微型計算機原理與接口技術(shù)（第2版）：第7章 模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)模轉(zhuǎn)換

1、第7章 模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)模轉(zhuǎn)換 7.1 概述 實時控制和測量系統(tǒng)中，被控制或被測量的對象，如溫度、壓力、時間、流量、速度、電壓和電流等都是連續(xù)變化的物理量。所謂連續(xù)，包括兩方面的含義：一方面從時間上來說，它是隨時間連續(xù)變化的；另一方面從數(shù)值上來說，它的數(shù)值也是連續(xù)變化的。這種連續(xù)變化的物理量就是模擬量。這種模擬量的數(shù)值和極性可以由傳感器等進行測量，通常以模擬電壓或電流的形式輸出。當(dāng)微型計算機參與控制時，微機要求的輸入信號為數(shù)字量。這里，“數(shù)字”也包含著兩方面的意義：一方面，從時間上來說，它是某一物理量在某一時刻的瞬時值；另一方面，從數(shù)值上來說，它的數(shù)值是按某一最小單位的倍數(shù)變化的。顯然，不能把溫度

2、、壓力、時間、電壓等這樣的模擬量直接送入微機進行運算處理，必須先把它們變換成數(shù)字量，才能被微機接受。 一個完整的微機閉環(huán)實時控制系統(tǒng)示意圖 7.2 傳感器 A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。所以將物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之前，必須先將物理量轉(zhuǎn)換成電模擬量。傳感器是把非電量的模擬量（如溫度、壓力、流量等）轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號。因此，傳感器一般是指能夠進行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換的敏感元件。傳感器的精度直接影響整個系統(tǒng)的精度，如果傳感器誤差較大，則測量電路、放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路和微機的處理都會受到影響。物理量的多樣性使得傳感器的種類繁多，下面對幾種常用的傳感器作以簡單的介紹。 1溫度傳感器

3、熱電偶是一種大量使用的溫度傳感器，它是利用熱電勢效應(yīng)來工作的，室溫下的典型輸出電壓為毫伏數(shù)量級。溫度測量范圍與熱電偶的材料有關(guān)，常用的有鎳鋁-鎳硅熱電偶和鉑銠-鉑熱電偶。熱電偶的熱電勢-溫度曲線一般是非線性的，需要采取措施進行非線性校正。另一種溫度傳感器為熱敏電阻，它是一種半導(dǎo)體新型感溫元件，具有負的電阻溫度系數(shù)，當(dāng)溫度升高時，其電阻值減小，在使用熱敏電阻作為溫度傳感器時，將溫度的變化反映在電阻值的變化中，從而改變電壓或電流值。 2濕度傳感器 濕度傳感器大多利用濕度變化引起其電阻值或電容量變化原理制成，即將濕度變化轉(zhuǎn)換成電量變化。 熱敏電阻濕度傳感器利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導(dǎo)之差來測定濕度

4、，而氯化鋰濕度傳感器利用氯化鋰在吸收水分之后，其電阻值發(fā)生變化的原理來測量濕度。高分子濕度傳感器利用導(dǎo)電性高分子對水蒸汽的物理吸附作用引起電導(dǎo)率變化的特性。 3氣敏傳感器 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用半導(dǎo)體與某種氣體接觸時電阻及功率函數(shù)變化這一效應(yīng)來檢測氣體的成分或濃度的傳感器。它可用于家用液化氣泄漏報警、城市煤氣、煤氣爆炸濃度以及CO中毒危險濃度報警等。有的敏感元件對酒精特別敏感，利用這種氣敏元件可做酒后開車報警控制。 4壓電式和壓阻式傳感器 某些電解質(zhì)（如石英晶體、壓電陶瓷），在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)。

5、從而可以將機械能轉(zhuǎn)變成電能，因此可以把壓電式傳感器看作是一個靜電荷發(fā)生器，也就是一個電容。利用這些介質(zhì)可做成壓電式傳感器。由于固體物理的發(fā)展，固體的各種效應(yīng)已逐漸被人們所發(fā)現(xiàn)。固體受到作用力后，電阻率（或電阻）就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱壓阻式效應(yīng)，利用它可做成壓阻式傳感器。利用壓電式或壓阻式傳感器可測量壓力、加速度、載荷等。前者可測量頻率從幾赫至幾十千赫的動態(tài)壓力，如內(nèi)燃機氣缸、油管、進排氣管、槍炮的膛壓、航空發(fā)動機燃燒室等的壓力。 5光纖傳感器 光纖傳感器是70年代迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器。它具有靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕等優(yōu)點，可廣泛用于位移、速度

6、、加速度、壓力、溫度、液位、流量、水聲、電流、磁場、放射性射線等物理量的測量。功能型光纖傳感器不僅起到傳導(dǎo)光的作用，它還是敏感元件。它利用了光纖本身的一些特點，這些特點是光纖的傳輸特性受被測物理量作用會發(fā)生變化，從而使光纖中波導(dǎo)光的屬性（光強、相位、偏振態(tài)、波長等）被調(diào)制。因此，這一類光纖傳感器又分為光強調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型。 6位移-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （1）脈沖盤式角度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器脈沖盤式角度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器是在一個圓盤的邊緣上開有相等角距的縫隙，在開縫圓盤兩邊分別安裝光源和光敏元件。當(dāng)圓盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光線明暗變化，經(jīng)過光敏元件，就產(chǎn)生一次電信號

7、的變化。將這電信號整形放大，可得到一定幅度和功率的電脈沖輸出信號，脈沖數(shù)就等于轉(zhuǎn)過的縫隙數(shù)。上述脈沖信號可由計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)值就能反映圓盤轉(zhuǎn)過的角度。（2）碼盤式角度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器上述脈沖盤式輸出的是與角度對應(yīng)的脈沖個數(shù)，要經(jīng)過計數(shù)器才能進行數(shù)值編碼，碼盤式則是按角度直接進行編碼的轉(zhuǎn)換器，通常把它安裝在檢測軸上。編碼的方式有二進制和格雷碼制，按結(jié)構(gòu)有接觸式和光電式等。（3）光電碼盤角度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器光電碼盤是目前用得較多的一種，碼盤用透明及不透明區(qū)按一定編碼構(gòu)成。碼盤上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。對應(yīng)每一條碼道有一個光電元件，當(dāng)碼盤處于不同角度時，光電轉(zhuǎn)換器的輸出就呈現(xiàn)出不同的數(shù)碼。它的優(yōu)點是沒有接

8、觸磨損因而允許轉(zhuǎn)速高。 7.3 D/A轉(zhuǎn)換 7.3.1 D/A轉(zhuǎn)換原理 D/A轉(zhuǎn)換是把數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號的過程，同時，D/A轉(zhuǎn)換器也是A/D轉(zhuǎn)換器的基本組成部分。我們知道：一個二進制數(shù)字是由各位“0”“1”代碼組合起來的，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，應(yīng)將每一位代碼按權(quán)大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬輸出分量，然后根據(jù)疊加原理將各位代碼對應(yīng)的模擬輸出分量相加，其總和就是與數(shù)字量成正比的模擬量，由此完成D/A轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換的方法較多，但常用的方法是加權(quán)電阻網(wǎng)和T型電阻網(wǎng)。 1加權(quán)電阻網(wǎng)D/A轉(zhuǎn)換 加權(quán)電阻網(wǎng)D/A轉(zhuǎn)換就是用一個二進制數(shù)字的每一位代碼產(chǎn)生一個與其相應(yīng)權(quán)成正比的電壓（

9、或電流），然后將這些電壓（或電流）疊加起來，就可得到該二進制數(shù)所對應(yīng)的模擬量電壓（或電流）信號。例如，讓二進制數(shù)的第0位產(chǎn)生一個1V（20）的電壓信號，第1位產(chǎn)生2V（21）的電壓信號，第2位產(chǎn)生4V（22）的電壓信號，第3位產(chǎn)生8V（23)的電壓信號，依此類推，第n位產(chǎn)生2nV的電壓信號。再將這些電壓信號加起來，就可以得到與原二進制數(shù)成正比的電壓信號。這種轉(zhuǎn)換方法就稱為加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)法。 2T型電阻網(wǎng)D/A轉(zhuǎn)換 T型電阻網(wǎng)D/A轉(zhuǎn)換的組成是：（1）輸入數(shù)據(jù)控制的開關(guān)組；（2）R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)；（3）由運算放大器構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。這種轉(zhuǎn)換方法與加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)法的主要區(qū)別在于電阻求和網(wǎng)絡(luò)的形

10、式不同，它采用分流原理來實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)字位的轉(zhuǎn)換。電路中全部電阻是R和兩倍的R兩種，阻值通常在100歐姆到1000歐姆之間，整個電路是由相同的電路環(huán)節(jié)組成的。每一節(jié)電路有兩個電阻，一個開關(guān)，這一節(jié)電路就相當(dāng)于二進制數(shù)的一個位，每一節(jié)電路的開關(guān)就由二進制數(shù)相應(yīng)的代碼來控制，因為電阻是按T型結(jié)構(gòu)來連接的，所以稱為T型電阻網(wǎng)。 7.3.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) 1分辨率D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為：當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時，即LSB位產(chǎn)生一次變化時，所對應(yīng)輸出模擬量（電壓或電流）的變化量。實際上，分辨率是反映了輸出模擬量的最小變化量。 2建立時間建立時間也可以叫做轉(zhuǎn)換時間，是描述D/A轉(zhuǎn)換速率快慢

11、的一個重要參數(shù)，一般所指的建立時間是指輸入數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應(yīng)數(shù)值范圍內(nèi)（穩(wěn)定值）所經(jīng)歷的時間。 3線性度線性度是指，當(dāng)數(shù)字量變化時，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量按比例關(guān)系變化的程度。 7.3.3 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性 1輸入緩沖能力DAC是否帶有三態(tài)輸入緩沖器或鎖存器來保存輸入數(shù)字量，這對不能長時間在數(shù)據(jù)總線上保持數(shù)據(jù)的微機系統(tǒng)中使用D/A轉(zhuǎn)換器是十分重要。2輸入數(shù)據(jù)的寬度DAC有8位、10位、12位、14位、16位之分。當(dāng)DAC的位數(shù)高于微機系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的寬度時，需要兩次分別輸入數(shù)字量。3電流型還是電壓型即DAC的輸出是電流還是電壓。對電流輸出型，其電流在幾mA到十幾mA；

12、對電壓輸出型，其電壓一般在5V10V之間。有些高電壓型可達24V30V；若需將電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓輸出，則采用運放進行轉(zhuǎn)換。4是單極性輸出還是雙極性輸出 對一些需要正負電壓控制的設(shè)備，就要使用雙極性DAC，或在輸出電路中采取措施，使輸出電壓有極性變化。5輸入碼制DAC能接收哪些碼制（如二進制碼、BCD碼等）的數(shù)字輸入量。 7.3.4 DAC 0832轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用 DAC 0832是美國數(shù)據(jù)公司的8位D/A轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容，是在8位D/A轉(zhuǎn)換器中使用率最高的一種芯片。器件采用先進的CMOS工藝，因此功耗低，輸出漏電流誤差較小。 1DAC 0832主要特性 8位分辨率，電流型輸出，外接參考

13、電壓-10V+10V，可采用雙緩沖、單緩沖或直接輸入三種工作方式，單電源+5V+15V，電流建立時間1s，R-2R T型解碼網(wǎng)絡(luò)，線性誤差0.2%FS（FS為滿量程），非線性誤差0.4%FS，數(shù)字輸入與TTL兼容。 2DAC 0832的內(nèi)部構(gòu)造 DAC 0832由4個部分組成：一個8位輸入寄存器，一個8位DAC寄存器，一個8位D/A轉(zhuǎn)換器和一組控制邏輯組成，如圖7.3.2所示。 在D/A轉(zhuǎn)換器中采用的就是T型R-2R電阻網(wǎng)，DAC 0832是電流型輸出，改變參考電壓VREF的極性，可以相應(yīng)地改變輸出電流的流向，從而控制輸出電壓的極性。8位輸入寄存器受控于控制信號ILE、，當(dāng)ILE=1，=0，=

14、0時，該寄存器被選中，允許接收數(shù)據(jù)線上的信息。當(dāng)上述控制信號無效時（只要有一個無效即滿足條件），鎖存該信息。 DAC 0832內(nèi)部結(jié)構(gòu) 4DAC 0832的電壓輸出電路 DAC 0832為電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器，要獲得電壓輸出，需要外加轉(zhuǎn)換電路。圖7.3.3為兩極運算放大器組成的模擬輸出電壓。 如果參考電壓VREF為+5V，則（mV），此時若N=00H，V若N=80H，V若N=FFH，V+5V可見，從VOUT輸出為雙極性模擬電壓。電壓范圍是-5V+5V。 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電路 5DAC 0832應(yīng)用 DAC 0832單緩沖方式應(yīng)用很廣泛，可對生產(chǎn)現(xiàn)場某執(zhí)行機構(gòu)進行控制，也可產(chǎn)生各種智能信號

15、。設(shè)定DAC 0832的地址為78H。當(dāng)CPU送出00H0FFH數(shù)據(jù)，經(jīng)DAC 0832轉(zhuǎn)換VOUT為0+5V的模擬電壓送至現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。其VOUT輸出模擬電壓控制程序段如下：（1）VOUT輸出模擬電壓0V+5V程序段MOVAL，N；N為00H0FFH間的任意數(shù)OUT78H，AL （2）方波發(fā)生器程序段 X1：MOVAL，00H OUT78H，ALCALLDELAY；DELAY為延時子程序MOVAL，0FFHOUT78H，ALCALLDELAYJMPX1（3）鋸齒波發(fā)生器程序段 Y1：MOVAL，00HOUT78H，ALY2：INCALOUT78H，ALMOVCX，n；延時Y3：LOOPY3J

16、MP Y2 （4）三角波發(fā)生器 Z1：MOVAL，00HZ2：OUT78H，AL CALLDELAY；調(diào)延時子程序 INCAL JNZZ2 DECAL；使AL=FFH DECAL；使AL=FEH，消除平頂Z3：OUT78H，AL CALLDELAY；調(diào)延時子程序 DECAL JNZZ3 JMPZ2 6DAC 0832的典型連接 例7.3.1 利用DAC 0832輸出單極性模擬量電壓 將從2000H開始的50個字節(jié)單元數(shù)據(jù)依次送到DAC 0832輸出，每個數(shù)據(jù)輸出間隔時間為1ms，可調(diào)用D1ms延時1ms子程序。 輸出程序編制如下：X1：MOVSI，2000H MOVCX，50X2：MOVAL，

17、SI INCSI OUT80H，AL CALLD1ms LOOPX2 HLT 7.3.5 DAC l210與CPU的接口 18位CPU與超過8位的DAC接口在許多轉(zhuǎn)換精度及分辨率要求更高的場合，往往要用大于8位的D/A轉(zhuǎn)換器，例如10位、12位等等。下面以12位D/A轉(zhuǎn)換器與8位CPU的接口實例來說明大于8位的D/A轉(zhuǎn)換器接口的一般方法。當(dāng)一個12位的D/A轉(zhuǎn)換器與8位CPU接口時，需把數(shù)據(jù)寬度分為兩段，即用兩個數(shù)據(jù)鎖存器分別鎖存低8位和高4位數(shù)據(jù)，計算機向D/A轉(zhuǎn)換器送數(shù)據(jù)時分為二次操作，即先把低8位送給低8位鎖存器，緊接著把高4位送到高4位鎖存器。這種方法從接口原理上來說是可以的，但在實際

18、上卻存在問題，它會在模擬電壓輸出中出現(xiàn)本來沒有“毛刺”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要是由于兩個鎖存器的值不同時改變而造成的。 采用二重鎖存的12位DAC接口 2DAC 1210主要特性 12位分辨率，電流型輸出，外接參考電壓-10V+10V，可采用雙緩沖、單緩沖或直接輸入三種工作方式，單電源+5V+15V，電流建立時間1s，R-2R T型解碼網(wǎng)絡(luò)，線性誤差0.05%FS（FS為滿量程），數(shù)字輸入與TTL兼容。 3DAC 1210的內(nèi)部構(gòu)造 4DAC 1210的典型連接 DAC 1210的典型連接是單極性單緩沖連接，如圖7.3.7所示。圖中DAC 1210高8位端口地址為81H，低4位端口地址為80H，12

19、位傳送端口地址為84H。 假設(shè)BX寄存器中低12位數(shù)據(jù)是待轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量，則可編寫如下程序，啟動DAC 1210完成一次D/A轉(zhuǎn)換： X1：MOVCL，4 SHLBX，CL MOVAL，BH；高8位數(shù)據(jù) OUT81H，AL；送高8位 MOVAL，BL；低4位數(shù)據(jù) OUT80H，AL；送低4位 OUT84H，AL；送12位數(shù)據(jù) DAC 1210接口電路 例7.3.2 利用DAC 1210設(shè)計鋸齒波發(fā)生器 利用DAC 1210設(shè)計一個正向鋸齒波發(fā)生器，要求設(shè)計接口電路，并編制相應(yīng)的接口程序。接口電路設(shè)計參考圖7.3.7。鋸齒波發(fā)生程序編制如下： 7.4 A/D轉(zhuǎn)換 7.4.1 多路開關(guān) 多路開

20、關(guān)的主要用途是把多個模擬量參數(shù)分時接通送入A/D轉(zhuǎn)換器或V/F轉(zhuǎn)換器（即把模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號），即完成多到一的轉(zhuǎn)換，或者把經(jīng)微機處理、且由D/A轉(zhuǎn)換器或F/V轉(zhuǎn)換器（即把頻率信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓）轉(zhuǎn)換成的模擬信號，按規(guī)定的次序輸出到不同的控制回路（或外部設(shè)備），即完成一到多的轉(zhuǎn)換。前者稱為多路開關(guān)，后者叫作多路分配器。這類器件種類很多，有的只能做一種用途，稱為單向多路開關(guān)，如AD7501（8路）、AD7506（16路）。從輸入信號的連接方式來分，有的是單端輸入，有的則允許雙端輸入(或差動輸入)，如CD4051是單端8通道多路開關(guān)，CD4052是雙4通道模擬多路開關(guān)，CD405

21、3則是典型的3重2通道多路開關(guān)。 1雙向單端8通道多路開關(guān)CD4051 2多路開關(guān)的擴展 7.4.2 A/D轉(zhuǎn)換原理 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)比較多，但只有少數(shù)幾種技術(shù)能以單片集成的形式來實現(xiàn)。本節(jié)首先介紹A/D轉(zhuǎn)換的基本過程，然后介紹常用的3種A/D轉(zhuǎn)換的方法：計數(shù)式、逐次逼近式和雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理。計數(shù)式最簡單，但轉(zhuǎn)換速度很低。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的速度較高，比較簡單，而且價格適中，可以說，各種指標比較適中，因此是微型機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的外圍接口電路。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器精度高，抗干擾能力強，但速度低，一般應(yīng)用在要求精度高而速度不高的場合，例如儀器儀表等。 1A/D轉(zhuǎn)換的基本過程 模擬量是時間

22、上和幅值上都連續(xù)的一種信號，模擬量經(jīng)過采樣后得到的信號是時間上離散，幅值上連續(xù)的信號，即離散信號，這一過程就是采樣過程。計算機對這種離散信號還不能處理，計算機只能處理數(shù)字量，所以還必須把離散信號在幅值上也進一步離散化，這一過程就是量化過程。量化后的信號是時間上和幅值上都離散的數(shù)字量，可以直接送到計算機中進行處理。 采樣是將模擬量變換為離散量，一般包括采樣與保持兩個步驟，量化是將離散量變換成數(shù)字量，一般包括量化與編碼兩個步驟。采樣與量化是A/D轉(zhuǎn)換的基本過程。 （1）采樣 為了把一個連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的數(shù)字信號，就必須首先把模擬信號在時間上離散化，也就是對模擬信號進行采樣。采樣的過程一

23、般是：先使用一個采集電路，按等距離時間間隔，對模擬信號進行采集，然后用保持電路將采集來的信號電平保持一段時間，以便模數(shù)轉(zhuǎn)換器正確地將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。 采樣定理：對一個有限頻譜(+max)的連續(xù)信號進行采樣，當(dāng)采樣頻率f2fmax時（fmax是輸入模擬信號的最高頻率），則采樣輸出信號能無失真地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號。 信號的采樣和量化 （2）量化 模擬量輸入信號被采樣以后，得到的是時間上離散，幅值上連續(xù)的信號，即離散信號，但是要想用計算機處理，就必須把這種信號轉(zhuǎn)換為時間上和幅值上都離散的信號，即數(shù)字信號。這種把離散信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的過程，就是量化過程。 量化就是把輸入模擬信號f(t)的變化

24、范圍劃分成若干層，每一層都由一個數(shù)字來代表，采樣值落到哪一層，就由哪一層的數(shù)字來代表。這樣，所有的采樣值經(jīng)過“量化”后，就化為了對應(yīng)的數(shù)字量，成為了整數(shù)值。 2計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換原理 計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理是：被測電壓和一個均勻增長的斜坡電壓不斷地作比較，直到二者相等時，比較過程結(jié)束，并輸出一個代表被測電壓值的二進制數(shù)值。 圖7.4.4為8位計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換原理圖。給出一個啟動信號之后，計數(shù)器清0，產(chǎn)生的8位數(shù)字量經(jīng)內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓V0為0伏電壓。然后，V0與模擬量輸入電壓Vi經(jīng)比較器進行比較，當(dāng)V0Vi時，比較器輸出端VC為1，使計數(shù)器在CLK信號控制下加1計數(shù)，使D/A轉(zhuǎn)

25、換后的電壓不斷上升。當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換后的電壓大于等于輸入的模擬電壓時，比較器輸出端VC為0，使計數(shù)器停止計數(shù)，此時，數(shù)據(jù)線D7-DO上的數(shù)據(jù)就是模/數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 8位計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換原理圖 3逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理也是將被測電壓和由D/A轉(zhuǎn)換生成的電壓進行比較，但這里D/A轉(zhuǎn)換生成的電壓不是線性增長去接近被測電壓，而是用對分搜索的方法來逐次逼近被測電壓。圖7.4.5為8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖，它的最大特點是用“逐次逼近寄存器”取代了計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換中的“加1計數(shù)器”。當(dāng)轉(zhuǎn)換器收到啟動信號之后，首先，逐次逼近寄存器清0，通過內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器使輸出電壓V0為0，

26、然后開始轉(zhuǎn)換。8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖 4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理是，將一段時間內(nèi)的模擬電壓通過兩次積分，轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此段時間間隔，所得到的計數(shù)結(jié)果就是輸入電壓對應(yīng)的數(shù)字值。 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理如圖7.4.6所示，它是由積分器、過零比較器、計數(shù)器和控制電路組成的。 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近式相比，在得到同樣精度的情況下，對所采用的元件的精度和質(zhì)量的要求大為降低，只要求在T1和T2時間內(nèi)有相對穩(wěn)定性就行了。 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器在工控環(huán)境中用于抑制信號中的50Hz工頻干擾，一般轉(zhuǎn)換周期在100s-

27、20ms之間。 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖 7.4.3 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 1分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率表明了能夠分辨最小的量化信號的能力。它是輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量，即數(shù)字輸出的最低有效位（LSB）所對應(yīng)的模擬輸入電平值。2精度精度是指A/D轉(zhuǎn)換器的實際變換函數(shù)與理想變換函數(shù)的接近程度。精度又分為絕對精度和相對精度。3轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間，即從啟動信號開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出量所需的時間。通常為微秒級。一般約定，轉(zhuǎn)換時間大于1ms的為低速，1ms1s的為中速，小于1s的為高速，小于1ns的為超高速。轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換

28、速率。例如ADC 0809的轉(zhuǎn)換時間為100s，則轉(zhuǎn)換速率為每秒1萬次。4量程量程是指ADC所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。 7.4.4 ADC 0809八位A/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用 A/D轉(zhuǎn)換器種類繁多，美國NS公司、TI公司、MAXIM公司都有產(chǎn)品，僅美國AD公司的產(chǎn)品就有幾十個系列，近百種型號，這些產(chǎn)品在字長、速率、隔離狀態(tài)、多路分時采集方式方面各有不同。本節(jié)以ADC 0809為例，介紹A/D轉(zhuǎn)換芯片。ADC 0809是美國NS公司生產(chǎn)的CMOS組件，8路輸入單片A/D轉(zhuǎn)換器，可直接與CPU總線連接，使用非常廣泛。 1ADC 0809主要特性 8位分辨率，電壓輸入0+5V，轉(zhuǎn)換時間100s（640KH

29、z條件），時鐘頻率100KHz1280KHz，標準時鐘為640KHz，無漏碼，單一電源+5V，8路單端模擬量輸入通道，參考電壓+5V，總的不可調(diào)誤差土1LSB，溫度范圍-40+85，功耗低15mW，不需進行零點調(diào)整和滿量程調(diào)整，可鎖存的三態(tài)輸出，輸出與TTL電路兼容。 2ADC 0809內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3ADC 0809工作時序 ADC 0809常用的極性轉(zhuǎn)換輸入電路 4ADC 0809與CPU的接口方法 A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的數(shù)據(jù)傳送控制方式通常有3種：等待方式查詢方式中斷方式 （1）等待方式 等待方式又稱定時采樣方式，或無條件傳送方式，這種方式是在向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動指令（脈沖）后，進行軟件延

30、時（等待），此延時時間取決于A/D轉(zhuǎn)換器完成A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間（如ADC 0809在640KHz時為100s），經(jīng)過延時后才可讀入A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在這種方式中，有時為了確保轉(zhuǎn)換完成，不得不把延時時間適當(dāng)延長，因此，比查詢方式轉(zhuǎn)換速度慢，但對硬件接口要求較低，可視系統(tǒng)CPU緊張程度選用。 例7.4.1 ADC 0809等待方式接口設(shè)計 等待方式下，ADC 0809與微處理器之間的連接如圖7.4.10所示。圖中譯碼器的輸出作為ADC 0809的轉(zhuǎn)換啟動地址START（同時通道地址鎖存信號ALE有效）和數(shù)字量數(shù)據(jù)輸出地址OE，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC未用，若采集通道IN0的數(shù)據(jù)，可設(shè)計如下程序： AD

31、C 0809與微處理器之間的等待方式連接 （2）查詢方式 所謂程序查詢方式，就是先選通模擬量輸入通道，發(fā)出啟動A/D轉(zhuǎn)換的信號，然后用程序查看EOC狀態(tài)，若EOC=1，則表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，可以讀入數(shù)據(jù)；若EOC=0，則說明A/D轉(zhuǎn)換器正在轉(zhuǎn)換過程中，應(yīng)繼續(xù)查詢，直到EOC=1為止。 例7.4.2 ADC 0809查詢方式接口設(shè)計 ADC 0809與微處理器之間的查詢方式連接如圖7.4.11所示，利用該接口電路，采用查詢方式，對現(xiàn)場8路模擬量輸入信號循環(huán)采集一次，其數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。 ADC 0809與微處理器之間的查詢方式連接 程序設(shè)計程序設(shè)計（3）中斷方式 在前兩種方式中，無論CPU

32、暫停與否，實際上對控制過程來說都是處于等待狀態(tài)，等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后再讀入數(shù)據(jù)，因此速度慢，為了發(fā)揮計算機的效率，有時采用中斷方式。在這種方式中，CPU啟動A/D轉(zhuǎn)換后，即可轉(zhuǎn)而處理其它事情，比如繼續(xù)執(zhí)行主程序的其他任務(wù)。一旦A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，則由A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，這一信號作為中斷請求信號發(fā)給CPU，CPU響應(yīng)中斷后，便讀入數(shù)據(jù)。這樣，在整個系統(tǒng)中，CPU與A/D轉(zhuǎn)換器是并行工作的，提高了系統(tǒng)的工作效率。中斷方式不需花費等待時間，但若中斷后，保護現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場等一系列操作過于繁鎖，所占用的時間和A/D轉(zhuǎn)換的時間相當(dāng)，則中斷方式就失去了它的優(yōu)越性。 9.4.5 12位A/D轉(zhuǎn)換器AD5

33、74 D574型快速12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是美國AD公司產(chǎn)品，是一種內(nèi)部由雙極型電路組成的28腳雙列直插式標準封裝的集成A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器集成度高，并因其功能完善和性能優(yōu)異而被廣泛采用。 1AD574主要特性 12位分辨率，轉(zhuǎn)換時間25s（12位）、16s（8位），單通道模擬電壓輸入，無漏碼，采用逐次逼近式原理，單極性電壓輸入010V、020V，雙極性電壓輸入土5V、士10V，VLOGIC電壓+4.5V+5.5V（+5V），VCC電壓+13.5V+16.5V（+12V，+15V），VEE電壓-13.5V-16.5V（-12V，-15V），參考電壓不需外部提供，芯片內(nèi)部具有穩(wěn)定為10.

34、00V士0.1V（max）的參考電壓，片內(nèi)具有輸出三態(tài)緩沖器，可與通用的8位或16位微處理器直接接口，低功耗390mW，存放溫度-65+150。 2AD574內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3AD574引腳功能 AD574啟動時序 4AD574工作方式 在轉(zhuǎn)換周期，模擬輸入的電流要受DAC的約500KHz試驗電流的調(diào)制影響，因此要求模擬輸入信號源能在動態(tài)負載情況下保持穩(wěn)定的輸出電壓。如果信號源達不到此要求，可以加一級寬頻帶的運算放大器，也可在普通運算放大器的反饋回路中加入三極管或集成緩沖器。 AD574有兩種工作方式：單極性模擬輸入和雙極性模擬輸入 。AD574的工作方式-單極性模擬輸入AD574的工作方式-雙極性

35、模擬輸入例7.4.3 利用AD574進行12位A/D數(shù)據(jù)采集 圖7.4.15是AD574與8086 CPU的單極性接口框圖，模擬量信號范圍可為10V或20V。CPU通過常規(guī)的總線驅(qū)動得到三總線信號，通過74LS138譯碼器進行端口地址的尋址，各端口的地址如表7.4.4所示。引腳接地，表示該芯片在數(shù)據(jù)輸出時，每次輸出8位數(shù)據(jù)。AD574的和A0分別接到CPU的A1和A0上，從而用不同的端口地址來實現(xiàn)對AD574的啟動轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出。AD574的工作狀態(tài)由STS引腳輸出，可將STS經(jīng)三態(tài)門電路（比如74LS244）連至數(shù)據(jù)總線，比如連到D0上，于是可以用查詢的方法判斷AD574是否轉(zhuǎn)換完成，可否讀入數(shù)據(jù)。 AD574單極性接口設(shè)計 端口地址分析 轉(zhuǎn)換程序 綜上所述，若要求對AD574進行12位A/D轉(zhuǎn)換，連續(xù)采樣100次，轉(zhuǎn)換結(jié)果依次存入2000H:1000H開始的內(nèi)存單元，可寫出AD574在查詢方式下的轉(zhuǎn)換程序： 7.4.6 采樣保持器 采