第 12 章 数模转换与模数转换接口.ppt

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1、本章内容本章内容一、概述二、A/D转换器原理及连接使用方法三、D/A转换器原理及连接使用方法2 模拟量模拟量I/O接口的作用：接口的作用：实际工业生产环境实际工业生产环境连续变化的模拟量连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部计算机内部离散的数字量离散的数字量二进制数、十进制数二进制数、十进制数 一、概述一、概述 模拟量模拟量D/A传感器传感器执行元件执行元件A/D数字量数字量数字量数字量模拟量模拟量模拟量输入模拟量输入(数据采集数据采集)模拟量输出模拟量输出(过程控制过程控制)计算机计算机工业生产过程的控制流程：工业生产过

2、程的控制流程：3模拟接口电路的任务模拟接口电路的任务模拟电路的任务模拟电路的任务0010110110101100工工业业生生产产过过程程传传感感器器放大放大滤波滤波多路转换多路转换&采样保持采样保持A/D转换转换放大放大驱动驱动D/A转换转换输出输出接口接口微微型型计计算算机机执行执行机构机构输入输入接口接口物理量物理量变换变换信号信号处理处理信号信号变换变换I/O接口接口输入通道输入通道输出通道输出通道4相关组件相关组件传感器（传感器（Transducer）非电量非电量电压、电流电压、电流 低通滤波低通滤波平滑输出波形，降低干扰，提高信噪比平滑输出波形，降低干扰，提高信噪比量程放大器量程放大

3、器把传感器信号放大到把传感器信号放大到A/DA/D转换所需要的量程范围转换所需要的量程范围多路转换开关（多路转换开关（Multiplexer）多选一多选一采样保持电路（采样保持电路（Sample Holder，S/H）保证变换时信号恒定不变保证变换时信号恒定不变5二、二、A/D转换器原理及连接使用方法1、工作原理及技术指标工作原理及技术指标2、典型的典型的ADC简介简介（ADC0809）61、工作原理及技术指标、工作原理及技术指标用途用途：将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。常用于数据采集系统或数字化声音。A/D转换的四个步骤：转换的四个步骤：采样保持量化编码采样/保持：

4、由采样保持电路完成量化/编码：由ADC电路完成71、工作原理及技术指标、工作原理及技术指标逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器：转换器：结构：由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成。Vi-+逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器D/A转换器转换器Vc比较器比较器数字量输出数字量输出控制电路控制电路模拟量输入模拟量输入8工作原理工作原理 类似天平称重量时的尝试法，逐步用类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。砝码的累积重量去逼近被称物体。例如：例如：用8个砝码20g，21g，27g，可以称出1-255g之 间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量。9主要技术指标主要技术指标1)精

5、度 量化间隔(分辨率)=Vmax/电平数(即满量程值)例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为 5V/255=19.6mV 2)转换时间转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。3)输入动态范围允许转换的电压的范围。如0-5V、-5V-+5V、010V等。102、典型的、典型的ADC简介简介（1）ADC0809 8通道8位A/D转换器，主要功能：分辨率为8位逐位逼近型转换时间为100s 内置三态输出缓冲器（可直接接到数据总线上）11ADC 0809 结构方框图结构方框图图：ADC0809结构方框图D D7 7-D-D0 0：输出数据线（三态）：输出数据线（三态）IN0-I

6、N7：8通道（路）模拟输入通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）：通道地址（通道选择）STARTSTART：启动转换：启动转换CLK：时钟输入（：时钟输入（10KHz-1.2MHz）OE：输出允许（打开输出三态门）：输出允许（打开输出三态门）12引脚功能引脚功能 D7-D0：输出数据线（三态）：输出数据线（三态）IN0-IN7：8通道（路）模拟输入通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址（通道选择）：通道地址（通道选择）ALE：通道地址锁存：通道地址锁存START：启动转换：启动转换EOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请：转换结束，可用于查询或

7、作为中断申请OE：输出允许（打开输出三态门）：输出允许（打开输出三态门）CLK：时钟输入（：时钟输入（10KHz-1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基准参考电压：基准参考电压13ADC0809内部结构START EOC CLK OED7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器比较器8路模路模拟开拟开关关树状开关树状开关电阻网络电阻网络三态三态输出输出锁存锁存器器时序与控制时序与控制地址地址锁存锁存及及译码译码D/A8个个模模拟拟输输入入通通道道8选选1逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR14工作时序工作时序 15ADC0809的工作过程的工作过

8、程根据时序图，根据时序图，ADC0809的工作过程如下：的工作过程如下：把通道地址送到ADDA-ADDC上上，选择一个模拟输入端；在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿上升沿使使该地址锁存到内部地址锁存器；START引脚上的下降沿下降沿启动A/D变换；变换开始后，EOC引脚呈现低电平低电平，EOC重新变为高电平高电平时表示转换结束；OE信号打开输出锁存器的三态门送出结果。16ADC0809与与CPU的连接的连接模拟输入端模拟输入端INi1）单路输入 模拟信号可连接到任何一个输入端；地址线可根据输入固定连接；也可以由CPU给一 个固定地址。ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4

9、ADC0809输入输入0输入输入1输入输入2输入输入3输入输入4CPU指定指定通道号通道号ADC0809ADDCADDBADDAIN4输入输入+5V2）多路输入 模拟信号按顺序分别连接到输入端；要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上(动态选择)。17ADC0809与与CPU的连接的连接 A/D转换芯片与微处理器接口时，除了要有转换芯片与微处理器接口时，除了要有数数据信息据信息的传送外，还应有的传送外，还应有控制信息和状态信息控制信息和状态信息的联的联系。系。其工作过程是：其工作过程是：CPU送出控制信号至送出控制信号至A/D转换转换器的启动端，使器的启动端，使A/D转换器开始转换；转换器开始

10、转换；A/D转换需转换需要一定的转换时间，当要一定的转换时间，当CPU查询到转换完成，查询到转换完成，CPU执行输入指令将执行输入指令将A/D转换的结果读入。转换的结果读入。18ADC0809芯片 ADC0809与与PC总线的连接举例总线的连接举例 191、工作原理及技术指标工作原理及技术指标2、典型的典型的DAC简介简介（DAC0832）三、D/A转换器原理及连接使用方法201、DAC基本原理及技术指标uDAC的基本工作原理的基本工作原理组成：模拟开关、组成：模拟开关、电阻网络电阻网络、运算放大器、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网梯形电阻网络

11、络基本结构如图：基本结构如图：VrefRf 模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量21D/A变换原理变换原理 运放的放大倍数足够大时，输出电压运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输入电与输入电压压Vin的关系为：的关系为：式中：式中：Rf 为反馈电阻为反馈电阻 R 为输入电阻为输入电阻 VinRf VoR 22 若输入端有若输入端有n个支路个支路,则输出电压则输出电压VO与输入电压与输入电压Vi的关系为：的关系为：式中：式中：Ri 为第为第i支路的输支路的输 入电阻入电阻VinRf VOR1Rn23 令每个支路的输入电阻为令每个支路的输入电阻为2iRf,并令并令Vin为一基准为一基

12、准电压电压Vref，则有，则有 如果每个支路由一个开关如果每个支路由一个开关Si控制，控制，Si=1表示表示Si合合上，上，Si=0表示表示Si断开，则上式变换为断开，则上式变换为 若若Si=1,该项对该项对VO有贡献有贡献若若Si=0,该项对该项对VO无贡献无贡献242R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8与右式相对应的电路如下与右式相对应的电路如下(图中图中n=8)：图中的电阻网络就称为图中的电阻网络就称为权电阻网络权电阻网络25 如果用如果用8位二进制代码来控制图中的位二进制代码来控制图中的S1-S8(Di=1时时Si闭合；闭合；D

13、i=0时时Si断开断开)，那么根据二进制代码，那么根据二进制代码的不同，输出电压的不同，输出电压VO也不同，这就构成了也不同，这就构成了8位的位的D/A转换器。转换器。为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两种梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻阻值的电阻(R和和2R)。26DAC的主要技术指标的主要技术指标分辨率（分辨率（Resolution）输入的二进制数每1个最低有效位个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。一般用输入数字量的位数来表示:如8位、10位例：一个满量程为例：一个满量程为5V的的10

14、位位DAC，1 LSB的变化将的变化将使输出变化使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mVLeast Significant Bit27 转换时间转换时间 从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2 LSBtCVFULL0282、典型、典型D/A转换器转换器 （1 1）DAC0832DAC0832是美国国家半导体公司生产的是美国国家半导体公司生产的8 8位位D/AD/A转换芯片，内部由转换芯片，内部由8 8位输入寄存器、位输入寄存器、8 8位位DACDAC寄存器、寄存器、8 8位位D/AD/A转换电路及转换控制电路构成。转

15、换电路及转换控制电路构成。内部结构内部结构 （2 2）DAC1210DAC1210是美国国家半导体公司生产的是美国国家半导体公司生产的1212位位D/AD/A转换器芯片，是智能化仪表中常用的一种高转换器芯片，是智能化仪表中常用的一种高性能的性能的D/AD/A转换器。转换器。内部结构内部结构 工作时序工作时序见下图见下图29DAC0832DAC0832内部结构图内部结构图30单缓冲方式电路连接单缓冲方式电路连接31双缓冲方式电路连接双缓冲方式电路连接32DAC1210DAC1210内部结构图内部结构图33引脚功能引脚功能D7-D0：输入数据线ILE：输入锁存允许CS：片选信号 用于把数据写入到输

16、入锁存器用于把数据写入到输入锁存器WR1：写输入锁存器 WR2：写DAC寄存器XFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器 上述二个信号用于启动转换上述二个信号用于启动转换VREF：参考电压，-10V +10V，一般为+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出AGND、DGND：模拟地和数字地 34工作时序工作时序D/A转换可分为两个阶段：转换可分为两个阶段：CS=0、WR1=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器；，使输入数据锁存到输入寄存器；WR2=0、XFER=0，数据传送到，数据传送到DAC寄存器，并开始转换

17、。寄存器，并开始转换。写输入写输入寄存器寄存器写写DAC寄存器寄存器35D/A转换器的应用转换器的应用函数发生器函数发生器 只要往D/A转换器写入按规律变化的数据，即可在输出端获得正弦波、三角波、锯齿波、方波、阶梯波、梯形波等函数波形。直流电机的转速控制直流电机的转速控制 用不同的数值产生不同的电压，控制电机的转速 其他需要用电压/电流来进行控制的场合 36直流电机的转速控制电路图直流电机的转速控制电路图37函数发生器函数发生器方波方波START：MOV AL，00H OUT 56H，AL CALL Delay1 MOV AL，0FFH OUT 56H，AL CALL Delay2 JMP START调节延迟时间，从而可调波形。调节延迟时间，从而可调波形。38思考一下锯齿波形（三角波）？思考一下锯齿波形（三角波）？MOV DX，200HR0：MOV CX，0FFH MOV AL，00HR1:OUT DX,AL INC AL LOOP R1 MOV CX，0FFHR2：DEC AL OUT DX，AL LOOP R2 JMP R039