0單片機原理及應用機械類專業必修課2011年12月主講人：張登攀專業:機械制造及其自動化1教學內容0、課程準備1、微型計算機基礎3、中斷、定時與串行通信2、微機系統結構及編程4、人機交互接口5、信號轉換接口2第五講信號轉換接口

單片機應用的重要領域是測控。在其應用過程中，除數字量外還會遇到另一類物理量，即模擬量。例如：溫度、速度、電壓、電流、壓力等，它們都是連續變化的物理量。由于計算機（單片機）只能處理數字量，因此計算機（單片機）控制系統中凡遇到有模擬量的地方，就要進行模擬量向數字量、數字量向模擬量的轉換，也就出現了單片機數/模和模/數轉換的接口問題。35.1A/D轉換接口1、A/D轉換原理在單片機控制系統中，被控制的對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等）信號，而單片機處理系統能夠處理的是數字信號。因此，必須先將模擬信號轉換成數字信號，再輸入到單片機處理系統.第五講信號轉換接口4將模擬信號轉換成數字信號的電路，稱為模數轉換器（簡稱A/D轉換器）。其工作原理框圖如圖所示：A/D轉換器輸入模擬量數字量輸出第五講信號轉換接口52、A/D轉換過程A/D轉換過程一般是由采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成的。即首先對輸入的模擬電壓信號進行采樣，采樣結束后進入保持時間，在這段時間內將取樣的電壓量化為數字量，然后按一定的編碼形式輸出，這樣重復即可將一段模擬信號轉換為數字信號輸出。采樣保持電路編碼電路量化電路第五講信號轉換接口6（1）采樣和保持電路采樣：把時間上連續變化的信號變換為時間離散的信號。采樣是通過采樣器完成的，采樣器（電子模擬開關）在采樣脈沖S(t)的作用下，將隨時間連續變化的模擬信號F(t)轉變為時間上離散的模擬信號。第五講信號轉換接口7第五講信號轉換接口8采樣定理：當采樣頻率不小于輸入模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍時，采樣信號可以不失真地恢復為原模擬信號，即：

式中fS采樣頻率，f為輸入信號vI的最高頻率分量的頻率。避免混疊失真應滿足：1、信號要限帶，即對于|f|≧fimax，有X(f)=0，然后抽樣；2、滿足抽樣條件。第五講信號轉換接口9

因為每次把取樣電壓轉換為相應的數字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間。完成這個轉換過程的電路就是保持電路。第五講信號轉換接口10（2）量化和編碼量化：數字信號不僅在時間上是離散的，而且數值上的變化也不是連續的。這就是說，任何一個數字量的大小，都是以某個最小數量單位的整倍數來表示的。因此，在用數字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數量單位的整倍數，這個轉化過程就叫做量化。量化單位：所規定的最小數量單位叫做量化單位，用Δ表示。顯然，數字信號最低有效位中的1表示的數量大小，就等于Δ。編碼：把量化的數值用二進制代碼表示，稱為編碼。這個二進制代碼就是A/D轉換的輸出信號。第五講信號轉換接口11量化誤差:

既然模擬電壓是連續的，那么它就不一定能被Δ整除，因而不可避免的會引入誤差，把這種誤差稱為量化誤差。在把模擬信號劃分為不同的量化等級時，用不同的劃分方法可以得到不同的量化誤差。假定需要把0～+1V的模擬電壓信號轉換成3位二進制代碼，這時便可以取Δ=（1/8）V，并規定凡數值在0～（1/8）V之間的模擬電壓都當作0×Δ看待，用二進制的000表示；凡數值在（1/8）V～（2/8）V之間的模擬電壓都當作1×Δ看待，用二進制的001表示，……等等，如表所示。不難看出，最大的量化誤差可達Δ，即（1/8）V。第五講信號轉換接口12為了減少量化誤差，取量化單位Δ=（2/15）V，并將000代碼所對應的模擬電壓規定為0～（1/15）V，即0～Δ/2。這時，最大量化誤差將減少為為Δ/2=（1/15）V。這個道理不難理解，因為現在把每個二進制代碼所代表的模擬電壓值規定為它所對應的模擬電壓范圍的中點，所以最大的量化誤差自然就縮小為Δ/2了。。第五講信號轉換接口133、A/D常用的芯片(1)ADC0801~ADC0805、ADC0808/0809、ADC0816/0817型8位MOS型A/D轉換器；(2)TLC1549單通道串行輸出A/D。TI公司生產的一種開關電容結構的逐次比較型10位A/D轉換器。有DIP和FK2種封裝形式。(3)TLC2543多通道串行輸出A/D。也是TI公司生產的眾多串行A/D轉換器中的一種，CMOS12位開關電容逐次逼近A/D轉換器，具有輸入通道多、精度高、速度高等特點。(4)ADC570、ADC1210。除以上芯片還有許多不同精度的A/D轉換芯片。在使用過程中，要按要求選擇適當精度的芯片，芯片的精度與在轉換時所使用的時間是成正比的。第五講信號轉換接口145.2A/D轉換器的技術指標1、轉換精度A/D轉換器的轉換精度分為絕對精度和相對精度。（1）絕對精度：指在轉換器中，任一數碼與所對應的實際模擬電壓與其理想的電壓值之差，這個差值不是一個常數，我們把這個差值的最大值定義為絕對誤差。（2）相對精度：它與絕對精度相似，所不同的是把這個最大精度表示為滿刻度模擬電壓的百分數，或者用二進制分數來表示相對應的數字量。A/D轉換器的主要技術指標有：轉換精度，分辨率，轉換時間和轉換速率，量化誤差。第五講信號轉換接口152、分辨率說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。A/D轉換器的分辨率以輸出二進制（或十進制）數的位數表示，即滿刻度電壓與2n

之比值，其中n為ADC的位數。從理論上講，n位輸出的A/D轉換器能區分2n個不同等級的輸入模擬電壓，能區分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。在最大輸入電壓一定時，輸出位數愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。例如A/D轉換器輸出為8位二進制數，輸入信號最大值為5V，那么這個轉換器應能區分輸入信號的最小電壓為19.53mV。

第五講信號轉換接口163、轉換時間和轉換速度完成一次A/D轉換所需要的時間。轉換時間與轉換速度互為倒數，即每秒轉換的次數。

不同類型的A/D轉換器轉換速度相差比較大：1、并行比較A/D轉換器轉換速度最高，8位二進制輸出的單片集成A/D轉換器轉換時間為50ns；2、逐次比較型A/D轉換器在10~50us之間，也有幾百ns的。3、間接A/D轉換器速度最慢，如雙積分型在幾十毫秒到幾百毫秒之間。第五講信號轉換接口174、轉換誤差表示A/D轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位的倍數來表示。例如給出相對誤差≤±LSB/2，這就表明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小于最低位的半個字。第五講信號轉換接口185、量化誤差

由于AD的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率AD的階梯狀轉移特性曲線與無限分辨率AD（理想AD）的轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。

第五講信號轉換接口195.3A/D轉換器的分類A/D轉換器是能夠將模擬量轉換為數字量的器件。它有許多種分類方式：總的可分為直接型和間接型。直接型A/D轉換器為在轉換過程中模擬電壓不經過任何中間變量直接轉換為數字代碼，而間接型A/D轉換器為在轉換過程中要把模擬電壓先轉換成某種中間變量（時間、頻率、脈沖寬度等），然后再轉換成數字代碼輸出。A/D轉換器按工作原理可分為：計數式ADC、雙積分式ADC、逐次逼近式ADC、并行式ADC；按模擬量輸入方式分：單極性ADC、雙極性ADC；按數字量輸出方式分并行ADC、串行ADC；按性能特點可分為：按轉換精度分低精度、中精度、高精度、超高精度；按輸出是否帶三態緩沖分：帶可控三態緩沖ADC、不帶可控三態緩沖ADC；按分辨率分4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位等；按轉換速度分低速、中速、高速、超高速。第五講信號轉換接口205.4A/D轉換器的選擇原則

在設計單片機控制系統，數據的采集以及單片機輸出去控制被控對象時會用到ADC電路，可從以下幾方面考慮：(1)A/D轉換器位數的確定

A/D轉換器位數的確定是關系著整個測量控制系統所要測量控制的范圍和精度，但又不能對系統的精度唯一確定。由于系統的精度與很多因素有關，包括傳感器變換精度、信號處理的精度和A/D轉換器本身等，甚至還包括軟件控制的算法。在使用時A/D轉換器的位數至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。常見的A/D、D/A器件有8位，10位，12位，14位，16位等。實際選用的A/D轉換器的位數應與系統處理的能力以及所需達到的精度相適應。第五講信號轉換接口21(2)A/D轉換器轉換速度的確定

A/D轉換器的轉換速度指完成一次A/D轉換所需要的時間，其倒數即每秒鐘能完成的轉換次數，稱轉換速度。在使用時不同的A/D轉換器，其轉換時間并不一定相同。要根據所設計系統對采集數據要求的時間而定，一般選擇所需轉換時間短的，這樣可以提高整個系統的實時控制能力。保證轉換器的轉換速率要高于系統要求的采樣頻率。第五講信號轉換接口22(3)A/D轉換器的工作電壓和基準電壓的選擇選擇合適的工作電壓可以有效簡化整個系統的電壓供給，基準電壓是指提供給A/D轉換器在轉換時所需要的參考電壓，這是保證轉換精度的基本條件，它也影響A/D轉換器所測量的范圍。在精度要求較高時，基準電壓的供給可以采用獨立的穩壓電源。

第五講信號轉換接口23

設計舉例

某信號采集系統要求用一片A/D轉換集成芯片在1s（秒）內對16個熱電偶的輸出電壓分時進行A/D轉換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0～0.025V（對應于0～450℃溫度范圍），需要分辨的溫度為0.1℃，試問應選擇多少位的A/D轉換器，其轉換時間是多少？

第五講信號轉換接口24

解：對于0～450℃溫度范圍，信號電壓范圍為0～0.025V，分辨的溫度為0.1℃，這相當于的分辨率。12位A/D轉換器的分辨率為，所以必須選用14位的A/D轉換器。

系統的取樣速率為每秒16次，取樣時間為62.5ms。對于這樣慢的取樣，任何一個A/D轉換器都可以滿足要求。可選用帶有取樣－保持（S/H）的逐次比較型A/D轉換器或不帶S/H的雙積分式A/D轉換器。

第五講信號轉換接口255.5D/A轉換接口1、D/A轉換原理數字量是用代碼按數位組合起來表示的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權。為了將數字量轉換成模擬量，必須將每1位的代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的總模擬量，從而實現了數字—模擬轉換。D/A轉換器由數碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼網絡、求和電路及基準電壓幾部分組成。數字量以串行或并行方式輸入、存儲于數碼寄存器中，數字寄存器輸出的各位數碼，分別控制對應位的模擬電子開關，使數碼為１的位在位權網絡上產生與其權值成正比的電流值，再由求和電路將各種權值相加，即得到數字量對應的模擬量。第五講信號轉換接口26輸入為3位二進制數時D/A轉換器的轉換特性曲線。

第五講信號轉換接口272、D/A轉換器的主要技術指標（1）分辨率（Resolution）：指D/A轉換器能分辨的最小輸出模擬增量，即相鄰兩個二進制碼對應的輸出電壓之差稱為D/A轉換器的分辨率。可用最低位（LSB）表示。如，n位D/A轉換器的分辨率為1/2n。（2）精度（Accuracy）：精度是指D/A轉換器的實際輸出與理論值之間的誤差，它是以滿量程VFS的百分數或最低有效位（LSB）的分數形式表示。與A/D相似也分為絕對精度與相對精度。第五講信號轉換接口28（3）線性誤差：D/A的實際轉換特性（各數字輸入值所對應的各模擬輸出值之間的連線）與理想的轉換特性（始、終點連線）之間是有偏差的，這個偏差就是D/A的線性誤差。即兩個相鄰的數字碼所對應的模擬輸出值（之差）與一個LSB所對應的模擬值之差。常以LSB的分數形式表示。（4）轉換時間TS（建立時間）：從D/A轉換器輸入的數字量發生變化開始，到其輸出模擬量達到相應的穩定值所需要的時間稱為轉換時間。第五講信號轉換接口29（5）偏移量誤差：偏移量誤差是指輸入數字量為零時，輸出模擬量對零的偏移值。（6）轉換誤差：轉換誤差通常用輸出電壓滿刻度FSR（FullScaleRange）的百分數表示，也可以用最低有效位的倍數表示。第五講信號轉換接口30(7)接口形式：D/A轉換器與單片機接口方便與否，主要決定于轉換器本身是否帶數據鎖存器。總的來說有兩類D/A 轉換器，一類是不帶鎖存器的，另一類是帶鎖存器的。對于不帶鎖存器的D/A轉換器，為了保存來自單片機的轉換數據，接口時要另加鎖存器，因此這類轉換器必須在接口線上；而帶鎖存器的D/A轉換器，可以把它看作是一個輸出口，因此可直接在數據總線上，而不需另加鎖存器。第五講信號轉換接口313、D/A轉換器的分類數模轉換器的類型很多，目前在集成化的數模轉換器中經常使用的一種是T型網絡D/A轉換器。按輸出形式分類：電壓輸出型和電流輸出型。按是否含有鎖存器分類：內部無鎖存器和內部有鎖存器。按能否作乘法運算分類：乘算型和非乘算型。按輸入數字量方式分類：并行總線D/A轉換器和串行總線D/A轉換器。按轉換時間分類：超高速D/A（TS＜100ns）、高速D/A（TS為100ns～10μs）、中速D/A（TS為10μs～100μs）、低速D/A（TS＞100μs）等。第五講信號轉換接口32常用D/A轉換技術：

二進制權電阻網絡D/A轉換器，由四部分組成：（1）權電阻網絡；（2）模擬開關；（3）參考電壓；（4）權電阻網絡輸出端的電流--電壓變換器。二進制T型權電阻網絡D/A轉換器，采用最常見的R-2RT型電阻網絡。分為電流相加型（如圖7-6所示）和電壓相加型（如圖7-7所示）。它與權電阻網絡的顯著區別在于：無論DAC有多少位，整個網絡只需要R和2R兩種阻值。第五講信號轉換接口33電壓激勵型DAC電流相加型4位R-2RT形電阻網絡DAC電壓相加型4位R-2RT形電阻網絡DAC第五講信號轉換接口34Ｔ型電阻網絡D/A轉換器轉換計算

第五講信號轉換接口35第五講信號轉換接口36倒T型網絡DAC第五講信號轉換接口37第五講信號轉換接口S0-S3為模擬開關，R-2R電阻解碼網絡呈倒T形，運算放大器A構成求和電路。Si由輸入數碼di控制，當di=1時，Si接運放反相輸入端（“虛地”），Ii流入求和電路；當di=0時，Si將電阻2R接地。

無論模擬開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均等效接“地”（地或虛地）。這樣流經2R電阻的電流與開關位置無關為確定值。38第五講信號轉換接口倒T型網絡DAC等效電路總電流為：39輸出電壓為：第五講信號轉換接口

將輸入數字量擴展到n位，可得到n位數字量Dn倒T形電阻網絡D/A轉換器輸出模擬量與輸入數字量之間的一般關系式如下：40

要使D/A轉換器具有較高的精度，對電路中的參數有以下要求：第五講信號轉換接口1、基準電壓穩定性好；2、倒T型電阻網絡中R和2R電阻的精度要高；3、每個模擬開關的開關電壓降要相等。為實現電流從高位到低位按2的整倍數遞減，模擬開關的導通電阻也相應地按2的正倍數遞減。

常用的CMOS開關倒T型電阻網絡D/A轉換器的集成電路有AD7520(10位）、DAC1210(12位）和AK7546（16位高精度）。41電流激勵型DAC第五講信號轉換接口423、D/A轉換器的選擇在選用D/A轉換器時主要考慮芯片的性能、結構及應用特性。在性能上必須滿足D/A轉換器的技術要求；在結構和應用特性上應滿足接口方便、外圍電路簡單、價格低廉等要求。第五講信號轉換接口43D/A轉換器的種類繁多，在目前常用的D/A芯片中，從數碼位數上看，有8位、10位、12位、16位等；從數字的輸入特性看，一般的D/A轉換器只能接收自然二進制數字代碼，也需要注意輸入數據的格式，一般有并行碼和串行碼兩種；從輸出特性上，D/A轉換器有電流輸出型器件和電壓輸出型器件，要根據控制系統是接收電壓信號還是檢測電流信號來選擇D/A轉換器；

第五講信號轉換接口44從內部結構上，又可分為含數據輸入寄存器和不含數據輸入寄存器兩類。對內部不含數據輸入寄存器的芯片，亦即不具備數據的鎖存能力，是不能直接與系統總線連接的。因為對D/A轉換器來講，當有數字量輸入時，其輸出端隨之有模擬電流或電壓信號建立；而當輸入端數字量消失時，輸出模擬量也隨之消失。

第五講信號轉換接口455.6微機信號轉換設計實例

常用的逐次比較式A/D轉換器比較多，有8位、10位、12位、16位等，由于常用的為8位單片機，所以在系統對精度要求不高時，通常選用8位A/D轉換器。

最常用8位A/D轉換器是由美國芯片制造商NationalSemiconductor（國家半導體公司）生產的ADC系列芯片，其中ADC0804為單路8位逐次比較式A/D轉換器，ADC0809為8路8位逐次比較式A/D轉換器。

第五講信號轉換接口461、A/D轉換設計實例

（1）ADC0809的內部邏輯結構第五講信號轉換接口47ADC0809引腳功能ADC0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，引腳排列如下：

第五講信號轉換接口48第五講信號轉換接口49IN7~IN0:模擬量輸入通道。ADDA、ADDB、ADDC：A為低位地址，C為高位地址，用于對模擬通道進行選擇。ADC0809對輸入模擬量的要求主要有：信號單極性，電壓范圍0～5V，若信號過小還需進行放大。另外，在A/D轉換過程中，模擬量輸入的值不應變化太快，因此，對變化速度快的模擬量，在輸入前應增加采樣保持電路。

ADDCADDBADDA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7第五講信號轉換接口50ALE：地址鎖存信號。在對應ALE上跳沿，A、B、C地址狀態送入地址鎖存器中。START：轉換啟動信號。START上跳沿時，所有內部寄存器清0；START下跳沿時，開始進行A/D轉換；在A/D轉換期間，START應保持低電平。D7~D0：數據輸出線。其為三態緩沖輸出形式，可以和單片機的數據線直接相連。OE：輸出允許信號。其用于控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=0，輸出數據線呈高電阻；OE=1，輸出轉換得到的數據。第五講信號轉換接口51CLK：時鐘信號。ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500kHz的時鐘信號。EOC：轉換結束狀態信號。

EOC=0，正在進行轉換；EOC=1，轉換結束。該狀態信號既可作為查詢的狀態標志，又可以作為中斷請求信號使用。VCC：+5V電源。Vref：參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5V（Vref(+)=+5V，Vref(-)=0V）。第五講信號轉換接口52第五講信號轉換接口53第