模擬接口技術(shù)

11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口11.1.1D/A轉(zhuǎn)換器工作原理一個4位T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的組成原理如圖11.1所示。圖中，R和2R兩種阻值的電阻構(gòu)成T型網(wǎng)絡(luò)，VREF為基準(zhǔn)電壓，S0、S1、S2、S3是模擬開關(guān)，它們分別受輸入代碼D3、D2、D1、D0的控制，Di=1，開關(guān)向左閉合；Di=0，開關(guān)向右閉合。電流各自流入4個節(jié)點。圖中S0開關(guān)接通而其余開關(guān)斷開，即數(shù)字輸入為D=0001B。由于任一節(jié)點的3個分支的等效電阻都是2R，由電路知識知，任一分支流進節(jié)點的電流值都為I=VREF/(3R)。此電流經(jīng)A0、A1、A2、A3共4個節(jié)點被4次均分后得到I/16并注入運算放大器電路，進而將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號?，F(xiàn)假定反饋電阻Rfb=3R，則運算放大器的輸出電壓為11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口Vout=-(I/16)×3R=-(1/16)×(VREF/3R)×3R=-VREF/16根據(jù)迭加原理，可以得出D為任意4位數(shù)時D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為Vout=-VREF/16(23×+22×+21×+20×) =-(VREF/16)×D可見，輸出電壓大小與D3、D2、D1、D0成正比，而極性與VREF相反。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口圖11.1T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口11.1.2D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)

1.分辨率分辨率與D/A轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)n有關(guān)，表示為輸出滿量程電壓與2的比值，它反映了輸出模擬電壓的最小變化量。例如，具有12位分辨率的DAC，如果轉(zhuǎn)換后的滿量程電壓為5V，則它能分辨的最小電壓為

U=5/212=5/4096=1.22m(V)11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指D/A轉(zhuǎn)換器在整個工作區(qū)間實際的輸出電壓與理想輸出電壓之間的偏差，可用絕對精度或相對精度來表示。一般采用數(shù)字量的最低有效位±1/2LSB作為衡量單位。對于n=8位的DAC而言，若精度為±1/2LSB，滿量程電壓為U=5V，則其最大絕對誤差為

=1/2×U/2n=1/2×5/28=0.01V相對誤差為以上最大偏差與滿量程電壓之比的百分數(shù)：ΔU=1/2×(U/2n)/U=1/29=0.20%11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口3.轉(zhuǎn)換時間指從數(shù)字量輸入到完成轉(zhuǎn)換，輸出達到最終誤差1/2LSB并穩(wěn)定為止所需要的時間，也稱為穩(wěn)定時間。不同類型的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度差別較大，一般電流型D/A轉(zhuǎn)換器較之電壓型D/A轉(zhuǎn)換器速度快一些。

4.線性誤差D/A轉(zhuǎn)換器在工作范圍內(nèi)的理想輸出是與輸入數(shù)字量成正比的一條直線。由于誤差的存在，實際輸出的模擬量是一條近似直線的曲線。實際的模擬輸出與理想直線的最大偏移就是線性誤差。一般該誤差應(yīng)小于1/2LSB。D/A轉(zhuǎn)換器的其他性能指標(biāo)還有輸出電壓范圍、輸出極性、數(shù)字輸入特性、工作環(huán)境條件等。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口11.1.3D/A轉(zhuǎn)換芯片

1.DAC0832(1)DAC0832的特性。DAC0832是利用CMOS/Si-Cr工藝制造的電流輸出型8位D/A轉(zhuǎn)換器，具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器，它可以與各種CPU相連接。其主要特性如下：

① 分辨率為8位。

② 電流穩(wěn)定時間1μs。

③ 可單、雙緩沖數(shù)據(jù)輸入或直接數(shù)據(jù)輸入。

④ 只需在滿量程下進行線性調(diào)整。

⑤ 單一電源供電(+5V~+15V)。

⑥ 低功耗(20mW)。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口(2)DAC0832的引腳與結(jié)構(gòu)。DAC0832的引腳如圖11.2所示，各引腳功能如下：

DI0~DI7：數(shù)據(jù)輸入。：片選信號，低電平有效。

ILE：數(shù)據(jù)寄存器允許，高電平有效。：輸入寄存器寫選通信號，低電平有效。與同時有效時將輸入數(shù)據(jù)裝入輸入寄存器。：DAC寄存器寫選通信號，低電平有效。與同時有效時將輸入寄存器的數(shù)據(jù)裝入DAC寄存器。：數(shù)據(jù)傳送信號，低電平有效。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口IOUT1

：輸出電流1，與數(shù)字量的大小成正比。

IOUT2：輸出電流2，與數(shù)字量的反碼成正比。

Rfb：反饋電阻輸入引腳，反饋電阻在芯片內(nèi)部，可與運算放大器的輸出直接相連。

VREF：基準(zhǔn)電源輸入引腳。

Vcc：電源輸入引腳，電壓范圍為+5V~+15V。

AGND：模擬地。

DGND：數(shù)字地。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口圖11.2DAC0832引腳11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口

DAC0832的結(jié)構(gòu)框圖如圖11.3所示。DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。由于有兩個寄存器，可以進行兩次緩沖操作。轉(zhuǎn)換輸出模擬電流信號。圖11.3DAC0832結(jié)構(gòu)框圖11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口

(3)DAC0832的工作方式。DAC0832在不同信號組合的控制之下可實現(xiàn)直通、單緩沖和雙緩沖3種工作方式：① 直通方式：圖11.3中，將ILE接高電平，、、、全部接低電平，則CPU送來的數(shù)據(jù)不進行緩沖，而是直接送到DAC轉(zhuǎn)換器進行變換。② 單緩沖方式：只將、接低電平，ILE接高電平，、有效之后，DAC寄存器為直通，而輸入寄存器為選通。也就是只進行一級緩沖。③ 雙緩沖方式：ILE接高電平，、控制輸入寄存器，、控制DAC寄存器，則進行兩級緩沖。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口

2.DAC1208系列D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208系列D/A轉(zhuǎn)換器主要包括DAC1208、DAC1209和DAC1210，它們都是12位的D/A轉(zhuǎn)換器，主要區(qū)別在于線性誤差不同。

(1) DAC1208系列DAC的主要特性：

① 分辨率為12位。

② 電流穩(wěn)定時間1μs。

③ 具有雙緩沖數(shù)據(jù)鎖存器。

④ 單一電源供電(+5V~+15V)。

⑤ 參考電壓VREF=-10V~+10V。

⑥ 低功耗(20mW)。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口

(2)DAC1208系列DAC的引腳與結(jié)構(gòu)。DAC1208系列轉(zhuǎn)換器的引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11.4所示。其內(nèi)部包括兩個分別為8位和4位的輸入鎖存器、12位DAC寄存器和12位D/A轉(zhuǎn)換器。其中8位和4位輸入寄存器構(gòu)成第1級數(shù)據(jù)鎖存器，12位DAC寄存器為第二級數(shù)據(jù)鎖存器。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口圖11.4DAC1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口

DAC1208系列D/A轉(zhuǎn)換器引腳功能如下：

DI0~DI11：數(shù)據(jù)輸入。：片選信號，低電平有效。

BYTE1/：12位/4位輸入選擇，高電平時12位輸入鎖存，低電平時低4位輸入鎖存。：輸入寄存器寫選通信號，低電平有效。與同時有效時將輸入數(shù)據(jù)裝入輸入寄存器。：DAC寄存器寫選通信號，低電平有效。與同時有效時將輸入寄存器的數(shù)據(jù)裝入DAC寄存器。：數(shù)據(jù)傳送信號，低電平有效。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口IOUT1：輸出電流1，與數(shù)字量的大小成正比。IOUT2：輸出電流2，與IOUT1配合使用。Rfb：反饋電阻輸入引腳。VREF：基準(zhǔn)電源輸入引腳，電壓范圍-10V~+10V。Vcc：電源輸入引腳，電壓范圍為+5V~+15V。AGND：模擬地。DGND：數(shù)字地。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口

(3)DAC1208系列DAC的工作方式。DAC1208系列D/A轉(zhuǎn)換器具有單緩沖和雙緩沖兩種工作方式。① 單緩沖方式：如圖11.5(a)所示，BYTE1/接高電平，與相連接，與相連接，則輸入鎖存器和DAC寄存器同時被選通，數(shù)據(jù)可以直接送至DAC寄存器，形成一級緩沖后送到D/A轉(zhuǎn)換器。② 雙緩沖方式：如圖11.5(b)所示進行線路連接，則輸入鎖存器和DAC寄存器被分別控制，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)兩級緩沖后送到D/A轉(zhuǎn)換器。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口圖11.5DAC1208兩種工作方式11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口11.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的接口在D/A轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計中，首先要解決數(shù)據(jù)緩沖問題，這是因為CPU輸出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上停留的時間只有幾個時鐘周期，非常短暫。如果DAC內(nèi)部含有輸入鎖存器，則可以與CPU直接相連，否則，在CPU與DAC之間需外加鎖存器來保存CPU送來的數(shù)據(jù)。另外需要注意的是CPU的數(shù)據(jù)總線寬度小于DAC的數(shù)據(jù)輸入線寬度時的協(xié)調(diào)問題，可以分兩次傳送。下面分別介紹8位和12位DAC與計算機的接口。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口1.DAC0832與計算機的接口DAC0832是電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，需要用運算放大器將輸出電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。電壓的輸出可分單極性輸出和雙極性輸出兩種。(1)單極性輸出：如圖11.6所示，DAC0832工作在單緩沖方式，輸出為正電壓，電壓范圍為0V~5V。如圖11.6中的VREF=-5V，設(shè)輸入數(shù)據(jù)為DATA=128，則輸出電壓為VOUT=-DATA(VREF/28)=-128×(-5/256)=2.5(V)11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口圖11.6DAC0832單極性輸出接口圖11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口設(shè)DAC0832的端口地址為PORT，則輸出2.5V模擬電壓的指令為：

MOVDX,PROT MOVAL,80H OUTDX,AL(2) 雙極性輸出：雙極性輸出接口如圖11.7所示，輸出電壓范圍為-5V~+5V。圖11.7中，VREF=5V，VOUT1=-DATA(VREF/28)為單極性輸出，其中DATA為輸入數(shù)字量，則輸出電壓為

VOUT=-VOUT1×(2R/R)+(-VREF)×(2R/2R) =VREF(DATA-128)/128 =(DATA-128)×5/128可見，當(dāng)DATA=00H時，VOUT=-5V。當(dāng)DATA=80H時，VOUT=0V。當(dāng)DATA=0FFH時，VOUT=+5V。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口圖11.7雙極性輸出接口11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口2.DAC1208系列D/A轉(zhuǎn)換器與計算機的接口如圖11.8所示，DAC1208與16位數(shù)據(jù)總線相連接，工作在單緩沖方式。只要向DAC1208輸出數(shù)字數(shù)據(jù)，就可以得到相應(yīng)的模擬電壓。設(shè)DAC1208的端口地址為PORT，則產(chǎn)生100個方波的指令如下：

MOV DX,PORT MOV CX,64HLP：MOV AX,0000H OUT DX,AX CALL DELAY ;延時

MOV AX,0FFFFH OUT DX,AX CALL DELAY LOOP LP11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口3.D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例采用DAC0832作音樂發(fā)聲器的電路如圖11.9所示，運算放大器LF351的輸出接至有源音箱，當(dāng)按動鍵盤上的數(shù)字鍵1~7時音箱能發(fā)出音階1~7。要求根據(jù)接口電路編程(設(shè)端口地址為228H)。11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口圖11.8DAC1208雙極性輸出接口11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口圖11.9采用DAC0832作音樂發(fā)聲器的電路11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口程序設(shè)計如下：DATA SEGMENTMIU_F DW570,510,460,440,390,345,300;1、2、3、4、5、

6、7DATA ENDS ;7個音階的延時時間CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATSTART： MOV AX,DATA MOV DS,AXLL： MOV DI,OFFSETMIU_F MOV AH,00H INT 16H ;讀入按鍵

CMP AL,'1' ;是‘1’嗎？

JNZ SSS11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口AA： ADD DI,0 JMP MUSISSS： CMP AL,'2' ;是‘2’嗎？

CMP AL,'7' ;是‘7’嗎？

JNZ CONTIMM： ADD DI,12MUSI：

CALL MUSICCONTI： CMP AL,1BH ;按ESC鍵退出

JZ EXIT JMP LL11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口EXIT：MOV AH,4CH INT 21HMUSICPROC NEAR MOV SI,0FHPPP： INC SI MOV CX,[DI] ;取高電平延時時間

MOV DX,228H11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口LLL：

MOV AL,20H OUT DX,AL INC DX OUT DX,AL DEC DX LOOP LLL MOV CX,[DI];取低電平延時時間

MOV DX,228H 11.1D/A轉(zhuǎn)換器接口LLL1：

MOV AL,00H OUT DX,AL INC DX OUT DX,AL DEC DX LOOP LLL1 CMP SI,5FH JNZ PPPRETMUSIC ENDPCODE ENDSENDSTART11.2A/D轉(zhuǎn)換器11.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理

A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，它是模擬量與計算機之間的接口部件。A/D轉(zhuǎn)換的常用方法有逐次逼近法、并行比較法、雙積分法和V-F(電壓-頻率)變換法等。其中，逐次逼近型精度和速度均較高，價格適中；并行比較型速度最高，但價格也較高，位數(shù)較低；雙積分型精度高，抗干擾能力強，價格低，但速度較慢；V-F變換型精度高，價格低，但速度慢。下面對應(yīng)用較多的前3種進行介紹。11.2A/D轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近法逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖11.10所示，由N位逐次逼近寄存器、N位D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、N位輸出緩沖器及邏輯控制電路構(gòu)成。其工作原理為：把輸入的模擬電壓UIN作為目標(biāo)值，用對分搜索的方法來逼近該值。當(dāng)啟動信號START有效后，時鐘信號CLK通過控制邏輯電路使N位寄存器的最高位置1，其余各位為0，此二進制代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓U0，該值為滿量程的一半。將U0與輸入電壓UIN作比較，如UIN>U0，則保留這一位；否則該位清0。然后，CLK再對次高位置1，并連同上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果進行D/A轉(zhuǎn)換和比較，保留結(jié)果，重復(fù)以上過程直到比較完畢，發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC，并將N位寄存器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果送至輸出緩沖器。11.2A/D轉(zhuǎn)換器圖11.10逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)11.2A/D轉(zhuǎn)換器2.并行比較法一個8位并行比較法A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖11.11所示。整個電路由電阻分壓器、電壓比較器、段鑒別門和編碼器組成。電阻分壓器由28+1個電阻組成，將VREF分為28個量化電壓，量化誤差為1/2LSB。分壓器輸出的量化電壓作為基準(zhǔn)電壓送至比較器，與輸入電壓UIN作比較，如UIN小于對應(yīng)段的基準(zhǔn)電平，則比較器輸出0，反之輸出1。比較器輸出結(jié)果送至段鑒別門。段鑒別門是255~8(255輸入，8輸出)的編碼電路，其輸出即是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。11.2A/D轉(zhuǎn)換器圖11.11并行比較法A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖11.2A/D轉(zhuǎn)換器3.雙積分法雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖11.12所示，由積分器A1、檢零比較器A2、計數(shù)器A3、邏輯控制器A4等組成。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換的方法與上面兩種不同，上面兩種是直接將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是先將模擬電壓轉(zhuǎn)換為與其平均值成正比的時間間隔，由時間間隔計數(shù)得到的計數(shù)值就是轉(zhuǎn)換結(jié)果。整個轉(zhuǎn)換過程分采樣和比較計數(shù)兩次積分完成，故稱雙積分法。其工作原理如下：11.2A/D轉(zhuǎn)換器第一階段為采樣階段，當(dāng)啟動脈沖START有效后，首先S1接通UIN，S0打開，積分器從VOUT=0的原始狀態(tài)對進行固定時間T1的積分，T1結(jié)束時，S1打開，積分值為其中為輸入電壓在T1時間內(nèi)的平均值。第二階段為比較計數(shù)階段，控制邏輯使S1接通，計數(shù)器從零開始計數(shù)。在時刻計數(shù)結(jié)束，積分器輸出為0。即11.2A/D轉(zhuǎn)換器令VOUT2=0則即11.2A/D轉(zhuǎn)換器圖11.12雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖11.2A/D轉(zhuǎn)換器11.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)

1.分辨率和量化誤差分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成的二進制位數(shù)，是衡量其分辨輸入模擬量最小變化程度的技術(shù)指標(biāo)。常見的A/D轉(zhuǎn)換器分辨率有8位、10位、12位及16位等。例如AD574的分辨率為12位，可分辨1LSB。如用占滿量程的百分比來表示，則分辨率為(1/212)×100%=0.024%設(shè)其輸入電壓為10V，則它能分辨出的模擬電壓最小變化量為10×0.024%=2.4mV量化誤差是指由于A/D轉(zhuǎn)換器有限字長數(shù)字量對模擬量進行離散取值而引起的誤差，其大小理論上為一個單位分辨率，即1/2LSB，所以量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的。11.2A/D轉(zhuǎn)換器2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出值和理想輸出值的誤差，可用絕對誤差或相對誤差來表示。轉(zhuǎn)換精度實際上是各種誤差的綜合。由于理想的A/D轉(zhuǎn)換器也存在量化誤差，所以，實際A/D轉(zhuǎn)換器的精度不包含量化誤差。

3.轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指模擬信號輸入啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出達到最終值并穩(wěn)定所經(jīng)歷的時間。轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。不同ADC的轉(zhuǎn)換時間差別很大，有的為100μs，有的不足1μs。11.2A/D轉(zhuǎn)換器4.線性誤差A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的輸出值在理論上與輸入模擬量成正比，因而是一條直線。由于誤差的存在，實際輸出為一條近似直線的曲線。該曲線與理論直線的最大誤差就是線性誤差。A/D轉(zhuǎn)換器的其他性能指標(biāo)還有輸入電壓范圍、供電電源、工作環(huán)境等。實際應(yīng)用時，要綜合考慮，選擇性能合適且性能價格比高的ADC。11.2A/D轉(zhuǎn)換器11.2.3A/D轉(zhuǎn)換芯片

1.ADC0809(1)主要性能指標(biāo)。

①分辨率：8位。

②轉(zhuǎn)換方法：逐次逼近法。

③轉(zhuǎn)換時間：100μs。

④輸入模擬電壓范圍：8路模擬電壓均為0V~+5V。

⑤電源電壓：+5V。

(2)ADC0809的引腳與結(jié)構(gòu)。ADC0809的引腳如圖11.13所示，是28腳雙列直插式封裝，各引腳的功能如下：11.2A/D轉(zhuǎn)換器圖11.13ADC0809引腳圖11.2A/D轉(zhuǎn)換器D7~D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0~IN7：8路模擬量輸入引腳。Vcc：+5V工作電壓。GND：地線。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號。ALE：地址鎖存允許信號。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。OE：輸出允許控制。REF(+)：參考電壓正極。REF(-)：參考電壓負極。CLK：時鐘信號。11.2A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11.14所示，由8路模擬開關(guān)及其地址譯碼鎖存電路、比較器、256R電阻分壓器、樹狀開關(guān)、逐次逼近型寄存器SAR、3態(tài)輸出緩沖鎖存器及控制邏輯等構(gòu)成。其中8路模擬開關(guān)帶有鎖存功能，可對8路0V~+5V的輸入模擬電壓進行分時切換。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，ADC0809可以對-5V~+5V的雙極性模擬電壓進行A/D轉(zhuǎn)換。A、B、C：地址選擇線，用于選通8個通道中的一個。11.2A/D轉(zhuǎn)換器圖11.14ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)11.2A/D轉(zhuǎn)換器2.AD574(1)主要性能指標(biāo)。

①分辨率：12位。

②轉(zhuǎn)換方法：逐次逼近法。

③轉(zhuǎn)換時間：25μs。

④輸入模擬電壓范圍：單極性輸入方式為0V~+10V或0~+20V，雙極性輸入方式為-5V~+5V或-10V~+10V。

⑤線性誤差：1/2LSB。

⑥電源電壓：+5V或12V~15V。11.2A/D轉(zhuǎn)換器(2)引腳與結(jié)構(gòu)。AD574也是28引腳雙列直插式封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳如圖11.15所示。

AD574的各引腳功能如下： ：片選信號，低電平有效。

CE：芯片允許信號。

R/：讀/啟動轉(zhuǎn)換信號，高電平時讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，低電平時啟動A/D轉(zhuǎn)換。

A0：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)長度選擇，高電平時選擇8位轉(zhuǎn)換模式，低電平時選擇12位轉(zhuǎn)換模式。

12/：數(shù)據(jù)輸出方式選擇，高電平時輸出字長為12位，低電平時輸出字長為8位11.2A/D轉(zhuǎn)換器圖11.15AD574的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳11.2A/D轉(zhuǎn)換器10VIN：模擬信號輸入，單極性工作時輸入電壓范圍為0V~10V，雙極性工作時范圍為-5V~+5V。20VIN：模擬信號輸入，單極性工作時輸入電壓范圍為0V~20V，雙極性工作時范圍為-10V~+10V。DB11~DB0：12位數(shù)據(jù)線。STS：工作狀態(tài)信號，高電平表示正在轉(zhuǎn)換，低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。REFIN：基準(zhǔn)輸入線，常在REFIN與REFOUT間接100Ω可調(diào)電阻進行增益微調(diào)。REFOUT：基準(zhǔn)輸出線。BIPOFF：雙極性偏移，施加偏移電壓用于偏移值的調(diào)整。AD574啟動轉(zhuǎn)換與讀取數(shù)據(jù)的操作真值表如表11.1所示。11.2A/D轉(zhuǎn)換器CER/12/A操作

100×0啟動12位轉(zhuǎn)換

100×1啟動8位轉(zhuǎn)換

101+5V×允許12位并行輸出

101接地0允許高8位數(shù)據(jù)輸出

101接地1允許低4位數(shù)據(jù)輸出表11.1AD574啟動轉(zhuǎn)換與讀取數(shù)據(jù)的操作真值表11.2A/D轉(zhuǎn)換器AD574有單極性輸入和雙極性輸入兩種工作方式。單極性輸入如圖11.16所示，BIPOFF接近于低電位，可將單極性模擬電壓輸入進行轉(zhuǎn)換，兩個可變電阻分別用于漂移和誤差的調(diào)節(jié)；雙極性輸入如圖11.17所示，兩個可變電阻分別用于偏移和刻度的調(diào)整。11.2A/D轉(zhuǎn)換器

圖11.16單極性輸入連接

圖11.17雙極性輸入連接11.2A/D轉(zhuǎn)換器11.2.4A/D轉(zhuǎn)換器的接口A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的接口主要完成以下操作：首先發(fā)送轉(zhuǎn)換啟動信號，A/D轉(zhuǎn)換器開始工作，CPU通過查詢或中斷等方式獲取轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并進行處理。對于多通道則進行多通道尋址操作，對于高速A/D轉(zhuǎn)換，一般還要對采樣/保持器進行控制。由于A/D轉(zhuǎn)換器的類型及CPU類型的不同，A/D轉(zhuǎn)換器的接口形式是不一樣的，主要分為以下3種：11.2A/D轉(zhuǎn)換器(1) 內(nèi)部帶有數(shù)據(jù)輸出鎖存器的A/D轉(zhuǎn)換器可與CPU直接相連。(2) 內(nèi)部不帶數(shù)據(jù)輸出鎖存器的A/D轉(zhuǎn)換器需通過三態(tài)門鎖存器與CPU相連。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率高于CPU數(shù)據(jù)總線寬度時，數(shù)據(jù)分兩次傳送，也需要此種連接方式。(3) A/D轉(zhuǎn)換器也可以通過I/O接口芯片與CPU相連。A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送可以采取以下3種方式：查詢方式、中斷方式和DMA方式，其特點各有不同，用戶在進行接口設(shè)計時可根據(jù)實際情況進行適當(dāng)選擇。下面以ADC0809和AD574為例，討論ADC與CPU的接口問題。11.2A/D轉(zhuǎn)換器1.ADC0809與CPU的接口ADC0809常用于在精度和速度不是很高的場合，尤其是多路模數(shù)轉(zhuǎn)換時更能體現(xiàn)其優(yōu)勢。ADC0809與CPU的接口可采用查詢方式或中斷方式讀取數(shù)據(jù)，也可以采用延時(約100μs)的方式讀取數(shù)據(jù)。查詢或延時的方法較為簡單，容易實現(xiàn)，但效率低，中斷的方法則提高了效率。如圖11.18所示為采用中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的接口電路。11.2A/D轉(zhuǎn)換器圖11.18采用中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取11.2A/D轉(zhuǎn)換器

2.AD574與CPU的接口AD574的分辨率是12位，它可以與16位數(shù)據(jù)總線的低12位直接連接，也可以與8位數(shù)據(jù)總線連接。

(1) AD574與8位數(shù)據(jù)總線的連接。AD574與8位數(shù)據(jù)總線的連接如圖11.19所示。AD574的12條輸出線的高8位直接連接到數(shù)據(jù)總線的D7~D0，低4位接至數(shù)據(jù)總線的D7~D4。12/接地，數(shù)據(jù)分兩次傳送。引腳A0接至地址總線的A1。設(shè)AD574的狀態(tài)端口地址為200H，數(shù)據(jù)高8位端口地址為201H，低4位端口地址為202H，則采用查詢方式讀取12位數(shù)據(jù)的程序片段如下：11.2A/D轉(zhuǎn)換器

MOV DX,201H;A=0，啟動12位轉(zhuǎn)換

MOV AL,00H ;AL寫入任意數(shù)據(jù)

OUT DX,AL ;啟動轉(zhuǎn)換(=0，R/=0，CE=1) MOVDX,200H;狀態(tài)端口地址LOOP1：IN AL,DX ;讀狀態(tài)位STS AND AL,80H ;屏蔽掉低7位

JNZ LOOP1 ;STS不為0，繼續(xù)查詢

MOV DX,201H;STS=0，讀數(shù)據(jù)高8位

IN AL,DX MOV AH,AL ;放入AH MOV DX,202H;讀數(shù)據(jù)低4位

IN AL,DX AND AL,0F0H ;屏蔽掉低4位

MOV DAT,AX ;將12位數(shù)據(jù)放入內(nèi)存DAT字單元11.2A/D轉(zhuǎn)換器圖11.19AD574與8位數(shù)據(jù)總線的連接11.2A/D轉(zhuǎn)換器

(2)AD574與16位數(shù)據(jù)總線的連接。AD574與16位數(shù)據(jù)總線的連接如圖11.20所示。AD574的12條數(shù)據(jù)線直接接至數(shù)據(jù)總線的低12位。A0接地，STS接至數(shù)據(jù)線D7位，12/接高電平，輸出數(shù)據(jù)位12位。設(shè)狀態(tài)口地址為200H，數(shù)據(jù)口地址為201H，則采用查詢方式讀取數(shù)據(jù)程序段如下：11.2A/D轉(zhuǎn)換器

MOV DX,201H ;A=0，啟動12位轉(zhuǎn)換

MOV AL,00H ;寫入任意數(shù)據(jù)

OUT DX,AL ;啟動轉(zhuǎn)換(=0、R/=0、

CE=1)MOV DX,200H ;狀態(tài)端口地址LOOP1：IN AL,DX ;讀狀態(tài)位STS AND AL,80H ;屏蔽掉低7位

JNZ LOOP1 ;STS不為0，繼續(xù)查詢

MOV DX,201H ;STS=0，讀數(shù)據(jù)

IN AX，DX MOV DAT,AX ;12位數(shù)據(jù)放入內(nèi)存

DAT字單元11.2A/D轉(zhuǎn)換器圖11.20AD574與16位數(shù)據(jù)總線的連接11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路

11.3.1多路模擬開關(guān)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被采集的模擬信號有可能不止一路，而計算機一般在任意時刻只能接收一路信號。因此，當(dāng)有多路模擬信號輸入時，需要多路模擬開關(guān)，按一定順序輪流切換各路通道，以達到分時檢測的目的。多路模擬開關(guān)不應(yīng)影響系統(tǒng)的精度和速度，因此應(yīng)具備以下特點：導(dǎo)通靜態(tài)電阻不宜太大；開路靜態(tài)電阻無窮大；切換速度越快越好。目前大多數(shù)模擬開關(guān)的主要參數(shù)有：接通電阻：約100Ω~400Ω。開關(guān)接通電流：約20mA。開關(guān)斷開漏電流：約0.2nA~2nA。通道切換時間：約100ns。多路模擬開關(guān)有的做成專門的芯片，有的則與A/D轉(zhuǎn)換器做在同一個芯片內(nèi)(如ADC0809)。下面介紹幾個常見的多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)。11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路

1.AD7501AD7501是8通道單向模擬開關(guān)，具備多路輸入、一路輸出的功能。引腳如圖11.21所示。EN為高電平有效，A2、A1、A0為通道選擇信號，負責(zé)選通輸入信號S7~S0中的某一路，由OUT輸出。其真值表如表11.2所示。11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路ENAA1AON有效000001010011100101110111S1S2S3S4S5S6S7S8無效×××無表11.2AD7501真值表11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路

2.CD4051CD4051是8通道雙向模擬開關(guān)，既可多線輸入、一線輸出，又可一線輸入、多線輸出。其引腳如圖11.22所示。INH為片選信號，低電平有效。C、B、A為通道選擇信號，當(dāng)CBA為000B~111B時，產(chǎn)生8選1信號，選中多路輸入信號S7~S0中的某一路，由公共端COM輸出。也可以由COM端輸入，輸出到A、B、C選中的某一路輸出。因此是雙向通道。CD4051的真值表同AD7501相似。利用模擬開關(guān)集成芯片可以實現(xiàn)通道數(shù)的擴展。例如，兩片CD4051組成的16路模擬開關(guān)電路如圖11.23所示連接。當(dāng)數(shù)據(jù)線D3~D0在0000~1111B之間變化時，可選中16個通道中的任一路。常見的多路模擬開關(guān)還有AD7502、AD7506、CD4502、CD4503等，其特點各有不同，用戶可根據(jù)實際情況進行合理選擇。11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路

圖11.21AD7501引腳圖圖11.22CD4051引腳圖11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路圖11.23兩片CD4051組成的16路模擬開關(guān)電路11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路

11.3.2采樣/保持電路采樣/保持電路包括采樣和保持兩種狀態(tài)。采樣時能夠跟蹤輸入的模擬電壓，轉(zhuǎn)換為保持狀態(tài)時，電路輸出保持采樣結(jié)束瞬間的模擬信號電平，直到轉(zhuǎn)為下次采樣狀態(tài)為止?；镜牟蓸?保持電路如圖11.24所示，由模擬開關(guān)S、運算放大器A1、A2和保持電容C組成。其中，運算放大器A1和A2接成跟隨器。電路的工作狀態(tài)由方式控制輸入決定。在采樣狀態(tài)下，開關(guān)S閉合，跟隨器A1很快地給保持電容C充電，輸出則隨輸入變化而變化。當(dāng)處于保持狀態(tài)時，開關(guān)S斷開，跟隨器A2具備較高的輸入阻抗，因而具備隔離作用，電容C將保持S斷開時的充電電壓不變，直到進入下一次采樣狀態(tài)。11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路圖11.24采樣/保持電路原理圖11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路采樣/保持電路主要有以下參數(shù)：(1)孔徑時間(TAP)：孔徑時間是指從發(fā)出保持命令到開關(guān)完全打開所需要的時間。這樣的延遲會引起轉(zhuǎn)換誤差，稱為孔徑誤差。孔徑誤差與輸入模擬信號的頻率成正比，頻率越高，孔徑誤差越大，反之，孔徑誤差越小?？讖綍r間一般約為10ns~20ns。(2)捕捉時間(TAC)：捕捉時間是指從開始采樣到采樣/保持電路的輸出達到當(dāng)前輸入模擬信號的值所需要的時間。該時間與保持電容大小、運算放大器頻響時間及輸入信號的變化幅度有關(guān)。11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路

(3)保持電壓壓降：是指在保持狀態(tài)下，由于運算放大器的輸入電流和電容自身的漏電等而引起的保持電壓的下降。采樣/保持電路的參數(shù)還有饋通及電壓增益精度等。采樣/保持電路常做成專用的芯片，稱為采樣/保持器，如AD582、LF198等。AD582的結(jié)構(gòu)如圖11.25所示，由輸入緩沖放大器、模擬開關(guān)和結(jié)型場效應(yīng)管集成的放大器組成，只需外接合適的保持電容，就可以完成采樣/保持功能。11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路圖11.25AD582的結(jié)構(gòu)示意圖11.3多路模擬開關(guān)及采樣保持電路采樣/保持器接于模擬