微机原理课件-第8章.ppt

Ch.8 模拟量的输入输出 模拟量I/O接口的作用： 实际工业生产环境——连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部——离散的数字量 二进制数、十进制数 工业生产过程的闭环控制 8.1 模拟量I/O通道的组成 模拟量输入通道 传感器（Transducer） 非电量→电压、电流 变送器（Transformer） 转换成标准的电信号 信号处理（Signal Processing） 放大、整形、滤波 多路转换开关（Multiplexer） 多选一 采样保持电路（Sample Holder，S/H） 保证变换时信号恒定不变 A/D变换器（A/D Converter） 模拟量转换为数字量 模拟量输出通道 D/A变换器（D/A Converter） 数字量转换为模拟量 低通滤波 平滑输出波形 放大驱动 提供足够的驱动电压，电流 8.3 模/数（A/D）转换器 用途 将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。 常用于数据采集系统或数字化声音。 A/D转换的四个步骤 采样→保持→量化→编码 采样/保持：由采样保持电路（S/H）完成 量化/编码：由ADC电路完成（ADC：AD变换器） 1) 采样和保持 采样 将一个时间上连续变化的模拟量转为时间上断续变化的（离散的）模拟量。 或：把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个脉冲串，脉冲的幅度取决于输入模拟量。 保持 将采样得到的模拟量值保持下来，使之等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值。 目的： A/D转换期间保持采样值恒定不变。 对于慢速变化的信号，可省略采样保持电路 采样保持电路（S/H） 由MOS管采样开关T、保持电容Ch和运放构成的跟随器三部分组成。 采样保持电路的波形 采样周期的确定 采样通常采用等时间间隔采样。 采样频率fs不能低于2fimax（fimax为输入信号Vin的最高次谐波分量的频率）； fs的上限受计算机的速度、存储容量、器件速度的限制。 实际中一般取fs为fimax的4-5倍。 2) 量化和编码 量化就是用基本的量化电平的个数来表示采样到模拟电压值。即把时间上离散而数值上连续的模拟量以一定的准确度变换为时间上、数值上都离散的具有标准量化级的等效数字值。（量化电平的大小取决于A/D变换器的字长） 只有当电压值正好等于量化电平的整数倍时，量化后才是准确值，否则量化后的结果都只能是输入模似量的近似值。这种由于量化而产生的误差叫做量化误差。量化误差是由于量化电平的有限性造成的，所以它是原理性误差，只能减小，而无法消除。为减小量化误差，根本的办法是减小量化电平（即增加字长）。 编码是把已经量化的模拟数值(它一定是量化电平的整数倍)用二进制码、BCD码或其它码来表示。 A/D转换器的分类 根据A/D转换原理和特点的不同，可把ADC分成两大类：直接ADC和间接ADC。 直接ADC是将模拟电压直接转换成数字量，常用的有： 逐次逼近式ADC、计数式ADC、并行转换式ADC等。 间接ADC是将模拟电压先转换成中间量，如脉冲周期T、脉冲频率f、脉冲宽度τ等，再将中间量变成数字量。常见的有： 单积分式ADC、双积分式ADC，V/F转换式ADC等。 各种ADC的优缺点 计数式ADC：最简单，但转换速度最慢。 并行转换式ADC：速度最快，但成本最高。 逐次逼近式ADC：转换速度和精度都比较高，且比较简单，价格低，所以在微型机应用系统中最常用。 双积分式ADC：转换精度高，抗干扰能力强，但转换速度慢，一般应用在精度高而速度不高的场合，如测量仪表。 V/F转换式ADC：在转换线性度、精度、抗干扰能力等方面有独特的优点，且接口简单、占用计算机资源少，缺点也是转换速度慢。在一些输出信号动态范围较大或传输距离较远的低速过程的模拟输入通道中应用较为广泛。 8.3.1 工作原理及技术指标 逐次逼近型A/D转换器 结构：由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成。见P360(340)页图。 工作原理 类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。 例如： 用8个砝码20g，21g，…，27g，可以称出1～255g之 间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为176g）。 主要技术指标 精度 量化间隔(分辨率) = Vmax/电平数(即满量程值) 例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为 5V/255=19.6mV 量化误差: 用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高) 绝对量化误差 = 量化间隔/2 = (满量程电压/(2n-1))/2 相对量化误差 = 1/2 * 1/量化电平数目 * 100% 例：满