微機(jī)原理第8章

1、主講：馬愛民主講：馬愛民Email：第八章第八章1教學(xué)目的教學(xué)目的l D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理l DAC0832/ADC0809芯片的應(yīng)用第第8 8章章 數(shù)模數(shù)模/ /轉(zhuǎn)換及模轉(zhuǎn)換及模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換2l 工控閉環(huán)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)l AD轉(zhuǎn)換的基本過程l AD轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題了解內(nèi)容了解內(nèi)容3舉例概述舉例概述48.2 8.2 數(shù)模數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器8.1.1 DA轉(zhuǎn)換的原理轉(zhuǎn)換的原理 DA轉(zhuǎn)換是把數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號的過轉(zhuǎn)換是把數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號的過程，程，數(shù)字量由二進(jìn)制位組成每一個(gè)二進(jìn)制位的權(quán)為數(shù)字量由二進(jìn)制位組成每一個(gè)二進(jìn)制位的權(quán)為

2、2i，只要將，只要將這些位按權(quán)大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后根據(jù)疊加原理將個(gè)這些位按權(quán)大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后根據(jù)疊加原理將個(gè)對應(yīng)的模擬量相加，總和就是與數(shù)字量成正比的模擬量；對應(yīng)的模擬量相加，總和就是與數(shù)字量成正比的模擬量；DA轉(zhuǎn)換器就是完成這個(gè)功能的，其實(shí)轉(zhuǎn)換器就是完成這個(gè)功能的，其實(shí)DA轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換模擬電流，再經(jīng)運(yùn)算放大器將該模擬電流轉(zhuǎn)換為模擬電壓（一模擬電流，再經(jīng)運(yùn)算放大器將該模擬電流轉(zhuǎn)換為模擬電壓（一般轉(zhuǎn)換后的模擬信號都是以電壓的形式輸出般轉(zhuǎn)換后的模擬信號都是以電壓的形式輸出）。 一般一般DA轉(zhuǎn)換器主要由轉(zhuǎn)換器主要由運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器和和電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)

3、絡(luò)等組成，電阻網(wǎng)等組成，電阻網(wǎng)絡(luò)典型的有絡(luò)典型的有加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和和R-2R T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)。知識點(diǎn)知識點(diǎn)1 15D/A轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換的工作原理工作原理1. 運(yùn)算放大器的工作特點(diǎn)和原理運(yùn)算放大器的工作特點(diǎn)和原理 特點(diǎn)特點(diǎn) ：l開環(huán)放大倍數(shù)非常高開環(huán)放大倍數(shù)非常高（一般幾千到幾十萬）（一般幾千到幾十萬） l輸入阻抗非常大輸入阻抗非常大 l輸出阻抗很小輸出阻抗很小 如圖如圖8-2流經(jīng)輸入電阻流經(jīng)輸入電阻R Ri i的電流的電流輸出電壓輸出電壓故輸出電壓故輸出電壓V Vo o與輸入電壓與輸入電壓V Vi i之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：其中，其中，R R i i 為運(yùn)算放大器的輸入電阻，

4、為運(yùn)算放大器的輸入電阻，R Rf f 為反饋電阻。為反饋電阻。iiiRVI iififoVRRIRViifoVRRVRfRiViVo-+圖8-2 基本運(yùn)算放大器電路6圖8-3 簡單D/A轉(zhuǎn)換電路 若輸入端有若輸入端有n個(gè)支路，如圖個(gè)支路，如圖8-3所示，圖中各輸入支路中的電阻值所示，圖中各輸入支路中的電阻值依次增大依次增大2倍，倍，Rj=2j R；有一個(gè)開關(guān)；有一個(gè)開關(guān)Kj來控制，當(dāng)來控制，當(dāng)Kj合上時(shí)合上時(shí)Kj = 1，Kj斷開斷開時(shí)時(shí)Kj = 0，設(shè)，設(shè) ，則可以得，則可以得出輸出電壓出輸出電壓Vo和輸入的關(guān)系：和輸入的關(guān)系：jVRRVfrefrefjnjjnjjjfnnfoVKVRKRI

5、KIKIKIKRV10j1011221100211).(假設(shè)輸入端有假設(shè)輸入端有4 4個(gè)支路，這個(gè)個(gè)支路，這個(gè)4 4位數(shù)為位數(shù)為D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0時(shí)，時(shí)，若若K K3 3、K K2 2、K K1 1、K K0 0全部閉合，全部閉合， 即即D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0 = 0000= 0000，則，則V Vo o = 0= 0；若若K K3 3、K K2 2、K K1 1、K K0 0全部閉合，全部閉合， 即即D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0 = 1111= 1111，則，則refrefoVVV815)21212121(32107

6、 T型網(wǎng)絡(luò)中只有兩種電型網(wǎng)絡(luò)中只有兩種電阻阻R、2R 從任何一個(gè)接點(diǎn)向左、從任何一個(gè)接點(diǎn)向左、右、下看進(jìn)去的等效電阻右、下看進(jìn)去的等效電阻均為均為2R。0123開關(guān)支路接點(diǎn)流進(jìn)開關(guān)支路接點(diǎn)流進(jìn)的電流等分為二，的電流等分為二，從左、右支路流出。從左、右支路流出。RVIREF3I2/I2/IS3S2S1S0D0D1D2D3+ + +- -R2R2R2R2R2R2RRRVREFRFVREF2R2R2R8R-2R T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D3D2D1D0=0001時(shí)：S S0 0接接V VREFREF, ,其余接地其余接地RVIREF3I0I1I2I3該電流 每通過一個(gè)接點(diǎn)二等分一次，到求和電路輸入端共

7、通過0，1，2，3四個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以:400213RVIIREF311213RVIIREF222213RVIIREF133213RVIIREFD3D2D1D0=0010時(shí)：D3D2D1D0=0100時(shí)：D3D2D1D0=1000時(shí)：D3D2D1D0=1111時(shí)：3210IIIIi0123i0I1I2I 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1S3S2S1S0D0D1D2D3+ + +- -R2R2R2R2R2R2RRRVREFRF DA轉(zhuǎn)換器的種類不同，與CPU的連接方法也不同，有的DA轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，要通過數(shù)據(jù)鎖存器才能連到CPU上（以確保在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中數(shù)

8、字量的穩(wěn)定）；有些DA轉(zhuǎn)換器集成了數(shù)據(jù)鎖存器，可以和CPU直接相連。98.1.2 DA 轉(zhuǎn)換的性能參數(shù)1. 分辨率在在D/A轉(zhuǎn)換器中通常用轉(zhuǎn)換器中通常用分辨率分辨率和和轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度來描述轉(zhuǎn)換精度。來描述轉(zhuǎn)換精度。 分辨率是指輸入數(shù)字量的最低有效位（分辨率是指輸入數(shù)字量的最低有效位（LSBLSB）發(fā)生變化時(shí)，所對）發(fā)生變化時(shí)，所對應(yīng)的輸出模擬量（常為電壓）的變化量。應(yīng)的輸出模擬量（常為電壓）的變化量。分辨率分辨率 = FS（2n-1）其中，其中，F(xiàn)SFS表示滿量程輸入值，表示滿量程輸入值，n n為二進(jìn)制位數(shù)。為二進(jìn)制位數(shù)。 分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。而分辨率與輸入數(shù)字

9、量的位數(shù)有關(guān)，n越大，分辨率越高。例如對于對于5V的滿量程的滿量程, 采用位的采用位的DAC時(shí)時(shí), 分辨率為分辨率為5V/25519.6mV 通常用二進(jìn)制的位數(shù)來表示，如通常用二進(jìn)制的位數(shù)來表示，如8 8位、位、1010位、位、1212、1616、2424位等。位等。102. 轉(zhuǎn)換精度 D D/ /A A轉(zhuǎn)換器的精度可分為絕對精度和相對精度，表明轉(zhuǎn)換器的精度可分為絕對精度和相對精度，表明D D/ /A A轉(zhuǎn)換的精確轉(zhuǎn)換的精確程度，一般用誤差大小來表示。程度，一般用誤差大小來表示。絕對精度絕對精度是指實(shí)際的輸出值與理論值是指實(shí)際的輸出值與理論值之間的差距。之間的差距。它是由它是由D D/ /A

10、A轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)調(diào)整、增益誤差、轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)調(diào)整、增益誤差、噪聲和非線性誤差等引起的。噪聲和非線性誤差等引起的。相對精度相對精度是指絕對精度與滿量程（用是指絕對精度與滿量程（用FS表示）的百分比。表示）的百分比。例如例如一個(gè)一個(gè)D DA A轉(zhuǎn)換器的絕對精度為轉(zhuǎn)換器的絕對精度為10mV10mV，F(xiàn)SFS為為5V5V，則相對精度為，則相對精度為0.2%0.2%。數(shù)字量數(shù)字量 理想值理想值 實(shí)際值實(shí)際值 00H 0 - -0.001V 01H -0.039V -0.041V 10H -5V -5.002V FFH -9.96V -9.968V113. 轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指輸入數(shù)字量變化時(shí)，輸出電壓變化到

11、相應(yīng)穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間是指輸入數(shù)字量變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。值所需時(shí)間。 一般用DA轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量滿刻度變化（從0到全1）時(shí)，從開始轉(zhuǎn)換到輸出模擬量達(dá)到規(guī)定的誤差范圍（12 LSB）所需的時(shí)間。它表征了DA轉(zhuǎn)換器芯片的轉(zhuǎn)換速率。4. 線性誤差 DAC的理想特性為線性階梯波（趨近一條直線），實(shí)際特性可的理想特性為線性階梯波（趨近一條直線），實(shí)際特性可能偏離理想特性，模擬量實(shí)際值與理想值間的最大差值，折合為數(shù)字能偏離理想特性，模擬量實(shí)際值與理想值間的最大差值，折合為數(shù)字量的最低有效位。量的最低有效位。按其建立時(shí)間可分為：低速：100 s中速：1100 s高速：50ns 1 s

12、超高速：Vi，D7=00010000002.5VVoVi，D6=164011000003.75VVoVi ，D5=164+32=96011100004.375VVoVi ，D4=164+32+16=112011110004.69VVoVi，D2=064+32+16+8=120011110104.76VVoVi ，D1=164+32+16+8+2=122011110114.80VVoVi ，D0=164+32+16+8+2+1=123轉(zhuǎn)換/試探過程298.2.2 AD轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)1. 分辨力 AD轉(zhuǎn)換器的分辨力就是轉(zhuǎn)換器的分辨力就是分辨率分辨率，是，是指引起輸出二進(jìn)制數(shù)字量最低有

13、效指引起輸出二進(jìn)制數(shù)字量最低有效位變動(dòng)一個(gè)數(shù)碼時(shí)，輸入模擬量的最小變化量位變動(dòng)一個(gè)數(shù)碼時(shí)，輸入模擬量的最小變化量。如。如AD轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制位數(shù)為轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制位數(shù)為n，輸入電壓滿量程為，輸入電壓滿量程為FS（亦可稱為輸入范圍），則：（亦可稱為輸入范圍），則： 分辨率分辨率 = FS /（2n- 1） 很顯然，位數(shù)越很顯然，位數(shù)越多多，則量化增量越，則量化增量越小小，量化誤差越，量化誤差越小小，分辨力也就越，分辨力也就越高高。常用的有常用的有8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位、位、2424位、位、3232位等。位等。 例如例如，某某 A AD D轉(zhuǎn)換器輸入模擬電壓的變化范圍

14、為轉(zhuǎn)換器輸入模擬電壓的變化范圍為0V0V+5V+5V，轉(zhuǎn)換器為，轉(zhuǎn)換器為8 8位位，那么分辨率就是，那么分辨率就是19.6mV19.6mV（5V/255 19.6mV5V/255 19.6mV）。）。 302. 轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是轉(zhuǎn)換精度是指指AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量所對應(yīng)的實(shí)際輸入電壓值與理論上產(chǎn)生該轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量所對應(yīng)的實(shí)際輸入電壓值與理論上產(chǎn)生該數(shù)字量的應(yīng)有輸入電壓之差數(shù)字量的應(yīng)有輸入電壓之差，它反映了實(shí)際，它反映了實(shí)際AD轉(zhuǎn)換器與理想轉(zhuǎn)換器與理想AD轉(zhuǎn)換器的差別，常轉(zhuǎn)換器的差別，常用誤差來表示。用誤差來表示。 產(chǎn)生誤差的因素很多，主要是量化誤差和器件誤差。產(chǎn)生誤差的因素很多，主要是

15、量化誤差和器件誤差。量化誤差量化誤差 由于具有某種分辨力的轉(zhuǎn)換器在量化過程中由于采用了由于具有某種分辨力的轉(zhuǎn)換器在量化過程中由于采用了四舍五入四舍五入的方法，因此最大的方法，因此最大量化誤差應(yīng)為分辨力數(shù)值的量化誤差應(yīng)為分辨力數(shù)值的1/2 1/2 。可見，。可見，A AD D轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度由最大量化誤差決轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度由最大量化誤差決定。實(shí)際上，許多轉(zhuǎn)換器末位數(shù)字并不可靠，實(shí)際精度還要低一些。定。實(shí)際上，許多轉(zhuǎn)換器末位數(shù)字并不可靠，實(shí)際精度還要低一些。 器件誤差器件誤差 由于器件制造精度、溫度漂移等造成的，可以通過提高產(chǎn)品質(zhì)量來降低。由于器件制造精度、溫度漂移等造成的，可以通過提高產(chǎn)

16、品質(zhì)量來降低。313. 轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，即從發(fā)出轉(zhuǎn)換控制信號開指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，即從發(fā)出轉(zhuǎn)換控制信號開始，直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出為止所用的時(shí)間。始，直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出為止所用的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)稱轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換時(shí)間越長，轉(zhuǎn)換速度就越低。轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換原理及位為轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換時(shí)間越長，轉(zhuǎn)換速度就越低。轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換原理及位數(shù)有關(guān)。數(shù)有關(guān)。328.2.3 典型AD轉(zhuǎn)換芯片 A AD D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品種類很多，下面以轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品種類很多，下面以8 8位的位的A AD D產(chǎn)品產(chǎn)品ADC0809ADC0809為例介紹為例介紹A

17、 AD D轉(zhuǎn)換器與微型機(jī)系統(tǒng)連接及應(yīng)用。轉(zhuǎn)換器與微型機(jī)系統(tǒng)連接及應(yīng)用。1 1A AD D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809 ADC0809 ADC0809是美國是美國NSNS公司生產(chǎn)的，采用公司生產(chǎn)的，采用CMOSCMOS工藝、逐次逼近式、工藝、逐次逼近式、8 8通道通道輸入單片輸入單片A AD D轉(zhuǎn)換器，可直接與系統(tǒng)連接。轉(zhuǎn)換器，可直接與系統(tǒng)連接。（1 1）ADC0809ADC0809主要特性主要特性 分辨率：分辨率：8位。位。 轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間：100s（在（在CLOCK=640KHz條件下）條件下） 輸入范圍：輸入范圍：05V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 電源

18、：單電源電源：單電源+5V。 功耗：功耗：15mWADC080912345678910111213142827262524232221201918171615IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLOCKVCCVREF(+)GNDD1IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0VREF(-)D2知識點(diǎn)知識點(diǎn)4 433圖圖8-14 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖34工作過程1. 輸入地址地址并使ALE有效，將地址存入鎖存器2. 地址經(jīng)譯碼后選通一選通一路路輸入到比較器3. 啟動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換4. 進(jìn)行進(jìn)行轉(zhuǎn)換5. 判斷判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束6. 使能使能OE，打

19、開輸出鎖存器35地址線模擬量輸入通道ADDCADDBADDA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數(shù)據(jù)有效WRALE/STARTADDCADDAEOCOE數(shù)據(jù)輸出高阻態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)束地址鎖存啟動(dòng)轉(zhuǎn)換表表8-1 輸入通道與地址選擇輸入通道與地址選擇圖圖8-15 ADC809轉(zhuǎn)換器工作時(shí)序圖轉(zhuǎn)換器工作時(shí)序圖368.2.4.AD0809轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)STARTEOCOEIN7IN0IN1ADDAADDBADDCALED7D0D2. . . . . . .ADC0809D1D0IORIOW11&1A0A1A2CBAG2BG2AG1Y0Y2A3

20、A4A12A14A15A6A7A8A9A10A11A5A13D7D7D0+5V模擬輸入VCCVREF(+)VREF(-)GNDY1圖8-16 ADC0809與系統(tǒng)查詢方式連接圖37工作過程：工作過程：先通過先通過ADDADDC C、ADDADDB B、ADDADDA A賦值，鎖存（賦值，鎖存（ALEALE上升沿），選通模擬輸入量上升沿），選通模擬輸入量輸入通道，啟動(dòng)輸入通道，啟動(dòng)A AD D轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換（STARTSTART下降沿）；然后用程序查詢轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號（下降沿）；然后用程序查詢轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號（EOCEOC）的狀態(tài)，若的狀態(tài)，若EOCEOC為高電平，則表示為高電平，則表示A AD D轉(zhuǎn)換結(jié)束

21、，可以讀數(shù)據(jù)；若轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀數(shù)據(jù)；若EOCEOC為低電平，為低電平，則則A AD D轉(zhuǎn)換未結(jié)束，繼續(xù)查詢，直至轉(zhuǎn)換未結(jié)束，繼續(xù)查詢，直至EOCEOC為高電平。為高電平。圖圖8-16所示，鎖定、啟動(dòng)（所示，鎖定、啟動(dòng)（START、ALE）轉(zhuǎn)換端口地址為）轉(zhuǎn)換端口地址為0FE0H，數(shù)據(jù)端口，數(shù)據(jù)端口地址為地址為0FE1H，轉(zhuǎn)換狀態(tài)（，轉(zhuǎn)換狀態(tài)（EOC）端口地址為）端口地址為0FE2H。程序如下：程序如下：DATA SEGMENT BUFFER DB 8 DUP(?) ALE _START EQU 0FE0H DATA_OE EQU 0FE1H EOC EQU 0F2HDATA ENDS；數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；鎖定、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換端口地址；鎖定、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換端口地址；數(shù)據(jù)允許端口地址；數(shù)據(jù)允許端口地址；轉(zhuǎn)換狀態(tài)端口地址；轉(zhuǎn)換狀態(tài)端口地址CODE SEGMENT ASUME CS:CODE，DS:DATASTART: MOV AX，DATA MOV DS，AX MOV SI，OFFSET BUFFER MOV BL，0 MOV CX，8；設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；賦通道號，從；賦通道號，從0通道開始通道開始；采集；采集8次次38LP: MOV AL，BL MOV DX，START_ALE OUT DX，AL NOP MOV DX，EOCRD_EOC: IN AL，DX TEST AL，80