模拟量输入输出接口技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第9,章 模拟量输入输出接口技术,9.,1 模拟量输入接口技术,9,.,2,A/D,转换器的主要性能指标及分类,9.3 常用的,A/D,转换芯片,9.4,D/A,转换器和接口技术,9.5 思考题与习题,第9,章 模拟量输入输出接口技术,在单片机应用中，常常需要测量温度、湿度、流量、速度、液位、压力等多种模拟量，并通过输入接口传送给单片机,CPU，,需要输出模拟量去控制被控对象或用于显示。模拟量信号是连续变化的电压、电流信号，与数字量有本质上的区别，模拟量信号需要放大、滤波、线性化、信号变换等一系列的电路处理，把检测到的模拟量电压、电流信息变换成,0-5,V,的电压信号，通过,A/V,转换电路转换成相应的数字量才能输入单片机处理。同样，单片机输出的数字量控制值，也往往要通过,D/A,转换电路变换成模拟量才能去控制被控对象或用于数据的显示。因此，模拟量的输入输出接口技术是单片机应用中的一个重要环节。,在单片机应用中，需要测量温度，湿度，流量，速度，液体，压力等大量模拟量，需要输出模拟量去控制被控对象或进行显示，模拟量的输入输出也是单片机的接口是一个重要的环节。模拟量信号是连续变化的电压，电流信号，与数字量有本质一的区别，需要对模拟量信号时放大，滤波，线性化，信号变换等电路处理，把测量的模拟量电压，电流信号变换成,0-5,V,的电压信号，通过,A/D,转换电路，转换成相应的数字量才能输入单片机处理。同样，单片机的控制值，测量数据也往往要通过,D/A,转换电路变换成模拟量才能进行控制或显示。因此，模拟量的输入输出是单片机应用中的一个重要环节。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91,模拟量输入输出接口技术,1.,传感器的概念,传感器是把一种物理量（或化学量、生物量）转换成另一种与之有确定对应关系的物 理量（通常是电量）的装置。它是测量系统中最重要的环节。,传感器有许多种类，一种是以被测参数的性质来分，一种是以传感器的测量原理来分。,按被测量参数的性质来分，有热量类传感器，用于测量温度，热量，比热，压力，流量，风速等；有机械量类传感器，用于测量位移，应力，振动，加速度等；有成分量类传感器，用于测量各种气体、液体的成分、浓度、密度等。,按传感器测量原理来分，有电阻式、电感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式等。,传感器品种繁多，用途各异，但衡量传感器的基本参数主要有：,测量范围：传感器能正常工作的范围，在使用中不应使传感器过载，以免损坏元件，或造成大的测量误差。,线性度：传感器的输入与输出的关系，大部分传感器的输入、输出关系是非线性的，在使用中，要进行线性化处理。在采用单片机后，可以用软件的方法进行线性化处理，可以简化电路，获得较好效果。,灵敏度：传感器的输出与输入信号之比，灵敏度大的传感器，电路处理方便，我们希望传感器有较大的灵敏度。,互换性：同种传感器的特性参数的一不致性，传感器的互换性差，会给使用带来不方便。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,2.,温度、压力等常用传感器,在单片机应用中，常用的测量参数有温度，压力，湿度，液位等。我们对常用的传感器作一详细的介绍。,(1),温度传感器,温度是表示物体冷热程度的参数。是单片机应用中最基本的测量参数。,热电偶温度传感器,热电偶温度传感器是以热电效应为基础的，将任意两种不同的导体,A-B,组成一个闭合回路，只要它们的两个接点,t1，t2,的温度不同，在回路里就会产生热电动势，如图,9.1,所示：,91.1,模拟量输入接口技术,第9,章 模拟量输入输出接口技术,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,2.,温度、压力等常用传感器,在单片机应用中，常用的测量参数有温度，压力，湿度，液位等。我们对常用的传感器作一详细的介绍。,(1),温度传感器,温度是表示物体冷热程度的参数。是单片机应用中最基本的测量参 数。,热电偶温度传感器,热电偶温度传感器是以热电效应为基础的，将任意两种不同的导体,A-B,组成一个闭合回路，只要它们的两个接点,t1，t2,的温度不同，在回路里就会产生热电动势，如图,9.1,所示：,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,热电偶电桥补偿测量电路中，,Rt,为热敏电阻，当冷端温度变化时，由于热敏电阻的补偿作用，消除了冷端温度变化的影响，提高了测量的精度。常用热电偶的代号，分度号及测量范围见表,9.1,。,名称,代号,分设号,测量范围,C,铜-康铜,WRC,（T）CK,-200-+300,镍铬-考铜,WRK,（E）EA-2,0-800,镍铬-镍硅,WRN,（K）EU-2,0-1300,铂铑,10,-铂,WRP,（S）LB-3,0-1600,铂铑,10,-铂铑,6,WRR,（B）LB-2,0-1800,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,热电偶的测温度范围在,-180-2800,C，,热电偶的输出热电势与工作端温度有关，还与自由端的温度有关，所以在测量时需要进行冷端补偿，热电偶的常用测量电路如图,9.2,所示。,热电阻温度传感器是利用铂电阻，铜电阻，热敏电阻的阻值随温度而变化的原理测量温度的，这一类传感器的适用范围在,-200-+650,C，,有较高的灵敏度。铂电阻与电阻的关系为：,式中,Rt,温度,tC,时铂电阻的电阻值。,R0,温度,0,C,时铂电阻的电阻值。,A3.90802*10-3/C B-5.802*10-7/C C-4027350*10-12/C,常用的铂电阻传感器有,Pt100，Pt100,是指,0,C,时铂电阻的电阻值为,100,。,铜电阻是利用铜丝线绕成的温度传感器，常用于,-50-+150,C,范围，它的电阻值与温度的关系如下：,Rt,=R0（1+t）,式中,Rt,温度,t C,时铜电阻的电阻值。,R0,温度,0,C,时铜电阻的电阻值。,铜电阻温度系数，为,4，25*10-3/,C,常用的铜电阻传感器有,Cu100,和,Cu50,二种，是指,0,C,时，铜电阻的电阻值为,100,和50,。,对于用铂电阻、铜电阻一类热电阻作为温度传感器时，由于温度的变化只引起很小的电阻值变化，所以热电阻的测量电路常用不平衡电桥来测量，,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,在图中，,Rt,、R2、R3、R4,组成一个不平衡电桥，电桥的工作电源为,E，,Rt,为热电阻用于感受温度的变化，,G,为不平衡电桥的输出电流。,设平衡时，,R3=R4，R2=,Rto,(,Rto,是热电阻在,to,温度时的电阻值,),当温度从,to,变化到,t,时，热电阻,Rt,=,Rto,+r，r,为温度变化引起的电阻值，那么电桥的,A、B,两端会产生一个不平衡电压,U,为,U=ItorR3/(R2+R3)+r),其中,Ito,是,to,温度时流过电桥支路的电流,热敏电阻是一种利用一些金属氧化物按比例混合烧结成的电阻值随温度而变化的传感器。热敏电阻灵敏度高，体积小，反应快，使用寿命长。它适用的测量范围为,-50,C-+300C。,热敏电阻有正温度系数热敏电阻,(,PTC），,负温度系数热敏电阻（,NTC）,和临界温度系数热敏电阻（,CTR）,三种类型。正温度系数热敏电阻常用于温度补偿电路中，其测量精度较差，为,3-5,C，,临界系数热敏电阻在某个临界点的电阻值发生急剧变化，用于温度测量的主要是负温度系数热敏电阻，它的电阻值与温度,T（K）,的关系如下式：,式中,RT0,为,T0（K）,温度时热敏电阻的值。,B,为常数，在,3000-5000,左右。热敏电阻的特点是：,灵敏度高，不用放大器就可以输出几伏电压，信号处理方便。体积小，反应快，可以制成各种形状的传感器。价格便宜，引线误差可以忽略不计，适用于长距离测量。,非线性严重，要进行线生化处理。以,MF5E,系列热敏电阻为例，有,R25=550K,10K,100K,等多种规格。,半导体集成温度传感器,半导体集成温度传感器的线性度好，使用方便，可以直接输出电压信号，或电流信号，常用型号见表,9.3。,91.1,模拟量输入接口技术,91.1模拟量输入接口技术,型号,测量范围,C,输出信号,温度系数,XC616A,+40-+125,电压型,10,mV/C,XC616C,-25-+85,电压型,10,mV/C,LX6500,-55-+85,电压型,10,mV/C,Lm3911,-25-+85,电压型,10,mV/C,AD590,-55-+150,电流型,1,uA,/C,Lm35,-35-+150,电压型,10,mV/C,Lm134,-55-+125,电流型,1,uA,/C,91.1模拟量输入接口技术,它们的典型应用如图9.4所示：,(2).,压力传感器,压力测量在工业、航空、航天、汽车、气象、海洋、医疗等方面有大量的应用，利用压力可以测量液体、水的高度和压力，可以测量血压、气体质量和重量等参数。,压力有绝对压力，表压力，负压力（真空度）和差压等多种。绝对压力是指被测物体的单位面积上承受的全部作用力。地球表面承受大气形成的压力叫大气压力，绝对压力与大气压力之差称为表压，工业上常用的压力表就是用来测量表压的。绝对压力小于大气压力的值称为负压力（真空度），常用真空表来测量。而二个压力的差值为差压。,压力（又称压强）的单位是帕（,Pa），1,帕=1牛/米2,，常用千帕（,KPa,），,兆帕（,MPa,）,表示，工业上使用的压力单位有,Kg/cm2,和,mmHg，mmHg,几种，它们之间的关系见表,9.4,：,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,单位,Pa(,帕),Kg/cm,2,atm,(,大气压),MmHg,MmH20,1Pa,1,1.0997*10,5,9.8692*10,-6,7.5006*10,-3,0.10197,1Kg/cm,2,9.80665*10,4,1,0.96784,735.559,104,1mmHg,1.33325*10,2,1.3595*10,-3,1.316*10,-3,1,13.595,1mmH20,9.806375,0.9997*10,-4,0.96287*10,-4,7.3556*10,-2,1,电容式压力传感器,利用被测压力使金属膜片之间的距离减少，电容量增加的原理制成的，其结构如图,9.5,所示：,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,图中活动金属片在被测气体的作用下产生位移，由活动金属片和固定金属片组成的电容量发生变化，因为电容量可以用下式表示,:,C=*A/D,式中，,为介质常数，为面积，为极间距离，由此可见，气体压力的变化，作用在活动金属片上的力也发生变化，通过测量电容量的变化来测量气体的压力。,硅压阻式压力传感器,硅压阻式压力传感器是利用的压阻效应制成的新型压力传感器，在一块单晶硅的基片上用扩散工艺制成的应变元件，在应变元件受到压力的作用，引起电阻值产生变化，在型硅品片上形成四个阻值相等的电阻条，构成一个惠斯电桥，特点是体积小，系数度高，测量范围宽，精度高，常用的硅压力传感器如表,9.5,：,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,91.1模拟量输入接口技术,型号,压力范围（,pa）,供电电压（）,端量程输出（,mV）,灵敏度,mV/,RPa,零位电压偏差（,mV）,备注,MPX10,MPX12,0-10,3-5,20-50,45-70,3.5,5.5,20-35,无补偿,MPX700,0-700,3-5,45-90,86,mV/,Kpa,20-35,无补偿,MPX2010,0-10,10-16,24-26,2.5,1,温度补偿,MPX2050,MPX2053,0-50,10-16,38.5-41.5,0.8,1,温度补偿,MPX2100,MPX2102,0-100,10-16,38.5-41.5,0.4,2,温度补偿,它们都是四端式器件,:,接地,out,s,-,out,(),其它传感器,除了温度和压力传感器外，在工业测量中还有红外，湿度，振动等传感器。,1),热释电型红外传感器,热释电型红外传感器在接收到红外光线时，会随红外光的功率大小而输出电压信号，用于人体，火焰的检测，传感器的外形及电路如图,9.6,所示：,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,如图所示，传感器元件感受到红外光线后，产生电荷，通过,FET,放大器，转换成电压输出，窗口用于红外光线的射入。,人体的体温在,37,C,左右，会发出,9-10,um,的红外光线，利用,8-10,um,波长的双元件热释红外传感器，可以检测到人的进入和移动。,采用焦距为,15-20,mm,的菲涅可透镜，可以检测到视野达,70的10-12,m,内人体。检测电路如图,9.7,所示：,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,图中,1，2,为二个热释电型红外传感器使信号放大器，当有人体接近时，有信号产生，通过,D1，D2,致使三极管,9014,导通，触发单稳态,555,电路，输出一个高电率，使继电器得电，给出一个检测信号。,7805,向传感器提供一个稳定的,5,V,电压。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,传感器输出的电压通过,R2，C2，R4,加到放大器,A1,进行放大，再由电容,C5,耦合到,A2,放大，,A3,为电压比较器，电位器,W,可以调节比较器的比较电压值，在,A3,的输出端输出,V0,电压信号，,V0,的高低反映了有无人接近。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,图9.8是传感器信号放大电路：,3).,湿度传感器,湿度传感器指空气中所含的水蒸汽量，工业上，气象上常用相对湿度这一概念。相对湿度是指空气中实际水蒸汽与相同温度下饱和水蒸气的比值，用百分比表示。,目前用得较多的是电容式湿度传感器，利用空气中水蒸气量的多少影响传感器的电容量来测量的。下面介绍几种专用的湿度传感器。,MHS1100，MHS1101,电容式相对湿度传感器。,MHS1100，MHS1101,是不需要校正的可以互换的传感器，可以直接输出线性电压，有顶端接触（,MHS1100）,和侧面接触（,MHS101）,两种封装，它们外形结构如图,9.9,所示：,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,参数性能见表9.6：,参数,符号,最小值,典型值,最大值,单位,湿度测量范围,RH,1,99,%,电源电压,VS,5,Vdc,等效电容（54.4%,RH,10KHE）,C,177,180,183,PF,灵敏度（1,KHZ）,c/%RH,0.34,PF%,恢复时间（在100%,RH,中存放150,h）,10,S,湿度迟滞,1.5,%RH,稳定性,0.5,%RH/Year,响应时间（33-76%,RH）,5,S,线性度（10-99%,RH）,2,%RH,它们的典型应用见图,9.10,，是应用,TLC555,集成电路构成的测量电路，把相对湿度直接以频率信号输出，可以十分方便地与单片机连接。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,在该电路,a,中，,Fout1,输出对电容干扰较灵敏，可以连接到其它应用电路中，,Fout2,输出，有较好的电平保护，电源电压在,3.5 12,V,之间变化，频率变化小于,3%,RH。,在该电路中，湿度与频率关系如下：,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,湿度 湿度 频率 湿度 频率,0 0 7285 60 6540,10 10 7159 70 6409,20 20 7035 80 6273,30 30 6913 90 6130,40 40 6791 100 5970,50,50,6667,图9.11,是可以将输出信号远程传送的变换电路，是为线性电压输出而用。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,91.1,模拟量输入接口技术,利用传感器把被测参数的信息作为输入参数（如温度、压力、湿度等）转换成电信号输出，一般称之为一次变换。传感器输出信号有电阻、电容、电感、电压、电流、频率等电信号。除频率外，其他都是模拟量。输出的电信号一般较微弱，电压信号为,V,级,-,mV,级，电流信号为,nA,级,-,mA,级。一般大部分传感器的输出与输出特性呈非线性或基本呈线性，或成某种函数关系，而且传感器易受外界环境干扰而影响它的输出特性，其中主要是温度，其他如电场或磁场的干扰等。因此，传感器一般需采用恒压供电或恒流供电，需要使用电子电路对信号进行放大、比较、变换等处理。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,9.1.2.,模拟量信号处理技术,(1).,放大电路设计,放大电路主要用于对传感器输出的微弱信号进行放大、倒相、振荡、电压比较、有源滤波、运算等工作，是运用集成运算放大器来实现的。,集成运算放大器是一种集成度很大的高增益多级直接偶合放大器，它的符号如图,9.12,。,一般用,IC,表示集成运算放大器，,U,十、,U,为运算放大器的两个输入端,(,同相输入端和反相输入端,)，,U0,为输出电压。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,9.1.2.,模拟量信号处理技术,集成运算放大器的主要放大电路有反相放大器、同相放大器、差动放大器三种，典型电路如图,9.13,。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,9.1.2.,模拟量信号处理技术,图,a,是反相放大，,Rf,是负反馈电阻，输出电压,U0=-UiRf/R1=-,Ui,A,式中，,A,为闭环放大倍数，在反相放大电路中，输出电压与输入电压倒相。,9.1.2.,模拟量信号处理技术,第9,章 模拟量输入输出接口技术,图,b,是同相放大，,Rf,是反馈电阻，输出电压,U0=Ui(Rf/R1+1)=,Ui,A,式中，,A,为闭环放大倍数，在同相放大电路中，输出电压与输入电压同相,9.1.2.,模拟量信号处理技术,第9,章 模拟量输入输出接口技术,图,c,是差动放大，,Rf,是反馈电阻，,Rp,是平衡电阻，输出电压,U0=(U1-U2)Rf/R1,当,R1=R2=,Rf,时，输出电压,U0=U1-U2,电路就成为了一个减法运算放大电路。,9.1.2.,模拟量信号处理技术,第9,章 模拟量输入输出接口技术,以上是三个典型的应用，从图,a,还可以引伸出加法运算电路，图,b,还可以引伸出电压跟随电路，见图,9.14,。,9.1.2.,模拟量信号处理技术,第9,章 模拟量输入输出接口技术,常用的集成运算放大器有,A741、OP07,系列、,TLC,系列、,TLV,系列等，在使用时，要仔细了解集成运算放大器的工作电压、共模抑止比、输入失调电压、增益和输出电压幅值，正确的电路设计才能获得理想的效果。,在传感器输出信号处理方面，因为需要测试含有大的共模成份的微弱信号，同时有,50,Hz/60Hz,的交流电干扰，往往利用仪表放大器来放大传感器输出的信号。仪表放大器是在一个电路内集成了几个运算放大器。图,9.15,是典型的仪表放大器,AD623,的内部结构，使用十分简单，调节,R0,就可以改变放大倍数。,9.1.2.,模拟量信号处理技术,第9,章 模拟量输入输出接口技术,(2),模拟量多路开关,在单片机应用系统中，常常需要多个传感器进行测量，在实际应用中需要设计模拟量多路开关，用于选择不同的传感器进行放大处理。常用的模拟量多路开关集成电路有八选一,CD4051、,双四选一,CD4052,和三组双路双向,CD4053。,9.1.2.,模拟量信号处理技术,第9,章 模拟量输入输出接口技术,(3).,应用举例,1).,应用热敏电阻测量,0-50,的电路,图中，,1403,为高精度稳压集成电路，为热敏电阻测量电路提供稳定的工作电源。,Rt,为热敏电阻，与,R1,组成三点式线性校正电路，温度电压信号从,W1,取出，,W1、W2,用于调节,0,的电压值和输出的灵敏度。在上述电路中，适当选取元件参数，可以达,10,mV/0,的输出，,50,时的输出电压可达,500,mV，,此电压通过运算放大器同相放大，,V0,的输出电压为,0 5,V，,此电压可以直接输入到,A/D,电路进行处理。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,9.1.2.,模拟量信号处理技术,2).,用热敏电阻为冷端补偿的热电偶测量电路,图中，,P,为热电偶，,R1、R2、R3、C1、C2,构成滤波电路，,D1、D2,用于保护输入，,IC1,为负反馈放大器。,1403,提供电桥电源，,R4、R5、R6、,Rt,组成冷端补偿电桥，当温度变化时，热敏电阻,Rt,阻值产生变化，电桥不平衡有电压输出，并被,IC2,放大，,IC3,为电压加法器，把冷端的补偿电压与热电偶的温度输出电压相加后作为正确的输出信号跟随后再处理。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,9.1.2.,模拟量信号处理技术,在测量人体的心电信号时，由于心电信号很弱，只有,0 1,mV,右右，干扰又多，为了获得正确的心电信号，需要应用仪表放大器进行信号放大。图,9.19,为应用,AD623,仪表放大器在心电信号中的应用。在输入端，由,IC1、IC2,为电压跟随级，以增加输入阻抗。,D1 D4,为保护二极管，,R1 R4、C1 C4,用于滤波。从二个电极输出的电压由仪表放大器,AD623,放大后再处理。,第9,章 模拟量输入输出接口技术,9.1.2.,模拟量信号处理技术,9.2,A/D,转换器的主要性能指标及分类,在单片机应用系统中，常常需要把检测到的连续变化的模拟信号（如流量，温度，压力，液位等）转换成数字量，以便计算机进行加工和处理，这种转换过程称为,A/D,转换，完成这种转换的器件称为,A/D,转换器。,A/D,转换器实际上是计算机的一个输入设备,9.2.1,A/D,转换器的主要性能指标,.,1.,分辨率,分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。转换器的分辨率定义为满刻度电压与,2,n,之比值，其中,n,为,A/D,转换器的位数，例如一个,8位,A/D,转换器其分辨率为满刻度,1/2,8,，若满刻度电压为,5,V，,则能分辨率的最小电压值为,5/2,8,=20,mv。,2.,量化误差,量化误差是由于,A/D,转换的有限数字对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差，量化误差一般为,1/2,LSB（,LSB,：,Least Significant Bit,）,是数字量的最小有效位所表示的模拟量，提高分辨率可减少量化误差。量化误差和分辨率是统一的。,3.,转换精度：,A/D,转换精度指出了一个实际,A/D,转换在量化值上与理想,A/D,转换器进行模,/,数转换的差值，可以用两个方式来表示：,绝对精度：用最低位（,LSB）,的倍数表示，如,1/2,LSB,等。,用绝对精度除以满量程值的百分数来表示。,4.,转换时间与转换速率,转换时间为完成一次,A/D,转换所需要的时间，即从输入端加入信号到输出端出现相应数码的时间转换时间越短，适应输入信号快速变化能力越强。,转换速度是转换时间的倒数，如转换时间长，则表示转换速度低。各种结构类型的,A/D,转换器的转换时间有所不同，转换时间最短的为全并行,A/D,转换器，其转换时间为,550,ns，,其次是逐次比较式,A/D,转换器，其转换时间为,0.4,us，,再次为逐次逼近型，较慢的是双积分式。,9.2.2,A/D,转换器的分类：,A/D,转换芯片种类繁多，但大量投放市场的单片集成或模块，按其转换原理，可分为逐次近式，双积分式和,V/F,转换式,1.,逐次逼近式,逐次逼近式,A/D,属直接式,A/D,转换，转换精度高，转换速度快，是目前应用最为广泛的,A/D,转换，缺点是抗干扰能力较差，比如,8位,ADD809，12,位的,AD574,等。,2.,积分式,双积分式是一种间接,A/D,转换器，其优点是抗干扰能力强，转换精度高，缺点是转换时间长，速度较慢。比如,31/2位14433，41/2位7135,3.,V/F,转换式,V/F,转换式是将模拟电压信号转换成频率信号可以代替,A/D,转换，转换精度高，抗干扰能力强。比如：,AD650，LM331,等。,9.3,常用的,A/D,转换芯片,9.3,常用的,A/D,转换芯片,1.8,路模拟选择开关,0809,片内有一个,8,路单端模拟信号多路开关，用于切换,8路,IN0IN7,模拟输入通道，地址锁存和译码器在,ALE,信号控制下可以锁存,ADDA，ADDB，ADDC,上的地址信号，经译码后控制,IN0IN7,上的模拟信号的切换。地址和模拟通道的对应关系如下：,ADDC ADDB ADDA,所选通道,0 0 0,IN0,0 0 0 IN1,:,:,1 1 1 IN7,2.8位,A/D,转换器,与,8位,A/D,转换器相关的控制信号有：,START,启动信号：上升沿复位,0809,，下降沿启动,A/D,转换器。,EOC,转换结束输出：,EOC=0,表示正在进行,A/D,转换，,E01=1,表示一次转换已结束，此信号可用作,A/D,转换是否结束的检测信号或中断请求信号。,CLK,时钟信号输入：最高允许值为,640,KHZ。,V,REF,（,+,）,和,V,REF,（,-,）,为正，负参考电压输入端：通常接,+5,V,和接地。,3.,三态输出锁存缓冲器,三态输出锁存缓冲器用于输出锁存,/,转换完成后的数字量。,A/D,转换完成,EOC,输出一个负脉冲，而转换结果,8,位数字量锁存在三态输出锁存器中。当控制输出允许信号,OE=1,时，则将三态缓冲器打开，把,8,位转换结果送至外部数据线,D0D7。,4.0809,的工作时序,0809,的工作时序见图,9.21,0809,的工作时序见图,9.21,5.,ADC0809,与8031,接口电路,ADC0809,与8031,连接可采用查询方式，也可采用中断方式，图,9.22,为中断方式连接，由于,ADC0809,片内有三态输出锁存器，因此可直接与,8031,接口。,图,9.22,ADC0809,与8031,的连接,在图中，将,ADC0809,作为一个外扩的并行接口，采用线选法，由,P2.7,和 作为启动转换,START,和,ALE,的信号，低三位地址线与,ADDA，ADDB,和,ADDC,连接，所以,IN0,通道的地址为,7,FF8H。,启动,A/D,转换的过程如下：,（,1,）选中通道号。,（,2,）启动,A/D，,即执行一条“,MOVX DPTR，A”,时，产生信号，使,ALE，START,有效。锁存通道号并启动,A/D,转换。,（,3,）等待,A/D,转换结束：,EOC,端发出一正脉冲，申请中断，表示,A/D,结束。,（,4,）读,A/D,转换数据：在中断服务程序中，执行“,X,，,DPTR”,指令产生信号，使,OE,有效打开三态门，,8,位数据便读入到,CPU,中。,6.,举例,例,9.1,：以图,9.22,所示为例，将,IN0IN7,通道的模拟量各采样一次，结果放入,30,H37H,单元中，下面分别用查询和中断二种方式实现。,（,1,）查询方式程序清单如下：,ORG 0000H,START：MOV R0，#30H,;,；,采样数据存放首址,MOV DPTR,#7FF8H ；IN0,通道地址,MOV R2，#08H ；,模拟量通道道数,CLR EX0,LOOP：MOVX R1，A ；,启动,A/D,转换,MOV R3，#20H,DELY：DJNZ R3，DELY ；,等待,EOC,信号变低,SETB P3.2,POLL：JB P3.2，POLL ；,查询转换是否结束,MOVX A,DPTR ；,读取转换结果,MOV R0，A ；,存放结果,INC R0,INC DPTR,DJNZ R2，LOOP ；8,通道未完，则采集下一个通道,HERE：SJMP HERE,END,在上述程序中，有一段延时程序，其目的是,A/D,启动后，需,10,us,后,EOC,信号才变低。,（,2,）中断方式程序清单如下,：,ORG 0000H,START：AJMP MAIN,ORG 0013H,AJMP EXINT0,MAIN：MOV R0，#30H ；,采样数据存放地址,MOV R1，#7FF8H ；IN0,通道地址,MOV R2，#08H ；,模拟量通道数,MOVX R1，A ；,启动,A/D,转换,SETB IT0 ；,外部中断,0,为边沿触发方式,SETB EX0 ；,允许外部中断,0,中断,SETB EA ；,开放,CPU,中断,HERE：SJMP HERE,EXINT0：PUSH PSW ；,保护现场,CLR RS0,CLR RS1,MOVX A,R1 ；,读取转换结果,MOV R0，A ；,存放结果,INC R0,INC R1,DJNZ R2，NEXT ；8,通道未完，则采集下一通道,CLR EX0 ；,采集完毕，则停止中断,SJMP DONE,NEXT：MOVX R1，A ；,启动下一通道,A/D,转换,DONE：POP PSW,RET1,END,9.3.2,AD574 12,位,AD,转换器及接口,8位,A/D,转换器在某些应用场合可能不能满足精度要求，可以使用,10,位，,12,位，,16,位等,A/D,转换器，其中,12,位转换器使用广泛，下面介绍常用的,12位,A/D574,与,MCS-51,单片机的接口及程序设计。,1.,AD574,的结构及引脚,（,1,）,结构,AD574,是一种逐次逼近式,12,位,A/D,，,其内部结构如图,9.23,，它是由模拟芯片和数字芯片二者混合组成的，其中模拟芯片为高性能的,AD565,型快速集成的,12,位,DA,转换器和基准电源，数字芯片为低功耗的逐次比较寄存器，转换控制电路，时钟，比较器和总线接口等。由于芯片内包含有高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下，完成,A/D,转换功能。,如图,9.23,5.,AD574,与8031,单片机的接口。,AD574,与8031,的接口电路如图,9.27,所示。,此电路采用双极性输入方式，可对,5,V,或10,V,模拟信号进行转换，由于,AD574,输出,12,位数码，所以当单片机读取转换结果时，需分两次进行；先高,8,位，后低,4,位。由,=0或=1,，来分别控制读取高,8,位或低,4,位。,单片机采用中断查询延时方法读取转换结果，下面的程序将采用查询方式读取结果。首先，启动,A/D：,单片机执行一条对外部数据存储器的写指令，使,CE=1，=0，R/=0，=0。,其次，查询,A/D,转换是否完成：通过,P1.0,线不断查询,STS,的状态。当,STC=1，,表示正在转换,STC=0,表示转换结束。再次：分二次读结果数据，当,CE=1，=0，R/=1，=0，,读取高,8位；,CE=1，=0，R/=1，=1，,读取低,4,位，针对上述的接口电路，,AD574,的接,8031,的锁存地址,A7，A0,与8031,的锁存地址,A1,相连，,R/,与,A0,相连。因此启动,AD574A,的端口地址为,00,H。,例9.2,：将,AD,转换后的,12,位数据存入,41,H，40H,中，查询结果如下：,MOV DPTR，#00H ；,送端口地址到,DPTR,MOVX DPTR，A ；,启动,A/D,SETB P1.0 ；,置“,1”,P1.0,为输入方式,LOOP：JB P1.0，LOOP ；,检测,P1.0,口,INC DPTR ；,使,R/,为1,MOVX A，DPTR ；,读高,8,位,MOV 41H，A ；,高8,位内容存入,41,H,INC DPTR ；,使,R/，A0,均为,1,INC DPTR,MOVX A DPTR ；,读低,4,位,ANL A，#0FH ；,屏蔽高,4,位,MOV 40H，A ；,存入低,4,位到,40,H,9.3.3,双积分,A/D,转换器及接口技术,MC14433,是3,位半,A/D,转换器，是目前广为流行的最典型的双积分,A/D,转换器。由于双积分方法二次积分时间较长，速度较慢。但具有较好的抗干扰性能，较高的转换精度（相当于,11,位二进制），自动校零，自动极性输出，自动量程控制信号输出，动态字位扫描,BCD,码输出，单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。,1.,MC14433,主要特性参数,1,）,转换精度具有,1/1999,分辨率或读数的,0.05%1,个字。,2,）,电压量程,分1.999,V,和199.9,mV,两档。,3,）,基准电压取,2,V,或200,mV。,4）,转换速度为,3次/秒10次/,秒。,5,）,具有过量程和欠量程输出标志。,2.,MC14433,的内部结构及引脚功能,MC14433,的内部结构如图,9.28,所示。,模拟电路部分有基准电压，模拟电压输入部分。模入电压量程为,199.9,mV,或1.9999,V,两种，对应基准电压为,+200,mV,和+2,V。,数字电路部分由逻辑控制,BCD,码及输出锁存器，多路开关，时钟以及极性判别，溢出检测等电路组成。采用字位动态扫描,BCD,码输出方式。即千，百，十，个位,BCD,码轮流地在,Q,0,Q,3,端输出。同时在,DS1DS4,端出现同步字位选通信号,3.,MC14433,与8031,单片机的接口设计,由于,MC14433,的,A/D,转换结果是动态分时输出的,BCD,码。,Q,0,Q,3,和,DS1DS4,可以通过并行口,P1,或通过扩展,I/O,电路与其相连。下面介绍的电路是将,MC14433,与,P1,口相连的电路 见图,9.31,。,图,9.31,MC14433,与8031,的接口电路,该电路采用中断方式管理,MC14433,的操作。由于引脚,E0C,与,DU,连接在一起，所以,MC14433,能自动连续转换。,E0C,经与非门接外中断,INT1,端，当,EOC,发出中断申请，转入中断服务程序处理转换结果。,9.3.4,V/F,转换器与单片机接口,前面介绍了逐次逼近型和积分型的,ADC,转换器，本节将讨论另一种类型的,ADC,，,即电压,-,频率转换器，即,V/F,转换器。这种转换器具有良好的精度。线性和积分输入特性，抗干扰能力强，而且信号便于远传等特点。此外，它的应用电路简单，外围元件性能要求不高，对环境的适应能力强，与单片机的接口简单，因此,V/F,技术具有较高的实用性。,1.,V/F,转换器的工作原理,V/F,转换器分为单片式和模块式两大类。,V/F,与,F/V,变换有四种典型的变换方法：积分恢复型，电压反馈型，交替积分型和恒流开关型。在单片变换器中通常采用恒流开关型。由于单片电路在使用时尚需外接少量元件，单片变换器作,V/F,或,F/V,变换器均可。属于这类变换器的有,LM331,系列，,AD650,，,AD651,，,ADVFC32,等。,下面介绍以,LM331,单片,V/F,转换器的工作原理，图,9.32,是,LM331,简化后的内部结构原理图。,图,9.32,LM331 V/F,转换器简化内部结构图,在外围接上电阻和电容，就可以构成最简单的，最基本的,V/F,变换器，输入比较器输入电平,V,IN,与,V,X,比较，当,V,IN,V,X,时，启动单脉冲定时器并导通频率输出晶体管和开关电流源，定时器的定时时间,t=1.1R,t,C,t,在这个周期中电流,I,向电容,C,L,充电，使,V,X,上升，当,V,X,上升到,V,X,V,IN,时，电流,I,关断，定时器自行复位。同时，,C,L,逐渐通过,R,L,放电直到,V,X,V,IN,为止，然后比较器再次启动定时器，开始下一个循环。,V/F,转换定时波形如图,9.33,所示。,9.3.4,V/F,转换器与单片机接口,由于注入,C,L,的平均电流严格地等于,V,X,/R,L,V,IN,/R,L,这种,V