模拟量输入输出通道

第十章数/模和模/数转换§10.1概述§10.2数/模（D/A）转换§10.3模数（A/D）转换§10.4采样保持电路（略）1§10.1概述一、问题的提出

当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐等）。A/D转换器完成模拟量→数定量的转换，D/A转换器完成数字量→模拟量的转换。2

二、模拟接口⑴定义：A/DD/A转换器可视作一外部设备⑵功能：将微机系统的离散的数字信号和设备中连续变化的模拟量两者建立适配关系，使CPU能进行控制与监测。3三、模拟输入输出系统数字信号模拟信号现场信号1现场信号2现场信号n微型计算机放大器放大器放大器多路开关低通滤波传感器低通滤波传感器低通滤波传感器A/D转换器采样保持器数字信号受控对象控制信号模拟信号D/A转换器放大驱动电路…传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）

放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比多路开关把多个现场信号分时地接通到A/D转换器采样保持器周期性地采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变4一、D/A变换器的基本构成

模拟开关电阻网络运算放大器权电阻网络R-2R梯形电阻网络VrefRf

模拟开关电阻网络VO数字量∑§10.2数/模（D/A）转换5二、基本变换原理运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为：VinRf

VO∑R

→转到技术指标6若输入端有n个支路,则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：VinRf

VO∑R1Rn…7令每个支路的输入电阻为2iRf,并令Vin为一基准电压Vref，则有8如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为若Si=1,该项对VO有贡献；若Si=0,该项对VO无贡献对应的电路9权电阻网络2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf

VOS1S2S3S4S5S6S7S8这里，上式中的n=810如果用8位二进制代码来控制图中的S1～S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，则不同的二进制代码就对应不同输出电压VO；当代码在0～FFH之间变化时，VO相应地在0～-(255/256)Vref之间变化；为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。11R-2R梯形电阻网络12三、主要技术指标1、分辨率（Resolution）输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。分辨率的表示有两种：

•

最小输出电压与最大输出电压之比

•用输入端待进行转换的二进制数的位数来表示，位数越多，分辨率越高。分辨率的表示式为：分辨率=Vref/2位数或分辨率=（V+ref+V-ref)/2位数

若Vref=5V，8位的D/A转换器分辨率为5/256=20mV。13分辨率举例一个满量程为5V的10位D/A变换器，±1LSB的变化将使输出变化

5/210=5/1024=0.00488V=4.88mV（LSB-LeastSignificantBit）142、转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差可用最小量化阶⊿来度量：⊿=±1/2LSB也可用满量程的百分比来度量：如0.05%FSR(FSR-FullScaleRange)153、转换时间从开始转换到与满量程值相差±1/2LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2LSBtCVFULL164、线性度当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按比例变化的程度。

线性误差——模拟量输出值与理想输出值之间偏离的最大值。17DAC（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不同的要求，DAC的输入输出特性一般考虑以下几方面：（1）输入缓冲能力：DAC的输入缓冲能力是非常重要的，具有缓冲能力（数据寄存器）的DAC芯片可直接与CPU或系统总线相连，否则必须添加锁存器。（2）输入码制：DAC输入有二进制和BCD码两种，对于单极性DAC可接收二进制和BCD码；双极性DAC接收偏移二进制或补码。

二、DAC的输入输出特性：18（3）输出类型：DAC输出有电流型和电压型两种，用户可根据需要选择，也可进行电流→电压转换。（4）输出极性：DAC有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DAC芯片。191、接口的功能（CPU给DAC送数据无须条件查询）

DAC芯片与CPU或系统总线连接时，可从数据总线宽度是否与DAC位数据匹配、DAC是否具有数据寄存器两个方面来考虑，所以接口的功能主要考虑以下两点：（1）进行数据缓冲与锁存（2）需进行两次数字量输入时，可在受控条件下同时进行转换

2、接口形式（1）直通（2）通过外加三态门，数据锁存器与CPU相连（3）通过可编程的I/O接口芯片与CPU相连三、D/A转换器与CPU的接口20

1.DAC0832与CPU的接口（1）DAC0832的性能参数

DAC0832是一片典型的8位DAC芯片分辨率：8位电流型：内部有2级缓冲器转换时间：1mS功耗：20mW

四、D/A转换器接口的设计21

（2）DAC0832引脚和内部结构如图所示。

2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGND22DAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入寄存器DGNDDI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER232.DAC0832的数字接口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*、WR1*DAC寄存器（第2级锁存）的控制端XFER*、WR2*24直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE＝1，直通（输出等于输入）LE＝0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout125DAC0832的工作方式：直通方式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Iout126DAC0832的工作方式：单缓冲方式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Iout127DAC0832的工作方式：双缓冲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Iout1283.DAC0832的模拟输出Iout1、Iout2——电流输出端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29单极性电压输出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF30单极性电压输出：例子设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）×VREF31双极性电压输出：电路R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1＋I2＝032双极性电压输出：公式取R2＝R3＝2R1得Vout2＝－（2Vout1＋VREF）因Vout1＝－（D/28）×VREF故

Vout2＝[（D－27）/27）]×VREF33双极性电压输出：例子设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）]×VREF344.输出精度的调整RfbIout2Iout1Vout+_AGND调零电位器调满刻度电位器电源5VADI10K1M1KVREF355.地线的连接DGNDAGND模拟电路数字电路ADCDAC模拟电路数字电路模拟地数字地公共接地点366.应用举例利用DAC可实现任意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出，如输出锯齿波、三角波的程序段如下：JNZTN1MOVAL，0FFHTN2：OUTDX，ALDECAL

TRG：MOVDX，200HMOVAL，0HTN1：OUTDX，ALINCALJNZTN2JMPTN1产生0AL全“1”输出37输出锯齿波程序段如下：TRG：MOVDX，200HMOVAL，0HTN：OUTDX，ALINCALJMPTN

…………387.12位DAC连接由于微机的I/O指令一次只能输出8位数据，因此对于数据宽度大于8位DAC只能分两次输入数据，为此一般大于8位数据宽度的DAC内部均设计有两级数据缓冲，如12位DAC1210内部就有两级数据缓冲，内部结构如图所示。398位输入锁存器4位输入锁存器12位DAC存储器12位相乘型D/A转换器LELELELSBMSBDI1115DI1016DI917DI818DI719DI620DI54DI45DI36DI27DI18DI09BYTE123/BYTE2CS1WR12WR121WR22210Vref14Iout213Iout111Rfb24Vcc3AGND24DGNDDAC1210内部结构40在数据采集和过程控制中，被采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力。声波等），由于计算机只能处理离散的数字量，需要对连续变化的物理转换为数字量,这一操作过程就是A/D转换。AlanogyDATAA/DCPUI/O§10.3模数（A/D）转换41一、A/D转换器的分类1.按分辨率分：有4、6、8、10、14、16位——二进制

31/2位、51/2位——BCD码

2.按转换速度分；超高度——转换时间≤330NS

次超高速——转换时间≤3·3～33

高速——转换时间≤33～330

低速——转换时间≤3303·按转换原理分：直接A/D转换器——将模拟信号直接转换成数字信号间接A/D转换器——先模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量。如电压/时间转换型、电压/频率转换型、电压/脉宽等

42二、A/D转换的基本原理存在多种A/D转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合4种常用的转换技术计数器式逐次逼近式双积分式并行式→转到技术指标431.计数器式以最低位为增减量单位的逐步计数法时钟复位数字输出比较器模拟输入计数器D/A转换器转换结束442.逐次逼近式从最高位开始的逐位试探法时钟复位数字输出转换结束比较器模拟输入寄存器D/A转换器453.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464.并行式速度快成本高直接比较法编码电路VinVREF数字输出比较器RRRRRRR/2R/247三、A/D转换器特性

A/D转换器的功能是把模拟量转换为数字量，其主要参数有：（1）分辨率：指A/D转换器可转换成数字量的最小电压，是反映A/D转换器对最小模拟输入值的敏感度

所以分辨率一般表示式为：分辨率=Vref/2位数（单极性）或分辨率=（V+ref-V-ref)/2位数（双极性）

分辨率通常是用A/D的位数来表示，比如8位、10位、12位等·所以，A/D转换器的输出数字量越多。其分辨率越高。如：8为ADC满量程为5V,则分辨率为5000mV/256=20mV，也就是说当模拟电压小于20mV，ADC就不能转换了，48

（2）转换时间：指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定的数字量输出的时间。一般转换速度越快越好（特别是动态信号采集）。常见有：超高速（转换时间<1ns）、高速（转换时间<1µs）、中速（转换时间<1ms）低速（转换时间<1s)等。如果采集对象是动态连续信号，要求f采≥2f信，也就是说必须在信号的一个周期内采集2个以上的数据，才能保证信号形态被还原（避免出现“假频”），这就是“最小采样”原理。若f信=20kHz，则f采≥40kHz，其转换时间要求≤25µs.49（4）线性度：当模拟量变化时，A/D转换器输出的数字量按比例变化的程度（5）量程：指能够转换的电压的范围：0～5V，0～

10V等

（3）精度：有绝对精度和相对精度绝对精度——指定应于一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入之差。相对精度——指在整个转换范围内任一数字量所对应的模拟量实际值与理论值之差通常也用最小有效位的分数表示。502·转换时间

——指从启动转换信号被输入开始到结束获得稳定的数字量输出量为止所需的时间。

3·转换启动信号（电位启动和脉冲启动）

——在转换过程中必须保持高/低电平信号直有效，否则将导致转换出错。四、ADC的输入输出特性

1.输出数据位数

8位，10位，12位，16位等514·片上带有三态门输出琐存器——可直接与CPU的DB相连片上未带三态门输出琐存器——与CPU相连需外加琐存器5·转出数字量有二进制和BCD码

ADC的数字量输出线位数越多，说明其分辨率越高。6·模拟信号输入及通道

——模拟信号输入来自于外部信号输入对象，有单、多通道之分。52五、A/D转换器与微处理器的接口

1、接口应具备的功能；①A/D转换器的转换是由外部控制，需发送转换启动信号启动A/D进行A/D转换。②读取“转换结束”状态信号，用以查询转换是否结束若该状态信号有效，可用于产生中断请求或DMA请求。③对多个模拟量输入通道进行通道寻址方法：CPU通过DB送出对应模拟通道的编号，而不是通过地址总线送出。④发送采样/保持信号S/H，以控制采样/保持器进行采样与保持操作（需要时）。53

2.A/D转换器与CPU接口方式（1）与CPU直接相连：当ADC芯片内部带有数据输出锁存器和三态门时（如AD574、ADC0809等），它们的数据输出可直接与CPU或数据总线相连。（2）用三态门与CPU相连：对于内部不带数据输出锁存器的ADC芯片（如ADC1210、AD570等），需外接三态锁存器后才能与CPU或系统总线相连。（3）通过I/O接口芯片与CPU相连：无论ADC内部有无数据锁存器，都可使用与CPU配套的并行I/O芯片与ADC相连，这样可简化接口电路，而且可使A/D的时序关系及电平与CPU保持一致，工作更可靠。。54

﹡如先读低8位，后读高4位，则称为“右对齐”

3.A/D转换器接口电路的设计实例

注意点：①各ADC的转换启动、转换结束命令各不相同，需具体使用时注意。②进行12位A/D转换时，需分两次将12位数据送CPU的DB7～0。

﹡如先读高4位，后读低8位，则称为“左对齐”，读取高4位时是屏蔽字节中的高4位。后读先读ADC低8位高4位屏蔽55六、典型的D/A转换器芯片ADC0809：8通道（8路）输入8位字长逐位逼近型转换时间100μs内置三态输出缓冲器56主要引脚功能D7～D0：输出数据线（三态）IN0～IN7：8通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址ALE：通道地址锁存START：启动转换EOC：转换结束状态输出OE：输出允许（打开输出三态门）CLK：时钟输入（10KHz～1.2MHz）57内部结构STARTEOCCLKOED7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器8路模拟开关逐位逼近寄存器SAR树状开关电阻网络三态输出锁存器时序与控制地址锁存及译码D/A8个模拟输入通道8选158工作时序59ADC0809的工作过程由时序图知ADC0809的工作过程如下：送通道地址，以选择要转换的模拟输入；锁存通道地址到内部地址锁存器；启动A/D变换；判断转换是否结束；读转换结果60ADC0809的应用芯片与系统的连接编写相应的数据采集程序61芯片与系统的连接模拟输入端Ini：单路输入多路输入单路输入时ADDCADDBADDAIN4ADC0809输入多路输入时ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入0输入1输入2输入3输入4CPU指定通道号+5V62通道地址线ADDA-ADDC的连接多路输入时，地址线不能接死，要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用：简单接口芯片74LS273，74LS373等（占用一个I/O地址）可编程并行接口8255（占用四个I/O地址）ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入DB74LS273Q2Q1Q0CP来自I/O译码D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#来自I/O译码D0-D7A1A0A1A063数据输出线D0-D7的连接可直接连到DB上，或通过另外一个输入接口与DB相连；两种方法均需占用一个I/O地址D0-D7ADC0809DBOE来自I/O译码D0-D7ADC0809DBOE来自I/O译码直接连DB通过输入接口连DB74LS244+5VDIDOE1#E2#64ALE和START端的连接独立连接：用两个信号分别进行控制——需占用两个I/O端口或两个I/O线；统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿实现启动转换——只需占用一个I/O端口或一个I/O线。ADC0809ALESTART独立连接来自I/O译码1来自I/O译码2ADC0809ALESTART统一连接来自I/O译码65判断转换结束的方法软件延时等待（比如延时1ms），此时不用EOC信号------CPU效率最低软件查询EOC状态把EOC作为中断申请信号，接到8259的IR端在中断服务程序中读入转换结果，效率高EOC通过一个三态门连到数据总线的某个D端三态门占用一个I/O端口地址CPU效率低66ADC0809与系统的连接例D0IN0A15--A0IORIOWD7--D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译码器ADC080967判断转换结束的程序

用延时等待的方法

…… MOV DX,start_port OUT DX,AL ;启动转换

CALLDELAY_1MS ;延时1ms MOV DX,oe_port IN AL,DX ;读入结果

……

68判断转换结束的程序用查询EOC状态的方法

……MOVDX,start_port OUTDX,AL ;启动转换LL:MOVDX,eoc_port INAL,DX ANDAL,01H ;测试EOC状态

JZ LL MOV DX,oe_port IN AL,DX ;读入结果

……69七、数据采集系统设计该数据采集接口板可对16路模拟信号进行采集，A/D变换精度为5V/212=1.2mV，接口板具有数据保持电路，可对变化的模拟信号进行实时采集。1.多路转换开关

16路模拟信通过多路转换开关芯片AD7506进行切换，AD7506是一个16→1的模式电子开关，用于切换16个被测模拟信号输入端，使16路模式信号的采集共享一片ADC转换器。2.采样/保持器接口板的采样/保持器采用AD582芯片，采样/保持状态的控制由差分逻辑输入端+LogicIN和-Logicin完成，模拟信号的输入通过IN+和IN-端输入。703.ADC与DAC转换器接口板的A/D转换采用ADC574芯片，DAC采用DAC1210芯片，这两个芯片均是12位的ADC和DAC转换芯片，可保证A/D的信号通过D/A转换器进行完全的回放。4.地址译码器接口板的地址译码器采用3片74LS136异或门芯片和一片74LS138译码器芯片构成，接口板采用跳线K对I/O地址进行设置和改变。5.工作原理及程序控制该接口板的主要操作有通道选择命令、启动ADC转换命令、查询ADC转换是否结束、读取ADC转换数据等A/D转换器方面的命令，以及发送DAC转换数据、启动DAC转换器等。71⒈输入模拟电压的连接①有的芯片为单路模入(例AD570),有的可多路模入(例ADC0809由C、B、A选择)②模入电压既可是单极性的(例ADC0809),也可以是双极性的(例AD570)⒉A/D数据输出线和系统总线的连接

A/D芯片输出一般有如下几种方式:七、模数转换器与系统连接时需要考虑的问题72①输出带可控三态门,例ADC0809,可直接与系统总线相连。②A/D内部带有三态门,但不受外部控制,而是在转换结束时自动接通,这样从转换结束到取走数据这段时间内,数据总线始终被占据,这样就不能直接和系统总线相连(例AD570)。③有些AD芯片根本无三态输出门,例ADC1210,