《模数转换接口》PPT课件.ppt

第九章 D/A、A/D转换器,主要内容： 模拟量输入输出通道的组成 D/A转换器的工作原理、连接及编程 A/D转换器的工作原理、连接及编程,00101101,10101100,工 业 生 产 过 程,传感器,放大 滤波,多路转换 & 采样保持,A/D 转换,放大 驱动,D/A 转换,输出 接口,微 型 计 算 机,执行机构,输入 接口,物理量 变换,信号 处理,信号 变换,I/O 接口,输入通道,输出通道,9.1 概 述,数/模（D/A）和模/数（A/D）转换技术主要用于计算 机控制和测量仪表中。典型的闭环实时控制系统为：,9.2 D/A转换器芯片及其接口,9.2.1 D/A转换原理与技术指标 一、 D/A转换器的工作原理 数字量是由一位一位的数位组成的，每个数位都代表一定的权。D/A转换时，就是把一个数字量的每一位代码按权的大小转换为相应的模拟量分量，然后用线性叠加原理将各位代码对应的模拟输出量相加,其和就是与数字量成正比的模拟量。 在实现时，通常采用T型网络实现数字量往模拟电流的转换，再利用运算放大器来完成模拟电流到模拟电压的转换。,Rf,模拟开关 电阻网络,VO,数字量,Vref,D/A变换原理,运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输入电压Vin的关系为：,式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻,Vin,Rf,Vo,R,若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：,Vin,Rf,VO,R1,式中：Ri 为第i支路的输 入电阻,Rn,令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref，则有 如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为,若Si=1,该项对VO有贡献 若Si=0,该项对VO无贡献,2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R,Vref,Rf,VO,S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8,与上式相对应的电路如下(图中n=8)：,图中的电阻网络就称为权电阻网络,如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，那么根据二进制代码的不同，输出电压VO也不同，这就构成了8位的D/A转换器。 可以看出，当代码在0FFH之间变化时，VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化。 为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络(见下页)，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。,R-2R梯形电阻网络,D/A转换器的主要技术指标,分辨率（Resolution） 输入的二进制数每1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。 一般用输入数字量的位数来表示: 如8位、10位 例：一个满量程为5V的10位DAC，1 LSB的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV 转换精度（误差） 实际输出值与理论值之间的最大偏差。 一般用最小量化阶来度量，如1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如0.05% FSR LSB: Least Significant Bit FSR: Full Scale Range),9.2.2 典型D/A转换器,DAC0832 特性： 8位电流输出型D/A转换器 T型电阻网络 差动输出,DAC0832内部结构,引脚功能,D7D0：输入数据线 ILE：输入锁存允许 CS#：片选信号 用于把数据写入到输入锁存器 WR1#：写输入锁存器 WR2#：写DAC寄存器 XFER#：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器 上述二个信号用于启动转换 VREF：参考电压，-10V+10V，一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入 Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 AGND、DGND：模拟地和数字地,工作时序,D/A转换可分为两个阶段： CS#=0、WR1#=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器； WR2#=0、XFER#=0，数据传送到DAC寄存器，并开始转换。,写输入寄存器,写DAC寄存器,工作方式,单缓冲方式 使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通。CPU只需一次写入即开始转换。控制比较简单。 双缓冲方式（标准方式） 转换要有两个步骤： 将数据写入输入寄存器 CS#=0、WR1#=0、ILE=1 将输入寄存器的内容写入DAC寄存器 WR2#=0、XFER#=0 优点：数据接收与D/A转换可异步进行； 可实现多个DAC同步转换输出分时写入、同步转换 直通方式 使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。 不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。,3、应用举例 例1 如图所示,用DAC0832产生锯齿波，端口地址为PORT。,VCC,ILE,Vref,Rfb,Iout1,Iout2,XFER,WR2,DGND,AGND,D0 D7,WR1,CS,IOW,+5V,+5V,15K,15K,7.5K,VOUT,MOV DX，PORT Lop1：MOV AL， 00H Lop2：OUT PORT，AL MOV CX, 40 H0: LOOP H0 INC AL CMP AL，0FFH JZ lop1 JMP lop2,可以通过延时的办法改变锯齿波的周期，延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同,例2 同上题,编写连续三角波的程序,MOV DX，PORT XOR AL，AL W1：OUT DX，AL INC AL NOP CMP AX，0FFH JNZ W1 W2：OUT DX，AL DEC AL NOP CMP AL，0 JNZ W2 JMP W1,1、采样过程：将时间上连续变化的模拟量转变为时间上断续变化的模拟量。采样频率f0大于等于输入信号最高频率fm的2倍。 2、保持过程：将采样得到的模拟量的值保持下来。为保证采样精确度，要求在A/D转换期间，保持输入模拟量的信号不变。 3、量化过程：以一定的量化单位，把离散的模拟信号转化为离散的阶跃量的过程。通常用“四舍五入”的方法使之整量化。 4、编码过程：把已经量化的模拟数值用二进制数码（1/0）来表示。,9.3 A/D转换器芯片,根据A/D转换原理和特点的不同，可把ADC分成两大类：直接ADC和间接ADC。 直接ADC是将模拟电压直接转换成数字量，常用的有： 逐次逼近式ADC、计数式ADC、并行转换式ADC等。 间接ADC是将模拟电压先转换成中间量，如脉冲周期T、脉冲频率f、脉冲宽度等，再将中间量变成数字量。常见的有： 单积分式ADC、双积分式ADC，V/F转换式ADC等。,计数式ADC：最简单，但转换速度最慢。 并行转换式ADC：速度最快，但成本最高。 逐次逼近式ADC：转换速度和精度都比较高，且比较简单，价格低，所以在微型机应用系统中最常用。 双积分式ADC：转换精度高，抗干扰能力强，但转换速度慢，一般应用在精度高而速度不高的场合，如测量仪表。 V/F转换式ADC：在转换线性度、精度、抗干扰能力等方面有独特的优点，且接口简单、占用计算机资源少，缺点也是转换速度慢。在一些输出信号动态范围较大或传输距离较远的低速过程的模拟输入通道中应用较为广泛。,原理：类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物。,9.3.1 逐次逼近型A/D工作原理,9.3.2 A/D的技术指标 分辨率 量化误差 转换速度 精度,9.3.3 ADC0809 一、原理框图,D7D0：输出数据线（三态） IN0IN7：8通道（路）模拟输入 ADDC、ADDB、ADDA：通道地址（通道选择） ALE：通道地址锁存 START：启动转换 EOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请 OE：输出允许（打开输出三态门） CLK：时钟输入（10KHz1.2MHz） VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压,二、工作时序,送通道地址，以选择要转换的模拟输入； 锁存通道地址到内部地址锁存器； 启动A/D变换； 判断转换是否结束； 读转换结果,二、应用举例 例1 对模拟通道IN0进行A/D转换，采样一个点。,采用查询方式的程序如下： OUT 50H，AL ；选通IN0， ；启动A/D转换 NOP ；避开刚开始的EOC状态 W：IN AL，40H ；输入EOC标志 TEST AL，01H JZ W ；未结束，返回等待 IN AL，48H ；结束， ；把结果送入AL中,例2 利用8255A间接与0809接口，接口图如图所示。采用查询方式，编写转换通道IN5的模拟量的程序。,IOR,IOW,A1,A2,A0,A3,解 由接口图分析可知8255A的A口、B口、C口和控制口的地址分别为90H、92H、94H、96H，程序片段如下：,MOV DX, 96H ；8255初始化 MOV AL，10011000B OUT DX，AL MOV DX, 92H ；A/D转换 MOV AL，05H；选择通道5 OUT DX，AL MOV DX, 96H MOV AL，01H；ALE信号有效 OUT DX，AL MOV AL，00H；启动AD