3智能仪器的输入通道及接口技术讲解
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第二章 智能仪器模拟量输入输出通道.ppt
译清码而③0选得，转通到转换某转换过一换结程通结束在道果标时的输志钟模出E脉拟O。C冲信变C号为LK进低的入电控比平制较，下器在进；S行TA；RT的下降沿开
始转换；
9
3.ADC0809引脚功能
IN0～IN7：8路模拟电压输入。
ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信号。
ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。 D7～D0（2-1～2-8）：8位二进制数码输出。 OE：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1时，打开输出 锁存器的三态门，将数据送出。
UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端。
10
CLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz的时钟信号。 START：A/D转换启动信号，为一正脉冲。在START的上升 沿将逐次比较寄存器SAR清0，在其下降沿开始A/D转换过 程。 EOC： 转 换 结 束 标 志 输 出 信 号 。 在 START 信 号 上 升 沿 之 后 EOC信号变为低电平；当转换结束后，EOC变为高电平。此 信号可作为向CPU发出的中断请求信号。
量化误差是由于ADC有限字长数字量对输 入模拟量进行离散取样（量化）而引起的误
差。其大小在理论上为一个单位。
3
(2) 转换精度
转换精度反映了一个实际ADC与理想ADC 在量化值上的差值。包括偏移误差、满刻度误 差、非线性误差、微分非线性误差。
偏移误差：输出为零时，输入不为零的值。
满刻度误差：又称增益误差是指ADC输出达到 满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间 的差值。
第2章 智能仪器 模拟量的输入/输出通道
1
主要内容：
模拟量输入通道 高速模拟量输入通道 模拟量输出通道 数据采集系统
2
第三章 智能仪器的模拟输入通道与模拟输出通道设计
由上式可知，通过调节电阻RG，可以很 方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采 用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。
在实际的设计过程中，可根据模 拟信号调理通道的设计要求，并结合
仪用放大器的以下主要性能指标确定 具体的放大电路。
1. 非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线与
理想直线的偏差。
当增益为1时，如果一个12位A/D转换器
适的分辨力，常采用可变增益放大器。
在智能仪器中，可变增益放大器的增
益由仪器内置计算机的程序控制。这种由
程序控制增益的放大器，称为程控放大器
图3.10 程控放大器原理框图
由多路模拟开关和通用集成运算放大器构成
1、单运放式
电子开关：
“0”－导通 “1”－断开
2、多运放并联式
通过控制开关将不同增益的放大单元接到输出
系统的可靠性。
由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了 输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点： 能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止 高压对低压信号系统的损坏。 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提 供偏流返回通路。 共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或 电流）进行准确、安全的测量。
应的执行电路统称为信号调理电路。
传感 器
前置放 大
低通
陷波
高通
至采集 电路
图3.4 典型调理电路的组成框图
一、传感器的选用
传感器是信号输人通道的第一道环节，也
是决定整个测试系统性能的关键环节之一。
要正确选用传感器，首先要明确所设计的
测试系统需要什么样的传感器——系统对传感
器的技术要求；其次是要了解现有传感器厂家
路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、
智能仪器3人机接口选编课件
芯片使能
14位减法定时/计数器
PA扩展口 PB扩展口 PC扩展口
4. 矩阵式非编码键盘接口设计-8155端口地址
CE IO/M A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
端口
0 1 0 0 0 命令/状态
0 1 001
PA口
0 1 010
PB口
0 1 011
PC口
0 1 1 0 0 计数器低8位
8031 ALE
P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7
74LS373
CLK
RL7
RL6
A0
RL5
RL4
RL3
RL2
RL1
D0
RL0
D1
D2
D3
SL0
D4
SL1
D5
SL2
D6 8279
D7
74LS138 Y0
Y7
P2.7 WR RD
INT1
1
CS WR RESET
输入端口 列线
A键：0 1 1
列码 1110 1101 1011 0111 1110 1101
1011
3. 矩阵式非编码键盘——线反转法
+5V
5.1K×4
5.1K×4
P1.0 1 1 01 1 0 0 0
P1.7 0
+5V 5.1K×4
P1.0 1 1 0 1 1 0 1
P1.7 1
中断
&
中断
&
+5V +5V 5.1K×4
0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S ❖ 输入方式设置；
0 0 0 0 0 0 1 D C B ❖ 显示开关控制；
14位减法定时/计数器
PA扩展口 PB扩展口 PC扩展口
4. 矩阵式非编码键盘接口设计-8155端口地址
CE IO/M A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
端口
0 1 0 0 0 命令/状态
0 1 001
PA口
0 1 010
PB口
0 1 011
PC口
0 1 1 0 0 计数器低8位
8031 ALE
P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7
74LS373
CLK
RL7
RL6
A0
RL5
RL4
RL3
RL2
RL1
D0
RL0
D1
D2
D3
SL0
D4
SL1
D5
SL2
D6 8279
D7
74LS138 Y0
Y7
P2.7 WR RD
INT1
1
CS WR RESET
输入端口 列线
A键：0 1 1
列码 1110 1101 1011 0111 1110 1101
1011
3. 矩阵式非编码键盘——线反转法
+5V
5.1K×4
5.1K×4
P1.0 1 1 01 1 0 0 0
P1.7 0
+5V 5.1K×4
P1.0 1 1 0 1 1 0 1
P1.7 1
中断
&
中断
&
+5V +5V 5.1K×4
0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S ❖ 输入方式设置；
0 0 0 0 0 0 1 D C B ❖ 显示开关控制；
《智能化仪器原理及应用》课件第3章
第3章 智能仪器的数据通信与接口技术
图3-5 带RS－232C接口的通信设备连接
第3章 智能仪器的数据通信与接口技术
2 “请求发送”（RTS）与“为发送清零”（CTS）信号 线用于半双工通信方式。半双工方式下发送和接收只能分时 进行，当DTE有数据待发送时，先发“请求发送”信号通知 调制解调器。此时若调制解调器处于发送方式，回送“为发 送清零”信号，发送即开始。若调制解调器处于接收方式， 则必须等到接收完毕转为发送方式时，才向DTE回送“为发 送清零”信号。在全双工方式下，发送和接收能同时进行，
第3章 智能仪器的数据通信与接口技术 表3-1 RS－232C标准串行接口总线的常用信号线
引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 20 22
符号 保护地 TXD RXD
RTS CTS DSR GND DCD DTR RI
方向
Out In Out In In
In Out In
功能
发送数据 接收数据 请求发送 为发送清零 DCE 就绪
第3章 智能仪器的数据通信与接口技术
图3-1 全双工、半双工、单工示意图
第3章 智能仪器的数据通信与接口技术
（1）单工（Simplex）方式：相互通信的任何一方仅允
（2）半双工（Half Duplex）方式：通信的双方既可 以发送又可以接收数据，但是发送和接收数据只能分时使用 同一传输线路，即在某一时刻只允许进行一个方向的数据传
第3章 智能仪器的数据通信与接口技术
图3-9 RS－232C与TTL电平变换器
第3章 智能仪器的数据通信与接口技术
4. 计算机中的数据是并行的，为了实现异步串行传输，发 送时必须进行并-串转换，而且要把数据字符组织成如图3-2 所示的数据格式；接收时必须从图3-2所示的格式中把有用 的字符提取出来，再进行串/并转换。此外，还要检验传送 是否正确。这些工作一般采用专用集成电路芯片UART（通 用异步接收器/发送器）来完成。UART作为计算机的串行通 信接口电路芯片，在相应的控制软件配合下，实现异步串行 数据传输。UART芯片种类很多，常用的有Intel8251、8250、 ZilogZ80 SIO、MotorolaMC6850等。许多单片计算机也具 有UART功能，详细内容读者可参阅有关的书籍和产品手册。
智能仪器通信接口介绍
网络通信接口：以太网、Wi-Fi、 蓝牙等
现场总线通信接口：CAN、 Profibus、Modbus等
通信接口的作用
数据传输：实现仪器与 计算机之间的数据传输
控制操作：实现对仪器 的远程控制和操作
状态监测：实时监测仪 器的工作状态和参数
故障诊断：及时发现并 诊断仪器的故障问题
数据存储：将仪器采集的 数据存储到计算机中，便
医疗设备：智能仪 器通信接口在医疗 设备领域的应用也 越来越广泛，如医 疗监测、远程诊断 等。
汽车电子：智能仪 器通信接口在汽车 电子领域的应用也 越来越广泛，如自 动驾驶、智能导航 等。
更智能的通信接口
更高速的传输速度 更安全的数据传输 更节能的通信方式
更广泛的兼容性 更便捷的连接方式 更智能的通信协议
析，为医疗研究提供
数据支持。
远程医疗：智能仪器
通信接口可以实现远
程医疗，让医生和患
2
者在不同地点进行实
时交流和诊断。
3
医疗设备监控：智能
仪器通信接口可以实
现医疗设备的实时监
控，提高医疗设备的
安全性和可靠性。
科研领域
01
智能仪器通信接口在科 研领域中用于数据采集 和分析
02
科研人员可以通过智能 仪器通信接口实现远程 控制和监测实验设备
更高速的通信接 口可以支持更多 的数据传输协议， 提高设备的兼容 性。
更广泛的应用领域
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
工业自动化：智能 仪器通信接口在工 业自动化领域的应 用越来越广泛，如 生产线监控、设备 远程控制等。
智能家居：智能仪 器通信接口在家居 领域的应用也越来 越多，如智能照明、 智能安防等。
现场总线通信接口：CAN、 Profibus、Modbus等
通信接口的作用
数据传输：实现仪器与 计算机之间的数据传输
控制操作：实现对仪器 的远程控制和操作
状态监测：实时监测仪 器的工作状态和参数
故障诊断：及时发现并 诊断仪器的故障问题
数据存储：将仪器采集的 数据存储到计算机中，便
医疗设备：智能仪 器通信接口在医疗 设备领域的应用也 越来越广泛，如医 疗监测、远程诊断 等。
汽车电子：智能仪 器通信接口在汽车 电子领域的应用也 越来越广泛，如自 动驾驶、智能导航 等。
更智能的通信接口
更高速的传输速度 更安全的数据传输 更节能的通信方式
更广泛的兼容性 更便捷的连接方式 更智能的通信协议
析，为医疗研究提供
数据支持。
远程医疗：智能仪器
通信接口可以实现远
程医疗，让医生和患
2
者在不同地点进行实
时交流和诊断。
3
医疗设备监控：智能
仪器通信接口可以实
现医疗设备的实时监
控，提高医疗设备的
安全性和可靠性。
科研领域
01
智能仪器通信接口在科 研领域中用于数据采集 和分析
02
科研人员可以通过智能 仪器通信接口实现远程 控制和监测实验设备
更高速的通信接 口可以支持更多 的数据传输协议， 提高设备的兼容 性。
更广泛的应用领域
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
工业自动化：智能 仪器通信接口在工 业自动化领域的应 用越来越广泛，如 生产线监控、设备 远程控制等。
智能家居：智能仪 器通信接口在家居 领域的应用也越来 越多，如智能照明、 智能安防等。
智能仪器第2章 输入通道
Vi
+
-
A
Rf
Vo
R
Rf Af = 1+ R
1.1 多档程控同相放大器
Vi
R//Rf
+ A R f0
Vo
CA C B YX 闭环增益 R f0
R f1
R f2 R f3 CA CB R
00
Y0
A f =1 +
R
R f1 R R f2
01
Y1
A f =1 +
10
Y2
A f =1 +
R
R f3 R
11
6 VIN(+) 7 VIN(-) 8 AGND 10 DGND
DB6 12 DB 13 DB4 14 DB 15
DB2 16 DB 17
3 5
7
输入
DB0~7
DB0 18
1
工作时序
1并行输出A/D转换器接口
1.2 高于8位的并行输出ADC接口
DB0 DB7
三态缓冲器
数据总线
ADC
DB8 DB11 CS WR/RD EOC
CLK1
时钟
4 位十进制计数器
2串-并行输出A/D转换器接口
2.2 MC14433 A/D 和 8031 /51接口
+5V CLK1 C1 CLK0 R1 C01 C02 Vi VR AGND -5V Q0 Q3 DS1 DS4 EOC DV VEE DGND P1.0 INT1 P1.7
3串行输出A/D转换器接口
2
Rf
A +
K0
Vo
K1
••••••
R
2R
I
智能仪器的通信接口技术ppt
应用
03
由于其传输速度快、通用性强、使用方便等特点，因此广泛应用于各种设备之间的通信，如计算机与外部设备、智能手机与充电器等。
定义
特点
应用
网络接口
04
通信接口技术的优化和改进
光纤通信具有极高的传输速度，能够满足大量数据的高速传输需求。
使用光纤传输数据
高速传输
光纤传输不受电磁干扰，稳定性优于传统的铜线传输。
在智能仪器中，通信接口是实现仪器与外部设备或系统进行数据传输的关键部分。
智能仪器通信接口的作用包括：实现数据传输、远程控制、故障诊断等功能。
包括RS-232、RS-485、SPI等，通过串行通信方式实现数据传输。
串行通信协议
如USB、IEEE 1394等，通过并行通信方式实现数据传输。
并行通信协议
xx年xx月xx日
智能仪器的通信接口技术
目录
contents
智能仪器简介通信接口技术基础智能仪器的通信接口技术通信接口技术的优化和改进智能仪器通信接口技术的发展趋势
01
智能仪器简介
一种基于微处理器和嵌入式系统技术的测量仪器，具有自动化、智能化、多功能和高性能的特点。
智能仪器
智能仪器由传感器、微处理器、存储器、显示器等组成，通过接口与计算机或其他设备连接，实现数据采集、处理、显示和存储等功能。
移动设备接口
云计算服务
利用大数据技术对智能仪器产生的海量数据进行处理和分析，挖掘数据的潜在价值，提高仪器的智能化水平。
大数据技术
云端应用程序
基于云计算和大数据的智能仪器通信接口技术
开发适用于云端服务的智能仪器应用程序，实现远程访问和控制智能仪器。
将智能仪器的数据传输到云端服务器，通过云端服务器进行数据处理和分析，实现远程监控和管理。
03
由于其传输速度快、通用性强、使用方便等特点，因此广泛应用于各种设备之间的通信，如计算机与外部设备、智能手机与充电器等。
定义
特点
应用
网络接口
04
通信接口技术的优化和改进
光纤通信具有极高的传输速度，能够满足大量数据的高速传输需求。
使用光纤传输数据
高速传输
光纤传输不受电磁干扰，稳定性优于传统的铜线传输。
在智能仪器中，通信接口是实现仪器与外部设备或系统进行数据传输的关键部分。
智能仪器通信接口的作用包括：实现数据传输、远程控制、故障诊断等功能。
包括RS-232、RS-485、SPI等，通过串行通信方式实现数据传输。
串行通信协议
如USB、IEEE 1394等，通过并行通信方式实现数据传输。
并行通信协议
xx年xx月xx日
智能仪器的通信接口技术
目录
contents
智能仪器简介通信接口技术基础智能仪器的通信接口技术通信接口技术的优化和改进智能仪器通信接口技术的发展趋势
01
智能仪器简介
一种基于微处理器和嵌入式系统技术的测量仪器，具有自动化、智能化、多功能和高性能的特点。
智能仪器
智能仪器由传感器、微处理器、存储器、显示器等组成，通过接口与计算机或其他设备连接，实现数据采集、处理、显示和存储等功能。
移动设备接口
云计算服务
利用大数据技术对智能仪器产生的海量数据进行处理和分析，挖掘数据的潜在价值，提高仪器的智能化水平。
大数据技术
云端应用程序
基于云计算和大数据的智能仪器通信接口技术
开发适用于云端服务的智能仪器应用程序，实现远程访问和控制智能仪器。
将智能仪器的数据传输到云端服务器，通过云端服务器进行数据处理和分析，实现远程监控和管理。
智能仪器人机接口介绍课件模板
智能仪器人机接口介绍课件
演讲人
目录
01. 智能仪器人机接口概述 02. 智能仪器人机接口设计原则 03. 智能仪器人机接口设计方法 04. 智能仪器人机接口发展趋势
智能仪器人机接口概述
人机接口的定义
01
人机接口是人 与机器之间的
通信通道
02
人机接口包括 输入设备和输
出设备
03
输入设备包括 键盘、鼠标、
案例六：智能教 育系统的设计 6
案例五：智能交 通系统的设计 5 案例四：智能医 疗设备的设计 4
案例一：智能语音 1 助手的设计
案例二：智能家居 2 控制系统的设计 案例三：智能穿戴 3 设备的设计
智能仪器人机接口发展趋 势
智能化趋势
1
人工智能技术的 应用：智能仪器 将更加智能化， 能够自主学习和 适应环境
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
易用性：界面设 计应易于理解和 使用，降低用户 的学习成本
实用性：界面设 计应满足实际需 求，提供有效的 功能
灵活性：界面设 计应具备可扩展 性和可定制性， 满足不同用户的 需求
稳定性：界面设 计应保证系统的 稳定性和可靠性， 避免出现错误和 崩溃
美观性原则
04
交互功能：提供用户 与仪器之间的交互方 式，如菜单、提示信 息等
05
通信功能：实现仪器 与计算机或其他设备 的数据传输和通信
06
安全功能：保障用户 和仪器的安全，如密 码保护、安全认证等
人机接口的重要性
01
04
增强用户体验：人机接口 可以提供更直观、友好的 操作界面，增强用户体验。
03
提高安全性：人机接口可 以实时监控设备运行状态， 提高设备安全性。
演讲人
目录
01. 智能仪器人机接口概述 02. 智能仪器人机接口设计原则 03. 智能仪器人机接口设计方法 04. 智能仪器人机接口发展趋势
智能仪器人机接口概述
人机接口的定义
01
人机接口是人 与机器之间的
通信通道
02
人机接口包括 输入设备和输
出设备
03
输入设备包括 键盘、鼠标、
案例六：智能教 育系统的设计 6
案例五：智能交 通系统的设计 5 案例四：智能医 疗设备的设计 4
案例一：智能语音 1 助手的设计
案例二：智能家居 2 控制系统的设计 案例三：智能穿戴 3 设备的设计
智能仪器人机接口发展趋 势
智能化趋势
1
人工智能技术的 应用：智能仪器 将更加智能化， 能够自主学习和 适应环境
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
易用性：界面设 计应易于理解和 使用，降低用户 的学习成本
实用性：界面设 计应满足实际需 求，提供有效的 功能
灵活性：界面设 计应具备可扩展 性和可定制性， 满足不同用户的 需求
稳定性：界面设 计应保证系统的 稳定性和可靠性， 避免出现错误和 崩溃
美观性原则
04
交互功能：提供用户 与仪器之间的交互方 式，如菜单、提示信 息等
05
通信功能：实现仪器 与计算机或其他设备 的数据传输和通信
06
安全功能：保障用户 和仪器的安全，如密 码保护、安全认证等
人机接口的重要性
01
04
增强用户体验：人机接口 可以提供更直观、友好的 操作界面，增强用户体验。
03
提高安全性：人机接口可 以实时监控设备运行状态， 提高设备安全性。
智能仪器人机接口介绍课件
人机接口的发展趋势
01
智能化：人机接口将 更加智能化，能够更 好地理解用户的意图
和需求
03
多模态交互：人机接 口将支持多种交互方 式，如语音、触摸、 手势等，以满足不同
用户的需求
02
自然交互：人机接口 将更加自然，用户可 以通过语音、手势、 眼神等自然方式进行
交互
04
自适应：人机接口将 更加自适应，能够根 据用户的习惯和需求 进行自我调整和优化
智能安防系统： 实时监控家中 情况，防盗报 警
智能家电：远 程控制家电， 实现节能、便 捷的生活体验
01
易用性：界面设计应简单明了， 易于操作
02
灵活性：界面设计应能适应不 同用户的需求和操作习惯
03
稳定性：界面设计应保证系统 的稳定性和可靠性
04
扩展性：界面设计应具有良好 的扩展性，便于升级和维护
美观性
01
界面布局： 简洁明了， 易于理解
02
色彩搭配： 协调统一， 符合审美
03
图标设计： 形象生动， 易于识别
高识别准确率
应用场景：语音 输入、语音翻译、
2 语音搜索等
3
技术难点：口音、 噪音、背景音等 干扰因素
易用性
01
界面简洁明了，易于理解和 操作
03
提供清晰的反馈和提示信息， 便于用户了解操作结果
02
功能布局合理，符合用户操 作习惯
04
提供多种操作方式，满足不 同用户的需求
功能性
01 02 03 04
智能仪器人机接口 的目的是实现人与 智能仪器之间的有
效沟通和协作
硬件部分包括显示 器、键盘、鼠标等
输入输出设备
智能仪器模拟量输入输出通道课件
二、 ADC0809芯片及其接口
二、 ADC0809芯片及其接口
2.1.2 逐次比较式A／D转换器与计算机接口
A／D转换器与微处理器连接方式以及智能仪器要求的不同，实现A／D转换软件的控制方式就不同。目前常用的控制方式主要有： 1． 程序查询方式： 2． 延时等待方式： 3． 中断方式：
三、A／D转换器的分类
① 逐次比较式A／D转换器：转换时间一般在μs级，转换精度一般在0.1％上下，适用于一般场合。 ② 积分式A／D转换器：其核心部件是积分器，因此转换时间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01％或更高。适于数字电压表类仪器采用。 ③ 并行比较式又称闪烁式：采用并行比较，其转换时间可达ns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。 ④ 改进型是在上述某种形式A／D转换器的基础上，为满足某项高性能指标而持原有较高转换速率的前提下精度可达0.01％以上。
2.1 模拟量输入通道
2.1.1 A／D转换器概述
A／D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。
一、A／D转换器的定义
分辨率与量化误差 转换精度 转换速率 满刻度范围
二、A／D转换器的技术指标
b． 延时等待方式 MOV DPTR， #0FEF8H MOV A， #00H MOVX ＠DPTR， A ；启动IN0通道 MOVX R2， #48H WAIT：DJNZ R2， WAIT ；延时约140μs MOVX A， ＠DPTR MOV 30H， A ；转换结果存30H
二、A／D转换器的技术指标
分辨率与量化误差
分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。例如：某A/D转换器为12位，若用百分比表示，即表示该转换器可以用212个二进制数对输入模拟量进行量化，其分辨力为1LSB。 若用百分比表示，其分辨率为（1/212)×100％ =0.025％，若允许最大输入电压为10V，则它能分辨输入模拟电压的最小变化量为10V×1/212 = 2.4mV。 A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上也以BCD 码数的位数直接表示。
二、 ADC0809芯片及其接口
2.1.2 逐次比较式A／D转换器与计算机接口
A／D转换器与微处理器连接方式以及智能仪器要求的不同，实现A／D转换软件的控制方式就不同。目前常用的控制方式主要有： 1． 程序查询方式： 2． 延时等待方式： 3． 中断方式：
三、A／D转换器的分类
① 逐次比较式A／D转换器：转换时间一般在μs级，转换精度一般在0.1％上下，适用于一般场合。 ② 积分式A／D转换器：其核心部件是积分器，因此转换时间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01％或更高。适于数字电压表类仪器采用。 ③ 并行比较式又称闪烁式：采用并行比较，其转换时间可达ns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。 ④ 改进型是在上述某种形式A／D转换器的基础上，为满足某项高性能指标而持原有较高转换速率的前提下精度可达0.01％以上。
2.1 模拟量输入通道
2.1.1 A／D转换器概述
A／D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。
一、A／D转换器的定义
分辨率与量化误差 转换精度 转换速率 满刻度范围
二、A／D转换器的技术指标
b． 延时等待方式 MOV DPTR， #0FEF8H MOV A， #00H MOVX ＠DPTR， A ；启动IN0通道 MOVX R2， #48H WAIT：DJNZ R2， WAIT ；延时约140μs MOVX A， ＠DPTR MOV 30H， A ；转换结果存30H
二、A／D转换器的技术指标
分辨率与量化误差
分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。例如：某A/D转换器为12位，若用百分比表示，即表示该转换器可以用212个二进制数对输入模拟量进行量化，其分辨力为1LSB。 若用百分比表示，其分辨率为（1/212)×100％ =0.025％，若允许最大输入电压为10V，则它能分辨输入模拟电压的最小变化量为10V×1/212 = 2.4mV。 A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上也以BCD 码数的位数直接表示。
智能仪器中数字量的输入、输出
开关量输出
中功率开关量输出驱动接口
功率场效应管也称功率MOSFET（Metal-Oxide Silicon Field Effect Transistor），它是一种常用的中等功率的 开关控制驱动器件。与双极性晶体管比，它的工作原 理不同，驱动方式也不同，一般有TTL集成电路和 CMOS集成电路两种驱动方式驱动场效应管。它有几 个优点。 MOSFET有较高的开关速度。 有较宽的安全工作区而不会产生热点，同时他是一种 具有正的电阻温度系数的器件，所以，容易进行并联 使用。可靠性好。 过载能力强。阀值电压高，可达2-6V。 由于是电压控制器件，对驱动电路要求低。
为测量频率时的相对误差 为计数值的相对误差 为与门开启时间的相对误差
当与门开闭时间t与被测量脉冲周期的整数倍接近或相 等时候，测频法测量频率的最大误差可能为 。
分析 分析 得到结果
的误差来源。即分析 。
。
这样，在测量时间t一定的情况下，测量误差随着被测 信号频率的降低而增大。当f较低时，应采用别的测量 方法。
由MCS-51单片机内部定时器T0和口P3。4送出，T0工作方式1， 则PWM输出信号中的高电平和低电平持续时间Th和Tl分别为
Th=(216-x)*12/fosc Tl=(216-y)*12/fosc
式中，x,y分别为Th和Tl相对应的定时常数。
作业：1。使用CPLD，VHDL语言表示PWM。占空比为0.656。 2。书22页，第4题。
开关量输出
数字逻辑电路的额定负载能力表 逻辑电 路类型 输出高电平/V 拉电流/mA 输出低电平/V 灌电流/mA -0.4 1.6 0.4 0.01 16 0.5
标准TTL 2.4 逻辑 4.99 标准 CMOS逻 辑 4.99 高速 COMOS 逻辑
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Vmax Vmin
5 A/D转换器原理及接口设计
若，已知动态范围为L，则确定ADC位数N：
L N 6
根据转换精度要求确定ADC位数
数据采集系统的总误差是由各部分的分项误差的综合，故， 选取元器件精度的一般规则：每个元器件的精度指标应优 于系统精度的10倍左右。 例：系统总误差为0.1%，则构成系统的MUX、SHA、ADC 的误差都应小于0.01% ADC的量化误差为±1/2LSB，即满刻度的1/2N+1，若系统精 度指标为δ，则按下式估算ADC所需的位数：
常用仪表放大器
AD公司：AD620/621/624/625 BB公司：INA114/118/122/128
2 放大器原理及设计
程控放大器
满足多通道输入信号的宽范围信号电平 增益由软件编程设定 常用程控放大器
BB公司：PGA202/203/204/205/206/207 LINEAR公司：LTC6910/6911/6912/6915
Vm 2fVmtc q N 2
4 采样保持器原理及设计
由此，推出待转换信号的最高频率为：
f max
1 2
N 1
t c
例：一个12bit的ADC，若 tc 25μs ，用它来直接转换 一个正弦信号并要求精度优于1LSB，则信号频率不能 超过1.5Hz。 故：除直流信号及变化非常缓慢的信号，否则其模数 转换都得加采样保持器。 不过，采样保持器从采样到保持也需要一定的时间， 即：孔径时间 t P ，由此也会限制信号频率。 tc t P 远小于ADC的转换时间 t c ， 采样保持器的孔径时间 因此由采样保持器限定的信号频率远高于ADC的限制。
智能仪器
第三章 智能仪器的输入通道及 接口技术
学习提纲
1 数据采集系统概述
2 放大器原理及设计
3 多路转换器原理及设计
4 采样保持器原理及设计 5 A/D转换器原理及接口设计 6 数字量输入通道
1 数据采集系统概述
数据采集系统的概念 数据采集系统的组成（硬件）
信号的放大、滤波、采样保持、模/数转换 微机及接口 输入通道
误 差 +Q/2 −Q/2
5 A/D转换器原理及接口设计
精度
绝对精度：数字码对应的实际模拟电压与其理想电 压存在差值，且并非常数，将该差值的最大值定为 绝对精度。由偏移误差、增益误差、线性误差组成。 相对精度：将上述最大偏差表示为满刻度模拟电压 的百分数，或用二进制表示相对应的数字量。 偏移误差：使ADC输出最低位为1，施加到模拟输入 端的实际电压与理论值1/2（0.5LSB对应电压）之差。 增益误差：ADC输出达到满量程时，实际模拟输入 与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的 百分比表示。 （非）线性误差：积分线性误差和微分线性误差
2 放大器原理及设计
放大器的作用
放大出传感器输出的微弱信号，利于充分利用 ADC的满刻度分辨率 抑制干扰和噪声，满足响应时间要求
放大器选用基本要求
高输入阻抗，响应时间快 频率响应范围宽 高抗共模干扰能力 低漂移、低噪声、低输出阻抗
2 放大器原理及设计
运算放大器
基本特征
2 放大器原理及设计
仪表放大器
基本特征
两个差动输入端直接与信号源连接，共模抑制 能力强 外接电阻设置增益 高输入阻抗、低输出阻抗 仅放大差模信号 共模电压范围与共模抑制比
2 放大器原理及设计
仪表放大器
一般结构
2 放大器原理及设计
仪表放大器
内部结构
2 放大器原理及设计
仪表放大器
内部组成
工作原理 主要特点
转换速度快、分辨率较高、抗干扰能力较强
5 A/D转换器原理及接口设计
AD7492
分 辨 率：12bit 工作电压：2.7~5.25V 转换速率：1.25MSPS 转换时间：680ns 内置参考电压：2.5V 并行接口输出 低功耗
引脚说明
5 A/D转换器原理及接口设计
与单片机接口的考虑
电源要求
单片机一般在+5V、+3.3V电压下工作 TTL兼容、CMOS兼容 控制信号的脉宽、建立时间及保持时间等 是否需要增加译码器、锁存器等 串行还是并行？8位、12位、14位、16位？
逻辑兼容性
定时参数
外围硬件
数据格式
5 A/D转换器原理及接口设计
主放大器增益G需满足：
GVij E q 0 GVij
将q代入上式，得增益G的范围：
E DFS E G 0Vij Vij
3 多路转换器原理及设计
应用背景
智能仪器中往往需要同时或依次采集多路信号 模数转换时，可使用公共的ADC分时采样 由多个模拟开关组成，由译码电路实现切换 AD公司：AD7501/7502/7503 MAXIM公司：MAX4634、MAX4663
CSRD CONV BUSY L8BT H4BT ORG LJMP ORG MAIN: CLR CLR
;禁止所有中断 ;禁止外部中断0
5 A/D转换器原理及接口设计
SETB CLR CLR CLR JUDG: JNB MOV MOV ANL END IT0 ;下降沿有效 IE0 ;清除中断标志位 CSRD ;ADC使能 CONV ;开启一次A/D转换 IE0，JUDG ;循环判断A/D转换完否 L8BT, P0 ;转移低8位 H4BT, P1 ;转移高4位 H4BT, #0FH
隔离放大器
2 放大器原理及设计
放大器在输入通道中的设置策略
多通道数据采集中，每个通道有其前置放大器 根据需要，在多路转换器之后设置主放大器
多路信号都恒定或变化缓慢，各路幅度差别不大
仅在各路设置前置放大器即可 需在主通道中设置程控放大器 需在主通道中设置瞬时浮点放大器，不易实现
多路信号虽恒定或变化缓慢，但各路差别很大
ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量，体现在 对输入变化的敏感程度，分辨率越高，对输入量微 小变化的反应越灵敏。 分辨率常用数字量的位数表示，分辨率为8位，表示 它可以对满刻度的1/28的变化量做出反应。对于N位 的ADC，分辨率为：1/2N满刻度。
转换时间
ADC完成一次转换所需要的时间。与分辨率有关， 分辨率越高，转换时间越长。
ADC的选择
位数选择
根据转换电压范围确定ADC位数
设模拟输入电压最大值Vmax、最小值Vmin，A/D前置放大器 增益G，N位ADC满量程为E，则应满足：
E Vmin q N 2 Vmax G E
故，在最大最小值情况下： Vmax 2N Vmin 则，动态范围：
L 20 lg
三因素：捕捉时间、下降速率、保持阶跃
保持电容的选择
5 A/D转换器原理及接口设计
功能
完成模拟信号到数字信号的转换 程控放大器 多路转换器 采样保持器 三态输出锁存器 多种输出接口驱动器
ADC的集成化发展
Hale Waihona Puke 5 A/D转换器原理及接口设计
ADC的主要技术指标*程福德
分辨率
电气隔离 获取信号并放大
主要作用
2 放大器原理及设计
隔离放大器
原理
通过光耦合或磁耦合实现信号的联系
输入、输出放大器 耦合器 调制、解调器 漂移补偿放大器
组成
常用隔离放大器
AD公司：AD202/203、AD277、AD284/286 BB公司：ISO100系列
2 放大器原理及设计
2 放大器原理及设计
运算放大器
典型电路（二）
反相比例电路
输入阻抗较低 增益可小于1 输入输出极性相反
共模抑制能力强
差动输入运算电路
2 放大器原理及设计
运算放大器
典型电路（三）
同相输入的加法电路 反相输入的加法电路 差动输入的加减法电路
BB公司：OPA340/2340/4340
常用运算放大器
5 A/D转换器原理及接口设计
采样时序
接口设计
DB11 DB8 DB7
P1.3 P1.0 P0.7
AD7492
DB0 BUSY CONVST CS RD P0.0 P3.2 P3.1 P3.0
80C51
5 A/D转换器原理及接口设计
程序设计
BIT BIT BIT EQU EQU 0000H MAIN 0100H EA EX0 P3.0 P3.1 P3.2 40H 41H
2 放大器原理及设计
程控放大器
S3 0 0 0 0 1 1 1 S2 0 0 1 1 0 0 1 S1 0 1 0 1 0 1 0 GAIN 0 1 2 4 8 16 32
1
1
1
64
内部结构
增益真值表
2 放大器原理及设计
隔离放大器
应用背景