第十章DA、AD轉(zhuǎn)換接口

1、第十章第十章 D/A、A/D轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換接口（6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）第一節(jié)第一節(jié) D/A轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 知知 識(shí)識(shí) 概概 述述 第二節(jié)第二節(jié) A/D轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）第一節(jié)第一節(jié) D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 （2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） DA轉(zhuǎn)換器：指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路。數(shù)字量輸入的位數(shù)有8位、12位和16位，輸出的模擬量有電流和電壓。10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù) 1. 分辨率：指DA轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小電壓。有時(shí)也用最小輸出電壓與最大輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)表示。 2. 轉(zhuǎn)換精度：指DA轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差。一般采用數(shù)字量的最低有效單位 LSB來衡量。2110

2、.1.1 3. 溫度靈敏度溫度靈敏度 這個(gè)參數(shù)表明DA轉(zhuǎn)換器受溫度變化影響的特性。它是指數(shù)字輸入不變的情況下，模擬出信號(hào)隨溫度的變化。一般DA轉(zhuǎn)換器的溫度靈敏度為50PPMC，PPM百萬分之一。 4. 建立時(shí)間建立時(shí)間 建立時(shí)間是指從數(shù)字輸入端發(fā)生變化開始，到輸出模擬值穩(wěn)定在額定值的12LSB所需的時(shí)間，是D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的個(gè)重要參數(shù)。 5. 輸出電平輸出電平 不同型號(hào)的DA轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大，一般為5V10V。 10.1.2 D/A芯片介紹芯片介紹 但是，不管DAC芯片種類有多少，從與CPU接口的角度看，無非有這樣幾類： 片內(nèi)有無輸入緩存器：有無輸入緩沖器的DAC，也有片內(nèi)具有單級(jí)

3、輸入緩沖器或雙級(jí)輸入緩沖器DAC。 分辨率不同：有8位的DAC，也有高于8位的DAC，如10位、12位等。 數(shù)據(jù)格式的不同：有并行輸入的DAC，串行輸 入的DAC，也有串/并輸入。10.1.2 一、一、8位位D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換芯片 DAC 0832是常用的8位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)輸入方法可以是雙緩沖、單緩沖或直接輸入。特別適用于要求幾個(gè)模擬量同時(shí)輸出的場(chǎng)合，與微處理機(jī)的接口方便。DAC 0832具有以下主要特性： 滿足TTL電平規(guī)范的邏輯輸入； 分辨率為8位； 建立時(shí)間為1s； 功耗20mw； 電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器。10.1.2 1. DAC 0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DAC 0832的結(jié)構(gòu)

4、框圖和引腳如圖10.1所示。DAC 0832具有雙緩沖功能，就是輸入數(shù)據(jù)可分別經(jīng)過兩個(gè)寄存器保存。第一個(gè)寄存器稱為8位輸入寄存器，寄存從數(shù)據(jù)線輸入的數(shù)據(jù)，第二個(gè)寄存器稱為8位DAC寄存器，8位的D/A轉(zhuǎn)換器是把該DAC寄存器鎖存的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電流。 2. DAC 0832的外部引腳的外部引腳 （1）與CPU相連的引腳 D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入端。 ILE：鎖存允許信號(hào)，輸入、高電平有效。是第一級(jí)8位輸入寄存器的鎖存的控制信號(hào)之一。10.1.2 ：片選信號(hào)，輸入、低電平有效。它與ILE信號(hào)結(jié)合起來用以控制是否起作用。 ：寫信號(hào)1，輸入、低電平有效。在ILE和CS有效時(shí)，用它將數(shù)據(jù)鎖存于輸入

5、寄存器中。 ：寫信號(hào)2，輸入、低電平有效。在有效的條件下，用它將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到8位DAC寄存器中。 ：傳送控制信號(hào)，輸入、低電平有效。它和一起控制8位DAC寄存器的鎖存。 （2）與外設(shè)相連的引腳 IOUT1：DAC電流輸出1。它是邏輯電平為l的各位輸出電流之和。 IOUT2：DAC電流輸出2。它是邏輯電平為0的各位輸出電流之和。 CS1WR2WRXFER10.1.2 Rfb：反饋電阻。該電阻被制作在芯片內(nèi)，用作運(yùn)算放大器的反饋電阻。 （3）其它 VREF：基準(zhǔn)電壓輸入端。一般在-10V+10V范圍內(nèi)，由外電路提供。 VCC：邏輯電源。在+5V+15V范圍，最佳+15V。 AGND：模

6、擬地。為芯片模擬電路接地點(diǎn)。 DGND：數(shù)字地。為芯片片數(shù)字電路接地點(diǎn)。 10.1.2 3. DAC 0832的三種工作方式的三種工作方式 DAC 0832的工作過程如下：首先在ILE、 及 三個(gè)控制信號(hào)都有效時(shí)，把數(shù)據(jù)線上的8位數(shù)據(jù)鎖入輸入寄存器中，同時(shí)數(shù)據(jù)送到8位DAC寄存器的輸入端。在 、 都有效的情況下，8位數(shù)據(jù)再次被鎖存到8位DAC寄存器，同時(shí)數(shù)據(jù)送到8位DA轉(zhuǎn)換器的輸入端，這時(shí)開始把8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的模擬電流從IOUT1和IOUT2輸出。針對(duì)兩個(gè)寄存器鎖存信號(hào)的控制方法形成DAC 0832的三種工作方式。 1）雙緩沖方式 即數(shù)據(jù)通過兩個(gè)寄存器鎖存后再送入DA轉(zhuǎn)換電路，執(zhí)行兩次寫

7、操作才能完成一次DA轉(zhuǎn)換。 2）單緩沖方式 此時(shí)兩個(gè)寄存器之一處于直通狀態(tài)，輸入數(shù)據(jù)只經(jīng)過一級(jí)緩沖送入DA轉(zhuǎn)換電路。 3）直通方式 此時(shí)兩個(gè)寄存器都處于直通狀態(tài)。CS1WR2WRXFER10.1.2 4. DAC 0832應(yīng)用實(shí)例 例10-1利用圖10.2提供的接口，通過DAC 0832輸出產(chǎn)生三角波，三角波最高電壓5V，最低電壓0V。 二、二、12位位D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換芯片 DAC l210的主要特性如下： 分辨率12位； 具有雙寄存器結(jié)構(gòu)，可對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重緩沖； 輸出電流穩(wěn)定時(shí)間1s； 外接10V的基準(zhǔn)電壓，工作電源+5V+15V； 功耗低，約200mw； 電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器。10.

8、1.2 1. DAC 1210的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳 DAC 12l0的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如圖10.3所示。 DAC l210的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與DAC 0832非常相似，也具有雙緩沖輸入寄存器，不同的是DAC l210的雙緩沖和DA轉(zhuǎn)換均為12位。DAC l210的內(nèi)部由一個(gè)8位鎖存器、一個(gè)4位鎖存器、一個(gè)12位DAC鎖存器及12位DA轉(zhuǎn)換器組成。 2. DAC 1210的引腳功能的引腳功能 （1）與CPU相連的引腳 DI0DI11：12位數(shù)據(jù)輸入端。10.1.2 ：片選信號(hào)，輸入、低電平有效。 ：寫信號(hào)1，輸入、低電平有效。在 有效時(shí)，用它將數(shù)字鎖存于第一級(jí)鎖存器中。 BYTE1/ ：12位

9、4位輸入選擇，輸入。高電平時(shí)，高8位和低4位輸入鎖存；低電平時(shí)，低4位輸入鎖存。 ：傳送控制信號(hào)，輸入、低電平有效。 ：寫信號(hào)2，輸入、低電平有效。在 有效的條件下，第一級(jí)鎖存器中的數(shù)據(jù)傳送到第二級(jí)的12位DAC寄存器中。 （2）與外設(shè)相連的引腳 IOUT1：DAC電流輸出1。它是邏輯電平為l的各位輸出電流之和。 IOUT2：DAC電流輸出2。它是邏輯電平為0的各位輸出電流之和。 Rfb：反饋電阻。該電阻被制作在芯片內(nèi)，用作運(yùn)算放大器的反饋電阻。CS1WRCS2BYTEXFER2WRXFER10.1.2 （3）其它 VREF：基準(zhǔn)電壓輸入端。 VCC：邏輯電源。 AGND：模擬地。 DGND：

10、數(shù)字地。 3. DAC 1210的應(yīng)用實(shí)例的應(yīng)用實(shí)例 由于DAC1210具有兩級(jí)緩沖，所以可與CPU的數(shù)據(jù)線直接相連，PC機(jī)總線與DAC 1210連接如圖10.4所示。10.1.2 一個(gè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換的過程是：當(dāng)譯碼輸出 =0，且 =0時(shí)，使引腳BYTE1/ 為高電平，則向DAC 1210寫入高8位數(shù)據(jù)；當(dāng) =0，且 =0時(shí)，使引腳BYTE1/ 為低電平，則向DAC 1210寫入低4位；當(dāng) =0，且 =0時(shí)，則12位數(shù)據(jù)一起寫入DAC 1210的第二級(jí)DAC寄存器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，避免12位數(shù)據(jù)不是一次送入DAC轉(zhuǎn)換器而使輸出產(chǎn)生瞬間毛刺。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程可用下列程序段完成。MOVDX,340HMOV

11、AL,DataHOUTDX,ALINCDXMOVAL,DataLOUTDX,ALINCDXOUTDX,AL0YIOW2BYTE1YIOW2BYTEIOW2Y第二節(jié)第二節(jié) A/D轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） AD轉(zhuǎn)換器是指通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。AD轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號(hào)有8位、l0位、12位和14位。10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù) 1. 分辨率分辨率 分辨率是指AD轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬輸入量。通常用能轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位、15位等。 2. 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是AD完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。 3. 量程量程 量程是指所

12、能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。 4. 精度精度 AD轉(zhuǎn)換精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種。10.2.1 （1）絕對(duì)精度：是指對(duì)應(yīng)于個(gè)給定量，AD轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差大小由實(shí)際模擬量輸入值與理論值之差來度量。 （2）相對(duì)精度：由相對(duì)誤差決定。相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與滿刻度值之比，般用百分?jǐn)?shù)表示。例如，對(duì)于個(gè)8位05V的AD轉(zhuǎn)換器，如果其絕對(duì)誤差為： 5=19.5mV 則其相對(duì)誤差為0.39%。2561一、采樣保持電路一、采樣保持電路 1. 采樣：說是把一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖串，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。 2. 保持：是將采樣得到的模擬量值保持下來，使之等于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣

13、值。 3. 最基本的采樣保持電路如圖10.5所示。 其采樣、保持的示意圖如圖10.6所示。 4. 采樣定理：理論和實(shí)踐都證明，只要滿足下列條件，采樣保持得到的輸出信號(hào)在經(jīng)過信號(hào)處理后便可還原成原來的模擬輸入信號(hào)：10.2.2 A/D轉(zhuǎn)換的輔助電路轉(zhuǎn)換的輔助電路 imaxs2ff10.2.2 其中， 為采樣頻率， 為輸入信號(hào)I的最高次諧波分量的頻率。這就是采樣定理。在實(shí)際中一般取 為 的45倍。 二、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)二、多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要解決多個(gè)回路和AD、D/A轉(zhuǎn)換器之間的切換問題。一般采用兩種方法： 1. 一種方法是用獨(dú)立的多路轉(zhuǎn)換模擬開關(guān)輪流切換各回路和AD、DA之間的通路，對(duì)于A

14、D轉(zhuǎn)換來說，要用到多路輸入一路輸出的模擬開關(guān)電路，對(duì)于DA轉(zhuǎn)換來說，要用到一路輸入，多路輸出的模擬開關(guān)電路。 2. 另一種方法是選擇帶有轉(zhuǎn)換開關(guān)的AD、DA轉(zhuǎn)換器，比如AD 0809就是帶有8路模擬信號(hào)輸入端一路輸出切換開關(guān)的AD轉(zhuǎn)換器。sfimaxfsfimaxf10.2.2 三、三態(tài)門三、三態(tài)門 A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出是否能直接與CPU數(shù)據(jù)總線相連，要看數(shù)據(jù)輸出端是否具有可控的三態(tài)輸出門。 10.2.3 A/D芯片介紹芯片介紹 一、一、8位位A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換芯片 ADC 0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖如圖10.7所示。 1. ADC 0809的內(nèi)部特性的內(nèi)

15、部特性 1) 通道選擇開關(guān) 2) 通道地址鎖存和譯碼 3) 逐次逼近AD轉(zhuǎn)換器 4) 8位鎖存器和三態(tài)門10.2.3 2. ADC 0809引腳功能引腳功能 1)與CPU相連的引腳 2-1、2-2、2-8：8位數(shù)字量輸出端。 START：AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，輸入，高電平有效。 ADDA、ADDB、ADDC：地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。它們與模擬信號(hào)的關(guān)系如表10.1所示。 ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入、高電平有效。 OE：輸出允許信號(hào)，輸出、高電平有效。 EOC：AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出、高電平有效。 2)與外設(shè)相連的引腳 IN0 IN7：8路模擬信號(hào)輸入端。10.2.3 3)其它

16、引腳 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。 REF(+)、REF(-)：基準(zhǔn)電壓。般與微機(jī)接口時(shí)，REF(-)為0或-5V，REF(+)為+5V或0。 ADC 0809的工作過程如下：首先確定ADDA、ADDB、ADC三位地址選擇哪一路模擬信號(hào)，然后使ALE1，使該路模擬信號(hào)經(jīng)選擇開關(guān)到達(dá)比較器的輸入端。啟動(dòng)START，START的上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟功AD轉(zhuǎn)換。這時(shí)EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。 AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束。此時(shí)，數(shù)據(jù)已保存到8位鎖存器。EOC信號(hào)可作為中斷申請(qǐng)信號(hào)，通知CPU轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以輸入數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)程序所要做的事情是使OE信號(hào)變?yōu)楦?/p>

17、電平，打開三態(tài)輸出，由ADC 0809輸出的數(shù)字量傳送到CPU。也可以采用查詢方式，CPU執(zhí)行輸入指令，查詢EOC端是否變化高電平狀態(tài)。若為低電平，則等待；若為高電平，則給OE端輸入一個(gè)高電平信號(hào)，打開三態(tài)門讀入數(shù)據(jù)。10.2.3 3. ADC 0809應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 ADC 0809典型的連接電路如圖10.9所示。 下面的程序是采用軟件延時(shí)方法（延時(shí)時(shí)間應(yīng)大于128s），分別對(duì)8路模擬信號(hào)輪流采樣一次，并依次將轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的Data開始的內(nèi)存中。 上面程序?qū)嶋H上采用的是無條件的輸入/輸出方式，如果我們將EOC連接到8259的IRQ7端，設(shè)8259的端口地址為20H、21H，IR

18、Q7的中斷類型號(hào)為0FH，則采用中斷方式的A/D轉(zhuǎn)換程序。10.2.3 四、四、12位位A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換芯片 AD574A是12位的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要特性： 12位逐次逼近型快速AD轉(zhuǎn)換器； 轉(zhuǎn)換時(shí)間為25s； 輸入電壓可以是單極性0+100V或020V，也可以是雙極性-5V+5V，-10V+10V； 可由外部控制進(jìn)行12位或8位轉(zhuǎn)換。 12位數(shù)據(jù)輸出分為三段，A段為高4位，B段為中4位，C段為低4位。三態(tài)分別經(jīng)三態(tài)門控制輸出； 內(nèi)部具有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與8位或16位的CPU數(shù)據(jù)總線相連； 功耗390mW。 1. 內(nèi)部功能內(nèi)部功能 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳如圖10.10所示。10.2.3 內(nèi)

19、部結(jié)構(gòu)主要包括逐次逼近寄存器SAR、DA轉(zhuǎn)換器、比較器、時(shí)鐘以及控制邏輯電路等。 2. 外部引腳 （1）與CPU相連的引腳 12/： 輸出數(shù)據(jù)方式選擇控制信號(hào)，輸入。當(dāng)接高電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)是12位字長；當(dāng)接低電平時(shí)，將轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)變成兩個(gè)8位字輸出。 A0：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)長度選擇控制信號(hào)，輸入。當(dāng)A0為高電平時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行8位轉(zhuǎn)換；當(dāng)A0為低電平時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換。 ：片選信號(hào)，輸入、低電平有效。 R/ ：讀出或轉(zhuǎn)換控制選擇信號(hào)，輸入。當(dāng)為低電平時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；當(dāng)為高電平時(shí)，可將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀出。8CSC10.2.3 CE：芯片允許信號(hào)，輸入、高電平有效。該信號(hào)與CS信號(hào)一起有效時(shí)，AD

20、574才可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換或從AD574輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。 AD574A的邏輯真值表如表10.2所示。 DB0DB11：12位數(shù)字量輸出端、三態(tài)。 STS：轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(hào)，輸出、低電平有效。在A/D轉(zhuǎn)換期間為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束為低電平。 從轉(zhuǎn)換被啟動(dòng)并使STS變高電平一直到轉(zhuǎn)換周期完成這一段時(shí)間內(nèi)，AD574A對(duì)再來的啟動(dòng)信號(hào)不予理睬，轉(zhuǎn)換進(jìn)行期間也不能從輸出數(shù)據(jù)緩沖器讀取數(shù)據(jù)。10.2.3 （2）與外設(shè)相連的引腳 10VIN：單極性0+10V范圍輸入端，雙極性5V范圍輸入端。 20V IN：單極性0+20V范圍輸入端，雙極性10V范圍輸入端。 （3）其它： VCC：正電源，其范圍為0+16.5V。 R

21、EF入：參考電壓輸入。 REF出：+10V參考電壓輸出 AC：模擬地。 DC：數(shù)字地。 VEE：負(fù)電源，可選-11.4-16.5V之間的電壓。 BIP OFF：雙極性偏移，在使用中用于偏移值的調(diào)整。無須調(diào)整時(shí)，單極性輸入時(shí)接模擬地（AC），雙極性輸入時(shí)接REF出。10.2.3 3. AD 574A應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 AD 574A有單極性和雙極性兩種模擬輸入方式。 1）單極性輸入的接線和校準(zhǔn) 單極性輸入的接線如圖10.11(a)所示。 2）雙極性輸入的接線和校準(zhǔn) 雙極性輸入的接線如圖10.11(b)所示。 作為一個(gè)實(shí)例，圖10.12給出了12位分辨率的AD 574A與8位 PC總線的查詢式接口電

22、路。圖中的狀態(tài)口地址為310H，高8位口地址為312H，低4位口地址為313H。 以圖10.12的硬件接口電路為基礎(chǔ)，我們可以編制采集100個(gè)數(shù)據(jù)的軟件驅(qū)動(dòng)程序。圖10.1DAC0832的結(jié)構(gòu)圖及引腳圖WR12D713D614D515D416IOUT21210D25IOUT111ILE19Vcc203WR218XFER17D07Rfb9VREF8D16D34CS1圖圖10.2 PC機(jī)總線與機(jī)總線與DAC0832的連接的連接圖10.3 DAC1210的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖CS1WR12WR222DI36DI1115DI1016DI917DI818DI719DI620DI54DI45DI27DI18DI09Vcc24BYT1/BYT223XFER21IOUT214IOUT113DGND12AGND3Rfb11VREF10圖圖10.4 PC總線與總線與12位位DAC的連接的連接圖10.5 采樣保持電路原理圖圖圖10.6 采樣，保持示意圖采樣，保持示意圖 圖圖10.7 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳的