第 9 章 数-模模-数接口及应用技术

第9章

数-模/模-数接口及应用技术

9.1计算机闭环控制系统9.2数模转换器及接口9.3模数转换器及接口在计算机控制和检测系统中，需要输入的模拟（物理）量必须转换为模拟信号，这一过程称为检测；将模拟信号转换为计算机能够接受的数字信号，称为模-数转换或A/D转换；将计算机输出的数字信号转换为控制外部执行部件的模拟信号，称为数-模转换或D/A转换。9.1计算机闭环控制系统介绍模拟信号的获取及变送，然后通过计算机对模拟信号的处理操作描述计算机闭环控制系统的组成及功能。9.1.1模拟信号获取及变送在工业生产过程中，有许多物理量是可以连续变化的模拟量，如位移、温度、压力、流量、液位、重量等，计算机需要获取这些模拟量的信息时，必须首先经过传感器将其物理量转换为相应的电量（如电流、电压、电阻），然后进行信号处理、转换成相应的标准量。该标准量通过模数（A/D）转换单元，转换为相应的二进制码表示的数字量后，计算机才能识别并进行处理。模拟信号的获取过程如图9-1所示1．传感器

能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成相应的输出信号的元器件或装置称为传感器。

在工业生产过程中，常用传感器有电阻应变式传感器、热电阻传感器、热电偶传感器、霍尔传感器、光电传感器、涡轮流量传感器等。2．变送器变送器的功能是将物理量或传感器输出的信息量，转换为便于传送、显示和设备接收的直流电信号。变送器输出的直流电信号有0～5V、0～10V、1～5V、0～20mA、4～20mA等。目前，工业上广泛采用4～20mA标准直流电流来传输模拟量。变送器将物理量转换成4～20mA电流输出，其接线方式主要有四线制和二线制，如图9-2所示。目前二线制变送器在工业控制系统中应用较广泛。9.1.2一个典型实时控制系统闭环控制是根据控制对象输出参数的负反馈来进行校正的一种控制方式。工业中的计算机闭环比例积分微分（ProportionalIntegralDifferential，PID）控制系统如图9-4所示。工业生产过程中的典型计算机闭环控制I/O通道（接口）如图9-5所示。9.1.3采样、量化和编码模拟信号经传感器转换为标准信号后，必须经过采样、量化和编码后才能转换为可靠的数字信号，然后被输入计算机。（1）采样及采样频率采样就是按一定的周期，在相等的时间间隔t内，循环不断地获取某个模拟量的瞬时值。采样周期t越短，即单位时间内采样次数越多，采样频率越高，采样值（包络线）就越接近原信号。（2）保持

每次采样的瞬时模拟信号，在量化（A/D转换）的过程中，必须保持信号不变，这样才能保证A/D转换的准确性。可以通过存储元件（如电容器C）跟踪采样信号并将信号存储在电容器C上，经放大器放大后输出。（3）量化采样后需要对该瞬时值进行量化（4）编码编码是指模拟信号转换的数字信号可以用不同的代码来表示。常用的编码有二进制码、BCD码等形式。量化和编码的原理对A/D转换和D/A转换都是适用的。9.2数模转换器及接口DAC在测控系统中将计算机输出的数字信号转换成模拟信号，以用于驱动外部执行机构。9.2.1数模转换器的基本原理DAC的基本功能是将一个用二进制表示的数字信号转换成相应的模拟信号。实现这种转换的基本方法是：对应二进制数的每一位产生一个相应的电压（电流），而这个电压（电流）的大小则正比于相应的二进制的位权。9.2.2数模转换器的主要参数数模转换器（DAC）的主要参数如下。①分辨率：指数字量最低有效位（LeastSignificantBit，LSB）对应的模拟值。DAC能够转换的二进制的位数越多，分辨率也越高，一般为8位、10位、12位等。对于N位DAC，其分辨率为输出电压量程除以2N。②转换时间：DAC完成一次转换所需的时间，即从数字输入信号变化开始，直到转换输出一个稳定的模拟量所需的时间。转换时间一般在几十纳秒至几微秒之间。③线性度：理想的转换关系是线性的，线性度表示D/A转换模拟输出偏离理想输出的最大值。④

输出电平：输出模拟信号有电流型和电压型两种。电流型输出电流在几毫安到几十毫安；电压一般为5～10V，有的高电压型可达24～30V。⑤转换精度：表明DAC转换的精确程度，可分为绝对精度和相对精度。绝对精度是指转换输出实际值与理想值之差，一般应低于0.5LSB。相对精度是指绝对精度相对于满量程的百分数。9.2.38位集成数-模转换器——DAC0832DAC0832是美国数据公司研制的8位双缓冲集成D-A转换芯片。该芯片有极好的温度跟随性，建立时间为1ms，输入方式灵活，输出漏电流低、功耗低等。1．DAC0832的内部结构DAC0832是采用先进的CMOS工艺制成的双列直插式单片8位D-A转换器。转换速度为1μs，可直接与计算机接口相连。DAC0832的内部结构如图9-8所示。2．DAC0832引脚DAC0832引脚如图9-9所示，各引脚的含义如下。（1）数据输入端数据输入端D0～D7：8位，连接CPU数据总线。（2）输入寄存器控制引脚ILE：数据允许锁存信号，高电平有效，输入。/CS：片选信号（输入寄存器选择信号），低电平有效，输入。/WR1：输入寄存器写选通信号，低电平有效，输入。（3）DAC寄存器控制引脚/WR2：DAC寄存器的写选通信号，低电平有效，输入。/XFER：数据传送信号，低电平有效，输入。该信号与WR2进行逻辑与运算后作为DAC寄存器工作的控制信号。（4）输出模拟信号相关引脚IOUT1：电流输出1，其电流值为输入数字量为1的各位输出电流之和，它随输入数字量的变化而线性变化。IOUT2：电流输出2，其电流值为输入数字量为0的各位输出电流之和。Rfb：反馈信号输入端，反馈电阻器在片内，为外接运算放大器提供反馈回路。3．DAC0832的3种工作方式通过对芯片内部的输入寄存器及DAC寄存器的不同控制方式，DAC0832可以有3种工作方式。（1）直通方式在直通方式下，DAC0832的两个寄存器一直处于直通状态。为此，应使控制信号/CS=0、ILE=1、/WR1=0、/WR2=0、/XFER=0。（2）单缓冲方式在单缓冲方式下，DAC0832的两个寄存器中的一个工作在直通状态，另一个工作在受控状态，或者同时控制输入寄存器和DAC寄存器。CPU对工作在受控状态下的寄存器执行一次写入操作，即可完成D/A转换。这种方式适用于只有一路模拟信号输出或多路模拟信号不需要同步输出的系统。（3）双缓冲方式在双缓冲方式下，输入寄存器和DAC寄存器都工作在受控状态。CPU需要分别对两个寄存器各执行一次写入操作，才能完成D/A转换，即CPU首先将输入数字量写入输入寄存器，然后将输入寄存器的内容写入DAC寄存器。9.2.4DAC0832应用接口及编程DAC0832转换器芯片的数据线和控制线等与CPU数据总线和有关控制总线相连，CPU把它视为一个并行输出端口。1．DAC0832工作于单缓冲器、单极性输出方式DAC0832工作于单缓冲器、单极性输出方式与CPU的接口电路如图9-10所示【例9-1】在图9-10所示的接口电路中，VREF=-5V，设DAC0832的地址为7FFFH，将存储器数据段2000H字节单元的内容转换为0～5V模拟信号输出。程序如下。MOVBX,2000HMOVAL,[BX]OUTDX,AL;写数据到0832START:MOVDX,7FFFH;0832地址2．DAC0832工作于单缓冲器、双极性输出方式DAC0832工作于单缓冲器、双极性输出方式与CPU的接口电路如图9-11所示。双极性是指VOUT输出为对称的正、负电压。双极性输出时，DAC0832需要外接两个运算放大器。9.3模数转换器及接口ADC将需要用计算机处理的模拟信号转换成n位数字信号，该信号通过数据线输入给计算机。在测控系统中，ADC主要用于外部模拟量的数据采集。9.3.1模数转换器的基本原理

根据A-D转换器的原理，可将A-D转换器分成两大类：一类是直接型A-D转换器，其输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量；另一类是间接型A-D转换器，在其工作过程中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再把这个中间变量转换为数字代码输出。A-D转换器的种类有很多，但目前应用较广泛的主要有3种类型：逐次逼近式A-D转换器（直接型）、双积分式A-D转换器和V-F变换式A-D转换器（间接型）。1．逐次逼近型A-D转换器的工作原理

逐次逼近式A-D转换器是一种速度较快精度较高的转换器。其转换时间大约在几微秒至几百微秒之间。2.双积分式A-D转换器双积分式A-D转换器由电子开关、积分器、比较器、计数器和控制逻辑等部件组成，如图9-17a所示。双积分式A-D转换是一种间接A-D转换技术。首先将模拟电压转换成积分时间，然后用数字脉冲计时的方法转换成计数脉冲数，最后将表示模拟输入电压大小的脉冲数转换成所对应的二进制或BCD码输出。由于这种A-D要经历正、反两次积分，故转换速度较慢。但是，由于双积分A-D转换器外接器件少，抗干扰能力强，成本低，使用比较灵活，具有极高的性能/价格比，故在一些非快速过程中应用十分广泛。3．V-F变换式ADCV-F变换式ADC是由电压-频率转换器构成的ADC。该转换器由计数器、定时门电路控制等组成。其原理是先将输入模拟电压Vi转换为与之成正比线性关系的脉冲频率f。然后，该脉冲频率f在单位定时时间的控制下由计数器对其计数，使计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而实现A/D转换。9.3.2模数转换器的主要技术指标ADC的主要技术指标如下。（1）分辨率：分辨率表示转换器对微小输入量变化的敏感程度，通常用转换器输出数字量的位数来表示。例如，对10位ADC，其数字输出量的变化范围为0～1023（210-1），当输入电压的满刻度为5V时，数字量每变化一个数字所对应输入模拟电压的值为5/1023≈4.88mV，其分辨率为4.88mV。当检测输入信号的精度较高时，需采用分辨率较高的A/D转换集成芯片，目前常用的A/D转换集成芯片的转换位数有

8位、10位、12位和14位等。（2）量程：所能转换的输入电压范围，如5V、10V、±5V等。（3）精度：有绝对精度和相对精度两种表示方法。常用数字量的位数作为量度绝对精度单位，如精度为±0.5LSB，而用百分比来表示满量程时的相对误差，如±0.5%。要说明的是，精度和分辨率是不同的概念。精度指的是转换后所得结果相对于实际值的准确度，而分辨率是指转换后的数字量每变化1LSB所对应输入模拟量的变化范围。（4）转换时间：A/D转换时间指的是从发出启动转换命令到转换结束获得整个数字信号为止所需的时间间隔。

9.3.38位集成模数转换器——ADC0809ADC0809具有8个通道的模拟信号输入线（IN0～IN7），可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，输出8位二进制数字信号（D7～D0）。1．ADC0809的结构ADC0809的结构框图如图9-18所示。ADC0809的主要部分是一个8位逐次逼近式ADC。为了能实现8路模拟信号的分时采样，片内设置了8路模拟选通开关以及相应的通道地址锁存及译码电路。转换的数据送入三态输出数据锁存

图9-18ADC0809的结构框图2．ADC0809引脚ADC0809引脚分布如图9-19所示。各引脚的含义如下。①IN7～IN0：8路模拟信号输入通道，在多路开关控制下，任一时刻只能有一路模拟信号实现A/D转换。ADC0809要求输入模拟信号为单极性，电压范围为0～5V，如果信号过小，还需要进行放大。对于信号变化速度比较快的模拟信号，在输入前应增加采样保持电路。②引脚A、B、C：8路模拟开关的三位地址选通输入端，用来选通对应IN0～IN7的模拟输入通道，每一路模拟输入通道对应一个端口地址，其地址码与输入通道的对应关系如表9-2所示。9.3.4ADC0809应用接口及编程

由于ADC0809输出端具有可控的三态输出门，所以它既能与微处理器直接相连，也能通过并行接口芯片与微处理器连接。（1）接口电路图9-21所示为ADC0809直接与CPU连接的接口电路。该接口电路主要包括地址译码产生片选信号、输入模拟通道选择、启动转换控制、转换结束及数字输出允许部分与CPU的连接。

【例9-5】为ADC0809的EOC设置一个端口地址，由74LS138译码器输出控制。编写控制程序，采用程序查询方式对通道IN1输入的电压（0～5V）进行A-D转换，每隔50ms采样一次，连续采样8次并将其平均值存入数据段AVEDATA单元。

硬件电路如图9-22所示，接口电路采用地址总线的A2～A0选择通道，EOC作为端口的数据线与数据总线的D1连