我要投搞

标签云

收藏小站

爱尚经典语录、名言、句子、散文、日志、唯美图片

当前位置:2019跑狗图高清彩图 > 智能放大器 >

智能第2章_图

归档日期:07-20       文本归类:智能放大器      文章编辑:爱尚语录

  智能仪器 第2章 智能仪器的输 入通道及接口技术 重点: (一)程控放大器及接口 1)了解程控放大器的一般 组成及原理。 2)掌握程控放大器的几种 典型结构。 一.复习智能仪器的基本结构 1)首先复习上堂课所讲的智能仪器组成结构 传感器 信号放大 A/D转换器 计算机 在智能仪器的输入通道中,针对被放大 信号的特点目前使用较多的放大器有: 程控同相放大器; 程控反相放大器 仪用放大器; § 2.1 程控放大器 一、程控放大器的定义及组成 二、程控同相放大器 课本13-22页 多档程控同相放大器、增益线性变化的程控同相放大器 、 T性反馈电阻网络程控同相放大器 三、程控反相放大器 1、程控衰减反相放大器 2、程控比例反相放大器 四、仪用放大器 程控仪用放大器集成电路、程控指数增益仪用放大器 、 多档程控仪用放大器 一、程控放大器的定义及组成 定义:由程序控制增益的放大器 组成:放大器、可变反馈电阻网络和控制接口 程控放大器与普通放大器 的区别: 在于反馈电阻网络可变且 受控于控制接口的输出信 号。不同的控制信号将产 生不同的反馈系数。 二、程控同相放大器 同相放大器的理想增 益为, Rf Af ? 1 ? R 改变 R f 与 R 的 比值,即可改变闭环 增益。 复习 集成运放的两个特性: “虚短”和“虚断” (1)、 多档程控同相放大器 定义:各档增益固定的程控放大器。 多用于增益分档数量不多、且所需增益预知的场合。 特点:电路简单且容易实现,其闭环增益取决于模拟开关所 接入的反馈电阻阻值,若在反馈电阻中串接电位器,则无需 精密电阻即可得到准确的闭环增益。 ?(2)、增益线性变化的程控同相放大器 主要指利用串联权电阻网络来代替反馈电阻R? ,这样 可得到与控制信号二进制码同步递增的闭环增益。原 理如下图所示: 这里使用了n+1个独 立的模拟开关,每个 开关使用一个控制信 号来控制,例如有8个 模拟开关,也就是说它 需要8个控制信号来 进行控制。当控制信 号为“1”时,所被控 制的该开关断开;控 制信号为“0”时,该 开关导通。这样使R? 有n种不同的线性变化, 从而实现线性变化的 闭环增益 控制信号为“1”时,开关断开; 控制信号为“0”时,开关导通。 若以 Cn-C0来表示控制信号的二进制值“ 0”或“ 1”, 则接入反馈回路的电阻的阻值为 Rf R f ? Cn 2n R ? Cn?1 2n?1 R ? ? ? ? ? C1 21 R ? C0 20 R 放大器的闭环增益是 Af ? Cn 2n ? Cn?1 2n?1 ? ? ? ? ? C1 21 ? C0 20 ? 1 闭环增益是控制二进制编码加1,即 A f ? N c ?1 说明: 在此放大器中,闭环增益准确度不仅与全部 反馈回路电阻匹配准确度有关,还在很大程度上 受模拟开关导通电阻的限制。特别是在全部模拟 开关导通,闭环增益为1时,由导通电阻产生的增 益误差为最大。若以ri表示各开关的导通电阻, n 则增益的相对误差为 ri ? Af ? ? i ?0 R 在实际应用中,为减小此项误差,除了选用导通 电阻小的模拟开关外,还应尽可能地增大R的阻值, 必要时应选用场效应管输入级的运算放大器,以 让R可以选得足够大。 3、T型反馈电阻网络程控同相放大器 组成: 运放,n选一模拟开 关,控制信号C n和T 型电阻网络。 期中Cn控制着运放反 向端接向T型网络的 那个节点。 求节点等效电阻 求1节点的等效电阻: 分析:1节点三个支路上的电阻均为2R 2 Req1 ? R 3 同理可得: Req 2 以此类推:电阻网络中任一个节点的等效电阻都可以 简化为 2 2 ? R 3 Reqi ? 3 R 13 求网络各节点反馈电压 在0节点 Vf 0 ? 1 V0 3 在1节点 在2节点 1 1 1 V f 1 ? V f 0 ? . V0 2 3 2 1 1 12 V f 2 ? V f 1 ? .( ) V0 2 3 2 在i节点 1 1 i V fi ? .( ) V0 3 2 14 求放大器的闭环增益 Afi V0 V0 V0 ? ? ? ? 3.2i Vi U? V fi 15 总结:T型电阻网络有如下特点: 1、网络各节点的等效电阻,无论多路模拟开关切向哪个节点, 2 运放反相端对地电阻恒定; Req ? 3 R 2、任意节点i的反馈电压是 V fi ? 1 1 i ? ( ) VO 3 2 i 放大器的闭环增益可表示为 Afi ? 3 ? 2 3、网络电阻R的阻值应远大于运算放大器的输出阻抗。 三.程控反相放大器 反相放大器与同相放大器的区别在于,它的正向端接 地,理想状态下,它是一个比例放大器,它的增益为: 与程控同相放大器的原理相 同,改变 的值, 即可改变放大器的闭环增益。根据 改变增益的方法不同,同相放大器 的几种形式反相放大器都可用外, 利用反相放大器的特征还可有多种 程控放大器形式。 1、程控衰减反相放大器—反T型网络 组成: n+1个双向模拟开关,n+1位的控制信号,反T型 电阻网络,运放 当 Ci ? 0 双向模拟开关接通于运算放大器的正端(地端) 当 Ci ? 1 双向模拟开关接通于运算放大器的负端 Vi 19 (1)、程控比例反相放大器 四、仪用放大器 通常为保证放大器的共模抑制能力,电路参数对称, 即R1=R2;R3=R4;R5=R6,此时,放大器的闭环增益为 Af ? ? VO 2R R ? ?(1 ? 1 ) 5 Vi1 ? Vi 2 RG R3 为保证电路的对称性,改变增益最合理、最简单的方法是改变 RG 的阻值。 集 成 程 控 仪 用 放 大 器 AD 61 2 利 用 AD 61 2 组 成 程 控 指 数 增 益 仪 用 放 大 器 23 2.2 量程的自动转换技术 重点: 1)了解量程的自动转换的组成形式 2)了解量程的自动转换的接口 一. 概述 1.量程自动转换技术的一般要求 定义:自动量程转换是大多数智能仪器的一种基本功 能.可根据被测量的大小自动选择合适的量程,以保 证测量值有足够的分辨率和准确度。 自动量程转换应满足以下要求: 1)尽可能高的测量速度 即根据被测量的大小,自动选择合适的量程并完成一定 的测量速度.例如每个量程区间设二个量程极限值,(高限 值和低限值),测量结果仅和这二个值进行比较,在发生超 量程时,立即回到高一级量程(或低一级量程)进行处理, 即可快速找到合适的量程. 2)确定性 在升降量程时,不应该在二个相邻量程间反复选择.例如 某一电压表20V量程档存在负的测量误差,而在2V档又存 在正的测量误差,那么在量程转换点附近就有可能出现 反复选择量程的情况,造成被选量程的不确定性. 量程选择的不确定性可以通过给定量限值回差的办 法来解决.例如,降量程的极限值选满度值的9.5%,而不 是10%.升量程的极限值选100%,这样只要二相邻的量程 的测量误差绝对值之和不超过0.5%,就不会造成被选量 程的不确定性. 3)安全性 由于每次测量并不都是从最高量程开始,而是在选定 量程上进行,因此不可避免会发生被测量超过选定 量程的最大测量范围,这种过载现象须经过一次测量 后才会发现,因此量程输入回路必须具有过载保护能 力,当过载发生时,至少在一次测量过程中应能正常工 作,并且不会损坏. 2.量程自动转换常用方法 量程选择通常有3种方式: 手动选择:人工由键盘输入控制 自动选择:由内部编程自动控制 系统控制器选择:GP-IB总线控制 三种方式往往都要配合仪器输入部分的衰减器与放 大器来实现. 下面就自动量程选择举例说明: 设某电压表共有六档量程,若相邻两个量程档相差 10 倍,则每个量程设置两个数据限: 满刻度值为上限 —— HQ 满刻度的9.5%为下限 —— LQ = 0.095HQ 微机通过程序判断被测量超过HQ时,应升量程,低 于LQ时应降量程,当被测量读数值 V 满足: LQ V ≤ HQ 为合适。 二. 转换电路及接口 转换电路的组成形式 一般由衰减 器,放大器, 接口及开关 驱动这三大 部分组成.如 下图所示: 1)衰减电路 具有100和1 二种衰减系数: 由开关K1控制 当K1被激励 时,K1切向A端, 衰减系数100 当K1未被激励 时,K1切向B端, 衰减系数1; 2)放大器电路 由K2控制前 置放大器的放 大倍数。 当K2被激励时 ,K2切向C端, 放大器的增益 为1, 当K2未被 激励时,K2切 向D端,放大器 的增益为10. 3)K3切换放 大器输出 当K3被激励时, K3切向E端,放 大器的输出电 压被衰减10倍 当K3未被激励 时,K3切向F端, 放大器直接 输出 使用这三个开关的不同组合,该电路具有 200mV,2V,20V,200V和1000V五个量程. 4) 接口 量程转换电路的 接口实质上是一 个开关控制接口, 其接口电路的方 式基本相同,所 不同的是驱动电 路, 切换开关通常使 用继电器作为高 压衰减部分的切 换开关,而低压 部分则通常使用 模拟开关. 三.量程自动转换电路的控制 量程自动转换的控制主要由系统软件来完成: (1)列出系统所要求的量程自动转换上下限值: 如下图所示: n 5 量程 1000V 升量程阈值 UL 1050.0 降量程阈值 DL 195.00 现行量程激 励码 XXXXX000 4 3 2 1 200V 20V 2V 200mv 200.00 20.000 2.0000 0.20000 19.500 1.9500 0.1950 0.00000 XXXXX001 XXXXX100 XXXXX101 XXXXX111 2)编写量程自动转换子程序 量程自动转换子程序由主程序完成一次测量后调用. 该程序调用时,将根据最新测量数据与现行量程的极 限值进行比较,若现行量程合适,则显示测量读数后返 回主程序,反之则进行量程选择,找到新的合适量程后 再返回主程序.下一次测量就在新选择的量程下进行. 整个流程分为三条支路,分别是降量程,保护现行量程 和升量程. 见下图: 量程自动转换程序流程图 37 四.量程自动转换电路的保护 1.量程自动转换的过载保护的必要性 具备量程自动转换的仪器过载是不可避免的,其最大 过载可达仪器的最低量程和最高量程满度值之比.例 上表中最低量程是200mV,最高量程是1000V,那它的 最大过载可达5000倍,在这样高的过载下若没有保护, 器件将很快损坏,因此必须进行量程自动转换的过流 和过压保护. (1).输入过压保护 输入过压保护电路的一般形式: 当输入的电压VI过载超过保护电压VS时,二极管D1, 或D2导通,输入电压经降压电阻R1后被限止在± VS 之内. 当二极管导通时的等效电路如下: 利用叠加原理可 得放大器输入端 电压V为: 式中V d为二极管导通压降,因为R1R2和R3,所以 所以,当输入电压为1000V时,可限制在±12V左右范围 内.此时流经电阻R1和二极管的电流为10 m A,当电阻 R1的功率不小于10W时,可保证在最大输入为1000V的 情况下电路可长期承受过载电压. (2).过载电压的快速切除 一般情况下都不希望出现过载电压,若能在过 载电压发生后的短时间内快速切断,将量程切换 到最高量程,这是一种常用的方法.过载电压快 速切除电路如下所示: 1)稳压D3,D4 和二极管 D1,D2组成双 极性保护回 路. 在无过载时 (即当输入电 压低于︱VD︱ 时), D1,D2 截止,比较器 A1和A2依靠 D1,D2的反向 漏电流保持 高电平输出. 在有过载时,(即放 大器A1(错误,应 为A)输入的电压高 于︱VD 时。D1或D2 导通, 使A1输入被 限制在± V d的范 围内. 过载保护电流 经采样电阻 R8,R9形成压 降,比较器A1 和A2翻转,输 出低电平.此 低电平将使D 触发器置1,从 而关闭 74LS245输出, 使量程开关继 电器恢复到最 高量程, 1.3 同时,过载信 号还将通过 INT1端口向 CPU发出中断 信号,CPU响应 中断后,应修 改量程控制代 码,并通过 P1.3口输出正 脉冲,恢复D触 发器为0,若无 法恢复时,则 表明在最高量 程处还发生过 载,应立即报 警. 补充:一 D触发器 1. 逻辑电路和符号 Q Q & RD 置 0 维 持 线 维 持 线 阻 塞 线 阻 塞 线 D R SD CP D RD D (b) 2.工作原理 S D 均置1。 为使用CP和D功能,必须将RD 、 Q 在CP上升沿(CP↑)到来之前, CP=0,R=1,S=1, 输出状态保持不变。 n ?1 ? Qn , (1) 设D=1,① CP↑到来,Q n?1 ?1? D ② CP=1期间,保持状态不变。 Q ③ CP下降沿(CP↓)到来, n ?1 保持不变。 (2) 设D=0,① CP↑到来,Q n?1 ?0?D ② CP=1期间,输出状态不变。 n ?1 Q ③ CP↓到来, 保持不变。 特征方程式为: Q n?1 ? D CP上升沿时刻有效 二、74LS245芯片及扩展举例 图是74LS245的引脚图和功能表。74LS245是一种三态输出的8总线收发驱 动器,无锁存功能。它的G端和DIR端是控制端,当它的G端为低电平时,如 果 DIR 为高电平,则 74LS245 将 A 端数据传送至 B 端;如果 DIR 为低电平,则 74LS245将B端数据传送至A端。在其他情况下不传送数据,并输出高阻态。 49 .上图表明可在较短时间内切除过载电压,其速度取决于 量程开关. 作业题: 1.为什么仪器要进行量程转换?智能仪器如何实现量 程转换? 常用TTL集成触发器 型 号 74LS/ALS74(H,S,L) 74LS75 74LS/ALS109 74LS/ALS112(S) 74LS/ALS113(S) 74LS/ALS114(S) 74LS/ALS174(S) 74LS/ALS175(S) 74LS/ALS273 74LS/ALS373 功能名称 双D触发器,上升沿触发 四D锁存器 双JK触发器,上升沿触发 双JK触发器,下降沿触发 双JK触发器,下降沿触发,仅含预置端 双JK触发器,下降沿触发,共用时钟、共用复位 六D触发器,共用清零 四D触发器,共用时钟、共用清零 八D触发器,带异步清零 八D锁存器,三态输出 74LS/ALS374 八D触发器,含输出使能,三态输出 2.3 A/D 转换器 2.3.1 A/D转换的一般工作过程 2.3.2 并行比较型A/D转换器 2.3.3 逐次比较型A/D转换器 2.3.4 双积分式A/D转换器 2.3.5 A/D转换器的主要技术指标 2.3.6 集成A/D转换器及其应用 52 A/D转换的基本原理 在过程控制和信息处理中遇到的大多是连续变化的物 理量,如话音、温度、压力、流量等,它们的值都是随 时间连续变化的。工程上要处理这些信号,首先要经过 传感器,将这些物理量变成电压、电流等电信号模拟量, 再经模拟-数字转换器将模拟量变成数字量后才能送给计算 机或数字控制电路进行处理。 53 2.3 .1A/D 转换器 概述 1. A/D功能: 能将模拟量成正比地转换成对应的数字量。 输入模拟电压 输出数字量 ADC Dn~D0 ?I 54 2. A/D转换器分类 ① 并联比较型 特点: 转换速度快,转换时间 10ns ~1?s, 但电路复杂。 ② 逐次逼近型 特点: 转换速度适中,转换时间 为几?s ~100 ?s, 转换精度高,在 转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。 ③ 双积分型 特点: 转换速度慢,转换时间 几百?s ~几ms,但抗干扰能力最强。 55 2.3.1 A/D转换的一般工作过程 时间上和量值上都连续 模拟信号 时间上和量值上都离散 数字信号 编 码 保持、量化 时间上离散的信号 量值上也离散的信号 取 样 A/D转换器一般要包括取样, 保持,量化及编码4个过程。 56 TG 1. 取样与保持 采样是将随时间连续变化的模 拟量转换为在时间离散的模拟量。? (t) I ?I(t) ?O(t) S(t) S(t)=1:开关闭合 S(t)=0:开关断开 采样信号S(t)的频率愈高,所采 得信号经低通滤波器后愈能真实 地复现输入信号。合理的采样频 率由采样定理确定。 0 S(t) t 采样定理:设采样信号S(t)的频 率为fs,输入模拟信号?I(t)的最 高频率分量的频率为fimax, 则 fs ≥ 2fimax ?O (t) 0 ? t TS 0 t 57 取样与保持电路及工作原理 采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间,为 了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值,在取 样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。 采样 ?I A1 S CH 开关驱 动电路 采样—保持 控制电路 A2 t ?I 保持 ?O ?O 0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 (b) 波形图 t 58 采样保持器的基本组成电路如图所示 采样期间,模式控制开关S闭合,A1是高增益放大器, 它的输出通过开关S给保持电容Ch快速充电,使采样保持 器的输出随输入变化。S接通时,要求充电时间越短越好, 以使UC (电容两端电压)迅速达到输入电压值。保持期间, 模式控制信号使开关S断开。由于运放A2的输入阻抗高, 理想情况下,电容器保持充电时的最高值。 59 2. 量化与编码 量化 ?数字信号在数值上是离散的。采样–保持电路的输出电压还需 按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上,任何数字量只 能是某个最小数量单位的整数倍。 3.编码 ?量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。 经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。 60 4.量化误差:量化前的电压与量化后的电压差 在量化过程中由于所采样电压不一定能被?整除,所以量化前 后一定存在误差,此误差我们称之为量化误差,用?表示。 量化误差属原理误差,它是无法消除的。A/D转换器的位数越 多,各离散电平之间的差值越小,量化误差越小。 5.量化方式 ?两种近似量化方式:只舍不入量化方式和四舍五入的量化方 式。 61 a ) 只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃; 对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。 例:将0~1V电压转换为3位二进制代码 最小量化单位 Δ=1LSB= 1/8 V 最大量化误差为: ? max ? 1LSB=1/8V 62 b )四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃, 对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。 例:将0~1V电压转换为3位二进制代码 最小量化单位: Δ=1LSB= 2/15 V 最大量化误差为: ? max ? LSB 2 63 2.3.2 并联比较型A/D转换器 精密参考 电压 1、电路组成 VREF R + – + – C6 C7 C7 Q7 13VREF/15 15 11 15 13 VREF 1D I7 > C1 R C6 1D Q6 I6 11VREF/15 精密电阻 网络 VREF > C1 R + – + – + – R + – + – C1 C2 C3 C4 C5 C5 1D Q5 I5 d 2 (MSB )D0 9VREF/15 R > C1 C4 1D Q4 I4 7VREF/15 R > C1 C3 1D Q3 I3 代 码 转 换 器 输出数 字量 d1 d0 (LSB) 0 5VREF/15 输入模拟 电压 3VREF/15 15 1 15 3 > C1 C2 1D Q2 I2 VREF > C1 C1 1D Q1 I1 R VREF/15V REF > C1 电压比较器 64 R/2 ?I CP 代码转换器是一个组合逻辑电路,可以写出代码 转换电路输出与输入之间的逻辑函数式.注意或非 门的应用。 65 ?d 2 ? Q 4 ? ?d1 ? Q6 ? Q 4Q 2 ? ?d 0 ? Q7 ? Q6Q5 ? Q 4Q3 ? Q 2Q1 66 VREF R + – + – C6 C7 C7 0 1D C7 Q7 I7 Q6 R 0 0 1 >C1 1D >C1 I6 (MSB) d D 20 代 码 转 换 器 R + – + – C4 C5 C5 1D >C1 Q5 I5 1 0 0 R C04 1 D >C1 1 DC1 > 1 D >C1 1 D >C1 Q4 I4 d1 R + – + – C2 C3 C3 1 Q3 I3 d0 0 (LSB) R C2 1 1 Q2 I2 R + – C1 C1 Q1 I1 R/2 VI=8VREF/15 ?I CP 67 根据各比较器的参考电压值,可以确定输入模拟电压值 与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存 储,经代码转换器,得到数字量输出。 68 3、电路特点: ?在并行A/D转换器中,输入电压?I同时加到所有比较器的输 入端。如不考虑各器件的延迟,可认为三位数字量是与?I输 入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。 ?缺点是电路复杂,如三位ADC需7个比较器、7个触发器、 8个电阻。位数越多,电路越复杂。 69 2.3.3逐次逼近型A/D转换器 1. 转换原理 逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。 所用砝码重量:8克、4克、2克和1克。 设待秤重量Wx = 13克。 第一次 所加砝码 重量 8 克 再加4克 再加2克 结果 砝码总重 待测重量Wx ,8克砝码保留 砝码总重仍 待测重量Wx ,4克砝码保留 砝码总重 待测重量Wx , 2克砝码撤除 砝码总重 = 待测重量Wx , 1克砝码保留 8 克 第二次 第三次 第四次 12 克 12 克 13 克 70 再加1克 1. 转换原理 第一个CP: 模拟量输入 CP ?I 电压 比较器 时钟 移位寄位器 ?A=6.84V 10 0… · · ·0 控制逻 辑电路 数据寄存器 ?I ≥5V 启 动 脉 冲 10 0… 0 · · · Dn-1 1 Dn-2 D1 D0 数字 量输出 · · · VREF D/A 转换器 VREF=10V ?O? ? 5V 71 1. 转换原理 第二个CP: ?I=6.84V 模拟 ?I 量输入 电压 比较器 CP 时钟 移位寄位器 · · 01 · 0… 控制逻 辑电路 数据寄存器 0 ?I 7.5V 启 动 脉 冲 11 0… 0 · · · Dn-1 Dn-2 D1 D0 1 0 数字 量输出 · · · VREF D/A 转换器 VREF=10V ?O? ? 7.5V 72 1. 转换原理 第三个CP: ?A=6.84V 模拟 ?I 量输入 电压 比较器 CP 时钟 移位寄位器 00· 1 …· · 控制逻 辑电路 数据寄存器 0 0 · · · ?I ≥6.25V 启 动 脉 冲 10 1… Dn-1 Dn-2 D1 D0 1 0数字 1 量输出 · · · VREF VREF=10 V D/A 转换器 ?O? ? 6.25V 73 10?s CP 启动脉冲 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 ? O? D0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 V 9 8 7.50000 6.8750 6.835937 6.5625 6.71875 7 6.2500 6.796875 6 5.0000 5 4 3 2 1 0.00 0 转换时间 = 80?s VREF=10V ?A=6.84V t /? s 74 75 例 : 一个四位逐次逼近型ADC电路,输入满量程电 压为 5 V, 现加入的模拟电压Ui=4.58 V (1)ADC (2) 第一步:使寄存器的状态为1000,送入DAC, 由DAC U 5 转换为输出模拟电压 U ? ? ? 2.5v m 0 2 2 77 因为Uo<Ui, 所以寄存器最高位的1保留。 第二步:寄存器的状态为1100,由DAC转换输出的电压 Uo= 1 1 ( ? )U m ? 3.75v 2 4 因为Uo<Ui, 所以寄存器次高位的1也保留。 第三步:寄存器的状态为1110,由DAC转换输出的电压 Uo= 1 1 1 ( ? ? )U m ? 4.38v 2 4 8 , 所以寄存器第三位的1也保留。 因为Uo<Ui 78 第四步:寄存器的状态为1111,由DAC转换输出的 电压 Uo= 1 1 1 1 ( ? ? ? )U m ? 4.69V 2 4 8 16 因为Uo>Ui,所以寄存器最低位的1去掉,只能为0。 所以,ADC输出数字量为1110。 (2) 转换误差为 4.58-4.38 =0.2 V 逐次逼近型ADC的数码位数越多,转换结果越精确, 但转换时间也越长。这种电路完成一次转换所需时间为 (n+2)TCP。式中,n为ADC的位数,TCP为时钟脉冲周期。 79 小结: 1、 逐次逼近型A/D转换器输出数字量的位数越 多转换精度越高; 2、逐次逼近型A/D转换器完成一次转换所需 时间与其位数n和时钟脉冲频率有关,位数愈 少,时钟频率越高,转换所需时间越短; 80 2.3.4 双积分式A/D转换器 1、双积分式A/D转换器的基本指导思想 对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分, 将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔, 然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔,进而 得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称 为电压-时间-数字式积分器 。 81 先把V转换成与之成正比的时间宽度信号,然后在 这个时间内用固定频率脉冲计数 2.3.4双积分式A/D转换器 1.起始状态:计数器清零 2.V L ? 1, 转换开始( S 0断开 ) 第一步,S1 ? V I,积分器作固定时间T1的积分 T1期间V I 不变 T1 1 T VI VO ? ?0 ? dt ? ? VI C R RC ?VO ? V I 1 82 第二步:S I ? ?V REF 积分器作反相积分,至VO ? 0 VO ? VI 1 T V REF dt ? T1 ? 0 ?0 C R RC V REF V T T2 ? I T1 ? T2 ? 1 V I RC RC V REF 2 令计数器在T2期间用固定的频率 f C (TC ? 则 T1 D ? T2 f C ? VI , TCVREF 1 )脉冲计数, fC 83 D为表示计数结果的数字量 84 电路实现 85 2.3.4 双积分式A/D转换器 优点: 1.由于转换结果与时间常数RC无关,从而消除了积分非线.由于双积分A/D转换器在T1时间内采用的是输入电压的平均 值,因此具有很强的抗工频干扰的能力。 3. 只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。 86 2.3.5 AD转换器主要性能指标 (1)、分辨率 指ADC对输入模拟信号的分辨能力。 从理论上讲,一个n位二进制数输出ADC应能 区分输入模拟电压的2n个不同量级,能区分输 入模拟电压的最小值为满量程输入的1/(2n-1)倍。 例如,ADC输出为八位二进制数, 输入信号最 大值为 U m ? 5V ,其分辨率为 Um ? 19.61mV 28 ? 1 (2)、转换时间 转换时间是A/D转换完成一次所需的时间。 并行比较A/D转换器的转换速度最高 , 逐次比较型A/D转换器次之 , 如双积分A/D转换器的速度最慢。 (3)、转换误差 它表示A/D转换器实际输出的数字量和理 论上的输出数字量之间的差别。 常用最低有效位的倍数表示。 例如,相对误差≤±LSB/2,就表明实际输出 的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的 误差小于最低位的半个字。 (4)、偏移误差 偏移误差是指输入信号为零时,输出信号不为 零的值,所以有时又称为零值误差。 (5)、满刻度误差(增益误差) ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码所对 应的实际输入电压与理想输入电压之差。 2.3.6 典型A/D转换器芯片 1.ADC0801 它具有包括三态输出缓冲器的完整接口电路,可以直接与8 位微处理器连接。 ⑴.主要特性 1)8位逐次逼近式A/D转换器. 2)转换时间为100μ s 3)单电源供电,+5V 4)差动模拟输入信号范围0~+5V 5)工作温度范围为-40~+85℃ 6)有输出数据锁存器,当与计算机连接时,转换电路的输出 可以直接连接到CPU的数据总线上,无需加逻辑接口。 三态缓冲器 缓冲器是数字元件的其中一种,它对输入值不执 行任何运算,其输出值和输入值一样,但它在计算机 的设计中有着重要作用。 缓冲器分为两种,常用缓冲器(常说缓冲器)和 三态缓冲器。常规缓冲器总是将值直接输出,用在推 进电流到高一级的电路系统。三态缓冲器除了常规缓 冲器的功能外,还有一个选项通路输入端,用E表示 。当E=0和E=1时有不同的输出值。 当E=1时,选通,其输入直接送到输出; 若E=0,缓冲器被阻止,无论输入什么值,输出 的总是高阻态,用Z表示。高阻态能使电流降到足够 低,以致于象缓冲器的输出没有与任何东西相连。 91 什么叫差模信号?什么叫共模信号? 答: 两个大小相等、极性相反的一对信号 称为差模信号。差动放大电路输入差模 信号(uil =-ui2)时,称为差模输入。 两个大小相等、极性相同的一对信号 称为共模信号。差动放大电路输入共模 信号(uil =ui2)时,称为共模输入。 差模输入使两管的集电极电流一增一 减,相应两管的集电极电位也一增一减, 于是有输出电流出现。而在共模输入信 号作用下,如果两管完全 对称,则两管 的集电极电位变化相同,因而此时输出 电压为零。 92 (2).ADC0801外部特性(引脚功能) 2、 AD574(MX574) ⑴.主要特性 1)12位逐次逼近式A/D转换器。 2)转换时间为25μs,工作温度为0℃~70℃, 功耗390 mW。 3)输入电压可为单极性(0~+10V,0~+20V) 或双极性(-5V~+5V,-10V~+10V )。 4)可由外部控制进行12位转换或8位转换。 5)12位数据输出分为三段,A段为高4位,B段为中4位,C段 为低4位,三段分别经三态门控制输出。所以数据输出可以 一次完成,也可分为两次,先输出高8位,后输出低4位。 2、 AD574(MX574) AD574管脚图 98 99 单极性输入电路和双极性输入电路 (3)AD574控制状态表 2.3.7、A/D转换器接口技术 1、接口设计时要考虑的问题 1)时间配合问题 读取A/D转换结果数据的几种方法: (1)固定延时等待法 (2)程序查询等待法 (3)中断法 2)系统数据总线宽度与A/D转换器位数相匹配问题 (1)固定延时等待法 在向A/D发出启动信号后,先根据所采用的A/D转 换器所需的转换时间进行软件延时等待,延时程序执 行完以后,A/D转换过程也已结束,便可读入数据。 在这种方式中,为了保险起见,通常延时时间应略大 于A/D转换所需时间。 缺点:占用较多时间,适合于微处理器任务 较少的场合。 优点:可靠性高,不占用查询端口。 (2)程序查询等待法 在微处理器发出A/D转换启动命令后,就不断反复测 试转换结束信号STS的状态,一旦发现转换结束状态信号 STS有效,就执行输入转换结果数据的指令。接口简单, CPU同样效率低,且从A/D转换完成到微处理器查询到转换 结束并读取数据,可能会有相当大的时延。 (3)中断法 当转换完成后,转换结束状态信号STS有效,利用 STS作为中断请求信号,向CPU提出中断申请,当 微处理器响应中断,在中断服务程序中执行转换结 果数据的读入。这种方法CPU可与A/D转换器并行 工作,效率高,硬件接口简单。 2)系统数据总线宽度与A/D转换器位数相匹 配问题 数据总线位数大于或等于A/D转换器位数时 ,接口 简单,数据读入一次完成。 当微处理器数据总线位数小于D/A转换器位数时, 接口要稍复杂一些,全部数据要分两次读入。 2.3.8 8位并行输出A/D转换器接口 接口的一般形式 接口包括三态缓冲器、状态应答和地址选择等几个并行输入接 口所必备的部分,这些部分可以集成在A/D转换器之内,也可 以包含在由CPU、I/O端口及内存等组成的单片机内。 【例1】 :ADC0801与8031/8051单片机接口设计 (1).硬件连线 接口可以采用查询和中断二种控制方式。 (2).软件设计 见课本P32、P33。 3、高于8位的并行输出A/D转换器接口 接口的一般形式 数据分两次输入,需增加一个并行接口。除此之外,其接口 形式和工作原理与8位ADC相同。 图2-32 高于8位ADC接口的一般形式 【例2】 ADC574与8031/8051 PC机接口设计 (1).硬件连线 接口可以采用查询和中断二种控制方式。 ALE P0.7 G D7 : : D0 74LS373 P0.0 OE Q7 : : Q0 12/8 DG CS A0 R/C DB11 REFIN REFOUT BIPOFF 100Ω R2 R1 100Ω 80C31 EA WR RD P1.0 + DB4 DB3 DB0 AD574 10VIN 20VIN AG CE STS -5V~+5V -10V~+10V (2).软件设计 AD574A的转换程序段如下: AD574A:MOV DPTR,#0FFF8H MOVX ﹫DPTR,A SETB P1.0 LOOP:JB P1.0,LOOP INC DPTR MOVX A,﹫DPTR ;送端口地址入DPTR ;启动AD574A(将A中的数据写到 DPTR指示 的地址中) ;置P1.0为输入方式 ;检测P1.0口(状态为1时,程序转移到LOOP) ;使R/C为1 ;读取高8位数据(将DPTR指示的地址中的数据 读入A中) MOV 41H,A ;高8位内容存入41H单元 INC DPTR ;使R/C 、A0均为1 INC DPTR ; MOVX A,﹫DPTR ;读取低4位 MOV 40H ,A ;将低4位内容存入40H单元 ... ... 上述程序是按查询方式设计,也可按中断方式设计编制相应的中断服务程 序。

本文链接:http://nomi-farm.com/zhinenfangdaqi/464.html