第十一_AD_DA转换

1、第十一章第十一章 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)转换转换了解控制系统的基本流程了解控制系统的基本流程了解每个环节的功能及实现方法了解每个环节的功能及实现方法了解了解A/DA/D和和D/AD/A转换的原理转换的原理掌握掌握D/A0832D/A0832和和A/D0809A/D0809的结构及与的结构及与CPUCPU的连接方法的连接方法学会使用学会使用A/DA/D和和D/AD/A组成简单控制系统组成简单控制系统11.1 概述（概述（P383）模拟量模拟量I/O接口的作用：接口的作用： 实际工业生产环境实际工业生产环境连续变化的模拟量连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量

2、例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部计算机内部离散的数字量：离散的数字量： 二进制数二进制数工业生产过程的闭环控制工业生产过程的闭环控制模拟量输入模拟量输入(数据采集数据采集)模拟量输出模拟量输出(过程控制过程控制)模拟量模拟量D/A传感器传感器执行元件执行元件A/D数字量数字量数字量数字量模拟量模拟量计算机计算机概述概述控控制制对对象象传感器传感器信号处信号处理理多多路路开开关关采采样样保保持持A/D转转换换I/O接接口口计计算算机机传感器传感器信号处信号处理理多多路路开开关关执执行行机机构构D/A转转换换I/O接接口口 传感器（传感器（Transducer、Sensor）非

3、电量非电量电压、电流电压、电流 概述概述变送器（变送器（Transformer）转换成标准的电信号转换成标准的电信号信号处理（信号处理（Signal Processing）放大、整形、滤波放大、整形、滤波 多路转换开关（多路转换开关（Multiplexer） 多选一多选一采样保持电路（采样保持电路（Sample Holder，S/H）保证变换时信号恒定不变保证变换时信号恒定不变A/D变换器（变换器（A/D Converter）模拟量转换为数字量模拟量转换为数字量D/A变换器（变换器（D/A Converter）数字量转换为模拟量数字量转换为模拟量概述概述概述概述电平转换电平转换译码电路译码电路

4、概述概述概述概述微机原理与接口微机原理与接口A1uiuc控制信号A2CHuoS11.2 D/A转换器（转换器（P391）IO=+RfIf8R4R2RRI1I2I3I4S1S2S3S4IOVRd1d2d3d4d1 I1 + d2 I2 + d3 I3 + d4 I1 d1、d2 、d3 、d4表示对应表示对应开关开关S1 S4的状态。的状态。di = 0表示对应开关表示对应开关Si断开断开；di =1表示对应开关表示对应开关Si闭合闭合。RVdRVdRVdRVdRRRR8424321 )2222(244332211 ddddRVRD/A 转换器转换器IO=)2222(244332211ddddR

5、VRVO= Rf If= Rf IO取取Rf =R/2则：则：VO= RfIO= VR(d12-1+ d22-2 + d32-3 + d42-4) D/A转换器转换器2nFull Scale RangeD/A转换器转换器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。用用最大的静态转换误差的形式表示。最大的静态转换误差的形式表示。在在D/A转换时，若数据连续转换转换时，若数据连续转换(两相两相邻数据间差值为邻数据间差值为1)，则输出的模拟量应该是线性，则输出的模拟量应该是线性的。用实际输出值与理想输出值的最大偏差与满的。用实际输出值与理想输出值的最大偏差与满量程值之比的百分

6、数来表示线性误差。量程值之比的百分数来表示线性误差。这个转换误差应包括非线性误差、比例系数误差这个转换误差应包括非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差，它反映了实际输出电压与以及漂移误差等综合误差，它反映了实际输出电压与理论输出电压之间的接近程度。理论输出电压之间的接近程度。一般用最小量化阶一般用最小量化阶来度量，如来度量，如1/2LSB (Least Significant Bit) 。也可用满量程的百分比来度量，如。也可用满量程的百分比来度量，如0.05% FSRD/A转换器转换器VREFAD7524CSWRIO2IO1VDD GND+5V+5VIOW译码器来译码器来VO+VS-

7、VSD7D0RfD/A转换转换I/V转换转换256输入数字量ROVVD/A转换器转换器0v+5vD/A转换器转换器+2.5v+0.5vD/A转换器转换器8位电流输出型位电流输出型D/A转换器；引脚图见转换器；引脚图见8位位输入输入寄存器寄存器D7D0&LE1LE2ILECSWR1XFERWR2VREFIOUT2IOUT1RFBAGNDDGNDVCCoooooo8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换器转换器&4713161718211981211932010D/A转换器转换器不能直接与数据总线连接，需外加并行接口不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如如74LS373、825

8、5等等)。因此，很少用。因此，很少用。D/A转换器转换器数据接收与数据接收与D/A转换可异步进行；转换可异步进行；b) 可实现多个可实现多个DAC同步转换输出同步转换输出分时写入、同步转换。分时写入、同步转换。转换要有两个步骤：转换要有两个步骤：将数据写入输入寄存器，将数据写入输入寄存器， =0、 =0、ILE=1 =0、 =0D/A转换器转换器例例1：XFER WR2WR1CSDAC 0832ILEVREF+IOWD7D0320H321H地址总线地址总线地址地址译码器译码器D/A转换器转换器例例2：XFERWR2WR1CSILE+D7D0ILE+D7D0XFERWR2WR1CSILE+D7D

9、0地地址址译译码码80H81H82H83HWRXFERWR2WR1CS11.3 A/D转换（转换（P401）将连续变化的模拟信号转换为数字信号。常用的将连续变化的模拟信号转换为数字信号。常用的分辨率分辨率：量化间隔：量化间隔(分辨率分辨率) = Vmax/电平数电平数(即满量程值即满量程值)例：例：某某8位位ADC的满量程电压为的满量程电压为5V，则其分辨率为，则其分辨率为5V/256=19.6mV 量化误差量化误差: 用数字（离散）量表示连续量时，由于数用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字量字长有限字长有限而无法精确地表示连续量所而无法精确地表示连续量所造成的误差。造成的误差。 (字长

10、越长，分辨率越高字长越长，分辨率越高)绝对量化误差绝对量化误差=量化间隔量化间隔/2= (满量程电压满量程电压/2n)/2相对量化误差相对量化误差 =(1/2) (1/电平数电平数) 100%11.3 A/D转换转换例：例：满量程电压满量程电压=10V，A/D变换器位数变换器位数=10位，则位，则转换时间转换时间: 转换一次需要的时间。精度越高（字长转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。越长），转换速度越慢。绝对量化误差绝对量化误差 10/211 = 4.88mV相对量化误差相对量化误差 1/211 *100% = 0.049%绝对量化误差绝对量化误差=量化间隔量化间隔/2=

11、 (满量程电压满量程电压/2n)/2相对量化误差相对量化误差 =(1/2) (1/量化电平数目量化电平数目) 100%输入动态范围输入动态范围: 允许转换的电压的范围。如允许转换的电压的范围。如05V、010V等。等。A/D转换转换逐次逼近式逐次逼近式模模/ /数（数（A/DA/D）转换器原理）转换器原理 实现实现A/D转换的方法有多种，而逐次逼近式转换的方法有多种，而逐次逼近式A/D转换具有速转换具有速度快，分辨率高等优点获得了广泛的应用。这种度快，分辨率高等优点获得了广泛的应用。这种A/D转换器的转换器的比较过程与天平的称重的过程相似。若一台天平具有比较过程与天平的称重的过程相似。若一台天

12、平具有32克、克、16克、克、 8克、克、 4克、克、 2克和克和1克等克等6种砝码，需要称量的物体重量为种砝码，需要称量的物体重量为27.4克。称量从最重的砝码试起，过程如下表所示。克。称量从最重的砝码试起，过程如下表所示。次序加砝码天平指示操作记录132 克超重去码D5=0216 克欠重留码D4=138 克欠重留码D3=144 克超重去码D2=052 克欠重留码D1=161 克平衡留码D0=1M=D5*32+D4*16+D3*8+D2*4+D1*2+D0*1=27（克）（克）A/D转换转换DAC控制逻辑控制逻辑SAR缓冲器缓冲器+-VRViCLK输输出出数数据据逐次逼近式逐次逼近式A/D转

13、换器原理框图转换器原理框图逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器基本组成转换器基本组成控制逻辑控制逻辑(SAR)：移：移位寄存器、数据寄存位寄存器、数据寄存器、时序电路及去留器、时序电路及去留码逻辑电路；码逻辑电路；DAC:产生电子砝码；产生电子砝码；比较器：对输入电压与电子砝比较器：对输入电压与电子砝码进行比较，并由控制逻辑决码进行比较，并由控制逻辑决定该砝码的去留。定该砝码的去留。微机原理与接口微机原理与接口DAC控制逻辑控制逻辑SAR缓冲器缓冲器+-VRViCLK输输出出数数据据逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理框图转换器原理框图次序试探码D/A 输出去留码 本次结果110002.5V

14、Vi去1000310103.125VVi去1000410012.8125VVi留1001 设转换器的位数设转换器的位数n=4，则相应的电子，则相应的电子砝码分别为砝码分别为2.5V、1.25V、0.625V、0.3125V。Vi=3V,则则转换过程及结果如表转换过程及结果如表所示。所示。微机原理与接口微机原理与接口转换时间的计算转换时间的计算逐次逼近法每进行一次比较，即决定一逐次逼近法每进行一次比较，即决定一个码的去留（个码的去留（0或或1）需要）需要8个时钟脉冲，所个时钟脉冲，所以以8位转换器完成一次转换需要位转换器完成一次转换需要8*8=64个个CLK。A/D转换转换 8通道（通道（8路）

15、输入、路）输入、8位字长、逐位逼位字长、逐位逼近型、转换时间近型、转换时间100s、内置三态输出缓冲器、外部、内置三态输出缓冲器、外部引脚（见教材引脚（见教材P423）说明如下：）说明如下：A/D转换转换D7D0：输出数据线（三态）：输出数据线（三态）IN0IN7：8通道（路）模拟输入通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）：通道地址（通道选择）ALE：通道地址锁存：通道地址锁存START：启动转换：启动转换EOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请：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）：输出允许（打开输出三态门）CLK：时钟输入（：时

16、钟输入（10KHz1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压：基准参考电压A/D转换转换内部编程结构框图内部编程结构框图START EOC CLK OED7.D0ADDCADDBADDAALEIN0IN7IN6IN5.比较器比较器8路路模拟模拟开关开关逐次逼近寄逐次逼近寄存器存器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/A模模拟拟输输入入通通道道8选选1VREF(+)VREF(-)A/D转换转换工作时序工作时序1 1、选择通道，即通道号、选择通道，即通道号送入送入ABCABC2 2、在、在STARTST

17、ART、 ALEALE输入正输入正脉冲，锁存通道并启动脉冲，锁存通道并启动转换转换3 3、转换开始后，、转换开始后，EOCEOC变低；变低；过大约过大约6464个个CLKCLK，转换，转换结束，结束，EOCEOC变高变高4 4、转换结束后，在、转换结束后，在OEOE输输入高电平，打开输出缓入高电平，打开输出缓冲器，可以读取转换结冲器，可以读取转换结果果A/D转换转换A/D转换转换模拟模拟输入端输入端INi 单路输入单路输入 模拟信号可固定连接到任何模拟信号可固定连接到任何一个输入端一个输入端 地址线根据输入线编号固定地址线根据输入线编号固定连接连接(高电平或低电平高电平或低电平)如图：如图：A

18、DDCADDBADDAIN4ADC0809输入输入+5V 多路输入多路输入 模拟信号按顺序分别连接到模拟信号按顺序分别连接到输入端输入端 要转换哪一路输入，就将其要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上编号送到地址线上(动态选择动态选择)ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入输入0CPU指定指定通道号通道号输入输入4A/D转换转换地址线地址线ADDA-ADDC多路输入时，地址多路输入时，地址线不能固定连接，而是线不能固定连接，而是要通过一个接口芯片与要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯数据总线连接。接口芯片可以选用：片可以选用： 锁存器锁存器74LS273

19、，74LS373等（要占用一等（要占用一个个I/O地址）地址）ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输输入入DB74LS373Q2Q1Q0CP来自来自I/O译译码器码器D0-D7 可编程并行接口可编程并行接口8255（要占用四个（要占用四个I/O地址）地址）ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS来自来自I/O译译码器码器D0-D7A1A0A1A0A/D转换转换数据输出线数据输出线D0-D7 内部已接有三态门，故内部已接有三态门，故可直接连到可直接连到DB上。上。 也可另外通过一个输入接口与也可另外通过

20、一个输入接口与DB相连。相连。D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译译码器码器D0-D7ADC0809DBOE来自来自I/O译译码器码器74LS244+5VDIDOE1E2A/D转换转换地址锁存地址锁存ALE和启动转换和启动转换START 独立连接：用两个信号分独立连接：用两个信号分别进行控制别进行控制需占用两需占用两个个I/O端口或两个端口或两个I/O数数据线据线(用用8255时时)； 统一连接：用一个脉冲信号统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下的上升沿进行地址锁存，下降沿实现启动转换降沿实现启动转换只需只需占用一个占用一个I/O端口或一个端口或一个I/O线线(用用82

21、55时时)，参见教，参见教材材P400图图11-20。ADC0809ALE来自来自I/O译译码码1来自来自I/O译译码码2STARTADC0809ALE来自来自I/O译译码器码器STARTA/D转换转换转换结束转换结束EOC 软件延时等待软件延时等待(比如延时比如延时1ms)不用不用EOC信号。信号。CPU效率最低。效率最低。 软件查询软件查询EOC状态状态:EOC通过一个三态门连到数据总线的通过一个三态门连到数据总线的D0(其他数其他数据位也可以据位也可以)。三态门要占用一个。三态门要占用一个I/O端口地址。端口地址。CPU效率低效率低 把把EOC作为中断申请信号，接到作为中断申请信号，接到

22、8259的的IR端。端。在中断服务程序中读入转换结果，效率高。在中断服务程序中读入转换结果，效率高。A/D转换转换一个通道连接实例一个通道连接实例D0IN0A15 A0D7 D0EOC译译码码器器ADC0809D7-D0ALEADDCADDBADDAOESTARTM/IORDWRA/D转换转换实例：实例：用延时等待的方法：用延时等待的方法：MOV DX, start_portOUT DX, AL;启动转换启动转换CALL DELAY_1MS;延时延时1msMOV DX, oe_portIN AL, DX;读入结果读入结果用查询用查询EOC状态的方法：状态的方法： MOVDX, start_po

23、rt OUTDX, AL;启动转换启动转换LL: MOVDX, eoc_port IN AL, DX;读入读入EOC状态状态 AND AL, 01H;测试第测试第0位位(EOC状态位状态位) JZLL;未转换完，则循环检测未转换完，则循环检测 MOVDX, oe_port IN AL, DX;读入结果读入结果A/D转换转换(1)微机原理与接口微机原理与接口分析分析1、每隔、每隔5ms，即控制采样速率，可以用软件，即控制采样速率，可以用软件延时和中断方式，本题选用中断，即每隔延时和中断方式，本题选用中断，即每隔5ms发出一次中断，要求采样一次，发出一次中断，要求采样一次，5ms可可以用以用825

24、3定时，把定时，把8253的输出送给的输出送给8259，8259送入送入cpu，请求，请求cpu进行转换进行转换2、判断转换结束的方式：延时、查询、判断转换结束的方式：延时、查询EOC电平或用电平或用EOC正跳变请求中断。本题选择查询正跳变请求中断。本题选择查询EOC电平，为了能读电平，为了能读取取EOC电平，把电平，把EOC接一个三态门，给三态门的使能接一个三态门，给三态门的使能端提供一个地址，另一端接端提供一个地址，另一端接CPU的一个数据线。的一个数据线。3、何时执行中断：初始化所有芯片后，开中断，每次中、何时执行中断：初始化所有芯片后，开中断，每次中断都要对八路信号进行一次采样转换，执

25、行一次中断服断都要对八路信号进行一次采样转换，执行一次中断服务程序后返回主程序，判断是否采集了务程序后返回主程序，判断是否采集了1024次，如果还次，如果还没有则继续等待中断发生，可以用跳转指令实现等待没有则继续等待中断发生，可以用跳转指令实现等待 MOV BX,1024 STIAGAIN: CMP BX, 0 JNZ AGAIN即不足即不足1024则主程序在此循环，其目的是等待再次发生中则主程序在此循环，其目的是等待再次发生中断请求，再去执行中断服务程序断请求，再去执行中断服务程序A/D转换转换(1)18路路18路路18路路DBUF1024组组REF(+)OE+5VALESTARTIN0IN

26、6IN7ABCADC0809VccCLKEOCD0D7A0A15 A3译码译码A1A28路路输入输入D7308HIORIOW300H307H308H30FH11500KHzREF(-)GNDD0D7A/D转换转换(1)A/D转换转换(1)A/D转换转换(2)IN0IN7ADDCADDBADDAREF(+)STARTALECLKEOC+5V ADC 0809D7D0PA7PA0PC0PC1PC2PC3OE8255APC7REF(-)数据总线数据总线A/D转换转换用一片用一片A/D,一片一片D/A构成边采集边回放显示的电路。构成边采集边回放显示的电路。用查询方式从用查询方式从ADC 0809的的IN3 采集正弦，然后采集正弦，然后送送D/A，要求采集一点，要求采集一点,马上送马上送D/A一点，共采集一点，共采集64K点点,通过示波器回放显示。通过示波器回放显示。A/D 、D/A与与CPU的连接的连接同前，同前，D/A工作在双缓冲方式。工作在双缓冲方式。CPU通过一片通过一片8255A芯片的芯片的C口的口的PC0脚作为脚作为ADC