第三章 模拟量输入通道

引言 信号调理电路 多路模拟开关 前置放大器 采样保持器 A/D转换器 A/D转换模板 思考题
引 言
模拟量输入通道的任务：
转换 ——模拟量到数字量的转换。
组成核心——A/D转换器
将现场物理量变 换为电信号
实现多选一
保持、保证 A/D精度
进行地址译码，产生片 旋信号和写信号
抑制干扰、保证 A/D转换精度
2．双积分式A/D转换原理
图
双积分式A/D转换原理图
3．电压/频率式A/D转换原理
图
电荷平衡式V/F转换原理
4．A/D转换器的性能指标
（1）分辨率
分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的
敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变
化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，
如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以
构成－电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。
图
CD4051结构原理
链接动画
3.2.2 扩展电路
链接动画
图 多路模拟开关的扩展电路
3.3 前置放大器
主3.3.2 可变增益放大器
引 言
前置放大器的任务－将输入模拟小信号放大到A/D转 换的量程范围 ，如0-5VDC;
（1）查询方式读A/D转换数 （2）定时方式读A/D转换数
（1）查询方式读A/D转换数
非与门02（3）、/IOW控制A/D转换启动；
通过三态缓冲器读入EOC状态以判断是否转换结束 ——查询。
链接动画






接口程序如下： MOV BX，BUFF ；置采样数据区首址 MOV CX，08H ；８路输入 START： OUT PA，AL ；启动A/D转换 REOC： IN AL，PB ；读EOC RCR AL，01 ；判断EOC JNC REOC ；若EOC=0，继续查询 IN AL，PA ；若EOC=1，读A/D转换数 MOV [BX]，AL ；存A/D转换数 INC BX ；存A/D转换数地址加1 INC PA ；接口地址加1 LOOP START ；循环

8位逐位逼近式A/D转换器 分辨率为1/ 28 ≈0.39 % 模拟电压转换范围是 0 - +5 V 标准转换时间为100s 采用28脚双立直插式封装
图 ADC0809内部结构及引脚
链接动画
ADC0809的内部转换时序
图
ADC0809的转换时序
2．ADC0809接口电路
A/D转换器的接口电路主要是解决主机如何 分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启 动A/D转换（体现为对START和ALE引脚的控制）， 如何判断A/D完成一次模数转换（体现为是否读 取EOC标志，如何读取），如何读入并存放转换 结果的。下面仅介绍两种典型的接口电路。
周期采样过程：
图 信号的采样过程
链接动画
3.4.2采样保持器
1、 零阶采样保持器
图 零阶采样保持器
链接动画
构成－－输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、
保持电容CH。
工作过程－采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过 A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保
持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情
IR 1 R3
取值－ R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ 输入0 ~ 10 mA输出0 ~ 5 V R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ 输入4 ~ 20 mA输出1 ~ 5 V 电路图：
3.2 多路模拟开关
主要知识点
3.2.1 结构原理 3.2.2 扩展电路
3.2.1结构原理
第三章 模拟量输入通道
本章要点：
1．模拟量输入通道的结构组成。 2．多路开关，前置放大、采样保持等各环节的功能 作用。 3．8位A/D转换器ADC0809芯片及其接口电路。 4．12位A/D转换器AD574A芯片及其接口电路。
返回总目录
主要内容：



3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
3.6 A/D转换模板
1、A/D转换模板也需要遵循I/O模板的通用性原则：符合
总线标准，接口地址可选以及输入方式可选。输入 方式可选主要是指模板既可以接受单端输入信号也 可以接受双端差动输入信号。 2、A/D转换模板结构组成 ① I/O电气接口－完成电平转换、滤波、隔离等信号调理 作用； ② I/O功能部分－实现采样、放大、模/数转换等功能， ③ 总线接口－完成数据缓冲、地址译码等功能。
（2）定时方式读A/D转换数
链接动画
这两种方法的共同点：
硬软件接口简单，但在转换期间独占了CPU时
间，好在这种逐位逼近式A/D转换的时间只 在微秒数量级。 当选用双积分式A/D转换器时，因其转换时间在 毫秒级，因此采用中断法读A/D转换数的方 式更为适宜。 因此，在设计数据采集系统时，究竟采用何种接 口方式要根据A/D转换器芯片而定。
思考题
1.画图说明模拟量输入通道的功能、各组成部分及其作用？ 2.分析说明8路模拟开关CD4051的结构原理图，结合真值表设 计出两个CD4051扩展为一个8路双端模拟开关的示意图。
3．什么叫周期采样？采样时间？采样周期？ 4．分析图3-8采样保持器的原理电路及工作过程。 5．简述逐位逼近式、双积分式、电压/频率式的A/D转换原理。 6．结合图3-13与图3-14，分析说明ADC0809的结构组成及其 引脚作用。 7．试分析图3-15、图3-16 ADC0809接口电路的启动、转换、 查询或定时读入数据的工作过程。比较说明这两种接口电 路在硬软件上的异同点。 8．分析说明图3-19的8路12位A/D转换模板的工作原理。
况下电容CH将保持电压VC不变，因而输出电压
VOUT=VC也保持恒定。
2、零阶集成采样保持器
（a）AD582 图3－9 集成采样保持器 （b） LF198/298/398
图
集成采样保持器
3.5 A/D转换器
主要知识点

3.5.1
工作原理与性能指标


3.5.2
3.5.3
ADC0809芯片及其接口电路
辑、三态输出锁存缓冲器与10V基准电压源构成，可以直 接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量
AD574A也采用28脚双立直插式封装
AD574A原理框图及引脚
模拟输入信号的几种接法
图
AD574A的输入信号连接方法
2. AD574A接口电路
12位A/D转换器AD574A与PC总线的接口有多种方式。既
图
放大电路
链接动画
3.3.1 测量放大器
对称结构，可抑制共模干扰。
G VOUT R 2R S (1 1 ) VIN VIN R2 RG
链接动画
3.3.2 可变增益放大器
链接动画
3.4 采样保持器

3.4.1 数据采样定理 3.4.2 采样保持器
3.4.1 数据采样定理
AD574A芯片及其接口电路
3.5.1 工作原理与性能指标

1．逐位逼近式A/D转换原理


2．双积分式A/D转换原理
3．电压/频率式A/D转换原理

4．A/D转换器的性能指标
1．逐位逼近式A/D转换原理
图
逐位逼近式A/D转换原理图
链接动画
例题3-2：一个8位A/D转换器，设VR+ = 5.02 V， V R = 0 V,计算当VIN分别为0 V、2.5 V、5 V时所对 应的转换数字量。
8路12位A/D转换模板的示例
该过程的数据 采集程序框图:
AD574A
PROC NEAR MOV CX，8 CLD MOV AL，00000000B MOV BUF1，AL
；过程定义伪指令 ；计数器初始 ；标志位DF清零 ； ；CE=0， =0，R/ ， ＝0INH ＝C C =0CS =B=A=0，控制信号初始，通道号初始 ；置采样缓冲区首址 ；8255A的PC口址 ；送PC口控制信号与通道号 ；CE=1 ；启动A/D ；CE=0 ；8255A的PA口址
LEA BX，BUF NEXTCH： MOV DX，2C2H MOV AL，BUF1 OUT DX，AL NOP NOP OR AL，01000000B OUT DX，AL AND AL，10111111B OUT DX，AL MOV DX，2C0H POLLING： IN AL，DX TEST AL，80H JNZ POLLING
解：把已知数代入公式（3-4）：
B VIN VR V 0 2n IN 28 VR VR 5.02 0
0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量分别为00H、 80H、FFH。 此种A/D转换器的常用品种有普通型8位单路 ADC0801～ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路 ADC0816/0817等，混合集成高速型12位单路AD574A、 ADC803等。
对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即： 分辨率 = 满刻度值/2n
（2）转换精度
A/D转换器的转换精度,用绝对误差和相对误差来表示。
绝对误差＝实际模拟量输入值－理论值 绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。 相对误差－(指绝对误差/满刻度值)*100% 对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（Least Significant Bit)）来表示，1LSB = 1／ 2n 。
可以与PC总线的16位数据总线直接相连，构成简单的12位数 据采集系统；也可以只占用PC总线的低8位数据总线，将转
换后的12位数字量分两次读入主机，以节省硬件投入。
同样，在A/D转换器与PC总线之间的数据传送上也可以 使用程序查询、软件定时或中断控制等多种方法。由于 AD574A的转换速度很高，一般多采用查询或定时方式。其接 口电路及其程序参见下一节。