微机原理第十一章 模数和数模转换

微机原理第十一章模数和数模转换第1页，共66页，2023年，2月20日，星期六

模拟量I/O通道的组成模拟接口电路的任务模拟电路的任务0010110110101100工业生产过程传感器放大滤波多路转换&采样保持A/D转换放大驱动D/A转换输出接口微型计算机执行机构输入接口物理量变换信号处理信号变换I/O接口输入通道输出通道第2页，共66页，2023年，2月20日，星期六运算放大器特点特点：开环放大倍数非常高、输入阻抗非常大和输出阻抗很小

VinRf

VO∑R1Rn…第3页，共66页，2023年，2月20日，星期六数/模转换原理D/A转换电路在内部基本都是并行结构，并行D/A转换器的转换速度快，只要输入端加入数码信号，输出端立即有相应的模拟电压输出。并行D/A转换器的位数与输入数码的位数相同，对应输入数码的每一位都设有信号输入端，用以控制相应的模拟切换开关实现数/模（D/A）转换的方法比较多，常用的有两种权电阻D/A：电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器组成选用不同的权电阻网络，就可以得到不同编码的D/A转换器输入数码xp=a12-1+a22-2+…+ai2-i+…+an2-n，则：Uo=UNxp=UN(a12-1+a22-2+…+an2-n)=UN∑ai2-iui=1第4页，共66页，2023年，2月20日，星期六每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，Vref为基准电压2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf

VOS1S2S3S4S5S6S7S8第5页，共66页，2023年，2月20日，星期六R-2RT型电阻网络D/A转换器实际应用的D/A转换器，普遍采用R-2RT型电阻网络电路由串联分路开关、R-2R电阻网络、运算放大器和一个反馈电阻Rf组成。采用分流原理，实现对输入数字量的转换第6页，共66页，2023年，2月20日，星期六无论从哪个R-2R的节点向上或向下看，等效电阻都是R，等效输入电阻都是3R若反馈电阻Rf＝3R，则输出电压UO：UO=－U0Rf/Ri=－2/3UNxp×3R/2R=－Unxp式中的输入取值xp为0或1：取0时开关与地相连，该位无电流输入；取1时开关与参考电压VR接通，该位有电流输入xp为全1，运算放大器输出为－(1－1/2K)UNxp为全0，则运算放大器输出为0D/A转换器的输出在0~(1－1/2K)UN之间第7页，共66页，2023年，2月20日，星期六D/A转换器的输出D/A转换的结果与输入二进制码成比例的电流，称为电流DACD/A转换的结果与输入二进制码成比例的电压，称为电压DAC常用的D/A转换芯片大多属于电流DAC，在实际应用中，一般需要电压输出，需要把电流转换为电压输出转换一般采用运算放大器，输出可以是单极性电压或双极性电压单极性电压输出的电压正负值由参考电压极性而定双极性电压输出是在单极性电压输出后再加一级运算放大器第8页，共66页，2023年，2月20日，星期六单极性输出第9页，共66页，2023年，2月20日，星期六双极性输出第10页，共66页，2023年，2月20日，星期六D/A转换器的主要参数线性误差：理想转换特性是线性的，实际特性总有一定的非线性，用在满刻度范围内偏离理想特性的最大值表示线性误差非线性误差：D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。在转换器电路设计中，一般要求非线性误差不大于±1/2LSB线性误差和非线性误差用两个方法表示误差的大小在实际使用中，一般用输入数字量的位数来表示分辨率大小。例：8位D/A转换器，12位D/A转换器等分辨率取决于D/A转换器的位数分辨率：反映D/A转换器对模拟量的分辨能力，是最小输出电压与最大输出电压之比N位转换器，其分辨率为满量程电压/2N第11页，共66页，2023年，2月20日，星期六相对精度：当满量程值校准后，输入的任何数字量所对应的模拟输出值与理论值的误差绝对精度：在输入端加入给定数字量时，在输出端实测的模拟量与理论值之间的偏差D/A转换器的转换精度与D/A转换器芯片和外接电路有关。外接运算放大器，外接参考电源，都会影响D/A转换器的精度在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差如果不考虑其他D/A转换误差时，D/A的转换精度就是分辨率的大小建立时间：数字量输入到稳定输出的时间第12页，共66页，2023年，2月20日，星期六内部无数据输入寄存器的D/A芯片的接口第13页，共66页，2023年，2月20日，星期六D/A转换器的位数超过系统总线长度的接口

第14页，共66页，2023年，2月20日，星期六D/A转换器用两级数据缓冲器的接口

内部有数据输入寄存器的D/A芯片的是将D/A芯片直接和数据总线相连

第15页，共66页，2023年，2月20日，星期六DAC0832是美国数据公司的8位双缓冲D/A转换器，片内有数据锁存器，电路有极好的温度跟随性，使用CMOS电流开关和控制逻辑来获得低功耗和低输出泄漏电流误差主要技术指标建立时间1μs单电源+5～+15VVREF输入端电压±25V分辨率8位功率能耗200mW最大电源电压VDD17V输入与TTL电平兼容电流输出型D/A转换器DAC0832第16页，共66页，2023年，2月20日，星期六DI0~DI7：8位数据输入端ILE：输入锁存允许信号，高电平有效，控制8位输入寄存器的数据是否能被锁存CS：片选信号，低电平有效，与ILE信号一起控制WR1信号能否起作用第17页，共66页，2023年，2月20日，星期六WR1：写信号1，低电平有效，在ILE和CS有效的条件下，控制将输入数据锁存于输入寄存器中WR2：写信号2，低电平有效，在XFER有效的条件下，控制将输入寄存器中的数字传送到8位DAC寄存器中XFER：传送控制信号，低电平有效，和WR2控制信号决定8位DAC寄存器是否工作8位D/A转换器接收被8位DAC寄存器锁存的数据，并把该数据转换成相对应的模拟量IOUT1：DAC电流输出1，是逻辑电平为1的各位输出电流之和IOUT2：DAC电流输出2，是逻辑电平为0的各位输出电流之和第18页，共66页，2023年，2月20日，星期六Rfb：制作在芯片内的反馈电阻引脚，用作运算放大器的反馈电阻ＶREF：基准电压输入，一般在－10Ｖ~＋10Ｖ范围内，由外电路提供ＶCC：逻辑电源，一般在＋5Ｖ~＋15Ｖ范围内，＋15Ｖ为好AGND：模拟地，芯片模拟电路接地点DGND：数字地，芯片数字电路接地点DAC0832具有双缓冲功能，即输入数据可分别经过两个寄存器保存。第一个寄存器是输入寄存器，数据输入端可直接连接到数据总线上，第二个寄存器是DAC寄存器第19页，共66页，2023年，2月20日，星期六第20页，共66页，2023年，2月20日，星期六DAC0832的三种工作方式：双缓冲方式、单缓冲方式和直通方式双缓冲方式：数据通过二个寄存器锁存后送入D/A转换电路，执行两次写操作才能完成一次D/A转换，适用于要求同时输出多个模拟量的场合单缓冲方式：两个寄存器中的一个处于直通状态，输入数据只经过一级缓冲送入D/A转换器电路。只需执行一次写操作，即可完成D/A转换，可以提高DAC的数据吞吐量直通方式：两个寄存器都处于直通状态，即ILE、CS、WR1、WR2和XFER都处于有效电平状态，数据直接送入D/A转换器电路进行D/A转换DAC0832的工作方式第21页，共66页，2023年，2月20日，星期六例：采用单缓冲方式，通过DAC0832输出产生三角波，三角波最高电压5Ｖ，最低电压0Ｖ分析：为减少控制线条数，可使ILE一直处于高电平状态，一级输入寄存器锁存，第二级直通，单极性电压输出产生三角波电压范围为0V~5Ｖ，对应的输出数据00H~FFH。三角波上升部分从00H起加1，直到FFH；三角波下降部分从FFH起减1，直到00H第22页，共66页，2023年，2月20日，星期六第23页，共66页，2023年，2月20日，星期六第24页，共66页，2023年，2月20日，星期六 MOV AL,00H ；设置输出电压值 MOV DX,XX ；DAC0832芯片地址送DXA1∶OUT DX,AL INC AL ；修改输出数据 CMP AL,0FFH JNZ A1A2∶OUT DX,AL DEC AL ；修改输出数据 CMP AL,00H JNZ A2 JMP A1第25页，共66页，2023年，2月20日，星期六双极性电路输出三角波第26页，共66页，2023年，2月20日，星期六S0：MOVAL，0 ；输出三角波的上升段S2：CALL OUTPUT ；输出三角波的下降段DEC AL ；产生下降段下一个值 JNZ S2 ；下降段未结束，继续输出 JMP S1 ；下降段结束，输出下一个三角波输出锯齿波的程序段如下： MOV AL,0J1:CALL OUTPUT ；输出当前值 INC AL ；产生下一个输出值 JMP J1第27页，共66页，2023年，2月20日，星期六OUTPUT PROC NEAR MOV DX,PORT0 ；DAC0832端口地址 OUT DX,AL INC DX OUT DX,AL PUSH AX MOV AX,N ；延时的时间常数 WT: DEC AX JNZ WT ；延时 POP AX RET ENDP三角波、锯齿波的周期取决于每一位的输出时间第28页，共66页，2023年，2月20日，星期六A/D转换的过程要经过：采样→保持→量化→编码四个阶段A/D转换器是将模拟量转变为数字量采样：将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续变化的(离散的)模拟量。也可以定义为：把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个串脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量，时间上通常采用等时间间隔采样香农定理：采样频率一般要高于或至少等于输入信号最高频率的2倍实际应用中，采样频率可以达到信号最高频率的4～8倍对于快速变化的输入模拟信号，在A/D转换器前用采样保持器，使得在转换期间保持固定的模拟信号值A/D转换第29页，共66页，2023年，2月20日，星期六采样器相当于一个受控的理想开关，s(t)=1时，开关闭合，fs(t)=f(t)；s(t)=0时开关断开，fs(t)=0。fs(t)=f(t)·s(t)在s(t)=1期间，输出跟踪输入变化，相当于输出把输入的“样品”采下来了，采样电路也叫跟踪电路第30页，共66页，2023年，2月20日，星期六第31页，共66页，2023年，2月20日，星期六保持：将采样得到的模拟量值保持下来，即是说，s(t)=0期间，使输出等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值，保持发生在s(t)=0期间第32页，共66页，2023年，2月20日，星期六量化：把采样值取整为最小单位的整数倍，这个最小单位称为量化单位Δ，它等于输入信号的最大范围/数字量的最大范围，对应于数字量1量化的方法通常有两种：只舍不入法和四舍五入法量化误差：量化而产生的误差，直接影响转换器的转换精度。量化误差是由于量化电平的有限性造成的，是原理性误差，只能减小，无法消除编码就是把已经量化的模拟数值(它一定是量化电平的整数倍)用二进制数码、BCD码或其他码来表示第33页，共66页，2023年，2月20日，星期六双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换，双积分法A/D转换器也叫做T-V型A/D转换器双积分A/D转换器第34页，共66页，2023年，2月20日，星期六转换过程：将待转换的模拟量Ｖi输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间到后；开关将与Ｖi极性相反的基准电压ＶＲef输入到积分器，进行反相积分，直到输出为0V时停止积分Vi/VRef=T1/T2计数器在反相积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量双积分型A/D转换是测量输入电压Vi在T2时间内的平均值，对常态干扰（串模干扰）有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号，抑制效果更好双积分型的A/D转换器电路简单、抗干扰能力强、精度高，但要经历正、反两次积分，转换速度较慢，通常为毫秒级一般用于低频信号的测量第35页，共66页，2023年，2月20日，星期六逐次逼近式A/D转换逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成第36页，共66页，2023年，2月20日，星期六转换过程：初始化时将逼近寄存器清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除重复此过程，直至逼近寄存器最低位转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出逐次逼近式的A/D转换器的主要特点：转换速度较快，转换时间固定，分辨率可达18位，适用于高精度、高频信号，抗干扰能力较双积分型弱，需要采取适当的滤波措施第37页，共66页，2023年，2月20日，星期六A/D转换器的主要参数分辨率：A/D转换器能分辨的最小模拟输入量。通常用能转换成的数字量的位数来表示，位数越高，分辨率越高。分辨率与精度是两个不同的概念，分辨率很高，可能由于温度漂移、线性度等原因，使其精度不够高转换时间：A/D转换器完成一次转换所需的时间，发出转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔量程：所能转换的输入电压范围，分单极性、双极性两种类型精度：数字输出量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值。A/D转换电路中与每一个数字量对应的模拟输入量并非是单一的数值，而是一个范围Δ绝对误差：实际转换结果与理论转换结果之差，通常以数字量的最小有效位（LSB）的分数值来表示。如：±1LSB，±1/2LSB，±1/4LSB等。绝对误差包括量化误差和其他所有误差第38页，共66页，2023年，2月20日，星期六A/D转换器ADC0809第39页，共66页，2023年，2月20日，星期六第40页，共66页，2023年，2月20日，星期六ADC0809是CＭOS单片型逐次逼近式A/D转换器其主要特性：8路模拟量输入、8位数字量输出功能的A/D转换器转换时间为100μs模拟输入电压范围为0V~+5V，不需零点和满刻度校准时钟频率640kHz未调整误差1/2LSB和1LSB功耗15mWADC0809模拟输入部分由8选1多路开关，地址锁存与译码逻辑组成。IN0~IN7引脚输入8路单端模拟信号，由三位地址输入ADDA，ADDB，ADDC译码选择8路中的一路输入ALE高电平，三个地址信号被锁存第41页，共66页，2023年，2月20日，星期六A/D变换器部分由逐次逼近寄存器SAR、比较器、电阻网络等控制逻辑组成START和EOC分别为启动信号和变换结束信号，EOC可用来申请中断OE：输出允许信号，当OE=1时，ADC0809的三态缓冲器脱离三态，把转换后的数据送往数据总线ADC0809由START信号的上升沿清除内部寄存器，并在下降沿启动A/D转换开始转换后EOC输出低电平，表示正在进行转换，转换结束变为高电平在转换结束之后把OE置高电平，打开三态门，转换后的数据输出到数据总线第42页，共66页，2023年，2月20日，星期六ADC0809的时序第43页，共66页，2023年，2月20日，星期六A/D转换器和系统连接时要考虑的问题输入模拟电压的连接数据线和系统总线的连接

启动信号：电平启动信号或脉冲启动信号转换结束信号转换数据的读取：程序查询方式、中断方式、CPU等待方式和固定的延迟程序方式第44页，共66页，2023年，2月20日，星期六

ADC0809与系统总线的连接ADC0809与系统有三种常见的连接方法三端口法：一个端口向0809输出模拟通道号并锁存，一个端口启动转换，一个端口输出转换的数据二端口法：一个端口向0809输出模拟通道号并锁存，同时启动转换，一个端口输出转换后的数据用并行接口芯片进行连接在有些场合也可以采用单端口法：读和写用一个端口，用门电路进行区分读写操作第45页，共66页，2023年，2月20日，星期六例：采用查询方式把8个通道模拟量轮流转换并输入到缓冲区第46页，共66页，2023年，2月20日，星期六START： LEA SI，BUF ；置存放结果缓冲区指针 MOV CL，8 ；8个通道 MOV DX，P1 ；启动转换端口地址 MOV BL，0 ；转换从通道0开始LL1： MOV AL，BL ；暂存 OUT DX，AL ；启动转换 MOV DX，P2 ；查询EOC端口地址L1： IN AL，DX ；输入EOC状态 TEST AL，80H ；EOC=1？ JZ L1 ；未转换完，循环等待 MOV DX，P1 ；输入转换结果 IN AL，DX MOV［SI］，AL ；转换的结果存入缓冲区 INC SI ；修改地址 INC BL ；通道地址加1 DEC CL JNZ LL1；未结束，继续第47页，共66页，2023年，2月20日，星期六例：用8255A查询方式读取A/D转换第48页，共66页，2023年，2月20日，星期六START: MOVAL，98H ；8255A方式字 MOVDX，3FFFH ；8255A控制端口地址 OUT DX，AL ；送8255A方式字 MOV AL，0BH ；选IN3输入端 MOV DL，0FDH ；8255A的B口地址 OUT DX，AL ；送IN3通道地址，ALE=1 MOV AL，1BH ；START=1 OUT DX，AL ；启动A/D转换 MOVAL，0BH OUTDX，AL ；撤销START信号 MOVDL，0FEH ；8255A的C口地址TST: IN AL，DX ；读C口状态 AND AL，10H ；查询EOC状态 JZ TST ；未完，再测试，完则继续 MOV DL，0FCH ；8255PA端口地址 IN AL，DX ；从A端口输入转换结果 ………第49页，共66页，2023年，2月20日，星期六例：ADC0809芯片只用一个I/O口地址的连接方法第50页，共66页，2023年，2月20日，星期六第51页，共66页，2023年，2月20日，星期六12位A/D转换器AD574AD574是美国模拟器件公司的产品，是逐次比较式转换器AD1674的功能、特性及引脚完全与AD574相同，不同的是把采样保持电路集成到芯片内AD574的主要特性12位逐次比较式A/D转换器转换时间为25μs输入电压可以是单极性0V~＋10V或0V~+20V，也可以是双极性-5V~＋5V，-10V~＋10V由外部控制进行12位转换或8位转换12位数据输出分为三段：A段为高4位，B段为中4位，C段为低4位，三态门控制输出内部具有三态输出缓冲器，可直接与8位或16位的CPU数据总线相连功耗390mW第52页，共66页，2023年，2月20日，星期六第53页，共66页，2023年，2月20日，星期六12/8：输出数据方式选择控制信号，“1”输出数据是12位字长，“0”转换后的数变成两个8位数据输出，按左对齐格式输出A0：转换数据长度选择控制信号，“1”启动8位转换，“0”启动12位转换R/C：读出或转换控制选择信号，“0”启动转换，“1”将转换后的数据读出CE：芯片允许信号，高电平有效，与CS信号一起有效时，AD574才可以进行转换或从AD574输出转换后的数据STS：状态输出信号线，高电平有效。在转换过程中，STS为高电平，转换完成后，为低电平BIP：输入信号极性选择，“0”单极性输入，“1”双极性输入10VIN：单极性输入，输入电压范围0V~＋10V；双极性输入，输入电压范围-5V~+5V。20VIN：单极性输入，输入电压范围0V~＋20V；双极性输入，输入电压范围-10V~+10V第54页，共66页，2023年，2月20日，星期六REFOUT：＋10V参考电压输出，具有1.5mA的带负载能力VCC：正电源，其范围为0V~＋16.5VREFIN：参考电压输入工作时序CECSR/CA0STSDB11~DB0tC启动转换时序0/1CECSR/CA0STSDB11~DB0读周期时序0/1数据第55页，共66页，2023年，2月20日，星期六第56页，共66页，2023年，2月20日，星期六例：设计AD574与8位CPU的接口AD574的接口设计主要考虑的问题：总线匹配：12位A/D转换器配8位CPU，12位数据要分两次输出到CPU，先输出高8位，再输出低4位。AD574的输出端D11～D4接CPU数据总线的D7～D0，D3～D0接CPU数据总线的D7～D4可利用译码器的输出作为CS引脚的控制信号，读、写信号经与非逻辑输出后的信号作为CE的控制信号，即无论是读还是写，CE信号都有效STS信号可以进行中断申请，也可以经过一个三态门连接到数据总线的某一根数据线上进行查询第57页，共66页，2023年，2月20日，星期六第58页，共66页，2023年，2月20日，星期六第59页，共66页，2023年，2月20日，星期六多路转换模拟开关实际工程中，经常用一片A/D转换芯片同时测量多个模拟输入量或用一片D/A转换芯片完成多个对象的控制模拟开关电路解决多个回路和A/D、D/A转换器之间的切换问题A/D转换器的模拟开关电路：多路输入，一路输出D/A转换器的模拟开关电路：一路输入，多路输出第60页，共66页，2023年，2月20日，星期六S/HA/DO/IA0A1A2SO/I0O/I1O/I2O/I3O/I4O/