第6章 数模与模数转换及其接口

第6章模/数与数/模转换及其接口6.1模拟量的输入与输出通道6.2数/模（D/A）转换器6.3模/数（A/D）转换器

模拟量的输入----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，这就是模拟量的输入。模拟量的输出----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，这就是模拟量的输出。模拟量的输入/输出是微型计算机与控制对象之间的一种重要接口。6.1模拟量的输入与输出通道图6.1模拟量的输入与输出通道结构框图微型计算机系统控制对象信号调理锁存器D/A转换前置放大D/A转换接口电动执行阀A/D转换接口A/D转换采样保持温度变送器模拟量输入/输出通道模拟量输入通道构成----一般是由传感器、变送器、信号调理、采样保持和A/D转换等组成。模拟量（analog）输出通道构成----一般是由D/A转换、锁存器和前置放大等组成;数/模转换器的工作原理●数/模转换器的功能是将数字量转换成模拟量。●把一个数字量变成模拟量，就是要把每一位的代码按照权值转换为对应的模拟量，再把各位所对应的模拟量相加，其和便是数字量所对应的模拟量。●数字量由若干个数位构成，每个数位都有一定的权，如8位二进制数的最高位D7的权为27=128，只要D7=1，就表示具有了128这个数值。6.2.1D/A转换原理6.2数/模（D/A）转换器图6.28位权电阻网络D/A转换器V+RF(R/2)27RLSBMSB0101I0V--+AvoS0S1S2S3S4S5S6S7iΣvREFI1I2I3I4I5I6I7d0d1d2d3d4d5d6d726R25R24R23R22R21R20R1.权电阻网络D/A转换器因得因故2.T型电阻网络D/A转换器图6.3R-2RT形电阻网络D/A转换器d0d1d2d3d4d5d6d7RRRRRRRR2R2R2R2R2R2R2R2R2RLSBMSBI/21I/22I/23I/24I/25I/26I/27I/28I/21I/22I/23I/24I/25I/26I/27I/28I0101V-V+-+AvoS0S1S2S3S4S5S6S7iΣvREF因得因故（2）转换精度●转换精度有绝对精度和相对精度之分。●通常用建立时间来描述DA转换器的转换速度。（3）转换时间●分辨率是指D/A转换器对模拟量的分辨能力。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位、20位等。也可以用DA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1/(2n-1)。（1）分辨率6.2.2D/A转换器的主要性能指标绝对精度：指D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差。由DA转换器的增益误差、零点误差、非线性误差和噪声等造成。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。(LSB)ILE当LE=1时,输出数据随输入变化(直通)。DQDQ

当LE=0时,输出数据被锁存。LE1&11DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0DQDQ寄存器8位DAC转换器8位D/A寄存器8位入输(MSB)LE2WR2WR1CSXFERVREFIOUT2IOUT1VccRfbRfbAGNDDGND8位D/A转换器－DAC0832芯片6.2.3典型D/A转换器芯片图6.6DAC0832的内部结构8位数字输入端

DI0～DI7（DI0为最低位）输入寄存器（第1级锁存）的控制端

ILE、CS、WR1DAC寄存器（第2级锁存）的控制端

XFER、WR2Iout1、Iout2:电流输出端

满足：Iout1＋Iout2＝常量Rfb:反馈电阻引出端（电阻在芯片内）VREF:参考电压输入端

＋10V～－10VAGND:模拟信号地VCC:电源电压输入端

＋5V～＋15VDGND:数字信号地（3）DAC0832的数字输入双缓冲输入方式单缓冲输入方式直通输入方式两个寄存器都处于受控（缓冲）状态能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout11）双缓冲输入方式ILE固定接高电平，WR1、WR2与总线信号IOW相连，CS为输入寄存器的地址译码信号，XFER为DAC寄存器的地址译码信号。RfbIout2Iout1+_ADI0DI7VoutD0D7DAC0832ILE+5V输入寄存器端口地址DAC寄存器端口地址图6-7a）双缓冲输入方式LE1＝1，或者LE2＝1两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout12）单缓冲输入方式一般是DAC寄存器处于直通状态，即把WR2和XFER都数字接地。此时数据只要写入DAC芯片立刻进行数模转换。图6-7b）单缓冲输入方式RfbDI0DI7Iout2Iout1+_AVoutD0D7DAC0832ILE+5V输入寄存器端口地址LE1＝LE2＝1输入的数字数据直接进入D/A转换器LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout13）直通输入方式CS、WR1、WR2、XFER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。此时8位数字量一旦到达DI7DI0输入端，就立即进行D/A转换而输出。RfbIout2Iout1+_ADI0DI7VoutD0D7DAC0832ILE+5V（4）DAC0832的模拟输出单极性输出双极性输出单极性输出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREF

RfbIout2Iout1+_ADI0DI7VoutVREFD0D7DAC0832RfbVREF显然，VOUT和D成正比关系，输入数字量D为00H时，VOUT也为0；输入数字量D为FFH即255时，VOUT为与VREF极性相反的最大值。图6-8b单极性输出单极性电压输出举例设VREF＝－5VD＝FFH＝255时，最大输出电压：

Vmax＝（255/256）×5V＝4.98VD＝00H时，最小输出电压：

Vmin＝（0/256）×5V＝0VD＝01H时，一个最低有效位（LSB）电压：

VLSB＝（1/256）×5V＝0.02VVout＝－（D/2n）×VREF双极性输出I1I2I1＋I2＝0VoutRfbIout2Iout1+_A1DI0DI7Vout1VREFD0D7DAC0832Rfb+_A2R2R2RVREF图6-9双极性输出双极性电压输出举例设VREF＝5VD＝FFH＝255时，最大输出电压：

Vmax＝[（255－128）/128]×5V＝4.96VD＝00H时，最小输出电压： Vmin＝[（0－128）/128]×5V＝－5VD＝81H＝129时，一个最低有效位电压： VLSB＝[（129－128/128]×5V＝0.04VVout＝[（D－27）/27）]×VREF2.DAC1210AGNDDGND(LSB)DQDQ

当LE=1时,输出数据随输入变化(直通)。当LE=0时,输出数据被锁存。&11DI11DI10DI9DI8DI7DI2DI1DI0DQDQ寄存器12位DAC转换器12位D/A锁存器8位入输(MSB)CSVREFIOUT2IOUT1VccRfbRfbWR1WR2XFERDDQQ锁存器4位输入DI3DI6DI5DI4MSBLSBB1/B2LELELE图6-10DAC1210内部结构1.不带输入寄存器D/A转换器的使用RfbIout2Iout1+_ADI0DI7VoutD0D7DAC0832ILE+5V74LS374CLKOCD0D7Q0Q71译码电路IOWAENA0A15D0D7WR1WR2XFERCS6.2.4D/A转换器与总线的连接图6-11不带输入寄存器D/A转换器的连接2.带输入寄存器D/A转换器的使用RfbIout2Iout1+_ADI0DI7Vout1DAC0832ILE+5V译码器IOWAENA0A15D0D7WR1WR2XFERCSRfbIout2Iout1+_ADI0DI7Vout2DAC0832ILEWR1WR2XFERCSXFERCS1CS2（1）（2）图6-12带输入寄存器D/A转换器的连接模拟输出12位DAC第2级12位锁存控制第1级低8位锁存控制第1级高4位锁存控制D0～D74位锁存器4位锁存器8位锁存器8位锁存器由同一个信号控制关键的2级锁存无需输出数据两级锁存接口电路MOVDX，PORT1_LMOVAL，BLOUTDX，ALMOVDX，PORT1_HMOVAL，BHOUTDX，ALMOVDX，PORT2OUTDX，AL3.D/A转换器芯片位数超过数据总线宽度模拟输出12位DAC第2级12位锁存控制第1级低8位锁存控制D0～D74位锁存器8位锁存器8位锁存器由同一个信号控制关键的2级锁存需要输出高4位数据MOVDX，PORT1_LMOVAL，BLOUTDX，ALMOVDX，PORT2MOVAL，BHOUTDX，AL简化的两级锁存电路【例6-2】DAC0832与总线的连接如图6-14a所示，设其输入寄存器的地址为INR_PORT，DAC寄存器的地址为DACR_PORT，通过DAC0832输出如图6-14b所示的三角波，试完成相应的程序设计。RfbIout2Iout1+_ADI0DI7VoutD0D7DAC0832ILE+5VINR_PORTDACR_PORTΔt000t0102FCFDFEFF000102vFEFDFC4.D/A转换的应用图6-14DAC0832输出三角波START:MOVAL，0UP:MOVDX，INR_PORTOUT DX，ALMOVDX，DACR_PORTOUTDX，ALCALLDELAY；延时INC AL；恢复AL为FFHJNZ UPDECALDOWN:DECALMOV DX，INR_PORTOUT DX，AL；MOVDX，DACR_PORTOUT DX，ALCALLDELAY；延时JNZ DOWNINCALJMPUP；下一个三角波START:MOVAL，0UP:MOVDX，INR_PORTOUT DX，ALMOVDX，DACR_PORTOUTDX，ALCALLDELAY；

延时INC ALJMPUP正向锯齿波Δt000t0102FCFDFEFFv000102FCFDFEFF00HFFHSTART:MOVAL，0FFHDOWN:MOVDX，INR_PORTOUT DX，ALMOVDX，DACR_PORTOUTDX，ALCALLDELAY；

延时DEC ALJMPDOWN反向锯齿波Δt0tFF000102vFEFDFCFF000102FEFDFC00HFFH●A/D转换器是可将模拟信号转换为n位二进制数的装置。●输出的是在幅值上离散的数字量。●输入的是在时间和幅值上连续变化的模拟量。6.3.1A/D转换原理●转换分四步进行：采样保持量化

编码6.3模/数（A/D）转换器1.采样、保持、量化和编码●采样：是指将时间上连续的模拟量F(t)转换成时间上离散（断续变化）的模拟量，其过程可用Fs(t)=F(t)S(t)表示。S(t)为采样脉冲序列，当S(t)=1时，Fs(t)=F(t)，当S(t)=0时，Fs(t)=0。●保持：是将采样所得到的模拟量幅值保持下来，即在S(t)=0期间保持最后瞬时的采样值，以使后续的AD转换有足够的时间进行处理，也为了控制量化误差。●量化：是AD转换的核心。数字信号不仅在时间上是离散的，数值大小的变化也是不连续的，即任何一个数字量的大小只能是某个规定最小数量单位的整数倍。量化就是用这个规定的最小数量单位将数值上连续的模拟量转换为为数值上离散的数字量。所取的最小数量大小就等于Δ。●编码：就是将量化得到的数值用某种码制表示出来，通常采用二进制的原码或偏移码，也有BCD码，或其他进制。2.并联比较型A/D转换器1viQQD153VREFVREF155VREF157VREF159VREF1511VREF1513VREF15VREFRRRRRRRR/2QQDQQDQQDQQDQQDQQD11111FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF111(22)d2d1d0电压比较器MSBLSB(21)(20)寄存器编码器CPC7C6C5C4C3C2C1图6.18并联比较型A/D转换器速度快成本高直接比较法逐次逼近型A/D转换器原理框图3.逐次逼近型A/D转换器构成：比较器C、D/A转换器、逐次逼近寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等组成部分。缓冲寄存器控制逻辑逐次逼近寄存器8位

D/A转换器比较器CLK启动信号转换结束vcD7D6D5D4D3D2D1D0C时钟脉冲源vi模拟输入从最高位开始的逐位试探法4.双积分型A/D转换器图6.20双积分型A/D转换器C控制逻辑RMSBLSBAAviS1-VREF计数器时钟脉冲源数字量输出转换控制比较器模拟输入积分器vovGS0S13.双积分式两个积分阶段实质是电压/时间变换IREFIinVinVREF积分器比较器V/IV/I时钟启动计数计数器数字输出T2T1Vc固定斜率时间可变固定时间斜率可变转换结束（3）转换精度●转换精度反映了A/D转换器的实际输出接近理论输出的精确程度。分为绝对精度和相对精度。●所谓转换时间是指完成一次A/D转换所需要的时间。取决于转换电路的类型。（4）转换时间●分辨率是指A/D转换器能够分辨最小量化信号的能力。一个n位的A/D转换器，其分辨率就是模拟输入为满量程的1/2n时的电平值。（1）分辨率6.3.2A/D转换器的主要性能指标（2）量化误差●量化误差是A/D转化时取整所产生的固有误差，对于四舍五入取整法，该误差在±1/2LSB之间。●

分辨率为8位。

零偏移和满量程误差均小于±1/2LSB。●8路模拟量输入通道，有通道地址锁存和数据输出三态锁存功能。●典型转换时间为100μs。●工作温度范围为-40～

+85度。●功耗为15mW。●

输入电压范围为0～+5V。●单一+5V电源供电。（1）主要性能（1）主要性能6.3.3典型A/D转换器芯片1.ADC0809

ADC0809是逐次比进行A/D转换芯片，内部有8路模拟开关可输入八个模拟量，三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。ADC0809采用单一的十5V电源供电，外接工作时钟为500kHz时，转换时间大约为128ms，工作时钟为640kHz时，转换时间大约为100ms。允许模拟输入为单极性，无需零点和满刻度调节，内部有8个锁存器控制的模拟开关，可以通过编程选择8个通道中的任一个。ADC0809的逻辑结构所示，其内部由256R电阻分压器、树状模拟开关（这两部分组成一个D/A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VREF（+）和VREF（－）。CLOCK端外接时钟信号，A/D转换器的启动由START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，并产生转换结束信号EOC。控制与时序逐次逼近寄存器SAR电阻网络电压比较器树状开关ADDAADDBADDC地址锁存有效ALE8路模拟开关START三态输出锁存缓冲器GND转换结束EOCIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7D0D1D2D3D4D5D6D7VREF（+）8路模拟信号输入A8位A/D转换器地址锁存与译码3位地址码输入VREF（-）VCC输出有效控制OE(LSB)8位数据输出(MSB)启动CLOCK时钟

ADC0809的内部结构

ADC0809的引脚功能ADC0809引脚如图所示。

ADC0809引脚

ADC0809的转换时序D0～D7OEADDA/B/CDATACLK=1/640kHz时，最大值：116s2s+8T(最大)200ns(最大)START转换启动信号EOC转换结束信号ADC0809的转换公式输入模拟电压输出数字量基准电压正极基准电压负极单极性转换示例基准电压VREF(+)＝5V，VREF(－)＝0V输入模拟电压Vin＝1.5V N＝（1.5－0）÷（5－0）×256 ＝76.8≈77＝4DH双极性转换示例基准电压VREF(+)＝＋5V，VREF(－)＝－5V输入模拟电压Vin＝－1.5V N＝（－1.5＋5）÷（5＋5）×256 ＝89.6≈90＝5AH6.3.3典型A/D转换器芯片2.AD1674AD1674是美国AD公司推出的12位逐次逼近型A/D转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持（SHA）、10V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/三态输出缓冲器。●

A/D转换器芯片的模拟输入电压，往往既可以是单端方式，也可以是差动方式。这种类型的A/D芯片常用V（+）、VIN（-）或IN（+）、IN（-）表示模拟输入端。●一种芯片，其输出端具有可控的三态输出门，此类芯片的输出端可直接与数据总线相连。例如ADC0809。●另一种芯片不具有三态输出特性，或虽内部三态门但不受外部控制，此类芯片的输出应经三态缓冲电路才能与数据总线相连。●

A/D转换器芯片的输出方式可分为两种：1.模拟输入的连接2.数据输出线与总线的连接6.3.4A/D转换器与总线的连接●

A/D转换器要求的启动信号可分为两种形式:电平启动信号使用电平启动信号的芯片如AD570、AD572采用脉冲启动信号的A/D芯片，如ADC0804、ADC0809、ADC1210等脉冲启动信号3.A/D转换的控制●若已知完成一次A/D转换的时间，在发出启动信号并延时该时间后直接读取转换结果，此种方式为I/O传输中的无条件输入方式。（1）固定延时方式1地址译码CS数字输出IORIOW地址STARTOEADCEOC1数据启动允许输出4.转换结束与数据读取图6-25

A/D转换器固定延时方式●以A/D转换结束信号EOC作为中断请求，向CPU申请中断来使CPU读取转换的结果，此种方式为I/O传输中的中断控制方式，如图所示。（2）中断方式INTR1地址译码CS数字输出IORIOW地址STARTOEADCEOC1数据启动允许输出4.转换结束与数据读取图6-25

A/D转换器中断方式●将A/D转换结束信号EOC作为I/O接口状态端口的状态位，CPU发出启动信号后不断地读取状态端口，测试相应的状态位以确定转换是否结束，此种方式为I/O传输中的查询方式。（3）查询方式1地址译码数字输出IORIOW地址STARTOEADCEOC1数据启动允许输出1CS1CS21EN4.转换结束与数据读取图6-25

A/D转换器查询方式●（4）双缓冲方式4.转换结束与数据读取CS+5V&1地址译码OE数字输出IOR地址STARTOEADCEOC8位三态锁存器数据图6-25

A/D转换器双缓冲方式●

A/D转换器的地线可分为两种类型在一个系统中有数字量又有模拟量，就会有两类芯片:5.地线的连接数字地模拟地

●数字电路芯片例如CPU、译码器、门电路等●模拟电路芯片如D/A转换电阻网络、运放等VccD0D1D2D3D4D5D6D7D0D7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7IORIOWPB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB78255AWRRDA1A0CSA1A00800H0803HD0D1D2D3D4D5D6D7ADDAPC7ADC0809CLKQQDQQD2MHzADDBADDCALESTARTEOCOEVccVREF(+)VREF(-)IN3GND4.7k4.7k5.A/D转换器的应用【例6-4】有一个ADC0809，与总线的连接如图所示，ADC0809的数据输出端通过8255A的PA端口与数据总线相连，其地址和ALE信号及START信号由8255A的PB端口中PB0~PB4提供，AD转换结束信号由PC4输入，可供CPU查询。若已知8255A各端口的地址范围为0800H0803H，试结合图6-26b所示的流程图编写完成一次A/D转换的程序。

ADC0809与总线的连接B8255=0800HMOVAL，10011000BMOVDX，B8255+3OUTDX，AL

MOVAL，0BHMOVDX，B8255+1OUTDX，AL

MOV