第8章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 第8章 A/D及D/A變換器接口 1.數(shù)字到模擬(D/A)變換器 1) D/A變換器的基本原理及技術(shù)指標 典型的D/A變換器芯片通常由模擬開關(guān)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、緩沖電路等組成，其框圖如圖1所示。第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換圖1 典型D/A變換器芯片的組成框圖 模擬開關(guān)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D0數(shù)字量輸入D1Dn-1參考電源(VREF)緩沖電路VOUT模擬電壓輸出第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 其中數(shù)字量的每一位都對應(yīng)一個模擬開關(guān)。當某位為1時，與其相對應(yīng)的模擬開關(guān)接通，參考電壓通過權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，在輸出端產(chǎn)生與該位二進制數(shù)相對應(yīng)的權(quán)值電壓。當有多位為

2、1時，其相應(yīng)的各位權(quán)值電壓經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)求和輸出，從而實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。即 121021()22222REFnnOUTnnVDDDDV其中Di=0或1(i=0，1，2，n-1)。 D/A變換器的主要技術(shù)指標有：分辨率、精度、變換時間和動態(tài)范圍。 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 (1)分辨率 分辨率表示D/A變換器的1個LSB(最低有效位)輸入使輸出變化的程度，通常用D/A變換器輸入的二進制位數(shù)來描述，如8位、10位、12位等。對于一個分辨率為n位的D/A變換器來說，當D/A變換器輸入變化1LSB時，其輸出將變化滿刻度值的2-n。 (2)精度 精度表示由于D/A變換器的引入，使其輸出和輸入之間

3、產(chǎn)生的誤差。 D/A變換器的誤差主要由下面幾部分組成： 非線性誤差。 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 溫度系數(shù)誤差。 電源波動誤差。 完整的D/A變換電路還應(yīng)包括與D/A芯片輸出相接的運算放大器，這些器件也會給D/A變換器帶來誤差。考慮到這些因素是相對獨立的，因此D/A變換器的總精度可用均方誤差來表示，可寫為： 2總= 2非線性+ 2電源波動+ 2溫度漂移+ 2運放 (8-1) 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 若某系統(tǒng)要求D/A變換電路的總誤差必須小于0.1%。已知某D/A芯片的最大非線性誤差為0.05%。那么根據(jù)式(12-1)可以確定，電源波動、溫度漂移和運算放大器所引起

4、的均方誤差為： 2電源波動+ 2溫度漂移+ 2運放 又假設(shè)，后三者是相等的，則經(jīng)計算可得： 2電源波動= 2溫度漂移= 2運放=0.05%10.250.75100000010000001000000(8-2)第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 (3) 變換時間 (4)動態(tài)范圍 所謂動態(tài)范圍，就是D/A變換電路的最大和最小的電壓輸出值范圍。D/A變換電路后接的控制對象不同，其要求也有所不同。 2) 典型的D/A變換器芯片舉例 (1)引線及其功能 D/A變換器DAC0832的引線及內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如圖2和3所示。第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換圖2 DAC0832的引線圖 DAC0832

5、1D3RfbDGNDVCCWR2XFER2345678910D2D1D0VREF11121314151617181920CSWR1AGNDILED4D5D6D7IOUT2IOUT1第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換圖3 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8位輸入寄存器4711932010VREFIOUT2IOUT1RfbAGNDVCC(5V或15V)DGND&191217ILELE18位DAC寄存器1316D0D7輸入數(shù)據(jù)CS1WR1118WR2XFERLE2812Rfb(模擬地)(數(shù)字地)8位D/A變換網(wǎng)絡(luò)第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 DAC0832為20條引線的芯片，各引線定義如下

6、： D0D7：8條輸入數(shù)據(jù)線； ILE：輸入寄存器選通命令，它與 、 配合使輸入寄存器的輸出隨輸入變化； ：片選信號； ：寫輸入寄存器信號； ：寫變換寄存器信號； ：允許輸入寄存器數(shù)據(jù)傳送到變換寄存器； CS1WRCS1WR2WRXFER第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 VREF：參考電壓輸入端，其電源電壓可在-10+10V范圍中選??； IOUT1、IOUT2：D/A變換器差動電流輸出； Rfb：反饋端，接運算放大器輸出； AGND：模擬信號地； DGND：數(shù)字信號地； VCC：電源電壓，可用+5V(或+15V)。第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 (2)工作時序 D/A芯片DA

7、C0832的工作時序如圖4所示。 圖4 DAC0832的工作時序 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 (3) DAC0832的幾種典型輸出連接方式 D/A芯片將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量時有兩種輸出形式，即電流型與電壓型。 單極性輸出電路。 圖5(a)為反相輸出電路，其輸出電壓為： 雙極性輸出電路。 圖5(b)是同相輸出電路，其電壓輸出為： OUTViR(83) 21(1)OUTRViRR(84)第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 圖5 單極性輸出電路(a)反相輸出；(b)同相輸出 D/AiVOUTD/AVOUTR(a)(b)RR1R2第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 雙極性輸出電

8、路。在某些微機應(yīng)用系統(tǒng)中，要求D/A的輸出電壓是雙極性的，例如要求輸出-5+5V。在這種情況下，D/A的輸出電路要做相應(yīng)的變化。圖6就是DAC0832雙極性輸出電路的實例。 圖6 雙極性輸出電路 D/AVOUTVREFA1RfbV1R2R3A2R4VREF第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 由電路參數(shù)計算可得到最后的輸出電壓表達式為：VOUT=-2V1-VREF (85) 設(shè)V1為0-5V，則選取VREF為+5V。那么：VOUT=010V-5V=-55V (86) (4) DAC0832與8088微處理器的連接 ；用D/A產(chǎn)生鋸齒波的程序 DAOUT：MOV DX，278H ；端口地址送

9、DX MOV AL，00H ；準備起始輸出數(shù)據(jù) ROUND：OUT DX，AL DEC AL JMP LOOP ；循環(huán)形成周期鋸齒波 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換圖7 DAC0832與PC/XT總線的連接圖 D0D7VCCILE5VD0D7WR1&111111IOWA9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENCSVREFRfbIOUT1IOUT2A1XFERWR2DGNDAGNDA27.5k15k15k5VVOUT0.1F第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換START：MOV DX，0278HNEXT1：INC AL OUT DX，AL CMP AL，0FFH JNE NEX

10、T1NEXT2：DEC AL OUT DX，AL CMP AL，00H JNE NEXT2 JMP NEXT1 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 2. 模擬到數(shù)字(A/D)變換器 A/D變換器與D/A變換器一樣，是微機應(yīng)用系統(tǒng)的一種重要接口。 1) A/D變換器的基本工作原理及結(jié)構(gòu) (1) A/D變換器的基本工作原理 的定義為： = 最大輸入電壓 A/D變換器的量化電平數(shù)目 (87) 在本例中， 51.224095VmV (88) 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 (2)A/D變換器的結(jié)構(gòu)框圖 一種逐次反饋型A/D變換器的結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。從圖中可以看到，它由5大部分組成：接

11、口控制邏輯、逐次變換寄存器、D/A變換器、比較器及三態(tài)驅(qū)動器。在有的A/D變換器芯片中，還包含有參考電源等其他附屬電路。 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換圖8 逐次反饋型A/D變換器結(jié)構(gòu)框圖 三 態(tài)驅(qū)動器D0D7D/A變換器逐次變換寄 存 器接口控制邏 輯控制輸入狀態(tài)輸出VREFAIN第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 2) A/D變換器的主要技術(shù)指標 (1)精度 A/D變換器的總精度由各種因素引起的誤差所決定。這些誤差有： 量化誤差。 量化誤差用絕對誤差可表示為： 量化誤差=1/2 量化間隔 用相對誤差可表示為：量化誤差= 0.5 量化電平數(shù)目 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及

12、模數(shù)轉(zhuǎn)換 圖9 A/D變換器的轉(zhuǎn)換特性 01234000001101011100模擬量/V數(shù)字量(二進制)第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 非線性誤差。 電源波動誤差。 溫度漂移誤差。 零點漂移誤差。 參考電源誤差。 2222212345(89) 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 (2) 變換時間(或變換速率) (3) 輸入動態(tài)范圍 一般A/D變換器的模擬電壓輸入范圍大約為05V或010V。 (1) 12位A/D變換器芯片AD574 AD574的引線及功能。 AD574的工作時序。 AD574的應(yīng)用。 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換圖10 AD574的引線圖 1A0A

13、GNDREFINSTS2345678910CE5VREFOUT192021222324CSDB11111213141516171825262728AD5745V12/8R/C15VBIP10VIN20VINDB10DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0DGND第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 表1 AD574控制功能狀態(tài)表 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換圖11 AD574的工作時序 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換(i)AD574的模擬輸入電路模擬輸入電路的極性選擇輸入路數(shù)的擴展采樣保持電路濾波電容的連接(ii)AD574與CPU連接第第8章章

14、數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 圖12 AD574的模擬電壓輸入(a)單極性輸入； (b)雙極性輸入 REFINREFOUTAD57410VIN20VINBIP1000V10V0V20V15V15V(a)(b)REFINREFOUTAD57410VIN20VINBIP1005V5V10V10V100第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換圖13 8路模擬開關(guān)H1508引線圖 UTA0A1A2EN4567121110913314IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7V(12V)V(12V)GND第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 圖14 采樣保持電路連接

15、AD57410V470pF648LF3983VIN70.10.112V12V采樣保持1第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 對應(yīng)圖15的采集變換程序如下： ；對8255初始化，此段程序放在應(yīng)用程序開始的位置上 INTI55：MOV DX，0063H MOV AL，10011010B OUT DX，AL；控制字寫入8255的CR MOV AL，00000001B OUT DX，AL；位控方式，使PC0=1 ；以下是對輸入信號進行一次變換的程序第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換D0D7A0A1D0D7RDWRA0A1CSY01CBAG2AGA15A14A13A12A11A10A9A8A7

16、A6A5A4A3A2RESETRESETG2BIOWIOR&74LS138PA0PA1PA7PB0PB1PB2PB3D0D1D7D8D9D10D11PC0PC7STSRINREFOUTBIP10VIN5V5VCER/C12/85VA0CS8255AD574圖15 AD547經(jīng)8255與8088系統(tǒng)總線相連接第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換ACQUQ：MOV DX，0062H MOV AL，00H OUT DX，AL MOV AL，01H OUT DX，AL ；由PC0輸出負R/ 脈沖啟動變換開始 NOP NOPC第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換WAITS：IN AL，DX ；取

17、STS狀態(tài) AND AL，80H ；判斷變換結(jié)束否? JNZ WAITS；未結(jié)束等待 MOV DX，0060H INAL，DX ；讀A口，取得A/D變換低8位 MOV BL，AL MOV DX，0061H IN AL，DX AND AL，0FH；讀B口，取得高4位 MOV BH，AL RET 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 (2) 8位A/D變換器芯片ADC0809 ADC0809的引腳定義如圖16所示。它共有28個引腳，其中： D0(2-8)D7(2-1)：輸出數(shù)據(jù)線； IN0IN7：8路模擬電壓輸入端； ADDA，ADDBADDC：路地址輸入，ADDA是最低位，ADDC是最高位；

18、 START：啟動信號輸入端，下降沿有效； 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 ALE：地址鎖存信號，用來鎖存ADDAADDC的地址輸入，上升沿有效； EOC：變換結(jié)束狀態(tài)信號，高電平表示一次變換已結(jié)束； OE：讀允許信號，高電平有效； CLK：時鐘輸入端； VREF(+)、VREF(-)：參考電壓輸入端； VCC：5V電源輸入； GND：地。 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換1OECLKIN22345678910IN7REF()192021222324IN1111213141516171825262728ADC0809STARTD1IN0ADDCALED7IN3D4D0IN4I

19、N5IN6EOCD8VCCGNDD2REF()D5D6ADDBADDA圖17 ADC0808引線圖第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換圖18 ADC0809工作時序圖 第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 結(jié)合圖18，并假定系統(tǒng)初始化時已將74LS273的Q7初始化為0，則采集程序可如下： ACQ09 ：MOV AX，SEGDATA MOV DS，AX MOV SI，OFFSETDATA MOV BL，0 MOV CL，8 GOON：MOV AL，BL MOV DX，007AH OUT DX，AL；送出路地址第第8章章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換 OR AL，80H OUT DX，AL ；送ALE上升沿 AND AL，7FH OUT DX，AL；輸出START NOP MOV DX，0079H PWAT：INAL，DX；讀EOC狀態(tài) AND AL，01H JZ PWAT MOV DX，007AH MOV AL，BL第第8章章