智能儀器模擬量輸入輸出通道1第1頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五主要內容：模擬量輸入通道高速模擬量輸入通道模擬量輸出通道數據采集系統2第2頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2.1模擬量輸入通道2.1.1

轉換器概述

A/D轉換器常用以下幾項技術指標來評價其質量水平。

(1)分辨率與量化誤差ADC的分辨率定義為ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。量化誤差是由于ADC有限字長數字量對輸入模擬量進行離散取樣（量化）而引起的誤差。其大小在理論上為一個單位。3第3頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五(2)轉換精度

轉換精度反映了一個實際ADC與理想ADC在量化值上的差值。包括偏移誤差、滿刻度誤差、非線性誤差、微分非線性誤差。偏移誤差：輸出為零時，輸入不為零的值。滿刻度誤差：又稱增益誤差是指ADC輸出達到滿量程時，實際模擬輸入與理想模擬輸入之間的差值。非線性誤差：實際轉移函數與理想直線的最大偏移。微分非線性誤差：實際階梯電壓與理想階梯電壓之間的差值。4第4頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五ADC的非線性度誤差

ADC的微分非線性度誤差

5第5頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五(3)轉換速率

轉換速率是指ADC在每秒鐘內所能完成的轉換次數。(4)滿刻度范圍滿刻度范圍是指ADC所允許最大的輸入電壓范圍。6第6頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2.1.1逐次比較式A/D轉換器逐次比較式A/D轉換器原理圖7第7頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五逐次逼近型A/D轉換器的工作原理：①轉換開始前先將逐次逼近寄存器SAR清“0”；②開始轉換以后，第一個時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數字為100…0。這個數碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓uo，經偏移Δ/2后得到uO′＝uO－Δ/2，并送到比較器中與uI′進行比較。若uI′＜uo′，說明數字過大，故將最高位的1清除置零；若uI′≥uo′，說明數字還不夠大，應將這一位保留。③然后，按同樣的方法將次高位置成1，并且經過比較以后確定這個1是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，SAR中的狀態就是所要求的數字量輸出。8第8頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五二、ADC0809芯片及其接口①輸入3位地址信號，在ALE脈沖的上升沿將地址鎖存，經譯碼選通某一通道的模擬信號進入比較器；②發出A/D轉換啟動信號START，在START的上升沿將SAR清0，轉換結束標志EOC變為低電平，在START的下降沿開始轉換；③轉換過程在時鐘脈沖CLK的控制下進行；④轉換結束后，EOC跳為高電平，在OE端輸入高電平，從而得到轉換結果輸出。9第9頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五3.ADC0809引腳功能IN0～IN7：8路模擬電壓輸入。ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信號。ALE：地址鎖存允許信號輸入，高電平有效。D7～D0（2-1～2-8）：8位二進制數碼輸出。OE：輸出允許信號，高電平有效。即當OE=1時，打開輸出鎖存器的三態門，將數據送出。UR(+)和UR(-)：基準電壓的正端和負端。10第10頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五CLK：時鐘脈沖輸入端。一般在此端加500kHz的時鐘信號。START：A/D轉換啟動信號，為一正脈沖。在START的上升沿將逐次比較寄存器SAR清0，在其下降沿開始A/D轉換過程。EOC：轉換結束標志輸出信號。在START信號上升沿之后EOC信號變為低電平；當轉換結束后，EOC變為高電平。此信號可作為向CPU發出的中斷請求信號。

11第11頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五ADC0809的時序圖12第12頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五ADC0809與單片機8031的接口電路13第13頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五1）查詢方式程序清單如下：

MOVDPTR,#FEF8H；指出IN0通道地址MOVA，#00H；MOVX@DPTR，A；啟動IN0通道轉換MOVR2，#20H；DELY：DJNZR2，DELY；等待EOC信號變低WAIT：JBP3.3，WAIT；查詢等待EOC信號變高

MOVXA,@DPTR；讀取轉換結果

MOV30H，A；存放結果

將由IN0端輸入的模擬電壓轉換為對應的數字量，然后再存入8031內部的30H單元中14第14頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2）延時等待方式程序清單如下：MOVDPTR,#FEF8H；指出IN0通道地址MOVA，#00H；MOVX@DPTR，A；啟動IN0通道轉換MOVR2，#48H；WAIT：DJNZR2，WAIT；延時約140us

MOVXA,@DPTR；讀取轉換結果

MOV30H，A；存放結果

15第15頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五（3）中斷方式程序清單如下：MAIN：SETBIT0；外部中斷0為邊沿觸發方式SETBEX0；允許外部中斷0中斷SETBEA；開放CPU中斷MOVDPTR，#0FEF8H；采樣數據存放地址MOVA，#00H；啟動A/D轉換MOVX@DPTR，A；INTR1：PUSHDPL；保護現場PUSHDPHPUSHAMOVDPTR，#0FEF8HMOVXA,@DPTR；讀取轉換結果MOV30H，A；存放結果MOVA，#00HMOVX@DPTR，A；啟動下一轉換POPA；恢復現場POPDPHPOPDPLRET1；16第16頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五三、AD574芯片及其接口AD574主要特性17第17頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五三、AD574芯片及其接口18第18頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五芯片引腳19第19頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五AD574的控制狀態表：20第20頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五AD574與8031的接口電路21第21頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2.1.3雙積分A/D轉換器雙積分型ADC又稱雙斜率ADC。它的工作原理是:對輸入模擬電壓和參考電壓進行兩次積分，變換成和輸入電壓平均值成正比的時間間隔，并利用計數器測出時間間隔，計數器的輸出就是轉換后的數字量。下圖為雙積分型ADC的電路圖。該電路由運算放大器A構成的積分器、檢零比較器C、時鐘輸入控制門G、定時器和計數器等組成。22第22頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五雙積分型ADC電路圖比較器積分器23第23頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五工作原理:1)轉換前,所有計數器復位,S2閉合,C放電;2)第一次積分(采樣階段) 積分器對VI進行固定時間T1的積分,積分結束時積分器的輸出電壓為:24第24頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五計數器從全0到計滿為全1時所用的時間為：N1—T1時間內進入計數器的CP個數。

N1=2N25第25頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五3）第二次積分（比較階段）

t=t1

時采樣結束，S1

接-VREF，積分器對-VREF進行積分。26第26頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五∵T2=N2?TCN2—T2時間內進入計數器的CP脈沖個數。∴T1?VI=T2?VREF2N

?VI=N2?VREF27第27頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五T1T2VIVOt1t2CP

N1TC

N2TC第一次積分第二次積分28第28頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五雙積分式ADC的優點：對R、C及時鐘脈沖Tc的長期穩定性無過高要求即可獲得很高的轉換精度。微分線性度極好，不會有非單調性。因為積分輸出是連續的，因此，計數必然是依次進行的,即從本質上說，不會發生丟碼現象。積分電路為抑制噪聲提供了有利條件。雙積分式ADC是測量輸入電壓在定時積分時間T1內的平均值，對干擾有很強的抑制作用，尤其對正負波形對稱的干擾信號抑制效果更好。

29第29頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五三、MC14433芯片1.MC14433主要特性參數1）

轉換精度具有±1/1999分辨率或讀數的±0.05%±1個字。2）

電壓量程分1.999V和199.9mV兩檔。3）

基準電壓取2V或200mV。4）

轉換速度為3次/秒~10次/秒。5）

具有過量程和欠量程輸出標志。

30第30頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2.MC14433的內部結構及引腳功能MC14433的內部結構31第31頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五模擬電路部分有基準電壓，模擬電壓輸入部分。模入電壓量程為199.9mV或1.9999V兩種，對應基準電壓為+200mV和+2V。數字電路部分由邏輯控制BCD碼及輸出鎖存器，多路開關，時鐘以及極性判別，溢出檢測等電路組成。采用字位動態掃描BCD碼輸出方式。即千，百，十，個位BCD碼輪流地在Q0~Q3端輸出。同時在DS1~DS4端出現同步字位選通信號MC14433千位編碼定義32第32頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五3.MC14433與8031單片機的接口設計由于MC14433的A/D轉換結果是動態分時輸出的BCD碼。Q0~Q3和DS1~DS4可以通過并行口P1或通過擴展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。

圖9.31MC14433與8031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能自動連續轉換。E0C經與非門接外中斷INT1端，當EOC發出中斷申請，轉入中斷服務程序處理轉換結果。33第33頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2.3模擬量輸出通道

2.3.1D/A轉換器概述一、D/A轉換原理DAC的基本原理

DAC是將每一位數字量的代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量與數字量成正比。34第34頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五DAC的輸入是N位二進制數字信息D（dN-1，dN-2，……，d0），其最低位的d0和最高位的dN-1的權分別是20和2N-1：DAC的輸出是與輸入數字量成正比的電壓VO或電流i。35第35頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五R-2R倒T型電阻網絡DAC36第36頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五工作原理： 當輸入全部為“1”時，電路的總電阻為R，所以，總電流為

I=VREF/Rd3

對應的電流：I3=I2’I=I3+I2’=2I3I3=I/2RR2R??VREF①②I3I2’37第37頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五RR2R??VREFd2

對應的電流：I3=I2’I2’=I2+I1’=2I2I2=I/4??R2RI1=I/8I0=I/16①②③I3I2I1’I2’I3=I/238第38頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五39第39頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五二、D/A轉換器的主要技術指標1、分辨率分辨率是指輸入數字發生單位數碼變化時，所對應的輸出模擬量（常為電壓）的變化量。它反映了輸出模擬量的最小變化值。2、轉換精度轉換精度是指在整個工作區間實際的輸出電壓與理想輸出電壓之間的偏差，可用絕對值或相對值來表示?？梢杂镁C合誤差方式來描述，與ADC基本一致。3、轉換時間轉換時間指從開始轉換到與滿量程值相差±1/2LSB所對應的模擬量所需要的時間4、尖峰誤差尖峰誤差是指輸入代碼發生變化時而使輸出模擬量產生的尖峰所造成的誤差。40第40頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五轉換時間從開始轉換到與滿量程值相差±1/2LSB所對應的模擬量所需要的時間tV1/2LSBtCVFULL41第41頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2.3.2D/A轉換器與微型計算機接口

一、DAC0832DAC0832是使用非常普遍的８位D/A轉換器，由于其片內有輸入數據寄存器，故可以直接與單片機接口。DAC0832以電流形式輸出，當需要轉換為電壓輸出時，可外接運算放大器。屬于該系列的芯片還有DAC0830、DAC0831，它們可以相互代換。DAC0832主要特性：分辨率８位；電流建立時間１μS；數據輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式；輸出電流線性度可在滿量程下調節；邏輯電平輸入與TTL電平兼容；單一電源供電（＋5V～＋15V）；低功耗，20mＷ。

42第42頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五DAC0832的內部結構43第43頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五主要引腳功能輸入寄存器控制信號：D7～D0：輸入數據線ILE：輸入鎖存允許CS：片選信號WR1：寫輸入鎖存器44第44頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五主要引腳功能用于DAC寄存器的控制信號：WR2：寫DAC寄存器XFER：允許輸入鎖存器的數據傳送到DAC寄存器45第45頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五主要引腳功能其它引線：VREF：參考電壓。

-10V～+10V，一般為+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A轉換差動電流輸出。用于連接運算放大器的輸入Rfb：內部反饋電阻引腳，接運放輸出AGND、DGND：模擬地和數字地46第46頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五工作時序寫輸入寄存器寫DAC寄存器47第47頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五工作模式１、單緩沖工作方式

此方式適用于只有一路模擬量輸出，或有幾路模擬量輸出但并不要求同步的系統。

48第48頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五例1DAC作為波形發生器49第49頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五1.鋸齒波程序。

ORG2000HSTART：MOVDPTR，#0FEFFH MOVA，#00HLOOP：MOVX@DPTR，A INCA MOVR1，#data ；data為延時常數

DJNZR1，$ ；延時，改變data可改變鋸齒波周期T值。

SJMPLOOP 50第50頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2.產生三角波

ORG2000HMOVA,＃00H;取下限值

MOVMOVDPTR，#0FEFFH;指向0832口地址SS1:MOVX@DPTR,A;輸出

NOP;延時

NOPNOPSS2:INCA;轉換值增量

JNZSS1;未到峰值,則繼續SS3:DECA;已到峰值,則取后沿

MOVX@DPTR,A;輸出

NOP;延時

NOPNOPJNZSS3;未到谷值,則繼續

SJMPSS2;已到谷值,則反復51第51頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五3.矩形波程序。

ORG2000HSTART：MOVDPTR，#0FEFFHLOOP：MOVA，#data1；上限電平

MOVX@DPTR，A LCALLDELAY1調用延時程序 MOVA，#data2；下限電平

MOVX@DPTR，ALCALLDELAY2 SJMPLOOP 52第52頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2、雙緩沖工作方式

多路D/A轉換輸出，如果要求同步進行，就應該采用雙緩沖器同步方式。53第53頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五完成兩路D/A同步輸出的程序如下：MOVDPTR，#0DFFFH；指向0832（１）輸入鎖存器MOVA，#data1MOVX@DPTR，A；data1送入0832（１）輸入鎖存器MOVDPTR，#0BFFFH；指向DAC0832（２）輸入鎖存器MOVA，#data2MOVX@DPTR，A；data2送入0832（2）輸入鎖存器MOVDPTR，#7FFFH；同時啟動0832(1)、0832(2)MOVX@DPTR，A；完成D/A轉換輸出54第54頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五3、直通工作方式當DAC0832芯片的片選信號、寫信號、及傳送控制信號的引腳全部接地，允許輸入鎖存信號ILE引腳接＋5V時，DAC0832芯片就處于直通工作方式，數字量一旦輸入，就直接進入DAC寄存器，進行D/A轉換。55第55頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五在一個時鐘頻率為12MHZ的8031系統中接一片DAC0832，它的地址為7FFFH，輸出電壓為0~5V。畫出有關電路圖，并編寫產生鋸齒波，高電平為2V，低電平為0V的轉換程序。56第56頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五解：輸出電壓為0~5V，對應數字量為00H~66H；每次數據量增值為3，共102/3=34次循環，34*5us=170usSTART：MOVDPTR，#7FFFHLOOP1：MOVA，#00HLOOP2：MOVX@DPTR，A ADDA，#03H CJNEA，#66H，LOOP2；未到2V，繼續增值轉換輸出SJMPLOOP1；到2V，從00H開始轉換輸出 57第57頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五DAC120858第58頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五59第59頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2.4數據采集系統2.4.1數據采集系統的組成

智能儀器的數據采集系統簡稱DAS（DataAcquisitionSystem），是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進行采集、量化轉換成數字量后，以便由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的裝置。60第60頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五工作過程①數據采集②數據處理③處理結果的復現與保存61第61頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五傳感器微型計算機數據采集系統放大器采樣/保持器傳感器傳感器傳感器…A/D轉換器計算機顯示器打印機繪圖機定時與邏輯控制傳感器傳感器接口被測物理量數字信號開關信號…多路開關62第62頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五系統組成①傳感器—將非電量轉換為電信號。②多路開關—分時切換各路模擬量與采樣／保持器的通路。③程控放大器—對模擬信號進行放大。④采樣/保持器—保持模擬信號電壓。⑤A/D轉換器—將模擬信號轉換為數字信號。⑥接口電路—將數字信號進行整形電平調整。63第63頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2.4.2模擬多路開關及接口作用：將多路被測信號分別傳送到A/D轉換器進行轉換。機電式：電子式：類型用于大電流、低速切換用于小電流、高速切換64第64頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五CD4501

CD4501為8通道單刀結構形式，它允許雙向使用，即可用于多到一的切換輸出，也可用于一到多的輸出切換。65第65頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五CD4501真值表

C

B

A

接通通道

000000001

00001111×

00110011×

01010101×

S0S1S2S3S4S5S6S7