转换器)根据电荷平衡的原理，将输入的模拟电压转换成与之成正比的频率信号输出。把该频率信号送入计数器定时计数，就可以得到与输入模拟电压成正比的二进制数字量。因此，VFC可以作为A/D转换器的前置电路，实现模拟到数字量的转换。,第五章 模拟信号的输入/输出,VFC式A/D转换器由于频率信号的测量比较耗时，故采样频率比较低，检测对象只能是慢变信号，如温度、湿度等。但频率信号便于远距离传输和隔离，故适用于多路慢变信号的远距离巡回检测。,第五章 模拟信号的输入/输出,2.廉价的比较器式A/D转换器 此种比较器的输出电平只有高电平Vc

16、c和地电平两种情况,当输入信号电压在0和Vcc之间时，比较器的输出是不停跳变的方波,该方波经过平滑滤波之后形成的电压包含直流分量和残留的交流分量，其直流分量与输入电压相等，而残留的交流分量使比较器维持输出方波。因此方波的直流分量占空比就是高电平维持时间的比例，即可通过对直流分量的时间测量来得出输入信号的电压.,第五章 模拟信号的输入/输出,该方法的硬件成本非常低，很适合精度要求不很高的慢变信号检测。理论上，只要延长检测时间，就可以提高检测精度，实际上受高电平Vcc精度的影响，这种廉价的比较器式A/D转换器只能做到1的检测精度。,第五章 模拟信号的输入/输出,3.-型A/D转换器-型A/D转换器

17、即过采样型转换器，其内集成了精密比较器、积分器、精密基准电压源、电子开关和脉冲源等功能部件。在精密基准电压源的配合下，通过增加对检测信号的采样次数来提高检测精度，通过提高采样频率来缩短检测时间。目前转换精度达到14位以上的A/D转换芯片都是此种类型。-型A/D转换芯片转换精度高，可达1824位，转换时间为1001 000ps，达到中速AD转换水平，是高精度智能仪器和检测设备中A/D转换器的最好选择。,第五章 模拟信号的输入/输出,5.2 模拟信号的输出,D/A转换器的基本原理 D/A转换器就是一种将离散的数字量转换为连续变化的模拟量的电路。数字量是用代码表示的，每位代码都有一定的权。为了将数字

18、量转换为模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表每位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比。,第五章 模拟信号的输入/输出,D/A转换器的基本组成,D/A转换器主要由逻辑电路、电子开关、产生权电流或权电压的电阻网络、基准电压以及电压或电流放大器等部分组成.,第五章 模拟信号的输入/输出,5.2.1 D/A转换器的选择,D/A转换器的技术性能指标很多，例如绝对精度、相对精度、线性度、输出电压范围、温度系数、输入数字代码种类（二进制或BCD码）等。由于DA转换的速度通常都能满足要求，故DA转换器件的选择标准主要是精度标准。设计时，通常要将DA的精度要求比系统控制精

19、度要求提高12位。,第五章 模拟信号的输入/输出,第五章 模拟信号的输入/输出,5.2.2 模拟输出通道设计,传统的模拟输出通道设计包括DA器件的接口电路设计、电流电压转换电路设计、输出驱动电路设计。如今,DA芯片基本上将电流电压转换电路集成到芯片内部，直接输出转换后的电压信号，使得电路设计更加简单。当DA转换的精度要求不是很高时，可选择带DA功能部件的单片机；当DA转换的精度要求比较高或需要多路DA时，通常需要选择专用DA芯片。,第五章 模拟信号的输入/输出,(1)片内DA部件的使用：P87LPC769单片机是一款内含两路8位DA转换部件的具有51内核的单片机，如果需要使用两路DA转换部件，

20、必须将端口P1.6和P1.7的数字输出功能关闭，将AD部件功能关闭，打开两路DA部件，就可以方便地输出两路模拟信号。P87LP769单片机内含的DA转换部件采用电源电压作为基准电压，输出电压的范围为0一Vcc。因此，电源电压的稳定性和噪音对输出的模拟信号有直接影响。,第五章 模拟信号的输入/输出,(2)片内多路DA芯片的使用：DAC8420是AD公司生产的4路输出12位DA转换芯片。该芯片具有高速串行接口，而且功耗很低，能广泛应用于伺服系统控制和过程自动化控制系统中。主要特点有：可选择单极或双极模式；复位后输出置0或中间值；电源选择广泛，+5一士15 V均可；采用16脚PDIP、CERDIP或

21、SOIC封装。,第五章 模拟信号的输入/输出,图5-4串行多路D/A转换芯片DAC8042的使用,第五章 模拟信号的输入/输出,第五章 模拟信号的输入/输出,注意:1.为了降低电压噪声对输出的影响，各种电压均需要接入滤波电容。2.如果输出电内复位方式固定，可将CLSEL接地或接+5 V，单片机的n2端口便可改作其它用途。如F需要复位操作(用具体数据对4路输出进行初始化)，可将CLR端接斗5 V，单片机的P18口也可改作其它用途，这在单片机端口紧张时是可行的。,第五章 模拟信号的输入/输出,5.2.3 PWM型D/A转换器 脉宽调制电路(PWM)型D/A转换器与标准D/A转换器相比,具有以下两种

22、特征:1.在同样输出分辨率的情况下，PWM部件的成本要低得(纯数字电路集成工艺)2.由于PWM部件输出的模拟信号是方波信号经过平滑滤波后得的，故输出的模拟信号变化速度较慢，只能用来控制低速对象。,第五章 模拟信号的输入/输出,脉宽调制电路(PWM)部件的使用方法 1)重复周期的控制:特殊功能寄存器CNSW0和CNSWl的内容控制输出方波的重复周期。脉冲方波的重复周期越短，平滑滤波电路的时常数就可以越小，输出模拟信号的响应就越快，但是，输出信号的分辨率也随之下降。由于PWM部件的控制对象都是低速对象，速度问题基本上不必考虑。为提高分辨率，可以将脉冲周期设置为最大值，以便获得10位的分辨率。,第五

23、章 模拟信号的输入/输出,2)占空比的控制:PWM部件的DA功能是通过控制其高电平的占空比来实现的，P87PLC768单片机4个PWM通道的占空比可以各不相同，分别由各自的CPSW0、CPSWl、CPSW2、CPSW3和公共的CPSW4来控制。脉冲方波的占空比随着CPSW0和CPSW4的内容改变而线性变化，变化范围不超过CNSW0和CNSWl的值,第五章 模拟信号的输入/输出,3)平滑滤波与功率驱动:PWM部件的DA功能是通过控制其高电平的占空比来实现的，PWM部件输出占空比可调的方波经过平滑滤波后输出的是与占空比成正比的直流成分，即完成了DA转换功能。平滑滤波环节由多滤波电路组成，RC时间常

24、数必须比方波的重复周期大若干倍。RC时间常数越大，滤波效果越好，输出信号中的纹波越小，但系统的惯性也随之加大，对控制的反应变得迟钝。因此，RC时间常数应该在滤波效果和反应速度两者之间进行折中。PWM部件输出信号经过RC滤波环节之后，几乎没有负载能力，必须经过高输入阻抗的i路和功率驱动电路后才能控制最终负载。,第五章 模拟信号的输入/输出,提示 请同学们将自己的问题和课堂没听懂的地方以纸条的形式提出来,下次课解答。请同学们将自己对上课的方式和方法,提出宝贵意见,我将在以后的课时中加以改进!,第五章 模拟信号的输入/输出,谢 谢！,课后复习题,1:模拟量输入A/D转换器的选择原则?2：模拟输入通道

25、设计包括哪些电路设计？信号调理电路设计又包括哪些电路设计?3：常用A/D转换器的类型，说出6种类型？4：为什么智能仪器的信号调理电路可省去或者降低校准电路设计工作？5：硬件滤波器和软件滤波器在模拟信号输入电路的作用？6：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，如何分离有用信号和干扰信号的频谱？课后综合复习题：给定一设计条件，设计选用一智能温度仪器的A/D转换器(不提问),课后复习题解答,问题1:模拟量输入A/D转换器的选择原则?根据精度要求进行选择,习惯上用位数衡量转换精度；根据采样频率进行选择，在符合采样定理的基础上，结合检测对象信号特性选取低速、中速、高速A/D根据系统结构要求选择片内还是片

26、外A/D根据设计方案是否可简化电路选择串行、并行A/D根据封装工艺选择DIP、表贴型SO封装问题2：模拟输入通道设计包括哪些电路设计？信号调理电路设计又包括哪些电路设计？模拟输入通道设计包括信号调理电路，采样保持电路，A/D转换电路等设计信号调理电路设计包括硬件滤波电路，放大器电路，校准电路设计。问题3：常用A/D转换器的类型，说出6种类型？常用A/D转换器有双积分式、逐次逼近式、并行比较式、VFC式、简单比较器式、-型A/D转换器式。,问题4：为什么智能仪器的信号调理电路可省去或者降低校准电路设计工作？因为智能仪器有强大的信号处理和分析功能，可以通过微处理器软件来进行自动校准和自动补偿。问题5：硬件滤波器和软件滤波器在模拟信号输入电路的作用？硬件滤波器用在A/D转换前，用于滤除传感器器件传来的混在信号中的干扰成分软件滤波器用在A/D转换后，用于滤除在信号采样保持A/D转换过程中产生的噪声。问题6：若有用信号与干扰信号频谱相互交叉重合，如何分离有用信号和干扰信号的频谱？可采用调制解调技术将有用信号的频谱进行搬移，从而实现有用信号和干扰信号的分离。,