微機接口與編程第六章模擬量輸入輸出2(AD)

1、 1A/D接口組成6.3 A/D （模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器 2模擬信號的采樣、量化和編碼1采樣 模擬信號在時間上是連續(xù)的，有無限多個瞬間時值。采樣過程將時間連續(xù)的信號變成時間不連續(xù)的離散信號。這個過程是通過模擬開關(guān)來實現(xiàn)的。模擬開關(guān)每隔一定的時間間隔T（稱為采樣周期）閉合一次，一個連續(xù)信號通過這個開關(guān)，就形成一系列的脈沖信號，稱為采樣信號。采樣過程如圖所示。采樣過程 32量化采樣后的信號雖然時間上不連續(xù)，但幅度仍然連續(xù)，仍為模擬信號，必須經(jīng)過量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，才能送入計算機。量化編碼示意3編碼為了方便處理，通常將量化值進行二進制編碼，對相同范圍的模擬量，編碼位數(shù)越多，量化誤差越小。對無正負區(qū)分的單

2、極性信號，所有的二進制編碼位均表示其數(shù)值大小。對有正負的雙極性信號有三種表示方法。（1）符號一數(shù)值法：與計算機的原碼表示法相同。（2）補碼：與計算機的補碼表示法相同。（3）偏移二進制碼：符號位特征與補碼相反，其余數(shù)位部分與補碼相同。這種編碼常用于雙極性模擬量的轉(zhuǎn)換。 4A/D轉(zhuǎn)換的類型按速度分按速度分超高速超高速 ( ( 330ns330ns) ) 次超高速次超高速 (330ns(330ns3.3s)3.3s)高速高速 (3.3s(3.3s20s) 20s) 中速中速 (20s(20s300s) 300s) 慢速慢速 (300s) (300s) 按原理分按原理分按分辨率分按分辨率分:4:4位、

3、位、8 8位、位、1010位、位、1212位、位、 BCD碼的碼的3位半、位半、4位半等位半等按輸出方式分：并行、串行、串并行等按輸出方式分：并行、串行、串并行等 5-5- 6-6-Vref 7逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器P333 圖6.16逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器從最高位開始比，至最低位從最高位開始比，至最低位。 8ADC的主要參數(shù)的主要參數(shù)分辨率分辨率:ADC能轉(zhuǎn)換成的二進制數(shù)的位數(shù)。位數(shù)越多,分辨率越高轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間:從輸入啟動信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束,得到穩(wěn)定的數(shù)字量所需的時間精度：精度：精度是指輸入模擬信號的實際電壓值與被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量理論電壓值之間的差值，這一差值稱為絕對誤差絕對誤差。當(dāng)它

4、用百分數(shù)表示時就稱為相對誤差當(dāng)它用百分數(shù)表示時就稱為相對誤差。絕對精度絕對精度：是指對應(yīng)于一個給定量，AD轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差大小由實際模擬量輸入值與理論值之差來度量。相對精度：相對精度：由相對誤差決定。相對誤差是指絕對誤差與滿刻度值之比，般用百分數(shù)表示。一個最低有效位對應(yīng)的模擬量為：一個最低有效位對應(yīng)的模擬量為：) 12/(maxnV 9例：某8位ADC的滿量程電壓為5V，則其分辨率為： 5V/255=19.6mV則：絕對量化誤差則：絕對量化誤差=1/2 相對量化誤差相對量化誤差=（1/2） 1LSB 100%ADC的外部特性的外部特性模擬信號輸入線模擬信號輸入線:單通道/多通道數(shù)字量輸出線

5、數(shù)字量輸出線 :分辨率轉(zhuǎn)換啟動線轉(zhuǎn)換啟動線 :啟動方式轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)線轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)線:查詢/引發(fā)中斷/請求DMA例：設(shè)滿量程電壓=10V，A/D變換器位數(shù)=10位，則：絕對量化誤差 10/211 = 4.88mV相對量化誤差 1/211 *100% = 0.049% 10一、8位A/DADC0809：8通道（8路）輸入8位字長 逐位逼近型轉(zhuǎn)換時間100s 內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器 11START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALE比較器比較器8路模路模擬開擬開關(guān)關(guān)逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR樹狀開關(guān)樹狀開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)三態(tài)三態(tài)輸出輸出鎖存

6、鎖存器器時序與控制時序與控制地址地址鎖存鎖存及及譯碼譯碼D/A8選選1 12P338 圖6.20 邏輯結(jié)構(gòu)框圖a. 輸入選擇b. 啟動轉(zhuǎn)換c. 報告轉(zhuǎn)換結(jié)束d. 輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果 13模擬電壓IN7 IN0 : 分時選一轉(zhuǎn)換ADDCADDA 輸入地址: 控制8選1ALE : 輸入地址鎖存信號START 輸入: 正脈沖啟動轉(zhuǎn)換, 前沿清除逐次比較寄存器， 后沿啟動轉(zhuǎn)換EOC 輸出: =0正在轉(zhuǎn)換，=1轉(zhuǎn)換結(jié)束OE=1 輸入: 將轉(zhuǎn)換結(jié)果送出,用于讀轉(zhuǎn)換結(jié)果D70數(shù)據(jù)輸出: 平時為三態(tài), OE=1時輸出數(shù)據(jù) 14 15 16ADC0809的工作過程如下：送通道地址，以選擇要轉(zhuǎn)換的模擬輸入；鎖存通道地址

7、到內(nèi)部地址鎖存器；啟動A/D變換；判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 17習(xí)題集P39 附錄四 ADC0809 應(yīng)用舉例 18用到兩個地址（范圍）： Y0（200207H ）：寫ADD/讀狀態(tài) Y1（ 20820FH）：寫啟動信號/讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 只讀端口和只寫端口合用地址 19 mov DX, 203H out DX, AL ; 選IN3 mov DX, 208H out DX, AL ; 啟動轉(zhuǎn)換Poll: mov DX, 200H in AL, DX test AL, 1 ; 檢查EOC jz Poll mov DX, 208H in AL, DX ; 讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 20模擬輸入端Ini ：單路輸入

8、多路輸入多路輸入時多路輸入時ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入輸入0輸入輸入1輸入輸入2輸入輸入3輸入輸入4CPU指定指定通道號通道號單路輸入時單路輸入時ADDCADDBADDAIN4ADC0809輸入輸入+5V 21多路輸入時，地址線不能接死，要通過一個接口芯片與數(shù)據(jù)總線連接。接口芯片可以選用：簡單接口芯片簡單接口芯片74LS273，74LS373等（占用一個等（占用一個I/O地址）地址）可編程并行接口可編程并行接口8255（占用四個（占用四個I/O地址）地址）ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸輸入入DB74LS273

9、Q2Q1Q0CP來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7A1A0A1A0 22可直接連到DB上，或通過另外一個輸入接口與DB相連；兩種方法均需占用一個I/O地址D0-D7ADC0809DBOE來自來自I/O譯碼譯碼D0-D7ADC0809DBOE來自來自I/O譯碼譯碼直接連直接連DB通過輸入接口連通過輸入接口連DB74LS244+5VDIDOE1#E2# 23獨立連接：用兩個信號分別進行控制獨立連接：用兩個信號分別進行控制需占用兩個需占用兩個I/O端口或端口或兩個兩個

10、I/O線；線；統(tǒng)一連接：用一個脈沖信號的上升沿進行地址鎖存，下降沿實統(tǒng)一連接：用一個脈沖信號的上升沿進行地址鎖存，下降沿實現(xiàn)啟動轉(zhuǎn)換現(xiàn)啟動轉(zhuǎn)換只需占用一個只需占用一個I/O端口或一個端口或一個I/O線。線。ADC0809ALESTART獨立連接獨立連接來自來自I/O譯碼譯碼1來自來自I/O譯碼譯碼2ADC0809ALESTART統(tǒng)一連接統(tǒng)一連接來自來自I/O譯碼譯碼 24D0IN0A15-A0 IOR IOWD7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯譯碼碼器器ADC0809I/O接接口口 25l軟件延時等待（比如延時1ms） 此時不用EOC信號，CPU效率最低l軟

11、件查詢EOC狀態(tài)。lEOC作為中斷申請信號，接到8259的IN端。在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，效率較高 26 初始化初始化 送通道地址送通道地址送送ALE信號信號送送START信號信號讀讀EOC狀態(tài)狀態(tài)送讀允許送讀允許OE信號信號EOC=1？讀轉(zhuǎn)換結(jié)果讀轉(zhuǎn)換結(jié)果采集結(jié)束否？采集結(jié)束否？NY結(jié)結(jié) 束束Y送下一路通道地址送下一路通道地址 （1）（1）N 27軟件編程軟件編程依次采集通道07,只要將通道號+1即可(最低三位有效)將通道號寫入Port2(Y2),啟動轉(zhuǎn)換并鎖存通道號對Port0(Y0)讀,讀回EOC(D7)對Port1(Y1)讀,讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果LEA DI,BUF MOV CX,256

12、 MOV BL,0 MOV DX,Port2 MOV AL,BL OUT DX,AL MOV DX,Port0 IN AL,DX AND AL,80H JZ WAIT MOV DX,Port1 IN AL,DX MOV DI,AL INC BL INC DI LOOP NEXT;啟動轉(zhuǎn)換;EOC=0,等待;讀取結(jié)果WAIT:NEXT:;通道號+1;通道號初值=0;啟動并鎖存通道號程序段程序段: :依次對依次對8 8個通道采樣個通道采樣, ,共采集共采集256256個數(shù)據(jù)個數(shù)據(jù), ,存于存于BUFBUF區(qū)中區(qū)中D07ADDCADC0809STARTIN0ADDAADDBD0D1D2EOCD711

13、Y0IORY11Y2IOWOEALEIN1IN7D07硬件連接硬件連接 28AD574/674/774/1674，ADS774系列系列A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 工作原理工作原理 AD1674 AD1674包括寬頻帶采樣保持器、包括寬頻帶采樣保持器、10V10V基電壓源、時鐘電路、基電壓源、時鐘電路、D/AD/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器、換器、SARSAR寄存器和三態(tài)緩沖器寄存器和三態(tài)緩沖器等。等。 當(dāng)控制電路發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命當(dāng)控制電路發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令時，首先使采樣令時，首先使采樣/ /保持器工作保持器工作在保持模式，并使在保持模式，并使SARSAR寄存器復(fù)寄存器復(fù)零。一旦轉(zhuǎn)換開始就不能停止或零。一旦轉(zhuǎn)換開始就不能停止

14、或重新啟動重新啟動A/DA/D轉(zhuǎn)換，此時輸出緩轉(zhuǎn)換，此時輸出緩沖器的數(shù)據(jù)輸出無效，逐次逼近沖器的數(shù)據(jù)輸出無效，逐次逼近寄存器按時鐘順序從高位到低位寄存器按時鐘順序從高位到低位進行進行比較，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果，只比較，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果，只要轉(zhuǎn)換結(jié)束，就返回一個轉(zhuǎn)換結(jié)要轉(zhuǎn)換結(jié)束，就返回一個轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志給控制部分，立即禁止時束標(biāo)志給控制部分，立即禁止時鐘輸出，并使采樣鐘輸出，并使采樣/保持器工作保持器工作在采樣模式。與此同時，延遲在采樣模式。與此同時，延遲STS信號下跳的時間穩(wěn)定轉(zhuǎn)換數(shù)信號下跳的時間穩(wěn)定轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，以滿足據(jù)，以滿足12位的精度。位的精度。 功能結(jié)構(gòu)框圖功能結(jié)構(gòu)框圖 29 引腳及功能引腳及功能

15、 30引腳引腳信號信號說說 明明1 1+5V+5V邏輯電源邏輯電源+5V+5V2 212/812/812/8=112/8=1，1212位輸出；位輸出；12/8=012/8=0，8 8位輸出位輸出3 3CSCS片選信號，低電平有效片選信號，低電平有效4 4A0A0在轉(zhuǎn)換期間：在轉(zhuǎn)換期間：A0=0A0=0表示表示ADCADC進行進行1212位轉(zhuǎn)換，在讀出期間：位轉(zhuǎn)換，在讀出期間：A0=0A0=0表示表示高高8 8位數(shù)據(jù)有效；位數(shù)據(jù)有效；A0=1A0=1表示低表示低4 4位的數(shù)據(jù)有效位的數(shù)據(jù)有效5 5R/CR/CR/C=1R/C=1，允許讀數(shù)據(jù)；，允許讀數(shù)據(jù)；R/C=0R/C=0，允許啟動，允許啟動

16、A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換6 6CECE啟動轉(zhuǎn)換信號，高電平有效啟動轉(zhuǎn)換信號，高電平有效7/117/11VCC/VEEVCC/VEE模擬部分正負電源模擬部分正負電源8 8REFOUTREFOUT10V10V內(nèi)部參考電壓輸出內(nèi)部參考電壓輸出1010REFINREFIN參考電壓輸入?yún)⒖茧妷狠斎?3/1413/1410VIN/20VIN10VIN/20VIN模擬量模擬量10V10V及及20V20V量程的輸入端口，信號另一端接量程的輸入端口，信號另一端接AGNDAGND1515DGNDDGND數(shù)字公共地數(shù)字公共地9 9AGNDAGND模擬公共地模擬公共地16162727DB0DB0DB11DB11數(shù)字量輸出

17、數(shù)字量輸出2828STSSTS轉(zhuǎn)換開始變高，轉(zhuǎn)換過程為高電平；轉(zhuǎn)換完成后變?yōu)榈碗娖睫D(zhuǎn)換開始變高，轉(zhuǎn)換過程為高電平；轉(zhuǎn)換完成后變?yōu)榈碗娖?31 AD1674 的功能真值表的功能真值表 （P342 P342 表表6.56.5）CSCSR/CR/C12/812/8CECEA0A0工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài)0 0禁止禁止1 1禁止禁止1 10 00 00 0啟動啟動1212位轉(zhuǎn)換位轉(zhuǎn)換1 10 00 01 1啟動啟動8 8位轉(zhuǎn)換位轉(zhuǎn)換1 10 01 1接接1 1腳（腳（+5V+5V）1212位并行輸出有效位并行輸出有效1 10 01 1接地接地0 0高高8 8位并行輸出有效位并行輸出有效1 10 01 1

18、接地接地1 1低低4 4位加上尾隨位加上尾隨4 4個個0 0有效有效 32操作方式 啟動有12位/8位兩種(取決于A0) 輸出有三種(取決于12/8 和A0兩個信號) ：12/8接5V ：12位輸出12/8接地：高8位/低4位輸出(取決于A0) A0=0 由D11D4輸出高8位（D3D0高阻） A0=1 由D3D0輸出低4位 (D7D4全0、D11D8高阻)R/C=0 啟動轉(zhuǎn)換，R/C=1 讀轉(zhuǎn)換結(jié)果STS=1 正在轉(zhuǎn)換，STS=0 轉(zhuǎn)換完成 33 時序時序 啟動轉(zhuǎn)換時序啟動轉(zhuǎn)換時序 讀取數(shù)據(jù)時序讀取數(shù)據(jù)時序 34AD1674與8088CPU接口框圖 (P345 圖6.29 接口舉例）1212

19、位轉(zhuǎn)換，位轉(zhuǎn)換，1212位并行輸出位并行輸出AD1674 3574LS245 雙向8緩沖:輸出地址到下面373鎖存從兩個8緩沖244輸入數(shù)據(jù)地址譯碼: DR0 接R/C，啟動 DR1 接上244，讀轉(zhuǎn)換高4位數(shù)據(jù)DR2 接中244，讀轉(zhuǎn)換低8位數(shù)據(jù)DR3 讀STS，查詢狀態(tài)AD1674 12/8接+5v,A0接地, 12位轉(zhuǎn)換,12位輸出，雙極性, 20v模擬量輸入 36圖6.29接口電路的查詢方式下轉(zhuǎn)換程序 （P346 ） Start: mov DX, DR0 out DX, AL ; 使R/C=0, 啟動A/D轉(zhuǎn)換 mov DX, DR3 Stest: in AL, DX ; 讀STS狀態(tài)

20、 and AL, 80H jnz Stest ; 未轉(zhuǎn)換完，再測試 mov DX, DR1 in AL, DX ; 轉(zhuǎn)換完，讀入高4位 mov BH, AL ; BH高4位 mov DX, DR2 in AL, DX ; 讀入低8位 mov BL, AL ; BL低8位，得BX轉(zhuǎn)換結(jié)果 37 單通道單通道不帶S/H直流或低頻模擬信號帶S/H高頻變化的模擬信號 多通道多通道每個通道有自己的S/H和ADC并行多通道各通道有自己的S/H,共享ADC各通道共享S/H和ADCCPUS/HA/DI/OA1S/HA/DI/OA2S/HA/DI/OAn并行多通道并行多通道A/DA/DCPUS/H多 路 開 關(guān)

21、MUXA1S/HA/DI/OA2S/HAn共享共享A/DA/D的多通道的多通道CPUS/H多 路 開 關(guān)MUXA1A/DI/OA2An共享共享S/HS/H和和A/DA/D的多通道的多通道 38 單通道單通道帶輸入鎖存器不需要刷新帶保持器輸出靠電容維持,要刷新 多通道多通道每個通道都有鎖存器和DAC并行多通道各通道共享DACCPUCPU并行多通道并行多通道D/AD/A鎖存器鎖存器1 1D/AD/AA A1 1鎖存器鎖存器2 2D/AD/AA A2 2鎖存器鎖存器n nD/AD/AA An nCPUI/OD/A多 路 開 關(guān)MUX保持器1保持器2保持器nA1A2An共享共享D/AD/A的多通道的多通道 396.46.4多路開關(guān)（多路開關(guān)（MUXMUX) )從多路模擬電壓中選一與公共端接通被傳送的是模擬電壓，由數(shù)字信號控制與計算機的接口都是數(shù)字接口 40控制信號控制信號INH=0 INH=0 時時,C,C、B B、A A選中的通道和選中的通道和公共端接通公共端接通( (如如CBA=011,CBA=011,通道通道3 3) ), ,模擬電壓可以模擬電壓可以雙向傳送雙向傳送 416.5 6.5 采樣保持器（采樣保持器（S/HS/H） 一一. .功能功能 有