计算机原理第十章模数和数模转换.ppt

第十章模 数和数 模转换 10 1数据采集基本概念10 2A D接口电路设计10 3D A接口电路设计 10 1数据采集基本概念 通常从传感器或其它方式得到的模拟信号 经过必要的处理后转换成数字信号 以供存储 传输 处理和显示之用 我们把从模拟域到数字域之间的接口 称为数据采集系统 信息源 语言信号 生物医学信号 工业现场信号 雷达回波信号等 数据采集基本概念 模 数 A D 转换 在现实世界中被控对象或测量对象的有关参数如温度 压力 流量 速度等往往都是一些连续的模拟量 人们要认识它 使用它 需要把各种物理量转换成电的模拟信号 然后进行处理 随着数据信号处理的广泛应用 如语音信号处理 图象信号处理 生物信号处理 雷达信号处理等 都必须将这些模拟量转换成数字量 然后利用计算机实现各种信息处理 数 模 D A 转换 将计算机加工处理的数字量转换成模拟量 以便对被控对象进行控制 数据采集系统的组成 1 传感器把各种物理量如温度 压力等转换成电信号的器件称为传感器 如测量温度的传感器有热电偶 热敏电阻 测量机械力的有压力传感器 应变片等 测量机械位移的有感应式位移传感器等 2 多路模拟开关如果有多个独立的或相关的模拟信号源 需要转换成数字形式 为使采样保持器 A D等后续电路可以公用 这可通过多路模拟开关按序切换来实现 数据采集系统的组成 3信号调理器 SIGNALCONDITIONING 作用 1 完成信号的电平 极性等转换 以便与A D变换器所需的电平极性匹配 充分利用A D精度 从传感器得到的输出信号小至毫伏级 微伏级 必须放大到足够的电平 才能精确测量 有的信号是双极性 需要进行极性转换变成单极性 信号调理器还应起阻抗变换作用 隔离后面的负载对传感器的影响 极性 幅度 阻抗 2 抑制干扰 提高信噪比 特别是传感器通过较长电缆与计算机相联 共模干扰及高频干扰明显 信号常被淹没 信号调理器应尽量抑制干扰和噪声 不使信号污染 滤波 3 防止混叠现象 即对信号预先进行防混叠波 采样定理 低通采样 带通采样 数据采集系统的组成 4 采样保持电路在A D进行转换时间内 保持输入信号不变的电路称采样保持电路 A D转换中 采样保持电路对系统的精度起着决定性的影响 一般采样保持电路有两种运行模式 即采样和保持模式 它由数字控制输入端来选择 在采样模式中输出随输入变化 通常增益为1 在保持模式中 采样保持电路的输出将保持命令发出时的输出值 直到数字控制输入端输入了下一个采样命令为止 数据采集系统的组成 采样保持电路的组成 保持电容器 输入输出缓冲放大器 逻辑输入控制的开关电路 采样保持电路原理见下图 采样过程 数据采集系统的组成 采样保持器的主要性能参数是 1 孔径时间TAP 从保持命令发出到开关全部断开所需要的时间 这是模式开关从闭合状态到断开状态的过度时间 将使实际电压值与希望的电压保持值之间产生误差 这将影响转换精度 2 捕捉时间TAC 从采样命令发出到采样保持器的输出由保持值达到输入信号当前值所需时间 它与模式开关的接通时间 电容器充电时间常数 保持电容上电压变化幅度有关 这将影响采样频率的提高 3 保持电压的衰减率 在保持状态下 由于保持电容器的漏电和其他杂散漏电流引起的保持电压衰减 ADS5547片内集成SHA ADS5547片内集成SHA MAX108的片内SHA MAX108 1 5Gsps8bitADCwith2 2GHzSHA 数据采集系统的组成 对于高速多通道数据采集系统 以及需要各通道同时采集数据的系统 通常是让每个通道各自具有采样保持器与A D变换器 数据采集系统的组成 多通道共用A D变换器 数据采集系统的组成 多通道共用采样保持与A D变换器 AD转换器参数 量程 输入模拟信号幅度范围 如1V 2V 5V 带宽 输入模拟信号频率范围 如100MHz 1GHz 转换速率 每秒能进行的转换次数 KHz MHz 分辨率 能够分辨最小信号的能力 用ADC位数或每位对应的电压表示 能引起输出数字值发生一位变化的最小模拟输入变化 例 位数8位 满量程5V 则其分辨率为8位 或5V 28 1 19 6mV AD转换器参数 转换精度 转换器实际值接近理想值的精确程度 用数字量的最低有效位LSB对应的模拟量 表示 受分辨率限制 理想转换器输入在 0 5 范围内变化时 输出对应同一个值 其转换精度为 0LSB 其他参数 积分非线性 差分非线性 丢码 供电方式 功耗 时钟 输出数据格式 ADC芯片选择原则 10 2A D接口电路设计 保证正常工作条件下 提高性能 减小数字部分对模拟信号的干扰 模拟信号的调理 数字接口 采样时钟处理 电源 地的连接 参考电压基准 A D接口电路设计 1 ADC0809工作原理及接口ADC0809是采用逐次逼近技术进行A D转换的CMOS集成芯片 它转换时间是100 s 分辨率为8位 单5V供电 输入模拟电压范围为0 5V 内部集成了可以锁存控制的8路多路开关 并且还集成了可以锁存的三态缓冲器 ADC0809内部功能框图包括 8路模拟开关 地址锁存与译码 8位A D转换 三态输出锁存器 A D接口电路设计 各管脚功能 IN0 IN7输入 8路模拟输入 DB0 DB7三态输出 A D转换数据输出线 ADDA ADDB ADDC输入 模拟通道选择线 ALE输入 地址锁存允许 上升沿将ADDA ADDB ADDC三位地址信号锁存 译码选通对应模拟通道 REF REF 输入 基准电压输入端 且要求1 2 VREF VREF 1 2VcSTART输入 转换开始 在模拟通道选通地址锁存之后 向START端加一正脉冲启动转换过程 脉冲上升使所有内部寄存器清零 下降沿使A D转换开始 EOC输出 转结束信号 在转换进行过程中EOC为低电平 当转换结束 数据已锁存在输出锁存器之后 EOC变为高电平 EOC作为被查询的状态信号 也可用来申请中断 OE OutputEnable 输入 输出允许 此端加一高电平时 可打开ADC0809的输出三态缓冲器 使数据放到数据总线上 以供CPU读入 CLK输入 时钟 Vcc输入 电源 5V GND地 0809工作时序 ADC0809与8088接口电路 例 设8路信号模拟输入地址为70 77H 对模拟通道2的转换命令为 OUT72H AL在中断程序中读转换结果的命令为 INAL 72H A D接口电路设计 2 AD570A工作原理及接口电路 AD570是一种8位的模数转换芯片 特点如下 1 单极性 pin15 L 或双极性 pin15 H 模拟信号输入 2 内部带有三态输出门 外部不可控 3 低电平启动转换 B C L A D接口电路设计 AD570A控制时序 A D接口电路设计 查询方式读取ADC转换结果 P307图10 141 由于AD570三态数据输出外部不可控 用8255作为接口芯片 2 8255PA口接收数据 PB0状态输入 PC0转换控制 READAD MOVAL 92H 8255方式字 A B口输入 C口输出OUTPORTCT AL PORTCT为8255控制端口地址MOVAL 01H 使PC0 1 PORTC为8255C端口地址OUTPORTC ALMOVAL 00H 使PC0 0 启动AD转换OUTPORTC ALW INAL PORTB 读PB0状态 若为1 则查询等待RCRAL 01JCWMOVAL 01OUTPORTC AL 使PC0 1 撤销启动信号INAL PORTA 读取转换数据 A D接口电路设计 等待方式读取ADC转换结果 P307图10 151 由于AD570三态数据输出外部不可控 用8255作为接口芯片 2 8255PA口接收数据 PC0转换控制 3 用DR 和B C 的逻辑组合作为CPU总线的READY信号 A D接口电路设计 12位模数转换器ADC1210和系统的连接 P308图10 161 ADC1210没有三态输出门 用两片74LS244作为接口芯片 2 和8位的数据总线连接 需要分别读取高4位 低8位数据 3 通过地址译码产生两个片选信号 分别控制两个244的使能 4 PC0用于启动AD转换 CC 表明转换结束 用于查询 START MOVAL 01 使PC0 1 启动转换 PORTC为8255C端口地址OUTPORTC ALWAIT1 INAL PORTH 读取转换结束信号 PORTH为高位244地址MOVCL 5RCRAL CL 右移5次 状态信号进入CFJCWAIT1 判断如为高电平 等待INAL PORTH 转换结束 读取高位数据ANDAL 0FH 屏蔽高4位MOVAH AL 转存至AHINAL PORTL 读取低4位 10 3D A转换器及其应用 D A转换器接收数字信息 输出一个与数字值成比例的电流或电压信号 D A转换器用途 数字函数发生器信号源音频 视频系统业控制系统 DAC的指标 分辨率 DAC能够辨别的最小电压增量 用最低有效位对应的模拟量表示 反应了DAC的灵敏度 满量程VFS N位的DAC 分辨率 VFS 2N 1 转换精度 表示输出电压接近理想值的程度相对对转换精度 用数字量最低有效位LSB的一半来表示 0 5LSB 0 5 1 2N 1 2N 1 绝对转换精度 相对转换精度对应的电压值表示 即 VFS 1 2N 1 转换速率和建立时间转换速率 模拟输出电压的变化速度 V uS 建立时间 从输入数字量开始到DA转换完成的时间 线性误差 在整个量程上 转换输出偏离理想转换特性的最大值 与转换精度有关 DAC0832及其应用 DAC0832工作原理及接口电路DAC0832是8位数模转换芯片 片中有R 2R梯形电阻 用以对参考电流进行分流完成数模转换 转换结果以一组差动电流IOUT1和IOUT2输出 DAC0832及其应用 VREF 参考电压 10V 10V 此电压愈稳定模拟输出精度越高 IOUT1 IOUT2 模拟电流输出端 与运放输入端相接 Rfb 反馈电阻接出端 用于连接运算放大器的输出端 反馈电阻固化在片内 VCC 电源电压 5 15V AGND DGND 分别为模拟地和数字地 CS 片选端 低电平有效 ILE 数据允许锁存信号 高电平有效 WR1 写信号1端 低电平有效 用于将输入数据锁存到输入寄存器中 必须与ILE CS 同时有效 WR2 写信号2端 低电平有效 只有当WR2 和XFER 同时有效时 输入寄存器中的数据才能通过DAC寄存器进行D A转换XFER 传送控制信号 低电平有效 用于控制WR2 DI0 DI7 8位数据输入线 DAC0832及其应用 内部有两级输入锁存器 输入寄存器和DAC寄存器有三种工作方式 双缓冲工作方式单缓冲工作方式直通工作方式双缓冲工作方式优点转换输出模拟信号的同时 输入新的数据 提高速度可实现多个模拟输出通道同步输出 DAC0832单缓冲工作方式 设D A转换端口号为PORTA 设需转换的数据放在1000H单元 则D A转换程序为 MOVBX 1000HMOVAL BX MOVDX PORTAOUTDX AL DAC0832双缓冲工作方式 设CS 由A15 A1经译码产生 当A15 A1 A0832时 CS 有效 在CPU执行OUT指令时 若A0 0 DAC0832内部LE1有效 数据总线上的值 AL 送入数据输入寄存器 若A0 1 DAC