第五讲信号转换接口

0单片机原理及应用机械类专业必修课2011年12月主讲人：张登攀专业:机械制造及其自动化1教学内容0、课程准备1、微型计算机基础3、中断、定时与串行通信2、微机系统结构及编程4、人机交互接口5、信号转换接口2第五讲信号转换接口

单片机应用的重要领域是测控。在其应用过程中，除数字量外还会遇到另一类物理量，即模拟量。例如：温度、速度、电压、电流、压力等，它们都是连续变化的物理量。由于计算机（单片机）只能处理数字量，因此计算机（单片机）控制系统中凡遇到有模拟量的地方，就要进行模拟量向数字量、数字量向模拟量的转换，也就出现了单片机数/模和模/数转换的接口问题。35.1A/D转换接口1、A/D转换原理在单片机控制系统中，被控制的对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等）信号，而单片机处理系统能够处理的是数字信号。因此，必须先将模拟信号转换成数字信号，再输入到单片机处理系统.第五讲信号转换接口4将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器）。其工作原理框图如图所示：A/D转换器输入模拟量数字量输出第五讲信号转换接口52、A/D转换过程A/D转换过程一般是由采样、保持、量化和编码四个步骤完成的。即首先对输入的模拟电压信号进行采样，采样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，然后按一定的编码形式输出，这样重复即可将一段模拟信号转换为数字信号输出。采样保持电路编码电路量化电路第五讲信号转换接口6（1）采样和保持电路采样：把时间上连续变化的信号变换为时间离散的信号。采样是通过采样器完成的，采样器（电子模拟开关）在采样脉冲S(t)的作用下，将随时间连续变化的模拟信号F(t)转变为时间上离散的模拟信号。第五讲信号转换接口7第五讲信号转换接口8采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍时，采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号，即：

式中fS采样频率，f为输入信号vI的最高频率分量的频率。避免混叠失真应满足：1、信号要限带，即对于|f|≧fimax，有X(f)=0，然后抽样；2、满足抽样条件。第五讲信号转换接口9

因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。完成这个转换过程的电路就是保持电路。第五讲信号转换接口10（2）量化和编码量化：数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值上的变化也不是连续的。这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。量化单位：所规定的最小数量单位叫做量化单位，用Δ表示。显然，数字信号最低有效位中的1表示的数量大小，就等于Δ。编码：把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。第五讲信号转换接口11量化误差:

既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被Δ整除，因而不可避免的会引入误差，把这种误差称为量化误差。在把模拟信号划分为不同的量化等级时，用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。假定需要把0～+1V的模拟电压信号转换成3位二进制代码，这时便可以取Δ=（1/8）V，并规定凡数值在0～（1/8）V之间的模拟电压都当作0×Δ看待，用二进制的000表示；凡数值在（1/8）V～（2/8）V之间的模拟电压都当作1×Δ看待，用二进制的001表示，……等等，如表所示。不难看出，最大的量化误差可达Δ，即（1/8）V。第五讲信号转换接口12为了减少量化误差，取量化单位Δ=（2/15）V，并将000代码所对应的模拟电压规定为0～（1/15）V，即0～Δ/2。这时，最大量化误差将减少为为Δ/2=（1/15）V。这个道理不难理解，因为现在把每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为它所对应的模拟电压范围的中点，所以最大的量化误差自然就缩小为Δ/2了。。第五讲信号转换接口133、A/D常用的芯片(1)ADC0801~ADC0805、ADC0808/0809、ADC0816/0817型8位MOS型A/D转换器；(2)TLC1549单通道串行输出A/D。TI公司生产的一种开关电容结构的逐次比较型10位A/D转换器。有DIP和FK2种封装形式。(3)TLC2543多通道串行输出A/D。也是TI公司生产的众多串行A/D转换器中的一种，CMOS12位开关电容逐次逼近A/D转换器，具有输入通道多、精度高、速度高等特点。(4)ADC570、ADC1210。除以上芯片还有许多不同精度的A/D转换芯片。在使用过程中，要按要求选择适当精度的芯片，芯片的精度与在转换时所使用的时间是成正比的。第五讲信号转换接口145.2A/D转换器的技术指标1、转换精度A/D转换器的转换精度分为绝对精度和相对精度。（1）绝对精度：指在转换器中，任一数码与所对应的实际模拟电压与其理想的电压值之差，这个差值不是一个常数，我们把这个差值的最大值定义为绝对误差。（2）相对精度：它与绝对精度相似，所不同的是把这个最大精度表示为满刻度模拟电压的百分数，或者用二进制分数来表示相对应的数字量。A/D转换器的主要技术指标有：转换精度，分辨率，转换时间和转换速率，量化误差。第五讲信号转换接口152、分辨率说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数表示，即满刻度电压与2n

之比值，其中n为ADC的位数。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分2n个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。例如A/D转换器输出为8位二进制数，输入信号最大值为5V，那么这个转换器应能区分输入信号的最小电压为19.53mV。

第五讲信号转换接口163、转换时间和转换速度完成一次A/D转换所需要的时间。转换时间与转换速度互为倒数，即每秒转换的次数。

不同类型的A/D转换器转换速度相差比较大：1、并行比较A/D转换器转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器转换时间为50ns；2、逐次比较型A/D转换器在10~50us之间，也有几百ns的。3、间接A/D转换器速度最慢，如双积分型在几十毫秒到几百毫秒之间。第五讲信号转换接口174、转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数来表示。例如给出相对误差≤±LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。第五讲信号转换接口185、量化误差

由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。

第五讲信号转换接口195.3A/D转换器的分类A/D转换器是能够将模拟量转换为数字量的器件。它有许多种分类方式：总的可分为直接型和间接型。直接型A/D转换器为在转换过程中模拟电压不经过任何中间变量直接转换为数字代码，而间接型A/D转换器为在转换过程中要把模拟电压先转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再转换成数字代码输出。A/D转换器按工作原理可分为：计数式ADC、双积分式ADC、逐次逼近式ADC、并行式ADC；按模拟量输入方式分：单极性ADC、双极性ADC；按数字量输出方式分并行ADC、串行ADC；按性能特点可分为：按转换精度分低精度、中精度、高精度、超高精度；按输出是否带三态缓冲分：带可控三态缓冲ADC、不带可控三态缓冲ADC；按分辨率分4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位等；按转换速度分低速、中速、高速、超高速。第五讲信号转换接口205.4A/D转换器的选择原则

在设计单片机控制系统，数据的采集以及单片机输出去控制被控对象时会用到ADC电路，可从以下几方面考虑：(1)A/D转换器位数的确定

A/D转换器位数的确定是关系着整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度，但又不能对系统的精度唯一确定。由于系统的精度与很多因素有关，包括传感器变换精度、信号处理的精度和A/D转换器本身等，甚至还包括软件控制的算法。在使用时A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。常见的A/D、D/A器件有8位，10位，12位，14位，16位等。实际选用的A/D转换器的位数应与系统处理的能力以及所需达到的精度相适应。第五讲信号转换接口21(2)A/D转换器转换速度的确定

A/D转换器的转换速度指完成一次A/D转换所需要的时间，其倒数即每秒钟能完成的转换次数，称转换速度。在使用时不同的A/D转换器，其转换时间并不一定相同。要根据所设计系统对采集数据要求的时间而定，一般选择所需转换时间短的，这样可以提高整个系统的实时控制能力。保证转换器的转换速率要高于系统要求的采样频率。第五讲信号转换接口22(3)A/D转换器的工作电压和基准电压的选择选择合适的工作电压可以有效简化整个系统的电压供给，基准电压是指提供给A/D转换器在转换时所需要的参考电压，这是保证转换精度的基本条件，它也影响A/D转换器所测量的范围。在精度要求较高时，基准电压的供给可以采用独立的稳压电源。

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设计举例

某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s（秒）内对16个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0～0.025V（对应于0～450℃温度范围），需要分辨的温度为0.1℃，试问应选择多少位的A/D转换器，其转换时间是多少？

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解：对于0～450℃温度范围，信号电压范围为0～0.025V，分辨的温度为0.1℃，这相当于的分辨率。12位A/D转换器的分辨率为，所以必须选用14位的A/D转换器。

系统的取样速率为每秒16次，取样时间为62.5ms。对于这样慢的取样，任何一个A/D转换器都可以满足要求。可选用带有取样－保持（S/H）的逐次比较型A/D转换器或不带S/H的双积分式A/D转换器。

第五讲信号转换接口255.5D/A转换接口1、D/A转换原理数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字—模拟转换。D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为１的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。第五讲信号转换接口26输入为3位二进制数时D/A转换器的转换特性曲线。

第五讲信号转换接口272、D/A转换器的主要技术指标（1）分辨率（Resolution）：指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，即相邻两个二进制码对应的输出电压之差称为D/A转换器的分辨率。可用最低位（LSB）表示。如，n位D/A转换器的分辨率为1/2n。（2）精度（Accuracy）：精度是指D/A转换器的实际输出与理论值之间的误差，它是以满量程VFS的百分数或最低有效位（LSB）的分数形式表示。与A/D相似也分为绝对精度与相对精度。第五讲信号转换接口28（3）线性误差：D/A的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线）与理想的转换特性（始、终点连线）之间是有偏差的，这个偏差就是D/A的线性误差。即两个相邻的数字码所对应的模拟输出值（之差）与一个LSB所对应的模拟值之差。常以LSB的分数形式表示。（4）转换时间TS（建立时间）：从D/A转换器输入的数字量发生变化开始，到其输出模拟量达到相应的稳定值所需要的时间称为转换时间。第五讲信号转换接口29（5）偏移量误差：偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。（6）转换误差：转换误差通常用输出电压满刻度FSR（FullScaleRange）的百分数表示，也可以用最低有效位的倍数表示。第五讲信号转换接口30(7)接口形式：D/A转换器与单片机接口方便与否，主要决定于转换器本身是否带数据锁存器。总的来说有两类D/A 转换器，一类是不带锁存器的，另一类是带锁存器的。对于不带锁存器的D/A转换器，为了保存来自单片机的转换数据，接口时要另加锁存器，因此这类转换器必须在接口线上；而带锁存器的D/A转换器，可以把它看作是一个输出口，因此可直接在数据总线上，而不需另加锁存器。第五讲信号转换接口313、D/A转换器的分类数模转换器的类型很多，目前在集成化的数模转换器中经常使用的一种是T型网络D/A转换器。按输出形式分类：电压输出型和电流输出型。按是否含有锁存器分类：内部无锁存器和内部有锁存器。按能否作乘法运算分类：乘算型和非乘算型。按输入数字量方式分类：并行总线D/A转换器和串行总线D/A转换器。按转换时间分类：超高速D/A（TS＜100ns）、高速D/A（TS为100ns～10μs）、中速D/A（TS为10μs～100μs）、低速D/A（TS＞100μs）等。第五讲信号转换接口32常用D/A转换技术：

二进制权电阻网络D/A转换器，由四部分组成：（1）权电阻网络；（2）模拟开关；（3）参考电压；（4）权电阻网络输出端的电流--电压变换器。二进制T型权电阻网络D/A转换器，采用最常见的R-2RT型电阻网络。分为电流相加型（如图7-6所示）和电压相加型（如图7-7所示）。它与权电阻网络的显著区别在于：无论DAC有多少位，整个网络只需要R和2R两种阻值。第五讲信号转换接口33电压激励型DAC电流相加型4位R-2RT形电阻网络DAC电压相加型4位R-2RT形电阻网络DAC第五讲信号转换接口34Ｔ型电阻网络D/A转换器转换计算

第五讲信号转换接口35第五讲信号转换接口36倒T型网络DAC第五讲信号转换接口37第五讲信号转换接口S0-S3为模拟开关，R-2R电阻解码网络呈倒T形，运算放大器A构成求和电路。Si由输入数码di控制，当di=1时，Si接运放反相输入端（“虚地”），Ii流入求和电路；当di=0时，Si将电阻2R接地。

无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均等效接“地”（地或虚地）。这样流经2R电阻的电流与开关位置无关为确定值。38第五讲信号转换接口倒T型网络DAC等效电路总电流为：39输出电压为：第五讲信号转换接口

将输入数字量扩展到n位，可得到n位数字量Dn倒T形电阻网络D/A转换器输出模拟量与输入数字量之间的一般关系式如下：40

要使D/A转换器具有较高的精度，对电路中的参数有以下要求：第五讲信号转换接口1、基准电压稳定性好；2、倒T型电阻网络中R和2R电阻的精度要高；3、每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电流从高位到低位按2的整倍数递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的正倍数递减。

常用的CMOS开关倒T型电阻网络D/A转换器的集成电路有AD7520(10位）、DAC1210(12位）和AK7546（16位高精度）。41电流激励型DAC第五讲信号转换接口423、D/A转换器的选择在选用D/A转换器时主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换器的技术要求；在结构和应用特性上应满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。第五讲信号转换接口43D/A转换器的种类繁多，在目前常用的D/A芯片中，从数码位数上看，有8位、10位、12位、16位等；从数字的输入特性看，一般的D/A转换器只能接收自然二进制数字代码，也需要注意输入数据的格式，一般有并行码和串行码两种；从输出特性上，D/A转换器有电流输出型器件和电压输出型器件，要根据控制系统是接收电压信号还是检测电流信号来选择D/A转换器；

第五讲信号转换接口44从内部结构上，又可分为含数据输入寄存器和不含数据输入寄存器两类。对内部不含数据输入寄存器的芯片，亦即不具备数据的锁存能力，是不能直接与系统总线连接的。因为对D/A转换器来讲，当有数字量输入时，其输出端随之有模拟电流或电压信号建立；而当输入端数字量消失时，输出模拟量也随之消失。

第五讲信号转换接口455.6微机信号转换设计实例

常用的逐次比较式A/D转换器比较多，有8位、10位、12位、16位等，由于常用的为8位单片机，所以在系统对精度要求不高时，通常选用8位A/D转换器。

最常用8位A/D转换器是由美国芯片制造商NationalSemiconductor（国家半导体公司）生产的ADC系列芯片，其中ADC0804为单路8位逐次比较式A/D转换器，ADC0809为8路8位逐次比较式A/D转换器。

第五讲信号转换接口461、A/D转换设计实例

（1）ADC0809的内部逻辑结构第五讲信号转换接口47ADC0809引脚功能ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，引脚排列如下：

第五讲信号转换接口48第五讲信号转换接口49IN7~IN0:模拟量输入通道。ADDA、ADDB、ADDC：A为低位地址，C为高位地址，用于对模拟通道进行选择。ADC0809对输入模拟量的要求主要有：信号单极性，电压范围0～5V，若信号过小还需进行放大。另外，在A/D转换过程中，模拟量输入的值不应变化太快，因此，对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。

ADDCADDBADDA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7第五讲信号转换接口50ALE：地址锁存信号。在对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START：转换启动信号。START上跳沿时，所有内部寄存器清0；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。D7~D0：数据输出线。其为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。OE：输出允许信号。其用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高电阻；OE=1，输出转换得到的数据。第五讲信号转换接口51CLK：时钟信号。ADC0809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。通常使用频率为500kHz的时钟信号。EOC：转换结束状态信号。

EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。VCC：+5V电源。Vref：参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V（Vref(+)=+5V，Vref(-)=0V）。第五讲信号转换接口52第五讲信号转换接口53第