第九章模數(shù)轉(zhuǎn)換接口

1、1第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)第九章第九章 D/AD/A、A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 模擬量模擬量輸入輸出通道的組成輸入輸出通道的組成 D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程 A/D轉(zhuǎn)換器的工作轉(zhuǎn)換器的工作原理、連接及編程原理、連接及編程2第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)0010110110101100工工業(yè)業(yè)生生產(chǎn)產(chǎn)過(guò)過(guò)程程傳傳感感器器放大放大濾波濾波多路轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換&采樣保持采樣保持A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換放大放大驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換輸出輸出接口接口微微型型計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)輸入輸入接口

2、接口物理量物理量變換變換信號(hào)信號(hào)處理處理信號(hào)信號(hào)變換變換I/O接口接口輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道9.1 概概 述述數(shù)數(shù)/ /模（模（D/AD/A）和模）和模/ /數(shù)（數(shù)（A/DA/D）轉(zhuǎn)換技術(shù)主要用于計(jì)算）轉(zhuǎn)換技術(shù)主要用于計(jì)算機(jī)控制和測(cè)量?jī)x表中。典型的閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)為：機(jī)控制和測(cè)量?jī)x表中。典型的閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)為： 3第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)9.2 D/A轉(zhuǎn)換器芯片及其接口轉(zhuǎn)換器芯片及其接口9.2.1 D/A9.2.1 D/A轉(zhuǎn)換原理與技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換原理與技術(shù)指標(biāo)一、一、 D/AD/A轉(zhuǎn)換器的工作原理轉(zhuǎn)換器的工作原理數(shù)字量是由一位一位的數(shù)位組成的，每個(gè)數(shù)位

3、都代表一定的權(quán)。數(shù)字量是由一位一位的數(shù)位組成的，每個(gè)數(shù)位都代表一定的權(quán)。D/AD/A轉(zhuǎn)換時(shí)，就是把一個(gè)數(shù)字量的每一位代碼按權(quán)的大小轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換時(shí)，就是把一個(gè)數(shù)字量的每一位代碼按權(quán)的大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量分量，然后用線性疊加原理將各位代碼對(duì)應(yīng)的為相應(yīng)的模擬量分量，然后用線性疊加原理將各位代碼對(duì)應(yīng)的模擬輸出量相加模擬輸出量相加, ,其和就是與數(shù)字量成正比的模擬量。其和就是與數(shù)字量成正比的模擬量。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采用在實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采用T T型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量往模擬電流的轉(zhuǎn)換，型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量往模擬電流的轉(zhuǎn)換，再利用運(yùn)算放大器來(lái)完成模擬電流到模擬電壓的轉(zhuǎn)換。再利用運(yùn)算放大器來(lái)完成模擬電流到模擬電壓的轉(zhuǎn)換。Rf

4、 模擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)VO數(shù)字量數(shù)字量Vref4第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)：2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8如果有八個(gè)輸入端，每個(gè)輸入端由一個(gè)開(kāi)關(guān)如果有八個(gè)輸入端，每個(gè)輸入端由一個(gè)開(kāi)關(guān)Si控制，控制，Si=1表示表示Si合上，合上，Si=0表示表示Si斷開(kāi)，則有斷開(kāi)，則有80irefii=11V= -S V2DRVRDRVRreffiiireff87082225第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)R-2R T型電阻網(wǎng)絡(luò)：D0D1Dn-3Dn-2Dn-1UO=

5、(Dn-1 2n-1+Dn-2 2n-2+D121+D020) UREFRf 2n R = UREF 2nD 6第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng) 二、二、D/A的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo) 是指是指D/AD/A轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小量化信號(hào)的能力。轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小量化信號(hào)的能力。 實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差。實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差。從數(shù)字輸入到模擬量穩(wěn)定輸出的時(shí)間稱(chēng)為轉(zhuǎn)換速度。從數(shù)字輸入到模擬量穩(wěn)定輸出的時(shí)間稱(chēng)為轉(zhuǎn)換速度。分辨率分辨率: : 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度： 可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，如可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，如8位、位、10

6、位等。位等。例：一個(gè)滿(mǎn)量程為例：一個(gè)滿(mǎn)量程為5V的的10位位DAC，1 LSB的變化將使輸?shù)淖兓瘜⑹馆敵鲎兓鲎兓?5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV7第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)1.DAC08321.DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：9.2.2 DAC0832轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片D0D08第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)2 2、工作方式、工作方式單緩沖方式：?jiǎn)尉彌_方式： 使輸入鎖存器或使輸入鎖存器或DAC寄存器二者之一處于直通，另一個(gè)處寄存器二者之一處于直通，另一個(gè)處于受控的鎖存方式，即芯片只占用一個(gè)端

7、口地址于受控的鎖存方式，即芯片只占用一個(gè)端口地址 一般將一般將WR2和和XFER接地，使接地，使DAC寄存器處于直通，寄存器處于直通，ILE接接+5 V，WR1接接CPU的的IOW，CS接接I/O地址譯碼器的輸出地址譯碼器的輸出 在這種方式下，數(shù)據(jù)只要一寫(xiě)入在這種方式下，數(shù)據(jù)只要一寫(xiě)入DAC芯片，就立即進(jìn)行芯片，就立即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 應(yīng)用系統(tǒng)中只有一路應(yīng)用系統(tǒng)中只有一路D/A轉(zhuǎn)換，或雖然是多路轉(zhuǎn)換但不要求轉(zhuǎn)換，或雖然是多路轉(zhuǎn)換但不要求同步輸出同步輸出 CPU只需一次寫(xiě)入即開(kāi)始轉(zhuǎn)換只需一次寫(xiě)入即開(kāi)始轉(zhuǎn)換寫(xiě)入數(shù)據(jù)的程序?yàn)椋簩?xiě)入數(shù)據(jù)的程序?yàn)椋?MOV DX，PORT MOV AL，DATA OU

8、T DX，AL9第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)雙緩沖方式：雙緩沖方式： 對(duì)輸入寄存器和對(duì)輸入寄存器和DAC寄存器均需控制；寄存器均需控制； 當(dāng)輸入寄存器控制信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸入寄存器中；再當(dāng)輸入寄存器控制信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸入寄存器中；再在在DAC寄存器控制信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù)才寫(xiě)入寄存器控制信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù)才寫(xiě)入DAC寄存器，寄存器，并啟動(dòng)變換；此時(shí)芯片占用兩個(gè)端口地址；并啟動(dòng)變換；此時(shí)芯片占用兩個(gè)端口地址； 適用于多路適用于多路D/A同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。分時(shí)地將數(shù)據(jù)輸入到同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。分時(shí)地將數(shù)據(jù)輸入到每片的輸入鎖存器中，每片的輸入鎖存器中，XFER與與W

9、R2分別連在一起，作為公分別連在一起，作為公共控制信號(hào)。當(dāng)共控制信號(hào)。當(dāng)XFER與與WR2同時(shí)為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)將在同同時(shí)為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)將在同一時(shí)刻由各個(gè)輸入鎖存器將數(shù)據(jù)傳送到對(duì)應(yīng)的一時(shí)刻由各個(gè)輸入鎖存器將數(shù)據(jù)傳送到對(duì)應(yīng)的DAC寄存器寄存器并鎖存在各自的并鎖存在各自的DAC寄存器中，使多個(gè)寄存器中，使多個(gè)DAC0830芯片同時(shí)芯片同時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)控制。開(kāi)始轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)控制。數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)接收與D/A轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行 MOV DX，PORT1 MOV AL，DATA OUT DX，AL MOV DX，PORT2 OUT DX，AL該指令只起到打開(kāi)該指令只起到打開(kāi)DAC寄存寄存

10、器使輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)通器使輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)通過(guò)的作用，不真正傳送數(shù)據(jù)過(guò)的作用，不真正傳送數(shù)據(jù)10第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)3 3、應(yīng)用舉例、應(yīng)用舉例 例例1 1 如圖所示如圖所示, ,用用DAC0832DAC0832產(chǎn)生鋸齒波，端口地址為產(chǎn)生鋸齒波，端口地址為PORTPORT。 VCCILEVrefRfbIout1Iout2XFERWR2DGNDAGNDD0 D7WR1CSIOW+5V+5V15K15K7.5KVOUT MOV DX，PORT Lop1：MOV AL， 00H Lop2：OUT PORT，AL MOV CX, 40 H0: LOOP H0 IN

11、C AL CMP AL，0FFH JZ lop1 JMP lop2可以通過(guò)延時(shí)的辦法改變鋸齒可以通過(guò)延時(shí)的辦法改變鋸齒波的周期，延遲時(shí)間不同，波波的周期，延遲時(shí)間不同，波形周期不同，鋸齒波的斜率就形周期不同，鋸齒波的斜率就不同不同11第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)例例2 2 同上題同上題, ,編寫(xiě)連續(xù)三角波的程序編寫(xiě)連續(xù)三角波的程序 MOV DX，PORT XOR AL，AL W1：OUT DX，AL INC AL NOP CMP AX，0FFH JNZ W1 W2：OUT DX，AL DEC AL NOP CMP AL，0 JNZ W2 JMP W112第八章 常用

12、可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)4q3q2q1q0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 量化量化 2q 3q q 2q 3q 4q 3q 3q 2q 3q 3q q 編碼編碼 010 011 001 010 011 100 011 011 010 011 011 0011、采樣過(guò)程：、采樣過(guò)程：將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間上斷續(xù)變化的模擬量。將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間上斷續(xù)變化的模擬量。采樣頻率采樣頻率f0大于等于輸入信號(hào)最高頻率大于等于輸入信號(hào)最高頻率fm的的2倍倍。2、保持過(guò)程：、保持過(guò)程：將采樣得到的模擬量的值保持下來(lái)。

13、為保證采樣精確度，要求將采樣得到的模擬量的值保持下來(lái)。為保證采樣精確度，要求在在A/D轉(zhuǎn)換期間，保持輸入模擬量的信號(hào)不變。轉(zhuǎn)換期間，保持輸入模擬量的信號(hào)不變。3、量化過(guò)程：、量化過(guò)程：以一定的量化單位，把離散的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散的階躍量的以一定的量化單位，把離散的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散的階躍量的過(guò)程。通常用過(guò)程。通常用“四舍五入四舍五入”的方法使之整量化。的方法使之整量化。 4、編碼過(guò)程：、編碼過(guò)程：把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)碼（把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)碼（1/0）來(lái)表示。）來(lái)表示。 9.3 A/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片13第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng) 根據(jù)A/

14、D轉(zhuǎn)換原理和特點(diǎn)的不同，可把ADC分成兩大類(lèi)：直接直接ADC和間接間接ADC。 直接ADC是將模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有： 逐次逼近逐次逼近式式ADC、計(jì)數(shù)式ADC、并行轉(zhuǎn)換式ADC等。 間接ADC是將模擬電壓先轉(zhuǎn)換成中間量，如脈沖周期T、脈沖頻率f、脈沖寬度等，再將中間量變成數(shù)字量。常見(jiàn)的有： 單積分式ADC、雙積分式ADC，V/F轉(zhuǎn)換式ADC等。14第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng) 計(jì)數(shù)式ADC：最簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換速度最慢。 并行轉(zhuǎn)換式ADC：速度最快，但成本最高。 逐次逼近式ADC：轉(zhuǎn)換速度和精度都比較高，且比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低，所以在微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用。 雙

15、積分式ADC：轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度慢，一般應(yīng)用在精度高而速度不高的場(chǎng)合，如測(cè)量?jī)x表。 V/F轉(zhuǎn)換式ADC：在轉(zhuǎn)換線性度、精度、抗干擾能力等方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，且接口簡(jiǎn)單、占用計(jì)算機(jī)資源少，缺點(diǎn)也是轉(zhuǎn)換速度慢。在一些輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大或傳輸距離較遠(yuǎn)的低速過(guò)程的模擬輸入通道中應(yīng)用較為廣泛。15第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)D/A+ +- -V Vi i比較器逐次變換寄存器SAR 數(shù)字量輸出時(shí)序及控制邏輯 VC原理：類(lèi)似天平稱(chēng)重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的原理：類(lèi)似天平稱(chēng)重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱(chēng)物。累積重量去逼近被稱(chēng)物。9.3.1 逐次逼

16、近型逐次逼近型A/D工作原理工作原理9.3.2 A/D的技術(shù)指標(biāo)的技術(shù)指標(biāo) 分辨率分辨率 量化誤差量化誤差 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 精度精度16第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)9.3.3 ADC08099.3.3 ADC0809一、原理框圖一、原理框圖17第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)D7D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）IN0IN7：8通道（路）模擬輸入ADDC、ADDB、ADDA：通道地址（通道選擇）ALE：通道地址鎖存START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束，可用于查詢(xún)或作為中斷申請(qǐng)OE：輸出允許（打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)）CLK：時(shí)鐘輸入（10KHz1.2MHz）V

17、REF(+)、VREF(-)：基準(zhǔn)參考電壓18第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)啟動(dòng)啟動(dòng)地址地址鎖存鎖存ADDA-ADDCADDA-ADDCALE/STARTALE/STARTEOCEOCOEOED D0-0-D D7 7轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間二、工作時(shí)序二、工作時(shí)序 送通道地址，以選擇要轉(zhuǎn)換的模擬輸入；送通道地址，以選擇要轉(zhuǎn)換的模擬輸入； 鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器；鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器； 啟動(dòng)啟動(dòng)A/D變換；變換； 判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束； 讀轉(zhuǎn)換結(jié)果讀轉(zhuǎn)換結(jié)果19第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)二、應(yīng)用舉例二、應(yīng)用舉例例例1

18、對(duì)模擬通道對(duì)模擬通道IN0進(jìn)行進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采樣一個(gè)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換，采樣一個(gè)點(diǎn)。 采用采用查詢(xún)方式的程序如下：查詢(xún)方式的程序如下： OUT 50HOUT 50H，AL AL ；選通選通IN0IN0， ；啟動(dòng)；啟動(dòng)A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 NOP NOP ；避開(kāi)剛開(kāi)始的；避開(kāi)剛開(kāi)始的EOCEOC狀態(tài)狀態(tài)W W：IN ALIN AL，40H 40H ；輸入；輸入EOCEOC標(biāo)志標(biāo)志 TEST ALTEST AL，01H01H JZ W JZ W ；未結(jié)束，返回等待；未結(jié)束，返回等待 IN ALIN AL，48H 48H ；結(jié)束，；結(jié)束， ；把結(jié)果送入；把結(jié)果送入ALAL中中20第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)例例2 2 利用利用8255A8255A間接與間接與08090809接口，接口圖如圖所示。采接口，接口圖如圖所示。采用查詢(xún)方式，編寫(xiě)轉(zhuǎn)換通道用查詢(xún)方式，編寫(xiě)轉(zhuǎn)換通道IN5IN5的模擬量的程序。的模擬量的程序。IORIORIOWIOWA A1 1A A2 2A A0 0A A3 321第八章 常用可編程接口芯片蘭州理工大學(xué) 電信學(xué)院 馬永強(qiáng)解解 由接口圖分析可知由接口