第11章 AD-DA转换接口.ppt

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1、同济大学电信学院同济大学电信学院第11章D/A和A/D转换11.1概述11.2D/A转换原理11.3DAC0832及应用11.4A/D转换原理11.5ADC0809及应用同济大学电信学院同济大学电信学院主要知识点l掌握D/A和A/D的基本概念l掌握D/A接口芯片DAC0832l掌握A/D接口芯片ADC0809同济大学电信学院同济大学电信学院在许多工业生产过程中，参与测量和控制的物理量，往往是连续变化的模拟量，例如温度、压力、流量、位移、电压、电流等，而计算机只能处理数字量的信息。11.1概述同济大学电信学院同济大学电信学院 外界的模拟量要输入计算机，必须要经过A/D（Analog to Dig

2、it）转换器，将其转换成计算机所能接受的数字量，才能进行运算、加工处理。若计算机的控制对象是模拟量，也必须先把计算机输出的数字量经过D/A（Digit to Analog）转换器，将其转换成模拟量形式的控制信号，才能去驱动有关的控制对象。11.1概述同济大学电信学院同济大学电信学院11.1.1模拟量输入与输出通道同济大学电信学院同济大学电信学院 1.模拟量输入组成 （1）传感器 将一些被测的非电物理量转换成电量（电压和电流）的器件，如将温度、流量、压力等转换成对应的电量。传感器也称为一次仪表。11.1.1模拟量输入与输出通道同济大学电信学院同济大学电信学院 （2）信号处理 将传感器送来的微弱电

3、量信号进行放大、滤波或极性转换。（3）多路开关 就是一个可控的电子开关，用于对输入量的选择。11.1.1模拟量输入与输出通道同济大学电信学院同济大学电信学院 （4）采样保持器 将输入到A/D转换器被转换的电量在转换期间保持不变。11.1.1模拟量输入与输出通道同济大学电信学院同济大学电信学院 11.1.1模拟量输入与输出通道 （5）A/D转换器 将电量转换成数字量，以便计算机存储和处理。同济大学电信学院同济大学电信学院 2.模拟量输出组成 （1）数据锁存器 存放将被转换的数字量，在数字量被转换过程，保持数据的稳定。（2）D/A转换器 将数字量转换成电量。（3）放大驱动 将D/A输出的电量放大到

4、能驱动被控对象。11.1.1模拟量输入与输出通道同济大学电信学院同济大学电信学院 3.模拟信号的采样、量化和编码 （1）模拟信号的采样和保持 模拟量是连续变化的，而计算机进行采样时有间隔的，因此，采样信号就在时间上是离散的，为保证采样的正确性，采样频率应是模拟量最高频率的两倍。f2fmax fmax:模拟量频率 实际应用时，采样频率大于模拟量最高频率的5-10倍。11.1.1模拟量输入与输出通道同济大学电信学院同济大学电信学院 （2）量化 采样的信号一定要量化（即数字化）后才能进入计算机。量化的最小单位：q=（模拟量的幅值）/2n-1 n：为量化的二进制位数 例：模拟量幅值为0-5V，而量化的

5、二进制为8位，则：q=5V/28-1=5V/255=0.0196V11.1.1模拟量输入与输出通道同济大学电信学院同济大学电信学院 如用16位二进制量化，则：q=5V/216-1=5V/65535=0.00007629V 注：量化的位数越多，分辨率越高。（3）编码 二进制编码一般用：原码、补码和移码。11.1.1模拟量输入与输出通道同济大学电信学院同济大学电信学院11.2数模（D/A）转换器 D/A转换器是计算机或其他数字系统与模拟量控制对象之间联系的桥梁，它的任务是将离散的数字信号转换为连续变化的模拟信号。在工业控制领域中，D/A转换器是不可缺少的重要组成部分。同济大学电信学院同济大学电信学

6、院11.2.1 D/A转换的基本原理为了把一个数字量变为模拟量，必须把每一位的数码按照权来转换为对应的模拟量，再把各模拟量相加，这样，得到的总模拟量便对应于给定的数据。11.2数模（D/A）转换器同济大学电信学院同济大学电信学院 D/I是数字变电流电路，将输入的数字（bitn-bit1)转换位电流I，运放将电流变为电压Vo，所以，Vo正比于D。Vo=IRf11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院11.2.1D/A转换原理 R-2R-T电阻解码网络同济大学电信学院同济大学电信学院111.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院011.2.1D/A转换原理同济大学电信

7、学院同济大学电信学院当输入1000B时11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院l输入1000B等效电路11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院当输入0100B时11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院l输入0100B等效电路11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院当输入0010B11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院l输入0010B等效电路11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学

8、电信学院11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院当输入0001B11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院l输入0001B等效电路11.2.1D/A转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院从上可见，流过S点的电流符合二进制规律。11.2.1D/A转换原理输入输入S S点电流点电流100010001 1010001000.50.5001000100.250.25000100010.1250.125同济大学电信学院同济大学电信学院 1.分辨率 指最小输出电压（对应的输入数字量只有最低有效位为1与最大输出电压（对应的输入数字量为全1)之比。如：N位的D/A，其分辨率

9、为：1/2N-1 注：位数越多，分辨率越高。11.2.2D/A转换器的主要指标同济大学电信学院同济大学电信学院 2.稳定时间 指D/A转换器加上满刻度的变化（如输入从全0变为全1）时，其输出达到稳定（一般达到满刻度值1/2LSB）所需的时间。3.输出形式 电压型D/A 输出为0-5V或0-10V等 电流型D/A 输出为0-10mA或4-20mA等 11.2.2D/A转换器的主要指标同济大学电信学院同济大学电信学院 4.绝对精度 对于给定的满刻度数字量（全1），D/A实际输出的电压与理论值之间的误差，一般应小于1/2LSB。5.相对精度 在满刻度已校准的条件下，在整个刻度范围内对应于任一输入数字

10、量的模拟量输出与理论输出之差。11.2.2D/A转换器的主要指标同济大学电信学院同济大学电信学院11.2.3D/A转换器输出1.电流型D/A连接成电压输出方式反相输出：反相输出：Vout=-IRVout=-IR同相输出可调：同相输出可调：Vout=IRVout=IR（1+R2/R1)1+R2/R1)同济大学电信学院同济大学电信学院2.单极性和双极性输出方式11.2.3D/A转换器输出单极性输出方式单极性输出方式双极性输出方式双极性输出方式同济大学电信学院同济大学电信学院 1DAC0832（1）DAC0832的逻辑结构11.3典型D/A转换器同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.1DAC08

11、32结构及引脚同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.1DAC0832结构及引脚D7-D0：数据线nCS：片选信号nWR1：数据写入信号1，有效时将数据写入数据寄存器。ILE:输入寄存器允许信号，与nWR1及nCS共同选通输入寄存器。nXFER：从输入寄存器向DAC寄存器传送数据的控制信号。nWR2：DAC寄存器选通信号，与nXFER共同选通DAC寄存器。同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.1DAC0832结构及引脚Rfb：内用于外接D/A输出增益调整电位器，或接放大器输出端部反馈电阻引脚。Vref：D/A转换的参考电压，-10V+10V，该电压的精度决定了转换的精度。Iout1：转换

12、器输出电流端，DAC寄存器为全1时，输出电流最大，为全0时，输出电流为0。Iout2：输出电流端，Iout1+Iout2=常数AGND：模拟信号地DGND：数字信号地同济大学电信学院同济大学电信学院DAC0832有三种工作方式11.3.2DAC0832工作方式 直通方式 单缓冲方式 双缓冲方式同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.2DAC0832工作方式1.直通方式 在此方式下，只要CPU数据上D7-D0，D/A转换器马上进行数模转换，nCS、nWR1、nWR2、nXFER均接地，ILE接高。同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.2DAC0832工作方式2.单缓冲方式 在此方式下，只要

13、CPU数据送入输入寄存器，D/A转换器马上进行数模转换，nWR2、nXFER均接地。同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.2DAC0832工作方式3.双缓冲方式 在此方式下，CPU数据送入输入寄存器，D/A转换器不进行数模转换，只有将数据送入DAC寄存器，才进行转换。同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.3D/A转换器接口同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.3DAC0832应用 例：让DAC0832输出一个锯齿波，采用单缓冲方式，设接口地址为30H。同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.3DAC0832应用 1.逻辑图同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.3DAC0832

14、应用 2.程序1：MOV AL，00HNEXT：OUT 30H，AL ；输出数据，进行D/A转换 INC AL ；输出数据递增 JMP NEXT同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.3DAC0832应用 程序2：MOV AL，00H UP：OUT 30H，AL ；输出数据，进行D/A转换 INC AL ；输出数据递增 JNZ UPDOWN：DEC AL OUT 30H，AL JNZ DOWN JMP UP同济大学电信学院同济大学电信学院11.3.4DAC1210应用同济大学电信学院同济大学电信学院11.4A/D模数转换器11.4.1 概述 由于应用特点和要求的不同，需要采用不同工作原理的A

15、/D转换器，目前常用的有：积分型、逐次比较型、并行比较型、-调制型、电容阵列逐次比较型、压频变换型。其中应用最为广泛的是积分型、逐次比较型、并行比较型的A/D转换器。同济大学电信学院同济大学电信学院11.4.1概述 1.积分型 假设有一个计数器，计数脉冲频率为f，计数的时间间隔为t，在t内加入计数器中的脉冲数目为N，则：N=ft （1）用被转换的电压控制时间间隔t，使t正比于V（被转换电压），在t时间间隔内，用频率恒定的计数脉冲去计数。同济大学电信学院同济大学电信学院11.4.1概述 （2）用被转换的电压控制计数脉冲频率，使f正比于V，在恒定的时间间隔t，进行计数。使t正比于V（被转换电压），

16、在时间间隔t内，用固定脉冲频率为f的计数脉冲去计数。同济大学电信学院同济大学电信学院 2.逐次比较型 其实质是逐次把设定的SAR寄存器中的数字量经D/A转换后得到电压Vc，与待转换的模拟电压Vx进行比较。比较时，先从SAR寄存器的最高位开始，逐次确定各位的数码应是“1”还是“0”，直到SAR寄存器的最低位。11.4.1概述同济大学电信学院同济大学电信学院11.4.2双积分A/D转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院11.4.2双积分A/D转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院11.4.2双积分A/D转换原理 双积分A/D转换器优点：抗干扰和电源噪音能力强，精度高。双积分A/D转换器缺点：速

17、度慢。同济大学电信学院同济大学电信学院11.4.3逐次比较A/D转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院例：有一个4位A/D逐次比较转换器，满量程为5V（即Vx最大值），被转换电压Vx为2.35V，逐次比较转换过程如下。11.4.3逐次比较A/D转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院11.4.3逐次比较A/D转换原理10001000Vc=2.64V同济大学电信学院同济大学电信学院11.4.3逐次比较A/D转换原理01000100Vc=1.32V同济大学电信学院同济大学电信学院11.4.3逐次比较A/D转换原理01100110Vc=1.98V同济大学电信学院同济大学电信学院11.4.3逐次比较

18、A/D转换原理01110111Vc=2.31V同济大学电信学院同济大学电信学院逐次比较A/D转换器优点：精度高，转换速度快。逐次比较A/D转换器缺点：抗干扰能力不强。11.4.3逐次比较A/D转换原理同济大学电信学院同济大学电信学院1分辨率 是指ADC可转换成数字量的最小模拟电压值。如一个8位的ADC，输入最大电压为5V，则分辨率为5V/28-1=0.0196V。如一个12位的ADC，输入最大电压为5V，则分辨率为5V/212-1=0.001221V。11.4.4A/D主要技术指标同济大学电信学院同济大学电信学院2精度 是指在同一个输入电压下，实际的输出值和理论值之间的差。精度分为绝对精度和相

19、对精度。绝对精度：对于一个给定的输出值，实际上所需输入的电压值与理论上应输入的电压值之差。11.4.4A/D主要技术指标同济大学电信学院同济大学电信学院 相对精度：在整个转换范围内，任一个输出的值所对应的输入电压与理论输入电压之差。注：精度和分辨率是不同概念。“精度精度”是用来描述物理量的准确程度的。是用来描述物理量的准确程度的。“分辨率分辨率”是用来描述刻度划分的。是用来描述刻度划分的。11.4.4A/D主要技术指标同济大学电信学院同济大学电信学院 3转换时间 从转换启动开始到转换结束所经历的时间称为转换时间。4量程 指所能转换的电压或电流的范围，如：0-5V，0-10V，4-20mA等。1

20、1.4.4A/D主要技术指标同济大学电信学院同济大学电信学院11.5ADC0809及应用 ADC0809是CMOS的8位8路单片A/D转换，采用逐次比较方式。同济大学电信学院同济大学电信学院11.5.1ADC0809结构及引脚同济大学电信学院同济大学电信学院11.5.1ADC0809结构及引脚IN7-IN0：8路模拟量输入，同一个时刻只能其中的一路转换。ADDC、ADDB、ADDA：8路模拟量输入选择线。D7-D0：数据线REF(+)、REF(-)：参考电压，需高精度。START：转换启动信号。同济大学电信学院同济大学电信学院11.5.1ADC0809结构及引脚EOC：转换完成信号。OE：数据

21、输出使能。有效时，数据送上D7-D0。CLK:工 作 时 钟，500KHz-1.2MHz。ALE：地址锁存。同济大学电信学院同济大学电信学院11.5.2ADC0809的接口同济大学电信学院同济大学电信学院A/D转换的程序如下：ORG1000HSTART：MOVAL,98H；8255A初始化，方式0，A口输入，B口输出OUT0FFH,AL；送8255A方式字MOVAL,0BH；选IN3输入端和地址锁存信号OUT0FDH,AL；送IN3通道地址MOVAL,1BH；STARTPB4=1OUT0FDH,AL；启动A/D转换11.5.2ADC0809的接口同济大学电信学院同济大学电信学院MOV AL,0

22、BHOUT 0FDH,AL；STARTPB4=0TEST：INAL,0FEH；读C口状态AND AL,10H；检测EOC状态JZTEST；如果未转换完，再测试；转换完则继续INAL,0FCH；8255A的A口读转换结果HLT；11.5.2ADC0809的接口同济大学电信学院同济大学电信学院11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院 2程序 按要求编写的控制程序如下。程序中8255A的端口地址为1C0H1C3H，ADC0809的8个模拟通道的端口地址为1C8H1CFH。CPU采用程序查询方式读取转换的数据。11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院DATA

23、1SEGMENTORG2000HAREADB200DUP(?)DATA1ENDSSTACK1SEGMENTDB50DUP(?)STACK1ENDSCODE1SEGMENTASSUMEDS：DATA1，SS：STACK1，CS：CODE111.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院START：MOV AL,92H；置8255A方式字，0方式，PA、PB口输入MOV DX,1C3HOUT DX,ALMOV AX,DATA1；数据段寄存器赋值MOV DS,AXMOV SI,200；地址指针指向缓冲区MOV BL,8；大循环计数通道个数MOV DX,1C8；IN0开始转换LOP1：M

24、OV CX,18H；每个通道采样24次LOP2：IN AL,DX；启动转换PUSHDX；启动通道地址MOV DX,1C1H11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院LOP3：INAL,DX；检测EOCTESTAL,01HJZLOP3MOVDX,1C0HINAL,DX；读入转换后的数字量MOVSI,AL；存入缓冲区INCSI；修改缓冲区指针POPDX；恢复通道地址LOOPLOP2；采样24次INCDX；修改通道地址DECBL；修改大循环计数值JNZLOP1；转换8个通道HLT11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院 例2：设计一个模拟量采集显示系统，从A

25、DC0809采集8路模拟量，每采集一路就送8255上显示，8255采用方式0输出，8259中断电平有效，中断类型为20H,采用全嵌套方式，正常EOI。1.逻辑图 11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院 2.端口地址 8255端口地址：F0H-口A F1H-口B F2H-口C F3H-控制 8259端口地址：40H和41H 11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院 0809端口地址：80H-OE 81H-EOC 82H-START 83H-ALE 11.5.3ADC0809应用同济大学电信

26、学院同济大学电信学院 3.控制字 8259控制字：ICW1：00010011B=13H ICW2：00100000B=20H ICW4：00000001B=01H 8259命令字：OCW2：00100000B=20H（EOI）11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院 8255控制字：10000000B=80H 11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院4.程序MOV AL，80H ；初始化；初始化8255方式方式0输出输出OUT 0F3H，ALMOV AX,OFFSET PINTR ；初始化中断入口；初始化中断入口MOV 008CH，AX ；IR3的类

27、型码为的类型码为23HMOV AX，SEG PINTR ;向量表中的地址向量表中的地址23H*4=8CHMOV 008EH,AXMOV AL，13H ；初始化；初始化8259OUT 40H，ALMOV AL，20H OUT 41H，AL MOV AL，01HOUT 41H，AL11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院MOV CL，08H ；采集次数；采集次数MOV BL，00H ；采集的通道号；采集的通道号MOV AL，BLOUT 83H，AL ;给出采集通道号给出采集通道号NOPNOPOUT 82H，AL ；启动；启动ADC0809STI ；CPU开中断开中断WAITDEC CL ；计数值减；计数值减1JZ L1 ；通道采完停止；通道采完停止INC BL ;通道号加通道号加1MOV AL，BLL：11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院OUT 83H，ALNOPNOPOUT 82H，ALJMP L HLTL1：11.5.3ADC0809应用同济大学电信学院同济大学电信学院PUSH AX IN AL,80H ；读入；读入A/D转换的数据转换的数据 OUT 0F0H，AL ；输出到；输出到8255MOV AL，20H ；EOI命令命令OUT 40H，ALPOP AXSTIIRETPINTR：11.5.3ADC0809应用