微型计算机原理与接口技术版刘彦文等.ppt

第九章A/D转换和D/A转换、教育提示：模数(A/D )转换和数模(D/A )转换技术广泛应用于工业控制、仪表、通信、遥测等。 A/D转换器和D/A转换器是计算机系统中常用的转换电路。 本章就A/D、D/A转换的基本工作原理和A/D、D/A转换器中常用的接口技术进行说明。 教育要求：关于A/D转换技术，掌握模拟信号的采样、保持、量化、编码的基本概念的逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法的动作原理掌握ADC0809芯片的内部结构、管脚信号的意思、与CPU的三总线连接方法，并对该芯片进行编程。 对于D/A转换技术，掌握DAC0832芯片内部的结构、管脚信号的含义以及与微处理器的连接方法，应当理解其基本操作原理。 9.1概要、一般测量系统的电路图如图9.1所示。 图9.1测量系统电路图、9.2A/D转换技术、A/D转换器是将连续变化的模拟信号转换成数字信号的设备和设备，是微机应用系统的重要接口。 9.2.1A/D转换操作原理A/D转换器是用于将模拟(例如模拟电压)信号转换成n位二进制数字信号的电路。 通常，该转换被划分为四个阶段，其中，采样-保持-量化-编码之前的两个阶段是在采样/保持电路中完成的，而随后的两个阶段是在A/D转换期间同时实现的。 另外，采样是指将时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续变化(离散)的模拟量的采样。 通常以等间隔进行采样。 采样过程如图9.2所示。 图9.2采样过程的示意图，2 .保持是指将通过采样获得的模拟值保持为恒定值，即，在s(t)=0的时间段期间，保持输出等于存在采样控制脉冲的最后一瞬间的采样值，而不是0。 实际上进行A/D转换时使用的输入电压是这种保持的采样电压，也是每次采样结束时的输入电压。 图9.3采样保持波形图、图9.4采样保持电路的原理图、3.量化和编码用基本量化电平q的数目表示由各采样保持电路获得的模拟电压值。 该过程将模拟量变为时间上离散的、步长值连续可变的数字值，以一定的精度在时间上、数字上离散的、定量的等效数字值。 量化的方法通常有舍入法和舍入法。 这两种量化方法的示意图在图9.5(a和9.5(b中示出。 此外，图9.5的量化编码的示意图和图9.5(c示出了通过四舍五入法进行量化的示例，并且从该图中可以看出，量化过程是将比较各样本中保持的模拟量和量化电平的数值舍入为整数的过程。 在编码中，当用二进制原始码或补码、BCD码或其它码来代表量化后的模拟数值(必定是量化电平的整数倍)并且例如通过二进制编码图9.5 c中的量化结果时，获得图9.5 c所示的编码输出。 9.2.2A/D转换方法和A/D转换器实现A/D转换的方法很多，常用的有逐次近似法、双积分法、电压频率转换法等。 1 .逐次近似法A/D变换器逐次近似法A/D变换器是具有反馈电路的闭路系统。 A/D转换器可分为比较环节、控制环节、比较标准(D/A转换器)三个部分。 图9.6显示的是逐次近似法A/D转换器的工作原理图。 另外，将应转换的模拟输入信号VIN与估计信号VI进行比较，根据估计信号是大于还是小于输入信号，决定是减小还是增大估计信号以近似于模拟输入信号。 估计信号从D/A转换器的输出获得，并且在估计信号和模拟输入信号相等的情况下，输入到D/A转换器的数字成为与模拟输入对应的数字。 其“推测”算法将逐次近似寄存器中的二进制数的所有比特从最高位比特开始依次设为1。逐位进行测试，如果模拟输入信号VIN小于估计信号VI，则在使比较器的输出为零，使其位置为零的其他情况下，比较器的输出为1，该位保持在1。 无论如何，继续比较下位直到最下位。 此时，D/A转换器输入的数字信号以对应于模拟输入信号的数字量，在该数字输出处该A/D转换过程结束。 图9.6逐次近似法A/D转换器的动作原理图，2 .二重积分法A/D转换器双重积分法A/D转换器如图9.7(a )所示，由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件构成。 二积分法A/D转换器是将转换的模拟输入信号的未知电压VX转换为时间值而间接测定的方法，二积分法A/D转换器也被称为TV型A/D转换器。 另外，进行一次A/D转换后，开关对VX进行采样并输入积分器，积分器从零开始进行一定时间t的正方向积分，从时间t开始后，开关将与VX极性相反的基准电压VREF输入积分器进行反方向积分，停止反方向积分，直到输出零伏特为止，停止反方向积分时间、计数器从图9.7双积分法A/D转换器的动作原理图、图9.7(b )所示的积分器的输出波形可知，逆积分时的积分器的斜率是一定的，VX越大，积分器的输出电压越大，逆积分时间越长。 计数器在逆积分时间内所计数的数值是与输入电压VX的时间t内的平均值相对应的数值。 由于该A/D经历与正相反的积分，所以转换速度很慢。 3 .电压频率转换方法的操作原理1 )由VFC模式/数字转换方法的操作原理VFC (电压频率转换器)组成的模拟/数字转换器包括计数器、控制门、和具有一定时间的时钟门控制信号。 图9.8表示VFC型A/D转换器的电路图和波形图。 当VFC的输入端被施加电压Vi时，在频率f下产生与Vi成比例的脉冲。 该脉冲通过由时钟控制的栅极，并且在单位时间t内由计数器进行计数。 计数器在每次计数开始时都将清除原始计数值。 由此，按照每单位时间，计数器的计数值与输入电压Vi成比例，A/D转换结束。 图9.8VFC中构成的A/D转换器的工作原理图，2 )电压频率转换器(VFC )的传输特性(p20 )、9.2.3A/D转换器的主要参数1 .分辨率表示对转换器的微小输入量的变化的灵敏度，通常用转换器的输出数字量的位数来表示。 例如，在8位的A/D转换器中，数字输出量的变化范围为0255，输入电压全标度为5V时，转换电路的相对于输入模拟电压的分辨率为5V25519.6mV。 当前常用的A/D转换集成芯片的转换比特数为8比特、10比特、12比特、14比特等。 2 .绝对精度A/D转换器的绝对精度是指与数字输出量对应的模拟输入量的实际值和理论值之差。 通常以数字量的最低位表示的模拟输入值VLSB进行测量。 3 .转换时间完成一次转换所需的时间称为A/D转换电路的转换时间。 当前，典型的A/D转换集成芯片的转换时间为从几s到200s左右。 4 .温度系数和增益系数5 .抑制比(PSRR)(p321 )、9.2.4ADC0809内部结构和微处理器之间的连接A/D转换器芯片的种类很多。 其次，以常用的A/D转换器ADC0809为例，介绍A/D芯片和微机系统的连接和应用。 ADC0809是National半导体公司制造的CMOSA/D转换器。 具备8通道的模拟输入端子，可以在程序控制下对任意通道进行A/D转换，获得8位的二进制数字量。 其转换精度和转换时间虽然不太高，但性能价格比具有明显优势，是目前广泛应用的芯片之一。 1.ADC0809的引脚图9.10ADC0809外部引脚图，(1) d0D7，8位数据输出。 (2)通过in0in7，8通道的模拟输入，可连接8通道的模拟输入。 (3)ADDA、ADDB、ADDC、8路开关选择用于选择8频道模拟的1路输入。 ADDA是最低位，ADDC是最高位。 (4)开始，开始转换输入。该信号的上升沿清除ADC内部各寄存器的值，下降沿启动转换。 (5)把ale、地址锁存器有效输入信号、上升沿有效、ADDA、ADDB、ADDC的状态锁存到多路复用器地址锁存器中。(6)EOC、转换完成输出信号、高电平有效。 如果此端子输出低电平，则表示正在转换，如果输出高电平，则表示一次转换已完成。 (7)OE、读取许可信号、高电平有效、输入。 有效期间，CPU读取转换后的数字量。 (8)CLK、时钟信号输入端。 (9)REF ()、REF(-)、基准电压输入端子。 (10)VCC、5V电源输入。 (11 )接地、接地线。 2.ADC0809的内部结构图9.11ADC0809的内部结构框图；1 )模拟输入信道选择器ALE对3位地址信号ADDA、ADDB、ADDC进行锁存，并在解码器门8的电路中进行A/D转换。 2 )转换器部分转换器主要由比较器、8位D/A转换器、顺序数字寄存器、控制逻辑电路等构成。 3 )输出单元输出单元具有8比特3状态输出缓冲器。 3.ADC0809的主要技术指标电源电压，5V。 分辨率，8位。 时钟频率，640KHz。 转换周期，100s。 没有调整误差，1/2LSB和1LSB。 模拟输入电压范围，05V。 4.ADC0809与微处理器的连接例子图9.12ADC0809与微处理器的连接图，1 )数据线的连接2 )模拟的输入3 )启动转换信号的连接ADC0809以脉冲方式启动。 通常将START和ALE连接到一个信号输出端子上。 初始状态下为低电平。 当输出右通道地址信号时，CPU向74LS273输出端8Q发送正脉冲，并且ADC0809在ALE信号的上升沿锁存地址，并在START信号的下降沿开始转换。 (4)为了确定转换完成信号EOC的连接是否一次A/D转换结束，有以下方法： (1)创建延迟程序。 如果延迟时间到了，读取变换结果。 这个方法的实时性很差。 (2)采用查询方法。 在转换过程中，CPU通过软件持续查询EOC侧的状态，并表示在状态变为1时，一次转换已经结束。 (3)采用中断方式。 当ADC0809的EOC端子连接到中断控制器8259A的中断请求输入端子并且转换结束时(即，EOC端子从低电平转变为高电平)，EOC端子可发出中断请求信号。 5.ADC0809的应用【例9.1】A/D转换编程。 如图9.12所示，图中的74LS244芯片作为输入端口，在地址0078H，使得能够读取A/D转换结果。 可以读取d转换完成信号EOC的74LS273芯片作为输出端口，地址为007AH，输出ADDC、ADDB、ADDA信号，输出ALE、START、OE信号。 选择IN5，输出开始、ALE信号(输出8Q正脉冲) MOVAL，00000101B； IN5，开始=0，ALE=0MOVDX，007AHOUTDX，ALMOVAL，10000101B； IN5，START=1， ALE=1、上升沿锁存器地址OUTDX、ALMOVAL、00000101B； IN5，START=0， 读取ALE=0、下降开始开关OUTDX，AL，EOC，EOC=1L1:MOVDX，0079HINAL，DXANDAL，01HJZL1； 使OE=1，之后数据MOVDX，007AHMOVAL，01000000BOUTDX，AL，NOPNOPMOVDX，0078HINAL，DXMOVAH，AL； 存在于PS中的PS，0 PS VDX，007 PS dx，AL； 使OE成为低电平的读出结果在AH中，9.3D/A转换技术、9.3.1D/A转换动作原理D/A转换将数字量(例如8比特的二进制数)按照每个二进制数的权重转换为对应的模拟量，相加各模拟量并进行转换后的模拟量D/A转换使用运算放大器和电阻网络，分别介绍如下。 另外，由于运算放大器的工作特性运算放大器的开环放大率非常高，通常为几千倍，所以，施加到运算放大器的输入端的电压非常小。 此外，因为运算放大器的输入阻抗非常大，所以在运算放大器中流动的电流也非常小。 在图9.13中，Vi是输入电压，Vo是输出电压，Ri是连接到输入端的电阻，Ro是反馈电阻。 另外，图9.13的运算放大器的动作原理图因为连接到运算放大器“-”端的输入电压非常小，所以输入点的电位与接地电位大致相同。 另外，运算放大器中流过的电流非常小。一般而言，将该输入电压为0，输入电流接近0的“-”端称为伪地。 计算时，这一点的电压几乎为0，运算放大器“-”端中流过的电流为0。 图中g表示虚地。 另外，关于在输入电阻中流动的电流，由于Ii=Vi/Ri的运算放大器的输入阻抗非常大，因此，在运算放大器中流动的电流几乎为0，可以认为输入电流Ii全部流过反馈电阻Ro。 另一方面，由于RO一端连接输出，一端为虚拟，所以RO上的电压即输出电压VO，即VO=-Ii*Ro=-Vi/Ri*Ro=-Ro*Vi/Ri电路的放大率为VO/Vi=-RO/Ri，2 .简单的D/A转换电路图9.14 假设输入4位的二进制数D3D2D1D0、D3为最上位，D0为最下位。 每个二进制数都对应一个开关。 例如，D3为1，K3关闭，电流流过的D3为0时，K3被切断，电流不流过。 另外，图9.14的简单D/A转换电路图，每隔二进制数从0000变成1111，对应的开关有16种开闭状态。 图中的VREF是标准电源。 连接到开关K2的电阻r2R的电阻值是连接到K3的电阻r的电阻值的2倍，4R是r的4倍，8R是r的8倍，当D3=1、K3闭合时，流过r的电流可以计算为VREF/R，当D2=1、K2闭合时，流过2r的电流可以为VREF/R 当K1闭合时，流过4R的电流为VREF/4R，并且D0=1，K0闭合时，流过8R的电流为VREF/8R。 在D3D2D1D0全部为1的情况下，开关全闭，输出电压： VO=-(vref/rre vref/2 RV ref/4 rre vref/8 r ) * rovo=-vref/r (1/2/1/4/8) * rod3=0， 在K3断开的情况下，由于存在vo=-vref/r(0/2/1/4/8)*ro，所以D/A转换实际上通过用数字量来控制对应开关的接通，从而实现运算放大器根据流过电阻网络的电流而输出不同的电压，并实现输出电压的增大。 3.T型的权利电阻网络是图9.14，数字量的位数一多，各个电阻电阻值就依次增加到前面的电阻的2倍，在集成电路的生产中保持