多路模似转换器

12.2.2模拟I/O 通道建立

1.模拟I/O 通道概述1)模拟输入通道

微机系统的模拟输入通道，就是微机用来对单个或多个模拟量进行采集的A/D 通道，有时也叫前向通道。建立模拟输入通道的目的，通常是为了进行参数测量或数据采集。它的核心部件是A/D 转换器及其与微处理器的接口。但在许多情况下仅有它们还不够，按照实际模数转换的四个步骤，常常还需要用到采样保持器等电路；在需要采集或检测多个模拟信号的A/D 通道中，一般还需要用到模拟多路开关。

2)模拟输出通道

微机系统的模拟输出通道，则是微机用来发送单路或多路模拟信号的D/A 通道，有时也叫后向通道。建立模拟输出通道的目的，主要是为了对外部参数进行控制或对被采集的参数进行形象的记录显示，如在X —Y 记录仪上绘出曲线，在示波器上画出波形等。

模拟输出通道的基本组成部分同样有三种：D/A 转换器及其与MPU 的接口，这是不可少的核心部件；数字或模拟寄存器；模拟多路开关。具体组成取决于通道结构的形式。

2.模拟输入通道的结构形式

模拟输入通道的结构形式根据实际需要选定。粗分有单路通道和多路通道两种；细分，在单路、多路通道中又各有多种不同的形式。

1)不带采样保持器的单路模拟输入通道

这种模拟输入通道实际上就是第十一章讲过的ADC 及其与MPU 的接口，结构最简单，如图12.2所示。

一般只采集一个点的直流或低频信号时，可采用这种通道结构。那么，信号的频率低到什么程度可以用它呢?要求模拟输入电压的最大变化率与A/D 转换器的转换时间之间应满足下列关系：

max

dt

dv i ≤

CONV n

FS T V 1

2⋅其中：v i ——模拟输入电压；V FS ——ADC 满刻度电压值；n ——ADC 分辨率(位数)；T CONV

——ADC 转换时间。为了更便于理解，不妨将上面关系式变换一下：

ΔV i

CONV

i T dt

dv ⋅=

max

max

≤q V n

FS

=2

该式表明，在ADC 的转换时间内，输入电压的最大变化ΔV i max 应小于ADC 的量化电平q 。例如，A/D 转换芯片的V FS =10V,n=10位，T CONV =0.1s ，则要求输入电压的最大变化率不能超过0.1V/s 。如果超过这个值，在采用同样ADC 芯片的情况下，就不能采用这种简单的模入通道，而要采用带采样保持器的模入通道；如果还想采用这种简单的模入通道，就必须改换速度更快或分辨率更高的ADC 芯片。

2)带采样保持器的单路模拟输入通道

当模拟输入信号的变化率比较大时，逐次比较式ADC 会产生相当大的非线性误差，这是它的一个缺点。为了改善这种情况，一般需要在ADC 前面增加一个采样保持电路(S/H)，使模拟输入通道变为如图12.3所示的形式。

图12.2不带采样保持器的单路模拟输入通道

图12.3带采样保持器的单路模拟输入通道

上述两种单路模拟输入通道只能采集一个模拟信号。当需要采集多个模拟信号时，就必须使用多路模拟输入通道结构。多路模拟输入通道结构一般有两类：各路独立转换的多路模入通道；各路分时转换的多路模入通道。后者的结构形式通常又有两种：同时采样、分时转换型和分时采样、分时转换型。下面分述这几种多路模拟输入通道结构。

3)各路独立转换的多路模拟输入通道

这种通道结构的特点是各路模拟输入信号都对应有自己独立的A/D转换通道，因此可以允许对各路信号同时采样、同时转换，同时得到转换结果，所以也叫同时采样、同时转换型多路模拟输入通道，如图12.4所示。这种结构的采样频率可以达到几乎与单路一样高，特别适合于要求描述系统性能的各项参数必须是同一时刻数据的高速采集、控制系统。

4)同时采样、分时转换型多路模拟输入通道

这种结构比前几种多了一个模拟多路开关(MUX—Multiplexer)，以适应分时转换的需要，如图12.5所示。多路开关在这里是起多路选择的作用，通过它可对各路采样保持器的输出模拟信号顺序地或随机地切换到一个公共的ADC进行转换。所以这种结构的工作原理和特点是：各路同时采样、分时转换，或叫并行采样、串行转换。

图12.4各路独立转换的多路模拟输入通道

图12.5同时采样、分时转换型多路模拟输入通道

这种结构的模拟输入通道，只用了一个ADC，与前一种结构相比，其优点是显然的，

即节省了硬件。但速度却必然降低，精度也受到影响(多路开关会引入新误差)。而且一般说来，多路传输的信号数目越多，采样频率就越低。可见，通过分时转换来获得硬件上的简化和成本的降低，是以牺牲一定的转换速度和精度为代价的。所以多路信号分时共享ADC的结构方案只是在总的系统的精度和速度允许压缩的情况下才可以应用。

不过，在实际的测控系统中，被测信号的变化速度与目前ADC芯片所能达到的转换速度相比，大多是很慢的。因此这种结构在实际中，特别在多点参数的巡回检测系统中，应用非常广泛。正因如此，为了适应方便组成这种通道结构的需要，集成电路生产厂家已推出了一些多通道型ADC芯片，如ADC0808/0809(8位8通道)、ADC0816/0817(8位16通道)等。

5)分时采样、分时转换型多路模拟输入通道

如图12.6所示，这种模拟输入通道结构将各路分时共享的范围扩大到全套通道设备，通过多路开关将各路模拟输入信号分时输入到采样保持器，经采样保持后进行A/D转换。这种通道结构在精度上与上一种结构差不多，速度更慢些，但进一步节省了硬件，降低了成本。所以在实际的巡回检测系统中比上一种结构用得还多。

上面只是介绍了几种常见的模拟输入通道结构，要想使各种结构的模拟输入通道正常地工作，关键是从硬件和软件两方面设计好通道接口。比如对于图12.6所示的多路模拟输入通道，其接口起码应完成以下几项工作：

（1）向MUX发出通道切换控制信号(顺序或随机切换)。

（2）向采样保持器发出控制信号。

（3）向ADC发出启动转换信号。

（4）向MPU传送A/D转换结束信号。

（5）将A/D转换结果送到MPU的数据存储区。

并且，前三种设备控制信号必须满足正确的时序关系。

3.模拟输出通道的结构形式

和模拟输入通道一样，同样有单路、多路之分。

1)单路模拟输出通道

这实际上就是第十一章讲过的DAC及其与MPU的接口，如图12.7所示。

图12.6分时采样、分时转换型多路模拟输入通道

图12.7单路模拟输出通道

2)多路模拟输出通道

多路模拟输出通道主要是解决数据如何分配或数据如何存储的问题。目前使用的数据分配方法主要有数字分配和模拟分配两种。