第10章 数模转换与模数转换接口及其应用

第十章D/A转换与A/D转换

接口及其应用

概述D/A转换器及其接口技术A/D转换器及其接口技术一、概述

1、模拟量与数字量模拟量——连续变化的物理量。例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量等。例如：二进制数00101110数字量——时间和数值上都离散的量。2、模拟量输入输出通道控制对象温度流量传感器传感器多路开关采样保持器A/D转换器数字量微机系统控制数字量I/O接口锁存器D/A转换放大驱动模拟量模拟电量信号处理信号处理非电量1、传感器（变送器）把外部的物理量（例如：声音、温度、压力、流量

等）转换成电流或电压信号。2、信号处理

传感器输出的信号比较微弱，需要经过放大，获得ADC

所要求的输入电平范围。安装在现场的传感器及其传输线路容易受到干扰信号的

影响，需要加接滤波电路，滤去干扰信号。3、多路开关（Multiplexer）需要监测或控制的模拟量往往多于一个。可以使用多路

模拟开关，轮流接通其中的一路，使多个模拟信号共用

一个ADC进行A/D转换。4、A/D转换器（AnalogDigitConverter,ADC）将模拟量转换成数字量，送计算机处理，它是输入通道的核心环节。

AD转换器输入模拟信号通常有以下几种电压范围：

单极性0~5V、0~10V、0~20V;

双极性±2.5V、±5V、±10V等。5、采样/保持器（SampleHolder）

A/D转换期间，保持输入信号不变的电路称为采样/保持电路。转换开始之前，采样/保持电路采集输入信号（采样）；转换进行过程中，它向A/D转换器保持固定的输出（保持）。6、D/A转换器（DigitAnalogConverter,DAC）

D/A转换器将成数字量转换成模拟量输出。

1）传感器的定义

传感器（Sensor/Transducer）是借助检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。目前，经传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。物理量电量传感器3、常用传感器2）传感器的构成

传感器一般由敏感元件、转换元件和辅助元件组成。被测信息敏感元件转换元件辅助电源信号调理电路输出信息

敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件：是指传感器中能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。

辅助元件：信号调节和转换的元件。

（1）温度传感器

热电偶，利用金属的温差产生电动势；

热电阻，利用导体的电阻值随温度变化进行测温；

热敏电阻，利用半导体的电阻值随温度变化测温；两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等有温差时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。3）传感器的分类（2）湿度传感器

能感受气体中水蒸气的含量，把湿度的变化转换成电量变化的传感器。湿敏电阻是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子（聚苯乙烯、聚酰亚胺）薄膜电容制成，当环境湿度改变时，湿敏电容的介电常数变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比，利用这一特性即可测量湿度。

毛发湿度计干湿球湿度计（3）气敏传感器

气敏传感器是把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号，来检测特定气体的传感器。

主要包括：半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等。

主要应用：一氧化碳气体检测、瓦斯气体检测、煤气检测、氟利昂检测、酒精检测等。

（4）压电式和压阻式传感器

压电式传感器是利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。

某些物质如石英，当受到外力时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料又重新回复到原来状态，这种现象称为压电效应。

半导体单晶硅、锗等材料，受到作用力时，它的电阻率（电阻）会发生变化，这种效应称为压阻式效应，可做成压阻式传感器。高压进气口低压进气口小型压阻式压力传感器（5）光纤传感器

利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、频率、波长）改变的传感器。（6）光电码盘式传感器码盘式角度-数字传感器码盘式传感器是建立在编码器的基础上的，它能够将角度转换为数字编码，是一种数字式的传感器。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，码道的条数就是数码的位数，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。由光源1发出的光线，经透镜2变成一束平行光照射在码盘3上，通过透光部分的光线经狭缝4照射到光电元件5上，光电元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光电元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋转至不同位置时，光电元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。

二、D/A转换器及其接口技术2.1D/A转换器

2.1.3

D/A转换器的主要技术参数2.1.2

R-2R倒T型电阻网络D/A转换器2.1.1D/A转换器的基本原理2.1.1

D/A转换器的基本原理将输入的每一位二进制代码按其权的大小，转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。解：当输入为00000001时：因此，当输入数字量为00001001时：即和输入数字量00001001相对应的模拟输出电压为45mV。例1、一个8位D/A转换电路，输入为00000001时，输出电压为5mV，则输入数字量为00001001时，输出电压有多大？

D/A转换器的基本组成:

存放数字量的各位数码由输入数字量控制产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压根据输入的数字量的方式分，可分为：串行DAC：串行输入方式的D/A转换器。并行DAC：并行输入方式的D/A转换器。①分别从虚线A、B、C、D处向左看的二端网络等效电阻都是R。②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，即不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。从参考电压UR处输入的电流IR为：2.1.2

R-2R倒T型电阻网络D/A转换器参考电压模拟开关各支路电流IR为：8位D/A转换器的输入/输出关系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模拟量

数字量MSBLSB当n=3时，DAC的输出与输入转换特性图，输出为阶梯波。

（1）分辨率

分辨率是指D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。最小输出电压就是对应于输入数字量最低位为1，其余各位均为0时的输出电压。最大输出电压就是对应于输入数字量全部为1时的输出电压。10位D/A转换器的分辨率为：2.1.3D/A转换器的主要技术参数分辨率可用输入二进制数的有效位数n表示。（2）转换精度

D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差。（3）输出建立时间

从输入数字量起，到输出电压或电流达到稳定值所需要的时间，称为输出建立时间。2.2并行8位D/A转换芯片AD558及其接口

1、AD558的内部结构框图AD558的输出模拟电压范围为0～2.56V分辨率=2.56V/2562、AD558与PC机的连接图

用AD588产生锯齿波模拟信号。CODE SEGMENT ASSUMECS：CODESTART：MOV

CX，256

MOVAL，0LOOP1: OUT30C，AL

；输出AL内容

CALLDELAY

；延时

INCAL

；AL内容加1 LOOPLOOP1

；循环256次

JMPSTART

；重新输出下一个锯齿波用AD588产生锯齿波模拟信号程序：3、串行8位D/A转换器TLC5620

TLC5620是一个4路串行8位电压输出型数模转换器（DAC），带有缓冲参考电压输入（高阻抗）。DAC模块输出电压范围为1或2倍的参考电压，DAC是单向的。这个器件使用很简单，有一个5V的单电源供电。上电复位功能可以保证重启动条件。TLC5620内部功能框图：第一级缓冲

第二级缓冲

参考电压输入端

2倍电路

TLC5620引脚功能：

引脚输入/输出描述名称序号CLK7I串行接口时钟。引脚出现下降沿时，将输入的数字量移入串行接口寄存器DACA12ODACA模拟信号输出DACB11ODACB模拟信号输出DACC10ODACC模拟信号输出DACD9ODACD模拟信号输出DATA6I串行接口二进制输入端GND1I地回路及参考终端LDAC13I加载DAC。当引脚出现高电平时，即使有数字量被读入串行口也不会对DAC的输出进行更新。只有当引脚从高电平变为低电平时，DAC输出才更新。LOAD8I串口加载控制。当LDAC是低电平，并且LOAD引脚出现下降沿时，数字量被保存到锁存器，随后输出端产生模拟电压。REFA2I输入到DACA的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围。REFB3I输入到DACB的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围。REFC4I输入到DACC的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围。REFD5I输入到DACD的参考电压。这个电压定义了输出模拟量的范围。VDD14I正电源TLC5620的工作原理：TLC5620最基本的数据写入方式是LDAC控制更新方式。分为三个步骤：一、串行输入数据，当LOAD为高时，在CLK的每一个下降沿，数据通过DATA端串行输入到移位寄存器中；二、当所有数据位均被写入后，LOAD发送负脉冲将数据从串行寄存器写入到第一级缓冲寄存器中；三、LDAC发送负脉冲，把数据送入第二级缓冲寄存器中，DAC输出电压被更新。数据写入方式

(LDAC更新DAC输出)

数据写入方式

(LOAD更新DAC输出)

TLC5620数据格式2位DAC选择信号A1A0，1位范围信号位RNG，8位数据位，最高位在前。各个输出电压由下式给出：式中CODE范围是0到255，RNG（范围位）是0或1，包含在串行控制字中，当RNG为0时，输出范围在1倍参考电压和地电压之间，当RNG为1时，输出范围在两倍参考电压和地电压之间。

表1串行输入编码表2DAC输出电压TLC5620与8086CPU的接口

DAC_PROCPROCFAR；这是对DAC的子程序

PUSHAXPUSHCX

PUSHDXPUSHFMOV

CL，5

；先把AX内容左移5位

SHLAX，CL MOVDX，AX；DX为串行输出的数据，最高位为通道选择

MOV

CX，11；循环11次DAC_PROC1: MOVAL，0

；预置对DATA线的置位复位字

SHLDX，1

；取串行输出位

ADCAL，0

；把串行输出位送到置位复位字的第0位

OUT86H，AL

；把DATA线上串行输出位内容

MOVAL，00000010B；发送CLK负脉冲

OUT86H，AL MOVAL，00000011B OUT86H，AL LOOPDAC_PROC1

；循环MOVAL，00000100B；循环完毕，发LOAD负脉冲OUT86H，ALMOVAL，00000101BOUT86H，ALMOVAL，00000110B；发LDAC负脉冲OUT86H，ALMOVAL，00000111BOUT86H，ALPOPFPOPDXPOPCXPOPAXRETDAC_PROCENDP主程序中，相关程序段如下：

MOVAL，10010010B；8255A初始化

OUT86H，AL

MOVAL，0FFHOUT84H，AL…….；其他处理

MOVCX，256；下面程序段使D/A通道B产生一锯齿波

OUTAL，0；D/A初始数据为0MOVAH，00000010B；选取通道B，最大输出电压为参考电压

OUT86H，ALAGAIN：CALLDAC_PROC ；把AX内容送到DAC INCAL ；产生锯齿波的下一个数据

CALLDELAY ；延时

LOOPAGAIN ；循环256次

…….；其他处理4、12位D／A转换及接口

模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。三、A／D转换器及其接口技术

1、A/D转换器的基本过程2、A/D转换器的种类

A/D转换器按照工作原理的不同可分为：

直接A/D转换器和间接A/D转换器。

直接A/D转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量；

间接A/D转换器是先将输入模拟电压转换成中间量，如时间或频率，然后将这些中间量转换成数字量。常用的直接A/D转换器有并联比较型A/D转换器和逐次逼近型A/D转换器。常用的间接A/D转换器有中间量为时间的双积分型A/D转换器，中间量为频率的电压－频率转换型A/D转换器。3、逐次逼近型ADC

工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13.4克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重<待测重量Wx，故保留砝码总重仍<待测重量Wx，故保留砝码总重>待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克

结论(1)电路结构：VREF=-10V,VI=6.84V3、逐次逼近型ADC转换原理

100…0100…0VI≥5V

1VI=6.84VVREF=-10V第一个CP：第二个CP：010…0110…010VI<7.5V

VI=6.84VVREF=-10V第三个CP：001…0101…0I’

≥6.25V101I=6.84VVREF=10V（3）工作波形最高位为1的转换电压为VD7＝27VREF/28＝5V，其余各位为1的转换电压逐位按1/2衰减。10000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111（1）分辨率

A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－8＝20mV；（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度

转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。模数转换器的主要技术指标4、A／D转换与微机接口技术原理1）三态总线输入问题

ADC转换好的数据必须经过三态缓冲器与微机数据总线相连。有的ADC芯片带有三态输出缓冲器，其控制端为OE(输出允许)。若不带三态缓冲器的ADC芯片(如AD570芯片)与微机接口，必须使用三态器件，如：8255A，74LS273等。2）时间配合问题

ADC从启动转换到转换结束经过的时间比较长，快则几微妙，慢则几毫秒，A/D转换所需时间大于微机的指令时间。为了输入正确的转换结果，必须解决ADC与CPU取数之间的时间配合问题。

A/D芯片一般有三个信号要求控制：启动转换信号(START)，转换结束信号(EOC)，允许输出信号(OE)。模拟输入允许输出(OE)数据输出启动转换信号（START）转换结束(EOC)ADCCPU5、A／D转换与微机接口电路1）

延时等待法接口电路

延时等待法是利用CPU执行一条OUT指令，启动A/D转换，然后CPU执行软件延时程序。延时时间一般比所选用的ADC芯片转换时间长。延时结束，CPU执行IN指令，发出OE信号，打开三态门获取ADC转换好的数据。需要两个端口地址，一个输出端口，启动ADC，一个输入端口，输入转换结束的有效数据。PROC_ADC PROCFAR

；这是一个数据采集子程序

AGAIN: OUT

N1，AL；启动ADC

CALLDELAY

；延时

IN

AL，N2

；取数

MOV[BX]，AL；存入数组

INCBX

；数组指针加1 LOOPAGAIN

；循环

RET PROC_ADC ENDPN1EQUSTART_PORTN2EQUOE_PORT…..BUFFDB256DUP(?)；定义一个数组，元素个数256…..MOVBX，OFFSETBUFF；定义子程序入口参数

MOVCX，256CALLPROC_ADC；调用数据采集子程序利用延时等待法进行256个数据转换程序。2）查询法接口电路

查询法是由CPU来检查EOC信号。当CPU启动ADC芯片开始转换后，可执行其他任务，再通过状态端口检查ADC是否转换结束。下图是查询ADC的接口电路，有两个端口。CPU先通过Y0（译码器输出）所示端口地址执行一条IN指令，产生一个高电平有效的START信号，启动ADC开始转换。当ADC转换结束产生EOC信号，CPU通过Y1端口地址执行一条IN指令，查询EOC信号。EOC信号通过三态门接数据线D0上，查询到D0为1，则ADC转换好数据，CPU再执行一条IN指令，发出OE信号，取入数据。实际应用中，由于ADC直接与外部的模拟信号相连，当现场的干扰信号较强时，可能会通过ADC芯片影响CPU的正常工作。在实际ADC接口电路中，常用8255A作为ADC与CPU的接口电路。下图为使用8255A作为接口的软件查询方式下的A/D转换。工作过程：8255A的A口作为输入，方式1工作。ADC的START信号由PC7提供，EOC信号接PC4，PC4接收EOC信号后，将PA7~

PA0上数据锁存到A口的数据输入缓冲器，同时从PC5发出输入缓冲区满信号IBFA，CPU读入C口的状态，查询到IBFA为1，将8255A中数据取走，同时启动下一个A/D转换。DATASEGMET;定义数据段BUFFDB256DUP(0);定义数组变量BUFFDATAENDS8255-AEQU238H;8255的A口地址238H8255-CEQU23CH;8255的C口地址23CH8255-SEQU23EH;8255的控制口地址23EHCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATAMOVDS,AXMOVCX,256MOVBX,OFFSETBUFF;BX为数组首地址

MOVDX,8255-S;初始化8255,A口为输入，C口上半部

MOVAL,0B0H;为输入，下半部为输出，B口为输出

OUTDX,ALLOPP:MOVAL,0FH;发START信号

OUTDX,ALMOVAL,0EHOUTDX,ALPOL:MOVDX,8255-CINAL,DX;输入状态信号

TESTAL,20H;检测IBFAJZPOL;若无效，循环检测

MOVDX,8255-A;A口数据有效，取数据

INAL,DXMOV[BX],AL;数据送数组

INCBX;数组指针加1LOOPLOPP;循环256次

MOVAX,4C00HINT21HCODEENDSENDSTART3）中断法接口电路使用中断方法，可提高CPU的利用率，当ADC转换结束，由EOC信号向CPU发出中断请求，CPU响应中断在中断服务子程序中读取转换结果。由CPU执行一条IN指令，启动ADC转换；同时将D触发器清0。使得中断请求信号无效，此时，CPU只管去执行其他程序，一旦ADC转换好数据，EOC信号使D触发器置1，向8259A发出中断请求。若CPU响应中断，则转去执行中断服务程序；CPU执行一条IN指令，使OE信号有效，读入ADC缓冲区转换好的数据，同时，START信号有效，启动下一条数据转换，并将中断请求信号变为无效，开始下一个数据的转换。6

、A／D转换芯片ADC0809一、ADC0809内部结构

模拟输入部分控制逻辑地址译码输入选通基准电压输入端二、管脚说明

管脚说明：

ADC0809芯片有28个管脚，为双列直插式封装。功能说明：

IN7～IN0——8个模拟量输入通道；

ADDA，ADDB和ADDC——通道端口地址选择线。A为低地址，C为高地址。其地址状态与通道对应关系见表10-1。

ALE——地址锁存信号。由低电平到高电平跳变时，将地址状态线的状态锁存，选择相应的输入通道。

START——转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。

D7～D0——数据输出线。为三态缓冲输出形式，D0为最低位，D7为最高。

OE——输出允许信号。有效时将输出寄存器中的数据放到数据总线上；OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

EOC——转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1,转换结束。在使用中，该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

CLK——时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。

Vcc——+5V电源。

REF——参考电源电压，用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V（REF(+)=+5V,REF(-)=-5V）。表10-1通道选择表三、ADC0809的有关参数ADC0809为8位A/D转换器，分辨率为满量程电压的1/256。当基准电压选定为VREF+=+5V，VREF+=0V时，若输入模拟电压为+1.5V，则转换成数字量为77，即01001101B，模拟输入与数字量输出的关系为：例、某8位A/D转换器的输入模拟电压满量程为5V，当输入电压为1.96V时，求对应的输出数字量？解：输出数字量对应的十进制数与输入模拟电压成正比：所以有：

故输出数字量D＝01100100。四、ADC0809的多路转换

ADC0809在模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDC、ADDB和ADDA不同组合选择。ADDC、ADDB和ADDA接CPU的数据线D2～D0，可对8路不同的模拟输入信号进行A/D转换。当ADDC、ADDB和ADDA为100时，且ALE有效时，ADC0809对IN4管脚的模拟输入信号进行转换。7、串行8位A/D转换器TLC0831一、TLC0831主要特点:

分辨率为８位；单通道输入，串行输出；

单+5V供电，输入电压范围为0～＋5V；输出电平与TTL电平兼容；转换速度：转换时间32μS（频率250KHz时）。二、TLC0831管脚功能

CS:片选信号，低电平有效。IN+：模拟电压差分输入端IN-：模拟电压差分输入端(接地)REF：参考电压输入端DO：A/D转换结果数字量输出端CLK：实时时钟输入端

三、TLC0831的工作原理

工作原理：TLC0831内部集成一个逐次逼近型ADC，用来转换由（IN+

，IN-）输入的差分信号，不需要差分输入时，IN-接地，信号接IN+

。

CS低电平时，TLC0831开始工作，整个转换过程CS保持低电平；逐次逼近型ADC在第二个时钟信号开始进行模数转换。转换过程中，转换数据从DO端输出，第一位为最高位，8个时钟周期后转换结束。四、TLC0831与8086CPU的接口

下面是对TLC0831操作的程序，设8255A地址分布为80H~86H。ADC_PROCPROCFAR;这是一个ADC程序，转换结果在AH中

PUSHCXPUSHFMO