【正文】 ，根據(jù)公式（ 21）可知，只要 RG選擇不同的阻值，就可以得到不同的放大倍數(shù)，即就是增益值。 表 2 增益表 增益值 RG 1 兆歐姆 1 100 千歐姆 10 10 千歐姆 100 1 千歐姆 1000 100 歐姆 采樣 /保持電路 由于模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量有一個(gè)過程，這個(gè)動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)在轉(zhuǎn)換過程中是不確定的，從而引起轉(zhuǎn)換器輸出的不確定性誤差，直接影響轉(zhuǎn)換精度。如果通過多路開關(guān)將各通道的信號(hào)按時(shí)序分別直接送入 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換（共享一個(gè) A/D），所得到的值就不是同一瞬時(shí)值，無法進(jìn)行比較、判斷與計(jì)算。能完成上述任務(wù)的器件叫采樣 /保持電路，簡(jiǎn)稱采 /保器（ S/H）。最基本的采 樣 /保持 電路由模擬開關(guān)、保持電容和緩沖放 大器組成，如圖 4 所示圖中 S 為模擬開關(guān)， UC模擬開關(guān) S 的控制信號(hào)， CH為保持電容。當(dāng)控制信號(hào) UC為保持電平時(shí)，開關(guān) S 斷開，此時(shí)輸出電壓 Uo 保持模擬開關(guān) S 斷開時(shí)的瞬時(shí)值。 采 樣 /保持 電路有兩種工作狀態(tài)，即 “采樣 ”和 “保持 ”狀態(tài)，在采樣狀態(tài)中，采 樣 /保持 電路的輸出跟隨模擬輸入電壓。此時(shí)采 樣 /保持 電路的輸出重新跟隨輸入模擬信號(hào)的變化，直到下一個(gè)保持命令發(fā)生時(shí)為止。由于孔徑時(shí)間的存在，采樣時(shí) 間被額外延遲了，在 tAp期間輸出仍跟隨輸入變化。它包括模擬開關(guān)的導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間和建立跟蹤的穩(wěn)定時(shí)間，顯然，采樣周期必須大于捕捉時(shí)間，才能保證采樣階段充分地采集到輸入的模擬信號(hào) UI。增大電容 CH可減少這種變化，但捕捉時(shí)間 tAC也隨之增大。采用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，選擇優(yōu)質(zhì)電容如緝、聚四氟乙烯電容作保持電容以及選用漏電流小的模擬開關(guān)等措施，可以減少保持電壓的變化。因?yàn)橛绊懖蓸?/保持器的誤 差源比較多，所以關(guān)鍵在于誤差的分析。所謂價(jià)格較低，是指采集時(shí)間為 4μs 時(shí)，采集誤差即 處于 輸入值到終值 %的誤差帶內(nèi)；采集時(shí)間為 5μs～ 25μs 時(shí)，則采集誤差為 %。保持電容的質(zhì)量直接關(guān)系到采樣 /保持器的精度 。 表 3 采樣 /保持器的誤差估算 誤差源 性 能 誤 差 采集誤差 額定采集時(shí)間相應(yīng)的誤差 % 增益誤差 增益誤差溫度系數(shù)為 15106/℃ ，溫度變化為 177。25℃ ，所以最大偏移溫漂誤差為3025=750（ μV）。且是溫度的函數(shù)。假設(shè)保持時(shí)間 10μs ， 則 電 壓 降 落 為10μV/μs1010μs=1mV，為滿量程值的% % 介質(zhì)吸收 一般估計(jì) % （孔徑抖動(dòng)未計(jì)算在內(nèi)） 總誤差（最壞情況） % 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 總靜態(tài)誤差（均方根值） % 常用的集成采樣 /保持器有 AD58 AD58 AD585 以及國家半導(dǎo)體公司的LF198/298/398 等。 AD582 是美國 Analog Devices 公司生產(chǎn)的通用型采樣保持器。它采用 14 腳雙列直插式封裝，其管腳及結(jié)構(gòu)示意圖如圖 6所示，其中腳 1 是同相輸入端，腳 9 是反相輸入端，保持電容 CH在腳 6 和腳 8 之間，腳 10 和腳 5 是正負(fù)電源，腳 11 和腳 12 是邏輯控制端，腳 3 和腳 4 接直流調(diào)零電位器，腳 2,7,13,14 為空腳 (NC)。 （ 1） 有較短的信號(hào)捕捉時(shí)間，最短達(dá)到 6μs。 （ 2） 有較高的采樣 /保持電流比，可達(dá)到 107。 （ 3） 在采樣和保持模式時(shí)有較高的輸入阻抗，約 30 兆歐姆 。U S，可適應(yīng)于 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 （ 6） 具有差動(dòng)的邏輯輸入端 +IN 和 IN，利用差動(dòng)的邏輯輸入端 +IN 和 IN，可以由任意的邏輯電平控制其開關(guān)。 （ 7） AD582 可與任何獨(dú)立的運(yùn)算放大器連接，以控制增益或頻率響應(yīng)，以及提供反相信號(hào)等。 KH ztf APn 12 1 91121m a x ?????? ??? ? (24) 由（ 24）式可見，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能對(duì)頻率不高于 的信號(hào)進(jìn)行采樣，使系統(tǒng)可采集的信號(hào)頻率提高了許多倍，大大改善了系統(tǒng)的采樣頻率。 但是由采樣定理可知，一個(gè)有限帶寬的模擬信號(hào)是湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 可以在某個(gè)采樣頻率下重新恢復(fù)而不喪失任何信號(hào)的，該采樣頻率至少應(yīng)為兩倍于最高信號(hào)頻率。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。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) )。當(dāng)精度要求不高 (177。當(dāng)精度要求較高 (177。 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。 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。 目前，常見的系統(tǒng) A/D 通道方案有以下幾種。 （ 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 。 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。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 。 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。 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。如表 4 所示。LSB/2 % 微分線性度誤差 177。 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。 AD574 是美國 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。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。15V(177。有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。 AD574 由模擬芯片和數(shù)字芯片混合組成。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。 （ 2） AD574 的引腳功能 CE：芯片允許工作控制端。 CS：片選線，低電平有效。 R/C：讀 /啟動(dòng) A/D 控制端。 12/8 ：數(shù)據(jù)格式選擇端。 AD574 采用左對(duì)齊數(shù)據(jù)方式。 12/8 不能用 TTL 電平控制，必須用 +5V或數(shù)字地控制。與 CPU 接口時(shí)，通常接至低位地址線。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 12/8 的狀態(tài)無關(guān)。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 但 12/8 =1（接口 +5V）時(shí)，則 A0的狀態(tài)不起作用。 STS：工作狀態(tài)指示。 10VIN： 10V量程輸入端。 REF IN、 REF OUT：參考電壓輸入、輸出端。 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。 AGND、 DGND：模擬地、數(shù)字地。 VCC：模擬電路正工作電源： +～ +。 +5V1R E FIN10ls b D B 016D B 117A N G N D9D B 218D B 319D B 420B P LR o f12D B 521D B 622D B 7231 0V s p n13D B 824D B 9252 0V s p n14D B 1 026m sb 1127R E Fo u t8S TA T U S28CE6CS3+ V s7A 0 /S C4R /C5V s111 2/82A D 5 74 A 圖 9 AD574 的 引腳 圖 表 6 AD574 的控制信號(hào)的作用 CE CS R/C 12/8 A0 AD574 的操作 0 禁止轉(zhuǎn)換，無操作 1 芯片接通，無操作 1 0 0 0 啟動(dòng) 1 次 12 位轉(zhuǎn)換 1 0 0 1 啟動(dòng) 1 次 8 位轉(zhuǎn)換 1 0 1 高電平（接 +5V） 允許 12 位并行輸出 1 0 1 低電平（接 0V） 0 允許高 8 位輸出 1 0 1 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)。 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。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。 W1和 W2均為 100 歐姆電位器，用來調(diào)整零位和滿量程。 AD574 與單片機(jī)的接口電路如圖 11 所示。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。 AD574 的狀態(tài)信號(hào)STS 與 AT89S51 的 ，采用查詢判斷 A/D 轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。 AT89S51 的 器 74LS373 和非門接 AD574 的 A0。 AD574 片選端 CS 端由譯碼器 74LS138 的譯碼信號(hào)來控制。 設(shè) A/D 全 12 位轉(zhuǎn)換，要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)， A0=0，即 =0； R/C=0，即 =0。因?yàn)?12/8 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。兩次讀出結(jié)果的端口地址分別為 0FBH 和 0FAH。 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。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。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]。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。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。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)。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)。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。 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。 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)）。 （ 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。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。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。 （ 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)。ε，通常 ε=1/2LSB）所經(jīng)歷的時(shí)間。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。按數(shù)據(jù)輸入方式有并行、串行之 分。位之分，字長(zhǎng)不同，微分階梯粗細(xì)不同。盡管如此，但轉(zhuǎn)換原理基本上是一致的?？梢灾苯优c AT89S51 單片機(jī)連接?？梢赃M(jìn)行兩級(jí)緩沖操作，具有很 大的靈活性，可以采用流水線方式，一邊輸入數(shù)據(jù)一邊轉(zhuǎn)換上一次輸入的數(shù)據(jù)。 (1) 基本特性 分辨率： 8 位。 功耗： 20mV。 數(shù)字輸入與 TTL 兼容。 (2) 結(jié)構(gòu) DAC0832 是采用 CMOS 工藝，具有 20 個(gè)引腳的雙列直插式 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，其引腳如圖 13 所示。因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器， DAC0832 可以工作在雙緩沖方式下，即在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)可以采集一個(gè)數(shù)字量，這樣可以有效地提高轉(zhuǎn)換速率。 DAC0832 既可以工作在雙緩沖方式，也可以工作在單緩