第九章 模数转换接口

1、12021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强第九章第九章 D/AD/A、A/DA/D转换器转换器主要内容：主要内容： 模拟量模拟量输入输出通道的组成输入输出通道的组成 D/A转换器的工作原理、连接及编程转换器的工作原理、连接及编程 A/D转换器的工作转换器的工作原理、连接及编程原理、连接及编程22021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强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

2、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/O接口接口输入通道输入通道输出通道输出通道9.1 概概 述述数数/ /模（模（D/AD/A）和模）和模/ /数（数（A/DA/D）转换技术主要用于计算）转换技术主要用于计算机控制和测量仪表中。典型的闭环实时控制系统为：机控制和测量仪表中。典型的闭环实时控制系统为： 32021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强9.2 D/A转换器芯片及其接口转换器芯片及其接口9.2.1 D/A9.2.1 D/A转换原理与技术指标转换原理与技术指标一、一、 D/AD/A转换器的工作

3、原理转换器的工作原理数字量是由一位一位的数位组成的，每个数位都代表一定的权。数字量是由一位一位的数位组成的，每个数位都代表一定的权。D/AD/A转换时，就是把一个数字量的每一位代码按权的大小转换转换时，就是把一个数字量的每一位代码按权的大小转换为相应的模拟量分量，然后用线性叠加原理将各位代码对应的为相应的模拟量分量，然后用线性叠加原理将各位代码对应的模拟输出量相加模拟输出量相加, ,其和就是与数字量成正比的模拟量。其和就是与数字量成正比的模拟量。在实现时，通常采用在实现时，通常采用T T型网络实现数字量往模拟电流的转换，型网络实现数字量往模拟电流的转换，再利用运算放大器来完成模拟电流到模拟电压

4、的转换。再利用运算放大器来完成模拟电流到模拟电压的转换。Rf 模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量Vref42021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强权电阻网络：2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8如果有八个输入端，每个输入端由一个开关如果有八个输入端，每个输入端由一个开关Si控制，控制，Si=1表示表示Si合上，合上，Si=0表示表示Si断开，则有断开，则有80irefii=11V= -S V2DRVRDRVRreffiiireff870822252021-11-11第八章 常用可编程接

5、口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强R-2R T型电阻网络：D0D1Dn-3Dn-2Dn-1UO= (Dn-1 2n-1+Dn-2 2n-2+D121+D020) UREFRf 2n R = UREF 2nD 62021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强 二、二、D/A的主要技术指标的主要技术指标 是指是指D/AD/A转换器所能分辨的最小量化信号的能力。转换器所能分辨的最小量化信号的能力。 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。从数字输入到模拟量稳定输出的时间称为转换速度。从数字输入到模拟量稳定输出的时间称为转换速度。分辨率分辨率

6、: : 转换精度转换精度：转换速度转换速度： 可用输入数字量的位数来表示，如可用输入数字量的位数来表示，如8位、位、10位等。位等。例：一个满量程为例：一个满量程为5V的的10位位DAC，1 LSB的变化将使输的变化将使输出变化出变化 5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV72021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强1.DAC08321.DAC0832的内部结构：的内部结构：9.2.2 DAC0832转换器芯片转换器芯片D0D082021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强2 2、工作方式、工作方式

7、单缓冲方式：单缓冲方式： 使输入锁存器或使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通，另一个处寄存器二者之一处于直通，另一个处于受控的锁存方式，即芯片只占用一个端口地址于受控的锁存方式，即芯片只占用一个端口地址 一般将一般将WR2和和XFER接地，使接地，使DAC寄存器处于直通，寄存器处于直通，ILE接接+5 V，WR1接接CPU的的IOW，CS接接I/O地址译码器的输出地址译码器的输出 在这种方式下，数据只要一写入在这种方式下，数据只要一写入DAC芯片，就立即进行芯片，就立即进行D/A转换转换 应用系统中只有一路应用系统中只有一路D/A转换，或虽然是多路转换但不要求转换，或虽然是多路转换但不要

8、求同步输出同步输出 CPU只需一次写入即开始转换只需一次写入即开始转换写入数据的程序为：写入数据的程序为： MOV DX，PORT MOV AL，DATA OUT DX，AL92021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强双缓冲方式：双缓冲方式： 对输入寄存器和对输入寄存器和DAC寄存器均需控制；寄存器均需控制； 当输入寄存器控制信号有效时，数据写入输入寄存器中；再当输入寄存器控制信号有效时，数据写入输入寄存器中；再在在DAC寄存器控制信号有效时，数据才写入寄存器控制信号有效时，数据才写入DAC寄存器，寄存器，并启动变换；此时芯片占用两个端口地址；并启动变换；此时

9、芯片占用两个端口地址； 适用于多路适用于多路D/A同时进行转换的系统。分时地将数据输入到同时进行转换的系统。分时地将数据输入到每片的输入锁存器中，每片的输入锁存器中，XFER与与WR2分别连在一起，作为公分别连在一起，作为公共控制信号。当共控制信号。当XFER与与WR2同时为低电平时，数据将在同同时为低电平时，数据将在同一时刻由各个输入锁存器将数据传送到对应的一时刻由各个输入锁存器将数据传送到对应的DAC寄存器寄存器并锁存在各自的并锁存在各自的DAC寄存器中，使多个寄存器中，使多个DAC0830芯片同时芯片同时开始转换，实现多点控制。开始转换，实现多点控制。数据接收与数据接收与D/A转换可异步

10、进行转换可异步进行 MOV DX，PORT1 MOV AL，DATA OUT DX，AL MOV DX，PORT2 OUT DX，AL该指令只起到打开该指令只起到打开DAC寄存寄存器使输入锁存器中的数据通器使输入锁存器中的数据通过的作用，不真正传送数据过的作用，不真正传送数据102021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强3 3、应用举例、应用举例 例例1 1 如图所示如图所示, ,用用DAC0832DAC0832产生锯齿波，端口地址为产生锯齿波，端口地址为PORTPORT。 VCCILEVrefRfbIout1Iout2XFERWR2DGNDAGNDD0 D7

11、WR1CSIOW+5V+5V15K15K7.5KVOUT MOV DX，PORT Lop1：MOV AL， 00H Lop2：OUT PORT，AL MOV CX, 40 H0: LOOP H0 INC AL CMP AL，0FFH JZ lop1 JMP lop2可以通过延时的办法改变锯齿可以通过延时的办法改变锯齿波的周期，延迟时间不同，波波的周期，延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就形周期不同，锯齿波的斜率就不同不同112021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强例例2 2 同上题同上题, ,编写连续三角波的程序编写连续三角波的程序 MOV DX，PO

12、RT XOR AL，AL W1：OUT DX，AL INC AL NOP CMP AX，0FFH JNZ W1 W2：OUT DX，AL DEC AL NOP CMP AL，0 JNZ W2 JMP W1122021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强4q3q2q1q0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 量化量化 2q 3q q 2q 3q 4q 3q 3q 2q 3q 3q q 编码编码 010 011 001 010 011 100 011 011 010 011 011 0011、采样过程：、采样过程：将时间上连

13、续变化的模拟量转变为时间上断续变化的模拟量。将时间上连续变化的模拟量转变为时间上断续变化的模拟量。采样频率采样频率f0大于等于输入信号最高频率大于等于输入信号最高频率fm的的2倍倍。2、保持过程：、保持过程：将采样得到的模拟量的值保持下来。为保证采样精确度，要求将采样得到的模拟量的值保持下来。为保证采样精确度，要求在在A/D转换期间，保持输入模拟量的信号不变。转换期间，保持输入模拟量的信号不变。3、量化过程：、量化过程：以一定的量化单位，把离散的模拟信号转化为离散的阶跃量的以一定的量化单位，把离散的模拟信号转化为离散的阶跃量的过程。通常用过程。通常用“四舍五入四舍五入”的方法使之整量化。的方法

14、使之整量化。 4、编码过程：、编码过程：把已经量化的模拟数值用二进制数码（把已经量化的模拟数值用二进制数码（1/0）来表示。）来表示。 9.3 A/D转换器芯片转换器芯片132021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强 根据A/D转换原理和特点的不同，可把ADC分成两大类：直接直接ADC和间接间接ADC。 直接ADC是将模拟电压直接转换成数字量，常用的有： 逐次逼近式逐次逼近式ADC、计数式ADC、并行转换式ADC等。 间接ADC是将模拟电压先转换成中间量，如脉冲周期T、脉冲频率f、脉冲宽度等，再将中间量变成数字量。常见的有： 单积分式ADC、双积分式ADC，V

15、/F转换式ADC等。142021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强 计数式ADC：最简单，但转换速度最慢。 并行转换式ADC：速度最快，但成本最高。 逐次逼近式ADC：转换速度和精度都比较高，且比较简单，价格低，所以在微型机应用系统中最常用。 双积分式ADC：转换精度高，抗干扰能力强，但转换速度慢，一般应用在精度高而速度不高的场合，如测量仪表。 V/F转换式ADC：在转换线性度、精度、抗干扰能力等方面有独特的优点，且接口简单、占用计算机资源少，缺点也是转换速度慢。在一些输出信号动态范围较大或传输距离较远的低速过程的模拟输入通道中应用较为广泛。152021-11

16、-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强D/A+ +- -V Vi i比较器逐次变换寄存器SAR 数字量输出时序及控制逻辑 VC原理：类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的原理：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。累积重量去逼近被称物。9.3.1 逐次逼近型逐次逼近型A/D工作原理工作原理9.3.2 A/D的技术指标的技术指标 分辨率分辨率 量化误差量化误差 转换速度转换速度 精度精度162021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强9.3.3 ADC08099.3.3 ADC0809一、原理框图一、原理框图17202

17、1-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强D7D0：输出数据线（三态）IN0IN7：8通道（路）模拟输入ADDC、ADDB、ADDA：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182021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强启动启动地址地址锁存锁存ADDA-ADDCADDA-ADDCALE/STARTALE/STARTEOCEOCOEOED D0-0-D D7

18、 7转换时间转换时间二、工作时序二、工作时序 送通道地址，以选择要转换的模拟输入；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；锁存通道地址到内部地址锁存器； 启动启动A/D变换；变换； 判断转换是否结束；判断转换是否结束； 读转换结果读转换结果192021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强二、应用举例二、应用举例例例1 对模拟通道对模拟通道IN0进行进行A/D转换，采样一个点。转换，采样一个点。 采用查询方式的程序如下：采用查询方式的程序如下： OUT 50HOUT 50H，AL AL ；选通选通IN0IN0， ；启动；启动A/DA/D

19、转换转换 NOP NOP ；避开刚开始的；避开刚开始的EOCEOC状态状态W W：IN ALIN AL，40H 40H ；输入；输入EOCEOC标志标志 TEST ALTEST AL，01H01H JZ W JZ W ；未结束，返回等待；未结束，返回等待 IN ALIN AL，48H 48H ；结束，；结束， ；把结果送入；把结果送入ALAL中中202021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电信学院 马永强例例2 2 利用利用8255A8255A间接与间接与08090809接口，接口图如图所示。采接口，接口图如图所示。采用查询方式，编写转换通道用查询方式，编写转换通道IN5IN5的模拟量的程序。的模拟量的程序。IORIORIOWIOWA A1 1A A2 2A A0 0A A3 3212021-11-11第八章 常用可编程接口芯片兰州理工大学 电