第10章 数模转换与模数转换接口及其应用

1、 第十章第十章 D/A转换与转换与A/D转换转换 接口及其应用接口及其应用 l 概述lD/A转换器及其接口技术lA/D转换器及其接口技术一、概述一、概述 1、模拟量与数字量、模拟量与数字量l模拟量模拟量连续变化的物理量连续变化的物理量。例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量等。例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量等。例如：二进制数例如：二进制数00101110l数字量数字量时间和数值上都离散的量时间和数值上都离散的量。2、模拟量输入输出通道、模拟量输入输出通道控控制制对对象象温度温度流量流量传感传感器器传感传感器器多多路路开开关关采采样样保保持持器器A/D 转转换器换器数字量数字量微微机

2、机系系统统控制控制数字量数字量I/O接口接口锁锁存存器器D/A转换转换放大放大驱动驱动模拟量模拟量模拟电量模拟电量信号信号处理处理信号信号处理处理非电量非电量1、传感器（变送器）、传感器（变送器） 把外部的把外部的物理量物理量（例如：声音、温度、压力、流量（例如：声音、温度、压力、流量 等）转换成等）转换成电流或电压信号电流或电压信号。2、信号处理、信号处理 传感器输出的信号比较微弱，需要经过传感器输出的信号比较微弱，需要经过放大放大，获得，获得ADCADC 所要求的输入电平范围。所要求的输入电平范围。 安装在现场的安装在现场的传感器传感器及其及其传输线路传输线路容易受到容易受到干扰信号干扰信

3、号的的 影响，需要加接影响，需要加接滤波滤波电路，滤去干扰信号。电路，滤去干扰信号。3、多路开关（、多路开关（Multiplexer） 需要监测或控制的需要监测或控制的模拟量模拟量往往多于一个。可以使用多路往往多于一个。可以使用多路 模拟开关，轮流接通其中的一路，使多个模拟信号共用模拟开关，轮流接通其中的一路，使多个模拟信号共用 一个一个ADC进行进行A/D转换。转换。4、A/D转换器（转换器（Analog Digit Converter, ADC） 将模拟量转换成数字量，送计算机处理，它是输入通将模拟量转换成数字量，送计算机处理，它是输入通道的道的核心核心环节。环节。 AD转换器输入模拟信号

4、通常有以下几种电压范围：转换器输入模拟信号通常有以下几种电压范围： 单极性单极性05V、010V、020V; 双极性双极性2.5V、5V、10V等。等。5、采样、采样/保持器（保持器（Sample Holder） A/DA/D转换期间，转换期间，保持输入信号不变保持输入信号不变的电路称为采样的电路称为采样/ /保持电路。保持电路。 转换开始之前，采样转换开始之前，采样/ /保持电路保持电路采集采集输入信号（采样）；输入信号（采样）； 转换进行过程中，它向转换进行过程中，它向A/DA/D转换器转换器保持保持固定的输出（保持）。固定的输出（保持）。6、 D/A转换器（转换器（Digit Analo

5、g Converter, DAC） D/A转换器将成数字量转换成模拟量输出。转换器将成数字量转换成模拟量输出。 1）传感器的定义）传感器的定义 传感器传感器（Sensor/Transducer）是借助是借助检测元件检测元件接收一种接收一种形式的形式的信息信息，并按一定的规律将所获取的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换转换成成另另一种信息一种信息的装置。的装置。 目前，经传感器转换后的信号大多为目前，经传感器转换后的信号大多为电信号电信号。因而。因而从狭义上讲，从狭义上讲，传感器传感器是把外界输入的非电信号转换成电是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置信号的装置。物理量物理量电量电量传感器

6、传感器3、常用传感器、常用传感器2）传感器的构成）传感器的构成 传感器一般由传感器一般由敏感元件敏感元件、转换元件转换元件和和辅助元件辅助元件组成。组成。被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息 敏感元件敏感元件：直接感受被测量，并直接感受被测量，并输出输出与被测量成确定关系与被测量成确定关系 的某一物理量的元件。的某一物理量的元件。 转换元件转换元件：是指传感器中能将敏感元件的是指传感器中能将敏感元件的输出量输出量转换为转换为 适于传输和测量的适于传输和测量的电信号电信号部分。部分。 辅助元件辅助元件：信号调节和转换的元件信号调

7、节和转换的元件。 （1）温度传感器）温度传感器热电偶热电偶，利用金属的温差产生电动势；，利用金属的温差产生电动势； 热电阻热电阻，利用导体的电阻值随温度变化进行测温；，利用导体的电阻值随温度变化进行测温； 热敏电阻热敏电阻，利用半导体的电阻值随温度变化测温；，利用半导体的电阻值随温度变化测温； 两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等有路，当两个结点温度不等有温差温差时，回路里会产生热电势，时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为形成电流，这种现象称为热电效应热电效应。3）传感器的分类）传感器的分类（2）湿

8、度传感器湿度传感器 能感受气体中水蒸气的含量，把湿度的变化转换成电量能感受气体中水蒸气的含量，把湿度的变化转换成电量 变化的传感器。变化的传感器。l湿敏电阻湿敏电阻是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值电阻率和电阻值都发生变都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。化，利用这一特性即可测量湿度。 l湿敏电容湿敏电容一般是用高分子（聚苯乙烯、聚酰亚胺）薄膜电容制一般是用高分子（聚苯乙烯、聚酰亚胺）薄膜电容制成，当环境湿度改变时，湿敏电容的介电常数变化，使其成，当环境湿度

9、改变时，湿敏电容的介电常数变化，使其电容电容量量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比，利用这一特也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比，利用这一特性即可测量湿度。性即可测量湿度。 毛发湿度计毛发湿度计干湿球湿度计干湿球湿度计（3）气敏传感器气敏传感器 气敏传感器是把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化气敏传感器是把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号，来检测特定气体的传感器。量，再转换为电流、电压信号，来检测特定气体的传感器。 主要包括主要包括：半导体气敏传感器半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感接触燃烧式气敏传感器和器和电化学电化学气敏传感器气敏传感器

10、等。等。 主要应用主要应用：一氧化碳气体检测、瓦斯气体检测、煤气检测、氟利：一氧化碳气体检测、瓦斯气体检测、煤气检测、氟利昂检测、酒精检测等。昂检测、酒精检测等。 （4）压电式和压阻式传感器压电式和压阻式传感器 压电式传感器压电式传感器是利用某些物质的是利用某些物质的压电效应压电效应将被测量转将被测量转换为电量的一种传感器。换为电量的一种传感器。 某些物质如某些物质如石英石英，当受到外力时，不仅几何尺寸发生，当受到外力时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场电场；当外力消失时，材料又重新回复到原来状态，这种现象当外力消失时，材

11、料又重新回复到原来状态，这种现象称为称为压电效应压电效应。 半导体单晶硅、锗等材料半导体单晶硅、锗等材料，受到作用力时，它的，受到作用力时，它的电阻率（电电阻率（电阻）阻）会发生变化，这种效应称为会发生变化，这种效应称为压阻式效应压阻式效应，可做成，可做成压阻式压阻式传感器传感器。高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口（5）光纤传感器光纤传感器 利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、频率、波长）改变的传感器。相位、频率、波长）改变的传感器。 （6）光电码盘式传感器光电码盘式传感器 码盘式角度码盘式角度-数字传感器数字传感

12、器 码盘式传感器是建立在码盘式传感器是建立在编码器编码器的基础上的，它能够将的基础上的，它能够将角度角度转换为转换为数字编码数字编码，是一种数字式的传感器。，是一种数字式的传感器。码盘码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道同心码道，码道的条，码道的条数就是数码的位数，每位码道上都有按一定规律排列的透数就是数码的位数，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。光和不透光部分，即亮区和暗区。 由由光源光源1发出的光线，经发出的光线，经透镜透镜2变成一束平行光照射在变成一束平行光照射在码盘码盘3上，通过透上，通过透光部分的光线经光部分的光线经狭缝狭缝

13、4照射到照射到光电元件光电元件5上，光上，光电电元件的排列与码道一一元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光对应，对应于亮区和暗区的光电电元件输出的信号，前者为元件输出的信号，前者为“1”，后者为，后者为“0”。 当码盘旋转至不同位置时，光电元件输出信号的组合，反映出按当码盘旋转至不同位置时，光电元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。二、二、 D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术2.1 D/A转换器转换器 2.1.32.1.3 D/A D/A转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数2.1.22.1

14、.2 R-2R R-2R 倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器2.1.1 2.1.1 D/A D/A转换器的基本原理转换器的基本原理2.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理将输入的每一位二进制代码按其将输入的每一位二进制代码按其权权的大小，转换成相应的大小，转换成相应的的模拟量模拟量，然后将代表各位的，然后将代表各位的模拟量相加模拟量相加，所得的总模，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。量的转换。uo或 io输出D/Ad0d1dn1输入)2222(00112211oddddKunnnnu

15、解：当输入为解：当输入为00000001时：时： 因此，当输入数字量为因此，当输入数字量为00001001时：时： 即和输入数字量即和输入数字量00001001相对应的模拟输出电压为相对应的模拟输出电压为45mV。mVKuDKuuiiiO5270mVDKuuiiiO452121520370)(例例1、一个、一个8位位D/A转换电路，输入为转换电路，输入为00000001时，时，输出电压为输出电压为5mV，则输入数字量为，则输入数字量为00001001时，时，输出电压有多大？输出电压有多大？ D/A转换器的基本组成转换器的基本组成: 数数码码 寄寄存存器器 n n位位模模拟拟开开关关 解解码码

16、网网络络 求求和和 电电路路 基基准准电电压压 n n位位数数字字量量输输入入 模模拟拟量量 输输出出 存放数字量存放数字量的各位数码的各位数码由输入数字量控制由输入数字量控制产生权电流产生权电流将权电流相加产将权电流相加产生与输入成正比生与输入成正比的模拟电压的模拟电压根据输入的数字量的方式分，可分为：根据输入的数字量的方式分，可分为：串行串行DAC：串行输入方式的：串行输入方式的D/A转换器。转换器。并行并行DAC：并行输入方式的：并行输入方式的D/A转换器。转换器。S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URuo +RR2R2R2R2R2RIRABCD分别从虚

17、线分别从虚线A、B、C、D处向左看的二端网络处向左看的二端网络等效电阻都是等效电阻都是R。不论模拟开关接到运算放大器的不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端反相输入端（虚地）还是接（虚地）还是接到到地地，即不论输入数字信号是，即不论输入数字信号是1还是还是0，各支路的电流不变。，各支路的电流不变。从参考电压从参考电压UR处输入的电流处输入的电流IR为：为：RUIRR2.1.2 R-2R 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器参考电压参考电压模拟开关模拟开关S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URuo +RR2R2R2R2R2RIRABCDI3I2I1I0I

18、RUIIRUIIRUIIRUIIRRRRRRRR403122132161 281241 221各支路电流IR为：S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URuo +RR2R2R2R2R2RIRABCDI3I2I1I0I)(0011223343322110022222ddddRUdIdIdIdIIR)2222(2001122334oddddRRUIRuFRF256255REFV 256129REFV 256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位位D/A转换器的输入转换器的输入/输出关系输出关系0000000010000000111

19、11110000000011000000111111111模拟量模拟量 数字量数字量MSB LSB当当n=3时，时，DAC的输出与输入转换特性图，输出的输出与输入转换特性图，输出为阶梯波。为阶梯波。 ULSB1000001010 011 100234567BUmuO 或 iO101 110 11176543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(V)D（1）分辨率分辨率 分辨率分辨率是指是指D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。 最小输出电压最小输出电压就是对应于输入数字量最低位为就是对应于输入数字量最低位为1，

20、其余各位均，其余各位均为为0时的输出电压。时的输出电压。 最大输出电压最大输出电压就是对应于输入数字量全部为就是对应于输入数字量全部为1时的输出电压。时的输出电压。10位位D/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：001. 010231121102.1.3 D/A转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数分辨率分辨率可用输入二进制数的可用输入二进制数的有效位数有效位数n表示。表示。（2 2）转换精度转换精度 D/AD/A转换器的转换器的转换精度转换精度是指输出模拟电压的是指输出模拟电压的实际值实际值与与理理想值想值之差。之差。（3 3）输出建立时间输出建立时间 从输入数字量起，到输出电压或电流达

21、到稳定值所需要从输入数字量起，到输出电压或电流达到稳定值所需要的时间，称为的时间，称为输出建立时间输出建立时间。 2.2 并行并行8位位D/A转换芯片转换芯片AD558及其接口及其接口 1、 AD558的内部结构框图的内部结构框图AD558的输出的输出模拟电压范围模拟电压范围为为 02.56V分辨率分辨率= 2.56V/2562、AD558与与PC机的连接图机的连接图 FFHV00HTt用用AD588产生锯齿波模拟信号。产生锯齿波模拟信号。CODESEGMENTASSUME CS：CODESTART： MOV CX，256MOV AL，0LOOP1:OUT 30C，AL；输出AL内容CALL

22、DELAY；延时INC AL；AL内容加1LOOP LOOP1；循环256次JMP START；重新输出下一个锯齿波用用AD588产生锯齿波模拟信号程序：产生锯齿波模拟信号程序：3、串行8位D/A转换器TLC5620 l TLC5620是一个是一个4路串行路串行8位位电压输出型数模转换器电压输出型数模转换器（DAC），带有），带有缓冲参考电压缓冲参考电压输入（高阻抗）。输入（高阻抗）。DAC模模块输出电压范围为块输出电压范围为1或或2倍倍的参考电压，的参考电压，DAC是是单向单向的。这的。这个器件使用很简单，有一个个器件使用很简单，有一个5V的单电源的单电源供电。上电复位供电。上电复位功能可以

23、保证重启动条件。功能可以保证重启动条件。TLC5620内部功能框图：内部功能框图：第一级缓冲第一级缓冲 第二级缓冲第二级缓冲 参参考考电电压压输输入入端端 2 2倍电路倍电路 TLC5620引脚功能：引脚功能： 引脚引脚输入输入/输出输出描述描述名称名称序号序号CLK7I串行接口时钟。引脚出现下降沿时，将输入的数字量移入串行接口寄存器串行接口时钟。引脚出现下降沿时，将输入的数字量移入串行接口寄存器DACA12ODAC A模拟信号输出模拟信号输出DACB11ODAC B模拟信号输出模拟信号输出DACC10ODAC C模拟信号输出模拟信号输出DACD9ODAC D模拟信号输出模拟信号输出DATA6

24、I串行接口二进制输入端串行接口二进制输入端GND1I地回路及参考终端地回路及参考终端LDAC13I加载加载DAC。当引脚出现高电平时，即使有数字量被读入串行口也不会对。当引脚出现高电平时，即使有数字量被读入串行口也不会对DAC的输出进行更新。的输出进行更新。只有当引脚从高电平变为低电平时，只有当引脚从高电平变为低电平时，DAC输出才更新。输出才更新。LOAD8I串口加载控制。当串口加载控制。当LDAC是低电平，并且是低电平，并且LOAD引脚出现下降沿时，数字量被保引脚出现下降沿时，数字量被保存到锁存器，随后输出端产生模拟电压。存到锁存器，随后输出端产生模拟电压。REFA2I输入到输入到DAC

25、A的参考电压。这个电压的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围定义了输出模拟量的范围。REFB3I输入到输入到DAC B的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围。的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围。REFC4I输入到输入到DAC C的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围。的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围。REFD5I输入到输入到DAC D的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围。的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围。VDD14I正电源正电源TLC5620的工作原理：的工作原理：TLC5620TLC5620最基本的数据写入方式是最基本的数据写入方式是LDACLD

26、AC控制更新方式控制更新方式。分为三个步骤：分为三个步骤： 一、串行输入数据，当一、串行输入数据，当LOADLOAD为高为高时，在时，在CLKCLK的每一个的每一个下降沿，下降沿，数据通过数据通过DATADATA端端串行输入到移位寄存器中；串行输入到移位寄存器中； 二、当所有数据位均被写入后，二、当所有数据位均被写入后， LOADLOAD发送发送负脉冲负脉冲将数据从将数据从串行寄存器写入到第一级缓冲寄存器中；串行寄存器写入到第一级缓冲寄存器中； 三、三、LDACLDAC发送负脉冲，把数据送入第二级缓冲寄存器中，发送负脉冲，把数据送入第二级缓冲寄存器中，DACDAC输出电压被更新输出电压被更新。

27、数据写入方式数据写入方式 (LDAC更新更新DAC输出输出) 数据写入方式数据写入方式 (LOAD更新更新DAC输出输出) TLC5620TLC5620数据格式数据格式2位位DAC选择信号选择信号A1A0，1位范围信号位位范围信号位RNG，8位数据位，最高位数据位，最高位在前。位在前。各个输出电压由下式给出： 式中CODE范围是0到255， RNG（范围位）是0或1，包含在串行控制字中，当RNG为0时，输出范围在1倍参考电压和地电压之间，当RNG为1时，输出范围在两倍参考电压和地电压之间。 表1 串行输入编码 表2 DAC输出电压DATACLKLOADLDACREFAREFBREFCREFDD

28、ACADACBDACCDACDPC0PC1PC2PC3TLC56208255ATLC5620与与8086 CPU的接口的接口 DAC_PROC PROC FAR ；这是对；这是对DAC的子程序的子程序 PUSH AX PUSH CX PUSH DX PUSHF MOV CL，5 ；先把；先把AX内容左移内容左移5位位SHL AX，CLMOV DX，AX ；DX为串行输出的数据，最高位为通道选择为串行输出的数据，最高位为通道选择MOV CX，11 ；循环；循环11次次DAC_PROC1:MOV AL，0 ；预置对；预置对DATA线的置位复位字线的置位复位字SHL DX，1 ；取串行输出位；取串行

29、输出位ADC AL，0 ；把串行输出位送到置位复位字的第；把串行输出位送到置位复位字的第0位位OUT 86H，AL ；把；把DATA线上串行输出位内容线上串行输出位内容MOV AL，00000010B ；发送；发送CLK负脉冲负脉冲OUT 86H，ALMOV AL，00000011BOUT 86H，ALLOOP DAC_PROC1；循环；循环MOV AL，00000100B ；循环完毕，发；循环完毕，发LOAD负脉冲负脉冲OUT 86H，ALMOV AL，00000101BOUT 86H，ALMOV AL，00000110B ；发；发LDAC负脉冲负脉冲OUT 86H，ALMOV AL，000

30、00111BOUT 86H，ALPOPFPOP DXPOP CXPOP AXRETDAC_PROC ENDP主程序中，相关程序段如下： MOV AL，10010010B ；8255A初始化初始化 OUT 86H，AL MOV AL，0FFH OUT 84H，AL . ；其他处理；其他处理 MOV CX，256 ；下面程序段使；下面程序段使D/A通道通道B产生一锯齿波产生一锯齿波 OUT AL，0 ； D/A初始数据为初始数据为0 MOV AH，00000010B ；选取通道；选取通道B，最大输出电压为参考电压，最大输出电压为参考电压 OUT 86H，ALAGAIN：CALL DAC_PROC

31、；把；把AX内容送到内容送到DAC INC AL；产生锯齿波的下一个数据；产生锯齿波的下一个数据 CALL DELAY；延时；延时 LOOP AGAIN ；循环；循环256次次 . ；其他处理；其他处理4、12位位DA转换及接口转换及接口 dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路 CPS SCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)模拟电子开关模拟电子开关S在采样脉冲在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的的控制下重复接通、断开的过程。过程。S接通时，接通时，ui(t)对对C充电，为充电，为采样过程采样过程；S断开时，断开时，C上的电压保持不变，为上的电

32、压保持不变，为保持过程保持过程。在保持过程中，采样的。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出位的二进制数输出。三、三、 AD转换器及其接口技术转换器及其接口技术 1、A/D转换器的基本过程转换器的基本过程2 2、A/DA/D转换器的种类转换器的种类 A/D转换器按照工作原理的不同可分为：转换器按照工作原理的不同可分为： 直接直接A/D转换器转换器和和间接间接A/D转换器转换器。 直接直接A/D转换器转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量；是将输入模拟电压直接转换成数字量； 间接间接A/D转换器转换器是先将是先将输入模拟电压转换

33、成中间量输入模拟电压转换成中间量，如时间，如时间或频率，然后将这些中间量转换成数字量。或频率，然后将这些中间量转换成数字量。 常用的直接常用的直接A/D转换器有转换器有并联比较型并联比较型A/D转换器转换器和和逐次逼近逐次逼近型型A/D转换器转换器。常用的间接。常用的间接A/D转换器有中间量为时间的转换器有中间量为时间的双积分双积分型型A/D转换器转换器，中间量为频率的，中间量为频率的电压频率转换型电压频率转换型A/D转换器转换器。 3、逐次逼近型、逐次逼近型ADC 工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重有四个砝码共重15克，每个重量分别

34、为克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx = 13.4克，可以用下表步骤来秤克，可以用下表步骤来秤量：量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论(1)电路结构：电路结构：VREF=-10V, VI I=6.84V=6.84V I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比

35、较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 3、逐次逼近型、逐次逼近型ADC转换原理转换原理 I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1 0 0 0 1 0 0 0 5VVI5V 1VI=6.84VVREF= -10V第一个第一个CP：第

36、二个第二个CP： I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V10VI7.5V VI=6.84VVREF= -10V第三个第三个CP： I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0

37、 D1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0 1 0 1 0 6.25V I 6.25V 101 I=6.84VVREF=10V（3）工作波形最高位为最高位为1的转换电压的转换电压为为VD727 VREF/ 28 5V，其余各，其余各位为位为1的转的转换电压逐位换电压逐位按按1/2衰减。衰减。 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10 s CP 启启动动脉脉冲冲 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 转转换换时时间间 = 80 s t / s

38、 10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111（1）分辨率分辨率 A/D转换器的分辨率用转换器的分辨率用输出二进制数的位数输出二进制数的位数表示，位数越表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为范围为05V，输出，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；（2）相对精度相对精度 在理想情况下，所有的转换点

39、应当在一条直线上。相对精在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换速度 转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。所经过的这段时间。模数转换器的主要技术指标模数转换器的主要技术指标4 4、A AD D转换与微机接口技术原理转换与微机接口技术原理1 1）三态总线输入问题三态总线输入问题 ADCADC转换好的数据

40、必须经过三态缓冲器与微机数据总线相连。有的转换好的数据必须经过三态缓冲器与微机数据总线相连。有的ADCADC芯片带有三态输出缓冲器，其控制端为芯片带有三态输出缓冲器，其控制端为OE(OE(输出允许输出允许) )。若不带三态缓冲。若不带三态缓冲器的器的ADCADC芯片芯片( (如如AD570AD570芯片芯片) )与微机接口，必须使用三态器件，如：与微机接口，必须使用三态器件，如：8255A8255A，74LS27374LS273等。等。2 2）时间配合问题时间配合问题 ADCADC从从启动转换启动转换到到转换结束转换结束经过的时间比较长，快则几微妙，经过的时间比较长，快则几微妙，慢则几毫秒，慢

41、则几毫秒，A/DA/D转换所需时间大于微机的指令时间。为了输入转换所需时间大于微机的指令时间。为了输入正确的转换结果，必须解决正确的转换结果，必须解决ADCADC与与CPUCPU取数之间的时间配合问题。取数之间的时间配合问题。 A/DA/D芯片一般有三个信号要求控制：芯片一般有三个信号要求控制：启动转换信号启动转换信号( (STARTSTART) )，转转换结束信号换结束信号( (EOCEOC) )，允许输出信号允许输出信号( (OEOE) )。模拟输入模拟输入允许输出允许输出(OE)数据输出数据输出启动转换信号启动转换信号（START） 转换结束转换结束 (EOC)ADCCPU5、AD转换与

42、微机接口电路转换与微机接口电路1 1） 延时等待法接口电路延时等待法接口电路 延时等待法延时等待法是利用CPU执行一条OUT指令，启动A/D转换，然后CPU执行软件延时程序。延时时间一般比所选用的ADC芯片转换时间长。延时结束，CPU执行IN指令，发出OE信号，打开三态门获取ADC转换好的数据。需要两个端口地址，一个输出端口，启动ADC，一个输入端口，输入转换结束的有效数据。PROC_ADC PROC FAR ；这是一个数据采集子程序；这是一个数据采集子程序AGAIN:OUT N1，AL ；启动；启动ADCCALL DELAY ；延时；延时IN AL，N2 ；取数；取数MOV BX，AL ；存

43、入数组；存入数组INC BX ；数组指针加；数组指针加1 LOOP AGAIN ；循环；循环RETPROC_ADCENDP N1 EQU START_PORTN2 EQU OE_PORT.BUFF DB 256 DUP (?) ；定义一个数组，元素个数；定义一个数组，元素个数256 . MOV BX ， OFFSET BUFF ；定义子程序入口参数；定义子程序入口参数 MOV CX，256 CALL PROC_ADC ；调用数据采集子程序；调用数据采集子程序利用延时等待法进行利用延时等待法进行256个数据个数据转换程序。转换程序。2 2）查询法接口电路）查询法接口电路 查询法是由查询法是由CP

44、U来检查来检查EOC信号信号。当CPU启动ADC芯片开始转换后，可执行其他任务，再通过状态端口状态端口检查ADC是否转换结束。下图是查询ADC的接口电路，有两个端口。CPU先通过Y0（译码器输出）所示端口地址执行一条IN指令指令，产生一个高电平有效的START信号信号，启动ADC开始转换。当ADC转换结束产生EOC信号，CPU通过Y1端口地址执行一条IN指令指令，查查询询EOC信号信号。EOC信号通过三态门接数据线D0上，查询到D0为1，则ADC转换好数据，CPU再执行一条IN指令，发出OE信号，取入数据。实际应用中，由于ADC直接与外部的模拟信号相连，当现场的干扰信号较强时，可能会通过ADC

45、芯片影响CPU的正常工作。在实际ADC接口电路中，常用8255A作为ADC与CPU的接口电路。下图为使用8255A作为接口的软件查询方式下的A/D转换。工作过程工作过程：8255A的A口作为输入，方式1工作。ADC的START信号由PC7提供，EOC信号接PC4， PC4接收EOC信号后，将PA7 PA0上数据锁存到A口的数据输入缓冲器，同时从PC5发出输入缓冲区满信号IBFA，CPU读入C口的状态，查询到IBFA为1，将8255A中数据取走，同时启动下一个A/D转换 。DATA SEGMET ;定义数据段BUFF DB 256 DUP(0) ;定义数组变量BUFFDATA ENDS8255-

46、A EQU 238H ;8255的A口地址238H8255-C EQU 23CH ;8255的C口地址23CH8255-S EQU 23EH ;8255的控制口地址23EH CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE , DS:DATASTART: MOV AX, DATA MOV DS, AX MOV CX, 256 MOV BX, OFFSET BUFF ;BX为数组首地址 MOV DX, 8255-S ;初始化8255,A口为输入，C口上半部 MOV AL, 0B0H ; 为输入，下半部为输出，B口为输出 OUT DX, ALLOPP: MOV AL, 0FH ;发START

47、信号 OUT DX, AL MOV AL, 0EH OUT DX, ALPOL: MOV DX, 8255-C IN AL, DX ;输入状态信号 TEST AL, 20H ;检测IBFA JZ POL ;若无效，循环检测 MOV DX, 8255-A ;A口数据有效，取数据 IN AL, DX MOV BX, AL ;数据送数组 INC BX ;数组指针加1 LOOP LOPP ;循环256次 MOV AX, 4C00H INT 21H CODE ENDS END START3）中断法接口电路）中断法接口电路使用中断方法，可提高CPU的利用率，当ADC转换结束，由EOC信号向CPU发出中断请

48、求，CPU响应中断在中断服务子程序中读取转换结果。 由CPU执行一条IN指令指令，启动ADC转换；同时将D触发器清0。使得中断请求信号无效，此时，CPU只管去执行其他程序，一旦ADC转换好数据，EOC信号使D触发器置1，向8259A发出中断请求。若CPU响应中断，则转去执行中断服务程序；CPU执行一条IN指令，使OE信号有效信号有效，读入ADC缓冲区转换好的数据，同时，START信号有效，启动下一条数据转换，并将中断请求信号变为无效，开始下一个数据的转换。6 、AD转换芯片转换芯片ADC0809一、一、ADC0809内部结构内部结构 模模拟拟输输入入部部分分控控制制逻逻辑辑地址地址译码译码输入

49、输入选通选通基准电压基准电压输入端输入端二、管脚说明二、管脚说明 管脚说明：管脚说明： ADC0809芯片有芯片有28个管脚，为双列直插式封装。个管脚，为双列直插式封装。 功能说明：功能说明： IN7IN08个模拟量输入通道；个模拟量输入通道； ADDA，ADDB和和ADDC通道端口地址选择线。通道端口地址选择线。A为低地为低地址，址，C为高地址。其地址状态与通道对应关系见表为高地址。其地址状态与通道对应关系见表10-1。 ALE地址锁存信号。由低电平到高电平跳变时，将地址地址锁存信号。由低电平到高电平跳变时，将地址状态线的状态锁存，选择相应的输入通道。状态线的状态锁存，选择相应的输入通道。

50、START转换启动信号。转换启动信号。START上升沿时，复位上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在转换；在A/D转换期间，转换期间，START应保持低电平。应保持低电平。 D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，数据输出线。为三态缓冲输出形式，D0为最低为最低位，位，D7为最高。为最高。 OE输出允许信号。有效时将输出寄存器中的数据放到输出允许信号。有效时将输出寄存器中的数据放到数据总线上；数据总线上；OE=0，输出数据线呈高阻；，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换，输出转换得到的数据。得到的数据。 EOC转换结束信号。转

51、换结束信号。EOC=0，正在进行转换；，正在进行转换；EOC=1,转换结束。在使用中，该状态信号即可作为查询的转换结束。在使用中，该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。状态标志，又可作为中断请求信号使用。 CLK 时钟信号。时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为率为500KHz的时钟信号。的时钟信号。 Vcc +5V电源。电源。 REF参考电源电压，用来与输入的模拟信号进行比较，参考电源电压，用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的

52、基准。其典型值为作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V（REF(+)=+5V, REF(-)=-5V）。）。C B A0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1被选择的通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7表表10-1 通道选择表通道选择表三、三、ADC0809的有关参数的有关参数ADC0809为8位A/D转换器，分辨率为满量程电压的1/256。当基准电压选定为VREF+=+5V， VREF+=0V时，若输入模拟电压为+1.5V，则转换成数字量为77，即01001101B，模拟输入与数字量输出的关系为：例、例、某某8 8位位A/DA/D转换器的输入模拟电压满量程为转换器的输入模拟电压满量程为5V5V，当，当输入电压为输入电压为1.96V1.96V时，求对应的输出数字量？时，求对应的输出数字量？解：输出数字量对应的十进制数与输入模拟电压成正比：解：输出数字量对应的十进制数与输入模拟电压成正比：10iVK D所以有：所以有：10( )100D 故输出数字量故输出数字量D01100100。109612565)(.D四、四、ADC0809的多路转换的多路转换 ADC0809ADC0809在模拟输入部