第8章 DA与AD转换器接口

1、 n微机原理微机原理期末考试期末考试安排在安排在1 1月月8 8号号。具体时间和。具体时间和地点另行通知。地点另行通知。n第第7 7章章82508250，82378237不考控制命令字。但不考控制命令字。但82558255和和82548254的控制命令字和初始化编程一定要掌握。的控制命令字和初始化编程一定要掌握。重要通知重要通知 1 n完成四次实验后，请同学们将四次实验的报告完成四次实验后，请同学们将四次实验的报告写成一个电子档，并交至课程平台的课程作业写成一个电子档，并交至课程平台的课程作业处。文件名的格式为处。文件名的格式为“姓名姓名+ +学号学号”。实验报告实验报告提交的截至日期是提交的

2、截至日期是1212月月2525日日。n第三次研究型教学第三次研究型教学的内容及具体要求已发布在的内容及具体要求已发布在教学平台。教学平台。1212月月1212日日（周五）前完成相关的研（周五）前完成相关的研究型论文和究型论文和PPTPPT。周五上课时间讨论，讲。周五上课时间讨论，讲PPT.PPT.研研究报告提交至课程平台，提交截至时间是究报告提交至课程平台，提交截至时间是1212月月2525日。日。重要通知重要通知 2 n第第1 1节节 控制系统中的模拟接口控制系统中的模拟接口n第第2 2节节 数数/ /模转换器芯片模转换器芯片(DAC)(DAC)及其接口技术及其接口技术n第第3 3节节 模模

3、/ /数转换器芯片数转换器芯片(ADC)(ADC)及其接口技术及其接口技术n第第4 4节节 A/DA/D及及D/AD/A器件的选择器件的选择第第8 8章章 A/D A/D及及D/AD/A转换接口转换接口 38.1 控制系统中的模拟接口控制系统中的模拟接口 微机的重要应用领域之一是信号自动监测微机的重要应用领域之一是信号自动监测和自动控制系统。和自动控制系统。 一个闭环控制系统可表示为：一个闭环控制系统可表示为：被控对象被控对象传感器传感器A/D转换转换D/A转换转换功功 放放计算机计算机4微机与控制系统的接口微机与控制系统的接口 51、传感器、传感器:它是把非电信号转换成电信号的器件。它是把非

4、电信号转换成电信号的器件。2、多路切换开关、多路切换开关:多路开关的作用是实现多路复用，多路开关的作用是实现多路复用，以降低系统的成本。以降低系统的成本。3、整形放大、整形放大:从模拟开关送来的信号往往很微弱，需从模拟开关送来的信号往往很微弱，需要经过整形放大环节。要经过整形放大环节。4、采样保持、采样保持:在转换期间保持采样信号不变，可保证在转换期间保持采样信号不变，可保证转换的精度。转换的精度。5、A/D转换器转换器:按分辨率可分为按分辨率可分为4位、位、6、8位、位、10位、位、12位、位、14位、位、16位等。按工作原理可分为逐次逼近位等。按工作原理可分为逐次逼近型和积分型等。型和积分

5、型等。6、D/A转换器转换器:经经D/A转换后的模拟信号通常需要进行转换后的模拟信号通常需要进行低通滤波和功放等处理。按输出可分为电流型和电低通滤波和功放等处理。按输出可分为电流型和电压型。压型。68.2 数数/模转换器芯片模转换器芯片(DAC)及其接口技术及其接口技术 8.2.1 D/A的性能参数和术语的性能参数和术语1） 分辨率分辨率(resolution)：表明：表明DAC对模拟值的分辨能力，对模拟值的分辨能力，它是最低有效位它是最低有效位(LSB)所对应的模拟值。如分辨率为所对应的模拟值。如分辨率为8位位的的D/A能给出满量程电压的能给出满量程电压的1/256的分辨能力。的分辨能力。2

6、）精度）精度(accuracy)：表明：表明D/A转换的精确程度。它可分转换的精确程度。它可分为绝对精度和相对精度。为绝对精度和相对精度。3）线性误差和微分线性误差）线性误差和微分线性误差 4）数据转换器的温度系数）数据转换器的温度系数 5）建立时间）建立时间(Settling Time) 6）电源敏感度）电源敏感度(PowerSupplySensitivity) 7）输出电压一致性）输出电压一致性(顺从性顺从性)(Output Voltage Compliance) 71）电压输出型）电压输出型2）电流输出型）电流输出型3）乘算型）乘算型 ：D/A转换器中有使用恒定基准电压的，转换器中有使用

7、恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型因而称为乘算型D/A转换器。转换器。 4）一位）一位D/A转换器转换器8.2.2 D/A转换器的分类转换器的分类8实际例子：音响所用实际例子：音响所用DAC的分辨率是的分辨率是DAC以及音响性以及音响性能的一个重要指标。能的一个重要指标。 D/A转换器的种类很多，功能、特性各异。转换器的种类很多，功能、特性各异。 DAC0832与微机接口方便，转换控制容易，是典型的与微机接口方便，转换控制容

8、易，是典型的D/A转换器芯片转换器芯片。 DAC0832是内部带有数据输入寄存器和是内部带有数据输入寄存器和(R2R)T型电阻网络的型电阻网络的8位位D/A转换器。转换器。 8.2.3 典型典型D/A转换器工作原理转换器工作原理1 1）DAC0832DAC0832具有以下主要特性具有以下主要特性 (1) 电流输出型电流输出型D/A转换器转换器(2) 数字量输入具有双重缓冲功能，且可双缓冲、单数字量输入具有双重缓冲功能，且可双缓冲、单缓冲或直通方式数字输入缓冲或直通方式数字输入(3) 与所有微处理器可直接接口与所有微处理器可直接接口9(4)(4) 输入数据的逻辑电平满足输入数据的逻辑电平满足TT

9、LTTL电平规范电平规范(5)(5) 分辨率为分辨率为8 8位位(6)(6) 满量程误差为满量程误差为1 1LSBLSB(7)(7) 转换时间转换时间( (建立时间建立时间)1)1ss(8)(8) 增益温度系数为增益温度系数为20201010-6-6/(9)(9) 参考电压参考电压1010V V(10) (10) 单电源单电源+5+5V V+15V+15V(11) (11) 功耗功耗2020mWmW102 2）DAC0832DAC0832内部结构和外部引脚内部结构和外部引脚 11引脚功能引脚功能 ： ILE：输入锁存允许信号，输入，高电平有效。输入锁存允许信号，输入，高电平有效。CS：片选信号

10、，输入，低电平有效，片选信号，输入，低电平有效，WR1：写信号写信号1WR2：写信号：写信号2XFER：数据传送控制信号，输入，低电平有效。数据传送控制信号，输入，低电平有效。DI7DI0：8位数字量输入端，位数字量输入端，DI0为最低位，为最低位，DI7为为最高位。最高位。IOUT1：DAC电流输出电流输出1IOUT2：DAC电流输出电流输出2RFB：片内反馈电阻引脚片内反馈电阻引脚VR E F：参考电源或叫基准电源输人端，范围为参考电源或叫基准电源输人端，范围为+10V-10V，要求电压准确，稳定性好。要求电压准确，稳定性好。12VCC：芯片供电电压端，范围为芯片供电电压端，范围为+5V+

11、15V，最佳值最佳值为为+15V。AGND：模拟地，即芯片模拟电路接地点，所有的模模拟地，即芯片模拟电路接地点，所有的模拟地要连在一起。拟地要连在一起。DGND：数字地，即芯片数字电路接地点，所有的数数字地，即芯片数字电路接地点，所有的数字电路地连在一起。字电路地连在一起。3 3）08320832的工作方式的工作方式 直通：直通：输入寄存器和输入寄存器和DACDAC寄存器不锁存。寄存器不锁存。 单缓冲：输入寄存器和单缓冲：输入寄存器和DACDAC寄存器，一个为直通，另寄存器，一个为直通，另一个为受控的锁存。一个为受控的锁存。 双缓冲：输入寄存器和双缓冲：输入寄存器和DACDAC寄存器都为受控的

12、锁存。寄存器都为受控的锁存。13 4）D/A转换器应用举例转换器应用举例 (1)单缓冲方式单缓冲方式 0832 Vcc ILE VREF RFB Iout1 Iout2 AGND DI70CSWR1WR2XFER-+5V译码器译码器CPUCPU D7-0 A70 IO/M WRVOUT14(2) 双缓冲方式接口与应用双缓冲方式接口与应用 对于多路对于多路D/A转换接口，要求同步进行转换接口，要求同步进行D/A转换输转换输出时，必须采用双缓冲器同步方式出时，必须采用双缓冲器同步方式 其工作原理是：数字量的输入锁存和其工作原理是：数字量的输入锁存和D/A转换输转换输出是分两步完成的，即出是分两步完

13、成的，即CPU的数据总线分时地向各路的数据总线分时地向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中，然后存器中，然后CPU对所有的对所有的D/A转换器发出控制信号，转换器发出控制信号，使各使各D/A转换器输入锁存器中的数据打入转换器输入锁存器中的数据打入DAC寄存器，寄存器，实现同步转换输出。实现同步转换输出。 15双缓冲方式举例：双缓冲方式举例：3 3个模拟量同时输出个模拟量同时输出 16硬件接线图硬件接线图CSILEWR1WR2XFER-+OAVOUTIOUT1IOUT2RFBVREFPA70DAC0832DI70PC0PC1PC

14、2PC3PC4825580X86CPUDGND（3）用）用0832作波形发生器（生成锯齿波）作波形发生器（生成锯齿波） 17；设；设8255A的端口地址分别为的端口地址分别为3F0H，3F1H，3F2H，3F3H MOV DX，3F3H ；8255A控制口地址控制口地址MOV AL，80H ；设置设置8255方式字，方式字，PA、PB、OUT DX，AL ；PC均为方式均为方式0输出输出MOV DX，3F2H ；8255A的的C口地址口地址MOV AL，10H ；置置DAC0832为直通工作方式为直通工作方式OUT DX，AL通过编程，改变输入数字量，获得输出电压波形。初通过编程，改变输入数字

15、量，获得输出电压波形。初始化程序：始化程序：18；生成锯齿波循环：生成锯齿波循环： MOV DX，3F0H ；8255A口地址口地址 MOV AL，00H ；输出数据初值输出数据初值 LOP：OUT DX，AL ；锯齿波输出锯齿波输出 INC AL ；修改数据修改数据 NOP NOP JMP LOP ；锯齿波循环锯齿波循环 198.3 模模/数转换器芯片数转换器芯片(ADC)及其接口技术及其接口技术 8.3.1 AD转换器分类及特点转换器分类及特点 20AD转换器的基本原理转换器的基本原理: (1) 积分型积分型 积分型积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间工作原理是将输入电压转换成时间(脉

16、冲宽度信号脉冲宽度信号)或频率或频率(脉冲频率脉冲频率)，然后由定时器，然后由定时器/计数器获得数字值。计数器获得数字值。优点：用简单电路就能获得高分辨率优点：用简单电路就能获得高分辨率缺点：由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率很低。缺点：由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率很低。初期的单片初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。步成为主流。(2) 逐次比较型逐次比较型 逐次比较型逐次比较型A/D由一个比较器和由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑转换器通过逐次比较逻辑构成，从构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入

17、电压与内置开始，顺序地对每一位将输入电压与内置D/A转转换器输出进行比较，经换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。次比较而输出数字值。电路规模属于中等。电路规模属于中等。优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（12位）时价格很高。位）时价格很高。21(3) 并行比较型并行比较型/串并行比较型串并行比较型 并行比较型并行比较型A/D采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称又称FLash(快速快速)型。由于转换速率极高，型。由于转换速率极高，n位的转换需要位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适

18、用于视频个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频A/D转换器等速度特别高的领域。转换器等速度特别高的领域。串并行比较型串并行比较型A/D结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由型的是由2个个n/2位的并行型位的并行型A/D转换器配合转换器配合D/A转换器组成，用转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速半快速)型。型。 (4) -(Sigma-delta)调制型调制型 -型型A/D由积分器、比较器、由积分器、比较器、1位位D/A转换器和数字滤波器转换器和数字滤波器等组成。等组成。原理上近

19、似于积分型，将输入电压转换成时间原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度脉冲宽度)信号，信号，用数字滤波器处理后得到数字值。用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。主要用于音频和测量。22(5) 电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型A/D在内置在内置D/A转换器中采用电容矩阵转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列一般的电阻阵列D/A转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯转换器中多数

20、电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片列，可以用低廉成本制成高精度单片A/D转换器。转换器。最近的逐次比较型最近的逐次比较型A/D转换器大多为电容阵列式的。转换器大多为电容阵列式的。(6) 压频变换型压频变换型 压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。频率转换成数字量。从理论上讲这种从理论上讲这种A/D

21、的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成共同完成A/D转换转换。231）分辨率）分辨率(Resolution)：指数字量变化一个最小量时模：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。又称精度，通常以数字信号的位数来表示。2）转换速率）转换

22、速率(Conversion Rate)：完成一次从模拟转换：完成一次从模拟转换到数字的到数字的A/D转换所需的时间的倒数。积分型转换所需的时间的倒数。积分型A/D的转的转换时间是毫秒级属低速换时间是毫秒级属低速A/D，逐次比较型逐次比较型A/D是微秒级是微秒级属中速属中速A/D，全并行全并行/串并行型串并行型A/D可达到纳秒级。可达到纳秒级。8.3. 2 AD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标243）量化误差）量化误差(Quantizing Error)：由于：由于AD的有限分辨的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率率而引起的误差，即有限分辨率A/D的阶梯状转移特性的阶梯状转移特性曲线与

23、无限分辨率曲线与无限分辨率A/D（理想理想A/D）的转移特性曲线的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。 5）满刻度误差）满刻度误差(Full Scale Error) ：满度输出时对应的：满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。输入信号与理想输入信号值之差。6）线性度）线性度(Linearity)：实际转换器的转移函数与理想：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其它指标还直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其它指标还有：绝对精

24、度有：绝对精度，相对精度相对精度，微分非线性，单调性和无微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真和积分非线性。错码，总谐波失真和积分非线性。254）偏移误差）偏移误差(Offset Error)：输入信号为零时输出信号：输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。不为零的值，可外接电位器调至最小。实际例子：实际例子：ADC广泛应用于电子测量等领域。上述指广泛应用于电子测量等领域。上述指标，尤其是分辨率、转换速率、线性度等是衡量电子标，尤其是分辨率、转换速率、线性度等是衡量电子测量仪器性能的重要指标。测量仪器性能的重要指标。8.3.3 A/D转换器转换器ADC0809工作原理工作原理

25、1）ADC0809主要性能主要性能(1) 分辨率为分辨率为8位位(2) 精度为位精度为位(3) 转换时间为转换时间为100s(4) 工作温度范围为工作温度范围为-40+85(5) 功耗为功耗为15mW(6) 输入电压范围为输入电压范围为05V(7)采用了由电阻阶梯和开关组成的开关树型采用了由电阻阶梯和开关组成的开关树型D/A，确保无漏码。确保无漏码。(8)零偏差和满量程误差均小于零偏差和满量程误差均小于1/2LSB，故不需校准。故不需校准。(9)单一电源供电：单一电源供电：+5V 。(10) 8个模拟输入通道，有通道地址锁存。个模拟输入通道，有通道地址锁存。(11)数据有三态输出能力，易于与微

26、机相连，也可独立使用。数据有三态输出能力，易于与微机相连，也可独立使用。26 2）ADC0809内部结构及引脚功能内部结构及引脚功能ADC0809原理框图原理框图 272829ADC0809芯片引脚功能说明芯片引脚功能说明 3）模拟输入）模拟输入 ADC0809有有8个模拟输入通道个模拟输入通道每个通道输入电压范围为每个通道输入电压范围为05V，最大为，最大为5.25V。VREF(+)=VCC ；VREF(-)=0 1LSB的误差的误差= VREF(+) / 2568个模拟通道由个模拟通道由3个地址输入个地址输入ADDA，ADDB，ADDC来选择，地址输入通过来选择，地址输入通过ALE信号予以

27、锁存。信号予以锁存。地址输入可直接取自地址总线或数据总线地址输入可直接取自地址总线或数据总线通常把通道锁存和启动转换结合起来用同一条指令通常把通道锁存和启动转换结合起来用同一条指令完成完成30地址输入与选中通道的关系表地址输入与选中通道的关系表314）数字接口）数字接口D0-D7来自具有三态输出能力的来自具有三态输出能力的8位锁存器位锁存器由由OE控制输出控制输出启动信号启动信号START，要求持续时间，要求持续时间200ns时钟脉冲时钟脉冲CLOCK的频率范围：的频率范围：10KHZ - 1MHZ(640KHZ)转化结束信号转化结束信号EOC可以用作中断申请可以用作中断申请注意：注意：EOC

28、的变低相对于启动信号有的变低相对于启动信号有2us+8个时钟个时钟周期的延迟，否则可能导致虚假的中断申请。周期的延迟，否则可能导致虚假的中断申请。32ALEALEADDA,B,CADDA,B,CININO.E.O.E.D7D7D0D0STARTSTART比较器比较器内部输入内部输入t tWSWS数据数据t tWSWS: :最小启动脉最小启动脉冲宽度。冲宽度。100100ns(ns(典型典型) )200200ns(ns(最大最大) ) ts:ts:地址设置时间地址设置时间 100 100ns(ns(典型典型) ) 200 200ns(ns(最大最大) )tc:tc:转换时间转换时间100100u

29、susteoc:teoc:转换结束时间转换结束时间2 2us+8 us+8 时钟周期时钟周期EOCEOCt tWEWE t ts s t tp p t tEOCEOC t tC C 33345 5）采用查询方式时）采用查询方式时ADC0809ADC0809与与CPUCPU的接口的接口35例：对上图而言，采用查询方式对例：对上图而言，采用查询方式对0 0通道采样一个通道采样一个点，试编写初始化程序。点，试编写初始化程序。 MOV DX,100H OUT DX,AL ；选通IN0，启动A/D转换 NOP ；延时2S加8个时钟周期(不定) NOP ；根据CPU速度决定NOP的个数 MOV DX,110HWT：IN AL,DX ；输入EOC标志 TEST AL,01H JZ WT ；未结束，返回等待 MOV DX,120H IN AL,DX ；结束，把结果送入AL中 1.ADC的数字输出特性的数字输出特性 ADC与处理机之间除了明显的电器兼容特性外，其数与处理机之间除了明显的电器兼容特性外，其数字输出最好具有字输出最好具有三态三态能力，从而使接口简化。能力，从而使接口简化。2.ADC与与CPU间的时间配合问题。间的时间配合问题。 A/D转换器从接到启动命令到完成转换给出转换结果数转换器从接到启动