【正文】 微機(jī)原理與接口技術(shù) 中國水利水電出版社 主編 李云強(qiáng) 第 11章 模擬接口技術(shù) 本章導(dǎo)讀 并行接口和串行接口都是數(shù)字接口，是計(jì)算機(jī)中普遍采用的計(jì)算機(jī)與外設(shè)連接的橋梁。數(shù)字接口處理的是數(shù)字量信息，然而在現(xiàn)實(shí)世界中有很多信息例如聲音、電壓、電流、流量、壓力、溫度、位移和速度等都是不數(shù)字量的，它們都是連續(xù)變化的物理量，所謂連續(xù)，一是從時(shí)間上來說，這些信息是隨時(shí)間連續(xù)變化的；二是這些信息的數(shù)值也是連續(xù)變化的。將這些連續(xù)變化的物理量稱為模擬量。計(jì)算機(jī)是處理數(shù)字量信息的設(shè)備，要處理模擬量信息就必須有一個(gè)模擬接口，通過這個(gè)模擬接口，將模擬量信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信息，以供計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理；然后，再把計(jì)算機(jī)處理過的數(shù)字量信息轉(zhuǎn)換為模擬量信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制量的控制。 了解和掌握數(shù)字與模擬接口的相關(guān)概念及其設(shè)計(jì)方法具有十分重要的意義。本章主要討論數(shù) /模、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理，模擬量的 8位 D/A轉(zhuǎn)換器 DAC0832與 8位 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809的接口技術(shù)和性能參數(shù)，同時(shí)介紹各自與微機(jī)接口時(shí)應(yīng)考慮的事項(xiàng)。 第 11章 模擬接口技術(shù) ? 概述 ? D/A(數(shù) /模 )轉(zhuǎn)換器 ? A/D (模 /數(shù) )轉(zhuǎn)換器 概述 將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)模擬量的過程稱為數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換，簡稱數(shù) /模轉(zhuǎn)換，或 D/A轉(zhuǎn)換 (Digital to Analog Conversion)，完成這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為 D/A轉(zhuǎn)換器 (Digital to Analog Converter， DAC)；反之，將模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字量的過程稱為模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換，簡稱模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，或 A/D轉(zhuǎn)換 (Analog to Digital Conversion)。完成這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為 A/D轉(zhuǎn)換器 (Analog to Digital Converter， ADC)。 A/D轉(zhuǎn)換和 D/A轉(zhuǎn)換在控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)中有非常廣泛的用途，圖 111是一個(gè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖。在生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)的現(xiàn)場，有多種物理量，如溫度、壓力、流量等，它們先通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào) (電流或電壓信號(hào) )，然后經(jīng)過濾波放大后送到 A/D轉(zhuǎn)換器去，模擬量被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送給微型計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)字量進(jìn)行處理加工后，再由 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，在對(duì)這些模擬信號(hào)進(jìn)行一定的調(diào)理后，由執(zhí)行部件產(chǎn)生相關(guān)的控制信號(hào)去控制生產(chǎn)過程或?qū)嶒?yàn)裝置中的各種參數(shù)，這就形成了一個(gè)計(jì)算機(jī)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。 圖 11 1 計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng) D/A (數(shù)模 )轉(zhuǎn)換器 D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理 D/A轉(zhuǎn)換器一般由 基準(zhǔn)電壓源、電阻解碼網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器 等部件組成。各種 D/A轉(zhuǎn)換器都可用圖 112所示的結(jié)構(gòu)框圖來概括，其中 電阻解碼網(wǎng)絡(luò) 是其核心部件，是任何一種 D/A轉(zhuǎn)換器都必須具備的組成部分 。 圖 112 D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖 1. 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型 D/A轉(zhuǎn)換器 (1) 電路的構(gòu)成及各部分的作用。 權(quán)電阻 D/A轉(zhuǎn)換器的電路原理圖如圖 113所示，它由雙向電子開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器等部分組成。 1）雙向電子開關(guān) Sn1， Sn2， … ， Sl S0。雙向電子開關(guān)通常由場效應(yīng)管構(gòu)成，每位開關(guān)分別受對(duì)應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)碼 bn1， bn2， … ， bl b0的控制。每一位二進(jìn)制數(shù)碼 bi (0或 1)控制一個(gè)相應(yīng)的開關(guān) Si (i=0， 1， … ， n1)。 當(dāng) bi =1時(shí)，開關(guān)上合，對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻與基準(zhǔn)電壓源 UR相接；當(dāng) bi=0時(shí)，開關(guān)下合，對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻接“地”。也就是說，開關(guān)的狀態(tài)由相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)碼來控制。如 4位二進(jìn)制數(shù)碼是 1010，則開關(guān) S0接“地”， S1接基準(zhǔn)電壓源， S2接“地”， S3接基準(zhǔn)電壓源。 數(shù)字 bn1， bn2， … ， bl b0來自一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器。 圖 11 3 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器電路原路圖 2）基準(zhǔn)電壓源 UR。 UR是一個(gè)穩(wěn)定性很高的恒壓源。 3）權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) R， 2R， 22R， 23R， … 。流過權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)電阻的電流與對(duì)應(yīng)位的“權(quán)”成正比，這些分電流在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端 ∑處匯總加至運(yùn)算放大器的反相端，總電流 I與輸人數(shù)字量成正比。 對(duì)應(yīng)的位越高，相應(yīng)的電阻值越小 (bn1為最高位，電阻值20R最小 )。由于電阻值和每一位的“權(quán)”相對(duì)應(yīng)，所以稱為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)。 4）運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路。輸出電壓 U0與 I成正比，亦即與輸入數(shù)字量成正比。運(yùn)算放大器還能起緩沖作用，使 U0輸出端負(fù)載變化時(shí)不影響 I。調(diào)節(jié)反饋電阻 Rf的大小，可以很方便地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換系數(shù)，使 U0的數(shù)值符合實(shí)際需要。 例 111 設(shè) UR=－ 10 V，試分別求出與二進(jìn)制數(shù)碼 000 00 0100相對(duì)應(yīng)的模擬輸出量 U0。 解：根據(jù)式 (113)，可得： ①與 000l相對(duì)應(yīng)的模擬輸出量U0=10(0/21+0/22+0/23+l/24)V= V； ②與 0010相對(duì)應(yīng)的模擬輸出量U0=10(0/21+0/22+1/23+0/24)V= V； ③與 0100相對(duì)應(yīng)的模擬輸出量U0=10(0/21+1/22+0/23+0/24)V= V。 可見，輸出模擬量與輸人數(shù)字量成正比。 這種電路只用 R和 2R兩種電阻來接成倒 T型電阻網(wǎng)絡(luò)。 4位倒 T型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器如圖114所示。 該電路的特點(diǎn)如下。當(dāng)輸入數(shù)字量的任何一位為 1時(shí)，對(duì)應(yīng)的開關(guān)將 2R電阻支路接到運(yùn)算放大器的反相端；而當(dāng)該位為 0時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)將2R電阻支路接地。因此，無論輸入數(shù)字信號(hào)每一位是“ 1”還是“ 0”， 2R電阻要么接地，要么虛地，其中流過的電流保持恒定，這就從根本上消除了在動(dòng)態(tài)過程中產(chǎn)生尖峰脈沖的可能性。 2. 倒 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型 D/A轉(zhuǎn)換器 圖 11 4 倒 T型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器 ? 1． 分辨率 分辨率是指 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出模擬量對(duì)輸入數(shù)字量的敏感程度。一般有兩種表示法，一種是用輸入二進(jìn)制位數(shù)來表示，如分辨率為 n位的 D/A轉(zhuǎn)換器就是輸入的二進(jìn)制代碼為 n位；另一種方法是以最低有效位 (LSB)所對(duì)應(yīng)的模擬電壓值來表示。如果輸入為 n位，則最低有效位對(duì)應(yīng)的模擬電壓值是滿量程電壓的 1/2n。 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 2． 精度 精度 (即誤差 )表明 D/A轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確程度，它可分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。 絕對(duì)精度是指輸入給定數(shù)字量時(shí)，其理論輸出模擬值與實(shí)際所測得輸出模擬值之差。它是由 D/A轉(zhuǎn)換器的增益誤差、零點(diǎn)誤差、線性誤差和噪聲等綜合因