第九章模數(shù)轉換接口

1、1第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強第九章第九章 D/AD/A、A/DA/D轉換器轉換器主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 模擬量模擬量輸入輸出通道的組成輸入輸出通道的組成 D/A轉換器的工作原理、連接及編程轉換器的工作原理、連接及編程 A/D轉換器的工作轉換器的工作原理、連接及編程原理、連接及編程2第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強0010110110101100工工業(yè)業(yè)生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程傳傳感感器器放大放大濾波濾波多路轉換多路轉換&采樣保持采樣保持A/D轉換轉換放大放大驅(qū)動驅(qū)動D/A轉換轉換輸出輸出接口接口微微型型計計算算機機執(zhí)行執(zhí)行機構機構輸入輸入接口

2、接口物理量物理量變換變換信號信號處理處理信號信號變換變換I/O接口接口輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道9.1 概概 述述數(shù)數(shù)/ /模（模（D/AD/A）和模）和模/ /數(shù)（數(shù)（A/DA/D）轉換技術主要用于計算）轉換技術主要用于計算機控制和測量儀表中。典型的閉環(huán)實時控制系統(tǒng)為：機控制和測量儀表中。典型的閉環(huán)實時控制系統(tǒng)為： 3第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強9.2 D/A轉換器芯片及其接口轉換器芯片及其接口9.2.1 D/A9.2.1 D/A轉換原理與技術指標轉換原理與技術指標一、一、 D/AD/A轉換器的工作原理轉換器的工作原理數(shù)字量是由一位一位的數(shù)位組成的，每個數(shù)位

3、都代表一定的權。數(shù)字量是由一位一位的數(shù)位組成的，每個數(shù)位都代表一定的權。D/AD/A轉換時，就是把一個數(shù)字量的每一位代碼按權的大小轉換轉換時，就是把一個數(shù)字量的每一位代碼按權的大小轉換為相應的模擬量分量，然后用線性疊加原理將各位代碼對應的為相應的模擬量分量，然后用線性疊加原理將各位代碼對應的模擬輸出量相加模擬輸出量相加, ,其和就是與數(shù)字量成正比的模擬量。其和就是與數(shù)字量成正比的模擬量。在實現(xiàn)時，通常采用在實現(xiàn)時，通常采用T T型網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)字量往模擬電流的轉換，型網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)字量往模擬電流的轉換，再利用運算放大器來完成模擬電流到模擬電壓的轉換。再利用運算放大器來完成模擬電流到模擬電壓的轉換。Rf

4、 模擬開關模擬開關電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡VO數(shù)字量數(shù)字量Vref4第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強權電阻網(wǎng)絡：2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8如果有八個輸入端，每個輸入端由一個開關如果有八個輸入端，每個輸入端由一個開關Si控制，控制，Si=1表示表示Si合上，合上，Si=0表示表示Si斷開，則有斷開，則有80irefii=11V= -S V2DRVRDRVRreffiiireff87082225第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強R-2R T型電阻網(wǎng)絡：D0D1Dn-3Dn-2Dn-1UO=

5、(Dn-1 2n-1+Dn-2 2n-2+D121+D020) UREFRf 2n R = UREF 2nD 6第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強 二、二、D/A的主要技術指標的主要技術指標 是指是指D/AD/A轉換器所能分辨的最小量化信號的能力。轉換器所能分辨的最小量化信號的能力。 實際輸出值與理論值之間的最大偏差。實際輸出值與理論值之間的最大偏差。從數(shù)字輸入到模擬量穩(wěn)定輸出的時間稱為轉換速度。從數(shù)字輸入到模擬量穩(wěn)定輸出的時間稱為轉換速度。分辨率分辨率: : 轉換精度轉換精度：轉換速度轉換速度： 可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示，如可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、位、10

6、位等。位等。例：一個滿量程為例：一個滿量程為5V的的10位位DAC，1 LSB的變化將使輸?shù)淖兓瘜⑹馆敵鲎兓鲎兓?5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV7第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強1.DAC08321.DAC0832的內(nèi)部結構：的內(nèi)部結構：9.2.2 DAC0832轉換器芯片轉換器芯片D0D08第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強2 2、工作方式、工作方式單緩沖方式：單緩沖方式： 使輸入鎖存器或使輸入鎖存器或DAC寄存器二者之一處于直通，另一個處寄存器二者之一處于直通，另一個處于受控的鎖存方式，即芯片只占用一個端

7、口地址于受控的鎖存方式，即芯片只占用一個端口地址 一般將一般將WR2和和XFER接地，使接地，使DAC寄存器處于直通，寄存器處于直通，ILE接接+5 V，WR1接接CPU的的IOW，CS接接I/O地址譯碼器的輸出地址譯碼器的輸出 在這種方式下，數(shù)據(jù)只要一寫入在這種方式下，數(shù)據(jù)只要一寫入DAC芯片，就立即進行芯片，就立即進行D/A轉換轉換 應用系統(tǒng)中只有一路應用系統(tǒng)中只有一路D/A轉換，或雖然是多路轉換但不要求轉換，或雖然是多路轉換但不要求同步輸出同步輸出 CPU只需一次寫入即開始轉換只需一次寫入即開始轉換寫入數(shù)據(jù)的程序為：寫入數(shù)據(jù)的程序為： MOV DX，PORT MOV AL，DATA OU

8、T DX，AL9第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強雙緩沖方式：雙緩沖方式： 對輸入寄存器和對輸入寄存器和DAC寄存器均需控制；寄存器均需控制； 當輸入寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器中；再當輸入寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器中；再在在DAC寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)才寫入寄存器控制信號有效時，數(shù)據(jù)才寫入DAC寄存器，寄存器，并啟動變換；此時芯片占用兩個端口地址；并啟動變換；此時芯片占用兩個端口地址； 適用于多路適用于多路D/A同時進行轉換的系統(tǒng)。分時地將數(shù)據(jù)輸入到同時進行轉換的系統(tǒng)。分時地將數(shù)據(jù)輸入到每片的輸入鎖存器中，每片的輸入鎖存器中，XFER與與W

9、R2分別連在一起，作為公分別連在一起，作為公共控制信號。當共控制信號。當XFER與與WR2同時為低電平時，數(shù)據(jù)將在同同時為低電平時，數(shù)據(jù)將在同一時刻由各個輸入鎖存器將數(shù)據(jù)傳送到對應的一時刻由各個輸入鎖存器將數(shù)據(jù)傳送到對應的DAC寄存器寄存器并鎖存在各自的并鎖存在各自的DAC寄存器中，使多個寄存器中，使多個DAC0830芯片同時芯片同時開始轉換，實現(xiàn)多點控制。開始轉換，實現(xiàn)多點控制。數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)接收與D/A轉換可異步進行轉換可異步進行 MOV DX，PORT1 MOV AL，DATA OUT DX，AL MOV DX，PORT2 OUT DX，AL該指令只起到打開該指令只起到打開DAC寄存寄存

10、器使輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)通器使輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)通過的作用，不真正傳送數(shù)據(jù)過的作用，不真正傳送數(shù)據(jù)10第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強3 3、應用舉例、應用舉例 例例1 1 如圖所示如圖所示, ,用用DAC0832DAC0832產(chǎn)生鋸齒波，端口地址為產(chǎn)生鋸齒波，端口地址為PORTPORT。 VCCILEVrefRfbIout1Iout2XFERWR2DGNDAGNDD0 D7WR1CSIOW+5V+5V15K15K7.5KVOUT MOV DX，PORT Lop1：MOV AL， 00H Lop2：OUT PORT，AL MOV CX, 40 H0: LOOP H0 IN

11、C AL CMP AL，0FFH JZ lop1 JMP lop2可以通過延時的辦法改變鋸齒可以通過延時的辦法改變鋸齒波的周期，延遲時間不同，波波的周期，延遲時間不同，波形周期不同，鋸齒波的斜率就形周期不同，鋸齒波的斜率就不同不同11第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強例例2 2 同上題同上題, ,編寫連續(xù)三角波的程序編寫連續(xù)三角波的程序 MOV DX，PORT XOR AL，AL W1：OUT DX，AL INC AL NOP CMP AX，0FFH JNZ W1 W2：OUT DX，AL DEC AL NOP CMP AL，0 JNZ W2 JMP W112第八章 常用

12、可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強4q3q2q1q0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 量化量化 2q 3q q 2q 3q 4q 3q 3q 2q 3q 3q q 編碼編碼 010 011 001 010 011 100 011 011 010 011 011 0011、采樣過程：、采樣過程：將時間上連續(xù)變化的模擬量轉變?yōu)闀r間上斷續(xù)變化的模擬量。將時間上連續(xù)變化的模擬量轉變?yōu)闀r間上斷續(xù)變化的模擬量。采樣頻率采樣頻率f0大于等于輸入信號最高頻率大于等于輸入信號最高頻率fm的的2倍倍。2、保持過程：、保持過程：將采樣得到的模擬量的值保持下來。

13、為保證采樣精確度，要求將采樣得到的模擬量的值保持下來。為保證采樣精確度，要求在在A/D轉換期間，保持輸入模擬量的信號不變。轉換期間，保持輸入模擬量的信號不變。3、量化過程：、量化過程：以一定的量化單位，把離散的模擬信號轉化為離散的階躍量的以一定的量化單位，把離散的模擬信號轉化為離散的階躍量的過程。通常用過程。通常用“四舍五入四舍五入”的方法使之整量化。的方法使之整量化。 4、編碼過程：、編碼過程：把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值用二進制數(shù)碼（把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值用二進制數(shù)碼（1/0）來表示。）來表示。 9.3 A/D轉換器芯片轉換器芯片13第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強 根據(jù)A/

14、D轉換原理和特點的不同，可把ADC分成兩大類：直接直接ADC和間接間接ADC。 直接ADC是將模擬電壓直接轉換成數(shù)字量，常用的有： 逐次逼近逐次逼近式式ADC、計數(shù)式ADC、并行轉換式ADC等。 間接ADC是將模擬電壓先轉換成中間量，如脈沖周期T、脈沖頻率f、脈沖寬度等，再將中間量變成數(shù)字量。常見的有： 單積分式ADC、雙積分式ADC，V/F轉換式ADC等。14第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強 計數(shù)式ADC：最簡單，但轉換速度最慢。 并行轉換式ADC：速度最快，但成本最高。 逐次逼近式ADC：轉換速度和精度都比較高，且比較簡單，價格低，所以在微型機應用系統(tǒng)中最常用。 雙

15、積分式ADC：轉換精度高，抗干擾能力強，但轉換速度慢，一般應用在精度高而速度不高的場合，如測量儀表。 V/F轉換式ADC：在轉換線性度、精度、抗干擾能力等方面有獨特的優(yōu)點，且接口簡單、占用計算機資源少，缺點也是轉換速度慢。在一些輸出信號動態(tài)范圍較大或傳輸距離較遠的低速過程的模擬輸入通道中應用較為廣泛。15第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強D/A+ +- -V Vi i比較器逐次變換寄存器SAR 數(shù)字量輸出時序及控制邏輯 VC原理：類似天平稱重量時的嘗試法，逐步用砝碼的原理：類似天平稱重量時的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物。累積重量去逼近被稱物。9.3.1 逐次逼

16、近型逐次逼近型A/D工作原理工作原理9.3.2 A/D的技術指標的技術指標 分辨率分辨率 量化誤差量化誤差 轉換速度轉換速度 精度精度16第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強9.3.3 ADC08099.3.3 ADC0809一、原理框圖一、原理框圖17第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強D7D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）IN0IN7：8通道（路）模擬輸入ADDC、ADDB、ADDA：通道地址（通道選擇）ALE：通道地址鎖存START：啟動轉換EOC：轉換結束，可用于查詢或作為中斷申請OE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）CLK：時鐘輸入（10KHz1.2MHz）V

17、REF(+)、VREF(-)：基準參考電壓18第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強啟動啟動地址地址鎖存鎖存ADDA-ADDCADDA-ADDCALE/STARTALE/STARTEOCEOCOEOED D0-0-D D7 7轉換時間轉換時間二、工作時序二、工作時序 送通道地址，以選擇要轉換的模擬輸入；送通道地址，以選擇要轉換的模擬輸入； 鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器；鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器； 啟動啟動A/D變換；變換； 判斷轉換是否結束；判斷轉換是否結束； 讀轉換結果讀轉換結果19第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強二、應用舉例二、應用舉例例例1

18、對模擬通道對模擬通道IN0進行進行A/D轉換，采樣一個點。轉換，采樣一個點。 采用采用查詢方式的程序如下：查詢方式的程序如下： OUT 50HOUT 50H，AL AL ；選通選通IN0IN0， ；啟動；啟動A/DA/D轉換轉換 NOP NOP ；避開剛開始的；避開剛開始的EOCEOC狀態(tài)狀態(tài)W W：IN ALIN AL，40H 40H ；輸入；輸入EOCEOC標志標志 TEST ALTEST AL，01H01H JZ W JZ W ；未結束，返回等待；未結束，返回等待 IN ALIN AL，48H 48H ；結束，；結束， ；把結果送入；把結果送入ALAL中中20第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強例例2 2 利用利用8255A8255A間接與間接與08090809接口，接口圖如圖所示。采接口，接口圖如圖所示。采用查詢方式，編寫轉換通道用查詢方式，編寫轉換通道IN5IN5的模擬量的程序。的模擬量的程序。IORIORIOWIOWA A1 1A A2 2A A0 0A A3 321第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學 電信學院 馬永強解解 由接口圖分析可知由接口