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1、第11章 数/模和模/数转换接口11.1 概述l 在生产控制过程中，监测和控制的往往是连续变化的模拟量，例如，电流、电压、温度、压力、位移、流量等。利用计算机实现对生产设备的检测和控制，需要将模拟量转换成计算机所能接受的数字量；也需要将数字量转换成模拟输出，驱动模拟调节执行机构工作。l 从模拟量到数字量的转换称为模/数转换，简称A/D（Analog to Digital）转换；从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换，简称D/A（Digital to Analog）转换。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简称ADC（Analog-Digital Converter）；实现D/A转换的电路称
2、为D/A转换器，简称DAC（Digital-Analog Converter）。 在微型计算机控制系统中，经常用到A/D和D/A转换器，它们的功能及其在工业控制中的地位，如图11.1所示。由图可知微型计算机控制系统主要由模拟量输入和输出通道组成，而A/D和D/A转换电路则分别是两个通道的核心。下面分析一下模拟量的输入和输出通道及A/D和D/A转换电路的作用及工作原理。图11.1 微型计算机控制系统结构框图1. 模拟量输入通道（1）传感器l 传感器是把工业生产中非电物理量转换成电量（电流、电压）的器件。例如，热电耦能够把温度这个物理量转换成几毫伏或几十毫伏的电压信号，故它可作为温度传感器；而有些
3、传感器不是直接输出电量，而是把电阻值、电容值或电感值的变化作为输出量，反映对应的物理量的变化。l 工业控制中，传感器输出的电信号不是统一的，而且有时信号比较微弱，在输入到A/D转换器之前必须添加适当的外围转换电路，如各种变送器，将传感器输出的微弱电信号或电阻值等转换成010mA或420mA电流信号或05V电压信号，变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器等。工业控制中的物理量（温度、压力、流量等）通过变送器很容易与A/D转换器相联系。（2）信号处理环节l 由于不同传感器输出的电信号各不相同；而且传感器处于恶劣工作环境，其输出有各种干扰信号，需增加滤波电路，滤去干扰信号。经过信号处理环节，
4、将传感器输出的信号放大处理成与A/D转换器的输入相适应的电压信号。因此，信号处理环节主要包括信号放大电路和滤波电路等。（3）多路转换开关l 生产过程中，要监测或控制的模拟量往往不止一个，而且有不少模拟量是缓慢变化的。对于模拟量的采集，为了节约投资，可采用多路模拟开关，使多个模拟量共用一个A/D转换器进行A/D转换。（4）采样保持器l 采样保持电路是在A/D转换期间采样输入量并保持一段时间的电路。由于输入模拟量是连续变化的，而A/D转换器要完成一次转换是需要时间的，这段时间称为转换时间。不同类型的A/D转换芯片，其转换时间不同。对变化较快的模拟量来说，如果不采取措施，将会引起转换误差。A/D转换
5、器的转换时间越长，对同样频率模拟量转换精度的影响就越大。为了保证转换精度，可用采样保持器在A/D转换期间，保持采样输入信号大小不变。（5）A/D转换器l A/D转换器是模拟量输入通道的核心环节，其作用是将模拟输入量转换成数字量，以便于计算机读取和分析处理。通常A/D转换器的输入有以下几种电压等级：双极性为02.5伏、05伏、010伏；单极性为05伏、010伏、020伏等。2模拟量输出通道l 计算机输出的是数字量，执行元件要求提供电流或电压等模拟量。因此，必须采用模拟量输出通道来实现D/A转换，把微型计算机输出的数字量转换成模拟量。D/A转换器在转换过程中需要一定的转换时间，输入待转换的数字量应
6、保持不变，而计算机输出的数据量，在数据总线上稳定的时间很短。因此在计算机与D/A转换器间需用锁存器来保持数字量的稳定。经过D/A转换器得到的模拟信号要经过低通滤波器使其输出平滑波形；同时，为了驱动受控设备，应采用功率放大器作为模拟量输出的驱动电路。11.2 数/模（D/A）转换器l D/A转换器的作用是把数字量信号转换成与此数字量相对应的模拟量信号。目前使用的D/A转换电路多以集成D/A芯片的形式出现，其转换时间一般在几十纳秒到几微秒之间，转换精度按芯片位数可分为8位、10位、12位、16位等。下面先简单讨论D/A转换的基本原理，然后介绍常用D/A转换芯片及其与微型计算机的接口方法。11.2.
7、1 D/A转换器的工作原理l D/A转换的基本原理是把数字量的每一位代码按权大小转换成模拟分量，然后根据叠加原理将各代码对应的模拟输出分量相加。D/A转换器的主要部件是电阻开关网络，网络形式有权电阻网络和倒T型电阻网络等。 由模拟电路知识可知，在简单的运算放大电路中，当放大器的放大倍数足够大时，其输出电压Vo和输入电压Vi的关系为： （11.1） 其中，Rf：为运算放大电路的反馈电阻，R：为输入端输入电阻。若输入端有n个支路，则输入和输出的关系可表示为： （11.2）1权电阻网络D/A转换法l 权电阻网络D/A转换法，是用一个二进制数的每一位产生一个与二进制数的权成正比的电压，然后将这些电压加
8、起来，就可得到该二进制数所对应的模拟量电压信号。图11.2 权电阻D/A转换原理图图11.2是一个8位二进制数的D/A转换器原理图。图中每一位的电阻值为2iR（i为该电阻所在的位）。每一位电阻都由一个开关Si控制，当Si合上时Si=1，Si断开时Si=0，则可得输出模拟电压Vo与输入的关系为：l Vo= SiVref l 其中，Vref：为基准电压。可以看出：l （1）所有开关Si断开时，Vo=0；l （2）所有开关Si合上时，输出Vo为最大，即V=Vref。l 如果用一个8位二进制代码，分别控制图11.2中八个开关Si的断、开状态，当i位的二进制码为1时，开关Si闭合；若i位的二进制码为0时
9、，Si开关断开，即该位对Vo无影响。这样，就可构成简单的八位D/A转换器。由此可见，D/A转换器的转换精度与基准电压Vref的精度、权电阻和电子开关Si的精度及位数有关。显然，位数越多，转换精度越高，但同时所需的权电阻越多。l 由于在集成电路中制造高阻值的精密电阻十分困难，因此常用R-2R“T型”电阻代替权电阻，构成D/A转换器。2. 倒T型电阻网络D/A转换法l 图11.3是简化了的R-2R梯形电阻网络原理图。由于这种电阻网络只用两种阻值组成，用集成工艺生产比较容易，精度也容易保证，因此应用比较广泛。图11.3 倒T型电阻网络D/A转换原理图图中各位开关的状态由数据锁存器的对应位所决定。如果
10、第i位数据锁存器为1，则对应的该位的开关接至求和点“”，将增加电流IiVi/2R；如果数据锁存器该位为0，则对应该位的开关接地，它将不增加电流。Vi为交点处的电压。其中Vi = V(i+1) = V(i+2) =l 将开关接求和点的所有电路的电流累加，并将该电流经过运算放大器转换为电压V，则l V= = （11.4）l 由11.4式可见，输出电压正比于输入数字量D，其幅度大小可以通过选择基准电压Vref和Rf/R的比值来调整，从而实现了D/A转换。幻灯片19l 权电阻网络D/A转换法与倒T型电阻网络D/A转换法相比较，前者电阻离散性大，网络中最大电阻之比为2n-1：1（n为输入二进制数的位数）
11、，这一点在集成电路的生产上是不容易实现的，尤其是当n值较大时。但是后者电路中只需两种阻值的电阻，即R和2R，在集成电路的生产中很容易实现。因此，倒T型电阻网络是目前使用最多的D/A转换电路。 幻灯片20l 11.2.2 D/A转换器的主要技术指标l 数字/模拟转换器的性能指标是选用DAC芯片型号的依据，也是衡量芯片性能的重要参数。DAC性能指标主要有以下四个：l 1. 分辨率（Resolution）l 分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟量，取决于输入数字量的二进制位数，通常用数字量的位数来表示，如8位、10位等。一个n位的DAC所能分辨的最小电压增量定义为满量程值的2n倍。例如，满量程
12、为10V的8位DAC芯片的分辨率为10V2839mV；一个同样量程的16位DAC的分辨率最高达10V216153V。幻灯片21l 2. 转换精度（Conversion Accuracy）l 转换精度和分辨率是两个不同的概念。转换精度是指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。该误差是由于D/A增益误差、零点误差和噪声等引起的。对于T型电阻网络DAC，其转换精度与参考电压Vref、电阻值和电子开关的误差有关。例如，满量程时理论输出值为10V，实际输出值是在9.99V10.01V之间，其转换精度为0.01V。通常，DAC的转换精度为分辨率的一半，即为LSB/2。LSB是分辨率，是指最低1
13、位数字量变化引起输出电压幅度的变化量。幻灯片22l 3. 偏移量误差（Offset Error）l 偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。这种误差通常可以通过DAC外接Vref和电位计加以调整。l 4. 线性度（Linearity）l 线性度是指DAC实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏差。通常，线性度不应超出LSB/2。l 除了上述指标外，转换速度（Conversion Rate）和温度灵敏度（Temperature Sensitivity）等也是DAC的重要技术参数。不过，它们的影响都比较小，通常情况下可以不予考虑。幻灯片23l 11.2.3 典型D/A转换器芯片l 目
14、前，D/A转换器有两大类：一类在电子电路中使用，不带使能端和控制端，只有数字量输入和模拟量输出线；另一类是专为微型计算机设计的，带有使能端和控制端，可以直接与微机相连。l 随着集成电路技术的高速发展，可将精密电阻、模拟开关、数据锁存器，甚至包括基准电源和运算放大器集成在同一芯片上，可以和8位或16位微处理器兼容。集成D/A芯片类型很多，按其转换方式不同可以分为并行和串行两大类，串行的转换速度较慢，并行的转换速度较快。按生产工艺分有TTL、MOS型等，它们的精度和速度各不相同；按字长可分为8位、10位、12位等；按输出形式可分为电压型和电流型两类。另外，不同生产厂家的产品，其型号各不相同。 幻灯
15、片24l 1. DAC0832 l DAC0832是美国国家半导体公司（National Scmicronductor Corporation）生产的八位集成电路芯片，由三部分电路组成，如图11.4所示。图11.4 DAC0832原理框图幻灯片25l 芯片内部有两个数据缓冲寄存器：八位输入寄存器和八位DAC寄存器。其转换结果以一组差分电流IOUT1和IOUT2输出。DAC0832的八位输入寄存器DI7DI0输入端可直接与CPU的数据线相连接。两个数据缓冲寄存器的工作状态分别受 和 控制。当 =0（低电平）时，八位输入数据寄存器的输出跟随输入而变化。当 由低电平变为高电平，即 =1时，输入数据立
16、即被锁存。同理，八位DAC寄存器的工作状态受 控制。 幻灯片26l （1）DAC0832的引脚l DAC0832共有20条引脚，各引脚定义如下：l DI7DI0：D/A转换器数字量输入信号。其中，DI0为最低位，DI7为最高位。l ：片选输入信号，低电平有效。l ：D/A转换器的数据写入信号1，低电平有效。l ILE（Input Latch Enable）：输入寄存器的允许信号，高电平有效。ILE信号和 、 共同控制选通输入寄存器。当 、 为低电平，ILE为高电平时， =0，输入数据立即被送至八位输入寄存器的输出端；当上述三个控制信号任一个无效时， 变高，输入寄存器将数据 幻灯片27l 锁存，
17、输出端呈保持状态。ILE=0时， 也无效，输出端便不随DI端而变化。 l ：从输入寄存器向DAC寄存器传送D/A转换数据的控制信号，低电平有效。l ：DAC寄存器的选通信号，低电平有效。当 和l 同时有效时，输入寄存器的数据被装入DAC寄存器，并同时启动一次D/A转换。l Vcc：芯片电源，其值可在515V之间，典型值为15V。l AGND：模拟信号地。l DGND：数字信号地。幻灯片28l R ：内部反馈电阻引脚，用来外接D/A转换器输出增益调整电位器。l V ：D/A转换器的基准电压，其范围可在1010V之间选定。l ：D/A转换器输出电流1，当输入数字为全“1”时，其值最大，约为 ；全“
18、0”时，其值最小，即为0。l ：D/A转换器输出电流2，它与关系如下：l =常数幻灯片29l （2）DAC0832的工作方式l DAC0832有直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。l 直通工作方式l 将 、 、 和 引脚都直接接数字地，ILE引脚为高电平时，芯片即处于直通状态。此时，八位数字量一旦到达DI7DI0输入端，就立即进行D/A转换而输出。但在此种方式下，DAC0832不能直接和CPU的数据总线相连接，故很少采用。幻灯片30l 单缓冲工作方式l 此方式是使两个寄存器中任一个处于直通状态，另一个工作于受控锁存状态。一般是使DAC寄存器处于直通状态，即把 和 都接数字地。此时，数据只要一写入
19、DAC芯片，就立即进行数模转换。此种工作方式可减少一条输出指令，在不要求多个输出通道同时刷新模拟输出时，可采用此种方式。幻灯片31l 双缓冲工作方式l DAC0832芯片内有两个数据寄存器，在双缓冲工作方式下，CPU要对DAC芯片进行两步写操作；将数据写入输入寄存器；将输入寄存器的内容写入DAC寄存器。其连接方式是：把ILE固定为高电平， 、 均接到CPU的 ,而 和 分别接到两个端口的地址译码信号引脚。l 双缓冲工作方式的优点是DAC0832的数据接收和转换启动异步进行。可以在D/A转换的同时，进行下一数据的接收，提高输出通道的转换速率，可实现多个输出通道同时进行D/A转换。幻灯片32（3）
20、DAC0832的主要技术性能电流建立时间：1s；分辨率(Resolution)：8位；线性误差：0.2%FSR(Full Scale Range)，即该芯片的线性误差为满量程的0.2%；非线性误差：0.4%FSR；工作方式：双缓冲、单缓冲和直接输入三种工作方式；数字输入：与TTL兼容；增益温度系数：0.002%FSR/；低功耗：20mW；单电源：+515V；参考电压：10V10V。 幻灯片33l 2. DAC1210l DAC1210是美国国家半导体公司生产的12位D/A转换器芯片，是智能化仪表中常用的一种高性能的D/A转换器。l DAC1210是24引脚的双列直插式芯片，其内部逻辑结构如图1
21、1.5所示。图11.5 DAC1210逻辑结构框图幻灯片34l 由图11.5可见，其逻辑结构与DAC0832类似，所不同的是DAC1210具有12位的数据输入端，且其12位数据输入寄存器由一个8位的输入寄存器和一个4位的输入寄存器组成。两个输入寄存器的输入允许控制都要求 和 为低电平，但8位输入寄存器的数据输入还要求端为高电平。l （1）DAC1210引脚功能l ：片选信号，低电平有效。l ：写控制信号1，低电平有效。此信号为高电平时，两个输入寄存器都不接收新数据。当此信号有效时，与l 配合起控制作用。幻灯片35l AGND：模拟地。l DI11DI0：12位数字量输入。l Vref：参考电压
22、。l Rbf：外部放大器的反馈电阻接线端。l DGND：数字地。l IOUT1：D/A电流输出端1。l IOUT2：D/A电流输出端2。l ：数据转换控制信号，低电平有效，与 配合使用。l ：写控制信号2，低电平有效。此信号有效时， 信号才起作用。l ：字节控制。此端为高电平时，12位数字同时送入输入锁存器。此端为低电平时，只将12位数字量的低4位送至4位输入寄存器中。幻灯片36（2）DAC1210的主要技术性能输入：12位数字量；输出：模拟量电流IOUT1和IOUT2；电流稳定时间：1s；功耗：20mW；工作电压：单一515V电源；参考电压：可工作在1010V范围内；输入逻辑电平：与TTL兼
23、容；芯片内有锁存器，可直接连到CPU的数据总线上；工作环境温度范围：4085；工作方式：双缓冲、单缓冲和直接输入三种工作方式。 幻灯片37l 11.2.4 D/A转换器与微处理器的接口l D/A转换器与微处理器的连接包括三部分，即数据线、控制线和地址线。l 微处理器输出数据给D/A转换器，需要把数据总线与数/模转换器的数据输入端相连接。微处理器要进行各种信息的处理，数据总线上的数据总是不断变化，输出到D/A转换器的数据，只是在执行输出指令的几微秒中出现在数据总线上。而D/A转换器要求数字量并行输入，且输入数据要在一定时间内保持稳定，以满足精度要求。因此，微处理器数据总线上输出的数据必须用一个锁
24、存装置锁存起来，这个锁存装置就是D/A转换器与CPU的数据接口。幻灯片38l 18位D/A转换器与CPU的接口l 对于8位D/A转换器，简单的连接方法是通过8位数据锁存器（例如，8D锁存器74LS273）与8位微处理器的总线相连。锁存器的写入/锁存由地址译码器的输出与CPU的和信号共同控制。只要CPU对DI端口进行一次写操作，即执行OUT指令，则CPU的输出数据便锁存至8D锁存器，作为D/A输入数据。下面以DAC0832为例介绍一下8位D/A转换器的应用。l （1）直通方式l 这种方式在介绍DAC0832的工作方式时进行描述，由于它常用于不带微机的控制系统中，不能直接和CPU的数据总线相连接，
25、故很少采用，这里不再赘述。幻灯片39l （2）单缓冲方式l 图11.6是8086微处理器和DAC0832的单缓冲接接图。图11.6 单缓冲方式下的DAC0832l 由图可见， 和 接地，DAC0832的8位DAC寄存器工作于直通方式。8位输入寄存器受 和 端信号控制，而且 由译码器输出端送来。8086执行如下指令就可在 和 上产生低电平信号，使DAC0832接收8086送来的数字量，设端口地址为0FEH。幻灯片40 例11-1 DAC0832用作波特率发生器。试根据图11.6接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序。 分析：在图11.6中，运算放大器OA输出端直接反馈到，故这种接线产生的模
26、拟输出电压是单极性的。现把产生上述三种波形的参考程序列出如下：l 锯齿波程序l START：MOV AL，0l LP：OUT 0FEH，ALl INC ALl JMP LPl HLT幻灯片41l 上述程序产生的锯齿波如图11.7(a)所示。由于运算放大器的反相作用，图中锯齿波是负向的，而且可以从宏观上看到它从0V线性下降到负的最大值。但是，实际上它分成256个小台阶，每个小台阶暂留时间为执行一遍程序所需时间。因此，在上述程序中插入NOP指令或延时程序，显然可以改变锯齿波的频率。图11.7 例11.1所产生的波形幻灯片42三角波程序三角波由线性下降段和线性上升段组成。相应程序为：START：MO
27、V AL，0DOWN：OUT 0FEH，AL ;线性下降段INC ALJNZ DOWN ;若未完，则DOWNMOV AL，0FEHUP：OUT 0FEH，AL ;线性上升段INC ALJNZ UP ;若未完，则UPJMP DOWN ;若已完，则循环HLT执行上述程序产生的三角波如图11.7(b)所示。三角波频率同样可以在循环体内插入NOP指令或延时程序来改变。幻灯片43方波程序START: MOVAL,33H OUT0FEH,AL ;置上限电平CALL DELAY ;形成方波顶宽MOV AL,0FEHOUT 0FEH,AL ;置下限电平CALL DELAY ;形成方波底宽JMP STARTDE
28、LAY: HLT程序执行后产生图11.7(c)所示的方波。幻灯片44l （3）双缓冲方式l 在双缓冲方式下，每个DAC0832应为CPU提供两个I/O端口。8086和两片DAC0832在双缓冲方式下的接线如图11.8所示 。图11.8 8086与两片DAC0832接口（双缓冲方式）幻灯片45l 1DAC0832的 和AB13相连，8086控制1DAC0832中 的端口地址为DFFFH；2DAC0832的l 和AB11相连，控制2DAC0832中 的端口地址为F7FFH；1和2DAC0832的 同AB15相连，控制1和2DAC0832中 的端口地址为7FFFH。工作时，8086可以分别通过端口地
29、址DFFFH和F7FFH把1和2DAC0832的数字量送入它们相应8位输入寄存器，然后再通过端口地址7FFFH把输入寄存器中的数据同时送入相应的DAC寄存器中，以实现D/A转换。幻灯片46l 相应程序如下：l MOV DX，0DFFFH ;指向DFFFH地址l MOV AL，Xdata ;X坐标值l OUT DX，AL ;X坐标值写入1DAC0832l MOV DX，0F7FFH ;指向F7FFH地址l MOV AL，Ydata ;Y坐标值l OUT DX，AL ;Y坐标值写入2DAC0832l MOV DX，7FFFH ;指向7FFFH地址l OUT DX，AL ;启动1和2DAC0832工
30、作l 幻灯片47l 2. 12位D/A转换器与CPU的接口l 当D/A转换器分辨率大于8位时，与8位微处理器的接口就需要采取适当措施。例如，对一个12位的D/A转换器，可以分成低8位和高4位。首先把低8位数送低8位锁存器，然后再把高4位送另一锁存器。分两次传送12位数字量，D/A转换器的输出就有一个中间值，这是不允许的。为了消除这个中间值，必须使D/A转换器的所有输入位同时接收信息。图11.9是12位D/A转换器与8位微处理器的典型接口。 幻灯片48图11.9 12位D/A转换器与微处理器的接口幻灯片49l 图中对低8位数字量有两个8D锁存器，就是为了消除转换过程中输出出现中间值而设置的。具体
31、工作过程为，先把低8位数字量送入8位暂存的锁存器1。由于锁存器2和3端口地址相同，因此第二次送高4位数字量时，同时选通低8位的锁存器2，从而达到12位数同时送给12位D/A转换器的目的 。l 值得指出的是，有些D/A转换器芯片内部具有数据锁存器，例如：AD558、DAC0832、DAC1210等。选用这类芯片与CPU接口，可以不需要外加数据锁存器，这样可使接口电路简单化，但仍要有相应的控制逻辑。幻灯片50l 现以DAC1210与8088CPU的接口为例，说明若D/A芯片内具有数据锁存器时，如何简化与CPU接口的硬件电路。DAC1210与IBM PC标准总线的连接如图11.10所示。图11.10
32、 DAC1210与8位微处理器的连接幻灯片51l DAC1210的12位数据线与8位数据总线相连接时，可将DAC1210输入数据线的高8位DI11DI4与IBM PC的数据总线DB7DB0相连；而其低4位DI3DI0也接至IBM PC的数据总线DB7DB4上，12位的数据输入应由两次写入操作完成。图11.10中，设DAC1210占用了0250H0252H三个端口地址，两次数据输入端口地址是先偶（0250H）后奇（0251H），将AB0地址线经反相驱动器接至 端。 幻灯片52l 由于DAC1210中的4位寄存器的 端只受 和 l 控制，而其8位输入寄存器也受 和 控制（参见图11.5）故两次写入
33、操作均使4位寄存器的内容更新。因此正确的操作步骤是：先使 至端为高电平，先写入高8位寄存器；再使 端为低电平，以保护8位寄存器已写入的内容，同时进行第二次写入操作。虽然第一次写入操作时，4位寄存器中也写入某个值，但第二次写入操作后，此值便被更改为所需值。幻灯片53l 下面的程序段为完成一次转换输出的程序，设BX寄存器中低12位为待转换的数字量。l START:MOV DX,0250H ;DAC1210的基地址l MOVCL,04l SHLBX,CL ;BX中的12位数左移4位l MOVAL,BH ;高8位数ALl OUTDX,AL ;写入高8位l INCDX ;修改DAC1210端口地址l M
34、OV AL,BL ;低4位数ALl OUT DX,AL ;写入低4位l INC DX ;修改DAC1210端口地址l OUT DX,AL ;启动D/A转换l HLTl 幻灯片5411.3 模/数（A/D）转换器 A/D转换器把输入模拟电压或电流变成与它成正比数字量的转换电路，即把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息，以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。在工业控制和数据采集及许多其它领域中，A/D转换器是不可缺少的组成部分。幻灯片55由于应用特点和要求的不同，需要采用不同的A/D转换器。A/D转换器种类很多，从原理上通常可分为以下四种：计数器式A/D转换器，双积分式A/
35、D转换器，逐次逼近式A/D转换器和并行A/D转换器。计数式A/D转换器结构很简单，但转换速度也很慢，所以很少采用。双积分式A/D转换器抗干扰能力强，转换精度也很高，但速度不够理想，常用于数字式测量仪表中。计算机中广泛采用逐次逼近式A/D转换器作为接口电路，它结构不太复杂，转换速度较高。并行 A/D转换器的转换速度最快，但因结构复杂而造价较高，故只用于那些转换速度极高的场合。 幻灯片5611.3.1 A/D转换器工作原理本节仅介绍常用的双积分式和逐次逼近式A/D转换器的工作原理。图11.11 双积分式A/D的工作原理幻灯片57l 1. 双积分式的A/D转换器l 双积分式也称二重积分式，其原理框图
36、如图11.11(a)所示。其实质是测量和比较两个积分的时间，一个是模拟输入电压积分时间，此时间往往是固定的；另一个是充电后的电压为初值，对参考电压Vref反相积分，积分电容被放电至零所需的时间T1（或T2等）。模拟输入电压Vi与参考电压Vref之比，等于上述两个时间之比。由于Vref、T0固定，而放电时间Ti可以测出，因而可计算出模拟输入电压的大小（Vref与Ti符号相反）。幻灯片58具体工作过程如下：转换开始后，首先使积分电容完全放电，并将计数器清零。然后使开关K先接通输入电压Vi端，积分器对Vi定时积分，当定时T0到时，控制逻辑使K合向基准电压Vref端，并让计数器开始计数，此时积分电容开
37、始反向积分（放电），输出电压为0时，比较器翻转，控制计数器停止计数。图11.11(b)为两次积分的波形图。可以看出，正向积分时间T0固定的情况下，反向积分时间Ti（图11.17(b)中的T1或T2）正比于输入电压Vi，Ti的数值可由计数器得到。幻灯片59l 下面对两个阶段的积分作一些定量分析。l 第一阶段，K合向Vi积分器对模拟输入电压Vi固定时间（T0）积分，输出VA为：l （11.5）l 即积分器的输出VA与模拟输入电压Vi的平均值成正比。 幻灯片60l 第二阶段，开关K合向基准电压Vref端时，积分器对Vref进行反向积分，直至积分器输出为0，即:l 即: ； (11.6)幻灯片61l
38、由式（11.5）和式(11.6)可得：l l ； l l 幻灯片62l 由于T0、Vref为已知的固定常数，因此反向积分时间T1与输入模拟电压Vi在T0时间内的平均值成正比。输入电压Vi愈高，VA愈大，T1就愈长。在T1开始时刻，控制逻辑同时打开计数器的控制门开始计数，直到积分器恢复到零电平时，计数停止。则计数器所计出的数字正比于输入电压Vi在T0时间内的平均值，于是完成一次A/D转换。l 由于双积分型A/D转换是测量输入电压Vi在T0时间内的平均值，所以对常态干扰（串模干扰）有很强的抑制作用，尤其对正负波形生成的干扰信号，抑制效果更好。幻灯片63l 双积分型的A/D转换器电路简单，抗干扰能力
39、强，精度高，这是突出的优点。但转换速度比较慢，常用的A/D转换芯片的转换时间为毫秒级。例如12位的积分型A/D芯片ADC ET12BC，其转换时间为1ms。因此适用于模拟信号变化缓慢，采样速率要求较低，但对精度要求较高，或现场干扰较严重的场合。例如在数字电压表中常被采用。 幻灯片64l 逐次逼近式（也称逐位比较式）A/D转换器，应用比积分型更为广泛，其原理如图11.12(a)所示， 图11.12 逐次逼近式A/D转换器幻灯片65l 主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器以及时序和控制逻辑等部分组成。它的实质是，逐次把设定的SAR寄存器中的数字量经D/A转换后得到电压VC,与待转换模拟
40、电压VX进行比较。比较时，先从SAR的最高位开始，逐次确定各位的数值应是“1”还是“0”。其工作过程如下：幻灯片66l 转换前，先将SAR寄存器各位清零。转换开始时，控制逻辑电路先设定SAR寄存器的最高位为“1”，其余位为“0”，此试探值经D/A转换成电压VC，然后将VC与模拟输入电压VX比较。如果VXVC，说明SAR最高位的“1”应予保留；如果VXVC，说明SAR该位应予清零。然后再对SAR寄存器的次高位置“1”，依上述方法进行D/A转换和比较。如此重复上述过程，直至确定SAR寄存器的最低位为止。过程结束后，状态改变转置，表明已完成一次转换。最后，逐次逼近寄存器SAR中的内容就是与输入模拟量VX相对应的二进制数字量。显然A/D转换位数n决定于SAR的位数和D/A的位数。 幻灯片67l 图11.12(b)表示四位A/D转换器的逐次逼近过程。转换结果能否准确逼近模拟信号，主要取决于SAR和D/A位数。
