微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口

1、 D/A、A/D的基本概念 DAC及其接口 ADC及其接口 A/D、D/A本章內(nèi)容微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口 了解微機控制系統(tǒng)的一般組成 了解D/A、A/D的基本原理 了解DAC、ADC的主要性能指標(biāo) 掌握DAC、ADC與CPU的接口及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目的微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口 12.1 D/A與A/D接口概述一、一個典型的計算機自動控制系統(tǒng) 數(shù)/模（D/A）和模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換技術(shù)主要用于計算機實時控制和自動測量系統(tǒng)中。在工業(yè)控制和參數(shù)測量時，經(jīng)常會遇到如溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的物理量（通稱模擬量）。用計算機處理這些模擬量必須先將其轉(zhuǎn)換為電信號，然后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。對于

2、大多數(shù)的被控對象，計算機加工處理后輸出的數(shù)字形式控制信號還應(yīng)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬量。才能推動執(zhí)行機構(gòu)工作。一個包含A/D和D/A轉(zhuǎn)換的計算機閉環(huán)自動控制系統(tǒng)如下圖所示微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口生產(chǎn)過程傳感器執(zhí)行機構(gòu)A/D轉(zhuǎn) 換 器I/O接口計 算 機D/A轉(zhuǎn) 換 器I/O接口圖12.1 典型的計算機自動控制系統(tǒng)微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口二、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的主要性能參數(shù)分辨率（Resolution） 它表明A/D對模擬信號的分辨能力，由它確定能被A/D辨別的最小模擬量變化。2. 量化誤差（Quantizing error） 在A/D轉(zhuǎn)換中由于整量化產(chǎn)生的固有誤差。量化誤差在1/2LSB（

3、最低有效位）之間。 一個8位的A/D轉(zhuǎn)換器，它把輸入電壓信號分成28=256層，若它的量程為05V，那么，量化單位q為：q = = 0.0195V=19.5mV 例如微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口3. 轉(zhuǎn)換時間（Conversion time） 轉(zhuǎn)換時間是A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間。一般轉(zhuǎn)換速度越快越好，常見有高速（轉(zhuǎn)換時間1us）、中速（轉(zhuǎn)換時間1ms）和低速（轉(zhuǎn)換時間1s）等。4. 絕對精度 對于A/D，指的是對應(yīng)于一個給定量，A/D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。5. 相對精度 對于A/D，指的是滿度值校準以后，任一數(shù)字輸出所對應(yīng)的實際模擬輸入值（中間值）與

4、理論值（中間值）之差。例如，對于一個8位0+5V的A/D轉(zhuǎn)換器，如果其相對誤差為1LSB，則其絕對誤差為19.5mV，相對誤差為0.39%。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口三、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)的主要性能參數(shù)分辨率（Resolution） 分辨率表明DAC對模擬量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所對應(yīng)的模擬量，它確定了能由D/A產(chǎn)生的最小模擬量的變化。通常用二進制數(shù)的位數(shù)表示DAC的分辨率，如分辨率為8位的D/A能給出滿量程電壓的1/28的分辨能力，顯然DAC的位數(shù)越多，則分辨率越高。2. 線性誤差（Linearity error） D/A的實際轉(zhuǎn)換值偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大偏差與滿量程之間的

5、百分比稱為線性誤差。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口3. 建立時間（Setting time） 這是D/A的一個重要性能參數(shù)，定義為：在數(shù)字輸入端發(fā)生滿量程碼的變化以后，D/A的模擬輸出穩(wěn)定到最終值1/2LSB時所需要的時間。4. 溫度靈敏度 它是指數(shù)字輸入不變的情況下，模擬輸出信號隨溫度的變化。一般D/A轉(zhuǎn)換器的溫度靈敏度為50PPM/。PPM為百萬分之一。 5. 輸出電平 不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電平相差較大，一般為5V10V，有的高壓輸出型的輸出電平高達24V30V。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口 12.2 DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換器一、DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖 圖12.2 給出了DA

6、C0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 圖12.3 給出了DAC0832的引腳圖。 DAC0832是一種相當(dāng)普遍且成本較低的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。該器件是一個8位轉(zhuǎn)換器，它將一個8位的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成模擬電壓。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口ILECSWR1XFERWR2D0 Q0 D1 Q1D2 Q2D3 Q3D4 Q4D5 Q5D6 Q6D7 Q7 G D0 Q0 D1 Q1D2 Q2D3 Q3D4 Q4D5 Q5D6 Q6D7 Q7 G D/AD0 D1 D2D3D4 D5 D6 D7VREFIOUT2IOUT1RFB鎖存器1鎖存器2轉(zhuǎn)換器圖12.2 DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口圖12.3 DA

7、C0832引腳圖7203121181CS VREFWR1RFBD0D1D2D3 D4D5 D6D7XFERILE VCCDGND AGND218965416151413191017IOUT2 IOUT1 DAC0832WR2微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口各引腳的功能如下： D0D7： 8位數(shù)據(jù)輸入端。CS：片選信號輸入端。WR1、WR2：兩個寫入命令輸入端，低電平有效。XFER：傳送控制信號，低電平有效。IOUT1和IOUT2：互補的電流輸出端。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口RFB：反饋電阻，被制作在芯片內(nèi)，與外接的運 算放大器配合構(gòu)成電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。VREF：轉(zhuǎn)換器的基準電壓。VCC：工作電源輸

8、入端。AGND：模擬地，模擬電路接地點。DGND：數(shù)字地，數(shù)字電路接地點。RFB：反饋電阻，被制作在芯片內(nèi)，與外接的運 算放大器配合構(gòu)成電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。VREF：轉(zhuǎn)換器的基準電壓。VCC：工作電源輸入端。AGND：模擬地，模擬電路接地點。DGND：數(shù)字地，數(shù)字電路接地點。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口(1) 直通方式二、DAC0832 的工作方式DAC0832可工作在三種不同的工作模式: 當(dāng)ILE接高電平，CS，WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達D0D7輸入端，就立即加到D/A轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口(2)單緩沖方式 單緩沖方

9、式是將一個鎖存器處于緩沖方式，另一個鎖存器處于直通方式，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過一級緩沖送入D/A轉(zhuǎn)換器。(3) 雙緩沖方式 即數(shù)據(jù)通過兩個寄存器鎖存后再送入D/A轉(zhuǎn)換電路，執(zhí)行兩次寫操作才能完成一次D/A轉(zhuǎn)換。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口三、DAC0832與CPU的連接 由于DAC0832內(nèi)部含有數(shù)據(jù)鎖存器，在與CPU相連時,使其可直接掛在數(shù)據(jù)總線上。DAC0832采用單緩沖方式與CPU的連接如圖12.4所示。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8GAL16V8WR A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7

10、 M/IO+5V10K20HCS WR1 WR2 DGNDD0D7D0D7ILEXFERVREFIOUT1 IOUT2AGND_ +RFBLM741+5VU0DAC0832圖12.4 DAC0832與CPU的單緩沖方式連接電路 微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口下面舉例說明如何編寫D/A轉(zhuǎn)換程序。例 編寫圖12.4中DAC0832輸出三角波的匯編程序，要求三角波的最低電壓為0V，最高電壓為2.5V。分析：三角波電壓范圍02.5V，對應(yīng)的數(shù)字量 00H7FH。三角波的下降部分，從7FH 減1，直到數(shù)字量降為00H；上升部分則 從00H加1，直到7FH。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口相應(yīng)的程序如下： MOV

11、AL，7FH ;設(shè)2.5V初值DOWN：OUT 20H，AL ;輸出模擬信號到端口20H，三角波下降;段 DEC AL ;輸出值減1 CMP AL，00H ;輸出值到達0V？ JNZ DOWN ;輸出值未達到0V，則跳到DOWN UP： OUT 20H，AL;輸出模擬量到端口20H，三角波上升段 INC AL ;輸出值加1 CMP AL，7FH;判別輸出值是否到達2.5V JNZ UP ;輸出值未達到2.5V則跳到UP JMP DOWN ;輸出值達到2.5V則跳到DOWN循環(huán)。 微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口 本例中DAC0832輸出的三角波如圖12.5所示。若8086的時鐘頻率為5MHz，則可計

12、算出該三角波的周期大約為1.53ms，即頻率約為654Hz。如果要進一步降低三角波的頻率（增大其周期），可在每次D/A轉(zhuǎn)換之后加入適當(dāng)?shù)难訒r。圖12.5 DAC0832輸出的三角波形圖微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口 12.3 ADC0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換器一、ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖 ADC0809是一種普遍使用且成本較低的CMOS材料A/D轉(zhuǎn)換器。它具有8個模擬量輸入通道，可將模擬量轉(zhuǎn)換為8位二進制數(shù)字量。 圖12.6 給出了ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 圖12.7 給出了ADC0809的引腳圖。微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口圖12.6 ADC0809轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EOCOED0 D7 REF

13、(+) REF(-)ADDC ADDB ADDA ALEIN0IN7比較器通道選擇開關(guān)逐位逼近寄存器(SAR)開關(guān)樹型 D/A 8位鎖存和 三態(tài)門定時和控制通道地址鎖存及 譯碼模擬輸入數(shù)字輸出START微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口圖12.7 ADC0809的引腳圖 10 CLOCK D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7ADDAADDBADDCEOCOEALESTART REF(+)REF(-)VccGNDIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7171481518192021252423792261216111326272812345ADC0809 CLOCK微機原理DA與AD轉(zhuǎn)

14、換接口二、ADC0809與CPU的連接ADC0809與CPU的連接，主要是正確處理數(shù)據(jù)輸出線（D0D7），啟動信號START和轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC與系統(tǒng)總線的連接問題。 圖12.8給出了ADC0809與CPU的典型連接圖。 微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口圖12.8 ADC0809與CPU的連接圖300H307HOEALESTARTIN0IN7ADDCADDBADDACLKEOCD7D0REF（-）GND500KHZREF + Vcc（）+5VA2A18路模擬輸入IORIOWADC08091308H30FHD7D0A0121I/O譯碼A9 A31微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口下面舉例說明如何編寫A/D轉(zhuǎn)換

15、程序。例 編寫圖12.8中的A/D轉(zhuǎn)換程序，具體要求如下： 順序采樣IN0IN7 8個輸入通道的模擬信號; 結(jié)果依次保存在ADDBUF開始的八個內(nèi)存 單元中; 上述采樣每隔100ms循環(huán)一次。設(shè)DELAY 是一延時100ms子程序。 分析：（1）模擬輸入通道IN0IN7由A0A2決定其端口 地址，分別為300H307H，與IOW相配合， 可啟動ADC0809進行轉(zhuǎn)換；（2）查詢端口和讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器的地址分 別為：308H和300H。 微機原理DA與AD轉(zhuǎn)換接口相應(yīng)的采集程序如下： AD：MOV CX，0008H ;通道計數(shù)單元CX賦初值 MOV DI， OFFSET ADDBUF ;尋址數(shù)據(jù)區(qū)，結(jié)果保存 ;在ADDBUF存儲區(qū)START：MOV DX，300H ;取IN0啟動地址LOOP1：OUT DX，AL ;啟動A/D轉(zhuǎn)換，AL可為 ;任意值 PUSH DX ;保存通道地址 MOV DX，308H ;取查詢EOC狀態(tài)的端口 ;地址WAIT： IN AL，DX ;讀EOC狀態(tài) TEST AL，80H ;測試A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束