【正文】 微機原理與接口技術 中國水利水電出版社 主編 李云強 第 11章 模擬接口技術 本章導讀 并行接口和串行接口都是數(shù)字接口，是計算機中普遍采用的計算機與外設連接的橋梁。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)，一是從時間上來說，這些信息是隨時間連續(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。計算機是處理數(shù)字量信息的設備，要處理模擬量信息就必須有一個模擬接口，通過這個模擬接口，將模擬量信息轉換成數(shù)字量信息，以供計算機運算和處理；然后，再把計算機處理過的數(shù)字量信息轉換為模擬量信息，以實現(xiàn)對被控制量的控制。 了解和掌握數(shù)字與模擬接口的相關概念及其設計方法具有十分重要的意義。本章主要討論數(shù) /模、模 /數(shù)轉換的基本原理，模擬量的 8位 D/A轉換器 DAC0832與 8位 A/D轉換器 ADC0809的接口技術和性能參數(shù)，同時介紹各自與微機接口時應考慮的事項。 第 11章 模擬接口技術 ? 概述 ? D/A(數(shù) /模 )轉換器 ? A/D (模 /數(shù) )轉換器 概述 將數(shù)字量轉換成相應模擬量的過程稱為數(shù)字 /模擬轉換，簡稱數(shù) /模轉換，或 D/A轉換 (Digital to Analog Conversion)，完成這種轉換的裝置稱為 D/A轉換器 (Digital to Analog Converter， DAC)；反之，將模擬量轉換成相應數(shù)字量的過程稱為模擬 /數(shù)字轉換，簡稱模 /數(shù)轉換，或 A/D轉換 (Analog to Digital Conversion)。完成這種轉換的裝置稱為 A/D轉換器 (Analog to Digital Converter， ADC)。 A/D轉換和 D/A轉換在控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)中有非常廣泛的用途，圖 111是一個計算機自動控制系統(tǒng)的方塊圖。在生產或實驗的現(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換成電信號 (電流或電壓信號 )，然后經(jīng)過濾波放大后送到 A/D轉換器去，模擬量被轉換成數(shù)字量，再送給微型計算機。微型計算機對這些數(shù)字量進行處理加工后，再由 D/A轉換器轉換成模擬信號，在對這些模擬信號進行一定的調理后，由執(zhí)行部件產生相關的控制信號去控制生產過程或實驗裝置中的各種參數(shù)，這就形成了一個計算機閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。 圖 11 1 計算機自動控制系統(tǒng) D/A (數(shù)模 )轉換器 D/A轉換器的工作原理 D/A轉換器一般由 基準電壓源、電阻解碼網(wǎng)絡、運算放大器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器 等部件組成。各種 D/A轉換器都可用圖 112所示的結構框圖來概括，其中 電阻解碼網(wǎng)絡 是其核心部件，是任何一種 D/A轉換器都必須具備的組成部分 。 圖 112 D/A轉換器結構框圖 1. 權電阻網(wǎng)絡型 D/A轉換器 (1) 電路的構成及各部分的作用。 權電阻 D/A轉換器的電路原理圖如圖 113所示，它由雙向電子開關、基準電壓源、權電阻網(wǎng)絡和運算放大器等部分組成。 1）雙向電子開關 Sn1， Sn2， … ， Sl S0。雙向電子開關通常由場效應管構成，每位開關分別受對應的輸入二進制數(shù)碼 bn1， bn2， … ， bl b0的控制。每一位二進制數(shù)碼 bi (0或 1)控制一個相應的開關 Si (i=0， 1， … ， n1)。 當 bi =1時，開關上合，對應的權電阻與基準電壓源 UR相接；當 bi=0時，開關下合，對應的權電阻接“地”。也就是說，開關的狀態(tài)由相應二進制數(shù)碼來控制。如 4位二進制數(shù)碼是 1010，則開關 S0接“地”， S1接基準電壓源， S2接“地”， S3接基準電壓源。 數(shù)字 bn1， bn2， … ， bl b0來自一個數(shù)據(jù)緩沖寄存器。 圖 11 3 權電阻網(wǎng)絡 D/A轉換器電路原路圖 2）基準電壓源 UR。 UR是一個穩(wěn)定性很高的恒壓源。 3）權電阻網(wǎng)絡 R， 2R， 22R， 23R， … 。流過權電阻網(wǎng)絡中每個電阻的電流與對應位的“權”成正比，這些分電流在權電阻網(wǎng)絡的輸出端 ∑處匯總加至運算放大器的反相端，總電流 I與輸人數(shù)字量成正比。 對應的位越高，相應的電阻值越小 (bn1為最高位，電阻值20R最小 )。由于電阻值和每一位的“權”相對應，所以稱為權電阻網(wǎng)絡。 4）運算放大器。運算放大器和權電阻網(wǎng)絡構成反相加法運算電路。輸出電壓 U0與 I成正比，亦即與輸入數(shù)字量成正比。運算放大器還能起緩沖作用，使 U0輸出端負載變化時不影響 I。調節(jié)反饋電阻 Rf的大小，可以很方便地調節(jié)轉換系數(shù)，使 U0的數(shù)值符合實際需要。 例 111 設 UR=－ 10 V，試分別求出與二進制數(shù)碼 000 00 0100相對應的模擬輸出量 U0。 解：根據(jù)式 (113)，可得： ①與 000l相對應的模擬輸出量U0=10(0/21+0/22+0/23+l/24)V= V； ②與 0010相對應的模擬輸出量U0=10(0/21+0/22+1/23+0/24)V= V； ③與 0100相對應的模擬輸出量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。 4位倒 T型電阻網(wǎng)絡 D/A轉換器如圖114所示。 該電路的特點如下。當輸入數(shù)字量的任何一位為 1時，對應的開關將 2R電阻支路接到運算放大器的反相端；而當該位為 0時，對應開關將2R電阻支路接地。因此，無論輸入數(shù)字信號每一位是“ 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態(tài)過程中產生尖峰脈沖的可能性。 2. 倒 T型電阻網(wǎng)絡型 D/A轉換器 圖 11 4 倒 T型電阻網(wǎng)絡 D/A轉換器 ? 1． 分辨率 分辨率是指 D/A轉換器的輸出模擬量對輸入數(shù)字量的敏感程度。一般有兩種表示法，一種是用輸入二進制位數(shù)來表示，如分辨率為 n位的 D/A轉換器就是輸入的二進制代碼為 n位；另一種方法是以最低有效位 (LSB)所對應的模擬電壓值來表示。如果輸入為 n位，則最低有效位對應的模擬電壓值是滿量程電壓的 1/2n。 D/A轉換器的主要技術指標 2． 精度 精度 (即誤差 )表明 D/A轉換的準確程度，它可分為絕對精度和相對精度。 絕對精度是指輸入給定數(shù)字量時，其理論輸出模擬值與實際所測得輸出模擬值之差。它是由 D/A轉換器的增益誤差、零點誤差、線性誤差和噪聲等綜合因