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1、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

2、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、控制系统框图为了让大家建立一个比较完整的测控系统概念，在本章重点介绍ADC、DAC转换器及其应用之前，有必要对图10.1中的其他部分，如传感器、放大器、多路开关、采样保持器、驱动器和执行部件做以简单的介绍。因为在实际系统中，任何一个部件的问题，同样严重的影响整个计算机的检测和控制系统的正常运行，甚至令整个系统瘫痪。1传感器在计算机检测、控制系统中，传感器位于系统的最前端，其作用相当于人的五官，是信息采集系统的首要

3、部件。严格地说，传感器是把非电量的量值形式(如物理量、化学量、生物量等)转换成另一种与之有确定对应关系且便于计量的电量形式(如电压或电流)的装置。它实现两种不同形式的量值之间的变换，目的是为了计量。随着人工智能计算机的深入研究，：传感器也向着智能传感器方向发展，能把图像、声音等通过智能传感器直接输入计算机，使计算机具有视觉和听觉等能力。一般传感器的类型可以分为如下几类： 1)按被测量的性质分 (1)机械量(几何尺寸、力、速度、振动等)传感器。 (2)热工量(温度、压力、流量等)传感器。 (3)物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器。2)按输出量的性质分 (1)参量型传感器：即输出是非源电参量

4、，如电阻、电感、电容和频率等。其中，电阻式又分为电位器、热敏电阻、光敏电阻、气敏电阻、声敏电阻等；而电感式又分为自感、互感、压磁和涡流式等。 (2)发电型传感器：即输出是电势或电流，如热电偶式、光电池式、电极电位式、磁电势和压电式等。对上述两种常用的分类法，显然第一种是从应用的目的出发的，而第二种分类法则从研究的目的出发，即主要着眼于变换过程的特征。综合理解各种分类方法的特点，对深入认识各种传感器的本质和特点，以便灵活使用它们很有帮助。关于传感器的使用和相关测量技术请参阅相关书籍，在这里我们就不多叙述了。 2量程放大器量程放大器是任何数据采集系统不可缺少的组成部分。由于传感器输出信号往往是微伏

5、或毫伏级信号，而信号(模拟信号)的显示部分或计算机的ADC转换器一般要求为伏的数量级(如05V)，为满足后者对信号幅度的要求，必须对传感器的输出信号进行放大和处理。显然放大器性能的优劣及其线路形式的合理与否将对整个系统的长期、可靠运行有密切的关系。3模拟多路开关在计算机检测与控制系统中，由于一个CPU在同一时刻只能处理一路模拟量的AD转换，又因为一个高精度AD转换器价格较高，故往往在一个计算机检测系统中仅采用一个AD转换器，此时该系统若有多路模拟量被采集的话，则要增多一块模拟多路开关实现“多路选一”控制，让CPU对各路模拟量实行分时采集。同样CPU只用一块DA转换器，同时也要一块模拟多路开关实

6、现一选多路控制，使CPU实现对各路执行部件的分时控制。模拟量多路开关实际上就是CMOS传输门。目前，产品种类很多，如CD4051B(8选1模拟开关)，CD4052B(双4选1模拟开关)，CD4067B(16通道模拟开关)等。它们的工作原理在数字电子技术基础中已做详尽的分析，这里就不多叙述了。4采样保持电路在AD进行转换期间，保持输入信号不变的电路称采样保持电路。由于输入模拟信号是连续变化的，而AD转换器完成一次转换是需要时间的。对于变化较快的模拟输入信号来说：如果不采取措施，将会引起较大的转换误差。这个误差是由转换时间内输入模拟信号变化幅度较大引起的，因而影响检测系统和控制系数的精度。5驱动器

7、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。通过传感器、放大器、多路选择器、采样保持电路ADC、DAC以及驱动电路和微机控制电路等就可以组成一个比较典型的微机测控系统了。下面我们在简单认识了微机测控系统的基础上，开始学习DAC、ADC转换器及其相关应用。

8、10.2 数/模（D/A）转换器DA转换器是计算机或其它数字系统与模拟量控制对象之间联系的桥梁，它的任务是将离散的数字信号转换为连续变化的模拟信号。在工业控制领域中，DA转换器是不可缺少的重要组成部分。10.2.1 D/A转换器的工作原理我们知道，数字量是由一位一位的数位构成的，每个数位都代表一定的权。比如，二进制数10000001，最高位的权是27=128，此位上的代码1表示数值l27=128，最低位的权是20=1，此位上的代码1表示数值lx2=1，其它数位均为0，所以二进制数10000001就等于十进制数129。为了把一个数字量变为模拟量，必须把每一位的数码按照权来转换为对应的模拟量，再把

9、各模拟量相加，这样，得到的总模拟量便对应于给定的数据。DA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。最简单的DA转换器电路如图10.2(a)所示，VREF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。假设输入端有4个支路，4个开

10、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10.2(b)所示。图10-2 D/A转换的基本原理DA转换器的输出形式有电压、电流两大类型。电压输出型的DA转换器相当于一个电压源，内阻较小，选用这种芯片时，与它匹配的负载电阻应较大；电流型的DA转换器相当于电流源，内阻较大，选用这种芯片时，负载电阻不可太大。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DA转换器的

11、输出电流转换成电压。图10.3(a)是反相电压输出，输出电压VOUT=-iR，图10.3(b)是同相电压输出，输出电压VOUT=iR(i+R2R1)。图10-3 电流型D/A连结成电压输出方式在实际应用中，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10-4(a)和10-4(b)所示。在图10-.4(b)中，通过运算放大器A1将单向输出转变为双向输出。由VREF为A2提供一个偏移电流，该电流方向应与A1输出电流方向相反，且选择R4=R3=2R2，使得由VREF引入的偏移电流

12、恰为A1输出电流的1/2。因而A2的输出将在A1输出的基础上产生位移。双极性输出电压与VREF及A1输出V1的关系是：VOUT =-2ViVREF图10-4 单极性和双极性输出方式对于D/A转换器内有反馈电阻Rfb的，有时可不接R1电阻，由A1的输出直接连到芯片Ro引脚。VREF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。10.2.2 D/A转换器的主要技术指标1.分辨率这是D/A转换器对微小输入量变化敏感程度的描述，通常用数字量的位数来表示，如8位、12位等。对一个分辨

13、率为n位的转换器，能够分辨满量程的2-n输入信号。例如，分辨率为8位的D/A转换器能给出满量程电压的1/256(即1/28)的分辨能力。2精度精度反映D/A转换的精确程度，可分为绝对精度和相对精度。(1)绝对精度：是指对应于给定的数字量，D/A输出端实际测得的模拟输出值(电流或电压)与理论值之差。绝对精度由D/A转换的增益误差、线性误差和噪声等综合因素决定。 (2)相对精度：是指在零点和满量程值校准后，各种数字输入的模拟量输出与理论值之差，可把各种输入的误差画成曲线。对线性D/A而言，相对精度就是非线性度。精度特性通常是以满量程电压VFS的百分数或以最低有效位(LSB)的分数形式给出，也可用二

14、进制位数表示。例如：精度0.1是指：最大误差为VFs的0.1，若满量程为10V，最大误差为VE=10mV。n位D/A转换器的精度为1/2LSB是指：最大可能误差为。 图10-5 D/A的建立时间3建立时间建立时间也称稳定时间，是指在D/A的数字输入端加上满量程的变化(如从全”0”变为全”1”)以后，其模拟输出稳定到最终值1/2LSB时所需的时间。当输出的模拟量为电流时，建立时间较短；当输出的模拟量为电压时，建立时间较长，主要是输出运算放大器所需的时间。图10-5中的ts即建立时间。4.输出电平不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大。一般电压型的D/A转换器输出为05V或010V；电流型的D/

15、A转换器，输出电流为几毫安至几安。5线性误差相邻两个数字量之间的差应是1LSB，即理想的转换特性应是线性的。在满量程范围内，偏离理想的转换特性的最大值称为线性误差。6.温度示数在规定的范围内，相应于温度每变化1，增益、线性度、零点及偏移(对双极性D/A)等参数的变化量。温度系数直接影响转换精度。 10.2.3 常用的D/A转换芯片集成D/A芯片类型很多，按其转换方式分有并行和串行两大类，串行慢，并行快；按生产工艺分有双极型；(TTL型)、MOS型等，它们的精度和速度各不相同；按位数分有8位、10位、12位、16位等。按输出方式分有电压型和电流型两类。另外，不同生产厂家的产的产品，其型号各不相同

16、。例如美国国家半导体公司(NS)的D/A芯片；为DAC系列，美国模拟器件公司(AD)的D/A芯片为AD系列。微处理器输送数据到D/A芯片输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在微处理器输出指令写操作的瞬间内，该写操作命令撤去后，数据线上的数据即刻消失。为此，许多芯片内设置了输入数据寄存器，利用它可以保存数据直到新的数据到来为止。对于不带数据输入寄存器的芯片，就要求在D/A芯片的前面增加一个数据锁存器，然后再与数据总线相连。下面简单介绍一种常用D/A转换器芯片DAC0832。1DAC0832引脚及其功能：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10.7所示。其

17、主要引脚定义分别如下：D0D7：8位数字量输入信号，其中D0为最低位，D7为最高位。CS：片选输入信号，低电平有效。WR1：数据写入信号1，低电平有效。ILE：输入寄存器的允许信号，高电平有效。ILE信号和CS、WRl共同控制选通输入寄存器。当CS、WRl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10.8 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。 图10-7 DAC0832引脚图XFER：传送控制信号，低电平有效。用它来控制WR2是否起作用，在控制多个DAC0832同时输出时特别有用。WR2：数

18、据写入信号2，低电平有效。当XFER和WR2同时有效时，、输入寄存器中的数据被装入DAC寄存器，并同时启动一次D/A转换。IOUTl：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。IOUT2：电流输出2。它与lOUTl的关系是：IOUTI+IOUT2=常数Rfb：内部反馈电阻引脚，该电阻在芯片内，Rfb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。VREF：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。

19、芯片模拟信号接地点。DGND：数字地。芯片数字信号接地点。2DAC0832的输入工作方式：(1).双缓冲工作方式DAC 0832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：将数据写入数据寄存器。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。图10-8 DAC0832逻辑结构框图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，以提高模拟输出通道的转换速率，可实现多个模拟输出通道同时进行D/

20、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或两个寄存器同步受控。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D7D0输入端，就立即进行D/A转换而输出。但在此种方式下，DAC 0832不能直接和CPU地数据总线相连接，故很少采用。3 DAC 0

21、832的主要技术性能 电流建立时间 1s 分辨率(Resolution) 8位 线性误差0.2 FSR(Full Scale Range),即该芯片的线性误差为满量程的0.2 非线性误差 0.4FSR 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 0.002FSR / 低功耗 20mV 单电源 515V 参考电压 10V-10V4D/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

22、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。下面介绍一种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OUT DR AL,则CPU的输出数据便锁存至

23、8D锁存器，作为D/A的输入数据。图10.9是DAC0832工作于双缓冲方式下，与8位微处理器的连接图。图10-9中，CS的端口地址为320H，XFER的端口地址为321H。CPU执行第一条输出指令，将待转换的数据写入输入寄存器；再执行第二条输出指令时，把输入寄存器的内容写入DAC寄存器，并启动D/A转换。执行第二条输出指令时，AL中的数据为多少是无关紧要的，主要目的是使XFER有效。一个数据通过DAC0832输出的典型程序段如下： MOV DX, 320H ；指向输入寄存器 MOV AL，DATA ；DATA为被转换的数据 OUT DX，AL ；数据写入输入寄存器 INC DX ；指向DAC

24、寄存器 OUT DX，AL ；选通DAC寄存器，启动D/A转换图10-9 DAC0832与8位微处理器的连接最后，值得提出的是,在使用D/A转换芯片(A/D转换芯片也一样)时，要正确处理地线的连接问题。在数字量和模拟量并存的系统中，有两类电路芯片：象D/A、A/D转换器、运算放大器等属于模拟电路芯片；而CPU、锁存器、译码器则属于数字电路芯片。这两类芯片要有两组独立的电源供电，一方面要把各个模拟地连在一起，而把各个数字地连在一起，两种“地”不能彼此相混地连接在一起；另一方面，整个系统要用一个共地点把模拟地和数字地连起来，以免造成回路引起数字信号通过数字地线干扰模拟信号。图10.10表示了这种连

25、接方法。图10-10 地线的连接方法10.3 模/数（A/D）转换器A/D转换器是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。在工业控制和数据采集及其它领域中，A/D转换器是不可缺少的重要组成部分。图 10-11 双积分型的A/D转换器原理框图 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。10.3.1 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，其原理图如图10-11.其实质是测量和比较两个积分的时间，一个是对模

26、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）。图10-12 双积分型的A/D转换器积分特性其工作过程：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

27、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 又 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

28、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。如图10-13所示。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

29、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VXVC说明SAR最高位的“1”应予以保留;如果VXVC，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

30、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。 图10-13 逐次逼近型的A/D转换器积分特性特点：（1）转换速度较快，在1100s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）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

31、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（Absolute Accuracy）和相对精度（Relative Accuracy）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、1/2 LSB、1/4 LSB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1/2 LSB，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