接口-第9章 AD與DA轉(zhuǎn)換器接口

第9章A/D與D/A轉(zhuǎn)換器接口9.1模擬量接口

在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，采集對(duì)象往往是連續(xù)變化的物理量，因此需要對(duì)連接變化的物理量進(jìn)行采樣、保持，再把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量交給計(jì)算機(jī)處理。計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量有時(shí)需要轉(zhuǎn)換為模擬量去控制某些執(zhí)行元件。

A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量→數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字量→模擬量的轉(zhuǎn)換下圖是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)：控制對(duì)象微機(jī)系統(tǒng)傳感器執(zhí)行部件ADCDAC功放運(yùn)放模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量下圖是一個(gè)分時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：模擬輸入模擬輸出ADCDAC驅(qū)動(dòng)器接收器多路掃描器多路掃描器傳輸線9.1A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程。數(shù)字量便于計(jì)算機(jī)的處理，是自動(dòng)控制過(guò)程的重要步驟。

A/D轉(zhuǎn)換的原理很多,常見(jiàn)的有雙積分式、逐次逼近式、計(jì)數(shù)式等。輸出碼制有二進(jìn)制、BCD碼等；輸出數(shù)據(jù)寬度（二進(jìn)制）有8位、12位、16位、20位等。1、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率

指A/D轉(zhuǎn)換器能夠把模擬量轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的位數(shù)。例：用1個(gè)10位ADC轉(zhuǎn)換一個(gè)滿(mǎn)量程為5V的電壓,則可能分辨的最小電壓率為5000mV/1024=5mV。若模擬輸入值小于5mV，則ADC無(wú)反映，輸出保持不變?？梢?jiàn)，ADC的數(shù)字量輸出位數(shù)越多，其分辨率就越高。當(dāng)分辯率大于微機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度時(shí)，每次轉(zhuǎn)換都需要兩次數(shù)據(jù)的傳輸。

轉(zhuǎn)換時(shí)間

從轉(zhuǎn)換啟動(dòng)開(kāi)始到轉(zhuǎn)換結(jié)束，得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的快慢將會(huì)影響ADC接口與CPU交換數(shù)據(jù)的方式。對(duì)于低中速的ADC一般采用查詢(xún)或中斷方式，對(duì)于高速的ADC應(yīng)采用DMA方式。2、A/D轉(zhuǎn)換器的外部特性任何一種A/D轉(zhuǎn)換器一般具有以下信號(hào)線：模擬信號(hào)輸入線，有單通道與多通道之分。數(shù)字量輸出線，線的數(shù)目決定了分辨率。

轉(zhuǎn)換啟動(dòng)線（輸入），每次啟動(dòng)只能轉(zhuǎn)換一次數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換結(jié)束線（輸出），表示ADC作一次轉(zhuǎn)換結(jié)束的狀態(tài)。9.3A/D轉(zhuǎn)換器與CPU接口的原理和方法1、A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的連接

ADC的啟動(dòng)信號(hào)有脈沖啟動(dòng)和電平啟動(dòng)兩種。

ADC的輸入信號(hào)

有單通道和多通道之分。

ADC的輸出信號(hào)

ADC輸出是否有鎖存；

ADC的分辨率是否與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線一致。

ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)

作為查詢(xún)和中斷的依據(jù)。2、A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的傳送可采用查詢(xún)、中斷和DMA方式。不同的方式的電路組成和編程方法不同。A/D采集的速度取決于：A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間T；將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存所需要的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

則采集數(shù)據(jù)的頻率上限為：

f0=1/(T+)上述幾種方法采集數(shù)據(jù)的速度是：查詢(xún)中斷DMA方式高低9.4A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計(jì)1、A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計(jì)方案的分析

①ADC的模擬量輸入是否是多通道？②ADC分辨率是否大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的寬度？③ADC內(nèi)部是否有三態(tài)輸出鎖存？④ADC的啟動(dòng)是電平啟動(dòng)還是脈沖啟動(dòng)？⑤ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采用哪種傳輸方式？⑥ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)要進(jìn)行怎么樣的處理？⑦ADC接口采用什么元器件組成？2、A/D轉(zhuǎn)換器的接口設(shè)計(jì)例9.1查詢(xún)方式的ADC接口電路設(shè)計(jì)要求利用ADC0804采集100個(gè)數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)以查詢(xún)方式傳輸?shù)絻?nèi)存BUFR區(qū)。接口電路采用普通IC芯片組成。分析

ADC0804是單個(gè)模擬量輸入；

ADC0804的分辨率為8位，并具有三態(tài)輸出鎖存器；

ADC0804的啟動(dòng)方式為脈沖啟動(dòng)；數(shù)據(jù)傳輸方式為查詢(xún)方式。

硬件電路：

軟件流程圖：程序如下：DATASEGMENT START_PEQU310H ;轉(zhuǎn)換啟動(dòng)端口

STATE_PEQU311H ;狀態(tài)端口

DATA_PEQU310H ;數(shù)據(jù)端口

BUFRDB100（0）DATAENDSCODESEGMENT ASSUMECS:CODE,DS:DATABEGIN:MOVAX,DATA MOVDS,AX MOVSI,OFFSETBUFR ;緩沖區(qū)指針

MOVCX,100 ;采樣次數(shù)START:MOVDX,START_P ;啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

MOVAL,00H ;（可以是其它值）

OUTDX,AL ；使CS和WR同時(shí)有效

WAIT1:MOVDX,STATE_P ;查轉(zhuǎn)換結(jié)束

INAL,DX ANDAL,80H ;查D7=0（INTR=0？）

JNZWAIT1 ;未結(jié)束，等待

MOVDX,DATA_P ;已結(jié)束，讀數(shù)據(jù)

INAL,DX MOV［SI］,AL ;數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹UFR區(qū)

INCSI ；緩沖區(qū)地址加1 DECCX ;采樣次數(shù)減1 JNZSTART ;未完，繼續(xù)啟動(dòng)

MOVAX,4C00H ;已完，退出

INT21HCODEENDSENDBEGIN例9.2中斷方式的ADC接口設(shè)計(jì)要求采用ADC0809，從通道7采集100個(gè)數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)以中斷方式傳輸?shù)絻?nèi)存緩沖區(qū)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC連到IRQ4上，請(qǐng)求中斷。分析要實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)要求，至少有3個(gè)方面的問(wèn)題需要考慮：被控對(duì)象ADC0809的特性；接口電路結(jié)構(gòu)形式；中斷處理。①ADC0809外部特性ADC0809內(nèi)部邏輯原理圖CLOCK

START通道選擇開(kāi)關(guān)通道地址鎖存和譯碼定時(shí)和控制逐次逼近寄存器輸出三態(tài)鎖存器開(kāi)關(guān)樹(shù)組比較器IN0IN1

IN7ADDAADDBADDCALEVR（+）VR（-）D0D1D7EOCOE

模擬輸入

數(shù)字輸出A/D

轉(zhuǎn)換結(jié)束

啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

輸出允許

通道選擇地址

通道地址鎖存ADC0809的時(shí)序圖②接口電路結(jié)構(gòu)形式采用可編程接口芯片82C55A③

中斷處理本例題是利用微機(jī)系統(tǒng)的中斷資源，故不需做中斷系統(tǒng)的硬件連接和82C59A的初始化。只需做兩件事：中斷向量的修改（IRQ4）；

開(kāi)放IRQ4的中斷和CPU中斷。

硬件設(shè)計(jì)。本接口電路應(yīng)能提供如下信號(hào):ADC0809模擬量通道號(hào)選擇信號(hào)啟動(dòng)信號(hào)讀數(shù)據(jù)允許信號(hào)

EOC的中斷請(qǐng)求:直接連到系統(tǒng)總線的IRQ4上。82C55A的4個(gè)端口地址是:300H（A口）、301H（B口）、302H（C口）、

303H（命令口）。

由82C55A接口芯片實(shí)現(xiàn)中斷方式的ADC接口電路原理

軟件設(shè)計(jì)通道7的數(shù)據(jù)采集相關(guān)程序段：

MOV DX，303H ；82C55初始化,A口輸出（為鎖地址）

MOV AL，80H OUT DX，AL MOV AL，0EH ；置PC7=0，使START和ALE無(wú)效

OUT DX，AL MOV AL，0CH ；置PC6=0，使OE無(wú)效

OUT DX，AL

MOV DX，300H ；鎖通道地址

MOV AL，07H OUT DX，AL MOV AX，350CH

；獲取IRQ4的中斷向量并保存

INT 21H MOV OLD_OFF，BX MOV BX，ES MOV OLD_SEG，BX CLI MOV AX，250CH

；置新中斷向量

MOV DX，SEGA_D MOV DS，DX MOV DX，OFFSETA_D INT 21H

MOV AX，DATA ；恢復(fù)數(shù)據(jù)段

MOV DS，AX STI IN AL，21H ；開(kāi)放IRQ4 AND AL，0EFH OUT 21H，AL MOV CX，100 ；設(shè)置采集字節(jié)數(shù)

MOV SI，OFFSETBUFF ；設(shè)置內(nèi)存指針

MOV DX，303H ；82C55初始化,A口輸入

MOV AL，90H OUT DX，ALBEGIN：

MOV DX，303H ；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

MOV AL，0FH ；產(chǎn)生ALE鎖存信號(hào)

OUT DX，AL

NOP NOP MOV AL，0EH ；產(chǎn)生START啟動(dòng)脈沖信號(hào)

OUT DX，AL STI ；開(kāi)中斷

HLT ；等待中斷

DEC CX ；采樣次數(shù)減1 JNZ BEGIN ；沒(méi)完，繼續(xù) CLI ；已完，關(guān)中斷

MOV AX，250CH

；恢復(fù)IRQ4的原中斷向量

MOV DX，OLD_SEG MOV DS，DX MOV DX，OLD_OFF INT 21H MOV AX，DATA ；恢復(fù)數(shù)據(jù)段

MOV DS，AX STI

IN AL，21H OR AL，10H ；屏蔽IRQ4 OUT 21H，AL MOV AX，4C00H ；返回DOS INT 21HA_D PROC FAR ；中斷服務(wù)程序

PUSH AX ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

PUSH DX CLI ；關(guān)中斷

MOV DX，303H ；打開(kāi)三態(tài)鎖存器

MOV AL，0DH OUT DX，AL ；置PC6=1高

MOV DX，300H IN AL，DX ；從PA口讀數(shù)據(jù)

MOV [SI]，AL ；存取數(shù)據(jù)

INC SI ；內(nèi)存地址指針加1 MOV DX，303H

；關(guān)閉三態(tài)鎖存器

MOV AL，0CH

OUT DX，AL

；置PC6=0低

MOV AL，20H ；發(fā)中斷結(jié)束命令

OUT 20H，AL POP DX ；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

POP AX STI ；開(kāi)中斷

IRET ；中斷返回

A_D ENDP例9.4DMA方式的ADC接口電路設(shè)計(jì)電路初始化編程根據(jù)題意只涉及以下幾個(gè)寄存器的操作：①選定傳送通道及工作方式（工作方式寄存器）。②設(shè)置DMA屏蔽字（屏蔽寄存器），端口=0BH。③設(shè)定傳輸?shù)目傋止?jié)數(shù)（字節(jié)數(shù)寄存器），端口

=03H（通道1）④設(shè)定傳送的存儲(chǔ)器地址（地址寄存器），端口

=02H（通道1）⑤寫(xiě)清除先/后觸發(fā)器，端口=0CH。返回程序清單：

CLI ；關(guān)中斷

MOVAL，04H ；命令字，禁止82C37A工作

OUT08H，ALMOVAL，01000101B

；工作方式：?jiǎn)我粋鬏敺绞剑?；地址加1，非自動(dòng)預(yù)置， ；DMA寫(xiě)，通道1OUT0BH，AL ；送入工作方式寄存器

OUT0CH，AL ；清先/后觸發(fā)器（軟命令）MOVAL，03H ；頁(yè)面地址（最高4位地址）

OUT83H，AL ；寫(xiě)入DMA頁(yè)面地址寄存器

MOVAL，00H ；基地址低8位

OUT02H，AL ；低8位地址寫(xiě)入通道1的基與 ；當(dāng)前地址寄存器

MOVAL，04H ；基地址高8位

OUT02H，AL ；高8位地址寫(xiě)入通道1的基與 ；當(dāng)前地址寄存器MOVAL，0FFH ；字節(jié)數(shù)低8位

OUT03H，AL ；字節(jié)數(shù)低8位寫(xiě)入通道1的基與 ；當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器

MOVAL，0FH ；字節(jié)數(shù)高8位

OUT03H，AL ；字節(jié)數(shù)高8位寫(xiě)入通道1的基與 ；當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器

STI ；CPU開(kāi)中斷

MOVAL，01H ；清通道1的屏蔽位，允許DREQ1OUT0AH，AL ；開(kāi)通道1，接收DREQ1的到來(lái)9.5D/A轉(zhuǎn)換器1、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率指DAC能夠把多少位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成模擬量。例：DAC0832能夠把8位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成電流，所以DAC0832的分辨率是8位。轉(zhuǎn)換時(shí)間從數(shù)字量輸入到DAC完成轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。2、D/A轉(zhuǎn)換器的外部特性DAC的外部信號(hào)線包括:①數(shù)字信號(hào)輸入線；②模擬信號(hào)輸出線；③CS信號(hào)線和WR（或WR1，WR2）信號(hào)線（用于形成DAC的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)）；④數(shù)據(jù)輸入鎖存控制線；⑤模擬量輸出通道地址線。9.6D/A轉(zhuǎn)換器與CPU接口的原理和方法1、D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的連接

DAC與CPU的接口包括硬件連接和軟件編程。DAC與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸是無(wú)條件傳輸。DAC接口電路的結(jié)構(gòu)形式也有下列幾種：采用中小規(guī)模邏輯芯片；利用可編程并行I/O接口芯片；采用GAL器件。2、D/A轉(zhuǎn)換器接口的主要任務(wù)D/A與A/D有很多不同之處，表現(xiàn)在：DAC一般不需要專(zhuān)門(mén)的控制信號(hào)去觸發(fā)，只要

CPU把數(shù)據(jù)送到它的輸入端，就開(kāi)始轉(zhuǎn)換。DAC不提供轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。DAC主要解決的是：CPU與DAC之間的數(shù)據(jù)緩沖問(wèn)題；當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器的分辯率大于數(shù)據(jù)總線的寬度時(shí)，CPU必須分兩次傳送和同時(shí)選通。3、D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案分析①DAC的模擬量輸出是否是多通道？②DAC的分辨率是否大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的寬度？③DAC芯片內(nèi)部是否有三態(tài)輸入鎖存器？④DAC的啟動(dòng)方式，只有脈沖觸發(fā)一種。DAC不設(shè)專(zhuān)門(mén)的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，是利用CS和IOW共同進(jìn)行假寫(xiě)操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖啟動(dòng)的。

⑤DAC的數(shù)據(jù)傳輸方式，只有無(wú)條件傳輸一種。⑥D(zhuǎn)AC接口電路采用什么元器件組成？9.7D/A轉(zhuǎn)換器接口電路設(shè)計(jì)例9.5DAC0832接口電路設(shè)計(jì)要求通過(guò)DAC0832產(chǎn)生鋸齒波和三角波，按任意鍵，停止輸出。分析DAC0832是單通道模擬量輸出，不需通道選擇；DAC0832有兩級(jí)緩沖鎖存器，它有3種工作方式：

雙緩沖方式、單緩沖方式和直通方式。8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器DI7~DI0ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RFBAGND(模擬地)&&&DGND(數(shù)字地)VCCDAC0832引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)：DAC0832有三種工作方式：（1）雙緩沖方式（LE1和LE2分別控制）（2）單緩沖方式（其中LE1和LE2有一個(gè)直通）（3）直通方式（LE1和LE2均為直通）1：輸出隨輸入變化0：鎖存注：在DAC實(shí)際連接中，要注意區(qū)分“模擬地”和“數(shù)字地”的連接，為了避免信號(hào)串?dāng)_，數(shù)字量部分只能連接到數(shù)字地，而模擬量部分只能連接到模擬地。

硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)的方案很多，本例采用8255做CPU與DAC的接口，并DAC工作在直通方式DAC0832DI0-7ILECSWR1WR2XFER8255APA0-7PB4PB3PB2PB1PB0CPURfbIO1IO2-++至示波器B口輸出做控制信號(hào)

軟件設(shè)計(jì)以下程序是產(chǎn)生三角波的程序；8255初始化

MOVDX，303H ；8255的命令口

MOVAL，10000000B

；8255的方式字

OUTDX，AL ；指定B口控制DAC的轉(zhuǎn)換

MOVDX，301H ；8255A的B口地址

MOVAL，00010000B ；置DAC0832為直通工作方式

OUTDX，AL

；生成三角波的循環(huán)

MOVDX，300H ；8255A的A口地址

MOVAL，0H ；輸出數(shù)據(jù)從0開(kāi)始L1：OUTDX，ALINCAL ；輸出數(shù)據(jù)加1JNZL1 ；AL是否加滿(mǎn)？未滿(mǎn)繼續(xù)

MOVAL，0FFH ；已滿(mǎn)，AL置全1L2：OUTDX，ALDECAL ；輸出數(shù)據(jù)減1JNZL2 ；AL是否減到0？不為0繼續(xù)

JMPL1 ；為0，AL加1

0FFHDAC0832雙緩沖方式的典型用法：多目標(biāo)的同時(shí)控制CPUDAC0832DAC0832控制點(diǎn)控制點(diǎn)被控對(duì)象DAC0832最適合要求多片DAC同時(shí)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，下圖的時(shí)序關(guān)系表示，兩個(gè)數(shù)據(jù)分別用CS1和CS2鎖存到兩個(gè)DAC0832的輸入寄存器中，最后用XFER信號(hào)的上升沿將它們同時(shí)鎖存到各自的DAC寄存器中。數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)1輸入到數(shù)據(jù)2輸入到1#鎖存2#鎖存DAC寄存器鎖存DATABUSCS1CS2WR1WR2XFER用來(lái)進(jìn)行同時(shí)多點(diǎn)的控制方法例9.6DAC1210接口電路設(shè)計(jì)要求通過(guò)ADC1210產(chǎn)生并輸出50個(gè)方波分析

ADC1210的分辨率是12位，且內(nèi)部有三態(tài)鎖存，數(shù)據(jù)要分兩次傳送。DAC1210的3個(gè)端口的地址分別為：

316H（y0）：鎖存高8位數(shù)據(jù)端口；

317H（y1）：鎖存低4位數(shù)據(jù)端口；

318H（y2）：第2級(jí)鎖存端口。8位輸入鎖存器4位輸入鎖存器12位DAC存儲(chǔ)器12位相乘型D/A轉(zhuǎn)換器LELELELSBMSBDI1115DI1016DI917DI818DI719DI620DI54DI45DI36DI27DI18DI09BYTE123/BYTE2CS1WR12XFER21WR22210Vref14Iout213Iout111Rfb24Vcc3AGND24DGNDDAC1210內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩種數(shù)據(jù)對(duì)齊格式：

“右對(duì)齊”：從低位對(duì)齊（先送低，后送高）

“左對(duì)齊