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第 10 章 数 / 模和模 / 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。

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第 10 章 数 / 模和模 / 数转换接口

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  1. 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

  2. 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。

  3. 10.1 概述 1、模拟量输入通道 2、模拟量输出通道

  4. 10.1 概述 • 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。

  5. 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。

  6. 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。

  7. 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。

  8. 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。

  9. 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. 合上时Si=1，断开时Si=0 电阻值为2iR • 例如：输入为10000110B（8位A/D转换）则输出为： Vo=-（134/256）Vref 10.2 数/模转换器 • 11.2.1 D/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 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

  11. 10.2.1 D/A转换器的工作原理 • 2. 倒T型电阻网络D/A转换法 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。 输出模拟电压Vo与输入的关系为：

  12. 10.2.2 D/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。

  13. 10.2.2 D/A转换器的主要技术指标 • 1. 分辨率（Resolution） • 2. 转换精度（Conversion Accuracy） • 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。

  14. 10.2.2 D/A转换器的主要技术指标 • 1. 分辨率（Resolution） • 2. 转换精度（Conversion Accuracy） • 3. 偏移量误差（Offset Error） • 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。

  15. 10.2.2 D/A转换器的主要技术指标 • 1. 分辨率（Resolution） • 2. 转换精度（Conversion Accuracy） • 3. 偏移量误差（Offset Error） • 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。

  16. 10.2.2 D/A转换器的主要技术指标 • 1. 分辨率（Resolution） • 2. 转换精度（Conversion Accuracy） • 3. 偏移量误差（Offset Error） • 4. 线性度（Linearity） • 除了上述指标外，转换速度（Conversion Rate）和温度灵敏度（Temperature Sensitivity）等也是DAC的重要技术参数。

  17. 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； 按生产工艺分：有TTL、MOS型等； 分类 按字长分：有8位、10位、12位等； 按输出形式分：分为电压型和电流型两类。

  18. 1. DAC0832 （1）DAC0832的引脚 • DI7～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。

  19. 1. DAC0832 （1）DAC0832的引脚 • Vcc：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。

  20. 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。

  21. 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。

  22. 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。

  23. 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。

  24. 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

  25. 2. DAC1210 （1）DAC1210的引脚 • DI11～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。

  26. 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。

  27. 10.2.4 D/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

  28. 10.2.4 D/A转换器与微处理器的接口 • 例10-1 DAC0832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。 • ②三角波程序 • START： MOV AL， 0 • DOWN： OUT 0FEH， AL INC AL • JNZ DOWN MOV AL， 0FEH • UP： OUT 0FEH， AL INC AL • JNZ UP • JMP DOWN HLT • ①锯齿波程序 • START： MOV AL， 0 • LP： OUT 0FEH，AL • INC AL • JMP LP • HLT • ③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

  29. 10.2.4 D/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 。

  30. 10.2.4 D/A转换器与微处理器的接口 • 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＃DAC0832 • MOV DX， 0F7FFH ;指向F7FFH地址 • MOV AL， Ydata ;Y坐标值 • OUT DX， AL ;Y坐标值写入2＃DAC0832 • MOV DX， 7FFFH ;指向7FFFH地址 • OUT DX， AL ;启动1＃和2＃DAC0832工作 • …

  31. 10.2.4 D/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。

  32. 10.2.4 D/A转换器与微处理器的接口

  33. 计数器式A/D转换器：结构简单，转换速度慢,很少采用；计数器式A/D转换器：结构简单，转换速度慢,很少采用； 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； 分类 逐次逼近式A/D转换器：结构不太复杂，转换速度较高； 并行A/D转换器：转换速度最快，结构复杂，造价较高。 10.3 模/数（A/D）转换器 • 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。 • 11.3.1 A/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）。

  34. 2.使开关K先接通输入电压Vi端，积分器对Vi定时积分 1.积分电容完全放电，并将计数器清零。 3.使K合向基准电压Vref端，并让计数器开始计数 10.3.1 A/D转换器工作原理 工作过程

  35. 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： 10.3.1 A/D转换器工作原理 • 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。

  36. 1、先将SAR寄存器各位清零。 10.3.1 A/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： 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。 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。 工作过程 该图为四位A/D转换器的逐次逼近过程

  37. 10.3.1 A/D转换器工作原理 • 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。

  38. 10.3.2 A/D转换器主要技术性能 • 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。

  39. 10.3.2 A/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（Absolute Accuracy）和相对精度（Relative Accuracy）两种表示方法。

  40. 10.3.2 A/D转换器主要技术性能 • 1. 分辨率（Resolution） • 2. 精度（Accuracy） • 3. 转换时间（Conversion Time） • 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。

  41. 10.3.2 A/D转换器主要技术性能 • 1. 分辨率（Resolution） • 2. 精度（Accuracy） • 3. 转换时间（Conversion Time） • 4. 电源灵敏度（Power Supply Sensitivity） • 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。

  42. 10.3.2 A/D转换器主要技术性能 • 1. 分辨率（Resolution） • 2. 精度（Accuracy） • 3. 转换时间（Conversion Time） • 4. 电源灵敏度（Power Supply Sensitivity） • 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～＋10V

  43. 10.3.2 A/D转换器主要技术性能 • 1. 分辨率（Resolution） • 2. 精度（Accuracy） • 3. 转换时间（Conversion Time） • 4. 电源灵敏度（Power Supply Sensitivity） • 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。

  44. 10.3.2 A/D转换器主要技术性能 • 1. 分辨率（Resolution） • 2. 精度（Accuracy） • 3. 转换时间（Conversion Time） • 4. 电源灵敏度（Power Supply Sensitivity） • 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℃。

  45. 10.3.3 典型A/D转换器芯片 • 1. ADC0809 • ADC0809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。

  46. 10.3.3 典型A/D转换器芯片 变换器部分 模 拟 输 入 部 分 三 态 输 出 缓 冲 器 基准电压输入端

  47. 10.3.3 典型A/D转换器芯片 • （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（Address Latch Enable）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（Output Enable）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。

  48. 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。

  49. 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。 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）

  50. 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 • （2）AD574A的引脚功能（28引脚双列直插式封装）

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