微机接口技术第4章

1、微 机 接 口 技 术,第 四 章 数/模、模/数 转换接口,第 4 章 数/模、模/数转换接口,4.0 数/模和模/数转换概述 4.1 数/模（D/A）转换 4.2 模/数（A/D）转换 4.3 数/模、模/数通道设计,1) 数/模(D/A )转换和模/数(A/D)转换的目的与发展 微型计算机处理的是数字量，而实际上外界输入系统的信息大多是模拟量，如：温度、压力、流量、浓度、速度、水位、距离等等，这些都是非电的物理量，它们必须经过适当的转换才能为微机处理。将模拟量转换为数字量称为A/D转换，又称为量化过程。 许多执行部件需要由模拟信号来驱动。由微机加工处理后的数字量转换为模拟量，称为D/A转

2、换。 A/D转换和D/A转换互为逆过程。,4.0 数/模和模/数转换概述,数/模转换器（DAC）和模/数转换器（ADC）在微机实时测量/控制系统中模拟量I/O通道接口的应用。,2) 数/模(D/A )转换和模/数(A/D)转换的类型,数字电压、电压数字； 电压频率(脉宽)、频率(脉宽) 电压； 轴角数字、数字轴角；,4.1.1 D/A转换器原理,D/A转换器是把数字量转换为对应成比例的电流或电压信号的接口。 D/A转换器是将数字量每一位的代码按照位权转换为对应的模拟量值，再把它们相加，求和得到的便是与数字量对应的模拟量值。 D/A转换电路 把数字量输入作为电子开关的控制电平，使所有电子开关和电

3、阻网络一起工作，在以基准电压为参照下得到输出用二进制加权合成的模拟电流，再利用外接运算放大器完成模拟电流到模拟电压的转换。,4.1 数/模（D/A）转换,1) 权电阻网络D/A转换器的原理,1) 权电阻网络D/A转换器的原理,1) 权电阻网络D/A转换器的原理,2) T型电阻网络D/A转换器原理,输出模拟量Vo与n位输入数字量之间关系的一般表达式为： VO = -VREF RF(2nR) (Dn-12n-1+ Dn-22n-2+ +D121+D020) ( Di=1或0 ),4.1.2 D/A转换器性能参数, 分辨率：( Resolution ) 分辨率是指最小输出电压（输入数字量为1所引起的

4、输出电压）和最大输出电压之比，表示DAC所能输出最小模拟信号的分辩能力。对于一个n位的DAC，分辨率为1/(2n-1)。 转换精度： ( Conversion Accuracy ) DAC的转换精度与D/A转换芯片的结构（主要是分辨率）、外部电路配置和电源误差等有关， 绝对精度：输出模拟电压的实际值与理想值之差。 相对精度：绝对转换精度相对于满量程输出的百分比，或模拟分辨率量值的二分之一，1/2 LSB。, 转换速率 ( Conversion Tempi ) 模拟输出电压的最大变化速度，单位为V/ms。 建立时间 (Settling Time) 当数字输入发生满量程的变化，DAC的模拟输出电压

5、稳定达到规定值时所需要的时间，规定值一般指最终值1/2LSB。 线性误差 (Linearity Error) 理想情况下DAC的转换特性是线性的，实际输出不是理想线性。实际转换特性偏离理想转换特性的最大值称为线性误差。 影响DAC的环境因素主要是温度和电源电压的变化。,4.1.3 DAC0832数/模转换芯片,DAC0832是采用R-2R T型电阻网络的8位D/A转换器。数字输入端具有双重缓冲功能，可以双缓冲、单缓冲或直接输入，特别适用于要求几个模拟量同时输出的场合，与微处理器接口很方便。 DAC0832主要性能参数： 分辨率8位； 转换时间1s； 参考电压10V； 单电源+5V+15V； 功

6、耗20mW。,1) DAC0832的结构及管脚特性, RFB ：反馈电阻，已被制作在芯片内； VREF ：基准电压输入； DGND：数字地，芯片数字电路接地点。VCC ：电源电压； AGND：模拟地，芯片模拟电路接地点。,2) DAC0832的工作方式,单缓冲方式：控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收数据，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。（使用的最多） 双缓冲方式：先使输入寄存器接收数据，再控制输入寄存器的输出数据到DAC寄存器，即分两次锁存输入数据。 直通方式：转换数据不经过两级锁存器锁存。（很少使用）,3) DAC0832单缓冲方式连接例,4) DAC0832三路单极性模拟

7、量同时输出,5) DAC0832与CPU的接口,4.1.4 AD7522数/模转换芯片 AD7522是CMOS数/模转换芯片。数字输入端具有双重锁存，不仅可以锁存10位并行数码，还可以接纳串行信息。具有一对互补的电流输出。输出增益可通过反馈电阻改变。 分辨率10位； 建立时间500ns； 增益温度系数1010-6/； 输入TTL或CMOS电平； 功耗20mW；,1) AD7522的引脚及功能部件框图,2) AD7522单极性工作输出接线图,3) AD7522与CPU的接口,3个口地址安排为98H，99H和9AH，分别用于选通10位数字的低字节、高字节和打入D/A寄存器。,4) 例 设待转换的1

8、0位数据预先已由其它程序放入定义保留的从DATA开始的两个单元中。微处理器执行下列程序段就能实现把10位数字数据送入AD7522并进行转换，给出模拟输出。 MOV BX，OFFESET DATA ； MOV AL，BX； OUT 98H，AL ；数据的低8位送低8位锁存器 INC BX MOV AL，BX； OUT 99H，AL ；数据的高2位送高2位锁存器 OUT 9AH，AL ；10位数据(锁存在输入缓冲器中的)送入 DAC寄存器并开始转换,4.2.1 从物理信号到电信号的转换,4.2 模/数（A/D）转换,A/D转换器的作用是将模拟的电信号转换成数字信号。在将外界的物理量转换成数字量之前

9、，必须先将物理量转换成电模拟量，这种转换是靠传感器完成的。传感器一般是指能够进行非电量和电量之间转换的敏感元件，下面列举几种典型的传感器: （1）温度传感器： （2）湿度传感器： （3）气敏传感器： （4）压电式和压阻式传感器： （5）光纤传感器：,A/D转换将采样的模拟电压转换成与之对应的二进制数码整个过程通常分四步进行： 采样保持量化编码,4.2.2 采样、量化与编码,1) A/D的采样和保持 A/D的采样 是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散变化的模拟量，或者说，采样是在一个等时间间隔（称为采样周期）的某一点上测量输入模拟量的信号大小，使A/D转换能在采样周期内用一个不变的值代

10、替在该时间间隔内连续变化着的输入模拟值。 A/D的保持是将采样得到的模拟量值保持一段稳定期间，使得A/D转换能可靠进行。,2) 量化 A/D的量化 是将采样/保持得到的模拟电压值转化成一个基本量化单位的整数倍的过程。这一过程实质上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和数字上都是离散的、量化的等效数字值。量化就是把采样/保持的模拟量值取整数（会出现量化误差）的过程。 3) 编码 A/D的编码 就是把已经量化的模拟数值（一定是量化单位的整数倍）用n位二进制编码形式表示。,4.2.3 A/D转换器的工作原理,A/D转换可分成两大类：直接转换法和间接转换法。 直接转换法常用的有

11、计数法、逐次逼近法等。 间接转换法有双积分法、电压频率转换法等。 最通用A/D转换方法： 计数式ADC 逐次逼近式ADC,1) 计数式ADC原理图,2) 逐次逼近式ADC原理图,A/D转换过程示意图,4.2.4 A/D转换器性能参数,分辨率：ADC的分辨率是能够分辨的最小量化信号的能力，即输出的数字量变化1所需输入模拟电压的变化量，通常用二进制位数来表示。对于n位的ADC，分辨率为2n位。 量化误差：量化误差是在A/D转换中由于取整量化所产生的固有误差。对于舍入（四舍五入）量化法，量化误差在1/2LSB之间。 转换时间和转换率：完成一次A/D转换所需要的时间，为ADC的转换时间。转换时间的倒数

12、，即转换率。 转换精度：转换精度反映了ADC的实际输出接近理想输出的精确程度，通常用数字量的最低有效位当量（ 数字量最低有效位对应的模拟量 ）表示。,4.2.5 ADC0809及其接口电路,ADC0809是有8个模拟量输入通道采用逐次逼近法的8位A/D转换器。 1) ADC0809主要性能参数 分辨率为8位，； 8个模拟量输入通道； 转换时间100s ； 模拟输入电压范围：单极性为05V，双极性为5V； 功耗15mW。 单一电源+5V；,2) ADC0809的内部结构,比较器,3) ADC0809的引脚功能, IN0IN7：8路模拟通道输入线。 ADDA，ADDB，ADDC： IN0IN7模拟

13、通道地址选择线。 ALE：地址锁存允许信号。将ADDA，ADDB，ADDC三位地址信号 锁存并译码选通对应的模拟通道。 START：启动转换信号。START正脉冲的上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿启动A/D开始转换。 EOC：转换结束信号。 EOC在转换时为低电平，当转换结束，数据锁存到输出缓冲器后变为高电平。 D7D0：8位转换数据三态输出线。 OE：输出允许信号。当高电平时，打开三态输出缓冲器， 把数据送到数据总线上，供CPU读取。 VREF(+)，VREF(-)：基准电压输入端，要求VREF(+)+VREF(-)=VCC，偏差值0.1V。 CLOCK：工作时钟。,4) ADC0809与

14、系统总线连接,ADC0809与8088CPU接口,ADC0809与8086CPU接口,4.3 D/A、A/D通道设计,A/D、D/A通道设计主要是以下虚框结构部分。,1) A/D通道的结构形式例,2) D/A通道的结构形式例,4.3.1 多路模拟开关,在实时控制和在实时数据采集系统中，被控或被测的往往是几路或几十路信息。最常用的技术是采用公共的A/D、D/A转换电路，用多路模拟开关进行多个通道的转换。 多路模拟开关是多通道A/D、D/A转换系统重要的器件之一。为提高系统精度和速度，有3点基本要求： 当切换开关接通时，它的导通静态电阻无穷小。 当切换开关断开时，它的开路静态电阻无穷大，即开关的泄

15、漏电流越小越好(0.5nA1nA)。 切换速度越快越好（延迟时间一般为100 ns0.8s）。,4.3.2 采样/保持器（S/H）,1) 采样/保持器（S/H）是将一个在时间上连续的信号受一个采样脉冲周期性控制，变成一个在时间上离散的信号，并在A/D转换期间保持不变。即采样/保持器具有采样和保持两个稳定状态 。,2) 采样/保持器的性能参数,采样/保持器（S/H）的主要性能参数有： 孔径时间：从发保持命令到开关断开所需要的时间； 采样时间：从发采样命令到S/H的输出电压由保持值达到输入信号当前值所需要的时间； 保持电压衰减速率：在保持状态下，由漏电流引起的保持电压衰减速度。,4.3.3 A/D

16、、D/A通道的结构形式,1) A/D通道的结构形式 不带S/H的单通道：常用于直流或低频模拟信号的A/D转换。 带S/H的单通道：常用于高速模拟信号的A/D转换。 共享S/H和A/D转换器的多通道：这种形式的通道，速度慢，硬件开销少，对转换速度要求不高的系统最为适合。 各通道自带S/H，但共享A/D转换器的多通道：每个通道的A/D转换是经模拟多路开关分时串行进行的，故速度较慢。 每个通道各自带有S/H和A/D转换器的并行多通道：各通道同时进行转换，常用于需要同时给出多个数据项描述且转换速率高的系统。,2) D/A通道的结构形式,带数据锁存器的D/A转换单通道： 带保持器输出的D/A转换单通道：

17、靠保持器的电容记忆功能维持输出模拟量，故不能长久保持模拟量信息不变，必须定时刷新。 每个通道各自带有数据锁存器和D/A转换器的并行多通道：一般用于高速系统。 共享D/A转换器的多通道：由于共享D/A转换器，速度较慢。模拟输出端靠保持电容维持模拟信息，需要定时刷新。,4.3.4 A/D、D/A通道设计例,【例8.4】IBM PC/XT微机控制一个模拟量输入/输出接口。 该系统的模拟量输入通道数为16路，分辨率12位，模拟量输出通道数为2路，分辨率8位。数据采集部分采用共享S/H和ADC的A/D多通道形式，A/D转换器与CPU之间数据传输采用查询方式。数据控制部分采用并行D/A多通道形式，2路D/

18、A转换同时进行。 系统的A/D转换接口主要由模拟多路开关AD7506（161），采样保持器AD582，12位A/D转换器（采用快速逐次逼近转换方式） AD574A组成。 系统的D/A转换接口主要由8位D/A转换器DAC0832，运算放大器LF351组成。 系统的接口地址译码电路采用74LS138译码器，Y0Y7是8个连续的I/O端口地址选通端，设为0210H0217H（0214H未用）。,A/D转换工作过程, 选择通道。选定通道的输入模拟信号，通过AD7506进入采样保持器AD582输入端+IN。 启动AD582的A/D转换（通过“虚写”操作）。 查询AD582的A/D转换是否结束。 转换结束，读取