微机技术第13章模拟接口.ppt

第第 13 13 章章 第13章 模拟接口 教学重点 n DAC 0832及其与主机的连接 n ADC 0809及其与主机的连接 模拟量与数字量 n模拟量连续变化的物理量 n数字量时间和数值上都离散的量 模拟/数字转换器 ADC DAC 数字/模拟转换器 13.1 模拟输入输出系统 数字信号 模拟信号 现场信号1 现场信号2 现场信号 n 微型 计算机 放大器 放大器 放大器 多 路 开 关 低通滤波 传感器 低通滤波 传感器 低通滤波 传感器 A/D转换器采样保持器 数字信号 受控对象 控制信号 模拟信号 D/A转换器放大驱动电路 传感器 将各种现场的物理量测量出来 并转换成电信号（模拟电压或电流） 放大器 把传感器输出的信号放大到ADC所需 的量程范围 低通滤波器 用于降低噪声、滤去高频干扰， 以增加信噪比 多路开关 把多个现场信号分时地接通到A/D转换器 采样保持器 周期性地采样连续信号， 并在A/D转换期间保持不变 13.2 D/A转换器 DAC 数字/模拟转换器 模拟 量 数字量 13.2.1 D/A转换的基本原理 数字量 按权相加按权相加 模拟量 1101B 1212 3 3 1212 2 2 0202 1 1 1212 0 0 13 D/A转换器的原理图（1） Iout2 Iout1 Rfb Rfb Vout+ _ I1 S1 D1 c 2R R I2 S2 D2 b 2R R I0 S0 D0 d 2R2R R I3 S3 D3 a 2R VREF 电阻网络 基准电压 电子开关 D/A转换器的原理图（2） Iout2 Iout1 Rfb Rfb Vout+ _ I1 S1 D1 c 2R R I2 S2 D2 b 2R R I0 S0 D0 d 2R2R R I3 S3 D3 a 2R VREF 阻抗2R 运算放大器 虚地 D/A转换器的原理图（3） VaVREF Vb VREF/2 Vc VREF/4 Vd VREF/8 I0Vd/2RVREF/（82R） I1Vd/2RVREF/（42R） I2Vd/2RVREF/（22R） I3Vd/2RVREF/（12R） D/A转换器的原理图（4） Iout1I0I1I2I3 VREF/2R（1/81/41/21） RfbR VoutIout1Rfb VREF（20212223）/24 Vout（D/2n）VREF 13.2.2 DAC0832芯片 nDAC0832是典 型的8位电流输出 型通用DAC芯片 LE2LE1 Rfb AGND DAC0832 Vcc ILE VREF 输入 寄 存 器 DGND DI0DI7 D/A 转 换 器 DAC 寄 存 器 Iout2 Iout1 DAC0832的内部结构 LE2LE1 Rfb AGND DAC0832 Vcc ILE VREF 输入 寄 存 器 DGND DI0DI7 D/A 转 换 器 DAC 寄 存 器 Iout2 Iout1 CS WR1 WR2 XFER 1. DAC0832的数字接口 n8位数字输入端 nDI0DI7（DI0为最低位） n输入寄存器（第1级锁存）的控制端 nILE、CS*、WR1* nDAC寄存器（第2级锁存）的控制端 nXFER*、WR2* 直通锁存器的工作方式 两级缓冲寄存器都是直通锁存器 nLE1，直通（输出等于输入） nLE0，锁存（输出保持不变） LE2LE1DAC0832 输入 寄 存 器 DI0DI7 D/A 转 换 器 DAC 寄 存 器 Iout1 DAC0832的工作方式：直通方式 nLE1LE21 n输入的数字数据直接进入D/A转换器 LE2LE1DAC0832 输入 寄 存 器 DI0DI7 D/A 转 换 器 DAC 寄 存 器 Iout1 DAC0832的工作方式：单缓冲方式 nLE11，或者LE21 n两个寄存器之一始终处于直通状态 n另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态） LE2LE1DAC0832 输入 寄 存 器 DI0DI7 D/A 转 换 器 DAC 寄 存 器 Iout1 DAC0832的工作方式：双缓冲方式 n两个寄存器都处于受控（缓冲）状态 n能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入 另一个数据 LE2LE1DAC0832 输入 寄 存 器 DI0DI7 D/A 转 换 器 DAC 寄 存 器 Iout1 2. DAC0832的模拟输出 nIout1、Iout2电流输出端 nRfb反馈电阻引出端（电阻在芯片内） nVREF参考电压输入端 n10V10V nAGND模拟信号地 nVCC电源电压输入端 n5V15V nDGND数字信号地 单极性电压输出 VoutIout1Rfb （D/28）VREF Rfb Iout2 Iout1 Vout + _ AGND A DI VREF 单极性电压输出：例子 设 VREF5V nDFFH255时，最大输出电压： Vmax（255/256）5V4.98V nD00H时，最小输出电压： Vmin（0/256）5V0V nD01H时，一个最低有效位（LSB）电压 ： VLSB（1/256）5V0.02V Vout（D/2n）VREF 双极性电压输出：电路 R1（R） R3（2R）R2（2R） Rfb Iout2 Iout1 AGND DI VREF Vout1+ _ A1 Vout2+ _ A2 I1 I2 I1I20 双极性电压输出：公式 取 R2R32R1 得 Vout2（2Vout1VREF） 因 Vout1（D/28）VREF 故 Vout2（D27）/27） VREF 双极性电压输出：例子 设 VREF5V nDFFH255时，最大输出电压： Vmax（255128）/1285V 4.96V nD00H时，最小输出电压： Vmin（0128）/1285V5V nD81H129时，一个最低有效位电压： VLSB（129128/1285V0.04V Vout（D27）/27）VREF 3. 输出精度的调整 Rfb Iout2 Iout1 Vout + _ AGND 调零 电位器 调满刻度 电位器 电源 5V A DI 10K 1M 1K VREF 4. 地线的连接 DGND AGND 模拟电路数字电路ADCDAC 模拟电路数字电路 模拟地模拟地 数字地数字地 公共接地点公共接地点 13.2.3 DAC芯片与主机的连接 nDAC芯片相当于一个“输出设备”，至 少需要一级锁存器作为接口电路 n考虑到有些DAC芯片的数据位数大于 主机数据总线宽度，所以分成两种情况 ： 1. 主机位数等于或大于DAC芯片位数 2. 主机位数小于DAC芯片位数 1. 主机位数大于或等于DAC芯片的连接 mov al,buf mov dx,portd out dx,al 译码 AB D0D7 CLK DAC Vout + _ A LS273 IOW DAC0832单缓冲方式 WR1 CS IOW 5V+5V Rfb Iout2 Iout1 WR2 XFER DGND AGND D0D7DI0D17 Vcc ILE VREF Vout + _ A 译码 AB 2. 主机位数小于DAC芯片的连接 n数字数据需要多次输出 n接口电路也需要多个（级）锁存器保存 多次输出的数据 n并需要同时将完整的数字量提供给DAC 转换器 CPUCPU DACDAC 8位12位 两级锁存电路 模拟输出 12位 DAC 第2级12位锁存控制 第1级低8位锁存控制 第1级高4位锁存控制 D0D7 4位 锁存器 4位 锁存器 8位 锁存器 8位 锁存器 由同一个信号控制 关键的一级锁存 无需输出数据 简化的两级锁存电路 模拟输出 12位 DAC 第2级12位锁存控制 第1级低8位锁存控制 D0D7 4位 锁存器 8位 锁存器 8位 锁存器 由同一个信号控制 关键的一级锁存 需要输出高4位数据 mov dx,port1 mov al,bl out dx,al mov dx,port2 mov al,bh out dx,al 13.2.4 DAC芯片的应用 mov dx,portd mov al,0 repeat:out dx,al inc al jmp repeat 输出正向锯齿波 2次数据输出的时间间隔 0 2LSB 1LSB 255LSB 254LSB 锯齿波周期 13.3 A/D转换器 模拟 量 数字量 模拟/数字转换器 ADC 13.3.1 A/D转换的基本原理 n存在多种A/D转换技术，各有特 点，分别应用于不同的场合 n4种常用的转换技术 计数器式 逐次逼近式 双积分式 并行式 1. 计数器式 以最低位为增减量 单位的逐步计数法 时钟 复位 数字输出 比较器 模拟输入 计数器 D/A转换器转换结束 2. 逐次逼近式 从最高位开始 的逐位试探法 时钟 复位 数字输出 转换结束 比较器 模拟输入 寄存器 D/A转换器 3. 双积分式 两个积分阶段 实质是电压/时间变 换 IREF Iin Vin VREF 积分器 比较器 V/I V/I 时钟 启动计数 计数器 数字输出 T2T1 Vc 固定斜率 时间可变 固定时间 斜率可变 转换结束 4. 并行式 速度快成本高 直接比较法 编 码 电 路 Vin VREF 数字输出 比较器 R R R R R R R/2 R/2 13.3.2 ADC0809芯片 n具有A/D转换的基本功能 v CMOS工艺制作 v 8位逐次逼近式ADC v 转换时间为100 s n包含扩展部件 多路开关 三态锁存缓冲器 ADC0809的内部结构图 ADC0809 地址锁存 和译码 OE 通道 选择 开关 ADDA ADDB ADDC 1N0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 8位 三态 锁存 缓冲器 DAC Vcc 比较器 CLOCKSTART GND VREF(+) VREF(-) ALE 逐次逼近 寄存器SAR 定时和控制 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 EOC 1. ADC0809的模拟输入 n提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑 IN0IN7：8个模拟电压输入端 ADDA、ADDB、ADDC：3个地址输入 线 ALE：地址锁存允许信号 nALE的上升沿用于锁存3个地址输入的 状态，然后由译码器从8个模拟输入中选 择一个模拟输入端进行A/D转换 2. ADC0809的转换时序 D0D7 OE EOC START/ALE ADDA/B/C DATA 100s 2s+8T (最大) 200ns (最小) 转换启动信号 转换结束信号 3. ADC0809的数字输出 nADC0809内部锁存转换后的数字量 n具有三态数字量输出端D0D7 n配合输出允许信号OE o当输出允许信号OE为高电平有效时， 将三态锁存缓冲器的数字量从D0D7输 出 4. ADC0809的转换公式 输入模拟电压 输出数字量 基准电压正极基准电压负极 单极性转换示例 n基准电压VREF(+)5V，VREF()0V n输入模拟电压Vin1.5V N （1.50）（50）256 76.8774DH 双极性转换示例 n基准电压VREF(+)5V，VREF() 5V n输入模拟电压Vin1.5V N （1.55）（55）256 89.6905AH 13.3.3 ADC芯片与主机的连接 nADC芯片相当于“输入设备”，需要接 口电路提供数据缓冲器 n主机需要控制转换的启动 n主机还需要及时获知转换是否结束， 并进行数据输入等处理 1. 数据输出线的连接 n与主机的连接可分成两种方式 q 直接相连：用于输出带有三态锁存器的 ADC芯片 q 通过三态锁存器相连：适用于不带三态 锁存器的ADC芯片，也适用带有三态锁存 缓冲器的芯片 nADC芯片的数字输出位数大于系统数 据总线位数，需把数据分多次读取 2. A/D转换的启动（1） n启动信号一般有两种形 式 q 脉冲信号启动转换 q 电平信号启动转换 转换启动转换结束 2. A/D转换的启动（2） n主机产生启动信号有两种方法 q 编程启动 软件上，执行一个输出指令 硬件上，利用输出指令产生ADC 启动脉冲，或产生一个启动有效电平 q 定时启动 启动信号来自定时器输出 3. 转换结束信号的处理 v不同的处理方式对应程序设计方法不同 查询方式把结束信号作为状态信号 中断方式把结束信号作为中断请求 信号 延时方式不使用转换结束信号 DMA方式把结束信号作为DMA请 求信号 13.3.4 ADC芯片的应用 n例12.2 编程启动 、转换结束中断处 理 n例12.3 编程启动 、转换结束查询处 理 中断方式 D0D7 220h IRQ2 A0A9 译码 Vcc D0D7 EOC ADDA ADDB ADDC ALE 模拟输入 （05V） 500KHzCLOCK VREF(+) +5V IN0 OE START GND VREF(-) IOR IOW 主程序 ;数据段 adtemp db 0;给定一个临时变量 ;代码段 ;设置中断向量等工作 sti;开中断 mov dx,220h out dx,al;启动A/D转换 ;其他工作 例13.2 中断服务程序 adint proc sti;开中断 push ax;保护寄存器 push dx push ds mov ax,data ;设置数据段DS mov ds,ax mov dx,220h in al,dx;读A/D转换的数字量 mov adtemp,al ;送入缓冲区 例13.2 中断服务程序 mov al,20h;发送EOI命令 out 20h,al pop ds;恢复寄存器 pop dx pop ax iret;中断返回 adintendp 例13.2 查询方式 8通道 模拟输