模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換及應(yīng)用

11.1概述

在自動控制和測量系統(tǒng)中，被控制和被測量的對象往往是一些連續(xù)變化的物理量。如：溫度、壓力、流量、速度、電流、電壓等。這些隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量，稱為模擬量(Analog)。計(jì)算機(jī)參與測量和控制時(shí)，模擬量不能直接送入計(jì)算機(jī)，必須先把它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(Digital)。能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC。同樣，計(jì)算機(jī)輸出的是數(shù)字量，不能直接用于使用模擬量的控制執(zhí)行部件，必須將這些數(shù)字且轉(zhuǎn)換成模擬量。能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件稱為數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC。因此，我們常把ADC和DAC器件以及相關(guān)電路成為模擬接口電路。模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時(shí)間和數(shù)值上都離散的量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器含有A/D與D/A轉(zhuǎn)換的監(jiān)控系統(tǒng)

模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換通道的組成

一般模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道由傳感器、信號處理、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器組成。傳感器：能夠把非電物理量轉(zhuǎn)換成電量（電流或電壓）的器件，一般傳感器由電容、電阻、電感或敏感材料組成，在外加激勵電流或電壓的驅(qū)動下，不同類型的傳感器會隨不同非電物理量的變化，引起傳感器的組成材料發(fā)生改變，使得輸出連續(xù)變化的電流或電壓與非電物理量的變化成正比。一、傳感器（Transducer）

由于傳感器組成材料發(fā)生改變引起輸出電流或電壓的變化十分微弱，容易受外界干擾，因此，在市場上能買到的各種變送器，已將傳感器與放大電路制作在一起，輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的0～10mA或4～20mA電流，或0～5V電壓，以便傳輸或直接送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其中，4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出的傳感器較為普遍，常說的流量變送器、壓力變送器等一般輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流，內(nèi)部處于恒流輸出結(jié)構(gòu)，顯然電流型傳感器比電壓型傳感器抗干擾能力強(qiáng)，易于遠(yuǎn)距離傳輸，因此，電流型傳感器被廣泛用于生產(chǎn)過程的檢測系統(tǒng)中。二、信號放大處理

信號放大處理電路，接在A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器之間，用于解決以下存在問題：

A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器二者電壓不匹配；如果是電流型輸出傳感器，要進(jìn)行Ⅰ～Ⅴ變換與放大處理，將電流信號對應(yīng)變換成電壓信號；傳感器工作在現(xiàn)場，可能存在復(fù)雜的強(qiáng)電磁波的干擾，通常采用RC低通濾波器，濾除疊加在傳感器輸出信號上的高頻干擾信號，也可采用有源濾波技術(shù)，使得濾波特性更好。

三、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multiplexer）

一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（A/D轉(zhuǎn)換）往往要采集多路模擬信號；通常只用一片A/D轉(zhuǎn)換芯片，輪流選擇輸入信號進(jìn)行采集，既節(jié)省了硬件開銷，又不影響對系統(tǒng)的監(jiān)測與控制；許多A/D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部具備多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，一片A/D轉(zhuǎn)換芯片可以輪流采集多路模擬輸入信號，如果A/D轉(zhuǎn)換芯片不具有多路轉(zhuǎn)換功能，則在A/D轉(zhuǎn)換之前外加模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。常用的模擬多路開關(guān)介紹

CD4051B的基本結(jié)構(gòu)CD4051B采用了CMOS工藝，16腳DIP封裝八選一模擬多路開關(guān)

當(dāng)使能端INH為0狀態(tài)時(shí)，CD4051B才能選擇導(dǎo)通，由選擇輸入端A2A1A0三位二進(jìn)制編碼來控制（CH0～CH7）八個(gè)輸入通道的通斷。該芯片能實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，即可以實(shí)現(xiàn)多傳一或一傳多兩個(gè)方向的傳送。四、采樣保持器（SampleHolder）在A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣期間，保持被轉(zhuǎn)換輸入信號不變的電路稱為采樣保持電路；A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間；不同A/D轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換時(shí)間各異，對于連續(xù)變化較快的模擬信號如果不采取采樣保持措施，將會引起轉(zhuǎn)換誤差；慢速變化的模擬信號，在A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，完全可以不必采用采樣保持電路，而且并不會影響A/D轉(zhuǎn)換的精度。采樣/保持器的基本原理

采樣保持器是指在邏輯電平的控制下處于“采樣”或“保持”兩種工作狀態(tài)的電路,采樣/保持示意圖如圖10-5所示，在采樣狀態(tài)下，電路的輸出跟蹤輸入模擬信號，在保持狀態(tài)下，電路的輸出保持著前一次采樣結(jié)束時(shí)刻的瞬時(shí)輸入模擬信號，直到進(jìn)入下一次采樣狀態(tài)為止。從圖10-5中可以看出，經(jīng)過對Vi的采樣，V0的小平臺電壓值保持到下一次的采樣開始，該穩(wěn)定的“小平臺”電壓供A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

采樣/保持示意圖五、A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigit）

A/D轉(zhuǎn)換器是模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的核心環(huán)節(jié)，其功能是將模擬輸入電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（二進(jìn)制數(shù)或BCD碼等），以便由計(jì)算機(jī)讀取、分析處理，并依據(jù)它發(fā)出對生產(chǎn)過程的控制信號。

六．驅(qū)動器

計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量信號經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后的模擬信號或直接輸出的開關(guān)量信號，其驅(qū)動功率往往不能滿足執(zhí)行部件的要求。所以，在驅(qū)動執(zhí)行部件之前，一般都要進(jìn)行功率放大、信號隔離和匹配、以及動作時(shí)間協(xié)調(diào)等。鑒于計(jì)算機(jī)過程控制現(xiàn)場，有不少執(zhí)行部件是工作于開關(guān)狀態(tài)的，如步進(jìn)電機(jī)、啟／停交流電機(jī)、交流觸發(fā)器、電控閥門、繼電器等。使用時(shí)應(yīng)注意，不同的執(zhí)行部件，所需的驅(qū)動電流和電壓均不相同，所以驅(qū)動器型號也不同?！?1.2數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)

D／A轉(zhuǎn)換器的主要部件是電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，通常是由輸入的二進(jìn)制數(shù)的各位控制一些開關(guān)，通過電阻網(wǎng)絡(luò)，在運(yùn)算放大器的輸入端產(chǎn)生與二進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)成比例的電流，經(jīng)過運(yùn)算放大器相加和轉(zhuǎn)換而成為與二進(jìn)制數(shù)成比例的模擬電壓。11.2.1D/A的工作原理及指標(biāo)

最簡單的D／A轉(zhuǎn)換器電路如下圖所示，VREF是一個(gè)足夠精度的參考電壓，運(yùn)算放大器輸入端的各支路對應(yīng)待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的第0位、第1位……第n-1位。支路中的開關(guān)由對應(yīng)的數(shù)位來控制，如果該數(shù)位為“1”，則對應(yīng)的開關(guān)閉合；如果該數(shù)位為“0”，則對應(yīng)的開關(guān)打開。各輸入支路中的電阻分別為R、2R、4R'…—這些電阻稱為權(quán)電阻。1.基本工作原理4個(gè)開關(guān)從全部斷開到全部閉合，運(yùn)算放大器可以得到16種不同的電流輸入。這就是說，通過電阻網(wǎng)絡(luò)，可以把0000~1111轉(zhuǎn)換成大小不同的電流，從而可以在運(yùn)算放大器的輸出端得到大小不同的電壓。如果由數(shù)字0000每次增1，一直變化到1111就可以得到一個(gè)階梯波電壓，如圖所示。圖微機(jī)系統(tǒng)中的D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)

圖所示為微機(jī)系統(tǒng)中的D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。對于一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器來說，假設(shè)輸出為單極性模擬量電壓，滿量程值為5V，在理論上其數(shù)字量與模擬量之間的對應(yīng)關(guān)系如下表所示。

輸出電壓的計(jì)算公式為

VOUT=

式中，N是D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，D是數(shù)字量換算到十進(jìn)制的數(shù)值，滿量程電壓值/2N是1LSB所對應(yīng)的模擬量電壓，即分辨率。圖

D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬量曲線

由于數(shù)字量不是連續(xù)的，其轉(zhuǎn)換后的模擬量自然就不是連續(xù)的。同時(shí)由于計(jì)算機(jī)每次輸出數(shù)據(jù)和D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，因此實(shí)際上D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量隨時(shí)間的變化曲線不是連續(xù)的，而呈階梯狀如圖所示。圖中時(shí)間坐標(biāo)的最小分度ΔT是相鄰的兩次輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，模擬量坐標(biāo)的最小分度是1LSB。但如果D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率較高，ΔT很短，那么這條曲線的臺階就很密，基本上就是連續(xù)的。

在實(shí)際應(yīng)用中，常選用電流輸出型來實(shí)現(xiàn)電壓輸出，即通過外接的運(yùn)算放大器把D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓。

在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)僅要求輸出是單方向的，即單極性輸出，其電壓通常為0~+5V或0～+10V；有時(shí)則要求輸出是雙方向的，即雙極性輸出，如電壓為±5V、±10V。單極性和雙極性輸出電路分別由圖

(a)和

(b)所示。

對于D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)有反饋電阻Rfb的，有時(shí)可不接R1電阻，由A1的輸出直接連到芯片Ro引腳。VREF的極性可正可負(fù)，當(dāng)其極性改變時(shí)，輸出模擬電壓Vout極性相應(yīng)改變。由于雙極性輸出要正負(fù)輸出，把變化的動態(tài)范圍相應(yīng)增加了一倍，因此，雙極性輸出較單極性輸出靈敏度降低一倍。(1)分辨率。分辨率是當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化（即1LSB）時(shí)，所對應(yīng)的輸出模擬量的變化量，即等于模擬量輸出的滿量程值的（N為數(shù)字量位數(shù)）。分辨率也可以用相對值（1/2N）百分率表示。在實(shí)際應(yīng)用中，又常用數(shù)字量的位數(shù)來表示分辨率。(2)轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度是指一個(gè)實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器與理想的D/A轉(zhuǎn)換器相比較的轉(zhuǎn)換誤差。理想的D/A轉(zhuǎn)換器特性如下圖所示。精度反映D/A轉(zhuǎn)換的總誤差。其主要誤差有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。2.主要技術(shù)指標(biāo)

圖理想的D/A轉(zhuǎn)換特性000模擬量001010011100101111110數(shù)字量

③非線性誤差。非線性誤差是實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想轉(zhuǎn)換特性曲線之間的最大偏差。一般要求此誤差不大于±LSB。D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)和增益調(diào)整一般不能完全消除非線性誤差，但可以使之顯著減小。

④微分非線性誤差。微分非線性誤差是指任意兩個(gè)相鄰數(shù)碼所對應(yīng)的模擬量間隔與理想值之間的偏差。

(3)建立時(shí)間。當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值，即進(jìn)入規(guī)定的精度范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。(4)溫度系數(shù)。

D/A轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)性能指標(biāo)一般在環(huán)境溫度為25℃下測定。環(huán)境溫度的變化會對D/A轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生影響，這一影響分別用失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)和微分非線性溫度系數(shù)來表示。這些系數(shù)的含義是當(dāng)環(huán)境溫度變化1℃時(shí)該項(xiàng)誤差的相對變化率，單位是×10-6/℃。

11.2.2常用的D/A轉(zhuǎn)換芯片

D/A轉(zhuǎn)換器的類型很多。從輸入電路來說，一般的D/A轉(zhuǎn)換器都帶有輸入寄存器，與微機(jī)能直接連接；有的具有兩極鎖存器，使工作方式更加靈活。輸入數(shù)據(jù)一般為并行數(shù)據(jù)，也有串行數(shù)據(jù)。并行輸入的數(shù)據(jù)有8位、10位、12位等。從輸出信號來說，D/A轉(zhuǎn)換器的直接輸出是電流量，若片內(nèi)有輸出放大器，則能輸出電壓量，并能實(shí)現(xiàn)單極性或雙極性電壓輸出。

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，一般其電流建立時(shí)間為1μs。有些D/A轉(zhuǎn)換器具有其它功能，如能輸出多路模擬量、輸出工業(yè)控制用的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。典型的D/A轉(zhuǎn)換器如8位通用型DAC0832、12位的DAC1208、電壓輸出型的AD558和多路輸出型AD7528。

DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。它具有與微機(jī)連接簡單、轉(zhuǎn)換控制方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，微機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

(1)結(jié)構(gòu)和引腳。

DAC0832的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，它由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位DAC轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。封裝為20腳雙列直插式。各引腳功能如下：DAC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位D/A芯片，共有20個(gè)引腳,如圖所示。其主要引腳定義分別如下：D7~D0：8位數(shù)字量輸入信號，其中D0為最低位，D7為最高位。ILE：輸入寄存器的允許信號，高電平有效。ILE信號和CS、WRl共同控制選通輸入寄存器。當(dāng)CS、WRl均為低電平，而ILE為高電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù)立即被送至8位輸入寄存器的輸出端（見圖DAC0832邏輯結(jié)構(gòu)框圖）。當(dāng)上述三個(gè)控制信號中任一個(gè)無效時(shí)，輸入寄存器將數(shù)據(jù)鎖存，輸出端呈保持狀態(tài)。

D7~D0：8位數(shù)據(jù)輸入端。

ILE：輸入寄存器允許信號，輸入，高電平有效。

CS：片選信號，輸入，低電平有效。

WR1

：輸入寄存器寫信號，輸入，低電平有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生輸入寄存器控制信號LE1

。當(dāng)LE1為低電平時(shí)，輸入寄存器內(nèi)容隨數(shù)據(jù)線變化，LE1

的正跳變將輸入數(shù)據(jù)鎖存。

XFER：數(shù)據(jù)傳送信號，輸入，低電平有效。

WR2：DAC寄存器的寫信號，輸入，低電平有效。由XFER、WR2

組成DAC寄存器的控制信號LE2。LE2

的正跳變將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器。IOUTl：電流輸出1。當(dāng)DAC寄存器中全為“1”時(shí)，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中全為“0”時(shí)，輸出電流最小。IOUT2：電流輸出2。它與lOUTl的關(guān)系是：IOUTI+IOUT2=常數(shù)Rfb：內(nèi)部反饋電阻引腳，該電阻在芯片內(nèi)，Rfb端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端。這樣，相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端。VREF：參考電壓輸入端，可接正電壓，也可接負(fù)電壓，范圍為-10V~+10V。Vcc：芯片電源。+5V～+15V，典型值為+15V。AGND：模擬地。芯片模擬信號接地點(diǎn)。DGND：數(shù)字地。芯片數(shù)字信號接地點(diǎn)。

0832是電流型,若需要電壓信號,可用運(yùn)算放大器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號:

(2)工作方式。

DAC0832內(nèi)部有兩個(gè)寄存器，能實(shí)現(xiàn)三種工作方式：雙緩沖、緩沖和直通方式。

雙緩沖工作方式是指兩個(gè)寄存器分別受到控制。當(dāng)ILE、

和信號均有效時(shí)，8位數(shù)字量被寫入輸入寄存器，此時(shí)并不進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。當(dāng)

和信號均有效時(shí)，原來存在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)被寫入DAC寄存器，并進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。在一次轉(zhuǎn)換完成后到下一次轉(zhuǎn)換開始之前，由于寄存器的鎖存作用，8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)保持恒定，因此D/A轉(zhuǎn)換的輸出也保持恒定。在雙緩沖工作方式下，利用輸入寄存器暫存數(shù)據(jù)，給使用帶來方便，可以實(shí)現(xiàn)多路數(shù)字量的同步轉(zhuǎn)換輸出。

單緩沖工作方式是指只有一個(gè)寄存器受到控制。這時(shí)將另一個(gè)寄存器的有關(guān)控制信號預(yù)先設(shè)置成有效，使之開通；或者將兩個(gè)寄存器的控制信號連在一起，兩個(gè)寄存器作為一個(gè)來使用。

直通工作方式是指兩個(gè)寄存器的有關(guān)控制信號都預(yù)先置為有效，兩個(gè)寄存器都開通。只要數(shù)字量送到數(shù)據(jù)輸入端，就立即進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種方式應(yīng)用較少。

(3)電壓輸出電路的連接。

DAC0832以電流形式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，得到電壓形式需外加I/V轉(zhuǎn)換的電路，常采用運(yùn)算放大器。下圖是DAC0832的電壓輸出電路。圖

DAC0832的電壓輸出電路

(a)單極性輸出；(b)雙極性輸出對于單極性輸出電路，輸出電壓的格式為

VOUT=-

式中D為輸入數(shù)字量的十進(jìn)制值。因?yàn)檗D(zhuǎn)換結(jié)果IOUT1接運(yùn)算放大器的反相端，所以式中有一個(gè)負(fù)號。若VREF=+5V，D=0~255（00H~FFH）時(shí)，VOUT=-（0~4.98）V。

通過調(diào)整運(yùn)算放大器的調(diào)零電位器，可以對D/A芯片進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償。通過調(diào)節(jié)外接于反饋回路的電位器RP1，可以調(diào)整滿量程。對于雙極性輸出電路，輸出電壓的表達(dá)式為：

VＯＵＴ=

若VREF=+5V，當(dāng)D=0時(shí)，VOUT1=0，VOUT=-5V；當(dāng)D=128（80H）時(shí)，VOUT1=

-2.5V，VOUT=0；當(dāng)D=255（FFH）時(shí)，VOUT1=-4.98V，VOUT=4.96。這一轉(zhuǎn)換關(guān)系由下表示出。

(4)主要性能指標(biāo)。

·分辨率為8位。

·輸出電流穩(wěn)定時(shí)間為1μs。

·非線性誤差為0.20%FSR。

·溫度系數(shù)為2×10-6

/℃。

·工作方式為雙緩沖、單緩沖和直通方式。

·邏輯輸入與TTL電平兼容。

·功耗為20mW。

·電源5~15V。

11.2.3DAC0832的應(yīng)用舉例例1:轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù):MOVDX，P-ADMOVAL，[BX]OUTDX，AL例2：D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)踞齒波：

MOVDX，PORTAMOVAL，0FFHROTATE：INCALOUTDX，ALJMPROTATE？例3：D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生周期性踞齒波：用延時(shí)程序控制周期。

MOVDX，PORTAMOVAL，0FFHDON：INCALOUTDX，ALCALLDELAYJMPDONDELAYPROCNEARMOVCX，DATAX：LOOPXRETDELAYENDP？DECAL產(chǎn)生周期性三角波：

MOVDX，PORTMOVAL，0FFHDON1：INCALOUTDX，ALCMPAL，0FFHJNZDON1DON2：DECALOUTDX，ALCMPAL，0JNZDON2

JMPDON1例4：用8255A控制DAC0832進(jìn)行、D/A轉(zhuǎn)換，控制8253產(chǎn)生方波。

(1)試根據(jù)圖所示的連線，給出8255A和8253的端口地址，并為8253選擇合適的工作方式，確定計(jì)數(shù)初值。

(2)編程要求：設(shè)8255工作在方式0，需轉(zhuǎn)換的數(shù)字量在BL中存放，試編寫程序段，使得DAC0832產(chǎn)生模擬量輸出，8253產(chǎn)生所要求的方波。[解]:首先從圖中譯碼電路可知：。

8255A的地址為0218H～021BH8253的地址為0238H～023BH根據(jù)題意，8253的計(jì)數(shù)器應(yīng)工作于方式3，計(jì)數(shù)初值為

n＝0.03×(200×1000)＝6000(2)完成題目要求的程序段如下：

MOVDX，021BH；8255A控制字端口

MOVAL，10000000BOUTDX，ALMOVDX，0218H；8255A的A端口

MOVAL，BI;OUTDX，ALMOVAL，00001011B；PC5置l，0832進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換

MOVDX，021BHOUTDX，ALMOVAL，00001010B；PC5清0OUTDX，ALMOVDX，023BH；8253控制字端口MOV AL，10110110B；計(jì)數(shù)器2，方式3，二進(jìn)制計(jì)數(shù)OUT DX，ALMOV AX，6000MOV DX，023AHOUT DX，AL；送計(jì)數(shù)初值低8位MOV AL，AHOUT DX，AL；送計(jì)數(shù)初值高8位MOV DX，0219H；8255A的B端口MOV AL，00010000B；PB4置1，GATE2有效OUT DX，AL或者，8253的計(jì)數(shù)器2可以用BCD碼格式計(jì)數(shù)，則8253程序片段為：MOV DX，023BHMOV AL，10110111BOUT DX，ALMOV DX，023AHMOV AL，00HOUT DX，ALMOV AL，60HOUT DX，ALMOV DX，0219HMOV Al，00010000BOUT DX，AL轉(zhuǎn)換的功能是把模擬量電壓轉(zhuǎn)換為N位數(shù)字量電壓。下圖所示為A/D轉(zhuǎn)換器的工作情況，其中圖（b）是相對應(yīng)的輸入和輸出。對于這一轉(zhuǎn)換過程，作以下幾點(diǎn)說明：

①輸入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量電壓是連續(xù)的。由于A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，A/D轉(zhuǎn)換只能間斷性地進(jìn)行，因此輸出的數(shù)字量電壓是不連續(xù)的，稱為離散量。在下圖（b）中，A/D轉(zhuǎn)換所得的結(jié)果是一個(gè)個(gè)孤立的點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)代表某個(gè)數(shù)字量，其值與采樣時(shí)刻的模擬量相對應(yīng)。如果在相鄰兩次采樣時(shí)刻之間，A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量保持前一時(shí)刻的值，那么A/D轉(zhuǎn)換的輸出就是一條階梯形的曲線。11.3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)11.3.1ADC的工作原理及指標(biāo)1.A/D轉(zhuǎn)換的基本知識

圖A/D轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換情況

(a)A/D轉(zhuǎn)換器;(b)輸入和輸出

②相鄰兩次采樣的間隔時(shí)間稱為采樣周期。為了使輸出量能充分反映輸入量的變化情況，采樣周期要根據(jù)輸入量變化的快慢來決定。而一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間顯然必須小于采樣周期。

③假設(shè)輸入的模擬量為0~4.99V時(shí)，輸出的數(shù)字量為001~111（二進(jìn)制數(shù)），那么輸出與輸入的對應(yīng)關(guān)系如表所示。

④

將模擬量表示為相應(yīng)的數(shù)字量，稱為量化。數(shù)字量的最低位即最小有效位1LSB（LSB,LeastSignificantBit），與此相對應(yīng)的模擬電壓稱為一個(gè)量化單位，如果模擬電壓小于此值，不能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。LSB表示A/D轉(zhuǎn)換器的分辨能力。對于上述轉(zhuǎn)換關(guān)系來說，1LSB=0.71V。

2.A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)

(1)分辨率。習(xí)慣上以輸出的二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示分辨率。如一個(gè)輸出為8位二進(jìn)制數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器，稱其分辨率為8位。也可以用對應(yīng)于1LSB的輸入模擬電壓來表示分辨率。分辨率還可以用百分?jǐn)?shù)來表示，例如8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率百分?jǐn)?shù)為（1/256）×100%=0.39%。

(2)量化誤差。

A/D轉(zhuǎn)換是用數(shù)字量對模擬量進(jìn)行量化。由于存在最小量化單位，在轉(zhuǎn)換中就會出現(xiàn)誤差，仍以上述0~4.99V轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)000~111的A/D轉(zhuǎn)換器為例，模擬量1.42V對應(yīng)于數(shù)字量010；而（1.42V-1/2LSB）~(1.42V+1/2LSB)也都對應(yīng)于010，這樣就帶來了轉(zhuǎn)換誤差。

這一誤差稱為量化誤差。理想A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差為±LSB，如下圖所示。

(3)轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度是指一個(gè)實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器與理想的A/D轉(zhuǎn)換器相比的轉(zhuǎn)換誤差。絕對精度一般以LSB為單位給出。相對精度則是絕對精度與滿量程的比值。不同廠家生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度指標(biāo)的表達(dá)方式可能不同。有的給出綜合誤差指標(biāo)，有的給出分項(xiàng)誤差指標(biāo)。通常誤差指標(biāo)有失調(diào)誤差（零點(diǎn)誤差）、增益誤差（滿量程誤差）、非線性誤差和微分非線性誤差。下面分別介紹這些誤差。圖

理想的A/D轉(zhuǎn)換曲線

①失調(diào)誤差。失調(diào)誤差也稱為零點(diǎn)誤差，這是指當(dāng)輸入模擬量從0逐漸增長使輸出數(shù)字量從0……0跳至0……1時(shí)，輸入模擬量實(shí)際數(shù)值與理想的模擬量數(shù)值（即1LSB的對應(yīng)值）之差。這反映了A/D轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)的偏差。一定溫度下的失調(diào)誤差可以通過電路調(diào)整來消除。

②增益誤差。當(dāng)輸出數(shù)字量達(dá)到滿量程時(shí)，所對應(yīng)的輸入模擬量與理想的模擬量數(shù)值之差，稱為增益誤差或滿量程誤差，計(jì)算此項(xiàng)誤差時(shí)應(yīng)將失調(diào)誤差除去。一定溫度下的增益誤差也可以通過電路調(diào)整來消除。

③非線性誤差。非線性誤差是指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性與理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差，它可能出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換曲線的某處。此項(xiàng)誤差不包括量化誤差、失調(diào)誤差和增益誤差。它不能通過電路調(diào)整來消除。

④微分非線性誤差。在A/D轉(zhuǎn)換曲線上，實(shí)際臺階幅度與理想臺階幅度（即理論上的1LSB）之差，稱為微分非線性誤差。如果此誤差超過1LSB，就會出現(xiàn)丟失某個(gè)數(shù)字碼的現(xiàn)象。在上述幾項(xiàng)誤差中，如果失調(diào)誤差和增益誤差能得到完全補(bǔ)償，那么只需考慮后兩項(xiàng)非線性誤差。需要指出的是精度所對應(yīng)的誤差指標(biāo)中未包括量化誤差，因此實(shí)際的總誤差還要把量化誤差考慮在內(nèi)。總誤差E總與分項(xiàng)誤差Ei之間的關(guān)系如下

E總=(4)轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。

(5)溫度系數(shù)。溫度系數(shù)表示A/D轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度。一般用環(huán)境溫度變化1℃所產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)換誤差來表示，以×10-6/℃為單位。

11.3.2常用的ADC0809芯片

A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多。按轉(zhuǎn)換原理分類，有逐次逼近式、雙積分式、并行式等。雙積分轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換時(shí)間長，大約需要幾百毫秒。

并行式轉(zhuǎn)換速度最高，能達(dá)到2G次，即轉(zhuǎn)換時(shí)間僅50ns，但價(jià)格昂貴，產(chǎn)品的分辨率不高。逐次逼近式兼顧了轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度，是應(yīng)用廣泛的A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近式的種類很多，分辨率從8位到16位，轉(zhuǎn)換時(shí)間從100μs到幾微秒，精度有不同等級，有的轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還常有多路模擬開關(guān)。

常用的幾種A/D轉(zhuǎn)換器：8位通用型ADC0808/0809、12位的AD574A和雙積分型5G14433。

ADC0808/0809是8通道、8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，美國NS公司產(chǎn)品。其性能指標(biāo)一般，價(jià)格低廉，便于與微機(jī)連接，因而應(yīng)用十分廣泛。1.結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換原理。下圖所示為ADC0808/0809的結(jié)構(gòu)框圖。ADC0808/0809由三部分組成：8路模擬量選通開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。圖

ADC0808/0809的結(jié)構(gòu)框圖

ADC0808/0809允許8路模擬信號輸入，由8路模擬開關(guān)選通其中一路信號，模擬開關(guān)受通道地址鎖存和譯碼電路的控制。當(dāng)?shù)刂锋i存信號ALE有效時(shí)，3位地址CBA進(jìn)入地址鎖存器，經(jīng)譯碼后使8路模擬開關(guān)選通某一路信號。

8位A/D轉(zhuǎn)換器為逐次逼近式，由256R電阻分壓器、樹狀模擬開關(guān)（這兩部分組成一個(gè)D/A變換器）、電壓比較器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。其基本工作原理是采用對分搜索方法逐次比較，找出最逼近于輸入模擬量的數(shù)字量。電阻分壓器需外接正負(fù)基準(zhǔn)電源VREF（+）和VREF（-）。CLOCK端外接時(shí)鐘信號。A/D轉(zhuǎn)換器的啟動由START信號控制。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)控制電路將數(shù)字量送入三態(tài)輸出鎖存器鎖存，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC。

三態(tài)門輸出鎖存器用來保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)輸出允許信號OE有效時(shí)，打開三態(tài)門，輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。因輸出有三態(tài)門，便于與微機(jī)總線連接。

2.引腳功能。圖為ADC0808／0809的引腳圖。各引腳功能說明如下：

IN0~IN7：8路模擬輸入端。

ALE：地址鎖存器允許信號輸入端。當(dāng)它為高電平時(shí)，地址信號進(jìn)入地址鎖存器中。

CLOCK：外部時(shí)鐘輸入端。時(shí)鐘頻率典型值為640kHz，允許范圍為10~1280kHz。時(shí)鐘頻率降低時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換速度也降低。

START：A／D轉(zhuǎn)換信號輸入端。有效信號為一正脈沖。在脈沖上升沿，A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器均被清零，在其下降沿開始A／D轉(zhuǎn)換。圖

ADC0808/0809的引腳圖EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。在START信號上升沿之后0到（2μs＋8個(gè)時(shí)鐘周期）時(shí)間內(nèi)，EOC變?yōu)榈碗娖?。?dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC立即輸出一正階躍信號，可用來作為A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束的查詢信號或中斷請求信號。

OE：輸出允許信號。當(dāng)OE輸入高電平信號時(shí)，三態(tài)輸出鎖存器將A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。

D0~D7：數(shù)字量輸出端。D0為最低有效位（LSB），D7為最高有效位（MSB）。

REF（+）、REF（-）：正負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端。基準(zhǔn)電壓的中心值為（應(yīng)接近于），其偏差值不應(yīng)超過±0.1V。正負(fù)基準(zhǔn)電壓的典型值分別為+5V和0V。VCC、GND：電源電壓輸入端。圖

ADC0808/0809的工作時(shí)序3.工作時(shí)序。

ADC0808/0809的工作時(shí)序如下圖所示。從圖中可以看出各信號的時(shí)序關(guān)系，進(jìn)一步理解上面所講的轉(zhuǎn)換過程中的信號功能。完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間為66~73個(gè)時(shí)鐘周期。

4.ADC0808/0809的主要性能指標(biāo)。

·分辨率為8位。

·總的非調(diào)整誤差：0808為±LSB，0809為±1LSB?！まD(zhuǎn)換時(shí)間為100μs（時(shí)鐘頻率為640Hz）。

·具有鎖存控制功能的8路模擬開關(guān)，能對8路模擬電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

·輸出電平與TTL電平兼容。

·單電源+5V供電?；鶞?zhǔn)電壓由外部提供，典型值為+5V。此時(shí)允許模擬量輸入范圍為0~5V。功耗為10mW。

ADC0808/0809的數(shù)字量輸出值D（換算到十進(jìn)制）與模擬量輸入值VIN之間的關(guān)系如下：通常VREF（-）=0V，所以

當(dāng)VREF（+）=5V，相應(yīng)于VIN=0~4.98V，D=0~255（00H~FFH）。這里由于數(shù)字量的滿量程值是255，而不是256，因此相應(yīng)地輸入電壓的滿量程值也比5V少1LSB。

與ADC0808/0809同屬ADC0800系列的還有ADC0816/0817，其通道數(shù)增至16，封裝為40引腳，其它性能與ADC0808/0809基本相同。ADC0800~0805系列為單通道8位轉(zhuǎn)換器，除了通道數(shù)以外，其它性能與ADC0808/0809相似。

5.ADC芯片與CPU接口。通常使用的ADC一般都具有下列引腳：數(shù)據(jù)輸出、啟動轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)束、時(shí)鐘和參考電平等。ADC與主機(jī)的連接就是處理這些引腳的連接問題。

①數(shù)據(jù)輸出線的連接。模擬信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，向主機(jī)送出數(shù)字量。所以，ADC芯片就相當(dāng)于給主機(jī)提供數(shù)據(jù)的輸入設(shè)備。能夠向主機(jī)提供數(shù)據(jù)的外設(shè)很多，它們的數(shù)據(jù)線都要連接到主機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。為了防止總線沖突，任何時(shí)刻只能有一個(gè)設(shè)備發(fā)送信息。因此，這些能夠發(fā)送數(shù)據(jù)的外設(shè)的數(shù)據(jù)輸出端必須通過三態(tài)緩沖器連接到數(shù)據(jù)總線上。由于有些外設(shè)的數(shù)據(jù)不斷變化，如A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，隨模擬信號變化而變化，所以，為了能夠穩(wěn)定輸出，還必須在三態(tài)緩沖器之前加上鎖存器，保持?jǐn)?shù)據(jù)不變。為此，大多數(shù)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備都設(shè)置了鎖存器和三態(tài)緩沖器，簡稱三態(tài)鎖存緩沖器或三態(tài)鎖存器。

②A/D轉(zhuǎn)換的啟動信號。當(dāng)一個(gè)ADC在開始轉(zhuǎn)換時(shí)，必須加一個(gè)啟動信號。芯片不同，要求的啟動信號也不同，一般分脈沖啟動信號和電平控制信號。脈沖信號啟動轉(zhuǎn)換的ADC，只要在啟動引腳加一個(gè)脈沖即可，如ADC0809、AD574。通常都是采用外設(shè)輸出信號和地址譯碼器的端口地址信號經(jīng)邏輯電路進(jìn)行控制。電平信號啟動轉(zhuǎn)換是在啟動引腳上加一個(gè)所要求的電平。電平加上之后，A/D轉(zhuǎn)換開始，而且在轉(zhuǎn)換過程中，必須保持這一電平，否則，將停止轉(zhuǎn)換。在這種啟動方式中，CPU送出的控制信號必須通過寄存器保持一段時(shí)間。軟件上通常是在要求啟動A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，用一個(gè)輸出指令產(chǎn)生啟動信號，這就是編程啟動。此外，也可以利用定時(shí)器產(chǎn)生信號，這樣可以方便地實(shí)現(xiàn)定時(shí)啟動，適合于固定延遲時(shí)間的巡回檢測等應(yīng)用場合。

③轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理方式。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，ADC輸出一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，通知主機(jī)，A／D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，可以讀取結(jié)果。主機(jī)檢查判斷A／D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的方法主要有四種：

·中斷方式。這種方式下，把結(jié)束信號作為中斷請求信號接到主機(jī)的中斷請求線上。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，向CPU申請中斷，CPU響應(yīng)中斷后，在中斷服務(wù)程序中讀取數(shù)據(jù)。這種方式下ADC與CPU同時(shí)工作，適用于實(shí)時(shí)性較強(qiáng)或參數(shù)較多的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

·查詢方式。這種方式下，把結(jié)束信號作為狀態(tài)信號經(jīng)三態(tài)緩沖器送到主機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的某一位上。主機(jī)在啟動轉(zhuǎn)換后開始查詢是否轉(zhuǎn)換結(jié)束，一旦查到結(jié)束信號