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1、第十一章模拟量输入输出本讲稿第一页，共七十六页 在计算机应用系统中，常需要在计算机应用系统中，常需要模拟量输出模拟量输出，去，去控制系统中的执行机构控制系统中的执行机构,构成控制系统。将计算机中构成控制系统。将计算机中的的数字信号数字信号转换为转换为模拟信号模拟信号，称为，称为D/A 转换转换；许多；许多工业生产过程中，参与测量和控制的物理量，往往工业生产过程中，参与测量和控制的物理量，往往是连续变化的模拟量通常计算机也需要对一些模拟是连续变化的模拟量通常计算机也需要对一些模拟信号（如电流、电流、温度、压力等）进行检测，信号（如电流、电流、温度、压力等）进行检测，将将模拟信号模拟信号转换为转换
2、为数字信号数字信号，称为，称为A/D转换。转换。本讲稿第二页，共七十六页11.1 模拟量的输入模拟量的输入/输出通道输出通道本讲稿第三页，共七十六页1.模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成 能够把生产过程的非电物理量转换成电量（电流或电能够把生产过程的非电物理量转换成电量（电流或电压）的器件，被称为压）的器件，被称为传感器传感器。变送器变送器 电流模电流模1).传感器传感器2).信号处理环节信号处理环节电压水平电压水平 抗干扰抗干扰 调理电路调理电路3).多路转换开关多路转换开关 多个模拟信号共用一个多个模拟信号共用一个A/D转换器进行采样和转换转换器进行采样和转换,CD4054 CD40
3、67等等本讲稿第四页，共七十六页4).采样保持器采样保持器 在在A/D进行转换期间，保持输入信号不变的电路称采样进行转换期间，保持输入信号不变的电路称采样保持电路保持电路。5).A/D转换器转换器 核心环节核心环节,将模拟输入量转换成数字量，以便由微将模拟输入量转换成数字量，以便由微机读取，进行分析处理。机读取，进行分析处理。2.模拟量输出通道的组成模拟量输出通道的组成 微机输出的信号是数字信号，而有的执行元件要求提供模拟微机输出的信号是数字信号，而有的执行元件要求提供模拟的电流或电压，故必须将模拟信号转化为数字信号。这个任务主的电流或电压，故必须将模拟信号转化为数字信号。这个任务主要是由数要
4、是由数/模（模（D/A）转换器来完成。）转换器来完成。本讲稿第五页，共七十六页11.2 D/A转换器转换器1.D/A转换器的工作原理转换器的工作原理D/A转换器有两种方式转换器有两种方式T型电阻网络型电阻网络权电阻网络权电阻网络位位R-2RT型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1).权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器需要精密电阻，不易集成，实际应用少。需要精密电阻，不易集成，实际应用少。2).T型电阻网络型电阻网络本讲稿第六页，共七十六页 从每个从每个节节点点G向右看，向右看，对对地的等效地的等效电电阻均阻均为为R，则则每每个个节节点点对对地地电压电压均均为为Vi=1/2Vi+1 流入
5、流入该该支路的支路的电电流流为为I i=本讲稿第七页，共七十六页本讲稿第八页，共七十六页本讲稿第九页，共七十六页 电压输出型的电压输出型的D/A转换器相当于一个电压源，内电阻较小，转换器相当于一个电压源，内电阻较小，选用这种芯片时，与它匹配的负载电阻应较大，输出一般为选用这种芯片时，与它匹配的负载电阻应较大，输出一般为05V和和010V。电流输出的。电流输出的D/A转换器，相当于电流源，内阻转换器，相当于电流源，内阻较大，选用这种芯片时，负载电阻不可太大。在实际应用中，较大，选用这种芯片时，负载电阻不可太大。在实际应用中，常选用电流输出型的芯片来实现电压输出。此时，在电压输出常选用电流输出型的
6、芯片来实现电压输出。此时，在电压输出端应加上端应加上V/I转换电路。转换电路。本讲稿第十页，共七十六页2.D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 分辨率描述分辨率描述D/A转换器对微小输入量变化的敏感转换器对微小输入量变化的敏感程度，通常用数字量的位数来表示，如程度，通常用数字量的位数来表示，如8位、位、10位等。位等。对一个分辨率为对一个分辨率为n位的转换器，能够分辨满刻度的位的转换器，能够分辨满刻度的2-n输入信号。例如：满量程为输入信号。例如：满量程为10V 的的8位位D/A转换器分辨转换器分辨率为率为10V2-8=39mV。1).分辨率分辨率 稳定时间指稳定时间指D/A转换器加
7、上满刻度的变化（如全转换器加上满刻度的变化（如全“0”变为全变为全“1”）时，其输出达到稳定所需的时间。一般为）时，其输出达到稳定所需的时间。一般为几十微秒到几微秒。几十微秒到几微秒。2).稳定时间稳定时间本讲稿第十一页，共七十六页 不同型号的不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大。一转换器的输出电平相差较大。一般电压型的般电压型的D/A转换器输出为转换器输出为0+5V或或0+10V。电流。电流型的型的D/A转换器，输出电流为几毫安至几安。转换器，输出电流为几毫安至几安。3).输出电平输出电平 对应对应于于给给定的定的满满刻度数字量，刻度数字量，D/A实际输实际输出与理出与理论值论值之之间间
8、的的误误差，也称差，也称为绝对为绝对精度。精度。该误该误差是由于差是由于D/A的增益的增益误误差、零差、零点点误误差和噪声等引起的。例如：差和噪声等引起的。例如：满满量程量程时时理理论输论输出出值为值为10V,实实际输际输出出值值是在是在9.99V-10.01V之之间间，其，其转换转换精度精度为为10mV。4).转换精度转换精度 D/A转换器的转换精度为分辨率之半，即为转换器的转换精度为分辨率之半，即为LSB/2。LSB是分辨率，是指最低一位数字量变化引起的变是分辨率，是指最低一位数字量变化引起的变化量。化量。本讲稿第十二页，共七十六页5).相对精度相对精度6).线性误差线性误差7).温度系数
9、温度系数 3.典型的典型的D/A转换器芯片转换器芯片 集成集成D/A芯片类型很多，按其转换方式有芯片类型很多，按其转换方式有并行和串行并行和串行两大类，串行慢，并行快。按生产工艺分有双极型、两大类，串行慢，并行快。按生产工艺分有双极型、MOS型等，它们的精度和速度各不相同。按字长分有型等，它们的精度和速度各不相同。按字长分有8位、位、10位、位、12位等位等，按输出形式分，有，按输出形式分，有电压型和电流电压型和电流型型两类。两类。本讲稿第十三页，共七十六页1).DAC 0832本讲稿第十四页，共七十六页（1）DAC0832的引脚的引脚 DI7DI0：D/A转换器的数字量输入信号。其中转换器的
10、数字量输入信号。其中DI0为最低位，为最低位，DI7为最高位。为最高位。：片：片选输选输入信号，低入信号，低电电平有效。平有效。：D/A转换转换器的数据写入信号，低器的数据写入信号，低电电平有效。平有效。ILE：输入寄存器的允许信号，高电平有效。：输入寄存器的允许信号，高电平有效。ILE信号和信号和 、共同控制选通输入寄存器。共同控制选通输入寄存器。、均为低电平，且均为低电平，且ILE为高电平时，为高电平时，=1，输，输入被转换的数据立即被送至入被转换的数据立即被送至8位输入寄存器输出端；位输入寄存器输出端；本讲稿第十五页，共七十六页当上述三个控制信号任一个无效时，当上述三个控制信号任一个无效
11、时，=“0”，输入，输入寄存器将寄存器将D端数据锁存，输出端呈保持状态；端数据锁存，输出端呈保持状态；ILE=“0”时，时，也为也为“0”，输出端便不随，输出端便不随D端而变化。端而变化。：从输入寄存器向：从输入寄存器向DAC寄存器传送寄存器传送D/A转换数据转换数据的控制信号，低电平有效。的控制信号，低电平有效。：DAC寄存器的选通信号，低电平有效。寄存器的选通信号，低电平有效。当当 和和 同时有效时，同时有效时，=“1”，输入寄存，输入寄存器的数据被装入器的数据被装入DAC寄存器，并同时启动一次寄存器，并同时启动一次D/A转换。转换。VCC：芯片电源，其值可在：芯片电源，其值可在+5+15
12、V，典型值为，典型值为+15V。AGND：模拟信号地。：模拟信号地。DGND：数字信号地。：数字信号地。本讲稿第十六页，共七十六页 Rfb：内部反馈电阻引脚，用来外接：内部反馈电阻引脚，用来外接D/A转换器输转换器输出增益调整电位器。出增益调整电位器。IOUT1：D/A转换器输出电流转换器输出电流1。当输入数字为全当输入数字为全“1”时，其值最大值约为：时，其值最大值约为：当输入数字为全当输入数字为全“0”时，其值最小，即为时，其值最小，即为0。IOUT2：D/A转换器输出电流转换器输出电流2。与与IOUT1的关系：的关系：IOUT1+IOUT2=常数常数本讲稿第十七页，共七十六页电流稳定时间
13、：电流稳定时间：1s。分辨率：分辨率：8位位线性误差：线性误差：0.2%FSR，即该芯片的线性误差为满量，即该芯片的线性误差为满量 程的程的0.2%。非线性误差：非线性误差：0.4%FSR。三种输入方式：双缓冲、单缓冲和直接输入三种方式。三种输入方式：双缓冲、单缓冲和直接输入三种方式。数字输入与数字输入与TTL兼容。兼容。增益温度系数：增益温度系数：0.002%FSR/。低功耗：低功耗：20mW。单电源：单电源：+5+15V。参考电压：参考电压：10V+10V。（2）DAC0832的主要技术性能的主要技术性能本讲稿第十八页，共七十六页（3）DAC 0832的工作方式的工作方式 DAC 0832
14、有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。缓冲方式。直通方式直通方式 DAC0832内部有两个起数据缓冲器作用的寄存器，内部有两个起数据缓冲器作用的寄存器，分别受分别受IE1和和IE2控制。如果它们皆为高电平，那么控制。如果它们皆为高电平，那么DI0DI7上信号便可直通地到达上信号便可直通地到达“8位位DAC寄存器寄存器”，进，进行行D/A转换。因此，转换。因此，ILE接接+5V以及使以及使CS、XFER、WR1和和WR2接地，接地，DAC0832就可在直通方就可在直通方式下工作。直通方式下工作的式下工作。直通方式下工作的DAC0832常用于不带
15、微常用于不带微机的控制系统。机的控制系统。本讲稿第十九页，共七十六页 单缓冲单极性电压输出方式单缓冲单极性电压输出方式 单缓冲方式是指单缓冲方式是指DAC0832内部的两个数据缓冲器内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个受有一个处于直通方式，另一个受CPU的控制。的控制。本讲稿第二十页，共七十六页 单极性电压输出方式中，当单极性电压输出方式中，当VREF端接端接+5V（或（或-5V）时，输出电压范围是时，输出电压范围是0-5V(或或0+5V)。如果。如果VREF端端接接+10V（或（或-10V）时，输出电压范围是）时，输出电压范围是0-10V（0+10V）。）。双缓冲方式双缓冲方式 双
16、缓冲方式是指双缓冲方式是指DAC0832内部的两个数据缓冲器均内部的两个数据缓冲器均受受CPU的控制。该方式的优点：的控制。该方式的优点：DAC0832的数据接收和启的数据接收和启动转换可异步进行；在动转换可异步进行；在D/A转换的同时，进行下一数据的转换的同时，进行下一数据的接收，提高模拟输出通道的转换速率，可实现多个模拟输接收，提高模拟输出通道的转换速率，可实现多个模拟输出通道同时进行出通道同时进行D/A转换。转换。本讲稿第二十一页，共七十六页本讲稿第二十二页，共七十六页2).DAC 1210 DAC 1210是是NS公司生产的公司生产的12位位D/A转换器芯片，是转换器芯片，是智能化仪表
17、中常用的一种高性能的智能化仪表中常用的一种高性能的D/A转换器转换器。本讲稿第二十三页，共七十六页4.D/A转换器与微处理器连接应用举例转换器与微处理器连接应用举例 D/A转换器与微处理器间的信号连接包括三部分，即数据转换器与微处理器间的信号连接包括三部分，即数据线、控制线和地址线线、控制线和地址线 1).8位位D/A转换器与转换器与CPU的接口的接口本讲稿第二十四页，共七十六页 例例1 DAC0832用作波形发生器。根据图接线，编写用作波形发生器。根据图接线，编写程序，使其产生锯齿波、三角波和方波。程序，使其产生锯齿波、三角波和方波。本讲稿第二十五页，共七十六页1）锯齿波程序）锯齿波程序.M
18、ODEL SMALL.STACK 100.DATAAddDA0832 DB FEH.CODESAWPRG PROC FARPUSH DSMOV AX,0PUSH AXMOV AX,DATAMOV DS,AXSawWve:OUT AddDA0832,AL INC AL JMP SawWve SAWPRG ENDP END本讲稿第二十六页，共七十六页2）三角波程序）三角波程序.MODEL SMALL.STACK 100.DATAAddDA0832 DB FEH.CODETRIPRG PROC FARPUSH DSMOV AX,0PUSHAXMOV AX,DATAMOV DS,AX XOR AL,A
19、LTriDwn:OUT AddDA0832,AL INC AL CMP AL,0H JNZ TriDwn TriUp:OUT AddDA0832,AL CMP AL,0H JNZ TriUp JMP TriDwnTRIPRGENDPEND本讲稿第二十七页，共七十六页3）方波程序）方波程序.MODEL SMALL.STACK 100.DATAAddDA0832 DB FEH.CODESQUPRG PROCFARPUSH DSMOVAX,0PUSH AXMOVAX,DATAMOVDS,AXSquStrt:MOV AL,33H OUT AddDA0832,AL CALL DELAY MOV AL,0
20、FFH OUT AddDA0832,AL CALL DELAY JMP SquStrt SQUPRG ENDP 本讲稿第二十八页，共七十六页 DELAY PROC MOV BX,40 DLA:DECBX JNE DLADELAY ENDPEND2).12位位D/A转换器与转换器与CPU的接口的接口 当当D/A转换器分辨率大于转换器分辨率大于8位时，与位时，与8位数据接口需要采取适位数据接口需要采取适当措施。例如，对一个当措施。例如，对一个12位的位的D/A转换器，可以分成低转换器，可以分成低8位和位和高高4位。首先把低位。首先把低8位数送低位数送低8位锁存器，然后再把高位锁存器，然后再把高4位
21、送另位送另一锁存器。一锁存器。本讲稿第二十九页，共七十六页端。例例2 DAC 1210的的12位数据位数据线线与与8位数据位数据总线总线相相连时连时，可，可将将DAC 1210输输入数据入数据线线的高的高8位位DI11DI4与与8086CPU的的数据数据总线总线DB7DB0相相连连；而其低位；而其低位DI3DI0也接至也接至8086CPU数据数据总线总线的的DB7DB4上，上，12位的数据位的数据输输入入应应由两次由两次写入操作完成。写入操作完成。设设DAC 1210占用了占用了0250H0252H三个端三个端口地址，口地址，为为使两次数据使两次数据输输入端口地址是先偶（入端口地址是先偶（02
22、50H）后）后奇（奇（0251H），与其它），与其它编编程程习惯习惯一致，将一致，将AB0地址地址线经线经反反相相驱动驱动器接至器接至B1/端。端。本讲稿第三十页，共七十六页本讲稿第三十一页，共七十六页MOV DS,AX MOVDX,Add0DA1210MOVCL,04SHLBX,CLMOVAL,BHOUTDX,ALINC DXMOVAL,BLOUTDX,ALINC DXOUTDX,ALDAC1210 PRGENDP END.MODEL SMALL.STACK 100.DATAAdd0DA1210 DW 250HAdd1DA1210 DW 251HAdd2DA1210 DW 252H.CODE
23、DAC1210 PRG PROC FARPUSH DSMOV AX,0PUSH AXMOV AX,DATA本讲稿第三十二页，共七十六页11.3 A/D转换器转换器 A/D转换器是模拟信号源与计算机或其他数字系统之间转换器是模拟信号源与计算机或其他数字系统之间联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和字信号，以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。在工业控制和数据采集及许多其他领域中，显示。在工业控制和数据采集及许多其他领域中，A/D转转换器是不可缺少的重要组成部分。由于应用特点和
24、要求的换器是不可缺少的重要组成部分。由于应用特点和要求的不同，需要采用不同工作原理的不同，需要采用不同工作原理的A/D转换器。转换器。A/D转换器主转换器主要有以下各种类型：要有以下各种类型：逐位比较（逐次逼近）型、积分型逐位比较（逐次逼近）型、积分型以及计数型、并行比较型、电压以及计数型、并行比较型、电压-频率型（即频率型（即V/F型）型）等等。本讲稿第三十三页，共七十六页1.信号变换中的采样、量化和编码信号变换中的采样、量化和编码 模拟信号的大小随着时间不断地变化。为了通过转换模拟信号的大小随着时间不断地变化。为了通过转换得到确定的值，对连续变化的模拟量按一定的规律和周得到确定的值，对连续
25、变化的模拟量按一定的规律和周期取出其中的某一瞬时值进行转换，这个值称为期取出其中的某一瞬时值进行转换，这个值称为采样值采样值。1).采样采样 香农定理表明：采样频率一般高于或至少等于输入信香农定理表明：采样频率一般高于或至少等于输入信号最高频率的号最高频率的2倍，实际应用中，采样频率可以达到信号倍，实际应用中，采样频率可以达到信号最高频率的最高频率的4倍倍8倍。对于变化较快的输入模拟信号，倍。对于变化较快的输入模拟信号，A/D转换前可采用采样保持器）转换前可采用采样保持器）,使得在转换期间保持固使得在转换期间保持固定的模拟信号值。定的模拟信号值。本讲稿第三十四页，共七十六页 量化是把采样值取整
26、为最小单位的整数倍，这个量化是把采样值取整为最小单位的整数倍，这个最小单位称为量化单位最小单位称为量化单位。它等于输入信号的最大范。它等于输入信号的最大范围围/数字量的最大范围，对应于数字量数字量的最大范围，对应于数字量1。例如，把。例如，把04V的模拟电压转换成的模拟电压转换成3位二进制数表示的数字信号，位二进制数表示的数字信号，那么量化单位那么量化单位=4V/23=0.5V。模拟电压在。模拟电压在00.5V之间，取二进之间，取二进制数制数000；在；在0.5V1V之间取之间取001；在；在1V1.5V之间取之间取010；。2).量化量化本讲稿第三十五页，共七十六页 量化得到的数值通常用二进
27、制表示，对有正负极量化得到的数值通常用二进制表示，对有正负极性（双极性）的模拟量一般采用偏移码表示，数值为性（双极性）的模拟量一般采用偏移码表示，数值为负时符号位为负时符号位为0，为正时符号位为，为正时符号位为1。例如，。例如，8位二进位二进制偏移码制偏移码10000000代表数值代表数值0，00000000代表负电压代表负电压满量程，满量程，11111111代表正电压满量程。代表正电压满量程。3).编码编码本讲稿第三十六页，共七十六页2.A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 1).逐次逼近型的逐次逼近型的A/D转换器转换器控制逻辑电路先设定控制逻辑电路先设定SAR寄存器寄存器的最高位为的最
28、高位为“1”，其余位为，其余位为“0”，该值经，该值经D/A转换成电压转换成电压Vc，然后将，然后将Vc与模拟输入电压与模拟输入电压Vx比比较。如果较。如果VxVc，说明，说明SAR最高最高位的位的“1”应予保留；如果应予保留；如果VxVc，说明，说明SAR该位应予清零。然后该位应予清零。然后再对再对SAR寄存器的次高位置寄存器的次高位置“1”，依上述方法进行，依上述方法进行D/A转换和比较。转换和比较。本讲稿第三十七页，共七十六页 逐次逼近式的逐次逼近式的A/D转换器的主要特点是：转换器的主要特点是：（1）转换速度快，在）转换速度快，在1100s以内，分辨率可以达以内，分辨率可以达18位，特
29、别适用于工业控制系统。位，特别适用于工业控制系统。（2）转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。）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。）抗干扰能力相对积分型的差。2).-型型A/D转换器转换器本讲稿第三十八页，共七十六页 模拟信号的量化过程：输入信号模拟信号的量化过程：输入信号X与反馈信号与反馈信号W反相求反相求和，得到量化的误差信号和，得到量化的误差信号B，经积分器积分，输出的信号，经积分器积分，输出的信号C输入至量化器进行量化，得到由输入至量化器进行量化，得到由0和和1组成的数字序列组成的数字序列D，数字序列数字序列D又经过一位的又经过一位的DAC转换器
30、反馈至求和节点，形转换器反馈至求和节点，形成闭合的反馈环路。成闭合的反馈环路。反馈环路将强迫输出数字系列反馈环路将强迫输出数字系列D对应的模对应的模拟平均值等于输入信号的采样拟平均值等于输入信号的采样X的平均值。的平均值。量化过程可能带来量化过程可能带来量化噪声，量化噪声，量化噪声量化噪声的引入制约了转换精度。的引入制约了转换精度。-型型A/D转转换器对量化噪声的处理是由换器对量化噪声的处理是由数字低通滤波器数字低通滤波器完成的，其作用完成的，其作用是实现低通滤波和减取样的功能。是实现低通滤波和减取样的功能。-型型A/D转换器属于转换器属于过采样转换器，是目前精度最高的一种转换器，具有高分过采
31、样转换器，是目前精度最高的一种转换器，具有高分辨率、高性价比和低功耗等优点。辨率、高性价比和低功耗等优点。本讲稿第三十九页，共七十六页3).双积分型双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器由积分器、检零比较器、计数转换器由积分器、检零比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号等组成。双积分型的器、控制逻辑和时钟信号等组成。双积分型的A/D转转换器有两个输入电压：换器有两个输入电压：一个是被测模拟量输入电压，一个是被测模拟量输入电压，一个是标准电压。一个是标准电压。A/D转换器首先对未知的输入电压转换器首先对未知的输入电压Vi进进行固定时间行固定时间Ti的积分，然后转换为标准电的积分，然
32、后转换为标准电压进行反向积分，直至积分输出返回到初压进行反向积分，直至积分输出返回到初始值。对标准电压进行积分的时间始值。对标准电压进行积分的时间Ti正比正比于输入模拟电压，输入电压越大，则反于输入模拟电压，输入电压越大，则反向积分时间越长。向积分时间越长。本讲稿第四十页，共七十六页用高频率标准时钟脉冲来测量这个时间，反向积分过程用高频率标准时钟脉冲来测量这个时间，反向积分过程中对脉冲的计数值就是对应于输入模拟电压的数字量。中对脉冲的计数值就是对应于输入模拟电压的数字量。双积分型的双积分型的A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，精度高，转换器电路简单，抗干扰能力强，精度高，这是突出的优点。但转换
33、速度比较慢，常用的这是突出的优点。但转换速度比较慢，常用的A/D转换芯片转换芯片的转换时间为毫秒级。因此适用于模拟信号变化缓慢，采的转换时间为毫秒级。因此适用于模拟信号变化缓慢，采样速率要求较低，而对精度较高，或现场干扰较严重的场样速率要求较低，而对精度较高，或现场干扰较严重的场合。如数字电压表。合。如数字电压表。4).V/F转换器转换器 V/F转换器用作模转换器用作模/数转换具有良好的精度、线性数转换具有良好的精度、线性和积分输入特性，能提供其他类型转换器无法达到的和积分输入特性，能提供其他类型转换器无法达到的性能。性能。本讲稿第四十一页，共七十六页 传感器一般输出模拟量小信号电流或电压，经
34、过信号调节器调传感器一般输出模拟量小信号电流或电压，经过信号调节器调节成满足节成满足V/F转换器输入要求的电压信号。转换器输入要求的电压信号。V/F转换器把这些模转换器把这些模拟电压转换成相应的拟电压转换成相应的TTL频率信号，经光电耦合后送入计算机，频率信号，经光电耦合后送入计算机，也可以送入也可以送入I/O口、计数器输入端或中断源输入端上。口、计数器输入端或中断源输入端上。采用采用 V/F转换器与计算机接口有接口简单，占用计算机转换器与计算机接口有接口简单，占用计算机接口少、频率信号输入灵活、抗干扰性能好、便于远距离接口少、频率信号输入灵活、抗干扰性能好、便于远距离传输等优点。因此在一些非
35、快速过程的前向通道中，愈来传输等优点。因此在一些非快速过程的前向通道中，愈来愈趋向使用愈趋向使用V/F转换来代替通常的转换来代替通常的A/D转换。转换。本讲稿第四十二页，共七十六页3.A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 分辨率反映分辨率反映A/D转换器对输入微小变化响应的能力，转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字输出最低位（通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电）所对应的模拟输入的电平值表示。例如，平值表示。例如，8位位A/D转换器能对模拟输入信号满量转换器能对模拟输入信号满量程的程的1/28=1/256的增量作出反应。的增量作出反应。n位位A/D能反应能反应1/
36、2n满满量程的模拟输入信号电平。分辨率与转换器的位数有关，量程的模拟输入信号电平。分辨率与转换器的位数有关，因此，可用数字量的位数来表示分辨率，即因此，可用数字量的位数来表示分辨率，即n位二进制数，最低位位二进制数，最低位所具有的权值，就是它的分辨率。所具有的权值，就是它的分辨率。1).分辨率分辨率2).精度精度精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。本讲稿第四十三页，共七十六页 绝对精度是指对应于一个给定的数字量的实际绝对精度是指对应于一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入之差。通常以数字量的模拟量输入与理论模拟量输入之差。通常以数字量的最小有效
37、位（最小有效位（LSB）的分数值表示绝对精度，如：）的分数值表示绝对精度，如：1LSB、LSB/2、LSB/4等。等。（1）绝对精度）绝对精度 相对精度即绝对误差与满量程之比，一般用百分相对精度即绝对误差与满量程之比，一般用百分比来表示。例如，满量程为比来表示。例如，满量程为5V，8位位A/D芯片，若其绝芯片，若其绝对精度为对精度为LSB/2，则其最小有效位的量化单位，则其最小有效位的量化单位=19.53mV，其绝对精度为，其绝对精度为/2=9.77mV，其相对精度为，其相对精度为9.77mV/5V=0.195%。（2）相对精度）相对精度本讲稿第四十四页，共七十六页 转换时间是指完成一次转换时
38、间是指完成一次A/D转换所需的时间，即转换所需的时间，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。例如时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。例如AD0809的转换时间为的转换时间为100s，其转换速率为，其转换速率为10kHz。3).转换时间转换时间 电源灵敏度是指电源灵敏度是指A/D转换芯片的供电电源的电压发转换芯片的供电电源的电压发生变化时，产生的转换误差。一般用电源电压变化生变化时，产生的转换误差。一般用电源电压变化1%时相当的模拟量变化的百分数来表示。时相当的模拟量变化的百分数来表示。4).电源灵敏
39、度电源灵敏度 量程是指所能转换的模拟输入电压范围，分单极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。性、双极性两种类型。5).量程量程本讲稿第四十五页，共七十六页 例如，单极性：量程为例如，单极性：量程为0+5V，0+10V，0+20V；双极；双极性：量程为性：量程为5+5V，10+10V。多数多数A/D转换器的输出逻辑电平与转换器的输出逻辑电平与TTL电平兼容。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。注意是否要三态逻辑输出、是否要对数据进行锁存等。6).输出逻辑电平
40、输出逻辑电平 由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产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。一般标。一般A/D转换器的工作温度范围为（转换器的工作温度范围为（070），军），军用品的工作温度范围为（用品的工作温度范围为（55+125）。）。7).工作温度范围工作温度范围本讲稿第四十六页，共七十六页4.典型的典型的A/D转换器芯片转换器芯片 1).ADC0809 ADC 0809是逐次逼近型是逐次逼近型8位单片位单片A/D转换芯片。转换芯片。片内有片内有8路模拟开关，可输入八个模拟量。单
41、极性，路模拟开关，可输入八个模拟量。单极性，量程为量程为05V。典型的转换速度为。典型的转换速度为100s。片内带有。片内带有三态输出缓冲器，可直接与三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。其性能总线接口。其性能价格比有明显的优势，是目前比较广泛采用的芯片价格比有明显的优势，是目前比较广泛采用的芯片之一。可应用于对精度和采样速度要求不高的场合之一。可应用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域。或一般的工业控制领域。本讲稿第四十七页，共七十六页（1）ADC 0809的逻辑结构及引脚的逻辑结构及引脚本讲稿第四十八页，共七十六页 由由8路单端输入的多路开关和地址锁存与译码逻辑路单端输入
42、的多路开关和地址锁存与译码逻辑组成。组成。模拟输入部分模拟输入部分 ADDA为最低位，为最低位，ADDC为最高位，通常分别接在为最高位，通常分别接在地址线的低地址线的低3位。位。该信号的上升沿将该信号的上升沿将ADDA、ADDB和和ADDC选择线选择线的状态锁存入多路开关地址寄存器中。的状态锁存入多路开关地址寄存器中。IN0IN7：8个通道模拟量输入引脚。个通道模拟量输入引脚。ADDA、ADDB和和ADDC：多路开关地址选择线，输入。：多路开关地址选择线，输入。ALE：地址所存信号，输入，高电平有效。：地址所存信号，输入，高电平有效。本讲稿第四十九页，共七十六页EOC：转换完成信号，输出，高电
43、平有效。：转换完成信号，输出，高电平有效。变换器部分变换器部分 主要由控制逻辑、逐次逼近寄存器主要由控制逻辑、逐次逼近寄存器SAR（8位）、位）、比较器及电阻网络四部分组成。控制逻辑提供转换器比较器及电阻网络四部分组成。控制逻辑提供转换器的时钟的时钟CLK和启动信号和启动信号START。转换完成时，发出。转换完成时，发出转换结束信号转换结束信号EOC信号。信号。CLK：转换时钟，输入。：转换时钟，输入。其频率不能高于其频率不能高于10640kHz。若。若CLK=500kHz时，时，转换速度为转换速度为128ms。START：启动转换信号，输入，高电平有效。：启动转换信号，输入，高电平有效。该信
44、号上升沿清除该信号上升沿清除ADC的内部寄存器而在下降沿的内部寄存器而在下降沿启动内部控制逻辑，开始启动内部控制逻辑，开始A/D转换工作。转换工作。当当EOC为为”1”时，表示转换已完成。时，表示转换已完成。本讲稿第五十页，共七十六页 输入端输入端REF(+)和和REF()决定了输入模拟电压的最决定了输入模拟电压的最大值和最小值。通常把大值和最小值。通常把REF(+)接到接到VCC(+5V)电源上，电源上，REF()接到地端接到地端GND。作用是使作用是使ADC 0809能直接与能直接与CPU接口。接口。三态输出缓冲器部分三态输出缓冲器部分D0D7：8位数字量的输出。位数字量的输出。当当OE为
45、为”1”时，输出锁存器脱离三态，数据输出。时，输出锁存器脱离三态，数据输出。OE：允许输出信号，高电平有效。：允许输出信号，高电平有效。基准电压部分基准电压部分本讲稿第五十一页，共七十六页（2）ADC 0809的时序的时序本讲稿第五十二页，共七十六页 AD574A是常用是常用12位逐次逼近式的位逐次逼近式的ADC芯片。转换芯片。转换时间为时间为2535s。其运行方式灵活，可进行。其运行方式灵活，可进行12位转换，也位转换，也可作可作8位转换；转换结果可直接位转换；转换结果可直接12位输出，也可先输出高位输出，也可先输出高8位，后输出低位，后输出低4位。可直接与位。可直接与8位、位、12位和位和
46、16位的位的CPU接接口。输入可设置成单极性，也可设置成双极性。片内有时口。输入可设置成单极性，也可设置成双极性。片内有时钟电路，无需加外部时钟。钟电路，无需加外部时钟。AD574A适用于对精度和速度适用于对精度和速度要求较高的数据采集系统和实时控制系统。要求较高的数据采集系统和实时控制系统。2.AD574A本讲稿第五十三页，共七十六页本讲稿第五十四页，共七十六页（1）AD574A的引脚功能的引脚功能DB11DB0：输出数据线。：输出数据线。DB11为为MSB位（最大有效位），位（最大有效位），DB0为为LSB位（最位（最小有效位）。转换后的数字量经过片内输出三态缓冲器小有效位）。转换后的数字
47、量经过片内输出三态缓冲器后，由这些数据线后，由这些数据线DB11DB0输出。输出。：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。CE：片使能信号，高电平有效。：片使能信号，高电平有效。该引脚为低电平时，表示启动转换；高电平时，表该引脚为低电平时，表示启动转换；高电平时，表示可输出数据。示可输出数据。R/：读：读/启动转换信号。启动转换信号。本讲稿第五十五页，共七十六页A0和和12/：配合用于控制转换数据长度是：配合用于控制转换数据长度是12位或位或8位，位，以及数据输出的格式（是以及数据输出的格式（是12位一次输出还是先输出高位一次输出还是先输出高8位，后输出低位，后输出低4位）。位）。A0
48、=0，表示启动一次，表示启动一次12位转换；位转换；A0=1，表示启动一，表示启动一次次8位转换。位转换。12/=1表示表示12位数据并行输出。位数据并行输出。STS：此引脚的模拟量输入范围是：此引脚的模拟量输入范围是0+10V；如果接成；如果接成双极性工作方式，输入范围可以是双极性工作方式，输入范围可以是5V+5V。20VIN：此引脚的模拟量输入范围是此引脚的模拟量输入范围是0+20V；若为双；若为双极性，输入范围可为极性，输入范围可为10V+10V。BIP OFFSET：此引脚的连接方式，与模拟量是单：此引脚的连接方式，与模拟量是单极性还是双极性有关。极性还是双极性有关。本讲稿第五十六页，
49、共七十六页REFOUT：参考电压输出端。：参考电压输出端。REFIN：参考电压输入端。：参考电压输入端。（2）AD574A的控制逻辑和时序的控制逻辑和时序 当当CE=1且且 =0时，时，AD574A才能进行一次有效的才能进行一次有效的操作；当操作；当CE、同时有效，而同时有效，而R/为低电平时是启动为低电平时是启动转换，转换，R/为高电平是读出数据。由为高电平是读出数据。由A0来选择来选择12位数位数据转换还是据转换还是8位转换。若位转换。若12/端接端接+5V，则并行输出，则并行输出12位数字；若位数字；若12/端接数字地，则由端接数字地，则由A0控制是读出高控制是读出高8位还是低位还是低4
50、位。位。本讲稿第五十七页，共七十六页本讲稿第五十八页，共七十六页（3）单极性与双极性的输入方式）单极性与双极性的输入方式本讲稿第五十九页，共七十六页5.A/D转换器与微处理器连接应用举例转换器与微处理器连接应用举例 A/D转换芯片与转换芯片与CPU接口时，除了要有数据信息的接口时，除了要有数据信息的传送外，还应有控制信息和状态信息。一般模拟输入传送外，还应有控制信息和状态信息。一般模拟输入量来自采样保持器，而转换后的数据经数据缓冲器由量来自采样保持器，而转换后的数据经数据缓冲器由数据输入端口输入至数据输入端口输入至A/D转换器的启动端，使转换器的启动端，使A/D转换转换器开始转换。器开始转换。