单片机应用系统AD转换扩展设计课件.ppt

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1、A/D转换接口技术1前向通道概述前向通道是单片机系统的信号采集通道。从被测对象信号输出到单片机的输入，其结构形式取决于被测对象的环境和输出信号的类型、数量、大小等，如图9-29所示。图9-29前向通道的结构对于多输入系统，如多点巡回检测、多参数测量系统，前向通道中往往只有一套数据采集系统，可通过多路开关切换。根据多路开关所处的位置不同，前向通道的结构如图9-30（a）、（b）所示。在前向通道的设计中必须考虑信号的拾取、调节、A/D转换及抗干扰等诸多方面的问题：图9-30多输入系统前向通道的结构（1）信号拾取：通过敏感元件

2、，将被测的物理量变换成R、L、C等参量的变化；也可通过传感器，输出与被测的物理量相关的模拟信号或频率信号；还可通过测量仪表实现，但成本较大，在大型的应用系统中使用较多。（2）信号调节：将传感器或敏感元件输出的电信号转换成能满足单片机TTL电平或A/D转换输入要求的标准信号。这种转换除了小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等方面的任务。在单片机系统中，许多原来依靠硬件实现的信号调节任务都可以通过软件实现，这就大大简化了单片机系统的前向通道结构。（3）抗干扰：前向通道紧靠在被测对象所

3、在的现场中，而且传感器输出的是小信号，因此，前向通道是干扰侵袭的主要渠道。在设计时必须充分考虑到干扰的抑制与隔离：在前向通道中常采用DC/DC变换器、隔离放大器、光电耦合器实现电源、模拟通道、数字通道的隔离。（4）A/D转换电路的选择：A/D转换电路的性能直接决定了前向通道的精度与速度。2A/D转换器工作原理及分类A/D转换器的功能是将模拟量转化为数字量，一般要经过采样、保持、量化、编码四个步骤。（1）采样、保持在图9-31中，当电子开关S加“1”电平时，开关闭合，为采样阶段；当电子开关S加“0”电平时，开关断开，为保持

4、阶段。当电子开关S上加上周期性的采样时钟信号VS，便将输入的连续时间信号Vi(t)变成离散时间信号Vi(t)。为了不失真地恢复原始信号，根据香农采样定理，采样时钟信号VS的频率至少应是原始信号最高有效频率的两倍。图9-31模拟信号的离散化过程（2）量化量化就是将采样-保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化间隔，用表示）的整数倍。量化过程分为以下两个步骤：①确定量化间隔。模拟输入电压范围分割数设输入模拟信号的幅值范围为0～1V，要转化为3位二进制代码，则其量化间隔=1/8V。②将连续的模拟电压近似成离散的量化电

5、平。（3）编码所谓编码就是将量化后的幅值用一个数制代码与之对应，这个数制代码就是A/D转换器输出的数字量，如常用的是二进制编码。（4）A/D转换器的主要参数：①分辨率②转换时间与转换速率③相对精度④量程1．双积分A/D转换器双积分A/D转换器是一种基于间接测量的A/D转换器。它的基本原理是产生一个与输入模拟量的平均值成正比的时间宽度信号，然后用计数器测出这个时间宽度。计数结果就是与输入模拟量成正比的数字量。图9-33是双积分A/D转换器的原理框图，它由一个积分器、一个回零比较器、一个N位计数器及若干的控制逻辑电路组成。转

6、换开始前，计数器置零，S2闭合，使积分电容两端电压为零。图9-33双积分A/D转换器框图2．逐次逼近型A/D转换器逐次逼近型A/D转换器采用中分比较原理。初态时使逐次比较寄存器置为全0，转换开始时，控制逻辑使其最高位为1，经D/A转换后得到模拟电压Vo=1/2Vmax，Vo在比较器中与Vi进行比较。若比较结果Vi＞Vo，控制逻辑使逐次逼近寄存器加1，再经D/A转换器变成相应的模拟量Vo去和Vi比较，根据Vo和Vi的关系，再确定逐次逼近寄存器加或减。重复以上步骤，经过N次比较后，逐次逼近寄存器中的值即为A/D转换后的数字量

7、，如图9-35所示。图9-35逐次逼近型A/D转换器框图3．并行比较型A/D转换器3位并行比较型A/D转换器原理电路如图9-36所示，它由分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。图中的8个电阻将参考电压VREF分成8个等级，其中VREF/15、3VREF/15、…、13VREF/15为7个比较器C1～C7的参考电压。输入电压Vi的大小决定各比较器的输出状态。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。编码器优先级别最高的是I1，最低的是I7，“1”有效，输入全“0”时，编码器输出D2D1D0为000

8、。设Vi变化范围是0～VREF，输出3位数字量为D2D1D0与输入模拟量的关系见表9-5。表9-53位并行A/D转换器输入与输出关系对照表图9-363位并行比较型A/D转换器原理图并行比较型A/D转换器具有下列特点：（1）由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间的限制，因此并行比较型A/D的转