微機(jī)原理及應(yīng)用 課件 第10章 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換通道

微機(jī)原理及應(yīng)用第10章模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換通道

了解微機(jī)系統(tǒng)的A/D和D/A通道

掌握DAC0832接口芯片的使用方法

掌握ADC0809接口芯片的使用方法學(xué)習(xí)目標(biāo)：10.1微機(jī)系統(tǒng)的A/D和D/A通道10.1.1模擬量輸入通道組成10.1.2模擬量輸出通道組成10.1.1模擬量輸入通道組成

典型的模擬量輸入通道由以下幾部分組成。1．傳感器能把生產(chǎn)過程的非電物理量轉(zhuǎn)換成電量（電流、電壓）的器件稱為傳感器。例如，熱電偶能把溫度這個(gè)物理量轉(zhuǎn)換成幾毫伏或幾十毫伏的電信號(hào)，因此可作為溫度傳感器。有些傳感器不是直接輸出電量，而是把電阻值或電容值或電感值的變化作為輸出值，反映相應(yīng)物理量的變化。例如，熱電阻利用的是某些導(dǎo)線或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而變化的特性（熱電阻效應(yīng)）；其他的溫度傳感器還有熱敏電阻傳感器和半導(dǎo)體集成溫度傳感器。熱敏電阻傳感器是利用半導(dǎo)體材料作為感溫元件的測溫元件，它具有負(fù)溫度系數(shù)（即溫度升高電阻值下降）。半導(dǎo)體集成溫度傳感器是利用硅半導(dǎo)體的溫度敏感特性而組成的測量元件。傳感器的類型有溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和液力傳感器。10.1.1模擬量輸入通道組成

2．信號(hào)處理環(huán)節(jié)信號(hào)處理環(huán)節(jié)的作用是將傳感器輸出的信號(hào)放大或處理成為與A/D轉(zhuǎn)換器所要求的輸入相適應(yīng)的電壓水平。信號(hào)處理環(huán)節(jié)的另一作用是利用低通濾波濾去干擾信號(hào)。這主要用在傳感器處于惡劣的環(huán)境中，其輸出有疊加的干擾信號(hào)時(shí)。常用的濾波電路有RC低通濾波電路和有源濾波電路。3．多路轉(zhuǎn)換開關(guān)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，又稱多路轉(zhuǎn)換器。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或?qū)嶋H控制系統(tǒng)中，被測量或被控制的量往往可能是幾路或幾十路。對這些回路的參量進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，為了共用A/D轉(zhuǎn)換器，以便節(jié)省硬件，可利用多路開關(guān)開路（MUX）、輪流切換各被測量與A/D轉(zhuǎn)換的通路來達(dá)到分時(shí)轉(zhuǎn)換的目的，如圖10-1所示。4．采樣保持器在A/D采樣期間，保持輸入信號(hào)不變的電路稱為采樣保持電路。由于輸入的模擬信號(hào)是連續(xù)變化的，而A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換是需要時(shí)間的，這段時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。不同類型的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換時(shí)間不同，對變化較快的模擬輸入信號(hào)如不采取措施將會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差。對于同頻率的信號(hào)如果A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間過長，對采樣頻率模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換精度的影響就越大。為了保持轉(zhuǎn)換精度，可采用采樣保持器，使在A/D轉(zhuǎn)換期間保持采樣信號(hào)的大小不變。

5．A/D轉(zhuǎn)換器這是模擬量輸入通道的核心環(huán)節(jié)。其作用是將模擬輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便由計(jì)算機(jī)讀取進(jìn)行分析處理。10.1.2

模擬量輸出通道組成

典型的模擬量輸出通道由以下幾部分組成。1．D/A轉(zhuǎn)換器這是模擬量輸出通道的核心器件，其作用是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。2．鎖存器由于D/A轉(zhuǎn)換需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，在轉(zhuǎn)換期間，輸入待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量應(yīng)該保持不變，而計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上穩(wěn)定的時(shí)間很短，因此在計(jì)算機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器間必須用鎖存器來保持?jǐn)?shù)字量的穩(wěn)定，若D/A轉(zhuǎn)換芯片上已帶有鎖存器，則不必再額外增加鎖存器。3．放大驅(qū)動(dòng)電路為了能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件，可以采用功率放大器作為模擬量輸出的驅(qū)動(dòng)電路。10.2D/A轉(zhuǎn)換及其接口返回10.2.1D/A轉(zhuǎn)換的主要性能參數(shù)10.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性10.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理10.2.4D/A轉(zhuǎn)換芯片10.2.1

D/A轉(zhuǎn)換的主要性能參數(shù)

1．分辨率分辨率是指D/A轉(zhuǎn)換器對微小輸入量變化敏感程度的描述，通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位等。對于一個(gè)分辨率為n位的轉(zhuǎn)換器能夠分辨滿刻度的2-n輸入信號(hào)。例如，一個(gè)8位的D/A轉(zhuǎn)換器，若轉(zhuǎn)換后的電壓滿量程是5V，而對于10位的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出滿量程也是5V，則它分辨率的最小電壓為5V/210=4.9mV。2．轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指數(shù)字量輸入到D/A轉(zhuǎn)換完成，輸出達(dá)到最終值并穩(wěn)定下來為止所需的時(shí)間。電流型D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換較快，一般在幾微秒到幾百微秒之間。電壓型D/A轉(zhuǎn)換器的速度較慢，這取決于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間。3．精度精度是指D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差。4．線性度線性度是指當(dāng)數(shù)字量變化時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出量按比例關(guān)系變化的程度。理想的D/A轉(zhuǎn)換器是線性的，但實(shí)際上有誤差模擬量輸出偏離理想輸出的最大值稱為線性誤差。10.2.2

D/A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性

表示一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器輸入/輸出特性的幾方面因素如下。1．輸入緩沖能力D/A轉(zhuǎn)換器是否帶有三態(tài)輸入緩沖器來保存輸入數(shù)字量這對轉(zhuǎn)換器與微機(jī)的接口設(shè)計(jì)是很重要的。這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上穩(wěn)定的時(shí)間很短，故需設(shè)計(jì)一個(gè)三態(tài)輸入緩沖器來保持輸入數(shù)字量，進(jìn)而起到使數(shù)字信號(hào)能正確轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)的作用。2．輸入數(shù)據(jù)的寬度D/A轉(zhuǎn)換器通常有8位、10位、12位、14位、16位之分，當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)高于微機(jī)系統(tǒng)總線寬度時(shí)，需要兩次分別輸入數(shù)字量。3．電流輸出型還是電壓輸出型對于電流輸出型，在幾毫安到幾十毫安之間，對于電壓輸出型，其電壓一般在5～10V之間。4．輸入碼制輸入碼制即表示D/A轉(zhuǎn)換器能接收哪些碼制的數(shù)字量輸入。有的D/A轉(zhuǎn)換器能夠接收二進(jìn)制或BCD碼，對于雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器能接收補(bǔ)碼和偏移二進(jìn)制碼。10.2.3

D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

圖10-2給出了D/A轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)框圖，一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器通常包含四個(gè)部分：電阻解碼網(wǎng)絡(luò)、權(quán)位開關(guān)、相加器和參考電源，D/A轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)就是將每一位數(shù)據(jù)代碼按其“權(quán)”的數(shù)值變換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，即可獲得與數(shù)字量相對應(yīng)的模擬量。圖10-2D/A轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)以下介紹幾種D/A轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)。10.2.3

D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

1．權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路如圖10-3所示，電路由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)位切換開關(guān)、反饋電阻和運(yùn)算放大器組成，由于運(yùn)算放大器的虛短作用，權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載電阻可視作零(虛地)。當(dāng)數(shù)據(jù)位ai＝1時(shí)，相應(yīng)開關(guān)si接電源，否則接地。10.2.3

D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

2．R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖10-4所示是一種實(shí)用且工作原理簡明的T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路。在該電路中，仍依靠運(yùn)算放大器的虛短特性使R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出以短路方式工作。由圖10-4可知，不論各開關(guān)處于何種狀態(tài)，Sn～S1的各點(diǎn)電位均可認(rèn)為0(虛地或?qū)嵉?。10.2.3

D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

3．2nR電阻分壓式D/A轉(zhuǎn)換器當(dāng)用均等的2n個(gè)電阻串聯(lián)成一串對VR進(jìn)行分壓時(shí)就可得到2n個(gè)分層的電壓。如果再用n-2n個(gè)譯碼器控制2n個(gè)開關(guān)去選通這些分壓器的分壓端點(diǎn)，就可實(shí)現(xiàn)n位的D/A轉(zhuǎn)換，圖9-10給出了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的一種電路結(jié)構(gòu)（3位轉(zhuǎn)換）。10.2.3

D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

4．集成化D/A轉(zhuǎn)換器集成化D/A轉(zhuǎn)換器按其制作工藝劃分目前有高速雙極型和CMOS型兩類。電阻網(wǎng)絡(luò)有采用離子注入或擴(kuò)散電阻條的，但高精度的D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)多采用薄膜電阻。高速雙極型D/A轉(zhuǎn)換器目前大多采用不飽和晶體管電流模擬開關(guān)，其建立時(shí)間(穩(wěn)定時(shí)間)可縮短到數(shù)十至數(shù)百納秒。CMOS型D/A轉(zhuǎn)換器中采用CMOS模擬開關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路，雖然這種電路有制造容易、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度目前尚不如雙極型的高。除了上面介紹的幾類D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)之外，還有F/V(頻率/電壓)等類型的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。10.2.4

D/A轉(zhuǎn)換芯片

1．DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DAC0832是采用先進(jìn)的CMOS工藝制成的雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器，它的輸出形式為電流型。該芯片主要由三部分組成，其中有兩個(gè)為數(shù)據(jù)寄存器，另外一個(gè)為D/A轉(zhuǎn)換器。（1）輸入寄存器。8位輸入寄存器的DI0～DI7輸入端可直接與CPU的數(shù)據(jù)線相連接，工作狀態(tài)受控于。（2）DAC寄存器。8位，受控于，它可以使D/A轉(zhuǎn)換芯片工作于雙緩沖工作方式下。這樣可以在D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)送下一個(gè)數(shù)據(jù)，以便提高轉(zhuǎn)換速度。（3）D/A轉(zhuǎn)換器。實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動(dòng)IOUT1和IOUT2輸出。10.2.4

D/A轉(zhuǎn)換芯片2．DAC0832的外部引腳

3．DAC0832的工作方式根據(jù)對DAC0832的輸入鎖存器和DAC寄存器的不同控制方法，DAC0832有如下3種工作方式：（1）雙緩沖方式。此方式適用于多個(gè)模擬量輸出通道同時(shí)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。（2）單緩沖方式。此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量非同步輸出的情形。（3）直通方式。10.2.4

D/A轉(zhuǎn)換芯片4．DAC0832的應(yīng)用【例10.1】某8086系統(tǒng)中有一個(gè)由DAC0832構(gòu)成的雙極性電壓輸出的8位D/A轉(zhuǎn)換電路，如圖10-6所示，設(shè)0832的地址為5AH，基準(zhǔn)電壓VREF=+1V。系統(tǒng)中定時(shí)器8253與中斷控制器8259配合每100中斷一次，試編寫中斷服務(wù)子程序使其輸出三角波，并畫出輸出波形圖。DATASEGMENT ;數(shù)據(jù)段COUNTDB0FLAGDB0DATAENDSCODESEGMENT ;代碼段

…… ;主程序略INTSERVEPROCFAR ;中斷服務(wù)程序PUSHAXMOVAL,COUNTOUT5AH，AL ;由數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)CMPFLAG，0JNZDECREASE ;FLAG!=0，轉(zhuǎn)減1處理INCCOUNT ;加1CMPCOUNT，255JNZNEXT ;不等于255則轉(zhuǎn)移NEXT：MOVFLAG，1 ;置減1標(biāo)志JMPNEXTDECREASE：DECCOUNT ;FLAG!=0，減1JNZNEXT ;COUNT不等于0則轉(zhuǎn)移MOVFLAG，0 ;COUNT等于0則置加1標(biāo)志NEXT：MOVAL，20HOUT20H，AL ;設(shè)8259端口地址為20H和21HPOPAXIRETINTSERVEENDPCODEENDS10.3A/D轉(zhuǎn)換及其接口返回10.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本概念10.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理10.3.3典型A/D轉(zhuǎn)換器介紹10.3.1

A/D轉(zhuǎn)換的基本概念1．從物理信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換對于外界連續(xù)變化的物理量必須先將其轉(zhuǎn)換成電模擬量，這種轉(zhuǎn)換是靠傳感器來完成的。傳感器一般是指能夠進(jìn)行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換的敏感元件，由于物理量的多樣性使得傳感器的種類繁多，如溫度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器和氣敏傳感器等。2．采樣、量化與編碼要將電模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量一般要經(jīng)過采樣、量化和編碼三個(gè)過程。（1）采樣。被轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，它有無限多個(gè)瞬時(shí)值，而模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程總是需要時(shí)間的，不可能把每一個(gè)瞬時(shí)值都一一轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，因此必須在連續(xù)變化的模擬量上按一定的規(guī)律（周期性地）取出其中某一些瞬時(shí)值（樣點(diǎn)）來代表這個(gè)連續(xù)的模擬量，這個(gè)過程就是采樣（Sample）。10.3.1

A/D轉(zhuǎn)換的基本概念（2）量化。所謂量化，就是以一定的量化單位，把采樣值取整，或者說是把采樣值取整為量化單位的整數(shù)倍。量化單位是輸入信號(hào)的最大范圍除以數(shù)字量的最大范圍，量化過程有舍入問題就必然會(huì)出現(xiàn)舍入誤差，這個(gè)誤差稱為量化誤差。（3）編碼。量化得到的數(shù)值通常用二進(jìn)制數(shù)表示，對有正、負(fù)極性（雙極性）的模擬量一般采用偏移碼來表示，數(shù)據(jù)的最高位為符號(hào)位，數(shù)值為正時(shí)符號(hào)位為1，反之為0。例如，8位的二進(jìn)制偏移碼10000000代表數(shù)值0，00000000代表負(fù)電壓滿量程，11111111代表正電壓滿量程。10.3.1

A/D轉(zhuǎn)換的基本概念3．A/D轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)和術(shù)語（1）量化誤差。A/D轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量，對一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的模擬量只能量化為同一個(gè)數(shù)字量。量化誤差是在A/D轉(zhuǎn)換中由于整量化所產(chǎn)生的固有誤差。對于舍入（四舍五入）量化法，量化誤差在1/2LSB之間。它是量化器所固有的，是不可克服的。（2）分辨率。分辨率表示A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號(hào)的分辨能力。通常用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示。n位輸出的A/D轉(zhuǎn)化器能區(qū)分個(gè)不同等級(jí)的輸入模擬電壓，能區(qū)分的輸入電壓的最小值為滿量程輸入電壓的。當(dāng)滿量程輸入電壓一定時(shí)，輸出的位數(shù)越多，分辨率越高。例如，某A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位，滿量程輸入電壓Vfs=5V，則能區(qū)分的輸入電壓最小值是5/（2^8），即0.01953V。10.3.1

A/D轉(zhuǎn)換的基本概念（3）轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換誤差說明A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出數(shù)字量與理論上的輸出數(shù)字量之間的差值，通常以整個(gè)輸入范圍內(nèi)的最大輸出誤差表示。一般用最低有效位的倍數(shù)來表示轉(zhuǎn)換誤差，例如，轉(zhuǎn)換誤差≤LSB就說明在整個(gè)輸入范圍內(nèi)，輸出數(shù)字量與理論上的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的一個(gè)數(shù)字。（4）轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器開始一次轉(zhuǎn)換到完成轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出所需的時(shí)間。（5）量程。量程是指A/D轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。10.3.1

A/D轉(zhuǎn)換的基本概念4．A/D轉(zhuǎn)換器的類型A/D轉(zhuǎn)換器的類型較多，主要的有并行比較型、逐次比較型、雙積分型等。并行比較型的轉(zhuǎn)換速度最高，但分辨率一般在8位以內(nèi)。因?yàn)閚位并行比較型A/D中需要個(gè)電壓比較器，當(dāng)n＞8以后，需要的電壓比較器太多使得芯片的面積大，成本高。雙積分型的分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度低，一般為1～1000ms，通常用在對速度要求不高但需要很高精度的場合。逐次比較型的分辨率高，轉(zhuǎn)換時(shí)間在0.1～100之間。轉(zhuǎn)換速度比并行比較型低，但遠(yuǎn)高于雙積分型。隨著集成電路工藝的提高，其轉(zhuǎn)換速度也在提高。因此逐次比較型的A/D適合既要求精度，又要求速度的場合。一般地，將轉(zhuǎn)換時(shí)間大于1ms的稱為低速A/D，在1～1ms之間的稱為中速A/D，小于1的稱為高速A/D。10.3.2

A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理1．雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器雙積分式也稱為二重積分式，其實(shí)質(zhì)是測量和比較兩個(gè)積分的時(shí)間，一個(gè)是對模擬輸入電壓積分的時(shí)間T0，此時(shí)間往往是固定的，另一個(gè)是以充電后的電壓為初值，對參考電源VRef反向積分，積分電容被放電至零所需的時(shí)間T1（或T2）等。模擬輸入電壓Vi與參考電壓VRef之比等于上述兩時(shí)間之比。由于VRef和T0固定而放電時(shí)間Ti可以測出，因而可計(jì)算出模擬輸入電壓的大?。╒Ref與Vi符號(hào)相反），其轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖10-8所示。10.3.2

A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理2．逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型（也稱逐位比較型）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖10-9所示，其應(yīng)用比積分型更為廣泛。10.3.3

典型A/D轉(zhuǎn)換器介紹1．8位A/D轉(zhuǎn)化器ADC08091）ADC0809的主要性能ADC0809是一個(gè)8通道的A/D轉(zhuǎn)換器芯片，采用逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換提供模擬多路開關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯。它的主要特性如下。①分辨率為8位，零偏差和滿量程誤差均小于1/2LSB。②8個(gè)模擬輸入通道，有通道地址鎖存，數(shù)據(jù)輸出具有三態(tài)鎖存功能。③轉(zhuǎn)換時(shí)間為100。④工作溫度范圍為-40～+85℃。⑤功耗為15mW。⑥輸入電壓范圍為0～+5V。⑦單一+5V電源供電。10.3.3

典型A/D轉(zhuǎn)換器介紹2）ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖10-10所示。0809內(nèi)部由三部分組成：通道選擇、8位A/D轉(zhuǎn)換器和定時(shí)與控制電路。10.3.3

典型A/D轉(zhuǎn)換器介紹2．0809通過8255與CPU的連接舉例【例10.2】如圖10-12所示，0809的～接8255的PA口，PA口工作于方式0輸入；0809的ADDC、ADDB、ADDA接8255的～，PB口工作于方式0輸出。8255的PC口高4位工作于方式0輸入，PC7接0809的EOC。8255的PC口低4位工作于方式0輸出，PC0接0809的START和ALE。8255的地址為70H～73H。試編寫程序，以查詢的方式對IN0端進(jìn)行100次采樣并將數(shù)據(jù)存入DATA開始的內(nèi)存中。主程序：

MOVAL，10011000B ;8255編程

OUT73H，ALMOVAL，00H