第8章 数模模数转换及接口精选PPT.ppt

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1、第8章 数模模数转换及接口第1页，本讲稿共43页8.5.1 概述概述在自动化领域中，常常通过微型计算机对客观事物的变化信在自动化领域中，常常通过微型计算机对客观事物的变化信息进行采集、处理、分析和实时控制。客观事物变化的息进行采集、处理、分析和实时控制。客观事物变化的信息有温度、速度、压力、流量、电流、电压等一些连信息有温度、速度、压力、流量、电流、电压等一些连续变化的物理量。而计算机只能处理离散的数字量，那续变化的物理量。而计算机只能处理离散的数字量，那么这些模拟信号如何变化才能被计算机接收并可进行处么这些模拟信号如何变化才能被计算机接收并可进行处理的数字量呢？另外，计算机输出的是数字量，但

2、大多理的数字量呢？另外，计算机输出的是数字量，但大多数被控设备不能直接接收数字信号，所以还需将计算机数被控设备不能直接接收数字信号，所以还需将计算机输出的数字信号转化成为模拟信号，去控制或驱动被控输出的数字信号转化成为模拟信号，去控制或驱动被控设备，那么这些数字信号又是如何变化成模拟信号的呢设备，那么这些数字信号又是如何变化成模拟信号的呢？第2页，本讲稿共43页图图 1第3页，本讲稿共43页8.5.2 D/A转换及其接口转换及其接口一、工作原理一、工作原理D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的电路。转换器是指将数字量转换成模拟量的电路。数字量输入的位数有数字量输入的位数有8位、位、12位和位和

3、16位等，位等，输出的模拟量有电流和电压两种。输出的模拟量有电流和电压两种。D/A转换器从工作原理上可分为并行转换器从工作原理上可分为并行D/A转换转换器及串行器及串行D/A转换器两种。并行转换器两种。并行D/A转换转换器的转换速度快，但电路复杂。随着微电器的转换速度快，但电路复杂。随着微电子技术的发展，并行子技术的发展，并行D/A转换器集成电路转换器集成电路目前已大量生产，广为采用。目前已大量生产，广为采用。第4页，本讲稿共43页在并行在并行D/A转换器中，最常用的电阻网络是转换器中，最常用的电阻网络是“T”形网络。形网络。2 2第5页，本讲稿共43页(1)分辨率分辨率这个参数反映了这个参数

4、反映了D/A转换器对模拟量的分辨能转换器对模拟量的分辨能力。力。在实际使用中，一般用输入数字量的位数来表在实际使用中，一般用输入数字量的位数来表示分辨率大小。常说的示分辨率大小。常说的8位位D/A转换器，转换器，12位位D/A转换器等等，分辨率取决于转换器等等，分辨率取决于D/A转换转换器的位数。器的位数。二、二、D/A转换器的性能参数转换器的性能参数第6页，本讲稿共43页(2)转换精度转换精度转换精度表明了模拟输出实际值与理想值之间的偏差。转换精度表明了模拟输出实际值与理想值之间的偏差。精度可分为绝对精度和相对精度。绝对精度是指在精度可分为绝对精度和相对精度。绝对精度是指在输入端加入给定数字

5、量时，在输出端实测的模拟量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。相对精度是指当满量程值校与理论值之间的偏差。相对精度是指当满量程值校准后，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。论值的误差。D/A转换器的转换精度与转换器的转换精度与D/A转换器的本身芯片的结构和与转换器的本身芯片的结构和与外接电路的配置有关。外接运算放大器，外接参考电外接电路的配置有关。外接运算放大器，外接参考电源，都可影响源，都可影响D/A转换器的精度。转换器的精度。第7页，本讲稿共43页(3)温度灵敏度（温度系数）温度灵敏度（温度系数）这个参数

6、表明这个参数表明D/A转换器受温度变化影响的特转换器受温度变化影响的特性。它是指数字输入不变的情况下，模拟输性。它是指数字输入不变的情况下，模拟输出信号随温度的变化。出信号随温度的变化。第8页，本讲稿共43页(4)建立时间建立时间建立时间是指从数字输入端发生变化开始，建立时间是指从数字输入端发生变化开始，到输出模拟值稳定在额定值的到输出模拟值稳定在额定值的1/2LSB时所需时间。它是表明了时所需时间。它是表明了D/A转换速率快转换速率快慢的一个重要参数。在实际应用中，要正慢的一个重要参数。在实际应用中，要正确选择确选择D/A转换器，使它的转换时间小于转换器，使它的转换时间小于数字输入信号发生变

7、化的周期。数字输入信号发生变化的周期。第9页，本讲稿共43页1、DAC0832工作原理及引脚工作原理及引脚DAC0832是是8位数位数/模转换芯片，数据的输入方式有双模转换芯片，数据的输入方式有双缓冲、单缓冲和直接输入，适用于要求几个模拟缓冲、单缓冲和直接输入，适用于要求几个模拟量同时输出的情况。量同时输出的情况。DAC0832具有以下主要特点：具有以下主要特点：(1)与与TTL电平兼容；电平兼容；(2)分辨率为分辨率为8位；位；(3)建立时间为建立时间为1s；(4)电流输出型电流输出型D/A转换器。转换器。(5)满量程误差满量程误差1LSB1LSB。常用常用D/A转换器及其接口转换器及其接口

8、第10页，本讲稿共43页DAC0832的结构框图和引脚如图的结构框图和引脚如图6所示。所示。DAC0832具有双缓冲功能，即输入数据可分具有双缓冲功能，即输入数据可分别经过两个寄存器保存。第一个寄存器称为别经过两个寄存器保存。第一个寄存器称为8位输入寄存器，数据输入端可直接连接到位输入寄存器，数据输入端可直接连接到数据总线上，第二个寄存器为数据总线上，第二个寄存器为8位位DAC寄存寄存器。引脚说明如下。器。引脚说明如下。第11页，本讲稿共43页图图 6第12页，本讲稿共43页D0D7：8位数据输入端。位数据输入端。ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。此信号用来控输入锁存允许信号，高电平有效。

9、此信号用来控制制8位输入寄存器的数据是否能被锁存的控制信号位输入寄存器的数据是否能被锁存的控制信号之一。之一。CS：片选信号，低电平有效。此信号与：片选信号，低电平有效。此信号与ILE信号一起用信号一起用于控制于控制WR1信号能否起作用。信号能否起作用。WR1：写信号：写信号1，低电平有效。在，低电平有效。在ILE和和CS有效的情况有效的情况下，此信号用于控制将输入数据锁存于输入寄存器中。下，此信号用于控制将输入数据锁存于输入寄存器中。ILE、CS、WR1是是8位输入寄存器工作时的三个控制信号。位输入寄存器工作时的三个控制信号。第13页，本讲稿共43页WR2：写信号：写信号2，低电平有效。在，

10、低电平有效。在XFER有效有效的情况下，此信号用于控制将输入寄存器中的情况下，此信号用于控制将输入寄存器中的数字传送到的数字传送到8位位DAC寄存器中。寄存器中。XFER：传送控制信号，低电平有效。此信号和：传送控制信号，低电平有效。此信号和WR2控制信号是决定控制信号是决定8位位DAC寄存器是否工寄存器是否工作的控制信号。作的控制信号。第14页，本讲稿共43页8位位D/A转换器接收被转换器接收被8位位DAC寄存器锁寄存器锁存的数据，并把该数据转换成相对应存的数据，并把该数据转换成相对应的模拟量，输出信号端如下：的模拟量，输出信号端如下：IOUT1：DAC电流输出电流输出1，它是逻辑电平，它是

11、逻辑电平为为1的各位输出电流之和。的各位输出电流之和。IOUT2：DAC电流输出电流输出2，它是逻辑电平，它是逻辑电平为为0的各位输出电流之和。的各位输出电流之和。第15页，本讲稿共43页Rfb：反馈电阻引脚，该电阻被制作在芯片内，：反馈电阻引脚，该电阻被制作在芯片内，用作运算放大器的反馈电阻。用作运算放大器的反馈电阻。REF：基准电压输入引脚。一般在：基准电压输入引脚。一般在1010范围内，由外电路提供。范围内，由外电路提供。CC：逻辑电源。一般在：逻辑电源。一般在515范范围内。最佳为围内。最佳为15。AGND：模拟地。芯片模拟电路接地点。：模拟地。芯片模拟电路接地点。DGND：数字地。芯

12、片数字电路接地点。：数字地。芯片数字电路接地点。第16页，本讲稿共43页2 DAC0832的工作过程的工作过程(1)CPU执行输出指令，输出执行输出指令，输出8位数据给位数据给DAC0832；(2)在在CPU执行输出指令的同时，使执行输出指令的同时，使ILE、WR1、CS三个控制信号端都有效，三个控制信号端都有效，8位数据位数据锁存在锁存在8位输入寄存器中；位输入寄存器中；(3)当当WR2、XFER二个控制信号端都有效时，二个控制信号端都有效时，8位数据再次被锁存到位数据再次被锁存到8位位DAC寄存器，这时寄存器，这时8位位D/A转换器开始工作，转换器开始工作，8位数据转换为相对位数据转换为相

13、对应的模拟电流，从应的模拟电流，从IOUT1和和IOUT2输出。输出。第17页，本讲稿共43页针对使用两个寄存器的方法，形成了针对使用两个寄存器的方法，形成了DAC0832的三种工作方式，分别为双缓冲的三种工作方式，分别为双缓冲方式、单缓冲方式和直通方式。方式、单缓冲方式和直通方式。(1)双缓冲方式：数据通过二个寄存器锁存后双缓冲方式：数据通过二个寄存器锁存后送入送入D/A转换电路，执行两次写操作才能转换电路，执行两次写操作才能完成一次完成一次D/A转换。这种方式特别适用于转换。这种方式特别适用于要求同时输出多个模拟量的场合。图要求同时输出多个模拟量的场合。图7显示显示出由三片出由三片DAC0

14、832组成的这种系统。组成的这种系统。第18页，本讲稿共43页图图 7第19页，本讲稿共43页(2)单缓冲方式：两个寄存器中的一个处于直单缓冲方式：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通状态，输入数据只经过一级缓冲送入D/A转换器电路。在这种方式下，只需执转换器电路。在这种方式下，只需执行一次写操作，即可完成行一次写操作，即可完成D/A转换，可以转换，可以提高提高DAC的数据吞吐量。的数据吞吐量。(3)直通方式：两个寄存器都处于直通状态，直通方式：两个寄存器都处于直通状态，即即ILE、CS、WR1、WR2和和XFER都处于都处于有效电平状态，数据直接送入有效电平状态，数据

15、直接送入D/A转换器转换器电路进行电路进行D/A转换。这种方式可用于一些转换。这种方式可用于一些不采用微机的控制系统中。不采用微机的控制系统中。第20页，本讲稿共43页3、DAC0832的接口设计及编程的接口设计及编程例例1采用单缓冲方式，通过采用单缓冲方式，通过DAC0832输出输出产生三角波，三角波最高电压产生三角波，三角波最高电压5，最低，最低电压电压0。(1)电路设计所要考虑的问题电路设计所要考虑的问题 从从CPU送来的数据能否被保存送来的数据能否被保存DAC0832内部有二级锁存寄存器，从内部有二级锁存寄存器，从CPU送来的数据能被保存，不用外加锁存器，送来的数据能被保存，不用外加锁

16、存器，可直接与可直接与CPU数据总线相连。数据总线相连。第21页，本讲稿共43页 二级输入寄存器如何工作二级输入寄存器如何工作按题意采用单缓冲方式，即经一级输入寄存器按题意采用单缓冲方式，即经一级输入寄存器锁存。假设我们采用第一级锁存，第二级直锁存。假设我们采用第一级锁存，第二级直通，那么第二级的控制端通，那么第二级的控制端WR2和和XFER应处应处于有效电平状态，使第二级锁存寄存器一直于有效电平状态，使第二级锁存寄存器一直处于打开状态。第一级寄存器具有锁存功能处于打开状态。第一级寄存器具有锁存功能的条件是的条件是ILE、CS、WR1都要满足有效电都要满足有效电平。为减少控制线条数，可使平。为

17、减少控制线条数，可使ILE一直处于一直处于高电平状态，控制高电平状态，控制WR1和和CS端。电路连接端。电路连接如图如图8所示。所示。第22页，本讲稿共43页第23页，本讲稿共43页 输出电压极性输出电压极性按题意输出波形变化范围为按题意输出波形变化范围为0V5，需单极性电压输，需单极性电压输出。出。(2)软件设计所要考虑的问题软件设计所要考虑的问题 单缓冲方式下输出数据的指令仅需一条输出指令即单缓冲方式下输出数据的指令仅需一条输出指令即可。可。图图8所示所示CS端与译码电路的输出端相连，其地址数既是选中端与译码电路的输出端相连，其地址数既是选中该该DAC 0832芯片的片选信号，也是第一级寄

18、存器打开芯片的片选信号，也是第一级寄存器打开的控制信号。的控制信号。第24页，本讲稿共43页另外由于另外由于CPU的控制信号的控制信号WR与与DAC0832的写的写信号信号WR1相连，当执行相连，当执行OUT指令时，指令时，CPU的的WR1写信号有效，与写信号有效，与CS信号一起，打开信号一起，打开第一级寄存器，输入数据被锁存。假设第一级寄存器，输入数据被锁存。假设DAC0832地址为地址为04A0H，输出，输出0电压程电压程序如下：序如下：MOV AL,00H;设置输出电压值设置输出电压值MOV DX,04A0H；DAC0832片选地址片选地址OUT DX,AL；输出数据，使；输出数据，使D

19、AC0832输出输出端得到端得到0V模拟电压输出模拟电压输出第25页，本讲稿共43页 按题意产生三角波电压范围为按题意产生三角波电压范围为0V5，那，那么所对应输出数据么所对应输出数据00HFFH。所以三角波上。所以三角波上升部分，从升部分，从00H起加起加1，直到，直到FFH。三角波下。三角波下降部分从降部分从FFH起减起减1，直到，直到00H，流程图如图，流程图如图所示。单缓冲方式下程序如下：所示。单缓冲方式下程序如下：第26页，本讲稿共43页第27页，本讲稿共43页 MOV AL,00H ;设置输出电压值设置输出电压值 MOV DX,04A0H ;DAC0832芯片地址送芯片地址送DXA

20、A1 OUT DX,AL INC AL ;修改输出数据修改输出数据 CMP AL,0FFH JNZ AA1AA2 OUT DX,AL DEC AL ;修改输出数据修改输出数据 CMP AL,00H JNZ AA2 JMP AA1第28页，本讲稿共43页 v 0 t第29页，本讲稿共43页 8.5.3 A/D转换器A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，转

21、换前，输入到输入到A/D转换器的输入信号必须经各种转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有转换后，输出的数字信号可以有8位、位、10位、位、12位和位和16位等。位等。第30页，本讲稿共43页一一 基本概念基本概念1.A/D转换器的工作原理转换器的工作原理实现实现A/D转换的方法很多，常用的有逐次逼近法、双积转换的方法很多，常用的有逐次逼近法、双积分法及电压频率转换法等。分法及电压频率转换法等。第31页，本讲稿共43页2.A/D转换的参数转换的参数(1)分辨率分辨率分辨率是指分辨率是指A/D转换器能分辨的最

22、小模拟输入量。通常用能转换成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，如的数字量的位数来表示，如8位、位、10位、位、12位、位、16位等。位数位等。位数越高，分辨率越高。越高，分辨率越高。(2)转换时间转换时间转换时间是转换时间是A/D转换器完成一次转换所需的时间。转换器完成一次转换所需的时间。(3)精度精度精度是指与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精度是指与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。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，而是一个范围一的数值

23、，而是一个范围。第32页，本讲稿共43页二二 8位位A/D转换器转换器ADC0809的结构及引脚的结构及引脚ADC0809是是CMOS单片型逐次逼近式单片型逐次逼近式A/D转转换器，内部结构和引脚图如图换器，内部结构和引脚图如图13所示。所示。ADC0809的主要特性：的主要特性：(1)它是具有它是具有8路模拟量输入、路模拟量输入、8位数字量输位数字量输出功能的出功能的A/D转换器。转换器。(2)转换时间为转换时间为100s。(3)模拟输入电压范围为模拟输入电压范围为0V+5V，不需零，不需零点和满刻度校准。点和满刻度校准。第33页，本讲稿共43页第34页，本讲稿共43页第35页，本讲稿共43

24、页内部结构：内部结构：(1)通道选择开关通道选择开关可采集可采集8路模拟信号，通过多路转换开关，实现分时路模拟信号，通过多路转换开关，实现分时采集采集8路模拟信号。路模拟信号。IN0IN7：8路模拟信号输入端。路模拟信号输入端。(2)通道地址锁存和译码通道地址锁存和译码用来控制通道选择开关。通过对用来控制通道选择开关。通过对ADDA、ADDB、ADDC三三个地址选择端的译码，控制通道选择开关，接通个地址选择端的译码，控制通道选择开关，接通某一路的模拟信号，采集并保持该路模拟信号，某一路的模拟信号，采集并保持该路模拟信号，输入到输入到DAC0809比较器的输入端。比较器的输入端。ADDA、ADD

25、B、ADDC：地址输入端，用于选通：地址输入端，用于选通8路模拟路模拟输入中的一路。输入中的一路。第36页，本讲稿共43页ALE：地址锁存允许信号。输入，高电平有效。用来控制通：地址锁存允许信号。输入，高电平有效。用来控制通道选择开关的打开与闭合。道选择开关的打开与闭合。ALE1时，接通某一路时，接通某一路的模拟信号，的模拟信号，ALE0时，锁存该路的模拟信号。时，锁存该路的模拟信号。(3)逐次逼近逐次逼近A/D转换器转换器逐次逼近逐次逼近A/D转换器包括比较器、转换器包括比较器、8位树型开关位树型开关D/A转换转换器、逐次逼近寄存器。器、逐次逼近寄存器。START：A/D转换启动信号，输入，

26、高电平有效。转换启动信号，输入，高电平有效。EOC：A/D转换结束信号，输出，高电平有效。转换结束信号，输出，高电平有效。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640kHz。REF()、REF(-)：基准电压。：基准电压。-VREF为为0V或或-5V，VREF为为5V或或0V。第37页，本讲稿共43页(4)8位锁存器和三态门位锁存器和三态门经经A/D转换后的数字量保存在转换后的数字量保存在8位锁存寄存器中，当输出允许信号位锁存寄存器中，当输出允许信号OUTPUTENABLE有效时，打开三态门，转换后的数据通有效时，打开三态门，转换后的数据通过数据总线传送

27、到过数据总线传送到CPU。由于。由于ADC0809具有三态门输出功能，具有三态门输出功能，因而因而ADC0809数据线可直接挂在数据线可直接挂在CPU数据总线上。数据总线上。2-1、2-2、2-8：8位数字量输出端位数字量输出端对对ADC0809的控制过程是：第一步首先确定的控制过程是：第一步首先确定ADDA、ADDB、ADDC三位地址，决定选择哪一路模拟信号；第二步使三位地址，决定选择哪一路模拟信号；第二步使ALE端接端接受一正脉冲信号，使该路模拟信号经选择开关达到比较器的输受一正脉冲信号，使该路模拟信号经选择开关达到比较器的输入端；第三步使入端；第三步使START端接受一正脉冲信号，端接受

28、一正脉冲信号，START的上升沿的上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换；第四步转换；第四步EOC输出信号变低，指示转换正在进行。输出信号变低，指示转换正在进行。第38页，本讲稿共43页A/D转换结束，转换结束，EOC变为高电平，指示变为高电平，指示A/D转换转换结束。此时，数据已保存到结束。此时，数据已保存到8位锁存器中。位锁存器中。EOC信号可作为中断申请信号，通知信号可作为中断申请信号，通知CPU转转换结束，可以读入经换结束，可以读入经A/D转换后的数据。中转换后的数据。中断服务程序所要作的事情是：使断服务程序所要作的事情是：使OUTPUTENA

29、BLE信号变为高电平，打开信号变为高电平，打开ADC0809三态输出，由三态输出，由ADC0809输出的数输出的数字量传送到字量传送到CPU。EOC信号也可作为查询信信号也可作为查询信号，查询号，查询EOC端是否变为高电平状态。若为端是否变为高电平状态。若为低电平状态等待，若为高电平状态，使低电平状态等待，若为高电平状态，使OUTPUTENABLE信号变为高电平，打开信号变为高电平，打开ADC0809三态门输出数据。三态门输出数据。第39页，本讲稿共43页三三 ADC 0809的接口设计和编程的接口设计和编程ADC 0809的接口设计需考虑的问题如下：的接口设计需考虑的问题如下：(1)ADDA

30、、ADDB、ADDC三端可直接连接到三端可直接连接到CPU地址地址总线总线A0、A1、A2三端，但此种方法占用的三端，但此种方法占用的I/O口地址口地址多。每一个模拟输入端对应一个口地址，多。每一个模拟输入端对应一个口地址，8个模拟个模拟输入端占用输入端占用8个口地址，对于微机系统外设资源的占用太个口地址，对于微机系统外设资源的占用太多，因而一般多，因而一般ADDA、ADDB、ADDC分别接在数据总线分别接在数据总线的的D0、D1、D2端，通过数据线输出一个控制字作为端，通过数据线输出一个控制字作为模拟通道选择的控制信号。模拟通道选择的控制信号。(2)ALE信号为启动信号为启动ADC0809选

31、择开关的控制信号，该选择开关的控制信号，该控制信号可以和启动转换信号控制信号可以和启动转换信号START同时有效。同时有效。(3)ADC0809芯片只占用一个芯片只占用一个I/O口地址，即启动转换用口地址，即启动转换用此口地址，输出数据也用此口地址，区别是启动转换还此口地址，输出数据也用此口地址，区别是启动转换还是输出数据用是输出数据用IOR，IOW信号来区分。信号来区分。第40页，本讲稿共43页硬件电路接线如图硬件电路接线如图14所示。所示。例例图中的电路，设端口地址为图中的电路，设端口地址为A0H，要求对，要求对8路路模拟量轮流采集，其结果存入地址为模拟量轮流采集，其结果存入地址为2500H开开始的内存缓冲区，用中断方式传输。始的内存缓冲区，用中断方式传输。第41页，本讲稿共43页n主程序段（应包括设置中断矢量部分，这里省略了）：START：MOV BX，2500H MOV CX，8 MOV AH，0 LP1：MOV AL，AH OUT 0A0H，AL STI HLT INC AH LOOP LP1 第42页，本讲稿共43页n中断服务程序部分：nINTEP：PUSH AX IN AL，0A0H MOV BX，AL INC BX MOV AL，20H OUT 20H，AL POP AX IRET第43页，本讲稿共43页