第08章 模拟量通道接口

1、模拟量通道接口概述模拟量通道接口概述 D/AD/A转换器转换器 A/DA/D转换器转换器第八章第八章 模拟量通道接口模拟量通道接口 实时控制和数据处理时，实时控制和数据处理时，采集的外部信号或被控对象参数往往采集的外部信号或被控对象参数往往是连续变化的模拟量。是连续变化的模拟量。但是，计算机只能处理不连续的数字量。但是，计算机只能处理不连续的数字量。因此，需要数模转换因此，需要数模转换A/D和和D/A。第八章 模拟量通道接口 微型计算机受控对象数字量物理量模拟量D/A转换器及其接口m执行部件m执行部件1D/A转换器及其接口1模拟量物理量数字量.传感器nA/D转换器及其接口n模拟量物理量数字量.

2、数字量物理量模拟量A/D转换器及其接口1传感器1图图8-1 8-1 微机自动测控系统的基本组成微机自动测控系统的基本组成 2.2.模拟量转换器的性能指标模拟量转换器的性能指标 第一节 模拟量通道接口概述第八章 模拟量通道接口 DAC（数（数/模转换器）模转换器） 模拟量转换器分类模拟量转换器分类ADC（模（模/数转换器）数转换器） 第一节 模拟量通道接口概述第八章 模拟量通道接口 1) 1) D/AD/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 n2分辨率：分辨率：定义：定义：D/A转换器能分辨的最小输出电压增量，常为满量程的转换器能分辨的最小输出电压增量，常为满量程的 倍。倍。例如：例如：1

3、0V满量程的满量程的8位位DAC芯片，分辨率芯片，分辨率 ； 10V满量程的满量程的16位位DAC芯片，分辨率芯片，分辨率 。 mv392*108v1532*1016转换精度转换精度 ：定义：定义：D/A转换器实际输出值和理论值的接近程度。转换器实际输出值和理论值的接近程度。 例如：若满量程输出理论值为例如：若满量程输出理论值为10V，实际值为，实际值为9.99V-10.01V， 则转换精度则转换精度 。 mVVV101001. 0第一节 模拟量通道接口概述第八章 模拟量通道接口 偏移量误差偏移量误差 ：定义：输入数字量为定义：输入数字量为0时，输出模拟量对时，输出模拟量对0的偏移值，常可通过

4、的偏移值，常可通过DAC的的外接外接 和电位计加以调整。和电位计加以调整。 线性度线性度 ：定义：定义：D/A转换器实际转换特性和理想直线间的最大偏差。转换器实际转换特性和理想直线间的最大偏差。 通常，线性度通常，线性度 （ 为分辨率）。为分辨率）。 REFVLSB21LSB第一节 模拟量通道接口概述第八章 模拟量通道接口 2) 2) A/DA/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 分辨率：分辨率：定义：使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。定义：使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。 常用二进制的位数表示。常用二进制的位数表示。 例如：例如：12位位AD

5、C的分辨率就是的分辨率就是12位，或者说分辨率为满刻度位，或者说分辨率为满刻度FS的的 。一个一个10V满刻度的满刻度的12位位ADC能分辨的输入电压变化最小值能分辨的输入电压变化最小值是是 。 量化误差量化误差 ：定义：定义：ADC把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量化。量化误差是过程称为量化。量化误差是ADC的有限位数对模拟量进行量化而引的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。实际上，要准确表示模拟量，起的误差。实际上，要准确表示模拟量，ADC的位数需很大甚至无的位数需很大甚至无穷大。一个分辨率有限的穷大。一个分辨率有限

6、的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的辨率的ADC转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差。转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差。 1221mVV4 . 2211012第一节 模拟量通道接口概述第八章 模拟量通道接口 偏移误差偏移误差 ：定义：当输入信号为定义：当输入信号为0时，输出信号不为时，输出信号不为0的值称为偏移误差（或称零的值称为偏移误差（或称零值误差）。假定值误差）。假定ADC没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是的连线必

7、定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。偏移误差。 满刻度误差满刻度误差 ：定义：满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差定义：满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差称为满刻度误差（又称增益误差）。称为满刻度误差（又称增益误差）。 第一节 模拟量通道接口概述第八章 模拟量通道接口 线性度线性度 ：定义：转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差称为线性度。定义：转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差称为线性度。 绝对精度绝对精度 ：定义：在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论定义：在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论

8、模拟输入之差的最大值称为绝对精度。模拟输入之差的最大值称为绝对精度。 转换速率转换速率 ：定义：定义：ADC的转换速率是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转的转换速率是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次换的次数。而完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换速率的倒数。转换速率的倒数。 1. 1. D/A转换器原理 D/AD/A转换器实际上是把输入数字量中的每位转换器实际上是把输入数字量中的每位都按其权值分别转换成模拟量，并通过运算都按其权值分别转换成模拟量，并通过运算放大器求和相加，即放大器求和相加，即“按权展开，然后相加按

9、权展开，然后相加”。因此，。因此，D/AD/A转换器内部必须有一个解码网转换器内部必须有一个解码网络，以实现按权值分别进行络，以实现按权值分别进行D/AD/A转换；转换；解码网络通常有两种：二进制加权电阻网解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和络和T T型电阻网络。现代型电阻网络。现代D/AD/A转换器的解码网转换器的解码网络大多采用络大多采用T T型电阻网络。型电阻网络。 为了说明为了说明T T型电阻网络原理，现以型电阻网络原理，现以4 4位位D/AD/A转转换器为例加以介绍。如图换器为例加以介绍。如图8-28-2所示所示 第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 第二节 D/A转换器

10、 第八章 模拟量通道接口 VREFVOUTOA-+ARfIRfIOUT2IOUT1b0b1b2I0I1I2I3IL0IL1IL2IL3RRRRR2R2R2R2Rb3四位DAC寄存器01S0S11001S2S310图图8-2 T8-2 T型电阻网络型型电阻网络型D/AD/A转换器转换器 输入数字量：输入数字量：b3b2b1b0b3b2b1b0 输输 出出 电电 压：压：VoutVout若 ，则该电路可认为是D/A转换器。BVout第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 求证求证BVBRRVbbbbRIVVBRRVbbbbRIVARRRVbbbbIbIbIbIbIbbbbSSSSRVRVIR

11、VRVIRVRVIRVRVISSSSBbbbbnREFfnREFnnnnfRfoutREFfREFfRfoutfREFoutREFREFREFREFREFREFREFREF2*2)2*2*.2*2*(*Tn#16*2)2*2*2*2*(*2)2*2*2*2*(*01230123*2216*228*224*222A0123,1111012300112211400112233400112233001122331400411422433：型电阻网络，上式变为位对于点为虚拟地，可得：和考虑选取控制，故得通式：受因点为虚地）：（根据克希荷夫定律如图则求证：若BVout2. 2. D/A转换器DAC083

12、2 DAC0832DAC0832是目前较为常用的是目前较为常用的DACDAC芯片芯片中的一种，它是由美国国家半导体公中的一种，它是由美国国家半导体公司（司（National Semiconductor National Semiconductor CorporationCorporation）研制的。）研制的。 下面对下面对DAC0832DAC0832的内部结构、引脚功能以及的内部结构、引脚功能以及与与CPUCPU的连接进行介绍。的连接进行介绍。 第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 DAC0832DAC0832是一个是一个8 8位的位的D/AD/A转换芯片，转换芯片，其内部由三部分电

13、其内部由三部分电路组成：路组成： “8位输入寄存器位输入寄存器”用于存放用于存放CPU送来的送来的数字量；数字量；“8位位DAC寄存器寄存器”用于存放待转换数字用于存放待转换数字量量 ；“8位位D/A转换电转换电路路”。 第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 1) 1) DAC0832DAC0832的结构与引脚功能的结构与引脚功能 M3M2M1DAC0832DGNDVCCAGNDRfbIOUT1IOUT2VREF10203911128XFERWR2WR1CSILE1718211913-164-7输入数据 D0-D7RfbLE1LE211& 8位 D/A转换 器 8位DAC寄存 器 8位

14、输入寄存 器图图8-3 DAC0832内部结构图内部结构图 第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 D7D0：输入数据线；：输入数据线； ILE ：输入锁存允许；：输入锁存允许； ：片选信号；：片选信号； ：写输入寄存器；：写输入寄存器； ：写：写DAC寄存器；寄存器； ：传送控制线。：传送控制线。 ：参考电压：参考电压-10V+10V ； ， ：D/A转换差动电流输出；转换差动电流输出； ：电源电压：电源电压 ； ：内部反馈电阻：内部反馈电阻 ； ， ：模拟地和数字地：模拟地和数字地 。 CS1WR2WRXFERREFV1OUTI2OUTICCVfbRAGNDDGND图图8-4 DAC

15、0832外部引脚图外部引脚图 DAC0832CSAGNDD3D2D1D0VREFRfbDGNDIOUT1IOUT2D7D6D5D4XFERWR1WR2ILEVcc2019171814131516111291056873421第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 2) 2) DAC0832DAC0832的工作方式 DAC0832工作方式工作方式直通方式直通方式 双缓冲器双缓冲器方式方式 单缓冲器单缓冲器方式方式 134直通方式直通方式 DAC0832DAC0832直通工作方式如图直通工作方式如图8-58-5所示。所示。 将两个寄存器（输入寄存器和将两个寄存器（输入寄存器和DACDAC寄存

16、器）的寄存器）的5 5个控制信个控制信号（号（ILEILE、 、 、 、 ）均预先置为有效）均预先置为有效，两个寄存器都开通处于数据接收状态，两个寄存器都开通处于数据接收状态，模拟输出始终跟模拟输出始终跟随输入变化。随输入变化。 第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 CS1WR2WRXFER20103DGNDAGNDVcc17118213164719121198DAC0832+5VILE数字量DI7DI0WR1WR2CSXFERVOUTVREFRfbIOUT1IOUT2+-OA图图8-5 DAC0832直通方式的电路直通方式的电路 单缓冲器方式单缓冲器方式 DAC0832DAC0832

17、单缓冲器单缓冲器工作方式如图工作方式如图8-68-6所示。所示。 将两个寄存器（输入寄存器和将两个寄存器（输入寄存器和DACDAC寄存器）的寄存器）的3 3个控制信个控制信号（号（ILEILE、 、 ）均预先置为有效）均预先置为有效; ; 接单片机的接单片机的 ， 接单片机的接单片机的P2.7P2.7口口 。第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 CS1WR2WRXFERWR这样这样DAC0832DAC0832的地址为的地址为7FFFH7FFFH则执行下列三条指令就可以则执行下列三条指令就可以将一个数字量转换为模拟量：将一个数字量转换为模拟量： MOVDPTR,#7FFFH ；端口地址送

18、；端口地址送DPTR MOVA,#DATA ；8位数字量送累加器位数字量送累加器A MOVX DPTR,A ；向；向DAC0832写入数字量，同时启动转换写入数字量，同时启动转换 第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 图图8-6DAC0832单缓冲方式的电路单缓冲方式的电路 103DGNDAGND18247131617119AT89C5120VccP2.7P0.0P0.7WR121198DAC0832+5VILED0D7WR1WR2CSXFERVOUTVREFRfbIOUT1IOUT2+-OA第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 图图8-88-8是是DAC0832DAC0832

19、双缓冲方式的接口电路。双缓冲方式的接口电路。 双缓冲器方式双缓冲器方式 双缓冲方式的转换要有两个步骤：双缓冲方式的转换要有两个步骤： 令令 ，将数据写入输入寄存器；，将数据写入输入寄存器； 令令 ，将输入寄存器的内容写入，将输入寄存器的内容写入DACDAC寄寄 存器。存器。 1, 01, 0ILEWRCS0, 02XFERWR第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 图图8-8DAC0832双缓冲方式的电路双缓冲方式的电路 P2.5P2.6OA-+IOUT2IOUT1RfbVREFVOUTXFERCSWR2WR1D0D7ILE+5VDAC0832(2)891112Vcc2019117131

20、647218AGNDDGND310103DGNDAGND18247131617119AT89C5120VccP2.7P0.0P0.7WR121198DAC0832(1)+5VILED0D7WR1WR2CSXFERVOUTVREFRfbIOUT1IOUT2+-OA例：例：图图8-8中的两个模拟输出分别作为示波器的中的两个模拟输出分别作为示波器的X、Y方方向的位移，则单片机执行下面的程序后，可使示波器上的向的位移，则单片机执行下面的程序后，可使示波器上的光点根据参数光点根据参数X、Y的值同步移动。假设参数的值同步移动。假设参数X、Y已分别已分别存于工作寄存器存于工作寄存器R1、R2中。中。 第二节

21、 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 解：解：MOV DPTR, #0DFFFH ；指向；指向DAC0832(1)的数据输入寄存器的数据输入寄存器 MOV A, R1；X方向数据送入方向数据送入A MOVX DPTR,A；将；将X写入写入DAC0832(1)的数据输入寄存器的数据输入寄存器 MOV DPTR,#0BFFFH；指向；指向DAC0832(2)的数据输入寄存器的数据输入寄存器 MOV A,R2；Y方向数据送入方向数据送入A MOVX DPTR,A；将；将Y写入写入DAC0832(2)的数据输入寄存器的数据输入寄存器 MOV DPTR,#7FFFH；指向两片；指向两片DAC0832的

22、的DAC寄存器寄存器 MOVX DPTR,A；两片；两片DAC同时启动转换，同步输出同时启动转换，同步输出 3. 3. D/AD/A转换应用举例转换应用举例 下列给出应用下列给出应用DAC0832芯片完成芯片完成D/A转换的实例转换的实例 第二节 D/A转换器 第八章 模拟量通道接口 实例实例8-18-1：根据如图根据如图8-68-6所示的单缓冲方式接口电路，请编写出所示的单缓冲方式接口电路，请编写出产生锯齿波、三角波和方波的程序。产生锯齿波、三角波和方波的程序。 第二节 D/A转换器第八章 模拟量通道接口c) 方波b) 三角波a) 锯齿波0V-5V-1V-5V0V-5V0V图图8-9 8-9

23、 例例8-18-1产生的波形产生的波形 第二节 D/A转换器第八章 模拟量通道接口解：相应程序如下：解：相应程序如下： 锯齿波程序锯齿波程序 ORG1000HSTART: MOVDPTR,#7FFFH MOVX DPTR,A INCA SJMPSTART END 第二节 D/A转换器第八章 模拟量通道接口 三角波程序三角波程序ORG1000HSTART:CLRAMOV DPTR,#7FFFHDOWN:MOVX DPTR,A；线性下降段；线性下降段INCAJNZDOWN；若未完，；若未完，DOWNMOVA,#0FEHUP:MOVX DPTR,A；线性上升段；线性上升段DECAJNZUP；若未完，

24、则；若未完，则UPSJMPDOWN；若已完，则循环；若已完，则循环END 第二节 D/A转换器第八章 模拟量通道接口 方波程序方波程序ORG 1000HSTART:MOV DPTR,#7FFFHLOOP:MOV A,#33HMOVX DPTR,A ；置上限电平；置上限电平ACALL DELAY ；形成方波顶宽；形成方波顶宽MOV A,#0FFHMOVX DPTR,A ；置下限电平；置下限电平ACALL DELAY ；形成方波底宽；形成方波底宽SJMP LOOP ；循环；循环DELAY:.END A/DA/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的

25、数字量与它成正比的数字量 。A/DA/D转换器从原理上通常可分为以下四种：转换器从原理上通常可分为以下四种： 计数器式计数器式A/DA/D转换器转换器、 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器、 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器和和 并行并行A/DA/D转换器转换器 。本书仅对计算机中广泛采用的逐次逼近式本书仅对计算机中广泛采用的逐次逼近式A/DA/D转换器进行介绍转换器进行介绍 。第八章 模拟量通道接口 第三节 A/D转换器 1.1.逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换原理转换原理 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器是一种采用转换器是一种采用对分搜索原理来实对分搜索原理来实

26、现的现的A/DA/D转换器。转换器。如图如图8-108-10所示所示 第三节 A/D转换器 第八章 模拟量通道接口 图图8-10 8-10 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器示意框图转换器示意框图 数字量输 出模拟电压输入DONE启动控制电路VsVxBA比较器N位寄存器N位D/A转换网络2. 2. A/DA/D转换器转换器ADC0809 ADC0809 ADC0809ADC0809的结构与引脚功能的结构与引脚功能 ADC0809ADC0809芯片的内部结构如图芯片的内部结构如图8-118-11所示。所示。 片内含片内含8 8路模拟开关，可允许路模拟开关，可允许8 8路模拟量输路模拟量输 入

27、。由于片内有三态输出锁存器，因此可入。由于片内有三态输出锁存器，因此可 直接与系统总线相连。直接与系统总线相连。 第三节 A/D转换器 第八章 模拟量通道接口 ADC0809是逐次逼近式是逐次逼近式8位位A/D转换芯片转换芯片 。第三节 A/D转换器 第八章 模拟量通道接口 VREF (-)VREF (+)GNDVCC15121311IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADDAADDBADDCALE2223242554321282726EOCOE(MSB)-8-7-6-5-4-3-2-12222222291714158181920217106256电阻阶梯树 状 开 关三态输出锁存

28、器CLOCKSTART逐次逼近式寄存器SAR控 制 电 路VSTVIN比较器地址锁存与译码器 8路模拟开关图图8-11 ADC08098-11 ADC0809的内部结构图的内部结构图 第三节 A/D转换器 第八章 模拟量通道接口 图图8-12 ADC0809ADC0809引脚图引脚图 D11112141316151718D4D0VREF(-)D2GNDVREF(+)VCCADC0809IN3IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLKD5D6D7ALEADDCADDBADDAIN4IN0IN1IN22827252622212324192091056873421ADC0809ADC0809引

29、脚图引脚图: : IN0-IN7IN0-IN7：8 8路模拟信号输入端路模拟信号输入端； ADDAADDA、ADDBADDB、ADDCADDC：模拟通道的地址：模拟通道的地址选择线输入选择线输入 ； ALE：地址锁存允许信号输入：地址锁存允许信号输入；CLK：外部时钟输入端：外部时钟输入端 ；D0D7：数字量输出端：数字量输出端 ； OE：输出允许信号输入，高电平有效；：输出允许信号输入，高电平有效； START：启动信号输入，高电平有效：启动信号输入，高电平有效 ；EOC：转换结束信号输出，高电平有效：转换结束信号输出，高电平有效 ； 、 ：正负基准电压输入端：正负基准电压输入端 ； :正电

30、源电压（正电源电压（+5V）；）；GND：接地端：接地端 。 )(REFV)(REFVCCV第三节 A/D转换器 第八章 模拟量通道接口 被选模拟量路数和地址的关系被选模拟量路数和地址的关系 如表如表8-18-1所示所示: : 被选模拟电压路数ADDCADDBADDAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111 ADC0809ADC0809与与MCS-51MCS-51单片机的接口单片机的接口 芯片芯片ADC0809ADC0809的的A/DA/D转换程序有转换程序有3 3种编写方种编写方式：式： 查询方式、中断方式和延时方式。查询方式、中断方式

31、和延时方式。 a. a. 查询方式查询方式 ADC0809ADC0809的的EOC EOC 端与单片机的任一位端与单片机的任一位I/OI/O口线相口线相连。启动连。启动A/DA/D转换信号后，经过一小段延时后再不断查询转换信号后，经过一小段延时后再不断查询此此I/OI/O脚，直到脚，直到EOC EOC 由低电平变为高电平，则转换结束，由低电平变为高电平，则转换结束，再读再读A/DA/D的值。的值。 第三节 A/D转换器 第八章 模拟量通道接口 b.b.中断中断方式方式 在图在图8-138-13中，中，ADC0809ADC0809的的EOCEOC端通过反相器接到单端通过反相器接到单片机的外中断端

32、。在程序设计中开启中断。片机的外中断端。在程序设计中开启中断。第三节 A/D转换器 第八章 模拟量通道接口 c.c.延时延时方式方式 启动启动A/DA/D转换后，不查询、不中断，延时一段时间后直接转换后，不查询、不中断，延时一段时间后直接读取读取A/DA/D转换值，此种方式可节省单片机硬件资源。但要注转换值，此种方式可节省单片机硬件资源。但要注意延时时间不能小于意延时时间不能小于A/DA/D转换器的转换时间，否则转换器的转换时间，否则A/DA/D转换转换尚未结束，便得到不正确的转换结果。尚未结束，便得到不正确的转换结果。第三节 A/D转换器 第八章 模拟量通道接口 图图8-13 ADC08098-13 ADC0809与与AT89C51AT89C51的接口电路图的接口电路图 ADDCADDBADDAP2.7RDWRINT0ALEP0AT89C51+5VVREF(+)VREF(-)IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0ADC080911OEALESTART1EOCD0D7CLKA2A1A0A0A7GQQDCK74LS373Q0Q7D0D73. 3. A/DA/D转换应用举例转换应用举例 下列给出应用下列给出应用ADC0809芯片完成芯片完成A/D转换的实例转换的实例 第三节 A/D转换器 第八章 模拟量通道接口 实例实例8