微机原理及接口技术第11章_模数和数模转换

1、第十一章第十一章 模数和数模转换模数和数模转换计算机控制系统计算机控制系统DA转换原理转换原理典型典型DA转换器件转换器件AD转换原理转换原理典型典型AD转换器件转换器件计算机控制系统计算机控制系统控控制制对对象象传感器传感器放大滤波放大滤波传感器传感器放大滤波放大滤波多多路路开开关关MUX采采样样保保持持器器S /HA /D转转换换器器I/O接接口口D /A转转换换器器执执行行部部件件I/O接接口口计计算算机机多多路路开开关关MUX 一个计算机探伤系统一个计算机探伤系统多路模拟开关多路模拟开关多路模拟开关用来切换模拟信号。多路模拟开关用来切换模拟信号。对于对于AD通道，需要多路输入、一路输出

2、的模拟开关通道，需要多路输入、一路输出的模拟开关，保证每次只转换一个通道的模拟信号，保证每次只转换一个通道的模拟信号对于对于DA通道，需要一路输入、多路输出的模拟开关通道，需要一路输入、多路输出的模拟开关，使输出的模拟信号轮流分配到各模拟通道，使输出的模拟信号轮流分配到各模拟通道多路模拟开关的例子多路模拟开关的例子用于选择通道号采样采样采样就是按相等的时间间隔采样就是按相等的时间间隔t从电压信号上截取一个从电压信号上截取一个个离散的电压瞬时值。个离散的电压瞬时值。采样定理采样定理：为了能从采样后的信号能够无失真的恢为了能从采样后的信号能够无失真的恢复原信号，必须满足两个条件：复原信号，必须满足

3、两个条件：被采样的模拟被采样的模拟信号必须是频带受限的，即它有频率上限值信号必须是频带受限的，即它有频率上限值f fm m； 采样频率采样频率fs 2f fm m。在实际应用中常取。在实际应用中常取fs=(34)f=(34)fm m模拟量转换为数字量的过程：采样、保持、量化、编码模拟量转换为数字量的过程：采样、保持、量化、编码保持：保持：将采样得到的电压瞬时值保持到下一次采样时刻将采样得到的电压瞬时值保持到下一次采样时刻量化量化对对05V（或（或010V ）电压进行）电压进行2n等分（等分（n8、10、12、16），形成），形成n个区间个区间采样后的模拟电压落在哪个区间，就以该区间的下采样后的

4、模拟电压落在哪个区间，就以该区间的下限值表示该电压值限值表示该电压值量化的实例量化的实例编码编码自然二进制编码：自然二进制编码：0电压用数字量全电压用数字量全0表示；满量程表示；满量程电压用数字量全电压用数字量全1表示（实际上全表示（实际上全1并不等于满量并不等于满量程电压）。程电压）。双极性二进制编码：负满量程电压用全双极性二进制编码：负满量程电压用全0表示，正满表示，正满量程电压用全量程电压用全1表示（实际上全表示（实际上全1也不等于正满量也不等于正满量程电压）程电压） 。自然二进制编码自然二进制编码(n=4)(n=4)输入模拟量输入模拟量输出数码输出数码对应电压对应电压FSR=+5VFS

5、R=+10V000000.00000.0001/16 FSR00010.31250.6252/16 FSR00100.62501.2503/16 FSR00110.93751.8754/16 FSR01001.25002.5005/16 FSR01011.56253.1256/16 FSR01101.87503.7507/16 FSR01112.18754.3758/16 FSR10002.50005.0009/16 FSR10012.81255.62510/16 FSR10103.12506.25011/16 FSR10113.43756.87512/16 FSR11003.75007.50

6、013/16 FSR11014.06258.12514/16 FSR11104.37508.75015/16 FSR11114.68759.375双极性二进制编码双极性二进制编码(n=4)输入模拟量输入模拟量输出数码输出数码对应电压对应电压FSR= 5V+7/8FSR1111+4.375+6/8 FSR1110+3.750+5/8 FSR1101+3.125+4/8 FSR1100+2.500+3/8 FSR1011+1.875+2/8 FSR1010+1.250+1/8 FSR1001+0.625010000.000-1/8 FSR0111-0.625-2/8 FSR0110-1.250-3

7、/8 FSR0101-1.875-4/8 FSR0100-2.500-5/8 FSR0011-3.125-6/8 FSR0010-3.750-7/8 FSR0001-4.375-8/8 FSR0000-5.000DA转换器转换器DA转换的基本原理转换的基本原理DA转换器的性能指标转换器的性能指标典型的典型的DA转换器转换器DA转换的基本原理转换的基本原理利用权电阻网络和运算放大器实现利用权电阻网络和运算放大器实现输出电流输出电流Io的计算的计算)2222(284244332211432144332211ddddRVRVdRVdRVdRVdIdIdIdIdIRRRRRoD/A转换器的主要性能指标

8、转换器的主要性能指标输入数字量输入数字量自然二进制编码自然二进制编码双极性二进制编码双极性二进制编码BCD码码输出模拟量输出模拟量多数为电流输出型。手册中一般给出在特定多数为电流输出型。手册中一般给出在特定VR下，下，输入满量程时的输出电流。输入满量程时的输出电流。RO1VI15k256入入 字字量量2561输入数字量RfOOVRIV分辨率分辨率=FSR/2n用百分比表示。例：用百分比表示。例：n=8， = FSR/256=0.39% FSR用用D/A位数表示。如位数表示。如8位、位、12位、位、16位等位等精度精度一般要求一般要求LSB/2常用误差与满量程输出电压或电流的百分比表示常用误差与

9、满量程输出电压或电流的百分比表示线性误差线性误差一般要求一般要求LSB/2常用最大偏差与满量程输出电压或电流的百分比表示常用最大偏差与满量程输出电压或电流的百分比表示建立时间建立时间ts输入数字量到建立稳定的输出电流或电压的时间输入数字量到建立稳定的输出电流或电压的时间超高速超高速ts100 s典型的典型的DA转换器转换器AD7524DAC0832DAC1210AD7524数据总线地址总线利用利用AD7524产生锯齿波、三角波、产生锯齿波、三角波、方波和正弦波方波和正弦波编程实现输出从编程实现输出从0到到4.98V线形增长的周期性锯齿波线形增长的周期性锯齿波编程实现输出编程实现输出0.5V到到

10、2.5V的三角波的三角波如何输出方波？如何输出方波？如何输出正弦波？如何输出正弦波？DAC0832主要参数主要参数引脚图引脚图工作方式工作方式DAC0832主要参数主要参数分辨率：分辨率：8位位转换时间：转换时间：1us满量程误差：满量程误差： 1LSB参考电压：参考电压： 10V单电源：单电源：+5V+15VDAC0832引脚图引脚图1234567891020191817161514131211DAC0832CS1WRAGND3DI2DI1DI0DIREFVfbRDGND1OUTI2OUTI7DI6DI5DI4DIXFER2WRILEVCC 引脚名称引脚名称信号名称信号名称DI7DI0数据输

11、入线数据输入线IOUT1 IOUT2互补电流输出端互补电流输出端AGND DGND模拟地模拟地 数字地数字地ILE输入锁存使能输入锁存使能RFB片内反馈电阻片内反馈电阻VCC工作电压工作电压VREF参考电压参考电压CSWR1 WR2XFER片选片选写输入命令写输入命令传输控制信号传输控制信号DAC0832工作方式工作方式工作方式工作方式ILECSWR1WR2XFER直通方式直通方式高电平高电平接地接地接地接地接地接地接地接地单缓冲方式单缓冲方式高电平高电平地址译地址译码信号码信号IOW信信号号接地接地接地接地双缓冲方式双缓冲方式(单单DAC系统系统)高电平高电平地址译码地址译码信号信号1CPU

12、的的IOW信号信号地址译码地址译码信号信号2双缓冲方式双缓冲方式(多路多路DAC系统系统)高电平高电平每个每个DAC的的CS各接各接一个地址一个地址译码信号译码信号CPU的的IOW信号信号所有的所有的XFER信信号连在一号连在一起起13141516456781211932010LEDI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSWR1WR2XFER19118217VREFIOUT2IOUT1RFBR1bVccDGND8位D/A转换器8位DAC寄存器8位输入寄存器DAC0832的内部结构与引脚图的内部结构与引脚图AGNDLEDAC0832的内部结构与引脚图的内部结构与引脚图双缓冲方式（

13、单双缓冲方式（单DAC）输出电路输出电路单极性输出单极性输出0832-+R数数字字量量输输入入iVOUTVOUT = - iR0832-+R数数字字量量输输入入iVOUTR1R2VOUT = iR(1+R2 / R1)双极性输出双极性输出0832-+R1数字量输入-+R4VOUTVREFR2R3IOUT1IOUT2REFOUTVRRRRiRV34241)(三种工作方式直通方式：直通方式：ILE接高电平；接高电平；CS、WR1、WR2、XFER直接接地。直接接地。D/A转转换器的输出随着总线数据的变化而变化。换器的输出随着总线数据的变化而变化。DAC0832与与8位数据总线微机的连接图位数据总线

14、微机的连接图DAC0832WR2WR1CSXFERVcc5VD7-D0Vo+AIOUT2IOUT1AGNDDGNDVREFILE5V地址总线地址总线地址地址译码译码WRIO/M单缓冲方式：单缓冲方式： ILE接高电平；接高电平；CS、WR1、WR2、XFER接控制输出接控制输出端（连接方式有多端（连接方式有多种形式）；种形式）； 当对当对DAC0832进行进行写操作时（执行写操作时（执行OUT指令），数字指令），数字量直接被转换成模量直接被转换成模拟量。拟量。 单缓冲方式的应用单缓冲方式的应用例例11.1 设设DAC的口地址为的口地址为80H， 要求输出要求输出05V的锯齿波的锯齿波START

15、： MOV AL，0FFHAGAIN： INC AL OUT 80H，AL CALL DELAY JMP AGAIN锯齿波锯齿波的周期由延时时间决定的周期由延时时间决定例例11.2 要求要求DAC输出一三角波，波输出一三角波，波形下限电压为形下限电压为0.5V，上限电压为，上限电压为2.5V。下限电压对应的数字量为：下限电压对应的数字量为： 0.5* 256/ 5 =26=1AH上限电压对应的数字量为：上限电压对应的数字量为： 2.5* 256/ 5 =128=80HBEGIN： MOV AL，1AHUP ： OUT 80H，AL INC AL CMP AL，81H JNZ UP DEC AL

16、DOWN： OUT 80H，AL DEC AL CMP AL，19H JNZ DOWN JMP BEGIN与与上限比较上限比较与与下限比较下限比较双缓冲方式：双缓冲方式： 第一种应用情况：第一种应用情况： 在前一个数据在前一个数据转换的同时，转换的同时，CPUCPU将将下一个数据先输入下一个数据先输入至输入寄存器，然至输入寄存器，然后再在某个时刻启后再在某个时刻启动动D/AD/A转换。转换。MOV DX，320HMOV AL，DATAOUT DX，ALINC DXOUT DX，AL地址地址译码译码320H321H地址地址总线总线IOWRDAC0832与与8位数据总线微机的连接图位数据总线微机的

17、连接图DAC0832CSXFERWR1WR2Vcc5VD7-D0Vo+AIOUT2IOUT1AGNDDGNDVREFILE5V-+CS XFER WR2ILE WR1DAC1-+CS XFER WR2ILE WR1DAC2-+CS XFER WR2ILE WR1DAC3译译码码器器ABCS1CS2CS3XFERIO/MWRVO1VO2VO3 第二种应用情况：第二种应用情况： 在多路在多路DACDAC系统中需要同步系统中需要同步D/AD/A转换时采用双缓冲方式。转换时采用双缓冲方式。 在不同的时在不同的时刻将要转换的数刻将要转换的数据分别打入各据分别打入各DACDAC的输入寄存的输入寄存器，然后

18、由一个器，然后由一个转换命令同时启转换命令同时启动各个动各个DACDAC转换。转换。AD转换器转换器AD转换的基本原理转换的基本原理典型的典型的AD转换器件转换器件AD转换的基本原理转换的基本原理逐次逼近法：逐次逼近法：把输入电压和一组从参考电压分层得把输入电压和一组从参考电压分层得到的量化电压进行比较，比较从最大的量化电压到的量化电压进行比较，比较从最大的量化电压开始，由粗到细逐次进行，由每次比较的结果来开始，由粗到细逐次进行，由每次比较的结果来确定相应的位是确定相应的位是1还是还是0。不断比较，不断逼近，。不断比较，不断逼近，直到两者的差别小于某一误差范围时即完成了一直到两者的差别小于某一

19、误差范围时即完成了一次转换。次转换。AD转换举例转换举例已知：n=4,VI=3.7V,VR=5V,即把3.7V的电压转化为4位数字量。4个电子砝码与电压的对应关系：电子砝码电子砝码相应的电压（相应的电压（V）10002.501001.2500100.62500010.3125AD转换举例转换举例4位逐次逼近式AD转换过程（VI=3.7V,VR=5V ）：次序次序试探码试探码DA输出输出去留去留本次结果本次结果110002.5VVI去去1000310103.125VVI留留1010410113.4375VVI留留1011典型的典型的AD转换器件转换器件8位位 ADC080912位位 AD574A

20、ADC0809引脚图引脚图工作过程工作过程多通道数据采集方案多通道数据采集方案8 8路路模拟模拟开关开关控制与时序控制与时序SAR树状开关树状开关电阻网络电阻网络三态输出锁存缓冲器地址地址锁存锁存与与译码译码IN7IN0ADDAADDBADDCALEVcc GNDVREF+VREF-OED7D0EOCCLKSTARTADC0809功能方框图ADC0809引脚引脚引脚名称引脚名称引脚功能引脚功能IN7IN08通道模拟量输入端通道模拟量输入端D7D0结果数据输出端结果数据输出端START启动转换命令输入端，该引脚加高电平，开始转换启动转换命令输入端，该引脚加高电平，开始转换EOC转换结束指示引脚，

21、平时为高电平，转换开始及转换过程中为转换结束指示引脚，平时为高电平，转换开始及转换过程中为低电平，转换一结束又变回高电平低电平，转换一结束又变回高电平OE输出允许。高电平允许输出数据输出允许。高电平允许输出数据C、B、A 通道号选择输入端通道号选择输入端ALE通道号锁存控制端通道号锁存控制端CLK外接时钟外接时钟REF（+）REF（-）两个参考电压输入端，通常将两个参考电压输入端，通常将REF（-）接模拟地，参考电压）接模拟地，参考电压从从REF（+）引入。）引入。ADC0809工作过程工作过程选择当前转换的通道选择当前转换的通道在在START和和ALE引脚上加一个正脉冲，启动引脚上加一个正脉

22、冲，启动AD转换转换转换开始后，转换开始后，EOC变低，转换结束，变低，转换结束，EOC变高变高转换结束后，可通过执行转换结束后，可通过执行IN指令读取转换后的数字量指令读取转换后的数字量用用ADC0809设计多通道数据采集系统设计多通道数据采集系统设计多通道数据采集系统的注意事项设计多通道数据采集系统的注意事项控制采样率控制采样率转换结束的检测转换结束的检测设计通道选择方案设计通道选择方案多通道多通道AD转换时，必须等一个通道转换结束后转换时，必须等一个通道转换结束后，才能启动另一个通道的转换，不可同时启动，才能启动另一个通道的转换，不可同时启动AD转换转换具体实例具体实例具体实例具体实例需

23、求：在需求：在PC/XT机上采用机上采用ADC0809设计一块设计一块8通道数据通道数据采集卡，要求以采集卡，要求以200Hz的速率对每个通道均采集的速率对每个通道均采集1024个数据，也就是每隔个数据，也就是每隔5ms对各通道轮流采集一个数据对各通道轮流采集一个数据，然后将它们存到数据段中以，然后将它们存到数据段中以BUFF开始的数据缓冲区开始的数据缓冲区中。中。方案设计：方案设计：采样率的控制采样率的控制转换结束的检测转换结束的检测通道选择方案通道选择方案具体实现电路具体实现电路具体实现代码具体实现代码采样率的控制采样率的控制通过通过8253的的0通道的输出引脚接到通道的输出引脚接到825

24、9A的的IR2引脚引脚，在，在8259A的控制下定时向的控制下定时向CPU发出中断请求，发出中断请求，在每次中断时进行采样。在每次中断时进行采样。在每次中断出现后，在中断服务程序中用在每次中断出现后，在中断服务程序中用OUT指令指令启动转换，然后查询启动转换，然后查询EOC引脚的状态，当引脚的状态，当EOC为为高时，表示转换结束，这时可用高时，表示转换结束，这时可用IN指令读入结果指令读入结果。转换结果的检测转换结果的检测ADC0809的的EOC引脚通过一个三态门接到数据总线引脚通过一个三态门接到数据总线中中D7构成一个状态口（地址为构成一个状态口（地址为308H）。在启动脉）。在启动脉冲结束后，先查冲结束后，先查EOC是否为低电平，若为低表示是否为低电平，若为低表示转换已开始，再查