第 9 章 數(shù)-模模-數(shù)接口及應(yīng)用技術(shù)

第9章

數(shù)-模/模-數(shù)接口及應(yīng)用技術(shù)

9.1計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)9.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器及接口9.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器及接口在計算機控制和檢測系統(tǒng)中，需要輸入的模擬（物理）量必須轉(zhuǎn)換為模擬信號，這一過程稱為檢測；將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機能夠接受的數(shù)字信號，稱為模-數(shù)轉(zhuǎn)換或A/D轉(zhuǎn)換；將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為控制外部執(zhí)行部件的模擬信號，稱為數(shù)-模轉(zhuǎn)換或D/A轉(zhuǎn)換。9.1計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)介紹模擬信號的獲取及變送，然后通過計算機對模擬信號的處理操作描述計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成及功能。9.1.1模擬信號獲取及變送在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多物理量是可以連續(xù)變化的模擬量，如位移、溫度、壓力、流量、液位、重量等，計算機需要獲取這些模擬量的信息時，必須首先經(jīng)過傳感器將其物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量（如電流、電壓、電阻），然后進行信號處理、轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標準量。該標準量通過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進制碼表示的數(shù)字量后，計算機才能識別并進行處理。模擬信號的獲取過程如圖9-1所示1．傳感器

能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出信號的元器件或裝置稱為傳感器。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常用傳感器有電阻應(yīng)變式傳感器、熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、渦輪流量傳感器等。2．變送器變送器的功能是將物理量或傳感器輸出的信息量，轉(zhuǎn)換為便于傳送、顯示和設(shè)備接收的直流電信號。變送器輸出的直流電信號有0～5V、0～10V、1～5V、0～20mA、4～20mA等。目前，工業(yè)上廣泛采用4～20mA標準直流電流來傳輸模擬量。變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出，其接線方式主要有四線制和二線制，如圖9-2所示。目前二線制變送器在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。9.1.2一個典型實時控制系統(tǒng)閉環(huán)控制是根據(jù)控制對象輸出參數(shù)的負反饋來進行校正的一種控制方式。工業(yè)中的計算機閉環(huán)比例積分微分（ProportionalIntegralDifferential，PID）控制系統(tǒng)如圖9-4所示。工業(yè)生產(chǎn)過程中的典型計算機閉環(huán)控制I/O通道（接口）如圖9-5所示。9.1.3采樣、量化和編碼模擬信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為標準信號后，必須經(jīng)過采樣、量化和編碼后才能轉(zhuǎn)換為可靠的數(shù)字信號，然后被輸入計算機。（1）采樣及采樣頻率采樣就是按一定的周期，在相等的時間間隔t內(nèi)，循環(huán)不斷地獲取某個模擬量的瞬時值。采樣周期t越短，即單位時間內(nèi)采樣次數(shù)越多，采樣頻率越高，采樣值（包絡(luò)線）就越接近原信號。（2）保持

每次采樣的瞬時模擬信號，在量化（A/D轉(zhuǎn)換）的過程中，必須保持信號不變，這樣才能保證A/D轉(zhuǎn)換的準確性?？梢酝ㄟ^存儲元件（如電容器C）跟蹤采樣信號并將信號存儲在電容器C上，經(jīng)放大器放大后輸出。（3）量化采樣后需要對該瞬時值進行量化（4）編碼編碼是指模擬信號轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號可以用不同的代碼來表示。常用的編碼有二進制碼、BCD碼等形式。量化和編碼的原理對A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換都是適用的。9.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器及接口DAC在測控系統(tǒng)中將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，以用于驅(qū)動外部執(zhí)行機構(gòu)。9.2.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本原理DAC的基本功能是將一個用二進制表示的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的基本方法是：對應(yīng)二進制數(shù)的每一位產(chǎn)生一個相應(yīng)的電壓（電流），而這個電壓（電流）的大小則正比于相應(yīng)的二進制的位權(quán)。9.2.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的主要參數(shù)如下。①分辨率：指數(shù)字量最低有效位（LeastSignificantBit，LSB）對應(yīng)的模擬值。DAC能夠轉(zhuǎn)換的二進制的位數(shù)越多，分辨率也越高，一般為8位、10位、12位等。對于N位DAC，其分辨率為輸出電壓量程除以2N。②轉(zhuǎn)換時間：DAC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間，即從數(shù)字輸入信號變化開始，直到轉(zhuǎn)換輸出一個穩(wěn)定的模擬量所需的時間。轉(zhuǎn)換時間一般在幾十納秒至幾微秒之間。③線性度：理想的轉(zhuǎn)換關(guān)系是線性的，線性度表示D/A轉(zhuǎn)換模擬輸出偏離理想輸出的最大值。④

輸出電平：輸出模擬信號有電流型和電壓型兩種。電流型輸出電流在幾毫安到幾十毫安；電壓一般為5～10V，有的高電壓型可達24～30V。⑤轉(zhuǎn)換精度：表明DAC轉(zhuǎn)換的精確程度，可分為絕對精度和相對精度。絕對精度是指轉(zhuǎn)換輸出實際值與理想值之差，一般應(yīng)低于0.5LSB。相對精度是指絕對精度相對于滿量程的百分數(shù)。9.2.38位集成數(shù)-模轉(zhuǎn)換器——DAC0832DAC0832是美國數(shù)據(jù)公司研制的8位雙緩沖集成D-A轉(zhuǎn)換芯片。該芯片有極好的溫度跟隨性，建立時間為1ms，輸入方式靈活，輸出漏電流低、功耗低等。1．DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DAC0832是采用先進的CMOS工藝制成的雙列直插式單片8位D-A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度為1μs，可直接與計算機接口相連。DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-8所示。2．DAC0832引腳DAC0832引腳如圖9-9所示，各引腳的含義如下。（1）數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端D0～D7：8位，連接CPU數(shù)據(jù)總線。（2）輸入寄存器控制引腳ILE：數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效，輸入。/CS：片選信號（輸入寄存器選擇信號），低電平有效，輸入。/WR1：輸入寄存器寫選通信號，低電平有效，輸入。（3）DAC寄存器控制引腳/WR2：DAC寄存器的寫選通信號，低電平有效，輸入。/XFER：數(shù)據(jù)傳送信號，低電平有效，輸入。該信號與WR2進行邏輯與運算后作為DAC寄存器工作的控制信號。（4）輸出模擬信號相關(guān)引腳IOUT1：電流輸出1，其電流值為輸入數(shù)字量為1的各位輸出電流之和，它隨輸入數(shù)字量的變化而線性變化。IOUT2：電流輸出2，其電流值為輸入數(shù)字量為0的各位輸出電流之和。Rfb：反饋信號輸入端，反饋電阻器在片內(nèi)，為外接運算放大器提供反饋回路。3．DAC0832的3種工作方式通過對芯片內(nèi)部的輸入寄存器及DAC寄存器的不同控制方式，DAC0832可以有3種工作方式。（1）直通方式在直通方式下，DAC0832的兩個寄存器一直處于直通狀態(tài)。為此，應(yīng)使控制信號/CS=0、ILE=1、/WR1=0、/WR2=0、/XFER=0。（2）單緩沖方式在單緩沖方式下，DAC0832的兩個寄存器中的一個工作在直通狀態(tài)，另一個工作在受控狀態(tài)，或者同時控制輸入寄存器和DAC寄存器。CPU對工作在受控狀態(tài)下的寄存器執(zhí)行一次寫入操作，即可完成D/A轉(zhuǎn)換。這種方式適用于只有一路模擬信號輸出或多路模擬信號不需要同步輸出的系統(tǒng)。（3）雙緩沖方式在雙緩沖方式下，輸入寄存器和DAC寄存器都工作在受控狀態(tài)。CPU需要分別對兩個寄存器各執(zhí)行一次寫入操作，才能完成D/A轉(zhuǎn)換，即CPU首先將輸入數(shù)字量寫入輸入寄存器，然后將輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器。9.2.4DAC0832應(yīng)用接口及編程DAC0832轉(zhuǎn)換器芯片的數(shù)據(jù)線和控制線等與CPU數(shù)據(jù)總線和有關(guān)控制總線相連，CPU把它視為一個并行輸出端口。1．DAC0832工作于單緩沖器、單極性輸出方式DAC0832工作于單緩沖器、單極性輸出方式與CPU的接口電路如圖9-10所示【例9-1】在圖9-10所示的接口電路中，VREF=-5V，設(shè)DAC0832的地址為7FFFH，將存儲器數(shù)據(jù)段2000H字節(jié)單元的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為0～5V模擬信號輸出。程序如下。MOVBX,2000HMOVAL,[BX]OUTDX,AL;寫數(shù)據(jù)到0832START:MOVDX,7FFFH;0832地址2．DAC0832工作于單緩沖器、雙極性輸出方式DAC0832工作于單緩沖器、雙極性輸出方式與CPU的接口電路如圖9-11所示。雙極性是指VOUT輸出為對稱的正、負電壓。雙極性輸出時，DAC0832需要外接兩個運算放大器。9.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器及接口ADC將需要用計算機處理的模擬信號轉(zhuǎn)換成n位數(shù)字信號，該信號通過數(shù)據(jù)線輸入給計算機。在測控系統(tǒng)中，ADC主要用于外部模擬量的數(shù)據(jù)采集。9.3.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理

根據(jù)A-D轉(zhuǎn)換器的原理，可將A-D轉(zhuǎn)換器分成兩大類：一類是直接型A-D轉(zhuǎn)換器，其輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中間變量；另一類是間接型A-D轉(zhuǎn)換器，在其工作過程中，首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量（時間、頻率、脈沖寬度等），然后再把這個中間變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼輸出。A-D轉(zhuǎn)換器的種類有很多，但目前應(yīng)用較廣泛的主要有3種類型：逐次逼近式A-D轉(zhuǎn)換器（直接型）、雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器和V-F變換式A-D轉(zhuǎn)換器（間接型）。1．逐次逼近型A-D轉(zhuǎn)換器的工作原理

逐次逼近式A-D轉(zhuǎn)換器是一種速度較快精度較高的轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換時間大約在幾微秒至幾百微秒之間。2.雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器、計數(shù)器和控制邏輯等部件組成，如圖9-17a所示。雙積分式A-D轉(zhuǎn)換是一種間接A-D轉(zhuǎn)換技術(shù)。首先將模擬電壓轉(zhuǎn)換成積分時間，然后用數(shù)字脈沖計時的方法轉(zhuǎn)換成計數(shù)脈沖數(shù)，最后將表示模擬輸入電壓大小的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成所對應(yīng)的二進制或BCD碼輸出。由于這種A-D要經(jīng)歷正、反兩次積分，故轉(zhuǎn)換速度較慢。但是，由于雙積分A-D轉(zhuǎn)換器外接器件少，抗干擾能力強，成本低，使用比較靈活，具有極高的性能/價格比，故在一些非快速過程中應(yīng)用十分廣泛。3．V-F變換式ADCV-F變換式ADC是由電壓-頻率轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的ADC。該轉(zhuǎn)換器由計數(shù)器、定時門電路控制等組成。其原理是先將輸入模擬電壓Vi轉(zhuǎn)換為與之成正比線性關(guān)系的脈沖頻率f。然后，該脈沖頻率f在單位定時時間的控制下由計數(shù)器對其計數(shù)，使計數(shù)器的計數(shù)值正比于輸入電壓Vi，從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。9.3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標ADC的主要技術(shù)指標如下。（1）分辨率：分辨率表示轉(zhuǎn)換器對微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示。例如，對10位ADC，其數(shù)字輸出量的變化范圍為0～1023（210-1），當輸入電壓的滿刻度為5V時，數(shù)字量每變化一個數(shù)字所對應(yīng)輸入模擬電壓的值為5/1023≈4.88mV，其分辨率為4.88mV。當檢測輸入信號的精度較高時，需采用分辨率較高的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片，目前常用的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)有

8位、10位、12位和14位等。（2）量程：所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍，如5V、10V、±5V等。（3）精度：有絕對精度和相對精度兩種表示方法。常用數(shù)字量的位數(shù)作為量度絕對精度單位，如精度為±0.5LSB，而用百分比來表示滿量程時的相對誤差，如±0.5%。要說明的是，精度和分辨率是不同的概念。精度指的是轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實際值的準確度，而分辨率是指轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量每變化1LSB所對應(yīng)輸入模擬量的變化范圍。（4）轉(zhuǎn)換時間：A/D轉(zhuǎn)換時間指的是從發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束獲得整個數(shù)字信號為止所需的時間間隔。

9.3.38位集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器——ADC0809ADC0809具有8個通道的模擬信號輸入線（IN0～IN7），可在程序控制下對任意通道進行A/D轉(zhuǎn)換，輸出8位二進制數(shù)字信號（D7～D0）。1．ADC0809的結(jié)構(gòu)ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖如圖9-18所示。ADC0809的主要部分是一個8位逐次逼近式ADC。為了能實現(xiàn)8路模擬信號的分時采樣，片內(nèi)設(shè)置了8路模擬選通開關(guān)以及相應(yīng)的通道地址鎖存及譯碼電路。轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存

圖9-18ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖2．ADC0809引腳ADC0809引腳分布如圖9-19所示。各引腳的含義如下。①IN7～IN0：8路模擬信號輸入通道，在多路開關(guān)控制下，任一時刻只能有一路模擬信號實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809要求輸入模擬信號為單極性，電壓范圍為0～5V，如果信號過小，還需要進行放大。對于信號變化速度比較快的模擬信號，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。②引腳A、B、C：8路模擬開關(guān)的三位地址選通輸入端，用來選通對應(yīng)IN0～IN7的模擬輸入通道，每一路模擬輸入通道對應(yīng)一個端口地址，其地址碼與輸入通道的對應(yīng)關(guān)系如表9-2所示。9.3.4ADC0809應(yīng)用接口及編程

由于ADC0809輸出端具有可控的三態(tài)輸出門，所以它既能與微處理器直接相連，也能通過并行接口芯片與微處理器連接。（1）接口電路圖9-21所示為ADC0809直接與CPU連接的接口電路。該接口電路主要包括地址譯碼產(chǎn)生片選信號、輸入模擬通道選擇、啟動轉(zhuǎn)換控制、轉(zhuǎn)換結(jié)束及數(shù)字輸出允許部分與CPU的連接。

【例9-5】為ADC0809的EOC設(shè)置一個端口地址，由74LS138譯碼器輸出控制。編寫控制程序，采用程序查詢方式對通道IN1輸入的電壓（0～5V）進行A-D轉(zhuǎn)換，每隔50ms采樣一次，連續(xù)采樣8次并將其平均值存入數(shù)據(jù)段AVEDATA單元。

硬件電路如圖9-22所示，接口電路采用地址總線的A2～A0選擇通道，EOC作為端口的數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)總線的D1連