微机接口应用第十章ADA.ppt

第十章数 模 模 数转换接口 当计算机用于数据采集和过程控制的时候 采集对象往往是连续变化的物理量 如温度 压力 声波等 但计算机处理的是离散的数字量 因此需要对连接变化的物理量 模拟量 进行采样 保持 再把模拟量转换为数字量交给计算机处理 保存等 计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件 如声卡播放音乐等 A D转换器完成模拟量 数定量的转换 D A转换器完成数字量 模拟量的转换 10 1数 模 D A 转换D A转换器完成数字量 模拟量的转换 这在计算机和虚拟信号发生器中应用非常普遍 一 D A转换原理数 模转换器的核心器件是 解码网络 常用的解码网络有权电阻解码网络 T型解码网络等 T型解码网络的原理如图10 1所示 图中Vref为参考电压 S7 S6 SO为8个电子开关 受计算机输出的二进制数据控制其导通 关断 解码网络相邻两节点之间的电阻都为R 但节点7与运算放大器之间 节点0与地之间的电阻为2R 各支路电阻为2R 不论电子开关导通 关断 从任一节点向左 向右看 不包含支路电阻 的等效电阻都是2R 用叠加原理分析输入到运算放大器的总电流 依次假设S7 S0中只有一个电子开关接通Vref 其他电子开关接地 可求出总电流为 总电流 D7 I 2 1 D6 I 2 2 D0 I 2 8 I 2 8 D7 27 D6 26 D0 20 N 2 8 Verf 3R 由于Verf和3R均为固定值总电流只与输入的二进制数N有关 所以通过解码网络可得到一个与输入数字量成比例关系的电流 集成化的D A转换芯片按输入二进制的位数常见的有8 12 16 20位D A转换器 二 D A转换器特性及连接D A转换器一般是根据自己的需要选择相应数据位宽度和速度的D A转换芯片 在选择D A转换器芯片时一般考虑如下指标 1 分辨率 指D A转换器能分辨的最小电压增量 或1个二进制增量所代表的模拟量大小 分辨率的表示式为 分辨率 Vref 2位数或分辨率 V ref V ref 2位数若Vref 5V 8位的D A转换器分辨率为5 256 20mV 2 转换时间 指数字量输入到模拟量输出达到稳定所需的时间 一般电流型D A转换器在几秒到几百微秒之内 而电压型D A转换器转换较慢 取决于运算放大器的响应时间 3 精度 指D A转换器实际输出与理论值之间的误差 一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位 如1 2LSB 如D A分辨率为20mV 则精度为 10mV 4 线性度 当数字量变化时 D A转换器输出的模拟量按比例变化的程度 DAC 数字模拟变换集成电路 是系统或设备中的一个功能器件 当将它接入系统时 不同的应用场合对其输入输出有不同的要求 一般考虑以下几方面 1 输入缓冲能力 DAC的输入缓冲能力是非常重要的 具有缓冲能力 数据寄存器 的DAC芯片可直接与CPU或系统总线相连 否则必须添加锁存器 2 输入码制 DAC输入有二进制BCD码两种 对于单极性DAC可接收二进制和BCD码 双极性DAC接收偏移二进制或补码 3 输出类型 DAC输出有电流型和电压型两种 用户可根据需要选择 也可进行电流 电压转换 4 输出极性 DC有单极性和双极性两种 如果要求输出有正负变化 则必须使用双极性DAC芯片 三 DAC典型连接DAC芯片与CPU或系统总路线连接时 可从数据总线宽度是否与DAC位数据匹配 DAC是否具有数据寄存器两个方面来虑 一般有下面几种情况 1 当DAC位数与数据总线宽度相同 具有数据缓冲能力时 可直接与CPU连接 2 当DAC位数与数据总线宽度相同 DAC没有数据寄存器时 必须外加锁存器或I O接口芯片 如8255A等 才能与CPU连接 当DAC位数大于数据总线宽度 DAC无论有无数据寄存器时 都必须外加锁存器或I O接口芯片才能与CPU相连接 1 8位DAC连接DAC0832是一片典型的8位DAC芯片 其引脚和内部结构如图10 2所示 DAC0832有三种工作方式 1 双缓冲方式 2 单缓冲方式 3 直通方式注 在DAC实际连接中 要注意区分 模拟地 和 数字地 的连接 为了避免信号串扰 数字量部分只能连接到数字地 而模所量部分只能连接到模拟地 采用单缓冲方式连接如图10 3所示 利用DAC可实现任意波形 如锯齿波 三角波 正弦波等 的输出 如输出锯齿波 三角波的程序段如下 TRG MOVDX 200HMOVAL 0HTN1 OUTDX ALINCAL JNZTN1MOVAL 0FFHTN2 OUTDX ALDECALJNZTN1 输出锯齿波程序段如下 TRG MOVDX 200HMOVAL 0HTN OUTDX ALINCALJMPTN 利用图所示的DAC0832单缓冲方式连接图 也可输出正弦波 由于DAC0832是一个单极性输出DAC芯片 因此在正弦波输出中应将0V平移到128数值上 其C语言控制程序如下 include includeMain unsignedcharV0 128 VOUT inti Next i 0 while I 360 角度最大为360度VOUT V0 128 sin 3 14159 I 180 计算每10度的正弦值outportb 0 x200 VOUT 输出 i i 10 角度 10 while kbhit 等待键盘gotonext 键盘无键按下 重复输出正弦波 2 12位DAC连接由于微机的I O指令一次只能输出8位数据 因此对于数据宽度大于8位DAC只能分两次输入数据 为此一般大于8位数据宽度的DAC内部均设计有两级数据缓冲 如12位DAC1210内部就有两级数据缓冲 内部结构如图10 4所示 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DI11 DI10 DI9 DI8 DI7 DI6 DI5 DI4 DI3 DI2 DI1 DI0 译码器 Y0 IOW AEN AB Y1 Y2 系统总线 WR1 WR2 BYTE1 BYTE2 XFER CS Vcc AGND Rfb 101 102 22k 12V 12V W1 10k 10k Vout W2 22k 12V Vref DGND 5V 12V 2DW7C 470 200 W3 1K 100 4 7uF 图10 5DAC121与CPU连接 在图10 5所示的DAC1210连接电路中 电位器W2用于调零 W1用于DAC满刻度修正 设译码器YO端口地址为200H 用该电路产生连续锯齿波输出程序如下 MOVDX 340MOVAL DATAHOUTDX AL 输出高8位数据INCDX MOVAL DATAL 低4位数据输出OUTDX ALMOVDX 342H OUTDX AL 输出12位数据 四 D A转换器应用1 函数DAC可以产生任意波形 幅度和频率的信号 如三角波 方波 函数波等 在图10 6所示的DAC电路中 设CS 200H 产生Y 2 COS 200t SIN 100t 的函数信号程序 图10 6DAC0832电路 2 A D转换器用DAC来构成ADC的应用情况较少 图10 7所示为DAC构成ADC的一种应用方法 10 2A D转换接口在数据采集和过程控制中 被采集对象往往是连续变化的物理量 如温度 压力 声波等 由于计算机只能处理离散的数字量 需要对连续变化的物理转换为数字量 这一操作过程就是A D转换 一 A D转换原理A D转换的原理很多 常见的有双积分式 逐次逼近式 计数式等 输出码制有二进制 BCD码等 输出数据宽度有8位 12位 16位 20位等 二进制 和位 位于 BCD码 作过程就是A D转换 1 双积分型A D转换器双积分型A D转换器是将输入电压变换成与平均值成正比的时间间隔 然后利用计数器测量时间间隔 如图10 8所示 双积分型A D转换器完成一次模一数转换需要三个阶段 积分 采样 K1导通 反积分 比较 K3导通 和结束阶段 K4导通 双积器对正极性电压输出波形如图10 9所示 通过输出波形可求出 Vin VR Nm NX 式中 VR参考电压 Nm参考电压计数值 NX输入电压计数值 可见 双积分型A D转换器输出与时间常数RC无关 消除了斜坡电压的各种误差 由于经过两次积分可消除干扰对转换结果的影响 2 逐次逼近式A D转换器逐次逼近式A D转换器原理如图10 10所示 当转换器接收到启动信号后 逐次逼近寄存器清0 通过内部D A转换器输出使输出电压V0为0 启动信号结束后开始A D转换 二 A D转换器特性A D转换器的功能是把模拟量转换为数字量 其主要参数有 1 分辨率 指A D转换器可转换成数字量的最小电压 量化阶梯 如8为ADC满量程为5V 则分辨率为5000mV 256 20mV 也就是说当模拟电压小于20mV ADC就不能转换了 所以分辨率一般表示式为 分辨率 Vref 2位数 单极性 或分辨率 V ref V ref 2位数 双极性 2 转换时间 指从输入启动转换信号到转换结束 得到稳定的数字量输出的时间 一般转换速度越好 特别是动态信号采集 常见有超高速 转换时间 1ns 高速 转换时间 1 s 中速 转换时间 1ms 和低速 转换时间 1s 等 如果采集对象是动态连续信号 要求f采 2f信 也就是说必须在信号的一个周期内采集2个以上的数据 才能保证信号形态被还原 避免出殃 假频 这就是 最小采样 原理 若f信 20kHz 则f采 40kHz 其转换时间要求 25 s 3 量化精度 指A D转换器实际输出与理论值之间的误差 一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位 如 1 2LSB 4 线性度 当模拟量变化时 A D转换器输出的数字量按比例变化的程度 三 A D转换电路1 接口形式 1 与CPU直接相连 当ADC芯片内部带有数据输出锁存器和三态门时 如AD574 ADC0809等 它们的数据输出可直接与CPU或数据总线相连 2 用三态门与CPU相连 对于内部不带数据输出锁存器的ADC芯片 如ADC1210 AD570等 需外接三态锁存器后才能与CPU或系统总线相连 3 通过I O接口芯片与CPU相连 无论ADC内部有无数据锁存器 都可以通过I O接口芯片 并行或串行 与CPU或系统总线相连的 这样可简化接口电路 4 DMA传送数据 当ADC采样速率很高 fs 1MHz 一般数据传送方式不能达到数据传送要求 导致数据丢失 2 ADC连接实例 1 8位ADC连接与编程ADC0809是逐次逼近式的8位ADC芯片 引脚和内部结构图10 11 a b 所示 a START是ADC0809的A D转换启动信号 高电平时内部逐次逼近寄存器清0 由1 0变化时开始A D转换 信号宽度 100ns CLK为时钟信号 最大为600KHz ADC0809设图10 12所示电路的CS 220 227H 采用中断方式的采集程序如下 include includeVoidinterruptfaradc proc Main void interruptfar mode disable 关中断mode getvect 0 x0a 取IRQ2中断向量setvect 0 x0a adc proc 设置中断向量Enable 开中断outportb 0 x220 00 启动ADC转器 选择IN0通道while Kbhit 等待键盘setvect 0 x0a mode 有键按下时 恢复IRQ2中断向量 voedinterruptfaradc proc 中断服务程序unsignedcharresult Disable 关中断Result inportb 0 x220 取ADC转换结果Printf DIGIAL d n result 显示转换数据Outportb 0 x220 00 启动下一次ADC转换 选择IN0通道Outprotb 0 x20 0 x20 向8259送EOI信号Enable 开中断 2 12位ADC连接与编程ADC574A是具有三态输出锁存器的12位逐次比较ADC芯片 转换速度快 25us 是目前国内使用最广泛的ADC芯片之一 ADC574A可并行输出12位数据 也可以分两次输出 先高8位 后低4位 数据 既可进行8位转换 也可进行12位A D转换 ADC574的引脚定义和控制信号工作时序如图10 13所示 设图10 14所示电路中译码器对A9 A1进行译码 Y0 210H Y1 212H 213H 因此ADC574A的CS 211H 213H分另用于高位和低位数据的读取 采用查询方式的数据采集程序如下 include includeMain unsignedintDATA 256 采集数据存放数组unsignedcharstatus datah datal id id 1 while kbhit 等待键盘 按任意键结束outportb 0 x212 0 x00 启动12位转换 CS A0 R C 0 CE 1do status inportb 0 x210 读取状态 status status0 x80 D7 STS 1 while status 0 STS不等于0 等待A D转换完 再读状态datah inportb 0 x212 A D转换完成 读取高8位datal inportb 0 x213 读取低8位数据DATA id 16 datah datal 合成高8位数据与低4位数据id 数组下标 1 A D转换采集程序一般采用中断方式编写 MS DOS 环境或Windows95 98环境 或线程方式编写 Windows95 98环境 用软件查询方式可能会导致数据丢失 因此使用较少 四 数据采集系统设计该数据采集接口板可对16路模拟信号进行采集 A D变换精度为5V 212 1 2mV 接口板具有数据保持电路 可对变化的模拟信号进行实时采集 1 多路转换开关16路模拟信通过多路转换开关芯片AD7506进行切换 AD7506是一个16 1的模式电子开关 用于切换16个被测模拟信号输入端 使16路模式信号的采集共享一片ADC转换器 2 采样 保持器接口板的采样 保持器采用AD582芯片 采样 保持状态的控制由差分逻辑输入端 LogicIN和 Logicin完成 模拟信号的输入通过IN 和IN 端输入 3 ADC与DAC转换器接口板的A D转换采用ADC574芯片 DAC采用DAC1210芯片 这两个芯片均是12位的ADC和DAC转换芯片 可保证A D的信号通过D A转换器进行完全的回放 4 地址译码器接口板的地址译码器采用3片74LS136异或门芯片和一片74LS138译码器芯片构成 接口板采用跳线K对I O地址进行设置和改变 5 工作原理及程序控制该接口板的主要操作有通道选择命令 启动ADC转换命令 查询ADC转换是否结束 读取ADC转换数据等A D转换器方面的命令 以及发送DAC转换数据 启动DAC转换器等 五 虚拟仪器技术1 虚拟仪器基本结构虚拟仪器由仪器物理硬件 硬件接口和计算机上运行的虚拟器软件三部分构成 如图10 15所示 2 虚拟仪器主要技术传统仪器由信号采集和控制 信号分析和处理 结果表达和输出三部分组成 虚拟仪器也不例外 它需要能实现信号采集和控制的插卡 接口等硬件支持 同时还需要能实现各种信号分析 处理 以满足多种测试功能的分析的支持 3 虚拟仪器软件虚拟仪器的软件主要由硬件驱动程序 控制软件和图形化用户接口等三部分组成 4 虚拟仪器应用目前 虚拟仪器的应用越来越广 在基于计算机的测试 测量 数据采集 监控 控制等方面占有重要的地位 10 4A D转换器接口电路设计 查询方式一 12位A D转换器接口设计1 要求进行12位转换 转换结果分两次输出 以左对齐方式存放在首址为400H的内存区 共采集64个数据 ADC与CPU之间采用查询方式交换数据 采用AD574A作为A D转换器 2 分析AD574A是具有三态输出锁存器的A D转换器 它可以作12位转换 也可作8位转换 3 设计 1 硬件连接 AD574内部有三态输出锁存器 故数据输出线可直接与系统数据线相连 将AD574A的12条输出数据线的高8位接到系统总线的D0 D7 而把低4位接到数据总线的高4位 低4位补0 以实现左对齐 转换结束状态信号STS 通过三态门74LS125接到数据线D7上 要求分两次传送 故将12 8接数字地 CE接VCC 允许工作 图中I O端口地址译码有三个端口地址 Y0 310 为状态口 Y1 311H 为数据口 低4位 Y2 312上 为转换启动控制口 数据口 高8位 例如 转换启动端口设置为312H 其中包含A0 0 以实现12位转换 读数据端口设置了两个 一个是312H 包含A0 0 读高字节 一个是311H 包含A0 1 读低字节 2 软件编程根据题目的要求和信号的时序关系 其数据采集的程序段如下 MOVCX 40H 采集次数MOVSI 400H 存放数据内存首址START MOVDX 312H 12位转换 A0 0 MOVAL 0H 写入的数据可以取任意值OUTDX AL 转换启动 CS 及R C均置0 CE置1 MOVDX 310H 读状态 Y0 0 打开三态门L INAL DXANDAL 80H 检查D7 STS 0 JNZL 不为0 转换已结束 则等待MOVDX 311H 为0 转换已结束 先读低4位 A0 1 INAL DXANDAL 0F0H 屏蔽低4位MOV SI AL 送内存INCSI 内存地址加1MOVDX 312H 再读高8位 A0 0 INAL DXMOV SI AL 送内存INCSI 内存地址 1DECCX 采集次数减1JNZSTART 未完 继续MOVAX 4C00H 已完 程序退出INT21H 10 5A D转换器接口电路设计 中断方式一 单板机系统的中断方式数据采集系统设计1 要求2 电路分析与设计1 硬件ADC0804 DAC0832 8259中断控制器 P276 图10 15 2 程序设计 P277 D0 D7 D8 D11 D0 D7 D0 D3 D0 D3 D4 D11 D0 D7 D7 D4 10 6A D转换器接口电路设计 DMA方式一 采用DMA方式的A D转换器接口电路分析与设计1 要求要求8位A D转换器 共采集4K个字节数据 采集的数据用DMA方式 送到从30400H开始的内存保存 以待处理 内存地址以 1方式修改 使用DMAC8237A 5的通道1 单一传送方式 2 电路分析与设计根据上述要求 采用如图10 22所示的电路可以实现DMA方式的数据采集任务 二 初始化编程1 分析在PC机系列微机中 由于BIOS已对8237A 5进行了初始化 故用户程序并不需要对所有16个寄存器逐一编程 根据题意只涉及以下几个操作及对应的寄存器 选定传送通道及工作方式 使用工作方式及对应的寄存器 设置DMA屏蔽字 使用屏蔽寄存器 端口 0BH 设定传输的总字节数 使用字节数寄存器 端口 03H 通道1 设定传送的存储器地址 使用地址寄存器 端口 02H 通道1 写清除先 后触发器 使用地址寄存器 端口 0CH 2 编程 10 7超高速数据采集系统一 超高速视频闪烁A D转换器近年来VISI技术的突破性成就使得采用全并行直接转换方式的闪烁型ADC能达到较高分辨率 一般为4 10位 其采样速率高达1 800MSA s 如模拟器件公司生产的AD9048 采样速率可达35MSA s 分辨率为8位 1 AD9048闪烁A D转换器原理一种典型的闪烁A D转换器的原理框图如图10 23所示 在闪烁ADC中 模拟输入信号被同时加在2N 1个可锁存的比较器上 这里N为ADC的分辨率位数 AD9048内部主要由3个功能块构成 比较器阵列 解码逻辑和输出锁存器 在比较器阵列内 模拟输入信号将与255个参电压进行比较 当模拟输入信号电压比参考电压高 比较器的输出为高 1 反之输出为低 0 输入到解码逻辑中并被换成二进制码 二 一个30MHz采样频率的数据采集系统的设计1 在板存储器方式虽然8237A 5DMAC能够为存储器和I O之间提供高达1 5MB s的数据传输率 但对采用AD9048可达35MSA s的数据采集系统还是不能满足实时传送的要求 为此 一般采用在板存储器 on boardRAM 方式传送数据 2 硬件设计图10 26为一个30MHz超高速数据采集系统的接口电路原理图 其中包括了闪烁A D转换器AD9048 高速RAM 地址计数器和相应的控制逻辑 1 数据采集和在板存储操作 2 数据读取操作3 软件编程设在板RAM的容量为8KB 要求将采集的数据存入内存从32000H开始的连续空间内 其程序段如下 写端口定义RESET ADDRESSEQU 地址计数器清零端口STARTEQU 启动转换端口 读端口定义STATEEQU 状态端口RD DATAEQU 读数据端口SAMPLESIZEEQUIFFFH 采样次数为8KDATACONVERIONPROCMOVDX RESET ADDRESS 对RESE