第07章 模数与数模转换

1、第7章模数与数模转换,7.1模数转换芯片ADC08097.2数模转换芯片DAC0832,A/D与D/A接口能够把模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器（ADC）。能够把数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器（DAC）。D/A与A/D转换是计算机用于工业控制等领域的一项重要技术，其在控制系统中的作用如下图所示。它主要由以下几个部件组成：,7.1模数转换芯片ADC0809,ADC0809电路连接图,针对右图实现编程控制,学习导引,硬件结构决定着程序设计，在程序设计时应该考虑的问题ADC0809的功能是什么？如何编程控制ADC0809？ADC0809实现模数转换的基本原理是什么？ADC0809的引脚

2、功能是什么？ADC0809的内部结构？ADC0809的控制步骤？在掌握ADC0809编程控制的基本知识后，接下来呢如何确定ADC0809的端口地址？如何对ADC0809进行读写操作？,以应用简介ADC0809功能,基本转换原理？,8位计数式A/D转换原理,逐次逼近式A/D转换原理（0809采用）,ADC主要有以下性能指标：(1)分辨率分辨率表明了A/D转换器能够分辨最小的模拟信号的能力，即V/2n(n为转换的数据宽度).分辨率仅表明了A/D转换器在理论上可以达到的精度。(2)转换精度转换精度是A/D转换器实际输出值和理想输出值的误差,可用绝对精度或相对精度来表示。绝对精度：绝对精度等于实际转换

3、结果与理论转换结果之差，通常以数字量的最小有效位（LSB）的分数值来表示。例如，1LSB，1/2LSB，1/4LSB等。相对精度：相对精度是绝对精度与模拟电压满量程的百分比.,(3)转换时间转换时间是指模拟信号输入启动转换到转换结束，输出达到最终值并稳定所经历的时间.A/D转换芯片ADC0809主要技术指标如下：*分辨率：8位；*转换方法：逐次逼近法；*转换时间：100s；*输入模拟电压范围：8路模拟电压均为05V；*电源电压：5V。,图ADC0809引脚图,ADC0809的引脚,和CPU三总线相连的引脚D7D0：8位数字量输出引脚。ADDA、ADDB、ADDC：通道地址选择信号，其中，ADD

4、A为低位，ADDC为高位。ADDC、ADDB、ADDA的111000对应IN7IN0。START：A/D转换启动信号。当START引脚出现一个宽度不小于100us的高电平时，使逐次逼近寄存器清0，并启动0809开始转换。ALE：地址锁存允许信号，当引脚出现一个宽度不小于100us的高电平时，锁存ADDA、ADDB、ADDC通道地址选择信号。OE：允许输出信号，当OE1时，打开0809内部的输出锁存器，把ADC的转换结果送往数据总线D0D7。EOC：转换结束指示。该引脚在转换开始及转换中间均为低电平。转换结束后，EOC呈现高电平，该引脚可用于向CPU提出中断请求。,其他引脚IN0IN7：8路模拟

5、输入，具体由ADDA、ADDB、ADDC三位地址编码选择其中的一路。VREF(+)、VREF（）：二个参考电压输入引脚，通常参考电压从VREF(+)端引入，而VREF（）与模拟地AGND相连。当VREF(+)接5V时，输入电压范围为0V5V。CLK：时钟输入信号，要求频率为10kHz1.2MHz。典型值为640kHz）。GND：ADC的数字接地端。,ADC0809内部结构,图ADC0809的时序图ADC0809的一次转换分为以下4个阶段：1，在ALE信号的作用下，地址引脚ADDCADDA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，在启动脉冲START的

6、作用下，A/D转换开始。,3，转换完成后，ADC0809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，CPU在查询式I/O程序或中断服务程序中执行读ADC0809数据端口的指令，该指令经地址译码电路产生高电平，OE有效信号，打开输出三态缓冲器，转换结果通过系统数据总线进入CPU。,图ADC0809的时序图,构思：ADC0809电路连接,ADC0809采取三总线方式与CPU相连ADC0809的数据线连接？ADC0809三根地址线的连接？ADC0809的控制线和状态线呢？必须使START引脚输入高电平才可以启动

7、转换；必须使ALE引脚输入高电平才可以锁存地址信号，选中被转换的INn引脚。（注：这两个引脚可以被CPU同时控制）若想将转换数据传送到数据总线，从而进入到CPU，必须使OE引脚输入1（当然由CPU控制输入），该信号如何控制？EOC引脚如何使用？程序控制方式与EOC引脚有什么关联？ADC0809有片选信号么？如何确定0809的端口地址？ADC0809的其他引脚：CLK,REF+,REF-,电路连接雏形,设计：ADC0809硬件电路连接,IN0_ADREQU300H;11XXXXX000BDSEGSEGMENTRLTDB?DSEGENDSCSEGSEGMENTASSUMEDS:DSEG,CS:CS

8、EGSTART:MOVAX,DSEGMOVDS,AXMOVDX,IN0_ADRMOVAL,X;写入什么数值无所谓OUTDX,AL;关键是发出写操作，该操作会使START与ALE信号有效，锁定对IN0引脚输入并转换CALLDELAYMOVDX,IN0_ADRINAL,DX;MOVRLT,ALMOVAX,4C00HINT21HCSEGENDS,上例的控制程序|实现,如何编程控制，启动两路转换,与CPU的又一连接方案ADC0809的接口设计需考虑的问题如下：ADDA、ADDB、ADDC三端可直接连接到CPU地址总线A0、A1、A2端，但此种方法占用的I/O口地址多。每一个模拟输入端对应一个口地址，8

9、个模拟输入端占用8个口地址，对于微机系统外设资源的占用太多，因而一般ADDA、ADDB、ADDC分别接在数据总线的D0、D1、D2端，通过数据线输出一个控制字作为模拟通道选择的控制信号。ALE信号为启动ADC0809选择开关的控制信号，该控制信号可以和启动转换信号START同时有效。,针对上一连接方案的硬件连线图,如果引入了中断，程序如何？,（4）采样保持电路采样/保持电路包括采样和保持两种状态。采样状态下电路输出跟随输入的模拟电压，保持状态下电路输出保持采样结束瞬间的模拟信号状态。基本的采样/保持电路如图所示（下图），由状态控制开关、运算放大器A1、A2和保持电容C组成。,实验要求,将ADC

10、单元中提供的0V5V信号源作为ADC0809的模拟输入量，并将通过转换所得到的8位数字量显示在计算机屏幕上，显示形式为：“AD0809：IN0XX”,实验连线,AD0809EQU0A800H;AD0809的端口地址为0A800DATASEGMENTDTABLEDB“ADC0809:IN0$”;在屏幕中显示AD0809:IN0 xxDATAENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATAMOVAX,DATAMOVDS,AX,START:MOVDX,AD0809OUTDX,AL;启动AD0809转换过程CALLDELAYMOVDX,AD0809INAL，DX;从AD0809

11、读入转换的数据CALLSHOWCALLDELAYMOVDL,0DHMOVAH,02HINT21H;输出回车字符，让光标回到行首MOVAH,06HMOVDL,0FFHINT21HJNESTOP;判断是否有键盘输入，如果有则退出JMPSTARTSTOP:MOVAX,4C00HINT21H,DELAYPROCPUSHCXPUSHAXMOVCX,4000HOUTER:MOVAX,0600HINNER:DECAXJNZINNERLOOPOUTERPOPAXPOPCXRETDELAYENDPSHOWPROC。;将字符串DTABLE的内容，以及转换过的数据（数据在AL中存放）显示出来RETSHOWENDP,

12、若要理解D/A转换，必须理解运算放大器的应用,7.2数模转换芯片DAC0832,ri大:几十k几百k,1.运放的特点：,KCMRR很大,ro小：几十几百,Ao很大:104107,2.运放符号：,国际符号,国内符号,集成运算放大器,理想运算放大器特点:(1)输入阻抗ri非常大(2)输出阻抗ro很小(3)开环放大倍数A0非常高,3.理想的集成运放重要特点：,（1）虚短在线性工作区，由于uo为有限值，对于理想运放AOd，因而净输入电压uu0。即uu0此等式说明，运放的两个输入端虽然没有短路，却具有与短路相同的特征，这种情况称为两个输入端“虚短路”，简称“虚短”。,（2）虚断因为理想运放的输入电阻为无

13、穷大，所以流入理想运放两个输入端的输入电流ii0。此等式说明理想集成运放的两个输入端虽然没有断路，却具有与断路相同的特征，这种情况称为两个输入端“虚断路”，简称“虚断”。,运算放大器三种基本的电路形式：,(1)反相比例运算放大器,虚地点,i1=iF+ib-=iF,ib-=0,ib+=0,u+=0,u=u+=0,平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):RP=R1/RF,F,例题1.R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo，RP应为多大？,Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo=Auui=(-2)(-1)=2VRP=R1/RF=10/20=6.7k,(2)同相比例运算放大器,u-

14、=u+=ui,ib+=0,ib-=0,iF=if,RP=Rf/RF,例题2.Rf=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo，RP应为多大？,uo=Auui=(3)(-1)=-3VRP=Rf/RF=10/20=6.7k,(3)差动放大器,ib+=0,ib-=0,u-=u+,当RF=0时,Au=1,uo=ui,(4)电压跟随器,此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,(5)反相求和运算：,虚地,若R1=R2=R,取RP=R1/R2/RF,i1+i2=iF,(6)同相求和运算：,取R1/R2=RF/Rf,3.理想的集成运放重要

15、特点：,（1）虚短在线性工作区，由于uo为有限值，对于理想运放AOd，因而净输入电压uu0。即uu0此等式说明，运放的两个输入端虽然没有短路，却具有与短路相同的特征，这种情况称为两个输入端“虚短路”，简称“虚短”。,（2）虚断因为理想运放的输入电阻为无穷大，所以流入理想运放两个输入端的输入电流ii0。此等式说明理想集成运放的两个输入端虽然没有断路，却具有与断路相同的特征，这种情况称为两个输入端“虚断路”，简称“虚断”。,D/A转换器的工作原理D/A转换器的作用是把二进制数字量转换成相应的模拟量。实现数/模（D/A）转换的方法比较多，这里介绍其中的两种。1权电阻DAC下图是权电阻D/A转换的典型

16、电路。电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器组成。权电阻DAC虽然简单、直观，但当输入的二进制位数比较多时，各个权电阻的阻值相差太大，也难以保证制造精度。,2T型电阻网络DAC实际应用的D/A转换器，普遍采用T型电阻网络，其结构如下图所示。T型电阻网络整个系统的电阻仅由R和2R两种电阻组成，实现简单，应用广泛。,二、倒T型电阻网络D/A转换器,1.原理：,电阻网络特点：,模拟开关Si不论接何位置，都相当于接地。,任意节点向左看的等效电阻皆为R。,公式推导,倒T型,3D/A转换器的性能参数（1）分辨率这个参数反映了D/A转换器对模拟量的分辨能力，是最小输出电压（对应的输入数字量只有D0位

17、为1）与最大输出电压（对应的输入数字量所有位全为1）之比。（2）转换精度转换精度表明了模拟输出实际值与理想值之间的偏差。精度可分为绝对精度和相对精度。它通常用零点几LSB（最低有效位）表示，或用满刻度的百分之几表示。D/A转换器的转换精度与D/A转换器本身的芯片结构和外接电路的配置有关，外接运算放大器、参考电源等都可影响D/A转换器的精度。（3）建立时间建立时间是指从数字输入端发生变化开始，到输出模拟值稳定在额定值的1/2LSB时所需的时间。它是表明D/A转换速度的一个重要参数。,4D/A转换器08320832特点：（1）分辨率为8位；（2）转换精度0.2%FSR（3）电流稳定时间1s；（4）

18、可单、双缓冲数据输入或直接数据输入；（5）单一电源供电（515V）；（6）低功耗（20mW）。,4D/A转换器0832与CPU相连引脚DI7DI0:8位数字量输入数据线，DI7为最高位。CS：片选信号，低电平有效。ILE：数据寄存器允许，高电平有效。WR1：输入寄存器写选通信号,低电平有效.WR2：DAC寄存器写选通信号，低电平有效.WR2与XFER同时有效时将输入寄存器的数据装入DAC寄存。XFER：数据传送信号，低电平有效。,其他引脚Iout1：输出电流1，与数字量的大小成正比。Iout2：输出电流2，（Iout1+Iout2=常数）。Rfb：反馈电阻输入引脚，反馈电阻在芯片内部，可与运算

19、放大器的输出直接相连。VREF：基准电源输入引脚。Vcc：电源输入引脚，电压范围为5V15V。AGND：模拟地。DGND：数字地。,DAC0832的内部结构,DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A变换器构成。由于有两个寄存器，可以进行两次缓冲操作。转换输出的结果为与输入数字量大小成正比的模拟电流信号。,4DAC0832的工作方式DAC0832在不同信号组合的控制之下可实现直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。（1）直通方式：当ILE1,CS0，WR10，WR20，XFER0时，有LE11和LE21，输入寄存器和DAC寄存器的输出均随输入的变化而变化，对CPU送来的数据不进行缓冲，而是直接送到DAC转换器进行转换。（2）单缓冲方式：当WR20，XFER0，ILE1时，DAC寄存器为直通。CS、WR1有效之后，输入寄存器也处于直通状态，但当WR1由低电平变为高电平时，会有LE10，此时输入数据被锁存到输入寄存器中，输入寄存器的输出不再随外部数据的变化而变化。这样就进行了一级缓冲。另一方面，也可以使输入寄存器为直通，而D