第6章 数模与模数转换及其接口

1、第第6章章 模模/数与数数与数/模转换及其接口模转换及其接口6.1 模拟量的输入与输出通道模拟量的输入与输出通道6.2 数数/模（模（D/A）转换器）转换器6.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器 模拟量的输入模拟量的输入-为了实现对工业生产过程的计算机监测为了实现对工业生产过程的计算机监测和控制，必须将模拟量转换为计算机可以处理的数字量，和控制，必须将模拟量转换为计算机可以处理的数字量，这就是模拟量的输入。这就是模拟量的输入。模拟量的输出模拟量的输出-为了实现控制或自动调节，必须将数为了实现控制或自动调节，必须将数字量转换为模拟量去驱动执行机构，这就是模拟量的字量转换为模拟量去驱动执行机

2、构，这就是模拟量的输出。输出。模拟量的输入模拟量的输入/输出输出是微型计算机与控制对象之间的一是微型计算机与控制对象之间的一种重要接口。种重要接口。6.1 模拟量的输入与输出通道模拟量的输入与输出通道图图6.1模拟量的输入与输出通道结构框图模拟量的输入与输出通道结构框图模拟量输入模拟量输入/输出通道输出通道模拟量输入通道模拟量输入通道构成构成-一般是由传感器、变送器、信号调理、一般是由传感器、变送器、信号调理、采样保持和采样保持和A/D转换等组成。转换等组成。模拟量（模拟量（analog）输出通道）输出通道构成构成-一般是由一般是由D/A转换、锁存器和前置放大转换、锁存器和前置放大等组成等组成

3、;6.2.1 D/A转换原理转换原理6.2 数数/模（模（D/A）转换器）转换器图图6.2 8位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器转换器V+RF(R/2)27RLSBMSB0101I0V-+AvoS0S1S2S3S4S5S6S7ivREFI1I2I3I4I5I6I7d0d1d2d3d4d5d6d726R25R24R23R22R21R20R1. 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器0072REFVIdR70OFFkkVR iRI 82OREFDVV 10222nkREFOkREFnnkVDVdV 1162REFVIdR7702REFVIdR1,8,0,1,12REFkkn kVIdnknR 2

4、FRR 2. T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器图图6.3 R-2R T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器d0d1d2d3d4d5d6d7RRRRRRRR2R2R2R2R2R2R2R2R2RLSBMSBI/21I/22I/23I/24I/25I/26I/27I/28I/21I/22I/23I/24I/25I/26I/27I/28I0101V-V+-+AvoS0S1S2S3S4S5S6S7ivREF0008822REFVIIddR70OkkVR iRI 82OREFDVV 1117722REFVIIddR7777722REFVIIddR,8,0,1,12REFkkn kVIdnknR1

5、022nkREFOknkVVR id 通常用数字量的位数来通常用数字量的位数来表示，如表示，如8位、位、10位、位、12位、位、16位、位、20位等。也可以用位等。也可以用DA转换器能分转换器能分辨出来的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示，即辨出来的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示，即1/(2n-1)。6.2.2 D/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标绝对精度：指绝对精度：指D/A转换器实际输出电压与理论转换器实际输出电压与理论 值之间的误差。值之间的误差。由由DA转换器的增益误差、零点误差、非线性误差和噪声等造转换器的增益误差、零点误差、非线性误差和噪声等造成。成。相对精度

6、：指在满量程校准后实际输出特征曲线之间的最大相对精度：指在满量程校准后实际输出特征曲线之间的最大偏差，一般用该偏差与满量程值的百分比表示。偏差，一般用该偏差与满量程值的百分比表示。(LSB)ILE当当LE=1 时时, ,输出数输出数 据随输入变化据随输入变化( (直通直通) )。DQDQ 当当LE=0 时时, ,输出数输出数据被锁存。据被锁存。LE1& 1 1DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0DQDQ寄寄存存器器8位位DAC转转换换器器8位位D/A寄寄存存器器8位位入入输输(MSB)LE2WR2WR1CSXFERVREFIOUT2IOUT1VccRfbRfbAGNDDGND8位位

7、D/A转换器转换器DAC0832芯片芯片6.2.3 典型典型 D/A转换器芯片转换器芯片图图6.6 DAC0832的内部结构的内部结构（3）DAC0832的数字输入的数字输入 双缓冲输入方式双缓冲输入方式 单缓冲输入方式单缓冲输入方式 直通输入方式直通输入方式u两个寄存器都处于受控（缓冲）状态两个寄存器都处于受控（缓冲）状态u能够对一个数据进行能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据转换的同时；输入另一个数据LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout11） 双缓冲输入方式双缓冲输入方式ILE固定接高电平，固定接高电平，WR1

8、、WR2与总线信号与总线信号IOW相连，相连，CS为输入寄存器的地址译码信号，为输入寄存器的地址译码信号，XFER为为DAC寄存器的地址译码信号。寄存器的地址译码信号。RfbIout2Iout1+_ADI0 DI7VoutD0 D7DAC0832ILE+5V输入寄存器输入寄存器端口地址端口地址DAC寄存器寄存器端口地址端口地址C S1W R2W RIO WX F E R图图6-7a）双缓冲输入方式）双缓冲输入方式uLE11，或者，或者LE21u两个寄存器之一始终处于直通状态两个寄存器之一始终处于直通状态u另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC

9、0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout12）单缓冲输入方式）单缓冲输入方式一般是一般是DAC寄存器处于直通状态，寄存器处于直通状态， 即把即把WR2和和XFER都数字接地。都数字接地。此时数据只要写入此时数据只要写入DAC芯片立刻进行数模转换。芯片立刻进行数模转换。图图6-7b）单缓冲输入方式）单缓冲输入方式RfbDI0 DI7Iout2Iout1+_AVoutD0 D7DAC0832ILE+5V输入寄存器输入寄存器端口地址端口地址1W R2W RIO WX F E RC SuLE1LE21u输入的数字数据直接进入输入的数字数据直接进入D/A转换器

10、转换器LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout13）直通输入方式）直通输入方式CS、WR1、WR2、XFER引脚都直接接数字地，引脚都直接接数字地，ILE引脚为高电平时，芯片处于直通状态。引脚为高电平时，芯片处于直通状态。此时此时8位数字量一旦到达位数字量一旦到达DI7 DI0输入端，就立输入端，就立即进行即进行D/A转换而输出。转换而输出。RfbIout2Iout1+_ADI0 DI7VoutD0 D7DAC0832ILE+5V1W R2W RX F E RC S（4）DAC0832的模拟输出的模拟输出 单极性输出单极性输出 双极

11、性输出双极性输出n单极性输出单极性输出VoutIout1Rfb （D/28）VREF RfbIout2Iout1+_ADI0 DI7VoutVREFD0 D7DAC0832RfbVREF显然，显然，VOUT和和 D 成正比关系，成正比关系，输入数字量输入数字量 D 为为 00H 时，时，VOUT也为也为 0 ；输入数字量输入数字量 D 为为FFH即即255时，时，VOUT 为与为与 VREF 极极性相反的最大值。性相反的最大值。图图6-8b 单极性输出单极性输出单极性电压输出举例单极性电压输出举例设 VREF5VvDFFH255时，最大输出电压：Vmax（255/256）5V4.98VvD00

12、H时，最小输出电压：Vmin（0/256）5V0VvD01H时，一个最低有效位（LSB）电压：VLSB（1/256）5V0.02VVout（D/2n）VREFn双极性输出双极性输出I1I2I1I20VoutRfbIout2Iout1+_A1DI0 DI7Vout1VREFD0 D7DAC0832Rfb+_A2R2R2RVREF122OUTREFVVIRR12OUTVIR12()2OUTREFOUTVVVRRR 81(/ 2 )OUTREFVDV 77(2 )/ 2OUTREFVDV图图6-9 双极性输出双极性输出n双极性电压输出举例双极性电压输出举例设 VREF5VvDFFH255时，最大输出

13、电压：Vmax（255128）/1285V4.96VvD00H时，最小输出电压：Vmin（0128）/1285V5VvD81H129时，一个最低有效位电压：VLSB（129128/1285V0.04VVout（D27）/27）VREF2. DAC1210AGNDDGND(LSB)DQDQ 当当LE=1时时, ,输出数输出数据随输入变化据随输入变化( (直通直通) )。当当LE=0 时时, ,输出数输出数据被锁存。据被锁存。& 1 1DI11DI10DI9DI8DI7DI2DI1DI0DQDQ寄寄存存器器12位位DAC转转换换器器12位位D/A锁锁存存器器8位位入入输输(MSB)CSVREFIO

14、UT2IOUT1VccRfbRfbWR1WR2XFERDDQQ锁存锁存器器4位位输入输入DI3DI6DI5DI4MSBLSBB1/B2LELELE图图6-10 DAC1210内部结构内部结构1. 不带输入寄存器不带输入寄存器D/A转换器的使用转换器的使用RfbIout2Iout1+_ADI0 DI7VoutD0 D7DAC0832ILE+5V74LS374CLKOCD0D7Q0Q7 1译码译码电路电路IOWAENA0 A15D0 D7WR1WR2XFERCS6.2.4 D/A转换器与总线的连接转换器与总线的连接图图6-11 不带输入寄存器不带输入寄存器D/A转换器的连接转换器的连接2. 带输入

15、寄存器带输入寄存器D/A转换器的使用转换器的使用RfbIout2Iout1+_ADI0 DI7Vout1DAC0832ILE+5V译译码码器器IOWAENA0 A15D0 D7WR1WR2XFERCSRfbIout2Iout1+_ADI0 DI7Vout2DAC0832ILEWR1WR2XFERCSXFERCS1CS2（1）（2）图图6-12 带输入寄存器带输入寄存器D/A转换器的连接转换器的连接模拟输出模拟输出12位位DAC第第2级级12位锁存控制位锁存控制第第1级低级低8位锁存控制位锁存控制第第1级高级高4位锁存控制位锁存控制D0D74位位锁存器锁存器4位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器8

16、位位锁存器锁存器由同一个信号控制由同一个信号控制关键的关键的2级锁存级锁存无需输出数据无需输出数据两级锁存接口电路两级锁存接口电路MOV DX，PORT1_LMOV AL，BLOUT DX，ALMOV DX，PORT1_HMOV AL，BHOUT DX，ALMOV DX，PORT2OUT DX，AL3. D/A转换器芯片位数超过数据总线宽度转换器芯片位数超过数据总线宽度模拟输出模拟输出12位位DAC第第2级级12位锁存控制位锁存控制第第1级低级低8位锁存控制位锁存控制D0D74位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器8位位锁存器锁存器由同一个信号控制由同一个信号控制关键的关键的2级锁存级锁存需要输出

17、高需要输出高4位数据位数据MOV DX，PORT1_LMOV AL，BLOUT DX，ALMOV DX，PORT2MOV AL，BHOUT DX，AL简化的两级锁存电路简化的两级锁存电路【例【例6-26-2】DAC0832与总线的连接如图与总线的连接如图6-14a所示，设其输入寄所示，设其输入寄存器的地址为存器的地址为INR_PORT，DAC寄存器的地址为寄存器的地址为DACR_PORT，通过，通过DAC0832输出如图输出如图6-14b所示的三角波，所示的三角波，试完成相应的程序设计。试完成相应的程序设计。RfbIout2Iout1+_ADI0 DI7VoutD0 D7DAC0832ILE+

18、5VINR_PORTDACR_PORTC S1W R2W RIO WX F E Rt000t0102FCFDFEFF000102vFEFDFC4. D/A转换的应用转换的应用图图6-14 DAC0832输出三角波输出三角波START: MOV AL，0UP: MOV DX，INR_PORT OUT DX，AL MOV DX，DACR_PORT OUT DX，AL CALL DELAY ； 延时延时 INC AL ； 恢复恢复AL为为FFH JNZ UP DEC ALDOWN: DEC AL MOV DX，INR_PORT OUT DX，AL ； MOV DX，DACR_PORT OUT DX，

19、AL CALL DELAY ； 延时延时 JNZ DOWN INC AL JMP UP ； 下一个三角波下一个三角波START: MOV AL，0UP: MOV DX，INR_PORT OUT DX，AL MOV DX，DACR_PORT OUT DX，AL CALL DELAY ； 延时延时 INC AL JMP UP正向锯齿波正向锯齿波t000t0102FCFDFEFFv000102FCFDFEFF00HFFHSTART: MOV AL，0FFHDOWN: MOV DX，INR_PORT OUT DX，AL MOV DX，DACR_PORT OUT DX，AL CALL DELAY ； 延

20、时延时 DEC AL JMP DOWN反向锯齿波反向锯齿波t0tFF000102vFEFDFCFF000102FEFDFC00HFFH6.3.1 A/D转换原理转换原理6.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器1. 采样、保持、量化和编码采样、保持、量化和编码2. 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器 1viQQD153VREFVREF155VREF157VREF159VREF1511VREF1513VREF15VREFRRRRRRRR/2QQDQQDQQDQQDQQDQQD 1 1 1 1 1FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF111(22)d2d1d0电压比较器电压比较器MSBLS

21、B(21)(20)寄存器寄存器编码器编码器CPC7C6C5C4C3C2C1图图6.18 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器速度快成本高直接比较法24164227654321dQdQQ QdQQ QQ QQ Q逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器 原理框图原理框图3. 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器构成：构成：比较器比较器C、D/A转换器转换器、逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器、时钟脉冲源时钟脉冲源和和控制逻辑控制逻辑等组成部分。等组成部分。缓冲寄存器缓冲寄存器控制逻辑控制逻辑逐逐次次逼逼近近寄寄存存器器8 8位位 D/AD/A转换器转换器比较器比较器CLK启动信号启动信号转换结

22、束转换结束v vc cD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0C C时钟脉冲源时钟脉冲源v vi i模拟输入模拟输入从最高位开始从最高位开始的逐位试探法的逐位试探法4. 双积分型双积分型A/D转换器转换器图图6.20 双积分型双积分型A/D转换器转换器C控制逻辑控制逻辑RMSBLSBAAviS1-VREF计计数数器器时钟脉冲源时钟脉冲源数字量输出数字量输出转换控制转换控制比较器比较器模拟输入模拟输入积分器积分器vovGS0S13. 双积分式双积分式两个积分阶段两个积分阶段实质是电压实质是电压/时间变换时间变换IREFIinVinVREF积分器积分器比较器比较器V/IV/I时钟时钟启动计数

23、启动计数计数器计数器数字输出数字输出T2T1Vc固定斜率固定斜率时间可变时间可变固定时间固定时间斜率可变斜率可变转换结束转换结束6.3.2 A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 6.3.3 典型典型 A/D转换器芯片转换器芯片v1. ADC0809 ADC0809 是逐次比进行是逐次比进行A/D转换芯片，内部转换芯片，内部有有8路模拟开关可输入八个模拟量，三态输出路模拟开关可输入八个模拟量，三态输出缓冲器，可直接与缓冲器，可直接与CPU总线接口。总线接口。ADC0809ADC0809采用单一的十采用单一的十5V5V电源供电，外接工作时钟为电源供电，外接工作时钟为500kHz500kH

24、z时，转换时间时，转换时间大约为大约为128ms128ms，工作时钟为，工作时钟为640kHz640kHz时，转换时间大约为时，转换时间大约为100ms100ms。允许模拟输。允许模拟输入为单极性，无需零点和满刻度调节，内部有入为单极性，无需零点和满刻度调节，内部有8 8个锁存器控制的模拟开关，个锁存器控制的模拟开关，可以通过编程选择可以通过编程选择8 8个通道中的任一个。个通道中的任一个。ADC0809ADC0809的逻辑结构所示，其内部由的逻辑结构所示，其内部由256R256R电阻分压器、树状模拟开关（这电阻分压器、树状模拟开关（这两部分组成一个两部分组成一个D/AD/A变换器）、电压比较

25、器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和变换器）、电压比较器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。其基本工作原理是采用对分搜索方法逐次比较，找出最逼定时电路组成。其基本工作原理是采用对分搜索方法逐次比较，找出最逼近于输入模拟量的数字量。电阻分压器需外接正负基准电源近于输入模拟量的数字量。电阻分压器需外接正负基准电源VREFVREF（+ +）和）和VREFVREF（）。（）。 CLOCKCLOCK端外接时钟信号，端外接时钟信号，A/DA/D转换器的启动由转换器的启动由STARTSTART信号控制，信号控制，转换结束时控制电路将数字量送入三态输出锁存器锁存，并产生转换结束转换结束时控制电路将数字量送入三

26、态输出锁存器锁存，并产生转换结束信号信号EOCEOC。控制与时序控制与时序逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SAR电阻网络电阻网络电压比较器电压比较器树状开关树状开关ADD AADD AADD BADD BADD CADD C地址锁存有效ALE8 8路路模拟模拟开关开关STARTSTART三态三态输出输出锁存锁存缓冲器缓冲器GND转换结束转换结束EOCIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7D0D1D2D3D4D5D6D7VREF（+）8路模拟信号输入A8 8位位A/DA/D转换器转换器地址地址锁存锁存与译码与译码3 3位位地址码地址码输入输入VREF（-）VCC输出有效控制输出有效控制OE

27、( (LSBLSB) )8 8位位数据数据输出输出( (MSBMSB) )启动启动CLOCKCLOCK时钟时钟 ADC0809的内部结构的内部结构 ADC0809ADC0809的引脚功能的引脚功能ADC0809引脚如图所示。 1OECLOCKIN22345678910IN7REF(+)192021222324IN1111213141516171825262728ADC0808/0809STARTD1IN0ADDCALED7IN3D4D0IN4IN5IN6EOCD3VCCGNDD2REF(-)D5D6ADDBADDAADC0809引脚 ADC0809的转换时序的转换时序D0D7OEADDA/B/

28、CDATACLK=1/640kHz时，最大值：时，最大值：116 s2 s+8T(最大最大)200ns(最大最大)STARTEOC转换结束信号转换结束信号( )8( )( )2inREFREFREFVVNVV输入模拟电压输入模拟电压输出数字量输出数字量基准电压正极基准电压正极基准电压负极基准电压负极单极性转换示例单极性转换示例v基准电压VREF(+)5V，VREF()0Vv输入模拟电压Vin1.5VN （1.50）（50）25676.8774DH8)(REF)(REF)(REFin2VVVVN双极性转换示例双极性转换示例v基准电压VREF(+)5V，VREF()5Vv输入模拟电压Vin1.5V

29、N （1.55）（55）25689.6905AH8)(REF)(REF)(REFin2VVVVN6.3.3 典型典型 A/D转换器芯片转换器芯片v2. AD1674AD1674是美国是美国AD公司推出的公司推出的12位位逐次逼近型逐次逼近型A/D转换单转换单片集成电路。片集成电路。该芯片内部自带采样保持（该芯片内部自带采样保持（SHA）、）、10V基准电压源、基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出三态输出缓冲器。缓冲器。1. 模拟输入的连接模拟输入的连接2. 数据输出线与总线的连接数据输出线与总线的连接6.3.4 A/D转换器与总

30、线的连接转换器与总线的连接3. A/D转换的控制转换的控制 1地址地址译码译码CS数字输出数字输出IORIOW地址地址STARTOEADCEOC 1数据数据启动启动允许输出允许输出4. 转换结束与数据读取转换结束与数据读取 图图6-25 A/D转换器固定延时方式转换器固定延时方式INTR 1地址地址译码译码CS数字输出数字输出IORIOW地址地址STARTOEADCEOC 1数据数据启动启动允许输出允许输出4. 转换结束与数据读取转换结束与数据读取图图6-25 A/D转换器中断方式转换器中断方式 1地址地址译码译码数字输出数字输出IORIOW地址地址STARTOEADCEOC 1数据数据启动启动允许输出允许输出 1CS1CS21EN4. 转换结束与数据读取转换结束与数据读取图图6-25 A/D转换器查询方式转换器查询方式4. 转换结束与数据读取转换结束与数据读取CS+5V& 1地址译码地址译码OE数字输出数字输