第3讲 22模拟量输入通道

沈阳建筑大学信息与控制工程学院马斌计算机控制技术第2章过程输入输出接口§2.2模拟量输入通道及接口设计33-4第2章过程输入输出接口在数据采集的过程中，经过各种传感器来获取数据，传感器将各种温度、湿度、光照、压力和酸碱度等物理信号或化学信号转换为电信号。33-4有些采集的信息还需要对电信号进行放大、去噪，再经A/D转换后变成离散的数字信号送给单片机。采集来的信号给单片机进行处理分析，数字滤波、工程量变换等处理，以反映实际测量的数值，这也是单片机系统检测部分的核心。2.2模拟量输入通道模拟量输入通道:数据采集系统输入通道中的一种，它的任务是把传感器转换后的电信号经过适当的调理，然后转换成数字量输入计算机。33-4一、模拟量输入通道的一般结构传感器信号调理电路S/HA/D微型计算机单路模拟量输入通道结构图:2.2模拟量输入通道33-4一、模拟量输入通道的一般结构多路模拟量输入通道结构图:采样保持器二、多路转换器多路转换器又称多路开关，多路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共放大器或A/D转换上。电平转化译码驱动电路XVSSVDDABC┇┅┇INHEEV0X1X7XCBAX接通0000X00001X1……0111X71×××全不通INH表1CD4051通道选择表二、多路转换器多路转换器又称多路开关，多路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共放大器或A/D转换上。可以有多片组合为更多的输入通道选择作用。A0A1A2A3XINHCBAXINHCBA+A/D－IN0IN7IN8IN15A0A1A2A3A4三、采样保持器KA2A1逻辑控制－＋INVOUTVCV＋－HC采样时，k闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，k断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT=VC保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。A1A3A2K5678CH32INININVOFFSETOV1R2R1V2V图14集成采样保持器LF398的原理图图13采样保持器的组成四、A/D转换元件的结构和工作原理1、A/D转换器类型根据转换的原理可将A/D转换器分成两大类：一类是直接型A/D转换器，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量；另一类是间接型A/D转换器，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量，然后再把这个中间变量转换为数字代码输出。目前应用较广泛的主要有：逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器和V/F变换式A/D转换器A/D转换器分类图直接A/D转换器间接A/D转换器A/D转换器电荷再分配A/D转换器反馈比较型非反馈比较型逐次逼近式A/D转换器跟踪计数式A/D转换器串联方式A/D转换器并联方式A/D转换器串并联方式A/D转换器电压-------时间变换器电压--------频率变换型A/D转换器(V-F变换器)单积分型A/D转换器双积分型A/D转换器四重积分型A/D转换器五重积分型A/D转换器脉宽调制积分型A/D转换器33-42、计数器式A/D转换器结构原理特点：①结构简单，价格便宜。②转换速度低随着Ax的增大，时间也增大。③转换精度取决于计数器的字长。④当输入模拟信号不稳定时，输出不稳定。比较Ax和Ad：若Ax＞Ad,则加计数；若Ax≤Ad,则减计数；直到Ax＝Ad，则停止计数。首先清零加减计数器D模拟量AxAd数字输出比较器C时钟加减计数器D/A33-43、双积分式A/D转换器结构原理由控制逻辑部分将Ax接入，积分器进行固定时间Ta的与积分，积分器输出值与模拟电压成正比。Ta时间到，控制逻辑将极性相反的固定值的参考电压接入，其下降斜率是固定的，当第二次积分到0为止，得到反向积分时间Ti。D模拟量Axa数字输出比较器积分器b控制逻辑参考电压计数器时钟VptTaT2T133-44、逐次逼近式A/D转换器结构原理D/AUABREFUIN（模拟输入）Ui比较器控制逻辑输出锁存器移位寄存器时钟D0D1D2D3D4D5D6D7数据输出STARTEOC令最高位=1移位寄存器00000000比较Ui和UIN若Ui＞UIN，则该位置0若Ui≤UIN，则该位置111然后令次高位=1，重复比较，直到所有位比较完成。首先清零移位寄存器33-45、A/D转换器主要性能指标1.分辨率：通常用转换器输出数字量的位数来表示。2.精度：是指与数字输出量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值。3.转换时间:完成一次A/D转换所需要的时间。4.温度系数和增益系数：A/D转换器受环境温度影响的程度。5.对电源电压变化的抑制比：改变电源电压使数据发生±1LSB变化范围。6、ADC0809介绍(1)内部结构控制电路SFR树状开关256电阻阶梯地址锁存与译码器8路模拟开关三态输出锁存器比较器610STARTCLK7EOC212019181714158DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0OE16121113Vref-Vref+VCCGND22232425ALEADDCADDBADDA12345262728IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7(2)、外部特性(引脚功能)IN0～IN7：8路输入通道的模拟量输入端口。D0～D7：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START：A/D转换启动信号，高电平有效。EOC：A／D转换结束信号，低电平有效。OE：数据输出允许信号，高电平有效。CLK：时钟脉冲输入端。REF（+）、REF（—）：参考电压端输入。Vcc：电源，典型值+5V。GND：模拟和数字地。33-4(3)、ADC0809时序图CLOCKSTARTALEA,B,C比较器内部输入模拟量输入OEEOC输出1/ftWStWEtCtDtEOC通道选择地址有效开始转换内部比较转换转换结束转换数据输出有效提供内部转换工作时序CPU读取数据线的数据33-47、12位A/D转换器ADC574+-+-1413121011三态输出锁存缓冲器DACSAR时钟控制逻辑10VREF987654321LOGICV8/12CS0ACR/CESTS11DO10DO6DO7DO8DO9DO2DO3DO4DO5DO1DO0DODGND2827262524232221201918171516CCVOUTREF3KAGNDK95.9K95.19K5K5IN20VIN10VOFFBIPINREFEEVCOMPDACIREFI五、A/D转换元件的接口电路设计DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN721201918815141751单片机VCCP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7EA+5VALEP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0DCLKQ/QRSTXTAL2XTAL1+5V6M0.02uF0.02uFGNDP3.2S10uF10K10K10KEOCADDAADDBADDCALEENABLESTARTCLOCKRef(-)Ref(+)2627281234525242322961012167+5VAD0809912181920403938373635343332312827262524235630+5V901374LS74P2.7为起动和通道地址锁存P26为数据输出允许转换结束标记P2.5,4,3为输入通道选择线六、单片机A/D转换软件编程中断方式程序流程图中断处理关中断保持现场读入数存储T0=1?开中断NY恢复现场返回六、单片机A/D转换软件编程汇编语言编程如下：ORG0000HSJMPMAINORG0003HLJMPINT0AORG0030H;----------------------------------中断设置-------------------------------SETBIT0;允许INT0中断SETBEA;中断总允许SETBEX0;外部中断0允许;------------------------------各通道循环启动--------------------------MAIN:MOVR2,#08H;设置循环次数MOVR3,#80H;P2.7=1(ALE,START有效）MOVR4,#80H;设置延时时间MOVR1,#50H;数据存储首地址A1:MOVA,R3MOVP2,A;先启动IN0通道.。。。。。。。。。。。;延时或其它功能程序执行六、单片机A/D转换软件编程汇编语言编程如下：;-------------------------------------循环至其他通道----------------------DJNZR3,A2SJMPA4A2:MOVA,R3ADDA,#08HMOVR3,ASJMPA1;-------------------------------------处理其他子程序------------------------A4:RET;------------------------------------保护现场，存储数据---------------INT0A:PUSHACCMOVP2,#40H;转换数据（P2.6=1,数据允许输出）MOVA,P1;数据送到累加器MOV@R1,AINCR1POPACCRETIEND作业P29页2-8，补1:设计一个用4片CD4051及A0-A4即5条地址线组成的32路模拟转换开关的电路。补2:设计8031与2片ADC0809连接的接口电路，要求通道号地址选择为0-15。并写出延时方式的程序。(提示A3=0选一片，A3=1选一片ADC0809)33-33