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1、第十章 数/模、模/数转换接口,当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐等）。A/D转换器完成模拟量数定量的转换，D/A转换器完成数字量模拟量的转换。,10.1 数/模（D/A）转换 D/A转换器完成数字量 模拟量的转换，这在计算机和虚拟信号发生器中应用非常普遍。一、D/A转换原理 数/模转换器的核心器件是“解码网络”常用的解码网络有权电阻解码
2、网络、T型解码网络等，T型解码网络的原理如图10-1所示。,图中Vref为参考电压，S7、S6SO为8个电子开关，受计算机输出的二进制数据控制其导通/关断。解码网络相邻两节点之间的电阻都为R，但节点7与运算放大器之间，节点0与地之间的电阻为2R，各支路电阻为2R。不论电子开关导通/关断，从任一节点向左、向右看（不包含支路电阻）的等效电阻都是2R。用叠加原理分析输入到运算放大器的总电流：依次假设S7S0中只有一个电子开关接通Vref，其他电子开关接地，可求出总电流为：总电流=D7I2-1+D6I2-2+D0I2-8=I2-8(D727+D626+D020)=N2-8(Verf/3R)由于Verf
3、和3R均为固定值总电流只与输入的二进制数N有关，所以通过解码网络可得到一个与输入数字量成比例关系的电流。,集成化的D/A转换芯片按输入二进制的位数常见的有8、12、16、20位D/A转换器。二、D/A转换器特性及连接 D/A转换器一般是根据自己的需要选择相应数据位宽度和速度的D/A转换芯片，在选择D/A转换器芯片时一般考虑如下指标：（1）分辨率：指D/A转换器能分辨的最小电压增量，或1个二进制增量所代表的模拟量大小。分辨率的表示式为：分辨率=Vref/2位数 或 分辨率=（V+ref+V-ref)/2位数 若Vref=5V，8位的D/A转换器分辨率为5/256=20mV。,（2）转换时间：指数
4、字量输入到模拟量输出达到稳定所需的时间。一般电流型D/A转换器在几秒到几百微秒之内；而电压型D/A转换器转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。（3）精度：指D/A转换器实际输出与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位（如1/2LSB）。如D/A分辨率为20mV，则精度为10mV.（4）线性度：当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按比例变化的程度。,DAC（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不同的要求，一般考虑以下几方面：（1）输入缓冲能力：DAC的输入缓冲能力是非常重要的，具有缓冲能力（数据寄存器）的DAC芯
5、片可直接与CPU或系统总线相连，否则必须添加锁存器。（2）输入码制：DAC输入有二进制BCD码两种，对于单极性DAC可接收二进制和BCD码；双极性DAC接收偏移二进制或补码。,（3）输出类型：DAC输出有电流型和电压型两种，用户可根据需要选择，也可进行电流电压转换。（4）输出极性：DC有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DAC芯片。三、DAC典型连接 DAC芯片与CPU或系统总路线连接时，可从数据总线宽度是否与DAC位数据匹配、DAC是否具有数据寄存器两个方面来虑，一般有下面几种情况：（1）当DAC位数与数据总线宽度相同，具有数据缓冲能力时，可直接与CPU连接。,（2
6、）当DAC位数与数据总线宽度相同，DAC没有数据寄存器时，必须外加锁存器或I/O接口芯片（如8255A等）才能与CPU连接。当DAC位数大于数据总线宽度，DAC无论有无数据寄存器时，都必须外加锁存器或I/O接口芯片才能与CPU相连接。1.8位DAC连接 DAC0832是一片典型的8位DAC芯片，其引脚和内部结构如图10-2所示。,DAC0832有三种工作方式：（1）双缓冲方式（2）单缓冲方式（3）直通方式 注：在DAC实际连接中，要注意区分“模拟地”和“数字地”的连接，为了避免信号串扰，数字量部分只能连接到数字地，而模所量部分只能连接到模拟地。采用单缓冲方式连接如图10-3所示。利用DAC可实
7、现任意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出，如输出锯齿波、三角波的程序段如下：TRG：MOV DX，200H MOV AL，0H TN1：OUT DX，AL INC AL,JNZ TN1 MOV AL，0FFHTN2：OUT DX，AL DEC AL JNZ TN1 输出锯齿波程序段如下：TRG：MOV DX，200H MOV AL，0HTN：OUT DX，AL INC AL JMP TN,利用图所示的DAC0832单缓冲方式连接图，也可输出正弦波，由于DAC0832是一个单极性输出DAC芯片，因此在正弦波输出中应将0V平移到128数值上，其C语言控制程序如下：#include#inclu
8、deMain()unsigned char V0=128,VOUT;int i;Next:i=0;while(I=360)角度最大为360度VOUT=V0+128*sin(3.14159*I/180);计算每10度的正弦值 outportb(0 x200,VOUT);输出,i=i+10;角度+10 while(!kbhit()等待键盘 goto next 键盘无键按下，重复输出正弦波 2.12位DAC连接 由于微机的I/O指令一次只能输出8位数据，因此对于数据宽度大于8位DAC只能分两次输入数据，为此一般大于8位数据宽度的DAC内部均设计有两级数据缓冲，如12位DAC1210内部就有两级数据缓
9、冲，内部结构如图10-4所示。,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,DI11,DI10,DI9,DI8,DI7,DI6,DI5,DI4,DI3,DI2,DI1,DI0,译码器,Y0,IOW,AEN,AB,Y1,Y2,系统总线,WR1,WR2,BYTE1/BYTE2,XFER,CS,Vcc,AGND,Rfb,101,102,22k,-12V,+12V,W1,10k,10k,Vout,W2,22k,-12V,Vref,DGND,+5V,+12V,2DW7C,470,200,W3,1K,100,4.7uF,图10-5 DAC121与CPU连接,在图10-5所示的DAC1210连接电路中，
10、电位器W2用于调零、W1用于DAC满刻度修正。设译码器YO端口地址为200H,用该电路产生连续锯齿波输出程序如下：MOV DX,340 MOV AL,DATAH OUT DX,AL;输出高8位数据 INC DX;MOV AL,DATAL;低4位数据输出 OUT DX,AL MOV DX,342H;OUT DX,AL;输出12位数据,四、D/A转换器应用 1、函数DAC可以产生任意波形、幅度和频率的信号，如三角波、方波、函数波等。在图10-6所示的DAC电路中，设CS=200H,产生Y=2COS（200t)SIN(100t）的函数信号程序。,图10-6 DAC0832电路,2.A/D转换器 用D
11、AC来构成ADC的应用情况较少，图10-7所示为DAC构成ADC的一种应用方法。,10.2 A/D转换接口 在数据采集和过程控制中，被采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力。声波等），由于计算机只能处理离散的数字量，需要对连续变化的物理转换为数字量,这一操作过程就是A/D转换。一、A/D转换原理 A/D转换的原理很多,常见的有双积分式、逐次逼近式、计数式等，输出码制有二进制、BCD码等，输出数据宽度有8位、12位、16位、20位等（二进制）和 位、位于（BCD码）。作过程就是A/D转换。,1.双积分型A/D转换器 双积分型A/D转换器是将输入电压变换成与平均值成正比的时间间隔，然后利用计
12、数器测量时间间隔，如图10-8所示。,双积分型A/D转换器完成一次模一数转换需要三个阶段：积分（采样：K1导通）、反积分（比较：K3导通）和结束阶段（K4导通）。双积器对正极性电压输出波形如图10-9所示。,通过输出波形可求出：Vin=VR/NmNX,式中：VR参考电压，Nm参考电压计数值，NX输入电压计数值。可见，双积分型A/D转换器输出与时间常数RC无关，消除了斜坡电压的各种误差，由于经过两次积分可消除干扰对转换结果的影响。2.逐次逼近式A/D转换器 逐次逼近式A/D转换器原理如图10-10所示，当转换器接收到启动信号后，逐次逼近寄存器清0，通过内部D/A转换器输出使输出电压V0为0，启动
13、信号结束后开始A/D转换。,二、A/D转换器特性 A/D转换器的功能是把模拟量转换为数字量，其主要参数有：,（1）分辨率：指A/D转换器可转换成数字量的最小电压（量化阶梯），如8为ADC满量程为5V,则分辨率为5000mV/256=20mV，也就是说当模拟电压小于20mV，ADC就不能转换了，所以分辨率一般表示式为：分辨率=Vref/2位数（单极性）或分辨率=（V+ref-V-ref)/2位数（双极性）（2）转换时间：指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定的数字量输出的时间。一般转换速度越好（特别是动态信号采集），常见有超高速（转换时间1ns）、高速（转换时间1s）、中速（转换时间1ms）和
14、低速（转换时间1s)等。如果采集对象是动态连续信号，要求f采2 f信，也就是说必须在信号的一个周期内采集2个以上的数据，才能保证信号形态被还原（避免出殃“假频”），这就是“最小采样”原理。若f信=20kHz，则f采 40kHz，其转换时间要求25s.,（3）量化精度：指A/D转换器实际输出与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位（如1/2LSB）。（4）线性度：当模拟量变化时，A/D转换器输出的数字量按比例变化的程度。三、A/D转换电路1.接口形式（1）与CPU直接相连：当ADC芯片内部带有数据输出锁存器和三态门时（如AD574、ADC0809等），它们的数据输出可直接与CP
15、U或数据总线相连。（2）用三态门与CPU相连：对于内部不带数据输出锁存器的ADC芯片（如ADC1210、AD570等），需外接三态锁存器后才能与CPU或系统总线相连。（3）通过I/O接口芯片与CPU相连：无论ADC内部有无数据锁存器，都可以通过I/O接口芯片（并行或串行）与CPU或系统总线相连的，这样可简化接口电路。,（4）DMA传送数据：当ADC采样速率很高（fs1MHz），一般数据传送方式不能达到数据传送要求，导致数据丢失。2.ADC连接实例（1）8位ADC连接与编程 ADC0809是逐次逼近式的8位ADC芯片，引脚和内部结构图10-11（a)(b)所示。,(a),START是ADC080
16、9的A/D转换启动信号，高电平时内部逐次逼近寄存器清0，由10变化时开始A/D转换，信号宽度100ns.CLK为时钟信号，最大为600KHz.ADC0809设图10-12所示电路的CS=220227H，采用中断方式的采集程序如下：,include#include Void interrupt far adc-proc()；Main()void(interrupt far*mode)()；disable()；关中断 mode=getvect(0 x0a)；取IRQ2中断向量 setvect(0 x0a,adc-proc)；设置中断向量 Enable();开中断 outportb(0 x220,0
17、0);启动ADC转器，选择IN0通道 while(！Kbhit()等待键盘 setvect(0 x0a,mode);有键按下时，恢复IRQ2中断向量,voed interrupt far adc-proc()中断服务程序 unsigned char result;Disable();关中断Result=inportb(0 x220);取ADC转换结果Printf(“DIGIAL=%d/n”,result);显示转换数据Outportb(0 x220,00);启动下一次ADC转换，选择IN0通道Outprotb(0 x20,0 x20);向8259送EOI信号Enable();开中断(2)12位
18、ADC连接与编程 ADC574A是具有三态输出锁存器的12位逐次比较ADC芯片，转换速度快（25us）,是目前国内使用最广泛的ADC芯片之一。ADC574A可并行输出12位数据，也可以分两次输出（先高8位，,后低4位）数据；既可进行8位转换，也可进行12位A/D转换。ADC574的引脚定义和控制信号工作时序如图10-13所示。,设图10-14所示电路中译码器对A9A1进行译码，Y0=210H、,Y1=212H213H，因此ADC574A的CS=211H213H分另用于高位和低位数据的读取，采用查询方式的数据采集程序如下：#include#includeMain()unsigned int DA
19、TA256;采集数据存放数组 unsigned char status,datah,datal,id;id=1;while(!kbhit()等待键盘，按任意键结束 outportb(0 x212,0 x00);启动12位转换，CS、A0、R/C=0，CE=1do status=inportb(0 x210);读取状态,status=status 0 x80;D7(STS)=1?while(status!=0);STS不等于0，等待A/D转换完，再读状态 datah=inportb(0 x212);A/D转换完成，读取高8位 datal=inportb(0 x213);读取低8位数据 DATAi
20、d=16*datah+datal;合成高8位数据与低4位数据 id+;数组下标+1 A/D转换采集程序一般采用中断方式编写（MS-DOS)环境或Windows95/98环境）或线程方式编写（Windows95/98环境），用软件查询方式可能会导致数据丢失，因此使用较少。,四、数据采集系统设计 该数据采集接口板可对16路模拟信号进行采集，A/D变换精度为5V/212=1.2mV，接口板具有数据保持电路，可对变化的模拟信号进行实时采集。1.多路转换开关 16路模拟信通过多路转换开关芯片AD7506进行切换，AD7506是一个161的模式电子开关，用于切换16个被测模拟信号输入端，使16路模式信号的
21、采集共享一片ADC转换器。2.采样/保持器 接口板的采样/保持器采用AD582芯片，采样/保持状态的控制由差分逻辑输入端+LogicIN和-Logicin完成，模拟信号的输入通过IN+和IN-端输入。,3.ADC与DAC转换器 接口板的A/D转换采用ADC574芯片，DAC采用DAC1210芯片，这两个芯片均是12位的ADC和DAC转换芯片，可保证A/D的信号通过D/A转换器进行完全的回放。4.地址译码器 接口板的地址译码器采用3片74LS136异或门芯片和一片74LS138译码器芯片构成，接口板采用跳线K对I/O地址进行设置和改变。5.工作原理及程序控制 该接口板的主要操作有通道选择命令、启
22、动ADC转换命令、查询ADC转换是否结束、读取ADC转换数据等A/D转换器方面的命令，以及发送DAC转换数据、启动DAC转换器等。,五、虚拟仪器技术1.虚拟仪器基本结构 虚拟仪器由仪器物理硬件、硬件接口和计算机上运行的虚拟器软件三部分构成，如图10-15所示。,2.虚拟仪器主要技术 传统仪器由信号采集和控制、信号分析和处理、结果表达和输出三部分组成，虚拟仪器也不例外，它需要能实现信号采集和控制的插卡、接口等硬件支持，同时还需要能实现各种信号分析、处理，以满足多种测试功能的分析的支持。3.虚拟仪器软件 虚拟仪器的软件主要由硬件驱动程序、控制软件和图形化用户接口等三部分组成。4.虚拟仪器应用 目前
23、，虚拟仪器的应用越来越广，在基于计算机的测试、测量、数据采集、监控、控制等方面占有重要的地位。,10.4 A/D转换器接口电路设计-查询方式一、12位A/D转换器接口设计1、要求 进行12位转换，转换结果分两次输出，以左对齐方式存放在首址为400H的内存区。共采集64个数据。ADC与CPU之间采用查询方式交换数据，采用AD574A作为A/D转换器。2、分析 AD574A是具有三态输出锁存器的A/D转换器，它可以作12位转换，也可作8位转换。3、设计（1）硬件连接,AD574内部有三态输出锁存器，故数据输出线可直接与系统数据线相连，将AD574A的12条输出数据线的高8位接到系统总线的D0D7，
24、而把低4位接到数据总线的高4位，低4位补0，以实现左对齐。转换结束状态信号STS，通过三态门74LS125接到数据线D7上。要求分两次传送，故将12/8接数字地。CE接VCC,允许工作。图中I/O端口地址译码有三个端口地址：Y0=310，为状态口；Y1=311H，为数据口（低4位）；Y2=312上，为转换启动控制口/数据口（高8位）。例如：转换启动端口设置为312H，其中包含A0=0，以实现12位转换。读数据端口设置了两个，一个是312H，包含A0=0，读高字节；一个是311H，包含A0=1，读低字节。,（2）软件编程 根据题目的要求和信号的时序关系，其数据采集的程序段如下：MOV CX，40
25、H；采集次数 MOV SI，400H；存放数据内存首址START：MOV DX，312H；12位转换（A0=0）MOV AL，0H；写入的数据可以取任意值 OUT DX，AL；转换启动（CS，及R/C均置0，CE置1）MOV DX，310H；读状态，Y0=0，打开三态门 L：IN AL，DX AND AL，80H；检查D7=STS=0？JNZ L；不为0，转换已结束，则等待 MOV DX，311H；为0，转换已结束，先读低4位（A0=1）,IN AL，DX AND AL，0F0H；屏蔽低4位 MOV SI，AL；送内存 INC SI；内存地址加1 MOV DX，312H；再读高8位（A0=0）
26、IN AL，DX MOV SI，AL；送内存 INC SI；内存地址+1 DEC CX；采集次数减1 JNZ START；未完，继续 MOV AX，4C00H；已完，程序退出 INT 21H,10.5 A/D转换器接口电路设计-中断方式一、单板机系统的中断方式数据采集系统设计1、要求2、电路分析与设计 1、硬件 ADC0804,DAC0832,8259中断控制器;（P276,图10.15）2、程序设计(P277),D0,D7,D8,D11,D0-D7,D0-D3,D0,D3,D4,D11,D0-D7,D7-D4,10.6 A/D转换器接口电路设计-DMA 方式一、采用DMA方式的A/D转换器接
27、口电路分析与设计1、要求 要求8位A/D转换器，共采集4K个字节数据，采集的数据用DMA方式，送到从30400H开始的内存保存，以待处理，内存地址以+1方式修改。使用DMAC8237A-5的通道1，单一传送方式。2、电路分析与设计 根据上述要求，采用如图10.22所示的电路可以实现DMA方式的数据采集任务。,二、初始化编程1、分析 在PC机系列微机中，由于BIOS已对8237A-5进行了初始化，故用户程序并不需要对所有16个寄存器逐一编程，根据题意只涉及以下几个操作及对应的寄存器。选定传送通道及工作方式，使用工作方式及对应的寄存器。设置DMA屏蔽字，使用屏蔽寄存器，端口=0BH。设定传输的总字
28、节数，使用字节数寄存器，端口=03H（通道1）。设定传送的存储器地址，使用地址寄存器，端口=02H（通道1）。写清除先/后触发器，使用地址寄存器，端口=0CH。2、编程,10.7 超高速数据采集系统一、超高速视频闪烁A/D转换器 近年来VISI技术的突破性成就使得采用全并行直接转换方式的闪烁型ADC能达到较高分辨率，一般为410位，其采样速率高达1800MSA/s。如模拟器件公司生产的AD9048，采样速率可达35MSA/s，分辨率为8位。1、AD9048闪烁A/D转换器原理 一种典型的闪烁A/D转换器的原理框图如图10.23所示。,在闪烁ADC中，模拟输入信号被同时加在2N-1个可锁存的比较
29、器上，这里N为ADC的分辨率位数。AD9048内部主要由3个功能块构成：比较器阵列、解码逻辑和输出锁存器。在比较器阵列内，模拟输入信号将与255个参电压进行比较，当模拟输入信号电压比参考电压高，比较器的输出为高（1），反之输出为低（0）。输入到解码逻辑中并被换成二进制码，二、一个30MHz采样频率的数据采集系统的设计1、在板存储器方式 虽然8237A-5DMAC能够为存储器和I/O之间提供高达1.5MB/s的数据传输率，但对采用AD9048可达35MSA/s的数据采集系统还是不能满足实时传送的要求。为此，一般采用在板存储器（on-board RAM）方式传送数据。,2.硬件设计 图10.26为
30、一个30MHz超高速数据采集系统的接口电路原理图，其中包括了闪烁A/D转换器AD9048，高速RAM，地址计数器和相应的控制逻辑。（1）数据采集和在板存储操作（2）数据读取操作3.软件编程 设在板RAM的容量为8KB，要求将采集的数据存入内存从32000H开始的连续空间内，其程序段如下：；写端口定义 RESET-ADDRESS EQU？；地址计数器清零端口 START EQU？；启动转换端口,；读端口定义STATE EQU？；状态端口RD-DATA EQU？；读数据端口SAMPLE SIZE EQU IFFFH；采样次数为8KDATA CONVERION PROCMOV DX，RESET-AD
31、DRESS；对RESET-ADDRESS端口 作一 次写作操 OUT DX，AL；使地址计数器清零MOV DX，STATE；对START端口进行一次写作，启动AD转换OUT DX，AL MOV DX，STATE；读状态口检测转换是否完毕,RE-TEST：IN AL，DXAND AL，01；D0=1？JZ RE-TEST；未转换完毕，继续转换 MOV ES，3000H；内存区首址的段地址MOV DI，2000H；偏移地址CLD；清DF（内存地址自动加1）MVO CX，SAMPLE SIZE；采样次数MVO DX，RD-DATA；读数据端口READING：IN AL，DX；读数据LOOP READ
32、ING；未读完，继续RET；已读完，返回DATA COVERSION ENDP,10.8 PC系统的A/D、D/A通道一、模拟通道的电路组成1、多通道模拟开关 为了从多个模拟量中选取其中一个进行输入，通常采用拟多路开关来实现信号的分时切换。为了提高系统的精度和速度，对它的要求主要有3点：当初换开关接通时，希望它的导通静态电阻无穷小；当切换开关断开时，希望它的开路静态电阻无穷大，即开关的地漏电流越小越好（0.51an）；切换速度越快越好（延迟时间一般为100ns0.8us），用户可根据需要进行选择。如AD公司的AD7501（81），AD7506（161）。,常用的采样/保持器，如廉价的LF398
33、，通用型AD582、AD583，高速型THS-0060以及超高速型THS-0010等。二、模拟通道的结构形式1、A/D通道的结构形成（1）单通道,2、采样/保持器 从原理上讲，一个开关和一个电容器就可构成采样/保持电路，如图10.27所示。,不带采样/保持器的单通道。用于直流或低频模拟信号的 A/D转换。带采样/保持器的单通道。用于高速模拟信号的A/D转换。（2）多通道每个通道都带有采样/保持器和A/D转换器的并行多通道。,各通道带采样/保持器，但共享A/D的多通道。,共享采样/保持器和A/D转换器的多通道。,2.D/A通道的结构形式每个通道都带有锁存器及D/A转换器的并行多通道，它一般用于高速系统，如图10.31所示。,共享D/A转换器的多通道。由于共享D/A转换器串行工作，速度较慢，且输出端是采用保持器，靠保持电容维持模拟信息，需要用软件刷新，如图10.32所示。,三、A/D、D/A通道设计1.要求2.分析,
