第十A／D及D／A转换器.ppt

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1、第十章 数/模、模/数转换接口一、问题的提出：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。,二、模拟接口 定义：A/D D/A转换器可视作一外部设备 功能：将微机系统的离散的数字信号和设备中连续变 化的模拟量两者建立适配关系，使CPU能进行 控 制与鉴测,10.1 数/模

2、（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。,CPU,I/O,A/D转换,A/D转换器完成模拟量数字量的转换,一、D/A转换器的主要性能参数（1）分辨率：该参数是描述D/A转换对输入变量变化的敏感 程度。具体指D/A转换器能分辨的最小电压值。分辨率的表示有两种：最小输出电压与最大输出电压之比 用输入端待进行转换的二进制数的位数来表示，位数越多，分辨率越高。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。,（3）转换精度：指D/A转换器

3、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表示，当D/A分辨率为20mV，则精度为 10mV.,（2）转换时间：指数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。,（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。线性误差 模拟量输出值与理想输出值之间偏离的最大值。,二.DAC的输入输出特性：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，DAC的输入输出特性一般考虑

4、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输入有二进制和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：DAC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、D/A转换器与CPU的接口 1、接口的功能（CPU给DAC送数据无须条件查询）DAC芯片与CPU或系统总线连接时，可从数据总线宽

5、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考虑，所以接口的功能主要考虑以下两点：（1）进行数据缓冲与锁存（2）需进行两次数字量输入时，可在受控条件下同时进行转换 2、接口形式（1）直通（2）通过外加三态门，数据锁存器与CPU相连（3）通过可编程的I/O接口芯片与CPU相连,四、D/A转换器接口的设计 1.DAC0832与CPU的接口（1）.DAC0832的性能参数 DAC0832是一片典型的8位DAC芯片 分辨率：8位 电流型：内部有2级缓冲器 转换时间：1mS 功耗：20mW,（2）DAC0832引脚和内部结构如图10-2所示。,图10-2 DAC0832引脚及内部结构结,

6、DAC0832的内部结构：输入R与DAC寄存器构成双缓冲,（3）工作过程：LE=1 数据传送 0 数据琐存 第一级缓冲：ILE=1：CS WR=0 LE1=1 数据 输入R 随之；CS.，WR=1 LE1=0 数据被琐存于输入R中 第二级缓冲：WR2 XFER=0 LE2=1 输入R中数据 DAC寄存器中 D/A转换：WR、XFER 的上 升 沿将DAC中的数据琐存，并 开始进行D/A转换,DB,（4）可使用多片0832同时进行D/A转换，以便同时产生多个摸拟信号送出,0832,0832,0832,DAC0832有三种工作方式：双缓冲方式 单缓冲方式 直通方式采用单缓冲方式连接如图10-3所示

7、。,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。（5）DAC的工作方式,（6）应用举例 利用DAC可实现任意波形（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：,JNZ TN1 MOV AL，0FFHTN2：OUT DX，AL DEC AL,TRG：MOV DX，200H MOV AL，0HTN1：OUT DX，AL INC AL,JNZ TN2JMP TN1,产生,0,AL全“1”输出,输出锯齿波程序段如下：TRG：MOV DX，200H MOV AL，0HTN：OUT

8、 DX，AL INC AL JMP TN,在图10-6所示的DAC电路中，CPU与DAC0832相连，用于产生Y=2COS（200t)SIN(100t）的函数信号（CS=200H）电路图如下：,图10-6,2.12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

9、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 DAC1210与CPU连接,在图10-5所示的DAC1210连接电路中，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 AX，0H TN:MOV BX，AX MOV CL，4 S

10、HL AX，CL SHL AX，CL MOV AL,AH;高8位数据,OUT DX,AL;输出低4位 INZ TN CMP AX,OFFFH JNZ TN MOV AX.0 JMP TN,MOV DX,200H OUT DX,AL;输出高8位数据 MOV AX,BX AND AL,OFH;屏蔽高4位 INC DX;低4位端口地址201H,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转换器的分类 1 按分辨率分：有4、6、8、1

11、0、14、16位 二进制 31/2位、51/2位 BCD码 2 按转换速度分；超高 度 转换时间330NS 次超高速 转换时间3333 高 速 转换时间33330 低 速 转换时间330 3 按转换原理分：直接A/D转换器 将模拟信号直接转换成数字信号 间接A/D转换器 先模拟量转换成中间量，然后再 转换成数字量。如电压/时间转换型、电压/频率转换型、电压/脉宽等,二、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 BCD码）。常用的是逐次逼近式A/D。,逐次逼近式A/D转换器

12、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，启动信号结束后开始A/D转换。,8位D/A转换器,逐次逼近寄存器,缓冲寄存器,控制电路,D7D0,CLK,转换结束,比较器：ViV0输出为“1”ViV0输出为“0”,Vi,输出模拟电压V0,+,-,图10-10 逐次逼近式A/D转换器,三、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，是反映A/D转换器对最小模拟输入值的敏感度,所以分辨率一般表示式为：分辨率=Vref/2位数（

13、单极性）或 分辨率=（V+ref-V-ref)/2位数（双极性）,分辨率通常是用A/D的位数来表示，比如 8位、10位、12位等 所以，A/D转换器的输出数字量越多。其分辨率越高。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，,（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。一般转换速度越快越好（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）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

14、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（避免出现“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.,（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（5）量程：指能够转换的电压的范围：05V，0 10V等,（3）精度：有绝对精度和相对精度 绝对精度 指定应于一个给定的数字量的实际 模拟量输入与理论模拟量输入之差。相对精度 指在整个转换范围内任一数字量所 对应的模拟量实际值与理论值之差 通常也用最小有效位的分数表示。,2转换时间 指从启动转换信号被输入开始到结束获得稳定 的数字量输出量为止所需的时间。3转换

15、启动信号（电位启动和脉冲启动）在转换过程中必须保持高/低电平信号直有效，否则将导致转换出错。,三.ADC的输入输出特性 1.输出数据位数 8位，10位，12位，16位等,4 片上带有三态门输出琐存器 可直接与CPU的DB相连 片上未带三态门输出琐存器 与CPU相连需外加琐存器5 转出数字量有二进制和BCD码 ADC的数字量输出线位数越多，说明其分辨率越高。6 模拟信号输入及通道 模拟信号输入来自于外部信号输入对象，有单、多通道 之分。,四、A/D转换器与微处理器的接口 1、接口应具备的功能；A/D转换器的转换是由外部控制，需发送转换启动信号 启动A/D进行A/D转换。读取“转换结束”状态信号，

16、用以查询转换是否结束若 该状态信号有效，可用于产生中断请求或DMA请求。对多个模拟量输入通道进行通道寻址 方法：CPU通过DB送出对应模拟通道的编号，而不是 通过地址总线送出。,发送采样/保持信号S/H，以控制采样/保持器进行 采样与保持操作（需要时）。,。2.A/D转换器与CPU接口方式（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CPU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/

17、O接口芯片与CPU相连：无论ADC内部有无数据锁存器，都可使用与CPU配套的并行I/O芯片与ADC相连，这样可简化接口电路，而且可使A/D的时序关系及电平与CPU保持一致，工作更可靠。,2.A/D转换器接口电路的设计实例 注意点：各ADC的转换启动、转换结束命令各不相同，需具体使用时注意。进行12位A/D转换时，需分两次将12位数据送CPU的DB7 0。如先读高4位，后读低8位，则称为“左对齐”，读取高4位时是屏蔽字节中的高4位。,如先读低8位，后读高4位，则称为“右对齐”,ADC0809是逐次逼近式的8位ADC芯片，内部结构如图所示。,（1）8位ADC连接与编程,ADC0809,三态的8位数

18、据输出,模拟通道地址输入端,A,C,ALE,通道地址琐存信号,启动 转换,START,A/D转换结束信号,INOIN7,ADC0809 引脚功能:,8通道模拟信号输入端，输入电压范围05V,EOC,B,如下：,START是ADC0809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640KHz.图10-12所示电路的CS=220227H，,五、采用中断方式的A/D、D/A转换器接口的设计 ADC0809：ADC0809是8位A/D转换器为ADC08XX系列依次 逼近A/D，可直接与CPU相连。ADC0809精度为1

19、LSB，+5V供电时模拟量输入 电压范围为05V，时钟为640KH，转换速度为 100nS ADC0809有8位路模拟通道，为28PIN双列直插 式器件。,当时钟信号为640hz，START（正脉冲）信号有效后，经100微秒以后，转换结束，EOC置“0”，数据送输出寄存器，同时，EOC置“1”，向CPU发中断请求，以使CPU以中断方式读取ADC转换所得数据。,(2)12位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

20、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。,ADC,574A,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：、MOV CX，40H；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）DX,310H；读状态，Y0=0，打开三态门

21、L:IN AL,DX AND AL,80H;检查D7=STS=0?JNZ L;不为0，则等待,MOV DX,312H;为0，读高位（A0=1)IN AL,DX MOV SI,AL;送内存 INC SI；内存地址加1 MOV DX,311H；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 DEC CX；数据个数减1,JNZ START；未完，继续 HLT；已完，暂停,#include#includeMain()unsigned int DATA256;采集数据存放数组 unsigned char status,da

22、tah,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 DATAid=16*datah+datal;合成高8位数据与低4位数据 id+;数组下

23、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AD58

24、2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。,