1
SDUT
数据采集与处理
6.1 A／ D转换器的分类
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
第 6章 模／数转换器
6.5 单片集成 A／ D转换器
6.6 如何选择和使用 A／ D转换器
6.7 A／ D转换器与微机的接口
2
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数据采集与处理
6.1 A／ D转换器的分类
第 6章 模／数转换器
分类
按速度分,高、中、低
按精度分,高、中、低
按位数分,8,10,12,14,16
按工作原理分
3
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数据采集与处理
6.1 A/D转换器的分类
按工作
原理分
直接比较型 — 模拟信号直接参考电
压比较，得到数字量。
有逐次比较、连续比较 ···
优点,瞬时比较，转换速度快。
间接比较 — 模拟信号与参考电压先
转换为中间物理量，再
进行比较。
缺点,抗干扰能力差。
有双斜式、积分式、脉冲调宽 ··
优点,平均值比较，抗干扰能力强。
缺点,转换速度慢。
4
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数据采集与处理
第 6章 模／数转换器
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
1,分辨率
分辨率 — A／ D转换器所能分辨模拟输
入信号的最小变化量。
设 A／ D转换器的位数为 n,满量程电
压为 FSR,则分辨率定义为：
5
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
)16(
2
?? nF S R分辨率
量化单位就是 A／ D转换器的分辨率 。
相对分辨率定义为
)26(%1 0 02 1%1 0 0 ????? nF S R分辨率相对分辨率
6
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
表 6.1 A／ D转换器分辨率与位数之间的关系 (满量程电压为 10V)
位 数 级 数 相对分辨率 （ 1LSB） 分辨率 （ 1LSB）
8
10
12
14
16
256
1024
4096
16384
65536
0.391%
0.0977%
0.0244%
0.0061%
0.0015%
39.1mV
9.77mV
2.44mV
0.61mV
0.15mV
由式 （ 6-1） 和式 （ 6-2）,可得出 A／ D转
换器分辨率与位数之间的关系
7
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
A／ D转换器分辨率的高低取决于位数的多少 。
因此,目前一般用位数 n来间接表示分辨率 。
2,量程
量程 — A／ D转换器能转换模拟信号的
电压范围。
例如, 0～ 5V,-5V～ +5V,0～ 10V，
-10V～ +10V。
8
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
3,精度
绝对精度
绝对精度 — 对应于输出数码的实际模拟
输入电压与理想模拟输入电
压之差。
存在问题,在 A／ D转换时，量化带内的
任意模拟输入电压都能产生
同一输出数码。
9
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
约定,上述定义的模拟输入电压则限定为
量化带中点对应的模拟输入电压值。
例如, 一个 12位 A／ D转换器，理论模拟
输入电压为 5V时，对应的输出数
码为 100000000000。 实际模拟输
入电压在 4.997V～ 4.999V范围内
的都产生这一输出数码，则
)mV(2)V(0 02.05)9 99.49 97.421 ?????? （绝对精度
10
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6.2 A／ D转换器的主要技术指标
绝对误差一般在 ? 1
2 LS B
范围内。
相对精度
相对精度 — 绝对精度与满量程电压值
之比的百分数。
相对精度 绝对精度? ?
F S R
100%
11
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
精度和分辨率是两个不同的概念：
① 精度是指转换后所得结果相对于实
际值的准确度；
② 分辨率是指转换器所能分辨的模拟
信号的最小变化值。
12
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
4,转换时间和转换速率
转换时间 tCONV
转换时间 — 按照规定的精度将模拟信号
转换为数字信号并输出所需
要的时间。
转换速率
转换速率 — 每秒钟转换的次数。
13
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
下面讨论转换时间与转换精度、信号频率的关系。
瞬时值响应的 A／ D转换器
转换时间取决于所要求的转换精度和
被转换信号的频率。
以图 6.1所示的正弦信号为例，讨论它们之
间的关系。
14
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数据采集与处理
Um
2U(t)= sinωt
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
设在 t0时刻开始转换，转换一次所需的时
间为 tCONV,转换终了的时刻为 t1,与 tCONV对应
信号电压增量 (误差 )为 △ U。
t
U(t)
Um
2
t0 t1
tCONV
△ U
图 6.1 转换时间对信号转换的影响
由于 d
d m
m
U t
t
U t
fU ft
( )
cos
cos
?
?
1
2
2
? ?
? ?
15
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
在过零点上有最大值
∵ 过零时,? ?t n? ?
| c o s |? t ? 1
∴
?
?
U
t
f U? ? ?? m
16
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
故在过零点处，转换时间所造成的
最大电压误差为
)36(C O N Vmm ??????????? tUftUfU ??
由此可知：
① 当精度一定时，信号频率 ↑,tCONV↓；
② 当信号频率一定,tCONV ↓，△ U↓。
17
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
平均值响应的转换器
由于被转换的模拟量为直流电压，而
干扰是交变的，因此转换时间 tCONV 越长，
其抑制干扰的能力就越强。
换言之,平均值响应的转换器是在牺性转
换时间的情况下提高转换精度的。
18
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
5,偏移误差
偏移误差 — 使最低有效位成, 1,状时，
实际输入电压与理论输入电
压之差。
如图 6.2所示 。
19
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数据采集与处理
偏移
实际曲线
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
该误差主要
是失调电压及温
漂造成的。
一般来说，
在一定温度下，
偏移电压是可以
通过外电路予以
抵消。
Ui
输
出
数
码
001
010
011
100
101
110
111
偏移误差
Ui
误
差
图 6.2 偏移误差
(a)
(b)
理想曲线
20
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
但当温度变化时，偏移电压又将出现。
6,增益误差
增益误差 — 满量程输出数码时，实际
模拟输入电压与理想模拟
输入电压之差。
该误差使传输特性曲线绕坐标原点偏
离理想特性曲线一定的角度，如图 6.3所示 。
21
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数据采集与处理
K=1
K<1
K>1
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
当 K=1时，没有增益
误差,Ui = FSR,输
出为 111。
当 K>1时，传输特性
的台阶变窄，在模拟
输入信号达到满量程
值之前，数码输出就
已为全, 1”状态 。
当 K<1时，传输特性台阶变宽，模拟输入信号
已超满量程时，数码输出还未达到全, 1”状态 。
图 6.3 增益误差
U
i
输
出
数
码
001
010
011
100
101
110
111
FSR
增益误差
22
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数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
在一定温度下，可通过外部电路的调
整使 K=1，从而消除增益误差。
但当温度变化时，增益误差又将出现。
7,线性误差
线性误差 — 在没有增益误差和偏移误差
的条件下，实际传输特性曲
线与理想特性曲线之差。
23
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数据采集与处理
实际曲线
理想曲线
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
线性误差是由 A／ D转换器特性随模拟
输入信号幅值变化而引起的，因此，线性
误差是不能进行补偿的。
Ui
001
010
011
100
101
110
111
输
出
数
码
图 6.4 线性误差
线性误差
24
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数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
1,工作原理
第 6章 模／数转换器
模拟输入
Ui +
- A
去码 /留码逻辑 环形计数器
数据寄存器
时序
与逻
辑控
制
D／ A转换器
数字
量输
出锁
存器
基准
电源
UREF
Uf=UREF (a12-1 + a22-2 +… + an2-n)
并
行
数
字
量
输
出
图 6.5 逐次逼近式 A／ D转换器结构
SAR
比较器
25
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数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
组成
逐次逼近寄存器 SAR
去 /留码逻辑
环形计数器
数据寄存器
D/A转换器
比较器
基准电源
时序与逻辑控制电路
数字量输出锁存器
26
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数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
工作原理：
设定在 SAR中的数字量经 D／ A转换器转
换成反馈电压 Uf ；
SAR 顺次逐位加码控制 Uf 的变化 ；
Uf 与等待转换的模拟量 Ui 进行比较，大
则弃，小则留，逐次逼近 ；
最终留在 SAR 的数据寄存器中的数码作
为数字量输出。
27
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数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
2,工作过程
设逐次逼近寄存器 SAR是 8位，基准电
压 10.24V,模拟输入电压 8.3V,转换成二
进制数码。工作过程如下,
转换开始之前，先将 SAR 清零 ；
28
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数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
转换开始，第一个时钟脉冲到来时, SAR
的状态置为 10000000,经 D／ A转换器转
转换成反馈电压
U Uf R E F? ?1
2
5 12.
V,反
反馈到比较器与 Ui比较。因为, Ui > Uf，
予以保留此位的, 1” 。
29
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数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
第二个时钟脉冲到来时, SAR 置为
11000000码，经过 D／ A转换器产生反馈
电压
U f ? ? ?5 12 10 24
2
7 682.,,
V,因 Ui > Uf,
故保留此位, 1”。
30
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数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
第三个时钟脉冲到来时, SAR 状态置为
11100000，经 D／ A 转换器产生反馈电
压
U f ? ? ?7 68 10 242 8 963.,,
V,因 Ui < Uf,
SAR 此位应置, 0,。 SAR 状态改为
11000000。
第四个时钟脉冲到来时, SAR 状态又置
为 11010000,......。
31
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数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
t
U
1 2 3 4 5 6 7 8
1.024
10.24
Ui
5.12
7.68
8.96 8.32
8.0 8.16 8.24 8.28
8.30V
时钟脉冲
1 2 3 4 5 6 7 8
图 6.6 逐次逼近比较过程
脉冲 1 SAR置为 100000002 110000003 11000004 10100005 10010006 10011007 1108 11逐次逼近式 A／ D转换的过程可用表 6.2说明之 。
32
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数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
表 6.2 8位逐次逼近 A／ D转换过程
次数 SAR中的数码 D/Ａ 产生的 (V) 去 ／ 留码判断 本次操作后 SAR中的数码
1
2
3
4
5
6
7
8
10000000
1000000
11100000
11010000
11001000
11001100
11001110
11001111
5.12
7.68
8.96
8.32
8.0
8.16
8.24
8.28
,留 1
,留 1
,留 0
,留 0
,留 1
,留 1
,留 1
,留 1
10000000
11000000
11000000
11000000
11001000
11001100
11001110
11001111
Uf
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
33
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数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
由表 6.2可见,
经过 8 次比较之后, SAR 的数据寄存
器中所建立的数码 11001111即为转换结果 。
数码对应的反馈电压 Uf = 8.28 V,它与
输入的模拟电压 Ui= 8.3 V相差 0.02V,不过
两者的差值已小于 1LSB所对应的量化电压
0.04V 。
逐次逼近式 A／ D转换器的转换结果通
过数字量输出锁存器并行输出。
34
SDUT
数据采集与处理
第 6章 模／数转换器
6.5 单片集成 A／ D转换器
1,8位 A／ D转换器芯片 ADC0809
这部分内容自习
35
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数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
2,12位 A／ D转换器芯片 AD574A
⑴ 特点
芯片内部包含微机接口逻辑和三态输出
缓冲器，可以直接与 8 位, 12 位或 16 位
微处理器的数据总线相连。
输出可以是 12位一次读出或分两次读出：
先读高 8位，再读低 4位 。
36
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数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
对外可提供一个 +10V基准电压, 最大输
出电流 1.5mA。
有较宽的温度使用范围。
⑵ 芯片内部结构
输入电压可有单极性和双极性两种。
37
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数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
三态输出缓冲器
S A R
12 位 D ／ A 转换器
RE F I N
模拟地
比较器
时钟
控制逻辑
A
+
-
数
字
芯
片
模拟芯片D / A 输出
12 位
12 位
1 0 V
基准
D 11 D 0
数据输出
CE
R C
A 0
CS
12 8
+ S V
U CC + 1 5V
U L + 5 V
DG
- 1 5V
20 V IN
10 V IN
AG
B I P O F F
R E F I N
R E F O U T
S T S
5k
1 0 k
3k
5k
.,,,,,
Ω
Ω
Ω
Ω
图6, 1 2 A D 5 7 4 A 的内部结构示意图
38
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数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
组成
模拟芯片
10V基准
12位 D/A转换
数字芯片
SAR
比较器
时钟、逻辑控制
三态输出缓冲
39
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数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
⑶ 芯片引脚功能
引脚布置如图 6.13所示 。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14 15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
A D C
D 4
2D
D 7
D 0
D 6
D 5
D 3
D 1
5 7 4 A
D 8
D 9
D 10
11D
S T S
数字地
+ 5 V
1 2 / 8
CS
0A
R / C
CE
+ 1 5 V
R E F O U T
INR E F
模拟地
-1 5 V
B I P O F F
1 0 V IN
2 0 V IN
图6, 1 3 A D 5 7 4 A 引脚功能
芯片引脚功能如下：
D0～ D11 12位数据输出 。
8/12 数据模式选择
高电平, 12位一次输出 ；
低电平, 12位分两次输出,
先高 8位, 后低 4位 。
40
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
A0, 字节地址 ／ 短周期 。
在读数状态：
若
若 12 8/ 为高电平, 则的状态不起作用 。
在转换状态,
当 A0 =0时, 产生 12位转换, 转换周期为 25?s；
当 A0 =1时, 产生 8 位转换, 转换周期为 16?s。
12 8/
当 A0 =0时, 输出高 8位数 ；
当 A0 =1时,输出低 4位数, 禁止高 8位输出 ；
为低电平
41
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
CS 芯片选择。当 0CS ? 时，芯片被选中 。
CR/ 读 ／ 转换信号,
当 1CR/ ? 时, 允许读取 A／ D转换结果 ；
当 0CR/ ? 时, 允许启动 A／ D转换 。
CE 芯片允许 。
CE=1允许转换或读 A／ D转换结果 。
42
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
REF OUT 基准电压输出 。
REF IN 基准电压输入 。
如果 REF OUT 通过电阻接至 REF IN,则
可用来调量程 。
BIPOFF 双极性补偿 。
若输入信号为双极性信号，则使用此脚；
此脚还可用于调零点。
43
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数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
10VIN 10V量程输入端 。
20VIN 20V量程输入端 。
表 6.4 AD574A控制信号组合的作用
CS R/ C 12 8/ A0CE 工作状态
0
*
1
1
1
1
1
*
*
0
0
1
1
1
*
*
*
*
1
1
1
*
*
*
*
接 +5V
接地
接地
*
*
0
1
*
0
1
不工作
不工作
启动 12位转换
启动 8位转换
并行输出 12位数字
并行输出高 8位数字
并行输出低 4位数字
44
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
⑷ 工作时序
AD574A工作状态
启动转换
数据读出
启动转换过程
45
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数据采集与处理
CE上升沿
6.5 单片集成 A／ D转换器
① 在 CE上升沿之前, 先有 0CS ? 和
这是比较好的启动方式。
,0C/R ?
图 6.14 启动转换时序
CE
CS
R/C
A0
STS
DB0～ DB11
≥300ns
≥300ns
≥250ns
>0ns
≥200ns
≥200ns
≥300ns
<300ns 25?s
为什么这样说？
因为如果 CS 和 CE先有效, R / C 脉冲到来
之前的高电平会引起三态输出门打开，影响数
据总线。
② 当 CE=1时，启动转换 。
46
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
注意, 在启动转换后，各控制信号不起作
用，只有 STS信号标志工作状态 。
读出数据
读出数据也同样由 CE来启动 。
47
SDUT
数据采集与处理
低电平
CE上升沿
6.5 单片集成 A／ D转换器
图 6.15 AD574 读数据时序
CE
CS
R/C
A0
STS
DB0～ DB11
≥300ns
≥150ns
≥0ns
≥150ns
250ns
≥50ns
≥0ns
≥50ns
<350ns
有效数据
48
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
⑸ 工作方式选择
工作方式
单极性,0～ xV，
输出二进制码。
双极性,-xV ～ +xV，
输出偏移二进制码
49
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
图 6.16 AD574工作方式的接法
1+5V
+15V 7
-15V 1115 9
W2
0.1KΩ
AD574
REFOUT
REFIN
BIPOFF
10VIN
20VIN
DGND AGND
100KΩ W1
100KΩ
0～ 10V
0～ 20V
(a)
(a) 单极性输入；
AD574
REFOUT
REFIN
BIPOFF
10VIN
20VIN
DGND AGND15
1 +5V
7 +15V
11 -15V
9
-5～ 5V
-10～ 10V
(b)
(b) 双极性输入
0.1KΩ
50
SDUT
数据采集与处理
第 6章 模／数转换器
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
1,如何确定 A／ D转换器的位数
应该考虑
静态精度
动态精度
51
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
⑴ 从静态精度考虑
要考虑量化误差对输出的影响。
量化误差与 A／ D转换器位数有关。
52
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
由图可知
10位以下误差较大；
11位以上误差减小不明显。
图 6.22 位数与误差的关系
位数
误差
8 9 10 11 12 13
53
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
因此，取 10～ 11位是合适的 。
从精度来看
由于模拟信号是先测量后转换，因此
总误差
测量误差
量化误差
54
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
设测量误差和量化误差不相关。
它们的标准差分别为 e M和 eq 。
则总误差的标准差为
)106(M2q2M ???? eeee ξ∑
式中
)116()(1 2
M
q ???
e
e
ξ
55
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
由图 6.23可知,
,5.0)1(
M
q ?
e
e
,3.0)2(
M
q ?
e
e
ξ 变化缓慢,
eM减小不多 。
ξ↑, eM↓
图 6.23 ξ与 的关系eqeM
eq
eM
ξ
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4 因此，取
e
e
q
M
为
0.3～ 0.5
较为合适 。
56
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
总之, A／ D转换器的精度应与测量
装置的精度相匹配 。
确定位数
① 量化误差在总误差中所占
比例要小。
②根据测量装置的精度水平，
合理提出位数要求。
57
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
目前, 大多数测量装置的精度值不小
于 0.1%～ 0.5%,故 A／ D转换器的精度取
0.05%～ 0.1%,相应的位数为 10～ 11位，
加上符号位，即为 11～ 12位 。
⑵ 从动态平滑性的要求来考虑
位数不能太多，否则虽然 q↓,但产生
高频小振幅量化噪声 。
一般来说，满足 静态精度 要求的位数，
也能满足 动态平滑性 的要求。
58
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
2,如何确定 A／ D转换器的转换速率
转换速率 — 每秒钟能完成的转换次数。
其与转换时间的关系：
转换时间
转换速率
1
?
59
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
确定转换速率时，应该考虑系统的采样速率：
若转换时间为 100?s, 则转换速率为 10千次 /s。
设一个周期采 10个样点，那么 A／ D转换
器最高只能处理 1kHz的模拟信号 。
若转换时间为 10?s,则转换速率为 100千次 /s，
信号频率可提高到 10kHz。
60
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
3,如何确定是否要加采样／保持器
原则上，采集变化非常缓慢的模拟信
号（例如温度）时，可不用采样／保持器。
其它模拟信号都要加采样／保持器。
61
SDUT
数据采集与处理
第 6章 模／数转换器
6.7 A／ D转换器与微机接口
接口任务
① 转换器收到微机发出的转换
指令，进行转换。
②当微机发出取数指令时，转
换结果存入微机内存。
62
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
1,接口设计中的问题
需要解决的问题有以下三个：
⑴ 数据输出缓冲问题
原因,计算机的数据总线是 CPU与存储器,
I／ O设备之间传送数据的公共通道。
要求,A／ D转换器的数据输出端必须通过
三态缓冲器与数据总线相连 。
63
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
当未被选中时, A／ D转换器的输出呈
高阻抗状态，以免干扰数据总线上的数据
传送。
下面分四种情况予以讨论。
芯片数据输出端有三态缓冲器，且有三
态控制端引脚
相应芯片有 ADC0809,AD7574。
它们可以直接和微机数据总线相连。
64
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
芯片不具备三态输出缓冲器
相应芯片有 ADC1210。
这类芯片输出端不能直接连到数据总
线，必须外加三态缓冲器。
芯片具有三态输出缓冲器，且由片内时序控制
相应芯片有 AD571和 AD572。
这类芯片不能直接与数据总线相连，
需要通过时序调整接口转换。
65
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
芯片有三态输出缓冲器，且片内时序与
微机总线时序配合
相应芯片有 AD574A，
这类芯片的输出端可直接和微机数据
总线相连。
⑵ 产生芯片选通信号和控制信号
芯片选通信号 — 地址信号。
信号产生,由译码器产生地址信号。
66
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
作用,给出地址信号，就选通了 A／ D
芯片 。
译码器与地
址总线连接
① 系统采用内存映象 I／ O方式，
需要全部地址线参与译码。
②系统采用 I／ O映象方式，用部
分低位地址线参与译码。
内存映象 —— I／ O不单独编址。
I／ O映象 —— I／ O单独编址。
67
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
控制信号完成对 A／ D转换器的读写控制
不同微机其控制总线不相同：
① 8031单片机中, 控制线 共同控、RD WR
制 A／ D转换器的读 ／ 写操作 。
当 0WR ? 时，执行写操作；
当 0RD ? 时，读操作。
68
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
② 8088CPU的 PC机 中，控制线,IOR IOW
共同控制 A／ D转换器的读／写操作 。
在利用微机地址总线、控制总线对
A／ D转换器的读／写进行控制时，要注
意时序匹配。
时序匹配 — 微机提供的控制信号的持续
时间和相位关系满足所用
A／ D 转换器的控制要求。
69
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
在接有采样／保持器的数据采集系统
中，要考虑采样／保持器,A／ D转换器
和 CPU之间的时序配合问题。
① 用 A／ D转换器的转换状态信号作为采
样／保持器的模拟开关的控制信号。
保证 A／ D转换与采样／保持器的
协调 。
目的：
通常做法：
70
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
② A／ D转换器的启动转换脉冲宽度应大于
采样／保持器的孔径时间。
保证在启动 A／ D转换之前采样／保
持器已达到稳定状态，使 A／ D转换
准确 。
目的：
71
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
⑶ 读出数据
需要解决
的问题
① A／ D转换器与 CPU的联络
方式。
②数据输出格式。
联络方式
联络 — CPU与 A／ D转换器传送信息 。
72
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
联络方式
① 查询方式。
② 中断方式。
① 查询方式
查询方式 — CPU不断查询 A／ D转换器
的 STS脚的电平变化 。
因此，要将 A／ D转换器的转换状态
STS脚接在微机 I／ O口的某一位上 。
73
SDUT
数据采集与处理
传到 D0
三态缓冲器 AD574
8031
6.7 A／ D转换器与微机接口
P0.7
P0.0
.
.
.
D11
D4
.
.
.
D3
D0
.
.
.
STS
P2.7
P2.0
.
.
,地址
译
码
器
RD
+
图 6.26 8031与 AD574A接口电路中转换状态查询
74
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
AD574A的转换状态信号 STS经三态
缓冲器接到数据总线的 D0上，在读状态，
用一特定地址选定、打开三态缓冲器，以
供 CPU检查转换状态,
D0 = 0,A／ D处于转换周期 ；
D1 = 1,A／ D转换结束 。
75
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
② 中断方式
中断方式 — A／ D转换状态信号通过中
断输入线向 CPU申请中断,
CPU响应中断后，转中断
服务程序读转换结果 。
76
SDUT
数据采集与处理
三态缓冲器
6.7 A／ D转换器与微机接口
AD574A的转换结束信号 STS经反相形成正
脉冲去触发 74LS74 (D)触发器，
图 6.26 AD574与 PC总线中断联络方式接口电路
来自 AD574
的 STS
D Q
74LS074
RS
复位信号
端口位 X
端口位 Y
至 PC总线 IRQ2
该触发器的输
出经三态缓冲器接到 PC 机总线上空闲的中断
请求线上 。
D触发器的清除和三态缓冲器的启动均由
可编程 I／ O端口位控制 。
77
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
在设计接口电路时，究竟是采用查询
还是中断方式，依据处理情况而定：
若转换时间长 （ 100?s以上 ） 时，且程
序要同时完成其它计算，则采用中断
方式 。
若转换时间较短（几十微秒以下）时，
且程序不处理其它任务，则采用查询
方式。
78
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
数据输出格式
数据输出格式
① 并行输出
② 串行输出
下面一段程序是 IBM-PC／ XT机从 12位
A／ D转换器 ADC1210读取数据的汇编程序 。
79
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
ADC1210的数据输出端无三态缓冲器，故
外接缓冲器 1（ 设地址为 0101H） 用于锁存高 4
位数据，缓冲器 2（ 地址为 0102H） 用于锁存低
8位数据。程序如下,
．
．
MOV DX,0101H ； 准备高 4位数据地址
．
．
IN AL,DX ； 读入高 4位转换结果
MOV AH,AL ； 送入 AH寄存器保存
80
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
INC DX ； 准备低 8位数据地址
IN AL,DX ； 读入低 8位转换结果
．
．
程序执行后, 8088CPU中的 AX寄存器的
内容即为 A／ D转换器的转换数据 。
2,内含三态缓冲器的 A／ D转换器的接口电路
⑴ ADC0809与微机的接口
81
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
这部分内容留给大家自习。
⑵ AD574A与微机的接口
AD574A与 8031单片机的接口
ADC0809与 8031单片的接口电路如图 6.27所示 。
82
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
A0
D 1 1
D0
CE
S T S
7 4 L S
3 7 3
+ 1 5 V
- 1 5 V
满量程调整
R W 1
+ 1 5 V
- 1 5 V
R W 2
} 模拟量输入
U c c
U e e
R E F IN
R E F O U T
B I P O F F
1 0 V i n
2 0 V i n
1 2 / 8
D G N D
A G N D
CS
.
.
.
A D 5 7 4 A
A L E
P
.
.
.
WR
RD
EA
U l o
+ 5 V
R / C
8 0 3 1
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
G E
74 L S 0 0
Ω1 0 0
Ω1 0 0
Ω1 0 0
Ω1 0 0
0, 7
0, 0
1, 0
P
P
图6, 2 8 A D 5 7 4 A 与8 0 3 1 的接口
83
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
该电路采用单极性输入方式，可对
0～ 10V 或 0～ 20V 模拟信号进行转换 。
由于 AD574A片内有时钟，故无须外
加时钟信号 。
因为 接地，所以 A／ D转换结果12 8/
分两次读出，高位从 D11～ D4读出，低 4
位从 D3 ～ D0 读出,
84
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
① 读高 8位结果时，要求 1CR/0A
0 ??,
，
端口地址为 0FEH。
② 读低 4位结果时，要求,
端口地址为 0FFH。
1CR/1A 0 ??,
AD574A的状态信号 STS与 8031的
P1.0端相连, 可采用查询法判断 A／ D 转
换是否结束 。
85
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
AD574A与 PC 机的接口
AD574A工作于普通控制方式的接口
电路如图 6.29所示 。
86
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
A L E
D7
D0
.
.
.
PC 总线
A0
S T S
+ 1 5 V
- 1 5 V
满量程调整
R W 1
+ 1 5 V
- 1 5 V
R W 2
} 模拟量输入
U l o U c c
U e e
R E F IN
R E F O U T
B I P O F F
1 0 V i n
2 0 V i n
1 2 / 8
D G N D
A G N D
CS
D 1 1
D0
A D 5 7 4 A
+ 5 V
A0
A 1 A 9~
译
码
器
I O R
I O W
CE
R / C
Ω1 0 0
Ω1 0 0
Ω1 0 0
Ω1 0 0
.
.
.
.
.
.
图6, 2 9 A D 5 7 4 A 与I B M - P C 机的接口电路原理图
ALE 和 A1～ A9 进行地址译码选通 。
87
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
结合控制 CE,并由
IOW 非直接控制 。CR/
地址线的 A0 直接接入 AD574A的脚 。
IOW，CS IOR 和
因为 12 8/ 接地，所以 A／ D转换结果
A 0 R / C 10 ? ?，, 从 D11～ D4 读出高 8位结果 ；
1CR/1A 0 ??,, 从 D3～ D0 读出低 4位结果 。
分两次读出：
88
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
注意,AD574A工作于普通控制方式时，
不适合于 PC286以上微机，因为这
类微机的总线周期短，难以适合
AD574A所要求的设置时间 。
SDUT
数据采集与处理
6.1 A／ D转换器的分类
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
第 6章 模／数转换器
6.5 单片集成 A／ D转换器
6.6 如何选择和使用 A／ D转换器
6.7 A／ D转换器与微机的接口
2
SDUT
数据采集与处理
6.1 A／ D转换器的分类
第 6章 模／数转换器
分类
按速度分,高、中、低
按精度分,高、中、低
按位数分,8,10,12,14,16
按工作原理分
3
SDUT
数据采集与处理
6.1 A/D转换器的分类
按工作
原理分
直接比较型 — 模拟信号直接参考电
压比较，得到数字量。
有逐次比较、连续比较 ···
优点,瞬时比较，转换速度快。
间接比较 — 模拟信号与参考电压先
转换为中间物理量，再
进行比较。
缺点,抗干扰能力差。
有双斜式、积分式、脉冲调宽 ··
优点,平均值比较，抗干扰能力强。
缺点,转换速度慢。
4
SDUT
数据采集与处理
第 6章 模／数转换器
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
1,分辨率
分辨率 — A／ D转换器所能分辨模拟输
入信号的最小变化量。
设 A／ D转换器的位数为 n,满量程电
压为 FSR,则分辨率定义为：
5
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
)16(
2
?? nF S R分辨率
量化单位就是 A／ D转换器的分辨率 。
相对分辨率定义为
)26(%1 0 02 1%1 0 0 ????? nF S R分辨率相对分辨率
6
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
表 6.1 A／ D转换器分辨率与位数之间的关系 (满量程电压为 10V)
位 数 级 数 相对分辨率 （ 1LSB） 分辨率 （ 1LSB）
8
10
12
14
16
256
1024
4096
16384
65536
0.391%
0.0977%
0.0244%
0.0061%
0.0015%
39.1mV
9.77mV
2.44mV
0.61mV
0.15mV
由式 （ 6-1） 和式 （ 6-2）,可得出 A／ D转
换器分辨率与位数之间的关系
7
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
A／ D转换器分辨率的高低取决于位数的多少 。
因此,目前一般用位数 n来间接表示分辨率 。
2,量程
量程 — A／ D转换器能转换模拟信号的
电压范围。
例如, 0～ 5V,-5V～ +5V,0～ 10V，
-10V～ +10V。
8
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
3,精度
绝对精度
绝对精度 — 对应于输出数码的实际模拟
输入电压与理想模拟输入电
压之差。
存在问题,在 A／ D转换时，量化带内的
任意模拟输入电压都能产生
同一输出数码。
9
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
约定,上述定义的模拟输入电压则限定为
量化带中点对应的模拟输入电压值。
例如, 一个 12位 A／ D转换器，理论模拟
输入电压为 5V时，对应的输出数
码为 100000000000。 实际模拟输
入电压在 4.997V～ 4.999V范围内
的都产生这一输出数码，则
)mV(2)V(0 02.05)9 99.49 97.421 ?????? （绝对精度
10
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
绝对误差一般在 ? 1
2 LS B
范围内。
相对精度
相对精度 — 绝对精度与满量程电压值
之比的百分数。
相对精度 绝对精度? ?
F S R
100%
11
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
精度和分辨率是两个不同的概念：
① 精度是指转换后所得结果相对于实
际值的准确度；
② 分辨率是指转换器所能分辨的模拟
信号的最小变化值。
12
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
4,转换时间和转换速率
转换时间 tCONV
转换时间 — 按照规定的精度将模拟信号
转换为数字信号并输出所需
要的时间。
转换速率
转换速率 — 每秒钟转换的次数。
13
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
下面讨论转换时间与转换精度、信号频率的关系。
瞬时值响应的 A／ D转换器
转换时间取决于所要求的转换精度和
被转换信号的频率。
以图 6.1所示的正弦信号为例，讨论它们之
间的关系。
14
SDUT
数据采集与处理
Um
2U(t)= sinωt
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
设在 t0时刻开始转换，转换一次所需的时
间为 tCONV,转换终了的时刻为 t1,与 tCONV对应
信号电压增量 (误差 )为 △ U。
t
U(t)
Um
2
t0 t1
tCONV
△ U
图 6.1 转换时间对信号转换的影响
由于 d
d m
m
U t
t
U t
fU ft
( )
cos
cos
?
?
1
2
2
? ?
? ?
15
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
在过零点上有最大值
∵ 过零时,? ?t n? ?
| c o s |? t ? 1
∴
?
?
U
t
f U? ? ?? m
16
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
故在过零点处，转换时间所造成的
最大电压误差为
)36(C O N Vmm ??????????? tUftUfU ??
由此可知：
① 当精度一定时，信号频率 ↑,tCONV↓；
② 当信号频率一定,tCONV ↓，△ U↓。
17
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
平均值响应的转换器
由于被转换的模拟量为直流电压，而
干扰是交变的，因此转换时间 tCONV 越长，
其抑制干扰的能力就越强。
换言之,平均值响应的转换器是在牺性转
换时间的情况下提高转换精度的。
18
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
5,偏移误差
偏移误差 — 使最低有效位成, 1,状时，
实际输入电压与理论输入电
压之差。
如图 6.2所示 。
19
SDUT
数据采集与处理
偏移
实际曲线
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
该误差主要
是失调电压及温
漂造成的。
一般来说，
在一定温度下，
偏移电压是可以
通过外电路予以
抵消。
Ui
输
出
数
码
001
010
011
100
101
110
111
偏移误差
Ui
误
差
图 6.2 偏移误差
(a)
(b)
理想曲线
20
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
但当温度变化时，偏移电压又将出现。
6,增益误差
增益误差 — 满量程输出数码时，实际
模拟输入电压与理想模拟
输入电压之差。
该误差使传输特性曲线绕坐标原点偏
离理想特性曲线一定的角度，如图 6.3所示 。
21
SDUT
数据采集与处理
K=1
K<1
K>1
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
当 K=1时，没有增益
误差,Ui = FSR,输
出为 111。
当 K>1时，传输特性
的台阶变窄，在模拟
输入信号达到满量程
值之前，数码输出就
已为全, 1”状态 。
当 K<1时，传输特性台阶变宽，模拟输入信号
已超满量程时，数码输出还未达到全, 1”状态 。
图 6.3 增益误差
U
i
输
出
数
码
001
010
011
100
101
110
111
FSR
增益误差
22
SDUT
数据采集与处理
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
在一定温度下，可通过外部电路的调
整使 K=1，从而消除增益误差。
但当温度变化时，增益误差又将出现。
7,线性误差
线性误差 — 在没有增益误差和偏移误差
的条件下，实际传输特性曲
线与理想特性曲线之差。
23
SDUT
数据采集与处理
实际曲线
理想曲线
6.2 A／ D转换器的主要技术指标
线性误差是由 A／ D转换器特性随模拟
输入信号幅值变化而引起的，因此，线性
误差是不能进行补偿的。
Ui
001
010
011
100
101
110
111
输
出
数
码
图 6.4 线性误差
线性误差
24
SDUT
数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
1,工作原理
第 6章 模／数转换器
模拟输入
Ui +
- A
去码 /留码逻辑 环形计数器
数据寄存器
时序
与逻
辑控
制
D／ A转换器
数字
量输
出锁
存器
基准
电源
UREF
Uf=UREF (a12-1 + a22-2 +… + an2-n)
并
行
数
字
量
输
出
图 6.5 逐次逼近式 A／ D转换器结构
SAR
比较器
25
SDUT
数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
组成
逐次逼近寄存器 SAR
去 /留码逻辑
环形计数器
数据寄存器
D/A转换器
比较器
基准电源
时序与逻辑控制电路
数字量输出锁存器
26
SDUT
数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
工作原理：
设定在 SAR中的数字量经 D／ A转换器转
换成反馈电压 Uf ；
SAR 顺次逐位加码控制 Uf 的变化 ；
Uf 与等待转换的模拟量 Ui 进行比较，大
则弃，小则留，逐次逼近 ；
最终留在 SAR 的数据寄存器中的数码作
为数字量输出。
27
SDUT
数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
2,工作过程
设逐次逼近寄存器 SAR是 8位，基准电
压 10.24V,模拟输入电压 8.3V,转换成二
进制数码。工作过程如下,
转换开始之前，先将 SAR 清零 ；
28
SDUT
数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
转换开始，第一个时钟脉冲到来时, SAR
的状态置为 10000000,经 D／ A转换器转
转换成反馈电压
U Uf R E F? ?1
2
5 12.
V,反
反馈到比较器与 Ui比较。因为, Ui > Uf，
予以保留此位的, 1” 。
29
SDUT
数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
第二个时钟脉冲到来时, SAR 置为
11000000码，经过 D／ A转换器产生反馈
电压
U f ? ? ?5 12 10 24
2
7 682.,,
V,因 Ui > Uf,
故保留此位, 1”。
30
SDUT
数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
第三个时钟脉冲到来时, SAR 状态置为
11100000，经 D／ A 转换器产生反馈电
压
U f ? ? ?7 68 10 242 8 963.,,
V,因 Ui < Uf,
SAR 此位应置, 0,。 SAR 状态改为
11000000。
第四个时钟脉冲到来时, SAR 状态又置
为 11010000,......。
31
SDUT
数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
t
U
1 2 3 4 5 6 7 8
1.024
10.24
Ui
5.12
7.68
8.96 8.32
8.0 8.16 8.24 8.28
8.30V
时钟脉冲
1 2 3 4 5 6 7 8
图 6.6 逐次逼近比较过程
脉冲 1 SAR置为 100000002 110000003 11000004 10100005 10010006 10011007 1108 11逐次逼近式 A／ D转换的过程可用表 6.2说明之 。
32
SDUT
数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
表 6.2 8位逐次逼近 A／ D转换过程
次数 SAR中的数码 D/Ａ 产生的 (V) 去 ／ 留码判断 本次操作后 SAR中的数码
1
2
3
4
5
6
7
8
10000000
1000000
11100000
11010000
11001000
11001100
11001110
11001111
5.12
7.68
8.96
8.32
8.0
8.16
8.24
8.28
,留 1
,留 1
,留 0
,留 0
,留 1
,留 1
,留 1
,留 1
10000000
11000000
11000000
11000000
11001000
11001100
11001110
11001111
Uf
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
U Uf i?
33
SDUT
数据采集与处理
6.3 逐次逼近式 A／ D转换器
由表 6.2可见,
经过 8 次比较之后, SAR 的数据寄存
器中所建立的数码 11001111即为转换结果 。
数码对应的反馈电压 Uf = 8.28 V,它与
输入的模拟电压 Ui= 8.3 V相差 0.02V,不过
两者的差值已小于 1LSB所对应的量化电压
0.04V 。
逐次逼近式 A／ D转换器的转换结果通
过数字量输出锁存器并行输出。
34
SDUT
数据采集与处理
第 6章 模／数转换器
6.5 单片集成 A／ D转换器
1,8位 A／ D转换器芯片 ADC0809
这部分内容自习
35
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
2,12位 A／ D转换器芯片 AD574A
⑴ 特点
芯片内部包含微机接口逻辑和三态输出
缓冲器，可以直接与 8 位, 12 位或 16 位
微处理器的数据总线相连。
输出可以是 12位一次读出或分两次读出：
先读高 8位，再读低 4位 。
36
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
对外可提供一个 +10V基准电压, 最大输
出电流 1.5mA。
有较宽的温度使用范围。
⑵ 芯片内部结构
输入电压可有单极性和双极性两种。
37
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
三态输出缓冲器
S A R
12 位 D ／ A 转换器
RE F I N
模拟地
比较器
时钟
控制逻辑
A
+
-
数
字
芯
片
模拟芯片D / A 输出
12 位
12 位
1 0 V
基准
D 11 D 0
数据输出
CE
R C
A 0
CS
12 8
+ S V
U CC + 1 5V
U L + 5 V
DG
- 1 5V
20 V IN
10 V IN
AG
B I P O F F
R E F I N
R E F O U T
S T S
5k
1 0 k
3k
5k
.,,,,,
Ω
Ω
Ω
Ω
图6, 1 2 A D 5 7 4 A 的内部结构示意图
38
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
组成
模拟芯片
10V基准
12位 D/A转换
数字芯片
SAR
比较器
时钟、逻辑控制
三态输出缓冲
39
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
⑶ 芯片引脚功能
引脚布置如图 6.13所示 。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14 15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
A D C
D 4
2D
D 7
D 0
D 6
D 5
D 3
D 1
5 7 4 A
D 8
D 9
D 10
11D
S T S
数字地
+ 5 V
1 2 / 8
CS
0A
R / C
CE
+ 1 5 V
R E F O U T
INR E F
模拟地
-1 5 V
B I P O F F
1 0 V IN
2 0 V IN
图6, 1 3 A D 5 7 4 A 引脚功能
芯片引脚功能如下：
D0～ D11 12位数据输出 。
8/12 数据模式选择
高电平, 12位一次输出 ；
低电平, 12位分两次输出,
先高 8位, 后低 4位 。
40
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
A0, 字节地址 ／ 短周期 。
在读数状态：
若
若 12 8/ 为高电平, 则的状态不起作用 。
在转换状态,
当 A0 =0时, 产生 12位转换, 转换周期为 25?s；
当 A0 =1时, 产生 8 位转换, 转换周期为 16?s。
12 8/
当 A0 =0时, 输出高 8位数 ；
当 A0 =1时,输出低 4位数, 禁止高 8位输出 ；
为低电平
41
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
CS 芯片选择。当 0CS ? 时，芯片被选中 。
CR/ 读 ／ 转换信号,
当 1CR/ ? 时, 允许读取 A／ D转换结果 ；
当 0CR/ ? 时, 允许启动 A／ D转换 。
CE 芯片允许 。
CE=1允许转换或读 A／ D转换结果 。
42
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
REF OUT 基准电压输出 。
REF IN 基准电压输入 。
如果 REF OUT 通过电阻接至 REF IN,则
可用来调量程 。
BIPOFF 双极性补偿 。
若输入信号为双极性信号，则使用此脚；
此脚还可用于调零点。
43
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
10VIN 10V量程输入端 。
20VIN 20V量程输入端 。
表 6.4 AD574A控制信号组合的作用
CS R/ C 12 8/ A0CE 工作状态
0
*
1
1
1
1
1
*
*
0
0
1
1
1
*
*
*
*
1
1
1
*
*
*
*
接 +5V
接地
接地
*
*
0
1
*
0
1
不工作
不工作
启动 12位转换
启动 8位转换
并行输出 12位数字
并行输出高 8位数字
并行输出低 4位数字
44
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
⑷ 工作时序
AD574A工作状态
启动转换
数据读出
启动转换过程
45
SDUT
数据采集与处理
CE上升沿
6.5 单片集成 A／ D转换器
① 在 CE上升沿之前, 先有 0CS ? 和
这是比较好的启动方式。
,0C/R ?
图 6.14 启动转换时序
CE
CS
R/C
A0
STS
DB0～ DB11
≥300ns
≥300ns
≥250ns
>0ns
≥200ns
≥200ns
≥300ns
<300ns 25?s
为什么这样说？
因为如果 CS 和 CE先有效, R / C 脉冲到来
之前的高电平会引起三态输出门打开，影响数
据总线。
② 当 CE=1时，启动转换 。
46
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
注意, 在启动转换后，各控制信号不起作
用，只有 STS信号标志工作状态 。
读出数据
读出数据也同样由 CE来启动 。
47
SDUT
数据采集与处理
低电平
CE上升沿
6.5 单片集成 A／ D转换器
图 6.15 AD574 读数据时序
CE
CS
R/C
A0
STS
DB0～ DB11
≥300ns
≥150ns
≥0ns
≥150ns
250ns
≥50ns
≥0ns
≥50ns
<350ns
有效数据
48
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
⑸ 工作方式选择
工作方式
单极性,0～ xV，
输出二进制码。
双极性,-xV ～ +xV，
输出偏移二进制码
49
SDUT
数据采集与处理
6.5 单片集成 A／ D转换器
图 6.16 AD574工作方式的接法
1+5V
+15V 7
-15V 1115 9
W2
0.1KΩ
AD574
REFOUT
REFIN
BIPOFF
10VIN
20VIN
DGND AGND
100KΩ W1
100KΩ
0～ 10V
0～ 20V
(a)
(a) 单极性输入；
AD574
REFOUT
REFIN
BIPOFF
10VIN
20VIN
DGND AGND15
1 +5V
7 +15V
11 -15V
9
-5～ 5V
-10～ 10V
(b)
(b) 双极性输入
0.1KΩ
50
SDUT
数据采集与处理
第 6章 模／数转换器
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
1,如何确定 A／ D转换器的位数
应该考虑
静态精度
动态精度
51
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
⑴ 从静态精度考虑
要考虑量化误差对输出的影响。
量化误差与 A／ D转换器位数有关。
52
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
由图可知
10位以下误差较大；
11位以上误差减小不明显。
图 6.22 位数与误差的关系
位数
误差
8 9 10 11 12 13
53
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
因此，取 10～ 11位是合适的 。
从精度来看
由于模拟信号是先测量后转换，因此
总误差
测量误差
量化误差
54
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
设测量误差和量化误差不相关。
它们的标准差分别为 e M和 eq 。
则总误差的标准差为
)106(M2q2M ???? eeee ξ∑
式中
)116()(1 2
M
q ???
e
e
ξ
55
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
由图 6.23可知,
,5.0)1(
M
q ?
e
e
,3.0)2(
M
q ?
e
e
ξ 变化缓慢,
eM减小不多 。
ξ↑, eM↓
图 6.23 ξ与 的关系eqeM
eq
eM
ξ
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4 因此，取
e
e
q
M
为
0.3～ 0.5
较为合适 。
56
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
总之, A／ D转换器的精度应与测量
装置的精度相匹配 。
确定位数
① 量化误差在总误差中所占
比例要小。
②根据测量装置的精度水平，
合理提出位数要求。
57
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
目前, 大多数测量装置的精度值不小
于 0.1%～ 0.5%,故 A／ D转换器的精度取
0.05%～ 0.1%,相应的位数为 10～ 11位，
加上符号位，即为 11～ 12位 。
⑵ 从动态平滑性的要求来考虑
位数不能太多，否则虽然 q↓,但产生
高频小振幅量化噪声 。
一般来说，满足 静态精度 要求的位数，
也能满足 动态平滑性 的要求。
58
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
2,如何确定 A／ D转换器的转换速率
转换速率 — 每秒钟能完成的转换次数。
其与转换时间的关系：
转换时间
转换速率
1
?
59
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
确定转换速率时，应该考虑系统的采样速率：
若转换时间为 100?s, 则转换速率为 10千次 /s。
设一个周期采 10个样点，那么 A／ D转换
器最高只能处理 1kHz的模拟信号 。
若转换时间为 10?s,则转换速率为 100千次 /s，
信号频率可提高到 10kHz。
60
SDUT
数据采集与处理
6.6 面对设计如何选择和使用 A／ D转换器
3,如何确定是否要加采样／保持器
原则上，采集变化非常缓慢的模拟信
号（例如温度）时，可不用采样／保持器。
其它模拟信号都要加采样／保持器。
61
SDUT
数据采集与处理
第 6章 模／数转换器
6.7 A／ D转换器与微机接口
接口任务
① 转换器收到微机发出的转换
指令，进行转换。
②当微机发出取数指令时，转
换结果存入微机内存。
62
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
1,接口设计中的问题
需要解决的问题有以下三个：
⑴ 数据输出缓冲问题
原因,计算机的数据总线是 CPU与存储器,
I／ O设备之间传送数据的公共通道。
要求,A／ D转换器的数据输出端必须通过
三态缓冲器与数据总线相连 。
63
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
当未被选中时, A／ D转换器的输出呈
高阻抗状态，以免干扰数据总线上的数据
传送。
下面分四种情况予以讨论。
芯片数据输出端有三态缓冲器，且有三
态控制端引脚
相应芯片有 ADC0809,AD7574。
它们可以直接和微机数据总线相连。
64
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
芯片不具备三态输出缓冲器
相应芯片有 ADC1210。
这类芯片输出端不能直接连到数据总
线，必须外加三态缓冲器。
芯片具有三态输出缓冲器，且由片内时序控制
相应芯片有 AD571和 AD572。
这类芯片不能直接与数据总线相连，
需要通过时序调整接口转换。
65
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
芯片有三态输出缓冲器，且片内时序与
微机总线时序配合
相应芯片有 AD574A，
这类芯片的输出端可直接和微机数据
总线相连。
⑵ 产生芯片选通信号和控制信号
芯片选通信号 — 地址信号。
信号产生,由译码器产生地址信号。
66
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
作用,给出地址信号，就选通了 A／ D
芯片 。
译码器与地
址总线连接
① 系统采用内存映象 I／ O方式，
需要全部地址线参与译码。
②系统采用 I／ O映象方式，用部
分低位地址线参与译码。
内存映象 —— I／ O不单独编址。
I／ O映象 —— I／ O单独编址。
67
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
控制信号完成对 A／ D转换器的读写控制
不同微机其控制总线不相同：
① 8031单片机中, 控制线 共同控、RD WR
制 A／ D转换器的读 ／ 写操作 。
当 0WR ? 时，执行写操作；
当 0RD ? 时，读操作。
68
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
② 8088CPU的 PC机 中，控制线,IOR IOW
共同控制 A／ D转换器的读／写操作 。
在利用微机地址总线、控制总线对
A／ D转换器的读／写进行控制时，要注
意时序匹配。
时序匹配 — 微机提供的控制信号的持续
时间和相位关系满足所用
A／ D 转换器的控制要求。
69
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
在接有采样／保持器的数据采集系统
中，要考虑采样／保持器,A／ D转换器
和 CPU之间的时序配合问题。
① 用 A／ D转换器的转换状态信号作为采
样／保持器的模拟开关的控制信号。
保证 A／ D转换与采样／保持器的
协调 。
目的：
通常做法：
70
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
② A／ D转换器的启动转换脉冲宽度应大于
采样／保持器的孔径时间。
保证在启动 A／ D转换之前采样／保
持器已达到稳定状态，使 A／ D转换
准确 。
目的：
71
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
⑶ 读出数据
需要解决
的问题
① A／ D转换器与 CPU的联络
方式。
②数据输出格式。
联络方式
联络 — CPU与 A／ D转换器传送信息 。
72
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
联络方式
① 查询方式。
② 中断方式。
① 查询方式
查询方式 — CPU不断查询 A／ D转换器
的 STS脚的电平变化 。
因此，要将 A／ D转换器的转换状态
STS脚接在微机 I／ O口的某一位上 。
73
SDUT
数据采集与处理
传到 D0
三态缓冲器 AD574
8031
6.7 A／ D转换器与微机接口
P0.7
P0.0
.
.
.
D11
D4
.
.
.
D3
D0
.
.
.
STS
P2.7
P2.0
.
.
,地址
译
码
器
RD
+
图 6.26 8031与 AD574A接口电路中转换状态查询
74
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
AD574A的转换状态信号 STS经三态
缓冲器接到数据总线的 D0上，在读状态，
用一特定地址选定、打开三态缓冲器，以
供 CPU检查转换状态,
D0 = 0,A／ D处于转换周期 ；
D1 = 1,A／ D转换结束 。
75
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
② 中断方式
中断方式 — A／ D转换状态信号通过中
断输入线向 CPU申请中断,
CPU响应中断后，转中断
服务程序读转换结果 。
76
SDUT
数据采集与处理
三态缓冲器
6.7 A／ D转换器与微机接口
AD574A的转换结束信号 STS经反相形成正
脉冲去触发 74LS74 (D)触发器，
图 6.26 AD574与 PC总线中断联络方式接口电路
来自 AD574
的 STS
D Q
74LS074
RS
复位信号
端口位 X
端口位 Y
至 PC总线 IRQ2
该触发器的输
出经三态缓冲器接到 PC 机总线上空闲的中断
请求线上 。
D触发器的清除和三态缓冲器的启动均由
可编程 I／ O端口位控制 。
77
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
在设计接口电路时，究竟是采用查询
还是中断方式，依据处理情况而定：
若转换时间长 （ 100?s以上 ） 时，且程
序要同时完成其它计算，则采用中断
方式 。
若转换时间较短（几十微秒以下）时，
且程序不处理其它任务，则采用查询
方式。
78
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
数据输出格式
数据输出格式
① 并行输出
② 串行输出
下面一段程序是 IBM-PC／ XT机从 12位
A／ D转换器 ADC1210读取数据的汇编程序 。
79
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
ADC1210的数据输出端无三态缓冲器，故
外接缓冲器 1（ 设地址为 0101H） 用于锁存高 4
位数据，缓冲器 2（ 地址为 0102H） 用于锁存低
8位数据。程序如下,
．
．
MOV DX,0101H ； 准备高 4位数据地址
．
．
IN AL,DX ； 读入高 4位转换结果
MOV AH,AL ； 送入 AH寄存器保存
80
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
INC DX ； 准备低 8位数据地址
IN AL,DX ； 读入低 8位转换结果
．
．
程序执行后, 8088CPU中的 AX寄存器的
内容即为 A／ D转换器的转换数据 。
2,内含三态缓冲器的 A／ D转换器的接口电路
⑴ ADC0809与微机的接口
81
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
这部分内容留给大家自习。
⑵ AD574A与微机的接口
AD574A与 8031单片机的接口
ADC0809与 8031单片的接口电路如图 6.27所示 。
82
SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
A0
D 1 1
D0
CE
S T S
7 4 L S
3 7 3
+ 1 5 V
- 1 5 V
满量程调整
R W 1
+ 1 5 V
- 1 5 V
R W 2
} 模拟量输入
U c c
U e e
R E F IN
R E F O U T
B I P O F F
1 0 V i n
2 0 V i n
1 2 / 8
D G N D
A G N D
CS
.
.
.
A D 5 7 4 A
A L E
P
.
.
.
WR
RD
EA
U l o
+ 5 V
R / C
8 0 3 1
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
G E
74 L S 0 0
Ω1 0 0
Ω1 0 0
Ω1 0 0
Ω1 0 0
0, 7
0, 0
1, 0
P
P
图6, 2 8 A D 5 7 4 A 与8 0 3 1 的接口
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SDUT
数据采集与处理
6.7 A／ D转换器与微机接口
该电路采用单极性输入方式，可对
0～ 10V 或 0～ 20V 模拟信号进行转换 。
由于 AD574A片内有时钟，故无须外
加时钟信号 。
因为 接地，所以 A／ D转换结果12 8/
分两次读出，高位从 D11～ D4读出，低 4
位从 D3 ～ D0 读出,
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6.7 A／ D转换器与微机接口
① 读高 8位结果时，要求 1CR/0A
0 ??,
，
端口地址为 0FEH。
② 读低 4位结果时，要求,
端口地址为 0FFH。
1CR/1A 0 ??,
AD574A的状态信号 STS与 8031的
P1.0端相连, 可采用查询法判断 A／ D 转
换是否结束 。
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AD574A与 PC 机的接口
AD574A工作于普通控制方式的接口
电路如图 6.29所示 。
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A L E
D7
D0
.
.
.
PC 总线
A0
S T S
+ 1 5 V
- 1 5 V
满量程调整
R W 1
+ 1 5 V
- 1 5 V
R W 2
} 模拟量输入
U l o U c c
U e e
R E F IN
R E F O U T
B I P O F F
1 0 V i n
2 0 V i n
1 2 / 8
D G N D
A G N D
CS
D 1 1
D0
A D 5 7 4 A
+ 5 V
A0
A 1 A 9~
译
码
器
I O R
I O W
CE
R / C
Ω1 0 0
Ω1 0 0
Ω1 0 0
Ω1 0 0
.
.
.
.
.
.
图6, 2 9 A D 5 7 4 A 与I B M - P C 机的接口电路原理图
ALE 和 A1～ A9 进行地址译码选通 。
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6.7 A／ D转换器与微机接口
结合控制 CE,并由
IOW 非直接控制 。CR/
地址线的 A0 直接接入 AD574A的脚 。
IOW，CS IOR 和
因为 12 8/ 接地，所以 A／ D转换结果
A 0 R / C 10 ? ?，, 从 D11～ D4 读出高 8位结果 ；
1CR/1A 0 ??,, 从 D3～ D0 读出低 4位结果 。
分两次读出：
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注意,AD574A工作于普通控制方式时，
不适合于 PC286以上微机，因为这
类微机的总线周期短，难以适合
AD574A所要求的设置时间 。
