微机原理与接口技术第13章(XP).ppt

1、第 12 章,第12章 模拟接口,教学重点 DAC 0832及其与主机的连接 ADC 0809及其与主机的连接,模拟量与数字量,模拟量连续变化的物理量：这里的连续有时间上的连续以及空间上的连续,数字量时间和数值上都离散的量,12.1 模拟输入输出系统的基本概念,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,多路开关:把多个现场信号分时地接通到A/D转换器,低通滤波器:用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比,放大器:把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围,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）,1采样,模拟信号是一个连续的时间函数，如图（a）；

2、,而计算机只能接受离散的数字量，因而要对连续信号采样。采样就是周期性地取连续信号的瞬时值，如图（b）。,采样后的脉冲序列是离散信号，称为采样信号。,0、1T、2T各时间点称为采样时刻。T为采样周期。采样频率为1T。,由于AD转换需要一定的时间，因此，采样后的信号必须保持 时间以维持到转换结束。就称为保持时间。,一、采样、量化和编码,2量化,采样后的信号，时间上是离散的，但它的值仍是连续的。将采样后的信号值，变成计算机能接受的数字量数据，称为量化。如一台字长为4位的计算机，它能接收的数字代码只能是0000、 0001、0010、1111这16种。进行量化时每种代码对应一个确定的模拟电平。然而，采

3、样值并不一定就是某一代码所确定的模拟电平值，所以此时只能将采样值用一个最接近它的代码表示，图（c）为量化的示意图。,从图中可以明显地看出：量化过程中必然会引入误差，称之为量化误差。量化误差的最大值是12个量化单位。,量化单位是相邻的两个确定模拟电平之差，是量化过程中所能分辨的最小电压值。,由此可见：要减少量化误差，可以选用位数较多的ADC。,二、DA转换的基本原理,数字量是由代码按数值组合起来表示的。如 1101B123十122十021十12013,数模转换器的核心器件。常用的解码网络有权电阻解码网络、T型解码网络等。目前大多采用后者。,欲将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其权的大小转

4、换成相应的模拟分量，然后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量。这就是DA转换的基本原理。按这一原理构成的转换器，主要由电阻网络、电子开关和基准电压组成，如下图：,D/A转换器的原理图（1）,基准电压,电子开关：当该位为1时，开关将加权电阻与Ioutl输出端接通产生电流；当该位为0时，开关与Iout2端接通。,虚地,D/A转换器的原理图（2）,整个电路由若干个相同的电路环节组成。每个环节有两个电阻和一个开关。由于Iout2接地，Ioutl为虚地，所以从a、b、c和d各点向右看的阻抗都是2R，这样各点的电压分别为： Va=VREF，Vb=VREF/2，Vc=VREF/4，Vd=VREF

5、/8,D/A转换器的原理图（2）,当各位为1开关S接通Ioutl 时，各点的电流为： I0=Vd/2R=(Vref/8) /2R I1=Vc/2R= (Vref/4 )/ 2R I2=Vb/2R=(Vref/2) /2RI3=Vc/2R= (Vref/1)/ 2R 总输出电流Iout1=I3+I2+I1+I0=(Vref/2R)*(1/1+1/2+1/4+1/8) =Vref/2R*(23+22+21+20)/23=(Vref/24R)*(23+22+21+20),D/A转换器的原理图（2）,设开关S3S0的状态为1010，则总输出电流Iout1为,Iout1=I3+I2+I1+I0=(Vre

6、f/24R)*(1*23+0*22+1*21+0*20),由此通过解码网络在Iout1端得到了一个与输入数字量成比例关系的电流。,三、DA转换器特性及连接,D转换器一般是根据自己的需要选择相应数据位宽度和速度的DA转换器芯片，在选择DA转换器芯片时一般考虑如下指标：,（1）分辨率：指DA转换器所能分辨的最小电压增量，或1个二进制增量所代表的模拟量大小。一般来说，DA转换器位数越多，其分辨率就越高，分辨率的表示式为：分辨率Vref2位数 或 分辨率=（V+REF - V-REF）2位数 如：若Vref=5V，8位的DA转换器分辨率为5256=20 mV。,（2）转换时间：指数字量输入到模拟量输出

7、达到稳定所需的时间。一般电流型DA转换器在几纳秒到几百微秒之内；而电压型DA转换器转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。,（3）精度：指DA转换器实际输出与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位（LSB）作为衡量单位，值为12LSB。如DA分辨率为20mV，则精度为10mV。,（4）线性度：当数字量变化时，DA转换器输出的模拟量按比例变化的程度。理想的DA转换器是线性的，但实际有一定的误差，模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。,12.2.2 DAC0832芯片,写信号1。在片选和允许输入两信号有效下，用它将数字输入量锁存于输入寄存器中。,参考电压输入端。它的范围为+10V-10V。

8、,放大器反馈电阻引出端。,允许输入锁存。,写信号2。在传送控制信号（XFER）有效下，用它将输入寄存器的数字传送到DAC寄存器，同时进入DA转换器开始转换。,模拟电流输出1，它是逻辑电平为1的各位输出电流之和。,DAC0832是典型的8位电流输出型通用DAC芯片，其外部引脚如下,12.2.2 DAC0832芯片,DAC0832的内部结构如下,8位数字输入端 DI0DI7（DI0为最低位）,输入寄存器（第1级锁存）的控制端ILE、CS*、WR1*,DAC寄存器（第2级锁存）的控制端XFER*、WR2*,DAC0832有三种工作方式（连接方式）：,（1）直通方式 （2）单缓冲方式 （3）双缓冲方式

9、,DAC0832的工作方式：直通方式,LE1LE21 输入的数字数据直接进入D/A转换器:输入端DI7DI0一旦输出数据就立即进行D/A转换。这种方式不使用缓冲寄存器，不能直接与CPU或系统总线相连。(可使其与8255相连),DAC0832的工作方式：单缓冲方式(接线图p275）,LE11，或 LE21 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）：如把WR2，XFER接地，使DAC寄存器处于直通状态，ILE接+5V，WR1接CPU的IOW，CS接I/O地址译码器，针对CS进行数据写操作，数据写入后立即开始DA转换。,DAC0832的工作方式：双缓冲方式,两个寄存器都处

10、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 当ILE固定为十5V，IOW连接到WR1和WR2上，CS作为输入寄存器的选通信号，XFER作为DAC寄存器的选通信号，分别连接到两个I/O地址的译码输出。 数据写入时分两次进行，首先写入待转换的数字量到8位输入寄存器，然后进行虚拟写操作（产生XFER信号），用于将8位输入寄存器中的数据锁存到DAC寄存器，开始DA转换。双缓冲方式的优点是：在D/A转换的同时，可接收下一个转换数据，从而提高了转换速度。,采用单缓冲方式连接如图所示。,ILE接十5V； WR1接CPU的IOW，CS接I/O地址译码器，,WR2，XFER接地,DA

11、C0832的应用,TRG： MOVDX，200H MOVAL，0 TN： OUTDX，AL INCAL JMPTN,利用DAC可实现任意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出；如输出锯齿波的程序段如下(设DAC0832的端口地址为200H)：,DAC0832的应用-输出锯齿波,输出三角波的程序段如下：,TRG： MOVDX，200H MOVAL，0 TNl： OUTDX，AL INCAL JNZTN1 MOVAL，0FFH TN2： OUTDX，AL DECAL JNZTN2 JMP TN1,利用上图所示的DAC0832单缓冲方式连接图，也可输出循环正弦波，由于DAC0832是一个单极性输出

12、DAC芯片，因此在正弦波输出中应将0V平移到128数值上，其C语言控制程序如下：,#include #include main() unsignedcharV0=128，VOUT； inti： while(!kbhit() i=0; while(i=360) /角度最大为360度 VOUT=V0+128*sin(3.1419*i/180)； /计算每10度的正弦值 outportb(0 x200，VOUT)； /输出 i+=10； ,212位DAC连接,由于8088的I/O指令一次只能输出8位数据，因此对于数据宽度大于8位的DAC只能分两次输入数据，为此一般大于8位数据宽度的DAC内部均设计有

13、两级数据缓冲，如12位DACl210内部就有两级数据缓冲，内部结构如下图所示：,由于DACl210有两级数据缓冲电路，其控制逻辑与CPU兼容，因此DACl210可以与CPU直接相连，如下图所示：,当译码器输出Y00，BYTE1BYTE2为高电平，CPU向DACl210写入高8位数据；当Y1=0，BYTElBYTE2=0，CPU向DACl210写入低4位数据；,当Y2=0、IOW=0时，则写入DACl210芯片的12位数据一起写入DACl210的DAC寄存器，进行D/A转换。,设译码器Y0端口地址为200H，用该电路产生连续锯齿波输出程序如下：,MOV AX，0 TN： MOV BX，AX MO

14、V CL，4 SHL AX，CL MOV AL，AH；高8位数据 MOV DX，200H OUT DX，AL；输出高8位数据 MOV AX，BX AND AL，0FH；屏蔽高4位 INC DX；低4位端口地址201H OUT DX，AL；输出低4位 INCAX,CMPAX，0FFFH JNZTN MOVAX，0 JMPTN ,12.3 A/D转换器,模拟量,数字量,12.3.1 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,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,

15、模拟输入,计数器,D/A转换器,比较方法：8255的PA口由零开始输出，DAC输出一个逐步升起的梯形电压，输入的模拟电压和DAC生成的电压被送至比较器进行比较。当二者一致或基本一致（在允许的量化误差范围内）时，比较器输出一个指示信号，立即停止向PA口输出。此时，DAC的输出值就是采样信号的模拟近似值，其相应的数字量即为向PA口中写入的计数值。,2. 逐次逼近式,从最高位开始的逐位试探法,逐次逼近式：转换前，PA口各位清除为0。转换时，写入的数据先由最高位置1，DAC输出值与被测的模拟值进行比较：如果“低于”，该位的1被保留；如果“高于”该位的1被清除。然后下一位再置1，再比较，决定是否保留直至

16、最低位完成同一过程。写入的数据从最高位到最低位都试探过一遍的最终值就是AD转换的结果。由于每次送出的比较数字量是前次的一半，所以也称为二分搜索法。,两种方法相比较：计数器式采用以最低位为增减量单位的逐步计数法，而逐次逼近式采用从最高位开始的逐位试探法。对n位ADC，逐次逼近式只要n次比较就可完成转换，而计数器式的比较次数不固定，最多可能需要2n次。,3. 双积分式,两个积分阶段实质是电压/时间变换,双积分型AD转换器是将输入电压变换成与平均值成正比的时间间隔，然后利用计数器测量时间间隔，如下图所示：,双积分型AD转换器完成一次模数转换需要三个阶段：积分（采样：K1导通）、反积分（比较：K3导通

17、）和结束阶段（K4导通）。 在对Vin进行积分的阶段，其积分时间是固定的；而在对反极性的标准电压VR进行积分的阶段，其斜率是固定的。,转换过程积分阶段（K1导通）：在每次转换开始时，控制逻辑使开关接向Vin，设它的输出电流为Iin，它正比于Vin。此电流使积分电容器C的两极被充电，积分电路的输出电压Vc逐渐升高；此正斜率持续一个固定时间后，控制逻辑使开关接向K2或K3；,反积分阶段（K2或K3导通）：当开关接向基准电压K2或K3后，计数器重新开始对时钟计数。设IR是VR的输出电流，它的大小是固定的。由于设置VR与Vin的极性刚好相反，故IR是反向充电电流，即积分电容的放电电流。当逐渐降低的Vc

18、电压超过零点时，比较器的输出发生变化而使计数器停止计数。这个最终的数值与输入电压的幅值成正比，它即是A/D转换的结果。,双积分器对正极性电压输出波形如下图所示：,通过输出波形可得：Vin/Nx=Vr/Nm = Vin=Vr/NmNx，=Nx=Vin/Vr Nm 式中：Vr参考电压，Nm参考电压计数值，Nx输入电压计数值,4. 并行式,速度快成本高 直接比较法,12.3.2 ADC0809芯片,具有A/D转换的基本功能 8位逐次逼近式ADC 转换时间为100 s 包含扩展部件 多路开关 三态锁存缓冲器,ADC0809的内部结构图,1. ADC0809的模拟输入,提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑

19、 IN0IN7：8个模拟电压输入端 ADDA、ADDB、ADDC：3个地址输入线，其组合用于选择8个模拟输入中的一个 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,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D0D7 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D0D7输出,4. ADC0809的转换公式,单极性转换示例,基准电压VREF(+)5V，VREF()0V 输入模拟电压Vin1.5V N （1.50）（50）256 76.8774DH,双极性转换示例,基准电压VREF(+)5V，VREF()5V 输入模拟电压Vin1.5V N （1.55）（55）256 89.6905AH,12.3.3 ADC0809的应用,ADC0809与微机连接有两种方式，一是通过8255，二是直接连接； ADC0809与微机数据传输有两种方式，一是查询方式，二是中断。 本例ADC080