1、第第2 2章章 智能仪器模拟量输入智能仪器模拟量输入/输出通道输出通道 2.1 模拟量输入通道模拟量输入通道 2.1.1 AD转换器概述转换器概述 2.1.2 逐次比较式逐次比较式AD转换器与微型计算机接口转换器与微型计算机接口 2.1.3 积分式积分式AD转换器与微型计算机接口转换器与微型计算机接口2.2 高速模拟量输入通道高速模拟量输入通道2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道2.4 数据采集系统数据采集系统第第2 2章章 智能仪器模拟量输入智能仪器模拟量输入/输出通道输出通道 智能仪器所处理的对象大部分是模拟量。而智能仪器的智能仪器所处理的对象大部分是模拟量。而智能仪器的核心核心微处理器能
2、接受并处理的是数字量，因此被测模拟微处理器能接受并处理的是数字量，因此被测模拟量必须先通过量必须先通过AD转换器转换成数字量，并通过适当的接口转换器转换成数字量，并通过适当的接口送入微处理器。在这里，我们把送入微处理器。在这里，我们把AD转换器及其接口称为模转换器及其接口称为模拟量输入通道。拟量输入通道。 同样，微处理器处理后的数据往往又需要使用同样，微处理器处理后的数据往往又需要使用DA转换转换器及相应的接口将其变换成模拟量送出。在这里，我们把器及相应的接口将其变换成模拟量送出。在这里，我们把DA转换器及相应的接口称为模拟量输出通道。转换器及相应的接口称为模拟量输出通道。2.1 模拟量输入通
3、道模拟量输入通道 2.1.1 AD转换器概述转换器概述 AD转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这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。一般情况下，模拟量是指电压而言的。一、一、AD转换器的定义转换器的定义1. 分辨率与量化误差分辨率与量化误差2. 转换精度转换精度3. 转换速率转换速率 4. 满刻度范围满刻度范围 二、二、AD转换器的技术指标转换器的技术指标 二、二、A AD D转换器的技术指标转换器的技术指标1.分辨率与量化误差分辨率与量化误差 分辨率是衡量分辨率是
4、衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。例如：某术指标。例如：某A/D转换器为转换器为12位，若用百分比表示，即表位，若用百分比表示，即表示该转换器可以用示该转换器可以用212个二进制数对输入模拟量进行量化，其分个二进制数对输入模拟量进行量化，其分辨力为辨力为1LSB。 若用百分比表示，其分辨率为（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，则它能分辨输入模拟电压的最小变化量为变化量为10V1/212 = 2.4mV。 A/D转换器的分辨率取决于转换
5、器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上转换器的位数，所以习惯上也以也以BCD 码数的位数直接表示。码数的位数直接表示。二、二、A AD D转换器的技术指标转换器的技术指标1.分辨率与量化误差分辨率与量化误差 量化误差是由量化误差是由A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量进转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上为一个单位行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上为一个单位（1LSB ）。将实际转移曲线在零刻度处偏移）。将实际转移曲线在零刻度处偏移1/2单位，可使得单位，可使得量化误差为量化误差为1/2LSB。 A/D转换器的量化误差转换器的量化
6、误差 2.1.1 AD转换器概述转换器概述二、二、A AD D转换器的技术指标转换器的技术指标1.分辨率与量化误差分辨率与量化误差 分辨率是衡量分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。技术指标。A/D转换器的分辨率取决于转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所转换器的位数，所以习惯上以输出二进制数或以习惯上以输出二进制数或BCD 码数的位数来表示。码数的位数来表示。 量化误差是由于量化误差是由于A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上也为一个进行离散取样（量化
7、）引起的误差，其大小在理论上也为一个单位（单位（1LSB ）。）。量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差。量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差。2.1.1 AD转换器概述转换器概述二、二、A AD D转换器的技术指标转换器的技术指标2、转换精度、转换精度 转换精度反映了一个实际转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想转换器与一个理想A/D转换器转换器在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。由于理想在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。由于理想A/D转换器也存在着量化误差，因此，转换器也存在着量化误差，因此， 实际实际A/D转换器转换精转换器转
8、换精度所对应的误差指标不包括量化误差在内。度所对应的误差指标不包括量化误差在内。 转换精度指标通常由以下分项误差有组成：转换精度指标通常由以下分项误差有组成： 偏移误差偏移误差 满刻度误差满刻度误差 非线性误差非线性误差 微分非线性误差微分非线性误差转换精度转换精度 转换精度指标通常由以下分项误差有组成：转换精度指标通常由以下分项误差有组成： 偏移误差：是指输出为零时，输入不为零的值，所以有偏移误差：是指输出为零时，输入不为零的值，所以有时又称零点误差。偏移误差可以通过在时又称零点误差。偏移误差可以通过在A/D转换器的外部加接调转换器的外部加接调节电位器，将偏移误差调至最小。节电位器，将偏移误
9、差调至最小。 满刻度误差：又称增益误差，它是指满刻度误差：又称增益误差，它是指A/D转换器满刻度转换器满刻度时输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差，时输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差，满刻度误差一般是由参考电压、放大器放大倍数、电阻网络误差满刻度误差一般是由参考电压、放大器放大倍数、电阻网络误差等引起。满刻度误差可以通过外部电路来修正。等引起。满刻度误差可以通过外部电路来修正。 非线性误差：是指实际转移函数与理想直线的最大偏移。非线性误差：是指实际转移函数与理想直线的最大偏移。非线性误差不包括量化误差，偏移误差和满刻度误差。非线性误差不包括量化误差，偏移误差
10、和满刻度误差。 微分非线性误差：是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯微分非线性误差：是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯电压电压(1LSB)之间的差值。为保证之间的差值。为保证A/D转换器的单调性能，转换器的单调性能，A/D转转换器的微分非线性误差一般不大于换器的微分非线性误差一般不大于1LSB。非线性误差和微分非。非线性误差和微分非线性误差在使用中很难进行调整。线性误差在使用中很难进行调整。 2.1.1 AD转换器概述转换器概述二、二、A AD D转换器的技术指标转换器的技术指标3、转换速率、转换速率 转换速率是指转换速率是指AD转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。转换器在每秒钟内所能完成的转换次数
11、。 转换速率也可表述为转换时间，即转换速率也可表述为转换时间，即AD转换从启动到结束转换从启动到结束所需的时间，转换速率与转换时间互为倒数。所需的时间，转换速率与转换时间互为倒数。 例如，某例如，某AD转换器的转换速率为转换器的转换速率为5MHz，则其转换时间是，则其转换时间是200ns。2.1.1 AD转换器概述转换器概述二、二、A AD D转换器的技术指标转换器的技术指标4、满刻度范围、满刻度范围 满刻度范围是指满刻度范围是指AD转换器所允许最大的输入电压范围。转换器所允许最大的输入电压范围。如如(05)V，(010)V，(55)V等等 满刻度值只是个名义值，实际的满刻度值只是个名义值，实
12、际的AD转换器的最大输入转换器的最大输入电压值总比满刻度值小电压值总比满刻度值小12n（n为转换器的位数）。这是因为转换器的位数）。这是因为为0值也是值也是2n个转换器状态中的一个。个转换器状态中的一个。 例如例如12位的位的AD转换器，其满刻度值为转换器，其满刻度值为10V，而实际允，而实际允许的最大输入电压值为许的最大输入电压值为 109.9976V。40964095三、三、A AD D转换器的分类转换器的分类 逐次比较式逐次比较式AD转换器：转换时间一般在转换器：转换时间一般在s级，转换精级，转换精度一般在度一般在0.1上下，适用于一般场合。上下，适用于一般场合。 积分式积分式AD转换器
13、：其核心部件是积分器，因此转换时转换器：其核心部件是积分器，因此转换时间一般在间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达级或更长，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。或更高。适于数字电压表类仪器采用。 并行比较式又称闪烁式：采用并行比较，其转换时间可并行比较式又称闪烁式：采用并行比较，其转换时间可达达ns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高级，但抗干扰性能较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于于8位。可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。位。可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。 改进型是在上述某种形式改进型是在上述某种形式
14、AD转换器的基础上，为满足转换器的基础上，为满足某项高性能指标而改进或复合而成的。例如余数比较式即是在逐某项高性能指标而改进或复合而成的。例如余数比较式即是在逐次比较式的基础上加以改进，使其在保持原有较高转换速率的前次比较式的基础上加以改进，使其在保持原有较高转换速率的前提下精度可达提下精度可达0.01以上。以上。2.1.2 逐次比较式逐次比较式AD转换器与计算机接口转换器与计算机接口 一、一、 逐次比较式逐次比较式A AD D转换器原理转换器原理 它由它由N位寄存器、位寄存器、N位位DA转换器、比较器、逻辑控制电路、转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲器输出缓冲器 五部分组成，五部分组成，
15、 逐次比较式逐次比较式AD转转换器大都做成单片集成换器大都做成单片集成电路形式，使用时只需电路形式，使用时只需发出发出AD转换启动信转换启动信号，然后在号，然后在EOC端查知端查知AD转换过程结束后，转换过程结束后，取出数据即可（实际取出数据即可（实际AD转换过程已不是非转换过程已不是非常重要）。常重要）。 二、二、 ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口 二、二、 ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口 ADC0809由三大部分组成：由三大部分组成： 1、8路输入模拟量选择电路：路输入模拟量选择电路：8路输入模拟量信号分别接到路输入模拟量信号分别接到IN0IN7端
16、。端。A，B，C为输入地址选择线，地址信息由为输入地址选择线，地址信息由ALE的上的上升沿打入地址锁存器。升沿打入地址锁存器。 2、逐次比较式、逐次比较式AD转换器：转换器：START为启动信号，其上升为启动信号，其上升沿复位内部寄存器，下降沿启动沿复位内部寄存器，下降沿启动AD转换。转换。EOC为转换结束标为转换结束标志位，志位，“0”表示正在转换，表示正在转换，“1”表示一次表示一次A/D转换的结束。转换的结束。CLOCK为外部时钟输入信号，当时钟频率取为外部时钟输入信号，当时钟频率取640kHz时，转换一时，转换一次约需次约需100s时间（时间（ADC0809所能容许的最短转换时间）。所
17、能容许的最短转换时间）。 3、三态输出缓冲锁存器：、三态输出缓冲锁存器：AD转换的结果由转换的结果由EOC信号上信号上升沿打入三态输出缓冲锁存器。升沿打入三态输出缓冲锁存器。OE为输出允许信号，当向为输出允许信号，当向OE端端输入一个高电平时，三态门电路被选通，这时便可读取结果。输入一个高电平时，三态门电路被选通，这时便可读取结果。否则缓冲锁存器输出为高阻态。否则缓冲锁存器输出为高阻态。 二、二、 ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口 二、二、 ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口 2.1.2 逐次比较式逐次比较式AD转换器与计算机接口转换器与计算机接口 AD转
18、换器与微处理器连接方式以及智能仪器要求的转换器与微处理器连接方式以及智能仪器要求的不同，实现不同，实现AD转换软件的控制方式就不同。目前常用的转换软件的控制方式就不同。目前常用的控制方式主要有：控制方式主要有： 1 程序查询方式：程序查询方式： 2 延时等待方式：延时等待方式： 3 中断方式：中断方式： 结合下图所示的结合下图所示的ADC0809与与8031的接口电路，的接口电路， 给出查询、给出查询、等待定时和中断这三种方式下的转换程序。转换程序的功能是等待定时和中断这三种方式下的转换程序。转换程序的功能是将由将由IN0端输入的模拟电压转换为对应的数字量，端输入的模拟电压转换为对应的数字量，
19、 然后再存入然后再存入8031内部内部RAM的的30H单元中。单元中。 1 程序查询方式程序查询方式2 延时等待方式延时等待方式3 中断方式中断方式a 查询方式查询方式 MOV DPTR， #0FEF8H ;指出指出IN0通道地址通道地址 MOV A， #00H MOVX DPTR，A ; 启动启动IN0通道转换通道转换 MOV R2， #20HDLY： DJNZ R2， DLY ；延时，等待；延时，等待EOC变低变低WAIT：JB P3.3，WAIT ；查询，等待；查询，等待EOC变高变高 MOVX A，DPTR MOV 30H， A ；结果存；结果存30H b 延时等待方式延时等待方式 M
20、OV DPTR， #0FEF8H MOV A， #00H MOVX DPTR， A ；启动；启动IN0通道通道 MOVX R2， #48HWAIT：DJNZ R2， WAIT ；延时约；延时约140s MOVX A， DPTR MOV 30H， A ；转换结果存；转换结果存30H c 中断方式中断方式 （主程序）（主程序）MAIN：SETB IT1 ；选边沿触发；选边沿触发 SETB EX1 ；允许中断；允许中断 SETB EA ；打开中断；打开中断 MOV DPTR，#0FEF8H MOV A， #00H ；启动；启动AD转换转换 MOVX DPTR，A ；执行其他任务；执行其他任务 中断服
21、务程序：中断服务程序：NTR1：PUSH DPL ；保护现场；保护现场 PUSH DPH PUSH A MOV DPTR，#0FEF8H MOVX A， DPTR ；读结果；读结果 MOV 30H， A ；结果存；结果存30H MOV A， #00H MOVX DPTR, A ；启动下次转；启动下次转 POP A ；恢复现场；恢复现场 POP DPH POP DPL RETI ；返回；返回 三、三、 AD574芯片及其接口芯片及其接口 CS： 片选信号，低电平有效。CE： 片使能信号，高电平有效。R/C：读/启动转换信号，高时读A/D转换结果，低时启动A/D转换。12/8：输出数据长度控制信号
22、，高为12位，低为8位。A0： A0 有两种含义：当R/C为低时，A0为高，启动8位A/D转换； A0 为低，启动12位A/D转换。当R/C为高时，A0为高，输出低4位数据；A0 低，输出高8位数据。 CE CS RC 128 A0 操 作 1 0 0 0 12位转换 1 0 0 1 8位转换 1 1 0 5V 0 12位并行输出 1 0 1 接地 0 输出高8位数据 1 0 1 接地 1 输出低4位数据上述上述5 5个控制信号的组合如表所示个控制信号的组合如表所示AD574AD574共有共有5 5个控制引脚，定义如下：个控制引脚，定义如下： 三、三、 AD574芯片及其接口芯片及其接口 图中
23、图中STSSTS可有三种接法以对应三种控制方式：如果可有三种接法以对应三种控制方式：如果STSSTS空着，空着，单片机只能采取延时等待方式，在启动转换后，延时单片机只能采取延时等待方式，在启动转换后，延时25s25s以上以上时间，再读入时间，再读入A AD D转换结果转换结果, ,本例采用延时等待方式，其对应控本例采用延时等待方式，其对应控制程序清单如下：制程序清单如下： MOV R0， #1FH ；启动 MOVX R0， A MOV R7， #10H ；延时 DJNZ R7， MOV R1， #7FH ；读低四位 MOVX A， R1 MOV R2， A ； 存低四位 MOV R1， #3F
24、H ； 读高八位 MOVX A， R1 MOV R3， A ； 存高四位 SJMP 2.1.3 2.1.3 积分式积分式A AD D转换器与计算机接转换器与计算机接口口一、一、 双积分式双积分式AD转换器原理概述转换器原理概述 双积分式双积分式AD转换器又称双斜式转换器又称双斜式A/D转换器，其转换过程转换器，其转换过程在逻辑控制电路的控制下按以下三个阶段进行。在逻辑控制电路的控制下按以下三个阶段进行。1预备阶段预备阶段2定时积分阶段定时积分阶段T1 3定值积分阶段定值积分阶段T2 积分式积分式A/D转换器是一种间接式转换器是一种间接式A/D转换器，其工作原理是：转换器，其工作原理是：先用积分
25、器把输入模拟电压转换成中间量（时间先用积分器把输入模拟电压转换成中间量（时间T 或频率或频率f），），然后再把中间量转换成数字。然后再把中间量转换成数字。 积分式积分式A/D转换器又可进一步分为许多类型，本节仅讨论其转换器又可进一步分为许多类型，本节仅讨论其中最基本的双积分式中最基本的双积分式A/D转换器及接口技术。转换器及接口技术。 2.1.3 2.1.3 积分式积分式A AD D转换器与计算机接转换器与计算机接口口一、一、 双积分式双积分式AD转换器原理概述转换器原理概述 2.1.3 2.1.3 积分式积分式A AD D转换器与计算机接转换器与计算机接口口一、一、 双积分式双积分式AD转换
26、器原理概述转换器原理概述 1 预备阶段：预备阶段： 逻辑控制电路发出复位指令，计数器清零，同时使逻辑控制电路发出复位指令，计数器清零，同时使S4闭合，积闭合，积分器输入分器输入/输出都为零。输出都为零。2 定时积分阶段定时积分阶段T1： 在在t1时刻，逻辑控制电路发出启动指令，使时刻，逻辑控制电路发出启动指令，使S4断，断，S1闭合，于是积分器开始对输入电压闭合，于是积分器开始对输入电压Ui积分，同时打开计数门计数。当计数器计满积分，同时打开计数门计数。当计数器计满N1时时(t2时刻时刻)，计数器的溢出脉冲使逻辑控制电路发出控制信号使，计数器的溢出脉冲使逻辑控制电路发出控制信号使S1断开。断开
27、。阶段阶段T1结束，积分器输出结束，积分器输出 （2.1）ittiURCTdtURCU1012113定值积分阶段定值积分阶段T2：在：在 t2 时刻令时刻令S1断开的同时，使与断开的同时，使与Ui极性相反的基准电极性相反的基准电压接入积分器。本例设压接入积分器。本例设Ui为正值，则令为正值，则令S3闭合，于是积分器开始对基准电压闭合，于是积分器开始对基准电压UR定值积分，积分器输出从定值积分，积分器输出从U01值向零电平斜变，同时，计数器也重新从零计数，值向零电平斜变，同时，计数器也重新从零计数，当积分输出达到零电平时刻（即当积分输出达到零电平时刻（即t3），比较器翻转，此时控制电路令计数器关
28、门，），比较器翻转，此时控制电路令计数器关门，计数器保留的计数值为计数器保留的计数值为N2。定值积分阶段。定值积分阶段T2结束时，积分器输出电平为零，结束时，积分器输出电平为零，则有则有 2.2）dtURCUttr)(103201数学推导数学推导 ittiURCTdtURCU101211dtURCUttr)(103201riURCTURCT21t1t2t3U01 （2.1） （2.2） irUUTT12 （2.3） 将将2.1式代入式代入2.2式得式得设时钟周期为设时钟周期为T0，计数器容量为，计数器容量为N1，则，则T1=N1To、T2=N2To，2.3式可改写为式可改写为2.3式所明：式所
29、明：T2与输入电压的平均值与输入电压的平均值 成正比成正比iUirUUNN12 （2.4）2.4式所明：式所明：N2与输入电压的平均值与输入电压的平均值 成正比（成正比（ N2 ）iUiUN2T0N2 N2 UiUi关系的演示关系的演示积分器输出电压还是负向积分器输出电压还是负向积分，积分时间积分，积分时间不变，不变，但是，斜率将增加一倍。但是，斜率将增加一倍。（假定输入电压增加为（假定输入电压增加为2Ui）在在期间，积分器反向期间，积分器反向积分的斜率不变（因积分的斜率不变（因不不变），但是，返回到零点的变），但是，返回到零点的时间时间将增加一倍。将增加一倍。由于由于增加一倍，因而增加一倍，
30、因而在期间的计数值在期间的计数值也也将增加一倍。将增加一倍。 2.1.3 2.1.3 积分式积分式A AD D转换器与计算机接转换器与计算机接口口一、一、 双积分式双积分式AD转换器原理概述转换器原理概述 1预备阶段预备阶段-复零，复零，S4接通接通2定时积分阶段定时积分阶段-第一次积分，第一次积分，S1接通接通 特点：特点：定时积分定时积分T1固定，固定， UO1(正比于正比于) Ui3定值积分阶段定值积分阶段-第二次积分，第二次积分，S3/S4接通接通 特点：特点：定值积分（反向），定值积分（反向），N2UO1Ui一、一、 双积分式双积分式AD转换器原理概述转换器原理概述 （1） 抗干扰能
31、力强抗干扰能力强 双积分式双积分式AD转换器的结果转换器的结果与输入信号的平均值成正比，因与输入信号的平均值成正比，因而对叠加在输入信号上的交流干而对叠加在输入信号上的交流干扰有良好的抑制作用，即串模干扰有良好的抑制作用，即串模干扰抑制能力比较大。扰抑制能力比较大。50Hz的工频的工频干扰是最主要的串模干扰成分，干扰是最主要的串模干扰成分，如果选定采样时间如果选定采样时间T1的时间为工的时间为工频周期频周期20ms的整数倍，则对称的的整数倍，则对称的工频干扰在理想情况下可以完全工频干扰在理想情况下可以完全消除消除双积分式双积分式AD转换器的优点：转换器的优点：一、一、 双积分式双积分式AD转换
32、器原理概述转换器原理概述 （1） 抗干扰能力强抗干扰能力强 双积分式双积分式AD转换器的结果与输入信号的平均值成正比，因转换器的结果与输入信号的平均值成正比，因而对叠加在输入信号上的交流干扰有良好的抑制作用，即串模干而对叠加在输入信号上的交流干扰有良好的抑制作用，即串模干扰抑制能力比较大。扰抑制能力比较大。50Hz的工频干扰是最主要的串模干扰成分，的工频干扰是最主要的串模干扰成分，如果选定采样时间如果选定采样时间T1的时间为工频周期的时间为工频周期20ms的整数倍，则对称的整数倍，则对称的工频干扰在理想情况下可以完全消除的工频干扰在理想情况下可以完全消除（2） 性能价格比高性能价格比高 由于在
33、转换过程中的两次积分中使用了同一积分器，又使用由于在转换过程中的两次积分中使用了同一积分器，又使用同一时钟去测定同一时钟去测定T1和和T2，因此对积分器的精度和时钟的稳定性因此对积分器的精度和时钟的稳定性等指标都要求不高，使成本降低。等指标都要求不高，使成本降低。双积分式双积分式AD转换器的优点：转换器的优点：1、速度较慢，一般情况下每秒转换几次，最快每秒、速度较慢，一般情况下每秒转换几次，最快每秒20余次。余次。2、积分器和比较器的失调偏移不能在两次积分中抵消，会造、积分器和比较器的失调偏移不能在两次积分中抵消，会造成较大的转换误差。成较大的转换误差。 为了将为了将A/D转换器中的运算放大器
34、和比较器的漂移电压降转换器中的运算放大器和比较器的漂移电压降低，常采用自动调零技术。低，常采用自动调零技术。 自动调零技术实际上是在双积分式转换过程中增加了两个自动调零技术实际上是在双积分式转换过程中增加了两个积分周期，分别测出积分周期，分别测出A/D转换器中运算放大器和比较器的失调转换器中运算放大器和比较器的失调电压，并分别存储在电容器或寄存器中。当对模拟信号进行转电压，并分别存储在电容器或寄存器中。当对模拟信号进行转换时，就可以扣除上述已存储的失调电压，实现精确换时，就可以扣除上述已存储的失调电压，实现精确A/D转换。转换。 自动调零技术可将失调电压降低自动调零技术可将失调电压降低12个数
35、量级。个数量级。一、一、 双积分式双积分式AD转换器原理概述转换器原理概述 双积分式双积分式A/D转换器的缺点：转换器的缺点： 2.1.3 2.1.3 积分式积分式A AD D转换器与计算机接转换器与计算机接口口一、一、 双积分式双积分式AD转换器原理概述转换器原理概述 二、二、 微处理机控制双积分式微处理机控制双积分式AD转换器转换器 1、采用微处理器直接实现对双积分式、采用微处理器直接实现对双积分式AD转换器全部转换器全部转换过程的控制；转换过程的控制； 2、采用含有逻辑控制电路的单片式双积分式、采用含有逻辑控制电路的单片式双积分式AD转换转换器芯片，其接口的任务主要是在双积分器芯片，其接
36、口的任务主要是在双积分AD转换结束之后转换结束之后读取结果。读取结果。 双积分式双积分式AD转换器与处理器系统的接口有两种方法：转换器与处理器系统的接口有两种方法： 1、采用微处理器直接实现对双积分、采用微处理器直接实现对双积分式式AD转换器全部转换过程的控制；转换器全部转换过程的控制； 2、采用含有逻辑控制电路的单片式双积分式、采用含有逻辑控制电路的单片式双积分式AD转换器芯片，转换器芯片，其接口的任务主要是在双积分其接口的任务主要是在双积分AD转换结束之后读取结果。转换结束之后读取结果。 目前，双积分式目前，双积分式AD转换器已能做成单片集成电路的形式。转换器已能做成单片集成电路的形式。这
37、些集成芯片大都采用了自动调零技术，并且其数字输出大都这些集成芯片大都采用了自动调零技术，并且其数字输出大都采用位扫描的采用位扫描的BCD码形式。码形式。 本章以广为使用的本章以广为使用的C14433为例来讨论。为例来讨论。 2.1.3 2.1.3 积分式积分式A AD D转换器与计算机接转换器与计算机接口口二、二、 微处理机控制双积分式微处理机控制双积分式AD转换器转换器 2.1.3 2.1.3 积分式积分式A AD D转换器与计算机接转换器与计算机接口口一、一、 双积分式双积分式AD转换器原理概述转换器原理概述 二、二、 微处理机控制双积分式微处理机控制双积分式AD转换器转换器三、三、MC1
38、4433AD芯片及其接口芯片及其接口 MC14433是采用是采用CMOS工艺且具有零漂补偿的工艺且具有零漂补偿的3 位半位半（BCD码）单片双积分式码）单片双积分式AD转换器芯片，只需外加二个电转换器芯片，只需外加二个电容和二个电阻就能实现容和二个电阻就能实现AD转换功能。主要技术指标为：转换功能。主要技术指标为： 转换速率转换速率(310)Hz， 转换精度转换精度1LSB， 模拟输入电压范围模拟输入电压范围0V1.999V或或0V199.9mV， 输入阻抗大于输入阻抗大于100M。 三、三、MC14433AD芯片及其接口芯片及其接口 MC14433 MC14433转换结果以转换结果以BCDB
39、CD码形式，分时按千、百、十、个位由码形式，分时按千、百、十、个位由Q Q0 0Q Q3 3端送去，相应的位选通信号由端送去，相应的位选通信号由DS1DS1DS4DS4提供。每个选通脉冲提供。每个选通脉冲宽度为宽度为1818个时钟周期，相邻选通脉冲之间的间隔为个时钟周期，相邻选通脉冲之间的间隔为2 2个时钟周期。个时钟周期。 MC14433模拟部分电路如图所示。缓冲器模拟部分电路如图所示。缓冲器A1接成电压跟随器形式，以提接成电压跟随器形式，以提高高A/D转换器输入阻抗；转换器输入阻抗；A2与外接与外接R1和和C1构成积分器；构成积分器；A3为比较器，完成为比较器，完成“0”电平检出。由于运放
40、电平检出。由于运放A1，A2，A3工作时不可避免地存在输入失调电压，因此工作时不可避免地存在输入失调电压，因此在转换过程中还要进行自动调零。图中的在转换过程中还要进行自动调零。图中的C0为调零电容，需外接。为调零电容，需外接。 MC14433 完整的完整的AD转换过程可分为转换过程可分为6个阶段，各阶段个阶段，各阶段积分器输出的波形如图所示：积分器输出的波形如图所示： 三、三、MC14433AD芯片及其接口芯片及其接口 MC14433与与8031 接口电路如图。要求编程将转换结果存储在接口电路如图。要求编程将转换结果存储在2EH与与2FH单元中，存储格式为：单元中，存储格式为： 转换器的转换器
41、的EOC反相反相后，作为中断申请信号后，作为中断申请信号送送8031的的INT1端。由于端。由于EOC与与DU相连，所以每相连，所以每次转换完毕都有相应的次转换完毕都有相应的BCD码及选通信号出现码及选通信号出现在在Q0Q3及及DS1DS4端。端。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 2EH符号符号 千位千位 百百 位位2FH 十十 位位 个个 位位 设要求外部中断为边沿触发方式，设要求外部中断为边沿触发方式， 主程序：主程序： INIT： SETB IT1 ；选择；选择INT1边沿触发方式边沿触发方式 MOVC IE，#10000100B ；打开中断，；打开中断，INT1中断允许
42、中断允许 中断服务程序：中断服务程序： SAP：MOV A，P1 JNB ACC.4， SAP ；等待；等待DS1选通信号选通信号 JB ACC.0， SER ；若超、欠量程，转；若超、欠量程，转SER JB ACC.2， SP1 ；若极性为正，转；若极性为正，转SP1 SETB 77H ；为负，；为负，2EH单元单元D7为为1 AJMP SP2SP1： CLR 77H ；为正，；为正，2EH单元单元 D7为为0SP2： JB ACC.3， SP3 ；查千位；查千位(12位位)SETB 74H ；千位数；千位数2EH单元单元D4为为1AJMP SP4SP3： CLR 74H ；千位数；千位数2
43、EH单元单元D4为为0SP4： MOV A， P1JNB ACC.5， SP4 ；等待；等待DS2选通信号选通信号MOV R0， #2EH ；XCHD A， R0 ；百位数送；百位数送2EH低低4位位 中断服务程序：中断服务程序： SAP：MOV A，P1 JNB ACC.4， SAP ；等待；等待DS1选通信号选通信号 JB ACC.0， SER ；若超、欠量程，转；若超、欠量程，转SER JB ACC.2， SP1 ；若极性为正，转；若极性为正，转SP1 SETB 77H ；为负，；为负，2EH单元单元D7为为1 AJMP SP2SP1： CLR 77H ；为正，；为正，2EH单元单元 D
44、7为为0SP2： JB ACC.3， SP3 ；查千位；查千位(12位位)SETB 74H ；千位数；千位数2EH单元单元D4为为1AJMP SP4SP3： CLR 74H ；千位数；千位数2EH单元单元D4为为0SP4： MOV A， P1JNB ACC.5， SP4 ；等待；等待DS2选通信号选通信号MOV R0， #2EH ；XCHD A， R0 ；百位数送；百位数送2EH低低4位位SP5： MOV A， P1JNB ACC.6， SP5 ；等待；等待DS3选通信号选通信号SWAP A ；高低；高低4位交换位交换INC R0 ；指针指向；指针指向2FHMOV R0， A ；十位数；十位数
45、2FH高高4位位SP6： MOV A， P1JNB ACC.7， SP6 ；等待；等待DS4选通信号选通信号XCHD A， R0 ；个位数送；个位数送2FH低低4位位RETI ；中断返回；中断返回SER： SETB 10H ；置超、欠量程标志；置超、欠量程标志RETI ；中断返回；中断返回 2.2 高速模拟量输入通道高速模拟量输入通道 2.2.1 并行比较式并行比较式 AD 转换器原理概述转换器原理概述 高速模拟量输入通道大都采用并行比较式高速模拟量输入通道大都采用并行比较式AD转换器，并转换器，并行比较式即闪烁式行比较式即闪烁式AD转换器是现行电子式转换器是现行电子式AD转换器中转转换器中转
46、换速度最快的一种。换速度最快的一种。 并行比较式并行比较式AD转换原理比较直观。转换原理比较直观。 本章以一个三位并行比较式本章以一个三位并行比较式AD转换器为例，讨论并行转换器为例，讨论并行比较式比较式AD转换器的原理转换器的原理三位并行比较式三位并行比较式AD转换器原理框图及模数对照表转换器原理框图及模数对照表 2.2.1 并行比较式并行比较式 AD 转换器原理概述转换器原理概述 并行比较式并行比较式AD转换器的转换时间只有几十纳秒，可应用转换器的转换时间只有几十纳秒，可应用于高速采集的场合。例应用于数字示波器中。于高速采集的场合。例应用于数字示波器中。 但需要大量的低漂移的比较器和高精度
47、电阻，且位数每高但需要大量的低漂移的比较器和高精度电阻，且位数每高一位，一位， 其需要量加大一倍。例如其需要量加大一倍。例如8位转换器就需要位转换器就需要255个比较个比较器和器和256个精密电阻，价格较贵，个精密电阻，价格较贵， 因此并行比较式因此并行比较式AD转换器的位数一般不高于转换器的位数一般不高于8位，并且位，并且只有在高速采集时才被采用。只有在高速采集时才被采用。 本节以本节以CA3308集成芯片为例，介绍高速集成芯片为例，介绍高速A/D转换的特点及转换的特点及其接口技术。其接口技术。CA3308是美国是美国RCA公司的公司的8位位CMOS并行并行A/D转转换器，最高转换速率可达换
48、器，最高转换速率可达15MHz， 2.2.2 高速高速A转换器及其接口技术转换器及其接口技术VIN： 输入信号端。输入信号端。 VDD，VSS： 数字电源与数字地。数字电源与数字地。 VAA， AG：模拟电源与模拟地。：模拟电源与模拟地。 B1B8： 数字量输出端。数字量输出端。 OVF： 溢出标志位溢出标志位 CE 1，CE2：输出数字量的三态：输出数字量的三态 控制信号输入端控制信号输入端 ， 其真值表如表其真值表如表2.2CLK： 外部时钟输入端。外部时钟输入端。 PHASE： 工作方式控制端。工作方式控制端。 UR(+) ，UR(-)，14REF， 12REF，34REF： 参考电参考
49、电 压输入端或校准端压输入端或校准端CA3308各脚定义如下： 当采样速率较高时，由于自身时钟频率的限制，微处理器无法控制数据采当采样速率较高时，由于自身时钟频率的限制，微处理器无法控制数据采集的全过程，而用高速逻辑器件控制集的全过程，而用高速逻辑器件控制AD转换及转换及RAM存储。当存储完毕后，存储。当存储完毕后，再由微处理器处理这些数据。一个由再由微处理器处理这些数据。一个由 8031控制的采用控制的采用CA3308构成的高速数构成的高速数据采集系统如图据采集系统如图 高速数据采集工作时序图高速数据采集工作时序图 2.2.3 高速数据采集与数据传输高速数据采集与数据传输 一、一、 程序控制
50、的数据传输方式程序控制的数据传输方式 查询方式、延时等待方式、中断方式等均属该方式。查询方式、延时等待方式、中断方式等均属该方式。 每传输一个数据，每传输一个数据，CPU都要执行若干条指令，不适于高速都要执行若干条指令，不适于高速数据采集及成批交换数据的场合。数据采集及成批交换数据的场合。二、二、 DMA控制的数据传输方式控制的数据传输方式 即在即在DMA控制器控制下的直接存储器存取方式。控制器控制下的直接存储器存取方式。 在这种方式下，外设与内存之间的数据传输过程不再由在这种方式下，外设与内存之间的数据传输过程不再由CPU控制，而是在控制，而是在DMA控制器的控制和管理下进行直接传输，控制器
