《计算机控制》PPT课件

三、 A／D转换器的外围电路
1、模拟多路开关 模拟多路开关又称多路转换器，用来切换模
拟电压信号。可以将各路模拟信号依次连接到程 控放大器或A/D转换器上。
以CD4051为例。
CD4051多路开关
图8-34 CD4051多路开关引脚图
说明： VEE：负电源 VSS：地端 VDD：正电源 INH：为允许／禁止输出控制
X2
0
01 1
X3
ຫໍສະໝຸດ Baidu
0
10 0
X4
0
10 1
X5
0
11 0
X6
0
11 1
X7
1
xx x
无
2、采样保持器
• 采样保持器是对输入信号进行采集、保持的器 件，采集瞬时电压信号并保持。
• 采样开关闭合时，模拟信号经放大器输入，送给A/D转换器进行转换。而A/D转 换是需要一定时间的，为了在这段时间里将采集的信号维持不变，保证转换精 度，需加采样保持器。
量输入通道及接口
2.3 模拟
四、 A/D转换器
根据工作原理， A/D转换器最常用的有两种：双 积分式A/D转换器和逐位逼近式A/D转换器。 １、双积分A/D转换器原理: 图8-17
组成：积分器、比较器、电子开关、计数器、定时与 控制逻辑五部分组成。
原理：采用间接测量原理，将被测电压转换成时间常 数T。一次转换需要2次积分，故称双积分。
采样保持器基本组成
模拟开关：采样或保持 保持电容：保持输入电压 缓冲放大器：隔离保持电容与负载
采样保持器工作原理
采样过程: 当控制信号为高电平（即采用阶段）时，开关S闭合，输入信号通过电阻R向保 持电容C充电。通常，要求充电时间越短越好，以使电容迅速达到输入电压值。
保持过程: 控制信号为低电平（即保持阶段）时，开关S断开， V0保持S断开时的电压值。 A／D转换器就根据电容C上的电压进行整量化。
7.68
8.0 8.16 8.24 8.28
是使用最广泛的ADC, 16位以下的A/D转换时，速度和精度都可以。
举例说明工作过程
设逐次逼近寄存器SAR 是8位，基准电
压-10.24V， 模拟输入电压8.3V，转换成二 进制数码。工作过程如下：
转换开始之前，先将SAR 清零；
转换开始，第一个时钟脉冲到来时，SAR
的状态置为10000000，经D／A转换器转
A/D转换过程：①先对被测输入电压Vx进行固定时间T 0的正向积分，②然后控制逻辑将电子开关接参考电 压进行反向积分，直至反向积分输出返回到起始值。
③用高频标准时钟脉冲测量反向积分时间T，得到相 应于输入电压的数字量。
由于参考电压与输入电压反向，且参考电压恒定，所 以反向积分斜率固定,反向积分时间T正比于输入电压。
冲器。 信号：Vx ----待转换的输入模拟电压； Vs ----- D/A转换后的模拟电压；
A/D转换过程： (1)微机发出‘启动’信号，清除寄存器各位； (2)由控制逻辑将SAR寄存器的最高位置1； (3)D/A转换器将10000000转成Vs ;
(4) 比较器比较Vx和Vs，若Vx>Vs, 比较器输出1，说明前 步置1正确,予以保留；若Vx<Vs, 比较器输出0，说明前步置1 不正确，清除之；
二、模入通道结构形式
• 1）多路信号源共享采样保持器和A／D转换器
• 节省硬件资源，成本较低，但转换速度较慢，常用于分时采样和分时转换的控制 系统中。
2）多路同时采样、分时转换模入通道
• 多用于转换速度、精度要求不高，需同时采集、分时转换的控制系统，如多点巡回检 测系统。
3）多路A／D通道
• 同步高速数据采集、同步转换的控制系统，成本较高。
11100000，经D／A 转换器产生反馈电
压 Uf
7.68
10.24 23
8.96
V， 因Ui
<
Uf
，
SAR 此位应置“ 0 ”。SAR 状态改
为
11000000。
第四个时钟脉冲到来时，SAR 状态又置
为11010000，......。
1 时钟脉冲
U
10.24
Ui
5.12
234 56 78
8.96 8.32
转换成反馈电压 Uf
1 2
U
REF
5.12
V，反
反馈到比较器与Ui比较。因为，Ui > Uf，
予以保留此位的“1” 。
第二个时钟脉冲到来时，SAR 置为
11000000码，经过D／A转换器产生反馈
电压 U f
5.12
10.24 22
7.68
V，因Ui
>
Uf
，
故保留此位“1”。
第三个时钟脉冲到来时，SAR 状态置为
结论: (1)双积分A/D分辨率提高，需提高时钟频率或降 低Vref。(2)提高时钟频率，需采用采用高速器件，以 提高转换电路的工作速度. 特点: （1）精度高; （2）对交流干扰有较强的抑制能力，因是积分过程; （3）转换过程较慢，因有2个积分过程。
2、逐位逼近式A/D转换器原理
如图 8-18 （二分搜索法） 组成：D/A转换器、比较器、逐次逼近数字寄存器（SAR）、控制逻辑、输出缓
端。当INH为“1”时，前后级通道断开， 当INH为“0”时，正常选通。
C,B,A：地址信号 X：输出/输入公共端。
X0
VDD
X1
VEE
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X
INH
A
B
VSS
C
输入通道及接口
2.3 模拟量
CD4051多路开关译码逻辑
INH
CB A
与3相连的信号
0
00 0
X0
0
00 1
X1
0
01 0
2.3 模拟量输入通道及接口
一、 模拟量输入通道结构
过
信号处理
多 路
放大器
采样保持器
A/D转换器
接 口
CPU总线
程检
转
参测
换
数
信号处理
器
控制
CPU总线
利用传感器将信号源检测的非电量转换为电量，并进行信号处理、滤波、 多路转换、信号放大等，经采样保持器，将模拟信号变换成时间上离散的采样 保持信号后，送至A／D转换器将模拟保持信号转换成数字信号，再经I／O接口 电路送入计算机 .
(5)置次高位为1， 重复（3）、（4）步，直到SAR所有寄存器 位处理完。 (6)控制逻辑发‘转换结束’信号，通知CPU，可以读取数据。
结论：
(1)逐次逼近式A/D转换器的精度取决于D/A的精度，与比较器有关； (2)A/D转换的满量程是D/A输入为全1时的输出电压。即如果Vref = 5V, 则VsMax = 5V。当Vx>5V时，数字量输出全为1。即只能对0-5V的Vx 有效转换，大于5V时达到了满量程。 (3)D/A的位数越高，分辨率越高，转换时间越长。