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1、第8章 模/数和数/模转换,本章内容,8位数/模转换器DAC083212位数/模转换器AD5678位模/数转换器ADC080912位模/数转换器AD574,8.1模拟输入输出系统,8.1.1 微机与控制系统接口模/数和数/模用途：控制和测量仪表,在测量和工业实时控制中，经常要对一些现场物理量进行测量，或者将其采集下来进行处理。这些物理量可能是电信号，也可能是非电信号在数学计算机中，任何物理量都是以数字的形式表示和进行处理的，而电信号、非电信号一般都是模拟量信号，所以就需要将模拟信号转换成数字量信号，这一转换过程称为模数转换，即A/D转换另一方面，为满足测控系统各执行机构对模拟量信号的要求，需要
2、将计算机处理后的用于控制的数字量信号转换成模拟量信号，这一转换过程称为数模转换，即D/A转换A/D转换和D/A转换是微型机算计与外界联系的重要桥梁，是微型机算计在测量、控制和各类智能仪器仪表中不可缺少的重要环节,8.1.2 模拟输入通道,传感器（Transducer）能够把生产过程的非电物理量转换成电量（电流或电压）的器件，如温度传感器。2.信号放大器（Amplifier）信号放大器把传感器输出的信号放大到ADC 所需的量程范围。3.低通滤波器（Low-pass Filter）滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比。4.多路开关（Multiplexer）把多个现场信号分时地接到A/D
3、转换器上转换，达到共用A/D转换器以节省硬件的目的。5.采样保持器（Sample&hold）对高速变化的信号进行A/D转换时，为了保证转换精度，需要使用采样保持器。周期性地采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变。,8.1.3 模拟输出通道,模拟输出通道用来将数字信号变成模拟的电流或电压。由数模（D/A）转换器来完成。一般要还经过低通滤波，使其输出波形平滑。如果需要，可以采用功率放大器作为模拟量输出的驱动电路。,8.2 数/模(D/A)转换芯片及接口,8.2.1 DAC的主要性能指标8.2.2 8位数模转换器DAC08328.2.3 12位数模转换器AD567,8.2.1 DAC的主要性能指标
4、,(1)分辨率 分辨率是当输入数字量发生单位数码变化（即1LSB）时，所对应的输出模拟量的变化量，即等于模拟量输出的满量程值的 1/2N（N为数字量位数）。分辨率也可以用相对值（1/2N）百分率表示。在实际应用中，又常用数字量的位数来表示分辨率。(2)转换精度 转换精度是指一个实际的D/A转换器与理想的D/A转换器相比较的转换误差。理想的D/A转换器特性下图所示。精度反映D/A转换的总误差。包括绝对精度和相对精度。,理想的D/A转换特性,绝对精度 对应于给定的满刻度数字量，D/A实际输出与理论值之间的误差。该误差是由于D/A的增益变化、零点漂移和噪声等引起的，一般应低于2（n1）或1/2LSB
5、。相对精度 在满刻度已经校准的情况下，在整个刻度范围内对应于任一数码的模拟量输出与理论值之差。,（3）线性误差 相邻两个数字输入量之间的差应该是1LSB，即理想的转换特性应是线性的。在满刻度范围内，偏离理想的转换特性的最大值称线性误差。（4）建立时间。当D/A转换器的输入数据发生变化后，输出模拟量达到稳定数值，即进入规定的精度范围内所需要的时间。（5）温度系数。D/A转换器的各项性能指标一般在环境温度为25下测定。环境温度的变化会对D/A转换精度产生影响，这一影响分别用失调温度系数、增益温度系数和微分非线性温度系数来表示。这些系数的含义是当环境温度变化1时该项误差的相对变化率，单位是10-6/
6、。,8.2.2 8位数模转换器DAC0832,集成D/A芯片类型很多，按生产工艺分有双极型、MOS型等；按字长分有8位、10位、12位等；按输出形式分有电压型和电流型。另外，不同生产厂家的产品，其型号各不相同。例如，美国国家半导体公司的D/A芯片为DAC系列，如DAC0832等；美国模拟器件公司的D/A芯片为AD系列，如AD558等。使用时可参阅各公司提供的使用手册。,DAC0832：典型的电流输出型通用DAC芯片，20条引线，双列直插式，内部具有两级数据寄存器。DAC0832具有以下特性：输出差动电流数字量输入具有双重缓冲内部具有数据寄存器，可以直接和处理机系统相连分辨率为8位，建立时间为1
7、us，满量程误差电源为+5V+15V，基准电压范围10V+10V，功耗20mW,1DAC0832的内部结构和引脚,DI7DI0D/A转换器的数字量输入引脚。其中DI0为最低位，DI7为最高位。CS#片选信号输入端，低电平有效。WR1#输入寄存器的写信号，低电平有效。ILE输入寄存器选通信号，高电平有效。ILE信号和CS#、WR1#共同控制选通输入寄存器。当CS、WR1均为低电平，而ILE为高电平时，ILE=0，输入数据被送至8位输入寄存器的输出端；当上述三个控制信号任一个无效时，ILE变高，输入寄存器将数据锁存，输出端呈保持状态。,XFER#从输入寄存器向DAC寄存器传送D/A转换数据的控制信
8、号，低电平有效。WR2#DAC寄存器的写信号，低电平有效。当XFER和WR2同时有效时，输入寄存器的数据装入DAC寄存器，并同时启动一次D/A转换。VCC芯片电源，其值可在+5+15 V之间选取，典型值取+15 V。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。,VREFD/A转换器的基准电压，其范围可在10+10 V内选定。该端连至片内的R2RT型电阻网络，由外部提供一个准确的参考电压。该电压精度直接影响着D/A转换精度。IOUT1D/A转换器输出电流1，当输入全1时，输出电流最大，约为；当输入为全0时，输出电流最小，即为0。IOUT
9、2D/A转换器输出电流2，它与IOUT1有如下关系：IOUT1+IOUT2=常数 D/A转换没有形式上的启动信号。实际上将数据写入第二级寄存器的控制信号就是D/A转换器的启动信号。另外，它也没有转换结束信号，D/A转换的过程很快，一般还不到一条指令的执行时间。,2DAC0832的接口,(1)数据输入连接方式单缓冲方式双缓冲方式直通方式(2)输出方式单极性输出双极性输出(3)应用,(1)数据输入连接方式单缓冲方式,MOVDX，280H；设DAC0832的地址为280HOUTDX，AL；AL内数据送DAC转换,双缓冲方式,MOVDX，200H；DAC0832 的输入锁存器的地址为200H OUT
10、DX，AL；AL 中数据DATA送输入寄存器MOVDX，201H；DAC0832 的DAC锁存器的地址为201H OUT DX，AL；数据DATA写入DAC锁存器并转换,直通方式,MOVDX，PA8255；8255的A口地址为PA8255OUT DX，AL；AL 中数据送A 口锁存并转换,(2)输出方式,DAC0832以电流形式输出转换结果，若要得到电压形式的输出，需要外加I/V转换电路，常采用运算放大器实现I/V转换。给出了DAC0832的电压输出电路。,单极性输出,对于单极性输出电路，输出电压为：,式中D为输入数字量的十进制数。因为转换结果IOUT1接运算放大器的反向端，所以式中有一个负号
11、。若VREF=+5V，当D=0255(00HFFH)时，VOUT=(04.98)V。,双极性输出方式,对于双极性输出电路，输出电压的表达式为：,若VREF=+5 V，当D=0时，VOUT1=0，VOUT=5V；当D=128(80H)时，VOUT1=2.5V，VOUT=0；当D=255(FFH)时，VOUT1=5.98V，VOUT=4.96V。,(3)DAC0832的应用,0832与8088系统总线连接,DAC 0832在直流电机调速系统中的应用,DAC 0832软件设计,例1 输出方波假设DAC0832单缓冲连接，端口地址300H mov dx,300hstart:mov al,0 out d
12、x,al call delay1 mov al,0ffh out dx,al call delay2 jmp start,例2 输出锯齿波假设DAC0832单缓冲连接，端口地址300H mov dx,300h mov al,0 out dx,al call delay x1:inc al out dx,al call delay jmp x1,例3 实际应用系统连接如下图所示，请编程实现，将从偏移地址为2000H开始内存单元中的50个字节数据依次送到DAC0832输出，每个数据输出间隔时间为1ms，可调用D1ms子程序。START：MOV SI,2000H MOV CX,50 X1:MOV A
13、L,SI INC SI OUT 80H,AL CALL D1ms LOOP X1 HLT,8.2.3 12位数模转换器AD567,AD567：内部含基准电压输入双缓冲结构，可以直接连接8位或者16位数据总线与TTL和CMOS电平兼容分辨率12位，非线性误差小于1LSB电流型输出，最大2mA建立时间500ns电源电压范围：12V15V；低功耗300mW,1AD567的内部结构和引脚,各个引脚的功能如下：CS#：片选信号，低有效，和地址信号以及一起决定数据锁存是否有效。WR#：写信号，低有效，必须和、地址同时有效。DI11 DI0：12位数字量输入端，根据需要，可以输入低4位，中间4位或者高4位。
14、IOUT：模拟电流输出端，DAC寄存器全1时最大，全0时为0BIPOFF：双极性偏移，和IOUT、20V SPANR、10V SPANR引脚配合，进行各种电压范围的输出。20V SPANR：20V量程。10V SPANR：10V量程。A0 A3：地址信号，用来锁存内部缓冲器，和、配合决定数据锁存器是否有效。AD567地址控制表如下表所示。,AD567地址控制表：,2AD567的接口,和8位数据接口的连接,MOVDX，280HOUTDX，ALINCDXMOVAL，AHOUTDX，AL,AD567双极性输出,输出,8.3模/数(A/D)转换芯片及接口,8.3.1模数转换原理8.3.2 8位模数转换
15、器ADC08098.3.3 12位模数转换器AD574,8.3.1 模/数转换原理 A/D转换的基本过程:,模拟量是时间上和幅值上都连续的一种信号，模拟量经过采样后得到的信号是时间上离散，幅值上连续的信号，即离散信号，这一过程就是采样过程计算机对这种离散信号还是不能处理，计算机只能处理数字量，所以还必须把离散信号在赋值上也进一步离散化，这一过程就是量化过程量化后的信号是时间上和幅值上都是离散的数字量，可以直接送到计算机中进行处理采样：将模拟量变换为离散量，一般包括采样和保持两个步骤量化：将离散量变换成数字量，一般包括量化与编码两个步骤采样和量化是A/D转换的基本过程,A/D转换的基本过程采样,
16、采样的过程一般是：先使用一个采集电路，按等距离时间间隔，对模拟信号进行采样，然后用保持电路将采集来的信号电平保持一段时间，以便模数转换器正确地将其转换成对应的数字量采样定理：对一个有限频率谱（W=2fmax时（fmax是输入模拟信号的最高频率），则采样输出信号能无失真地恢复到原来的连续信号。,A/D转换的基本过程量化,量化过程：把离散信号转变为数字信号的过程量化就是把输入模拟信号f(t)的变化范围分成若干层，每一层都由一个数字来代表，采样值落到哪一层，就由哪一层的数字来代表。这样，所有的采样值经过“量化”后，就化为了对应的数字量，成为了整数值舍入误差是量化过程中的固有误差，最大偏差等于量化单位
17、的一半。这种误差不可能消除，只能降低，当量化单位取得越小时，误差越小。,(1)模数转换原理 常用的方法有：计数式、逐次比较式、双积分式、并行式转换 计数式最简单，但转换速度很低；并行转换速度最快，但需要的器件多，价格高；逐次比较式A/D转换器的速度较高，比较简单，而且价格适中；双积分式A/D转换器精度高，抗干扰能力强，但速度低，一般应用在要求精度高而且速度不高的场合，例如仪器仪表等。,1)计数式A/D转换:计数式A/D转换的转换原理：由计数器对固定频率信号CLK进行计数，计数输出值送DAC，DAC的输出模拟量Vo与输入模拟量Vi在比较器中进行比较，随着计数的进行，Vo不断增加，当VoVi，计数
18、器停止计数，此时的计数值即是模拟量Vi对应的数字量。,2）逐次逼近型A/D转换：逐次逼近型A/D转换转换原理：数字量由逐次逼近寄存器SAR产生。SAR使用对分搜索法产生数字量，以8位数字量为例，SAR首先产生8位数字量的一半，即10000000B,试探模拟量的大小，若VoVi，清除最高位，若VoVi，保留最高位。在最高位确定后，SAR又以对分搜索法确定次高位，即以低7位的一半y1000000B(y为已确定位)试探模拟量的大小。重复这一过程，直到最低位bit0被确定，转换结束。,3)双积分式A/D转换,(a)电路工作原理(b)双积分原理,4)并行式,采用直接比较法把参考电压经电阻分压器直接给出2
19、n 1个量化电平，直接比较，由编码器编成n位数字码，而达到转换的目的 快速、并行,（2）A/D转换器的主要性能指标1)精度 量化间隔(分辨率)=Vmax/电平数(即满量程值)例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为 5V/255=19.6mV 量化误差:用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高)绝对量化误差=量化间隔/2=(满量程电压/(2n-1)/2相对量化误差=1/2*1/量化电平数目*100%例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则 绝对量化误差 10/211=4.88mV 相对量化误差 1/211*10
20、0%=0.049%,2)转换时间。转换时间是指A/D转换器完成一次转换所需要的时间。其倒数为转换速率。3)温度系数。温度系数表示A/D转换器受环境温度影响的程度。一般用环境温度变化1所产生的相对转换误差来表示，以10-6/为单位。4)输入动态范围允许转换的电压的范围。如05V、010V等。,1、ADC0809的性能指标1）分辨率为8位。2）最大不可调误差上1LSB。3）单电源5V。4）可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容。5）当用5V电源供电时，模拟输入电压范围为 0-5V。6）温度范围40-85。7）功耗为15mw。8）转换速度取决于芯片的时钟频率，其时钟频率范围为10kHz-1280KHZ
21、，若CLK500kHZ，转换速度为100s（640KHZ）。,8.3.2 8位模数转换器ADC0809,2、内部结构和转换原理,START EOC CLK,OE,D7D0,VREF(+)VREF(-),ADDCADDBADDAALE,IN0,IN7,比较器,8路模拟开关,逐位逼近寄存器SAR,树状开关,电阻网络,三态输出锁存器,时序与控制,地址锁存及译码,D/A,8个模拟输入通道,8选1,工作时序:,根据时序图，ADC0809的工作过程如下：把通道地址送到ADDAADDC上，选择模拟输入；在通道地址信号有效期间，ALE上的上升沿该地址锁存到内部地址锁存器；START引脚上的下降沿启动A/D变换
22、；变换开始后，EOC引脚呈现低电平，EOC重新变为高电平时表示转换结束；OE信号打开输出锁存器的三态门送出结果。,3、引脚功能,IN0IN7：8路模拟输入端。ALE：地址锁存器允许信号输入端。当它为高电平时，地址信号进入地址锁存器中。CLOCK：外部时钟输入端。时钟频率典型值为640 kHz，允许范围为101280 kHz。时钟频率降低时，AD转换速度也降低。START：AD转换信号输入端。有效信号为一正脉冲。在脉冲上升沿，AD转换器内部寄存器均被清零，在其下降沿开始AD转换。,EOC：AD转换结束信号。在START信号上升沿之后0到（2 s8个时钟周期）时间内，EOC变为低电平。当AD转换结
23、束后，EOC立即输出一正阶跃信号，可用来作为AD 转换结束的查询信号或中断请求信号。OE：输出允许信号。当OE输入高电平信号时，三态输出锁存器将AD转换结果输出。D0D7：数字量输出端。D0为最低有效位（LSB），D7为最高有效位REF（+）、REF（-）：正负基准电压输入端。基准电压的中心值为(应接近于，其偏差值不应超过0.1 V。正负基准电压的典型值分别为+5V和0V。VCC、GND：电源电压输入端。,4、ADC0809与系统的连接:（1）模拟输入端INi单路输入模拟信号可固定连接到任何一个输入端地址线根据输入线编号固定连接(高电平或低电平)多路输入模拟信号按顺序分别连接到输入端要转换哪一
24、路输入，就将其编号送到地址线上(动态选择),单路输入时,多路输入时,+5V,（2）地址线ADDA-ADDC多路输入时，地址线不能接死，而是要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用：锁存器74LS273，74LS373等（要占用一个I/O地址）可编程并行接口8255（要占用四个I/O地址）CPU用一条OUT指令把通道地址通过接口芯片送给0809,ADDCADDBADDA,IN0IN1IN2IN3IN4,ADC0809,输入,DB,74LS273,Q2Q1Q0,CP,来自I/O译码,D0-D7,ADDCADDBADDA,IN0IN1IN2IN3IN4,ADC0809,DB,8255,PB
25、2PB1PB0,CS#,来自I/O译码,D0-D7,A1A0,A1A0,（3）数据输出线D0-D7内部已接有三态门，故可直接连到DB上也可另外通过一个输入接口与DB相连上述两种方法均需占用一个I/O地址,D0-D7,ADC0809,DB,OE,来自I/O译码,D0-D7,ADC0809,DB,OE,来自I/O译码,直接连DB,通过输入接口连DB,74LS244,+5V,DI,DO,E1#E2#,（4）地址锁存ALE和启动转换START两种连接方法：独立连接：用两个信号分别进行控制需占用两个I/O端口或两个I/O线(用8255时)；统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿实现启动转换
26、只需占用一个I/O端口或一个I/O线(用8255时).,独立连接,ADC0809,ALESTART,来自I/O译码1,来自I/O译码2,统一连接,（5）转换结束EOC软件延时等待(比如延时1ms)不用EOC信号CPU效率最低软件查询EOC状态EOC通过一个三态门连到数据总线的D0(其他也可以)三态门要占用一个I/O端口地址CPU效率低把EOC作为中断申请信号，接到8259的IR端在中断服务程序中读入转换结果，效率高,用延时等待的方法MOV DX,start_portOUT DX,AL;启动转换CALL DELAY_1MS;延时1msMOV DX,oe_portIN AL,DX;读入结果用查询E
27、OC状态的方法MOV DX,start_portOUT DX,AL;启动转换LL:MOV DX,eoc_portIN AL,DX;读入EOC状态AND AL,01H;测试第0位(EOC状态位)JZLL;为转换完，则循环检测MOV DX,oe_portINAL,DX;读入结果,例1、一个连接实例,D0,IN0,A15-A0IOR#IOW#,D7-D0,D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA,译码器,ADC0809,5、ADC0809的应用,例2、ADC0809的接口设计如下图，完成启动转换及数字量输出程序。,通道选择由系统地址信号A2A0连至ADD_C、ADD_B、ADD_
28、A实现。ALE信号由A12A3经译码后形成的CS信号和IOW信号或非获得。设A12A3=220H时，CS有效，以下指令可以执行通道选择：MOV DX，220H+n；n=07OUT DX，AL；AL的值无关START信号与ALE信号相连，通道选择的同时，启动转换。转换结束信号EOC接8255的PB0，应使用8255PB工作在方式0输入。CPU查询PB0即可获知转换是否完成。数据输出允许信号Enable由和或非后驱动 以下指令可以读取转换后的数字：MOV DX，220H IN AL，DX,A0809 EQU 220H A8255 EQU 210H；8255的地址为210H213HMOV AL，1x
29、xxx01xB；8255初始化，PB方式0输入MOV DX，A8255+3OUT DX,AL；转换通道IN5的程序MOV DX，A0809+5OUT DX，AL；通道选择并启动转换NEXT：MOV DX,A8255+1;8255PBIN AL，DXAND AL，01HJZ NEXT;PB0=0,未完成MOV DX，A0809IN AL，DX；AL=转换结果,例3、利用查询方式进行A/D转换,将EOC作为状态信号，状态端口的I/O地址为238H，8个模拟信号的选择地址接系统地址线的低3位，端口地址分别为220H227H，编程实现8个模拟通道的顺序转换，转换结果放在数据段的BUF中。(教材例8.1
30、),MOVBX，OFFSET BUFMOVCX，8；CX存放通道数MOVDX，220HP1:OUTDX，AL；启动A/D转换，AL内容无关PUSHDXMOVDX，238H P2:INAL，DX；读入EOC状态TESTAL，80HJZP2；转换没有结束，则继续查询POPDXINAL，DX；读入A/D转换结果MOVBX，ALINCBXINCDXLOOPP1,8.3.3 12位模数转换器AD574,AD574A：带有基准源和时钟的12位逐次逼近式A/D转换器。内部具有三态缓冲器，可直接与8 位或16位CPU数据总线连接；在外部控制下可进行12位或8位转换。12 位数据输出分为A、B、C三段，分别对应
31、高、中、低4位数据。转换时间为25us；分辨率：12位；精度：1LSB；功耗390mW。,1、AD574A的内部结构和引脚信号,主要引脚信号：D0D11：12位输出数据线，D11为最高有效位。CS#：片选信号。CE：芯片允许信号。只有当CE为高电平，为低电平时，AD574才能正常工作，进行转换或将转换后的数据读出。12/8#：输出数据的输出格式。高电平时，输出12位数据；低电平时，输出两个8位数据。A0：控制数据转换长度。启动转换时，若A0为高电平，则转换长度为8位；若A0为低电平，则转换长度为12位。R/C#：读启动转换信号。低电平时启动转换，高电平时，将转换后的数据读出。STS：状态信号，
32、转换开始的时候STS为高，并在转换过程中一直持续为高，当转换结束以后，STS为低。可以用这个信号来检查A/D转换是不是完成。10VIN：在此引脚的模拟量输出范围是0+10V；如果是双极性的，则是5V5V。20VIN：在此引脚的模拟量输出范围是0+20V；如果是双极性的，则是10V10V。VREF（IN）：参考电压输入端。VREF（OUT）：参考电压输出端。,2、AD574A的工作过程,AD574有5个控制信号，它们的组合决定了AD574的工作过程。这5个控制信号是CE、和A0，组合信号关系如下表所示。从表中可看出，AD574的工作过程分为进行转换和转换后将数据输出（读出）两个过程。AD574控
33、制信号组合关系表,AD574进行转换时，CE=l，=0，=0，由A0信号决定转换位数，A0为低电平，则进行12位转换，否则，进行8位转换。读取转换数据操作时，CE=l，=0，=l，=0（接15脚），则输出数据作为两个8位字输出，在A00的时候，输出高8位数据，在A01的时候，输出低4位数据和4个0。在CE=l，=0，=l，=1的时候，作为一个12位字输出。,输入方式,（A）单极性输入（B）双极性输入,和CPU连接,MOVDX，PORT0 INAL，DX MOVAH，AL MOVDX，PORT1 INAL，DX,利用AD574完成一批并行数据采集的程序，通过对状态STS的检测判断转换过程。MOV
34、 DX，PORT0;PORT0为采集高8位数据口地址OUT DX，AL；启动A/D 转换MOV DX，STSADD；STSADD为三态门地址LOOP:IN AL，DX；读STS状态TESTAL，01H JNZ LOOP；STS1等待MOVDX，PORT0；STS0，读高8位IN AL，DXMOVAH，ALMOVDX，PORT1；PORT1为低4位数据口地址INAL,DX,3、AD574A的应用,8.4 A/D、D/A器件的选择,考虑因素：精度速度通道数字接口方式模拟信号类型电源电压基准电压和功耗封装跟踪/保持（Track/Hold）满幅度输出（Rail-to Rail）,生产A/D和D/A的主要厂家美国模拟技术公司（ADI），http:/得州仪器公司（Tl），http:/,飞利浦公司（Philips），http:/公司，http:/www.maxim-摩托罗拉公司（Motorola），http:/,
