微型计算机控制技术第二章3

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• A/D转换器是把模拟电压或电流转换成数字量的集成电路 器件,是模拟量输入通道中的关键器件,其性能对通道的 设计和计算机控制系统性能的影响很大。
• 按位数来分:有4位、8位、12位、16位等 • 按结构来分:有单一功能A/D转换器,有多功能的A/D转
换器,如AD363,其内部含有16路多路开关、数据放大 器、采样保持器及12位A/D转换器。 • 按工作原理来分:有双积分型、逐次逼近型、∑-△调制型 及电压频率变换型等。
• 一般把8位以下的A/D转换器称为低分辨率A/D转 换器,9~12位的称为中分辨率的A/D转换器,13 位以上的称为高分辨率A/D转换器。
微型计算机控制技术
• 分辨率定义为满刻度电压与2n的比值,即分辨率 是A/D转换器对微小输入量变化的敏感程度。
• 假设A/D转换器的位数为n,满量程电压为FSR, 则分辨率定义为:
缓冲锁存器,12位数据可以一次读出; • 内部集成+10.000V电压基准源, • 内部集成时钟电路,不需外部接线; • 通过改变外部接线,模拟量输入电压既可以是单极性也是
可以是双极性;单极性输入时,允许输入的模拟量范围为 0~+10V和0~+20V;双极性输入时允许输入的模拟量范围 为-5V~+5V和-10V~+10V。
START CLK
IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0
控制逻辑
8选1 模拟 多路 开关
Ui 比
UO
较 器
逐次 逼近 寄存器
三态 输出 锁存器
A B C ALE
地址 锁存器 译码器
开关数组 电阻分压器
EOC
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OE Vcc GND
保留;
(SAR)

• 如果Ui<Uo,该位应予 清零。
启动信号 时钟
转换结束
控制逻辑
微型计算机控制技术
2.6.1 逐次逼近式A/D转换原理
• 其逐次逼近类似于对分,一个N位的A/D转换器, 只需要比较N次即可,因而转换速度快。
微型计算机控制技术
• 举例:有一个4位A/D转换器,满刻度值5V,若输 入 3.5V模拟电压,试分析其逐次逼近的转换过程
控制逻辑
8选1 模拟 多路 开关
Ui

UO
较 器
逐次 逼近 寄存器
三态 输出 锁存器
A B C ALE
地址 锁存器 译码器
开关数组 电阻分压器
EOC
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OE Vcc GND
+VREF -VREF
V+cVcR:EF:芯+片参工考作电电压源,,一+般5V接 +5V -GNVDRE:F:芯-片参地考信电号压, 一般接 0V CLK: 时钟信号, 10~1280KHz,决定A/D转换速率
中,电源除了完成对A/D转换芯片供电外,还需提供A/D 转换的基准电压。基准电源的精度将影响A/D转换结果精 度。如何选择合适的电压基准源呢?简单来说,需要电压 基准源简单、基准电压稳定。
微型计算机控制技术
2.6.3 常用A/D转换器
• 1. ADC0808/0809 • ADC0808/0809是采用CMOS工艺的多路8
D6 D5
D4 D0 VREFD2
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• (1)ADC0809主要技术指标。 • 线性误差为±1LSB; • 转换时间为100μs; • 单一电源+5V供电,模拟量输入范围0~+5V; • 功耗15mW; • 输出具有TTL三态锁存缓冲器; • 无需进行零位及满量程调整; • 温度范围-40℃~+85℃。 • 价格(6~30元,与厂家和封装形式有关)
控制逻辑
8选1 模拟 多路 开关
Ui 比
UO
较 器
逐次 逼近 寄存器
三态 输出 锁存器
A B C ALE
地址 锁存器 译码器
开关数组 电阻分压器
EOC
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OE Vcc GND
+VREF -VREF
EOOEC(O:U转TP换U结T束EN信A号BL,EA)/D:转输换出期允间许为信低号电,平高,电A平/D有 转效换 ,完允成许后从变三为态高输电出平锁,存可器用读作取判数断字转信换号是。否结束。 D7~D0:数字量输出端
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2.6.1 逐次逼近式A/D转换原理
• 逐次逼近式种类多、 应用广。
模拟量输入Ui
+
-
Uo
• 主要由逐次逼近寄存 数字输出
D/A转换器
参考 电压
器SAR、D/A转换器、(D0~DN)
逐次逼近寄存器
比较器、时钟及控制
(SAR)
逻辑等组成。
启动信号 时钟

控制逻辑
转换结束
微型计算机控制技术
该位 去留
(1) 1 0 0 0 (2) 1 1 0 0 (3) 1 0 1 0 (4) 1 0 1 1 结果 1 0 1 1
2.5
Ui>UO 保留
3.75
Ui<UO 去掉
3.125
Ui>UO 保留
3.4375
Ui>UO 保留
误差:3.5V- 3.4375V=0.0625V
微型计算机控制技术
2.6.2 如何选择A/D转换器件
量化单位就分是辨分率辨率F。2SnR
相对分辨率定义为:
相 对 分 辨 率 分 F 辨 S R 率 1 0 0 % 2 1 n 1 0 0 %
微型计算机控制技术
• A/D转换器分辨率与位数的关系(假设满量程为10V )
位数
级数
相对分辨率 绝对分辨率
8
256
0.391% 39.1mV
10
1024
• 1.A/D转换器的位数 • 对于测量或测控系统,模拟信号都是先经过测量
装置再经过A/D转换器转换后采进行处理的,也 就是说,总的误差是由测量误差和量化误差共同 构成的。因此A/D转换器的精度应与测量装置的 精度相匹配。 • 量化误差与A/D转换器位数有关。
微型计算机控制技术
• A/D转换器的分辨率通常用位数n来表示,如8位、 12位等。
量化单位:q5V5V0.312V5
24 16
当最高位为“1”时,Uo=?
Uo=0.3125V×23=2.5V, Ui> Uo,最高位保留。 依次类推,给定输入3.5V电压时对应的逐次比较过 程如下:
UO=0.3125V×D* Ui=3.5V
步骤
8 UO=S4A0R.内31容2 25V1×D*电转压U换UiO=后(V3) .5VUiU较O比
开关数组 电阻分压器
EOC
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OE Vcc GND
+VREF -VREF
START : 高电平时开始转换;即一个正脉冲完成启 动A/D转换器。可与ALE端子连接在一起,当通过软 件或硬件输入 一个正脉冲,便启动 A/D。
START CLK
IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0
2.6.1 逐次逼近式A/D转换原理
• 转换原理:
模拟量输入Ui
+
• 逐位设定 SAR 寄存器
-
Uo
中的数字量,该数字量 经过D/A转换后得到电 数字输出
D/A转换器
参考 电压
压Uo,将Uo与待转换的 输入模拟电压Ui进行比 较。根据比较结果,修
(D0~DN)
逐次逼近寄存器 (SAR)

正SAR中的数字量,逐
+VREF -VREF
IN0 ~ IN7 : 8个模拟输入端 A、B、C : 地址选择输入端 ALE :地址锁存允许, 其上升沿将地址C、B、A锁存
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CB
• A、B、C:3位地址 输入,C为最高位,A 0 0 为最低位。通过C、B、 0 0
A的不同组合选择即可 0 1
选择接入的模拟量输 0 1
入通道。
10
10
11
11
A 所选 通道
0
IN0
1
IN1
0
IN2
1
IN3
0
IN4
1
IN5
0
IN6
1
IN7
START CLK
IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0
控制逻辑
8选1 模拟 多路 开关
Ui 比
UO
较 器
逐次 逼近 寄存器
三态 输出 锁存器
A B C ALE
地址 锁存器 译码器
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• (3)时序图
微型计算机控制技术
2. AD574
• AD574是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的12位逐次逼近型A/D转换 器。片内配有三态输出缓冲电路,因而可 直接与各种典型的8位或16位的微机相连。
微型计算机控制技术
• (1)AD574主要技术指标 • AD574是12位逐次逼近型A/D转换器,具有可控三态输出
等)及+5V电源的地。 AGND:模拟地。各模拟器件(放大器、比较器、采样保持
器等)及+15V和-15V的地。 REF OUT:基准电压源输出端,+10.000 V。 REF IN:基准电压源输入端,如果REF OUT通过电阻接至
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• (2)AD574的内部结构
图2-22 AD574内部结构及管脚排列图
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• (3)AD574芯片引脚功能 Vcc:工作电源正端,+12 VDC ~ +15 VDC。 VEE:工作电源负端,- 12 VDC ~ -15 VDC。 VL:逻辑电路供电输入端,+5 VDC。 DGND:数字地。各种数字电路(译码器、门电路、触发器
转换时间。转换时间的倒数就是转换速率,它是 每秒钟完成的转换次数。
• 3.采样/保持器 • 对于一般频率较高的模拟信号都要加采样/保持器。
如果信号频率不高,A/D转换的时间短,即采用 高速A/D器件时,可不使用采样/保持器。采集直 流或者变化非常缓慢的信号时,也可以不使用采 样/保持器。
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启动信号 时钟
控制逻辑
次逼近输入模拟量。
转换结束
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2.6.1 逐次逼近式A/D转换原理
• 比较时,先从SAR的最
模拟量输入Ui
+
高位开 始,逐次确定各
-
Uo
位的数码是“1”还是“0”
• 工作过程如下:
数字输出
D/A转换器
参考 电压
(D0~DN)
• 如果Ui≥Uo,该位的“1”
逐次逼近寄存器
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第2章 输入/输出接口与过程通道
微型计算机控制技术
2.6 A/D转换器及接口技术
• 2.6.1 逐次逼近式A/D转换原理 • 2.6.2 如何选择A/D转换器件 • 2.6.3 常用A/D转换器 • 2.6.4 A/D转换器的接口技术
微型计算机控制技术
2.6 A/D转换器及接口技术
微型计算机控制技术
• 7.工作温度范围 • 由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响,故只有在
一定的温度范围内才能保证额定的精度指标。 • 8.线性度 • 线性度指的是实际A/D器件的转移函数与理想直线的最大
偏移。 • 9.A/D转换对电源电路的要求 • A/D转换器对电源的要求较高。这是因为在A/D转换电路
位逐次逼近型A/D转换器,芯片内包括一个 8通道多路模拟开关、8位A/D转换器和一个 8位数据输出锁存器。
微型计算机控制技术
IN3
IN4 IN5 IN6 IN7 START
EOC D3 OE CLK
VCC VREF+ GND
D1
ADC0809
IN2
IN1 IN0 ADDA ADDB ADDC
ALE D7
• 4.A/D转换器量程 • 表示A/D转换器所能转换的输入电压范围,如-5V~+5V,
0~10V,0~5V等。有些A/D转换器件提供了不同量程的引 脚,只有正确使用,才能保证转换精度。 • 5.偏置极性 • 有些A/D器件提供了双极性偏置控制。当此引脚接地时, 信号为单极性输入方式,当此引脚接基准电压时,信号为 双极性输入方式。 • 6.数据输出方式 • A/D转换器件输出的逻辑电平多数为TTL电平,有并行和 串行两种输出形式。
ADC0808/0809原理框图
控制逻辑
8选1 模拟 多路 开关
Ui 比
UO
较 器
逐次 逼近
寄存器
三态 输出
锁存器
A
地址
B
C 锁存器
ALE 译码器
开关数组 电阻分压器
EOC
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OE Vcc GND
+VREF -VREF
START CLK
IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0
微型计算机控制技术 图2-20 ADC0808/0809原理图
微型计算机控制技术
(2)ADC0809的内部结构引脚功能
• ADC0809的逻辑结构框图如下图所示,其 结构可分为:
• ①多路模拟开关; • ②逐次逼近型A/D转换器; • ③输出锁存器
START CLK
IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0
0.0977% 9.77mV
12
4096
0.0244% 2.44mV
14
16384
0.0061% 0.61mV
16
65536
0.0015 % 0.15mV
• 分辨率的高低取决于位数的多少,因此,一般用位数来间 接表示分辨率。
微型计算机控制技术
• 2.A/D转换器的转换速率 • A/D转换器从启动转换到结束转换,需要一定的
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