1第十章第十章 模拟通道技术模拟通道技术2 数据采集系统一般由信号调理电路、多路切换电路、采样保数据采集系统一般由信号调理电路、多路切换电路、采样保持电路、持电路、A/DA/D、CPUCPU、RAMRAM、EPROMEPROM组成。组成。一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成3数据采集系统一般由信号调理电路、多路切换电路、采样保数据采集系统一般由信号调理电路、多路切换电路、采样保持电路、持电路、A/DA/D、CPUCPU、RAMRAM、EPROMEPROM组成。组成。1. 1. 信号调理电路信号调理电路是是传感器与传感器与A/DA/D之间的桥梁之间的桥梁，是测控系统中重要组成部分。主，是测控系统中重要组成部分。主要功能：要功能：（1 1）目前标准化工业仪表通常采用）目前标准化工业仪表通常采用0 010mA10mA，4 420 mA20 mA信号，信号，为了和为了和A/DA/D的输入形式相适应，经的输入形式相适应，经I/VI/V转换器变换成电压信号。转换器变换成电压信号。一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成4（2 2）某些测量信号可能是非电量，这些非电压量信号必须变）某些测量信号可能是非电量，这些非电压量信号必须变为电压信号，还有些信号即使是电压信号，也必须经过放大、为电压信号，还有些信号即使是电压信号，也必须经过放大、滤波，这些处理包括信号形式的变换、量程调整、环境补偿、滤波，这些处理包括信号形式的变换、量程调整、环境补偿、线性化等。线性化等。（3 3）某些恶劣条件下，共模电压干扰很强，如共模电平高达）某些恶劣条件下，共模电压干扰很强，如共模电平高达220V220V，不采用隔离的办法无法完成数据采集任务，因此，必，不采用隔离的办法无法完成数据采集任务，因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施，须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施，包括地线隔离、路间隔离等等。包括地线隔离、路间隔离等等。一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成5 综上所述，非电量的转换、信号形式的变换、放大、滤波、综上所述，非电量的转换、信号形式的变换、放大、滤波、共模抑制及隔离等等，都是信号调理的主要功能。共模抑制及隔离等等，都是信号调理的主要功能。 信号调理电路包括电桥、放大、滤波、隔离等电路信号调理电路包括电桥、放大、滤波、隔离等电路。根据。根据不同的调理对象，采用不同的电路。电桥电路的典型应用之不同的调理对象，采用不同的电路。电桥电路的典型应用之一就是热阻测温。一就是热阻测温。 信号放大电路通常由运放承担，运放的选择主要考虑精度信号放大电路通常由运放承担，运放的选择主要考虑精度要求（失调及失调温漂），速度要求（带宽、上升率），幅要求（失调及失调温漂），速度要求（带宽、上升率），幅度要求（工作电压范围及增益）及共模抑制要求。度要求（工作电压范围及增益）及共模抑制要求。 滤波和限幅电路通常采用二极管、稳压管、电容等器件。滤波和限幅电路通常采用二极管、稳压管、电容等器件。用二极管和稳压管的限幅方法会产生一定的非线性且灵敏度用二极管和稳压管的限幅方法会产生一定的非线性且灵敏度下降，这可以通过后级增益调整和非线性校正补偿。下降，这可以通过后级增益调整和非线性校正补偿。一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成62. 2. 多路切换电路多路切换电路（1 1）CD4051CD4051 CD4051 CD4051是单边是单边8 8通道多路调制器通道多路调制器/ /多路解调器。如图所多路解调器。如图所示，示，C C、B B、A A为二进制控制输入端，改变为二进制控制输入端，改变C C、B B、A A的数值，的数值，可以译出可以译出8 8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。当当INH=1INH=1时，通道断开；当时，通道断开；当INH=0INH=0时，通道接通。时，通道接通。 改变图中改变图中IN/OUT0IN/OUT07 7及及OUT/INOUT/IN的传递方向，则可用作的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。其真值表如表多路开关或反多路开关。其真值表如表2-32-3所示。所示。一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成7CD4051CD4051引脚图引脚图 CD4051CD4051真值表真值表一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成8（2 2）多路转换开关的扩展）多路转换开关的扩展 当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联起来，组成起来，组成8282或或162162的多路开关。下面以的多路开关。下面以CD4051CD4051为例说明多为例说明多路开关的扩展方法。两个路开关的扩展方法。两个8 8路开关扩展成路开关扩展成1616路的多路开关的方法。路的多路开关的方法。返回本节一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成93. 3. 采样保持电路（采样保持电路（S/HS/H）（1 1）采样定理）采样定理 离散系统的采样形式有周离散系统的采样形式有周期采样、多阶采样和随机采期采样、多阶采样和随机采样。周期采样应用最为广泛。样。周期采样应用最为广泛。所谓周期采样就是以相同的所谓周期采样就是以相同的时间间隔进行采样。图为采时间间隔进行采样。图为采样前后波形的变化。样前后波形的变化。一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成10 为保证采样信号的频谱是被采样信号的频谱无重叠为保证采样信号的频谱是被采样信号的频谱无重叠的重复（沿频率轴方向），以便采样信号能反映被采样信的重复（沿频率轴方向），以便采样信号能反映被采样信号的变化规律，采样频率号的变化规律，采样频率 至少应是至少应是 的频谱的频谱 的最高频率的最高频率 的两倍，即的两倍，即 采采样定理奠定了定理奠定了选择采采样频率的理率的理论基基础，但，但对于于连续对象的离散控制，不易确定象的离散控制，不易确定连续信号的最高信号的最高频率。率。因此，采因此，采样定理定理给出了出了选择频率的准率的准则，在，在实际应用中用中还要根据系要根据系统的的实际情况情况综合考合考虑.。一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成11（2 2）采样保持）采样保持采样保持电路：采样保持电路：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中保持模拟信号基本不变。保持模拟信号基本不变。 注：保持电容一般外接，其取值与采样频率和精度有关。注：保持电容一般外接，其取值与采样频率和精度有关。减小减小C CH H可提高采样频率，但会降低精度。可提高采样频率，但会降低精度。 一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成12v常常用用采采样样/保保持持器器：随随着着大大规规模模集集成成电电路路的的发发展展，已已生生产产出出各各种种各各样样的的采采样样/ /保保持持器器。如如用用于于一一般般目目的的有有AD582AD582、AD583AD583、LF198/398LF198/398等等；用用于于高高速速的的有有THS-0025THS-0025、THS-0060THS-0060、THC-0030THC-0030、THC-1500THC-1500等等；用用于于高高分分辨辨率率的的有有SHA1144SHA1144、ADC1130ADC1130等。等。一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成采样保持器的主要参数有：采样保持器的主要参数有：采样时间、电压下降率等。采样时间、电压下降率等。保持器的两个工作状态：保持器的两个工作状态： 采样状态采样状态 保持状态保持状态 注注：模模拟拟信信号号一一般般不不直直接接送送A/DA/D转转换换器器，而而加加保保持持器器作作信信号号保保持持。但但是是，当当A/DA/D转转换换速速度度很很快快且且输输入入信信号号变变化化缓缓慢慢时时可可不不加加保保持器。持器。 13 1 1）为什么要用保持器？）为什么要用保持器？ A/DA/D转换需要时间，称为转换需要时间，称为A/DA/D转换时间。转换时间。 在转换过程中采样信号应保持基本不变，否则影响转换精在转换过程中采样信号应保持基本不变，否则影响转换精度。度。 2 2）采样保持器的两种工作状态）采样保持器的两种工作状态 采样状态：采样保持器的输出跟随模拟量变化。采样状态：采样保持器的输出跟随模拟量变化。 保持状态：采样保持器维持输出值不变。保持状态：采样保持器维持输出值不变。一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成14二、模数转换二、模数转换vA/DA/D转换器转换器，或简写，或简写ADCADC（Analog to Digital ConverterAnalog to Digital Converter）是一种能把模拟量转换成相应的数字量的电子器件。是一种能把模拟量转换成相应的数字量的电子器件。vD/AD/A转换器器，或，或简写写DACDAC（Digital To Analog ConverterDigital To Analog Converter）则相反，它能把数字量相反，它能把数字量转换成相成相应的模的模拟量。量。（模模拟拟量量可可以以是是电电压压、电电流流等等电电信信号号，也也可可以以是是声声、光光、压压力力、湿湿度度、温温度度等等随随时时间间连连续续变变化化的的非非电电的的物物理理量量。非非电电的的模模拟拟量量可可通通过过合合适适的的传传感感器器（如如光光电电传传感感器器、压压力力传传感感器器、温温度度传传感感器器）转转换换成成电电信信号号；数数值值量量主主要要指指计计算算机机能能直直接接处处理理的的二二进进制制编码或十六机制编码）编码或十六机制编码）151 1、 模数转换原理模数转换原理 A/DA/D转换器的种器的种类很多，根据很多，根据转换原理可以分原理可以分计数式、数式、平行式、双平行式、双积分式、逐次逼近式等。分式、逐次逼近式等。 二、模数转换二、模数转换（）逐次逼近式（）逐次逼近式A/DA/D转换器转换器N位位寄存寄存器器VsABVxN位位D/A控制逻辑控制逻辑比较器比较器模模 拟拟 量量输入输入启动启动DONE16二、模数转换二、模数转换工作原理工作原理采用对分搜索法逐次比较、逐步逼近的原理来转换。采用对分搜索法逐次比较、逐步逼近的原理来转换。控制逻辑先控制逻辑先置置1 1结果寄存器最高位结果寄存器最高位Dn-1 Dn-1 若若VxVx经转换的经转换的VsVs则保留此位则保留此位Dn-1Dn-1（为（为1 1），否则清），否则清“0”Dn-1“0”Dn-1位。位。然后控制逻辑置然后控制逻辑置1 1结果寄存器次高位结果寄存器次高位Dn-2Dn-2VsVs再和再和VxVx比较，以决定比较，以决定Dn-2Dn-2位保留为位保留为1 1还是清成还是清成“0”“0”，依次类推到最低位依次类推到最低位D0D0。结果寄存器的状态便是与输入的模拟量结果寄存器的状态便是与输入的模拟量VxVx对应的数字量。对应的数字量。17（）双积分式的（）双积分式的（）双积分式的（）双积分式的A/D A/D A/D A/D 转换器转换器转换器转换器 v双积分式也称二重积分式，其实质是测量和比较两个积分的双积分式也称二重积分式，其实质是测量和比较两个积分的时间。时间。 v一个是对模拟输入电压积分的时间一个是对模拟输入电压积分的时间T0T0，此时间往往是固定的；，此时间往往是固定的；另一个是以充电后的电压为初值，对参考电源另一个是以充电后的电压为初值，对参考电源VrefVref反向积分，反向积分，积分电容被放电至零所需的时间积分电容被放电至零所需的时间Ti(Vref Ti(Vref 与与Vi Vi 符号相反符号相反) )。模。模拟输入电压拟输入电压Vi Vi 与参考电压与参考电压Vref Vref 之比，等于上述两个时间之比。之比，等于上述两个时间之比。由于由于Vref Vref 、T0 T0 固定，而放电时间固定，而放电时间TiTi可以测出，因而可计算出可以测出，因而可计算出模拟输入电压的大小。模拟输入电压的大小。二、模数转换二、模数转换18 双积分式双积分式双积分式双积分式A/DA/DA/DA/D转换器工作原理图转换器工作原理图转换器工作原理图转换器工作原理图 Ti1tA控制逻辑控制逻辑B- -+ +计数器计数器时钟时钟Vi模拟输入模拟输入Vref标准电压标准电压Vi2Vi1Ti2固定积分时间固定积分时间积积分分输输出出开始开始斜斜率率固固定定(b) 积分原理积分原理(a) 原原理理框框图图T0二、模数转换二、模数转换192 2 2 2、性能指标、性能指标、性能指标、性能指标v衡量衡量A/DA/D性能的主要参数是：性能的主要参数是： （1 1） 分辨率（分辨率（resolutionresolution）v分分辨辨率率是是指指输输出出的的数数字字量量变变化化一一个个相相邻邻的的值值所所对对应应的的输输入入模模拟拟量的变化值；取决于输出数字量的二进制位数。量的变化值；取决于输出数字量的二进制位数。v一一个个n n位位的的A/DA/D转转换换器器所所能能分分辨辨的的最最小小输输入入模模拟拟增增量量定定义义为为满满量量程值的程值的2 2-n-n倍。倍。v如：满量程为如：满量程为10V10V的的8 8位位A/DA/D芯片的分辨率为：芯片的分辨率为：10V210V2-8-839mV39mV；v而而1616位的位的A/DA/D是：是： 10V210V2-16-16153V153V。二、模数转换二、模数转换20（2 2）满刻度误差（满刻度误差（full scale errorfull scale error）满满刻刻度度误误差差也也称称增增益益误误差差，即即输输出出全全1 1时时输输入入电电压压与与理理想想输输入入量之差。量之差。（3 3） 转换速率（转换速率（conversion rateconversion rate）转转换换速速度度是是指指完完成成一一次次A/DA/D转转换换所所需需时时间间的的倒倒数数，A/DA/D转转换换器器型型号不同，转换速度差别很大。号不同，转换速度差别很大。（4 4）转换精度（）转换精度（conversion accuracyconversion accuracy）转换精度由模拟误差和数字误差组成。模拟误差属于非固定误转换精度由模拟误差和数字误差组成。模拟误差属于非固定误差，由器件质量决定，数字误差和差，由器件质量决定，数字误差和A/DA/D输出数字量的位数有关，位输出数字量的位数有关，位数越多，误差越小。数越多，误差越小。 二、模数转换二、模数转换213 3、典型的、典型的A/DA/D转换芯片转换芯片ADC0809ADC0809二、模数转换二、模数转换（1 1） ADC0809 ADC0809的内部逻辑结构的内部逻辑结构8 8路路A/DA/D转换器转换器8 8路模拟量开关路模拟量开关ADC0809ADC0809的内部逻辑结构如图所示。的内部逻辑结构如图所示。 22（2 2）引脚结构）引脚结构ADC0809ADC0809采用双列直插式封装，共有采用双列直插式封装，共有2828条引脚。其引脚结构如图。条引脚。其引脚结构如图。 二、模数转换二、模数转换vIN7IN7IN0IN0：8 8条模拟量输入通道条模拟量输入通道 v地址输入和控制线：地址输入和控制线：4 4条条 v数字量输出及控制线：数字量输出及控制线：1111条条 v电源线及其他：电源线及其他：5 5条条 23IN0IN7IN0IN7：8 8通道模拟量输入端通道模拟量输入端D0D7D0D7： 8 8位数字量输出端位数字量输出端ADDCADDC、ADDBADDB、ADDAADDA：接地址锁存器的低三位地址：接地址锁存器的低三位地址ALEALE： 地址锁存允许控制信号地址锁存允许控制信号STARTSTART：启动转换：启动转换OEOE： 允许读允许读A/DA/D结果结果, ,高有效高有效CLKCLK：时钟输入端：时钟输入端, ,应应640KHz640KHzEOCEOC：转换结束时为高：转换结束时为高VccVcc：+5V+5VVref+Vref+：参考电压，：参考电压，+5V+5VVref-Vref-：0V0VADC 0809ADC 0809引脚定义引脚定义: : 二、模数转换二、模数转换24ADC 0809ADC 0809时序时序: : 二、模数转换二、模数转换25（3 3）MCS-51MCS-51和和A/DA/D转换器的接口转换器的接口 二、模数转换二、模数转换ADC0809ADC0809芯片各通道的地址为：芯片各通道的地址为：0x7FF80x7FF80x7FFF0x7FFF26二、模数转换二、模数转换#include#include /确定各存储空间的绝对地址确定各存储空间的绝对地址 P25unsigned char value;void main() EA=1; EX0=1; IT0=1; /转换结束转换结束EOC=1，外部中断，外部中断0 XBYTE0x7FF8=0; /访问形式：宏名访问形式：宏名地址地址 while(1); 27二、模数转换二、模数转换void adc-conversion interrupt 0 using 1 /转换结束执行转换结束执行外部中断外部中断0 value=XBYTE0x7FF8; XBYTE0x7FF8=0; 28三、数三、数/ /模转换模转换1 1、数模转换原理及性能指标、数模转换原理及性能指标（ 1 1）转换原理）转换原理vD/AD/A转转换换器器的的原原理理很很简简单单，可可以以总总结结为为“按按权权展展开开，然然后后相相加加”几个字。几个字。vD/AD/A转转换换器器内内部部必必须须有有一一个个解解码码网网络络，以以实实现现按按权权值值分分别别进进行行D/AD/A转换。转换。v解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络 T T型电阻网络型电阻网络29 T T T T型电阻网络型电阻网络型电阻网络型电阻网络D/AD/AD/AD/A转换原理框图转换原理框图转换原理框图转换原理框图 01RfIRfA- -+ +VOUTDCBR2R2R2RVREFR2RI0I2I3I1IL0IL2IL3IL1 b3 b2 b1 b0 四位四位DAC寄存器寄存器OAS001S101S201S3IOUT1IOUT2开关控制开关控制运算放大器运算放大器T T型电阻网络型电阻网络三、数三、数/ /模转换模转换30（2 2 2 2）性能指标）性能指标）性能指标）性能指标 主要的性能指标有主要的性能指标有4 4条：条：（1 1）分辨率（分辨率（resolutionresolution） 指指D/AD/A转转换换器器能能分分辨辨的的最最小小输输出出模模拟拟增增量量，为为满满量量程程值值的的2 2-n-n倍倍。例例如如，满满量量程程为为10V10V的的8 8位位D/AD/A芯芯片片的的分分辨辨率率为为10V10V2 2-8-839mV39mV；而而1616位的位的D/AD/A是是10V10V2 2-16-16153153 V V。（2 2）转换精度（转换精度（conversion accuracyconversion accuracy） 转转换换精精度度是是指指满满量量程程时时D/AD/A的的实实际际模模拟拟输输出出值值和和理理论论值值的的接接近近程程度度。例例如如，满满量量程程时时理理论论输输出出值值为为10V10V，实实际际输输出出值值是是在在之之间间，则则其其转转换换精精度度为为10mV10mV。通通常常为为LSB/2LSB/2。LSBLSB (Least (Least Significant Significant Bit)Bit)是分辨率，指最低是分辨率，指最低1 1位数字变化引起输出电压幅度的变化量。位数字变化引起输出电压幅度的变化量。三、数三、数/ /模转换模转换31（3 3）偏移量误差（）偏移量误差（offset erroroffset error） 偏偏移移量量误误差差是是指指输输入入数数字字量量为为零零时时，输输出出模模拟拟量量对对零零的的偏偏移移值值。这种误差通常可以通过这种误差通常可以通过D/AD/A转换器的外接转换器的外接VREFVREF和电位器加以调整。和电位器加以调整。（4 4）线性度（）线性度（linearitylinearity） 线线性性度度是是指指D/AD/A转转换换器器的的实实际际转转换换特特性性曲曲线线和和理理想想直直线线之之间间的的最最大偏差。通常线性度不应超出大偏差。通常线性度不应超出1/2LSB1/2LSB。v除此以外，指标还有转换速度、温度灵敏度等，通常这些参数都除此以外，指标还有转换速度、温度灵敏度等，通常这些参数都很小，一般不予考虑。很小，一般不予考虑。 三、数三、数/ /模转换模转换322 2 2 2、DAC0832DAC0832DAC0832DAC0832引脚及内部结构引脚及内部结构引脚及内部结构引脚及内部结构 DAC0832DAC0832DAC0832DAC0832是使用非常普遍的位是使用非常普遍的位是使用非常普遍的位是使用非常普遍的位D/AD/AD/AD/A转换转换器，由于其片内有器，由于其片内有器，由于其片内有器，由于其片内有输输入数据入数据入数据入数据寄存器，故可以直接与寄存器，故可以直接与寄存器，故可以直接与寄存器，故可以直接与单单片机接口。片机接口。片机接口。片机接口。DAC0832DAC0832DAC0832DAC0832以以以以电电流形式流形式流形式流形式输输出，当需出，当需出，当需出，当需要要要要转换为电压输转换为电压输出出出出时时，可外接运算放大器。，可外接运算放大器。，可外接运算放大器。，可外接运算放大器。三、数三、数/ /模转换模转换33三、数三、数/ /模转换模转换343 3、DAC0832DAC0832与与80C5180C51单片机的接口单片机的接口（1 1）单缓冲工作方式）单缓冲工作方式 适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求同步的系统。同步的系统。 三、数三、数/ /模转换模转换DACDAC用作单极性电压输出用作单极性电压输出DAC0832DAC0832地址地址0x7FFF0x7FFF35双极性模拟输出电压双极性模拟输出电压 ： 双极性输出时的分辨率比单极性输出时降低双极性输出时的分辨率比单极性输出时降低1/2，这是由，这是由于对双极性输出而言，最高位作为符号位，只有于对双极性输出而言，最高位作为符号位，只有7位数值位。位数值位。三、数三、数/ /模转换模转换36三、数三、数/ /模转换模转换37（2 2）双缓冲工作方式应用）双缓冲工作方式应用 多路多路D/AD/A转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器同步方式同步方式 。三、数三、数/ /模转换模转换38（3 3）直通工作方式）直通工作方式v当当DAC0832DAC0832芯片的片选信号、写信号、及传送控制信号的引芯片的片选信号、写信号、及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号脚全部接地，允许输入锁存信号ILEILE引脚接引脚接5V5V时，时，DAC0832DAC0832芯芯片就处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入片就处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DACDAC寄寄存器，进行存器，进行D/AD/A转换。转换。三、数三、数/ /模转换模转换39例例例例 DAC0832 DAC0832 DAC0832 DAC0832用作波形发生器用作波形发生器用作波形发生器用作波形发生器分别写出产生分别写出产生锯齿波和方波锯齿波和方波的程序。的程序。 设：运算放大器设：运算放大器OA输出端输出端VOUT直接反馈到直接反馈到RFB，故这种接线产生的，故这种接线产生的模拟输出电压是单极性的。模拟输出电压是单极性的。源程序如下：源程序如下：#include#include#include#include#define DAC0832 XBYTE 0x7fff /* #define DAC0832 XBYTE 0x7fff /* 定义定义DAC0832DAC0832端口地址端口地址 */ */#define uchar unsigned char#define uchar unsigned charvoid delay(uchar t) /* void delay(uchar t) /* 延时函数延时函数 */ */ while(t- -); while(t- -); 三、数三、数/ /模转换模转换40源程序源程序源程序源程序void saw(void) /* void saw(void) /* 锯齿波发生函数锯齿波发生函数 */ */ uchar i; uchar i; for (i=0;i255;i+) for (i=0;i255;i+) DAC0832=i; DAC0832=i; void square(void) /* void square(void) /* 方波发生函数方波发生函数 */ */ DAC0832=0x00; DAC0832=0x00; delay(0x10); delay(0x10); DAC0832=0xff; DAC0832=0xff; delay(0x10); delay(0x10); 三、数三、数/ /模转换模转换41源程序源程序void main(void) uchar i,j; i=j=0xff; while(i-) saw(); /* 产生一段锯齿波产生一段锯齿波 */ while(j-) square(); /* 产生一段方波产生一段方波 */