微机原理第十一章

第十一章模拟接口教学重点

DAC0832的应用

ADC0809的应用1.模拟量与数字量模拟量——连续变化的物理量数字量——时间和数值上都离散的量模拟/数字转换器ADCDAC数字/模拟转换器11.1概述微型计算机在实时控制和实时数据处理过程中,常常要测试和处理连续变化的模拟量,如电压、温度、压力、流量等。计算机只能处理数字量,因此,必须在被控对象和CPU之间设置转换器以实现模拟量与数字量之间的相互转换。D/A和A/D接口就是分别实现数字/模拟、模拟/数字转换的连接电路。2.计算机模拟输入输出系统数字信号模拟信号现场信号1现场信号2现场信号n微型计算机放大器放大器放大器多路开关低通滤波传感器低通滤波传感器低通滤波传感器A/D转换器采样保持器数字信号受控对象控制信号模拟信号D/A转换器放大驱动电路…11.2D/A转换器DAC数字/模拟转换器模拟量数字量11.2.1D/A转换的基本原理1.基本概念数字量：大小由二进制数表示的量。

D/A转换器：将数字量转换为模拟量的电路称为D/A转换器。

数字量

→按权相加

→模拟量101B＝1×22＋0×21＋1×20＝5D设K=1,n=3,则输出vO=D2+D1+D0输入数字量与输出电压之间的关系可用转换特性来表示。

从图中可见,每一个二进制代码的数字信号,通过位数的计算,都可对应一个相应的十进制数值。式中K=1,意味着每个数字量代表1v,每一个二进制代码的数字信号都对应一个模拟电压值。

转换精度应该指出,相邻两个数字信号转换出来的数值是不连续的,它们中间的差值由系数K来决定。输入数字信号位数越多,K越小，输出模拟信号越接近连续模拟信号,转换的精度也就越高。2.DAC电路介绍两种实现

D/A转换电路。

1）权电阻D/A

构成：权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器。1/2R工作过程：图中,D3～D0是被转换的二进制数字量,它们用来控制位切换开关,取值0时位开关断开,该位无电流输入;取值1时开关合上,该位有电流输入。权电阻的阻值按二进制的权值配置

,开关接通时,放大器的各路输入电流是VR/(8R)、VR/(4R)、VR/(2R)、VR/(R),其中VR为基准电压。经运算放大器反相求和,输出的模拟量与输入的二进制数据d3,d2,d1,d0成比例。

运放输入端有4个支路,从4个开关全部断开到全部闭合,运算放大器可以得到16种不同的电流输入。这就是说,通过电阻网络,可以把0000～1111转换成大小不同的电流,从而可以在运算放大器输出端得到大小不同的电压。如果由数字0000每次增1,一直变化到1111,那么,就可以得到一个阶梯波电压,如图所示。RO=1/2R2）T型权电阻网络构成：如图所示，整个网络只需要

R和2R两种电阻。工作过程:开关K0~K3受二进制数对应位

D0~D3控制，取0时开关与地相连,该位无电流输入;取1

时开关与参考电压VR接通,

该位有电流输入。支路电阻：从图中可以看到,不管开关倒向哪一边,都可以认为是接“地”。节点A、B、C、D等效电阻为R,

这样就很容易算出各点的电位。VD＝VREFVC＝VREF/2VB＝VREF/4VA＝VREF/8I0＝VA/2R＝VREF/（8×2R）I1＝VB/2R＝VREF/（4×2R）I2＝VC/2R＝VREF/（2×2R）I3＝VD/2R＝VREF/（1×2R）总电流I＝I0D0+I1D1+I2D2+I3D3

＝VREF/2R×（1/8D0＋1/4D1＋1/2D2＋D3）RO＝RVo＝－I×RO

＝－VREF×[（D020＋D121＋D222＋D323）/24]

=-VREF×D/24输出电压Vo＝－（D/2n）×VREF3.D/A转换器的主要性能指标

1)分辨率:D/A转换器数字量变化一个LSB所对应的模拟量的变化量。即分辨率=VREF

/(V)

式中n

为D/A转换器的位数。位数多分辨率也就高。例如,一个D/A转换器能够转换8位二进制数,若转换后的电压满量程是5V,

则它能分辨的最小电压为

5V/256=19.53mV。分辨率取决于D/A转换器的位数。2)转换时间：数字量输入到输出达到最终值并稳定为止所需的时间。电流型D/A转换较快，(ns)

电压型D/A转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。3)精度：指D/A转换器实际输出电压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,例如±(1/2)LSB。11.2.2DAC0832芯片DAC0832是典型的8位电流输出型通用DAC芯片1.DAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入寄存器DGNDDI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER

●一个T型电阻网络,用来实现D/A

转换,它需要外接运算放大器,才能得到模拟电压输出。

●两级锁存器,输入和DAC寄存器。

2.DAC0832的引脚定义·CS片选信号,它和允许输入锁存信号

ILE合起来决定WR1是否起作用。·ILE允许锁存信号,高电平有效;·WR1输入寄存器的“写”选通信号,低电平有效。它作为第一级锁存信号将输入数据锁存到输入寄存器中,WR1必须和

CS、ILE同时有效。·WR2DAC寄存器的“写”选通信号。它将锁存在输入寄存器中的数据送到8位DAC

寄存器中进行锁存,此时,传送控制信号XFER必须有效。·

XFER传送控制信号,用来控制WR2。·DI7～DI0数据输入端,DI7为最高位。·IOUT1

、IOUT2模拟电流输出端。

IOUT1

随DAC寄存器的内容线性变化。当DAC寄存器中全为1时,

输出电流最大,当DAC寄存器中全为0时,输出电流为0。·RFB反馈电阻引出端,DAC0832内部已经有反馈电阻,所以,RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端,这样,

相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。·VREF参考电压输入端,-10～+10V。·VCC

芯片供电电压,+5～+15V,最佳工作状态是+15V。·AGND模拟量地,即模拟电路接地端。·DGND数字量地。3.工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE＝1，直通（输出等于输入）LE＝0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1直通方式LE1＝LE2＝1输入的数字数据直接进入D/A转换器本课程要求掌握LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1单缓冲方式LE1＝1，或者LE2＝1两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）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1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D/A转换的同时输入另一个数据；适用于多片DAC0832系统LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout14.输出方式

DAC0832为电流输出型D/A转换芯片,使用时,Rfb,IOUT1,IOUT2等3个引脚外接运算放大器,以便将转换后的电流变换成电压输出。若外接一个运算放大器为单极性输出;若使用了两个运算放大器为双极性输出。单极性电压输出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF单极性电压输出：例子设VREF＝－5VD＝FFH＝255时，最大输出电压：Vmax＝（255/256）×5V＝4.98VD＝00H时，最小输出电压：Vmin＝（0/256）×5V＝0VD＝01H时，最低有效位（LSB）电压：

VLSB＝（1/256）×5V＝19.53mVVout＝－（D/2n）×VREF输出精度的调整RfbIout2Iout1Vout+_AGND调零电位器调满刻度电位器电源+5VADI10K1M1KVREF双极性输出地线的连接DGNDAGND模拟电路数字电路ADCDAC模拟电路数字电路模拟地数字地公共接地点5.DAC0832芯片与主机的连接例：通过DA0832输出正向锯齿波2次数据输出的时间间隔02LSB1LSB255LSB254LSB锯齿波周期8255地址为218H～21BH程序

举例

MOV DX，21BH MOVAL，80H OUT DX，AL MOVDX，219H MOVAL，10H OUT DX，AL MOV DX，218H MOVAL，0HL1：OUTDX，ALCALLDELAY;调延时子程序

INC AL JMP L1改变延时时间的长短,即改变了正锯齿的斜率,也就是改变了锯齿波的周期。例：三角波是如何产生的?

硬件电路仍如下图所示。要实现三角波输出,将从0开始逐渐递增的数据送到D/A转换器,直到FFH,再从FFH依次递减到0,重复上述过程,可得到周期性的三角波电压波形,如下图所示。程序如下:LOOP:MOVAL,00HLOOP1:OUT80H,AL；80H为0832地址

INCALCALLDELAY;延时子程序

CMPAL,0FFHJNZLOOP1;递增LOOP2:OUT80H,ALDECALCALLDELAYCMPAL,00HJNZLOOP2;递减

JMPLOOP;重复11.3A/D转换器模拟量数字量模拟/数字转换器ADC

11.3.1模数转换器的基本原理ADC是把模拟量(通常是模拟电压)信号转换为n位二进制数字量信号的电路。A/D转换一般可以分为两个步骤:

取样量化。1.取样由于模拟信号在时间上是连续的,而数字信号在时间上和量值上都是离散的,所以进行模数转换时,先要按数字信号的节拍对模拟电压取样,使它变成时间上离散的信号。可见,取样就是对模拟信号周期性地抽取样值,使模拟信号变成时间上离散的脉冲串,但其取样值仍取决于取样时间内输入模拟信号的大小。2.量化：把取样电压化为最小单位电压整数倍的过程为量化。设一台8位计算机,一个数据字只有256种代码,即00000000,00000001,⋯⋯,11111111。采样后的数值,必须转换为这256种代码,计算机才能接受并处理。每一组代码都对应一个固定的模拟电平,因为一个采样值往往不恰好是某一代码的电平值。为此,选择电平最接近的代码来替代这个采样值,这个过程称为量化(即把模拟量用相应的数字量来表示)。模/数转换过程是量化过程量化单位：量化过程中所取的最小数量单位。量化误差：由于取样电压不一定能被量化单位整除,所以量化前后不可避免地存在误差。

量化误特点：①无法消除。

②ADC的位数越多,量化误差越小。

例如,把0～4V的模拟电压转换成三位二进制数表示的数字信号,

量化单位Δ=4V/8=0.5V。模拟电压在0～0.5V之间取000;

在0.5～1V之间取001;

在1～1.5V之间取010。

完成量化编码工作的电路是ADC。

ADC种类很多,按工作原理的不同,可分为间接ADC和直接ADC。间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率,然后再将这些中间量转换成数字量,如中间量是时间的双积分型ADC较为常用;直接ADC则直接将输入模拟电压转换成数字量,常用的有并联比较型ADC和逐次逼近型ADC。11.3.1A/D转换电路基本原理常用的A/D转换技术计数器式逐次逼近式双积分式

1.计数式A/D转换构成：计数器、比较器、D/A转换器比较器输出为C。当C=1时,计数器从0开始计数；

C=0时,则停止计数。工作过程:①启动信号S由高电平变为低电平,使计数器清0,当启动信号恢复高电平时,计数器准备计数。②开始时D/A转换器的输出电压Vo为

0,运算放大器在同相端的输入电压作用下,输出高电平,从而使计数信号C为1。③

计数器开始计数,D/A转换器输出电压Vo不断上升。在Vo小于Vi时,

运算放大器的输出总是保持高电平。当

Vo﹦Vi时,比较器的输出变为低电平,即C为0。④计算器停止计数,这时候的数字输出量

D7～D0就是与模拟输入电压对应的数字量。计数信号C的负向跳变也是A/D

转换的结束信号,它用来通知其他电路,

当前已经完成一次A/D转换。缺点：计数式A/D转换的缺点是速度比较慢,特别是模拟电压比较大时,转换速度更慢。设想对于一个8位的A/D转换器来说,计数器从0开始进行计数,如果输入模拟量为最大值,那么,要计到255时,才完成转换,这样,相当于需要255个计数脉冲周期。很容易算出,对于12位的A/D转换器来说,最长的转换时间达4095个脉冲周期。2.双积分式A/D转换双积分式A/D转换的电路原理如图所示。包括积分器、比较器、计数器和标准电源。工作过程：①对输入模拟量进行固定时间的积分。②然后转换为对标准电压进行反向积分。③记录反向积分时间。对标准电压进行反向积分的时间T正比于输入模拟电压。因此,只要用标准的高频时钟脉冲测定反向积分花费的时间,就可以得到输入模拟电压所对应的数字量,即实现了A/D转换。特点：精度高、干扰小,但是速度慢。3.逐次逼近式A/D转换逐次逼近式A/D转换是用得最多的一种A/D转换方法,A/D转换集成电路芯片通常都采用这种方式工作。如图所示。工作过程：①逐次逼近寄存器进行计数。

▲启动信号由高电平变为低电平时,逐次逼近寄存器清0,这时,D/A转换器输出电压Vo也为0,

▲启动信号变为高电平时,转换开始,同时,逐次逼近寄存器工作时与普通计数器不同,它不是从低位往高位逐一进行计数和进位,而是从最高位开始,通过设置试探值来进行计数。②逐次比较过程在第一个时钟脉冲时,控制电路使逐次逼近寄存器的输出为10000000,D/A转换器的输出电压Vo就成为满量程值的

128/256。这时,如果Vo大于Vi,比较器的输出为低电平,控制电路据此清除逐次逼近寄存器中的最高位;

如果Vo小于或等于Vi,则比较器输出高电平,控制电路使最高位的1保留下来。此时逐次逼近寄存器的内容为

10000000,下一个时钟脉冲使D6为1。于是,逐次逼近寄存器的值为11000000,D/A转换器的输出电压Vo到达满量程值的192/256。此后,如果Vo大于Vi,则比较器输出为低电平,从而使次高位D6复位;如果Vo小于Vi,则比较器输出为高电平,从而保留次高位D6为1。再下一个时钟脉冲对D5位置1,然后根据对Vo和Vi的比较,决定保留还是清除D5位上的1⋯⋯重复上述过程,直到D0=1,再与输入电压比较。③结果输出经过N次比较以后,逐次逼近寄存器中得到的值就是转换后的数据。转换结束以后,控制电路送出一个低电平作为结束信号,这个信号的下降沿将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器,从而得到数字量输出。

特点：

①对半比较法，逐次逼近寄存器首先将最高位置1,取最大允许电压的1/2与输入电压比较；此后,次高位置1,相当于在1/2

范围中再作对半搜索。

②速度快，用8个时钟脉冲就可以完成8位转换。11.3.2ADC0809芯片具有A/D转换的基本功能CMOS工艺制作8位逐次逼近式ADC转换时间为100s包含扩展部件多路开关三态锁存缓冲器1.构成：ADC0809的逻辑结构如图,

其内部分为三个部分。

1）模拟输入部分

8选1多路模拟开关、地址锁存与译码逻辑电路。

IN0～IN7引脚：输入8路单端模拟信号,由三位地址

ADDA,ADDB,ADDC

选择8路中的一路输入。

ALE：高电平锁存三个地址。2）A/D变换器部分由逐次逼近寄存器SAR(8位)、比较器、电阻网络等控制逻辑组成。基准电压VREF(+)和VREF(-)决定了输入模拟电压的最大值和最小值3）输出锁存缓冲器

OE：输出允许，高电平有效2.ADC0809的时序

ADC0809的一次转换分为以下几个阶段:1)模拟信号选择在ALE信号的作用下,地址引脚

ADDA～ADDC上的信号被锁存。随后,

由地址引脚选择的模拟信号被多路开关接通,进入ADC0809;2)启动A/D转换器在启动脉冲START的作用下,A/D

转换开始。3)A/D转换结束信号EOC由低电平变为高电平,该信号可以作为状态信号由CPU查询,

也可以作为中断请求信号通知CPU,

一次A/D转换已经完成。4)数据输出

CPU执行读ADC0809数据端口的指令,该指令经地址译码电路产生

OE有效信号,打开输出三态缓冲器,转换结果经数据总线进入CPU。ADC0809的内部结构图ADC0809地址锁存和译码OE通道选择开关ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位三态锁存缓冲器DACVcc比较器CLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC28个管脚的功能：（1）IN0-IN78个模拟量输入（2）START启动A/D转换器信号（高电平有效）（3）EOC转换结束信号（转换过程中为低电平，转换完了为高电平）（4）OE输出允许信号（高电平有效）（5）CLK实时时钟（6）ALE：地址锁存允许，高电平有效，允许CBA所示通道被选中。（7）ADDC.ADDB.ADDA:通道号端子，接地址线A2.A1.A0（8）D7-D0数字量输出端（9）VREF（+）=+5VVREF（-）=0V（10）VCC：电源电压+5V（11）GRD：地11.3.3ADC芯片的应用1、接口的任务：

1）发启动信号

2）读转换结束信号

3）读取转换数据2、接口形式：

1）用I/O接口芯片。

2）与CPU直接相连例：通过8255A与8086系统的接口。

ADC0809的输出数据通过8255A的

PA口输入给CPU,而地址输入信号

ADDA、ADDB和ADDC以及地址锁存信号ALE由8255A的PB口的PB3～PB0

提供。A/D转换的状态信息EOC则由PC4输入。CLK必须外加时钟

(1MHz以下)。以查询方式读取A/D

转换后的结果,A口为输入,B口为输出,均为方式0,PC4为输入。D0~D7A/D转换程序如下:START:MOVAL,98H;8255A方式字:

方式0,A口输入,B口输出

MOVDX,0323H;8255A控制端口地址

OUTDX,AL;送8255A方式字

MOVAL,0BH;选IN3输入端和地址输入信号

MOVDX,321H;8255A的B口地址

OUTDX,AL;送IN3通道地址,

同时使ALE=1MOVAL,1BH;PB4=1,亦START=1OUTDX,AL;启动A/D转换

MOVAL,0BH;OUTDX,AL;PB4=0,亦START=0MOVDX,322H;8255A的C口地址TST:INAL,DX;读C口状态

ANDAL,10H;查询EOC状态

JZTST;如未转换完,再测试,

转换完则继续

MOVDX,320H;8255PA端口地址

INAL,DX;从A端口输入转换结果例:ADC0809通过8255A同8086CPU

的接口如图所示。

Y0的地址范围为80H～83H,Y1的地址范围为84H～87H,8255A设定为方式0工作,

从输入通道IN5输入1个模拟量,

试编写经ADC0809转换后的数字量读入8086CPU的AL的控制程序?

工作过程(1)通过8255A的PB口选中所需输入通道IN5,启动ADC0809转换,启动信号正脉冲送ADC0809的START

和ALE引脚;(2)查询8255A的PC7以确定ADC0809

是否转换结束;(3)若A/D转换结束(PC7为高电平),

需打开ADC0809的输出缓冲器(使

OE有效),然后读入A/D转换后的数字量。

MOVAL,88HOUT83H,ALMOVAL,05HOUT81H,ALADDAL,10HOUT81H,AL;产生ALE上升沿

SUBAL,10HOUT81H,AL；产生START下降升沿LOP:INAL,82HTESTAL,80H；检测EOC信号

JZLOPINAL,84HHLT例AD0809的IN0输入一个0～5V的电压。若电压为0～1.25V，则第一个灯亮；电压为1.25～2.5V，则第二个灯亮；电压为2.5～3.75V，则第三个灯亮；电压为3.75～5V，则第四个灯亮。D0D7D7~D08255初始化启动0809选择通道0EOC=1？读数据》1.25V？》2.5V》3.75VPB0亮PB1亮PB2亮PB3亮NNNN

MOV DX，21BH MOV AL，90H OUT DX，AL ；初始化8255 MOVDX，220H OUTDX，AL ；启动AD转换，无所谓 ；送什么数，只是使IOW和Y4均为0LOOP1： MOV DX，218HL1： INAL，DX ；读入EOC状态

AND AL，01H JZL1 ；AD转换是否结束

MOV DX，220H IN AL，DX ；读入转换后的电压值

MOV AH，AL ；送AH暂存

CMP AL，40H ；将此值与1.25V对 ；应的40H比较

JGE BIG1 ；若大，则转移至BIG1 MOV DX，219H MOV AL，0FEH OUT DX，AL ；否则，PB0对应灯亮

JMP LOOP1 ；无条件转移至LOOP1BIG1：CMPAL，80H ；将此值与2.5V对 ；应的80H比较

JGE BIG2 ；若大，则转移至BIG2

MOV DX，219H MOV AL，0FDH OUT DX，AL；否则，PB1对应灯亮

JMP LOOP1 ；无条件转移至LOOP1BIG2：CMP AL，C0H ；将此值与3.75V对 ；应的C0H比较

JGE BIG3 ；若大，则转移至BIG3 MOV DX，219H MOV AL，0FBH OUT DX，AL ；否则，PB2对应灯亮

JMP LOOP1 ；无条件转移至LOOP1BIG3：MOV DX，219H MOV AL，07H OUT DX，AL ；PB3对应灯亮

JMP LOOP1 ；无条件转移至LOOP1课堂练习试完成