AD和DA接口技术优秀PPT.ppt
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1、9.1 模拟量输入通道模拟量输入通道对各元器件的要求对各元器件的要求1传感器的选择 传感器可以分为两大类:一类为模拟量输出;另一类为开关量。在选择传感器时,要留意考虑下列几点:(1)工作范围 器件本身的工作范围不能小于所测量的变更范围。(2)环境条件 环境条件指工作环境的温度、湿度、气压、有害气体浓度及连续 工作时间等;选用器件的适应范围应高于实际环境条件。(3)灵敏度与精度 灵敏度和精度是两个不同的概念,灵敏度指的是输出量的变更与 引起此变更的输入量变更之比;而精度则是传感器在工作范围内 最大误差与其工作范围之比。(4)牢靠性 传感器一般安放在工业现场,而现场的环境又可能比较差,因此 在一些
2、场合对牢靠性的要求会很高。牢靠性也是一个与寿命相联 系的物理量。2对采样对采样/保持器的要求保持器的要求(1)不带采样)不带采样/保持器的单通道保持器的单通道A/D转换转换 对于直流或者低频信号,通常可以不带采样对于直流或者低频信号,通常可以不带采样/保持器。这时保持器。这时模拟输入模拟输入 压的最大变更率与压的最大变更率与A/D转换器的转换率有如下关系:转换器的转换率有如下关系:式中:式中:TCONV A/D转换时间;转换时间;VFS 转换器的满刻度值;转换器的满刻度值;n 转换器的辨别率。转换器的辨别率。例如对例如对AD574:VFS10V,n12,TCONV25s 则输入电压最大变更率为
3、:则输入电压最大变更率为:(2)带有采样保持器的单通道)带有采样保持器的单通道A/D转换转换 在模拟信号变更率较大的输入通道,须要接受采样保持器,在模拟信号变更率较大的输入通道,须要接受采样保持器,这时模拟输入信号的最大变更率取决于采样保持器的孔径这时模拟输入信号的最大变更率取决于采样保持器的孔径时间。其输入的模拟信号最大变更率为:时间。其输入的模拟信号最大变更率为:式中:式中:n 辨别率;辨别率;VFS 转换器的满刻度值;转换器的满刻度值;Tap 孔径时间,保持叮嘱发出到输入限制开孔径时间,保持叮嘱发出到输入限制开关关K完全断开完全断开 所需时间。所需时间。辨别率辨别率n是指是指A/D转换结
4、果的辨别实力。若用百分数转换结果的辨别实力。若用百分数来表示来表示AD574的辨别率则为:的辨别率则为:(3)采样)采样/保持器保持器在A/D进行转换期间,保持输入信号不变的电路为采样/保持电路。3采样定理及采样周期的选择采样定理及采样周期的选择 通常采样周期由模拟信号带宽、数据通道路数和每个周期通常采样周期由模拟信号带宽、数据通道路数和每个周期的采样数确定。的采样数确定。奈奎斯特(奈奎斯特(Nyquist)采样定理:在志向的数据采集系统)采样定理:在志向的数据采集系统中,为了使采中,为了使采样输出信号能无失真地复现原输入信号,必需使采样频率样输出信号能无失真地复现原输入信号,必需使采样频率(
5、fs)至少为输入信号)至少为输入信号最高有效频率(最高有效频率(fmax)的两倍,即)的两倍,即fs 2 fmax,否则会出,否则会出现频率混迭误差。现频率混迭误差。满足奈奎斯特定理的采样最低值为满足奈奎斯特定理的采样最低值为2倍倍.实际运用时,为了保证数据采集精度,在前向通道中的采实际运用时,为了保证数据采集精度,在前向通道中的采样值一般按下述方样值一般按下述方法取值:法取值:(1)增加每个周期的采样数,通常)增加每个周期的采样数,通常 fs(510)fmax。(2)在)在A/D转换前设置低通滤波器,消退信号中无用的高转换前设置低通滤波器,消退信号中无用的高频重量。频重量。(3)对于多通道数
6、据采集系统,由于是分时限制采样,则)对于多通道数据采集系统,由于是分时限制采样,则最小采样频率应为:最小采样频率应为:fs=(710)fmaxN其中其中N为通道数。最大采样周期:为通道数。最大采样周期:Ts1/fs。4多路模拟转换开关多路模拟转换开关图9-3 AD7501、AD7503原理框图及管脚图表9-2AD7501 真值表传感器放大整形光电隔离微 机频率量输出开关量输出图9-5 频率及开关量的信号输入形式9.2 A/D转换接口技术转换接口技术9.2.1 A/D转换硬件设计要考虑的问题转换硬件设计要考虑的问题在前向通道选用在前向通道选用A/D转换芯片时,要留意考虑下面几个问题转换芯片时,要
7、留意考虑下面几个问题:1辨别率与量化误差辨别率与量化误差 A/D转换器的辨别率是指转换器所能感受到的模拟输入量的最小变转换器的辨别率是指转换器所能感受到的模拟输入量的最小变 化值。通常定义为满刻度电压值与化值。通常定义为满刻度电压值与2N之比值。之比值。量化误差是由于量化误差是由于A/D转换器的辨别率有限所引起的误差,其大小通转换器的辨别率有限所引起的误差,其大小通常规定为常规定为1/2LSB。2精度精度 A/D的转换精度是反映实际的转换精度是反映实际A/D转换器在量化值上与一个志向转换器在量化值上与一个志向A/D转转 换器的差值,可表示成确定误差和相对误差。换器的差值,可表示成确定误差和相对
8、误差。确定误差的大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。确定误差的大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。相对误差是指确定误差与满刻度值之比,一般用百分数()来表相对误差是指确定误差与满刻度值之比,一般用百分数()来表示。示。3转换时间和转换速率转换时间和转换速率 A/D转换器完成一次转换所需的时间叫转换时间。而转换速率是转换转换器完成一次转换所需的时间叫转换时间。而转换速率是转换时间的时间的倒数。倒数。A/D转换器按转换速度可分为三类:低速、中速和高速。转换器按转换速度可分为三类:低速、中速和高速。4接口时留意的问题接口时留意的问题 (1)模拟量输入信号的连接)模拟量输入信号的连接 对对
9、A/D转换器的输入极性的不同可通过变更外接线路来变更量程。转换器的输入极性的不同可通过变更外接线路来变更量程。微机系统的多通道输入可接受两种方法:微机系统的多通道输入可接受两种方法:a.接受单路模拟输入的接受单路模拟输入的A/D芯片,芯片,在模拟量输入端加接多路开关;在模拟量输入端加接多路开关;b.接受带有多路开关的接受带有多路开关的A/D转换器。转换器。(2)输出数字量引脚的连接)输出数字量引脚的连接 a.有无锁存器的区分;有无锁存器的区分;b.依据位数的不同,依据位数的不同,A/D转换器与单片机数转换器与单片机数据总线的据总线的连接方法不同。连接方法不同。(3)A/D转换器的启动方式转换器
10、的启动方式 电平触发和脉冲触发电平触发和脉冲触发 (4)推断A/D转换结束及读取数据 程序查询方式 中断方式 软件延时方式 等待方式 (5)参考电源的连接 若模拟量信号为单极性时,VREF()端接模拟地,VREF()端接参考电源正端;当模拟量信号为双极性时,则VREF()接参考电源的正端,VREF()接参考电源负端。9.2.2 MCS-51单片机与单片机与8位位A/D转换器接口转换器接口 ALE=START=WR+P2.7OE=RD+P2.72编程举例A/D转换器的程序设计主要分为下面几步:1)选通模拟量输入通道;2)发启动转换信号;3)用查询、中断或软件延时等方式等待转换结束;4)读取转换结
11、果;5)将转换结果存入RAM,进行数据处理或执行其他程序。(1)查询方式编程举例 下面是接受查询方式分别对8路模拟信号轮番采样一次,并依次把采样结果转储到数据存储区的采样转换程序。MAIN:MOV R1,#data ;置数据区首址 MOV DPTR,#7FF8H ;P2.70,且指向通道0 MOV R7,08H ;置通道数LOOP:MOVX DPTR,A ;启动A/D转换 MOV R2,20H ;延时查询DELY:DJNZ R2,DELY ;(延时60s)结束?DELY1:JB P3.3,DELY1 ;判P3.31?MOVX A,DPTR ;读取转换结果 MOV R1,A ;转储 INC DP
12、TR ;指向下一个通道 INC R1 ;修改数据区指针 DJNZ R7,LOOP ;8个通道采样未完则循环(2)中断方式编程举例 下面以采集一路为例,编写转换程序:INTIC:SETB ITl ;置外部中断1为边沿触发方式 SETB EA SETB EX1 ;允许外部中断1 MOV DPTR,#7FF8H MOVX DPTR,A ;启动0809对IN0通道进行转换 外部中断1的中断服务程序如下:UNITl:MOV DPTR,#7FF8H MOV A,DPTR MOV 50H,A RETI9.2.3 MCS-51单片机与单片机与12位位A/D转换器接口转换器接口 CE CE 表表9-3 AD57
13、4A真值表真值表若R/=0,启动A/D转换:若R/=1,数据输出:A0=0,启动12位AD转换方式。A0=1,启动8位A/D转换方式。1,对应12位并行输出。0,对应8位输出:A00时,高8位数据有效。A11时,低4位数据有效,中间4位为0,高4位为三态2AD574A与8051单片机接口 CPU可接受中断、查询、软件延时等方式读取AD574A的转换结果。若接受查询方式,则将转换结束状态线STS接到8051的某一I/O口线,图9-12中与P1.0线相连。工作过程如下:(1)当单片机执行对外部数据存储器的写指令,并使CE1,CS=0,R/C 0,A00时,进行12位A/D转换启动。(2)主机通过P
14、1.0不断查询STS状态,当STS由高电平变为低电平常,表示转 换结束。(3)转换结束后,8031通过两次读外部数据存储器操作,读取12位的转换结 果数据。当CE1,CS=0,R/C1,A00时,读取高八位;CE1,CS=0,R/C1,A01时,读取低四位。利用该接口电路完成一次AD转换的工作程序如下:MAIN:MOV DPTR,00H ;端口地址送入DPTR MOVX DPTR,A ;启动AD574A SETB P1.0 ;置P1.0为输入方式LOOP:JB P1.0,LOOP ;检测P1.0口,等待A/D转换结束 INC DPTR MOVX A,DPTR ;读高八位数据 MOV R2,A
15、;高八位存入R2中 INC DPTR INC DPTR ;使,A0均为1 MOVX A,DPTR ;读取低四位 MOV R3,A ;低四位存入R3中 9.2.4 数据采集系统举例数据采集系统举例 下面应用系统是对8路模拟信号进行巡回检测,每个通道连续采样6次,采样周期为5秒。模拟输入信号是经过传感器之后的输出值。A/D转换器选用AD574A,采样/保持器选用LF398,多路转换开关选用CD4051,与单片机组成的接口电路如图9-14所示。上图中被测参量经多路转换开关CD4051选通后,送到采样/保持器的输八端。IN0IN7中的哪一路被选中,是由多路开关的选择限制端A、B、C以及允许锁存端INH
16、限制的。采样/保持器的工作状态由AD574A的STS状态限制。当A/D转换正在进行(或未进行)时,转换结束标记STS输出为高电平,经反相后,变为低电平,送到采样/保持器的逻辑限制瑞(Logic),使采样/保持器处于保持状态,此时即可起先A/D转换。转换后的数字量由单片机的数据总线分两次读入CPU。当AD574A转换结束后,STS由高电平变为低电平,反相后呈高电平,因而使采样/保持器变为采样状态。这种硬件连线方法不必通过单片机单独送采样/保持限制信号,所以能加快系统响应速度。2 2程序设计程序设计 该系统接受定时采样方式,每隔5秒钟中断一次,在中断过程中完成数据的采集。程序设计中主程序主要任务是
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