第九章数╱模D╱A及模╱数A╱D转换器实验

1、第九章 数/模(D/A)及模/数(A/D)转换器实验一、实验目的1、了解ADC0809芯片及外围芯片的功能。2、掌握利用A/D转换芯片（ADC0809），将模拟量转换成数字量的过程与基本原理。3、学会利用ADC0809芯片进行模/数转换的编程方法。二、实验内容编写程序：将一个由传感器产生的模拟信号（电流/电压）转换成微机所能接受的数字量信号，转换结果送入微机内存中，并显示在屏幕上，采样点取256个。三、实验仪器1、IBM PC系列微机一套。2、计算机硬件实验装置。3、逻辑笔。4、相应传感器。六、实验步骤1、自行设计实验方案。2、填写实验可行性论证报告。3、自行完成硬件电路设计及软件程序设计。4

2、、在指导教师的指导下完成实验。四、思考题1、画出接口电路连线图。2、画出的输出波形。3、打印出程序清单和执行结果。4、实验中出现了那些问题，是如何解决的？附 录：数/模(D/A)及模/数(A/D)转换器可编程的知识点一、基本概念1、D/A转换器的工作原理图8-1 D/A转换器的工作原理图并行D/A转换器的电路设计中，使输入数码的位数与数字量的位数相同，对应输入数码的每一位都设有信号输入端D0、D1、D2，用以控制相应的模拟切换开关电子开关，基准电压VREF接到电阻网络上，其转换器的原理如图8-1所示。并行数模D/A转换器工作过程：数字量 按权相加 模拟量。因此，当D/A转换电路的电子开关端输入

3、的二进制编码全为1，则运算放大器输出为 （1-1/2n）×VREF；当电子开关端输入的二进制编码全为0，则运算放大器输出为0。所以，D/A转换器的输出在0到（1-1/2n）×VREF之间。2、D/A转换器的主要性能参数分辨率：分辨率是指D/A转换器所能分辨的最小电压增量。转换精度：D/A转换器的转换精度就是用最大的静态转换误差的形式表示，这个转换误差应包括非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差，它反映了实际输出电压与理论输出电压之间的接近程度。一般采用数字量的最低有效位（LSB）作为衡量单位，用LSB的二分之一或全标出电压的百分数来表示。转换时间：DAC的输入数字量

4、有满刻度值的变化时，其输出模拟信号电压达到满刻度值1/2LSB（最低有效位）时所需要的时间。在实际应用中，要正确选择D/A转换器，使它的转换时间小于数字输入信号发生变化的周期。线性度：通常用非线性误差的大小表示DAC的线性度。在D/A转换时，若数据连续转换，则输出的模拟量应该是线性的。即在理想情况下，DAC的转换特性应是线性的，实际转换中，把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输入之比的百分数，称为非线性误差。 输出电平：不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大。一般为5V10V，有的高压输出型的输出电平则高达24V30V。 温度系数：在满刻度输出的条件下，温度每升高0C，输出变化的百分数定义为

5、温度系数。温度系数也称温度灵敏度，常用PPM表示（PPM为百万分之一）。一般D/A转换器的温度系数为：50PPM.常用的D/A转换器如表8-1所示。描述D/A转换器性能的参数还很多，在计算机控制系统设计时，应根据实际，综合考虑分辨率、转换时间、精度及线性度以满足设计任务所要求的技术指标。可电压也可电流输出，有输入锁存16位DAC1136高分辨率芯片420mA输出、回路供电、有缓冲8位DAC1420专用目的芯片420mA输出、回路供电、有缓冲10位DAC1423有锁存、易控制、兼容CPU、低廉8位DAC0832带数字缓冲芯片双缓冲有锁存、兼容CPU12位DAC1208电压或电流输出18位DAC1

6、138建立时间150ns12位DAC1108 无锁存，输出为单极性8位DAC0808高速高精度芯片特点分辨率型号分类表8-1：常用的D/A转换器3、AD转换器工作原理 将模拟量转换为N位二进制数字量信号的AD转换器电路，需要完成：采样、保持、量化和编码四个过程。 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。为保证采样实时性，要求输出跟随输入同步变化。 2）保持过程：将采样得到的模拟量的值保持下来（ Vo = k * Vc = f * Vi ）。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。 图8-10电路完成模拟量的采样与保持，其中T完成采样，Cb完

7、成保持。目前采样保持电路多集成在一片芯片中，为专门的采样保持芯片，如AD583K、AD582K等。还有的芯片自带保持电路，如AD1554等。图8-10 模拟量的采样与保持电路 3）量化过程：用基本的量化电平q的个数来表示采样模拟电路得到的模拟电压值。这一过程实际上就是把时间上离散而数字上连续的模拟量以一定的准确度变为时间上、数字上都离散的、量级化的等效数字值。如图8-11所示，采样保持的模拟量q进行量化，则分别量化为：2q、3q、q、2q、3q、4q、3q等。 4）编码过程：把已经量化的模拟数值（基准电平的倍数）用二进制数码（1/0）、BCD数码或其它的码来表示。如图8-11所示，用二进制编码

8、表示为：010、011、001、010、011、100、011等。图8-11 模拟量的量化与编码图4、AD转换器的主要性能参数1）分辨率：转换器所能转换成数字量的最小模拟电压。小于则不可分辨。2）转换时间：完成一次A/D转换所需要的时间；指从输入启动转换信号开始到完成转换，得到稳定输出数字量为止。目前常用的A/D转换器的转换时间为几个微秒到二百微秒。3）精度：与输出数字量对应的模拟输入量的实际值与理论值间的误差。5、A/D转换器的外部特性1）转换启动线：控制A/D转换器开始转换工作。由电平和脉冲两种启动。2）转换结束线：转换结束，由ADC发出申请中断或DMA传送。3）模拟信号输入：有单通道输入

9、和多通道输入。4）输出类型：有锁存器的输出数字量可直接连接到CPU，但是对于无锁存器的，则需要经外部锁存器。6、CPU与A/D转换器的接口形式1）与CPU直连：A/D转换器有数据输出寄存器和三态门。2）用三态门与CPU连接：没有数据输出寄存器和三态门A/D转换器，转换好的数据必须经过三态缓冲器件与CPU数据总线相连接。3）利用I/O接口芯片连接：用微机自身I/O接口芯片实现连接。4）通过DMA控制器连接：适用于采样速度很高（大于1MHZ）。注意：为了输入正确的转换结果，应根据实际，综合考虑分辨率、转换时间、精度及线性度以满足设计任务所要求的技术指标，解决好A/D转换器和CPU取数之间的时间配合

10、问题。常用的A/D转换器如表2所示。转换时间12us14位AD1131高分辨率芯片COMS、9通道、单电源、借助I/O口进行接口8位AD7583低功耗芯片转换速度1次/100us12位ADC1210CMOS 13位AD7550最大转换时间35us16位ADC1140 CMOS型、有锁存，可直连CPU8位DAC0809高速高精度芯片特 点分辨率型号分类表2：常用的A/D转换器芯片二、DAC0832数模（DA）转换器1、 DA转换器的0832内部结构 DAC0832的内部结构框图参见图-3（a），包括四个主要部分。1）8位输入寄存器：可作为输入数据第一级缓冲。2）8位DAC寄存器：可作为输入数据第

11、二级缓冲。3）8位D/A转换器：将DAC寄存器中的数据转换成具有一定比例的直流电流。 4）逻辑控制部分：0832芯片内部有两个数据缓冲器，分别由两组控制信号控制，当ILE=1 =0 =0时，D7D0上的数据锁存到输入寄存器中。当 =0 =0时，输入寄存器中的数据被锁存到DAC寄存器中。（a） (b)图3 的结构框图及引脚排列2、0832的三种工作方式1）直通工作方式 性质：适用于连续反馈控制线路中。 方法： 、均接地、ILE接高电平，使DAC0832的两个寄存器有效，数据不通过缓冲寄存器，数据直到转换器，如图8-4（a）所示。 注意：必须通过I/O接口与CPU连接，匹配CPU与D/A的转换。2

12、）双缓冲工作方式 性质：适用于多个DAC同时输出的情形。 方法：先分别使这些DAC00832的输入寄存器接收数据，再控制这些DAC0832同时传送数据到DAC寄存器以实现多个D/A转换同步输出，如图8-4（b）所示。3、单缓冲工作方式 性质：适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出。 方法：控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收数据。三、ADC0809模数（AD）转换器内部功能结构ADC0809是单片型逐次逼近式A/D转换器，其的内部结构框图参见图8-14。图8-14 ADC0809的内部结构框图 1）模拟多路转换开关 模拟多路转换开关由8路模拟开关和3位地址锁存与译码器组成，地址锁存允许

13、信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸信号加到A/D转换部分进行转换。 2）A/D转换两大部分 A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，其输出数据线可直接连CPU的DB。第十章 计算机数值模拟实验 计算机数值模拟方法是从基本的物理定律出发，用离散化变量描述物理体系的状态，然后利用电子计算机计算这些离散变量在基本物理定律制约下的演变，从而体现物理过程的规律。 计算机数值模拟实验是在计算机中进行的实验。虽然它不能替代真实的物理实验，但确实是一种极其重要的实验方法

14、。它是通过大量"个例"来研究特定的物理过程，能够反复进行，方便地控制和调整参数，在理论研究和实验研究之间搭起了一座“桥梁”。数值模拟可以研究一些非常复杂的过程，而理论研究必须作出许多简化假设才能处理这些过程，简化则意味着可能丢失许多重要的因素，这就使得数值模拟可以更全面地了解一个物理过程，而且还可能发现新的物理现象。另一方面，数值模拟也能够为实验观测方案提供理论支持，对大型实验装置进行评估，对实验条件或参数进行优化选择，以避免造成极大的经济损失和人力浪费、随着计算机性能的高速发展，数值模拟在各门学科的研究中应用将更加广泛，起到越来越重要的作用。 本实验选择一个非线性动力学系

15、统中的混沌吸引子作为研究实例。这类问题用常规的理论方法和实验方法是不容易了解其运动规律的，但通过计算机模拟实验我们便可得到具体的物理图像。 一、实验目的： 1、理解用数值模拟的方法研究复杂的物理过程； 2、理解用数值模拟得到具体的物理现象； 3、掌握数值模拟的基本方法和步骤。二、实验原理 1、数值模拟的基本方法。由于各门学科研究的对象都具有自身的特点，使得数值模拟的方法在不同学科中有其不同的特征，但任何数值模拟都需要求解描述相应物理过程的数学方程。这些数学方程的数值求解方法有其共性，因而各门学科中数值模拟方法有共同之处，一般都涉及到如下几个步骤: (1).建立物理模型。对任何物理过程的数值模拟

16、都首先要建立模型，所建立的模型的合理性在很大程度上决定了模拟结果是否可靠。建立模型包括如下步骤: a).找出决定所研究的物理过程的主要因素； b).导出适当的数学方程； c).给出切合物理实际的边值条件和初始条件。 (2).方程和初值、边值条件的离散化； a).选择合适的数值方法，常用的有差分法、有限元法和边界元法； b).将计算区域划分为离散网格点，网格点(时间、空间)可以是规则的，也可以是不规则的，取决于计算区域的几何形状是否规则，网格点多少(决定于时间和空间步长的大小)的选择需要综合考虑计算时间的长短、计算机内存的大小等因素； c).将方程和初值、边值条件化为网格点上的代数方程(组)。(

17、3).选择适当的代数方程组求解方法。(4).在计算机上实现数值求解； a).设计流程图； b).编写计算机程序； c).调试程序，检查程序是否有语法错误、数学公式的程序语言表达是否正确，根据计算结果检查算法的计算精度，以及是否有数值的不稳定性存在。 (5).计算结果的诊断。诊断是将数值模拟结果以一定的形式(通常是图形)表达出来，这是调试程序和输出结果的重要手段。2、利用数值模拟的实例。作为一个实验的其体例子，我们研究美国气象学家罗伦兹（E. N. Lorenz）于1963年在大气科学杂志上提出的第一个表现奇异吸引子的动力学系统。该混沌系统描述了从水桶的底部加热时，桶内液体的运动情况，加热时，底

18、部的液体越来越热，并开始逐渐上升，产生对流。当提供足够的热量并保持不变时，对流便会产生不规则的运动和湍流。(1) 建立模型，该混沌系统模型可以用下列三个微分方程描述： (10.1.1) (10.1.2) (10.1.3)其中x正比于对流运动的速度，y正比于水平方向温度的变化，z正比于数值方向温度的变化，系数通常取值为10.0，通常取值为8/3，正比于水桶底部和水桶顶部之间的温度变化，是该动力学系统模型中重要的参数，在实验中可以采用常数，或采用周期瑞利数.关于该模型的建立和参数的详细讨论可参阅有关参考文献。该方程组的初始条件为 (10.1.4)此问题没有边值条件。(2) 方程的离散化。方程(10

19、.1.1)、(10.1.2)、(10.1.3)与初始条件一起构成一个一阶微分方程组，可以采用四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)法求解。龙格-库塔方法计算公式为；如果微分方程为，则：其中为第n个迭代点，为第n十1个迭代点，dt为时间步长，根据上式，从初始值 开始就可以计算出以后各个时间的x，y和z的值。 （见下页图）开 始 输入参数r0,r1,x0,y0,z0和 DisplayAfter 迭代次数i=0,时间t=0有键按下 是 否iDisplayAfter 否 是显示该次迭代结果进行x,y,z迭代i=i+1,t=t+dt结束 图10.1.1 实验方框图(3) 实验程序。程序流程如图10.1

20、.1所示，其主要步骤如下： (a). 要求用户输入x，y，z的初值，以及DisplayAfter。其中DisplayAfter指定了在开始显示x-y曲线以前，计算机所进行的迭代运算的次数。该参数的加入，是便于用户观察到程序进行了DisplayAfter个迭代运算后的输出结果。在演示程序中，固定的参数和变量为： 参数a,固定为a=l0; 参数b固定为b=8.0/3.0;时间步进dt，固定为dt=0.001r(t)中的角频率，固定为=7.62 b) .迭代次数置0，时间置0 c) .判断是否有键按下，如有则停止迭代，否则执行以下几步: d). 迭代次数是否大于DisplayAfter，如是则显示该

21、次迭代结果，否则迭代结果不显示出来(但仍然进行下一步迭代计算)。迭代结果的显示可以根据需要显示x-t图、y-t图、z-t图、x-y图、x-z图、y-z图。 e).进行x，y，z的迭代计算。在程序中，先计算该次的xinc1,xinc2,xinc3,xinc4,yinc1,yinc2,yinc3,yinc4,zinc1,zinc2,zinc3,zinc4后,再计算新的x，y，z迭代结果。如果计算完xinc1,xinc2,xinc3,xinc4后立即迭代出新的x再用该新的x和原来的y,z去计算yinc1,yinc2,yinc3,yinc4，再迭代出的y会有错误。这一点在编程中需要引起重视。 f) .

22、迭代次数加1，时间增加一个步进dt g). 执行第3步。 (4) 罗伦兹混沌系统的实验观察。 a) .初值对混沌系统的影响(蝴蝶效应)，混沌系统是一个非线性系统，初值对系统的 敏感性是混沌运动的一个基本特征，x,y,z的初值对混沌动力学系统有很大影响。 我们以天气预报系统为例进行说明，在气象系统模型中，天气预报所用的信息可以包 括从各个气象站获得的风速、温度、气压等测量参数，将这些信息输入计算机模型中观察 天气预报，每次从气象站获得的信息不能保证都是准确的，例如在某次测量风速时可能在 距离不远的公路上正好有一辆大卡车驶过，或者近处有一只鸟儿的翅膀在拍打，甚至是一只蝴蝶的翅膀在振翅。 在混沌现象

23、发现以前，人们通常认为这些测量的微小误差对天气预报的影响只是短 时的，它对长时间的预报不会有影响。而图示模拟结果表明，即使是一个蝴蝶的拍打都会影响到三个月后的天气，这就是蝴蝶效应的意义。 不过，长时间的天气预报并没有因此而消失。随着计算机技术的发展，气象学家有了 办法对付蝴蝶效应，先用一些初始条件进行仿真，再使这些初始条件有细小的变化，如果 天气图是完全改变的，则表明初始的气象系统是混沌的，不能用该模型进行长时间间隔的 天气预报。但是，如果初始条件的变化并没有影响到天气图，则表明初始的气象系统不是 混沌的，此时就可以进行预测了。 在本实验中，可以先设定初值为x=y=z=l，=28(=28保证了

24、系统内部处于相当不稳定的对流状态)，=0观察程序刚开始迭代的几百次的输出和迭代了3000次后的输出(DisplayAfter=l和DisplayAfter=30000)。 然后，在其他条件不变的信况下，如果将z的初值从z=1改变为z=1.001，并重复实验。尽管z的初值变化只有一千分之一，但是观察在DisplayAfter=30000时，初值变化前后输出有了明显的变化。 从上述初值对系统的敏感性我们知道，如果在实际的应用模型中采用了微分方程组，又有可能出现混沌的话，那么在测量中任何初值的误差都将对系统产生很大的影响，变得不能被忽略。 b). 洛伦兹混沌吸引子，混沌是一种非周期的动力学过程，看似无序，杂乱无章，但却隐含着丰富的内容，如混沌吸引子、分支、窗口等等。它是一种无序中的有序，决不仅仅是一个无从控制的随机过程。 混沌吸引子是相空间的某部分，从它附近出发的任何点都逐渐趋近于它，在(x，y) 平面上，我们可以看到形如肾脏的两叶的罗伦兹混沌吸引子图(图10.1.2)其中的点时而转到左页，时而转到右页，所有点的轨迹都螺旋趋