第十章模拟接口电路.docx

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第十章模拟接口电路

第十章  模拟接口电路

  10.1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。

    计算机通过ADC或DAC转换器，与外界使用模拟量的设备相连接的技术就是模拟接口技术，它是计算机应用于自动控制领域的基础。

一个典型的计算机测控系统如图10-1所示。

      图10-1典型的计算机检测、控制系统框图

 10.2数/模（D/A）转换器

一、D/A转换器的工作原理

 1>.D/A转换器的构成

  由数据缓冲器，数据寄存器，电源开关，电阻网络及运放构成。

 2>.电阻网络

 a.权电阻网络  b.R-2R梯形电阻网络

 （从运放构成比例电路     加法电路）

  由     

二、D/A转换器的主要技术指标

1>.分辨率 2>.稳定时间 3>.输出电平 4>.绝对精度5>.相对精度 6>.线性误差 7>.温度示数

三、典型D/A转换器芯片

 1>.芯片分类

按转换方式分为       串行（慢.线少   长距离）  并行（快.线多   短距离）

按工艺                   双极型                              MOS型

按字长                     8位                               10位…                    20位

按输出形式              电压                    电流

2>.DAC0832

a.         管脚图

b.        逻辑结构图

c.        工作方式        双缓冲工作方式     单缓冲工作方式             直通工作方式

d.        主要技术性能

①.电流建立时间1μm

②.分辨率8位

③.线性误差0.2％

④.非线性误差0.4％

⑤.三种输入方式

⑥.数字输入与TTL并容

⑦.温度小数0.002％ 1℃

⑧.功耗20mw

⑨.电源 单电源+5～15

⑩.参考电压+10V～-10V

10.2.1D/A转换器的工作原理

一.     D/A转换器的工作原理

D/A（DigittoAnalog）转换器的主要作用是将二进制的数字量换为相应的模拟量。

D/A转换器的主要部件是电阻开关网络。

其主要网络形式为权电阻网络和R-2R梯形电阻网络。

运放工作在成性区域时，输入电压Vi与输出电压的关系为

V0=-（Rf/R）Vi

若输出端有n个支路，则V0与Vi关系为：

运算放大器的输入端可以时权电路网络

权电路网络即是每一位的电阻值为2iR（i为该电阻所在的位数）。

若每一位电阻都由一个开关Si控制。

当Si合上时Si＝1，Si断开时Si＝0，则可得输出模拟电压V0与输入的关系为：

（1）.所有开关Si断开时，V0=0

（2）.所有开关Si合上时，输出电压V0为最大，即V0=-（255/256）VRef

如果用一个8位二进制代码，分别控制图中的8个开关Si当I位的二进制码位1时，使i位的开关Si合上;若i位的二进制码为0使，相当于该位的Si开关断开，即该位对V0无响应，这就可以组成简单的八位D/A转换器。

 由此可见，D/A转换器的转换精度与基准电压V 的精度、权电阻和电子开关S 的精度及位数有关。

显然，位数越多，转换精度越高，但同时所需的权电阻的种类越多。

由于在集成电路中制造高阻值的精密电阻十分困难，因此，常用R-2R“T型”电阻网络代替权电阻网络，构成D/A转换器。

 R-2R梯形电阻网络原理图如下图。

由于这种电阻网络只用两种阻值组成，用集成工艺生产比较容易，精度也容易保证。

 在图中，各位开关的状态由数据所存器的对应位所决定。

如果第i位数据所存器为1，则相应的该位的开关接至求和点“ ”，将增加电流 ；如果数据所存器该位为0，则相应的该位的开关接地，它将不增加电流。

 为交点处的电压。

其中  将开关求和点的所有各路的电流累加，并将该电流经过运算放大器转换为电压 ，则  

可见，输出电压正比于输入数字量D，而幅度大小可通过选择基准电压 和 的比值来调整。

电阻开关网络是构成D/A转换器的主要部件，但在具体电路中，还需要附加其他环节才能完成D/A转换。

实际D/A电路原理框图如下：

 首先将需要转换的数字量（  ）通过数据缓冲器送至数据锁存器，并保存到新的数据寸入。

锁存器的输出接到电流开关（也称模拟开关，把数码信号的高、低电平变成相应的开关状态。

电流开关的电流信号通过电阻网络进行加“权”，合成一个与输入数据等效的模拟电流信号。

为了增强驱动能力，还需经过运算放大器并转换为电压信号，才能输出。

 通常D/A转换器的输出电压范围有0~+5V，0~+10V，0~  ，0~   0~  几种，对于某种非标准的电压范围，可以在输出端加运算放大器来调整。

10.2.2D/A转换器的主要技术指标

二、主要技术性能

1.电流建立时间1μm

2.分辨率8

3.线性误差0.2％

4.非线性误差0.4％

5.三种输入方式

6.数字输入与TTL并容

7.温度小数0.002％ 1℃

8.功耗20mw

9.电源 单电源+5～15

10.参考电压+10V～-10V

10.2.3常用的D/A转换芯片

一、DAC0832引脚及其功能

二、        DAC0832的工作方式

（1）.双缓冲工作方式

DAC0832芯片内有两个数据寄存器，在双缓冲工作方式下，CPU要对DAC芯片进行两步写操作：

①将数据写入数据寄存器。

②将输入寄存器的内容写入DAC寄存器。

其连接方式是：

把ILE固定为高电平，WR1、WR2均接到CPU的IOW,而CS和XFER分别接到两个端口的地址译码信号。

双缓冲工作方式的优点是DAC0832的数据接收和启动转换可异步进行。

可以在D/A转换的同时，进行下一数据的接收，以提高模出通道的转换速率，可实现多个模出通道同时进行D/A转换。

（2）.单缓冲工作方式

此方式是该两个寄存器中任一各处于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态。

一般是DAC寄存器处于直通状态，即把WR2和XFER端都接数字地。

此时，数据只要一写入DAC芯片，就立即进行数模转换。

此种工作方式可减少一条输入指令，在不要求多个模出通道同时刷新模拟输入时，可采用此种方式。

（3）.直通工作方式

将CS、WR1、WR2和XFER引脚都直接接数字地，ILE引脚为高电平，芯片即处于直通状态。

此时，八位时数字量一旦到达DI7～DI0输入端，就立即进行D/A转换而输出。

但在此种方式下，DAC0832不能直接和CPU地数据总线相连接，故很少采用。

三、        DAC0832的主要技术性能

电流建立时间  1µs

分辨率（Resolution）  8位

线性误差0.2％FSR（FullScaleRange）,即该芯片的线性误差为满量程的0.2％

非线性误差 0.4％FSR

三种输入方式 双缓冲 单缓冲和直接输入三种方式

数字输入与TTL兼容

增益温度示数0.002％FSR/℃

低功耗20mV

单电流＋5～＋15V

参考电压＋10V～-10V

四、D/A转换器与微处理器的接口

D/A转换器与微处理器间的信号连接包括三部分，即数据线，控制线和地址线。

微处理器的数据线要传送给D/A转换器，首先要把数据总线的输出信号连接到D/A转换器的数据输入端。

微处理器因要进行各种信息的处理，其数据总线上的数据总是不断地变化，输出给D/A转换器地的数据，只是在执行输出指令的几微秒中出现在数据总线上。

而D/A转换器要求数字量并行输入，且其输入数据要在一定时间内保持稳定，以满足精度要求。

因此微处理数据总线上输出的数据必须用一个锁存装置锁存起来，这个锁存装置就是D/A转换器与CPU的数据接口。

五、8位D/A转换器与CPU的接口

对于8位D/A转换器，连接方法时通过8位数据锁存器（例如8D锁存器）与8位微处理器的总线相连，锁存器的写入/锁存由地址译码器的输出与CPU的IORQ和WR信号共同控制。

只要CPU对DR端口进行一次写操作，即执行OUTDRAL,则CPU的输出数据便锁存至8D锁存器，作为D/A的输入数据。

 10.3模/数（A/D）转换器

10.3.1A/D转换器的工作原理

A/D转换器主要有：

逐位比较（逐位逼近）型、积分型以及计数型、并行比较、电压——频率型（即V/F型）等。

一、A/D转换器的工作原理

1.    双积分型的A/D转换器

双积分式也称二重积分式，其原理图如下图：

其实质式测量和比较两个积分的时间，一个是对模拟输入电压积分的时间T0,此时间往往是固定的，另一个是以充电后的电压为初值，对参考电源VRef反向积分积分电容被放电至零所需的时间T1（或T2等）。

模拟输入电压Vi与参考电压VRef之比，等于上述两个时间之比。

由于VRef、T0固定，而放电时间Ti可以测出，因而可计算出模拟输入电压的大小（VRef与VI符号相反）。

工作过程：

转换开始后，首先使积分电容完全放电，并将计数器清零，然后使开关K先接通输入电压Vi,积分器对Vi定时积分，当定时T0到时控制逻辑使K合向基准电压VRef端，并让计数器开始计数，此时积分电容开始反向积分，当定时T0到时，控制逻辑使K合向基准电压VRef端，并让计数器开始计数，此时积分电容开始反向积分（放电），至输出电压为0，比较器反转，控制计数器停止计数，正向积分时间T0固定的情况下，反向积分时间Ti（T1或T2）正比于输入电压Vi,Ti的数值可由计数器得到。

定量分析，第一阶段，K合向Vi，积分器对模拟输入电压Vi固定时间（T0）积分，输出VA为：

积分器的输出与模拟输入电压Vi的平均值成正比。

第二阶段，开关合向基准电压VRef时，积分器时VRef进行反向积分，直至积分器输出为0，即   

由于T0、VRef为已知固定常数，因此反向积分时间T1与输出模拟电压Vi在T0时间内的平均值成正比。

输入电压Vi越高，VA越大，T1就越长。

在T1开始时刻，控制逻辑同时打开计数器的控制门开始计数直到积分器恢复到零电平时，计数器停止，则计数器所计出的数字即正比于电压Vi在T0时间内的平均值，于是完成了一次A/D转换。

由于双积分型A/D转换是测量输入电压Vi在T0时间内的平均值，所以对常态干扰（串模干扰）有很强的抑制作用，尤其时正负波形时称的干扰信号，抑制效果更好。

双积分型的A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，精度高，但速度比较慢。

2.    逐次逼近型的A/D转换器

逐次逼近型（也称逐位比较式）的A/D转换器

主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器以及时序和控制逻辑等部分组成。

它的实质是逐次把设定的SAR寄存器中的数字量经D/A转换后得到电压VC,与待转换模拟电压VX进行比较。

比较时，先从SAR的最高位开始，逐次确定各位的数码是“1”还是“0”，工作过程如下：

转换前，先将SAR寄存器各位清零，转换开始时，控制逻辑电路先设定SAR寄存器的最高位“1”其余为“0”，此试探值经D/A转换成电压VC,然后将VC与模拟输入电压VX比较。

如果VX≥VC说明SAR最高位的“1”应予以保留;如果VX＜VC，说明SAR该位应予清零。

然后再对SAR寄存器的次高位置“1”以上述方法进行D/A转换和比较。

如此重复，直至确定SAR寄存器的最低位为止。

过程结束后，状态线改变状态表，表明完成一次转换。

最后，逐次逼近寄存器SAR中的内容就是与输入模拟量VX相对应的二进制数字量。

显然A/D转换器的位数N决定于SAR的位数和D/A的位数。

位数越多，越能准确逼近模拟量，但转换所需时间也越长。

特点：

1.           转换速度较快，在1～100μs以内，分辨率可以达18位，特别使用于业控制系统。

2.        转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。

3.        抗干扰能力相对积分型差。

10.3.2模/数（A/D）转换器的主要技术性能

一.    A/D转换器的主要技术性能

1.        分辨率（Resolution）

分辨率反映A/D转换器对输入微小，变换响应的能力，通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电平值表示。

如：

8位A/D转换器能对模入满量程的1/28=1/256的增量作出反应。

N位A/D能反应1/2N满量程的模入电平。

由于分辨率直接与转换器的位数有关，所以一般也可简单地用数字量的位数来表示分辨率，即n位二进制数，最低所具有的权值，就是它的分辨率。

注意：

1.分辨率与精度是两个不同的概念，不要把两者混淆。

即使分辨率很好，也可能由于温度漂移，线性度等原因，而使其精度不够高。

2.精度（Accuracy）精度有绝对精度（AbsoluteAccuracy）和相对精度（RelativeAccuracy）两种表示方法。

（1）.绝对误差

在一个转换器中，对应于一个数字量的实际模拟输入电压和理想的模拟输入电压之差并非是一个常数。

我们把它们之间的差的最大值，定义为“绝对误差”。

通常以数字量的最小有效位（LSB）的分数值表示绝对误差。

例如：

±1LSB、±1/2LSB、±1/4LSB等。

绝对误差包括量化误差和其它所有误差。

（2）.相对误差

是指整个转换范围内，任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。

例如，满量程为10V，10位A/D芯片，若其绝对精度为±1/2LSB，则其最小有效位的量化单位△＝9.7mV，其绝对精度为1/2△＝4.88mV其相对精度为：

4.88mV/10V=0.048%

3.转换时间（ConversionTime）

转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔。

转换时间的倒数称为转速率。

例如AD570的转换时间为25μs其转换速率为40kHz。

4.        电源灵敏度（Powersupplysensitivity）

电源灵敏度是指A/D转换芯片的供电电源的电压发生变化时，产生的转换误差。

一般用电源变化1％时相当的模拟量变化的百分数表示。

5.        量程

量程是指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。

例如:

单极性量程为0～＋5V、0～+10V、0～+20V

双极性  量程为－5～＋5V、－10～＋10V。

6.        输出逻辑电平

多数A/D转换器的输出逻辑电平与TTL电平兼容。

在考虑数字输出与微处理器的数据总线接口时，应注意是否要三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等。

7.        工作温度范围

由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。

一般A/D转换器的工作温度范围为（0～70℃），军用品的工作温度范围为（－55～＋125℃）

10.3.3典型A/D转换器芯片ADC0809

二.    典型A/D转换器芯片

ADC0809

ADC0809是逐次逼近型8位单片A/D转换芯片。

片内有8路模拟开关，可输入八个模拟量，单极性，量程为0～5伏，典型的转换速度为100μs，片内带有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。

其性能价格比有明显的优势，是目前比较广泛采用的芯片之一。

1.      ADC0809的逻辑结构框图

ADC0809的逻辑结构框图如下图所示，其引脚图。

结构分四部分。

（1）.模拟输入部分

有8路单端输入的多路开关和地址锁存与译码逻辑，可由三位地址译码与输入选通的关系见下表：

（2）.变换部分

主要由四部分组成：

①.    控制逻辑：

提供转换器的时钟CLK和启动信号START。

转换完成时，发出转换信号EOC（EndofConvert）信号，高电平有效，见下图：

②.    逐位逼近寄存器SAR（8位）

③.    比较器

④.    电阻网络

（3）.三态输出缓冲器（8位）

（4）.基准电压输入端REF（+）和REF（-）

它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值。

通常把REF（+）接到VCC和GND上，但加在此两个输入端的电压VREF（+）和VREF（-）也可不接到VCC和GND上，但在此亮了输入端的电压VREF（+）和VREF（-）必须满足一下条件：

且  

2.      ADC0809的时序

从时序图可看出ADC0809的启动信号SRART是脉冲信号，也即此芯片是靠脉冲启动的。

当模拟量送至某一输入通道后，由三位地址信号译码选择，地址信号由地址锁存允许ALE（AddressLatchEnable）锁存，高电平有效。

当转换完成后，输出转换结束信号EOC，由低电平变为高电平有效信号。

外界的输出允许信号OE（OutputEnable）,高电平有效，打开输出三态缓冲器的门，把转换结果送到数据总线上。

使用时可利用EOC信号短接到OE端，也可利用EOC信号向CPU申请中断。

A/D转换器与CPU的接口

（一）.典型的A/D转换器与CPU的接口

A/D转换芯片与CPU接口时，除了要有数据信息的传送外还应有控制信号和状态信息的联系。

典型的A/D转换器与CPU的接口示意图如下图。

一般模拟输入量来自采样保持器，而转换后的数据径数据缓冲器由数据输入端口输入至CPU。

A/D转换器的选通和启动转换则由CPU的控制端口（Cport）送出控制信号至A/D转换器的启动端START，使A/D转换器开始转换。

A/D转换需要一定的转换时间，是否转换完成，由A/D转换器的状态信号STATE决定。

此状态信息可由CPU通过状态端口（Sport）读入测试当CPU通过查询STATE信息，判断A/D芯片已转换完成时，则CPU输入允许输入信号ENABLE，然后通过数据端口（DPort）将A/D转换结果读入。

   10.3.4A/D转换器与CPU的接口

10.4D/A、A/D转换应用举例

（二）.8位转换芯片与CPU接口举例

下图为ADC0809芯片通过通用接口芯片8255与CPU（8088）的接口，ADC0809的输出数据通过8255的PA口给CPU，而地址译码输入信号ADDA，ADDB和ADDC以及地址锁存信号ALE由8255的PB口的PB3～PB0提供，A/D转换的状态信息EOC则由PC4输入。

在时以上电路进行A/D转换的编程前，需要先确定数据的输入方式，以便选择8255A的工作方式。

例如：

以查询方式读取A/D转换后的结果，则8255A可设定A口为输入，B口为输出，均为方式0，PC4为输入，其A/D转换的流程图如右图所示。

A/D转换程序如下：

      ORG 1000H

START:

MOVAL,98H     ；方式0，A口输入

                       ；方式0，B口

                       ；输出

      MOVDX,0FFFFH   ；8255A控制字端口地址

      OUTDX,AL       ；选8255A方式字

      MOVAL,0BH      ；选IN3输入端和地址锁存信号

      MOVDL,0FDH     ；8255A的B口地址

      OUTDX,AL       ；选IN3通道地址

      MOVAL,BH       ；START    PB4=1

      OUTDX,AL       ；启动A/D转换

      MOVAL,0BH      ；

      OUTDX,AL       ；START    PB4=0

      MOVDL,0FEH     ；8255A的C口地址

TEST:

 INAL,DX        ；读C口状态

      ANDAL,10H      ；检测EOC状态

      JZTEST         ；如未转换完，再测试；转换完则继续

      MOVDL,0FC      ；8255A的A口地址

      INAL,DX        ；读转换结果

      INT3           ；暂停

   10.4.1D/A转换举例

   10.4.2A/D转换举例