第 9 章 數(shù)-模模-數(shù)接口及應(yīng)用技術(shù)

第9章

數(shù)-模/模-數(shù)接口及應(yīng)用技術(shù)

9.1計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)9.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器及接口9.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器及接口在計(jì)算機(jī)控制和檢測(cè)系統(tǒng)中，需要輸入的模擬（物理）量必須轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，這一過(guò)程稱(chēng)為檢測(cè)；將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠接受的數(shù)字信號(hào)，稱(chēng)為模-數(shù)轉(zhuǎn)換或A/D轉(zhuǎn)換；將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制外部執(zhí)行部件的模擬信號(hào)，稱(chēng)為數(shù)-模轉(zhuǎn)換或D/A轉(zhuǎn)換。9.1計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)介紹模擬信號(hào)的獲取及變送，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)模擬信號(hào)的處理操作描述計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成及功能。9.1.1模擬信號(hào)獲取及變送在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有許多物理量是可以連續(xù)變化的模擬量，如位移、溫度、壓力、流量、液位、重量等，計(jì)算機(jī)需要獲取這些模擬量的信息時(shí)，必須首先經(jīng)過(guò)傳感器將其物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量（如電流、電壓、電阻），然后進(jìn)行信號(hào)處理、轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量。該標(biāo)準(zhǔn)量通過(guò)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制碼表示的數(shù)字量后，計(jì)算機(jī)才能識(shí)別并進(jìn)行處理。模擬信號(hào)的獲取過(guò)程如圖9-1所示1．傳感器

能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出信號(hào)的元器件或裝置稱(chēng)為傳感器。

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，常用傳感器有電阻應(yīng)變式傳感器、熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、渦輪流量傳感器等。2．變送器變送器的功能是將物理量或傳感器輸出的信息量，轉(zhuǎn)換為便于傳送、顯示和設(shè)備接收的直流電信號(hào)。變送器輸出的直流電信號(hào)有0～5V、0～10V、1～5V、0～20mA、4～20mA等。目前，工業(yè)上廣泛采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)直流電流來(lái)傳輸模擬量。變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出，其接線(xiàn)方式主要有四線(xiàn)制和二線(xiàn)制，如圖9-2所示。目前二線(xiàn)制變送器在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。9.1.2一個(gè)典型實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制是根據(jù)控制對(duì)象輸出參數(shù)的負(fù)反饋來(lái)進(jìn)行校正的一種控制方式。工業(yè)中的計(jì)算機(jī)閉環(huán)比例積分微分（ProportionalIntegralDifferential，PID）控制系統(tǒng)如圖9-4所示。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的典型計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制I/O通道（接口）如圖9-5所示。9.1.3采樣、量化和編碼模擬信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，必須經(jīng)過(guò)采樣、量化和編碼后才能轉(zhuǎn)換為可靠的數(shù)字信號(hào)，然后被輸入計(jì)算機(jī)。（1）采樣及采樣頻率采樣就是按一定的周期，在相等的時(shí)間間隔t內(nèi)，循環(huán)不斷地獲取某個(gè)模擬量的瞬時(shí)值。采樣周期t越短，即單位時(shí)間內(nèi)采樣次數(shù)越多，采樣頻率越高，采樣值（包絡(luò)線(xiàn)）就越接近原信號(hào)。（2）保持

每次采樣的瞬時(shí)模擬信號(hào)，在量化（A/D轉(zhuǎn)換）的過(guò)程中，必須保持信號(hào)不變，這樣才能保證A/D轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性?？梢酝ㄟ^(guò)存儲(chǔ)元件（如電容器C）跟蹤采樣信號(hào)并將信號(hào)存儲(chǔ)在電容器C上，經(jīng)放大器放大后輸出。（3）量化采樣后需要對(duì)該瞬時(shí)值進(jìn)行量化（4）編碼編碼是指模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)可以用不同的代碼來(lái)表示。常用的編碼有二進(jìn)制碼、BCD碼等形式。量化和編碼的原理對(duì)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換都是適用的。9.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器及接口DAC在測(cè)控系統(tǒng)中將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，以用于驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)。9.2.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本原理DAC的基本功能是將一個(gè)用二進(jìn)制表示的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的基本方法是：對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)的每一位產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電壓（電流），而這個(gè)電壓（電流）的大小則正比于相應(yīng)的二進(jìn)制的位權(quán)。9.2.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的主要參數(shù)如下。①分辨率：指數(shù)字量最低有效位（LeastSignificantBit，LSB）對(duì)應(yīng)的模擬值。DAC能夠轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制的位數(shù)越多，分辨率也越高，一般為8位、10位、12位等。對(duì)于N位DAC，其分辨率為輸出電壓量程除以2N。②轉(zhuǎn)換時(shí)間：DAC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，即從數(shù)字輸入信號(hào)變化開(kāi)始，直到轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)穩(wěn)定的模擬量所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在幾十納秒至幾微秒之間。③線(xiàn)性度：理想的轉(zhuǎn)換關(guān)系是線(xiàn)性的，線(xiàn)性度表示D/A轉(zhuǎn)換模擬輸出偏離理想輸出的最大值。④

輸出電平：輸出模擬信號(hào)有電流型和電壓型兩種。電流型輸出電流在幾毫安到幾十毫安；電壓一般為5～10V，有的高電壓型可達(dá)24～30V。⑤轉(zhuǎn)換精度：表明DAC轉(zhuǎn)換的精確程度，可分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度是指轉(zhuǎn)換輸出實(shí)際值與理想值之差，一般應(yīng)低于0.5LSB。相對(duì)精度是指絕對(duì)精度相對(duì)于滿(mǎn)量程的百分?jǐn)?shù)。9.2.38位集成數(shù)-模轉(zhuǎn)換器——DAC0832DAC0832是美國(guó)數(shù)據(jù)公司研制的8位雙緩沖集成D-A轉(zhuǎn)換芯片。該芯片有極好的溫度跟隨性，建立時(shí)間為1ms，輸入方式靈活，輸出漏電流低、功耗低等。1．DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DAC0832是采用先進(jìn)的CMOS工藝制成的雙列直插式單片8位D-A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度為1μs，可直接與計(jì)算機(jī)接口相連。DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-8所示。2．DAC0832引腳DAC0832引腳如圖9-9所示，各引腳的含義如下。（1）數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端D0～D7：8位，連接CPU數(shù)據(jù)總線(xiàn)。（2）輸入寄存器控制引腳ILE：數(shù)據(jù)允許鎖存信號(hào)，高電平有效，輸入。/CS：片選信號(hào)（輸入寄存器選擇信號(hào)），低電平有效，輸入。/WR1：輸入寄存器寫(xiě)選通信號(hào)，低電平有效，輸入。（3）DAC寄存器控制引腳/WR2：DAC寄存器的寫(xiě)選通信號(hào)，低電平有效，輸入。/XFER：數(shù)據(jù)傳送信號(hào)，低電平有效，輸入。該信號(hào)與WR2進(jìn)行邏輯與運(yùn)算后作為DAC寄存器工作的控制信號(hào)。（4）輸出模擬信號(hào)相關(guān)引腳IOUT1：電流輸出1，其電流值為輸入數(shù)字量為1的各位輸出電流之和，它隨輸入數(shù)字量的變化而線(xiàn)性變化。IOUT2：電流輸出2，其電流值為輸入數(shù)字量為0的各位輸出電流之和。Rfb：反饋信號(hào)輸入端，反饋電阻器在片內(nèi)，為外接運(yùn)算放大器提供反饋回路。3．DAC0832的3種工作方式通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)部的輸入寄存器及DAC寄存器的不同控制方式，DAC0832可以有3種工作方式。（1）直通方式在直通方式下，DAC0832的兩個(gè)寄存器一直處于直通狀態(tài)。為此，應(yīng)使控制信號(hào)/CS=0、ILE=1、/WR1=0、/WR2=0、/XFER=0。（2）單緩沖方式在單緩沖方式下，DAC0832的兩個(gè)寄存器中的一個(gè)工作在直通狀態(tài)，另一個(gè)工作在受控狀態(tài)，或者同時(shí)控制輸入寄存器和DAC寄存器。CPU對(duì)工作在受控狀態(tài)下的寄存器執(zhí)行一次寫(xiě)入操作，即可完成D/A轉(zhuǎn)換。這種方式適用于只有一路模擬信號(hào)輸出或多路模擬信號(hào)不需要同步輸出的系統(tǒng)。（3）雙緩沖方式在雙緩沖方式下，輸入寄存器和DAC寄存器都工作在受控狀態(tài)。CPU需要分別對(duì)兩個(gè)寄存器各執(zhí)行一次寫(xiě)入操作，才能完成D/A轉(zhuǎn)換，即CPU首先將輸入數(shù)字量寫(xiě)入輸入寄存器，然后將輸入寄存器的內(nèi)容寫(xiě)入DAC寄存器。9.2.4DAC0832應(yīng)用接口及編程DAC0832轉(zhuǎn)換器芯片的數(shù)據(jù)線(xiàn)和控制線(xiàn)等與CPU數(shù)據(jù)總線(xiàn)和有關(guān)控制總線(xiàn)相連，CPU把它視為一個(gè)并行輸出端口。1．DAC0832工作于單緩沖器、單極性輸出方式DAC0832工作于單緩沖器、單極性輸出方式與CPU的接口電路如圖9-10所示【例9-1】在圖9-10所示的接口電路中，VREF=-5V，設(shè)DAC0832的地址為7FFFH，將存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)段2000H字節(jié)單元的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為0～5V模擬信號(hào)輸出。程序如下。MOVBX,2000HMOVAL,[BX]OUTDX,AL;寫(xiě)數(shù)據(jù)到0832START:MOVDX,7FFFH;0832地址2．DAC0832工作于單緩沖器、雙極性輸出方式DAC0832工作于單緩沖器、雙極性輸出方式與CPU的接口電路如圖9-11所示。雙極性是指VOUT輸出為對(duì)稱(chēng)的正、負(fù)電壓。雙極性輸出時(shí)，DAC0832需要外接兩個(gè)運(yùn)算放大器。9.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器及接口A(yíng)DC將需要用計(jì)算機(jī)處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成n位數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)輸入給計(jì)算機(jī)。在測(cè)控系統(tǒng)中，ADC主要用于外部模擬量的數(shù)據(jù)采集。9.3.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理

根據(jù)A-D轉(zhuǎn)換器的原理，可將A-D轉(zhuǎn)換器分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是直接型A-D轉(zhuǎn)換器，其輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中間變量；另一類(lèi)是間接型A-D轉(zhuǎn)換器，在其工作過(guò)程中，首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量（時(shí)間、頻率、脈沖寬度等），然后再把這個(gè)中間變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼輸出。A-D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)有很多，但目前應(yīng)用較廣泛的主要有3種類(lèi)型：逐次逼近式A-D轉(zhuǎn)換器（直接型）、雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器和V-F變換式A-D轉(zhuǎn)換器（間接型）。1．逐次逼近型A-D轉(zhuǎn)換器的工作原理

逐次逼近式A-D轉(zhuǎn)換器是一種速度較快精度較高的轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換時(shí)間大約在幾微秒至幾百微秒之間。2.雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器雙積分式A-D轉(zhuǎn)換器由電子開(kāi)關(guān)、積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和控制邏輯等部件組成，如圖9-17a所示。雙積分式A-D轉(zhuǎn)換是一種間接A-D轉(zhuǎn)換技術(shù)。首先將模擬電壓轉(zhuǎn)換成積分時(shí)間，然后用數(shù)字脈沖計(jì)時(shí)的方法轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，最后將表示模擬輸入電壓大小的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制或BCD碼輸出。由于這種A-D要經(jīng)歷正、反兩次積分，故轉(zhuǎn)換速度較慢。但是，由于雙積分A-D轉(zhuǎn)換器外接器件少，抗干擾能力強(qiáng)，成本低，使用比較靈活，具有極高的性能/價(jià)格比，故在一些非快速過(guò)程中應(yīng)用十分廣泛。3．V-F變換式ADCV-F變換式ADC是由電壓-頻率轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的ADC。該轉(zhuǎn)換器由計(jì)數(shù)器、定時(shí)門(mén)電路控制等組成。其原理是先將輸入模擬電壓Vi轉(zhuǎn)換為與之成正比線(xiàn)性關(guān)系的脈沖頻率f。然后，該脈沖頻率f在單位定時(shí)時(shí)間的控制下由計(jì)數(shù)器對(duì)其計(jì)數(shù)，使計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值正比于輸入電壓Vi，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。9.3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)ADC的主要技術(shù)指標(biāo)如下。（1）分辨率：分辨率表示轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示。例如，對(duì)10位ADC，其數(shù)字輸出量的變化范圍為0～1023（210-1），當(dāng)輸入電壓的滿(mǎn)刻度為5V時(shí)，數(shù)字量每變化一個(gè)數(shù)字所對(duì)應(yīng)輸入模擬電壓的值為5/1023≈4.88mV，其分辨率為4.88mV。當(dāng)檢測(cè)輸入信號(hào)的精度較高時(shí)，需采用分辨率較高的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片，目前常用的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)有

8位、10位、12位和14位等。（2）量程：所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍，如5V、10V、±5V等。（3）精度：有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。常用數(shù)字量的位數(shù)作為量度絕對(duì)精度單位，如精度為±0.5LSB，而用百分比來(lái)表示滿(mǎn)量程時(shí)的相對(duì)誤差，如±0.5%。要說(shuō)明的是，精度和分辨率是不同的概念。精度指的是轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度，而分辨率是指轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量每變化1LSB所對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化范圍。（4）轉(zhuǎn)換時(shí)間：A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間指的是從發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束獲得整個(gè)數(shù)字信號(hào)為止所需的時(shí)間間隔。

9.3.38位集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器——ADC0809ADC0809具有8個(gè)通道的模擬信號(hào)輸入線(xiàn)（IN0～I(xiàn)N7），可在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出8位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)（D7～D0）。1．ADC0809的結(jié)構(gòu)ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖如圖9-18所示。ADC0809的主要部分是一個(gè)8位逐次逼近式ADC。為了能實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的分時(shí)采樣，片內(nèi)設(shè)置了8路模擬選通開(kāi)關(guān)以及相應(yīng)的通道地址鎖存及譯碼電路。轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存

圖9-18ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖2．ADC0809引腳ADC0809引腳分布如圖9-19所示。各引腳的含義如下。①I(mǎi)N7～I(xiàn)N0：8路模擬信號(hào)輸入通道，在多路開(kāi)關(guān)控制下，任一時(shí)刻只能有一路模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809要求輸入模擬信號(hào)為單極性，電壓范圍為0～5V，如果信號(hào)過(guò)小，還需要進(jìn)行放大。對(duì)于信號(hào)變化速度比較快的模擬信號(hào)，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。②引腳A、B、C：8路模擬開(kāi)關(guān)的三位地址選通輸入端，用來(lái)選通對(duì)應(yīng)IN0～I(xiàn)N7的模擬輸入通道，每一路模擬輸入通道對(duì)應(yīng)一個(gè)端口地址，其地址碼與輸入通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表9-2所示。9.3.4ADC0809應(yīng)用接口及編程

由于A(yíng)DC0809輸出端具有可控的三態(tài)輸出門(mén)，所以它既能與微處理器直接相連，也能通過(guò)并行接口芯片與微處理器連接。（1）接口電路圖9-21所示為ADC0809直接與CPU連接的接口電路。該接口電路主要包括地址譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)、輸入模擬通道選擇、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制、轉(zhuǎn)換結(jié)束及數(shù)字輸出允許部分與CPU的連接。

【例9-5】為ADC0809的EOC設(shè)置一個(gè)端口地址，由74LS138譯碼器輸出控制。編寫(xiě)控制程序，采用程序查詢(xún)方式對(duì)通道IN1輸入的電壓（0～5V）進(jìn)行A-D轉(zhuǎn)換，每隔50ms采樣一次，連續(xù)采樣8次并將其平均值存入數(shù)據(jù)段AVEDATA單元。

硬件電路如圖9-22所示，接口電路采用地址總線(xiàn)的A2～A0選擇通道，EOC作為端口的數(shù)據(jù)線(xiàn)與數(shù)據(jù)總線(xiàn)的D1連