微机原理第数模转换与模数转换接口.ppt

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1、微机原理第数模转换与模数转换接口 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 本章重点本章重点1.如何把如何把D/A和和A/D转换的芯片与转换的芯片与CPU进行接口进行接口2.用用CPU控制这些转换的软件编程如何实现控制这些转换的软件编程如何实现模拟量模拟量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n实际工业生产环境实际工业生产环境连续

2、变化的模拟量连续变化的模拟量 n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 n计算机内部计算机内部离散的数字量离散的数字量n二进制数、十进制数二进制数、十进制数模拟量模拟量I/O通道的组成：通道的组成：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

3、输入通道输入通道输出通道输出通道12.1 D/A转换器接口转换器接口DACDAC的性能指标的性能指标 分辨率分辨率 DAC DAC所能分辨的最小电压增量。它反映了所能分辨的最小电压增量。它反映了DACDAC对对微小输入量变化的敏感性。分辨率的高低通常微小输入量变化的敏感性。分辨率的高低通常用二进制输入量的位数来表示，例如分辨率是用二进制输入量的位数来表示，例如分辨率是8 8位、位、1010位、位、1212位等。有时，也用最小输出电位等。有时，也用最小输出电压与最大输出电压之比的百分数来表示。对于压与最大输出电压之比的百分数来表示。对于一个一个n n位位DACDAC，其分辨率为：，其分辨率为：1

4、/21/2n n-1-1。转换精度转换精度 用最大的静态转换误差的形式表示，这个转换误差应包用最大的静态转换误差的形式表示，这个转换误差应包括非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误括非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差，它反映了实际输出电压与理论输出电压之间的接差，它反映了实际输出电压与理论输出电压之间的接近程度。近程度。转换时间转换时间 DACDAC的输入数字量有满刻度值的变化时，其输出模拟信的输入数字量有满刻度值的变化时，其输出模拟信号电压达到满刻度值号电压达到满刻度值1/2LSB1/2LSB（最低有效位）时所需要（最低有效位）时所需要的时间。的时间。线性度线性度 通常用非

5、线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示DACDAC的线性度。在的线性度。在D/AD/A转换转换时，若数据连续转换，则输出的模拟量应该是线性的。时，若数据连续转换，则输出的模拟量应该是线性的。即在理想情况下，即在理想情况下，DACDAC的转换特性应是线性的，实际转的转换特性应是线性的，实际转换中，把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输入换中，把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输入之比的百分数，称为非线性误差。之比的百分数，称为非线性误差。输出电平输出电平 不同型号的不同型号的D/AD/A转换器件的输出电平相差较大。一般为转换器件的输出电平相差较大。一般为5V5V10V10V，有的高压输出型的

6、输出电平则高达，有的高压输出型的输出电平则高达24V24V30V30V。基本变换原理基本变换原理R Rf fViV0VrefS Sn-1n-1S S2 2S S1 1S S0 02R2R2R2R2R2R2R2RR RR RR RVn-1V2V1V02R2R+-.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S1S8(Di=1时时Si闭合；闭合；Di=0时时Si断开断开)，则不同的二进制代码就对应不同输出，则不同的二进制代码就对应不同输出电压电压VO；当代码在当代码在0FFH之间变化时，之间变化时，VO相应地在相应地在0-(255/256)Vref之间变化；之间变化；12.1 C

7、PU与与8位位D/A芯片的接口芯片的接口补充：补充：8位位D/A转换器转换器DAC0832主要引脚功能主要引脚功能输入寄存器控制信号：输入寄存器控制信号：D7D0：输入数据线：输入数据线ILE：输入锁存允许：输入锁存允许CS：片选信号：片选信号WR1：写输入锁存器：写输入锁存器用于用于DAC寄存器的控制信号：寄存器的控制信号：WR2：写：写DAC寄存器寄存器XFER：允许输入锁存器的数据传送到：允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器寄存器其它引线：其它引线：VREF：参考电压。：参考电压。-10V+10V，一般为，一般为+5V或或+10VIOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出。转换差动

8、电流输出。用于连接运算放大器的输入用于连接运算放大器的输入Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出：内部反馈电阻引脚，接运放输出AGND、DGND：模拟地和数字地：模拟地和数字地 工作模式工作模式单缓冲模式单缓冲模式双缓冲模式双缓冲模式无缓冲模式无缓冲模式单缓冲模式单缓冲模式使输入锁存器或使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通，寄存器二者之一处于直通，即芯片只占用一个端口地址。即芯片只占用一个端口地址。CPU只需一次写入即开始转换。写入数据的程序为：只需一次写入即开始转换。写入数据的程序为：MOV DX，PORT MOV AL，DATA OUT DX，AL双缓冲模式（标准模式）双缓冲模式（标准

9、模式）对输入寄存器和对输入寄存器和DAC寄存器均需控制；寄存器均需控制；当输入寄存器控制信号有效时，数据写入输入寄存器中；当输入寄存器控制信号有效时，数据写入输入寄存器中；再在再在DAC寄存器控制信号有效时，数据才写入寄存器控制信号有效时，数据才写入DAC寄寄存器，并启动变换；存器，并启动变换；此时芯片占用两个端口地址；此时芯片占用两个端口地址；优点：数据接收与优点：数据接收与D/A转换可异步进行；转换可异步进行；可实现多个可实现多个DAC同步转换输出同步转换输出 分时写入、同步转换。分时写入、同步转换。MOV ALMOV AL，datadata MOV DXMOV DX，port1port1

10、 0832-10832-1的输入寄存器地址的输入寄存器地址OUT DXOUT DX，ALALMOV DXMOV DX，port2 port2 0832-20832-2的输入寄存器地址的输入寄存器地址OUT DXOUT DX，AL AL MOV DXMOV DX，port3 port3 DACDAC寄存器地址寄存器地址OUT DXOUT DX，AL AL HLTHLT双缓冲模式的数据写入程序双缓冲模式的数据写入程序双缓冲方式双缓冲方式同步转换举例同步转换举例A10-A0译码器译码器0832-10832-2port1port2port3直通模式直通模式使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出使内

11、部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。始终跟随输入变化。不能直接与数据总线连接，需外加并行接口不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如如74LS373、8255等等)。工作方式工作方式单缓冲方式单缓冲方式使输入锁存器或使输入锁存器或DACDAC寄存器二者之一处于直通寄存器二者之一处于直通。CPUCPU只需一次写只需一次写入即开始转换。控制比较简单。见教材入即开始转换。控制比较简单。见教材p352p352图。图。双缓冲方式（标准方式）双缓冲方式（标准方式）转换要有两个步骤：转换要有两个步骤：将数据写入输入寄存器将数据写入输入寄存器CS#=0CS#=0、WR1#=0WR1#=0

12、、ILE=1ILE=1将输入寄存器的内容写入将输入寄存器的内容写入DACDAC寄存器寄存器WR2#=0WR2#=0、XFER#=0 XFER#=0 优点：数据接收与优点：数据接收与D/AD/A转换可异步进行；转换可异步进行；可实现多个可实现多个DACDAC同步转换输出同步转换输出分时写入分时写入、同步转换同步转换直通方式直通方式使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。变化。不能直接与数据总线连接，需外加并行接口不能直接与数据总线连接，需外加并行接口(如如74LS37374LS373、82558255等等)。8位位Cpu与

13、与8位位D/A芯片的接口设计芯片的接口设计见课本见课本P341 图图121 1 数据线的连接数据线的连接 2 锁存器的加入锁存器的加入12.1.2 8位位cpu与与10位位D/A转换器的接口转换器的接口AD 7527功能：是一种外部提供基功能：是一种外部提供基准电压，双重寄存结构准电压，双重寄存结构的可编程的的可编程的CMOS D/A转换器，可直接与转换器，可直接与8or16位数据总线相接。位数据总线相接。VDD=+5V,VREF=+10V引脚：引脚：各引脚的功能分述如下：各引脚的功能分述如下：R RFB FB 片内反馈电阻引脚。片内反馈电阻引脚。OUT1OUT1 器件的电流输出端，接外部运放

14、输入端器件的电流输出端，接外部运放输入端AGNDAGND 模拟地模拟地FCE1FCE1、FCE2FCE2 强制输入信号强制输入信号1 1、2 2 强制输入信号强制输入信号1 1DORDOR 数据补偿输入，用于校准或复位数据补偿输入，用于校准或复位CONT1,CONT2CONT1,CONT2 控制输入控制输入1 1、2 2CLKCLK 时钟输入时钟输入DB0DB9DB0DB9 10 10条数据输入线条数据输入线DB0 DB1DB0 DB1 若引脚若引脚10/810/8引脚为低电平，引脚为低电平，DB1DB1规定数据是左对规定数据是左对齐还是右对齐，齐还是右对齐，DB0DB0为数据的有效字节的控制

15、输入为数据的有效字节的控制输入RD RD 读操作命令读操作命令RWE RWE 读读/写允许信号写允许信号WR WR 写操作输入写操作输入LDAC LDAC 装入装入DACDAC的控制信号的控制信号V VREFREF 参考电压输入端参考电压输入端VDD VDD +5V+5V电压输入端。电压输入端。R0FFR0FF 偏置电压偏置电压 8位位cpu与与10位位D/A转换器的接口方法转换器的接口方法见课本见课本P348图图1212方法：把方法：把10位分成两段，第一次微型计算机线输位分成两段，第一次微型计算机线输出低出低8位到锁存器，第二次再把高两位送到另位到锁存器，第二次再把高两位送到另一个锁存器上

16、。一个锁存器上。1010位位D/AD/A锁锁存存器器锁存器锁存器OUTOUT55H55HOUTOUT54H54HD0D0D7D7D1D1V VOUTOUTCPU与与10位位D/A接口示意图接口示意图 产生毛刺产生毛刺如：课本如：课本P349CPU用双缓冲方式与用双缓冲方式与10位位D/A接口示意图接口示意图 101074100741002 274757475 1 154H54HD0D0D7D7D1D1V VOUTOUT74100741001 174757475 2 2OUTOUT55H55H56H56H9 98 87 76 65 54 43 32 21 1目的：避免毛刺的产生目的：避免毛刺的产

17、生方法：方法：CPU输出时，先输出低输出时，先输出低8位给缓冲器位给缓冲器1（此时缓冲器（此时缓冲器2不通，不通，故输出不变），然后输出高两位。等这两者都输出后，再打开缓故输出不变），然后输出高两位。等这两者都输出后，再打开缓冲器冲器2，把，把10位同时输给位同时输给D/A转换，避免毛刺。转换，避免毛刺。程序程序ORG 2000HSTART:LEA BX,DATA MOV CL,64HDAC:MOV AL,BX OUT 54H,AL INC BX MOV AL,BX OUT 55H,ALOUT 56H,ALINC BXDEC CLJNZ DACORG 3000HDATA DW W1,W2W10

18、0END START12.2 A/D转换器接口转换器接口12.1 概述概述传感器传感器 非电量非电量电压、电流电压、电流 量程放大器量程放大器放大放大低通滤波器低通滤波器 整形、滤波整形、滤波 多路开关多路开关 多选一多选一采样保持电路采样保持电路 保证变换时信号恒定不变保证变换时信号恒定不变A/D变换器变换器 模拟量转换为数字量模拟量转换为数字量 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

19、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12.2.2 用软件实现用软件实现A/D转换转换1.计数式计数式A/D转换转换 转换原理：转换原理：由计数器对固定频率信号由计数器对固定频率信号CLKCLK进行计数，计数输出值送进行计数，计数输出值送DACDAC，DACDAC的输出模拟量的输出模拟量VoVo与输入模拟量与输入模拟量ViVi在比较器中进行比较，随在比较器中进行比较，随着计数的进行，着计数的进行，VoVo不断增加，当不断增加，当VoViVoVi，计数器停止计数，此时的计，计数器停止计数，此

20、时的计数值即是模拟量数值即是模拟量ViVi对应的数字量。对应的数字量。软件实现计数器式软件实现计数器式A/DA/D转换：转换：图见课本图见课本P351 P351 图图12121616ORG 2000HORG 2000HSTART:MOV CL,0START:MOV CL,0DALOOP:MOV AL,CLDALOOP:MOV AL,CL OUT 27H,AL OUT 27H,AL IN AL,15H ;IN AL,15H ;若若VxVc,VxVc,则则D5=0D5=0 AND AL,20H AND AL,20H JNZ DONE JNZ DONE INC CL INC CL JMP DALOO

21、P JMP DALOOPDONE:MOV AL,CLDONE:MOV AL,CL OUT 02H,AL OUT 02H,AL HALT HALT2.2.逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换转换 转换原理：转换原理：数字量由逐次逼近寄存器数字量由逐次逼近寄存器SARSAR产生。产生。SARSAR使用使用对分搜索法对分搜索法产产生数字量，以生数字量，以8 8位数字量为例，位数字量为例，SARSAR首先产生首先产生8 8位数字量的一半，即位数字量的一半，即10000000B,10000000B,试探模拟量的大小，若试探模拟量的大小，若VoViVoVi，清除最高位，若，清除最高位，若VoViVoVc,

22、VxVc,则则D5=0D5=0 AND AL,20H AND AL,20H JZ OK JZ OK MOV AL,DH MOV AL,DH NOT ALNOT AL AND AL,DL AND AL,DL MOV DL,AL MOV DL,ALOK:SHR DH,1OK:SHR DH,1 MOV AL,DL MOV AL,DL DEC CL DEC CL JNZ AGAIN JNZ AGAINDONE:HALTDONE:HALT如：在如：在8 8位的情况下，要转换一个位的情况下，要转换一个相当于相当于113113的模拟电压。的模拟电压。DHDH中放试探值，中放试探值，DLDL中放累加器的结中放

23、累加器的结果，果，CLCL为循环次数为循环次数第一次循环，先将第一次循环，先将DHDH80h80h，则转，则转换后比实际值大，则清除掉试探换后比实际值大，则清除掉试探位位D7D70 0，若比实际值小，保留，若比实际值小，保留D7=1D7=1；再将；再将D6=1,D6=1,下一次循环时，下一次循环时，再将新试探值与再将新试探值与DLDL中值相加，得中值相加，得到的新值再与实际值相比较，若到的新值再与实际值相比较，若比实际值大，清除新的试探位比实际值大，清除新的试探位D6D6；若比实际值小，则保留新的试；若比实际值小，则保留新的试探位；再进行下一轮循环探位；再进行下一轮循环D7=0,D6=1,D5

24、=1,D4=0,D3=0,D2=0,D7=0,D6=1,D5=1,D4=0,D3=0,D2=0,D1=0,D0=1D1=0,D0=1即即0 06464323216160 00 00 01 1113113D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D012.2.3 典型的典型的D/A转换器芯片转换器芯片1 ADC0809：8通道（通道（8路）输入路）输入8位字长位字长 逐位逼近型逐位逼近型转换时间转换时间100s 内置三态输出缓冲器内置三态输出缓冲器 ADC0809ADC0809的内部结构的内部结构 ADC0809ADC0809芯片是芯片是CMOSCM

25、OS型单片双列直插式模数转换器件，采型单片双列直插式模数转换器件，采用逐次逼近式转换方式，可对用逐次逼近式转换方式，可对8 8路模拟电压分时进行转换。路模拟电压分时进行转换。主要引脚功能主要引脚功能D7D0：输出数据线（三态）：输出数据线（三态）IN0IN7：8通道（路）模拟输入通道（路）模拟输入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址：通道地址ALE：通道地址锁存：通道地址锁存START：启动转换：启动转换EOC：转换结束状态输出：转换结束状态输出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（10KHz1.2MHz）12.2.4 A/D转换转换芯片芯

26、片与与CPU的接口的接口1.A/D芯片与芯片与CPU接口要注意的问题接口要注意的问题2.(1)启动信号启动信号3.电平启动信号：通过并行接口对电平启动信号：通过并行接口对AD芯片发启动信号；或用芯片发启动信号；或用D触发器使启动信号保持有效触发器使启动信号保持有效4.脉冲启动信号：用脉冲启动信号：用CPU执行输出指令时所发出的片选信号和执行输出指令时所发出的片选信号和写信号在片内产生启动脉冲，开始转换。写信号在片内产生启动脉冲，开始转换。5.(2)转换结束与转换数据的读取转换结束与转换数据的读取6.cpu采用四种方式和采用四种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据转换器进行联络来实现对转换

27、数据读取读取7.一一 程序查询方式程序查询方式8.二二 中断方式中断方式9.三三 cpu等待方式等待方式10.四四 固定的延迟程序方式固定的延迟程序方式2.8位转换器的接口位转换器的接口 实际应用中，实际应用中，A/D的模拟输入端接至采样的模拟输入端接至采样/保持电路的保持电路的输出，但转换的开始，要由输出，但转换的开始，要由CPU输出一条指令，而转换需输出一条指令，而转换需要一定的时间才能完成，故要一定的时间才能完成，故A/D转换电路必须给出一个转换电路必须给出一个done/busy状态信息状态信息 一个典型的一个典型的8位位A/D转换的接口电路如图转换的接口电路如图P361所示所示 ORG

28、 2000HSTART:LEA BX,DATACONV:OUT 37H,ALTEST:IN AL,66H AND AL,80H JZ TESTIN AL,65HMOV BX,ALRETORG 3000HDATA DB?END 3 10位位A/D转换接口转换接口如何把一个多于如何把一个多于8位的位的A/D转换芯片与转换芯片与8位的微机接口呢？位的微机接口呢？是一个典型的是一个典型的10位位A/D转换的接口电路转换的接口电路P36312.2.5 应用举例应用举例1D/A转换举例转换举例2 见见P3642A/D转换举例转换举例3 见见P364作业作业1D/A转换器接口任务是什么？转换器接口任务是什么？2利用教材种的图利用教材种的图121电路，编制在输出端得到锯齿电路，编制在输出端得到锯齿波（负向增长）的程序。波（负向增长）的程序。