桂林电子科技大学 微机原理D8.4ppt课件

1、8.4 模拟接口数模和模数转换器）模拟接口数模和模数转换器）8.4.1 数模转换器数模转换器DAC 1. D/A转换原理转换原理芯片内芯片内数据数据输入输入寄存器寄存器基准基准电压电压数字量数字量输入输入数模转换器的主要技术指标数模转换器的主要技术指标 分辨率：表示分辨率：表示D/A转换器对模拟量的分辨能力，转换器对模拟量的分辨能力，即数字量变化即数字量变化1个单位时，输出模拟量对应的变个单位时，输出模拟量对应的变化值。化值。 分辨率分辨率 = 满量程输出电压满量程输出电压 / 2N实际使用中分辨率常输入数字量的位数实际使用中分辨率常输入数字量的位数N来表示。来表示。 例例 某某DAC为为8位

2、，转换后的满量程电压为位，转换后的满量程电压为5V，那，那么么分辨率为分辨率为 5V/ 28 20mV。2. D/A转换器和转换器和CPU的连接方法的连接方法 DAC芯片的类型芯片的类型内部不带锁存器的内部不带锁存器的DAC(AD7520,AD7521,DAC0808) 需要外加锁存器需要外加锁存器 内部带锁存器的内部带锁存器的DAC(如如DAC0832，AD7524) 可直可直 接与数据线连接接与数据线连接 CPU向向DAC传送数据时，不必有握手信号，传送数据时，不必有握手信号，只要保证两次传送数据之间的间隔不小于只要保证两次传送数据之间的间隔不小于DAC的的转换时转换时 间，都能得到正确的

3、结果。所以，间，都能得到正确的结果。所以，DAC接接口的主要任务是要解决口的主要任务是要解决CPU与与DAC之间的数据缓之间的数据缓冲问题。冲问题。 不带数据输入锁存器的不带数据输入锁存器的DAC芯片与芯片与CPU的连接的连接 通常在通常在DAC芯片与芯片与CPU之间增加数据锁存器，之间增加数据锁存器，以便控制数据输入端信号的保持时间。以便控制数据输入端信号的保持时间。 假设译码器输出假设译码器输出端提供的地址为端提供的地址为37H OUT 37H，AL将将AL中的数据送入中的数据送入锁存器，在锁存器，在DA转转换器输出端得到相应换器输出端得到相应的模拟电压。的模拟电压。 37H 若数据超过若

4、数据超过8位，用两个锁存器和总线相连，两位，用两个锁存器和总线相连，两条输出指令将数据分别送到高位和低位锁存器中条输出指令将数据分别送到高位和低位锁存器中 。 上图两次输出指令之间上图两次输出指令之间DAC输出端将会产生几输出端将会产生几微秒的错误信号微秒的错误信号,故往往用两级数据缓冲结构来实现。故往往用两级数据缓冲结构来实现。 MOV AL，DATAL OUT 25H，AL;低低8位送第一级缓冲器位送第一级缓冲器MOV AL，DATAH OUT 26H，AL ;高高4位送第一级缓冲器位送第一级缓冲器OUT 27H，AL;数据打入第二级缓冲器数据打入第二级缓冲器具有数据输入锁存器的具有数据输

5、入锁存器的DAC芯片与芯片与CPU的连接的连接 数据输入端可以直接接到数据输入端可以直接接到CPU的数据总线。的数据总线。但对此类芯片应注意其与但对此类芯片应注意其与CPU的的“配套问题，配套问题，即即CPU输出指令时序要满足芯片内数据输入锁存输出指令时序要满足芯片内数据输入锁存器选通信号的时序要求。器选通信号的时序要求。 3. D/A转换器芯片转换器芯片 DAC0832 DAC0832简介简介 NSC公司美国国家半导体公司生产的公司美国国家半导体公司生产的8位位DAC芯片，可直接与芯片，可直接与8080、8085、Z80、8088等多种等多种CPU总线连接而不必增加任何附加逻辑。总线连接而不

6、必增加任何附加逻辑。 由两级数据缓冲器和由两级数据缓冲器和 DA转换器组成，第转换器组成，第一级数据缓冲器称为输入寄存器，第二级称为一级数据缓冲器称为输入寄存器，第二级称为DAC寄存器。寄存器。 D7D0 8位输入位输入 8位位DAC 8位位D/A VREF 寄存器寄存器 寄存器寄存器 转换器转换器 IOUT2 IOUT1 ILE LE1 LE2 Rfb RFB CS AGND WR1 VCC WR2 DGND XFER CS片选信号；片选信号；ILE允许锁存信号；允许锁存信号；WR1写信号写信号1； 当当LE1内部输入锁存信号内部输入锁存信号1）=CSWR1 ILE=1时，将数据锁存于输入锁

7、存器；时，将数据锁存于输入锁存器；WR2写信号写信号2；XFER通道控制信号，通道控制信号， 当当LE2内部输入锁存信号内部输入锁存信号2）=WR2 XFER=1时，时，8位位DAC寄存器可作为数据通道；寄存器可作为数据通道；D7D0数据输入数据输入IOUT1模拟电流输出模拟电流输出1，是逻辑电平为，是逻辑电平为1的各位的各位输输 出电流之和。出电流之和。 IOUT2模拟电流输出模拟电流输出2，是逻辑电平为，是逻辑电平为0的各位的各位输输 出电流之和。出电流之和。IOUT2=常数常数- IOUT1。RFB反馈电阻反馈电阻(15k )引出端；引出端；VREF参考电压参考电压 (+10V-10V)

8、输入；输入；VCC电源电压电源电压(+5V+15V，最佳，最佳15V)；AGND模拟地；模拟地；DGND数字地；数字地；注意注意AGND与与DGNDAGND模拟地，接于模拟系统的地线，如运模拟地，接于模拟系统的地线，如运 放等；放等；DGND数字地，接于数字系统的地线，如数字地，接于数字系统的地线，如 CPU、寄存器等。、寄存器等。CPU数字电路数字电路A/D运放运放模拟电路模拟电路模拟地与数字地的连接方法模拟地与数字地的连接方法 DAC0832的工作方式的工作方式 双缓冲器方式：输入数据寄存器用于数据采集，双缓冲器方式：输入数据寄存器用于数据采集，DAC寄存器用于寄存器用于D/A转换的数据锁

9、存。转换的数据锁存。 特点：转换速度快，但控制电路复杂。特点：转换速度快，但控制电路复杂。 单缓冲器方式：两个寄存器一个处于直通状态单缓冲器方式：两个寄存器一个处于直通状态, 另一个处于受控状态。另一个处于受控状态。 特点：转换速度慢特点：转换速度慢,控制电路简单常用方式）。控制电路简单常用方式）。 直通方式：两个寄存器均处于直通状态，直通方式：两个寄存器均处于直通状态，8位数位数字量一旦达到字量一旦达到D7D0输入端，便立即进行输入端，便立即进行DA转换。转换。0832不能直接和不能直接和CPU的数据总线相连，故很少采用。的数据总线相连，故很少采用。 3. DAC0832的输出方式的输出方式

10、 DAC0832为电流输出型为电流输出型D/A转换器，需要外接转换器，需要外接运算放大器进行电流电压变换才能得到模拟电压输运算放大器进行电流电压变换才能得到模拟电压输出。输出方式有两种：出。输出方式有两种： 单极性输出单极性输出 输出的电压极性是单一的；输出的电压极性是单一的； 双极性输出双极性输出 输出的电压极性有正有负。输出的电压极性有正有负。 在运算放大器在运算放大器A1后面加了反相比例放大器后面加了反相比例放大器A2，便构成了双极性输出电路。其输出模拟电压，便构成了双极性输出电路。其输出模拟电压 VOUT（2VOUT1VREF） 当数字量从当数字量从00H FFH变化时，变化时，VOU

11、T 输输出范围是出范围是5V+5V。其分辨率较单极性输出降。其分辨率较单极性输出降低一倍。低一倍。 若不接运放若不接运放A2及电阻及电阻R1、R2、R3，那么在运放，那么在运放A1的输出端得到的输出端得到单极性模拟电压单极性模拟电压VOUT1： VOUT1 = IOUT1 Rfb 若参考电压为若参考电压为+5V，当数字量从，当数字量从00HFFH变化时，对应的模拟电变化时，对应的模拟电压压VOUT1 输出范围是输出范围是0V 5V。 DB DI RFB IOW WR1 IOUT1 VO M/IO 译译 0832 IOUT2 AB 码码 CS AGND PORTA XFER ILE WR2 DG

12、ND 4. DAC0832应用举例应用举例VCCSUB2： MOV DX，3DFH；MOV AL，0FFH；LOP1： INC AL；OUT DX，AL；CALL DLY1ms；延迟程序；延迟程序JMP LOP1；RET；例例1：锯齿波发生器：锯齿波发生器00HFFHDLY1ms：MOV CX，DATA1；软件延迟程序；软件延迟程序LOOP1： NOP； LOOP LOOP1； RET；延迟时间延迟时间=循环次数循环次数指令执行时间指令执行时间讨论：讨论：（1 1改变延时子程序的时间改变延时子程序的时间 改变锯齿波的改变锯齿波的周期。周期。（2 2改变循环次数改变循环次数 改变锯齿波的幅度。改

13、变锯齿波的幅度。 设满量程输出电压为设满量程输出电压为5V5V，N=8N=8。现要求输出。现要求输出锯齿波幅度为锯齿波幅度为3V3V。 5V / 28 5V / 28 D = 3V D = 3V D 154 D 154程序修改为：程序修改为： MOV DX, 3DFH NEXT2: MOV AL, 0 NEXT1: OUT DX,AL CALL DELAY INC AL CMP AL,155 JNZ NEXT1 JMP NEXT2 （3用用“DEC AL指令取代指令取代“INC AL指令指令 输出正向锯齿波。输出正向锯齿波。 （4用类似方法，产生三角波、矩形波、梯形用类似方法，产生三角波、矩形

14、波、梯形波、正弦波、波、正弦波、.。（波形发生器）。（波形发生器）00HFFH例例2：三角波发生器练习）：三角波发生器练习）SUB3：MOV DX，PORTA；MOV AL，00H；LOP1：OUTDX，AL；CALL DELAY；INCAL；CMP AL，0FFH；JELOP2；JMPLOP1；LOP2：OUTDX，AL；CALL DELAY；DECAL；CMP AL，00H；JELOP1；JMPLOP2；RET；例例3：内存中有一组字节型数据需要利用示波器显示出来，：内存中有一组字节型数据需要利用示波器显示出来，数据区的首地址为数据区的首地址为BUFF，数据长度为，数据长度为LENGTH。

15、如图利用。如图利用两片两片DAC0832作为输出接口，一片输出数据，送示波器作为输出接口，一片输出数据，送示波器Y轴，轴，另一片输出锯齿波，送示波器的另一片输出锯齿波，送示波器的X轴。试编写显示数据的程轴。试编写显示数据的程序段。序段。D7D0ILECSWR1XFERWR2DAC1D7D0ILECSWR1XFERWR2DAC2RfbRfbD7D05V74LS138G1G2AG2BCBAY5Y6Y7A2A1A0WRIOMA7A6A5A4A3YX示波器示波器分析：分析： （1为使为使X、Y轴信号同步，轴信号同步，DAC0832接成双缓接成双缓 冲接法。冲接法。 （2DAC1、DAC2各自输入寄存器

16、的口地址为各自输入寄存器的口地址为8DH 、8EH, DAC寄存器共同的口地址为寄存器共同的口地址为8FH。程序：程序：START: MOV SI, OFFSET BUF MOV CX, LENGTH MOV BL, 0 NEXT: MOV AL, SI ;数据送DAC1 OUT 8DH, AL MOV AL, BL ;锯齿电压送DAC2 OUT 8EH, AL OUT 8FH, AL ;启动D/A转换 INC SI INC BL LOOP NEXT JMP START例例4：将内存缓冲区：将内存缓冲区BUFFER中中1000个字节数据送个字节数据送 D/A音乐转换程序）。音乐转换程序）。SU

17、B1： MOV CX，1000； MOV BX，OFFSET BUFFER； MOV DX，PORTA；LOOP1：MOV AL，BX； OUT DX，AL； CALL DELAY1ms; 延迟一段时间延迟一段时间 INC BX； LOOP LOOP1； RET；DELAY1ms: MOV CX, 0EFFH; LOP: NOP; LOOP LOP; RET; 1. A/D转换原理转换原理A/D转换器的类型可分为：转换器的类型可分为：计数比较型计数比较型逐次逼近型逐次逼近型并联比较型并联比较型双积分型双积分型 8.4.2 A/D转换器及其接口转换器及其接口逐次逼近式逐次逼近式ADC1主要性能参

18、数：主要性能参数： 转换精度转换精度反映反映ADC的实际输出接近理想输的实际输出接近理想输出的精确程度；出的精确程度； 转换时间转换时间从输入启动转换信号开始到转换结从输入启动转换信号开始到转换结束，得到稳定的数字输出量为止的时间束，得到稳定的数字输出量为止的时间 ； 分辨率分辨率表示表示A/D转换器能分辨的最小模拟电转换器能分辨的最小模拟电 压的能力。压的能力。 分辨率分辨率 = 满量程输入电压满量程输入电压 / 2N 实际使用中分辨率常用输出数字量的位数实际使用中分辨率常用输出数字量的位数N来表示。来表示。2. A/D转换器与系统的连接方法转换器与系统的连接方法输入模拟电压的连接输入模拟电

19、压的连接数据输出线与系统数据线的连接；数据输出线与系统数据线的连接；提供启动转换信号的方式；提供启动转换信号的方式；转换结束信号及转换结果的读取。转换结束信号及转换结果的读取。ADC数据输出线数据输出线 输入模拟电压的连接输入模拟电压的连接ADCVin+Vin-输入输入信号信号正向单端输入正向单端输入 ADCVin+Vin-输入输入信号信号负向单端输入负向单端输入 ADCVin+Vin-输入输入信号信号差动输入差动输入 输入输入信号信号 数据输出线与系统数据线的连接数据输出线与系统数据线的连接 数据是否经三态门输出数据是否经三态门输出 数据输出线位数和数据输出线位数和DB的关系的关系 ADC数

20、据输出位数多于数据输出位数多于8位，位，DB为为8位位将将数数 据按字节分时读出，据按字节分时读出，CPU分两次得到结果。分两次得到结果。 ADC数据读出位数多于数据读出位数多于8位，位，DB为为16位位CPU用用16位位IN指令读指令读A/D转换结果。转换结果。MOV AH,AL MOV AH,AL MOV DX,231H ; MOV DX,231H ;读取低位数据读取低位数据IN AL,DXIN AL,DX 3. A/D转换器芯片转换器芯片ADC0809（1） ADC0809的内部结构的内部结构8路模拟开关及地址锁存与译码电路路模拟开关及地址锁存与译码电路选择选择8个个 模拟输入通道信号之

21、一进行模拟输入通道信号之一进行A/D转换；转换； 8位位A/D转换器逐次逼近型）转换器逐次逼近型）完成所选通完成所选通 道的模拟信号的道的模拟信号的A/D转换；转换；三态输出锁存缓冲三态输出锁存缓冲锁存锁存A/D转换后的数字结转换后的数字结 果。果。 ADDA，ADDB，ADDC ( I ) 通道地址选择；通道地址选择； ALE ( I ) 地址锁存信号地址锁存信号ALE ADDC ADDB ADDA通道选择通道选择 0 无无 1 0 0 0 IN0 1 0 0 1 IN1 ： : : 1 1 1 1 IN7（2引脚功能引脚功能 IN0IN7 ( I ) 8通道模拟输入；通道模拟输入； STA

22、RT ( I ) 转换启动信号；转换启动信号； EOC (O) 转换结束信号；转换结束信号； OE ( I ) 输出允许信号输出允许信号 (OE=1时，允许输时，允许输 出；出；OE=0时，禁止输出，时，禁止输出，D0D7为高阻为高阻); D0D7 ( O ) 8位数字信号输出位数字信号输出 (可接数据可接数据 总线总线)； CLK ( I ) 时钟信号时钟信号 (典型值：典型值：640KHz); VREF ( I ) 基准电压基准电压 (一般一般VREF（+）接）接 VCC， VREF（-）接地）接地)。（3） ADC0809的工作过程的工作过程根据所选通道编号，输入根据所选通道编号，输入A

23、DDA，ADDB， ADDC的值，并使的值，并使ALE=1正脉冲），锁存通正脉冲），锁存通 道地址；道地址；使使START=1正脉冲启动正脉冲启动A/D转换；转换；检测检测EOC信号是否为信号是否为“1”，是则表示转换结束；，是则表示转换结束；在在EOC=1时，使时，使OE=1将将A/D转换后的数据取出。转换后的数据取出。ALEASTARTEOCOECADDBD7D04. ADC应用举例应用举例例例1. ADC0809通过并行接口芯片通过并行接口芯片8255A与与系统连接如下图所示。用查询方式依次取系统连接如下图所示。用查询方式依次取样样8路模拟输入，并将转换结果存放在路模拟输入，并将转换结果

24、存放在BUFFER开始的内存单元。开始的内存单元。8255初始化初始化CX循环次数循环次数DI缓冲区起始地址缓冲区起始地址DF0输出通道地址输出通道地址启动启动A/D转换转换BL通道起始地址通道起始地址转换开始？转换开始？读取状态读取状态读取结果读取结果存结果存结果修改通道地址修改通道地址终了终了读取状态读取状态转换结束？转换结束？8路采集完？路采集完？开场开场YYYNNN程序段：程序段：START：MOVAL，10011000B ；8255初始化初始化 OUT83H，AL； MOVCX，08H；MOVDI，OFFSET BUFFER；CLD；MOVBL，00H ；选择模拟通道；选择模拟通道0

25、NEXT：MOVAL，BL ；选通模拟通道；选通模拟通道OUT 82H，AL；MOVAL，00000111B ；输出锁存及启；输出锁存及启动信号动信号OUT 83H，AL；DEC AL；OUT 83H，AL；DONE： IN AL，82H ；等待；等待A/D转换结束转换结束 TEST AL，80H； JZ DONE； IN AL，84H ；使；使OE=1, 转换结果读到转换结果读到8255 IN AL, 80H ; CPU从从8255读取转换结果读取转换结果 STOSB ；存结果；存结果 INC BL ； 修改模拟通道地址修改模拟通道地址 LOOP NEXT； MOV AH,4CH INT 2

26、1HNOSC： IN AL，82H ；等待；等待A/D转换开始转换开始 TEST AL，80H； JNZ NOSC；END分辨率：分辨率：设要转换的二进制数为设要转换的二进制数为n8，而转换后的电压满量程，而转换后的电压满量程为为5V，则最小分辨率？，则最小分辨率？5V256=28最小分辨电压是最小分辨电压是5V/25620mV DI7DI0 8位位输输入入 8位位DAC 8位位D/A VREF 寄寄存存器器 寄寄存存器器 转转换换器器 IOUT2 IOUT1 ILE LE1 LE2 RFB CS AGND W R1 VCC W R2 DGND XFER START CLK IN0 IN1 8

27、路路模模 控控制制逻逻辑辑与与时时序序 EOC ： 拟拟开开关关 三三态态 D0 IN7 输输出出 D1 锁锁存存 ： ADDA 地地址址锁锁存存 8位位 A/D转转换换器器 缓缓冲冲 D7 ADDB 与与译译码码 （逐逐次次逼逼近近型型） ADDC ALE VCC GND VREF（+）VREF（-） OE （二数模转换器集成芯片（二数模转换器集成芯片ADC08091，ADC0809的内部结构的内部结构CPU DB 锁锁 存存 D0 ADDA D0 缓缓 冲冲 D1 ADDB ： 74S D2 ADDC D7 273 W R（ IOW ） （ PORT1） CLK IN0 模模 拟拟 STA

28、RT ： M/IO 译译 码码 ALE IN7 输输 入入 AB （ PORT2） ADC0809 OE RD（ IOR） EOC IRQ（ 8259） Q D “ 1” INTA （三（三ADC0809的应用的应用例例1，设有，设有8路外部模拟信号，现依次对它们进行路外部模拟信号，现依次对它们进行A/D转换，转换，并将转换结果存入并将转换结果存入BUFFER内存缓冲区，每个通道转换内存缓冲区，每个通道转换100次后结束。次后结束。（1基本电路基本电路 CLK 8 CLK 8 ADC0809 8255A IOW WR D7D0 IN0 IOR RD PC3 ST ART IN1 D7D0 D7

29、D0 ALE A1 A1 PC7 EOC A0 A0 PC2 ADDC IN7 译译 CE PC1 ADDB A7A2 码码 PC0 ADDA 器器 OE ADC0809查询方式接口原理图查询方式接口原理图PA DB DI RFB WR WR1 IOUT1 VO M/IO 译译 0832 IOUT2 AB 码码 CS AGND PORTA XFER WR2 DGND 4. DAC0832应用举例应用举例芯片内芯片内数据数据输入输入寄存器寄存器基准基准电压电压数字量数字量输入输入VOUT1 = IOUT1 Rfb2. A/D转换器与系统的连接方法转换器与系统的连接方法数据输出线与系统数据线的连接

30、；数据输出线与系统数据线的连接；输入模拟电压的连接；输入模拟电压的连接；提供启动转换信号的方式；提供启动转换信号的方式；转换结束信号及转换结果的读取。转换结束信号及转换结果的读取。ADCDAC芯片内芯片内数据数据输入输入寄存器寄存器基准基准电压电压数字量数字量输入输入 从图中可以看出，由UR向里看的等效电阻为R，数码无论是 0 还是 1，开关Si都相当于接地。因此，由UR流出的总电流为I=UR/R，而流入2R支路的电流是依2的倍速递减， 流入运算放大器的电流为 1000112211011211122)2222(22222niiinnnnnnnnnnDIDDDDIIDIDIDIDI1022nii

31、inffDIRRIU 若Rf=R，并将I=UR/R代入上式， 则有 1022niiinRDUU 其中数字量的每一位都对应一个模拟开关。当某位为1时，与其相对应的模拟开关接通，参考电压通过权电阻网络，在输出端产生与该位二进制数相对应的权值电压。当有多位为1时，其相应的各位权值电压经电阻网络求和输出，从而实现数模转换。 D/A变换器的主要技术指标有：分辨率、精度、变换时间和动态范围。 121021()22222REFnnOUTnnVDDDDV 为了得到双极性电压输出，在运算放大器为了得到双极性电压输出，在运算放大器A1后面加了反相比例放大后面加了反相比例放大器器A2，便构成了双极性输出电路。其输出

32、电压，便构成了双极性输出电路。其输出电压VOUT与与VREF及及A1运放运放输出输出VOUT1的关系是：的关系是： VOUT（2VOUT1VREF） 这时，当数字量从这时，当数字量从00H FFH变化时，对应的模拟电压变化时，对应的模拟电压VOUT 输出输出范围是范围是5V+5V。显然其分辨率较单极性输出降低一倍。显然其分辨率较单极性输出降低一倍。 若不接运放若不接运放A2及电阻及电阻R1、R2、R3，那么在运放，那么在运放A1的输出端就可以的输出端就可以得到单极性模拟电压得到单极性模拟电压VOUT1： VOUT1 = IOUT1 Rfb 若参考电压为若参考电压为+5V，则当数字量从，则当数字量从00HFFH变化时，对应的模拟电变化时，对应的模拟电压压VOUT 输出范围是输出范围是0V5V。 START CLK IN0 IN1 8路路模模 控控制制逻逻辑辑与与时时序序 EOC ： 拟拟开开关关 三三态态 D0 IN7 输输出出 D1 锁锁存存 ： ADDA 地地址址锁锁存存 8位位 A/D转转换换器器 缓缓冲冲 D7 ADDB 与与译译码