微型计算机原理及应用课件adda.ppt

1、第七章 数/模和模/数转换,7.6.1 概述 7.6.2 数/模（D/A）转换 7.6.3 模数（A/D）转换 7.6.4 采样保持电路（略）,7.6.1 概述,一、问题的提出 当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐等）。A/D转换器完成模拟量数定量的转换，D/A转换器完成数字量模拟量的转换。,二、模拟接口 定义：A/D D/A转换器可视作一

2、外部设备 功能： 将微机系统的离散的数字信号和设备中连续变化的模拟量两者建立适配关系，使CPU能进行 控制与监测。,三、模拟输入输出系统,传感器 将各种现场的物理量测量出来 并转换成电信号（模拟电压或电流）,放大器 把传感器输出的信号放大到ADC所需 的量程范围,低通滤波器 用于降低噪声、滤去高频干扰， 以增加信噪比,多路开关 把多个现场信号分时地接通到A/D转换器,采样保持器 周期性地采样连续信号， 并在A/D转换期间保持不变,一、D/A变换器的基本构成,模拟开关 电阻网络 运算放大器,权电阻网络 R-2R梯形电阻网络,Vref,Rf,模拟开关 电阻网络,VO,数字量,7.6.2 数/模（D

3、/A）转换,二、基本变换原理,运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为：,Vin,Rf,VO,R,若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：,Vin,Rf,VO,R1,Rn,令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref，则有,如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为,若Si=1,该项对VO有贡献； 若Si=0,该项对VO无贡献,权电阻网络,2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R,Vref,Rf,VO,S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8,这里，上式中的n=

4、8,如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，则不同的二进制代码就对应不同输出电压VO； 当代码在0FFH之间变化时，VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化； 为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。,R-2R梯形电阻网络,由T型电阻网络和运算放大器构成的D/A转换器,当输入的数字量不同时，通过电子开关使电阻网络中的不同电阻和基准电压接通，在运算放大器的输入端产生和二进制数各位的权成比例的电流，再经放大器将电流转换为与输入二进制数成正比的输出电压。,T型电阻网络中，节点

5、D的右边为两个2R的电阻并联，它们的等效电阻为R，几点C右边也是两个2R的电阻并联，结果等效电阻也是R ，以此类推，最后，在A点等效于一个数值为R的电阻连在参考电压VREF上。这样各点的电压分别为: Va= VREF， Vb= VREF /2， Vc= VREF /4， Vd= VREF /8 当开关接通Iout1时，各点的电流为： I0 = Vd/2R，I1 = Vc/2R ,I2 = Vb/2R, I3 = Va/2R 根据线性电路的叠加原理，输出电流Iout1就是： Iout1 = I0 + I1 + I2 + I3 = (VREF /2R)*(1/8+1/4+1/2+1) 然后通过运算

6、放大器的反相输出，得到电压输出Vout=- Iout1 Rfb。令Rfb =R，则： Vout = VREF * (20+21+22+23)/24 将上述电路推广到n位转换器，则有： Vout=(20*D0+21*D1+22*D2+2n-1*Dn-1)/2n* VREF 其中D0Dn-1 表示相应的二进制位。,三、主要技术指标,1、分辨率（Resolution） 输入的二进制数每1个最低有效位 (LSB)使输出变化的程度。 分辨率的表示有两种： 最小输出电压与最大输出电压之比 用输入端待进行转换的二进制数的位数来表示， 位数越多，分辨率越高。 分辨率的表示式为： 分辨率=Vref/2位数或 分

7、辨率=（V+ref+V-ref)/2位数 若Vref=5V，8位的D/A转换器分辨率为5/256=20mV。,分辨率举例,一个满量程为5V的10位D/A变换器，1 LSB的变化将使输出变化 5/210 = 5/1024 = 0.00488V = 4.88mV （LSB-Least Significant Bit）,2、转换精度（误差）,实际输出值与理论值之间的最大偏差 可用最小量化阶来度量： =1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量： 如0.05% FSR (FSR-Full Scale Range),3、转换时间,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,t,V

8、,1/2 LSB,tC,VFULL,4、线性度 当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按比例变化的程度。 线性误差 模拟量输出值与理想输出值之间偏离的最大值。,DAC（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能 器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不 同的要求， DAC的输入输出特性一般考虑以下几方面： （1）输入缓冲能力：DAC的输入缓冲能力是非常重要的，具有 缓冲能力（数据寄存器）的DAC芯片可直接与CPU或系统总线相 连，否则必须添加锁存器。 （2）输入码制：DAC输入有二进制和BCD码两种，对于单极性DAC可接收二进制和BCD码；双极性DAC接收偏移二进制或补码。

9、,二、DAC的输入输出特性：,（3）输出类型：DAC输出有电流型和电压型两种，用户可根据需要选择，也可进行电流电压转换。 （4）输出极性：DAC有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DAC芯片。,1、接口的功能（ CPU给DAC送数据无须条件查询） DAC芯片与CPU或系统总线连接时，可从数据总线宽度是 否与DAC位数据匹配、DAC是否具有数据寄存器两个方面来考虑，所以接口的功能主要考虑以下两点： （1）进行数据缓冲与锁存 （2）需进行两次数字量输入时，可在受控条件下同时进行转换 2、接口形式 （1）直通 （2）通过外加三态门，数据锁存器与CPU相连 （3）通过可编程的

10、I/O接口芯片与CPU相连,三、D/A转换器与CPU的接口,1.DAC0832与CPU的接口 （1）DAC0832的性能参数 DAC0832是一片典型的8位DAC芯片 分辨率：8位 电流型：内部有2级缓冲器 转换时间：1mS 功耗：20mW,四、D/A转换器接口的设计,（2）DAC0832引脚和内部结构如图所示。,DAC0832的内部结构,LE2,LE1,Rfb,AGND,DAC0832,Vcc,ILE,VREF,输入 寄 存 器,DGND,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout2,Iout1,2.DAC0832的数字接口,8位数字输入端 DI0DI7（DI0为最低位）

11、 输入寄存器（第1级锁存）的控制端 ILE、CS*、WR1* DAC寄存器（第2级锁存）的控制端 XFER*、WR2*,直通锁存器的工作方式,两级缓冲寄存器都是直通锁存器 LE1，直通（输出等于输入） LE0，锁存（输出保持不变）,LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,DAC0832的工作方式：直通方式,LE1LE21 输入的数字数据直接进入D/A转换器,LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,DAC0832的工作方式：单缓冲方式,LE11，

12、或者LE21 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）,LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,DAC0832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D/A转换的同时；输入另一个数据,LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,双缓冲方式（标准方式） 可实现多个DAC同步转换输出分时写入、同步转换,32,双缓冲方式的程序段示例,本例中三个端口地址的用途： port1 选择0832-1的

13、输入寄存器 port2 选择0832-2的输入寄存器 port3 选择0832-1和0832-2的DAC寄存器 MOV AL，data ; 要转换的数据送AL MOV DX，port1 ; 0832-1的输入寄存器地址送DX OUT DX，AL ; 数据送0832-1的输入寄存器 MOV DX，port2 ; 0832-2输入寄存器地址送DX OUT DX，AL ; 数据送0832-2的输入寄存器 MOV DX，port3 ; DAC寄存器端口地址送DX OUT DX，AL ; 数据送DAC寄存器，并启动同步转换 HLT,3. DAC0832的模拟输出,Iout1、Iout2电流输出端 Rfb

14、反馈电阻引出端（电阻在芯片内） VREF参考电压输入端 10V10V AGND模拟信号地 VCC电源电压输入端 5V15V DGND数字信号地,单极性电压输出,VoutIout1Rfb （D/28）VREF,Rfb,Iout2,Iout1,Vout,+,_,AGND,A,DI,VREF,单极性电压输出：例子,设 VREF5V DFFH255时，最大输出电压： Vmax（255/256）5V4.98V D00H时，最小输出电压： Vmin（0/256）5V0V D01H时，一个最低有效位（LSB）电压： VLSB（1/256）5V0.02V,Vout（D/2n）VREF,双极性电压输出：电路,R

15、1（R）,R3（2R）,R2（2R）,Rfb,Iout2,Iout1,AGND,DI,VREF,Vout1,+,_,A1,Vout2,+,_,A2,双极性电压输出：公式,取 R2R32R1 得 Vout2（2Vout1VREF） 因 Vout1（D/28）VREF 故 Vout2（D27）/27）VREF,双极性电压输出：例子,设 VREF5V DFFH255时，最大输出电压： Vmax（255128）/1285V4.96V D00H时，最小输出电压： Vmin（0128）/1285V5V D81H129时，一个最低有效位电压： VLSB（129128/1285V0.04V,Vout（D27）

16、/27）VREF,4. 输出精度的调整,Rfb,Iout2,Iout1,Vout,+,_,AGND,调零 电位器,调满刻度 电位器,电源,5V,A,DI,10K,1M,1K,VREF,5. 地线的连接,DGND,AGND,模拟电路,数字电路,ADC,DAC,模拟电路,数字电路,6.应用举例 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、三角波的程序段如下：,JNZ TN1 MOV AL，0FFH TN2：OUT DX，AL DEC AL,TRG：MOV DX，200H MOV AL，0H TN1：OUT DX，AL INC AL,JNZ TN2 JMP TN1,产

17、生,0,AL全“1”输出,输出锯齿波程序段如下： TRG： MOV DX，200H MOV AL，0H TN： OUT DX，AL INC AL JMP TN ,7. 12位DAC连接 由于微机的I/O指令一次只能输出8位数据，因此对于数据宽度大于8位DAC只能分两次输入数据，为此一般大于8位数据宽度的DAC内部均设计有两级数据缓冲，如12位DAC1210内部就有两级数据缓冲，内部结构如图所示。,在数据采集和过程控制中，被采集对象往往是连续变化的 物理量（如温度、压力。声波等），由于计算机只能处理离散 的数字量，需要对连续变化的物理转换为数字量,这一操作过 程就是A/D转换。,7.6.3 模数

18、（A/D）转换,一、A/D转换器的分类 1. 按分辨率分： 有4 、6 、8 、 10 、 14、 16位 二进制 31/2位、 51/2位 BCD码 2. 按转换速度分； 超高 度 转换时间330NS 次超高速 转换时间3333 高 速 转换时间33330 低 速 转换时间330 3 按转换原理分： 直接A/D转换器 将模拟信号直接转换成数字信号 间接A/D转换器 先模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量。 如电压/时间转换型、电压/频率转换型、电压/脉宽等,二、A/D转换的基本原理,存在多种A/D转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合 4种常用的转换技术 计数器式 逐次逼近式 双积分式

19、并行式,1. 计数器式,以最低位为增减量 单位的逐步计数法,时钟 复位,数字输出,比较器,模拟输入,计数器,D/A转换器,2. 逐次逼近式,从最高位开始 的逐位试探法,时钟 复位,数字输出,转换结束,比较器,模拟输入,寄存器,D/A转换器,3. 双积分式,两个积分阶段 实质是电压/时间变换,IREF,Iin,Vin,VREF,积分器,比较器,V/I,V/I,时钟 启动计数,计数器,T2,T1,Vc,固定斜率 时间可变,固定时间 斜率可变,转换结束,4. 并行式,速度快成本高 直接比较法,编 码 电 路,Vin,VREF,数字输出,比较器,R,R,R,R,R,R,R/2,R/2,三、A/D转换器

20、特性 A/D转换器的功能是把模拟量转换为数字量，其主要参数有：,（1）分辨率：指A/D转换器可转换成数字量的最小电压 ，是反映A/D转换器对最小模拟输入值的敏感度,所以分辨率一般表示式为： 分辨率=Vref/2位数（单极性） 或 分辨率=（V+ref-V-ref)/2位数（双极性）,分辨率通常是用A/D的位数来表示，比如 8位、10位、12位等 所以， A/D转换器的输出数字量越多。其分辨率越高。 如：8为ADC满量程为5V,则分辨率为5000mV/256=20mV， 也就是说当模拟电 压小于20mV，ADC就不能转换了，,（2）转换时间：指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定的数字量输出的

21、时间。一般转换速度越快越好（特别是动态信号采集）。常见有： 超高速（转换时间1ns）、高速（转换时间1s）、 中 速（转换时间1ms） 低速（转换时间1s)等。 如果采集对象是动态连续信号，要求f采2 f信，也就是说必须在信号的一个周期内采集2个以上的数据，才能保证信号形态被还原（避免出现“假频”），这就是“最小采样”原理。若f信=20kHz，则f采 40kHz，其转换时间要求25s.,（4）线性度：当模拟量变化时，A/D转换器输出的数 字量按比例变化的程度 （5）量程： 指能够转换的电压的范围：05V，0 10V等,（3）精度：有绝对精度和相对精度 绝对精度 指定应于一个给定的数字量的实际

22、模拟量输入与理论模拟量输入之差。 相对精度 指在整个转换范围内任一数字量所 对应的模拟量实际值与理论值之差 通常也用最小有效位的分数表示。,2转换时间 指从启动转换信号被输入开始到结束获得稳定的数字量输出量为止所需的时间。 3转换启动信号（电位启动和脉冲启动） 在转换过程中必须保持高/低电平信号直有效，否则将导致转换出错。,四、 ADC的输入输出特性 1.输出数据位数 8位，10位，12位，16位等,4 片上带有三态门输出琐存器 可直接与CPU的DB相连 片上未带三态门输出琐存器 与CPU相连需外加琐存器 5 转出数字量有二进制和BCD码 ADC的数字量输出线位数越多，说明其分辨率越高。 6

23、模拟信号输入及通道 模拟信号输入来自于外部信号输入对象，有单、多通道之分。,五、A/D转换器与微处理器的接口 1、 接口应具备的功能； A/D转换器的转换是由外部控制，需发送转换启动信号启动A/D进行A/D转换。 读取“转换结束”状态信号，用以查询转换是否结束若该状态信号有效，可用于产生中断请求或DMA请求。 对多个模拟量输入通道进行通道寻址 方法：CPU通过DB送出对应模拟通道的编号，而不是通过地址总线送出。, 发送采样/保持信号S/H，以控制采样/保持器进行 采样与保持操作（需要时） 。,2. A/D转换器与CPU接口方式 （1）与CPU直接相连：当ADC芯片内部带有数据输出锁存器和三态门

24、时（如AD574、ADC0809等），它们的数据输出可直接与CPU或数据总线相连。 （2）用三态门与CPU相连：对于内部不带数据输出锁存器的ADC芯片（如ADC1210、AD570等），需外接三态锁存器后才能与CPU或系统总线相连。 （3）通过I/O接口芯片与CPU相连：无论ADC内部有无数据锁存器，都可使用与CPU配套的并行I/O芯片与ADC相连，这样可简化接口电路， 而且可使A/D的时序关系及电平与CPU保持一致，工作更可靠。,如先读低8位，后读高4位，则称为“右对齐”,3. A/D转换器接口电路的设计实例 注意点： 各ADC的转换启动、转换结束命令各不相同， 需具体使用时注意。 进行12

25、位A/D转换时，需分两次将12位数据送CPU的DB7 0。 如先读高4位，后读低8位，则称为“左对齐”， 读取高4位时是屏蔽字节中的高4位。,六、典型的D/A转换器芯片,ADC0809： 8通道（8路）输入 8位字长 逐位逼近型 转换时间100s 内置三态输出缓冲器,主要引脚功能,D7D0：输出数据线（三态） IN0IN7：8通道（路）模拟输入 ADDA、ADDB、ADDC：通道地址 ALE：通道地址锁存 START：启动转换 EOC：转换结束状态输出 OE：输出允许（打开输出三态门） CLK：时钟输入（10KHz1.2MHz）,内部结构,START EOC CLK,OE,D7 D0,VREF

26、(+) VREF(-),ADDC ADDB ADDA ALE,IN0,IN7,比较器,8路模拟开关,逐位逼近寄存器SAR,树状开关,电阻网络,三态输出锁存器,时序与控制,地址锁存及 译码,D/A,8 个模拟输入通道,8选1,工作时序,ADC0809的工作过程,由时序图知ADC0809的工作过程如下： 送通道地址，以选择要转换的模拟输入； 锁存通道地址到内部地址锁存器； 启动A/D变换； 判断转换是否结束； 读转换结果,模拟信号输入端INi,模拟信号分别连接到IN7IN0。当前若要转换哪一路，则通过ADDCADDA的不同编码来选择。 在单路输入时，模拟信号可固定连接到任何一个输入端，相应地，地址

27、线ADDAADDC将根据输入线编号固定连接（高电平或低电平）。如输入端为IN4，则ADDC接高电平，ADDB与ADDA均接低电平。 在多路输入时，模拟信号按顺序分别连接到输入端，要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上（动态选择）。,返回,地址线ADDAADDC的连接,多路输入时，地址线不能固定连接，而是要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用锁存器74LS273，74LS373等（要占用一个I/O地址），或选用可编程并行接口8255（要占用四个I/O地址）。ADC 0809内部有地址锁存器，CPU可通过接口芯片用一条OUT指令把通道地址编码送给0809。地址线ADDAADDC的连接

28、方法如图8.48 所示。,返回,数据输出线D7D0的连接,ADC 0809内部已有三态门，故可直接连到DB上；另外，也可通过一个输入接口与DB相连。这两种方法均需占用一个I/O地址。ADC 0809数据输出线的连接如图所示。,返回,ADC0809的应用,芯片与系统的连接 编写相应的数据采集程序,芯片与系统的连接,模拟输入端Ini ： 单路输入 多路输入,单路输入时,ADDC ADDB ADDA,IN4,ADC0809,输入,多路输入时,ADDC ADDB ADDA,IN0 IN1 IN2 IN3 IN4,ADC0809,输入0 输入1 输入2 输入3 输入4,CPU指定 通道号,+5V,通道地

29、址线ADDA-ADDC的连接,多路输入时，地址线不能接死，要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用：,简单接口芯片74LS273，74LS373等（占用一个I/O地址） 可编程并行接口8255（占用四个I/O地址）,ADDC ADDB ADDA,IN0 IN1 IN2 IN3 IN4,ADC0809,输 入,DB,74LS273,Q2 Q1 Q0,CP,来自I/O译码,D0-D7,ADDC ADDB ADDA,IN0 IN1 IN2 IN3 IN4,ADC0809,DB,8255,PB2 PB1 PB0,CS#,来自I/O译码,D0-D7,A1 A0,A1 A0,数据输出线D0-D7

30、的连接,可直接连到DB上，或通过另外一个输入接口与DB相连； 两种方法均需占用一个I/O地址,D0-D7,ADC0809,DB,OE,来自I/O译码,D0-D7,ADC0809,DB,OE,来自I/O译码,直接连DB,通过输入接口连DB,74LS244,+5V,DI,DO,E1# E2#,ALE和START端的连接,独立连接：用两个信号分别进行控制需占用两个I/O端口或两个I/O线； 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只需占用一个I/O端口或一个I/O线。,ADC0809,ALE START,独立连接,来自I/O译码1,来自I/O译码2,ADC0809,ALE S

31、TART,统一连接,来自I/O译码,判断转换结束的方法,软件延时等待（比如延时1ms），此时不用EOC信号-CPU效率最低 软件查询EOC状态 把EOC作为中断申请信号，接到8259的IR端 在中断服务程序中读入转换结果，效率高,EOC通过一个三态门连到数据总线的某个D端 三态门占用一个I/O端口地址 CPU效率低,ADC0809与系统的连接例,D0,IN0,A15-A0 IOR IOW,D7-D0,D7-D0 EOC OE START ALE ADDC ADDB ADDA,译 码 器,ADC0809,判断转换结束的程序,用延时等待的方法 MOV DX, start_port OUT DX,

32、AL ;启动转换 CALL DELAY_1MS ;延时1ms MOV DX, oe_port IN AL, DX ;读入结果 ,判断转换结束的程序,用查询EOC状态的方法 MOV DX, start_port OUT DX, AL ;启动转换 LL: MOV DX, eoc_port IN AL, DX AND AL, 01H ;测试EOC状态 JZLL MOVDX, oe_port IN AL, DX ;读入结果 ,七、数据采集系统设计 该数据采集接口板可对16路模拟信号进行采集，A/D变换精度 为5V/212=1.2mV，接口板具有数据保持电路，可对变化的模拟信 号进行实时采集。 1.多路

33、转换开关 16路模拟信通过多路转换开关芯片AD7506进行切换，AD7506 是一个161的模式电子开关，用于切换16个被测模拟信号输入 端，使16路模式信号的采集共享一片ADC转换器。 2.采样/保持器 接口板的采样/保持器采用AD582芯片，采样/保持状态的控制 由差分逻辑输入端+LogicIN和-Logicin完成，模拟信号的输入通 过IN+和IN-端输入。,3.ADC与DAC转换器 接口板的A/D转换采用ADC574芯片，DAC采用DAC1210芯片， 这两个芯片均是12位的ADC和DAC转换芯片，可保证A/D的信号通 过D/A转换器进行完全的回放。 4.地址译码器 接口板的地址译码器

34、采用3片74LS136异或门芯片和一片 74LS138译码器芯片构成，接口板采用跳线K对I/O地址进行 设置和改变。 5.工作原理及程序控制 该接口板的主要操作有通道选择命令、启动ADC转换命令、 查询ADC转换是否结束、读取ADC转换数据等A/D转换器方面的命 令，以及发送DAC转换数据、启动DAC转换器等。,输入模拟电压的连接 有的芯片为单路模入(例AD570),有的可多路模入(例ADC0809由C、B、A选择) 模入电压既可是单极性的(例ADC0809),也可以是双极性的(例AD570) A/D数据输出线和系统总线的连接 A/D芯片输出一般有如下几种方式:,七、模数转换器与系统连接时需要考虑的问题,输出带可控三态门,例ADC0809,可直接与系统总线相连。 A/D内部带有三态门,但不受外