微机接口与编程第六章模拟量输入输出2(AD)

1、 1A/D接口组成6.3 A/D （模/数）转换器 2模拟信号的采样、量化和编码1采样 模拟信号在时间上是连续的，有无限多个瞬间时值。采样过程将时间连续的信号变成时间不连续的离散信号。这个过程是通过模拟开关来实现的。模拟开关每隔一定的时间间隔T（称为采样周期）闭合一次，一个连续信号通过这个开关，就形成一系列的脉冲信号，称为采样信号。采样过程如图所示。采样过程 32量化采样后的信号虽然时间上不连续，但幅度仍然连续，仍为模拟信号，必须经过量化，转换成数字信号，才能送入计算机。量化编码示意3编码为了方便处理，通常将量化值进行二进制编码，对相同范围的模拟量，编码位数越多，量化误差越小。对无正负区分的单

2、极性信号，所有的二进制编码位均表示其数值大小。对有正负的双极性信号有三种表示方法。（1）符号一数值法：与计算机的原码表示法相同。（2）补码：与计算机的补码表示法相同。（3）偏移二进制码：符号位特征与补码相反，其余数位部分与补码相同。这种编码常用于双极性模拟量的转换。 4A/D转换的类型按速度分按速度分超高速超高速 ( ( 330ns330ns) ) 次超高速次超高速 (330ns(330ns3.3s)3.3s)高速高速 (3.3s(3.3s20s) 20s) 中速中速 (20s(20s300s) 300s) 慢速慢速 (300s) (300s) 按原理分按原理分按分辨率分按分辨率分:4:4位、

3、位、8 8位、位、1010位、位、1212位、位、 BCD码的码的3位半、位半、4位半等位半等按输出方式分：并行、串行、串并行等按输出方式分：并行、串行、串并行等 5-5- 6-6-Vref 7逐次逼近型 A/D 转换器P333 图6.16逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器从最高位开始比，至最低位从最高位开始比，至最低位。 8ADC的主要参数的主要参数分辨率分辨率:ADC能转换成的二进制数的位数。位数越多,分辨率越高转换时间转换时间:从输入启动信号到转换结束,得到稳定的数字量所需的时间精度：精度：精度是指输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字量理论电压值之间的差值，这一差值称为绝对误差绝对误差。当它

4、用百分数表示时就称为相对误差当它用百分数表示时就称为相对误差。绝对精度绝对精度：是指对应于一个给定量，AD转换器的误差，其误差大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。相对精度：相对精度：由相对误差决定。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，般用百分数表示。一个最低有效位对应的模拟量为：一个最低有效位对应的模拟量为：) 12/(maxnV 9例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为： 5V/255=19.6mV则：绝对量化误差则：绝对量化误差=1/2 相对量化误差相对量化误差=（1/2） 1LSB 100%ADC的外部特性的外部特性模拟信号输入线模拟信号输入线:单通道/多通道数字量输出线

5、数字量输出线 :分辨率转换启动线转换启动线 :启动方式转换结束状态线转换结束状态线:查询/引发中断/请求DMA例：设满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则：绝对量化误差 10/211 = 4.88mV相对量化误差 1/211 *100% = 0.049% 10一、8位A/DADC0809：8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 11START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALE比较器比较器8路模路模拟开拟开关关逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR树状开关树状开关电阻网络电阻网络三态三态输出输出锁存

6、锁存器器时序与控制时序与控制地址地址锁存锁存及及译码译码D/A8选选1 12P338 图6.20 逻辑结构框图a. 输入选择b. 启动转换c. 报告转换结束d. 输出转换结果 13模拟电压IN7 IN0 : 分时选一转换ADDCADDA 输入地址: 控制8选1ALE : 输入地址锁存信号START 输入: 正脉冲启动转换, 前沿清除逐次比较寄存器， 后沿启动转换EOC 输出: =0正在转换，=1转换结束OE=1 输入: 将转换结果送出,用于读转换结果D70数据输出: 平时为三态, OE=1时输出数据 14 15 16ADC0809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

7、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 17习题集P39 附录四 ADC0809 应用举例 18用到两个地址（范围）： Y0（200207H ）：写ADD/读状态 Y1（ 20820FH）：写启动信号/读转换结果 只读端口和只写端口合用地址 19 mov DX, 203H out DX, AL ; 选IN3 mov DX, 208H out DX, AL ; 启动转换Poll: mov DX, 200H in AL, DX test AL, 1 ; 检查EOC jz Poll mov DX, 208H in AL, DX ; 读转换结果 20模拟输入端Ini ：单路输入

8、多路输入多路输入时多路输入时ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入输入0输入输入1输入输入2输入输入3输入输入4CPU指定指定通道号通道号单路输入时单路输入时ADDCADDBADDAIN4ADC0809输入输入+5V 21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：简单接口芯片简单接口芯片74LS273，74LS373等（占用一个等（占用一个I/O地址）地址）可编程并行接口可编程并行接口8255（占用四个（占用四个I/O地址）地址）ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输输入入DB74LS273

9、Q2Q1Q0CP来自来自I/O译码译码D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#来自来自I/O译码译码D0-D7A1A0A1A0 22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-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译码译码直接连直接连DB通过输入接口连通过输入接口连DB74LS244+5VDIDOE1#E2# 23独立连接：用两个信号分别进行控制独立连接：用两个信号分别进行控制需占用两个需占用两个I/O端口或端口或两个两个

10、I/O线；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现启动转换只需占用一个只需占用一个I/O端口或一个端口或一个I/O线。线。ADC0809ALESTART独立连接独立连接来自来自I/O译码译码1来自来自I/O译码译码2ADC0809ALESTART统一连接统一连接来自来自I/O译码译码 24D0IN0A15-A0 IOR IOWD7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA译译码码器器ADC0809I/O接接口口 25l软件延时等待（比如延时1ms） 此时不用EOC信号，CPU效率最低l软

11、件查询EOC状态。lEOC作为中断申请信号，接到8259的IN端。在中断服务程序中读入转换结果，效率较高 26 初始化初始化 送通道地址送通道地址送送ALE信号信号送送START信号信号读读EOC状态状态送读允许送读允许OE信号信号EOC=1？读转换结果读转换结果采集结束否？采集结束否？NY结结 束束Y送下一路通道地址送下一路通道地址 （1）（1）N 27软件编程软件编程依次采集通道07,只要将通道号+1即可(最低三位有效)将通道号写入Port2(Y2),启动转换并锁存通道号对Port0(Y0)读,读回EOC(D7)对Port1(Y1)读,读取转换结果LEA DI,BUF MOV CX,256

12、 MOV BL,0 MOV DX,Port2 MOV AL,BL OUT DX,AL MOV DX,Port0 IN AL,DX AND AL,80H JZ WAIT MOV DX,Port1 IN AL,DX MOV DI,AL INC BL INC DI LOOP NEXT;启动转换;EOC=0,等待;读取结果WAIT:NEXT:;通道号+1;通道号初值=0;启动并锁存通道号程序段程序段: :依次对依次对8 8个通道采样个通道采样, ,共采集共采集256256个数据个数据, ,存于存于BUFBUF区中区中D07ADDCADC0809STARTIN0ADDAADDBD0D1D2EOCD711

13、Y0IORY11Y2IOWOEALEIN1IN7D07硬件连接硬件连接 28AD574/674/774/1674，ADS774系列系列A/D转换器转换器 工作原理工作原理 AD1674 AD1674包括宽频带采样保持器、包括宽频带采样保持器、10V10V基电压源、时钟电路、基电压源、时钟电路、D/AD/A转转换器、换器、SARSAR寄存器和三态缓冲器寄存器和三态缓冲器等。等。 当控制电路发出启动转换命当控制电路发出启动转换命令时，首先使采样令时，首先使采样/ /保持器工作保持器工作在保持模式，并使在保持模式，并使SARSAR寄存器复寄存器复零。一旦转换开始就不能停止或零。一旦转换开始就不能停止

14、或重新启动重新启动A/DA/D转换，此时输出缓转换，此时输出缓冲器的数据输出无效，逐次逼近冲器的数据输出无效，逐次逼近寄存器按时钟顺序从高位到低位寄存器按时钟顺序从高位到低位进行进行比较，以产生转换结果，只比较，以产生转换结果，只要转换结束，就返回一个转换结要转换结束，就返回一个转换结束标志给控制部分，立即禁止时束标志给控制部分，立即禁止时钟输出，并使采样钟输出，并使采样/保持器工作保持器工作在采样模式。与此同时，延迟在采样模式。与此同时，延迟STS信号下跳的时间稳定转换数信号下跳的时间稳定转换数据，以满足据，以满足12位的精度。位的精度。 功能结构框图功能结构框图 29 引脚及功能引脚及功能

15、 30引脚引脚信号信号说说 明明1 1+5V+5V逻辑电源逻辑电源+5V+5V2 212/812/812/8=112/8=1，1212位输出；位输出；12/8=012/8=0，8 8位输出位输出3 3CSCS片选信号，低电平有效片选信号，低电平有效4 4A0A0在转换期间：在转换期间：A0=0A0=0表示表示ADCADC进行进行1212位转换，在读出期间：位转换，在读出期间：A0=0A0=0表示表示高高8 8位数据有效；位数据有效；A0=1A0=1表示低表示低4 4位的数据有效位的数据有效5 5R/CR/CR/C=1R/C=1，允许读数据；，允许读数据；R/C=0R/C=0，允许启动，允许启动

16、A/DA/D转换转换6 6CECE启动转换信号，高电平有效启动转换信号，高电平有效7/117/11VCC/VEEVCC/VEE模拟部分正负电源模拟部分正负电源8 8REFOUTREFOUT10V10V内部参考电压输出内部参考电压输出1010REFINREFIN参考电压输入参考电压输入13/1413/1410VIN/20VIN10VIN/20VIN模拟量模拟量10V10V及及20V20V量程的输入端口，信号另一端接量程的输入端口，信号另一端接AGNDAGND1515DGNDDGND数字公共地数字公共地9 9AGNDAGND模拟公共地模拟公共地16162727DB0DB0DB11DB11数字量输出

17、数字量输出2828STSSTS转换开始变高，转换过程为高电平；转换完成后变为低电平转换开始变高，转换过程为高电平；转换完成后变为低电平 31 AD1674 的功能真值表的功能真值表 （P342 P342 表表6.56.5）CSCSR/CR/C12/812/8CECEA0A0工工 作作 状状 态态0 0禁止禁止1 1禁止禁止1 10 00 00 0启动启动1212位转换位转换1 10 00 01 1启动启动8 8位转换位转换1 10 01 1接接1 1脚（脚（+5V+5V）1212位并行输出有效位并行输出有效1 10 01 1接地接地0 0高高8 8位并行输出有效位并行输出有效1 10 01 1

18、接地接地1 1低低4 4位加上尾随位加上尾随4 4个个0 0有效有效 32操作方式 启动有12位/8位两种(取决于A0) 输出有三种(取决于12/8 和A0两个信号) ：12/8接5V ：12位输出12/8接地：高8位/低4位输出(取决于A0) A0=0 由D11D4输出高8位（D3D0高阻） A0=1 由D3D0输出低4位 (D7D4全0、D11D8高阻)R/C=0 启动转换，R/C=1 读转换结果STS=1 正在转换，STS=0 转换完成 33 时序时序 启动转换时序启动转换时序 读取数据时序读取数据时序 34AD1674与8088CPU接口框图 (P345 图6.29 接口举例）1212

19、位转换，位转换，1212位并行输出位并行输出AD1674 3574LS245 双向8缓冲:输出地址到下面373锁存从两个8缓冲244输入数据地址译码: DR0 接R/C，启动 DR1 接上244，读转换高4位数据DR2 接中244，读转换低8位数据DR3 读STS，查询状态AD1674 12/8接+5v,A0接地, 12位转换,12位输出，双极性, 20v模拟量输入 36图6.29接口电路的查询方式下转换程序 （P346 ） Start: mov DX, DR0 out DX, AL ; 使R/C=0, 启动A/D转换 mov DX, DR3 Stest: in AL, DX ; 读STS状态

20、 and AL, 80H jnz Stest ; 未转换完，再测试 mov DX, DR1 in AL, DX ; 转换完，读入高4位 mov BH, AL ; BH高4位 mov DX, DR2 in AL, DX ; 读入低8位 mov BL, AL ; BL低8位，得BX转换结果 37 单通道单通道不带S/H直流或低频模拟信号带S/H高频变化的模拟信号 多通道多通道每个通道有自己的S/H和ADC并行多通道各通道有自己的S/H,共享ADC各通道共享S/H和ADCCPUS/HA/DI/OA1S/HA/DI/OA2S/HA/DI/OAn并行多通道并行多通道A/DA/DCPUS/H多 路 开 关

21、MUXA1S/HA/DI/OA2S/HAn共享共享A/DA/D的多通道的多通道CPUS/H多 路 开 关MUXA1A/DI/OA2An共享共享S/HS/H和和A/DA/D的多通道的多通道 38 单通道单通道带输入锁存器不需要刷新带保持器输出靠电容维持,要刷新 多通道多通道每个通道都有锁存器和DAC并行多通道各通道共享DACCPUCPU并行多通道并行多通道D/AD/A锁存器锁存器1 1D/AD/AA A1 1锁存器锁存器2 2D/AD/AA A2 2锁存器锁存器n nD/AD/AA An nCPUI/OD/A多 路 开 关MUX保持器1保持器2保持器nA1A2An共享共享D/AD/A的多通道的多通道 396.46.4多路开关（多路开关（MUXMUX) )从多路模拟电压中选一与公共端接通被传送的是模拟电压，由数字信号控制与计算机的接口都是数字接口 40控制信号控制信号INH=0 INH=0 时时,C,C、B B、A A选中的通道和选中的通道和公共端接通公共端接通( (如如CBA=011,CBA=011,通道通道3 3) ), ,模拟电压可以模拟电压可以双向传送双向传送 416.5 6.5 采样保持器（采样保持器（S/HS/H） 一一. .功能功能 有