模拟量输入输出接口技术

第9章模拟量输入输出接口技术9.1模拟量输入接口技术9.2A/D转换器的主要性能指标及分类9.3常用的A/D转换芯片9.4D/A转换器和接口技术9.5思考题与习题第9章模拟量输入输出接口技术在单片机应用中，常常需要测量温度、湿度、流量、速度、液位、压力等多种模拟量，并通过输入接口传送给单片机CPU，需要输出模拟量去控制被控对象或用于显示。模拟量信号是连续变化的电压、电流信号，与数字量有本质上的区别，模拟量信号需要放大、滤波、线性化、信号变换等一系列的电路处理，把检测到的模拟量电压、电流信息变换成0-5V的电压信号，通过A/V转换电路转换成相应的数字量才能输入单片机处理。同样，单片机输出的数字量控制值，也往往要通过D/A转换电路变换成模拟量才能去控制被控对象或用于数据的显示。因此，模拟量的输入输出接口技术是单片机应用中的一个重要环节。在单片机应用中，需要测量温度，湿度，流量，速度，液体，压力等大量模拟量，需要输出模拟量去控制被控对象或进行显示，模拟量的输入输出也是单片机的接口是一个重要的环节。模拟量信号是连续变化的电压，电流信号，与数字量有本质一的区别，需要对模拟量信号时放大，滤波，线性化，信号变换等电路处理，把测量的模拟量电压，电流信号变换成0-5V的电压信号，通过A/D转换电路，转换成相应的数字量才能输入单片机处理。同样，单片机的控制值，测量数据也往往要通过D/A转换电路变换成模拟量才能进行控制或显示。因此，模拟量的输入输出是单片机应用中的一个重要环节。第9章模拟量输入输出接口技术9．1模拟量输入输出接口技术1.传感器的概念传感器是把一种物理量（或化学量、生物量）转换成另一种与之有确定对应关系的物理量（通常是电量）的装置。它是测量系统中最重要的环节。传感器有许多种类，一种是以被测参数的性质来分，一种是以传感器的测量原理来分。按被测量参数的性质来分，有热量类传感器，用于测量温度，热量，比热，压力，流量，风速等；有机械量类传感器，用于测量位移，应力，振动，加速度等；有成分量类传感器，用于测量各种气体、液体的成分、浓度、密度等。按传感器测量原理来分，有电阻式、电感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式等。传感器品种繁多，用途各异，但衡量传感器的基本参数主要有：测量范围：传感器能正常工作的范围，在使用中不应使传感器过载，以免损坏元件，或造成大的测量误差。线性度：传感器的输入与输出的关系，大部分传感器的输入、输出关系是非线性的，在使用中，要进行线性化处理。在采用单片机后，可以用软件的方法进行线性化处理，可以简化电路，获得较好效果。灵敏度：传感器的输出与输入信号之比，灵敏度大的传感器，电路处理方便，我们希望传感器有较大的灵敏度。互换性：同种传感器的特性参数的一不致性，传感器的互换性差，会给使用带来不方便。第9章模拟量输入输出接口技术9．1.1模拟量输入接口技术2.温度、压力等常用传感器在单片机应用中，常用的测量参数有温度，压力，湿度，液位等。我们对常用的传感器作一详细的介绍。(1)温度传感器温度是表示物体冷热程度的参数。是单片机应用中最基本的测量参数。热电偶温度传感器热电偶温度传感器是以热电效应为基础的，将任意两种不同的导体A-B组成一个闭合回路，只要它们的两个接点t1，t2的温度不同，在回路里就会产生热电动势，如图9.1所示：9．1.1模拟量输入接口技术第9章模拟量输入输出接口技术第9章模拟量输入输出接口技术9．1.1模拟量输入接口技术2.温度、压力等常用传感器在单片机应用中，常用的测量参数有温度，压力，湿度，液位等。我们对常用的传感器作一详细的介绍。(1)温度传感器温度是表示物体冷热程度的参数。是单片机应用中最基本的测量参数。热电偶温度传感器热电偶温度传感器是以热电效应为基础的，将任意两种不同的导体A-B组成一个闭合回路，只要它们的两个接点t1，t2的温度不同，在回路里就会产生热电动势，如图9.1所示：第9章模拟量输入输出接口技术9．1.1模拟量输入接口技术热电偶电桥补偿测量电路中，Rt为热敏电阻，当冷端温度变化时，由于热敏电阻的补偿作用，消除了冷端温度变化的影响，提高了测量的精度。常用热电偶的代号，分度号及测量范围见表9.1。名称代号分设号测量范围ºC铜-康铜WRC（T）CK-200-+300镍铬-考铜WRK（E）EA-20-800镍铬-镍硅WRN（K）EU-20-1300铂铑10-铂WRP（S）LB-30-1600铂铑10-铂铑6WRR（B）LB-20-1800第9章模拟量输入输出接口技术9．1.1模拟量输入接口技术热电偶的测温度范围在-180-2800ºC，热电偶的输出热电势与工作端温度有关，还与自由端的温度有关，所以在测量时需要进行冷端补偿，热电偶的常用测量电路如图9.2所示。热电阻温度传感器是利用铂电阻，铜电阻，热敏电阻的阻值随温度而变化的原理测量温度的，这一类传感器的适用范围在-200-+650ºC，有较高的灵敏度。铂电阻与电阻的关系为：式中Rt——温度tºC时铂电阻的电阻值。R0——温度0ºC时铂电阻的电阻值。A——3.90802*10-3/ºCB—-5.802*10-7/ºCC——-4027350*10-12/ºC常用的铂电阻传感器有Pt100，Pt100是指0ºC时铂电阻的电阻值为100Ω。铜电阻是利用铜丝线绕成的温度传感器，常用于-50-+150ºC范围，它的电阻值与温度的关系如下：Rt=R0（1+αt）式中Rt——温度tºC时铜电阻的电阻值。R0——温度0ºC时铜电阻的电阻值。α——铜电阻温度系数，为4，25*10-3/ºC常用的铜电阻传感器有Cu100和Cu50二种，是指0ºC时，铜电阻的电阻值为100Ω和50Ω。对于用铂电阻、铜电阻一类热电阻作为温度传感器时，由于温度的变化只引起很小的电阻值变化，所以热电阻的测量电路常用不平衡电桥来测量，第9章模拟量输入输出接口技术9．1.1模拟量输入接口技术320C1001ttCBtAtRRt第9章模拟量输入输出接口技术9．1.1模拟量输入接口技术在图中，Rt、R2、R3、R4组成一个不平衡电桥，电桥的工作电源为E，Rt为热电阻用于感受温度的变化，G为不平衡电桥的输出电流。设平衡时，R3=R4，R2=Rto(Rto是热电阻在to温度时的电阻值)当温度从to变化到t时，热电阻Rt=Rto+r，r为温度变化引起的电阻值，那么电桥的A、B两端会产生一个不平衡电压U为U=Ito·r·R3/((R2+R3)+r)其中Ito是to温度时流过电桥支路的电流热敏电阻是一种利用一些金属氧化物按比例混合烧结成的电阻值随温度而变化的传感器。热敏电阻灵敏度高，体积小，反应快，使用寿命长。它适用的测量范围为-50ºC-+300ºC。热敏电阻有正温度系数热敏电阻(PTC），负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR）三种类型。正温度系数热敏电阻常用于温度补偿电路中，其测量精度较差，为±3-5ºC，临界系数热敏电阻在某个临界点的电阻值发生急剧变化，用于温度测量的主要是负温度系数热敏电阻，它的电阻值与温度T（K）的关系如下式：式中RT0为T0（K）温度时热敏电阻的值。B为常数，在3000-5000左右。热敏电阻的特点是：灵敏度高，不用放大器就可以输出几伏电压，信号处理方便。体积小，反应快，可以制成各种形状的传感器。价格便宜，引线误差可以忽略不计，适用于长距离测量。非线性严重，要进行线生化处理。以MF5E系列热敏电阻为例，有R25=550KΩ,10KΩ,100KΩ等多种规格。半导体集成温度传感器半导体集成温度传感器的线性度好，使用方便，可以直接输出电压信号，或电流信号，常用型号见表9.3。9．1.1模拟量输入接口技术)/1/1(exp(00TTBRRTT9．1.1模拟量输入接口技术型号测量范围ºC输出信号温度系数XC616A+40-+125电压型10mV/ºCXC616C-25-+85电压型10mV/ºCLX6500-55-+85电压型10mV/ºCLm3911-25-+85电压型10mV/ºCAD590-55-+150电流型1uA/ºCLm35-35-+150电压型10mV/ºCLm134-55-+125电流型1uA/ºC9．1.1模拟量输入接口技术它们的典型应用如图9.4所示：(2).压力传感器压力测量在工业、航空、航天、汽车、气象、海洋、医疗等方面有大量的应用，利用压力可以测量液体、水的高度和压力，可以测量血压、气体质量和重量等参数。压力有绝对压力，表压力，负压力（真空度）和差压等多种。绝对压力是指被测物体的单位面积上承受的全部作用力。地球表面承受大气形成的压力叫大气压力，绝对压力与大气压力之差称为表压，工业上常用的压力表就是用来测量表压的。绝对压力小于大气压力的值称为负压力（真空度），常用真空表来测量。而二个压力的差值为差压。压力（又称压强）的单位是帕（Pa），1帕=1牛/米2，常用千帕（KPa），兆帕（MPa）表示，工业上使用的压力单位有Kg/cm2和mmHg，mmHg几种，它们之间的关系见表9.4：第9章模拟量输入输出接口技术9．1.1模拟量输入接口技术单位Pa(帕)Kg/cm2atm(大气压)MmHgMmH201Pa11.0997*1059.8692*10-67.5006*10-30.101971Kg/cm29.80665*10410.96784735.5591041mmHg1.33325*1021.3595*10-31.316*10-3113.5951mmH209.8063750.9997*10-40.96287*10-47.3556*10-21电容式压力传感器利用被测压力使金属膜片之间的距离减少，电容量增加的原理制成的，其结构如图9.5所示：第9章模拟量输入输出接口技术9．1.1模拟量输入接口技术图中活动金属片在被测气体的作用下产生位移，由活动金属片和固定金属片组成的电容量发生变化，因为电容量可以用下式表示:C=Σ*A/D式中，Σ为介质常数，Ａ为面积，ｄ为极间距离，由此可见，气体压力的变化，作用在活动金属片上的力也发生变化，通过测量电容量Ｃ的变化来测量气体的压力。硅压阻式压力传感器硅压阻式压力传感器是利用的压阻效应制成的新型压力传感器，在一块单晶硅的基片上用扩散工艺制成的应变元件，在应变元件受到压力的作用，引起电阻值产生变化，在Ｎ型硅品片上形成四个阻值相等的电阻条，构成一个惠斯电桥，特点是体积小，系数度高，测量范围宽，精度高，常用的硅压力传感器如表9.5：第9章模拟量输入输出接口技术9．1.1模拟量输入接口技术9．1.1模拟量输入接口技术型号压力范围（Ｋpa）供电电压（Ｖ）端量程输出（mV）灵敏度mV/RPa零位电压偏差（mV）备注MPX10MPX120-103-520-5045-703.55.520-35无补偿MPX7000-7003-545-9086mV/Kpa20-35无补偿MPX20100-1010-1624-262.51温度补偿MPX2050MPX20530-5010-1638.5-41.50.81温度补偿MPX2100MPX21020-10010-1638.5-41.50.42温度补偿它们都是四端式器件:１－接地,２－＋Ｖout,３－Ｖs,４－-Ｕout(３)其它传感器除了温度和压力传感器外，在工业测量中还有红外，湿度，振动等传感器。1)热释电型红外传感器热释电型红外传感器在接收到红外光线时，会随红外光的功率大小而输出电压信号，用于人体，火焰的检测，传感器的外形及电路如图9.6所示：第9章模拟量输入输出接口技术9．1.1模拟量输入接口技术如图所示，传感器元件感受到红外光线后，产生电荷，通过FET放大器，转换成电压输出，窗口用于红外光线的射入。人体的体温在37ºC左右，会发出9-10um的红外光线，利用8-10um波长的双元件热释红外传感器，可以检测到人的进入和移动。采用焦距为15-20mm的菲涅可透镜，可以检测到视野达70º的10-12m内人体。检测电路如图9.7所示：第9章模拟量