【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 喪失任何信號(hào)的，該采樣頻率至少應(yīng)為兩倍于最高信號(hào)頻率。這意味著帶采樣/保持器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須在速率至少為兩倍的信號(hào)頻率下采樣、轉(zhuǎn)換，并采集下一個(gè)點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可處理的最高輸入信號(hào)頻率應(yīng)為式25所示。 (25)AD582是反饋型采樣/保持器，保持電容接在運(yùn)算放大器A2的輸入端(腳8)與反相輸入端(腳6)之間。根據(jù)“密勒效應(yīng)”，這樣的接法相當(dāng)與在A2的輸入端接有點(diǎn)容C1H=(1+A2) CH (A2為運(yùn)算放大器A2的放大倍數(shù))。所以AD582外接較小的電容可獲得較高的采樣速率。當(dāng)精度要求不高(177。%)而速度要求較高時(shí)，可選CH=100PF，這樣的捕捉時(shí)間tAC6us。當(dāng)精度要求較高(177。%)時(shí)，為了減小饋送的影響和減緩保持電壓的下降，應(yīng)取CH=1000PF。因此，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)根據(jù)對(duì)采集精度的要求可以配置不同的CH的，圖6為AD582的連接圖。圖6 AD582的連接圖 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)采集對(duì)象的性質(zhì)來選擇其類型。1. 系統(tǒng)A/D通道方案的確定 在數(shù)據(jù)采集中，要采集多個(gè)模擬信號(hào)，而且采集要求不盡相同。因此，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入通道方案多種多樣，應(yīng)該根據(jù)被測(cè)對(duì)象的具體情況確定[6]。目前，常見的系統(tǒng)A/D通道方案有以下幾種。（1）不帶采樣/保持器的A/D通道對(duì)于直流或低頻信號(hào)，通?？梢圆挥貌蓸?保持器，直接用A/D轉(zhuǎn)換器采樣。（2）帶采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換通道當(dāng)模擬輸入信號(hào)電壓最大變化率較大時(shí)，A/D通道需要使用采樣/保持器。帶采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換通道分為：多路模擬通道共享采樣/保持器的通道、多通道共享A/D轉(zhuǎn)換器的通道、多通道并行A/D轉(zhuǎn)換的通道。多路模擬通道共享采樣/保持器的通道是采用分時(shí)轉(zhuǎn)換工作方式。模擬開關(guān)在單片機(jī)控制下，分時(shí)選通各個(gè)通道信號(hào)，然后把信號(hào)送采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理。由于各路信號(hào)的幅值可能有很大的差異，常在系統(tǒng)中放置放大器，使加到A/D輸入端的模擬電壓幅值處于FSR/2~FSR范圍，以便充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的滿程分辨率。多通道共享采樣/保持器與A/D轉(zhuǎn)換器的典型電路原理圖如圖7所示。根據(jù)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)被采集信號(hào)的數(shù)量、特性（類型、帶寬、動(dòng)態(tài)范圍等）、精度和轉(zhuǎn)換速度的要求、各路模擬信號(hào)之間相位差的要求和工作環(huán)境要求等實(shí)際情況，使之既在系統(tǒng)性能上達(dá)到或超過預(yù)期的指標(biāo)，又造價(jià)低廉。所以本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用多路模擬通道共享采樣/保持器的方案。模擬多路開關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)控 制 邏 輯模擬輸入信號(hào)放大器采樣保持 圖7 多通道共享采樣/保持器與A/D轉(zhuǎn)換器圖如果在某一溫度調(diào)整轉(zhuǎn)換器的偏移和增益誤差為零，則溫度改變時(shí)，偏移和增益誤差就不再是零了。因此，要對(duì)各項(xiàng)誤差做出估算。如表4所示。表4 A/D轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)誤差誤差源性 能誤 差量化誤差177。LSB/2%微分線性度誤差177。LSB/2%微分線性度溫漂誤差[（2～5）106/℃] 25℃～%偏移溫漂誤差5106/℃25℃%增益溫漂誤差[（10～20）106/℃] 25℃%～%電源電壓誤差1%%長(zhǎng)周期變化一般估計(jì)%總誤差（最壞情況）～%總靜態(tài)誤差（均方根值）～%2. 逐次逼近型12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路選取逐次逼近型12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574，并用一片8位D鎖存器74LS373構(gòu)成系統(tǒng)控制寄存器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。地址譯碼器由一片74LS138（38 譯碼器）以及門電路組成。AD574是美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的一種快速12位逐次比較式A/D變換器，是單通道變換器。片內(nèi)具有三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器、電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘電路。溫度的調(diào)節(jié)范圍為20℃～40℃，十進(jìn)制分度為200，非線性誤差小于177。(1/2)LSB，一次轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，電源供電為177。15V(177。12V)和+5V；AD574具有轉(zhuǎn)換時(shí)間快，與單片機(jī)接口方便可直接采用雙極性模擬信號(hào)輸入等優(yōu)點(diǎn)。有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。（1）結(jié)構(gòu)與引腳 AD574的引腳圖如圖9所示。AD574由模擬芯片和數(shù)字芯片混合組成。模擬部分由高性能的12位A/D轉(zhuǎn)換器和參考電壓組成。數(shù)字部分由控制邏輯、逐次逼近寄存器和三態(tài)輸出緩沖器構(gòu)成，控制邏輯發(fā)出啟/停及復(fù)位信號(hào)，控制轉(zhuǎn)換過程。由于芯片內(nèi)部的比較輸入回路，接有可改變量程的電阻和雙極型輸入偏置電阻，因此，AD574的輸入模擬電壓量程范圍有0V~+10V，0V~+20V，5V~+5V，10V~+10V四種。（2）AD574的引腳功能CE：芯片允許工作控制端。CE=1時(shí)，允許；CE=0時(shí)，禁止。CS：片選線，低電平有效。CS與CE必須同時(shí)有效，AD574才能工作，否則AD574處于禁止?fàn)顟B(tài)。R/：讀/啟動(dòng)A/D控制端。R/=0時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；R/ =1時(shí)，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。12/：數(shù)據(jù)格式選擇端。當(dāng)12/=1時(shí)，12位數(shù)據(jù)一次讀出，主要用于16位微機(jī)系統(tǒng)；12/ =0時(shí)，可與8位單片機(jī)接口。AD574采用左對(duì)齊數(shù)據(jù)方式。12/與A0配合，使12位數(shù)據(jù)分兩次讀出，A0=0時(shí)，讀取高8位，A0=1時(shí)，讀取低4位（數(shù)據(jù)低半字節(jié)附加零）。12/不能用TTL電平控制，必須用+5V或數(shù)字地控制。A0：字選擇線。與CPU接口時(shí)，通常接至低位地址線。A0引腳有兩個(gè)作用，一是選擇字節(jié)長(zhǎng)度，二是與8位微機(jī)接口時(shí)用作選擇讀出字節(jié)。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)若A0=1，則AD574按8位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs；若A0=0，則按12位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，與12/的狀態(tài)無關(guān)。讀操作中，A0=0時(shí)，高位數(shù)有效；而A0=1時(shí)，則低4位數(shù)據(jù)有效。但12/=1（接口+5V）時(shí)，則A0的狀態(tài)不起作用。 以上5種信號(hào)的電平狀態(tài)與芯片的操作對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6所示。STS：工作狀態(tài)指示。STS=1時(shí)，轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；STS=0時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。10VIN：10V量程輸入端。20VIN：20V量程輸入端。REF IN、REF OUT：參考電壓輸入、輸出端。將REF OUT端通過100歐姆的精密電位器接至REF IN端即可進(jìn)行滿刻度校準(zhǔn)。DO11～DO0：12位數(shù)據(jù)線，三態(tài)輸出鎖存，可直接與CPU數(shù)據(jù)總線相連。BIP OFF：雙極性偏移調(diào)節(jié)端。AGND、DGND：模擬地、數(shù)字地。 VL：數(shù)字邏輯電路工作電源：+～+。VCC：模擬電路正工作電源：+～+。VEE：模擬電路負(fù)工作電源：～。 圖9 AD574的引腳圖表6 AD574的控制信號(hào)的作用CECSR/12/A0AD574的操作0禁止轉(zhuǎn)換，無操作1芯片接通，無操作1000啟動(dòng)1次12位轉(zhuǎn)換1001啟動(dòng)1次8位轉(zhuǎn)換101高電平（接+5V）允許12位并行輸出101低電平（接0V）0允許高8位輸出101低電平（接0V）1允許低4位輸出（后加4個(gè)0）（3）AD574的單極性和雙極性工作方式 AD574有單極性和雙極性兩種工作方式，后允許模擬輸入信號(hào)為雙極性信號(hào)。單極性模擬輸入有兩種量程：0～10V量程從AD574的10VIN引腳13輸入；0～20V量程從AD574的20VIN引腳14輸入。 電位器W1接參考電壓輸出端BIP OFF端用作零位偏移調(diào)整，電位器W2接參考電壓輸入端REF IN和雙極性偏移調(diào)節(jié)端BPLRof端用作滿量程調(diào)整。圖10 AD574的工作方式雙極性模擬輸入有兩種量程：5V～+5V量程從13引腳輸入；10V～+10V量程從引腳14輸入。本系統(tǒng)中的AD574采用雙極性工作方式，連接方法如圖10所示。雙極性偏移調(diào)節(jié)端BPLRof通過電位器W2接至參考電壓輸出端REF OUT以取得10V的偏移電壓，參考電壓輸入端REF IN通過電位器W1接至參考電壓輸出端REF OUT。W1和W2均為100歐姆電位器，用來調(diào)整零位和滿量程。（4）AD574與單片機(jī)的接口電路 AD574的內(nèi)部具有三態(tài)輸出緩沖器，因此可以與單片機(jī)直接接口[7]。AD574與單片機(jī)的接口電路如圖11所示。該電路采用雙極性輸入方式，可對(duì)5V～+5v或10V～+10V模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。雙極性偏移調(diào)節(jié)端BIP OFF接至參考電壓輸出端REF OUT以取得10V的偏移電壓。均為100歐姆電位器，用來調(diào)整零位和滿量程。，采用查詢判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。AT89S51的控制線RD和WR通過與非門接AD574的CE端。AD574片選端CS端由譯碼器74LS138的譯碼信號(hào)來控制。AD574的12/8接數(shù)字地。設(shè)A/D全12位轉(zhuǎn)換，要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，A0=0，=0；R/C=0，=0。故可確定啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)的端口地址為0F9H。因?yàn)?2/8接地，所以A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果分兩次讀出，高8位從D11～D4讀出，低4位從D3～D0讀出。讀高8位結(jié)果時(shí)，要求A0=0，R/C=1；讀低4位結(jié)果時(shí)，要求A0=1，R/C=1。兩次讀出結(jié)果的端口地址分別為0FBH和0FAH。圖11 AD574與單片機(jī)的接口 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換部分也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，在數(shù)字控制系統(tǒng)中作為關(guān)鍵器件，用來把單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，并送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制或調(diào)解。除了新型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)外，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大都是用模擬電壓或電流作為傳輸信號(hào)的。模擬量輸出通道的作用就是把計(jì)算機(jī)處理得出的數(shù)字量結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào)，傳輸給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。輸出接口電路、DAC是模擬量輸出通道的基本部件。由于實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸時(shí)采用的是電流信號(hào)，而DAC通常輸出的是電壓故模擬量輸出通道一般具有電壓/電流（V/I）轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)[8]。此外，根據(jù)需要可能還要有零點(diǎn)和滿度調(diào)節(jié)部件。因數(shù)/模轉(zhuǎn)換器是模擬輸出通道的核心，所以通常也把模擬量輸出通道稱為D/A通道。1. D/A通道的結(jié)構(gòu)單片機(jī)周期地輸出控制數(shù)據(jù)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在下次數(shù)據(jù)輸出以前，必須將前一次輸出的數(shù)據(jù)保持。單個(gè)的D/A通道由數(shù)據(jù)鎖存器保持?jǐn)?shù)據(jù)，通道由輸出接口電路數(shù)據(jù)鎖存器、D/A轉(zhuǎn)換電路、V/I轉(zhuǎn)換電路等構(gòu)成。許多DAC芯片的輸入端都有數(shù)據(jù)鎖存器，這時(shí)不需另加鎖存器。對(duì)于多模擬量輸出通道，有兩種不同的輸出量保持方式，即有兩種不同的結(jié)構(gòu)。一種方式是采用數(shù)據(jù)鎖存器保持輸出量，每個(gè)輸出通道都有獨(dú)立的數(shù)據(jù)鎖存器（一般含在DA芯片內(nèi)）及D/A轉(zhuǎn)換器。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是速度快，精度高，工作可靠，不用多路開關(guān)。另一種方式是使用采樣保持器保持輸出量，各通道共享一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，通過多路開關(guān)進(jìn)行切換。由于各路共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度減慢，且輸出端靠保持電容模擬量信息，當(dāng)控制周期較長(zhǎng)時(shí)，需要軟件刷新。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約了芯片。 由于D/A通道的第一種方式的轉(zhuǎn)換速度快，精度高，工作可靠，不用多路開關(guān)又節(jié)約了芯片降低了系統(tǒng)的造價(jià)，所以本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用D/A通道的第一種方式。第一種方式如圖12所示。單片機(jī)輸出接口電路鎖存器1D/AV/ID/A鎖存器1V/I圖12 具有獨(dú)立DAC的多路模擬量輸出通道2. D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)（1）分辨率當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位變化數(shù)碼變化時(shí)，即LSB位產(chǎn)生一次變化時(shí)，所對(duì)應(yīng)輸出的是模擬量相對(duì)于滿量程的變化量，對(duì)于線性D/A轉(zhuǎn)換器來說，它等于1/2n（n為二進(jìn)制位數(shù)）。它對(duì)模擬量的分辨能力?與數(shù)字量的位數(shù)n呈下列關(guān)系： (26)在實(shí)際使用中，表示分辨率的高低更常用的方法是直接輸入數(shù)字量的位數(shù)表示，如8位、12位等。（2）絕對(duì)精度絕對(duì)精度是指在DAC的數(shù)字輸入端加入給定的數(shù)字代碼時(shí)，在輸出端實(shí)際測(cè)得的模擬輸出值與理論上應(yīng)有的模擬值之差。絕對(duì)精度可用LSB的個(gè)數(shù)或它與滿刻度值之比的百分?jǐn)?shù)（%）來表示。描述絕對(duì)精度的參數(shù)有不調(diào)整總誤差、零碼誤差、滿刻度誤差（或增益誤差）和非線性誤差等。（3）相對(duì)精度相對(duì)精度是指在零碼誤差和滿刻度誤差校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字代碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸出值與理論值之間的最大偏差。一般也用LSB的個(gè)數(shù)或它與滿刻度值之比的百分?jǐn)?shù)（%）來表示。（4）零碼誤差、滿刻度誤差的溫度系數(shù)在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)，每變化1℃，零碼誤差、滿刻度誤差的變化量用μV/℃表示。（5）建立時(shí)間ts建立時(shí)間ts是描述D/A轉(zhuǎn)換速率的重要參數(shù)。一般是指輸入數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到一定數(shù)值范圍內(nèi)（穩(wěn)定值177。ε，通常ε=1/2LSB）所經(jīng)歷的時(shí)間。3. 選用D/A芯片集成電路D/A轉(zhuǎn)換器是將精密電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、甚至包括基準(zhǔn)電源和運(yùn)算放大器集成在同一芯片上，而且和8位或16位微處理器兼容，可直接接口，或只需少量外圍電路即可構(gòu)成完整的D/A轉(zhuǎn)換器。這些集成電路芯片是由大規(guī)模集成電路技術(shù)（LSI）實(shí)現(xiàn)的，它們有TTL、CMOS等用不同的邏輯和工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，是典型的數(shù)字電路和模擬電路混合集成芯片。D/A有多種分類方法，各有不同特點(diǎn)。按數(shù)據(jù)輸入方式有并行、串行之分。按字長(zhǎng)區(qū)分，則有1位之分，字長(zhǎng)不同，微分階梯粗細(xì)不同。按模擬開關(guān)工藝分類有雙極型、JFET型和MOS型，它們的速度和精度不同；按結(jié)構(gòu)有帶或不帶數(shù)據(jù)鎖存器之分；按輸出形式有電壓型和電流型之分；等等。盡管如此，但轉(zhuǎn)換原理基本上是一致的。DAC0832是常用的8位COMS電流輸出型乘法D/A轉(zhuǎn)換器，由于采用COMS電流開關(guān)和控制電路，