第10章 数摸和模数转换接口

第10章数/模和模/数转换接口10.1概述10.2数/模（D/A）转换器10.3模/数（A/D）转换器习题与思考题10.1概述在生产控制过程中，计算机既要实现对生产设备的检测，又要实现对生产设备的控制。检测：需将模拟量转换成数字量。

从模拟量到数字量的转换称为模/数转换，简称A/D转换。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简称ADC。控制：需将数字量转换成模拟量。

从数字量到模拟量的转换称为模/数转换，简称D/A转换。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简称DAC。

A/D和D/A转换电路分别是模拟量输入通道和模拟量输出通道的核心。微型计算机控制系统结构框图1、模拟量输入通道10.1概述2、模拟量输出通道

1.模拟量输入通道（1）传感器传感器是把工业生产中非电物理量转换成电量（电流、电压）的器件。如热电耦等。工业控制中，传感器输出的电信号在输入到A/D转换器之前必须添加适当的外围转换电路，如各种变送器，将传感器输出的微弱电信号或电阻值等转换成0～10mA或4～20mA电流信号或0～5V电压信号。10.1概述

1.模拟量输入通道（1）传感器（2）信号处理环节主要包括信号放大电路和滤波电路等。用于信号的放大和滤去干扰信号。10.1概述

1.模拟量输入通道（1）传感器（2）信号处理环节

（3）多路转换开关采用多路模拟开关，使多个模拟量共用一个A/D转换器进行A/D转换。10.1概述

1.模拟量输入通道（1）传感器（2）信号处理环节

（3）多路转换开关（4）采样保持器采样保持电路是在A/D转换期间采样输入量并保持一段时间的电路。为了保证转换精度，可用采样保持器在A/D转换期间，保持采样输入信号大小不变。10.1概述

1.模拟量输入通道（1）传感器（2）信号处理环节

（3）多路转换开关（4）采样保持器

（5）A/D转换器

A/D转换器是模拟量输入通道的核心环节，其作用是将模拟输入量转换成数字量。双极性为0～±2.5伏、0～±5伏、0～±10伏；单极性为0～5伏、0～10伏、0～20伏等。10.1概述

1.模拟量输入通道（1）传感器（2）信号处理环节

（3）多路转换开关（4）采样保持器

（5）A/D转换器

2．模拟量输出通道主要由锁存器、D/A转换器、放大驱动电路组成。锁存器是用来保持数字量稳定的。功率放大器是作为模拟量输出的驱动电路。10.1概述10.2数/模转换器11.2.1D/A转换器的工作原理

D/A转换的基本原理是把数字量的每一位代码按权大小转换成模拟分量，然后根据叠加原理将各代码对应的模拟输出分量相加。D/A转换器的主要部件是电阻开关网络，网络形式有权电阻网络和倒T型电阻网络等。

1．权电阻网络D/A转换法电阻值为2iR合上时Si=1，断开时Si=0例如：输入为10000110B（8位A/D转换）则输出为：

Vo=-（134/256）Vref特点：

D/A转换器的转换精度与基准电压Vref的精度、权电阻和电子开关Si的精度及位数有关。缺点：精密电阻难制造10.2.1D/A转换器的工作原理2.倒T型电阻网络D/A转换法

输出模拟电压Vo与输入的关系为：特点：1.电阻网络只用两种阻值组成；2.各位开关的状态由数据锁存器的对应位决定。10.2.2D/A转换器的主要技术指标

1.分辨率（Resolution）分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟量，取决于输入数字量的二进制位数，通常用数字量的位数来表示。

一个n位的DAC所能分辨的最小电压增量定义为满量程值的2-n倍。如：满量程为10V的8位DAC芯片的分辨率为10V×2-8＝39mV；一个同样量程的16位DAC的分辨率最高达10V×2-16＝153μV。10.2.2D/A转换器的主要技术指标

1.分辨率（Resolution）

2.转换精度（ConversionAccuracy）转换精度是指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。该误差是由于D/A增益误差、零点误差和噪声等引起的。通常，DAC的转换精度为分辨率的一半，即为LSB/2。LSB是分辨率，是指最低1位数字量变化引起输出电压幅度的变化量。10.2.2D/A转换器的主要技术指标

1.分辨率（Resolution）

2.转换精度（ConversionAccuracy）

3.偏移量误差（OffsetError）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。这种误差通常可以通过DAC外接Vref和电位计加以调整。10.2.2D/A转换器的主要技术指标

1.分辨率（Resolution）

2.转换精度（ConversionAccuracy）

3.偏移量误差（OffsetError）

4.线性度（Linearity）线性度是指DAC实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏差。通常，线性度不应超出±LSB/2。10.2.2D/A转换器的主要技术指标

1.分辨率（Resolution）

2.转换精度（ConversionAccuracy）

3.偏移量误差（OffsetError）

4.线性度（Linearity）除了上述指标外，转换速度（ConversionRate）和温度灵敏度（TemperatureSensitivity）等也是DAC的重要技术参数。10.2.3典型D/A转换器芯片

D/A转换器有两大类：一类在电子电路中使用，不带使能端和控制端，只有数字量输入和模拟量输出线；另一类是专为微型计算机设计的，带有使能端和控制端，可以直接与微机相连。按转换方式分：分为并行和串行等；分类按输出形式分：分为电压型和电流型两类。按生产工艺分：有TTL、MOS型等；按字长分：有8位、10位、12位等；1.DAC0832DI7～DI0：D/A转换器数字量输入信号。其中，DI0为最低位，DI7为最高位。CS：片选输入信号。WR1：D/A转换器的数据写入信号1。ILE：输入寄存器的允许信号。XFER：从输入寄存器向DAC寄存器传送D/A转换数据的控制信号。WR2：DAC寄存器的选通信号。（1）DAC0832的引脚1.DAC0832Vcc：芯片电源，其值可在＋5～＋15V之间。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。Rfb：内部反馈电阻引脚，用来外接D/A转换器输出增益调整电位器。Vref：D/A转换器的基准电压，其范围可在－10～＋10V之间选定。IOUT1：输出电流1，当输入数字为全“1”时，其值最大。IOUT2：输出电流2，与IOUT1之和为常数。（1）DAC0832的引脚1.DAC0832（2）DAC0832的工作方式

DAC0832有直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。

①直通工作方式

条件：CS、WR1、WR2、XFER均接地，ILE接高电平。

特点：八位数字量一旦到达DI7～DI0输入端，就立即进行D/A转换而输出。1.DAC0832（2）DAC0832的工作方式

DAC0832有直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。

①直通工作方式

②单缓冲工作方式

条件：两个寄存器中任一个处于直通状态，另一个工作于受控锁存状态。一般是使DAC寄存器处于直通状态，即把WR2和XFER都接数字地。

特点：数据只要一写入DAC芯片，就立即进行数模转换，可减少一条输出指令。1.DAC0832（2）DAC0832的工作方式

DAC0832有直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。

①直通工作方式

②单缓冲工作方式③双缓冲工作方式条件：CPU要对DAC芯片进行两步写操作；ILE接高电平，WR1、WR2均接CPU的IOW，CS、XFER接地址译码信号。

优点：数据接收和转换启动异步进行，提高转换速率。1.DAC0832（3）DAC0832的主要技术性能

电流建立时间：1μs；分辨率：8位；线性误差：0.2%FSR；非线性误差：0.4%FSR；工作方式：双缓冲、单缓冲、直接输入；数字输入：与TTL兼容；增益温度系数：0.002%FSR/℃；低功耗：20mW；单电源：+5～＋15V；参考电压：＋10V～－10V。2.DAC1210

DAC1210是12位D/A转换器芯片，是一种高性能的D/A转换器。是24引脚的双列直插式芯片。

与DAC0832不同点12位的数据输入端12位数据输入寄存器由一个8位的输入寄存器和一个4位的输入寄存器组成。两个输入寄存器的输入允许控制都要求CS和WR1为低电平，但8位输入寄存器的数据输入还要求端B1/B2为高电平

2.DAC1210DI11～DI0：12位输入。CS：片选输入信号。WR1：写控制信号1。AGND：模拟地。Vref：参考电压。WR2：写控制信号2。Rbf：外部放大器的反馈电阻接线端。DGND：数字地。IOUT1：电流输出端1。IOUT2：电流输出端2。XFER：数据转换控制信号。B1/B2：字节控制。（1）DAC1210的引脚2.DAC1210（2）DAC1210的主要技术性能输入：12位数字量；输出：模拟量电流IOUT1和IOUT2；电流稳定时间：1μs；功耗：20mW；工作电压：单一＋5～＋15V电源；参考电压：可工作在＋10～－10V范围内；输入逻辑电平：与TTL兼容；芯片内有锁存器，可直接连到CPU的数据总线上；工作环境温度范围：－40℃～＋85℃；工作方式：双缓冲、单缓冲和直接输入三种工作方式。10.2.4D/A转换器与微处理器的接口

D/A转换器与微处理器的连接包括三部分，即数据线、控制线和地址线。

1．8位D/A转换器与CPU的接口对于8位D/A转换器，简单的连接方法是通过8位数据锁存器（例如，8D锁存器74LS273）与8位微处理器的总线相连。（1）直通方式（2）单缓冲方式②三角波程序START：MOV AL， 0DOWN：OUT 0FEH， AL INC AL JNZ DOWN MOV AL， 0FEHUP： OUT 0FEH， AL INC AL JNZ UP JMP DOWN HLT①锯齿波程序START：MOV AL， 0LP：OUT 0FEH，ALINC ALJMP LPHLT③方波程序START: MOV AL, 33H OUT 0FEH, AL CALL DELAY MOV AL, 0FEH OUT 0FEH, AL CALL DELAY JMP START DELAY:… HLT

例10-1DAC0832用作波特率发生器。试根据图11.6接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序。

10.2.4D/A转换器与微处理器的接口10.2.4D/A转换器与微处理器的接口（3）双缓冲方式在双缓冲方式下，每个DAC0832应为CPU提供两个I/O端口。8086和DAC0832在双缓冲方式下的接线如下图。

相应程序如下：MOV DX， 0DFFFH;指向DFFFH地址MOV AL， Xdata ;X坐标值OUT DX， AL ;X坐标值写入1＃DAC0832MOV DX， 0F7FFH;指向F7FFH地址MOV AL， Ydata ;Y坐标值OUT DX， AL ;Y坐标值写入2＃DAC0832MOV DX， 7FFFH ;指向7FFFH地址OUT DX， AL ;启动1＃和2＃DAC0832工作…10.2.4D/A转换器与微处理器的接口

2.12位D/A转换器与CPU的接口当D/A转换器分辨率大于8位时，与8位微处理器的接口就需要采取适当措施。例如，对一个12位的D/A转换器，可以分成低8位和高4位。下图是12位D/A转换器与8位微处理器的典型接口。10.2.4D/A转换器与微处理器的接口

10.2.4D/A转换器与微处理器的接口

A/D转换器把输入模拟电压或电流变成与它成正比数字量的转换电路，即把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息，以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。10.3模/数（A/D）转换器计数器式A/D转换器：结构简单，转换速度慢,很少采用；分类并行A/D转换器：转换速度最快，结构复杂，造价较高。双积分式A/D转换器：抗干扰能力强，转换精度高，速度不够理想，常用于数字式测量仪表中

；逐次逼近式A/D转换器：结构不太复杂，转换速度较高；

11.3.1A/D转换器工作原理

1.双积分式的A/D转换器双积分式也称二重积分式，其原理框图见下图。其实质是测量和比较两个积分的时间，一个是模拟输入电压积分时间，此时间往往是固定的；另一个是充电后的电压为初值，对参考电压Vref反相积分，积分电容被放电至零所需的时间T1（或T2等）。

10.3.1A/D转换器工作原理工作过程

1.积分电容完全放电，并将计数器清零。

2.使开关K先接通输入电压Vi端，积分器对Vi定时积分

3.使K合向基准电压Vref端，并让计数器开始计数从两次积分的波形图可以看出，正向积分时间T0固定的情况下，反向积分时间Ti（图11.17(b)中的T1或T2）正比于输入电压Vi，Ti的数值可由计数器得到。下面对两个阶段的积分作一些定量分析。第一阶段，K合向Vi积分器对模拟输入电压Vi固定时间（T0）积分，输出VA为：

即积分器的输出VA与模拟输入电压Vi的平均值成正比。

第二阶段，开关K合向基准电压Vref端时，积分器对Vref进行反向积分，直至积分器输出为0，即:两式整合得：10.3.1A/D转换器工作原理10.3.1A/D转换器工作原理逐次逼近式（也称逐位比较式）A/D转换器转换实质是，逐次把设定的SAR寄存器中的数字量经D/A转换后得到电压VC,与待转换模拟电压VX进行比较。比较时，先从SAR的最高位开始，逐次确定各位的数值应是“1”还是“0”。其原理如下图所示：工作过程1、先将SAR寄存器各位清零。2、设定SAR寄存器的最高位为“1”，其余位为“0”，此试探值经D/A转换成电压VC，然后将VC与模拟输入电压VX比较。若小则保留，若大则该位清零。3、再对SAR寄存器的次高位置“1”，依上述方法进行D/A转换和比较。如此重复上述过程，直至确定SAR寄存器的最低位为止。该图为四位A/D转换器的逐次逼近过程转换结果能否准确逼近模拟信号，主要取决于SAR和D/A位数。位数越多，越能准确逼近模拟量，但转换所需的时间也越长。逐次逼近式的A/D转换器的主要特点是：（1）转换速度较快，在1～100μs以内，分辨率可以达18位，特别适合于工业控制系统。（2）转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。（3）抗干扰能力相对积分型的差。10.3.1A/D转换器工作原理

1.分辨率（Resolution）分辨率反映A/D转换器对输入微小变化相应的能力，通常用数字量输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电平值表示。例如，8位A/D转换器能对输入满量程1/28的增量作出反应。n位A/D能反应1/2n满量程的输入电平。10.3.2A/D转换器主要技术性能

1.分辨率（Resolution）

2.精度（Accuracy）精度有绝对精度（AbsoluteAccuracy）和相对精度（RelativeAccuracy）两种表示方法。

10.3.2A/D转换器主要技术性能

1.分辨率（Resolution）

2.精度（Accuracy）

3.转换时间（ConversionTime）转换时间是完成一次A/D转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。例如AD570的转换时间为25μs，其转换速率为40KHz。10.3.2A/D转换器主要技术性能

1.分辨率（Resolution）

2.精度（Accuracy）

3.转换时间（ConversionTime）

4.电源灵敏度（PowerSupplySensitivity）电源灵敏度是A/D转换芯片的供电电源的电压发生变化时，产生的转换误差。一般用与电源电压变化1％时相当的模拟量变化的百分数来表示。10.3.2A/D转换器主要技术性能

1.分辨率（Resolution）

2.精度（Accuracy）

3.转换时间（ConversionTime）

4.电源灵敏度（PowerSupplySensitivity）

5.量程量程是指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。例如，单极性：量程为0～＋5V，0～＋10V，0～＋20V

双极性：量程为－5～＋5V，－10～＋10V10.3.2A/D转换器主要技术性能

1.分辨率（Resolution）

2.精度（Accuracy）

3.转换时间（ConversionTime）

4.电源灵敏度（PowerSupplySensitivity）

5.量程

6.输出逻辑电平多数A/D转换器的输出逻辑电平与TTL电平兼容。在考虑数字量输出与微处理器的数据总线接口时，应注意是否要三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等问题。10.3.2A/D转换器主要技术性能

1.分辨率（Resolution）

2.精度（Accuracy）

3.转换时间（ConversionTime）

4.电源灵敏度（PowerSupplySensitivity）

5.量程

6.输出逻辑电平

7.工作温度范围由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。一般A/D转换器的工作温度范围为0～70℃，军用品的工作温度范围为－55～＋125℃。10.3.2A/D转换器主要技术性能

1.ADC0809ADC0809是逐次逼近型8位A/D转换芯片。片内有8路模拟开关，可输入八个模拟量。单极性，量程为0～5伏。典型的转换速度为100μs。片内带有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。10.3.3典型A/D转换器芯片10.3.3典型A/D转换器芯片模拟输入部分

变换器部分

三态输出缓冲器

基准电压输入端（2）ADC0809的时序

ADC0809靠脉冲启动，为START是脉冲信号

当模拟量送至某一通道后，由三位地址信号译码选择：①地址信号由地址锁存允许ALE（AddressLatchEnable）锁存，ALE高电平有效。②输出转换结束信号EOC由低电平变为高电平表示转换完成。③输出允许信号OE（OutputEnable）为高电平时，打开输出三态缓冲器的门，把转换结果送到数据总线上。

CPU与ADC接口时必须弄清并处理好三个问题：①要给START线送一个100μS宽的启动正脉冲；②获取EOC引脚上的状态信息，它是A/D转换的结束标志；③给“三态输出锁存器”分配一个端口地址。10.3.3典型A/D转换器芯片

2.AD574A（12位逐次逼近式ADC）（1）AD574A的结构特点（与ADC0809对比）①AD574A内部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，可以与微机直接接口。②AD574A的转换时间可达25μs。③AD574A输入模拟电压既可以单极性也是双极性：单极性输入时为0～＋10V或0～＋20V；双极性输入时为±5V或±10V之间；ADC0809输入模拟电压为0～＋5V，单极性。④AD574A数字量位数可以设定为8位，也可以设定位12位。10.3.3典型A/D转换器芯片（2）AD574A的引脚功能（28引脚双列直插式封装）10.3.3典型A/D转换器芯片①模拟量输入线（3条）10VIN为10V量程的模拟电压输入线，单极性时为0～＋10V，双极性时为±5V；20VIN为20V量程模拟电压输入线，单极性时为0～＋20V，双极性时为±10V；AC为模拟电压公共线。（2）AD574A的引脚功能（28引脚双列直插式封装）10.3.3典型A/D转换器芯片②数字量输出线（12条）：DB0～DB11为数字量输出线，DB0为最低位。10.3.3典型A/D转换器芯片③控制线（6条）：为片选信号CE为片选使能信号为读出/转换控制输入线。该引脚为0时，表示启动转换；为1时，表示本片处于允许读出数字量。A0和。这两条控制线配合用于控制转换数据长度是12位或8位，以及数据输出方式（12位输出时先高8位，后低4位）。STS