第六章模拟量输入输出与数据采集卡

通过本章的学习，使考生掌握D/A，A/D转换的原理和典型芯片，在此基础上了解工业控制计算机常用模板的组成和应用。

要求：

(1)了解D/A转换的工作原理和8位，12位D/A转换芯片；D／A转换器与总线的连接和应用方法。

(2)了解A/D转换器的工作原理和指标，熟悉A/D转换的典型芯片和多路转换器，采样保持器的工作原理。

(3)了解数据采集卡的组成和指标及其应用方法，了解工控机配套模板的概况。

一、重点提示

本章重点是D/A，A/D转换器的工作原理，与总线的连接方法。

二、难点提示

本章难点是利用这些芯片和多路开关、采样保持器组成数据采集卡的应用方法。

考核目的：考核学生对微型计算机的模拟通道的构成及工作原理的掌握。

1．数模转换器D/A

(1)D/A转换的指标和工作原理

/ (2)典型D/A转换器芯片

(3)D/A转换器与总线的连接

2．模数转换器A/D

(1)A/D转换器的工作原理（双积分和逐次逼近型A/D转换），A/D转换器主要指标

(2)典型A/D转换器芯片（ADC0809及．12位A/D芯片）的功能和组成，与总线的

连接

3．多路开关

(1)数据采集系统对多路开关的要求

(2)几种多路开关芯片

(3)几种多路开关的主要技术参数

4．采样保持器

(1)采样保持器的工作原理

(2)常用的采样保持器芯片

5．数据采集卡的组成及其应用

本章知识结构如下：

（一）D／A转换接口

D/A转换器的作用是将二进制的数字量转换为相应的模拟量。D/A转换器的主要部件是电阻开关网络，其主要网络形式有权电阻网络和R-2R梯形电阻网络。

集成D/A芯片类型很多，按生产工艺分有双极型、MOS型等；按字长分有8位、10位、12位等；按输出形式分有电压型和电流型。另外，不同生产厂家的产品，其型号各不相同。例如，美国国家半导体公司的D/A芯片为DAC系列，如DAC0832等；美国模拟器件公司的D/A芯片为AD系列，如AD558等。使用时可参阅各公司提供的使用手册。

1．DAC0832

DAC0832是美国国家半导体公司采用CMOS工艺生产的8位D/A转换集成电路芯片。它具有与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉等特点，因而得到了广泛的应用。

(1) DAC0832的结构与引脚

DAC0832的逻辑结构框图如下图所示。片内有R-2RT型电阻网络，用于对参考电压

提供的两条回路分别产生两个电流信号IOUT1和IOUT20 DAC0832采用8位输入寄存器和8位DAC 寄存器二次缓冲方式，这样可以在D/A 输出的同时，送入下一个数据，以便提高转换速度。每个输入数据为8位，可以直接与微机的数据总线相连，其逻辑电平与TTL 电平兼容。

071~D DI 一一D ／A 转换器的数字量输入引脚。其中0DI 为最低位，

71D 为最高位。

CS ——片选信号输入端，低电平有效。 1WR 一—输入寄存器的写信号，低电平有效。

ILE 一一输入寄存器选通信号，高电平有效。II ．E 信号和1WR CS 、共同控制选通输入寄存器。当1WR CS 、均为低电平，而ILE 为高电平时，01 LE ，输入数据被送至8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，1L E 变高，输入寄存器将数据锁存，输出端呈保持状态。

XFER ——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。 2WR ……DAC 寄存器的写信号，低电平有效。当XFER 和2WR 同时有效时，输入寄存

器的数据装入DAC 寄存器，并同时启动一次D/A 转换。

CC V ——芯片电源，其值可在+5～+15 V 之间选取，典型值取+15 V 。

AGND-----模拟信号地。

DGND ——数字信号地。

FB R 一一内部反馈电阻引脚，用来外接D/A 转换器输出增益调整电位器。

REF v ——D/A 转换器的基准电压，其范围可在-lO ～+10 V 内选定。该端连至片内的

R-2RT 型电阻网络，由外部提供一个准确的参考电压。该电压精度直接影响着D/A 转换精度。

1OUT I ——D/A 转换器输出电流1，当输入全l 时，输出电流最大，约为

EF 256255R V R ?I 当输入为全O 时，输出电流最小，即为O 。 2O UT I ——D ／A 转换器输出电流2，它与1OUT I 有如下关系：

21OUT OUT I I +=常数

D/A 转换没有形式上的启动信号。实际上将数据写入第二级寄存器的控制信号就是D/A 转换器的启动信号。另外，它也没有转换结束信号，D/A 过程很快，一般还不到一条指令的执行时间。

(2)DAC0832的工作方式

DAC0832内部有两个寄存器，能实现三种工作方式：双缓冲、单缓冲和直通方式。双缓冲工作方式是指两个寄存器分别受到控制。当ILE 、CS 和WR 1信号均有效时，8位数字量被写入输入寄存器，此时并不进行A/D 转换。当WR 2和XFER 信号均有效时，原来存放在输入寄存器中的数据被写入DAC 寄存器，并进入D/A 转换器进行D/A 转换。在

一次转换完成后到下一次转换开始之前，由于寄存器的锁存作用，8位D/A 转换器的输入数据保持恒定，，因此D/A 转换的输出也保持恒定。

单缓冲工作方式是指只有一个寄存器受到控制。这时将另一个寄存器的有关控制信号预先设置成有效，使之开通，或者将两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使用。

直通工作方式是指两个寄存器的有关控制信号都预先置为有效，两个寄存器都开通。只

要数字量送到数据输入端，就立即迸入D/A 转换器进行转换。这种方式应用较少。

(3)电压输出电路的连接：

DAC0832以电流形式输出转换结果，若要得到电压形式的输出；需要外加I/V 转换电

路，常采用运算放大器实现I/V 转换。

对于单极性输出电路，输出电压为：

REF OUT V D V ?-=256

式中D 为输入数字量的十进制数。因为转换结果OUTT I 接运算放大器的反向端，所以式中有一个负号。若V V F R 5E +=,当 D---- 0～ 255 (00H ～FFH)时,V V OUT )98.4~0(-=。

通过调整运算放大器的调零电位器，可以对D/A 芯片进行零点补偿。通过调节外接于反馈回路的电位器RP1，可以调整满量程。

对于双极性输出电路，输出电压的表达式为：

REF OUT V D V ?-=128

128若V V REF 5+=，当D=O 时，V V V OUT OUT 5,01-==；当D=128(80H)时，0,5.21=-=OUT OUT V V V ；当D=255(FFH)时，

=-=OUT OUT V V V ,98.51 4.96 V 。

2．D/A 转换芯片与微处理器的接口

计算机是通过输出指令将要转换的数字送到D/A 转换芯片来实现D/A 转换的，但由于输出指令送出的数据在数据总线上持续的时间很短，因而需要数据锁存器来锁存CPU 送来的数据，以便完成D/A 转换。目前生产的DAC 芯片有的片内带有锁存器（如本节介绍的DAC0832），而有的则没有。在实际中若选用了内部不带锁存器的D/A 转换芯片，就需要在CPU 和D/A 芯片之间增加锁存电路。

（二）A/D 转换接口

A/D 转换器是模拟信号源与计算机或其他数字系统之间联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或数字系统进行处理。在工业控制和数据采集及许多其他领域中，A/D 转换器是不可缺少的重要组成部分。

由于应用特点和要求的不同，需要采用不同工作原理的A/D 转换器。A/D 转换器的主要类型有：逐位比较（逐位逼近）型、积分型、计数型、并行比较型、电压-频率型（即V/F 型）等。

在选用A/D 转换器时，主要应根据使用场合的具体要求，按照转换速度、精度、功能以及接口条件等因素决定选择何种型号的A/D 转换芯片。

1．ADC0809

ADC0809是逐位逼近型8通道、8位A/D 转换芯片，CMOS 工艺制造，双列直插式28引脚封装。给出了ADC0809芯片的内部结构框图及引脚图（图中给出的数据为对应的引脚号）。ADC0809片内有8路模拟开关，可输入8个模拟量，单极性输入，量程为o ～

+5V 。典型的转换速度为lOOms 。片内带有三态输出缓冲器，可直接与CPU 总线接口。其性能价格比有明显的优势，是目前广泛采用的芯片之一，可应用于对精度和采样速度要求不高的数据采集场合或一般的工业控制领域。

(1)内部结构与转换原理

如下图所示，ADC0809内部由三部分组成：8路模拟量选通输入部分，8位A/D 转换器和三态数据输出锁存器。

ADC20809允许连接8路模拟信号(IN 7～IN 0)，由8路模拟开关选通其中一路信号输入并进行A/D 转换，模拟开关受通道地址锁存和译码电路的控制。当地址锁存信号ALE 有效时，3位地址ADDC 、ADDB 和ADDA(通常与地址总线12A A 、和0A 引脚相连）进入地址锁存器，经译码后使8路模拟开关选通某一路模拟信号。输入的地址信息与所选通的模拟通道之间存在一一对应的关系。如当ADDC 、ADDB 、ADDA=000时，0IN 选通；ADDC 、AD-DB 、ADDA 一001时，IN 0选通；ADDC 、ADDB 、ADDA= 111时，7IN 选通。

8位A/D 转换器是逐次逼近式，由256R 电阻分压器、树状模拟开关（这两部分组成一个D/A 转换器）、电压比较器、逐次逼近寄存器SAR 、逻辑控制和定时电路组成。其工

作原理是采用对分搜索方法逐次比较，找出最逼近于输入模拟量的数字量。电阻分压器需外接正负基准电源)()(-+REF REF nv V 和。CLOCK 端外接时钟信号。A/D 转换器的启动由START 信号控制。转换结束时控制电路将数字量送人三态输出锁存器锁存，并产生转换结束信号EOC 。

三态输出锁存器用来保存A/D 转换结果，当输出允许信号OE 有效时，将打开三态门，使转换结果输出。

(2)引脚定义

70~IN IN ——8路模拟量输入端。

ADDC 、ADDB 和ADDA ——地址输入端，以选通07~IN IN 的8路中的某一路信号。 AIE ——地址锁存允许信号，有效时将ADDC 、ADDB 和ADDA 锁存。

CLOCK ——外部时钟输入端。允许范围为10～1280kHz 。时钟频率越低，转换速度就越慢。

START ——A/D 转换启动信号输入端。有效信号为一正脉冲，，若在脉冲的上升沿，A/D

转换器内部寄存器均被清零，在其下降沿开始A/D 转换。

EOC ——A/D 转换结束信号。在START 信号上升沿之后不久，EOC 变为低电平。

当A/D 转换结束时，EOC 立即输出一正阶跃信号，可用来作为A/D 转换结束的查询信号或中断请求信号。

OE--输出允许信号。当OE 输入高电平信号时，三态输出锁存器将A/D 转换结果输出

到数据量输出端07~D D 。

07~D D ——数字量输出端。

0D 为最低有效位(LSB)，i D 为最高有效位(MSB)。

L L V ?与GND--电源电压输入端及地线。)()(--+REF h REF v v ——正负基准电压输入端。中

心值为()()(--+REF r REF v V )／2（应接近于2/C L V ?)，其偏差不应该超过+0.1V 。正负基准电压的典型值分别为+5V 和OV 。

ADC0809的数字量输出值D （十进制数）与模拟量输入值VIN 之间的关系如下：

8)()()(12?--=-+-REF REF REF N V V V V D 通常V V REF 0)(=-，所以256)(1?=+REF N v v D 当

=+)(REF V V V V REF 0,5)(.=-，输入的单极性模拟量从OV 到4.98V 变化时，对应的输出数字量在O 到255 (00H---FFH)之间变化。

一、单项选择题

1．下列哪一项不属于D/A 转换器的技术指标 ( )

A ．分辨率

B ．稳定时间

C ．输出电平

D ．引脚数量

[答案]D

【解析】D/A 转换器韵技术指标：分辨率、稳定时间、输出电平、绝对精度、相对精度、线性误差、温度系数。

2．下列不是DAC0832内部组成的选项是 ( )

A.2个数据缓冲寄存器 B ．8位输入寄存器

C ．256BRAM

D ．8位DAC 寄存器

[答案]C ，

【解析】。典型D/A 转换芯片的组成：

(1)DAC0832.有2个数据缓冲寄存器、8位输入寄存器和8位DAC 寄存器。

(2)DAC1210.有8位D/A 转换器、12位输入寄存器和12位DAC 寄存器。

典型A/D 转换芯片的型号，功能和组成：

(1) ADC0809

功能：将连续变化的模拟信号转换为数字信号，可应用于对精度和采样速度要求不高的场合，或一般的工业控制领域。

组成：模拟输入部分（有8路单端输入的多路开关和地址锁存与译码逻辑）、变换器部分（控制逻辑、逐位逼近寄存器SAR、比较器、电阻网络）、三态输出缓，冲器、基准电压输入端REF(+)和REF(-)。

(2)AD574A

功能：是12位逐次逼近式的ADC，将连续变化的模拟信号转换为数字信号，适用于对精度和速度要求较高的数据采集系统和实时控制系统。

组成：数据输出寄存器、三态输出的控制逻辑、逐次逼近寄存器、时钟电路、D/A转换器。

3．下列哪项是实现十六选一的多路转换器( )

A．AD7501 B．AD7506

C．AD7502 D．CD4051B

[答案]B

【解析】典型多路转换器的型号和功能：

(1)AD750l和AD7503：选择8个通道中的一路。

(2)AD7502实现双四选一，选择8路输人中的2个通道。

(3)AD7506实现十六选一。

(4)CD4051B双向模拟多路开关，既可以用于“多到一”也可用于“一到多”的切换。4．下列哪项不是高速采样保持器芯片( )

A．LF198 B．HTS—0025

C. HTS—0060

D.HTS--0300

[答案]A

【解析】典型采样保持器的型号和功能：

功能：在A/D进行转换期间保持采样输入信号大小不变。

(1)通用型芯片：LFI98、LF398、AD582K、AD583K。

(2)高速芯片：HTS一0025、HTS一0060、HTS一0300。

(3)高分辨率芯片.SHAll44。

二、填空题

1．D/A转换的用途是____ ；A/D转换的用途是____。

[答案] 将计算机中的数字量转换为模拟量将连续变化的模拟信号转换为数字信号【解析】(1)D/A转换用途：将计算机中的数字量转换为模拟量，一般为电压或者电流信号。

(2)A/D转换用途：将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。

A/D转换器的技术指标：分辨率、精度、转换时间、电源灵敏度、量程、输出逻辑电平、工作温度范围。

2．DAC0832有三种工作方式，分别是____、____、____。

[答案]双缓冲工作方式单缓冲工作方式直通工作方式

【解析】双缓冲工作方式可以实现数据的接收和启动转换可异步进行；

单缓冲工作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器状态；

直通工作方式中数字信号一旦到达它的数据总线之后，立即进行D/A转换进而输出，

所以一般情况下很少采用这种方式连接。

三、综合应用题

1．将内存缓冲区BUFFER中1000个字节数据送D/A

[答案]

SUB1：MOV CX，1000

MOV BX，OFFSET BUFFER

MOV DX．PORTA

LOOP1：MOV AL，[BX]

OUT DX．AL

CALL DELAYlms

INC BX

LOOP LOOP1

RET

DELAYlms：MOV CX，0EFFH

LOP: NOP

LOOP LOP

RET

【解析】D/A转换器根据送来的数据可以输出相应的波形，而且余弦波和正弦波就是通过这种形式输出的。

2．利用DAC0832编程实现三角波发生器。

SUB3. MOV DX,PORTA

MOV AL,00H

LOPl OUT DX,AL

CALL DELAY

INC AL

CMP AL,0FFH

JE LOP2

JMP LOP1

LOP2: OUT DX,AL

CALL DELAY

DEC AL

CMP AL,OOH

JE LOP1

JMP LOP2

RET

【解析】利用0832编程产生三角波的规律是：首先从一个最小的数开始连续加1输出，到了最大数之后再减1连续输出，到了最小之后再重复前一个过程，这样连续循环即可，如果每个数的输出时间很长，就可以变成了一个锯齿波形输出了。

3．设计一个能用中断方式巡回取样8路模拟输入，采集100组数据后停的系统，画出硬件和相应的软件部分流程图和源程序。

[答案](1)电路图如下：

(2)软件流程图如下：

(3)软件源程序如下：主程序部分：

STACK SEGMENT STACK

STA DB 20 DUP(?)

TOP LABEL WORD

STACK ENDS

DATA SEGMENT

BUFFER DB 800 DUP(?)

DATA ENDS

CODE SEGMENT

ASSUME CS. CODE, DS. DATA, SS. STACK, ES: DATA START: MOV AX. DATA

MOV DS．AX

MOV ES，AX

MOV AX．STACK

MOV SS，AX

MOV SP. OFFSET .TOP

PUSH DS ；中断向量送中断向量表

MOV AX, SEG ADINT

MOV DS, AX

MOV DX, OFFSET ADIN7

MOV AL.OAH

MOV AH ,25H

INT 21H

POP DS

MOV DX，021H ；开放IRQ2中断

IN AL．DX

AND AL．11111011B

OUT DX，AL

MOV CX，100 ；采集组数送CX

MOV DI，OFFSET BUFFER ；缓冲区起始地址送DI

STD DF置1

STI 开中断

DONE: MOV DX,220H ；INO口地址送DX NEXT: OUT DX, AL ；启动0809

HLT ；等待中断

INC DX ；修改0809口地址

CMP DX, 228H ；8路采集完

JNZ NEXT ；没有，继续采集下一路

LOOP DONE ；8路已采集遍，继续下一轮

CLI ；采集完100组，结束

MOV AH,4CH

INT 2IH ；中断服务程序

ADINT PROC NEAR

IN AL，DX ；读取转换结果

STOSB ；送指定内存单元

PUSH DX ；发中断结束命令

MOV DX．20H

MOV AL．20H

OUT DX．AL

POP DX

IRET

ADINT ENDP

CODE ENDS

END START

【解析】注意程序设计的两个关键：

08路巡回采样每路100组数据