第9章 模数、数模转换及应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第九章 模,/,数、数,/,模转换及应用,9.1,概述,9.2,数,/,模（,D/A,）转换器及其,接口技术,9.3,模,/,数（,A/D,）转换器及其,接口技术,9.1,概述,在自动控制和测量系统中，被控制和被测量的对象往往是一些连续变化的物理量。如：温度、压力、流量、速度、电流、电压等。这些随时间连续变化的物理量，称为模拟量,(Analog),。计算机参与测量和控制时，模拟量不能直接送入计算机，必须先把它们转换成数字量,(Digital),。能够将模拟量转换成数字量的器件称为模拟数字转换器，简称,ADC,。同样，计算机输出的是数字量，不能直接用于使用模拟量的控制执行部件，必须将这些数字且转换成模拟量。能够将数字量转换成模拟量的器件称为数字模拟转换器，简称,DAC,。因此，我们常把,ADC,和,DAC,器件以及相关电路成为模拟接口电路。,模拟量,连续变化的物理量,数字量,时间和数值上都离散的量,模拟,/,数字转换器,ADC,DAC,数字,/,模拟转换器,9.1,概述,含有,A/D,与,D/A,转换的监控系统,模,/,数与数,/,模转换通道的组成,一般模,/,数转换通道由传感器、信号处理、多路转换开关、采样保持器以及,A/D,转换器组成 。,传感器,：能够把非电物理量转换成电量（电流或电压）的器件，一般传感器由电容、电阻、电感或敏感材料组成，在外加激励电流或电压的驱动下，不同类型的传感器会随不同非电物理量的变化，引起传感器的组成材料发生改变，使得输出连续变化的电流或电压与非电物理量的变化成正比。,一、传感器（,Transducer,）,由于传感器组成材料发生改变引起输出电流或电压的变化十分微弱，容易受外界干扰，因此，在市场上能买到的各种变送器，已将传感器与放大电路制作在一起，输出统一标准的,0,10mA,或,4,20mA,电流，或,0,5V,电压，以便传输或直接送,A/D,转换器进行,A/D,转换，其中，,4,20mA,标准电流输出的传感器较为普遍,，常说的流量变送器、压力变送器等一般输出,4,20mA,标准电流，内部处于恒流输出结构，,显然电流型传感器比电压型传感器抗干扰能力强，易于远距离传输,，因此，电流型传感器被广泛用于生产过程的检测系统中。,二、信号放大处理,信号放大处理电路，接在,A/D,转换器与传感器之间，用于解决以下存在问题：,A/D,转换器与传感器二者电压不匹配；,如果是电流型输出传感器，要进行,变换与放大处理，将电流信号对应变换成电压信号；,传感器工作在现场，可能存在复杂的强电磁波的干扰，通常采用,RC,低通滤波器，滤除叠加在传感器输出信号上的高频干扰信号，也可采用有源滤波技术，使得滤波特性更好。,三、多路转换开关（,Multiplexer,）,一个数据采集系统（,A/D,转换）往往要采集多路模拟信号；,通常只用一片,A/D,转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制；,许多,A/D,转换芯片内部具备多路转换开关，一片,A/D,转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号，如果,A/D,转换芯片不具有多路转换功能，则在,A/D,转换之前外加模拟多路转换开关。,常用的模拟多路开关介绍,CD4051B,的基本结构,CD4051B,采用了,CMOS,工艺，,16,脚,DIP,封装,八选一,模拟多路开关,当使能端,INH,为,0,状态时，,CD4051B,才能选择导通，由选择输入端,A,2,A,1,A,0,三位二进制编码来控制（,CH,0,CH,7,）八个输入通道的通断。该芯片能实现双向传输，即可以实现多传一或一传多两个方向的传送。,四、采样保持器（,Sample Holder,）,在,A/D,转换器进行采样期间，保持被转换输入信号不变的电路称为采样保持电路；,A/D,转换器完成一次转换所需要的时间称为转换时间；,不同,A/D,转换芯片，其转换时间各异，对于连续变化较快的模拟信号如果不采取采样保持措施，将会引起转换误差；,慢速变化的模拟信号，在,A/D,转换系统中，完全可以不必采用采样保持电路，而且并不会影响,A/D,转换的精度。,采样,/,保持器的基本原理,采样保持器是指在逻辑电平的控制下处于“,采样,”或“,保持,”两种工作状态的电路,采样,/,保持示意图如图,10-5,所示，在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号，在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。从图,10-5,中可以看出，经过对,V,i,的采样，,V,0,的小平台电压值保持到下一次的采样开始，该稳定的“,小平台,”电压供,A/D,转换器进行,A/D,转换。,采样,/,保持示意图,五、,A/D,转换器（,Analog to Digit,）,A/D,转换器是模,/,数转换通道的核心环节，其功能是将模拟输入电信号转换成数字量（二进制数或,BCD,码等），以便由计算机读取、分析处理，并依据它发出对生产过程的控制信号。,六驱动器,计算机输出的数字量信号经,DAC,转换后的模拟信号或直接输出的开关量信号，其驱动功率往往不能满足执行部件的要求。所以，在驱动执行部件之前，一般都要进行功率放大、信号隔离和匹配、以及动作时间协调等。鉴于计算机过程控制现场，有不少执行部件是工作于开关状态的，如步进电机、启停交流电机、交流触发器、电控阀门、继电器等。使用时应注意，不同的执行部件，所需的驱动电流和电压均不相同，所以驱动器型号也不同。,9.2,数,/,模（,D/A,）转换器及其接口技术,D,A,转换器的主要部件是电阻开关网络，通常是由输入的二进制数的各位控制一些开关，通过电阻网络，在运算放大器的输入端产生与二进制数各位的权成比例的电流，经过运算放大器相加和转换而成为与二进制数成比例的模拟电压。,9.2.1,D/A,的工作原理及指标,最简单的,D,A,转换器电路如下图所示，,V,REF,是一个足够精度的参考电压，运算放大器输入端的各支路对应待转换数据的第,0,位、第,1,位,第,n-1,位。支路中的开关由对应的数位来控制，如果该数位为“,1”,，则对应的开关闭合；如果该数位为“,0”,，则对应的开关打开。各输入支路中的电阻分别为,R,、,2R,、,4R,这些电阻称为权电阻。,1.,基本工作原理,4,个开关从全部断开到全部闭合，运算放大器可以得到,16,种不同的电流输入。这就是说，通过电阻网络，可以把,00001111,转换成大小不同的电流，从而可以在运算放大器的输出端得到大小不同的电压。如果由数字,0000,每次增,1,，一直变化到,1111,就可以得到一个阶梯波电压，如图所示。,图 微机系统中的,D/A,转换环节,图 所示为微机系统中的,D/A,转换环节。对于一个,8,位,D/A,转换器来说，假设输出为单极性模拟量电压，满量程值为,5 V,，在理论上其数字量与模拟量之间的对应关系如下表 所示。,输出电压的计算公式为,V,OUT,=,式中，,N,是,D/A,转换器的位数，,D,是数字量换算到十进制的数值，,满量程电压值,/2,N,是,1LSB,所对应的模拟量电压，即分辨率。 ,图,D/A,转换输出的模拟量曲线,由于数字量不是连续的，其转换后的模拟量自然就不是连续的。同时由于计算机每次输出数据和,D/A,转换器进行转换需要一定的时间，因此实际上,D/A,转换器输出的模拟量随时间的变化曲线不是连续的，而呈阶梯状 如图 所示。图中时间坐标的最小分度,T,是相邻的两次输出数据的时间间隔， 模拟量坐标的最小分度是,1 LSB,。但如果,D/A,转换器的分辨率较高，,T,很短，那么这条曲线的台阶就很密，基本上就是连续的。,在实际应用中，常选用电流输出型来实现电压输出，即通过外接的运算放大器把,D,A,转换器的输出电流转换成电压。,在实际应用中，有时仅要求输出是单方向的，即单极性输出，其电压通常为,0+5V,或,0,+10V,；有时则要求输出是双方向的，即双极性输出，如电压为,5V,、,10V,。单极性和双极性输出电路分别由图,(a),和,(b),所示。,对于,D/A,转换器内有反馈电阻,R,fb,的，有时可不接,R,1,电阻，由,A,1,的输出直接连到芯片,Ro,引脚。,V,REF,的极性可正可负，当其极性改变时，输出模拟电压,Vout,极性相应改变。由于双极性输出要正负输出，把变化的动态范围相应增加了一倍，因此，双极性输出较单极性输出灵敏度降低一倍。,(1),分辨率。,分辨率是当输入数字量发生单位数码变化（即,1LSB,）,时， 所对应的输出模拟量的变化量，即等于模拟量输出的满量程值的 （,N,为数字量位数）。分辨率也可以用相对值（,1/2,N,）,百分率表示。在实际应用中，又常用数字量的位数来表示分辨率。,(2),转换精度。,转换精度是指一个实际的,D/A,转换器与理想的,D/A,转换器相比较的转换误差。理想的,D/A,转换器特性如下图所示。精度反映,D/A,转换的总误差。其主要误差有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。 ,2.,主要技术指标,图 理想的,D/A,转换特性,000,模拟量,001,010,011,100,101,111,110,数字量,非线性误差。,非线性误差是实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差。一般要求此误差不大于, LSB,。,D/A,转换器的失调和增益调整一般不能完全消除非线性误差， 但可以使之显著减小。 ,微分非线性误差。,微分非线性误差是指任意两个相邻数码所对应的模拟量间隔与理想值之间的偏差。 ,(3),建立时间。,当,D/A,转换器的输入数据发生变化后，输出模拟量达到稳定数值，即进入规定的精度范围内所需要的时间。,(4),温度系数。,D/A,转换器的各项性能指标一般在环境温度为,25,下测定。环境温度的变化会对,D/A,转换精度产生影响，这一影响分别用失调温度系数、增益温度系数和微分非线性温度系数来表示。这些系数的含义是当环境温度变化,1,时该项误差的相对变化率，单位是,10,-6,/,。 ,9.2.2,常用的,D/A,转换芯片,D/A,转换器的类型很多。从输入电路来说，一般的,D/A,转换器都带有输入寄存器，与微机能直接连接；有的具有两极锁存器，使工作方式更加灵活。输入数据一般为并行数据，也有串行数据。并行输入的数据有,8,位、,10,位、,12,位等。从输出信号来说，,D/A,转换器的直接输出是电流量，若片内有输出放大器，则能输出电压量，并能实现单极性或双极性电压输出。,D/A,转换器的转换速度较快，一般其电流建立时间为,1 s,。,有些,D/A,转换器具有其它功能，如能输出多路模拟量、输出工业控制用的标准电流信号。 ,典型的,D/A,转换器如,8,位通用型,DAC0832,、,12,位的,DAC1208,、,电压输出型的,AD558,和多路输出型,AD7528,。 ,DAC0832,是,8,位分辨率的,D/A,转换集成芯片。它具有与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉等特点，微机系统中得到广泛的应用。 ,(1),结构和引脚。,DAC0832,的结构框图如下图所示，它由,8,位输入锁存器、,8,位,DAC,寄存器、,8,位,DAC,转换器及转换控制电路构成。封装为,20,脚双列直插式。,各引脚功能如下： ,DAC0832,是美国国家半导体公司生产的,8,位,D/A,芯片，共有,20,个引脚,如图所示。其主要引脚定义分别如下：,D,7,D,0,：,8,位数字量输入信号，其中,D,0,为最低位，,D,7,为最高位。,ILE,：输入寄存器的允许信号，高电平有效。,ILE,信号和,CS,、,WR,l,共同控制选通输入寄存器。当,CS,、,WR,l,均为低电平，而,ILE,为高电平时，输入数据立即被送至,8,位输入寄存器的输出端（见图,DAC0832,逻辑结构框图）。当上述三个控制信号中任一个无效时，输入寄存器将数据锁存，输出端呈保持状态。,D7D0,：,8,位数据输入端。 ,ILE,： 输入寄存器允许信号， 输入，高电平有效。 ,CS,：片选信号，输入，低电平有效。 ,WR,1,：输入寄存器写信号，输入，低电平有效。,由,ILE,、,CS,、,WR,1,的逻辑组合产生输入寄存器控制信号,LE,1,。, 当,LE,1,为低电平时，输入寄存器内容随数据线变化，,LE,1,的正跳变将输入数据锁存。 ,XFER,： 数据传送信号， 输入， 低电平有效。 ,WR,2,：,DAC,寄存器的写信号， 输入， 低电平有效。,由,XFER,、,WR,2,组成,DAC,寄存器的控制信号,LE,2,。,LE,2,的正跳变将输入数据锁存到,DAC,寄存器。,I,OUTl,：电流输出,1,。当,DAC,寄存器中全为“,1”,时，输出电流最大，当,DAC,寄存器中全为“,0”,时，输出电流最小。,I,OUT2,：电流输出,2,。它与,l,OUTl,的关系是：,I,OUTI,+I,OUT2,=,常数,R,fb,：内部反馈电阻引脚，该电阻在芯片内，,R,fb,端可以直接接到外部运算放大器的输出端。这样，相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端。,V,REF,：参考电压输入端，可接正电压，也可接负电压，范围为,-10V+10V,。,Vcc,：芯片电源。,+5V,+15V,，典型值为,+15V,。,AGND,：模拟地。芯片模拟信号接地点。,DGND,：数字地。芯片数字信号接地点。,0832,是电流型,若需要电压信号,可用运算放大器将电流信号转换成电压信号,:,(2),工作方式。,DAC0832,内部有两个寄存器，能实现三种工作方式：,双缓冲、 缓冲和直通方式,。 ,双缓冲,工作方式是指两个寄存器分别受到控制。当,ILE,、,和 信号均有效时，,8,位数字量被写入输入寄存器， 此时并不进行,D/A,转换。当,和 信号均有效时，原来存在输入寄存器中的数据被写入,DAC,寄存器，并进入,D/A,转换器后进行,D/A,转换。在一次转换完成后到下一次转换开始之前，由于寄存器的锁存作用，,8,位,D/A,转换器的输入数据保持恒定，因此,D/A,转换的输出也保持恒定。在双缓冲工作方式下， 利用输入寄存器暂存数据， 给使用带来方便，可以实现多路数字量的同步转换输出。,单缓冲,工作方式是指只有一个寄存器受到控制。这时将另一个寄存器的有关控制信号预先设置成有效，使之开通； 或者将两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使用。 ,直通,工作方式是指两个寄存器的有关控制信号都预先置为有效，两个寄存器都开通。只要数字量送到数据输入端，就立即进入,D/A,转换器进行转换。这种方式应用较少。 ,(3),电压输出电路的连接。,DAC0832,以电流形式输出转换结果，得到电压形式需外加,I/V,转换的电路，常采用运算放大器。下图是,DAC0832,的电压输出电路。,图,DAC0832,的电压输出电路,(a),单极性输出；,(b),双极性输出,对于单极性输出电路， 输出电压的格式为,V,OUT,= -,式中,D,为输入数字量的十进制值。因为转换结果,I,OUT1,接运算放大器的反相端，所以式中有一个负号。若,V,REF,=+5V,，,D=0255,（,00HFFH,）,时，,V,OUT,=-,（,04.98,）,V,。 ,通过调整运算放大器的调零电位器，可以对,D/A,芯片进行零点补偿。通过调节外接于反馈回路的电位器,RP,1,，,可以调整满量程。 ,对于双极性输出电路， 输出电压的表达式为：,V,=,若,V,REF,=+5 V,，当,D=0,时，,V,OUT1,=0,，,V,OUT,=-5 V,；当,D=128,（,80H,）,时，,V,OUT1,=-2.5 V,，,V,OUT,=0,；当,D=255,（,FFH,）,时，,V,OUT1,=-4.98 V,，,V,OUT,=4.96,。,这一转换关系由下表示出。,(4),主要性能指标。,分辨率为,8,位。 ,输出电流稳定时间为,1,s,。 ,非线性误差为,0.20%FSR,。,温度系数为,210,-6,/,。 ,工作方式为双缓冲、 单缓冲和直通方式。 ,逻辑输入与,TTL,电平兼容。 ,功耗为,20,mW,。 ,电源,515 V,。 ,9.2.3 DAC0832,的应用举例,例,1:,转换一个数据,:,MOV,DX,，,P-AD,MOV,AL,，,BX,OUT,DX,，,AL,例,2,：,D/A,转换产生一个,踞齿波：,MOV DX,，,PORTA,MOV AL,，,0FFH,ROTATE,：,INC AL,OUT DX,，,AL,JMP ROTATE,？,例,3,：,D/A,转换产生周期性踞齿波：用延时程序控制周期。,MOV DX,，,PORTA,MOV AL,，,0FFH,DON,：,INC AL,OUT DX,，,AL,CALL DELAY,JMP DON,DELAY PROC NEAR,MOV CX,，,DATA,X,：,LOOP X,RET,DELAY ENDP,？,DEC AL,产生周期性三角波：,MOV DX，PORT,MOV AL，0FFH,DON1：,INC AL,OUT DX，AL,CMP AL，0FFH,JNZ DON1,DON2：,DEC AL,OUT DX，AL,CMP AL，0,JNZ DON2,JMP DON1,例,4,：,用,8255A,控制,DAC0832,进行、,D/A,转换，控制,8253,产生方波。,(1),试根据图所示的连线，给出,8255A,和,8253,的端口地址，并为,8253,选择合适的工作方式，确定计数初值。,(2),编程要求：设,8255,工作在方式,0,，需转换的数字量在,BL,中存放，试编写程序段，使得,DAC0832,产生模拟量输出，,8253,产生所要求的方波。,解,:,首先从图中译码电路可知：。,8255A,的地址为,0218H,021BH,8253,的地址为,0238H,023BH,根据题意，,8253,的计数器应工作于方式,3,，计数初值为,n,0.03(2001000),6000,(2),完成题目要求的程序段如下：,MOV DX,，,021BH,；,8255A,控制字端口,MOV AL,，,10000000B,OUT DX,，,AL,MOV DX,，,0218H,；,8255A,的,A,端口,MOV AL,，,BI;,OUT DX,，,AL,MOV AL,，,00001011B,；,PC5,置,l,，,0832,进行,D,A,转换,MOV DX,，,021BH,OUT DX,，,AL,MOV AL,，,00001010B,；,PC5,清,0,OUT DX,，,AL,MOV DX,，,023BH,；,8253,控制字端口,MOVAL,，,10110110B,；计数器,2,，方式,3,，二进制计数,OUTDX,，,AL,MOVAX,，,6000,MOVDX,，,023AH,OUTDX,，,AL,；送计数初值低,8,位,MOVAL,，,AH,OUTDX,，,AL,；送计数初值高,8,位,MOVDX,，,0219H,；,8255A,的,B,端口,MOVAL,，,00010000B,；,PB4,置,1,，,GATE2,有效,OUTDX,，,AL,或者，,8253,的计数器,2,可以用,BCD,码格式计数，则,8253,程序片段为：,MOVDX,，,023BH,MOVAL,，,10110111B,OUTDX,，,AL,MOVDX,，,023AH,MOVAL,，,00H,OUTDX,，,AL,MOVAL,，,60H,OUTDX,，,AL,MOVDX,，,0219H,MOVAl,，,00010000B,OUTDX,，,AL, 转换的功能是把模拟量电压转换为,N,位数字量电压。下图所示为,A/D,转换器的工作情况，其中图（,b,）,是相对应的输入和输出。 ,对于这一转换过程， 作以下几点说明： ,输入,A/D,转换器的模拟量电压是连续的。由于,A/D,转换器完成一次转换需要一定的时间，,A/D,转换只能间断性地进行，因此输出的数字量电压是不连续的，称为离散量。在下图（,b,）,中，,A/D,转换所得的结果是一个个孤立的点。每个点的纵坐标代表某个数字量，其值与采样时刻的模拟量相对应。如果在相邻两次采样时刻之间，,A/D,转换输出的数字量保持前一时刻的值，那么,A/D,转换的输出就是一条阶梯形的曲线。,9.3,模,/,数（,A/D,）转换器及其接口技术,9.3.1 ADC,的工作原理及指标,1. A/D,转换的基本知识,图,A/D,转换器及其转换情况,(a) A/D,转换器,; (b),输入和输出,相邻两次采样的间隔时间称为采样周期。为了使输出量能充分反映输入量的变化情况，采样周期要根据输入量变化的快慢来决定。而一次,A/D,转换所需要的时间显然必须小于采样周期。 ,假设输入的模拟量为,04.99 V,时，输出的数字量为,001111,（二进制数），那么输出与输入的对应关系如表所示。,将模拟量表示为相应的数字量，称为量化,。数字量的最低位即最小有效位,1 LSB,（,LSB, Least Significant Bit,），与此相对应的模拟电压称为一个量化单位，如果模拟电压小于此值，不能转换为相应的数字量。,LSB,表示,A/D,转换器的分辨能力。对于上述转换关系来说，,1 LSB=0.71 V,。,2. A/D,转换器的主要性能指标,(1),分辨率。,习惯上以输出的二进制位数或,BCD,码位数表示分辨率。 如一个输出为,8,位二进制数的,A/D,转换器，称其分辨率为,8,位。 也可以用对应于,1 LSB,的输入模拟电压来表示分辨率。分辨率还可以用百分数来表示，例如,8,位,A/D,转换器的分辨率百分数为 （,1/256,）,100%=0.39%,。,(2),量化误差。,A/D,转换是用数字量对模拟量进行量化。由于存在最小量化单位，在转换中就会出现误差，仍以上述,04.99 V,转换为二进制数,000111,的,A/D,转换器为例，模拟量,1.42 V,对应于数字量,010,；而（,1.42 V- 1/2 LSB,）, (1.42 V+ 1/2 LSB),也都对应于,010,， 这样就带来了转换误差。 ,这一误差称为量化误差。理想,A/D,转换器的量化误差为, LSB,，如下图所示。 ,(3),转换精度。,转换精度是指一个实际的,A/D,转换器与理想的,A/D,转换器相比的转换误差。绝对精度一般以,LSB,为单位给出。相对精度则是绝对精度与满量程的比值。不同厂家生产的,A/D,转换器的转换精度指标的表达方式可能不同。有的给出综合误差指标，有的给出分项误差指标。通常误差指标有失调误差（零点误差）、增益误差（满量程误差）、非线性误差和微分非线性误差。下面分别介绍这些误差。 ,图,理想的,A/D,转换曲线,失调误差。,失调误差也称为零点误差，这是指当输入模拟量从,0,逐渐增长使输出数字量从,00,跳至,01,时，输入模拟量实际数值与理想的模拟量数值（即,1 LSB,的对应值）之差。这反映了,A/D,转换器零点的偏差。一定温度下的失调误差可以通过电路调整来消除。 ,增益误差。,当输出数字量达到满量程时，所对应的输入模拟量与理想的模拟量数值之差，称为增益误差或满量程误差，计算此项误差时应将失调误差除去。一定温度下的增益误差也可以通过电路调整来消除。 ,非线性误差。,非线性误差是指实际转换特性与理想转换特性之间的最大偏差，它可能出现在转换曲线的某处。此项误差不包括量化误差、 失调误差和增益误差。它不能通过电路调整来消除。 ,微分非线性误差。,在,A/D,转换曲线上，实际台阶幅度与理想台阶幅度（即理论上的,1 LSB,）,之差，称为微分非线性误差。如果此误差超过,1 LSB,，,就会出现丢失某个数字码的现象。,在上述几项误差中，如果失调误差和增益误差能得到完全补偿，那么只需考虑后两项非线性误差。需要指出的是精度所对应的误差指标中未包括量化误差，因此实际的总误差还要把量化误差考虑在内。总误差,E,总与分项误差,E,i,之间的关系如下,E,总,=,(4),转换时间。,转换时间是指,A/D,转换器完成一次转换所需要的时间。 其倒数为转换速率。 ,(5),温度系数。,温度系数表示,A/D,转换器受环境温度影响的程度。一般用环境温度变化,1,所产生的相对转换误差来表示，以,10,-6,/,为单位。 ,9.3.2,常用的,ADC0809,芯片,A/D,转换器的种类很多。按转换原理分类，有逐次逼近式、 双积分式、并行式等。双积分转换精度高，转换时间长，大约需要几百毫秒。,并行式转换速度最高，能达到,2G,次，即转换时间仅,50 ns,， 但价格昂贵，产品的分辨率不高。 逐次逼近式兼顾了转换速度和转换精度，是应用广泛的,A/D,转换器。逐次逼近式的种类很多，分辨率从,8,位到,16,位，转换时间从,100s,到几微秒，精度有不同等级，有的转换器内部还常有多路模拟开关。,常用的几种,A/D,转换器：,8,位通用型,ADC0808/0809,、,12,位的,AD574A,和双积分型,5G14433,。 ,ADC0808/0809,是,8,通道、,8,位逐次逼近式,A/D,转换器，美国,NS,公司产品。其性能指标一般，价格低廉，便于与微机连接， 因而应用十分广泛 。 ,1.,结构和转换原理,。,下图所示为,ADC0808/0809,的结构框图。,ADC0808/0809,由三部分组成：,8,路模拟量选通开关、,8,位,A/D,转换器和三态输出数据锁存器。 ,图,ADC0808/0809,的结构框图,ADC0808/0809,允许,8,路模拟信号输入，由,8,路模拟开关选通其中一路信号， 模拟开关受通道地址锁存和译码电路的控制。当地址锁存信号,ALE,有效时，,3,位地址,CBA,进入地址锁存器，经译码后使,8,路模拟开关选通某一路信号。 ,8,位,A/D,转换器为逐次逼近式，由,256R,电阻分压器、树状模拟开关（这两部分组成一个,D/A,变换器）、电压比较器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。其基本工作原理是采用对分搜索方法逐次比较，找出最逼近于输入模拟量的数字量。电阻分压器需外接正负基准电源,V,REF,（,+,）和,V,REF,（,-,）。,CLOCK,端外接时钟信号。,A/D,转换器的启动由,START,信号控制。转换结束时控制电路将数字量送入三态输出锁存器锁存，并产生转换结束信号,EOC,。 ,三态门输出锁存器用来保存,A/D,转换结果，当输出允许信号,OE,有效时，打开三态门，输出,A/D,转换结果。因输出有三态门， 便于与微机总线连接。 ,2.,引脚功能,。,图,为,ADC0808,0809,的引脚图。 各引脚功能说明如下： ,IN0IN7,：,8,路模拟输入端。 ,ALE,：,地址锁存器允许信号输入端。当它为高电平时， 地址信号进入地址锁存器中。 ,CLOCK,：,外部时钟输入端。时钟频率典型值为,640 kHz,，允许范围为,101280 kHz,。时钟频率降低时，,A,D,转换速度也降低。,START,：,A,D,转换信号输入端。有效信号为一正脉冲。 在脉冲上升沿，,A,D,转换器内部寄存器均被清零，在其下降沿开始,A,D,转换。,图,ADC0808/0809,的引脚图,EOC,：,A,D,转换结束信号。在,START,信号上升沿之后,0,到（,2 s,8,个时钟周期）时间内，,EOC,变为低电平。当,A,D,转换结束后，,EOC,立即输出一正阶跃信号，可用来作为,A,D,转换结束的查询信号或中断请求信号。 ,OE,：输出允许信号。当,OE,输入高电平信号时，三态输出锁存器将,A,D,转换结果输出。,D0D7,：数字量输出端。,D0,为最低有效位（,LSB,），,D7,为最高有效位（,MSB,）。,REF,（,+,）、,REF,（,-,）,：正负基准电压输入端。基准电压的中心值为 （应接近于 ），其偏差值不应超过,0.1 V,。 正负基准电压的典型值分别为,+5 V,和,0 V,。,VCC,、,GND,：电源电压输入端。 ,图,ADC0808/0809,的工作时序,3.,工作时序,。,ADC0808/0809,的工作时序如下图所示。从图中可以看出各信号的时序关系，进一步理解上面所讲的转换过程中的信号功能。完成一次转换所需要的时间为,6673,个时钟周期。,4.,ADC0808/0809,的主要性能指标,。,分辨率为,8,位。 ,总的非调整误差：,0808,为, LSB,，,0809,为,1 LSB,。 ,转换时间为,100 s,（,时钟频率为,640 Hz,）。 ,具有锁存控制功能的,8,路模拟开关，能对,8,路模拟电压信号进行转换。 ,输出电平与,TTL,电平兼容。 ,单电源,+5 V,供电。基准电压由外部提供，典型值为,+5 V,。,此时允许模拟量输入范围为,05 V,。,功耗为,10,mW,。 ,ADC0808/0809,的数字量输出值,D,（,换算到十进制）与模拟量输入值,V,IN,之间的关系如下： ,通常,V,REF,（,-,）,=0 V,，,所以,当,V,REF,（,+,）,=5V,，,相应于,V,IN,=04.98 V,，,D=0255,（,00HFFH,）。,这里由于数字量的满量程值是,255,，而不是,256,， 因此相应地输入电压的满量程值也比,5 V,少,1 LSB,。,与,ADC0808/0809,同属,ADC0800,系列的还有,ADC0816/0817,，,其通道数增至,16,，封装为,40,引脚，其它性能与,ADC0808/0809,基本相同。,ADC08000805,系列为单通道,8,位转换器，除了通道数以外，其它性能与,ADC0808/0809,相似。 ,5.,ADC,芯片与,CPU,接口,。,通常使用的,ADC,一般都具有下列引脚：数据输出、启动转换、转换结束、时钟和参考电平等。,ADC,与主机的连接就是处理这些引脚的连接问题。 ,数据输出线的连接。,模拟信号经,A,D,转换，向主机送出数字量。所以，,ADC,芯片就相当于给主机提供数据的输入设备。 ,能够向主机提供数据的外设很多，它们的数据线都要连接到主机的数据总线上。为了防止总线冲突，任何时刻只能有一个设备发送信息。因此，这些能够发送数据的外设的数据输出端必须通过三态缓冲器连接到数据总线上。由于有些外设的数据不断变化，如,A/D,转换的结果，随模拟信号变化而变化，所以，为了能够稳定输出，还必须在三态缓冲器之前加上锁存器，保持数据不变。为此，大多数向系统数据总线发送数据的设备都设置了锁存器和三态缓冲器，简称三态锁存缓冲器或三态锁存器。 ,A/D,转换的启动信号。当一个,ADC,在开始转换时，必须加一个启动信号。芯片不同， 要求的启动信号也不同， 一般分脉冲启动信号和电平控制信号。 ,脉冲信号启动转换的,ADC,，,只要在启动引脚加一个脉冲即可，如,ADC0809,、,AD574,。,通常都是采用外设输出信号和地址译码器的端口地址信号经逻辑电路进行控制。 ,电平信号启动转换是在启动引脚上加一个所要求的电平。电平加上之后，,A/D,转换开始，而且在转换过程中，必须保持这一电平，否则，将停止转换。在这种启动方式中，,CPU,送出的控制信号必须通过寄存器保持一段时间。 ,软件上通常是在要求启动,A/D,转换的时刻，用一个输出指令产生启动信号，这就是编程启动。此外，也可以利用定时器产生信号，这样可以方便地实现定时启动，适合于固定延迟时间的巡回检测等应用场合。,转换结束信号的处理方式。,当,A/D,转换结束，,ADC,输出一个转换结束信号，通知主机，,A,D,转换已经结束，可以读取结果。主机检查判断,A,D,转换是否结束的方法主要有四种： ,中断方式。这种方式下，把结束信号作为中断请求信号接到主机的中断请求线上。当转换结束时，向,CPU,申请中断，,CPU,响应中断后，在中断服务程序中读取数据。这种方式下,ADC,与,CPU,同时工作，适用于实时性较强或参数较多的数据采集系统。 ,查询方式,。这种方式下， 把结束信号作为状态信号经三态缓冲器送到主机系统数据总线的某一位上。主机在启动转换后开始查询是否转换结束，一旦查到结束信号，便读取数据。 这种方式的程序设计比较简单，实时性较强，是比较常用的一种方法。,延时方式。这种方式下，不使用转换结束信号。主机启动,A,D,转换后，延时一段略大于,A,D,转换的时间，即可读取数据。延时通常可以采用软件延时程序，也可以用硬件完成延时。采用软件延时方式，无需硬件连线，但要占用主机大量时间。,延时方式多用于主机处理任务较少的系统中。 , DMA,方式。这种方式下，把结束信号作为,DMA,请求信号。转换结束，即启动,DMA,传送，通过,DMA,控制器直接将数据送入内存缓冲区。这种方式特别适合要求高速采集大量数据的情况。 ,时钟的提供。,时钟是决定,A,D,转换速度的基准，整个转换过程都是在时钟作用下完成的。时钟信号的提供有两种。一种是由外部提供，它可用单独的振荡电路产生，更多的则用主机时钟分频得到；另一种是由芯片内部提供，一般用启动信号启动内部时钟电路， 只在转换过程中才起作用。 ,参考电压的接法。,ADC,中参考电压常有两个：,V,REF,（,+,）,和,V,REF,（,-,）,。根据模拟输入量的极性不同，它们的接法亦不同。当模拟信号为单极性时，,V,REF,（,-,）,接地，,V,REF,（,+,）,接正极电源。当模拟信号为双极性时，,V,REF,（,+,）,和,V,REF,（,-,）,分别接参考电源的正、负极性端。当然也可以把双极性信号转换为单极性信号再接入,ADC,。,参考电压的提供方法有两种。一种是外电源供给，这个外电源可以是系统的供电电源。在精度要求较高时则单独连接精密稳压的电源。常用的情况是将系统电源经进一步稳压后接到参考电压端。另一种情况是,ADC,芯片内部设置有稳压电路， 只需提供芯片电源，而不用单独供给参考电压，这种情况常见于,10,位以上,ADC,。,例题,1,；,设,EOC,接,8255,的,PA,0,，试编写连续转换,8,个通道的模拟量的程序，并将转换值存在,DAT,开始的单元中。,MOV AL,，,10010000B ; 8255A,口方式,0,，输入,OUT 8255-COTR,，,AL,MOV BL,，,0,；,0,通道号送,BL,MOV SI,，,0,；,设存放转换值地址指针,ST: MOV AL,，,BL,；,通道号送,AL,OUT AD0809,，,AL,；,从,0,号通道开始，启动,A/D,转换,NOP,L,: IN AL,，,8255-A,；读,8255A,口的值,TEST AL,，,01H ;,测转换结束信号,PA0=1?,JNZ L,9.3.3,ADC,应用举例,IN AL,，,AD0809 ;,读,A/D,转换值,MOV DATSI,，,AL ;,存入,DAT,中,INC BL,INC SI,CMP BL,，,8,JZ EXIT,JMP ST ;,若未完成,8,个通道的转换,;,则启动下个,A/D,转换,否则返回,EXIT: HLT,