新13章 模拟量的输入输出接口

输出代码
输出代码
实际
理想
111 理想 实际 110
100 011 010 001 000 0 1LSB 输入电压 偏移误差 (a ) 理想 111 110 101 100 011 010 001 000 0 1LSB (c) 010 0 01
0 1LSB
~ ~
0 00
输出代码 实际
输出代码 微分非线性 误差 实际 理想
ADC0809芯片为28脚双列直插式封装，具体引脚定义如下： IN0～IN7：8路模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量 的要求主要有：输入模拟信号为单极性；电压范围0～5V； 若输入信号太小还需要进一步放大；在A/D转换过程中其 模拟量输入的值不应变化；对变化速度较快的模拟信号， 在信号输入前应加采样保持电路。 A、B、C：模拟通道地址选择线。A、B、C 3根地址 线用于对8路模拟通道进行选择，其译码关系如表13-1所 示。其中地址线A为低位地址线，C为高位地址线。
将模拟量转换成数字量称为模／数转换，或A/D （Analogue／Digital）转换。将数字量转换成模拟量称 为数/模转换，或称为D/A（Digital／Analogue）转换。 本章重点介绍A/D转换器和D/A转换器的工作原理及典型 的A/D、D/A芯片与MCS-51系列单片机的接口电路设计。
压、放大器放大倍数、电阻网络误差等引起。满刻度误 差也可以通过外部电路来修正。 非线性误差是指实际转移函数与理想直线的最大偏 移，如图13-2(c)所示。注意，非线性误差不包括量化误 差、偏移误差和满刻度误差。 微分非线性误差是指转换器实际阶梯电压与理想阶 梯电压(1LSB)之间的差值。如图13-2(d)所示。为保证 A/D转换器的单调性能，A/D转换器的微分非线性误差一 般不大于1LSB。所谓单调性能是指转换器转移特性曲线 的斜率在整个工作区间始终不为负值。
表13-1 ADC0809通道选择表 C（ADDC） B（ADDB） A（ADDA） 选择的通道
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
ALE：地址锁存信号。在ALE信号的上升沿ADDA、 ADDB、ADDC地址状态送入地址锁存器中。 START：启动A/D转换信号。在START上升沿ADC所有 片内寄存器清“0”；在START下降沿开始进行A/D转换； 在整个A/D转换期间，START保持低电平，该信号常简写 为ST。 D0～D7：数据输出线。该数据输出为三态缓冲输出 方式，可以和单片机的数据总线直接相连。 OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单 片机输出转换后的数据。OE=0时，输出数据线呈高阻状 态；OE=1时输出允许。 CLOCK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，
图13-4 ADC0809内部结构及引脚
ADC0809由三大部分组成： 第一部分是8路输入模拟量选择电路，8路输入模拟 信号分别接到IN0～IN7，究竟选择哪一路去进行A/D转换 由地址锁存与译码电路控制。A、B、C为输入地址选择线， 地址信息由ALE的上升沿锁存到地址锁存器。多路模拟开 关可选通8路模拟量通道，允许8路模拟量分时输入，并 共用一个A/D转换器进行转换。 第二部分是8位逐次比较式A/D转换器。A/D转换器 由控制与时序电路、逐次逼近式寄存器、树状开关以及 256个电阻阶梯网络等组成。 第三部分是三态输出缓冲锁存器，用于存放和输出 转换得到的数字量。
逐次逼近式A/D转换器也称连续比较式A/D转换器，这种 A/D转换器是以A/D转换器为基础，加上比较器、逐次逼 近式寄存器、置数选择逻辑电路以及时钟等组成，如图 13-3所示。
图13-3 逐次比较式A/D转换器结构
其转换的基本原理如下：在启动信号控制下，首先置数 选择逻辑电路给逐次逼近式寄存器最高位置“1”，经D/A转 换成模拟量与输入的模拟量VI进行比较，电压比较器给出比 较结果。如果输入量大于或等于经D/A转换输出的量，则比较 器输出为“1”，否则为“0”，置数选择逻辑电路根据比较 器输出的结果，修改逐次逼近式寄存器中的内容，使其D/A转 换后的模拟量逐次逼近输入的模拟量。经过若干次修改后的 数字量，就是A/D转换的结果。 （2）逐次比较式A/D转换器芯片ADC0809及其典型接口电路 ADC0809是典型的8通道8位逐次比较式A/D转换器，它能分时 地对8路模拟量信号进行A/D转换，结果为8位二进制数据，可 以和微型计算机直接接口。ADC0809的内部逻辑结构及引脚如 图13-4所示。

1 0.00049 0.049% 11 2
(c)相对量化误差
（13-6）
图13-1（a）是A/D转换器输入/输出曲线，其中虚线 为理想转移曲线，实线为实际转移曲线，可见，最大量
化误差为1LSB。有的器件将实际转移曲线在零刻度处偏 移1/2单位使得量化误差为LSB，如图13-1（b）。
输出代码 111 110 输出代码 111 110
13.1.1 A/D转换器的主要技术指标 A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。 （1）分辨率与量化误差 分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程 度的技术指标。A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的 位数，所以习惯上以输出二进制数位数或BCD码数来表示。 例如，某A/D转化器的分辨率为12位，即表示该转换器可 以用212个二进制数对输入模拟量进行量化，其分辨能力 为1LSB，若用百分比表示，其分辨率为0.025%，若允许 输入电压为10V，则可计算出它能分辨输入模拟电压的最 小变化量为2.5mV。
范围。如（0~5）V，（0~10）V，（-5~+5）V等。满刻度 值只是个名义值，实际的A/D转换器的最大输入电压值总 比满刻度值小1/2n（n为转换器的位数）。这是因为0值 也是2n个转换状态中的一个。 世界各公司所生产的A/D转换器所给出的技术指标， 其名称和表达方式不完全相同，使用时应认真阅读产品 手册。 A/D转换器的种类繁多，用于检测与控制的A/D转换 器主要有逐次比较式、积分式、并行比较式和改进型四 类。 逐次比较式A/D转换器的转换时间与转换精度比较适 中，转换时间一般在µs级，转换精度一般在0.1%上下， 适用于一般场合。
误差有：偏移误差，满刻度误差，非线性误差，微分非 线性误差等。 偏移误差是指输出为零时，输入不为零的值，所以 有时又称零点误差。假定A/D转换器不存在非线性误差， 则其输入/输出转移曲线各阶梯中点的连线必定是直线， 这条直线与横轴的交点所对应的输入电压就是偏移误差， 如图13-2(a)所示。偏移误差可以通过在A/D转换器的外 部加接调节电位器，将偏移误差调至最小。 满刻度误差又称增益误差，它是指A/D转换器满刻度 时输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压 值之差。如图13-2(b)所示。满刻度误差一般是由参考电
改迕型是在上述某种形式ad转换器的基础上为满足某项高性能指标而改迕戒复合而1312逐次比较式ad转换器1逐次比较式ad转换器原理概述逐次逢近式ad转换器也称连续比较式ad转换器返种ad转换器是以ad转换器为基础加上比较器逐次逢近式寄存器置数选择逡辑电路以及时钟等组成如图133所示
第13章 模拟量的输入输出接口
积分式A/D转换器的核心部件是积分器，因此速度较慢， 其转换时间一般在ms级或更长。但抗干扰性能强，转换 精度可达0.01%或更高。适用于数字电压表类仪器中。 并行比较式又称闪烁式，由于采用并行比较，因而 转换速率可以达到很高，其转换时间可达ns级，但抗干 扰性能差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。这 类A/D转换器可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪 器中。 改进型是在上述某种形式A/D转换器的基础上，为满 足某项高性能指标而改进或复合而成的。 13.1.2 逐次比较式A/D转换器 （1）逐次比较式A/D转换器原理概述
所需时钟信号由外界提供。通常使用频率为500kHz的时 钟信号，CLOCK信号常简写为CLK。 EOC：转换结束状态信号。当EOC=0时，表示ADC0809 正在进行转换；当EOC=1时，表示ADC0809转换结束。实 际使用时，状态信号既可以作为查询的状态标志，还可 以作为中断请求信号使用。 Vcc：+5V电源供电。 GND：地。 Vref：参考电压。参考电压作为逐次逼近的基准， 用来与输入的模拟信号进行比较。其典型值为Vref（+） = +5V、Vref（-）= -5V。 ADC0809信号的时序如图13-5所示。
13.1 A/D转换器及其接口
• 13.1.1 A/D转换器的主要技术指标
• 13.1.2 逐次比较式A/D转换器 • 13.1.3 串行A/D转换器
• 13.1.4 高精度积分式A/D转换器
13.1 A/D转换器及其接口
A/D转换器是将输入模拟量转换为与之成正比的数字 量的器件，即能把被测对象的各种模拟信号转换成计算 机可以识别的数字信息的器件。
011 010 非线性误差 输入电压 001 000 0
图13-2 A/D转换器的转换精度
~ ~
输入电压 FS (b) 输入电压 1LSB (d )
（3）转换速率 转换速率是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换 次数。这个指标也可表述为转换时间，即A/D转换从启动 到结束所需的时间，两者互为倒数。例如，某A/D转换器 的转换速率为5MHz，则其转换时间是200ns。ADC型号不 同，转换速度差别很大。一般情况下，8位逐次逼近式 A/D转换器的转换时间为100μ s左右。选用A/D转换器型 号时，首先应看现场信号变化的频率程度是否与A/D转换 器的速度相匹配，在被控系统时间允许的情况下，应尽 量选用价格便宜的逐次逼近式A/D转换器。 （4）满刻度范围 满刻度范围是指A/D转换器所允许的最大的输入电压
模拟电压为0V、1V、2V和3V，2位数字量恰好能精确表示， 不会出现量化误差。如果输入模拟电压为其余值，则会 出现量化误差，输入模拟电压为0.5V、1.5V和2.5V时量 化误差最大，应当是0.5V，故量化误差的定义为分辨率 的1/2。 量化误差有两种表示方法：绝对量化误差和相对量 化误差。 绝对量化误差表示为： 量化间距 （13-2）
量化间距可以理解为A/D转换的“台阶”、“步长”，可 由下面的式子求得： （13-1） 其中，n为A/D转换器的位数。 量化误差是由于A/D转换器有限字长数字量对输入模 拟量进行离散取样（量化）而引起的误差，其大小在理 论上为一个单位，所以量化误差和分辨率是统一的，即 提高分辨率可以减少量化误差。例如，2位二进制A/D转 换器的满量程电压值为3V，即输入模拟电压可以在0～3V 之间连续变化，但2位数字量只能有4种组合。如果输入

2 ＝ 2
相对量化误差表示为：

1 2 n 1
（13-3）
当满量程电压为5V，采用10位A/D转换器的量化间距、 绝对量化误差、相对量化误差分别表示为： (a)量化间隔 5 （13-4） 4.88mV
2
10
Hale Waihona Puke Baidu
(b)绝对量化误差
4.88mV 2.44mV （13-5） 2 2
• 13.1 A/D转换器及其接口
• 13.2 D/A转换器及其接口
• 13.3 A/D转换、D/A转换电路中参 考电源的设计
• 13.4 常用A/D、D/A芯片的简介
第13章 模拟量的输入输出接口
• 自动检测与控制的对象大部分是模拟量。而检测与控制 的核心——微处理器能接受并处理的是数字量，因此被测模 拟量(如温度、速度、压力、电流、电压、频率等连续变化的 物理量)必须先通过模数转换器转换成数字量，并通过适当的 接口送入微处理器。同样，微处理器处理后的数据往往又需 要使用数模转换器及相应的接口将其转换成模拟量并送出。 由此产生了单片机与模数转换器和数模转换器的接口问题。
1LSB
1 / 2LSB
011 010 001 000 0 1LSB
输入电压
011 010 001 000 0 1LSB
~ ~
FS (a )
~ ~
图13-1 A/D转换器的量化误差
~ ~
输入电压 FS (b)
~ ~
（2）转换精度 转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D 转换器在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表 示。由于理想A/D转换器也存在着量化误差，因此，实际 A/D转换器转换精度所对应的误差指标不包括量化误差在 内。 A/D转换器的转换精度由模拟误差和数字误差组成。 模拟误差是比较器、解码网络中的电阻值以及基准电压 波动等引起的误差。数字误差主要包括丢码误差, 丢码 误差属于非固定误差，由器件的质量决定。 转换精度指标有时以综合误差指标的表达方式给出，有 时又以分项误差指标的表达方式给出。通常给出的分项