第十一章 AD-DA

1、1微机原理及接口技术数模（数模（D/AD/A）转换与模数（）转换与模数（A/DA/D）转换接口）转换接口 河北经贸大学信息技术学院2数模（数模（D/AD/A）转换与模数（）转换与模数（A/DA/D）转换接口）转换接口 n11-1 概述概述n11-2 D/A转换器转换器n11-3 A/D转换器转换器3 模拟量I/O接口的作用：n实际工业生产环境实际工业生产环境连续变化的模拟量连续变化的模拟量 n例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 n计算机内部计算机内部离散的数字量离散的数字量n二进制数、十进制数二进制数、十进制数n工业生产过程的闭环控制工业生产过程的

2、闭环控制 概述 模拟量模拟量D/A传感器传感器执行元件执行元件A/D数字量数字量数字量数字量模拟量模拟量模拟量输入模拟量输入(数据采集数据采集)模拟量输出模拟量输出(过程控制过程控制)计算机计算机4一、模拟量一、模拟量I/OI/O通道的组成通道的组成模拟接口电路的任务模拟接口电路的任务模拟电路的任务模拟电路的任务0010110110101100工工业业生生产产过过程程传传感感器器放大放大滤波滤波多路转换多路转换&采样保持采样保持A/D转换转换放大放大驱动驱动D/A转换转换输出输出接口接口微微型型计计算算机机执行执行机构机构输入输入接口接口物理量物理量变换变换信号信号处理处理信号信号变换变换I/

3、O接口接口输入通道输入通道输出通道输出通道5模拟量输入通道模拟量输入通道n传感器（Transducer）n非电量非电量电压、电流电压、电流 n变送器（Transformer）n转换成标准的电信号转换成标准的电信号n信号处理（Signal Processing）n放大、整形、滤波放大、整形、滤波 n多路转换开关（Multiplexer） n多选一多选一n采样保持电路（Sample Holder，S/H）n保证变换时信号恒定不变保证变换时信号恒定不变nA/D变换器（A/D Converter）n模拟量转换为数字量模拟量转换为数字量 6模拟量输出通道模拟量输出通道nD/A变换器（D/A Conver

4、ter）n数字量转换为模拟量数字量转换为模拟量n低通滤波n平滑输出波形平滑输出波形n放大驱动n提供足够的驱动电压，电流提供足够的驱动电压，电流7数模（数模（D/AD/A）转换与模数（）转换与模数（A/DA/D）转换接口）转换接口 n11-1 概述概述n11-2 D/A转换器转换器n11-3 A/D转换器转换器8n组成：模拟开关、组成：模拟开关、电阻网络电阻网络、运算放大器、运算放大器 n两种电阻网络：权电阻网络、两种电阻网络：权电阻网络、R-2RR-2R梯形电阻网络梯形电阻网络n基本结构如图：基本结构如图：数字量数字量VrefRf 模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VOD/AD/A变换器的基本工

5、作原理变换器的基本工作原理9 运放的放大倍数足够大时，输出电压运放的放大倍数足够大时，输出电压V VO O与输与输入电压入电压V Vinin的关系为：的关系为：fOinRV = -VR式中：式中：Rf 为反馈电阻为反馈电阻 R 为输入电阻为输入电阻 VinRf VOR D/AD/A变换器的基本工作原理变换器的基本工作原理10 若输入端有若输入端有n n个支路个支路, , 则输出电压则输出电压V VO O与输与输入电压入电压V Vi i的关系为：的关系为：VinRf VOR1n0fini=1i1V =-RVR式中：式中：Ri 为第为第i支路的输支路的输 入电阻入电阻RnD/AD/A变换器的基本工

6、作原理变换器的基本工作原理11n令每个支路的输入电阻为令每个支路的输入电阻为2 2i iR Rf f , , 并令并令V Vinin为一基准为一基准电压电压V Vrefref，则有，则有n如果每个支路由一个开关如果每个支路由一个开关S Si i控制，控制，S Si i=1=1表示表示S Si i合上，合上，S Si i=0=0表示表示S Si i断开，则上式变换断开，则上式变换为为 nn0frefrefiii=1i=1f11V = -RV= -V2 R2n0irefii=11V = -SV2若若Si=1,该项对该项对VO有贡献有贡献若若Si=0,该项对该项对VO无贡献无贡献D/AD/A变换器的

7、基本工作原理变换器的基本工作原理122R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8n与上式相对应的电路如下与上式相对应的电路如下( (图中图中n=8)n=8)： n图中的电阻网络就称为图中的电阻网络就称为权电阻网络权电阻网络D/AD/A变换器的基本工作原理变换器的基本工作原理13n如果用如果用8 8位二进制代码来控制图中的位二进制代码来控制图中的S S1 1S S8 8(D(Di i=1=1时时S Si i闭合；闭合；D Di i=0=0时时S Si i断开断开) )，那么根据二进制代码的，那么根据二进制代码的不同，输出电压不同，输出电压V V

8、O O也不同，这就构成了也不同，这就构成了8 8位的位的D/AD/A转转换器。换器。n可以看出，当代码在可以看出，当代码在0 0FFHFFH之间变化时，之间变化时，V VO O相应地相应地在在0 0-(255/256)V-(255/256)Vrefref之间变化。之间变化。n为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/AD/A转换器采用转换器采用R-2RR-2R梯形电阻网络梯形电阻网络( (见下页见下页) )，它只用，它只用两种阻值的电阻两种阻值的电阻(R(R和和2R)2R)。D/AD/A变换器的基本工作原理变换器的基本工作原理14R-2RR-2R梯形电

9、阻网络梯形电阻网络D/AD/A变换器的基本工作原理变换器的基本工作原理15D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标n输入数字量输入数字量n并行自然二进制并行自然二进制nBCD码码n输出模拟量输出模拟量n电流电流n电压电压16D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标n分辨率（分辨率（Resolution）n输入的二进制数每输入的二进制数每1个最低有效位个最低有效位(LSB)使输出变化使输出变化的程度。的程度。n一般用输入数字量的位数来表示一般用输入数字量的位数来表示: 如如8位、位、10位位例：一个满量程（例：一个满量程（FSR）为）为5V的的10位位DAC，1 LSB的

10、变化将使输出变化的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV17D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标n转换精度（线性误差）转换精度（线性误差）n实际输出值与理论值之间的最大偏差。实际输出值与理论值之间的最大偏差。n一般用最小量化阶一般用最小量化阶来度量，如来度量，如1/2 LSB1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如也可用满量程的百分比来度量，如0.05% FSR0.05% FSR(LSB-Least Significant Bit, FSR-Full Scale Range)(LSB-Least Significant Bit

11、, FSR-Full Scale Range)18 n转换时间n从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2 LSBtCVFULLD/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标19典型典型D/AD/A转换器转换器- -DAC0832DAC0832nDAC0832n特性：n8位电流输出型D/A转换器nT型电阻网络n差动输出n引线图见教材p27820DAC0832内部结构内部结构典型典型D/AD/A转换器转换器- -DAC0832DAC083221引脚功能引脚功能nD D7 7D D0 0：输入数据线：输入数据线nILEILE：输入锁存允许：输入锁存允许nCS

12、#CS#：片选信号：片选信号nWRWR1 1# #：写输入锁存器：写输入锁存器 上述三个信号用于把数据写入到输入锁存器上述三个信号用于把数据写入到输入锁存器nWRWR2 2# #：写：写DACDAC寄存器寄存器nXFER#XFER#：允许输入锁存器的数据传送到：允许输入锁存器的数据传送到DACDAC寄存器寄存器 上述二个信号用于启动转换上述二个信号用于启动转换典型典型D/AD/A转换器转换器- -DAC0832DAC083222nV VREFREF：参考电压，：参考电压，-10V-10V+10V+10V，一般为，一般为+5V+5V或或+10V+10VnI IOUT1OUT1、I IOUT2OU

13、T2：D/AD/A转换差动电流输出，接运放输入转换差动电流输出，接运放输入nR Rfbfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出：内部反馈电阻引脚，接运放输出nAGNDAGND、DGNDDGND：模拟地和数字地：模拟地和数字地 引脚功能引脚功能 ( (续续) )典型典型D/AD/A转换器转换器- -DAC0832DAC083223工作时序工作时序nD/AD/A转换可分为两个阶段：转换可分为两个阶段：nCS#=0CS#=0、WR1#=0WR1#=0、ILE=1ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器；，使输入数据锁存到输入寄存器；nWR2#=0WR2#=0、XFER#=0XFER#=0，数据传送到，数据传

14、送到DACDAC寄存器，并开始转换。寄存器，并开始转换。写输入写输入寄存器寄存器写写DAC寄存器寄存器24工作方式工作方式n单缓冲方式单缓冲方式n使输入锁存器或使输入锁存器或DAC寄存器二者之一寄存器二者之一处于直通。处于直通。CPU只需一次写入即开始只需一次写入即开始转换。控制比较简单。转换。控制比较简单。25n双缓冲方式（标准方式）双缓冲方式（标准方式）n转换要有两个步骤：转换要有两个步骤：n将数据写入输入寄存器将数据写入输入寄存器nCS#=0、WR1#=0、ILE=1n将输入寄存器的内容写入将输入寄存器的内容写入DAC寄存器寄存器nWR2#=0、XFER#=0 n优点：数据接收与优点：数

15、据接收与D/A转换可异步进行；转换可异步进行； 可实现多个可实现多个DAC同步转换输出同步转换输出分时写入分时写入、同步转换同步转换工作方式工作方式 ( (续续) )26n直通方式直通方式n使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。跟随输入变化。n不能直接与数据总线连接，需外加并行接口不能直接与数据总线连接，需外加并行接口( (如如74LS37374LS373、82558255等等) )。nILEILE接高电平；接高电平；CS#CS#、WR1#WR1#、WR2#WR2#、XFER#XFER#直接接地。直接接地。D/AD/A转换器的

16、输出随着总线数据的变化而变化。转换器的输出随着总线数据的变化而变化。工作方式工作方式 ( (续续) )27单缓冲方式的应用单缓冲方式的应用DAC0832WR2WR1CSXFERVcc5VD7-D0+AIOUT2IOUT1AGNDDGNDVREFILE5V地址总线DAC0832与8位数据总线微机的连接图地址译码WRIO/M ILE ILE接高电平；接高电平；CS#CS#、WR1#WR1#、WR2#WR2#、XFER#XFER#接接控制输出端（连接方控制输出端（连接方式有多种形式）；当式有多种形式）；当对对DAC0832DAC0832进行写操作进行写操作时（执行时（执行OUTOUT指令），指令），

17、数字量直接被转换成数字量直接被转换成模拟量。模拟量。28单缓冲方式的应用单缓冲方式的应用例例1 1 设设DACDAC的口地址为的口地址为80H80H， 要求输出要求输出05V05V的锯齿波的锯齿波STARTSTART：MOV ALMOV AL，0FFH0FFHAGAINAGAIN：INC ALINC AL OUT 80H OUT 80H，ALAL CALL DELAY CALL DELAY JMP AGAIN JMP AGAIN阶梯的宽度由延时时间决定29单缓冲方式的应用单缓冲方式的应用例例2 2 要求要求DACDAC输出一三角波，输出一三角波，波形下限电压为波形下限电压为0.5V0.5V，上

18、限电压，上限电压为为2.5V2.5V。下限电压对应的数字量为：下限电压对应的数字量为：0.50.5* *256/5=26=1AH256/5=26=1AH上限电压对应的数字量为：上限电压对应的数字量为：2.52.5* *256/5=128=80H256/5=128=80HBEGIN： MOV AL，1AHUP ： OUT 80H，AL INC AL CMP AL，81H JNZ UP DEC ALDOWN： OUT 80H，AL DEC AL CMP AL，19H JNZ DOWN JMP BEGIN30双缓冲方式的应用：双缓冲方式的应用：地址译码320H321HDAC0832Vcc5VD7-D

19、0Vo+AIOUT2IOUT1AGNDDGNDVREFILE5V地址总线WR1WR2IOWRCSXFERMOV DXMOV DX，320H320HMOV ALMOV AL，DATADATAOUT DXOUT DX，ALALINC DXINC DXOUT DXOUT DX，ALAL 第一种应用情况：第一种应用情况：在前一个数据转换的同时，在前一个数据转换的同时，CPUCPU将下一个数将下一个数据先输入至输入寄存器，然后再在某个时刻启动据先输入至输入寄存器，然后再在某个时刻启动D/AD/A转换。转换。31-+CS XFER WR2ILE WR1DAC1-+ XFER WR2ILE WR1DAC2-

20、+CS XFER WR2ILE WR1DAC3译码器ABCS1CS2CS3XFERIO/MWRVO1VO2VO3第二种应用情况：第二种应用情况：在多路在多路DACDAC系统中，需要系统中，需要同步同步D/AD/A转换时，采用双缓冲方式。转换时，采用双缓冲方式。 在不同的时刻将在不同的时刻将要转换的数据分别打要转换的数据分别打入各入各DACDAC的输入寄存的输入寄存器，然后由一个转换器，然后由一个转换命令同时启动，各个命令同时启动，各个DACDAC转换。转换。32典型典型D/AD/A转换器转换器- -DAC1210DAC121033典型典型D/AD/A转换器转换器- -DAC1210DAC121

21、0主要技术指标：主要技术指标：分辨率：分辨率： 1212位位转换时间：转换时间：1 S1 S满量程误差：满量程误差：1LSB1LSB参考电压范围：参考电压范围： 25V25V单电源范围：单电源范围： +5V+15V+5V+15V34DAC1210的内部结构图B1/B2151617181920451014131132412D11D10D9D8D7D6D5D4CSWR1WR2XFER23121222VREFIOUT2IOUT1R1bR1bVccDGND12位D/A转换器12位DAC寄存器8位输入寄存器AGND4位输入寄存器D3D2D1D06789LELELE控制引脚CS、 B1/B2#、WR1#作

22、为输入寄存器的输入控制； WR2# 、XFER#作为DAC寄存器的输入控制DAC1210内部结构内部结构35 DAC1210 DAC1210与与8 8位位CPUCPU接口方式接口方式D7D0-+RiVOUT地址译码D11D0WR1WR2B1/B2CSXFERABIOWA0IOUT1IOUT2RFBDAC1210 控制控制DAC1210DAC1210的转换的转换共要用到共要用到3 3个个I/OI/O端口，端口，CS#CS#引脚的口地址为引脚的口地址为220H-221H220H-221H，其中，其中220H220H选选通通8 8位输入寄存器，位输入寄存器，221H221H选通选通4 4位输入寄存器

23、；位输入寄存器；XFER#XFER#引脚的口地址为引脚的口地址为222H-223H222H-223H，任一个地址，任一个地址都可启动都可启动D/AD/A转换。若待转换。若待转换的数字量在转换的数字量在BXBX寄存寄存器的低器的低1212位，则完成一位，则完成一次次D/AD/A转换的程序如下转换的程序如下36 DAC1210 DAC1210与与8 8位位CPUCPU接口方式接口方式START： MOV DX，220H MOV CL，4 SHL BX，CL MOV AL，BH OUT DX，ALINC DXMOV AL，BLOUT DX，ALINC DXOUT DX，AL37数模（数模（D/AD/

24、A）转换与模数（）转换与模数（A/DA/D）转换接口）转换接口 n11-1 概述概述n11-2 D/A转换器转换器n11-3 A/D转换器转换器38模模/ /数（数（A/DA/D）转换器）转换器n用途n将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。常用于数据采集系统。计算机进行处理。常用于数据采集系统。n类型n计数型计数型A/DA/D变换器变换器n双积分型双积分型A/DA/D变换器变换器n逐位反馈型逐位反馈型A/DA/D变换器变换器 39工作原理工作原理逐次逼近型A/D转换器n结构：由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成。 类似天

25、平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。重量去逼近被称物体。 例如：例如：用用8个砝码个砝码20g，21g，27g，可以称出，可以称出1255g之之 间的物体。现有一物体，用砝码称出其重间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为量（假定重量为176g）。）。401）ADC从高到低从高到低逐次给SAR的每一位“置1”（即加上不同权重的砝码），SAR相当于放法码的称盘；2）每次SAR中的数据经D/A转换为电压VC ；3）VC与输入电压Vi比较，若VCVi，保持当前位的1，否则当前位置0；4）从高到低逐次比较下去，直到SAR的每一位都

26、尝试完；5）SAR内的数据就是与Vi相对应的2进制数。工作原理工作原理41典型的典型的A/DA/D转换器简介转换器简介nADC0809n8通道（8路）输入n8位字长 n逐位逼近型n转换时间100s n内置三态输出缓冲器n外部引脚见教材p40442引脚功能引脚功能 D7D0：输出数据线（三态）IN0IN7：8通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）ALE：通道地址锁存START：启动转换EOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请OE：输出允许（打开输出三态门）CLK：时钟输入（10KHz1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压43START EOC

27、CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器比较器8路模路模拟开拟开关关逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR树状开关树状开关电阻网络电阻网络三态三态输出输出锁存锁存器器时序与控制时序与控制地址地址锁存锁存及及译码译码D/A8个个模模拟拟输输入入通通道道8选选1ADC0809内部结构内部结构44工作时序工作时序 45ADC0809的工作过程的工作过程 把通道地址送到ADDAADDAADDCADDC上上，选择模拟输入； 在通道地址信号有效期间，ALEALE上的上升沿上升沿该地址锁存到内部地址锁存器；STARTSTART引脚上的下降沿下降沿启动A/

28、DA/D变换； 变换开始后，EOCEOC引脚呈现低电平， EOCEOC重新变为高电平时表示转换结束；OEOE信号打开输出锁存器的三态门送出结果 。46ADC0809与系统的连接 n模拟输入端INin单路输入单路输入n模拟信号可固定连接到任何一个输入端模拟信号可固定连接到任何一个输入端n地址线根据输入线编号固定连接地址线根据输入线编号固定连接(高电平或低电平高电平或低电平)n多路输入多路输入n模拟信号按顺序分别连接到输入端模拟信号按顺序分别连接到输入端n要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上(动态选择动态选择)单路输入时单路输入时ADDCADDBADDA

29、IN4ADC0809输入输入多路输入时多路输入时ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入输入0输入输入1输入输入2输入输入3输入输入4CPU指定指定通道号通道号+5Vn地址线ADDA-ADDCn多路输入时，地址线不能接死，而是要通过一个接多路输入时，地址线不能接死，而是要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用：口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用：n锁存器锁存器74LS273，74LS373等（要占用一个等（要占用一个I/O地址）地址）n可编程并行接口可编程并行接口8255（要占用四个（要占用四个I/O地址）地址）nCPU用一条用一条OUT指令把通道

30、地址通过接口芯片送给指令把通道地址通过接口芯片送给0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输输入入DB74LS273Q2Q1Q0CP来自来自I/O译码译码D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#来自来自I/O译码译码D0-D7A1A0A1A0ADC0809的工作过程的工作过程47n数据输出线D0-D7n内部已接有三态门，故可直接连到内部已接有三态门，故可直接连到DB上上n也可另外通过一个输入接口与也可另外通过一个输入接口与DB相连相连n上述两种方法均需占用一个上述两种方法均需占用一个I

31、/O地址地址D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码直接连直接连DB通过输入接口连通过输入接口连DB74LS244+5VDIDOE1#E2#ADC0809的工作过程的工作过程48n地址锁存ALE和启动转换STARTn两种连接方法：两种连接方法：n独立连接：用两个信号分别进行控制独立连接：用两个信号分别进行控制需占用两个需占用两个I/O端口或两个端口或两个I/O线线(用用8255时时)；n统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿实现启动转换降沿实现启动转换只需占用一个只

32、需占用一个I/O端口或一个端口或一个I/O线线(用用8255时时)，参见教材，参见教材p362图。图。 ADC0809ALESTART独立连接独立连接来自来自I/O译码译码1来自来自I/O译码译码2ADC0809ALESTART统一连接统一连接来自来自I/O译码译码ADC0809的工作过程的工作过程49 n转换结束EOCn软件延时等待软件延时等待(比如延时比如延时1ms)不用不用EOC信号信号nCPU效率最低效率最低n软件查询软件查询EOC状态状态nEOC通过一个三态门连到数据总线的通过一个三态门连到数据总线的D0(其他也其他也可以可以)n三态门要占用一个三态门要占用一个I/O端口地址端口地址

33、nCPU效率低效率低n把把EOC作为中断申请信号，接到作为中断申请信号，接到8259的的IR端端n在中断服务程序中读入转换结果，效率高在中断服务程序中读入转换结果，效率高ADC0809的工作过程的工作过程50（1）直接连接）直接连接MOV AL，07HOUT 84H，ALCALL DELAY120IN AL，84H若采用中断方式，可用若采用中断方式，可用ADC0809ADC0809的的EOCEOC输输出端作为出端作为CPUCPU的中断申请信号，在中断服的中断申请信号，在中断服务程序中读入转换后的数据。务程序中读入转换后的数据。ADC0809ADC0809具有三态输出具有三态输出缓冲器，可以与缓

34、冲器，可以与CPUCPU直直接连接。接连接。若地址译码器的输出若地址译码器的输出Y1Y1的地址为的地址为84H87H84H87H，则，则采用无条件传送方式从采用无条件传送方式从输入通道输入通道IN7IN7读入一个读入一个模拟量的程序为：模拟量的程序为：译码8分频OEALESTARTADDCADDBADDAD7D0EOCCLOCKA7A0D7D0CLKNcIORIOWY1VccVREF+VREF-GND+5VADC0809直接与微处理器的连接ADC0809IN7IN0ADC0809与微处理器的连接51 通过并行接口芯片同通过并行接口芯片同CPUCPU连接连接ADC 0809通过8255A的接口原理图译码Y1Y0IOWRIORDD7 D0A0A1A7 A2CLK8088总线8255APB4PB2PB1PB0PAPC7WRRDDBA0A1CS问题问题：用一片用一片8255A8255A并行接口芯片控制并行接口芯片控制ADC0809ADC0809的转换过程；的转换过程；分析分析：8255A8255A有三个有三个8 8位的并行口，可用位的并行口，可用PBPB口输出口输出08090809的通道选择编码和控的通道选择编码和控制制ADCADC的启动，的启动，PCPC口输入口输入ADCADC的状态。的状态。 PAPA口作为他用，口作为