微機原理及接口技術(shù)第九章 模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換及應用wq.pptx

1、第九章 模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換及應用9.1 概述9.2 數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器及其 接口技術(shù)9.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器及其 接口技術(shù)9.1概述 在自動控制和測量系統(tǒng)中，被控制和被測量的對象往往是一些連續(xù)變化的物理量。如：溫度、壓力、流量、速度、電流、電壓等。這些隨時間連續(xù)變化的物理量，稱為模擬量(Analog)。計算機參與測量和控制時，模擬量不能直接送入計算機，必須先把它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(Digital)。能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC。同樣，計算機輸出的是數(shù)字量，不能直接用于使用模擬量的控制執(zhí)行部件，必須將這些數(shù)字且轉(zhuǎn)換成模擬量。能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件稱

2、為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC。因此，我們常把ADC和DAC器件以及相關(guān)電路成為模擬接口電路。模擬量連續(xù)變化的物理量數(shù)字量時間和數(shù)值上都離散的量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器9.1概述含有A/D與D/A轉(zhuǎn)換的監(jiān)控系統(tǒng) 圖9-1 典型的計算機檢測、控制系統(tǒng)框圖模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換通道的組成 一般模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道由傳感器、信號處理、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器組成 。傳感器：能夠把非電物理量轉(zhuǎn)換成電量（電流或電壓）的器件，一般傳感器由電容、電阻、電感或敏感材料組成，在外加激勵電流或電壓的驅(qū)動下，不同類型的傳感器會隨不同非電物理量的變化，引起傳感器的組成材料發(fā)生改變，使得輸出連續(xù)

3、變化的電流或電壓與非電物理量的變化成正比。 一、傳感器（Transducer） 由于傳感器組成材料發(fā)生改變引起輸出電流或電壓的變化十分微弱，容易受外界干擾，因此，在市場上能買到的各種變送器，已將傳感器與放大電路制作在一起，輸出統(tǒng)一標準的010mA或420mA電流，或05V電壓，以便傳輸或直接送A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換，其中，420mA標準電流輸出的傳感器較為普遍，常說的流量變送器、壓力變送器等一般輸出420mA標準電流，內(nèi)部處于恒流輸出結(jié)構(gòu)，顯然電流型傳感器比電壓型傳感器抗干擾能力強，易于遠距離傳輸，因此，電流型傳感器被廣泛用于生產(chǎn)過程的檢測系統(tǒng)中。 二、信號放大處理 信號放大處理電路，接在

4、A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器之間，用于解決以下存在問題： A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器二者電壓不匹配；如果是電流型輸出傳感器，要進行變換與放大處理，將電流信號對應變換成電壓信號；傳感器工作在現(xiàn)場，可能存在復雜的強電磁波的干擾，通常采用RC低通濾波器，濾除疊加在傳感器輸出信號上的高頻干擾信號，也可采用有源濾波技術(shù)，使得濾波特性更好。三、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multiplexer） 一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（A/D轉(zhuǎn)換）往往要采集多路模擬信號； 通常只用一片A/D轉(zhuǎn)換芯片，輪流選擇輸入信號進行采集，既節(jié)省了硬件開銷，又不影響對系統(tǒng)的監(jiān)測與控制； 許多A/D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部具備多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，一片A/D轉(zhuǎn)換芯片可以輪流采集多路模擬輸入

5、信號，如果A/D轉(zhuǎn)換芯片不具有多路轉(zhuǎn)換功能，則在A/D轉(zhuǎn)換之前外加模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。 常用的模擬多路開關(guān)介紹 CD4051B的基本結(jié)構(gòu)CD4051B采用了CMOS工藝，16腳DIP封裝八選一模擬多路開關(guān) 當使能端INH為0狀態(tài)時，CD4051B才能選擇導通，由選擇輸入端A2A1A0三位二進制編碼來控制（CH0CH7）八個輸入通道的通斷。該芯片能實現(xiàn)雙向傳輸，即可以實現(xiàn)多傳一或一傳多兩個方向的傳送。四、采樣保持器（Sample Holder）在A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣期間，保持被轉(zhuǎn)換輸入信號不變的電路稱為采樣保持電路；A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間稱為轉(zhuǎn)換時間；不同A/D轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換時間各

6、異，對于連續(xù)變化較快的模擬信號如果不采取采樣保持措施，將會引起轉(zhuǎn)換誤差；慢速變化的模擬信號，在A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，完全可以不必采用采樣保持電路，而且并不會影響A/D轉(zhuǎn)換的精度。采樣/保持器的基本原理 采樣保持器是指在邏輯電平的控制下處于“采樣”或“保持”兩種工作狀態(tài)的電路,采樣/保持示意圖如圖10-5所示，在采樣狀態(tài)下，電路的輸出跟蹤輸入模擬信號，在保持狀態(tài)下，電路的輸出保持著前一次采樣結(jié)束時刻的瞬時輸入模擬信號，直到進入下一次采樣狀態(tài)為止。從圖10-5中可以看出，經(jīng)過對Vi的采樣，V0的小平臺電壓值保持到下一次的采樣開始，該穩(wěn)定的“小平臺”電壓供A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換。 采樣/保持示意圖五

7、、A/D轉(zhuǎn)換器（Analog to Digit） A/D轉(zhuǎn)換器是模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的核心環(huán)節(jié)，其功能是將模擬輸入電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（二進制數(shù)或BCD碼等），以便由計算機讀取、分析處理，并依據(jù)它發(fā)出對生產(chǎn)過程的控制信號。 六驅(qū)動器 計算機輸出的數(shù)字量信號經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后的模擬信號或直接輸出的開關(guān)量信號，其驅(qū)動功率往往不能滿足執(zhí)行部件的要求。所以，在驅(qū)動執(zhí)行部件之前，一般都要進行功率放大、信號隔離和匹配、以及動作時間協(xié)調(diào)等。鑒于計算機過程控制現(xiàn)場，有不少執(zhí)行部件是工作于開關(guān)狀態(tài)的，如步進電機、啟停交流電機、交流觸發(fā)器、電控閥門、繼電器等。使用時應注意，不同的執(zhí)行部件，所需的驅(qū)動電流和電壓均不相同，所以驅(qū)

8、動器型號也不同。9.2 數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) DA轉(zhuǎn)換器的主要部件是電阻開關(guān)網(wǎng)絡，通常是由輸入的二進制數(shù)的各位控制一些開關(guān)，通過電阻網(wǎng)絡，在運算放大器的輸入端產(chǎn)生與二進制數(shù)各位的權(quán)成比例的電流，經(jīng)過運算放大器相加和轉(zhuǎn)換而成為與二進制數(shù)成比例的模擬電壓。9.2.1 D/A的工作原理及指標 最簡單的DA轉(zhuǎn)換器電路如下圖所示，VREF是一個足夠精度的參考電壓，運算放大器輸入端的各支路對應待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的第0位、第1位第n-1位。支路中的開關(guān)由對應的數(shù)位來控制，如果該數(shù)位為“1”，則對應的開關(guān)閉合；如果該數(shù)位為“0”，則對應的開關(guān)打開。各輸入支路中的電阻分別為R、2R、4R這些電阻稱為權(quán)電阻

9、。1. 基本工作原理 4個開關(guān)從全部斷開到全部閉合，運算放大器可以得到16種不同的電流輸入。這就是說，通過電阻網(wǎng)絡，可以把00001111轉(zhuǎn)換成大小不同的電流，從而可以在運算放大器的輸出端得到大小不同的電壓。如果由數(shù)字0000每次增1，一直變化到1111就可以得到一個階梯波電壓，如圖所示。圖9-2 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理 在實際應用中，常選用電流輸出型來實現(xiàn)電壓輸出，即通過外接的運算放大器把D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓。圖9-3(a)是反相電壓輸出，輸出電壓VOUT=-iR，圖9-3(b)是同相電壓輸出，輸出電壓VOUT=iR(1+R2/R1)。圖9-3 電流型D/A連接成電壓輸出方式 在實

10、際應用中，有時僅要求輸出是單方向的，即單極性輸出，其電壓通常為0+5V或0+10V；有時則要求輸出是雙方向的，即雙極性輸出，如電壓為5V、10V。單極性和雙極性輸出電路分別為圖9-4(a)和9-4(b)所示。雙極性輸出電壓與VREF及A1輸出V1的關(guān)系是：VOUT = -2V1VREF 。 雙極性輸出要正負輸出，可把變化的動態(tài)范圍相應增加一倍，但同時雙極性輸出也會較單極性輸出靈敏度會降低一倍。 圖所示為微機系統(tǒng)中的D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。對于一個8位D/A轉(zhuǎn)換器來說，假設輸出為單極性模擬量電壓，滿量程值為5 V，在理論上其數(shù)字量與模擬量之間的對應關(guān)系如下表 所示。 輸出電壓的計算公式為VOUT=式中，

11、N是D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，D是數(shù)字量換算到十進制的數(shù)值，滿量程電壓值/2N是1LSB所對應的模擬量電壓，即分辨率。 圖 D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬量曲線 由于數(shù)字量不是連續(xù)的，其轉(zhuǎn)換后的模擬量自然就不是連續(xù)的。同時由于計算機每次輸出數(shù)據(jù)和D/A轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換需要一定的時間，因此實際上D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量隨時間的變化曲線不是連續(xù)的，而呈階梯狀 如圖 所示。圖中時間坐標的最小分度T是相鄰的兩次輸出數(shù)據(jù)的時間間隔， 模擬量坐標的最小分度是1 LSB。但如果D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率較高，T很短，那么這條曲線的臺階就很密，基本上就是連續(xù)的。 （1） 分辨率。 分辨率是當輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化（即1LSB）時

12、，所對應的輸出模擬量的變化量，即等于模擬量輸出的滿量程值的1/2N（N為數(shù)字量位數(shù)）。分辨率也可以用相對值（1/2N）百分率表示。在實際應用中，又常用數(shù)字量的位數(shù)來表示分辨率。 （2） 轉(zhuǎn)換精度。 轉(zhuǎn)換精度是指一個實際的D/A轉(zhuǎn)換器與理想的D/A轉(zhuǎn)換器相比較的轉(zhuǎn)換誤差。精度反映D/A轉(zhuǎn)換的總誤差。其主要誤差有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。 2. 主要技術(shù)指標精度反映D/A轉(zhuǎn)換的精確程度，可分為絕對精度和相對精度。絕對精度（Absolute Accuracy）：是指對應于給定的數(shù)字量，D/A輸出端實際測得的模擬輸出值（電流或電壓）與理論值之差。絕對精度由D/A轉(zhuǎn)換的增益誤差、線

13、性誤差和噪聲等綜合因素決定。相對精度（Relative Accuracy）：是指在零點和滿量程值校準后，各種數(shù)字輸入的模擬量輸出與理論值之差，可把各種輸入的誤差畫成曲線。對線性D/A而言，相對精度就是非線性度。 精度特性通常是以滿量程電壓VFS的百分數(shù)或以最低有效位（LSB）的分數(shù)形式給出，也可用二進制位數(shù)表示。 分辨率和轉(zhuǎn)換精度是兩個不同的概念。分辨率取決于D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)，而精度取決于構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換器各個部件的精度與穩(wěn)定性。分辨率高的D/A轉(zhuǎn)換器并不一定具有高的精度。 （3）建立時間（Setting Time） 建立時間也稱穩(wěn)定時間，是指在D/A的數(shù)字輸入端加上滿量程的變化（如從全“0”變

14、為全“1”以后，其模擬輸出穩(wěn)定到最終值1/2LSB時所需的時間。當輸出的模擬量為電流時，建立時間較短，最短的僅為幾個納秒；當輸出的模擬量為電壓時，建立時間較長，主要是輸出運算放大器所需的時間。圖9-5中的ts即建立時間。圖9-5 D/A的建立時間 （4）輸出電壓（Output Voltage） 不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓相差較大。一般電壓型的D/A轉(zhuǎn)換器輸出為05V或010V；電流型的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電流為幾毫安至幾安。 （5）線性誤差（Linearuty Error） 相鄰兩個數(shù)字量之間的差應是1LSB，即理想的轉(zhuǎn)換特性應是線性的。在滿量程范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大值稱為線性誤差

15、。 （6）溫度系數(shù)（Temperature Coefficient） 在規(guī)定的范圍內(nèi)，相應于溫度每變化1，增益、線性度、零點及偏移（對雙極性D/A）等參數(shù)的變化量。溫度系數(shù)直接影響轉(zhuǎn)換精度。 9.2.2 常用的D/A轉(zhuǎn)換芯片 D/A轉(zhuǎn)換器的類型很多。從輸入電路來說，一般的D/A轉(zhuǎn)換器都帶有輸入寄存器，與微機能直接連接；有的具有兩極鎖存器，使工作方式更加靈活。輸入數(shù)據(jù)一般為并行數(shù)據(jù)，也有串行數(shù)據(jù)。并行輸入的數(shù)據(jù)有8位、10位、12位等。從輸出信號來說，D/A轉(zhuǎn)換器的直接輸出是電流量，若片內(nèi)有輸出放大器，則能輸出電壓量，并能實現(xiàn)單極性或雙極性電壓輸出。 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，一般其電流建立時

16、間為1 s。 有些D/A轉(zhuǎn)換器具有其它功能，如能輸出多路模擬量、輸出工業(yè)控制用的標準電流信號。 典型的D/A轉(zhuǎn)換器如8位通用型DAC0832、12位的DAC1208、 電壓輸出型的AD558和多路輸出型AD7528。 DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。它具有與微機連接簡單、轉(zhuǎn)換控制方便、價格低廉等特點，微機系統(tǒng)中得到廣泛的應用。 （1）結(jié)構(gòu)和引腳。 DAC0832的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，它由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位DAC轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。封裝為20腳雙列直插式。 各引腳功能如下： DAC0832是美國國家半導體公司生產(chǎn)的8位D/A芯片，共有20個引腳，如圖所示

17、。其主要引腳定義分別如下：D7D0：8位數(shù)字量輸入信號，其中D0為最低位，D7為最高位。ILE：輸入寄存器的允許信號，高電平有效。ILE信號和CS、WRl共同控制選通輸入寄存器。當CS、WRl均為低電平，而ILE為高電平時，輸入數(shù)據(jù)立即被送至8位輸入寄存器的輸出端（見圖DAC0832邏輯結(jié)構(gòu)框圖）。當上述三個控制信號中任一個無效時，輸入寄存器將數(shù)據(jù)鎖存，輸出端呈保持狀態(tài)。 圖9-6 DAC0832引腳圖 CS：片選信號，輸入，低電平有效。 WR1 ：輸入寄存器寫信號，輸入，低電平有效。 由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生輸入寄存器控制信號LE1 。 當LE1為低電平時，輸入寄存器內(nèi)容隨數(shù)據(jù)線

18、變化，LE1 的正跳變將輸入數(shù)據(jù)鎖存。 XFER ： 數(shù)據(jù)傳送信號， 輸入， 低電平有效。 WR2： DAC寄存器的寫信號， 輸入， 低電平有效。 由XFER、WR2 組成DAC寄存器的控制信號LE2。 LE2 的正跳變將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器。 IOUTl：電流輸出1。當DAC寄存器中全為“1”時，輸出電流最大，當DAC寄存器中全為“0”時，輸出電流最小。 IOUT2：電流輸出2。它與IOUTl的關(guān)系是：IOUTI+IOUT2=常數(shù) Rfb：內(nèi)部反饋電阻引腳，該電阻在芯片內(nèi)，Rfb端可以直接接到外部運算放大器的輸出端。這樣，相當于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸入端和輸出端。 VREF：

19、參考電壓輸入端，可接正電壓，也可接負電壓，范圍為-10V+10V。 Vcc：芯片電源。+5V+15V，典型值為+15V。 AGND：模擬地。芯片模擬信號接地點。 DGND：數(shù)字地。芯片數(shù)字信號接地點。 0832是電流型,若需要電壓信號,可用運算放大器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號: （2） 工作方式。 DAC0832內(nèi)部有兩個寄存器，能實現(xiàn)三種工作方式： 雙緩沖、 緩沖和直通方式。 雙緩沖工作方式是指兩個寄存器分別受到控制。當ILE、 CS 和WR1 信號均有效時，8位數(shù)字量被寫入輸入寄存器， 此時并不進行D/A轉(zhuǎn)換。當WR2和XFER 信號均有效時，原來存在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)被寫入DAC寄存器，并

20、進入D/A轉(zhuǎn)換器后進行D/A轉(zhuǎn)換。在一次轉(zhuǎn)換完成后到下一次轉(zhuǎn)換開始之前，由于寄存器的鎖存作用，8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)保持恒定，因此D/A轉(zhuǎn)換的輸出也保持恒定。在雙緩沖工作方式下， 利用輸入寄存器暫存數(shù)據(jù)， 給使用帶來方便，可以實現(xiàn)多路數(shù)字量的同步轉(zhuǎn)換輸出。 單緩沖工作方式是指只有一個寄存器受到控制。這時將另一個寄存器的有關(guān)控制信號預先設置成有效，使之開通； 或者將兩個寄存器的控制信號連在一起，兩個寄存器作為一個來使用。 直通工作方式是指兩個寄存器的有關(guān)控制信號都預先置為有效，兩個寄存器都開通。只要數(shù)字量送到數(shù)據(jù)輸入端，就立即進入D/A轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。這種方式應用較少。 （3） 電壓輸出電路

21、的連接。 DAC0832以電流形式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，得到電壓形式需外加I/V轉(zhuǎn)換的電路，常采用運算放大器。下圖是DAC0832的電壓輸出電路。 圖 DAC0832的電壓輸出電路 (a) 單極性輸出； (b) 雙極性輸出對于單極性輸出電路， 輸出電壓的格式為VOUT= -式中D為輸入數(shù)字量的十進制值。因為轉(zhuǎn)換結(jié)果IOUT1接運算放大器的反相端，所以式中有一個負號。若VREF=+5V，D=0255（00HFFH）時，VOUT=-（04.98）V。 通過調(diào)整運算放大器的調(diào)零電位器，可以對D/A芯片進行零點補償。通過調(diào)節(jié)外接于反饋回路的電位器RP1，可以調(diào)整滿量程。 對于雙極性輸出電路， 輸出電壓的表達式

22、為： V= 若VREF=+5 V，當D=0時，VOUT1=0，VOUT=-5 V；當D=128（80H）時，VOUT1=-2.5 V，VOUT=0；當D=255（FFH）時，VOUT1=-4.98 V， VOUT=4.96 V 。這一轉(zhuǎn)換關(guān)系由下表示出。 （4）主要性能指標。電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，電流建立時間1s。 分辨率（Resolution） 8位。 線性誤差0.2 FSR（Full Scale Range），即該芯片的線性誤差為滿量程的0.2。 非線性誤差0.4FSR。 具有雙緩沖、單緩沖和直接輸入三種工作方式。 數(shù)字輸入與TTL兼容。 增益溫度系數(shù) 0.002FSR /。 低功耗 2

23、0mW。 單電源 +5+15V。 參考電壓 +10V-10V。9.2.3 DAC0832的應用舉例例1:轉(zhuǎn)換一個數(shù)據(jù): MOV DX，P-AD MOV AL，BX OUT DX，AL例2:D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個踞齒波： MOV DX，PORTA MOV AL，0FFHROTATE：INC AL OUT DX，AL JMP ROTATE？例3：D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生周期性踞齒波：用延時程序控制周期。 MOV DX，PORTA MOV AL，0FFHDON：INC AL OUT DX，AL CALL DELAY JMP DONDELAY PROC NEAR MOV CX，DATA X： LOOP X RETD

24、ELAY ENDP？DEC AL產(chǎn)生周期性三角波： MOV DX，PORT MOV AL，0FFHDON1：INC AL OUT DX，AL CMP AL，0FFH JNZ DON1 DON2：DEC AL OUT DX，AL CMP AL，0 JNZ DON2 JMP DON1 例4：用8255A控制DAC0832進行、D/A轉(zhuǎn)換，控制8253產(chǎn)生方波。 （1）試根據(jù)圖所示的連線，給出8255A和8253的端口地址，并為8253選擇合適的工作方式，確定計數(shù)初值。 （2）編程要求：設8255工作在方式0，需轉(zhuǎn)換的數(shù)字量在BL中存放，試編寫程序段，使得DAC0832產(chǎn)生模擬量輸出，8253產(chǎn)生所

25、要求的方波。解: 首先從圖中譯碼電路可知：。 8255A的地址為0218H021BH8253的地址為0238H023BH根據(jù)題意，8253的計數(shù)器應工作于方式3，計數(shù)初值為 n0.03(2001000)6000(2)完成題目要求的程序段如下： MOV DX，021BH ；8255A控制字端口 MOV AL，10000000B OUT DX，AL MOV DX，0218H ；8255A的A端口 MOV AL，BI; OUT DX，AL MOV AL，00001011B ；PC5置l，0832進行DA轉(zhuǎn)換 MOV DX，021BH OUT DX，AL MOV AL，00001010B ；PC5清0

26、 OUT DX，AL MOV DX，023BH ；8253控制字端口MOVAL，10110110B ；計數(shù)器2，方式3，二進制計數(shù)OUTDX，ALMOVAX，6000MOVDX，023AH OUTDX，AL ；送計數(shù)初值低8位 MOVAL，AH OUTDX，AL ；送計數(shù)初值高8位 MOVDX，0219H ；8255A的B端口MOVAL，00010000B ；PB4置1，GATE2有效OUTDX，AL或者，8253的計數(shù)器2可以用BCD碼格式計數(shù)，則 8253程序片段為：MOVDX，023BHMOVAL，10110111BOUTDX，ALMOVDX，023AHMOVAL，00HOUTDX，AL

27、MOVAL，60HOUTDX，ALMOVDX，0219HMOVAl，00010000BOUTDX，AL 轉(zhuǎn)換的功能是把模擬量電壓轉(zhuǎn)換為N位數(shù)字量電壓。下圖所示為A/D轉(zhuǎn)換器的工作情況，其中圖（b）是相對應的輸入和輸出。 對于這一轉(zhuǎn)換過程， 作以下幾點說明： 輸入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量電壓是連續(xù)的。由于A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時間，A/D轉(zhuǎn)換只能間斷性地進行，因此輸出的數(shù)字量電壓是不連續(xù)的，稱為離散量。在下圖（b）中，A/D轉(zhuǎn)換所得的結(jié)果是一個個孤立的點。每個點的縱坐標代表某個數(shù)字量，其值與采樣時刻的模擬量相對應。如果在相鄰兩次采樣時刻之間，A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量保持前一時刻的值，那么A

28、/D轉(zhuǎn)換的輸出就是一條階梯形的曲線。 9.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)9.3.1 ADC的工作原理及指標1. A/D轉(zhuǎn)換的基本知識 圖 A/D轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換情況 (a) A/D 轉(zhuǎn)換器; (b) 輸入和輸出 相鄰兩次采樣的間隔時間稱為采樣周期。為了使輸出量能充分反映輸入量的變化情況，采樣周期要根據(jù)輸入量變化的快慢來決定。而一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間顯然必須小于采樣周期。 假設輸入的模擬量為04.99 V時，輸出的數(shù)字量為001111（二進制數(shù)），那么輸出與輸入的對應關(guān)系如表所示。 將模擬量表示為相應的數(shù)字量，稱為量化。數(shù)字量的最低位即最小有效位1 LSB（LSB, Least Sig

29、nificant Bit），與此相對應的模擬電壓稱為一個量化單位，如果模擬電壓小于此值，不能轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量。LSB表示A/D轉(zhuǎn)換器的分辨能力。對于上述轉(zhuǎn)換關(guān)系來說， 1 LSB=0.71 V。 輸入模擬量0.000.711.422.132.843.554.284.99輸出數(shù)字量000001010011100101110111 2. A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標 （1）分辨率。 習慣上以輸出的二進制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示分辨率。 如一個輸出為8位二進制數(shù)的A/D 轉(zhuǎn)換器，稱其分辨率為8位。也可以用對應于1 LSB的輸入模擬電壓來表示分辨率。分辨率還可以用百分數(shù)來表示，例如8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨

30、率百分數(shù)為 （1/256）100%=0.39%。 （2）量化誤差。 A/D轉(zhuǎn)換是用數(shù)字量對模擬量進行量化。由于存在最小量化單位，在轉(zhuǎn)換中就會出現(xiàn)誤差，仍以上述04.99V 轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)000111的A/D 轉(zhuǎn)換器為例，模擬量1.42V對應于數(shù)字量010；而（1.42 V- 1/2 LSB） （1.42 V+ 1/2 LSB）也都對應于010，這樣就帶來了轉(zhuǎn)換誤差。 這一誤差稱為量化誤差。理想A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差為1/2 LSB，如下圖所示。 圖 理想的A/D轉(zhuǎn)換曲線 （3） 轉(zhuǎn)換精度。 轉(zhuǎn)換精度是指一個實際的A/D轉(zhuǎn)換器與理想的A/D轉(zhuǎn)換器相比的轉(zhuǎn)換誤差。絕對精度一般以1LSB為單位給出。

31、相對精度則是絕對精度與滿量程的比值。不同廠家生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度指標的表達方式可能不同。有的給出綜合誤差指標，有的給出分項誤差指標。通常誤差指標有失調(diào)誤差（零點誤差）、增益誤差（滿量程誤差）、非線性誤差和微分非線性誤差。 例如，滿量程為10V，10位A/D芯片，若其絕對精度為1/2 LSB，則其最小有效位的量化單位9.7mV，其絕對精度為/2=4.88mV，其相對精度為：4.88mV/10V =0.048%。 （4）轉(zhuǎn)換時間。 轉(zhuǎn)換時間是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間，即由發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號開始有效的時間間隔。轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。例如 AD570的轉(zhuǎn)換時間為25

32、s其轉(zhuǎn)換速率為40KHz 。 （5）電源靈敏度。 電源靈敏度是指A/D轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。一般用電源變化1時相當?shù)哪M量變化的百分數(shù)表示。 （6）量程。 量程是指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。 例如:單極性量程為0+5V 、0+10V、0+20V； 雙極性：量程為-5+5V、-10+10V。 （6）輸出邏輯電平。 多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的輸出邏輯電平與TTL電平兼容。在考慮數(shù)字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。 （7）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，故只在一定的

33、溫度范圍內(nèi)才能保證額定精度指標。一般A/D轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍為（070），軍用品的工作溫度范圍為（-55+125）。 9.3.2 常用的ADC0809芯片 A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多。按轉(zhuǎn)換原理分類，有逐次逼近式、雙積分式、并行式等。雙積分轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換時間長，大約需要幾百毫秒。 并行式轉(zhuǎn)換速度最高，能達到2G次，即轉(zhuǎn)換時間僅50 ns， 但價格昂貴，產(chǎn)品的分辨率不高。逐次逼近式兼顧了轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度，是應用廣泛的A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近式的種類很多，分辨率從8位到16位，轉(zhuǎn)換時間從100s到幾微秒，精度有不同等級，有的轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還常有多路模擬開關(guān)。 常用的幾種A/D轉(zhuǎn)換器：8位通用型ADC0

34、808/0809、12位的AD574A和雙積分型5G14433。 ADC0808/0809是8通道、8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，美國NS公司產(chǎn)品。其性能指標一般，價格低廉，便于與微機連接， 因而應用十分廣泛 。 1. 結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換原理。 下圖所示為ADC0808/0809的結(jié)構(gòu)框圖。ADC0808/0809由三部分組成：8路模擬量選通開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。 ADC0808/0809的結(jié)構(gòu)框圖 ADC0808/0809允許8路模擬信號輸入，由8路模擬開關(guān)選通其中一路信號，模擬開關(guān)受通道地址鎖存和譯碼電路的控制。當?shù)刂锋i存信號ALE有效時，3位地址CBA進入地址鎖存器，經(jīng)譯碼后

35、使8路模擬開關(guān)選通某一路信號。 8位A/D轉(zhuǎn)換器為逐次逼近式，由256R電阻分壓器、樹狀模擬開關(guān)（這兩部分組成一個D/A變換器）、電壓比較器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。其基本工作原理是采用對分搜索方法逐次比較，找出最逼近于輸入模擬量的數(shù)字量。電阻分壓器需外接正負基準電源VREF（+）和VREF（-）。 CLOCK端外接時鐘信號。A/D轉(zhuǎn)換器的啟動由START信號控制。轉(zhuǎn)換結(jié)束時控制電路將數(shù)字量送入三態(tài)輸出鎖存器鎖存，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC。 三態(tài)門輸出鎖存器用來保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，當輸出允許信號OE有效時，打開三態(tài)門，輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。因輸出有三態(tài)門， 便于與微機總線連接。

36、2. 引腳功能。 圖 為ADC08080809的引腳圖。各引腳功能說明如下： IN0IN7： 8路模擬輸入端。 ALE：地址鎖存器允許信號輸入端。當它為高電平時， 地址信號進入地址鎖存器中。 CLOCK：外部時鐘輸入端。時鐘頻率典型值為640 kHz，允許范圍為101280 kHz。時鐘頻率降低時，AD轉(zhuǎn)換速度也降低。 START：AD轉(zhuǎn)換信號輸入端。有效信號為一正脈沖。 在脈沖上升沿，AD轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器均被清零，在其下降沿開始AD轉(zhuǎn)換。 圖 ADC0808/0809的引腳圖 EOC：AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。在START信號上升沿之后0到（2 s8個時鐘周期）時間內(nèi)，EOC變?yōu)榈碗娖?。當AD轉(zhuǎn)換結(jié)

37、束后，EOC立即輸出一正階躍信號，可用來作為AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束的查詢信號或中斷請求信號。 OE：輸出允許信號。當OE輸入高電平信號時，三態(tài)輸出鎖存器將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。 D0D7：數(shù)字量輸出端。D0為最低有效位（LSB），D7為最高有效位（MSB）。 REF（+）、REF（-）：正負基準電壓輸入端?；鶞孰妷旱闹行闹禐椋╒ REF（+） + VREF（-）) /2（應接近于VCC/2），其偏差值不應超過0.1 V。 正負基準電壓的典型值分別為+5 V和0 V。VCC、 GND：電源電壓輸入端。 ADC0808/0809的工作時序 3. 工作時序。 ADC0808/0809的工作時序如下圖所示。從圖中

38、可以看出各信號的時序關(guān)系，進一步理解上面所講的轉(zhuǎn)換過程中的信號功能。完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間為6673個時鐘周期。 4. ADC0808/0809的主要性能指標。 分辨率為8位。 總的非調(diào)整誤差：0808為1/2 LSB，0809為1 LSB。 轉(zhuǎn)換時間為100 s（時鐘頻率為640 KHz）。 具有鎖存控制功能的8路模擬開關(guān)，能對8路模擬電壓信號進行轉(zhuǎn)換。 輸出電平與TTL電平兼容。 單電源+5 V供電?；鶞孰妷河赏獠刻峁?，典型值為+5 V。 此時允許模擬量輸入范圍為05 V。功耗為10 mW。 ADC0808/0809的數(shù)字量輸出值D（換算到十進制）與模擬量輸入值VIN之間的關(guān)系如下： 通

39、常VREF（-）=0 V，所以 當VREF（+）=5V，相應于VIN=04.98 V，D=0255（00HFFH）。這里由于數(shù)字量的滿量程值是255，而不是256， 因此相應地輸入電壓的滿量程值也比5 V少1 LSB。 與ADC0808/0809同屬ADC0800系列的還有ADC0816/0817，其通道數(shù)增至16，封裝為40引腳，其它性能與ADC0808/0809基本相同。ADC08000805系列為單通道8位轉(zhuǎn)換器，除了通道數(shù)以外，其它性能與ADC0808/0809相似。 5. ADC芯片與CPU接口。 通常使用的ADC一般都具有下列引腳：數(shù)據(jù)輸出、啟動轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)束、時鐘和參考電平等。ADC與主機的連接就是處理這些引腳的連接問題。 數(shù)據(jù)輸出線的連接。 模擬信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，向主機送出數(shù)字量。所以，ADC芯片就相當于給主機提供數(shù)據(jù)的輸入設備。 能夠向主機提供數(shù)據(jù)的外設很多，它們的數(shù)據(jù)線都要連接到主機的數(shù)據(jù)總線上。為了防止總線沖突，任何時刻只能有一個設備發(fā)送信息。因此，這些能夠發(fā)送數(shù)據(jù)的外設的數(shù)據(jù)輸出端必須通過三態(tài)緩沖器連接到數(shù)據(jù)總線上。由于有些外設的數(shù)據(jù)不斷變化，如A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，隨模擬信號變化而變化，所以，為了能夠穩(wěn)定輸出，還必須在三態(tài)緩沖器之前加上鎖存器，保持數(shù)據(jù)不變。為此，大多數(shù)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線發(fā)送數(shù)據(jù)的設