第10章 數(shù)摸和模數(shù)轉換接口

1、第第1010章章 數(shù)數(shù)/ /模和模模和模/ /數(shù)轉換接口數(shù)轉換接口10.1 概述概述10.2 數(shù)數(shù)/模（模（D/A）轉換器）轉換器10.3 模模/數(shù)（數(shù)（A/D）轉換器）轉換器習題與思考題習題與思考題10.1 10.1 概述概述 在生產(chǎn)控制過程中，計算機既要實現(xiàn)對生產(chǎn)在生產(chǎn)控制過程中，計算機既要實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的設備的檢測檢測，又要實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的，又要實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的控制控制。 檢測檢測：需將：需將模擬量模擬量轉換成轉換成數(shù)字量。數(shù)字量。 從模擬量到數(shù)字量的轉換稱為模從模擬量到數(shù)字量的轉換稱為模/數(shù)轉換，簡稱數(shù)轉換，簡稱A/D轉換轉換。實現(xiàn)。實現(xiàn)A/D轉換的電路稱為轉換的電路稱為A/D轉換器轉

2、換器，簡稱，簡稱ADC。 控制控制：需將：需將數(shù)字量數(shù)字量轉換成轉換成模擬量。模擬量。 從數(shù)字量到模擬量的轉換稱為模從數(shù)字量到模擬量的轉換稱為模/數(shù)轉換，簡稱數(shù)轉換，簡稱D/A轉換轉換。實現(xiàn)。實現(xiàn)D/A轉換的電路稱為轉換的電路稱為D/A轉換器轉換器，簡稱，簡稱DAC。 A/D和和D/A轉換電路分別是模擬量輸入通道和模擬量轉換電路分別是模擬量輸入通道和模擬量輸出通道的核心。輸出通道的核心。微型計算機控制系統(tǒng)結構框圖微型計算機控制系統(tǒng)結構框圖1、模擬量輸入通道、模擬量輸入通道10.1 10.1 概述概述2、模擬量輸出通道、模擬量輸出通道 1. 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 （1）傳感器）傳感器 傳

3、感器是把工業(yè)生產(chǎn)中非電物理量轉換成電量（電流、傳感器是把工業(yè)生產(chǎn)中非電物理量轉換成電量（電流、電壓）的器件。如熱電耦等。電壓）的器件。如熱電耦等。 工業(yè)控制中，傳感器輸出的電信號在輸入到工業(yè)控制中，傳感器輸出的電信號在輸入到A/D轉換器轉換器之前必須添加適當?shù)耐鈬D換電路，如各種變送器，將傳感之前必須添加適當?shù)耐鈬D換電路，如各種變送器，將傳感器輸出的微弱電信號或電阻值等轉換成器輸出的微弱電信號或電阻值等轉換成010mA或或420mA電流信號或電流信號或05V電壓信號電壓信號。10.1 10.1 概述概述 1. 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 （1）傳感器）傳感器 （2）信號處理環(huán)節(jié)）信號處理環(huán)

4、節(jié) 主要包括信號放大電路和濾波電路等。用于信號的放大主要包括信號放大電路和濾波電路等。用于信號的放大和濾去干擾信號。和濾去干擾信號。10.1 10.1 概述概述 1. 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 （1）傳感器）傳感器 （2）信號處理環(huán)節(jié)）信號處理環(huán)節(jié) （3）多路轉換開關）多路轉換開關 采用多路模擬開關，使多個模擬量共用一個采用多路模擬開關，使多個模擬量共用一個A/D轉換器轉換器進行進行A/D轉換。轉換。10.1 10.1 概述概述 1. 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 （1）傳感器）傳感器 （2）信號處理環(huán)節(jié)）信號處理環(huán)節(jié) （3）多路轉換開關）多路轉換開關 （4）采樣保持器）采樣保持器 采樣保

5、持電路是在采樣保持電路是在A/D轉換期間采樣輸入量并保持一段轉換期間采樣輸入量并保持一段時間的電路。為了保證轉換精度，可用采樣保持器在時間的電路。為了保證轉換精度，可用采樣保持器在A/D轉轉換期間，保持采樣輸入信號大小不變。換期間，保持采樣輸入信號大小不變。10.1 10.1 概述概述 1. 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 （1）傳感器）傳感器 （2）信號處理環(huán)節(jié)）信號處理環(huán)節(jié) （3）多路轉換開關）多路轉換開關 （4）采樣保持器）采樣保持器 （5）A/D轉換器轉換器 A/D轉換器是模擬量輸入通道的核心環(huán)節(jié)，其作用是將轉換器是模擬量輸入通道的核心環(huán)節(jié)，其作用是將模擬輸入量轉換成數(shù)字量。雙極性為模擬

6、輸入量轉換成數(shù)字量。雙極性為02.5伏、伏、05伏、伏、010伏；單極性為伏；單極性為05伏、伏、010伏、伏、020伏等。伏等。10.1 10.1 概述概述 1. 模擬量輸入通道模擬量輸入通道 （1）傳感器）傳感器 （2）信號處理環(huán)節(jié)）信號處理環(huán)節(jié) （3）多路轉換開關）多路轉換開關 （4）采樣保持器）采樣保持器 （5）A/D轉換器轉換器 2模擬量輸出通道模擬量輸出通道 主要由鎖存器、主要由鎖存器、D/A轉換器、放大驅動電路組成。鎖存轉換器、放大驅動電路組成。鎖存器是用來保持數(shù)字量穩(wěn)定的。功率放大器是作為模擬量輸出器是用來保持數(shù)字量穩(wěn)定的。功率放大器是作為模擬量輸出的驅動電路。的驅動電路。10

7、.1 10.1 概述概述10.2 10.2 數(shù)數(shù)/ /模轉換器模轉換器11.2.1 D/A轉換器的工作原理轉換器的工作原理 D/A轉換的基本原理是把數(shù)字量的每一位代碼轉換的基本原理是把數(shù)字量的每一位代碼按權大按權大小小轉換成模擬分量，然后根據(jù)轉換成模擬分量，然后根據(jù)疊加原理疊加原理將各代碼對應的模將各代碼對應的模擬輸出分量相加。擬輸出分量相加。D/A轉換器的主要部件是轉換器的主要部件是電阻開關網(wǎng)絡電阻開關網(wǎng)絡，網(wǎng)絡形式有網(wǎng)絡形式有權電阻網(wǎng)絡權電阻網(wǎng)絡和和倒倒T型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡等。等。 1權電阻網(wǎng)絡權電阻網(wǎng)絡D/A轉換法轉換法電阻值為電阻值為2iR合上時合上時Si=1，斷開，斷開時時Si=0

8、例如：輸入為例如：輸入為10000110B（8位位A/D轉換）則輸出為：轉換）則輸出為： Vo=-（134/256）Vref特點：特點： D/A轉換器的轉轉換器的轉換精度與換精度與基準電壓基準電壓Vref的的精度、權電阻和電子開精度、權電阻和電子開關關Si的精度及位數(shù)有關的精度及位數(shù)有關。缺點：缺點：精密電阻難制造精密電阻難制造10.2.1 D/A10.2.1 D/A轉換器的工作原理轉換器的工作原理2. 倒倒T型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡D/A轉換法轉換法輸出模擬電壓輸出模擬電壓Vo與輸入的關系為：與輸入的關系為：特點：特點：1.電阻網(wǎng)絡只用兩種阻值組成；電阻網(wǎng)絡只用兩種阻值組成；2.各位開關的狀態(tài)由

9、數(shù)據(jù)各位開關的狀態(tài)由數(shù)據(jù)鎖存器的對應位決定。鎖存器的對應位決定。10.2.2 D/A10.2.2 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 分辨率是指分辨率是指D/A轉換器能分辨的轉換器能分辨的最小輸出模擬量最小輸出模擬量，取決于輸，取決于輸入數(shù)字量的入數(shù)字量的二進制位數(shù)二進制位數(shù)，通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示。，通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示。 一個一個n位的位的DAC所能分辨的最小電壓增量定義為滿量程值的所能分辨的最小電壓增量定義為滿量程值的2-n倍。倍。 如：滿量程為如：滿量程為10V的的8位位DAC芯片的分辨率為芯片的分辨率為10V2-839m

10、V；一個同樣量程的；一個同樣量程的16位位DAC的分辨率最高達的分辨率最高達10V2-16153V。10.2.2 D/A10.2.2 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 轉換精度（轉換精度（Conversion Accuracy） 轉換精度是指滿量程時轉換精度是指滿量程時DAC的實際模擬輸出值和理論值的接的實際模擬輸出值和理論值的接近程度。該誤差是由于近程度。該誤差是由于D/A增益誤差、零點誤差和噪聲等引起的。增益誤差、零點誤差和噪聲等引起的。通常，通常，DAC的轉換精度為分辨率的一半，即為的轉換精度為分辨率的一半，即為LSB/2

11、。LSB是分是分辨率，是指最低辨率，是指最低1位數(shù)字量變化引起輸出電壓幅度的變化量。位數(shù)字量變化引起輸出電壓幅度的變化量。10.2.2 D/A10.2.2 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 轉換精度（轉換精度（Conversion Accuracy） 3. 偏移量誤差（偏移量誤差（Offset Error） 偏移量誤差是指輸入數(shù)字量為零時，輸出模擬量對零的偏移值。偏移量誤差是指輸入數(shù)字量為零時，輸出模擬量對零的偏移值。這種誤差通常可以通過這種誤差通?？梢酝ㄟ^DAC外接外接Vref和電位計加以調整。和電位計加以調整。10.2.2

12、D/A10.2.2 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 轉換精度（轉換精度（Conversion Accuracy） 3. 偏移量誤差（偏移量誤差（Offset Error） 4. 線性度（線性度（Linearity） 線性度是指線性度是指DAC實際轉換特性曲線和理想直線之間的最大偏實際轉換特性曲線和理想直線之間的最大偏差。通常，線性度不應超出差。通常，線性度不應超出LSB/2。10.2.2 D/A10.2.2 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 轉換精度（轉換精度（

13、Conversion Accuracy） 3. 偏移量誤差（偏移量誤差（Offset Error） 4. 線性度（線性度（Linearity） 除了上述指標外，除了上述指標外，轉換速度（轉換速度（Conversion Rate）和和溫度靈敏度（溫度靈敏度（Temperature Sensitivity）等也是等也是DAC的重的重要技術參數(shù)。要技術參數(shù)。 10.2.3 10.2.3 典型典型D/AD/A轉換器芯片轉換器芯片 D/A轉換器有兩大類：一類在電子電路中轉換器有兩大類：一類在電子電路中使用，使用，不帶使能端和控制端不帶使能端和控制端，只有數(shù)字量輸入，只有數(shù)字量輸入和模擬量輸出線；另一類是

14、專為微型計算機設和模擬量輸出線；另一類是專為微型計算機設計的，計的，帶有使能端和控制端帶有使能端和控制端，可以直接與微機，可以直接與微機相連。相連。按轉換方式分：按轉換方式分：分為并行和串行等；分為并行和串行等；分類分類按輸出形式分：按輸出形式分：分為電壓型和電流型兩類。分為電壓型和電流型兩類。按生產(chǎn)工藝分：按生產(chǎn)工藝分：有有TTL、MOS型等；型等；按字長分：按字長分：有有8位、位、10位、位、12位等；位等；1. DAC08321. DAC0832uDI7DI0：D/A轉換器數(shù)字轉換器數(shù)字量輸入信號。其中，量輸入信號。其中，DI0為為最低位，最低位，DI7為最高位。為最高位。uCS：片選輸

15、入信號。：片選輸入信號。uWR1：D/A轉換器的數(shù)據(jù)寫轉換器的數(shù)據(jù)寫入信號入信號1。 uILE：輸入寄存器的允許信：輸入寄存器的允許信號。號。 uXFER：從輸入寄存器向：從輸入寄存器向DAC寄存器傳送寄存器傳送D/A轉換數(shù)轉換數(shù)據(jù)的控制信號。據(jù)的控制信號。uWR2：DAC寄存器的選通信寄存器的選通信號。號。 （1）DAC0832的引腳的引腳 1. DAC08321. DAC0832uVcc：芯片電源，其值可在：芯片電源，其值可在515V之間。之間。uAGND：模擬信號地。：模擬信號地。uDGND：數(shù)字信號地。：數(shù)字信號地。uRfb：內部反饋電阻引腳，：內部反饋電阻引腳，用來外接用來外接D/A

16、轉換器輸出增轉換器輸出增益調整電位器。益調整電位器。uVref：D/A轉換器的基準電壓，轉換器的基準電壓，其范圍可在其范圍可在1010V之之間選定。間選定。uIOUT1：輸出電流：輸出電流1，當輸入，當輸入數(shù)字為全數(shù)字為全“1”時，其值最大。時，其值最大。uIOUT2：輸出電流：輸出電流2，與，與IOUT1之和為常數(shù)。之和為常數(shù)。（1）DAC0832的引腳的引腳 1. DAC08321. DAC0832 （2）DAC0832的工作方式的工作方式 DAC0832有有直通、單緩沖和雙緩沖直通、單緩沖和雙緩沖三種工作方式。三種工作方式。 直通工作方式直通工作方式 條件：條件：CS、WR1、WR2、X

17、FER均接地，均接地，ILE接高電接高電平。平。 特點：特點：八位數(shù)字量一旦到達八位數(shù)字量一旦到達DI7DI0輸入端，就立即輸入端，就立即進行進行D/A轉換而輸出。轉換而輸出。 1. DAC08321. DAC0832 （2）DAC0832的工作方式的工作方式 DAC0832有有直通、單緩沖和雙緩沖直通、單緩沖和雙緩沖三種工作方式。三種工作方式。 直通工作方式直通工作方式 單緩沖工作方式單緩沖工作方式 條件：條件：兩個寄存器中任一個處于直通狀態(tài)，另一個工兩個寄存器中任一個處于直通狀態(tài)，另一個工作于受控鎖存狀態(tài)。一般是使作于受控鎖存狀態(tài)。一般是使DAC寄存器處于直通狀態(tài)，寄存器處于直通狀態(tài)，即把

18、即把WR2和和XFER都接數(shù)字地。都接數(shù)字地。 特點：特點：數(shù)據(jù)只要一寫入數(shù)據(jù)只要一寫入DAC芯片，就立即進行數(shù)模轉芯片，就立即進行數(shù)模轉換，可減少一條輸出指令。換，可減少一條輸出指令。 1. DAC08321. DAC0832 （2）DAC0832的工作方式的工作方式 DAC0832有有直通、單緩沖和雙緩沖直通、單緩沖和雙緩沖三種工作方式。三種工作方式。 直通工作方式直通工作方式 單緩沖工作方式單緩沖工作方式 雙緩沖工作方式雙緩沖工作方式 條件：條件：CPU要對要對DAC芯片進行兩步寫操作；芯片進行兩步寫操作；ILE接高接高電平，電平，WR1、WR2均接均接CPU的的IOW，CS、XFER接

19、地址譯接地址譯碼信號。碼信號。 優(yōu)點：優(yōu)點：數(shù)據(jù)接收和轉換啟動異步進行數(shù)據(jù)接收和轉換啟動異步進行 ，提高轉換速率。，提高轉換速率。 1. DAC08321. DAC0832 （3）DAC0832的主要技術性能的主要技術性能n 電流建立時間：電流建立時間：1s；n分辨率：分辨率：8位；位；n線性誤差：線性誤差：0.2%FSR；n非線性誤差：非線性誤差：0.4%FSR；n工作方式：雙緩沖、單緩沖、直接輸入；工作方式：雙緩沖、單緩沖、直接輸入；n數(shù)字輸入：與數(shù)字輸入：與TTL兼容；兼容；n增益溫度系數(shù)：增益溫度系數(shù)：0.002%FSR/；n低功耗：低功耗：20mW；n單電源：單電源：+515V；n參

20、考電壓：參考電壓：10V10V。2. DAC1210 2. DAC1210 DAC1210是是12位位D/A轉換器芯片，是一種高性能轉換器芯片，是一種高性能的的D/A轉換器。是轉換器。是24引腳的雙列直插式芯片。引腳的雙列直插式芯片。 與與DAC0832不同點不同點u12位的數(shù)據(jù)輸入端位的數(shù)據(jù)輸入端u12位數(shù)據(jù)輸入寄存位數(shù)據(jù)輸入寄存器由一個器由一個8位的輸入寄位的輸入寄存器和一個存器和一個4位的輸入位的輸入寄存器組成。寄存器組成。 u兩個輸入寄存器的輸兩個輸入寄存器的輸入允許控制都要求入允許控制都要求CS和和WR1為低電平，但為低電平，但8位輸位輸入寄存器的數(shù)據(jù)輸入還入寄存器的數(shù)據(jù)輸入還要求端

21、要求端B1/B2為高電平為高電平 2. DAC12102. DAC1210uDI11DI0：12位輸入。位輸入。uCS：片選輸入信號。：片選輸入信號。uWR1：寫控制信號：寫控制信號1。 uAGND：模擬地。：模擬地。 uVref：參考電壓。：參考電壓。uWR2：寫控制信號：寫控制信號2。uRbf：外部放大器的反饋電阻接：外部放大器的反饋電阻接線端。線端。uDGND：數(shù)字地。：數(shù)字地。uIOUT1：電流輸出端：電流輸出端1。uIOUT2：電流輸出端：電流輸出端2。uXFER：數(shù)據(jù)轉換控制信號。：數(shù)據(jù)轉換控制信號。uB1/B2：字節(jié)控制。：字節(jié)控制。（1）DAC1210的引腳的引腳 2. DAC

22、12102. DAC1210 （2）DAC1210的主要技術性能的主要技術性能n輸入：輸入：12位數(shù)字量；位數(shù)字量；n輸出：模擬量電流輸出：模擬量電流IOUT1和和IOUT2；n電流穩(wěn)定時間：電流穩(wěn)定時間：1s；n功耗：功耗：20mW；n工作電壓：單一工作電壓：單一515V電源；電源；n參考電壓：可工作在參考電壓：可工作在1010V范圍內；范圍內；n輸入邏輯電平：與輸入邏輯電平：與TTL兼容；兼容；n芯片內有鎖存器，可直接連到芯片內有鎖存器，可直接連到CPU的數(shù)據(jù)總線上；的數(shù)據(jù)總線上；n工作環(huán)境溫度范圍：工作環(huán)境溫度范圍：4085；n工作方式：雙緩沖、單緩沖和直接輸入三種工作方式。工作方式：雙

23、緩沖、單緩沖和直接輸入三種工作方式。10.2.4 D/A10.2.4 D/A轉換器與微處理器的接口轉換器與微處理器的接口 D/A轉換器與微處理器的連接包括三部分，即轉換器與微處理器的連接包括三部分，即數(shù)據(jù)線、控制線和數(shù)據(jù)線、控制線和地址線地址線。 18位位D/A轉換器與轉換器與CPU的接口的接口 對于對于8位位D/A轉換器，簡單的連接方法是通過轉換器，簡單的連接方法是通過8位數(shù)據(jù)鎖存器（例位數(shù)據(jù)鎖存器（例如，如，8D鎖存器鎖存器74LS273）與）與8位微處理器的總線相連。位微處理器的總線相連。（1）直通方式）直通方式（2）單緩沖方式）單緩沖方式三角波程序三角波程序STARTSTART： MO

24、V MOV ALAL，0 0D O W ND O W N ： O U T O U T 0 F E H0 F E H ，A L A L INC INC ALAL J N Z J N Z D O W N D O W N MOV MOV ALAL，0FEH0FEHU PU P ： O U T O U T 0 F E H0 F E H ，A L A L INC INC ALAL JNZ JNZ UP UP JMP JMP DOWN DOWN HLT HLT鋸齒波程序鋸齒波程序STARTSTART： MOV MOV ALAL，0 0 LP LP： OUT OUT 0FEH0FEH，ALAL INC IN

25、C ALAL JMP JMP LPLP HLT HLT方波程序方波程序START: START: MOVMOVAL,AL,33H 33H O U TO U T0 F E H ,0 F E H ,A L A L CALL CALL DELAY DELAY MOV MOV AL,AL,0FEH0FEHO U T O U T 0 F E H ,0 F E H ,A L A L CALL CALL DELAY DELAY JMP JMP STARTSTARTDELAY: DELAY: HLTHLT 例10-1 DAC0832用作波特率發(fā)生器。試根據(jù)圖用作波特率發(fā)生器。試根據(jù)圖11.6接線，接線，分別寫

26、出產(chǎn)生鋸齒波、三角波和方波的程序。分別寫出產(chǎn)生鋸齒波、三角波和方波的程序。 10.2.4 D/A10.2.4 D/A轉換器與微處理器的接口轉換器與微處理器的接口（a）鋸齒波（b）三角波（c）方波0V-5V0V-5V-1V-5V10.2.4 D/A10.2.4 D/A轉換器與微處理器的接口轉換器與微處理器的接口 （3）雙緩沖方式）雙緩沖方式 在雙緩沖方式下，每個在雙緩沖方式下，每個DAC0832應為應為CPU提供兩個提供兩個I/O端口。端口。8086和和DAC0832在雙緩沖方式下的接線如下圖在雙緩沖方式下的接線如下圖 。相應程序如下：相應程序如下：MOV DX，0DFFFH ;指向指向DFFF

27、H地址地址MOV AL，Xdata ;X坐標值坐標值OUT DX，AL ;X坐標值寫入坐標值寫入1DAC0832MOV DX，0F7FFH ;指向指向F7FFH地址地址MOV AL，Ydata ;Y坐標值坐標值OUT DX，AL ;Y坐標值寫入坐標值寫入2DAC0832MOV DX，7FFFH ;指向指向7FFFH地址地址OUT DX，AL ;啟動啟動1和和2DAC0832工作工作10.2.4 D/A10.2.4 D/A轉換器與微處理器的接口轉換器與微處理器的接口 2. 12位位D/A轉換器與轉換器與CPU的接口的接口 當當D/A轉換器分辨率大于轉換器分辨率大于8位時，與位時，與8位微處理器的

28、接口位微處理器的接口就需要采取適當措施。例如，對一個就需要采取適當措施。例如，對一個12位的位的D/A轉換器，可轉換器，可以分成低以分成低8位和高位和高4位。下圖是位。下圖是12位位D/A轉換器與轉換器與8位微處理位微處理器的典型接口。器的典型接口。 10.2.4 D/A10.2.4 D/A轉換器與微處理器的接口轉換器與微處理器的接口IOUT1GNDD1D2VfeVrefVCCD8D7123456789141312111018171615IOUT2D3D4D5D6D11D10D9D12AD7521管腳圖D3D0.4D鎖存器D7D0.8D鎖存器D7D0.8D鎖存器D4D1.D12D5.D7D0.

29、848884AB1AB0譯碼123vOUTIOUT1IOUT2VrefAD7521WRIORQCPU10.2.4 D/A10.2.4 D/A轉換器與微處理器的接口轉換器與微處理器的接口 A/D轉換器把輸入模擬電壓或電流變成與它成正比數(shù)字轉換器把輸入模擬電壓或電流變成與它成正比數(shù)字量的轉換電路，即把被控對象的各種模擬信息變成計算機可量的轉換電路，即把被控對象的各種模擬信息變成計算機可以識別的數(shù)字信息，以便計算機或數(shù)字系統(tǒng)進行處理、存儲、以識別的數(shù)字信息，以便計算機或數(shù)字系統(tǒng)進行處理、存儲、控制和顯示?？刂坪惋@示。10.3 10.3 模模/ /數(shù)（數(shù)（A/DA/D）轉換器）轉換器計數(shù)器式計數(shù)器式A

30、/D轉換器：轉換器：結構簡單，轉換速度慢結構簡單，轉換速度慢,很少很少采用；采用；分分類類并行并行A/D轉換器：轉換器：轉換速度最快，結構復雜，造價轉換速度最快，結構復雜，造價較高。較高。雙積分式雙積分式A/D轉換器：轉換器：抗干擾能力強，轉換精度高，抗干擾能力強，轉換精度高，速度不夠理想，常用于數(shù)字式測量儀表中速度不夠理想，常用于數(shù)字式測量儀表中 ；逐次逼近式逐次逼近式A/D轉換器：轉換器：結構不太復雜，轉換速度結構不太復雜，轉換速度較高；較高； 11.3.1 A/D轉換器工作原理轉換器工作原理 1. 雙積分式的雙積分式的A/D轉換器轉換器 雙積分式也稱二重積分式，其原理框圖見下圖。其實質是

31、測量和雙積分式也稱二重積分式，其原理框圖見下圖。其實質是測量和比較兩個積分的時間，一個是模擬輸入電壓積分時間，此時間往往是固比較兩個積分的時間，一個是模擬輸入電壓積分時間，此時間往往是固定的；另一個是充電后的電壓為初值，對參考電壓定的；另一個是充電后的電壓為初值，對參考電壓Vref反相積分，積分反相積分，積分電容被放電至零所需的時間電容被放電至零所需的時間T1（或（或T2等）。等）?？刂七壿嬘嫈?shù)器.時鐘F-+VrefKViRCVOUT基準電壓輸入電壓積分器檢零比較器數(shù)據(jù)輸出（a）原理框圖T2T1T0V2V1V1V2VA1VA2（b）積分器波形圖10.3.1 A/D10.3.1 A/D轉換器工作

32、原理轉換器工作原理工作過程工作過程 1.積分電容積分電容完全放電，并將完全放電，并將計數(shù)器清零。計數(shù)器清零。 2.使開關使開關K先接通先接通輸入電壓輸入電壓Vi端，積分器端，積分器對對Vi定時積分定時積分 3.使使K合向基合向基準電壓準電壓Vref端，并端，并讓計數(shù)器開始計數(shù)讓計數(shù)器開始計數(shù) 從兩次積分的波形圖可以看出，正向積分時間從兩次積分的波形圖可以看出，正向積分時間T0固定的情況下，固定的情況下，反向積分時間反向積分時間Ti（圖（圖11.17(b)中的中的T1或或T2）正比于輸入電壓）正比于輸入電壓Vi，Ti的數(shù)的數(shù)值可由計數(shù)器得到。值可由計數(shù)器得到。 下面對兩個階段的積分作一些定量分析

33、。下面對兩個階段的積分作一些定量分析。 第一階段，第一階段，K合向合向Vi積分器對模擬輸入電壓積分器對模擬輸入電壓Vi固定時間（固定時間（T0）積）積分，輸出分，輸出VA為：為： 即積分器的輸出即積分器的輸出VA與模擬輸入電壓與模擬輸入電壓Vi的平均值成正比。的平均值成正比。 0 TAi0i 011VVdtT VRCRC 第二階段，開關第二階段，開關K合向基準電壓合向基準電壓Vref端時，積分器對端時，積分器對Vref進行反向積分，進行反向積分，直至積分器輸出為直至積分器輸出為0，即，即:0 TOUTAref 01VVV dt0RC01refiTTVV兩式整合得：兩式整合得：10.3.1 A/

34、D10.3.1 A/D轉換器工作原理轉換器工作原理比較器D/ASAR時序及控制邏輯數(shù)字量輸出VrefVxVcSTARTEOC（a）逐次逼近式A/D轉換原理圖D3D2D1D0(1000)(0100)(0110)(0111)VcVxt（b）逐次逼近過程原理圖10.3.1 A/D10.3.1 A/D轉換器工作原理轉換器工作原理 逐次逼近式（也稱逐位比較式）逐次逼近式（也稱逐位比較式）A/D轉換器轉換實質是，逐次把設轉換器轉換實質是，逐次把設定的定的SAR寄存器中的數(shù)字量經(jīng)寄存器中的數(shù)字量經(jīng)D/A轉換后得到電壓轉換后得到電壓VC,與待轉換模擬電與待轉換模擬電壓壓VX進行比較。比較時，先從進行比較。比較

35、時，先從SAR的最高位開始，逐次確定各位的數(shù)的最高位開始，逐次確定各位的數(shù)值應是值應是“1”還是還是“0”。其原理如下圖所示：。其原理如下圖所示：工作過程工作過程1、先將、先將SAR寄存器各位清零。寄存器各位清零。2、設定、設定SAR寄存器的最高寄存器的最高位為位為“1”，其余位為，其余位為“0”，此試探值經(jīng)此試探值經(jīng)D/A轉換成電壓轉換成電壓VC，然后將，然后將VC與模擬輸入與模擬輸入電壓電壓VX比較。若小則保留，比較。若小則保留，若大則該位清零。若大則該位清零。3、再對、再對SAR寄存器的次高寄存器的次高位置位置“1”，依上述方法進行，依上述方法進行D/A轉換和比較。如此重復轉換和比較。如

36、此重復上述過程，直至確定上述過程，直至確定SAR寄寄存器的最低位為止。存器的最低位為止。該圖為四位該圖為四位A/D轉換器的逐次轉換器的逐次逼近過程逼近過程 轉換結果能否準確逼近模擬信號，主要取決于轉換結果能否準確逼近模擬信號，主要取決于SAR和和D/A位數(shù)。位數(shù)越多，越能準確逼近模擬量，但轉換所需位數(shù)。位數(shù)越多，越能準確逼近模擬量，但轉換所需的時間也越長。的時間也越長。 逐次逼近式的逐次逼近式的A/D轉換器的主要特點是：轉換器的主要特點是： （1）轉換速度較快，在）轉換速度較快，在1100s以內，分辨率可以以內，分辨率可以達達18位，特別適合于工業(yè)控制系統(tǒng)。位，特別適合于工業(yè)控制系統(tǒng)。 （2）

37、轉換時間固定，不隨輸入信號的變化而變化。）轉換時間固定，不隨輸入信號的變化而變化。 （3）抗干擾能力相對積分型的差。）抗干擾能力相對積分型的差。10.3.1 A/D10.3.1 A/D轉換器工作原理轉換器工作原理 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 分辨率反映分辨率反映A/D轉換器對輸入微小變化相應的能力，通常用數(shù)字轉換器對輸入微小變化相應的能力，通常用數(shù)字量輸出最低位（量輸出最低位（LSB）所對應的模擬輸入的電平值表示。例如，）所對應的模擬輸入的電平值表示。例如，8位位A/D轉換器能對輸入滿量程轉換器能對輸入滿量程1/28的增量作出反應。的增量作出反應。n位位A/D能反應能反應1/

38、2n滿量程的輸入電平。滿量程的輸入電平。10.3.2 A/D10.3.2 A/D轉換器主要技術性能轉換器主要技術性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 精度有絕對精度（精度有絕對精度（Absolute Accuracy）和相對精度）和相對精度（Relative Accuracy）兩種表示方法。）兩種表示方法。 10.3.2 A/D10.3.2 A/D轉換器主要技術性能轉換器主要技術性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 3. 轉換時間（轉換時間（Conversion Time） 轉換時間是完成一

39、次轉換時間是完成一次A/D轉換所需的時間，即由發(fā)出啟動轉換命轉換所需的時間，即由發(fā)出啟動轉換命令信號到轉換結束信號開始有效的時間間隔。轉換時間的倒數(shù)稱為令信號到轉換結束信號開始有效的時間間隔。轉換時間的倒數(shù)稱為轉換速率。例如轉換速率。例如AD570的轉換時間為的轉換時間為25s，其轉換速率為，其轉換速率為40KHz。10.3.2 A/D10.3.2 A/D轉換器主要技術性能轉換器主要技術性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 3. 轉換時間（轉換時間（Conversion Time） 4. 電源靈敏度（電源靈敏度（Power Supply Se

40、nsitivity） 電源靈敏度是電源靈敏度是A/D轉換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時，產(chǎn)生轉換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時，產(chǎn)生的轉換誤差。一般用與電源電壓變化的轉換誤差。一般用與電源電壓變化1時相當?shù)哪M量變化的百分時相當?shù)哪M量變化的百分數(shù)來表示。數(shù)來表示。 10.3.2 A/D10.3.2 A/D轉換器主要技術性能轉換器主要技術性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 3. 轉換時間（轉換時間（Conversion Time） 4. 電源靈敏度（電源靈敏度（Power Supply Sensitivity） 5. 量程量程 量程是指所能

41、轉換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩量程是指所能轉換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。種類型。 例如，單極性：量程為例如，單極性：量程為05V，010V，020V 雙極性：量程為雙極性：量程為55V，1010V10.3.2 A/D10.3.2 A/D轉換器主要技術性能轉換器主要技術性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 3. 轉換時間（轉換時間（Conversion Time） 4. 電源靈敏度（電源靈敏度（Power Supply Sensitivity） 5. 量程量程 6. 輸出邏輯電平輸出邏輯電平 多數(shù)多數(shù)A/D轉換器

42、的輸出邏輯電平與轉換器的輸出邏輯電平與TTL電平兼容。在考慮數(shù)字量電平兼容。在考慮數(shù)字量輸出與微處理器的數(shù)據(jù)總線接口時，應注意是否要三態(tài)邏輯輸出，輸出與微處理器的數(shù)據(jù)總線接口時，應注意是否要三態(tài)邏輯輸出，是否要對數(shù)據(jù)進行鎖存等問題。是否要對數(shù)據(jù)進行鎖存等問題。10.3.2 A/D10.3.2 A/D轉換器主要技術性能轉換器主要技術性能 1. 分辨率（分辨率（Resolution） 2. 精度（精度（Accuracy） 3. 轉換時間（轉換時間（Conversion Time） 4. 電源靈敏度（電源靈敏度（Power Supply Sensitivity） 5. 量程量程 6. 輸出邏輯電平輸

43、出邏輯電平 7. 工作溫度范圍工作溫度范圍 由于溫度會對比較器、運算放大器、電阻網(wǎng)絡等產(chǎn)生影響，故由于溫度會對比較器、運算放大器、電阻網(wǎng)絡等產(chǎn)生影響，故只在一定的溫度范圍內才能保證額定精度指標。一般只在一定的溫度范圍內才能保證額定精度指標。一般A/D轉換器的工轉換器的工作溫度范圍為作溫度范圍為070，軍用品的工作溫度范圍為，軍用品的工作溫度范圍為55125。10.3.2 A/D10.3.2 A/D轉換器主要技術性能轉換器主要技術性能 1. ADC0809 ADC0809是逐次逼近型是逐次逼近型8位位A/D轉換芯片。片內有轉換芯片。片內有8路模擬開關，可路模擬開關，可輸入八個模擬量。單極性，量程

44、為輸入八個模擬量。單極性，量程為05伏。典型的轉換速度為伏。典型的轉換速度為100s。片內帶有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與片內帶有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與CPU總線接口。總線接口。10.3.3 10.3.3 典型典型A/DA/D轉換器芯片轉換器芯片8路模擬開關地址鎖存與譯碼控制與時序SAR樹狀開關電阻網(wǎng)絡三態(tài)輸出鎖存緩沖器ADDAADDBADDCALESTARTCLKEOCVcc GNDREF(+)REF(-)O.E.D數(shù)字量輸出0D7IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD4O.E.CLKVCCREF(+)GNDD6IN2IN1IN0ADD

45、AALED0D1D2D3D7REF(-)D5ADDBADDC123456789101112131419181716152423222120282726258路模擬開關地址鎖存與譯碼控制與時序SAR樹狀開關電阻網(wǎng)絡三態(tài)輸出鎖存緩沖器ADDAADDBADDCALESTARTCLKEOCVcc GNDREF(+)REF(-)O.E.D數(shù)字量輸出0D7IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN010.3.3 10.3.3 典型典型A/DA/D轉換器芯片轉換器芯片模模擬擬輸輸入入部部分分 變換器部分變換器部分 三三態(tài)態(tài)輸輸出出緩緩沖沖器器 基準電壓輸入端基準電壓輸入端 （2）ADC0809的時序的時

46、序 ADC0809靠脈沖啟動，為靠脈沖啟動，為START是脈沖信號是脈沖信號 當模擬量送至某一通道后，由三位地址信號譯碼選擇：當模擬量送至某一通道后，由三位地址信號譯碼選擇： 地址信號由地址鎖存允許地址信號由地址鎖存允許ALE（Address Latch Enable）鎖存，）鎖存，ALE高電平有效。高電平有效。 輸出轉換結束信號輸出轉換結束信號EOC由低電平變?yōu)楦唠娖奖硎巨D換完成。由低電平變?yōu)楦唠娖奖硎巨D換完成。 輸出允許信號輸出允許信號OE（Output Enable）為高電平時，打開輸出三態(tài)）為高電平時，打開輸出三態(tài)緩沖器的門，把轉換結果送到數(shù)據(jù)總線上。緩沖器的門，把轉換結果送到數(shù)據(jù)總線

47、上。 CPU與與ADC接口時必須弄清并處理好三個問題：接口時必須弄清并處理好三個問題： 要給要給START線送一個線送一個100S寬的啟動正脈沖；寬的啟動正脈沖； 獲取獲取EOC引腳上的狀態(tài)信息，它是引腳上的狀態(tài)信息，它是A/D轉換的結束標志；轉換的結束標志； 給給“三態(tài)輸出鎖存器三態(tài)輸出鎖存器”分配一個端口地址。分配一個端口地址。10.3.3 10.3.3 典型典型A/DA/D轉換器芯片轉換器芯片 2. AD574A（ 12位逐次逼近式位逐次逼近式ADC） （1）AD574A的結構特點（與的結構特點（與ADC0809對比對比 ） AD574A內部集成有轉換時鐘，參考電壓源和三態(tài)輸內部集成有轉

48、換時鐘，參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器，可以與微機直接接口。出鎖存器，可以與微機直接接口。 AD574A的轉換時間可達的轉換時間可達25s。 AD574A輸入模擬電壓既可以單極性也是雙極性：單輸入模擬電壓既可以單極性也是雙極性：單極性輸入時為極性輸入時為010V或或020V；雙極性輸入時為；雙極性輸入時為5V或或10V之間；之間；ADC0809輸入模擬電壓為輸入模擬電壓為05V，單極性。，單極性。 AD574A數(shù)字量位數(shù)可以設定為數(shù)字量位數(shù)可以設定為8位，也可以設定位位，也可以設定位12位。位。10.3.3 10.3.3 典型典型A/DA/D轉換器芯片轉換器芯片（2）AD574A的引腳功能（的引腳

49、功能（28引腳雙列直插式封裝）引腳雙列直插式封裝）VL12/8CSA0R/CCEVCCREF OUTACREF INVEEBIP OFF10VIN20VINSTSDB1DB0(LSB)DC12345678910111213141918171615242322212028272625DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DB10DB1110.3.3 10.3.3 典型典型A/DA/D轉換器芯片轉換器芯片模擬量輸入線（模擬量輸入線（3條）條）10VIN為為10V量程的模擬電壓輸量程的模擬電壓輸入線，單極性時為入線，單極性時為010V，雙極性時為雙極性時為5V；20VIN為為20V量程模擬

50、電壓輸入量程模擬電壓輸入線，單極性時為線，單極性時為020V，雙，雙極性時為極性時為10V；AC為模擬電壓公共線。為模擬電壓公共線。（2）AD574A的引腳功能（的引腳功能（28引腳雙列直插式封裝）引腳雙列直插式封裝）VL12/8CSA0R/CCEVCCREF OUTACREF INVEEBIP OFF10VIN20VINSTSDB1DB0(LSB)DC12345678910111213141918171615242322212028272625DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DB10DB1110.3.3 10.3.3 典型典型A/DA/D轉換器芯片轉換器芯片數(shù)字量輸出線（數(shù)字

51、量輸出線（12條）：條）：DB0DB11為數(shù)字量輸出線，為數(shù)字量輸出線，DB0為最低位。為最低位。VL12/8CSA0R/CCEVCCREF OUTACREF INVEEBIP OFF10VIN20VINSTSDB1DB0(LSB)DC12345678910111213141918171615242322212028272625DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DB10DB1110.3.3 10.3.3 典型典型A/DA/D轉換器芯片轉換器芯片控制線（控制線（6條）：條）： 為片選信號為片選信號CE為片選使能信號為片選使能信號 為讀出為讀出/轉換控制輸入線。該引轉換控制輸入線。該

52、引腳為腳為0時，表示啟動轉換；為時，表示啟動轉換；為1時，時，表示本片處于允許讀出數(shù)字量。表示本片處于允許讀出數(shù)字量。A0和和 。這兩條控制線配合用于。這兩條控制線配合用于控制轉換數(shù)據(jù)長度是控制轉換數(shù)據(jù)長度是12位或位或8位，位，以及數(shù)據(jù)輸出方式（以及數(shù)據(jù)輸出方式（12位輸出時位輸出時先高先高8位，后低位，后低4位）。位）。STS轉換狀態(tài)輸出線。轉換狀態(tài)輸出線。CS8/12CR/（2）AD574A的引腳功能（的引腳功能（28引腳雙列直插式封裝）引腳雙列直插式封裝）VL12/8CSA0R/CCEVCCREF OUTACREF INVEEBIP OFF10VIN20VINSTSDB1DB0(LSB

53、)DC12345678910111213141918171615242322212028272625DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DB10DB1110.3.3 10.3.3 典型典型A/DA/D轉換器芯片轉換器芯片（2）AD574A的引腳功能（的引腳功能（28引腳雙列直插式封裝）引腳雙列直插式封裝）測試測試/調零線（調零線（3條）：條）：REF IN為內部解碼網(wǎng)絡所需參考為內部解碼網(wǎng)絡所需參考電壓輸入線；電壓輸入線；REF OUT為內部參考電壓輸出線。為內部參考電壓輸出線。BIP OFF為補償調整線，用于在為補償調整線，用于在模擬輸入為零時把模擬輸入為零時把ADC輸出輸出數(shù)字量調整為零。數(shù)字量調整為零。VL12/8CSA0R/CCEVCCREF OUTACRE