2011年微机原理与接口技术-第7章

第7章数/模与模/数转换7.1数/模（D/A）转换7.2A/D转换7.3典型A/D转换器芯片7.4数据采集系统数字量（Digit）和模拟量（Analog）数字量：从键盘读入的字符代码，送往磁盘存储的文

件信息等。

模拟量：语音信号，送往VGA显示器的视频信号，以

及工业生产过程中温度、流量等物理量。它们随

着时间连续变化。为了使用计算机对模拟量进行采集、加工和输出，需

要把模拟量转换成便于数字计算机存储和加工的

数字量（A/D转换，ADC），或者把数字量转换

成模拟量(D/A转换，DAC)。D/A与A/D转换是计算机用于多媒体、工业控制等领

域的一项重要技术。图7-1模拟量输入输出通道1．传感器（变送器）把外部的物理量（例如：声音、温度、压力、流量

等）转换成电流或电压信号。2．A/D转换器（AnalogDigitConverter,ADC）将电压表示的模拟量转换成数字量，送计算机处理。

它是输入通道的核心环节。AD转换器输入模拟信号通常有以下几种电压范围：

单极性0~5V、0~10V、0~20V;

双极性±2.5V、±5V、±10V等。3．信号处理传感器输出的信号比较微弱，需要经过放大，获得ADC

所要求的输入电平范围。安装在现场的传感器及其传输线路容易受到干扰信号的

影响，需要加接滤波电路，滤去干扰信号。4．多路开关（Multiplexer）需要监测或控制的模拟量往往多于一个。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

一个ADC进行A/D转换。5．采样/保持器（SampleHolder）如果在一次转换期间，输入的模拟量有较大的变化，

那么转换得到的结果会产生误差，甚至发生错误。A/D转换期间保持输入信号不变的电路称为采样/保持

电路。转换开始之前，采样/保持电路采集输入信号（采样）转换进行过程中，它向A/D转换器保持固定的输出

（保持）。6．D/A转换器（DigitAnalogConverter,DAC）:D/A转换器将成数字量转换成模拟量输出。7.1数/模（D/A）转换7.1.1数/模转换原理7.1.2D/A转换芯片—DAC0832图7-21.权电阻D/A图7-32.R-2RT型电阻网络D/A转换器D/A转换器进行一次数字量到模拟量的转换需要的时间，

称为D/A转换时间，一般在500ns(纳秒,1ns=10-9s)左右。为了保存由计算机送来的数字信号，通常还需要配置一

个“数据寄存器”，向D/A转换器提供稳定的数字信号。图7-47.1.2D/A转换芯片—DAC08321．DAC0832的引脚信号DI0~DI7：8位数字量输入。ILE：数据锁存允许信号，高电平有效；CS#：输入寄存器选择信号，低电平有效；WR1#：输入寄存器的“写”选通信号，低电平有效。输入寄存器的锁存信号LE1#=(CS#+WR1#)#·ILE。

LE1#=1，输入锁存器状态随数据输入状态变化；

LE1#=0时，锁存输入数据。XFER#：数据转移控制信号，低电平有效；WR2#：DAC寄存器的“写”选通信号。DAC寄存器的锁存信号LE2#=WR2#+XREF#。

LE2#=1时，DAC寄存器的输出跟随输入变化；

LE2#=0时，锁存输入寄存器状态。VREF：基准电压输入。（＋10V～－10V）DAC0832的引脚信号Rfb：反馈信号输入，芯片内已连接有反馈电阻。IOUT1和IOUT2：电流输出引脚。IOUT1与IOUT2

的和为常数，IOUT1随DAC寄存器的内容线性变化。Vcc是工作电源；DGND是数字地，AGND为模拟

信号地。DAC0832的引脚信号为了保证转换精度，模拟信号部分应使用高精度基

准电源VREF和独立的地线。为了避免数字信号对模拟信号的干扰，提高输出的

稳定性，减少误差，应把数字地和模拟地分开：模拟地：模拟信号及基准电源的参考地；数字地：工作电源地，数据、地址、控制等数字

信号逻辑地。D/A转换器的输出一般都要接运算放大器，微小信

号经放大后才能驱动执行机构的部件。DAC0832的引脚信号图7-5DAC0832的连接2.DAC0832的应用直通输入：把CS#,WR1#,WR2#,XREF#都接地，由

微机的并口（例如8255）向0832输出。单缓冲：地址选通PORT0连接CS#。I/O写信号IOW#同

时连接到WR1#、WR2#和XREF#。执行一次输出指令可

以将数据写入。双缓冲方式：

在输出一个模拟信号的同时，可送入下一个数据，实现

多个DAC同时输出新的模拟量。

DAC0832占用两个端口地址，地址线A0=0时选中第一级，A0=1时选中第二级。

输出一个数据需要执行两条输出指令：第一条指令将数据写入0832的输入寄存器；第二条指令将数据从输入寄存器送入DAC寄存器图7-52.DAC0832的应用MOVAL,NUM ；被转换的数据送ALMOVDX,PORT0 ；输入寄存器偶地址送DXOUTDX,AL ；数据送到输入寄存器INCDX ；A0=1OUTDX,AL ；数据送入DAC寄存器双缓冲方式输出程序输出三角波的程序段S0： MOVAL，0 ;AL中置初值0，

S1: CALLOUTPUT ；输出三角波的上升段

INC AL

JNZ S1

DEC AL

S1： CALLOUTPUT ；输出三角波的下降段

DECAL ；产生下降段下一个值

JNZ S2 ；

JMP S1 ；下降段结束，

;输出下一个三角波输出锯齿波的程序段

MOV AL,0J1：CALL OUTPUT ；输出当前值

INC AL ；产生下一个输出值

JMP J1OUTPUT PROC NEAR

MOVDX,PORT0 ；DAC0832端口地址

OUTDX,AL

INCDX

OUTDX,AL;

PUSHAX

MOVAX,N ；延时的时间常数

WT: DEC AX

JNZWT ；延时

POP AX

RET

OUTPUT ENDP子程序“OUTPUT”

7.2A/D转换7.2.1信号变换中的采样、量化和编码7.2.2A/D转换原理7.2.3A/D转换器的主要技术指标7.2.1信号变换中的采样、量化和编码1.采样采样：模拟信号的大小随着时间不断地变化，按一定的规律和周期取出其中的某一瞬时值进行转换。采样定理：采样频率要高于或至少等于输入信号最高频率的2倍，实际应用中，采样频率可以达到信号最高频率的4～8倍。采样保持：对于变化较快的输入模拟信号，A/D转换前可采用采样保持器，使得在转换期间保持固定的模拟信号值。2.量化量化是把采样值取整为最小单位的整数倍。量化的最小单位称为量化单位Δ，它等于输入

信号的最大值/数字量的最大值，对应于数字量1。模数转换关系也可以用曲线表示图7-73.编码量化得到的数值通常用二进制表示。对有正负极性（双极性）的模拟量一般采用偏移码表示。

例如，8位二进制偏移码10000000代表数值0，

00000000代表负电压满量程，

11111111代表正电压满量程

（数值为负时符号位为0，为正时符号位为1）。7.2.2A/D转换原理这种方式的转换中有两个积分时间：

T0：用模拟输入电压对电容积分的时间

这个时间是固定的；

T1：以电容充电后的电压为初值，对参考电源

VRef反向积分，也就是积分电容被放电至

零所需的时间（或T2）。1.双积分型A/D转换器图7-8双积分型A/D转换器Vi/VRef=T1/T0。由于VRef、T0固定，通过测量放电时间T1，可求出输入模拟电压Vi的大小。双积分型A/D转换测量输入电压Vi在T0时间内的平均值，所以对常态干扰（串模干扰）有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号，抑制效果更好。双积分型的A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，精度高，但是转换速度比较慢，通常为ms级，一般用于低频信号的测量。双积分型A/D转换器图7-92.逐次逼近型的A/D转换器逐次逼近式的A/D转换器的特点（1）转换速度较快，转换时间在1～100μs以内，

分辨率可达18位，适用于高精度、高频信号

的A/D转换；（2）转换时间固定，不随输入信号的大小而变化；（3）抗干扰能力较双积分型弱。采样时，干扰信号会造成较大的误差，需要采取适当的滤波措施。图7-103.跟踪计数式模数转换器图7-114.∑-△型模数转换器（设输入模拟量Vin=1/4VREF）∑-△型模数转换器以串行数据流方式输出结果；转换精度为1LSB；

转换完成后，比较器输出0/1相间的数字流；输入模拟量Vin发生变化，输出数字流随之变化。模拟量输入端接有多路开关时，通道切换后要等

待足够长的时间，才能读取转换结果。∑-△型模数转换器抗干扰能力强，转换精度高，常用于高分辨率（常见为16、18、24位）的中、低频信号测量。AD7714是一个∑-△型模数转换器芯片，转换精度24位。∑-△型模数转换器1.分辨率分辨率反映A/D转换器对输入微小变化的响应能力，用数字量最低位（LSB）所对应的模拟输入电平值(Δ)表示。分辨率直接与转换器的位数有关，也可以用数字量的位数来表示分辨率。注意：分辨率与精度是两个不同的概念。

分辨率高的转换器，精度不一定高。7.2.3A/D转换器的主要技术指标2.精度(有绝对精度和相对精度两种)（1）绝对误差绝对误差等于实际转换结果与理论转换结果之差。也可以用数字量的最小有效位（LSB）的分数值表示。例如:±1LSB，±1/2LSB，±1/4LSB等（2）相对误差相对误差是指数字量所对应的模拟输入量的实际值与

理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。例：10位A/D芯片，输入满量程10V，

绝对精度±1/2LSB（△＝9.77mV）绝对精度为：1/2△（＝4.88mV）相对精度为：4.88mV/10V＝0.048％。3.转换时间

完成一次A/D转换所需要的时间。

（发出转换命令信号到转换结束的时间） 转换时间的倒数称为转换速率。

例：AD574的转换时间25μs，

转换速率为40KHz（=1/25μs）4.量程量程：被转换的模拟输入电压范围，

分单极性、双极性两种类型。单极性常见量程为0～5V，0～10V，0～20V；双极性量程常为－5V～＋5V，－10V～+10V。5.逻辑电平与输出方式 多数A/D转换器输出的数字信号与TTL电平兼容，以并行方式输出。 ∑-△A/D转换芯片以串行方式输出数据，这对单片机类CPU连接是很方便的。6.工作温度范围 温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等部件的工作产生影响。 A/D转换器的工作温度范围一般为0～70℃。 军用品为－55℃～＋125℃。7.3典型A/D转换器芯片逐次逼近型8位A/D转换芯片；片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量；单极性，量程为0～5V；典型的转换速度100μs；片内有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线连接；有较高的性能价格比，适用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域。7.3.1ADC0809图7-121.模拟输入部分模拟输入部分由8选1多路开关，地址锁存与译码逻辑组成。从IN0~IN7引脚输入8路单端模拟信号；由三位地址输入ADDA，ADDB，ADDC译码选择8路中的一路，ALE为高电平时，三个地址信号被锁存。2．A/D变换器部分由逐次逼近寄存器SAR（8位）、比较器、电阻网络等控制逻辑组成。3.基准电压输入VREF(+)和VREF(－)它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值对转换精度要求不高时，可以把VREF(+)接到Vcc（+5V）电源上，VREF(－)接GND（地）为了避免数字脉冲信号对基准电源的干扰，可以设置独立的VREF(+)和VREF(－)，加在两个引脚的电压必须满足以下条件：

VREF(+)+VREF(－)=Vcc，偏差值≤±0.1V Vcc≥VREF(+)≥VREF(－)≥0图7-134．ADC0809的时序（1）ALE信号锁存地址信号ADDA~ADDC。对应的模拟信号进入0809（2）START脉冲启动A/D转换（3）转换完成后，转换结束信号EOC变为高电平：可以作为状态信号由CPU查询；可以作为中断请求信号通知CPU。（4）CPU在查询式I/O程序或中断服务程序中：执行输入指令（读ADC0809数据端口）；该指令经地址译码电路产生OE信号，0809内三态缓冲器被打开，转换结果通过数据总线进入CPU。ADC0809的工作过程ADC0809与系统有三种常见的连接方法：（1）占用三个I/O端口： 端口1用来向0809输出模拟通道号并锁存； 端口2用于启动转换； 端口3读取转换后的数据结果。（2）占用二个I/O端口： 端口1输出模拟通道号并锁存，同时启动转换； 端口2读取转换后的数据结果。（3）通过并行接口芯片（例如8255A）连接。5.ADC0809芯片应用举例图7-14ADC0809芯片应用举例START:MOVAL,98H ;8255A方式字：方式0，A口输入，B口输出 MOV DX,03FFFH;8255A控制端口地址 OUT DX,AL ;送8255A方式字 MOV AL,0BH ;通道号3、ALE信号 MOV DL,0FDH ;8255A的B口地址 OUT DX,AL ;送通道号3及ALE信号 MOV AL,1BH ;增加启动信号START OUT DX,AL ;启动A/D转换ADC0809转换程序 MOV AL,0BH ; OUTDX, AL ;撤销START信号

MOVDL,0FEH ;8255A的C口地址TST:IN AL,DX ;读C口状态 ANDAL,10H ;查询EOC状态 JZTST ;如未转换完，再测试 MOVDL,0FCH ;8255PA端口地址 IN AL,DX ;从A端口读入转换结果 ………ADC0809转换程序（续）1.AD转换器AD574的主要特性：美国AD公司的产品12位逐次逼近式A/D转换器，8位/12位A/D转换12位数据可以一次输出，也可以分二次输出三态缓冲输出；带有基准源和时钟；转换时间：25μs（12位）；分辨率：12位；精度：±1LSB。7.3.2AD574AAD574共有28根引脚，DIP封装（1）12位数字量输出：DB11~DB0（2）模拟量输入：10VIN及20VIN，双极性±5V或

±10V输入，单极性0～＋10V或0~+20V输入AD574的引脚信号CS#－片选信号，低电平有效。CE－芯片允许信号，高电平有效。R/C#－读出和转换控制信号，=1为读，=0为转换。12/8#－数据输出格式选择控制线，＝1时12位同时输出；＝0时高8位、低四位分两次输出，左对齐格式A0－字节方式下的高/低字节选择控制线。STS－状态输出信号线转换过程中，STS为高电平转换完成后，该脚为低电平。BIP－输入信号极性选择，接地时输入单极性信号；接+10V时输入双极性模拟信号（输出偏移码）（3）AD574的控制信号：图7-15AD574的引脚信号图7-163.AD574的输入连接图7-174.AD574A的输出接口（字节方式）以8位总线接口为例，直接读取（固定延时）方式实现一次转换的程序如下：

OUT80H,AL ；启动12位转换 CALLDELAY ；延时，等待转换结束 INAL,80H ；读入高8位 MOVAH,AL INAL,81H ；读入低位字节，转换值在AX的高12位中 MOV CL,4 SHR AX, CL ；把转换值移入AX低12位7.4数据采集系统某公司电镀线微机集散控制系统：一个以工控PC（PC－Busindustrialcomputer）为核心的数据采集系统。系统功能：检测电镀工艺参数（温度、电流、安培小时累计）电镀槽温度控制，加料控制。行车控制图7-18电镀线微机集散控制系统工业控制数据采集系统以往用单片机，单板机配以各种AD，DA芯片自行设计模拟量输入输出通道。优点：成本低，结构紧凑。缺点：软硬件开发周期长，难度大。工控PC特点：使用标准化的机箱，整机抗震、防尘能力强；有抗干扰能力极强的电源和主板，能24小时连续工作。软件开发以高级语言为主，设计周期短，软件的调试、移植较汇编语言方便。配有有各种商品化的I/O、A/D、D/A接口卡，结构紧凑，性能稳定，用户可迅速组装成一套完整数据采集系统，系统升级方便。7.4.1工控PC简介多功能ISA总线接口卡：16路开关量I/O16路A/D（12位）1路D/AA/D转换使用AD574，配以16路模拟开关及量程切换占用16个端口地址，基地址由开关设定7.4.2PCL818多功能接口卡（1）中断方式采样及数字滤波 对8个点的温度数据定时巡回采集 在1CH定时中断服务程序中(每55ms进入一次)对8路温度模拟量进行查询式输入，一路A/D转换时间小于40μs，8路采样所耗费的时间小于0.5ms。7.4.3数据采集软件设计（2）采用移动算术平均方法进行“数字滤波”。构造一个“先进先出（FIFO）”队列，每采样一次，把15个数据顺序向前移动一个位置，新的数据放入这个队列的尾部。将本次的采样值与前15次采样值相加，求出的平均值作为本次的采样值。本例中，对于8个点的数据采集，构造了二维数组ti[8][16]，每一路温度存入数组的一行ti[i]，滤波后（3）非线性标度变换实际的传感器存在着“非线性”，可以把温度K和转换值AD之间的关系近似看作由3个点表示的二条“折线”。测量每个传感器的三点6个坐标值，N路A/D有N×6个参数，将这些数据存放在TEMP.TXT文件中。根据每个传感器的6个坐标值(k1，k2，k3，ad1，ad2，ad3)计算相应的物理量。

测量值AD和它所对应的温度K之间的转换公式为：

AD>AD2时：

K=K2+(K3-K2)(AD-AD2)/(AD3-AD2) AD<AD2时：

K=K1+(K2-K1)(AD-AD1)/(AD2-AD1)图7-19三点式折线补偿法（4）更换传感器后，需要修改对应的参数：调整生产现场的工况使温度达到k2，测定出相应的A/D值NewAD2。相同型号传感器的转换曲线形态基本相同，其余点（AD1、AD3）用下面公式修正（上、下移动）： AD2=NewAD2 AD1＝AD1＋（NewAD2－AD2） AD3=AD3+（NewAD2－AD2）新的参数值需要写入参数文件“TEMP.TXT”供以后使用 传感器参数的整定 /*符号名、全局变量和函数声明*/#include“dos.h”#defineN8 /*采样点数*/#defineBASE0x300 /*AD818卡基地址*/#defineINTERRUPT0x1c/*定时中断类型号*/int ad;staticunsignedt[N],tkad[N][6],tad[N],t1[N][16];voidfarhandler(); /*函数handler()声明*/voidinterruptfar(*oldhandler)(); /*定义oldhandler为指向中断服务程序的指针*/3.温度数据采集程序

main() {FILE*fp; inti,j; ………….. oldhander=getvect(INTERRUPT); /*读出原1CH中断向量*/

setvect(INTERRUPT,handler); /*把新的1CH中断向量写入向量表*/主函数（1）----设定中断向量*/if(fp=fopen(“TEMP.TXT”,“r”)==NULL) {printf(“CannotopenTEMP.TXT\n”); exit(1);} /*打开标定参数文件*/for(i=0;i<=N-1;i++)for(j=0;j<=5;j++)fscanf(fp,“%d”,tkad[i][j]); /*把标定参数读入数组tkad[N][6]*/…………..主函数（2）----读传感器参数文件kad（k,k1,k2,k3,ad1,ad2,ad3）int*k,k1,k2,k3,ad1,ad2,ad3；/*函数kad把测量得到的值ad转换成对应的温度值k*/{floatkf；

if(ad>ad2){kf=((float)(ad－ad2)/(ad3－ad2))*(k3－k2); *k=k2+（int）kf;}else {kf=((float)(ad－ad1)/(ad2－ad1))*(k2－k1); *k=k1+（int）kf;}/*转换结果通过指针k返回*/}kad----传感器数据转换函数AD818(intscan) {intlbit,hbit,it=0,result;outportb(BASE+2,scan);/*向AD818输出通道号*/

outportb(BASE+1,0);/*AD输入量程控制*/outportb(BASE+9,0);/*不使用中断或DMA*/outportb(BASE+0,0);/*启动AD转换*/AD818----AD转换函数（1）Do{it=it+1;result=inportb(BASE+8)&128;}while(result!=0&&it<=10000);/*读出AD状态寄存器，查询EOC，等待AD转换完成*/lbit=inportb(BASE+0)