微机原理和接口课件 第十章 AD及DA转换接口

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网络、T型解码网络等，T型解码网络的原理如图10-1所示。求和元件RRRR2R2R2R2R2R节点7节点6节点5节点0S7S6S5S6图10-1T型解码网络原理图图中Vref为参考电压，S7、S6……SO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S7～S0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=D7×I×2-1+D6×I×2-2+……D0×I×2-8=I×2-8(D7×27+D6×26+……D0×20)=N×2-8(Verf/3R)由于Verf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）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。2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGND8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A寄存器DI7~DI10ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RFBAGND(模拟地)图10-2DAC0832引脚及内部结构D7~D0IOWA9~A0AEN系统总线DI0~7WR1ILECSDAC0832译码器WR2XFERDGNDVerfRfbI01I02AGND+-AR+5VVout图10-3DAC0832单缓冲方式连接+5V200HDAC0832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：MOVDX，200HMOVAL，0HTN1：OUTDX，ALINCALJNZTN1MOVAL，0FFHTN2：OUTDX，ALDECALJNZTN1…………输出锯齿波程序段如下：TRG：MOVDX，200HMOVAL，0HTN：OUTDX，ALINCALJMPTN…………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：#includestdio.h#includemath.hMain(){unsignedcharV0=128,VOUT;inti;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(0x200,VOUT);∥输出i=i+10;∥角度+10}while(!kbhit()){∥等待键盘gotonext∥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冲，内部结构如图10-4所示。8位输入锁存器4位输入锁存器12位DAC存储器12位相乘型D/A转换器LELELELSBMSBDI1115DI1016DI917DI818DI719DI620DI54DI45DI36DI27DI18DI09BYTE123/BYTE2CS1WR12WR121WR22210Vref14Iout213Iout111Rfb24Vcc3AGND24DGND图10-4DAC1210内部结构D7D6D5D4D3D2D1D0DI11DI10DI9DI8DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0译码器Y0IOWAENABY1Y2系统总线WR1WR2BYTE1/BYTE2XFERCSVccAGND-+A1-+A2Rfb+-A310110222k-12V+12VW110k10kVoutW222k-12VVrefDGND+5V+12V2DW7C470200W31K1004.7uF图10-5DAC121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：MOVDX,340MOVAL,DATAHOUTDX,AL;输出高8位数据INCDX;MOVAL,DATAL;低4位数据输出OUTDX,ALMOVDX,342H;OUTDX,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=2＊COS（200t)＊SIN(100t）的函数信号程序。ADC0832RFBD7~D0IOUT1IOUT2D7~D0D7~D0XFERCSAGNDVccDGNDWR1WR2ILFVREF200~20FHCSA0IOW+5V+12V10K-12V200PAOUT+12V10K1K1MLF351图10-6DAC0832电路2.A/D转换器用DAC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。LM710+-4.7K-12VRfbI01I02AGNDDI7~DI0VccVrefDGNDDAC0832++5V8255APC0PA7~PA7CS200H~207HDB7~DB0图5-7DAC构成ADC原理图+12V+5V4.7K10.2A/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，然后利用计数器测量时间间隔，如图10-8所示。213±Vin+VR-VR+-+-控制逻辑计数器/锁存器译码器/显示器时钟发生器K4K1K2K3COMPoutC积分器比较器R图10-8双积分型A/D转换器框图双积分型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。t1t2t3t4t1t2t3t4T1T2T3V2V10-V1+V2图10-9双积分型A/D转换器输出波形通过输出波形可求出：Vin=VR/Nm×NX,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D7~D0CLK启动信号转换结束比较器：Vi＞V0输出为“1”Vi≤V0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1µs）、中速（转换时间1ms）和低速（转换时间1s)等。如果采集对象是动态连续信号，要求f采≥2f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≤25µs.（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