微機原理及接口技術(shù)第11章_模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換

1、第十一章第十一章 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)DA轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理典型典型DA轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換器件AD轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理典型典型AD轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換器件計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)控控制制對對象象傳感器傳感器放大濾波放大濾波傳感器傳感器放大濾波放大濾波多多路路開開關(guān)關(guān)MUX采采樣樣保保持持器器S /HA /D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器I/O接接口口D /A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器執(zhí)執(zhí)行行部部件件I/O接接口口計計算算機機多多路路開開關(guān)關(guān)MUX 一個計算機探傷系統(tǒng)一個計算機探傷系統(tǒng)多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān)用來切換模擬信號。多路模擬開關(guān)用來切換模擬信號。對于對于AD通道，需要多路輸入、一路輸出

2、的模擬開關(guān)通道，需要多路輸入、一路輸出的模擬開關(guān)，保證每次只轉(zhuǎn)換一個通道的模擬信號，保證每次只轉(zhuǎn)換一個通道的模擬信號對于對于DA通道，需要一路輸入、多路輸出的模擬開關(guān)通道，需要一路輸入、多路輸出的模擬開關(guān)，使輸出的模擬信號輪流分配到各模擬通道，使輸出的模擬信號輪流分配到各模擬通道多路模擬開關(guān)的例子多路模擬開關(guān)的例子用于選擇通道號采樣采樣采樣就是按相等的時間間隔采樣就是按相等的時間間隔t從電壓信號上截取一個從電壓信號上截取一個個離散的電壓瞬時值。個離散的電壓瞬時值。采樣定理采樣定理：為了能從采樣后的信號能夠無失真的恢為了能從采樣后的信號能夠無失真的恢復原信號，必須滿足兩個條件：復原信號，必須滿足

3、兩個條件：被采樣的模擬被采樣的模擬信號必須是頻帶受限的，即它有頻率上限值信號必須是頻帶受限的，即它有頻率上限值f fm m； 采樣頻率采樣頻率fs 2f fm m。在實際應(yīng)用中常取。在實際應(yīng)用中常取fs=(34)f=(34)fm m模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程：采樣、保持、量化、編碼模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程：采樣、保持、量化、編碼保持：保持：將采樣得到的電壓瞬時值保持到下一次采樣時刻將采樣得到的電壓瞬時值保持到下一次采樣時刻量化量化對對05V（或（或010V ）電壓進行）電壓進行2n等分（等分（n8、10、12、16），形成），形成n個區(qū)間個區(qū)間采樣后的模擬電壓落在哪個區(qū)間，就以該區(qū)間的下采樣后的

4、模擬電壓落在哪個區(qū)間，就以該區(qū)間的下限值表示該電壓值限值表示該電壓值量化的實例量化的實例編碼編碼自然二進制編碼：自然二進制編碼：0電壓用數(shù)字量全電壓用數(shù)字量全0表示；滿量程表示；滿量程電壓用數(shù)字量全電壓用數(shù)字量全1表示（實際上全表示（實際上全1并不等于滿量并不等于滿量程電壓）。程電壓）。雙極性二進制編碼：負滿量程電壓用全雙極性二進制編碼：負滿量程電壓用全0表示，正滿表示，正滿量程電壓用全量程電壓用全1表示（實際上全表示（實際上全1也不等于正滿量也不等于正滿量程電壓）程電壓） 。自然二進制編碼自然二進制編碼(n=4)(n=4)輸入模擬量輸入模擬量輸出數(shù)碼輸出數(shù)碼對應(yīng)電壓對應(yīng)電壓FSR=+5VFS

5、R=+10V000000.00000.0001/16 FSR00010.31250.6252/16 FSR00100.62501.2503/16 FSR00110.93751.8754/16 FSR01001.25002.5005/16 FSR01011.56253.1256/16 FSR01101.87503.7507/16 FSR01112.18754.3758/16 FSR10002.50005.0009/16 FSR10012.81255.62510/16 FSR10103.12506.25011/16 FSR10113.43756.87512/16 FSR11003.75007.50

6、013/16 FSR11014.06258.12514/16 FSR11104.37508.75015/16 FSR11114.68759.375雙極性二進制編碼雙極性二進制編碼(n=4)輸入模擬量輸入模擬量輸出數(shù)碼輸出數(shù)碼對應(yīng)電壓對應(yīng)電壓FSR= 5V+7/8FSR1111+4.375+6/8 FSR1110+3.750+5/8 FSR1101+3.125+4/8 FSR1100+2.500+3/8 FSR1011+1.875+2/8 FSR1010+1.250+1/8 FSR1001+0.625010000.000-1/8 FSR0111-0.625-2/8 FSR0110-1.250-3

7、/8 FSR0101-1.875-4/8 FSR0100-2.500-5/8 FSR0011-3.125-6/8 FSR0010-3.750-7/8 FSR0001-4.375-8/8 FSR0000-5.000DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理DA轉(zhuǎn)換器的性能指標轉(zhuǎn)換器的性能指標典型的典型的DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理利用權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和運算放大器實現(xiàn)利用權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和運算放大器實現(xiàn)輸出電流輸出電流Io的計算的計算)2222(284244332211432144332211ddddRVRVdRVdRVdRVdIdIdIdIdIRRRRRoD/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標

8、轉(zhuǎn)換器的主要性能指標輸入數(shù)字量輸入數(shù)字量自然二進制編碼自然二進制編碼雙極性二進制編碼雙極性二進制編碼BCD碼碼輸出模擬量輸出模擬量多數(shù)為電流輸出型。手冊中一般給出在特定多數(shù)為電流輸出型。手冊中一般給出在特定VR下，下，輸入滿量程時的輸出電流。輸入滿量程時的輸出電流。RO1VI15k256入入 字字量量2561輸入數(shù)字量RfOOVRIV分辨率分辨率=FSR/2n用百分比表示。例：用百分比表示。例：n=8， = FSR/256=0.39% FSR用用D/A位數(shù)表示。如位數(shù)表示。如8位、位、12位、位、16位等位等精度精度一般要求一般要求LSB/2常用誤差與滿量程輸出電壓或電流的百分比表示常用誤差與

9、滿量程輸出電壓或電流的百分比表示線性誤差線性誤差一般要求一般要求LSB/2常用最大偏差與滿量程輸出電壓或電流的百分比表示常用最大偏差與滿量程輸出電壓或電流的百分比表示建立時間建立時間ts輸入數(shù)字量到建立穩(wěn)定的輸出電流或電壓的時間輸入數(shù)字量到建立穩(wěn)定的輸出電流或電壓的時間超高速超高速ts100 s典型的典型的DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD7524DAC0832DAC1210AD7524數(shù)據(jù)總線地址總線利用利用AD7524產(chǎn)生鋸齒波、三角波、產(chǎn)生鋸齒波、三角波、方波和正弦波方波和正弦波編程實現(xiàn)輸出從編程實現(xiàn)輸出從0到到4.98V線形增長的周期性鋸齒波線形增長的周期性鋸齒波編程實現(xiàn)輸出編程實現(xiàn)輸出0.5V到到

10、2.5V的三角波的三角波如何輸出方波？如何輸出方波？如何輸出正弦波？如何輸出正弦波？DAC0832主要參數(shù)主要參數(shù)引腳圖引腳圖工作方式工作方式DAC0832主要參數(shù)主要參數(shù)分辨率：分辨率：8位位轉(zhuǎn)換時間：轉(zhuǎn)換時間：1us滿量程誤差：滿量程誤差： 1LSB參考電壓：參考電壓： 10V單電源：單電源：+5V+15VDAC0832引腳圖引腳圖1234567891020191817161514131211DAC0832CS1WRAGND3DI2DI1DI0DIREFVfbRDGND1OUTI2OUTI7DI6DI5DI4DIXFER2WRILEVCC 引腳名稱引腳名稱信號名稱信號名稱DI7DI0數(shù)據(jù)輸

11、入線數(shù)據(jù)輸入線IOUT1 IOUT2互補電流輸出端互補電流輸出端AGND DGND模擬地模擬地 數(shù)字地數(shù)字地ILE輸入鎖存使能輸入鎖存使能RFB片內(nèi)反饋電阻片內(nèi)反饋電阻VCC工作電壓工作電壓VREF參考電壓參考電壓CSWR1 WR2XFER片選片選寫輸入命令寫輸入命令傳輸控制信號傳輸控制信號DAC0832工作方式工作方式工作方式工作方式ILECSWR1WR2XFER直通方式直通方式高電平高電平接地接地接地接地接地接地接地接地單緩沖方式單緩沖方式高電平高電平地址譯地址譯碼信號碼信號IOW信信號號接地接地接地接地雙緩沖方式雙緩沖方式(單單DAC系統(tǒng)系統(tǒng))高電平高電平地址譯碼地址譯碼信號信號1CPU

12、的的IOW信號信號地址譯碼地址譯碼信號信號2雙緩沖方式雙緩沖方式(多路多路DAC系統(tǒng)系統(tǒng))高電平高電平每個每個DAC的的CS各接各接一個地址一個地址譯碼信號譯碼信號CPU的的IOW信號信號所有的所有的XFER信信號連在一號連在一起起13141516456781211932010LEDI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSWR1WR2XFER19118217VREFIOUT2IOUT1RFBR1bVccDGND8位D/A轉(zhuǎn)換器8位DAC寄存器8位輸入寄存器DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖AGNDLEDAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖雙緩沖方式（

13、單雙緩沖方式（單DAC）輸出電路輸出電路單極性輸出單極性輸出0832-+R數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入iVOUTVOUT = - iR0832-+R數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入iVOUTR1R2VOUT = iR(1+R2 / R1)雙極性輸出雙極性輸出0832-+R1數(shù)字量輸入-+R4VOUTVREFR2R3IOUT1IOUT2REFOUTVRRRRiRV34241)(三種工作方式直通方式：直通方式：ILE接高電平；接高電平；CS、WR1、WR2、XFER直接接地。直接接地。D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的輸出隨著總線數(shù)據(jù)的變化而變化。換器的輸出隨著總線數(shù)據(jù)的變化而變化。DAC0832與與8位數(shù)據(jù)總線微機的連接圖位數(shù)據(jù)總線

14、微機的連接圖DAC0832WR2WR1CSXFERVcc5VD7-D0Vo+AIOUT2IOUT1AGNDDGNDVREFILE5V地址總線地址總線地址地址譯碼譯碼WRIO/M單緩沖方式：單緩沖方式： ILE接高電平；接高電平；CS、WR1、WR2、XFER接控制輸出接控制輸出端（連接方式有多端（連接方式有多種形式）；種形式）； 當對當對DAC0832進行進行寫操作時（執(zhí)行寫操作時（執(zhí)行OUT指令），數(shù)字指令），數(shù)字量直接被轉(zhuǎn)換成模量直接被轉(zhuǎn)換成模擬量。擬量。 單緩沖方式的應(yīng)用單緩沖方式的應(yīng)用例例11.1 設(shè)設(shè)DAC的口地址為的口地址為80H， 要求輸出要求輸出05V的鋸齒波的鋸齒波START

15、： MOV AL，0FFHAGAIN： INC AL OUT 80H，AL CALL DELAY JMP AGAIN鋸齒波鋸齒波的周期由延時時間決定的周期由延時時間決定例例11.2 要求要求DAC輸出一三角波，波輸出一三角波，波形下限電壓為形下限電壓為0.5V，上限電壓為，上限電壓為2.5V。下限電壓對應(yīng)的數(shù)字量為：下限電壓對應(yīng)的數(shù)字量為： 0.5* 256/ 5 =26=1AH上限電壓對應(yīng)的數(shù)字量為：上限電壓對應(yīng)的數(shù)字量為： 2.5* 256/ 5 =128=80HBEGIN： MOV AL，1AHUP ： OUT 80H，AL INC AL CMP AL，81H JNZ UP DEC AL

16、DOWN： OUT 80H，AL DEC AL CMP AL，19H JNZ DOWN JMP BEGIN與與上限比較上限比較與與下限比較下限比較雙緩沖方式：雙緩沖方式： 第一種應(yīng)用情況：第一種應(yīng)用情況： 在前一個數(shù)據(jù)在前一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時，轉(zhuǎn)換的同時，CPUCPU將將下一個數(shù)據(jù)先輸入下一個數(shù)據(jù)先輸入至輸入寄存器，然至輸入寄存器，然后再在某個時刻啟后再在某個時刻啟動動D/AD/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。MOV DX，320HMOV AL，DATAOUT DX，ALINC DXOUT DX，AL地址地址譯碼譯碼320H321H地址地址總線總線IOWRDAC0832與與8位數(shù)據(jù)總線微機的連接圖位數(shù)據(jù)總線微機的

17、連接圖DAC0832CSXFERWR1WR2Vcc5VD7-D0Vo+AIOUT2IOUT1AGNDDGNDVREFILE5V-+CS XFER WR2ILE WR1DAC1-+CS XFER WR2ILE WR1DAC2-+CS XFER WR2ILE WR1DAC3譯譯碼碼器器ABCS1CS2CS3XFERIO/MWRVO1VO2VO3 第二種應(yīng)用情況：第二種應(yīng)用情況： 在多路在多路DACDAC系統(tǒng)中需要同步系統(tǒng)中需要同步D/AD/A轉(zhuǎn)換時采用雙緩沖方式。轉(zhuǎn)換時采用雙緩沖方式。 在不同的時在不同的時刻將要轉(zhuǎn)換的數(shù)刻將要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)分別打入各據(jù)分別打入各DACDAC的輸入寄存的輸入寄存器，然后

18、由一個器，然后由一個轉(zhuǎn)換命令同時啟轉(zhuǎn)換命令同時啟動各個動各個DACDAC轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理典型的典型的AD轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換器件AD轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理逐次逼近法：逐次逼近法：把輸入電壓和一組從參考電壓分層得把輸入電壓和一組從參考電壓分層得到的量化電壓進行比較，比較從最大的量化電壓到的量化電壓進行比較，比較從最大的量化電壓開始，由粗到細逐次進行，由每次比較的結(jié)果來開始，由粗到細逐次進行，由每次比較的結(jié)果來確定相應(yīng)的位是確定相應(yīng)的位是1還是還是0。不斷比較，不斷逼近，。不斷比較，不斷逼近，直到兩者的差別小于某一誤差范圍時即完成了一直到兩者的差別小于某一

19、誤差范圍時即完成了一次轉(zhuǎn)換。次轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換舉例轉(zhuǎn)換舉例已知：n=4,VI=3.7V,VR=5V,即把3.7V的電壓轉(zhuǎn)化為4位數(shù)字量。4個電子砝碼與電壓的對應(yīng)關(guān)系：電子砝碼電子砝碼相應(yīng)的電壓（相應(yīng)的電壓（V）10002.501001.2500100.62500010.3125AD轉(zhuǎn)換舉例轉(zhuǎn)換舉例4位逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換過程（VI=3.7V,VR=5V ）：次序次序試探碼試探碼DA輸出輸出去留去留本次結(jié)果本次結(jié)果110002.5VVI去去1000310103.125VVI留留1010410113.4375VVI留留1011典型的典型的AD轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換器件8位位 ADC080912位位 AD574A

20、ADC0809引腳圖引腳圖工作過程工作過程多通道數(shù)據(jù)采集方案多通道數(shù)據(jù)采集方案8 8路路模擬模擬開關(guān)開關(guān)控制與時序控制與時序SAR樹狀開關(guān)樹狀開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)三態(tài)輸出鎖存緩沖器地址地址鎖存鎖存與與譯碼譯碼IN7IN0ADDAADDBADDCALEVcc GNDVREF+VREF-OED7D0EOCCLKSTARTADC0809功能方框圖ADC0809引腳引腳引腳名稱引腳名稱引腳功能引腳功能IN7IN08通道模擬量輸入端通道模擬量輸入端D7D0結(jié)果數(shù)據(jù)輸出端結(jié)果數(shù)據(jù)輸出端START啟動轉(zhuǎn)換命令輸入端，該引腳加高電平，開始轉(zhuǎn)換啟動轉(zhuǎn)換命令輸入端，該引腳加高電平，開始轉(zhuǎn)換EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束指示引腳，

21、平時為高電平，轉(zhuǎn)換開始及轉(zhuǎn)換過程中為轉(zhuǎn)換結(jié)束指示引腳，平時為高電平，轉(zhuǎn)換開始及轉(zhuǎn)換過程中為低電平，轉(zhuǎn)換一結(jié)束又變回高電平低電平，轉(zhuǎn)換一結(jié)束又變回高電平OE輸出允許。高電平允許輸出數(shù)據(jù)輸出允許。高電平允許輸出數(shù)據(jù)C、B、A 通道號選擇輸入端通道號選擇輸入端ALE通道號鎖存控制端通道號鎖存控制端CLK外接時鐘外接時鐘REF（+）REF（-）兩個參考電壓輸入端，通常將兩個參考電壓輸入端，通常將REF（-）接模擬地，參考電壓）接模擬地，參考電壓從從REF（+）引入。）引入。ADC0809工作過程工作過程選擇當前轉(zhuǎn)換的通道選擇當前轉(zhuǎn)換的通道在在START和和ALE引腳上加一個正脈沖，啟動引腳上加一個正脈

22、沖，啟動AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換開始后，轉(zhuǎn)換開始后，EOC變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束，變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC變高變高轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過執(zhí)行轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過執(zhí)行IN指令讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量指令讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用用ADC0809設(shè)計多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的注意事項設(shè)計多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的注意事項控制采樣率控制采樣率轉(zhuǎn)換結(jié)束的檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束的檢測設(shè)計通道選擇方案設(shè)計通道選擇方案多通道多通道AD轉(zhuǎn)換時，必須等一個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后轉(zhuǎn)換時，必須等一個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，才能啟動另一個通道的轉(zhuǎn)換，不可同時啟動，才能啟動另一個通道的轉(zhuǎn)換，不可同時啟動AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換具體實例具體實例具體實例具體實例需

23、求：在需求：在PC/XT機上采用機上采用ADC0809設(shè)計一塊設(shè)計一塊8通道數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)采集卡，要求以采集卡，要求以200Hz的速率對每個通道均采集的速率對每個通道均采集1024個數(shù)據(jù)，也就是每隔個數(shù)據(jù)，也就是每隔5ms對各通道輪流采集一個數(shù)據(jù)對各通道輪流采集一個數(shù)據(jù)，然后將它們存到數(shù)據(jù)段中以，然后將它們存到數(shù)據(jù)段中以BUFF開始的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)開始的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。中。方案設(shè)計：方案設(shè)計：采樣率的控制采樣率的控制轉(zhuǎn)換結(jié)束的檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束的檢測通道選擇方案通道選擇方案具體實現(xiàn)電路具體實現(xiàn)電路具體實現(xiàn)代碼具體實現(xiàn)代碼采樣率的控制采樣率的控制通過通過8253的的0通道的輸出引腳接到通道的輸出引腳接到825

24、9A的的IR2引腳引腳，在，在8259A的控制下定時向的控制下定時向CPU發(fā)出中斷請求，發(fā)出中斷請求，在每次中斷時進行采樣。在每次中斷時進行采樣。在每次中斷出現(xiàn)后，在中斷服務(wù)程序中用在每次中斷出現(xiàn)后，在中斷服務(wù)程序中用OUT指令指令啟動轉(zhuǎn)換，然后查詢啟動轉(zhuǎn)換，然后查詢EOC引腳的狀態(tài)，當引腳的狀態(tài)，當EOC為為高時，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，這時可用高時，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，這時可用IN指令讀入結(jié)果指令讀入結(jié)果。轉(zhuǎn)換結(jié)果的檢測轉(zhuǎn)換結(jié)果的檢測ADC0809的的EOC引腳通過一個三態(tài)門接到數(shù)據(jù)總線引腳通過一個三態(tài)門接到數(shù)據(jù)總線中中D7構(gòu)成一個狀態(tài)口（地址為構(gòu)成一個狀態(tài)口（地址為308H）。在啟動脈）。在啟動脈沖結(jié)束后，先查沖結(jié)束后，先查EOC是否為低電平，若為低表示是否為低電平，若為低表示轉(zhuǎn)換已開始，再查