微机原理与接口技术第7章数摸和模数转换.ppt

1.概述2.数/模（D/A）转换器3.模/数（A/D）转换器,7.4 模拟量I/O接口,在生产控制过程中，计算机既要实现对生产设备的检测，又要实现对生产设备的控制。,检测：需将模拟量转换成数字量，简称A/D转换。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简称ADC。,控制：需将数字量转换成模拟量。简称D/A转换。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简称DAC。,7.4.1 概述,1）、模拟量输入通道,7.4.1 概述,2）、模拟量输出通道,1.模拟量输入通道（1）传感器 传感器是把工业生产中非电物理量转换成电量（电流、电压）的器件。如热电耦等。工业控制中，传感器输出的电信号在输入到A/D转换器之前必须添加适当的外围转换电路，如各种变送器，将传感器输出的微弱电信号或电阻值等转换成010mA或420mA电流信号或05V电压信号。,7.4.1 概述,1.模拟量输入通道（1）传感器（2）信号处理环节 主要包括信号放大电路和滤波电路等。用于信号的放大和滤去干扰信号。,7.4.1 概述,1.模拟量输入通道（1）传感器（2）信号处理环节（3）多路转换开关 采用多路模拟开关，使多个模拟量共用一个A/D转换器进行A/D转换。,7.4.1 概述,1.模拟量输入通道（1）传感器（2）信号处理环节（3）多路转换开关（4）采样保持器 采样保持电路是在A/D转换期间采样输入量并保持一段时间的电路。为了保证转换精度，可用采样保持器在A/D转换期间，保持采样输入信号大小不变。,7.4.1 概述,1.模拟量输入通道（1）传感器（2）信号处理环节（3）多路转换开关（4）采样保持器（5）A/D转换器 A/D转换器是模拟量输入通道的核心环节，其作用是将模拟输入量转换成数字量。双极性为02.5伏、05伏、010伏；单极性为05伏、010伏、020伏等。,7.4.1 概述,1.模拟量输入通道（1）传感器（2）信号处理环节（3）多路转换开关（4）采样保持器（5）A/D转换器 2模拟量输出通道 主要由锁存器、D/A转换器、放大驱动电路组成。锁存器是用来保持数字量稳定的。功率放大器是作为模拟量输出的驱动电路。,7.4.1 概述,1.D/A转换器的工作原理,D/A转换把数字量的每一位代码按权大小转换成模拟分量，然后根据叠加原理将各代码对应的模拟输出分量相加。D/A转换器的主要部件是电阻开关网络，网络形式有权电阻网络和倒T型电阻网络等。1）权电阻网络D/A转换法,特点：D/A转换器的转换精度与基准电压Vref的精度、权电阻和电子开关Si的精度及位数有关。缺点：精密电阻难制造,1.D/A转换器的工作原理,2).倒T型电阻网络D/A转换法,输出模拟电压Vo与输入的关系为：,特点：1.电阻网络只用两种阻值组成；2.各位开关的状态由数据锁存器的对应位决定。,2.D/A转换器的主要技术指标,1.分辨率（Resolution）分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟量，取决于输入数字量的二进制位数，通常用数字量的位数来表示。一个n位的DAC所能分辨的最小电压增量定义为满量程值的2-n倍。如：满量程为10V的8位DAC芯片的分辨率为10V2-839mV；一个同样量程的16位DAC的分辨率最高达10V2-16153V。,1.分辨率（Resolution）2.转换精度（Conversion Accuracy）转换精度是指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。该误差是由于D/A增益误差、零点误差和噪声等引起的。通常，DAC的转换精度为分辨率的一半，即为LSB/2。LSB是分辨率，是指最低1位数字量变化引起输出电压幅度的变化量。,2.D/A转换器的主要技术指标,1.分辨率（Resolution）2.转换精度（Conversion Accuracy）3.偏移量误差（Offset Error）偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。这种误差通常可以通过DAC外接Vref和电位计加以调整。,2.D/A转换器的主要技术指标,1.分辨率（Resolution）2.转换精度（Conversion Accuracy）3.偏移量误差（Offset Error）4.线性度（Linearity）线性度是指DAC实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏差。通常，线性度不应超出LSB/2。,2.D/A转换器的主要技术指标,1.分辨率（Resolution）2.转换精度（Conversion Accuracy）3.偏移量误差（Offset Error）4.线性度（Linearity）除了上述指标外，转换速度（Conversion Rate）和温度灵敏度（Temperature Sensitivity）等也是DAC的重要技术参数。,2.D/A转换器的主要技术指标,DI7DI0：D/A转换器数字量输入信号。其中，DI0为最低位，DI7为最高位。CS：片选输入信号。WR1：D/A转换器的数据写入信号1。ILE：输入寄存器的允许信号。XFER：从输入寄存器向DAC寄存器传送D/A转换数据的控制信号。WR2：DAC寄存器的选通信号。,（1）DAC0832的引脚,DAC0832,3.典型D/A转换器芯片DAC0832,Vcc：芯片电源，其值可在515V之间。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。Rfb：内部反馈电阻引脚，用来外接D/A转换器输出增益调整电位器。Vref：D/A转换器的基准电压，其范围可在1010V之间选定。IOUT1：输出电流1，当输入数字为全“1”时，其值最大。IOUT2：输出电流2，与IOUT1之和为常数。,（1）DAC0832的引脚,（2）DAC0832的工作方式 DAC0832有直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。直通工作方式 条件：CS、WR1、WR2、XFER均接地，ILE接高电平。特点：八位数字量一旦到达DI7DI0输入端，就立即进行D/A转换而输出。,（2）DAC0832的工作方式 DAC0832有直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。直通工作方式 单缓冲工作方式 条件：两个寄存器中任一个处于直通状态，另一个工作于受控锁存状态。一般是使DAC寄存器处于直通状态，即把WR2和XFER都接数字地。特点：数据只要一写入DAC芯片，就立即进行数模转换，可减少一条输出指令。,（2）DAC0832的工作方式 DAC0832有直通、单缓冲和双缓冲三种工作方式。直通工作方式 单缓冲工作方式 双缓冲工作方式 条件：CPU要对DAC芯片进行两步写操作；ILE接高电平，WR1、WR2均接CPU的IOW，CS、XFER接地址译码信号。优点：数据接收和转换启动异步进行，提高转换速率。,电流建立时间：1s；分辨率：8位；线性误差：0.2%FSR；非线性误差：0.4%FSR；工作方式：双缓冲、单缓冲、直接输入；数字输入：与TTL兼容；增益温度系数：0.002%FSR/；低功耗：20mW；单电源：+515V；参考电压：10V10V。,（3）DAC0832的主要技术性能,4.D/A转换器与CPU的接口,D/A转换器与微处理器的连接包括三部分，即数据线、控制线和地址线。18位D/A转换器与CPU的接口 对于8位D/A转换器，简单的连接方法是通过8位数据锁存器（例如，8D锁存器74LS273）与8位微处理器的总线相连。（1）直通方式（2）单缓冲方式,三角波程序START：MOV AL，0DOWN：OUT 0FEH，AL INC AL JNZ DOWN MOV AL，0FEHUP：OUT 0FEH，AL INC AL JNZ UP JMP DOWN HLT,锯齿波程序START：MOV AL，0 LP：OUT 0FEH，AL INC AL JMP LP HLT,方波程序START:MOVAL,33H OUT0FEH,AL CALL DELAY MOV AL,0FEHOUT 0FEH,AL CALL DELAY JMP STARTDELAY:HLT,例 DAC0832用作波特率发生器。试根据图接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序。,4.D/A转换器与微处理器的接口,A/D转换器把输入模拟电压或电流变成与它成正比数字量的转换电路，即把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息，以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。,7.4.2 模/数（A/D）转换器,11.3.1 A/D转换器工作原理 1.双积分式的A/D转换器 双积分式也称二重积分式，其原理框图见下图。其实质是测量和比较两个积分的时间，一个是模拟输入电压积分时间，此时间往往是固定的；另一个是充电后的电压为初值，对参考电压Vref反相积分，积分电容被放电至零所需的时间T1（或T2等）。,1.A/D转换器工作原理,逐次逼近式（也称逐位比较式）A/D转换器转换实质是，逐次把设定的SAR寄存器中的数字量经D/A转换后得到电压VC,与待转换模拟电压VX进行比较。比较时，先从SAR的最高位开始，逐次确定各位的数值应是“1”还是“0”。其原理如下图所示：,工作过程,2、设定SAR寄存器的最高位为“1”，其余位为“0”，此试探值经D/A转换成电压VC，然后将VC与模拟输入电压VX比较。若小则保留，若大则该位清零。,3、再对SAR寄存器的次高位置“1”，依上述方法进行D/A转换和比较。如此重复上述过程，直至确定SAR寄存器的最低位为止。,该图为四位A/D转换器的逐次逼近过程,转换结果能否准确逼近模拟信号，主要取决于SAR和D/A位数。位数越多，越能准确逼近模拟量，但转换所需的时间也越长。逐次逼近式的A/D转换器的主要特点是：（1）转换速度较快，在1100s以内，分辨率可以达18位，特别适合于工业控制系统。（2）转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。（3）抗干扰能力相对积分型的差。,1.A/D转换器工作原理,1.分辨率（Resolution）分辨率反映A/D转换器对输入微小变化相应的能力，通常用数字量输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电平值表示。例如，8位A/D转换器能对输入满量程1/28的增量作出反应。n位A/D能反应1/2n满量程的输入电平。,2.A/D转换器主要技术性能,1.分辨率（Resolution）2.精度（Accuracy）精度有绝对精度（Absolute Accuracy）和相对精度（Relative Accuracy）两种表示方法。,2.A/D转换器主要技术性能,1.分辨率（Resolution）2.精度（Accuracy）3.转换时间（Conversion Time）转换时间是完成一次A/D转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。例如AD570的转换时间为25s，其转换速率为40KHz。,2.A/D转换器主要技术性能,1.分辨率（Resolution）2.精度（Accuracy）3.转换时间（Conversion Time）4.电源灵敏度（Power Supply Sensitivity）电源灵敏度是A/D转换芯片的供电电源的电压发生变化时，产生的转换误差。一般用与电源电压变化1时相当的模拟量变化的百分数来表示。,2.A/D转换器主要技术性能,1.分辨率（Resolution）2.精度（Accuracy）3.转换时间（Conversion Time）4.电源灵敏度（Power Supply Sensitivity）5.量程 量程是指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。例如，单极性：量程为05V，010V，020V 双极性：量程为55V，1010V,2.A/D转换器主要技术性能,1.分辨率（Resolution）2.精度（Accuracy）3.转换时间（Conversion Time）4.电源灵敏度（Power Supply Sensitivity）5.量程 6.输出逻辑电平 多数A/D转换器的输出逻辑电平与TTL电平兼容。在考虑数字量输出与微处理器的数据总线接口时，应注意是否要三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等问题。,2.A/D转换器主要技术性能,1.分辨率（Resolution）2.精度（Accuracy）3.转换时间（Conversion Time）4.电源灵敏度（Power Supply Sensitivity）5.量程 6.输出逻辑电平 7.工作温度范围 由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。一般A/D转换器的工作温度范围为070，军用品的工作温度范围为55125。,2.A/D转换器主要技术性能,ADC0809是逐次逼近型8位A/D转换芯片。片内有8路模拟开关，可输入八个模拟量。单极性，量程为05伏。典型的转换速度为100s。片内带有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线接口。,3.典型A/D转换器芯片ADC0809,模拟输入部分,变换器部分,三态输出缓冲器,基准电压输入端,3.典型A/D转换器芯片ADC0809,（2）ADC0809的时序 ADC0809靠脉冲启动，为START是脉冲信号 当模拟量送至某一通道后，由三位地址信号译码选择：地址信号由地址锁存允许ALE（Address Latch Enable）锁存，ALE高电平有效。输出转换结束信号EOC由低电平变为高电平表示转换完成。输出允许信号OE（Output Enable）为高电平时，打开输出三态缓冲器的门，把转换结果送到数据总线上。CPU与ADC接口时必须弄清并处理好三个问题：要给START线送一个100S宽的启动正脉冲；获取EOC引脚上的状态信息，它是A/D转换的结束标志；给“三态输出锁存器”分配一个端口地址。,3.典型A/D转换器芯片ADC0809,A/D转换器芯片与CPU接口,8位A/D转换芯片与CPU接口举例,在本例中，假定以查询方式读取A/D转换后的结果，则8255A可设定A口为输入，B口为输出，均为方式0，PC4为输入，其A/D转换的流程图如图11.20所示。,8位A/D转换芯片与CPU接口举例,ORG1000HSTART:MOV AL,98H;方式0，A口输入；方式0，B口输出MOV DX,0FFFFH;8255A控制字端口地址OUT DX,AL;送8255A方式字MOV AL,0BH;送IN3输入端和锁存信号MOV DL,0FDH;8255A的B口地址OUTDX,AL;送IN3通道地址MOV AL,1BH;STARTPB4=1OUT DX,AL;启动A/D转换,8位A/D转换芯片与CPU接口举例,MOV AL,0BHOUT DX,AL;STARTPB4=0MOV DL,0FEH;8255A的C口地址TEST:IN AL,DX;读C口状态AND AL,10H;检测EOC状态JZ TEST;如未转换完再测试；转换完则继续MOV DL,0FCH;8255A的A口地址IN AL,DX;读转化结果INT 3;暂停,8位A/D转换芯片与CPU接口举例,