微机接口教学课件第9章AD与DA转换

1、微机原理与接口技术作者：徐建平 成贵学 第1页，共81页。第9章 A/D与D/A转换 在微型计算机的输入/输出系统中，常需要把外界连续变化的模拟信号送入计算机进行运算，或者把计算机中经过处理的数字信号输出控制某些外设。完成由模拟信号到数字信号或由数字信号到模拟信号转换的过程分别称为模/数（A/D）转换或数/模（D/A）转换。 第2页，共81页。【本章内容提要】 了解D/A转换器的基本原理和技术指标掌握DAC0832的工作原理和使用方法了解A/D转换器的基本原理和技术指标掌握DAC0809的工作原理和使用方法第3页，共81页。9.1 D/A转换器9.1.1 D/A转换器概述将数字信号转换成模拟信

2、号的装置称为D/A转换器，简称DAC。 第4页，共81页。1DAC原理D/A转换器的工作原理如图9-1所示。基准电压经过开关接到输入电路上，输入的二进制数的各位数字分别控制一个开关：值为1时开关接通，值为0时开关断开。输入电流通过一个电阻网络后，各支路的电流输入运算放大器经过相加和转换，从而实现由数字量到模拟电流或电压的转换 第5页，共81页。第6页，共81页。（1）权电阻网络在权电阻网络中，自上而下各支路的电阻值都是前一支路电阻的2倍，如图9-2所示。由于输入的二进制数的各位数字的权值不同，经过权电阻网络后，各支路可产生与二进制数各位的权成比例的电流。各支路的电流再经过运算放大器相加和转换，

3、产生与二进制数成比例的模拟电流或电压。 第7页，共81页。第8页，共81页。转换后的输出电压V0与输入基准电压Vref的关系为：其中，若Di1，则开关Si闭合；若Di0，则开关Si断开。第9页，共81页。（2）T型电阻网络常用的方法是采用T型电阻网络，这种方法只使用两种阻值的电阻（R和2R），如图9-3所示。各处的电压依次为：第10页，共81页。第11页，共81页。第12页，共81页。2DAC技术指标（1）分辨率分辨率指的是输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比，表明了D/A转换器的一个最低有效位（LSB）使输出变化的程度。分辨率也常用输入二进制数的位数来描述，位数越多，则分辨率越高，转换时

4、对应输入模拟信号的电压值越小。第13页，共81页。例如，8位D/A转换器芯片的满量程电压为5V，则DAC0832的分辨率为8位，或者表示为：5V/(28-1)19.6mV。第14页，共81页。满量程电压指的是，输入二进制数的各位均为1时的输出电压。输出电压的最小变化量指的是，输入的二进制数只有最低位为1时的输出电压。 第15页，共81页。（2）转换精度转换精度指的是D/A转换的实际输出模拟值与理论值之间的最大偏差，表明了D/A转换的精确程度。转换精度有两种表示方法：绝对精度和相对精度。绝对精度是指D/A转换实际输出的模拟值与理论值之差，通常以LSB的分数形式表示。相对精度是指满量程值校准后，实

5、际输出的模拟值与理论值之差，通常以绝对精度与满量程（FSR）的百分比来度量。第16页，共81页。例如，满量程值为10V时，n位D/A转换器的精度为1/2 LSB，则其最大可能误差为： 第17页，共81页。精度为0.05%表示最大可能误差为：第18页，共81页。（3）转换速率转换速率是指大信号工作时，模拟输出电压的最大变化速度，单位为V/s（4）建立时间建立时间指的是，当输入数值满量程后，输出模拟值稳定到最终值的1/2LSB时所需要的时间。该时间是表征D/A转换器性能的重要指标，显然建立时间越大，转换速率越低。第19页，共81页。（5）温度灵敏度温度灵敏度指的是，在满量程时，温度每升高1，输出模

6、拟值变化的百分数。它反映了D/A转换器对温度变化的灵敏程度。（6）输出范围所谓输出范围，指的是D/A转换器输出电压的最大范围，一般为5V10V。输出电压一般与参考电压、运算放大器的连接方式等有关。第20页，共81页。9.1.2 D/A转换器芯片DAC0832DAC0832是电流输出型D/A转换器，它的分辨率为8位，精度为1LSB，建立时间为1s，温度灵敏度为2010-6/，参考电压为10V，单电源为5V15V，功耗20mW。第21页，共81页。1DAC0832引脚DAC0832是20引脚的双列直插式芯片，如图9-4所示。各引脚的定义及功能如下。第22页，共81页。第23页，共81页。DI7 D

7、I0：8位数据输入端，与CPU数据总线相连。CS：片选信号，输入，低电平有效，与ILE配合决定WR1是否起作用。ILE：输入锁存允许信号，输入，高电平有效。第24页，共81页。WR1：写信号1，将数据8位输入数据锁存到输入寄存器中，低电平有效。此信号必须同CS、ILE同时有效，即当CS和WR1同时为低电平、ILE为高电平时，输入数据不锁存；当WR1变为高电平、ILE变为低电平时，输入数据被锁存在输入寄存器中。WR2：写信号2将锁存在输入寄存器中的数据送到8位DAC寄存器中进行锁存，低电平有效。当WR2与传送控制信号XFER同时为低电平时，DAC寄存器中的数据不锁存；当WR2或XFER变为高电平

8、时，输入寄存器中的数据被锁存在DAC寄存器中。第25页，共81页。XFER：传送控制信号，输入，低电平有效，与WR2配合产生对DAC寄存器的锁存信号。IOUT1：模拟电流输出1，是逻辑电平为1的各位输出电流之和。当DAC寄存器中各位均为1时，输出电流最大；当各位均为0时，输出电流最小。IOUT2：模拟电流输出2，与IOUT1之和为一常量。RFB：反馈电阻引脚，反馈电阻设置在芯片内部，将此引脚接到外部运算放大器的输出端，与运算放大器配合构成电流/电压转换器。第26页，共81页。VREF：参考电压输入端，输入电压范围为10V10V。VCC：芯片电源电压，范围为5V15V。AGND：模拟地，模拟电路

9、接地端。DGND：数字地，数字电路接地端。第27页，共81页。2DAC0832的内部结构DAC0832的内部由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器、一个8位D/A转换器（T型电阻网络）和相应辅助电路组成，如图9-5所示。第28页，共81页。第29页，共81页。3DAC0832工作时序DAC0832的工作时序如图9-6所示。芯片的工作过程如下：第30页，共81页。第31页，共81页。4DAC0832输出连接方式DAC0832的输出分为单极性输出和双极性输出两种。DAC0832实现单极性电压输出的电路连接如图9-7所示，输出电压为：第32页，共81页。第33页，共81页。DAC0832实现双极

10、性电压输出的电路连接如图9-8所示，使R2R32R1，则输出电压为：第34页，共81页。第35页，共81页。5DAC0832在不同工作模式下与CPU的连接DAC0832可工作在3种工作方式下：单缓冲方式、双缓冲方式和直通方式。第36页，共81页。（1）单缓冲方式单缓冲方式是指，使输入寄存器或DAC寄存器中的一个处于直通状态，即输入数据经过一级缓冲就送入D/A转换器。第37页，共81页。第38页，共81页。（2）双缓冲方式双缓冲方式是指，输入寄存器和DAC寄存器均处于缓冲方式，即输入数据通过两个寄存器锁存后再送入D/A转换器。在这种工作方式下，数据接收与D/A转换可异步进行，可实现多个DAC同时

11、转换输出。 第39页，共81页。第40页，共81页。（3）直通方式直通方式是指，内部的两个寄存器都处于直通状态，即数据到达输入端就立即加到D/A转换器被转换成模拟量，模拟输出总是随着输入而变化。这种工作模式在实际中很少采用。第41页，共81页。实训9-1 数模转换产生梯形波1电路设计DAC0832采用单缓冲方式，输出端接运算放大器，由运算放大器产生梯形波来实现，其电路连接图如图9-9所示。2程序设计设DAC0832的端口地址为228H，则程序清单如下：第42页，共81页。第43页，共81页。CSEG SEGMENT ASSUME CS: CSEGSTART: MOV DX, 0228H;D/A

12、转换器端口地址 MOV CX, 0FFH MOV AL, 00H;初始值 LOP1: OUT DX, AL;向D/A转换器输出一个数据 LOOP LOP1;循环256次，形成梯形波的下底 MOV CX, 0FFH LOP2: INC AL;输出值增加1 OUT DX, AL LOOP LOP2;循环输出，形成梯形波的上升沿 MOV CX, 0FFH LOP3: OUT DX, AL LOOP LOP3;循环输出，形成梯形波的上底 第44页，共81页。 MOV CX, 0FFH LOP4: DEC AL;输出值减1 OUT DX, AL LOOP LOP4;循环输出，形成梯形波的下降沿 MOV

13、AH, 0BH;调用DOS 0B号功能，检查键盘状态 INT 21H CMP AL, 0 JNE EXIT;AL不为0时，有键按下，退出程序 JMP START;重复转换过程，继续输出梯形波EXIT: MOV AH, 4CH;返回DOS INT 21HCSEG ENDS END START第45页，共81页。9.2 A/D转换器第46页，共81页。9.2.1 A/D转换器概述将连续变化的模拟信号转换为数字信号的装置称为A/D转换器，简称ADC。第47页，共81页。1ADC原理A/D转换器按照工作原理可分为计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器和逐次比较式A/D转换器三种。第48页，共81页。

14、（1）计数式A/D转换器计数型A/D转换器的工作原理是：在S端加入一个负脉冲使8位计数器清零，将模拟电压Vi加到比较器的正端，8位D/A转换器输出为V00，比较器输出高电平，计数器对时钟脉冲开始计数。D/A转换器的输出电压V0随计数值的增加而增加，当V0Vi时，比较器输出低电平，计数器停止计数，同时发出一个转换结束信号。此时，由计数器端口读出的计数值即为模拟电压Vi转换后的数字量，如图9-12所示。第49页，共81页。第50页，共81页。（2）双积分式A/D转换器双积分式A/D转换器的工作原理是：将模拟电压Vi输入到积分器，积分器从0开始对Vi进行固定时间的正向积分。然后，将与Vi极性相反的基

15、准电压VREF输入到积分器进行反向积分。同时，控制逻辑使得计数器对时钟脉冲计数。当VREF的反向积分为0时，停止积分，比较器输出信号使计数器停止计数。计数器在反向积分时间内的计数值，就是输入模拟电压Vi对应的数字量，如图9-13所示。 第51页，共81页。第52页，共81页。（3）逐次逼近式A/D转换器8位逐次逼近式A/D转换器是最常用的一种A/D转换电路，其工作原理如图9-14所示。第53页，共81页。第54页，共81页。2ADC技术指标（1）分辨率分辨率是指输出数字的最小变化量所需输入模拟量的变化值，通常用A/D转换器的位数来表示分辨率，位数越多，其分辨率越高。（2）量化误差量化误差是指A

16、/D转换器量化结果和被量化模拟量的差值，这是连续的模拟信号量化后的固有误差，一般在1/2LSB之间。（3）转换精度转换精度指的是对于一个数字量所对应的输入模拟量的实际值与理论值之间的误差，可以用绝对精度和相对精度两种方法表示。第55页，共81页。（4）转换时间转换时间指的是完成一次A/D转换所需要的时间。一般转换精度越高，转换速度越慢。（5）输入范围一般A/D转换器的模拟电压输入范围为05V或010V。第56页，共81页。9.2.2 A/D转换器芯片ADC0809ADC0809是逐次逼近式A/D转换器它的分辨率为8位有8个模拟量输入通道转换时间为100s单电源5V供电模拟电压输入范围为05V功

17、耗15mW。第57页，共81页。1ADC0809引脚ADC0809是28引脚的双列直插式芯片，如图9-15所示。各引脚的定义及功能如下。第58页，共81页。IN7IN0：8路模拟电压输入端。D7D0：8位数字量输出端。ADDA、ADDB和ADDC：地址输入端，它们的不同组合可用来选择不同的模拟输入通道，编码000111分别对应IN0IN7，如表9-1所示。START：启动转换的控制信号，输入，高电平有效。第59页，共81页。ALE：通道地址锁存信号，输入，用于选通8路模拟输入通道，高电平有效。该信号有效时，ADDA、ADDB和ADDC才能控制选择8路模拟输入中的某一通道。EOC：转换结束状态信

18、号，输出，高电平有效。OE：输出允许信号，高电平有效。CLOCK：时钟输入信号，时钟频率范围为10KHz1.2MHz。VREF(+)：基准电压输入端，通常与VCC相连。VREF(-)：基准电压输入端，通常与GND相连。第60页，共81页。第61页，共81页。第62页，共81页。2ADC0809的内部结构ADC0809内部由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成，如图9-16所示。第63页，共81页。第64页，共81页。3ADC0809工作时序ADC0809的工作时序如图9-17所示。芯片的转换过程如下：第65页，共81页。第66页，共81页。4ADC0

19、809与CPU的连接ADC0809与CPU的连接，主要是解决模拟量输入端IN7IN0、数据量输出端D7D0、通道地址输入端ADDCADDA、通道地址锁存信号ALE、启动转换信号START转换结束信号EOC与系统总线的连接问题。第67页，共81页。（1）模拟输入端的连接模拟信号可以是单路输入或多路输入，如图9-18所示。第68页，共81页。第69页，共81页。（2）通道地址输入端的连接多路输入时，ADDCADDA不能固定连接，要通过一个接口芯片与数据总线连接，并使用OUT指令将通道地址送入ADC0809，用于选择不同的模拟输入通道。可选用的接口芯片有可编程并行接口芯片8255A（如图9-19（a

20、）所示）、锁存器74LS273（如图9-19（b）所示）和74LS373等。第70页，共81页。第71页，共81页。（3）数据输出端的连接D7D0可直接连接到系统数据总线上，也可通过一个三态门与数据总线相连，如图9-20所示。74LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。74LS244没有锁存的功能。第72页，共81页。第73页，共81页。（4）ALE和START端与CPU的连接ALE和START端有两种连接方法：独立连接，两个信号分别进行控制；统一连接，一个脉冲信号的上升沿进行抵制锁存，下降沿启动转换，如图9-21所示。第74页，共81页。第75页，共81页。实训9-2 模数转换显示转换数据1电路设计ADC0809与CPU的连接如图9-22所示。第76页，共81页。第77页，共81页。2程序设计 DSEG SEGMENT TEXT DB ADC0809 CONVERT: DB RESULT= , $DSEG ENDSCSEG