模拟量输入通道计资料
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通道模拟量输入电路
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
信号源
信号源
01
为模拟量输入电路提供原始信号，通常来自传感器、测量仪器
或其他信号发生器。
信号源的种类
02
根据不同应用需求，信号源的种类繁多，如热电偶、压力传感
器、光电传感器等。
信号源的输出特性
03
不同的信号源具有不同的输出特性，如电压输出、电流输出、
4. 考虑抗干扰措施
在电路设计中加入适当的抗干扰措施，如滤波 器或屏蔽。
5. 测试与验证
在实际环境中测试电路的性能，并根据测试结果进行必要的调整。
硬件实现
选择合适的ADC芯片
根据设计需求，选择具有适当分辨率 和采样速率的ADC芯片。
设计信号调理电路
根据输入信号的性质和ADC的要求， 设计适当的信号调理电路，如放大器、 滤波器等。
工作原理
信号调理
采样保持
通道模拟量输入电路首先对输入的模拟信 号进行调理，包括放大、滤波、隔离等处 理，以减小噪声和干扰。
经过调理的信号被送入采样保持电路，该 电路能够在短时间内保持信号的幅值不变 ，以便于后续的转换。
模数转换
采样保持后的信号被送入模数转换器 （ADC），将模拟信号转换为数字信号。
电阻输出等，需要根据电路需求进行选择和匹配。
信号调理电路
信号调理电路
用于对信号源输出的原始信号进行预处理，包括放大、滤波、隔 离等操作，以适应后续电路的需求。
信号调理电路的作用
提高信号的信噪比、减小噪声干扰、抑制共模干扰等，保证信号的 准确性和稳定性。
常见的信号调理电路
放大器、滤波器、隔离器等。
采样保持电路
任务二 模拟量输入通道
单击此处编辑母版标题样式
Sm A 译 码 驱 动 电 平 转 换 B C INH S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
• 图2 单击此处编辑母版副标题样式 -3 CD4051结构原理图
2015/10/20
17
单击此处编辑母版标题样式 扩展电路
当采样通道为16路时，可直接选用16路模拟开
• 单击此处编辑母版副标题样式 电流 I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出V的0 ~ 5 V；
mA的输入电流对应于1 ~ 5 V的电压输出。
2015/10/20 14
若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4 ~ 20
单击此处编辑母版标题样式 3、多路转换器
计算机的工作速度远远快于被测参数的变化， 因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，通 过多路转换器实现多选1的操作，将多路输入信号 依次地切换到后级。 目前，计算机控制系统使用的多路转换器种类 既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换。 • 单击此处编辑母版副标题样式 很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片 CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、 4路)等。 指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信 号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。 15
能够扩展多路转换器电路；
• 单击此处编辑母版副标题样式 了解常用的传感器类型。
2015/10/20
2
单击此处编辑母版标题样式
一、模拟量输入通道的结构 模拟量输入通道的任务：把被控对象的过程参 数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转 换成计算机可以接收的数字量信号。 模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不 • 单击此处编辑母版副标题样式 同的结构形式，最简单的就是单路模拟量输入通道。 多路模拟量输入通道结构组成如图所示。
模拟量输入通道2011
emax ＝±q/2≈±2mV。
在A/D转换器的输出位数n足够多时，可以使量化误差 达到足够小，就可以认为数字信号近似于采样信号。如果在 采样过程中，采样频率也足够高，就可以用采样、量化 后得到的一系列离散的二进制数字量来表示某一时间上连续 的模拟信号，从而可以由计算机来进行控制计算和处理。
模拟量输入通道的组成
AL,04H DX,AL
；使CE=1，启动转换
＋ －
R3
CS R /C
AGND A0 DGND
NOP NOP MOV AL,03H ； 使CE=0， CS =1 OUT DX,AL R1 POLLING: IN AL,DX ； 查询STS状态 TEST AL,80H 模拟输入 JNZ POLLING ；STS=1，则等待 MOV AL,01H ； 使CE=0 , R/C=1 OUT DX,AL R2 NOP MOV OUT MOV IN AND MOV INC AL,05H DX,AL DX,02C0H AL,DX AL,0FH BH,AL DX ；使CE=1，允许读出 ；读A口 ；将DB11 ～DB8存入BH中 ；读B口
DO00～DO11 ——12位数据输出，均带三态输出锁存缓冲器 10VIN ——模拟信号输入端，单极性0～10V， 双极性±5V 20VIN——模拟信号输入端，单极性0～20V， 双极性±10V BIPOFF ——双极性偏置端。0V时，输入单极性模拟信号； 10V，输入双极性模拟信号。 REFIN ——参考输入 REFOUT——参考输出端 VLOGIC ——逻辑电源+5V(4.5～5.5V)。 VCC——正电源+15V(13.5～16.5V)。 VEE ——负电源-15V(-13.5～-16.5V)。 AGND —— 模拟地 DGND —— 数字地 CS ——片选信号，低电平有效。 CE和CS必须同时有效，AD574A CE——片使能信号，高电平有效. 才能工作，否则处于禁止状态 R/C ——读出和转换控制信号，当0 时，启动A/D转换；
过程通道——模拟量输入通道
AD521、AD522、INA101等。
§2.5.2 信号处理
3、程控放大器 在模拟信号送到模数变换系统时，为减少转
换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能大。
如万用表、示波器等许多测量仪器的量程变 换等。 较容易想到的办法就是通过模拟开关改变反 馈电阻阻值，如下图所示。
§2.5.2 信号处理
在也有许多集成的程控放大器，如AD524、AD624、 PGA200等。
§2.5.2 信号处理
三、I/V变换
在模拟输入通道中AD一般只能将电压信号转换成 数字信号，故若传感器输出的是电流信号就必须采用 I/V转换电路进行变换。
无源I/V变换 有源I/V变换
§2.5.2 信号处理
无源I/V变换
最简单的无源I/V变换？
令电流通过一个精密电阻R，则电阻上的电压(V＝ I×R)就是所要转换的电压。 对于0～10mA输入 信号，可取R1=100Ω， R2=500Ω，且R2为精密 电阻，这样当输入的电 流为0～10mA电流时， 输出的电压为0～5V
§2.5.5 A/D转换技术
1、逐次逼近式
A/D转换芯片中包括逐次逼近寄存器SAR、D/A转 换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成如图所示。 转换过程如下： ①时序及控制逻辑给SAR最高位为“1”，其余为“0”， 经D/A转换为模拟电压Vf ，然后与输入电压Vx 比较，确 定该位； ②当Vx ≥Vf ，此位为“1”，置下位为“1”； ③当Vx < Vf ，此位为“0”，置下位为“1”。 ④按上述方法依次类推，逐位比较判断，直至确定SAR 的最低位为止。
§2.5.5 A/D转换技术
模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度 τ 一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持 所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之 后须加保持电路。
模拟量输入、输出通道
在能源管理系统中，模拟量输入/输出通道用于监测 和控制各种能源设备的运行状态，如电力、燃气等 ，实现能源的优化利用和节能减排。
医疗设备
在医疗设备中，模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制，如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化，从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值， 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%，但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型，正确连接信号线，避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备，应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件，如瞬态抑制二极管、滤波电容等， 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数，通常 以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz） 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高，表示模 拟量输入通道的误差越小，测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
医疗设备
在医疗设备中，模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制，如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化，从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值， 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%，但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型，正确连接信号线，避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备，应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件，如瞬态抑制二极管、滤波电容等， 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数，通常 以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz） 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高，表示模 拟量输入通道的误差越小，测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
第三章模拟量输入通道介绍
当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，
也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。
例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。 例题分析：图3-4给出了两个CD4051扩展为1×16路模拟开关的 电路。数据总线D3~D0作为通道选择信号，D3用来控制两个 多路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当 经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、 D0从000变为111，则依次选通S8~S15通道。如此，组成一个16 路的模拟开关。
在控制系统Байду номын сангаас，对被控量的检测往往采用各种 类型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压 法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下 是两种变换电路。
1. 无源I/V变换
2. 有源I/V变换
1.无源I/V变换
无源I/V变换电路是利用无源器件—电阻 来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如 图3-2（a）所示，其中R2为精密电阻。对于0-
当系统各个物理量随时间变化的规律不能用连续函数描述 时，而只在离散的瞬间给出数值，这种系统称为离散系
统。
离散系统的采样形式--有周期采样、多阶采样和随 机采样。应用最多的是周期采样。 周期采样--就是以相同的时间间隔进行采样，即把 一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定 的时间间隔T 转变为在瞬时0，T， 2T，…的一连串脉冲序列信号 y*(t)， 如图3-7所示。
R2 + R3 A R4 (b) 有源I/V变换电路 R5 V
(a) 无源I/V变换电路
图 2-2 电流/电压变换电路
图 3-2 电流/电压变换电路
也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。
例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。 例题分析：图3-4给出了两个CD4051扩展为1×16路模拟开关的 电路。数据总线D3~D0作为通道选择信号，D3用来控制两个 多路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当 经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、 D0从000变为111，则依次选通S8~S15通道。如此，组成一个16 路的模拟开关。
在控制系统Байду номын сангаас，对被控量的检测往往采用各种 类型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压 法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下 是两种变换电路。
1. 无源I/V变换
2. 有源I/V变换
1.无源I/V变换
无源I/V变换电路是利用无源器件—电阻 来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如 图3-2（a）所示，其中R2为精密电阻。对于0-
当系统各个物理量随时间变化的规律不能用连续函数描述 时，而只在离散的瞬间给出数值，这种系统称为离散系
统。
离散系统的采样形式--有周期采样、多阶采样和随 机采样。应用最多的是周期采样。 周期采样--就是以相同的时间间隔进行采样，即把 一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定 的时间间隔T 转变为在瞬时0，T， 2T，…的一连串脉冲序列信号 y*(t)， 如图3-7所示。
R2 + R3 A R4 (b) 有源I/V变换电路 R5 V
(a) 无源I/V变换电路
图 2-2 电流/电压变换电路
图 3-2 电流/电压变换电路
第2章 2.3 模拟量输入通道
同相放大器倍数 A=1+R4/R3
R4 25kΩ
V: 1～5V输出
2.3.3 多路转换器
由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因 此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某 一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟 开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。 目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具 有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、 8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16 路)等。所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也 可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。 双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输 入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。
孔径误差的大小：
－孔径时间内，信号的变化导致转换误差，如其大于量化误差， 则A/D转换的结果将不可靠。A/D转换器需要采样保持器来提 高输入信号的频率范围。
－采样保持器：把t=KT时刻的采样值保持到A/D转换结束。 采样：K闭合，CH快速充电，VOUT跟随VIN 保持：K断开，VOUT保持VC
采样保持器的组成
STOSW ; 数据存储 INC BL ; 更换通道 LOOP ADC MOV AL,00111000B; CE=0，CS, R/C, INH=1, 芯 片复位 MOV DX,2C2H ;C口 OUT DX,AL RET ENDP
AD574A
本节小结
模拟量输入通道是计算机测控系统、智能测量仪表以及以 微处理器为基础组成的各种产品的重要组成部分。 按照系统内信号的流向，依次介绍模拟量输入通道的各个 组成部分——I/V变换、多路模拟开关、采样保持器、A/D转换 器及其接口电路在2.1节已作了介绍。其中有些环节可以根据 实际需要来选择取舍。比如输入信号已是电压信号且满足A/D 转换量程要求，那就不必再用I/V转换和前置放大器；又如输 入信号变化缓慢而A/D转换时间足够短，能满足A/D转换精度， 也就不必用采样保持器；当可以利用A/D转换器内部的多路模 拟开关时，也可不用外部的多路模拟开关。但无论如何，其核 心器件——A/D转换器是不能缺少的。 最后给出一种8路12位A/D转换模板的电路原理图及其接口 程序。
模拟量输入通道
• 常用的采样保持芯片
3.5 A/D转换器
• A/D转换器的工作原理与性能指标 • 8位A/D转换器ADC0809及其接口电路 • 12位A/D转换器AD574A及其接口电路
3.5.1 A/D转换器的工作原理与性能指标
• 常用的A/D转换方式
◆
逐次逼近式：转换时间短，抗扰性差（电压比较）
ADC0809（8位），AD574A（12位）
3.3 前置放大器
• 可变增益放大器：
IN -
+
2 4 8 16 32 64 A1
16K
16K
80K 26.67K 11.43K 5.33K 2.58K 1.27K 630Ω 314Ω
(外接) V O UT
A3 负载
128
256 16K A2 16K
V IN
+
外接地
3.4 采样保持器
• 信号类型
流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机
可以接收的数字量信号。
• 组成：一般由信号调理电路、多路开关、采样
保持器、模/数转换器(简称A/D或ADC)和接口
电路等组成
3.1 模拟量输入通道的作用和组成
• 组成框图：
过 程 参 数
传 感 变 送 器
信 号 调 理
多 路 模 拟 开 关
前 置 放 大 器
◆
模拟信号
◆
离散模拟信号
数字信号
◆
◆
量化模拟信号
3.4 采样保持器
• 信号的采样
◆
采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔
抽样成离散模拟信号的过程。持器
• 信号的采样
◆
采样的形式
► ► ►
3.5 A/D转换器
• A/D转换器的工作原理与性能指标 • 8位A/D转换器ADC0809及其接口电路 • 12位A/D转换器AD574A及其接口电路
3.5.1 A/D转换器的工作原理与性能指标
• 常用的A/D转换方式
◆
逐次逼近式：转换时间短，抗扰性差（电压比较）
ADC0809（8位），AD574A（12位）
3.3 前置放大器
• 可变增益放大器：
IN -
+
2 4 8 16 32 64 A1
16K
16K
80K 26.67K 11.43K 5.33K 2.58K 1.27K 630Ω 314Ω
(外接) V O UT
A3 负载
128
256 16K A2 16K
V IN
+
外接地
3.4 采样保持器
• 信号类型
流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机
可以接收的数字量信号。
• 组成：一般由信号调理电路、多路开关、采样
保持器、模/数转换器(简称A/D或ADC)和接口
电路等组成
3.1 模拟量输入通道的作用和组成
• 组成框图：
过 程 参 数
传 感 变 送 器
信 号 调 理
多 路 模 拟 开 关
前 置 放 大 器
◆
模拟信号
◆
离散模拟信号
数字信号
◆
◆
量化模拟信号
3.4 采样保持器
• 信号的采样
◆
采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔
抽样成离散模拟信号的过程。持器
• 信号的采样
◆
采样的形式
► ► ►
《模拟量输入通道》课件
模拟信号
1 什么是模拟信号？
模拟信号是连续变化的信号，可以取无限个值。
2 模拟信号的特点和应用场景
模拟信号具有连续性和实时性，常用于声音、光学、气象等领域的信号传输。
数字信号
1 什么是数字信号？
2 数字信号的特点和应用场景
数字信号是离散变化的信号，只能取有 限个值。
数字信号可以进行精确的数值计算和存 储，常用于计算机、通信等领域。
电流型输入通道
适用于测量电流信号，常用于电化学、电 能检测等领域。
光学输入通道
适用于测量光强信号，常用于光纤通信、 光电检测等领域。
模拟量输入通道的应用举例
1 工业自动化
模拟量输入通道在工 业自动化系统中广泛 应用，用于监测和控 制生产过程中的各种 物理量。
2 传感器信号采集
模拟量输入通道可以 采集传感器的模拟信 号，用于分析和处理 传感器数据。
模拟量输入通道的工作原理
1
模拟量输入通道的基本原理源自模拟量输入通道通过模拟信号转
模拟量输入通道的信号转换
2
换器将连续的模拟信号转换为离 散的数字信号。
信号转换过程包括采样、量化和
编码，将模拟信号转换为数字信
号的离散数值。
3
模拟量输入通道的信号处理
数字信号经过滤波、放大和校准 等处理后，用于数据分析、控制 和监测。
模拟量输入通道的分类
按应用领域划分
根据应用领域的不同，模拟量输入通道可分 为工业自动化、仪器仪表等多个分类。
按信号类型划分
模拟量输入通道可以分为电压型、电流型、 电阻型和光学型等多种类型。
常见的模拟量输入通道
电压型输入通道
适用于测量电压信号，广泛应用于电子测 量、电力系统等领域。
第2章(1)模拟量输入通道
2.2 模拟量输入通道
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
2.2.1 模拟量输入通道的结构
模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器、采样保持 器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。
过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压) 形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各 个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过 程参数的巡回检测。
为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要 将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、 压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的 电信号变成0～10mA或4～20mA的统一信号，然后经过 模拟量输入通道来处理。
2.4.2 信号调理和I/V变换
1.信号调理电路 信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、 放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电 量和非标准的电信号转换成标准的电信号。 （1）非电信号的检测-不平衡电桥
y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值；
2、香农定理（采样定理）指出：为了使采样信号
y*(t)能完全复现原信号y(t)，采样频率f 至少要为原信号最高 有效 频率fmax的2倍，即f 2fmax。
采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频 率。实际应用中，常取f （5~10）fmax。
过程输入输出通道技术
数字量输入通道 数字量输出通道 模拟量输入通道 模拟量输出通道
明确概念
数字量(开关量)信号 开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，
继电器或接触器的吸合与释放，马达的启动 与停止，阀门的打开与关闭等。
共同特征:这些信号是以二进制的逻辑 “1”和“0”出现的，代表生产过程的一个 状态。
模拟量输入通道
4.2 多路模拟开关
２. 结构原理
现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构 为例， 路模拟开关的结构 现以常用的 为例 原理如下图所示。 由电平转换、 原理如下图所示。CD4051由电平转换、译码驱动 由电平转换 及开关电路三部分组成。当禁止端为“ 时 及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后 级通道断开， 端与Sm端不可能接通 级通道断开，即S0~S7端与 端不可能接通；当为 端与 端不可能接通； “0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端 时 则通道可以被接通， C、B、A的数值，就可选通 个通道 的数值， 个通道S0~S7中的一路。 中的一路。 、 、 的数值 就可选通8个通道 中的一路 比如： 选通； 比如：当C、B、A=000时，通道 选通；……当C、 、 、 时 通道S0选通 当 、 B、A = 111时,通道 选通。其真值表如下表 通道S7选通 、 时 通道 选通。其真值表如下表.
4.1 信号调理电路
1. 无源I/V变换 无源 变换
无源I/V变换电路是利用无源器件 电阻来实 无源 变换电路是利用无源器件—电阻来实 变换电路是利用无源器件 加上RC滤波和二极管限幅等保护 滤波和二极管限幅等保护， 现，加上 滤波和二极管限幅等保护，如下左图 所示，其中R2为精密电阻。对于 10 mA输入信号， 为精密电阻。 输入信号， 所示，其中 为精密电阻 对于0输入信号 可取R1=100 ，R2=500 ，这样当输入电流在 -10 这样当输入电流在0 可取 mA量程变化时，输出的电压就为 -5 V范围 而对 量程变化时，输出的电压就为0 范围;而对 量程变化时 范围 输入信号,可取 于4 -20 mA输入信号 可取 输入信号 可取R1=100 , R2=250 ，这 样当输入电流为4 样当输入电流为 -20 mA时，输出的电压为 - 5 V。 时 输出的电压为1 。
第三节 模拟量输入通道(03)
(2)ADC0809与MCS—51单片机接口
2）．AD574A
1）AD574A的引脚与结构
AD574A的单、双极性应用时的线路连接方法，以及零点和满度调整方法。
表4—X AD574A控制逻辑真值表
CE
0 × 1 1 1 1
CS
× 1 0 0 0 0
R C
× × 0 0 1 1
12 8
× × × × 1 0
第三节 模拟量输入通道
从时间到数值都连续变化的物理 量。这种连续变化的物理量，称之为 模拟量 模拟量要输入到计算机，首先要 经过模拟量到数字量的转换(简称A/D 转换)，计算机才能接收。实现模/数转 换的设备A/D(Analog to Digit)转换器或 ADC。
一、模拟量输入通道的组成
• 信号处理通常包括小信号放大、信号滤波、 信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性 补偿、电流/电压（I/V）转换等。 • 在小信号放大过程中，如果多个信号源的 信号幅值相差悬殊，既可以对每个信号源 单独设置放大电路，也可以设计一个可编 程放大器，各信号源共用，由计算机控制 它的闭环增益。
A0
× × 0 1 × 0
工作状态
禁止 禁止 启动12位转换 启动8位转换 12位并行输出 高8位并行输出 低4位加尾随4个0并行输 出
1
0
1
0
1
（2）AD574A与MCS—51单片机接口图
三、模拟量输入通道设计举例
二、A/D转换器及接口技术
• • • • • • • • 1.A/D转换器的主要技术指标 (a)分辨率与量化误差 (b)量程 (c)精度 (d)转换时间 (e)输出逻辑电平 (f)工作温度范围 (g)对基准电源的要求
第三章模拟量输入通道
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
；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
1.无源I/V变换
构成－－无源器件电阻＋RC滤波＋二极管限幅等实现， 取值: 输入0- 10 mA，输出为0 -5 V ，R1=100Ω，R2=500Ω；
输入4 -20 mA，输出为1 - 5 V，R1=100Ω，R2=250Ω； 电路图：
2. 有源I/V变换
构成－－ 运算放大器＋电阻电容组成；
（4）非线性误差
A/D转换器实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的 最大偏差。在转换器设计中，一般要求非线性误差不大于 1/2LSB。通常用非线性误差来表示A/D转换器的线性度。
3.5.2 ADC0809及其接口电路
主要知识点 1. ADC0809芯片介绍 2．ADC0809接口电路
1. ADC0809芯片介绍
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。
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。
将输入信号放大到A/D 可接受的范围
核心，实现A到D 的转换
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
；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
1.无源I/V变换
构成－－无源器件电阻＋RC滤波＋二极管限幅等实现， 取值: 输入0- 10 mA，输出为0 -5 V ，R1=100Ω，R2=500Ω；
输入4 -20 mA，输出为1 - 5 V，R1=100Ω，R2=250Ω； 电路图：
2. 有源I/V变换
构成－－ 运算放大器＋电阻电容组成；
（4）非线性误差
A/D转换器实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的 最大偏差。在转换器设计中，一般要求非线性误差不大于 1/2LSB。通常用非线性误差来表示A/D转换器的线性度。
3.5.2 ADC0809及其接口电路
主要知识点 1. ADC0809芯片介绍 2．ADC0809接口电路
1. ADC0809芯片介绍
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。
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。
将输入信号放大到A/D 可接受的范围
核心，实现A到D 的转换
第2章(1)模拟量输入通道讲解
结论 -保持器在采样期间，不启动A/D转换器， 保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证 A/D 转换时的模拟输入电压恒定，以确保 A/D转换精度
2.4.5、A/D转换器
模拟量输入通道的任务就是将模拟量转 换成数字量，能够完成这一任务的器件就 是模/数转换器,即A/D转换器，或简称 ADC。
A/D转换器种类
数字量由逐次逼近寄存器提供。 思路：
从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（0,1）。 例题: 以输出四位数字量a3a2a1a0为例: 1.输入1000到逐次逼近寄存器，以确定a3的值； 2.输入a3100到逐次逼近寄存器，以确定a2的值； 3.输入a3a210到逐次逼近寄存器，以确定a1的值； 4.输入a3a2a11到逐次逼近寄存器，以确定a0的值；
2、香农定理（采样定理）指出：为了使采样信号
采样保持器
零阶采样保持器--是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一 个采样时刻。
VIN A1 S
＋
－
VIN A2 VOUT t VOUT t
采样 (a ) 原理电路 保持
CH
构成－－输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH。
图 2-8 采样保持器
3、集成采样保持器
集成采样保持器将采样电路、保持器制作在 一个芯片上，保持电容外接，由用户选用。电容 的大小与采样频率及要求的采样精度有关。 集成采样保持器分三类：
1、用于通用目的的芯片， 如AD583K,AD582,LF398； 2、高速芯片，如THS-0025,THC-0300等； 3、高分辨率芯片，如SHA1144等。
（1）无源I/V变换
I/V变换的基本思想：电流 变换电路中各部分的作用：
？
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第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展 4、ADC0809介绍
1.内部结构
26 27 28 1 2 3 4 5
START
CLK
6
IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
10 7
EOC
8 路 模 拟 开 关
控制电路 三 态 输 出 锁 存 器
比较器
SFR
3、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 。
2.外部特性（引脚功能） D7：8位数字量输出端。 A、B、C：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。 EOC： A／D转换结束信号。 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。
第 2章 章 过程输入输出接口 第4 MCS-51单片机系统功能的扩展
微机控制技术
沈阳建筑大学 信息与控制工程学院
马斌
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展
第2章 过程输入输出接口
2.2 模拟量输入通道
2.3模拟量输入通道接口设计
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展 3.ADC0809工作时序
1/f CLOCK START ALE A,B,C 模拟量 输入 比较器内 部输入 OE EOC 输出 tD
tWS tWE
tEOC tC
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展
逻辑控制
CH
图13
2
采样保持器的组成
OFFSET
R1
V1
V2
VIN
IN IN
3 8 7
A1
K
A2
5
VO
A3
R2
6 CH
图14 集成采样保持器LF398的原理图
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展
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
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展
VDD
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。
VSS
INH A
B C
VEE
电平 转化
译码驱动电路
┅
X
X0 X1
┇
X7
┇
图11 表1
CD4051原理图
CD4051通道选择表
C B 0 0 A 0 1 X接通 X0 X1
0 INH0 0 … 0 1 0 … 1 ×
1 ×
1 ×
X7 全不通
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展
三、采样保持器
VIN
－
A1
＋
K VC
＋
A2
－
VOUT
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。
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。 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。
树状开关
ADDA ADDB ADDC ALE
21 20 19 18 8 15 14 17
DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
25 24 23 22
地址锁存 与译码器
256电阻阶梯
OE
11
VCC
13
GND
12
Vref+
16
Vref-
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展 2、逐次逼近式A/D转换器结构原理
UREF D/A
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
UIN （ 模拟输入 ） A B Ui 比较器
数 据 输 出
输出锁存器 控制逻辑 移位寄存器
时钟
START EOC
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展
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。
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展 A/D转换器分类图
电荷再分配A/D转换器 逐次逼近式A/D转换器 反馈比较型 直接A/D转换器 跟踪计数式A/D转换器 串联方式A/D转换器 非反馈比较型 A/D转换器 并联方式A/D转换器 串并联方式A/D转换器 单积分型A/D转换器 双积分型A/D转换器 电压-------时间变换器 间接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 电压--------频率变换型A/D转换器(V-F变换器)
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展 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。 一、 模拟量输入通道的一般结构
第4 2章 过程输入输出接口 MCS-51单片机系统功能的扩展 2.2 模拟量输入通道 多路模拟量输入通道结构图