第十章 数模转换和模数转换

第十章数模转换和模数转换第1页，共58页，2023年，2月20日，星期三模拟量与数字量模拟量——连续变化的物理量数字量——时间和数值上都离散的量模拟/数字转换器ADCDAC数字/模拟转换器第2页，共58页，2023年，2月20日，星期三数字信号模拟信号现场信号1现场信号2现场信号n微型计算机放大器放大器放大器多路开关低通滤波传感器低通滤波传感器低通滤波传感器A/D转换器采样保持器数字信号受控对象控制信号模拟信号D/A转换器放大驱动电路…传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）

放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比多路开关把多个现场信号分时地接通到A/D转换器采样保持器周期性地采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变第3页，共58页，2023年，2月20日，星期三第一节D/A接口芯片DAC数字/模拟转换器模拟量数字量第4页，共58页，2023年，2月20日，星期三一、D/A转换的基本原理数字量→按权相加→模拟量1101B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＝13第5页，共58页，2023年，2月20日，星期三D/A转换器的原理图（1）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF电阻网络基准电压电子开关第6页，共58页，2023年，2月20日，星期三D/A转换器的原理图（2）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗＝2R运算放大器虚地第7页，共58页，2023年，2月20日，星期三D/A转换器的原理图（3）Va＝VREFVb＝VREF/2Vc＝VREF/4Vd＝VREF/8I0＝Vd/2R＝VREF/（8×2R）I1＝Vd/2R＝VREF/（4×2R）I2＝Vd/2R＝VREF/（2×2R）I3＝Vd/2R＝VREF/（1×2R）第8页，共58页，2023年，2月20日，星期三D/A转换器的原理图（4）Iout1＝I0＋I1＋I2＋I3 ＝VREF/2R×（1/8＋1/4＋1/2＋1）Rfb＝RVout＝－Iout1×Rfb ＝－VREF×[（20＋21＋22＋23）/24]Vout＝－（D/2n）×VREF第9页，共58页，2023年，2月20日，星期三二、DAC0832芯片DAC0832是典型的8位电流输出型通用DAC芯片第10页，共58页，2023年，2月20日，星期三DAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入寄存器DGNDDI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER第11页，共58页，2023年，2月20日，星期三1.DAC0832的数字接口8位数字输入端DI0～DI7（DI0为最低位）输入寄存器（第1级锁存）的控制端ILE、CS、WR1DAC寄存器（第2级锁存）的控制端XFER、WR2第12页，共58页，2023年，2月20日，星期三直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE＝1，直通（输出等于输入）LE＝0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1第13页，共58页，2023年，2月20日，星期三DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1输入的数字数据直接进入D/A转换器LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1第14页，共58页，2023年，2月20日，星期三DAC0832的工作方式：单缓冲方式LE1＝1，或者LE2＝1两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1第15页，共58页，2023年，2月20日，星期三DAC0832的工作方式：双缓冲方式两个寄存器都处于受控（缓冲）状态能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1第16页，共58页，2023年，2月20日，星期三2.DAC0832的模拟输出Iout1、Iout2——电流输出端Rfb——反馈电阻引出端（电阻在芯片内）VREF——参考电压输入端＋10V～－10VAGND——模拟信号地VCC——电源电压输入端＋5V～＋15VDGND——数字信号地第17页，共58页，2023年，2月20日，星期三单极性电压输出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF第18页，共58页，2023年，2月20日，星期三单极性电压输出：例子设VREF＝－5VD＝FFH＝255时，最大输出电压：Vmax＝（255/256）×5V＝4.98VD＝00H时，最小输出电压：Vmin＝（0/256）×5V＝0VD＝01H时，一个最低有效位（LSB）电压：VLSB＝（1/256）×5V＝0.02VVout＝－（D/2n）×VREF第19页，共58页，2023年，2月20日，星期三双极性电压输出：电路R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1＋I2＝0第20页，共58页，2023年，2月20日，星期三双极性电压输出：公式取R2＝R3＝2R1得Vout2＝－（2Vout1＋VREF）因Vout1＝－（D/28）×VREF故Vout2＝[（D－27）/27）]×VREF第21页，共58页，2023年，2月20日，星期三双极性电压输出：例子设VREF＝5VD＝FFH＝255时，最大输出电压：Vmax＝[（255－128）/128]×5V＝4.96VD＝00H时，最小输出电压：Vmin＝[（0－128）/128]×5V＝－5VD＝81H＝129时，一个最低有效位电压：VLSB＝[（129－128/128]×5V＝0.04VVout＝[（D－27）/27）]×VREF第22页，共58页，2023年，2月20日，星期三3.输出精度的调整RfbIout2Iout1Vout+_AGND调零电位器调满刻度电位器电源5VADI10K1M1KVREF第23页，共58页，2023年，2月20日，星期三三、DAC芯片与主机的连接DAC芯片相当于一个“输出设备”，至少需要一级锁存器作为接口电路考虑到有些DAC芯片的数据位数大于主机数据总线宽度，所以分成两种情况：1.主机位数等于或大于DAC芯片位数2.主机位数小于DAC芯片位数第24页，共58页，2023年，2月20日，星期三1.主机位数大于或等于DAC芯片的连接moval,bufmovdx,portdoutdx,al译码ABD0～D7CSDACVout+_ALS273IOW第25页，共58页，2023年，2月20日，星期三DAC0832单缓冲方式WR1CSIOW5V+5VRfbIout2Iout1WR2XFERDGNDAGNDD0～D7DI0～D17VccILEVREFVout+_A译码AB第26页，共58页，2023年，2月20日，星期三2.主机位数小于DAC芯片的连接数字数据需要多次输出接口电路也需要多个（级）锁存器保存多次输出的数据并需要同时将完整的数字量提供给DAC转换器CPUDAC8位12位第27页，共58页，2023年，2月20日，星期三两级锁存电路模拟输出12位DAC第2级12位锁存控制第1级低8位锁存控制第1级高4位锁存控制D0～D74位锁存器4位锁存器8位锁存器8位锁存器由同一个信号控制关键的一级锁存第28页，共58页，2023年，2月20日，星期三简化的两级锁存电路模拟输出12位DAC第2级12位锁存控制第1级低8位锁存控制D0～D74位锁存器8位锁存器8位锁存器由同一个信号控制关键的一级锁存movdx,port1moval,bloutdx,almovdx,port2moval,bhoutdx,al第29页，共58页，2023年，2月20日，星期三四、DAC芯片的应用 movdx,portd moval,0repeat: outdx,al incal jmprepeat第30页，共58页，2023年，2月20日，星期三输出正向锯齿波2次数据输出的时间间隔02LSB1LSB255LSB254LSB锯齿波周期第31页，共58页，2023年，2月20日，星期三第二节A/D转换器模拟量数字量模拟/数字转换器ADC第32页，共58页，2023年，2月20日，星期三一、A/D转换的基本原理存在多种A/D转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合4种常用的转换技术计数器式逐次逼近式双积分式并行式第33页，共58页，2023年，2月20日，星期三1.计数器式以最低位为增减量单位的逐步计数法时钟复位数字输出比较器模拟输入计数器D/A转换器转换结束第34页，共58页，2023年，2月20日，星期三2.逐次逼近式从最高位开始的逐位试探法时钟复位数字输出转换结束比较器模拟输入寄存器D/A转换器第35页，共58页，2023年，2月20日，星期三3.双积分式两个积分阶段实质是电压/时间变换IREFIinVinVREF积分器比较器V/IV/I时钟启动计数计数器数字输出T2T1Vc固定斜率时间可变固定时间斜率可变转换结束第36页，共58页，2023年，2月20日，星期三4.并行式速度快成本高直接比较法编码电路VinVREF数字输出比较器RRRRRRR/2R/2第37页，共58页，2023年，2月20日，星期三二、ADC0809芯片具有A/D转换的基本功能CMOS工艺制作8位逐次逼近式ADC转换时间为100s包含扩展部件多路开关三态锁存缓冲器第38页，共58页，2023年，2月20日，星期三ADC0809的内部结构图ADC0809地址锁存和译码OE通道选择开关ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位三态锁存缓冲器DACVcc比较器CLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC第39页，共58页，2023年，2月20日，星期三1.ADC0809的模拟输入提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑IN0～IN7：8个模拟电压输入端ADDA、ADDB、ADDC：3个地址输入线ALE：地址锁存允许信号ALE的上升沿用于锁存3个地址输入的状态，然后由译码器从8个模拟输入中选择一个模拟输入端进行A/D转换第40页，共58页，2023年，2月20日，星期三2.ADC0809的转换时序D0～D7OEEOCSTART/ALEADDA/B/CDATA100s2s+8T(最大)200ns(最小)转换启动信号转换结束信号第41页，共58页，2023年，2月20日，星期三3.ADC0809的数字输出ADC0809内部锁存转换后的数字量具有三态数字量输出端D0～D7配合输出允许信号OE当输出允许信号OE为高电平有效时，将三态锁存缓冲器的数字量从D0～D7输出第42页，共58页，2023年，2月20日，星期三4.ADC0809的转换公式输入模拟电压输出数字量基准电压正极基准电压负极第43页，共58页，2023年，2月20日，星期三单极性转换示例基准电压VREF(+)＝5V，VREF(－)＝0V输入模拟电压Vin＝1.5V N＝（1.5－0）÷（5－0）×256 ＝76.8≈77＝4DH第44页，共58页，2023年，2月20日，星期三双极性转换示例基准电压VREF(+)＝＋5V，VREF(－)＝－5V输入模拟电压Vin＝－1.5V N＝（－1.5＋5）÷（5＋5）×256 ＝89.6≈90＝5AH第45页，共58页，2023年，2月20日，星期三三、ADC芯片与主机的连接ADC芯片相当于“输入设备”，需要接口电路提供数据缓冲器主机需要控制转换的启动主机还需要及时获知转换是否结束，并进行数据输入等处理第46页，共58页，2023年，2月20日，星期三1.数据输出线的连接与主机的连接可分成两种方式直接相连：用于输出带有三态锁存器的ADC芯片通过三态锁存器相连：适用于不带三态锁存器的ADC芯片，也适用带有三态锁存缓冲器的芯片ADC芯片的数字输出位数大于系统数据总线位数，需把数据分多次读取第47页，共58页，2023年，2月20日，星期三2.A/D转换的启动（1）启动信号一般有两种形式脉冲信号启动转换电平信号启动转换转换启动转换结束第48页，共58页，2023年，2月20日，星期三2.A/D转换的启动（2）主机产生启动信号有两种方法编程启动软件上，执行一个输出指令硬件上，利用输出指令产生ADC启动脉冲，或产生一个启动有效电平定时启动启动信号来自定时器输出第49页，共58页，2023年，2月20日，星期三3.转换结束信号的处理不同的处理方式对应程序设计方法不同①

查询方式——把结束信号作为状态信号②

中断方式——把结束信号作为中断请求信号③

延时方式——不使用转换结束信号④

DMA方式——把结束信号作为DMA请求信号第50页，共58页，2023年，2月20日，星期三四、ADC芯片的应用编程启动、转换结束中断处理编程启动、转换结束查询处理第51页，共58页，2023年，2月20日，星期三中断方式D0～D7220hIRQ2A0～A9译码VccD0～D7EOCADDAADDBADDCALE模拟输入（0～5V）500KHzCLOCKVREF(+)+5VIN0OESTARTGNDVREF(-)IORIOW第52页，共58页，2023年，2月20日，星期三主程序 ;数据段 adtempdb0 ;给定一个临时变量 ;代码段 …… ;设置中断向量等工作 sti ;开中断

movdx,220h

outdx,al ;启动A/D转换 …… ;其他工作第53页，共58页，2023年，2月20日，星期三中断服务程序 adint proc sti ;开中断 pushax ;保护寄存器 pushdx pushds movax,data ;设置数据段DS movds,ax

movdx,220h

inal,dx ;读A/D转换的数字量

movadtemp,al ;送入缓冲区第54页，共58页，2023年，2