1、第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),9.1 模擬量輸入接口技術(shù) 9. 2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)及分類 9.3 常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片 9.4 D/A轉(zhuǎn)換器和接口技術(shù) 9.5 思考題與習(xí)題,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),在單片機(jī)應(yīng)用中，常常需要測量溫度、濕度、流量、速度、液位、壓力等多種模擬量，并通過輸入接口傳送給單片機(jī)CPU，需要輸出模擬量去控制被控對象或用于顯示。模擬量信號是連續(xù)變化的電壓、電流信號，與數(shù)字量有本質(zhì)上的區(qū)別，模擬量信號需要放大、濾波、線性化、信號變換等一系列的電路處理，把檢測到的模擬量電壓、電流信息變換成0-5V的電壓信號，通過A/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量才能輸入單片機(jī)

2、處理。同樣，單片機(jī)輸出的數(shù)字量控制值，也往往要通過D/A轉(zhuǎn)換電路變換成模擬量才能去控制被控對象或用于數(shù)據(jù)的顯示。因此，模擬量的輸入輸出接口技術(shù)是單片機(jī)應(yīng)用中的一個重要環(huán)節(jié)。,在單片機(jī)應(yīng)用中，需要測量溫度，濕度，流量，速度，液體，壓力等大量模擬量，需要輸出模擬量去控制被控對象或進(jìn)行顯示，模擬量的輸入輸出也是單片機(jī)的接口是一個重要的環(huán)節(jié)。模擬量信號是連續(xù)變化的電壓，電流信號，與數(shù)字量有本質(zhì)一的區(qū)別，需要對模擬量信號時放大，濾波，線性化，信號變換等電路處理，把測量的模擬量電壓，電流信號變換成0-5V的電壓信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量才能輸入單片機(jī)處理。同樣，單片機(jī)的控制值，測量數(shù)據(jù)也

3、往往要通過D/A轉(zhuǎn)換電路變換成模擬量才能進(jìn)行控制或顯示。因此，模擬量的輸入輸出是單片機(jī)應(yīng)用中的一個重要環(huán)節(jié)。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91模擬量輸入輸出接口技術(shù),1.傳感器的概念 傳感器是把一種物理量（或化學(xué)量、生物量）轉(zhuǎn)換成另一種與之有確定對應(yīng)關(guān)系的物 理量（通常是電量）的裝置。它是測量系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。 傳感器有許多種類，一種是以被測參數(shù)的性質(zhì)來分，一種是以傳感器的測量原理來分。 按被測量參數(shù)的性質(zhì)來分，有熱量類傳感器，用于測量溫度，熱量，比熱，壓力，流量，風(fēng)速等；有機(jī)械量類傳感器，用于測量位移，應(yīng)力，振動，加速度等；有成分量類傳感器，用于測量各種氣體、液體的成分、濃度、密度等。

4、 按傳感器測量原理來分，有電阻式、電感式、電容式、阻抗式、磁電式、熱電式、壓電式等。 傳感器品種繁多，用途各異，但衡量傳感器的基本參數(shù)主要有： 測量范圍：傳感器能正常工作的范圍，在使用中不應(yīng)使傳感器過載，以免損壞元件，或造成大的測量誤差。 線性度：傳感器的輸入與輸出的關(guān)系，大部分傳感器的輸入、輸出關(guān)系是非線性的，在使用中，要進(jìn)行線性化處理。在采用單片機(jī)后，可以用軟件的方法進(jìn)行線性化處理，可以簡化電路，獲得較好效果。 靈敏度：傳感器的輸出與輸入信號之比，靈敏度大的傳感器，電路處理方便，我們希望傳感器有較大的靈敏度。 互換性：同種傳感器的特性參數(shù)的一不致性，傳感器的互換性差，會給使用帶來不方便。,

5、第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),2.溫度、壓力等常用傳感器 在單片機(jī)應(yīng)用中，常用的測量參數(shù)有溫度，壓力，濕度，液位等。我們對常用的傳感器作一詳細(xì)的介紹。 (1)溫度傳感器 溫度是表示物體冷熱程度的參數(shù)。是單片機(jī)應(yīng)用中最基本的測量參數(shù)。 熱電偶溫度傳感器 熱電偶溫度傳感器是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的，將任意兩種不同的導(dǎo)體A-B組成一個閉合回路，只要它們的兩個接點(diǎn)t1，t2的溫度不同，在回路里就會產(chǎn)生熱電動勢，如圖9.1所示：,91.1模擬量輸入接口技術(shù),第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),2.溫度、壓力等常用傳感器 在單

6、片機(jī)應(yīng)用中，常用的測量參數(shù)有溫度，壓力，濕度，液位等。我們對常用的傳感器作一詳細(xì)的介紹。 (1)溫度傳感器 溫度是表示物體冷熱程度的參數(shù)。 是單片機(jī)應(yīng)用中最基本的測量參 數(shù)。 熱電偶溫度傳感器 熱電偶溫度傳感器是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的，將任意兩種不同的導(dǎo)體A-B組成一個閉合回路，只要它們的兩個接點(diǎn)t1，t2的溫度不同，在回路里就會產(chǎn)生熱電動勢，如圖9.1所示：,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),熱電偶電橋補(bǔ)償測量電路中，Rt為熱敏電阻，當(dāng)冷端溫度變化時，由于熱敏電阻的補(bǔ)償作用，消除了冷端溫度變化的影響，提高了測量的精度。常用熱電偶的代號，分度號及測量范圍見表9.1。,第9

7、章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),熱電偶的測溫度范圍在-180-2800C，熱電偶的輸出熱電勢與工作端溫度有關(guān)，還與自由端的溫度有關(guān)，所以在測量時需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償，熱電偶的常用測量電路如圖9.2所示。,熱電阻溫度傳感器是利用鉑電阻，銅電阻，熱敏電阻的阻值隨溫度而變化的原理測量溫度的，這一類傳感器的適用范圍在-200-+650C，有較高的靈敏度。鉑電阻與電阻的關(guān)系為： 式中Rt溫度tC時鉑電阻的電阻值。 R0溫度0C時鉑電阻的電阻值。 A3.90802*10-3/C B -5.802*10-7/C C -4027350*10-12/C 常用的鉑電阻傳感器有Pt100，Pt1

8、00是指0C時鉑電阻的電阻值為100。 銅電阻是利用銅絲線繞成的溫度傳感器，常用于-50-+150C范圍，它的電阻值與溫度的關(guān)系如下： Rt= R0（1+t） 式中Rt溫度t C時銅電阻的電阻值。R0溫度0 C時銅電阻的電阻值。 銅電阻溫度系數(shù)，為4，25*10-3/C 常用的銅電阻傳感器有 Cu100和Cu50二種，是指0C時，銅電阻的電阻值為100和50。 對于用鉑電阻、銅電阻一類熱電阻作為溫度傳感器時，由于溫度的變化只引起很小的電阻值變化，所以熱電阻的測量電路常用不平衡電橋來測量，,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量

9、輸入接口技術(shù),在圖中，Rt、R2、R3、R4組成一個不平衡電橋，電橋的工作電源為E，Rt為熱電阻用于感受溫度的變化，G為不平衡電橋的輸出電流。 設(shè)平衡時，R3=R4，R2=Rto(Rto是熱電阻在to溫度時的電阻值) 當(dāng)溫度從to變化到t時，熱電阻Rt=Rto+r，r為溫度變化引起的電阻值，那么電橋的A、B兩端會產(chǎn)生一個不平衡電壓U為U=ItorR3/(R2+R3)+r) 其中Ito是to溫度時流過電橋支路的電流,熱敏電阻是一種利用一些金屬氧化物按比例混合燒結(jié)成的電阻值隨溫度而變化的傳感器。熱敏電阻靈敏度高，體積小，反應(yīng)快，使用壽命長。它適用的測量范圍為-50C-+300C。熱敏電阻有正溫度系

10、數(shù)熱敏電阻(PTC），負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）三種類型。正溫度系數(shù)熱敏電阻常用于溫度補(bǔ)償電路中，其測量精度較差，為3-5C，臨界系數(shù)熱敏電阻在某個臨界點(diǎn)的電阻值發(fā)生急劇變化，用于溫度測量的主要是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，它的電阻值與溫度T（K）的關(guān)系如下式： 式中RT0為T0（K）溫度時熱敏電阻的值。B為常數(shù)，在3000-5000左右。熱敏電阻的特點(diǎn)是： 靈敏度高，不用放大器就可以輸出幾伏電壓，信號處理方便。 體積小，反應(yīng)快，可以制成各種形狀的傳感器。價格便宜，引線誤差可以忽略不計(jì)，適用于長距離測量。 非線性嚴(yán)重，要進(jìn)行線生化處理。以MF5E系列熱敏電阻為例，有R

11、25=550K,10K,100K等多種規(guī)格。 半導(dǎo)體集成溫度傳感器 半導(dǎo)體集成溫度傳感器的線性度好，使用方便，可以直接輸出電壓信號，或電流信號，常用型號見表9.3。,91.1模擬量輸入接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),它們的典型應(yīng)用如圖9.4所示：,(2).壓力傳感器 壓力測量在工業(yè)、航空、航天、汽車、氣象、海洋、醫(yī)療等方面有大量的應(yīng)用，利用壓力可以測量液體、水的高度和壓力，可以測量血壓、氣體質(zhì)量和重量等參數(shù)。 壓力有絕對壓力，表壓力，負(fù)壓力（真空度）和差壓等多種。絕對壓力是指被測物體的單位面積上承受的全部作用力。地球表面承受大氣形成的壓力叫大氣壓力，絕對壓力與

12、大氣壓力之差稱為表壓，工業(yè)上常用的壓力表就是用來測量表壓的。絕對壓力小于大氣壓力的值稱為負(fù)壓力（真空度），常用真空表來測量。而二個壓力的差值為差壓。 壓力（又稱壓強(qiáng)）的單位是帕（Pa），1帕=1牛/米2，常用千帕（KPa），兆帕（MPa）表示，工業(yè)上使用的壓力單位有Kg/cm2和mmHg，mmHg幾種，它們之間的關(guān)系見表9.4：,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),電容式壓力傳感器 利用被測壓力使金屬膜片之間的距離減少，電容量增加的原理制成的，其結(jié)構(gòu)如圖9.5所示：,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),圖中活動金屬片在被測氣體的作用下產(chǎn)生位移，由

13、活動金屬片和固定金屬片組成的電容量發(fā)生變化，因?yàn)殡娙萘靠梢杂孟率奖硎? C= *A / D 式中，為介質(zhì)常數(shù)，為面積，為極間距離，由此可見，氣體壓力的變化，作用在活動金屬片上的力也發(fā)生變化，通過測量電容量的變化來測量氣體的壓力。,硅壓阻式壓力傳感器 硅壓阻式壓力傳感器是利用的壓阻效應(yīng)制成的新型壓力傳感器，在一塊單晶硅的基片上用擴(kuò)散工藝制成的應(yīng)變元件，在應(yīng)變元件受到壓力的作用，引起電阻值產(chǎn)生變化，在型硅品片上形成四個阻值相等的電阻條，構(gòu)成一個惠斯電橋，特點(diǎn)是體積小，系數(shù)度高，測量范圍寬，精度高，常用的硅壓力傳感器如表9.5：,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),91.1模

14、擬量輸入接口技術(shù),它們都是四端式器件:接地,out,s,-out,()其它傳感器 除了溫度和壓力傳感器外，在工業(yè)測量中還有紅外，濕度，振動等傳感器。 1)熱釋電型紅外傳感器 熱釋電型紅外傳感器在接收到紅外光線時，會隨紅外光的功率大小而輸出電壓信號，用于人體，火焰的檢測，傳感器的外形及電路如圖9.6所示：,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),如圖所示，傳感器元件感受到紅外光線后，產(chǎn)生電荷，通過FET放大器，轉(zhuǎn)換成電壓輸出，窗口用于紅外光線的射入。,人體的體溫在37C左右，會發(fā)出9-10um的紅外光線，利用8-10um波長的雙元件熱釋紅外傳感器，可以檢測到人的進(jìn)入和移動。

15、采用焦距為15-20mm的菲涅可透鏡，可以檢測到視野達(dá)70的10-12m內(nèi)人體。檢測電路如圖9.7所示：,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),圖中1，2為二個熱釋電型紅外傳感器使信號放大器，當(dāng)有人體接近時，有信號產(chǎn)生，通過D1，D2致使三極管9014導(dǎo)通，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)555電路，輸出一個高電率，使繼電器得電，給出一個檢測信號。7805向傳感器提供一個穩(wěn)定的5V電壓。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),傳感器輸出的電壓通過R2，C2，R4加到放大器A1進(jìn)行放大，再由電容C5耦合到A2放大，A3為電壓比較器，電位器W可以調(diào)節(jié)比較器的比較電壓值，在A3

16、的輸出端輸出V0電壓信號，V0的高低反映了有無人接近。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),圖9.8是傳感器信號放大電路：,3).濕度傳感器 濕度傳感器指空氣中所含的水蒸汽量，工業(yè)上，氣象上常用相對濕度這一概念。相對濕度是指空氣中實(shí)際水蒸汽與相同溫度下飽和水蒸氣的比值，用百分比表示。 目前用得較多的是電容式濕度傳感器，利用空氣中水蒸氣量的多少影響傳感器的電容量來測量的。下面介紹幾種專用的濕度傳感器。 MHS1100，MHS1101電容式相對濕度傳感器。 MHS1100，MHS1101是不需要校正的可以互換的傳感器，可以直接輸出線性電壓，有頂端接觸（MHS1100）和側(cè)面

17、接觸（MHS101）兩種封裝，它們外形結(jié)構(gòu)如圖9.9所示：,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),參數(shù)性能見表9.6：,它們的典型應(yīng)用見圖9.10，是應(yīng)用TLC555集成電路構(gòu)成的測量電路，把相對濕度直接以頻率信號輸出，可以十分方便地與單片機(jī)連接。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),在該電路a中，F(xiàn)out1輸出對電容干擾較靈敏，可以連接到其它應(yīng)用電路中，F(xiàn)out2輸出，有較好的電平保護(hù)，電源電壓在3.5 12V之間變化，頻率變化小于3%RH。在該電路中，濕度與頻率關(guān)系如下：,第9章 模擬

18、量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),濕度 濕度 頻率 濕度 頻率 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 5050 6667,圖9.11是可以將輸出信號遠(yuǎn)程傳送的變換電路，是為線性電壓輸出而用。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),91.1模擬量輸入接口技術(shù),利用傳感器把被測參數(shù)的信息作為輸入?yún)?shù)（如溫度、壓力、濕度等）轉(zhuǎn)換成電信號輸出，一般稱之為一次變換。傳感器輸出信號有電阻、電容、電感、電壓、電流、頻率等電信號。除頻率外，其他都是模擬量

19、。輸出的電信號一般較微弱，電壓信號為V級 - mV級，電流信號為nA級 - mA級。一般大部分傳感器的輸出與輸出特性呈非線性或基本呈線性，或成某種函數(shù)關(guān)系，而且傳感器易受外界環(huán)境干擾而影響它的輸出特性，其中主要是溫度，其他如電場或磁場的干擾等。因此，傳感器一般需采用恒壓供電或恒流供電，需要使用電子電路對信號進(jìn)行放大、比較、變換等處理。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),(1).放大電路設(shè)計(jì) 放大電路主要用于對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大、倒相、振蕩、電壓比較、有源濾波、運(yùn)算等工作，是運(yùn)用集成運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)的。 集成運(yùn)算放大器是一種集成度很大的高增益多級直接偶合放

20、大器，它的符號如圖9.12。 一般用IC表示集成運(yùn)算放大器，U十、U為運(yùn)算放大器的兩個輸入端(同相輸入端和反相輸入端)，U0為輸出電壓。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),集成運(yùn)算放大器的主要放大電路有反相放大器、同相放大器、差動放大器三種，典型電路如圖9.13。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),圖a是反相放大，Rf是負(fù)反饋電阻，輸出電壓 U0=-UiRf/R1=-UiA 式中，A為閉環(huán)放大倍數(shù)，在反相放大電路中，輸出電壓與輸入電壓倒相。,9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),圖b是同相放大，Rf是反饋電阻

21、，輸出電壓 U0=Ui(Rf/R1+1)=UiA 式中，A為閉環(huán)放大倍數(shù)，在同相放大電路中，輸出電壓與輸入電壓同相,9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),圖c是差動放大，Rf是反饋電阻，Rp是平衡電阻，輸出電壓 U0=(U1-U2)Rf/R1 當(dāng)R1=R2=Rf時，輸出電壓U0=U1-U2 電路就成為了一個減法運(yùn)算放大電路。,9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),以上是三個典型的應(yīng)用，從圖a還可以引伸出加法運(yùn)算電路，圖b還可以引伸出電壓跟隨電路，見圖9.14。,9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),常用的集成運(yùn)算放大

22、器有A741、OP07系列、TLC系列、TLV系列等，在使用時，要仔細(xì)了解集成運(yùn)算放大器的工作電壓、共模抑止比、輸入失調(diào)電壓、增益和輸出電壓幅值，正確的電路設(shè)計(jì)才能獲得理想的效果。 在傳感器輸出信號處理方面，因?yàn)樾枰獪y試含有大的共模成份的微弱信號，同時有50Hz/60Hz的交流電干擾，往往利用儀表放大器來放大傳感器輸出的信號。儀表放大器是在一個電路內(nèi)集成了幾個運(yùn)算放大器。圖9.15是典型的儀表放大器AD623的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使用十分簡單，調(diào)節(jié)R0就可以改變放大倍數(shù)。,9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),(2) 模擬量多路開關(guān) 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常常需要多個傳感器進(jìn)行測

23、量，在實(shí)際應(yīng)用中需要設(shè)計(jì)模擬量多路開關(guān)，用于選擇不同的傳感器進(jìn)行放大處理。常用的模擬量多路開關(guān)集成電路有八選一CD4051、雙四選一CD4052和三組雙路雙向CD4053。,9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),(3).應(yīng)用舉例 1).應(yīng)用熱敏電阻測量0 - 50的電路 圖中，1403為高精度穩(wěn)壓集成電路，為熱敏電阻測量電路提供穩(wěn)定的工作電源。Rt為熱敏電阻，與R1組成三點(diǎn)式線性校正電路，溫度電壓信號從W1取出，W1、W2用于調(diào)節(jié)0的電壓值和輸出的靈敏度。在上述電路中，適當(dāng)選取元件參數(shù)，可以達(dá)10mV/0的輸出，50時的輸出電壓可達(dá)500mV，此電壓通過運(yùn)算放大器同相

24、放大，V0的輸出電壓為0 5V，此電壓可以直接輸入到A/D電路進(jìn)行處理。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),2).用熱敏電阻為冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y量電路 圖中，P為熱電偶，R1、R2、R3、C1、C2構(gòu)成濾波電路，D1、D2用于保護(hù)輸入，IC1為負(fù)反饋放大器。1403提供電橋電源，R4、R5、R6、Rt組成冷端補(bǔ)償電橋，當(dāng)溫度變化時，熱敏電阻Rt阻值產(chǎn)生變化，電橋不平衡有電壓輸出，并被IC2放大，IC3為電壓加法器，把冷端的補(bǔ)償電壓與熱電偶的溫度輸出電壓相加后作為正確的輸出信號跟隨后再處理。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),在測量人體

25、的心電信號時，由于心電信號很弱，只有0 1mV右右，干擾又多，為了獲得正確的心電信號，需要應(yīng)用儀表放大器進(jìn)行信號放大。圖9.19為應(yīng)用AD623儀表放大器在心電信號中的應(yīng)用。在輸入端，由IC1、IC2為電壓跟隨級，以增加輸入阻抗。D1 D4為保護(hù)二極管，R1 R4、C1 C4用于濾波。從二個電極輸出的電壓由儀表放大器AD623放大后再處理。,第9章 模擬量輸入輸出接口技術(shù),9.1.2.模擬量信號處理技術(shù),9.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)及分類,在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常常需要把檢測到的連續(xù)變化的模擬信號（如流量，溫度，壓力，液位等）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工和處理，這種轉(zhuǎn)換過程稱為A/D轉(zhuǎn)

26、換，完成這種轉(zhuǎn)換的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是計(jì)算機(jī)的一個輸入設(shè)備,9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo).,1.分辨率 分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿刻度電壓與2n之比值，其中n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，例如一個8位A/D轉(zhuǎn)換器其分辨率為滿刻度1/28，若滿刻度電壓為5V，則能分辨率的最小電壓值為5/28=20mv。 2.量化誤差 量化誤差是由于A/D轉(zhuǎn)換的有限數(shù)字對模擬數(shù)值進(jìn)行離散取值（量化）而引起的誤差，量化誤差一般為1/2LSB（LSB：Least Significant Bit）是數(shù)字量的最小有效位所表示的模擬量，提高分

27、辨率可減少量化誤差。量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的。,3.轉(zhuǎn)換精度： A/D轉(zhuǎn)換精度指出了一個實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換在量化值上與理想A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的差值，可以用兩個方式來表示： 絕對精度：用最低位（LSB）的倍數(shù)表示，如1/2LSB等。 用絕對精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)來表示。 4.轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換時間為完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從輸入端加入信號到輸出端出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)碼的時間轉(zhuǎn)換時間越短，適應(yīng)輸入信號快速變化能力越強(qiáng)。 轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)，如轉(zhuǎn)換時間長，則表示轉(zhuǎn)換速度低。各種結(jié)構(gòu)類型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間有所不同，轉(zhuǎn)換時間最短的為全并行A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為550ns，其次

28、是逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為0.4us，再次為逐次逼近型，較慢的是雙積分式。,9.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的分類：,A/D轉(zhuǎn)換芯片種類繁多，但大量投放市場的單片集成或模塊，按其轉(zhuǎn)換原理，可分為逐次近式，雙積分式和V/F轉(zhuǎn)換式 1.逐次逼近式 逐次逼近式A/D屬直接式A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換速度快，是目前應(yīng)用最為廣泛的A/D轉(zhuǎn)換，缺點(diǎn)是抗干擾能力較差，比如8位ADD809，12位的AD574等。 2.積分式 雙積分式是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器，其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度高，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時間長，速度較慢。比如31/2位14433，41/2位7135 3.V/F轉(zhuǎn)換式 V/F轉(zhuǎn)換式是將模擬電

29、壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號可以代替A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)。比如：AD650，LM331等。,9.3常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片,9.3常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片 1.8路模擬選擇開關(guān) 0809片內(nèi)有一個8路單端模擬信號多路開關(guān)，用于切換8路IN0IN7模擬輸入通道，地址鎖存和譯碼器在ALE信號控制下可以鎖存ADDA，ADDB，ADDC上的地址信號，經(jīng)譯碼后控制IN0IN7上的模擬信號的切換。地址和模擬通道的對應(yīng)關(guān)系如下： ADDC ADDB ADDA 所選通道 0 0 0 IN0 0 0 0 IN1 : : 1 1 1 IN7,2. 8位A/D轉(zhuǎn)換器 與8位A/D轉(zhuǎn)換器相關(guān)的控制信號有： START

30、 啟動信號：上升沿復(fù)位0809，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換器。 EOC 轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出：EOC=0表示正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，E01=1表示一次轉(zhuǎn)換已結(jié)束，此信號可用作A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的檢測信號或中斷請求信號。 CLK 時鐘信號輸入：最高允許值為640KHZ。 VREF（+）和VREF（-）為正，負(fù)參考電壓輸入端：通常接+5V和接地。,3.三態(tài)輸出鎖存緩沖器 三態(tài)輸出鎖存緩沖器用于輸出鎖存/轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換完成EOC輸出一個負(fù)脈沖，而轉(zhuǎn)換結(jié)果8位數(shù)字量鎖存在三態(tài)輸出鎖存器中。當(dāng)控制輸出允許信號OE=1時，則將三態(tài)緩沖器打開，把8位轉(zhuǎn)換結(jié)果送至外部數(shù)據(jù)線D0D7。 4.0809的工作時序 0

31、809的工作時序見圖9.21,0809的工作時序見圖9.21,5.ADC0809與8031接口電路 ADC0809與8031連接可采用查詢方式，也可采用中斷方式，圖9.22為中斷方式連接，由于ADC0809片內(nèi)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可直接與8031接口。 圖9.22 ADC0809與8031的連接,在圖中，將ADC0809作為一個外擴(kuò)的并行接口，采用線選法，由P2.7和 作為啟動轉(zhuǎn)換START 和ALE 的信號，低三位地址線與ADDA，ADDB和ADDC連接，所以IN0通道的地址為7FF8H。啟動A/D轉(zhuǎn)換的過程如下： （1）選中通道號。 （2）啟動A/D，即執(zhí)行一條“MOVX DPTR，A”

32、時，產(chǎn)生信號，使ALE，START 有效。鎖存通道號并啟動A/D轉(zhuǎn)換。 （3） 等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束：EOC 端發(fā)出一正脈沖，申請中斷，表示A/D結(jié)束。 （4）讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)：在中斷服務(wù)程序中，執(zhí)行“X，DPTR”指令產(chǎn)生信號，使OE有效打開三態(tài)門，8位數(shù)據(jù)便讀入到CPU中。,6.舉例 例9.1：以圖9.22所示為例，將IN0IN7通道的模擬量各采樣一次，結(jié)果放入30H37H單元中，下面分別用查詢和中斷二種方式實(shí)現(xiàn)。 （1）查詢方式程序清單如下： ORG 0000H START： MOV R0，#30H ; ；采樣數(shù)據(jù)存放首址 MOV DPTR ,#7FF8H ；IN0通道地址 MOV R2，

33、#08H ；模擬量通道道數(shù) CLR EX0 LOOP： MOVX R1， A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換 MOV R3， #20H DELY： DJNZ R3，DELY ；等待EOC信號變低 SETB P3.2 POLL： JB P3.2，POLL ；查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束 MOVX A , DPTR ；讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV R0， A ；存放結(jié)果 INC R0 INC DPTR DJNZ R2 ，LOOP ；8通道未完，則采集下一個通道 HERE： SJMP HERE END,在上述程序中，有一段延時程序，其目的是A/D啟動后，需10us后EOC信號才變低。 （2）中斷方式程序清單如下： ORG 0000H

34、 START： AJMP MAIN ORG 0013H AJMP EXINT0 MAIN： MOV R0， #30H ；采樣數(shù)據(jù)存放地址 MOV R1，#7FF8H ；IN0通道地址 MOV R2 ，#08H ；模擬量通道數(shù) MOVX R1，A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換 SETB IT0 ；外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式 SETB EX0 ；允許外部中斷0中斷 SETB EA ；開放CPU中斷 HERE： SJMP HERE EXINT0： PUSH PSW ；保護(hù)現(xiàn)場 CLR RS0 CLR RS1 MOVX A , R1 ；讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV R0， A ；存放結(jié)果 INC R0 INC R1 DJN

35、Z R2，NEXT ；8通道未完，則采集下一通道 CLR EX0 ；采集完畢，則停止中斷 SJMP DONE NEXT： MOVX R1， A ；啟動下一通道A/D轉(zhuǎn)換 DONE： POP PSW RET1 END,9.3.2 AD574 12位AD 轉(zhuǎn)換器及接口,8位A/D轉(zhuǎn)換器在某些應(yīng)用場合可能不能滿足精度要求，可以使用10位，12位，16位等A/D轉(zhuǎn)換器，其中12位轉(zhuǎn)換器使用廣泛，下面介紹常用的12位A/D574與MCS-51單片機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)。 1.AD574的結(jié)構(gòu)及引腳 （1） 結(jié)構(gòu) AD574是一種逐次逼近式12位A/D，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.23，它是由模擬芯片和數(shù)字芯片二者混合

36、組成的，其中模擬芯片為高性能的AD565型快速集成的12位DA轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電源，數(shù)字芯片為低功耗的逐次比較寄存器，轉(zhuǎn)換控制電路，時鐘，比較器和總線接口等。由于芯片內(nèi)包含有高精度的參考電壓源和時鐘電路，這使它在不需要任何外部電路和時鐘信號的情況下，完成A/D轉(zhuǎn)換功能。,如圖9.23,5. AD574與8031單片機(jī)的接口。 AD574與8031的接口電路如圖9.27所示。,此電路采用雙極性輸入方式，可對5V或10V模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于AD574輸出12位數(shù)碼，所以當(dāng)單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，需分兩次進(jìn)行；先高8位，后低4位。由=0或=1，來分別控制讀取高8位或低4位。 單片機(jī)采用中斷查詢延時方法讀

37、取轉(zhuǎn)換結(jié)果，下面的程序?qū)⒉捎貌樵兎绞阶x取結(jié)果。首先，啟動A/D：單片機(jī)執(zhí)行一條對外部數(shù)據(jù)存儲器的寫指令，使CE=1，=0，R/=0，=0。其次，查詢A/D轉(zhuǎn)換是否完成：通過P1.0線不斷查詢STS的狀態(tài)。當(dāng)STC=1，表示正在轉(zhuǎn)換STC=0表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。再次：分二次讀結(jié)果數(shù)據(jù)，當(dāng)CE=1，=0，R/=1，=0，讀取高8位；CE=1，=0，R/=1，=1，讀取低4位，針對上述的接口電路，AD574的接8031的鎖存地址A7，A0與8031的鎖存地址A1相連，R/與A0相連。因此啟動AD574A的端口地址為00H。,例9.2：將AD轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)存入41H，40H中，查詢結(jié)果如下： MOV D

38、PTR， #00H ；送端口地址到DPTR MOVX DPTR， A ；啟動A/D SETB P1.0 ；置“1”P1.0為輸入方式 LOOP： JB P1.0 ，LOOP ；檢測P1.0口 INC DPTR ；使R/為1 MOVX A ， DPTR ；讀高8位 MOV 41H ， A ；高8位內(nèi)容存入41H INC DPTR ；使R/，A0均為1 INC DPTR MOVX A DPTR ；讀低4位 ANL A ， #0FH ；屏蔽高4位 MOV 40H，A ；存入低4位到40H,9.3.3 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù),MC14433是3位半A/D轉(zhuǎn)換器，是目前廣為流行的最典型的雙積分A/

39、D轉(zhuǎn)換器。由于雙積分方法二次積分時間較長，速度較慢。但具有較好的抗干擾性能，較高的轉(zhuǎn)換精度（相當(dāng)于11位二進(jìn)制），自動校零，自動極性輸出，自動量程控制信號輸出，動態(tài)字位掃描BCD碼輸出，單基準(zhǔn)電壓，外接元件少，價格低廉等特點(diǎn)。,1. MC14433主要特性參數(shù) 1） 轉(zhuǎn)換精度具有1/1999分辨率或讀數(shù)的0.05%1個字。 2） 電壓量程分1.999V和199.9mV兩檔。 3） 基準(zhǔn)電壓取2V或200mV。 4） 轉(zhuǎn)換速度為3次/秒10次/秒。 5） 具有過量程和欠量程輸出標(biāo)志。 2. MC14433的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能 MC14433的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.28所示。,模擬電路部分有基準(zhǔn)電壓，模

40、擬電壓輸入部分。模入電壓量程為199.9mV或1.9999V兩種，對應(yīng)基準(zhǔn)電壓為+200mV和+2V。 數(shù)字電路部分由邏輯控制BCD碼及輸出鎖存器，多路開關(guān)，時鐘以及極性判別，溢出檢測等電路組成。采用字位動態(tài)掃描BCD碼輸出方式。即千，百，十，個位BCD碼輪流地在Q0Q3端輸出。同時在DS1DS4端出現(xiàn)同步字位選通信號,3.MC14433與8031單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 由于MC14433的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動態(tài)分時輸出的BCD碼。Q0Q3和DS1DS4可以通過并行口P1或通過擴(kuò)展I/O電路與其相連。下面介紹的電路是將MC14433與P1口相連的電路 見圖9.31。 圖9.31 MC14433與803

41、1的接口電路 該電路采用中斷方式管理MC14433的操作。由于引腳E0C與DU連接在一起，所以MC14433能自動連續(xù)轉(zhuǎn)換。E0C經(jīng)與非門接外中斷INT1端，當(dāng)EOC發(fā)出中斷申請，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序處理轉(zhuǎn)換結(jié)果。,9.3.4 V/F轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口,前面介紹了逐次逼近型和積分型的ADC轉(zhuǎn)換器，本節(jié)將討論另一種類型的ADC，即電壓-頻率轉(zhuǎn)換器，即V/F轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器具有良好的精度。線性和積分輸入特性，抗干擾能力強(qiáng)，而且信號便于遠(yuǎn)傳等特點(diǎn)。此外，它的應(yīng)用電路簡單，外圍元件性能要求不高，對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，與單片機(jī)的接口簡單，因此V/F技術(shù)具有較高的實(shí)用性。 1.V/F轉(zhuǎn)換器的工作原理 V/F轉(zhuǎn)

42、換器分為單片式和模塊式兩大類。V/F與F/V變換有四種典型的變換方法：積分恢復(fù)型，電壓反饋型，交替積分型和恒流開關(guān)型。在單片變換器中通常采用恒流開關(guān)型。由于單片電路在使用時尚需外接少量元件，單片變換器作V/F或F/V變換器均可。屬于這類變換器的有LM331系列，AD650，AD651，ADVFC32等。 下面介紹以LM331單片V/F轉(zhuǎn)換器的工作原理，圖9.32是LM331簡化后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。,圖9.32 LM331 V/F轉(zhuǎn)換器簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,在外圍接上電阻和電容，就可以構(gòu)成最簡單的，最基本的V/F變換器，輸入比較器輸入電平VIN與VX比較，當(dāng)VINVX時，啟動單脈沖定時器并導(dǎo)通頻率輸出

43、晶體管和開關(guān)電流源，定時器的定時時間t=1.1RtCt ,在這個周期中電流I向電容CL充電，使VX上升，當(dāng)VX上升到VXVIN時，電流I關(guān)斷，定時器自行復(fù)位。同時，CL逐漸通過RL放電直到VXVIN為止，然后比較器再次啟動定時器，開始下一個循環(huán)。V/F轉(zhuǎn)換定時波形如圖9.33所示。,9.3.4 V/F轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口,由于注入CL的平均電流嚴(yán)格地等于VX/RLVIN/RL 這種V/F轉(zhuǎn)換器能在一個較寬的頻率范圍內(nèi)，使其輸出頻率嚴(yán)格地正比于輸入電壓。 由 IAVE=Itfout=VX/RL=VIN/RL 可知： fout= IAVE/It=VIN/RL1/（1.9/Rs）1.1 Rt Ct）=

44、 Rs VIN/2.09RL Rt Ct 2.LM331的主要性能 a. 滿量程頻率范圍：1HZ-100KHZ b. 最大非線性度：0.01% c. 脈沖輸出與所有邏輯形式兼容 d. 雙電源，單電源下都能工作 e. 最佳溫度穩(wěn)定性，最大值為：50PPm/ f. 低功耗5V下典型值為15Mv,3. LM331的引腳 圖9.34所示為LM331引腳排列圖，各引腳功能如下：,（1） IOUT：精密電流源輸出 （2） RS：輸出調(diào)節(jié)，該腳可接可變電阻，通過改變基準(zhǔn)電流來調(diào)節(jié)增益偏差，以校準(zhǔn)輸出頻率。 （3） FOUT：頻率輸出引腳,4. LM331 V/F轉(zhuǎn)換器與8031接口電路,（1） 硬件電路連接

45、 一般情況下，LM331組成的V/F電路中，管腳3接負(fù)載電阻RL0=10K，電源加+5V。這樣管腳3頻率輸出端可直接與8031的T1或T0相連接，如圖9.35所示。為了提高抗干擾能力，,4. LM331 V/F轉(zhuǎn)換器與8031接口電路,我們在LM331與8031之間加入光電耦合電路4N35，基本電路如圖9.36所示。,9.4 D/A轉(zhuǎn)換器和接口技術(shù),在工業(yè)控制系統(tǒng)中，使用D/A轉(zhuǎn)換器是把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是計(jì)算機(jī)的一個輸出設(shè)備。常見的D/A轉(zhuǎn)換器有8位和12位。此外還有F/V轉(zhuǎn)換器。把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓。,9.4.1 D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指

46、標(biāo),1. 分辨率 D/A 轉(zhuǎn)換器的分辯率是指把輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼（1LB）變化時說所對應(yīng)輸出模擬量的變換量。表示分辯率高低常用的方法是采用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示。顯然，位數(shù)多些分辨率相對高些。 2. 線性度 D/A轉(zhuǎn)換器的線性度用非線性誤差的大小來表示，非線性誤差是指理想的輸入/輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)。 3. 精度 D/A轉(zhuǎn)換器的精度是實(shí)際輸出電壓與理論輸出電壓相差程度的一個量度。 4. 建立時間 建立時間是指輸入數(shù)字量變化后，模擬輸出量穩(wěn)定到相應(yīng)數(shù)值范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。 5. 失調(diào)誤差 當(dāng)數(shù)字輸入全為0時，模擬輸出量與理論輸出值的偏差即為失調(diào)誤差。,9.4.2 DAC083

47、2 8位D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832 介紹 DAC0832是最為常見的8位D/A轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖9.39所示。,1. DAC0832 介紹,片內(nèi)設(shè)置了兩個獨(dú)立的8位寄存器和一個8位D/A轉(zhuǎn)換器。這兩個獨(dú)立的寄存器稱為：數(shù)據(jù)輸入寄存器和DAC寄存器。 當(dāng)CPU發(fā)出片選信號和寫信號1控制0832的和引腳時，從而使數(shù)據(jù)線DI0DI7上的數(shù)據(jù)送入輸入寄存器，當(dāng)CPU發(fā)出控制信號和時，把輸入寄存器中數(shù)據(jù)傳送給DAC寄存器，并隨即由D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成模擬（電流）信號輸出，再由運(yùn)算放大器變成電壓信號。 DAC0832 D/A轉(zhuǎn)換器可以有三種工作方式：直通方式，單緩沖方式和雙緩沖方式。

48、 直通方式：這個兩個8位寄存器處于接受狀態(tài)，即輸入寄存器和DAC寄存器的內(nèi)容隨數(shù)據(jù)輸入變化而變化。數(shù)據(jù)可通過兩個寄存器直接送到內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 單緩沖方式：這時兩個8位寄存器僅有一個處于數(shù)據(jù)接受狀態(tài)，另一個則接受CPU送來的控制信號控制。 雙緩沖方式：這時兩個8位寄存器都不處于數(shù)據(jù)接受狀態(tài)，CPU必須送兩次寫信號才能完成一次D/A轉(zhuǎn)換。,9.4.3 MCS-51 單片機(jī)與12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208的接口,由于8位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨器較低，在某些需要高分辨率的場合，可以使用位數(shù)較多D/A轉(zhuǎn)換器。 1. 1208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能 圖9.43是1208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，也是雙緩沖的結(jié)構(gòu)。輸入寄存器為12位。由兩部分組成，即8位輸入寄存器和4位輸入寄存器組成，以便和8位CPU相連接。,1. 1208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能,DAC1208引腳功能如下： ：片選信號，低電平有效。 ：寫信號，低電平有效。 BYTE1/：字節(jié)順序控制信號。該信號為高電平時開啟8位和4位兩個鎖存器。將12位數(shù)據(jù)全部打入鎖存器，當(dāng)該信號位低電平時，只開啟4位輸入鎖存器。 ：寫信號。低電平有效，當(dāng)與同時為低電平時，把鎖存器數(shù)據(jù)打入DAC寄存器。當(dāng)為高電平時DAC寄存器中的數(shù)據(jù)別鎖存。 ：片選控制信號，低有效。 DI0DI7：12位輸入數(shù)據(jù)