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1、第三章 计算机的输入输出接口技术计算机的输入输出接口（经常被称作生产过程通道）是计算机与生产过程或外部设备之间交换信息的桥梁，也是过程计算机控制系统中不可或缺的部分。这首先是因为计算机中运行的程序需要通过人机接口进行编写与操作；其次是用于工业过程控制的计算机，必须实时地了解被控对象的情况，并根据现场的情况发出各种控制命令控制执行机构动作；再之，计算机处理后的数据或结果必须告知操作人员。所以，如果没有输入输出接口的支持，计算机控制系统就失去了实用的价值。用于工业过程控制系统的计算机输入输出接口可以分为模拟量输出接口（AO）、模拟量输入接口（AI）、开关量（数字量）输入输出接口（DI、DO）和人机
2、接口等四大部分，其中模拟量输出接口的功能是把计算机输出的数字信号转换成模拟的电压或电流信号，以便驱动相应的模拟执行机构动作，达到控制生产过程的目的；模拟量输入接口的功能是把从工业生产控制现场送来的模拟信号转换成计算机能接收的数字信号，完成现场信号的采集与转换功能；开关量输入输出接口是把现场的开关量信号，如触点信号、电平信号等送入计算机，实现环境、动作、数量等的统计、监督等输入功能，并根据事先设定好的参数，实施报警、联锁、控制等输出功能；而人机交互接口互接口的功能是实现操作者与计算机之间的信息交换。第一节 模拟量输出接口在计算机控制系统中，模拟量输出接口是实现控制输出的关键，它的任务是把计算机输
3、出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以控制调节阀或驱动相应的执行机构，达到计算机控制的目的。模拟量输出接口一般由接口电路、控制电路、数/模转换器和电压/电流（V/I）变换器等构成、其核心是数/模转换器，简称DAC。通常也把模拟量输出接口简称为D/A通道。本节主要讨论D/A转换器及其接口技术，以及D/A转换模板的标准化设计。一、 D/A转换器原理及器件1.D/A转换器的工作原理D/A转换器输入的数据来自于CPU的数据线，由二进制代码按数位组合起来表示，如任意一个二进制的8位数，均可用表达式 DATA=D020+D121+D222+D323+D424+D525+D626+D727来表示。其中D
4、i=0或1（i=0,1，7）；20, 21,27分别为对应数位的权码,D/A转换的基本原理是先把每一位代码按其“权”的大小转换成相应的模拟量，然后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量响应的模拟量。D/A转换器原理如图3-1所示，它主要由四部分组成：基准电压VREF、T型（R-2R）电阻网络，其切换开关BSi（；和运算放大器A。D/A转换器输入的二进制型数从低位到高位（D0Dn-1）分别控制对应的位切换开关（BS0BS n-1），它们通过R-2R型电阻网络，在各2R支路上产生与二进制数各位的权成比例的电流，再经运算放大器A相加，并按比例转换成模拟电压VOUT与输入二进制数D0Dn-1的关系式为V
5、OUT VREF（D020+D121+D222Dn-12-）/2n其中，Di0或1（i= i=0，1，n-1），n表示D/A转换器的位数。图3-12.D/A转换器性能指标D/A转换器的主要性能指标如下。分辨率 D/A转换器的分辨率定义为基准电压与2n之比值，其中n为D/A转换器的位数，如8位、10位、12位等。例如，基准电压VREF5V，那么8位D/A的分辨率为5V/2819.53mV，12位D/A的分辨率为5V/2121.22mV。稳定时间（又称转换时间）输入俄日乃至数由0变为满量程时，输出模拟量达到离终值12LSB（Least Significant Bit）时所需的时间。对于输出是电流的
6、D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微秒。而输出是电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。绝对精度 指输入满量程数字量时，D/A转换器的实际输出值与理论值之间的偏差。该偏差用最低有效位的分数来表示，如12LSB或1LSB。相对精度 在满量程已校准的情况下，对应于任意数码的实际输出与理论值之间的最大偏差。该偏差也用最低有效位LSB的分数来表示。线性误差线性误差 理想的D/A转换器的输入输出特性应是线性的。在满量程范围内，偏离想转换特性的最大误差称线性误差。该误差也用最低位LSB的分数来表示。3. D/A转换器芯片介绍D/A转换器的种类很多，按数字量输入方式分，可分为并行
7、输入和串行输入两种；按模拟量输出方式分，可分为电流输出和电压输出两种；按D/A转换的分辨率分，可分为低分辨率、中分辨率和高分辨率三种。下面仅从使用角度介绍三种常用的8位D/A转换器芯片DAC0832、12位D/A转换芯片DAC1210和串行输入的12位D/A转换器芯片AD7543。8位转换器芯片DAC0832图3-2是8位DAC寄存器、采用T型电阻网络的8位D/A转换器以及输入控制电路。由于它有两个可以分别控制的数据寄存器，使用时有较大的灵活性，可根据需要接成不同输入工作方式。另外芯片内部有电阻RFB，它可用作直流运算放大器的反馈电阻，以便于芯片直接与运算放大器连接。DAC0832的分辨率为8
8、位，电流输出，稳定时间1s。采用20脚双列直插式封装，各引脚功能如下。 图3-2DI0DI7:数据输入线，其中DI0为最低有效位LSB，DI7为最高有效位MSB（Maximum Signigicant Bit）。CS：片选信号，输入线，低电平有效。WR1：写信号1，输入线，低电平有效。ILE：允许输入锁存信号，输入线，高电平有效。当ILE、CS和WR1同时有效时，8位输入寄存器LE1端为高电平“1”，此时输入寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化；当LE1端为低电平“0”时，原D端输入数据呗锁存于Q端，而且在此期间D端电平的变化不影响Q端。WR2：写信号2，输入线，低电平有效。XFER：传送控
9、制信号，输入线，高电平有效。当WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器LE2端为高电平“1”，此时将第一级8位输入寄存器Q端的状态锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便进行D/A转换。通常把CPU的写信号WR作为WR1、WR2信号，把接口地址译码信号作为CS信号。如无特殊要求可将ILE接高电位，XFER接地。一般情况下把WR2和XFER接地，置成单级输入工作方式，以便简化接口电路。特殊情况下可采用双级输入工作方式，例如要求多个D/A转换器同步工作时，首先将D/A转换数据逐个置入8位输入寄存器，然后用统一信号（WR2和XFER）再置入8位DAC寄存器以便实现多个D/A转换器同步输出。IOUT1
10、：DAC电流输入端1，此输出信号一般作为运算放大器差动输入信号之一。IOUT2：DAC电流输入端2，此输出信号一般作为运算放大器另一个差动输入信号。RFB：该电阻可用作外部运算放大器的反馈电阻，接于运算放大器的输出端。VREF：基准电压源端，输入线，-10+10V DC。VCC：工作电压端，输入线，+5+15V DC。DGND：数字电路地线。AGND：模拟电路地线。（2）12位D/A转换器芯片DAC1210内部原理框图，其原理和控制信号（CS、WR1、WR2和XFER）功能基本上同DAC0832，但有两点区别。一是它是12位的，有12条数据线（DI0DI11），其中DI0为最低有效位LSB，D
11、I11为最高有效位MSB。由于它比DAC0832多了4条数据输入线，故采用24脚双立直插式封装。二是可以用字节控制信号BYTE1/2控制数据的输入，当该信号为高电平时，12位数据（DI0DI11）同时存入第一级的两个输入寄存器；当该信号为低电平时，只将低4位数据（DI0DI3）存入低4位输入寄存器。图3-3 DAC1210原理（3）串行输入D/A转换器AD7543AD7543是分辨率为12位的CMOS单片串行输入D/A转换电路，其数字输入端仅有一条阴险，12位数字量由高位到底为逐次一位位输入。它的非线性度是12LSB，具有较低的增益，温度系数为（25）10-6-1，供电电源为5V。它由一个12
12、位串行输入移位寄存器、12位DAC寄存器和12位D/A转换器组成，其结构及引脚如图3-4所示。图中，STB1、STB2、STB3、STB4、表示宣统信号，其逻辑关系见表3-1；SRI为数据输入端；图3-4 AD7543原理CLR为输入寄存器复位端；LD1和LD2为移位寄存器内容写入输入寄存器的控制信号；VREF为基准电压；IOUT1和IOUT2为D/A信号输出端；RFB为反馈点阻断；DGND为数字地；AGND为模拟地；VCC为供电电源端。表3-1 AD7543逻辑关系二、 D/A转换器接口与隔离技术在CPU与D/A转换器之间必须设置接口电路，用来实现数据传送、地址选择和读写控制，如果D/A芯片
13、内部无输入寄存器，则还需要外加寄存器。在以下的讨论中不考虑总线驱动问题。从系统的可靠性出发，在接口上加数据缓冲器是必要的。1.8位转换器接口图3-5是DAC0832与CPU的接口电路。D0D7是从CPU过来的8位数据线，为了提高数据总线的驱动能力，D0D7须经过数据线驱动器U1（74LS244），再接到DAC0832的数据输入端（D0D7）。WR为CPU的写控制线；A10A15为CPU的地址线，经U2（74LS138）三-八译码器译码后产生接口地址信号，由于地址线A0A9没有参加译码，图3-5中DAC0832的接口地址为2000H23FFH。当需要进行D/A转换时，CPU只要执行一条输出指令，
14、就可以将被转换的8位数据通过D0D7经U1传给DAC0832的数据输入端DI0DI7；并立即启动D/A转换，在运放输出端VOUT输出对应的模拟电压。用INTEL96汇编语言编写的程序如下：LD DX,#2100H ；将接口地址赋给DX寄存器STB AL,DX ；将（AL）的内容送给DAC0832，进行D/A转换RET图3-5 8位D/A转换接口电路2.12位转换器接口图3-6是12位D/A转换器DAC1210与8位CPU的接口电路。为了用8位数据线（D0D7）来传送12位被转换数（DI0DI11）,CPU需分两次传送被转换数。首先将被转换数的低4位（DI3DI0）传给低4位输入寄存器，再将高8
15、位（DI11DI4）传给8位输入寄存器，最后将12位输入寄存器的状态传给12位DAC寄存器，并启动D/A转换。图3-6D/A转换器的物理地址为8000H8FFFH，且只有在“写信号（WR）”有效时，译码器U2（74LS138）才能产生片选信号。当A0为低电平时，Y0为低（有效），写低4位数据，当A0为高电平时，Y1为低（有效），写高8位数据。接口程序如下（INTEL-96）：LD DX,#8100H ；将接口地址赋给DX寄存器STB AL,DX ；将（AL）中的低4位数据送给DAC1210STB AH,DX ；将（AH）中的高8位数据送给DAC1210，并将12位数据 ；写入12位DAC寄存器
16、进行D/A转换。RET图3-6 12位D/A转换接口电路选用16位或16位以上的CPU时，可以一次性地将12位数据送给D/A转换器，实施起来很方便；对于字长只有8位的CPU来说，除了上面的分两次送入待转换的数据以外，还可以采用图3-7所示的接口电路，一次将12位数据送给D/A转换器。从图中可以看出，D/A转换的12位数据分成高4位和低8位，低8位通过数据线(DI0DI7)和U1（74LS244）直接送给DAC1210的DI0DI7，高4位是借助地址译码中空闲的地址线A8A11来实现数据传送的，首先将高4位数据赋给A8A11这4位地址，然后对该地址进行写操作，将低8位数据写出，一次完成12位被转
17、换数据的传送。相关的接口程序如下（INTEL-96）：LD DX,#0A000H ；接口地址（8000HBFFFH均可）赋给DX寄存器ORB DH，AH ；将高4位数据赋给A8A11STB AL，DX ；将（AH）中的低8位数据送给DAC1210，并将12数据 ；输入12位DAC寄存器进行D/A转换RET图3-7 改进的12位D/A转换接口电路3.串行输入12位D/A转换接口串行输入式D/A转换器有接线少、易隔离、能远传等优点，可以很方便地与CPU连接，图3-8就是它与INTEL-80C196CPU的接口电路。从图可以看出，它只采用了4根线完成CPU与D/A转换器之间的数字传送，它们分别是：串
18、行数据输入线P27、清D/A输出的控制线P26、产生移位信号的时钟线P25和将移位寄存器的12位数据送至输入寄存器并启动D/A转换的选通线P20。当然，也可以采用不同的方法来实现同样的功能。下面给出与图3-8对应的MCS-96程序。ANDB PORT2，#10111111B ；P26=0，清D/A输出ORB PORT2，#01000001B ；P26=1，P20=1。此两条为初始化程序LDB BL,#12 ；以下为D/A转换程序，循环12 次LOOP: ANDB PORT2，#5FH ；P27=0，P25=0，将AX中的数送出 JBC AL，0，LOOP1 ORB PORT2，#80H ；P2
19、7=1LOOP： ORB PORT2，#20H ；P25=1，上升沿，将数送入移位寄存器 DJNZ BL,LOOP ；循环12次，直到12位数全部送出为止 ANDB PORT2，#0FEH ；P20=0,将12位数送至输入寄存器 NOP ；等待，空操作，D/A正在转换 ORB PORT2，#01H ；P20=1，准备下一次写入数据 RET图3-8 串行输入、12位D/A转换接口电路4.D/A转换器接口的隔离技术由于D/A转换器输出直接与被控对象相连，容易通过公共地线引入干扰，必须采取隔离措施。通常采用光电耦合器，使两者之间只有光的联系，达到隔离的目的。光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在
20、同一管壳内组成的，发光二极管的输入和光敏三极管的输出具有类似普通三极管的输入-输出特性。利用光电耦合器的线性区，可使D/A转换器的输出电压经光电耦合器变换成输出电流（如010Ma DC或420mA DC），这样就实现了模拟信号隔离，如图3-9所示。该图中转换器的输出电压经两极光电耦合器变换成输出电流，这样既满足了转换的隔离，又实现了电压/电流变换。为了取得良好的变换线性度和精度，在使用中应挑选线性好、传输比相同并始终工作在线性区的两只光电耦合器。图3-9 8位D/A转换器输出电路（带隔离）利用光电耦合器的开关特性，也可以将转换器所需的数据信号和控制信号作为光电耦合器的输入，其输出再接到转换器上
21、，实现数字信号隔离，如图3-14所示。该图中8位被转换数先存入寄存器74LS574，再经光电耦合器TLP521-4（每片中含有4只光电耦合器）隔离后接到D/A转换器的数据输入端；此外，控制信号经光电耦合器隔离后接到转换器的片选和写入信号端。上述两种光电隔离方法各有优缺点。模拟信号隔离方法的优点是：只使用少量的光电耦合器，成本低；缺点是调试困难，如果光电耦合器挑选不合适，将会影响转换的精度和线性度。数字信号隔离方法的优点是调试简单，不影响转换的精度和线性度；缺点是使用较多的光电耦合器等元器件，成本高。三、 D/A转换模板的标准化设计1. D/A转换模板的设计原则根据用户对D/A输出的具体技术要求
22、，设计者应合理的选择D/A转换芯片（分辨率、稳定时间、相对精度和线性误差等）及相关的外围电路。在设计中，一般没有负载的电路参数计算，但需要掌握各类集成电路的性能指标及引脚功能，以及与D/A转换模板连接的CPU或计算机总线的功能、接口及其特点。在硬件设计的同时还必须考虑软件的设计，并充分利用计算机的软件资源；原则上，在不增加硬件成本能实现的功能应由硬件来实现；需要通过增加硬件成本才能实现，同时软件也能实现的功能应由软件来实现。因此，只有硬件与软件的合理结合，才能在较少硬件投资的情况下，设计出同样功能的D/A转换模板。此外还应考虑以下几点。（1） 安全可靠尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术
23、。（2） 性能与经济的统一一个好的设计不仅体现在性能能上应达到预定的指标，还必须考虑设计的经济性。在选择集成电路芯片时，应综合考虑转换速度、精度、工作环境温度和经济性等因素。例如，一般集成电路芯片适用于070，CMOS集成电路适用于-40+85，后者适用于恶劣的工作环境，抗干扰能力强，但价格要比前者高。又例如，12位D/A转换器要比8位D/A转换器价格高，但前者的转换精度要高的多。一般工业控制用812位，实验室用1216位。（3） 通用性从通用性促发，在设计D/A转换模板时应考虑以下三个方面：符合总线标准；用户任意选择接口地址和输出方式。 合总线标准 由于计算机采用了内部总线结构，每块模板都应
24、符合总线标准，以便灵活组成一套完整的计算机系统。例如，STD总线标准规定模板尺寸为165mm114mm，模板总线引脚共有56只。又如，用于工业PC的模板则应符合工业标准体系结构（Industry Standard Architecture，ISA）和外围部件互连（Peripheral Component Interconnection，PCI）标准。 选择接口地址 一台计算机可能有多块功能模板，每块模板都应有自己的接口地址。一般接口地址由基址和片址组成，图3-10给出了PC机功能模板接口地址译码电路图。图3-10 接口地址译码电路图中地址线（PCA0PCA9）、选通控制线（PCAEN）均来自P
25、C机的I/O槽口。功能模板的基址可用短接器（S1S7）来选择，短接为低电平，开路为高电平。当8位量值比它的输出端(P=Q)有效（低电平）。片址由三-八译码器（74LS138）译码后产生，输出接口地址信号CS0CS7（低电平有效），可分别作为8片D/A转换器（如DAC0832）的片选信号CS和写入信号WR1。如果按图3-10中的短接器状态（短接和开路），则8个接口地址0C8H0CFH分别对应信号CS0CS7，即基址0C8H加片址00H07H。选择输出方式 D/A转换器输出方式一般分电流输出和电压输出两种。在计算机过程控制中，通常采用010mA DC或420mA DC电流输出，如图3-11所示。该
26、图中D/A转换器（DAC0832）的输出电流经运算放大器A1和A2变换成输出电压VOUT，再经三极管T1和T2变换成输出电流IOUT。当选择开关KA的1、2短接时，通过调节零点电位器W1和调量程电位器W2，为外接负载电阻RL提供010mA DC电流；当选择开关KA的1、3短接时，通过调节零点电位器W1和调量程电位器W2，为外接负载电阻RL提供420mA DC电流。图3-11 D/A转换器的电流输出电压输出可分为单极性和双极性两种，如图3-12所示。图中A1和A2选用输入失调电压极低的高性能运算放大器。当短接头KB的1、2短接时，则为单极性电压（010V DC）输出；当端接头KB的1、4和2、3
27、短接时，则为双极性电压（-10010V DC）输出。图3-12 D/A转换的单/双极性电压输出2. D/A转换模板设计举例D/A转换模板的设计步骤是：确定性能指标、设计电路原理图、设计和制造电路印刷版、焊接和调试电路板。首先按照设计原则和性能指标来设计电路和选择集成电路芯片。在设计电路时，应注意数字电路和模拟电路分别排列走线，尽量避免交叉，连接要尽量短，模拟地（AGND）和数字地（DGND）分别走线，通常在总线引脚附近一点接地。如图采用光电隔离，那么隔离前、后电源线和地线要独立。然后进行焊接，但在焊接之前必须严格筛选元器件，并保证焊接质量。最后分步调试，一般是先调数字电路部分，再调节模拟电路部
28、分，并按性能指标逐项考核。下面以PC及接口为例，介绍D/A转换模板的设计。图3-13是采用PC总线标准的4路D/A转换模板的原理框图，相应的电路原理如图3-14所示。图中V/I转换部分参见图3-11，接口地址选择部分参见图3-10；DC-DC电源转换部分为光隔后续电路提供+5V、+15V（图中未画出）、-15V的隔离电源，由PC机的+5V供电；图左侧的引线与PC机的总线相连，D0D7为8位数据线，A0A9为10根I/O设备寻址线（地址线），IOW为CPU对设备写信号线，AEN为DMA控制线。现简单介绍如下。图3-13 4路8位D/A转换原理框图图3-14 4路8位D/A转换电路原理（1）主要性
29、能指标通道数：4路。分辨率：8位。输出方式：010mA DC或420mA DC输出阻抗：010mA DC时，小于或等于1200；420mA DC时，小于或等于600。转换时间：约50s（其中光电耦合器延时8s，D/A转换2s，V/I转换约40s）。（2）工作原理该电路由数据缓冲器U1（74LS244）、接口地址选择及控制电路U2（74LS688）、反相门电路U3（74LS04）、双输入或门电路U4（74LS32）、数据寄存器U5（74LS574）、控制寄存器U6（74LS574）、光电耦合器U7U9(TLP521-4)、D/A转换器U10U13（DAC0832）和电压/电流变换电路等组成。用户
30、可根据需要通过开关S1S8来设置接口地址（A2A9），当CPU送出的地址与所选的地址一致，且AEN无效时，U2的输出端有效，如若此时IOW同样有效，则CPU对该D/A转换模板操作，使控制电路U4：A输出有效，并送至控制电路U4：B和U4：C。当A0为低电平时，控制电路U4：B输出（WD）有效，将数据缓冲器U1送出的数据锁入数据寄存器U5；当A0为高电平时，控制电路U4：C输出（WC）有效，将数据缓冲器U1送出的数据锁入控制寄存器U6。为了将D/A转换的数据送入DAC0832的8位输入寄存器，CPU需执行三次输出（写）操作，首先把待转换的数据写入数据寄存器U5；其次把对应于具体D/A通道的控制字
31、置有效后写入控制寄存器U6，此时数据寄存器U5的数据通过光电耦合器U7u8送入所选D/A通道的8位输入寄存器；最后把响应的控制字置无效写入控制寄存器U6，防止DAC内的数据冲掉。第二节 模拟量输入接口模拟量输入接口的任务是把被控的模拟量信号（如温度、压力、流量、液位和成分等）转换成计算机可以接收的数字量信号。模拟量输入接口一般是由多路模拟切换开关、前置放大器、采样保持器、模/数转换器和控制电路等组成。其核心是模/数转换器，简称A/D或ADC，通常也把模拟量输入接口简称为A/D通道。本节要讨论A/D转换器及其接口技术，以及转换模板的标准化设计。一、 A/D转换原理及器件A/D转换的原理很多，有逐
32、位逼近法、双积分法、-法、并行法、计数法、V/F法等。下面介绍前三种。1 逐位逼近法（1）工作原理逐位逼近式A/D转换器是比较常见的一种A/D转换电路，其原理如图3-15所示。图3-15 逐位逼近式A/D转换器原理框图逐位逼近式A/D转换器的工作原理如下：从逐位逼近器SAR输出的二进制编码送至D/A转换器，D/A转换器的输出电压VF（反馈电压）与模拟量输入电压VIN经比较器进行比较后，再控制SAR的数字逼近。逐位逼近式A/D转换器采用类似于天平秤重的原理，从SAR的最高位开始逐位进行比较，并逐位确定其数码取“1”还是取“0”，比较完毕就把SAR状态送到数字量输出锁存器，完成一次A/D转换。逐位
33、逼近式A/D转换器的核心部分是SAR和D/A。现以理想的2位A/D转换器为例，说明其工作过程，如图3-16所示。该图中D/A转换的输出电压VF大小取决于正、负基准电压源（VREF+, VREF-）和开关树中各位开关Sij的状态，权开关的通、断又取决于SAR各位的状态、其中D1位控制权开关S10和S11，当D1=1时，S10闭合而S11却断开；当D1=0时，则反之。而D0位控制权开关S00S03，当D0=1时，S00和S02闭合而S01和S03却断开；当D0=0时，则反之。图3-16 理想的2位A/D转换器示意图根据上述逐位逼近式转换器的原理，n位A/D转换器输出的二进制数字量B与输入模拟电压V
34、IN、正基准电压VREF+、负基准电压VREF-的关系为B=VIN-VREF-VREF+-VREF-2n设A/D转换器为8位，VREF+=5.00V，VREF-=0V，那么VIN为0V、2.5V、5.0V对应的数字量分别为00H、7FH、0FFH。A/D转换器性能指标的定义类似于D/A转换器，如分辨率、绝对精度、相对精度和线性误差等。而转换时间指完成一次转换所需的时间，如逐位逼近式A/D的转换时间为微秒级，双积分式A/D的转换时间为毫秒级。（2）逐位逼近式A/D转换器芯片介绍 逐位逼近式A/D转换器的品种很多，既有中分辨率的，也有高分辨率的；不仅有单极性电压输入，也有双极性电压输入；转换速度也
35、有快、慢之分。下面仅从使用的角度介绍几种常用的A/D转换器芯片，供读者参考。8位A/D传奇芯片 ADC0801ADC0805型8位全MOS工艺A/D转换器是当前最流行的中速廉价型产品之一。片内有三态数据输出锁存器，与微处理器兼容，输入方式为单通道，转换时间约为100s。精度较高的ADC0801，非线性误差为14LSB；最差的ADC0804和ADC0805非线性误差为1LSB。单一5V电源供电。同类产品还有ADC1001型10位A/D转换器。被转换的电压信号可以是差动信号或不共地的电压信号；模拟地和数字地分别设置引入端，使数字电路的地电流不会影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。参考电压V
36、REF/2可以由外部电路供给，也可以由器件内部产生。ADC0801ADC0805还带有片内时钟，只要外部一只电阻、电容即可产生A/D转换所需的时钟；器件有A/D启动控制端，A/D转换结束信号输出端；如将两端连在一起，可自动循环转换。转换好的数据存放的输出数据锁存器内，供计算机读取。ADC0808系列多通道8位CMOS 工艺A/D转换器的结构、性能与ADC0801ADC0805近似。芯片内设置了多路模拟开关以及通道地址译码、锁存电路，因此，能对多路模拟信号进行分时采集与转换。ADC0808系列芯片主要有8通道的ADC0808/0809和16通道的ADC0816/0817。片内有三态数据输出锁存器
37、，与微处理器兼容，转换时间约为100s。ADC0808D 非线性误差为12LSB，ADC0809的非线性误差为1LSB。单一5V电源供电。参考电压由外部电路供给，无片内时钟。器件有A/D启动控制器，A/D转换结束信号输出端；如将两端连在一起，可自动循环转换。12位A/D转换器芯片 AD574A型快速12位逐次逼近式A/D转换器是一种内部由双片双极型电路组成的28脚双列直插式集成D/A器件，双片为一片模拟芯片和一片数字芯片，模拟芯片为AD565A型快速12位单片集成D/A转换器芯片；数字芯片则包括高性能比较器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路以及三态数据输出锁存器等。无需外接元器件就可
38、独立完成A/D转换功能。非线性误差小于12LSB或1LSB，一次转换时间为25s，所需电源为15V和+5V。由于芯片内部比较器的输入回路接有可改变量程的电阻和双极性输入偏置电阻，因此，AD574A的模拟量输入量程有0+10V、0+20V、-5V+5V以及-10+10V四种；可以接成单极性输入或双极性输入；器件带有基准参考电压输出，供用户选用；并且可以很方便地进行零点调整、增益调整、AD574A还有A/D启动控制端，A/D转换结束信号输出端，A/D转换精度控制端（8位或12位），输出数据格式控制端（12位一次送出，或分成8位和4位二次送出）。AD1671型高速12位逐次逼近式A/D转换器的转换频
39、率为1.25MHz。其他性能与AD574A相近，非线性误差小于12LSB或1LSB，所需电源为5V，模拟量输入量程0+5V及-5+5V两种，可以接成单极性输入或双极性输入；器件带有基准参考电压输出，供用户选用；可以很方便地进行零点调整、增益调整。此外器件也有A/D启动控制端，A/D转换结束信号输出端、输出数据格式控制端（12位一次送出，或分成8位和4位二次送出）等。3. 双积分式A/D转换器双积分式A/D转换是一种间接A/D转换技术。首先将模拟电压转换成积分时间，然后用数字模拟脉冲芳芳转换成计数脉冲数，最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成BCD码输出。因此，双积分式A/D转换器的转换时间
40、较长，一般需要四五十毫秒。由于双积分式A/D转换器具有器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜等优点，在计算机非快速过程控制系统中，经常选用此类A/D器件。（1） 双积分式A/D转换的工作原理双积分式A/D转换的工作原理如图3-17所示。首先将电路中的切换开关K打在1端，对模拟输入电压VIN进行固定时间t1的正向积分，积分器的输出电压由零慢慢地上升，其上升的速率与输入电压VIN成正比。当固定时间t1到后，计数器清零，切换开关K自动从1端切至2端，对积分器进行反向积分，并自动按一定的频率进行技术。积分器的输出电压从正向积分结束时的VI开始下降，因反向积分时加在积分器输入端上的基准电压V
41、REF（负电压）是恒定的，所以其下降的斜率也是恒定的。当反向积分使其积分器输出为零时，比较器输出由高电平变为低电平，此时关闭计数器计数，完成一次A/D转换工作。从图3-18可以看出，双积分式A/D每进行一次转换，都要进行一次固定时间的正向积分（上升）和一次积分时间与输入电压幅度成正比的反向积分（下降），故称为双积分。比较器的输出仅与积分器的输出电压有关，当输出电压大于零时，比较器输出为高电平，反之则为低电平。（2） 常用芯片介绍图3-17 双积分式A/D转换的原理框图 MC14433 MC14433是廉价型三位半双积分式A/D转换器。它有两档输入量程：-1.9990+1.999V或-199.9
42、0+199.9mV，响应的基准电压为2V或200mV，器件带有内部时钟，只要外接一只电阻即可，外接电阻的阻值在100470K左右，电阻越大，振荡频率越低，转换速度越慢。此外还需要外接一只失调补偿电容、一只积分电容和一只积分电阻，补偿电容和积分电容应选用温度系数好、性能稳定、漏电流小的涤纶等精密电路，容量为0.1F。积分电阻要求不高，金属膜即可，当量程为2V时，选470K；量程为200mV是，选27K。MC14433为5V双电源供电，基准电压需外部提供，一般由MC1403经电位器分压后得到。此外，还有数个转换标志输出，如转换周期结束标志输出，每当一个转换周期结束，EOC端就输出一个宽度为1/2时
43、钟周期的正脉冲；过量程标志输出，当|VX|VREF时间，OR输出低电平；转换更新控制DU输入，当DU与EOC连接时，每次A/D转换结果的输出都被更新。MC14433的转换结果以BCD码的形式，分时按千、百、十、个位送出。千位送出的数据比较特别，当最低位为0时，最高位为A/D转换的“千”位数据，次高位为符号位，1为正，0为负；当最低位为1时，最高位用来表示输入信号的量程状态，0为输入信号过量程，1为欠量程。 其他芯片 ICL7106/ICL7107/ICL7126系列。三位半（BCD）精度，具有自校零、自动极性、单参考电压、静态七段显示码输出，可直接驱动LED或LCD显示器等功能。三者的主要区别
44、是所驱动的显示器不同。ICL7135器件为四位半（BCD）精度，具有自校零、自动极性、单参考电压、动态字位扫描BCD码输出、自动量程控制信号输出等功能。AD7550/AD7552/AD7555系列。其中AD7550为13位二进制补码输出；AD7552为符号位加12位二进制码输出；AD7555为五位半（BCD）精度、动态字位扫描BCD码输出。ICL7109器件为12位二进制码输出，并带有一位极性位和一位溢出位。图3-18 双积分A/D的工作示意图3.-法-型A/D转换器的组成如图3-19所示。它利用取样频率为FS（fS）的一系列粗糙量化数据，由后续的数字抽取器计算出模拟信号所对应的低取样频率fS
45、的高分辨率数字信号。这些过程的实现主要基于过取样、-调制和数字滤波。图3-19 -型A/D转换器的组成AD7715是采用-原理、价格便宜、分辨率高的模/数转换器件，它不受噪声环境的影响，从而成为工业和过程控制应用中的理想器件。此外，AD7715提供了一个增益为1、2、32、128倍可编程的放大器，一个数字滤波器和一套自校准电路。它所提供的系统功能要比常用的积分型模/数转换器强得多，而且避免了必须提供一个高质量积分电容的缺点。此外，在系统中采用AD7715能使系统设计者获得很高的分辨率（16位无误码，0.0015的非线性）。因为AD7715的噪声性能比积分型模/数转换器要好得多。AD7715具有
46、一个差分模拟输入及一个差分基准输入，采用单电源（+3V或+5V）供电。它能直接处理0+20mV、0+80mV、0+1.25V、0+2.5V单极性信号输入，也能处理20mV、80mV、+1.25V、+2.5V的双极性信号输入。AD7715采用三线串行方式与微控制器接口，完成增益设置、信号极性、刷新率的选择及自校准与系统校准的功能。AD7715采用CMOS工业保证期间在低功耗下工作（3V供电，主时钟频率为1MHz,时功耗不超过450W），在省电待用模式时的典型功耗为50W。除了上述A/D转换意外，常见的还有并行A/D转换器、计数器式A/D转换器以及电压/频率转换器件等。感兴趣的读者可以从本书的参考
47、文献中找到更详细的资料。二、 A/D转换器接口与隔离技术A/D转换器的任务是将模拟量转化成数字量，但何时启动A/D、A/D的结果又怎么输出等均需CPU参与，为此必须在A/D转换器与CPU之间设置接口与控制电路。接口电路的构成既取决于A/D转换器本身的特点，又取决于采用何种方式读取A/D转换结果。比如说，有些A/D转换器芯片内部没有多路模拟切换开关，有些则已经包括，如ADC0809.而CPU读取A/D转换结果的方式通常有三种：查询法、定时法和中断法。采用查询方式进行的成为查询法；采用定时去读取A/D转换结果并启动另一次A/D转换的方法称为定时法；用硬件终端方式进行的称为中断法。接口方式一般由两种，即并行接口和串行接口，由A/D转换器与CPU之间的数据传输方式决定。1. PC总线接口图3-20给出了12位A/D转换器AD574与PC总线之间的接口原理。图中U1为AD574转换器，U2为74LS245双向数据缓冲器，U3为74LS00
