微机原理与接口技术第13章(XP)

1、第第1212章章 模拟接口模拟接口教学重点 DAC 0832及其与主机的连接及其与主机的连接 ADC 0809及其与主机的连接及其与主机的连接模拟量与数字量模拟量与数字量模拟量模拟量连续变化的物理量：这里的连连续变化的物理量：这里的连续有时间上的连续以及空间上的连续续有时间上的连续以及空间上的连续n数字量数字量时间和数值上都离散的量时间和数值上都离散的量模拟模拟/数字转换器数字转换器ADCDAC数字数字/模拟转换器模拟转换器12.1 模拟输入输出系统的基本概念模拟输入输出系统的基本概念数字信号数字信号模拟信号模拟信号现场信号现场信号1现场信号现场信号2现场信号现场信号n微型微型计算机计算机放大

2、器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路开开关关低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器A/D转换器转换器采样保持器采样保持器数字信号数字信号受控对象受控对象控制信号控制信号模拟信号模拟信号D/A转换器转换器放大驱动电路放大驱动电路采样保持器采样保持器:周期性地周期性地采样连续信号，并在采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变转换期间保持不变多路开关多路开关:把多个现场信号分时把多个现场信号分时地接通到地接通到A/D转换器转换器低通滤波器低通滤波器:用于降低噪声、用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪滤去高频干扰，以增加信噪比比放大器放大器:把传感器

3、输出的信号把传感器输出的信号放大到放大到ADC所需的量程范围所需的量程范围传感器传感器:将各种现场的物理量测将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）电压或电流） 1 1采样采样 模拟信号是一个连续的模拟信号是一个连续的时间函数，如图（时间函数，如图（a）；）；而计算机只能接受离散的而计算机只能接受离散的数字量，因而要对连续信数字量，因而要对连续信号采样。采样就是周期性号采样。采样就是周期性地取连续信号的瞬时值，地取连续信号的瞬时值，如图（如图（b）。）。 采样后的脉冲序列是离散信号，称为采样信号。 0、1T、2T各时间点称为采样时刻。T为采样周期。采

4、样频率为1T。 由于AD转换需要一定的时间，因此，采样后的信号必须保持 时间以维持到转换结束。就称为保持时间。 一、采样、量化和编码一、采样、量化和编码 2 2量化量化 采样后的信号，时间上是离散的，但它的值仍是连续的。将采采样后的信号，时间上是离散的，但它的值仍是连续的。将采样后的信号值，变成计算机能接受的数字量数据，称为量化。样后的信号值，变成计算机能接受的数字量数据，称为量化。如一台字长为如一台字长为4 4位的计算机，它能接收的数字代码只能是位的计算机，它能接收的数字代码只能是00000000、 00010001、00100010、11111111这这1616种。进行量化时每种代码对应一

5、种。进行量化时每种代码对应一个确定的模拟电平。然而，采样值并不一定就是某一代码所确个确定的模拟电平。然而，采样值并不一定就是某一代码所确定的模拟电平值，所以此时只能将采样值用一个最接近它的代定的模拟电平值，所以此时只能将采样值用一个最接近它的代码表示，图（码表示，图（c c）为量化的示意图。）为量化的示意图。从图中可以明显地看出：从图中可以明显地看出：量化过程中必然会引入误量化过程中必然会引入误差，称之为量化误差差，称之为量化误差。量。量化误差的最大值是化误差的最大值是12个个量化单位。量化单位。量化单位是相邻的两个确定模拟电平之差，是量化过程中所能分辨的最小电压值。由此可见：要减少量化误差，

6、可以选用位数较多的ADC。二、DA转换的基本原理 数字量是由代码按数值组合起来表示的。如数字量是由代码按数值组合起来表示的。如1101B123十十122十十021十十12013数模转换器的核心器件。常用的解码网络有权电阻解码网络、T型解码网络等。目前大多采用后者。欲欲将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其权的大将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟分量，然后将各模拟分量相加，其总和小转换成相应的模拟分量，然后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量就是与数字量相应的模拟量。这就是。这就是DA转换的基本原理。转换的基本原理。按这一原理构成的转换器，主要

7、由电阻网络、电子开关和基按这一原理构成的转换器，主要由电阻网络、电子开关和基准电压组成，如下图：准电压组成，如下图：D/A转换器的原理图转换器的原理图（1）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF电阻网络电阻网络基准电压基准电压电子开关：电子开关：当该位为当该位为1时，开关将加权时，开关将加权电阻与电阻与Ioutl输出端接通产生电流；当输出端接通产生电流；当该位为该位为0时，开关与时，开关与Iout2端接通。端接通。并联后的等效电阻为R等效电阻为R虚地虚地D/A转换器的原理图转换器的原理图（2）Iou

8、t2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗阻抗2R整个电路由若干个相同的电路环节组成。每个环节有两个电阻整个电路由若干个相同的电路环节组成。每个环节有两个电阻和一个开关。由于和一个开关。由于Iout2接地，接地，Ioutl为虚地，所以从为虚地，所以从a、b、c和和d各点向右看的阻抗都是各点向右看的阻抗都是2R，这样各点的电压分别为：，这样各点的电压分别为： Va=VREF，Vb=VREF/2，Vc=VREF/4，Vd=VREF/8D/A转换器的原理图转换器的原理图（2）Iout2Iout1RfbRfbVo

9、ut+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF当各位为当各位为1开关开关S接通接通Ioutl 时，各点的电流为：时，各点的电流为： I0=Vd/2R=(Vref/8) /2R I1=Vc/2R= (Vref/4 )/ 2RI2=Vb/2R=(Vref/2) /2RI3=Vc/2R= (Vref/1)/ 2R总输出电流总输出电流Iout1=I3+I2+I1+I0=(Vref/2R)*(1/1+1/2+1/4+1/8)=Vref/2R*(23+22+21+20)/23=(Vref/24R)*(23+22+21+20)D/A转换器的原理图转换器的原

10、理图（2）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF设开关设开关S3S0的状态为的状态为1010，则总输出电流，则总输出电流Iout1为为Iout1=I3+I2+I1+I0=(Vref/24R)*(1*23+0*22+1*21+0*20)由此通过解码网络在由此通过解码网络在Iout1端得到了一个与输入数端得到了一个与输入数字量成比例关系的电流。字量成比例关系的电流。 三、DA转换器特性及连接 D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DA转

11、转换器芯片，在选择换器芯片，在选择DA转换器芯片时一般考虑如下指标：转换器芯片时一般考虑如下指标： （1）分辨率：）分辨率：指指DA转换器所能分辨的最小电压增量，或转换器所能分辨的最小电压增量，或1个二进制增量个二进制增量所代表的模拟量大小。一般来说，所代表的模拟量大小。一般来说，DA转换器位数越多，其分辨率就越高，转换器位数越多，其分辨率就越高，分辨率的表示式为：分辨率的表示式为：分辨率分辨率Vref2位数位数 或或 分辨率分辨率=（V+REF - V-REF）2位数位数如：若如：若Vref=5V，8位的位的DA转换器分辨率为转换器分辨率为5256=20 mV。 （2）转换时间：）转换时间：

12、指数字量输入到模拟量输出达到稳定所需的时间。一般指数字量输入到模拟量输出达到稳定所需的时间。一般电流型电流型DA转换器在几纳秒到几百微秒之内；而电压型转换器在几纳秒到几百微秒之内；而电压型DA转换器转换转换器转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。较慢，取决于运算放大器的响应时间。 （3）精度：）精度：指指DA转换器实际输出与理论值之间的误差，一般采用数字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（量的最低有效位（LSB）作为衡量单位，值为）作为衡量单位，值为12LSB。如。如DA分辨分辨率为率为20mV，则精度为，则精度为10mV。 （4）线性度：）线性度：当数字量变化时，当

13、数字量变化时，DA转换器输出的模拟量按比例变化的转换器输出的模拟量按比例变化的程度。理想的程度。理想的DA转换器是线性的，但实际有一定的误差，模拟输出偏转换器是线性的，但实际有一定的误差，模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。离理想输出的最大值称为线性误差。 12.2.2 DAC0832芯片芯片写信号1。在片选和允许输入两信号有效下，用它将数字输入量锁存于输入寄存器中。 参考电压输入端。它的范围为+10V-10V。放大器反馈电阻引出端。 允许输入锁存。 写信号2。在传送控制信号（XFER）有效下，用它将输入寄存器的数字传送到DAC寄存器，同时进入DA转换器开始转换。 模拟电流输出1，它是逻

14、辑电平为1的各位输出电流之和。DAC0832是典型的是典型的8位电流输出型通用位电流输出型通用DAC芯片，其芯片，其外部引脚如下外部引脚如下12.2.2 DAC0832芯片芯片DAC0832的内部结构如下的内部结构如下LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入输入寄寄存存器器DGNDDI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER8位数字输入端位数字输入端DI0DI7（DI0为最低位）为最低位）输入寄存器（第输入寄存器（第1级锁存）的控级锁存）的控制端制端ILE、CS*、WR1*DAC寄存器（第寄存器（第2级锁存）级锁存）的控制

15、端的控制端XFER*、WR2*DAC0832有三种工作方式（连接方式）：有三种工作方式（连接方式）： DAC0832的工作方式：直通方式的工作方式：直通方式LE1LE21输入的数字数据直接进入输入的数字数据直接进入D/A转换器转换器:输入端输入端DI7DI0一旦输出数据就立即进行一旦输出数据就立即进行D/A转换。这种转换。这种方式不使用缓冲寄存器，不能直接与方式不使用缓冲寄存器，不能直接与CPU或系统或系统总线相连。总线相连。(可使其与可使其与8255相连相连)LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：单缓

16、冲方式的工作方式：单缓冲方式(接线图接线图p275）LE11，或，或 LE21两个寄存器之一始终处于直通状态，另一个寄存器两个寄存器之一始终处于直通状态，另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）：处于受控状态（缓冲状态）：如把如把WR2，XFER接地，接地，使使DAC寄存器处于直通状态，寄存器处于直通状态，ILE接接+5V，WR1接接CPU的的IOW，CS接接I/O地址译码器，针对地址译码器，针对CS进行数进行数据写操作，数据写入后立即开始据写操作，数据写入后立即开始DA转换。转换。LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC083

17、2的工作方式：双缓冲方式的工作方式：双缓冲方式两个寄存器都处于受控（缓冲）状态，能够对一个数据进行两个寄存器都处于受控（缓冲）状态，能够对一个数据进行D/A转换的同时，转换的同时，输入另一个数据输入另一个数据当当ILE固定为十固定为十5V，IOW连接到连接到WR1和和WR2上，上，CS作为输入寄存器的选通作为输入寄存器的选通信号，信号，XFER作为作为DAC寄存器的选通信号，分别连接到两个寄存器的选通信号，分别连接到两个I/O地址的译码地址的译码输出。输出。数据写入时分两次进行，首先写入待转换的数字量到数据写入时分两次进行，首先写入待转换的数字量到8位输入寄存器，然后位输入寄存器，然后进行虚拟

18、写操作（产生进行虚拟写操作（产生XFER信号），用于将信号），用于将8位输入寄存器中的数据锁存位输入寄存器中的数据锁存到到DAC寄存器，开始寄存器，开始DA转换。双缓冲方式的优点是：在转换。双缓冲方式的优点是：在D/A转换的同时，转换的同时，可接收下一个转换数据，从而提高了转换速度。可接收下一个转换数据，从而提高了转换速度。LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1采用单缓冲方式连接如图所示。 ILE接十5V； WR1接CPU的IOW，CS接I/O地址译码器，WR2，XFER接地DAC0832的应用的应用TRG：MOV DX，200

19、HMOV AL，0TN：OUTDX，ALINCALJMPTN利用DAC可实现任意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出；如输出锯齿波的程序段如下(设DAC0832的端口地址为200H)： 2次数据输出的时间间隔次数据输出的时间间隔02LSB1LSB255LSB254LSB锯齿波周期锯齿波周期DAC0832的应用的应用-输出锯齿波输出三角波的程序段如下： TRG：MOVDX，200HMOVAL，0TNl：OUTDX，ALINCALJNZTN1MOVAL，0FFHTN2：OUTDX，ALDECALJNZTN2JMP TN1利用上图所示的DAC0832单缓冲方式连接图，也可输出循环正弦波，由于DA

20、C0832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：while(!kbhit() i=0;while(iVin=Vr/NmNx，=Nx=Vin/Vr Nm式中：式中：Vr参考电压，参考电压，Nm参考电压计数值，参考电压计数值，Nx输入电压计数值输入电压计数值4. 并行式并行式速度快成本高速度快成本高直接比较法直接比较法编编码码电电路路VinVREF数字输出数字输出比较器比较器RRRRRRRR/212.3.2 ADC0809芯片芯片具有具有

21、A/D转换的基本功能转换的基本功能v8位逐次逼近式位逐次逼近式ADCv转换时间为转换时间为100 s包含扩展部件包含扩展部件多路开关多路开关三态锁存缓冲器三态锁存缓冲器ADC0809的内部结构图的内部结构图ADC0809地址锁存地址锁存和译码和译码OE通道通道选择选择开关开关ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位位三态三态锁存锁存缓冲器缓冲器DACVcc比较器比较器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器SAR定时和控制定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC1. ADC0809的模拟输入的模拟输入

22、提供一个提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑通道的多路开关和寻址逻辑IN0IN7：8个模拟电压输入端个模拟电压输入端ADDA、ADDB、ADDC：3个地址输入线，个地址输入线，其组合用于选择其组合用于选择8个模拟输入中的一个个模拟输入中的一个ALE：地址锁存允许信号地址锁存允许信号ALE的上升沿用于锁存的上升沿用于锁存3个地址输入的状个地址输入的状态，然后由译码器从态，然后由译码器从8个模拟输入中选择个模拟输入中选择一个模拟输入端进行一个模拟输入端进行A/D转换转换3. ADC0809的数字输出的数字输出ADC0809内部锁存转换后的数字量，具内部锁存转换后的数字量，具有三态数字量输出端有三态数

23、字量输出端D0D7配合输出允许信号配合输出允许信号OEo 当输出允许信号当输出允许信号OE为高电平有效时，将为高电平有效时，将三态锁存缓冲器的数字量从三态锁存缓冲器的数字量从D0D7输出输出4. ADC0809的转换公式的转换公式输入模拟电压输入模拟电压输出数字量输出数字量基准电压基准电压正正极极基准电压基准电压负负极极单极性转换示例单极性转换示例基准电压基准电压VREF(+)5V，VREF()0V输入模拟电压输入模拟电压Vin1.5VN （1.50）（50）25676.8774DH双极性转换示例双极性转换示例基准电压基准电压VREF(+)5V，VREF()5V输入模拟电压输入模拟电压Vin1.5VN （1.55）（55）25689.6905AH12.3.3 ADC0809的应用的应用ADC0809与微机连接有两种方式，一是通过与微机连接有两种方式，一是通过8255，二是直接连接；，二是直接连接； ADC0809与微机数据传输有两种方式，一是查询方式，二是中断。与微机数据传输有两种方式，一是查询方式，二是中断。本例本例ADC0809与微机之间通过与微机之间通过8255连接，采用查询方式读取转换后的数字量。连接，采用查询方式读取转换后的数字量。PB2PB1PB0=CBA=