《微機原理與接口技術(shù)》課件第9章 開關(guān)與模擬量接口技術(shù)

第9章開關(guān)量與模擬量接口技術(shù)9.1概述9.2開關(guān)量接口9.3模擬量接口9.4多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)習題9

9.1概述9.1.1開關(guān)量開關(guān)量的輸入/輸出是微機應(yīng)用系統(tǒng)常常遇到的問題。在微機應(yīng)用系統(tǒng)中，通常要引入一些開關(guān)量的輸出控制(如繼電器的通/斷)及狀態(tài)量的反饋輸入(如機械限位開關(guān)狀態(tài)、控制繼電器的觸點閉合等)。這些控制動作都和強電(大電流、高電壓)控制電路聯(lián)系在一起，合理地設(shè)計和應(yīng)用十分重要。如果應(yīng)用不當會對微機應(yīng)用系統(tǒng)造成嚴重干擾，導(dǎo)致微機系統(tǒng)不能正常工作。

強電控制電路與微機應(yīng)用系統(tǒng)共地，是引起干擾的一個很重要的原因。由于強電控制電路與微機應(yīng)用系統(tǒng)的接地線存在著一定的電阻，且微機應(yīng)用系統(tǒng)各器件的接地和電源接地之間也存在著一定大小的連線電阻，在平常工作時，流過的電流較小，這種電阻上的壓降幾乎可以忽略不計，系統(tǒng)各器件的地和電源地可以認為是同一電位；但是，如果在某一瞬時，有大電流流過，那么該電阻上的壓降就不能忽略了。如圖9.1所示，串聯(lián)壓降就會疊加到微機應(yīng)用系統(tǒng)各個器件的地電位上，從而造成危害極大的脈沖干擾。圖9.1大電流干擾地電平示意圖

消除上述干擾的最有效方法是使微機應(yīng)用系統(tǒng)主機部分的接地和強電控制電路的接地隔開，不讓它們在電氣上共地。微機應(yīng)用系統(tǒng)主機部分的控制信息以某種非電量(如光、磁等)形式傳遞給強電控制電路，實現(xiàn)電信號的隔離，從而消除強電干擾。目前，最常見的是采用光電隔離器或繼電器隔離，其中光電隔離器件體積小、響應(yīng)速度快、壽命長、可靠性高，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。9.1.2模擬量模擬量輸入/輸出通道是微型計算機與控制對象之間的一個重要接口，也是實現(xiàn)工業(yè)過程控制的重要組成部分。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要測量和控制的物理量往往是連續(xù)變化的量，如電流、電壓、溫度、壓力、位移、流量等。為了利用計算機實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的自動監(jiān)測和控制，首先要能夠?qū)⑸a(chǎn)過程中監(jiān)測設(shè)備輸出的連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能夠識別和接受的數(shù)字量。其次，還要能夠?qū)⒂嬎銠C發(fā)出的控制命令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號，去驅(qū)動模擬調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)。這樣兩個過程，都需要模擬量的輸入和輸出通道來完成。模擬量輸入/輸出通道的結(jié)構(gòu)如圖9.2所示，下面分別介紹輸入和輸出通道中各環(huán)節(jié)的作用。圖9.2模擬量的輸入/輸出通道結(jié)構(gòu)圖

1.模擬量的輸入通道典型的模擬量輸入通道由以下幾部分組成。

1)傳感器傳感器是用于將工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的某些非電物理量轉(zhuǎn)換為電量(電流、電壓)的器件。例如，熱電偶能夠?qū)囟冗@個物理量轉(zhuǎn)換成幾毫伏或幾十毫伏的電壓信號，所以可用它作為溫度傳感器；而壓力傳感器可以把物理量壓力的變化轉(zhuǎn)換為電信號，等等。2)變送器一般來講，傳感器輸出的電信號都比較微弱，為了易于與信號處理環(huán)節(jié)銜接，就需要將這些微弱電信轉(zhuǎn)換成一種統(tǒng)一的電信號，變送器就是實現(xiàn)這一功能的器件。它將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成0～10mA或4～20mA的統(tǒng)一電流信號或者0～5V的電壓信號。3)信號處理環(huán)節(jié)信號處理環(huán)節(jié)主要包括信號的放大及干擾信號的濾除。它將變送器輸出的信號進行放大或處理成符合A/D(AnalogtoDigital)轉(zhuǎn)換器需要的信號。另外，傳感器通常都安裝在現(xiàn)場，環(huán)境比較惡劣，其輸出常疊加有高頻干擾信號。因此，信號處理環(huán)節(jié)通常是低通濾波電路，如RC濾波器或由運算放大器構(gòu)成的有源濾波電路等。4)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)在生產(chǎn)過程中，要監(jiān)測或控制的模擬量往往不止一個，尤其是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要采集的模擬量一般比較多，而且不少模擬量是緩慢變化的信號。對這類模擬信號的采集，可采用多路模擬開關(guān)切換，使多個模擬信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣和轉(zhuǎn)換，以降低成本。5)采樣保持電路在數(shù)據(jù)采樣期間，保持輸入信號不變的電路稱為采樣保持電路。由于輸入模擬信號是連續(xù)變化的，而A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時間，這段時間稱為轉(zhuǎn)換時間。不同的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換時間不同。對于變化較快的模擬輸入信號，如果在轉(zhuǎn)換期間輸入信號發(fā)生變化，就可能引起轉(zhuǎn)換誤差。A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換時間越長，對同樣頻率模擬信號的轉(zhuǎn)換精度的影響就越大。所以，在A/D轉(zhuǎn)換器前面要增加一級采樣保持電路，以保證在轉(zhuǎn)換過程中，輸入信號的值不變。6)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D這是模擬量輸入通道的中心環(huán)節(jié)，它的作用是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的數(shù)字信號，以便計算機進行分析和處理。

2.模擬量的輸出通道計算機的輸出信號是數(shù)字信號，而有些控制執(zhí)行元件要求提供模擬的輸入電流或電壓信號，這就需要將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，這個過程的實現(xiàn)由模擬量的輸出通道來完成。輸出通道的核心部件是D/A(DigitaltoAnalog)轉(zhuǎn)換器，由于將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量同樣需要一定的轉(zhuǎn)換時間，要求在整個轉(zhuǎn)換過程中待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量要保持不變。而計算機的運行速度很快，其輸出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上穩(wěn)定的時間很短，因此，在計算機與D/A轉(zhuǎn)換器之間必須加一級鎖存器以保持數(shù)字量的穩(wěn)定。D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端一般還要加上低通濾波器，以平滑輸出波形。另外，為了能夠驅(qū)動執(zhí)行器件，還需要設(shè)置驅(qū)動放大電路將輸出的小功率模擬量加以放大，以足夠驅(qū)動執(zhí)行元件動作。9.2開關(guān)量接口9.2.1光電子器件光電技術(shù)應(yīng)用于計算機系統(tǒng)是一種較新的趨勢，在信號傳輸和存儲等環(huán)節(jié)中，可有效地應(yīng)用光信號。例如，在電話與計算機網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸，聲像演播用的CD或VCD，計算機光盤CD－ROM，甚至于在船舶和飛機的導(dǎo)航裝置、交通管理設(shè)備中均采用現(xiàn)代化的光電子系統(tǒng)。光電子系統(tǒng)的突出優(yōu)點是，抗干擾能力較強，傳輸速率極高，而且傳輸損耗小，工作可靠。它的主要缺點在于，光路比較復(fù)雜，光信號的操作與調(diào)制需要精心設(shè)計。光信號和電信號的接口需要一些特殊的光電轉(zhuǎn)換器件，下面分別予以介紹。

1.光電二極管光電二極管的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管類似，但在它的PN結(jié)處，通過管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流隨光照強度的增加而上升。圖9.3(a)是光電二極管的代表符號，圖9.3(b)是它的等效電路，而圖9.3(c)則是它的工作特性曲線。光電二極管的主要特點是，它的反向電流與光照度成正比，靈敏度的典型值為0.1μA/lx(lx為勒克斯，是光照度E的單位)數(shù)量級。圖9.3光電二極管電路(a)符號；(b)等效電路；(c)特性曲線

2.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管其光譜范圍比較窄，波長由所使用的基本材料而定。圖9.4表示發(fā)光二極管的代表符號。幾種常見發(fā)光材料的主要參數(shù)如表9-1所示。發(fā)光二極管常用來作為顯示器件，除單個使用外，也常做成七段式矩陣式器件，單管工作電流一般在幾毫安至幾十毫安之間。 圖9.4發(fā)光二極管表9-1發(fā)光二極管的主要參數(shù)顏色波長/nm基本材料正向電壓，(10mA時)/V光強(10mA時,張角±45°)/mcd*光功率/μW紅外900砷化鎵1.3～1.5

100～500紅655磷砷化鎵1.6～1.80.4～11～2鮮紅635磷砷化鎵2.0～2.22～45～10黃583磷砷化鎵2.0～2.21～33～8綠565磷化鎵2.2～2.40.5～31.5～8

發(fā)光二極管的另一種重要用途是將電信號變?yōu)楣庑盘?，通過光纜傳輸，然后再用光電二極管接收，再現(xiàn)電信號。圖9.5光電傳輸系統(tǒng)

3.光電耦合器件光電耦合器是一種光電轉(zhuǎn)換器件，它具有輸入端和輸出端。輸入端是發(fā)光器件，輸出端是光接收器件。當輸入端加電信號時，此電信號使輸入端的發(fā)光器件發(fā)光，而這種光信號被輸出端的光電接收器接收并轉(zhuǎn)換成電信號。由這種“電→光→電”的轉(zhuǎn)換過程實現(xiàn)了輸入電信號和輸出電信號之間的隔離。這就是光電耦合器的基本工作原理。圖9.6光電耦合器1)光電耦合器的基本性能將發(fā)光二極管和光敏器件封裝在一起就成為光電耦合器，光電耦合器件的種類很多，但其基本原理是完全一樣的。典型光電耦合器(簡稱光耦)的電路原理如圖9.6所示。圖中光電耦合器件由兩部分組成：發(fā)光二極管和光敏三極管。當發(fā)光二極管通過一定電流時它就會發(fā)光，該光被光敏三極管接收，就使它的c、e兩端導(dǎo)通。當發(fā)光二極管內(nèi)沒有電流流過時，就沒有光照射到光敏三極管，從而使三極管截止，c、e兩端開路。用此方法就可以將邏輯值以光的有、無方式從左端傳到右端。

光電耦合器具有10MΩ的隔離電阻和僅幾個pF的電容。這種光電耦合器的特點是體積小，壽命長，無觸點，抗干擾性強。根據(jù)材料和制造工藝的不同有多種光電耦合器件，目前使用最廣泛的是GaAsLED——光電三極管型或光電二極管型。較早的器件是一個光電耦合器封裝于一個塑封殼內(nèi)，而新的器件可將四個光電耦合器封裝于一個雙列直插式塑封組件殼內(nèi)，形成集成光電耦合器。2)光電耦合器的基本參數(shù)光電耦合器的參數(shù)可分為輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)和傳輸特性參數(shù)三部分。

(1)輸入特性：表征光電耦合器輸入?yún)?shù)集合。①最大允許輸入電流IFM：超出這個值時引起PN結(jié)溫升過高，造成發(fā)光二極管損壞。一般IFM可達50mA，平時使用10～20mA。電流過小則發(fā)光不夠，光電耦合器不能正常工作。②正向壓降VF：在IF=10mA時，VF≤1.3V，在設(shè)計電路時要考慮這個因素。③反向擊穿電壓BVR：發(fā)光二極管的反向擊穿電壓比普通二極管低，一般BVR在10～20V，使用時應(yīng)控制在5V以內(nèi)。由于發(fā)光二極管的反向擊穿電壓BVR較小，因此，為了防止使用時接錯電壓極性或者其他偶然因素而引進的反向電壓造成發(fā)光二極管擊穿，往往在輸入端加入一只反向二極管V，用以保護光電耦合器。為了防止長線輸入干擾，往往加上RC電路。完整的輸入電路如圖9.7所示。圖9.7光電耦合器輸入電路④反向漏電流IR：光電耦合器的發(fā)光二極管在加反向電壓時有一固定反向小電流，稱之為反向漏電流IR，一般在VR=3V時，IR不大于50μA。(2)輸出特性：表征光電耦合器輸出參數(shù)集合。①暗電流：在輸入端不加輸入電流時，輸出端的光電流稱為暗電流(Iceo)，輸出端在20V工作電壓下，Iceo≤0.1μA。②輸出端工作電壓VE：光電耦合器輸出端工作電壓是指當輸出端暗電流不超過一定值時，輸出端所能加的最高電壓。當輸出端暗電流不超過0.1μA時，工作電壓最高為30V，一般為20V。在電路中使用時不得超過手冊上給出的工作電壓的70﹪。③擊穿電壓BVCEO：輸出端的擊穿電壓是輸出端工作電壓繼續(xù)提高后而產(chǎn)生擊穿時的電壓。對于GD210系列，以二極管輸出的耦合器為例，擊穿電壓即為輸出端光電二極管的反向擊穿電壓，一般可大于100V。對于4N系列和GD310系列光電耦合器，輸出端擊穿電壓即為輸出端光電三極管的集—射極之間的擊穿電壓BVCEO。④光電流IE：給光電耦合器輸入端注入一定的工作電流(一般10Ma)，使GaAs-LED發(fā)光；輸出端加上一定的工作電壓(一般為10V)，輸出端產(chǎn)生的電流即為光電流。GaAs-LED光電二極管型光電耦合器的光電流為300μA左右；而GaAs-LED——光電三極管型光電耦合器的光電流可達10mA。⑤輸出最大允許電流ICM：指發(fā)光二極管電流IF增加而Ic不再增加時的集電極電流。額定值為20mA，但使用時不要超過10mA。⑥最大允許功耗PCM：為光電三極管的輸出電流與其壓降的乘積，一般為150mW。(3)傳輸特性：光電耦合器的傳輸特性表征光電耦合器輸入端與輸出端的關(guān)系。①傳輸比：在IE=10mA、VCE=10V時，傳輸比約為0.1～1.5。②隔離阻抗：一般大于10mΩ。③極間耐壓：極間耐壓可達500V。④極間電容：極間電容小于2PF。⑤響應(yīng)時間：tr≤3μs，tf≤4ms，因此頻率很高時不易使用，頻率低于100kHz(甚至低于50kHz)時才能可靠地使用，即頂寬和底寬最好大于10μs。3)應(yīng)用注意事項

(1)由于光電耦合器件在工作過程中需要進行“電→光→電”的兩次物理量的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是需要注意響應(yīng)時間的，因而輸入/輸出速率有一定限制，按器件不同一般在幾十至幾百千赫茲。

(2)當光電隔離器件的一端具有高電壓時，為避免輸入與輸出之間被擊穿，要選擇合適絕緣電壓的光電耦合器件。一般常見的為0.5～10kV。(3)光電隔離器件的兩邊在電氣上是不共地的。特別是供電電源，兩邊都應(yīng)是獨立的。

(4)光電隔離輸出接口通常用于對大功率執(zhí)行機構(gòu)的控制，這種控制要求非?？煽?。為了使微型機應(yīng)用系統(tǒng)確知控制動作已經(jīng)執(zhí)行，一般每一個控制動作執(zhí)行后，應(yīng)有一個相應(yīng)的狀態(tài)信息反饋給CPU。在編寫程序時，應(yīng)使控制動作和反饋檢測互鎖，即在一個控制動作未完成以前，下一個控制動作不應(yīng)該執(zhí)行。(5)由于一般光電耦合器件的輸入/輸出特性是非線性的，因此不適用于模擬量的輸入/輸出接口。模擬量的隔離應(yīng)在A/D轉(zhuǎn)換后進行。9.2.2開關(guān)量輸入接口電路如前所述，光電隔離輸入通常用于控制動作的狀態(tài)反饋。這種反饋可能是電信號形式，也可能是機械觸點的斷開或閉合形式。這里，我們假定狀態(tài)反饋形式是繼電器觸點的斷開或閉合。光電隔離輸入接口電路如圖9.8所示。圖9.8光電隔離輸入接口電路實例

當繼電器的觸點閉合時，5V電源經(jīng)限流電阻為發(fā)光二極管提供一個工作電流。為使該發(fā)光二極管正常發(fā)光，流過它的工作電流一般要求為10mA左右。發(fā)光二極管發(fā)出的光使光敏三極管導(dǎo)通，從而使光敏三極管的集電極(C)變成低電平，再經(jīng)三態(tài)反相緩沖器，變成高電平送到CPU的數(shù)據(jù)總線上。三態(tài)緩沖器為光電隔離器件與CPU總線提供一個數(shù)據(jù)緩沖，只有CPU的地址選通信號加到該緩沖器的選通端時，光電隔離器件的狀態(tài)才能通過數(shù)據(jù)總線讀到CPU。作為開關(guān)量輸入/輸出元件的光電耦合器的輸入電路，可直接用TTL門電路或觸發(fā)器驅(qū)動。在采用MOS電路時不能直接驅(qū)動，而要加TTL的三極管驅(qū)動，其電路形式如圖9.9所示。圖9.9光電耦合器的幾種輸入電路

驅(qū)動光電耦合器的門電路，不能再驅(qū)動其他的負載。如前所述，光電耦合器在接收長距離信號及防止反向擊穿時應(yīng)附加上反向二極管和阻容電路。做為開關(guān)量輸入時，光電耦合器的輸出電路可直接驅(qū)動DTL、TTL、HTL、MOS電路等，也可通過晶體管來驅(qū)動，對于GaAs-LED光電三極管型可直接驅(qū)動。其電路圖如圖9.10所示。圖9.10光電耦合器輸出驅(qū)動電路光電耦合器可代替繼電器、變壓器、斬波器等用于電路隔離或開關(guān)電路。此外，它還可用于D/A轉(zhuǎn)換、邏輯電路、長線傳輸、過流保護、高壓控制、電平匹配、線性放大等許多方面。開關(guān)量向微型計算機的輸入有兩種方法；一種是把一些開關(guān)量組成輸入端口，由微型計算機的輸入指令進行輸入；另一種是對于要求緊急處理的一些開關(guān)量輸入，必須與此同時通過“或邏輯”產(chǎn)生中斷請求，由中斷處理程序具體查詢是哪種請求，再作具體處理。9.2.3開關(guān)量輸出接口電路圖9.11開關(guān)量輸出接口的邏輯結(jié)構(gòu)如圖，開關(guān)量輸出接口電路一般有4部分組成：控制譯碼器、緩沖寄存器、驅(qū)動電路和輸出部件。

1.緩沖寄存器緩沖寄存器的每一位表示一個開關(guān)量，用“0”和“1”區(qū)分通/斷或有/無。寄存器的字長等于數(shù)據(jù)總線位數(shù)，可容納同樣多的開關(guān)量數(shù)目。每個寄存器給一個地址，由控制譯碼器提供一個選通信號，開關(guān)量數(shù)目被字長除得的整數(shù)即為寄存器的數(shù)目。例如，對16位計算機，若有64個開關(guān)量輸出，則需要四個寄存器(16位)和四套相應(yīng)電路(每套16路)。

2.驅(qū)動放大電路因為有些輸出電路要求比較大的電流(例如，繼電器需20mA電流)，所以需要驅(qū)動放大電路。一般采用輔助操作接口中的總線驅(qū)動器元件即可。

3.輸出部件輸出元件通常有四種，即繼電器、光電開關(guān)、脈沖變壓器和固態(tài)繼電器。其電路原理如圖9.12所示。

1)繼電器輸出如圖9.12(a)所示，驅(qū)動電流約為20mA，電壓為+5V，輸入高壓約為24～30V，電流為0.5～1A。當開關(guān)量為1時，線圈通過電流，觸點被吸合。VFl與V0接近，輸入線VF2一般可公用，也可分開接不同設(shè)備。線圈并聯(lián)二極管用以防止反沖。壓敏電阻為齊納二極管，起到防止沖擊、打火、去干擾和保護觸點等作用。繼電器用于負載重、速度慢的情況。2)光電開關(guān)輸出光電開關(guān)電路如圖9.12(b)所示，一般要求驅(qū)動電流為20mA，寬度20μs，用于負載較輕的使用情況。

光電隔離輸出接口，一般是CPU和大功率執(zhí)行機構(gòu)(如大功率繼電器、電機等)之間的接口，控制信息通過它才能送到大功率的執(zhí)行機構(gòu)。CPU與繼電器之間的接口如圖9.13所示，它是光電隔離輸出接口的一個實例。圖9.12幾種常用輸出部件的電路結(jié)構(gòu)圖9.13光電隔離輸出接口電路實例

圖中輸出控制用一塊8位鎖存器進行緩沖，然后再經(jīng)一塊反相器與發(fā)光二極管的一端相接。該反相器可以用OC門，也可以用吸收電流較大的TTL門(如71LS240)。當繼電器的工作電流不太大時，光敏三極管的集電極可以串接一個繼電器線圈，以直接驅(qū)動繼電器工作。當所接的繼電器的工作電流較大時，需要加一級驅(qū)動放大電路(可以用一級前置繼電器，也可以用一級晶體管放大電路)。與繼電器線圈并聯(lián)的二極管起阻尼作用，它在繼電器斷電時，為在線圈中的工作電流提供一個低電阻通路，以保護光敏三極管不致于被繼電器線圈電感產(chǎn)生的高的反向電壓擊穿。3)脈沖變壓器輸出如圖9.12(c)所示，脈沖變壓器多用于高頻脈沖調(diào)制型輸出。脈沖寬度可為2～5μs。脈沖變壓器在光電開關(guān)不適合的快速、負載輕的情況下使用。4)固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器是光電開關(guān)隔離的擴展應(yīng)用，在工業(yè)上用途廣泛，是性能較為理想的開關(guān)量輸出元件，其結(jié)構(gòu)如圖9.12(d)所示。它兼有光電耦合器和繼電器二者的優(yōu)點，同時克服了兩者的不足。輸入為TTL電平，輸入電流小于1mA，輸出電壓為24～1200VDC(或AC)，輸出電流為0.5～30A。它的優(yōu)點是開關(guān)速度快，無觸點，無火花，可靠性好；缺點是價格稍貴。

4.應(yīng)用注意事項需要說明的是，在某些特殊情況下，需要在上述框圖的基礎(chǔ)上加以改進。

1)輸出特性不符輸出電壓和電流不符合共同的輸出標準，要求比24V或27V更高的交直流電壓，或者要求很大的電流時，采用二級繼電器，即由開關(guān)量的輸出再驅(qū)動強電繼電器，由強電繼電器觸點構(gòu)成通斷完成這些要求。2)高可靠性有些開關(guān)量輸出要求特別可靠，要用外界一些條件直接進行控制，這樣可在緩沖寄存器后加邏輯電路。用這些條件參與控制，然后再推動驅(qū)動器和輸出部件。這種開關(guān)量輸出被稱為有條件開關(guān)量輸出。

3)速度和時序有些開關(guān)量輸出要求嚴格的開關(guān)時間或某個開關(guān)接通后延遲指定時間，以使另一開關(guān)量接通。在微型計算機程序不能用于精確計時的情況下，開關(guān)量輸出部分需加硬件定時計數(shù)器來處理這個問題。4)引入手動控制還有一些人工直接干預(yù)的開關(guān)量輸出，可將操作鍵的輸入信號與緩沖寄存器輸出信號相“或”再送驅(qū)動電路和輸出部件，這樣不通過微型計算機便可進行手動控制。盡管還有這樣那樣的情況需要處理，總的說來開關(guān)量輸出的邏輯關(guān)系是比較簡單的，重要的是確保其工作的可靠性。9.3模擬量接口

在工業(yè)過程控制中，經(jīng)常要對溫度、壓力、流量、濃度和位移等物理量進行計算機控制。通常，先用傳感器測量這些物理量，得到與之相應(yīng)的模擬電流或模擬電壓，再通過A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，送入數(shù)字計算機處理，因此ADC常被看成是編碼裝置(因為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號是以編碼形式送入數(shù)字系統(tǒng)的)。計算機處理后的結(jié)果是數(shù)字量，若用它去控制伺服電機等模擬量執(zhí)行機構(gòu)，則需通過D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號，去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作，因此DAC又常被看成是解碼裝置。9.3.1D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器是一種將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件，其特點是接收、保持和轉(zhuǎn)換的是數(shù)字信息，不存在隨溫度和時間的漂移問題，因此電路的抗干擾性能較好。由于現(xiàn)階段D/A轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計的主要任務(wù)是選擇D/A集成芯片，并配置相應(yīng)的外圍電路，因此本書不介紹D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理，而是重點介紹常用的芯片。

1.8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0830/0831/0832DAC0830/083l/0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，它具有價格低廉、接口簡單及轉(zhuǎn)換控制容易等特點。DAC0830系列產(chǎn)品包括DAC0830、DAC0831和DAC0832，它們可以完全相互代換。這類產(chǎn)品由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位DIA轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路組成，能和CPU數(shù)據(jù)總線直接相連，屬中速轉(zhuǎn)換器，大約在1μs內(nèi)將一個數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。1)特點與主要規(guī)范該類產(chǎn)品采用雙緩沖、單緩沖或直接數(shù)字輸入，與12位DAC1230系列容易互換，且引腳兼容，可用于電壓開關(guān)方式，電流建立時間為1μs，8位的分辨率，功耗低，只需20mW，采用+5~+15V單電源供電，滿足TTL電平規(guī)范的邏輯輸入(1.4V邏輯域值)，具有8、9或10位線性度(全溫度范圍均保證)。圖9.14給出了DAC0830系列芯片的引腳圖。圖9.14DAC0830/0831/0832系列芯片的引腳圖2)引腳功能

CS——片選信號輸入端，低電平有效。

ILE——數(shù)據(jù)鎖存允許信號輸入端，高電平有效。

WR1——輸入鎖存器寫選通信號，低電平有效。它作為第一級鎖存信號將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入鎖存器中。WR1必須在CS和ILE均有效時才能起操控作用。

WR2——DAC寄存器寫選通信號，低電平有效。它將鎖存在輸入鎖存器中可用的8位數(shù)據(jù)送到DAC寄存器中進行鎖存。此時，傳送控制信號XFER必須有效。

XFER——傳送控制信號，低電平有效。當XFER為低電平時，將允許。D0~D7——8位數(shù)據(jù)輸入端，D7為最高位。

IOUT1、IOUT2——模擬電流輸出端，轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動電流(IOUT1，IOUT2)輸出。當DAC寄存器中的數(shù)字碼全為“l(fā)”時，IOUT1最大；全為“0”時，IOUT2為零。IOUT1+IOUT2=常數(shù)，IOUT1、IOUT2隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化。

RFB——反饋電阻引出端，DAC0830內(nèi)部已有反饋電阻，所以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之間。VCC——電源電壓輸入端，范圍為+5~+15V，以+15V時工作為最佳。

VREF——參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接負電壓。范圍為－10~+10V。外部標準電壓通過VREF與T型電阻網(wǎng)絡(luò)相連。此電壓越穩(wěn)定，模擬輸出精度就越高。

AGND——模擬地。

DGND——數(shù)字地。3)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理圖9.15DAC0830內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該器件有兩個內(nèi)部寄存器，要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)先送到輸入鎖存器，但不進行轉(zhuǎn)換。只有數(shù)據(jù)送到DAC寄存器時才能開始轉(zhuǎn)換，因而稱為雙緩沖。ILE、CS和WR13個信號組合控制第一級緩沖器的鎖存。當ILE為高電平，并且CPU執(zhí)行OUT指令時，CS和WR1同時為低電平，使得輸入鎖存器的使能端LE1為高電平，此時鎖存器的輸出隨輸入變化；當CPU寫操作完畢時，CS和WR1都變成高電平，使得LE1為低電平，此時，數(shù)據(jù)鎖存在輸入鎖存器中，實現(xiàn)第一級緩沖。同理，當WR1和WR2同時為低電平時，LE2為高電平，第一級緩沖器的數(shù)據(jù)送到DAC寄存器；當XFER和WR2中任意一個信號變?yōu)楦唠娖綍r，這個數(shù)據(jù)被鎖存在DAC寄存器中，實現(xiàn)第二級緩沖，并開始轉(zhuǎn)換。4)工作方式

(1)雙緩沖方式。所謂雙緩沖方式，就是把DAC0830的輸入鎖存器和DAC寄存器都接成受控鎖存方式。這種方式適用于多路D/A同時進行轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。因為各芯片的片選信號不同，可由每片的片選信號CS與WR1分時地將數(shù)據(jù)輸入到每片的輸入鎖存器中，每片的ILE固定為+5V，XFER與WR2分別連在一起，作為公共控制信號。數(shù)據(jù)寫入時，首先將待轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號寫到8位輸入鎖存器，當WR1與WR2同時為低電平時，數(shù)據(jù)將在同一時刻由各個輸入鎖存器將數(shù)據(jù)傳送到對應(yīng)的DAC寄存器并鎖存在各自的DAC寄存器中，使多個DAC0830芯片同時開始轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)多點控制。雙緩沖方式的優(yōu)點是，在進行D/A轉(zhuǎn)換的同時，可接收下一個轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，從而提高了轉(zhuǎn)換速度。

設(shè)輸入鎖存器的地址為200H，DAC寄存器的地址為201H，則完成一次D/A轉(zhuǎn)換的參考程序片段如下：MOV DX，200H ；送輸入鎖存器地址OUT DX，AL ；AL中的數(shù)據(jù)送輸入鎖存器MOV DX，201H ；送DAC寄存器地址OUT DX，AL ；數(shù)據(jù)寫入DAC寄存器并轉(zhuǎn)換最后一條指令，表面上看來是把AL中的數(shù)據(jù)送DAC寄存器，實際上這種數(shù)據(jù)傳送并不真正進行，該指令只起到打開DAC寄存器使輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)通過的作用。(2)單緩沖方式。如果應(yīng)用系統(tǒng)中只有一路D/A轉(zhuǎn)換，或雖然是多路轉(zhuǎn)換但不要求同步輸出時，可采用單緩沖方式。所謂單緩沖方式，就是使DAC0830的輸入鎖存器和DAC寄存器有一個處于直通方式，另一個處于受控的鎖存方式。一般將WR2和XFER接地，使DAC寄存器處于直通狀態(tài)，ILE接+5V，WR1接CPU的IOW，CS接I/O地址譯碼器的輸出，以便為輸入鎖存器確定地址。在這種方式下，數(shù)據(jù)只要一寫入DAC芯片，就立即進行D/A轉(zhuǎn)換，省去了一條輸出指令。執(zhí)行下面幾條指令就能完成一次D/A轉(zhuǎn)換：MOV DX，200H ；DAC0830的地址為200HOUT DX，AL ；AL中數(shù)據(jù)送DAC寄存器(3)直通方式。當ILE接+5V，CS、WR1、WR2及XFER都接地時，DAC0830處于直通方式，輸入端D7～D0一旦有數(shù)據(jù)輸入就立即進行D/A轉(zhuǎn)換。這種方式不使用緩沖寄存器，不能直接與CPU或系統(tǒng)總線相連，可通過8255與之相連接。5)輸出方式

DAC0830為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，要獲得模擬電壓輸出時，需要外接一個運算放大器。

(1)單極性模擬電壓輸出。如果參考電壓為+5V，則當數(shù)字量N從00H至FFH變化時，對應(yīng)的模擬電壓VO的輸出范圍是－5～0V，如圖9.16所示。圖9.16單極性輸出方式(2)雙極性模擬電壓輸出。如果要輸出雙極性電壓，則需在輸出端再加一級運算放大器作為偏移電路，如圖9.17所示。當數(shù)字量N從00H至FFH變化時，對應(yīng)的模擬電壓VO的輸出范圍是－5～+5V。圖9.17雙極性輸出方式6)應(yīng)用舉例【例9-1】鋸齒波的產(chǎn)生。圖9.18DAC0830鋸齒波發(fā)生器電路控制程序清單如下：；8255A初始化MOV DX，0E003H ；8255A的控制端口地址MOV AL，80H ；設(shè)置8255A的方式字OUT DX，AL；B口控制DAC的轉(zhuǎn)換MOV DX，0E001H ；8255A的B口地址MOV AL，10H ；置0830為直通工作方式OUT DX，AL；生成鋸齒波MOV DX，0E000H ；設(shè)置DAC端口號MOV AL，0H ；設(shè)置初值L1： OUT DX，AL ；向DAC送數(shù)據(jù)INC AL ；輸出數(shù)據(jù)加1NOP ；延時JMP L1

通過AL加1，可得到正向的鋸齒波。如要得到負向的鋸齒波，則只要將程序中的INCAL改為DECAL即可?？梢酝ㄟ^延時的辦法改變鋸齒波的周期，若延遲時間較短，則可用NOP指令來實現(xiàn)；若延遲時間較長，則可用一個延時子程序。延遲時間不同，波形周期不同，鋸齒波的斜率就不同?！纠?-2】三角波的產(chǎn)生。在原有硬件電路的基礎(chǔ)上，換用下述程序即可產(chǎn)生三角波。MOV DX，0E000HMOV AL，0H ；輸出數(shù)據(jù)從0開始L2：OUT DX，ALINC AL ；輸出數(shù)據(jù)加1JNZ L2 ；AL是否加滿？未滿，繼續(xù)MOV AL，0FFH ；已滿，AL置全“1”L3：OUT DX，ALDEC AL ；輸出數(shù)據(jù)減1JNZ L3 ；AL是再減到“0”？不是，繼續(xù)JMP L2

2.12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208/1209/1210DAC1208系列D/A轉(zhuǎn)換器有DAC1208、DAC1209和DAC1210三種類型，它們都是與微處理器直接兼容的12位D/A轉(zhuǎn)換器。其基本結(jié)構(gòu)與DAC0830系列相似，也是由兩級緩沖寄存器組成，因此可不添加任何接口邏輯而直接與CPU相連。它們的主要區(qū)別是線性誤差不同。1)特點與主要規(guī)范該類器件可與所有的通用微處理器直接相連，可采用雙緩沖、單緩沖或直接數(shù)字輸入，邏輯輸入符合TTL電壓電平規(guī)范(1.4V邏輯域值)，特殊情況下能獨立操作(無μPC)。1μs的電流穩(wěn)定時間，12位的分辨率，具有滿量程10位、11位或12位的線性度(在全溫度范圍內(nèi)保證)，低功耗設(shè)計，只需要20mW。參考電壓為－10～+10V，+5～+15V為單電源。2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作方式

DAC1208系列芯片為標準24腳雙列直插式(DIP24)封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.19所示。從圖中可以看出，DAC1208系列芯片的邏輯結(jié)構(gòu)與DAC0830系列的相似，也是雙緩沖結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于它的兩級緩沖寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器均為12位。為了便于和應(yīng)用廣泛的8位CPU相連，12位數(shù)據(jù)輸入鎖存器分成了一個8位輸入鎖存器和一個4位輸入鎖存器，以便利用8位數(shù)據(jù)總線分兩次將12位數(shù)據(jù)寫入DAC芯片。這樣DAC1208系列芯片的內(nèi)部就有3個寄存器，需要3個端口地址。為此，內(nèi)部提供了3個LE信號的控制邏輯。由于其邏輯結(jié)構(gòu)和各引腳功能與DAC0830系列芯片的相似，因此我們只討論12位數(shù)據(jù)輸入鎖存器與處理器8位數(shù)據(jù)總線的相連問題，其他的不再贅述。圖9.19DAC1208系列內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳分布圖

和DAC0830一樣，CS和WR用來控制輸入鎖存器，XFER和WR用來控制DAC寄存器，但是，為了區(qū)分8位輸入鎖存器和4位輸入鎖存器，增加了一條高/低字節(jié)控制線(字節(jié)1/字節(jié)2)。在與8位數(shù)據(jù)總線相連時，DAC1208系列芯片的輸入數(shù)據(jù)線高8位D11～D4連到數(shù)據(jù)總線的D7～D0，低4位D3～D0連到數(shù)據(jù)總線的D7～D4(左對齊)，圖9.20給出了DAC1208系列芯片與IBM-PC總線的連接。12位數(shù)據(jù)輸入需由兩次寫入操作完成，設(shè)高/低字節(jié)控制信號字節(jié)1/字節(jié)2的端口地址(即DAC1208系列的高8位輸入鎖存器和低4位輸入鎖存器的地址)分別為220H和221H，12位DAC寄存器的端口地址(即選通信號XFER)為222H，由地址譯碼電路提供。由于4位輸入鎖存器的LE端只受CS和WR1控制，因此當譯碼器74LS138的輸出端Y0＝0，使高/低字節(jié)控制線信號為“l(fā)”時，若IOW為有效信號，則兩個輸入鎖存器都被選中；

而當譯碼輸出端Y1=0，使高/低字節(jié)控制線信號為“0”時，若IOW為有效信號，則只選中4位輸入鎖存器?？梢妰纱螌懭氩僮鞫际?位輸入鎖存器的內(nèi)容更新。如果采用單緩沖方式(即直通方式)，則在12位數(shù)據(jù)不是一次輸入的情況下，邊傳送邊轉(zhuǎn)換會使輸出產(chǎn)生錯誤的瞬間毛刺。因此，DAC1208系列的D/A轉(zhuǎn)換器必須工作在雙緩沖方式下，在送數(shù)時要先送入12位數(shù)據(jù)中的高8位數(shù)據(jù)D11～D4，并在WR1上升沿將數(shù)據(jù)鎖存，實現(xiàn)高字節(jié)緩沖，然后再送入低4位數(shù)據(jù)D3～D0，并在WR1上升沿將數(shù)據(jù)鎖存，實現(xiàn)低位字節(jié)緩沖。當譯碼輸出端Y2=0且IOW=0(即WR2=0)時，12位數(shù)據(jù)一起寫入DAC1208系列的DAC寄存器，并在WR2上升沿將數(shù)據(jù)鎖存，開始D/A轉(zhuǎn)換。圖9.20DAC1208系列芯片與IBM-PC總線的連接

若BX寄存器中低12位為待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，下列程序段可完成一次轉(zhuǎn)換輸出：START：MOV DX，220H ；DAC的基地址MOV CL，4SHL BX，CL ；BX中12位數(shù)向左對齊MOV AL，BHOUT DX，AL ；寫入高8位INC DXMOV AL，BLOUT DX，AL ；寫入低4位INC DXOUT DX，AL ；啟動D/A轉(zhuǎn)換，AL中為任意數(shù)HLT3.D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)性能

1)分辨率分辨率指D/A轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的二進制數(shù)的位數(shù)。位數(shù)越多，分辨率越高。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對應(yīng)數(shù)字輸入信號最低位的模擬信號電壓值就越小，也就越靈敏。例如，一個D/A轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換8位二進制數(shù)，若轉(zhuǎn)換后的電壓滿量程是5V，則它能分辨的最小電壓為20mV(5V÷256)。如果是10位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器，對同樣的轉(zhuǎn)換電壓，則它能分辨的最小電壓為5mV(5V÷1024)。2)轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間指從數(shù)字量輸入到完成轉(zhuǎn)換，且輸出達到最終值并穩(wěn)定為止所需的時間。不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間不同。電流型D/A轉(zhuǎn)換較快，一般在幾μs到幾百μs之內(nèi)；電壓型D/A轉(zhuǎn)換較慢，取決于運算放大器的響應(yīng)時間。3)精度精度指D/A轉(zhuǎn)換器實際輸出電壓與理論值之間所存在的最大誤差。D/A轉(zhuǎn)換器的精度有絕對精度與相對精度之分。將D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差調(diào)整至零，并將轉(zhuǎn)換器的最大輸出調(diào)節(jié)至滿量程值，那么此時D/A轉(zhuǎn)換器對應(yīng)于不同輸入數(shù)碼時各點模擬輸出電平與理想的輸出值之間的最大偏差即為轉(zhuǎn)換器的相對精度。如果不對失調(diào)誤差調(diào)零和不校正轉(zhuǎn)換器的輸出滿量程值，那么此時測得的即為D/A轉(zhuǎn)換器的絕對精度。D/A轉(zhuǎn)換器的精度通常有兩種表示方法：一種是用滿量程VFS的百分數(shù)作為單位，另一種是以最低位(LSB)作為單位來表示D/A轉(zhuǎn)換器的精度。例如，一個N位D/A轉(zhuǎn)換器的精度為1/2LSB，它指的是轉(zhuǎn)換器的模擬輸出電平與其理想輸出電平之間的最大可能誤差，即9.3.2A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，在工業(yè)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集以及許多其他領(lǐng)域中，A/D轉(zhuǎn)換器常常是不可缺少的重要部件。A/D轉(zhuǎn)換器的品種繁多，目前使用較廣泛的主要有三種類型：逐次逼近型、V/F轉(zhuǎn)換型和雙積分型。其中，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路簡單，抗干擾能力強，但轉(zhuǎn)換速度較慢；逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器易于用集成工藝實現(xiàn)，且具有較高的分辨率和轉(zhuǎn)換速度。因此，目前市場上的A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近型的較多。1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809圖9.21ADC0809原理圖

芯片內(nèi)除含有8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器外，還有8通道多路轉(zhuǎn)換器和3位地址鎖存和譯碼器，以實現(xiàn)對8路輸入模擬量IN0～IN7的選擇。當?shù)刂锋i存允許信號ALE有效時，將3位地址ADDC～ADDA鎖入地址鎖存器中，經(jīng)譯碼器選擇8路模擬量中的一路通過8位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出。由于輸出端具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，因此可以直接與CPU系統(tǒng)總線相連接。ADC0809可用單5V電源工作，模擬信號輸入范圍為0～5V，輸出與TTL兼容。1)ADC0809芯片的引腳

圖9.22是ADC0809芯片的引腳圖，其引腳功能介紹如下：

IN0～IN7——8路模擬輸入信號。通過ADDA、ADDB和ADDC3個地址譯碼來選通一路。

D0～D7A/D——轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)字量輸出。其中，D7為最高位，D0為最低位。

ADDC～ADDA——8路模擬開關(guān)的3位地址選通輸入端，以選擇對應(yīng)的輸入通道。ADDc為高位地址，ADDA為低位地址。圖9.22ADC0809引腳圖ALE——地址鎖存允許信號。當ALE為上升沿時，ADDC～ADDA地址狀態(tài)送入地址鎖存器。使用時，該信號常和START信號連在一起，當START端為高電平時，同時將通道地址鎖存起來。

STARTA/D——轉(zhuǎn)換啟動信號。此信號由CPU執(zhí)行輸出指令產(chǎn)生。START為上升沿時，所有內(nèi)部寄存器清0；START為下降沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換，在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。轉(zhuǎn)換開始后，該信號變?yōu)榈碗娖?；?jīng)過64個時鐘周期后轉(zhuǎn)換結(jié)束，該信號變?yōu)楦唠娖?。EOC信號可作為對CPU的中斷請求信號或DMA傳送，也可作為CPU查詢的信號。

OE——輸出允許信號。當該信號為高電平時，打開輸出緩沖器三態(tài)門，轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線上；當該信號為低電平時，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)。在中斷方式下，該信號為CPU發(fā)出的中斷請求響應(yīng)信號。EOC和OE兩個信號可以連在一起表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。

CLOCK——時鐘輸入信號。時鐘頻率范圍為10~1280kHz，典型值為640kHz，可由CPU時鐘分頻得到。當時鐘頻率為1280kHz時，轉(zhuǎn)換速率為50μs；當時鐘頻率為640kHz時，轉(zhuǎn)換速率為100μs。

VREF(+)，VREF(－)——參考電壓輸入信號。一般地，VREF(+)與主電源VCC相連，VREF(－)與模擬地GND相連。2)ADC0809的工作時序圖9.23ADC0809工作時序圖

2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A/AD674AAD574A/AD674A是美國AD公司的產(chǎn)品，為12位逐次逼近型ADC芯片。AD574A和AD674A的引腳、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部特性完全相同，只是AD574A的轉(zhuǎn)換時間為35μs，AD674A的轉(zhuǎn)換時間為12μs。現(xiàn)以AD574A芯片為例進行介紹。

AD574A芯片內(nèi)部有模擬和數(shù)字兩種電路，模擬電路為12位D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)字電路則包括性能比較器、逐次比較寄存器、時鐘電路、邏輯控制電路和數(shù)據(jù)三態(tài)輸出緩沖器，可進行12位或8位轉(zhuǎn)換。12位的輸出可一次完成(與16位的數(shù)據(jù)總線相連)，也可先輸出高8位，后輸出低8位，分兩次完成。1)AD574A的外部引腳

AD574A的外部引腳如圖9.24所示。引腳功能如下：

+5V——數(shù)字邏輯部分供電電源。

12/8——數(shù)據(jù)輸出方式選擇。高電平時雙字節(jié)輸出，即輸出為12位；低電平時單字節(jié)輸出，分兩次輸出高8位和低4位。

CS——片選信號。低電平有效。圖9.24AD574A引腳圖A0——轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)長度選擇。在啟動轉(zhuǎn)換的情況下，A0為高時進行8位轉(zhuǎn)換，A0為低時進行12位轉(zhuǎn)換。

R/C——讀數(shù)據(jù)/轉(zhuǎn)換控制信號。高電平時可將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀出，低電平時啟動轉(zhuǎn)換。

CE——芯片允許信號。用來控制轉(zhuǎn)換或讀操作。以上各控制信號的作用見表9-2所示。表9-2AD574A控制信號功能表CE12/A0功能0××××禁止×1×××禁止100×0啟動12位轉(zhuǎn)換100×1啟動8位轉(zhuǎn)換101接1腳×允許12位并行輸出101接15腳0允許高8位輸出101接15腳1允許低4位加上尾隨4個0輸出VCC和VEE——模擬部分供電的正電源和負電源，其范圍為±12V或±15V。

REFOUT——+10V內(nèi)部參考電壓輸出，具有1.5mA的帶負載能力。

AGND——模擬信號公共地。它是AD574A的內(nèi)部參考點，必須與系統(tǒng)的模擬參考點相連。

REFIN——參考電壓輸入，與REFOUT相連可自己提供參考電壓。

BIPOFF——補償調(diào)整，接至正負可調(diào)的分壓網(wǎng)絡(luò)，以調(diào)整ADC輸出的零點。

10VIN——模擬信號輸入端。輸入電壓范圍是，單極性工作時輸入0～10V，雙極性工作時輸入－5～+5V。20VIN——模擬信號輸入端。輸入電壓范圍是，單極性工作時輸入0～20V，雙極性工作時輸入－10～+10V。

DGND——數(shù)字信號公共地。

DB11～DB0——數(shù)字量輸出。

STS——轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出。轉(zhuǎn)換開始時及整個轉(zhuǎn)換過程中，STS一直保持高電平；轉(zhuǎn)換結(jié)束，STS立即返回低電平?？捎貌樵兎绞綑z測此電位的變化，來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，也可利用它的下降沿向CPU發(fā)出中斷申請，通知CPUA/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。2)AD574A兩種模擬輸入方式圖9.25AD574A輸入接線圖(a)單極性輸入；(b)雙極性輸入

3.轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口

A/D轉(zhuǎn)換器有多種型號，但是不管哪種型號的A/D轉(zhuǎn)換芯片，它對外的引腳都是類似的，所涉及的主要信號為模擬輸入信號、數(shù)據(jù)輸出信號、啟動轉(zhuǎn)換信號和轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。由于A/D轉(zhuǎn)換器的型號不同，因此與CPU的連接方式也有所不同。1)接口形式

A/D轉(zhuǎn)換器的接口形式大體上可分為以下兩種：

(1)與數(shù)據(jù)總線直接交換信息。當A/D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部帶有可控輸出三態(tài)門時，它們的數(shù)據(jù)輸出端可直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。如ADC0804、ADC0809和AD574A等。當轉(zhuǎn)換結(jié)束后，CPU通過執(zhí)行一條輸入指令產(chǎn)生讀信號，打開三態(tài)門，將數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)總線上。(2)通過I/O接口芯片或三態(tài)門鎖存器與CPU的數(shù)據(jù)總線連接。有一類A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部不帶三態(tài)輸出或內(nèi)部有三態(tài)輸出門，但不受外部控制，而是由A/D轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換結(jié)束時自動接通，如AD570和ADC1210等。這類芯片的數(shù)據(jù)輸出線不能直接與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連接，在A/D轉(zhuǎn)換芯片與CPU之間需外接三態(tài)緩沖器或可編程并行接口電路(如8255A)，從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸。

對于8位以上的A/D轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接時，要考慮A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量位數(shù)與系統(tǒng)總線位數(shù)相匹配的問題。如果系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線位數(shù)大于A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)，則數(shù)據(jù)的讀入可一次性完成；若系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線位數(shù)小于A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)(例如，10位以上的A/D轉(zhuǎn)換器)，為了能和8位字長的CPU相連接，需增加讀/寫控制邏輯電路，把10位以上的數(shù)據(jù)按字節(jié)分時讀出。對于內(nèi)部不含讀/寫控制邏輯電路的A/D轉(zhuǎn)換器，在和8位字長的CPU相連接時，應(yīng)外加三態(tài)門對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行鎖存，然后再按字節(jié)分時讀入CPU。2)啟動轉(zhuǎn)換信號

A/D轉(zhuǎn)換器要進行轉(zhuǎn)換需由外部控制啟動轉(zhuǎn)換信號，這一啟動轉(zhuǎn)換信號可由CPU提供。通常啟動信號有兩種形式，不同型號的A/D轉(zhuǎn)換器，要求的啟動信號也有所不同。對ADC0804、ADC0809和ADC1210等芯片，要求用脈沖信號來啟動，由CPU執(zhí)行輸出指令，發(fā)出一符合要求的脈沖信號作為啟動信號以啟動A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。對AD570及AD574A等芯片，要求用電平作為啟動信號。當符合要求的電平加到控制轉(zhuǎn)換的輸入引腳時，立即開始轉(zhuǎn)換，在整個轉(zhuǎn)換過程中都必須保證啟動信號有效。如果中途撤走啟動信號，則會終止轉(zhuǎn)換的進行而得到錯誤的結(jié)果。為此，CPU一般通過并行接口提供給A/D轉(zhuǎn)換芯片啟動信號，或用D觸發(fā)器鎖存啟動信號，使之在A/D轉(zhuǎn)換期間保持有效電平。3)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送

A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，A/D轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，通知CPU讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。CPU一般可以采用以下幾種方式和A/D轉(zhuǎn)換器進行聯(lián)絡(luò)，來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。

(1)程序查詢方式。CPU在啟動A/D轉(zhuǎn)換器工作以后，可去執(zhí)行其他任務(wù)，由程序測試轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(如EOC)的狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號有效，則認為完成一次轉(zhuǎn)換，然后對ADC占用的端口地址執(zhí)行一條輸入指令以讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。在查詢方式中，由于CPU隔一段時間對轉(zhuǎn)換結(jié)束信號查詢一次，而從轉(zhuǎn)換結(jié)束到CPU讀取數(shù)據(jù)，時間上可能有相當大的延遲，因此這種方式一般用于不急于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的場合。(2)中斷方式。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，送出一轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(如EOC)，此信號可作為中斷請求信號，送到中斷控制器的中斷請求輸入端。CPU響應(yīng)中斷后，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行輸入指令，CPU讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。中斷方式的特點是A/D轉(zhuǎn)換器和CPU能并行工作，效率較高，硬件接口簡單。但是，由于在中斷方式中，要經(jīng)歷響應(yīng)中斷、保護現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場及退出中斷等一系列環(huán)節(jié)，因此，需占用一定的時間，如果A/D轉(zhuǎn)換時間較短，則用中斷方式便失去了優(yōu)越性。(3)固定延時等待方式。當CPU發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換信號后，執(zhí)行一個固定的延時程序，此程序執(zhí)行完畢，A/D轉(zhuǎn)換也正好結(jié)束，于是CPU讀取數(shù)據(jù)。采用這種方式的特點是接口簡單，但要預(yù)先精確地計算一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，CPU的等待時間較長。

(4)DMA方式。用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(如EOC)作為DMA的請求信號，使系統(tǒng)進入DMA周期，通過DMA控制器將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果直接送入指定的內(nèi)存，而不需要CPU干涉。這種方式接口電路復(fù)雜，成本高，適用于高速大數(shù)據(jù)量采集的場合。

4.ADC連接舉例

1)CPU與8位ADC的連接設(shè)8位A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間采用查詢方式工作，分別對8路模擬信號輪流采樣一次，并將采樣結(jié)果存入數(shù)據(jù)段BUFFER開始的數(shù)據(jù)區(qū)中?？蛇x用ADC0809作A/D轉(zhuǎn)換器，如圖9.26所示。由于ADC0809內(nèi)部具有三態(tài)輸出鎖存器，因此其8位數(shù)據(jù)輸出引腳能同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接連接。ADDC～ADDA與地址總線的A2～A0相連，用于選通8路模擬輸入通道中的一路。設(shè)8路模擬輸入通道的I/O端口地址為300H～307H。由于ADC0809無片選信號，因此需由地址譯碼器的輸出與IOW經(jīng)過或非門控制ADC0809的啟動信號START和地址鎖存信號ALE，使得鎖存模擬輸入通道地址同時啟動A/D轉(zhuǎn)換。IOR經(jīng)或非門控制輸出使能端OE。因為轉(zhuǎn)換結(jié)束時，在EOC引腳輸出一個由低變高的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，故采用查詢方式時，該信號為轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)標志。設(shè)狀態(tài)標志端口地址為308H，此引腳經(jīng)過三態(tài)門與D0相連，因此，啟動轉(zhuǎn)換后，只要不斷查詢D0位是否為1，即可知道轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。圖9.26ADC0809工作于查詢方式的連接用ADC0809實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)采集的程序片段如下：MOV BX，BUFFER ；置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址MOV CX，08H ；設(shè)置通道數(shù)MOV DX，300H ；通道IN0口地址L1：OUT DX，AL ；啟動A/D轉(zhuǎn)換(AL可為任意數(shù))PUSH DX ；保存通道號MOV DX，308H ；指向狀態(tài)口地址L2：IN AL，DX ；讀EOC狀態(tài)TEST AL，01H ；轉(zhuǎn)換是否開始JNZ L2 ；若未開始，等待L3：IN AL，DX ；再讀EOC狀態(tài)TEST AL，0lH ；轉(zhuǎn)換是否結(jié)束JZ L3 ；若未結(jié)束，等待POP DX ；轉(zhuǎn)換結(jié)束，恢復(fù)通道號IN AL，DX ；讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)MOV [BX]，AL ；轉(zhuǎn)換結(jié)果送緩沖區(qū)INC DX ；指向下一個輸入通道INC BX ；指向下一個緩沖單元LOOP L1 ；判斷8路模擬量是否全部采樣完畢

若采用中斷方式讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，則可將ADC0809的EOC引腳接至中斷控制器8259的IR0，當ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC為高電平，向CPU發(fā)出中斷請求。編程時，首先要使CPU打開中斷，同時將讀數(shù)的程序段安排在中斷服務(wù)程序中。2)12位ADC的連接

CPU與圖9.27為AD547A完成12位轉(zhuǎn)換并與16位CPU相連的原理圖。此時，AD574A的12/8引腳接+5V。啟動轉(zhuǎn)換時，CE=l，CS=0，R/C=0，A0=0；讀取數(shù)據(jù)時，CE=l，CS=0，R/C=l，A0為任意。DB11～DB0及STS分別通過兩個8位輸入三態(tài)緩沖器與CPU的數(shù)據(jù)總線D15～D4及D0相連。CPU通過輸出鎖存器Q0端輸出一個負脈沖后，啟動AD574A，同時STS=l。然后，CPU通過相應(yīng)的地址驅(qū)動三態(tài)門，檢測STS的狀態(tài)。當STS=0時，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。當R/C=l時，AD547A處于數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)。由于圖中兩個三態(tài)緩沖器74LS244的隔離作用，因此AD547A的輸出數(shù)據(jù)不會因與數(shù)據(jù)總線接通而影響數(shù)據(jù)總線。CPU檢測到STS為0后，通過對相應(yīng)的地址進行讀操作，即可驅(qū)動三態(tài)門，并將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入CPU。圖9.27AD574A與16位數(shù)據(jù)總線的接口

5.A/D轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)不同的ADC廠家用各自的參數(shù)來說明自己產(chǎn)品的性能，且各參數(shù)之間并非嚴格一致。有時描述的是同一性能，但所用的術(shù)語不同；有時參數(shù)的意義相同，但數(shù)據(jù)單位不同。為方便用戶選擇ADC芯片，下面我們對一些常用的性能參數(shù)做一簡單介紹。

1)分辨率

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率的含義與DAC的分