检测与转换技术第八章信号转换技术第九章信号转换技术接口

1第八章信号转换技术

模拟开关

采样/保持器

电压比较器

D/A和A/D转换电路

28.1模拟开关

以某种方式控制模拟信号通、断的元件。每一个模拟开关至少都应包含两个部分：用于切换模拟信号的开关元件和按照控制指令驱动开关元件完成通断转换的驱动电路。3

核心是电控开关。电控开关的种类有机电式：各类继电器电子式：双极性晶体管开关场效应晶体管开关电子式类型结型绝缘栅型集成电路开关4双极型晶体管模拟开关一、双极型晶体管模拟开关

双极型晶体管有三种工作状态：发射结正偏、集电结反偏-放大状态；两个结都正偏-饱和导通；两个结都反偏-截止状态。

A5A6二、结型场效应管模拟开关

结型场效应管模拟开关当时，开关导通；当时，开关截止。

UGS=0UGS<UP<0UP<UGS<0781、CD4051（八选一模拟开关）三、常用电子模拟开关及在系统中的应用9电平转换译码驱动S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516SmCD4501芯片结构及引脚功能102、CD4052B（二组四选二模拟开关）

11UDD(-15V)(+15V)地UEE8111612345712131415电平转换译码驱动INH6B9A10Y(OUT/IN)X(OUT/IN)X(IN/OUT)Y(IN/OUT)CD4502芯片结构及引脚功能123、CD4053B（三组二选一模拟开关）

13141WPUTSTATES“ON”CHANNELSINHIBITCBACD4051BCD4052BCD4053B000000x,0ycx,bx,ax000111x,1ycx,bx,ay001022x,2ycx,by,ax001133x,3ycx,by,ay01004cy,bx,ax01015cy,bx,ay01106cy,by,ax01117cy,by,ay1ФФФNONENONENONECD4051、CD4052、CD4053真值表154、模拟开关在系统中的应用

应用1：应用在数据采集系统中应用2：应用在数据分配系统中应用3：应用在差动放大器中应用4：应用在程控放大器中16四、模拟开关的性能分析1.截止通道对导通通道的影响

(1)截止通道的漏电流影响A点产生的误差电压：当：17(2)高频信号串扰影响

切换多路高频信号时，截止通道的高频信号会通过通道之间的寄生电容和开关源漏极之间的寄生电容在负载端产生泄漏电压，这种现象称为串扰，寄生电容和数值越大，信号频率越高，串扰就越严重。

182.各通道的开关导通电阻或信号源内阻失配所产生的切换噪声

如果各通道开关的导通电阻或各信号源内阻不等，即使各通道输入电压相同，其输出也不会相等，信号源内阻应尽量一致。3.模拟开关的切换速率

模拟开关必须“先断后开”，设由一路切换到另一路所需要的最小时间为，若对n路信号进行顺序开关，则每个开关可用的最高切换速率为：19采样保持器S/H的作用（SampleandHoldAmplifier）8.2采样/保持器

在A/D转换过程中，输入的模拟信号发生变化，将会使A/D转换产生误差，必需保持输入信号不变，才能得到正确的转换结果。当要同时采集多个传感器信号时，需一种电路将各传感器同一时刻的信号保持住，然后通过共用A/D转换器进行转换并送入内存，这种电路就是采样保持器。又简称S/H。20采样保持器的两个工作状态采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，具有两个稳定的工作状态。采样状态：在此期间它尽可能快的接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止；保持状态：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，直至进入下一次采样状态为止。21一、工作原理

采样/保持器构成采样/保持器工作原理①采样时：②在保持期间：

式中：

22

对于采样/保持器来讲：减少充电电阻是保证采样精度的关键。增大放电电阻是保证保持精度的关键。

假设经过这段时间的采样，电容端电压与输入电压的相对误差不超过，则：即：再假设经过结束时，电容端电压的相对衰变不超过，则：23二、基本电路采样/保持电路的基本结构有串联型和反馈型两种。

串联型输出电压的失调误差是两块运放失调误差的代数和，两块运放的共模抑制比有限所引起的共模误差，也会反应在输出端，因此这种电路的精度不够高。通常选用输入阻抗高（场效应管输入级或超β管输入级）、失调参数小、共模抑制比高的运放作为缓冲放大器。若被采样的信号变化速率较高，则应选用高速运放。24反馈型采样／保持器的误差近似于运放A1的失调误差，运放A2的失调误差由于反馈作用而减小到1／A1，从而可忽略不计。所以反馈型采样／保持器具有较高的精度和工作速度。反馈型2526三、采样/保持器的有关参数1.捕捉时间

当发出采样命令后，采样/保持电路输出从原来所保持的值，到达当前输入信号的值所需的时间，称为捕捉时间。

显然采样时间必须大于捕捉时间，才能保持在采样阶段充分地采集到所需的输入模拟信号。捕捉时间主要由电路充电时间常数和所要求的逼近精度所决定，还与开关的导通时间、缓冲放大器的压摆率和稳定时间有关。272.孔径时间

由于模拟开关有一定的动作滞后，从发出保持指令开始到模拟开关完全断开，电路进入保持状态，输出停止跟踪输入所经历的这段时间称孔径时间tAP。由于孔径时间的存在，采样时间被额外地延迟了。

283.保持电压的衰减率

在信号保持期间，由于泄露电流的存在，将引起保持电压的衰减，衰减速率（decayrate）用下式计算：

式中：I:包括运放偏置电流，开关断开漏电流和保持电容内部泄露电流等；C:保持电容的电容量。29四、应用方法1.采样/频率的选择

系统可用的最高采样频率为：

式中：

：获得时间

：指模拟开关的稳定时间

：A/D转换时间

30采样/保持器的分类:通用型AD582，AD583，AD585模拟器件公司LF198，LF298，LF398

国家半导体器件公司

高分辨率型

SHAll44，SHA6，AD389模拟器件公司高速型

ADSHM－5，HIC－0500模拟器件公司

HTS－0025，THC－1500模拟器件公司超高速型

HTC－0300（压摆率250V／μs）模拟器件公司THS－0010（压摆率300V／μs）2.采样/保持器集成芯片及安装与调整

31LF398LF398集成采样/保持器原理电路231脚：V+；2脚：接1K电阻，调节漂移电压；3脚：VIN4脚：V-，5脚：VOUT；6脚：接保持电容CH；7脚和8脚是两个控制端，控制开关的通断。7脚接参考电压，一般7端接地8脚接控制信号。LF398也是反馈型采样／保持器。32主要特性：

1）具有较低的捕捉时间。外接电容CH=100pF采集时间是6μs，可满足8位A／D要求；若CH=1000pF，采集时间为25μs，可满足12位A／D要求。

2）输入阻抗Ri＝30MΩ，输出阻抗（保持状态）Ro=12Ω

3）供电电源±Vs在±9V～±18V范围内选择，输入信号电压可达电源电压±Vs，可适用于12位模数转换电路。

4）模拟地与数字地相互隔离，从而具有较强的抗干扰能力。

5）控制电压UK(控制端8和7之间电压)为TTL电平，7端接数字地，当8端为高电平(UK>1.4V)时，LF398处于跟踪状态，当UK负跳变(从“1”变为“0”)时，LF398转向保持状态。高电平采样；低电平保持。

33AD5821234567891011121314+INNULLOUTPUT-INCHNCNCNCNC+SU-SUL+L-AD582管脚及结构示意1脚：同相输入端，2脚：空；3脚和4脚接直流调零电位器；5脚：负电源6脚和8脚之间接保持电容；7脚：空；8脚：输出端；9脚：是反相输入端；10脚：正电源；11脚和12脚：逻辑控制端;13、14脚：空；

34AD582的特点：1)±9V~±18V供电，典型工作电压是±15V，输入信号可达电源电压，可适用于12位A/D转换器。2)有较高的输入阻抗，约30M欧姆；3)有较短的信号捕捉时间，最短达6μs。该时间与所选择的保持电容有关，电容值越大，捕捉时间越长，它影响采样频率。4)具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力。5)模拟开关由差动的逻辑输入端L+和L-控制，U(L+-L-)在-6V～0.8V时，AD582处于采样模式，U(L+-L-)在+2V～+VS之间时，处于保持模式。低电平采样；高电平保持。6)AD582可与任何独立的运算放大器连接，以控制增益或频率响应，以及提供反相信号等。35电压比较器的功能是对两个输入电压的大小进行比较，并根据比较结果输出高、低两个电平。由于比较器输出只有两个状态，因此，用作比较器的运放将工作在开环或正反馈的非线性状态。在这种情况下，运放输入端“虚短”的结论不再适用，但“虚断”的结论仍然可用。8.3电压比较器

原理图理想输入输出关系36电压比较器的基本特性1.输出高电平(UoH)和低电平(UoL)

用运放构成的比较器，其输出的高电平UoH和低电平UoL可分别接近于正电源电压(UCC)和负电源电压(-UEE)。372.鉴别灵敏度理想的电压比较器，在高、低电平转换的门限UT处具有阶跃的传输特性。要求运放：实际运放的Aud不为无穷大。在UT附近存在着一个比较的不灵敏区。在该区域内输出既非UoH，也非UoL，故无法对输入电平大小进行判别。显然，Aud越大，则这个不灵敏区就越小，称比较器的鉴别灵敏度越高。38转换时间3.转换速度作为比较器的另一个重要特性就是转换速度，即比较器输出状态发生转换所需要的时间。通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。39非线性应用的条件：运放开环或施加正反馈。理想集成运放非线性应用时的特点非线性应用特点：此时，两输入端“虚短路”的概念不再适用。40

反相电压比较器:输入信号ui加在反相端，参考电压ur加在同相端。1简单电压比较器ui<ur

，uo=UOHui>ur

，uo=UOL当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器。

041同相电压比较器输入信号ui加在同相端，参考电压ur加在反相端。

0ui<ur

，uo=UOLui>ur

，uo=UOH当参考电压为零时，则为同相过零比较器。42若ui=5sinωtVur=2V,UCC=12V。试画出反相和同相比较器的输出波形。反相比较器同相比较器uo(V)12-12tuo(V)12-12t043例.将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。例.若ur为三角波，而ui为缓变信号，实现脉宽调制。反相比较器反相过零比较器44++uiuoui0+UZ-UZuo

UZuoui0+UOM-UOM++uoui忽略了正向压降UF用稳压管稳定输出电压45uoui0+UZ-UZuo

UZuoui0+UOM-UOM用稳压管稳定输出电压_+uoui+_+ui+462.窗口比较器(双限比较器)

原理图输入输出关系RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限上门限其中：UA>UB注意:连接47当UI<UB时：uO0uIUBUA下门限上门限下台阶上台阶UOA2UOA1uO0uIUBUA下门限上门限uO0uIUBUA下门限上门限当UI>UA时：UB<UI<UA48原理图输入输出关系RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUAUB下门限上门限其中：UB>UA注意:连接UI<UAUI>UBUA<UI<UB49例：试设计一个窗口比较器，当输入信号在-8V至+7V之间时，给出“1”电平，当输入信号超出这一范围时，给出“0”电平。首先计算分压网络，设电阻分压器中流过的电流为1mA，则总电阻R等于：取：

则：

503.迟滞比较器

简单比较器应用中存在的问题

①.输出电压转换时间受运放的限制，使高频脉冲的边缘不够陡峭；②.抗干扰能力差。在比较门限处，输出将产生多次跳变。为了解决以上两个问题，在比较器中引入正反馈，构成所谓“迟滞比较器”。这种比较器具有很强的抗干扰能力，同时由于正反馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。

511）反相迟滞比较器(下行)特点:电路中使用正反馈和uo相连，而uo有两个值，所以对应的U+就有两个值。故阈值电压就有两个值。1、因为有正反馈，所以输出饱和。2、当uo正饱和时(uo=+UOM)：Hom211+UURRRU+=+=3、当uo负饱和时(uo=-UOM)：Lom211+UURRRU+=+-=－++uoRR2R1uiU+52－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L设ui

,当ui=<U+L,

uo从-UOM

+UOM这时,uo=-UOM,U+=U+H设初始值:

uo=+UOM,U+=U+H设ui,当ui=>U+H,

uo从+UOM

-UOMHom211+UURRRU+=+=LU+53uoui0+Uom-UomU+HU+LU+H上门限电压U+L下门限电压U+H-U+L称为回差om211URRR+=HU+om211URRR+=-LU+传输特性54tuiU+HU+LtuoUom-Uom－++uoRR2R1uiU+例:设输入为正弦波,画出输出的波形。uoui0+Uom-UomU+HU+L假设开始时UO为UOM55－++uoRR2R1uiUR上下限（用叠加定理）uoui0U+HU+L传输特性+UOM-UOM加上参考电压后的迟滞比较器(下行)：56R1=10k

，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L传输特性上下限：=10V=2V例题：2V10V572V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L传输特性+UOM-UOM－++uoRR2R1uiUR2V10Vtt58

滞回比较器可以组成矩形波、锯齿波等非正弦信号发生电路，也可以实现波形变换。与单限比较器相比，滞回比较器的主要优点是抗干扰能力强。波形示意图如右所示：tuI0uO0t正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平滞回比较器的主要优点59tuI0uO0t正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平干扰太大，滞回功能会失效60－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L迟滞比较器(下行)两种电路传输特性的比较:610URRRuRRRom211i212=+++－++uoRR2R1ui0URRRRRRom211212=+-+ui当uo=-UOM当uo=+UOMui=ui=2)同相迟滞比较器(上行)令令uoU+-U-0+UOM-UOM以前学习的过零同相比较器62U+HU+Luoui0Uom-Uom传输特性曲线－++uoRR2R1ui上下门限电压63－++uoRR2R1uiUR上下门限电压URURRRuRRRom211i212=+++当uo=+UOM当uo=-UOMURRRRRRom211212=+-+uiURUR

R2RR21++UR

R2RR21++加上参考电压后的迟滞比较器(上行)：64－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1ui对照U+HU+Luoui0Uom-UomU+HU+Luoui0Uom-Uom加上参考电压后的迟滞比较器(上行)传输特性：65

输出电压高电平UOH和低电平UOL的数；阈值电压的数值UH（U+H、U+L）；当ui变化且经过UH时，uO跃变。跃变的方向决定于同相比较器还是反相比较器。

为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：注意：66

电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路，它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平，为数字量；而输入信号是连续变化的模拟量，因此比较器可作为模拟电路和数字电路的“接口”。674.移相电路和峰值（过零）检测电路

移相前

90度移相后过零比较器输出681)基本的峰值检测电路峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路,最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路。问题:为了避免次级输入电阻的影响,可在检测器的输出端加一级跟随器(高输入阻抗)作为隔离级。692)峰值检测电路改进-1问题：电路中的二极管,仅在Vi-Vo>0时才导通,使电容C充电。为使在(Vi-Vo)很小时也能有足够的充电速度,可将(Vi-Vo)经过放大,再作用于二极管。按照这一设想,可在检测器前加一级比较放大器。Vo703)峰值检测电路改进-2问题：在Vi-Vo<0时,比较放大器的输出电压接近于负电源电压,使D1上有较大的反向电压,D1就会有一定的反向泄漏电流。为抑制D1的反向电流,应使D1的正极在反向时的电压,只略低于Vo。为此,在比较放大器(A2)与D1之间增设二极管D2和电阻R2.Vo714)峰值检测电路改进-3在Vi>Vo时,A2输出较大的正向电压,使D2与D1导通对电容充电。在Vi<Vo时,A2输出的反向电压使D2关断。这时,D2的负极(D1的正极)通过R2联于A1的输出端,使R2一端的电压(对地)为Vo。流过D2的反向电流通过R2,因而使D2的负极(D1的正极)上和电容上的电压得以保持。VoVo72在输入信号的每周期的大部分时间中处于Vi<Vo的状态,因而A2输出端的电压几乎等于负电源电压,A2的中间级和输出级的某些管子,必处于深饱和和深截止状态。仅当Vi在峰值附近的一小段时间中,A2才可能在线性区中,A2的某些管子应从深饱和状态(或深截止状态)转向线性区(放大区)中的状态。管子的这种状态的转换需要经历一段时间才能完成。这种效应限制了输入信号频率,亦即限制了检测速度。对改进电路3提出的问题73为了改善电路的速度,用D3,将比较放大器组成非线性反馈的放大器(图a)。在Vi>Vo时，Vo2高于Vo,D3处于反偏置状态(不导通)，A2仍可视为无反馈的高增益电路;在Vi<Vo时，Vo2低于Vo,D3处于正偏置状态(导通)呈现为低阻抗,A2可视为有强反馈的低增益放大器。若D3的正向等效电阻为RD3,在rD3<<R3时,只要R3充分大，保持Vo值变化较小，对于输入信号来说,该电路相当于有偏置的跟随器(图b)。解决方案74峰值检测电路改进-4较完善的峰值检测器电路75模－数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC(Analog-DigitalConverter)数－模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC(Digital-AnalogConverter)8.4D/A-A/D转换器7677例如：对于0~5V的直流电压，计算机用8位数字量来描述时：最小值（00000000）B=0对应0V，最大值（11111111）B=255对应5V，中间值（01111111）B=127对应2.5V

等

D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。比如收到（00111111）B，应给出幅度为1.25V

的电压。8.4.1D/A转换器将数字信号转换为模拟信号的电路。78电阻网络模拟电子开关求和放大器参考电压一、权电阻网络D/A转换器79集成运放通过RF接入负反馈，有虚短，V-≈V+=080

n位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：优缺点：1.优点：简单2.缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部81二、倒T形电阻网络D/A转换器电阻网络模拟电子开关求和放大器82

由于V-≈V+=0,所以开关S合到哪一边，都相当于接到了“地”电位，流过每条电路的电流始终不变。可等效为：8384

n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R时，输出电压的计算公式：优点：（1）只有R和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。85三、具有双极性输出的DAC例：输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1原码输入对应的输出偏移后的输出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*将符号位反相后接至高位输入

*将输出偏移使输入为100时，输出为0186*将符号位反相后接至高位输入

*将输出偏移使输入为100时，输出为087四、转换精度分辨率（理论精度）指单位数字量的变化所引起的模拟量的变化，通常定义为满量程电压与2n之比值，也可用满量程的百分数来表示。2.转换误差（实际精度）用最低有效位的倍数来表示有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示如：转换误差为0.5LSB，表示输出模拟电压的绝对误差等于当输入数字量的LSB＝1时，其余各位均为0时输出模拟电压的一半。88一、A/D转换的一般步骤

A/D转换过程为：采样、保持、量化和编码。

采样：对模拟信号进行周期性的抽取采样值的过程，就是把时间连续变化的信号转换成在时间上连续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。8.4.2A/D转换器89保持：将采样到的模拟量值保持下来量化：用基本的量化电平(Δ)的整数倍来表示采样保持的模拟电压值。编码：把已经量化的模拟数值用二进制编码表示出来。图ADC的组成部分90最大量化误差为△，即1／8V最大量化误差为1/2△，即1／15V取取91反馈比较型逐次比较型A／D转换器

其工作原理可用天平秤重作比喻。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

结论二、直接A/D转换器9293三、间接A/D转换器双积分型又称为电压－时间变换型（V－T变换型）94首先使积分电容C完全放电。固定时间积分反方向积分第一步，对输入模拟电压进行固定时间T1积分;第二步，对基准电压进行反向积分，使电容放电，放光为止（即vo=0）。对反向放电时间计数，它与输入幅度成正比。95A/D转换结果的读取方式第一种方式：程序查询方式。在启动A/D后，程序不断读取A/D转换结束信号EOC=1，若检测到有效信号，则可读取数据。第二种方式：中断方式。把A/D转换器送出的转换结束信号EOC=1作为中断申请信号，送到CPU或中断控制器的中断请求输入端。第三种方式：固定的延迟程序方式。要预先精确的知道完成一次A/D转换需要的时间。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。三种方式比较：当A/D转换时间较长，采用中断方式。当转换时间较短，宜采用查询方式或延迟方式。96A/D转换器应用AD0809输

入:8路(0V～5V)线性误差：1LSB数字输出：TTL电平,三态输出电源：＋5V～15V时钟频率：640KHz(典型)转换时间：100μs分辨率：8位功

耗：15mW输入电压范围：0V～VREF

转换方式：逐次逼近CMOS工艺，28Pin97A/D转换器应用ALEADDCADDBADDA地址译码与锁存8路模拟开关器IN0IN1IN2IN3IN4IN5

IN6IN78路模拟输入8路模拟输入信号选择哪一路进行转换，要靠多路选择器来完成。例：ADDC=1ADDB=1ADDA=0

的情况1101IN6逐次比较寄存器8位逐次比较寄存器共可记录28=256种不用状态。

树状开关

开关树输出UREF也有256个参考电压，将UREF送入比较器与输入模拟电压uI进行比较。98startclock输出允许（＝1,输入信号）转换结束（＝1,输出）地址锁存，输入信号500KHz～1MHz启动（高电平脉冲,输入）99上升沿内部寄存器清0，下降沿开始转换，转换期间保持低电平低电平向ADDA-C写地址，高电平地址被锁存OE=0高阻，OE=1输出EOC=0转换，EOC=1结束，可进行下一步操作10051单片机引脚简介1、电源管脚：

Vcc,Vss2、时钟电路管脚：

XTAL1,XTAL23、控制信号脚：

RST/VPD,ALE/PROGPSEN及Vpp/EA4、I/O管脚

P0,P1,P2,P3101ADC0809与单片机接口102判断接口是否正确103AD1674①分辨率12位。②快速逐次逼近式，转换时间为10μs。③内部集成时钟、基准电压电路以及采样保持放大器。④有与8位/16位微处理器兼容的接口，三态输出锁存。⑤单级性和双级性输入，模拟输入电压范围0~10、0~20V、±5V和±10V。104内部结构105AD1674控制逻辑真值表0106AD1674转换启动时序107AD1674读操作时序108模拟输入方式单极性输入的接线和校准：AD1674在单极性方式下，有两种额定的模拟输入范围：0~+10V的输入接在10VIN和AGND间，0~+20V输入接在20VIN和AGND间。R1和R2为调整电阻。109模拟输入方式双极性输入的接线和校准：双极性时也有两种额定的模拟输入范围：±5V和±10V。±5V输入接在10VIN和AGND之间；±10V接在20VIN和AGND之间。R1和R2为调整电阻。110AD1674与8位单片机接口111AD1674用于心电检测112第九章信号转换技术

---接口

113总线的概念一、总线的定义定义一：是计算机各模块间进行信息传输的通道。定义二：一组导线的集合，是系统与系统之间或系统内部各部件之间进行信息传输所必需的全部信号线的总和。114AGPCPUDIMMISAPCIFDCIDE115ISA总线：早期的系统总线，所有的外围设备都要挂接在ISA总线上，如早期的显卡、声卡、网卡。PCI总线：数据采集卡等。现在基本不再使用。FDC：软盘控制器。IDE：硬盘和光驱接口。DIMM：内存条接口。AGP：接显卡。1161171181191201、片内总线片内总线是指一些大规模集成电路内部的总线，是用来连接各功能部件的信息通路。片内总线根据其功能又被分为地址总线、数据总线、控制总线。这种总线是由微处理机芯片厂家设计的，或者由用户借助CAD（计算机辅助设计）技术设计自己的专用芯片。1212、微处理器总线微处理器总线又称处理器总线、主板局部总线、元件级总线，它是指在印刷电路板上连接各芯片的公共通路。它可能是一台单板计算机或是一块CPU主板上用于芯片一级的连接总线，一般是CPU芯片引脚的延伸，与CPU关系密切。1223、系统总线系统总线又称为I/O通道总线、内总线、板级总线，它是用于微型机系统各插件板之间的连接，是微型机系统最重要的一种总线。一般谈到微型机总线，指的就是这种总线。系统总线一般都做成多个插槽的形式，各插槽相同的引脚都连在一起，总线就连到这些引脚上。1234、外总线外总线又称为通信总线，它用于微机系统之间，微机系统与仪器或其它设备之间的通信通道。外总线的数据传输方式可以是并行或串行，数据传输速率比内总线低。常用的外总线有RS-232、IEEE-488、VXI、USB等。124125ISA总线原理ISA总线概况:ISA总线来源于IBM-PC微计算机。开始时PC机面向个人及办公室，定义了8位的ISA总线结构，对外公开，成为标准（ISOISA标准）。第三方开发出许多ISA扩充板卡，推动了PC机的发展。1984年推出IBM-PC/AT系统，ISA从8位扩充到16位，地址线从20条扩充到24条。126127128总线基本信号BACKOSCRESET总线访问信号SA19~SA0

BALEAENSMEMR#SMEMW#IOR#IOW#总线控制信号总线访问信号LA23~LA17SBHE#MEMR#MEME#DACK3#~DACK1#

T/C总线控制信号DACK7#~DACK5#DACK0#MASTER总线访问信号SD7~SD0I/OCHRDYI/OCHCK#NOWS#IRQ7~IRQ3DRQ3~DRQ1SD15~SD8MEMCS16#IOCS16#IRQ15、IRQ14、DRQ12~DRQ9DRQ7~DRQ5DRQ0总线控制信号总线访问信号总线控制信号ISA总线引线示意图129A9=0时提供512个端口地址归主机板的I/O可编程芯片使用。当A9=1时，提供的512个端口地址用于主机和主机插槽的I/O设备交换信息。

PC机扩展地址的规定130扩展板卡处于总线扩展插槽中，因此，其地址范围应在200H~3FFH。在这段地址中，有些地址已被微机系统使用，其使用情况如下表所示：I/O设备端口BIOS中使用的端口地址未用0200H游戏杆端口0201H未用0202H~0277H并口打印机0278H~027FH未用0280H~02F7H串二02F8H~02FFH串一03F8H～03FFH131PC机I/O端口地址译码技术

第一片8255的地址为：220~223H，用/CS0作为片送；第二片8255的地址为：224~227H，用/CS1作为片送；8253的地址为：260~263H，用/CS2作为片送；第一片16550的地址为：240~247H，用/CS3作为片送；第二片16550的地址为：250~257H，用/CS4作为片送；第三片16550的地址为：280~287H，用/CS5作为片送；132采用变址技术的A/D转换器接口技术

-----8255可编程并行接口133resetD7~D0A9~A2A1A0IORIOW片选译码数据缓冲器读写控制片内译码CSRESETA1A0RDWRPC7~PC0PB7~PB0PA7~PA0控制口D端口A端口C端口B+5VGNDD7~D0外设8255A总线1348255和CPU一边相连的信号

1、RESET：复位信号

RESET信号到来时，所有内部寄存器被清除，三个端口被设为输入端口。4、：读信号3、：片选信号5、：写信号6、A1、A0：端口选择信号

00：选中A端口01：选中B端口10：选中C端口11：选中控制口2、D7～D0：数据线，和系统总线相连。1351.数据端口A、B、C每个端口8位，通过编程设定其为输入口或输出口可用来和外设传送信息

端口A

有3种工作方式(方式0、方式1、方式2)

对外8根引脚PA7~PA0

端口B

有2种工作方式：方式0、方式1对外8根引脚PB7~PB0端口C对外引脚PC0~PC71362.控制端口D(A组和B组控制电路)

8位端口，无对外引脚可用来和外设传送信息控制端口的内容决定A口、B口、C口的工作状态(输入或输出和工作方式（方式0、1、2）,起控制作用。3.数据总线缓冲器(引脚D0~D7)由1个8位双向三态缓冲器构成8255A内各端口通过数据缓冲器与系统总线相连。

CPU与端口A、B、C间传送的数据，以及CPU写入控制端口D中的控制字均通过数据缓冲器传送。1374.读写控制电路(引脚CS、RD、WR)控制数据总线缓冲器的状态。数据总线缓冲器有3种状态：输入、输出、高阻态5.片内译码电路(引脚A1、A0)选择被操作的端口1388255芯片引脚定义与功能由CS、A1、A0、RD、WR引脚的不同组合，实现各种不同的功能。

1398255A的控制字

140例：8255A端口A工作于方式0输入，端口B方式0输出，端口C输入。8255A各端口地址为220H～223H，请编写出初始化程序。MOVAL,99H;置控制字于AL中,控制字10011001BMOVDX,223H;置DX为控制口地址OUTDX,AL;将控制字写入控制口10010011端口C低四位输入端口B输出端口B方式0端口C高四位输入端口A输入端口A方式0标识位解：1）确定控制字2）写初始化程序141三种工作方式方式0（基本输入输出方式）

工作在方式0的端口，为单向传送端口,输入或输出

作为输入口相当于普通的三态门作为输出口相当于普通的锁存器

CPU可利用工作在方式0的端口，直接对端口进行读写操作，实现CPU与外设间的数据传送。A口或B口工作在方式0:与C口之间没有硬件联系。142143MOVDX，223H；确定8255工作方式0MOVAL，99H；A、C口入，B口出。

OUTDX，AL;控制字10011001BMOVSI，1000H；确定采样数据有效首址

MOVDX，221H；B口地址START：MOVAL，00H；启动AD574A，；PB7=R/C=0转换；PB6=A0=012位转换

OUTDX，AL;WAIT1：MOVDX，222H；C口地址

INAL，DXTESTAL，80H；查询转换是否结束，

PC7=1，与STS相连

JNZWAIT1；没结束则等待144MOVDX，221H；B口地址MOVAL，0C0H；11000000B，PB6=PB7=1OUTDX，AL;PB7=R/C=1读状态，PB6=A0=1读低4位MOVDX，220H；读取低4位转换结果INAL，DXMOV［SI］，AL；将采样数据存放数据区INCSIMOVDX，221HMOVAL，80H；PB7=R/C=1读状态，PB6=A0=0读高8位OUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DX；读取高8位MOV［SI］，ALINCSI1458254可编程定时器/计数器Intel系列的计数器/定时器电路为可编程序间隔定时器PIT(ProgrammableIntervalTimer)，型号为8253，改进型为8254。8253最高工作频率2.6MHz、8254最高工作频率为10MHzIntel8254具有3个独立的16位计数器通道，使用单一5V电源，它是24个引脚的双列直插式器件。146Intel8254主要功能：(1)一个芯片上有三个独立的16位计数器通道；(2)每个计数器都可以按照二进制或二—十进制计数；(3)每个计数器的计数速率可高达10MHz；(4)每个通道有6种工作方式，可由程序设置和改变；(5)所有的输入输出都与TTL兼容。147内部结构和引脚D7～D0计数器0控制字寄存器计数器1计数器2内部数据总线数据总线缓冲器读写控制逻辑RDWRA0A1CSCLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT21481.计数器预置寄存器GATECLKOUT减1计数器输出锁存器计数初值存于预置寄存器；在计数过程中，减法计数器的值不断递减，而预置寄存器中的预置不变。输出锁存器用于写入锁存命令时，锁定当前计数值149计数器的3个引脚CLK时钟输入信号在计数过程中，此引脚上每输入一个时钟信号（下降沿），计数器的计数值减1GATE门控输入信号控制计数器工作，可分成电平控制和上升沿控制两种类型OUT计数器输出信号当一次计数过程结束（计数值减为0），OUT引脚上将产生一个输出信号150与处理器接口D0~D7数据线A0~A1地址线/CS片选信号/RD读信号/WR写信号/CSA1A0读操作/RD写操作/WR000001010011读计数器0读计数器1读计数器2无操作写计数器0写计数器1写计数器2写控制字1518254的编程8254加电后的工作方式不确定8254必须初始化编程，才能正常工作写入控制字写入计数初值读取计数值1521.写入方式控制字计数器读写格式工作方式数制D7D6D5D4D3D2D1D000计数器001计数器110计数器211非法00计数器锁存命令01只读写低字节10只读写高字节11先读写低字节后读写高字节000方式0001方式1010方式2011方式3100方式4101方式50二进制1十进制控制字写入控制字I/O地址（A1A0＝11）1532.写入计数值选择二进制时计数值范围：0000H～FFFFH1-2160000H是最大值，代表65536选择十进制（BCD码）1-104计数值范围：0000～99990000代表最大值10000计数初值写入次数：

由于数据引脚只有8根（D7～D0)，因而，当计数初值>8bit（255或99），则要分两次写入初值寄存器。1543.读取计数值对8位数据线，读取16位计数值需分两次计数在不断进行，应该将当前计数值先行锁存，然后读取：向控制字I/O地址：给8253写入锁存命令从计数器I/O地址：读取锁存的计数值读取计数值，要注意读写格式和计数数制1558254计数器的启动1561578253的工作方式8253有6种工作方式，由方式控制字确定熟悉每种工作方式的特点才能根据实际应用问题，选择正确的工作方式每种工作方式的过程类似：⑴设定工作方式⑵设定计数初值⑶硬件启动⑷计数初值进入减1计数器⑸每输入一个时钟计数器减1的计数过程⑹计数过程结束158方式0：计数结束产生中断向计数器写完计数值时，开始计数，OUT变为0计数到0时OUT输出为1GATE为高电平时，计数器工作，为低电平时停止计数在计数时，若重新写入新的计数值，则按新的值重新工作WRN=4初始低电平43210OUTGATE=1计数到0产生高电平写入计数值开始计数计数值一次有效159方式1：可编程单拍脉冲设置方式后，OUT即变为高电平写入计数值后，并不开始计数，只有其后当GATE的上升沿才开始工作，OUT变为低。计数到0后，OUT变高计数过程中若GATE又出现0-1的脉冲，则重新装入原始计数值，重新开始计数。若计数中改变计数值，则要下次才会以新数计数。WRGATEOUTN=332103210计数值写入计数值不计数GATE触发开始计啥初始高电平GATE再次触发再计数计数值多次有效160方式2：频率发生器为自动装入计数常数的计数器。计数期间OUT为1，计数到0后输出1个周期的0，并重新装入计数值开始计数。计数过程中若GATE又出现0-1的脉冲，则重新装入原始计数值，重新开始计数。若计数中改变计数值，则要下次才会以新数计数。N=4WROUT4321（4）0321周期等于计数值NGATE=11个CLK自动连续循环计数不用触发计数值多次有效写入计数值开始计数161方式3：方波发生器方式3与方式2相似OUT输出是一个占空比为1：1的方波若计数为奇数，则前面的1比后面的0多1个脉冲432103210543210N24242N=奇数，高电平N+12低电平N-125+125-12其它同方式2计数值N=偶数，输出对称的方波162WROUTN=33210GATE=1软件触发写入计数值开始计数1个CLK计数值一次有效，再计数需在次写入计数值方式4：软件触发选通写入计数值后输出为高，开始计数计数结束时，输出1个脉冲低电平，再变高若计数中改变计数值，则要结束后才会以新数计数。163WRN=3GATEOUT3210写入计数值不计数GATE触发计数3210GATE再次触发，再次计数计数值多次有效1个CLK方式5：硬件触发选通写入计数值后由GATE上升沿启动计数其余与方式4相同1648254与PC机的连接编程

方式3设置为80方式2设置为40/cs=260H~267H165TIMEPROCNEARPUSHAXPUSHDXMOVDX266H；控制寄存器地址MOVAL36H；计数器0编程为方式300110110BOUTDXALMOVAL74H；计数器1编程为方式201110100BOUTDXALMOVDX260H；计数器0地址MOVAL80；装入计数值80OUTDXAL166XORDLALOUTDXALMOVDX262H；计数器1地址MOVAL40；装入计数器值40OUTDXALXORALALOUTDXALPOPDXPOPAXRET167串行通信通信方式168一、串行通信接口标准RS-232C

RS-232C是EIA(ElectronicIndustriesAlliance,美国电子工业协会)于1962年公布，并于1969年修订的串行接口标准，已成为国际上通用的标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。串行接口目前最普遍的用途是连接调制解调器，串行端口插座分为9针或25针两种。串行接口被赋予专门的设备名COMl和COM2。目前RS-232C已成为数据终端设备DTE与数据通信设备DCE（或数据装置）的接口标准。不仅在远距离通信中要经常用到它，就是两台计算机或设备之间的近距离串行连接也普遍采用RS-232C接口。

169RS232DB9针脚最简连接170RS-232C的电气特性RS-232C的最高传输速率为20Kb/s，最大传输线长度为15m。采用高质量低电容电缆可以达到150m。RS-232C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15mRS-232C由于在发送器与接收器之间有公共信号地，不能使用双端信号，因此很容易引入共模噪声，且噪声幅度可高达好几伏，这是迫使RS-232C使用较高传输电压的主要原因。另一个原因是为了补偿传输线上的信号衰减和沿线附加电平的影响。171RS-232C的电气特性RS232C协议规定的EIA电平发送器低电平为＋5V～＋15V高电平为－5V～－15V接收器低电平为＋3V～＋25V高电平为－3V～－25V标准TTL电平高电平：＋2.4V～＋5V低电平：0V～0.4VMC1488,TTL向RS232转换MC1489,RS232向TTL转换MAX232双向转换相互转换172173174利用MAX232转换电平的电路175RS-422A总线采用平衡输出的发送器，差分输入的接收器。如图所示。发送器输出电压为2~6V，接收器的识别电压为±0.2v。当AA’线的电平比BB’线的电平高200mⅤ时表示逻辑“1”，当AA’线的电平比BB’线的电平低200mV时表示逻辑“0”。RS-422A标准MC3487四RS-422发送器

MC3486四EIA-422/423接收器100Kbps@1km，10Mbps@10m176

RS-422A标准的特点：①采用的平衡驱动、差分接收电路，抗共模干扰信号能力很强，其对逻辑电平的定义是根据两条传输线A、B之间的电位差值来决定的，如当AA′线的电平比BB′线的电平低0.2V时表示逻辑“0”。

②RS-422A的最大传输速率可达10Mb/s（当传输距离为15m时），最大传输距离可达1200m（当传输率为90Kb/s时），而相比之下，RS-232C的最大传输率为20Kb/s，最大传输距离为15m（50英尺）。

③允许驱动器输出电压为+2V~+6V，接收器输入电平灵敏度为+0.2V。采用四根线传输信号（2根用于发送，2根用于接收），可以实现多站互联通信，但标准规定电路中只有一个发送器，可以有多达10个接收器。

177RS-485总线

与RS-422A基本相同。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线。RS-485总线适用于多台设备之间的连接！应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。传输速率高，最大传输速率可达10Mb/s（传送15m）；传送距离远，采用双绞线，在不用MODEM的情况下，当100Kb/s的传输速率时，可传送的距离为1.2km，RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态！178RS-485总线使用RS-485多个点之间共用一对线路过行总线方式联网

179产品简介：

MWE485-D实现RS-232和RS-485/422有源隔离转换，支持远程通信（大于2Km）和多机通信（128接点），全双工、半双工通用，外加DC5V供电。

产品特性■隔离转换,全双工、半双工通用

■一体化接线端子,标准DB9孔串口

■独有串口保护电路,可带电热插拔

■内置智能模块,自动识别RS-485信号流向,无需CTS流控

■内置600W/ms抗雷击保护和15KV抗静电保护

■透明传输，波特率自适应，无需更改用户协议

■工业级设计,优选进口元器件,全部表面贴装工艺技术指标■工作电压：DC5V±5%

■工作电流：＜20mA

■波特率：300~38.4Kbps

■通信距离：0~2Km

■隔离电压：2500V

■保护动作电压：7~8V

■保护动作容量：600W/ms

■静电保护电压：15KV

■工作温度：-45℃~85编程串行接口芯片

美国国家半导体公司（NationalSemiconductor）的PC16550D是一个通用的异步接收器/发送器UART芯片，它与IBM早期推出的个人计算机IBMPC/XT所使用的UART芯片INS8250兼容，但最高波特率提高到1.5Mb/s，且具有接收器和发送器FIFO（first-infirst-out先进先出）缓冲区，每个FIFO缓冲区长度均为16个字节。目前16550在PC机的外围芯片组中得到了广泛的应用，本节以16550为例来说明UART芯片的功能、特点和用法。182串行接口的工作过程CPU串行接口外部设备接收发送串行接口将CPU送来的并行数据转换成串行数据，并对有效数据“包装”，即加上起始位、产生奇偶校验位和停止位，再发送出去。发送数据接收数据串行接口将串行输入的数据转换成并行数据，同样要对有效数据进行处理（去掉起始位、校验位和停止位）和奇偶校验，然后等待CPU取走。

1831D0D1D2D3D4D5D6

D7RCLKSINSOUTCS0CS1CS2BAUDOUTXINXOUTWRWRVSS204021VccRIDCDDSRCTSMROUT1DTRRTSOUT2INTRRxRDYA0A1A2ADSTxRDYDDISRDRD1655016550的引脚及其功能1841.数据线

D0~D7：八位双向三态数据线，与CPU的数据总线连接，用于实现16550与CPU之间的通信，包括数据、控制字及状态信息的双向传输。

2.地址线：用来实现让CPU对16550片内寄存器的寻址，含有：

CS0、CS1、CS2：片选信号，当输入的CS0

、CS1为高电平，CS2为低电平时，16550芯片被CPU选中。

A0~A2：片内寄存器选择线，CPU用此来选择要访问的16550的内部寄存器中的某一个。

ADS：地址选通信号，用于锁存三个片选信号和A2~A0的输入状态，若在对16550读写过程中，A2~A0稳定（例如用在Intel微处理器上），ADS可直接接地。

1853.读/写控制逻辑线：DDIS：驱动器禁止信号输出，每当CPU从16550读取数据时，DDIS=0。其余时候均为高电平，禁止挂在CPU与16550之间的数据线上的收发器与16550通信。RD、RD：读控制信号（两者可任意用一个），用于控制16550内部寄存器中读出数据或状态信息。WR、WR：写控制信号（两者可任意用一个），用于控制向16550内部的寄存器写入命令字或数据。186Xin、Xout：时钟信号输入引脚，有两种方式可以通过这两引脚产生16550的内部基准时钟，一种方式是将石英晶体振荡器直接连接在这两个引脚之间，另一种是将外部时钟信号连接到Xin引脚上。

MR：主复位信号，用于对16550复位操作，一般应将此引脚连接到系统RESET信号上，使16550与系统同时复位。

INTR：中断请求信号，由此引脚向CPU申请中断。

OUT1、OUT2：用户自定义的输出信号，可由用户编程来改变这两个引脚输出电平，作何用途，由用户自己设计。

187RXRDY：接收器就绪，输出信号。BAUDOUT：波特输出信号，是16550内部发送器的波特率发生器产生的发送时钟信号。

RCLK：接收器时钟输入，此信号将作为16650接收器的基准时钟信号，一般将其与BAUDOUT连接在一起，则16550通信中的发送波特率与接收波特率是相同的。TXRDY：发送器就绪，输出信号。1884.串行数据输入/输出线：RTS：请求发送，输出，表明1655