第十一章 模拟量接口

Iout1＝I0＋I1＋I2＋I3 ＝VREF/2R×（1/8＋1/4＋1/2＋1） Rfb＝R Vout＝－Iout1×Rfb ＝－VREF×[（20＋21＋22＋23）/24] Vout＝－（D/2n）×VREF
11.1.3 DAC0832芯片

DAC0832 是典型 的8位电流输出型 通用DAC芯片
N ＝（－1.5＋5）÷（5＋5）×256 ＝89.6≈90＝5AH
ADC芯片与主机的连接


ADC芯片相当于“输入设备”，需要接 口电路提供数据缓冲器 主机需要控制转换的启动 主机还需要及时获知转换是否结束，并 进行数据输入等处理
1. 数据输出线的连接

与主机的连接可分成两种方式
直接相连：用于输出带有三态锁存器的 ADC芯片 通过三态锁存器相连：适用于不带三态锁 存器的ADC芯片，也适用带有三态锁存缓 冲器的芯片
地址锁存 和译码
DAC
OE ADC0809
Vcc
GND VREF(+)
VREF(-)
1. ADC0809的模拟输入

提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑
IN0～IN7：8个模拟电压输入端 ADDA、ADDB、ADDC：3个地址输入线 ALE：地址锁存允许信号

ALE 的上升沿用于锁存 3个地址输入的状 态，然后由译码器从 8个模拟输入中选择 一个模拟输入端进行A/D转换
2. ADC0809的转换时序
START/ALE ADDA/B/C
转换启动信号 转换结束信号
EOC
OE D0～D7 200ns (最小)
DATA
100s
2s+8T (最大)
3. ADC0809的数字输出

ADC0809内部锁存转换后的数字量 具有三态数字量输出端D0～D7 配合输出允许信号OE
D3
D2
D1
D0
虚地
D/A转换器的原理图（3）
Va＝VREF Vb＝VREF/2 Vc＝VREF/4 Vd＝VREF/8
I0＝Va/2R＝VREF/（8×2R） I1＝Vb/2R＝VREF/（4×2R） I2＝Vc/2R＝VREF/（2×2R） I3＝Vd/2R＝VREF/（1×2R）
D/A转换器的原理图（4）
dx,port1 mov al,bl 12位 DAC 模拟输出 out dx,al 8位 锁存器 mov dx,port2 mov al,bh out dx,al
关键的一级锁存
由同一个信号控制
需要输出高4位数据
DAC芯片的应用
mov dx,portd mov al,0 repeat: out dx,al inc al jmp repeat
DI0～DI7
Iout1
LE2 DAC0832
DAC0832的工作方式：单缓冲方式

LE1＝1，或者LE2＝1 两个寄存器之一始终处于直通状态 另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）
输入 寄 存 器 LE1 DAC 寄 存 器 D/A 转 换 器
DI0～DI7
Iout1
LE2 DAC0832
Vin
V/I Iin
积分器
VREF
V/I
IREF
转换结束 数字输出
时钟 启动计数
计数器
4. 并行式
Vin
VREF R/2 R R 比较器
直 接 比 较 法
速 度 快 成 本 高
R R R R
编
码 数字输出
电
路
R/2
11.2.3 ADC0809芯片

具有A/D转换的基本功能
CMOS工艺制作 8位逐次逼近式ADC 转换时间为100 s
1. 主机位数等于或大于DAC芯片位数
2. 主机位数小于DAC芯片位数
1. 主机位数大于或等于DAC芯片的连接
D0～D7
LS273 CLK
DAC
_ + A Vout
IOW AB
译码
mov al,buf mov dx,portd out dx,al
DAC0832单缓冲方式
+5V 5V
AB
Vcc ILE
DAC0832的工作方式：双缓冲方式

两个寄存器都处于受控（缓冲）状态 能够对一个数据进行 D/A 转换的同时；输入 另一个数据
输入 寄 存 器 LE1 DAC 寄 存 器 D/A 转 换 器
DI0～DI7
Iout1
LE2 DAC0832
2. DAC0832的模拟输出

Iout1、Iout2——电流输出端 Rfb——反馈电阻引出端（电阻在芯片内） VREF——参考电压输入端
ILE
CS WR1 WR2 XFER
DAC0832
Vcc DGND
1. DAC0832的数字接口

8位数字输入端

DI0～DI7（DI0为最低位） ILE、CS*、WR1*

输入寄存器（第1级锁存）的控制端


DAC寄存器（第2级锁存）的控制端

XFER*、WR2*
直通锁存器的工作方式
两级缓冲寄存器都是直通锁存器

包含扩展部件
多路开关 三态锁存缓冲器
ADC0809的内部结构图
CLOCK
1N0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
START
定时和控制 通道 选择 开关
比较器
EOC
8位 三态 锁存 缓冲器
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
逐次逼近 寄存器SAR
ADDA ADDB ADDC ALE
第11章 模拟量接口
教学重点

DAC 0832及其与主机的连接 ADC 0809及其与主机的连接
模拟量与数字量

模拟量——连续变化的物理量
DAC 数字/模拟转换器
模拟/数字转换器 ADC

数字量——时间和数值上都离散的量
模拟输入输出系统
模拟信号 现场信号 传感器 1 采样保持器 A/D转换器 传感器 放大器 多 低通滤波器 现场信号 将各种现场的物理量测量出来 路 把传感器输出的信号放大到 ADC 所需 数字信号 采样保持器 低通滤波 传感器 多路开关 放大器 2 用于降低噪声、滤去高频干扰， 开 并转换成电信号（模拟电压或电流） 的量程范围 周期性地采样连续信号， 关 把多个现场信号分时地接通到 A/D转换器 以增加信噪比 微型 并在 A/D 转换期间保持不变 计算机 现场信号 放大器 … n 传感器 放大器 低通滤波
VREF VOUT2 V I1 I R R Rfb 2 3 DI
REF
R2（2R）R3（2R）
1
V A1 OUT1 Iout2 I2 + Vout1 R1 AGND
Iout1
_
R1（R）
I2
_ + A2
Vout2
I1＋I2＝0
双极性电压输出：公式 取 R2＝R3＝2R1 得 Vout2＝－（2Vout1＋VREF）
CPU 8位 12位
DAC
两级锁存电路
4位 锁存器 8位 锁存器 4位 锁存器
D0～D7
8位 锁存器
12位 DAC
模拟输出
第1级高4位锁存控制 第1级低8位锁存控制 第2级12位锁存控制
关键的一级锁存
由同一个信号控制
无需输出数据
简化的两级锁存电路
mov 4 位 锁存器
D0～D7 8位 锁存器
第1级低8位锁存控制 第2级12位锁存控制
3. 输出精度的调整
5V VREF Rfb DI 1K
调满刻度 电位器
Iout1 Iout2
AGND
_
1M A 10K 调零 电位器 电源 Vout
+
4. 地线的连接
模拟电路 ADC DAC 数字电路
模拟电路 AGND
数字电路
DGND
模拟地
公共接地点
数字地
DAC芯片与主机的连接


DAC芯片相当于一个“输出设备”，至 少需要一级锁存器作为接口电路 考虑到有些DAC芯片的数据位数大于主 机数据总线宽度，所以分成两种情况：
输出正向锯齿波
255LSB 254LSB
2LSB 1LSB 0 2次数据输出的时间间隔
锯齿波周期
11.2 A/D转换器
模拟量
模拟/数字转换器 ADC
数字量
A/D转换的基本原理


存在多种 A/D 转换技术，各有特点， 分别应用于不同的场合 4种常用的转换技术
计数器式 逐次逼近式
双积分式
并行式

＋10V～－10V

AGND——模拟信号地 VCC——电源电压输入端

＋5V～＋15V

DGND——数字信号地
单极性电压输出
Vout＝－Iout1×Rfb ＝－（D/28）×VREF
_
VREF DI Rfb Iout1
Iout2 AGND
+
A
Vout
单极性电压输出：例子
Vout＝－（D/2n）×VREF

LE＝1，直通（输出等于输入） LE＝0，锁存（输出保持不变）
输入 寄 存 器 LE1 DAC 寄 存 器 D/A 转 换 器
DI0～DI7
Iout1
LE2 DAC0832
DAC0832的工作方式：直通方式

LE1＝LE2＝1 输入的数字数据直接进入D/A转换器
输入 寄 存 器 LE1 DAC 寄 存 器 D/A 转 换 器
28
基准电压VREF(+)＝5V，VREF(－)＝0V 输入模拟电压Vin＝1.5V
N ＝（1.5－0）÷（5－0）×256 ＝76.8≈77＝4DH
双极性转换示例

N
Vin VREF( ) VREF( ) VREF( )
28
基准电压VREF(+)＝＋5V，VREF(－)＝－5V 输入模拟电压Vin＝－1.5V
电阻网络
R
2R S0
d 2R 2R Rfb I0 Iout1 _ Iout2 + Vout
电子开关
Rfb
D3
D2
D1
D0
基准电压
D/A转换器的原理图（2）
a VREF S3 I3 R 2R S2 I2 b R 2R S1 I1 c
阻抗＝2R
R
2R S0
d
运算放大器
2R 2R Rfb I0 Iout1 _ Iout2 + Vout Rfb
译码
VREF
Rfb Iout1 _ + A Vout
CS
IOW D0～D7
WR1 Iout2 DI0～D17 WR2 XFER DGND AGND
2. 主机位数小于DAC芯片的连接


数字数据需要多次输出 接口电路也需要多个（级）锁存器保存 多次输出的数据 并需要同时将完整的数字量提供给 DAC 转换器
1. 计数器式
以最低位为增减量 单位的逐步计数法
模拟输入
比较器
D/A转换器
转换结束 数字输出
时钟 复位
计数器
2. 逐次逼近式
从最高位开始 的逐位试探法
模拟输入 D/A转换器
比较器
数字输出
时钟 复位
寄存器
转换结束
3. 双积分式
Vc
两个积分阶段 实质是电压/时间变换
固定时间 斜率可变 T1 T2 比较器 固定斜率 时间可变
低通滤波
控制信号 受控对象
模拟信号 放大驱动电路
D/A转换器
数字信号
11.1 D/A转换器
模拟量
DAC 数字/模拟转换器
数字量
11.1.1 D/A转换的基本原理
数字量 → 按权相加 → 模拟量
1101B ＝ 1×23＋1×22＋0×21＋1×20 ＝ 13
D/A转换器的原理图（1）
a VREF S3 I3 R 2R S2 I2 b R 2R S1 I1 c
因 Vout1＝－（D/28）×VREF 故 Vout2＝[（D－27）/27）]×VREF
双极性电压输出：例子
Vout＝[（D－27）/27）]×VREF
设 VREF＝5V D＝FFH＝255时，最大输出电压： Vmax＝[（255－128）/128]×5V＝4.96V D＝00H时，最小输出电压： Vmin＝[（0－128）/128]×5V＝－5V D＝81H＝129时，一个最低有效位电压： VLSB＝[（129－128/128]×5V＝0.04V
设 VREF＝－5V D＝FFH＝255时，最大输出电压： Vmax＝（255/256）×5V＝4.98V D＝00H时，最小输出电压： Vmin＝（0/256）×5V＝0V D ＝ 01H 时，一个最低有效位（ LSB ）电压： VLSB＝（1/256）×5V＝0.02V
双极性电压输出：电路
DI0～DI7 输入 寄 存 器 DAC 寄 存 器 D/A 转 换 器 VREF
Rfb
Iout1 Iout2
LE1 ILE
LE2
AGND
Vcc DAC0832 DGND
DAC0832的内部结构
输入 寄 存 器 LE1 DAC 寄 存 器 LE2 D/A 转 换 器 VREF
DI0～DI7
Rfb
Iout1 Iout2 AGND
当输出允许信号OE为高电平有效时，将 三态锁存缓冲器的数字量从D0～D7输出
4. ADC0809的转换公式
输出数字量 输入模拟电压
N
Vin VREF( ) VREF( ) VREF( )
基准电压负极
2
8
基准电压正极
单极性转换示例

N
Vin VREF( ) VREF( ) VREF( )