考研類復(fù)試專用微機(jī)原理

1、大連理工大學(xué)自動(dòng)化系微機(jī)原理第九章 數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換9.1 模擬輸入輸出系統(tǒng)9.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC）及其應(yīng)用9.3 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（ADC）及其應(yīng)用模擬接口電路的任務(wù)模擬電路的任務(wù)0010110110101100工業(yè)生產(chǎn)過程傳感器放大濾波多路轉(zhuǎn)換&采樣保持A/D轉(zhuǎn)換放大驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換輸出接口微型計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入接口物理量變換信號處理信號變換I/O接口輸入通道輸出通道9.1 模擬輸入輸出系統(tǒng)傳感器（Transducer）非電量電壓、電流 變送器（Transformer）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號信號處理（Signal Processing）放大、整形、濾波 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multiplexer） 多

2、選一采樣保持電路（Sample Holder，S/H）保證變換時(shí)信號恒定不變A/D變換器（A/D Converter）模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 模擬量輸入通道模擬量輸出通道D/A變換器（D/A Converter）數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量低通濾波平滑輸出波形放大驅(qū)動(dòng)提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，電流模擬量連續(xù)變化的物理量數(shù)字量時(shí)間和數(shù)值上都離散的量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器9.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）及其應(yīng)用9.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的原理9.2.2 DAC接口電路9.2.3 DAC應(yīng)用9.2.4 典型DAC電路DAC08329.2.1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）原理1.數(shù)/模轉(zhuǎn)換通道的組成必須要將計(jì)

3、算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬的電流或電壓，這個(gè)任務(wù)主要由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來完成 數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片一般內(nèi)部設(shè)有輸入鎖存器，能將計(jì)算機(jī)輸入給它的數(shù)字量鎖存下來 需要有一級功率放大電路，將D/A輸出的電流或電壓放大到足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/A變換器的基本工作原理組成：模擬開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器 兩種電阻網(wǎng)絡(luò)：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、T形電阻網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖：Rf Vref模擬開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)VO數(shù)字量單個(gè)輸入電阻 運(yùn)放的放大倍數(shù)足夠大時(shí)，輸出電壓Vo與輸入電壓Vin的關(guān)系為：式中： Rf 為反饋電阻 R 為輸入電阻 VinRf VoR 多輸入電阻 若輸入端有n個(gè)支路, 則輸出電壓VO與輸入電壓Vi的關(guān)系為：式中：Ri 為第

4、i支路的輸 入電阻VinRf VOR1Rn輸入電阻為2iRf 令每個(gè)支路的輸入電阻為2iRf , 并令Vin為一基準(zhǔn)電壓Vref，則有如果每個(gè)支路由一個(gè)開關(guān)Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si斷開，則上式變換為 若Si=1,該項(xiàng)對VO有貢獻(xiàn)若Si=0,該項(xiàng)對VO無貢獻(xiàn)2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8與上式相對應(yīng)的電路如下(圖中n=8)： 圖中的電阻網(wǎng)絡(luò)就稱為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)如果用8位二進(jìn)制代碼來控制圖中的S1S8(Di=1時(shí)Si閉合；Di=0時(shí)Si斷開)，那么根據(jù)二進(jìn)制代碼的不同，輸出電壓VO也不同，這就構(gòu)成了8位的D/A轉(zhuǎn)

5、換器。可以看出，當(dāng)代碼在0FFH之間變化時(shí)，VO相應(yīng)地在0-(255/256)Vref之間變化。為控制電阻網(wǎng)絡(luò)各支路電阻值的精度，實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器采用R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，它只用兩種阻值的電阻(R和2R)。Iout2Iout1RfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電壓電子開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖VaVREFVbVREF/2VcVREF/4VdVREF/8I0Vd/2RVREF/（82R）I1Vc/2RVREF/（42R）I2Vb/2RVREF/（22R）I3Va/2RVREF/（12R）D/A轉(zhuǎn)換器的原理Iou

6、t1I0I1I2I3VREF/2R（1/81/41/21）RfbRVoutIout1RfbVREF（20212223）/24Vout（D/2n）VREFD/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率（Resolution）輸入的二進(jìn)制數(shù)每1個(gè)最低有效位(LSB)使輸出變化的程度。一般用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示: 如8位、10位 例：一個(gè)滿量程為5V的10位DAC，1 LSB的變化將使輸出變化 5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV轉(zhuǎn)換精度（誤差）實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差。一般用最小量化階來度量，如1/2 LSB 也可用滿量程的百分比來度量，如0.05% FSR LSB:

7、Least Significant Bit FSR: Full Scale Range 轉(zhuǎn)換時(shí)間從開始轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差1/2 LSB所對應(yīng)的模擬量所需要的時(shí)間tV1/2 LSBtCVFULL0（一）8位DAC接口電路鎖器地址譯碼器A15A0IOW160HD7D0CLK存DACD7D0RfbIOUT1-+VREFVOUTIOUT2MOV AL, DAMEMMOV DX, 160HOUT DX, AL9.2.2 DAC的接口電路（二）多于8位DAC的接口電路使用雙緩沖結(jié)構(gòu)避免輸出毛刺。四位鎖存器八位鎖存器四位鎖存器八位鎖存器DACD7D0D11D8RfbIOUT1IOUT2-+地址譯碼器160

8、H162HA15A0IOWD7D0VREFVOUT164H程序段LEA SI, DAMEMMOV AL, SIMOV DX, 162HOUT DX, ALMOV AL, SI+1MOV DX, 160HOUT DX, ALMOV DX, 164HOUT DX, AL例1 產(chǎn)生正向鋸齒波WAVE1 PROC XOR AL, ALCIRL： MOV DX, 160H OUT DX, AL CALL DELAY INC AL JMP CIRLWAVE1 ENDP例2 產(chǎn)生負(fù)向鋸齒波WAVE2 PROC XOR AL, AL MOV DX, 160HCIRL： DEC AL OUT DX, AL CA

9、LL DELAY JMP CIRLWAVE2 ENDP9.2.3 DAC及其應(yīng)用例3 產(chǎn)生三角波WAVE3 PROCXOR AL, ALMOV DX, 160HUP: OUT DX, AL CALL DELAY INC AL JNZ UPDOWN: DEC AL OUT DX, AL CALL DELAY AND AL, AL JNZ DOWN JMP UPWAVE3 ENDPDAC0832為8位CMOS D/A轉(zhuǎn)換器（一）功能圖9.2.4 典型DAC電路DAC0832DAC0832是典型的8位電流輸出型通用DAC芯片RfbIOUT2VREFD7D6D5D4D3D2D1D0LEQ7Q6Q5Q4

10、Q3Q2Q1Q08位輸入寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0LEQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q08位DAC寄存器8位DACLE=“1”Q跟隨DLE=“0”數(shù)據(jù)鎖存DAC0832功能圖AGNDIOUT1DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSWR1WR2XFER轉(zhuǎn)換器（二）引腳圖1234567891020191817161514131211DAC0832引腳圖CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRfbDGNDVccILEWR2XFERDI5DI4DI6DI7IOUT2IOUT1控制信號ILE CS WR1有效使數(shù)據(jù)進(jìn)入輸入寄存器;WR2 XFER有效，數(shù)據(jù)到DA

11、C寄存器。CS，片選信號，低電平有效ILE，允許鎖存信號，輸入寄存器選通信號，高電平有效 WR1，寫輸入寄存器信號，低電平有效WR2，寫8位DAC寄存器信號，低電平有效XFER，傳輸控制信號，允許8位DAC寄存器數(shù)據(jù)送到8位D/A轉(zhuǎn)換器。DAC0832三種工作方式：直通方式：LE1和LE2一直為高，數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器；單緩沖方式：LE1或者LE2一直為高，只控制其中一級寄存器；雙緩沖方式：不讓LE1和LE2一直為高，控制兩級寄存器。LE1從高到低，將從DI0DI7進(jìn)入的數(shù)據(jù)存入輸入寄存器； LE2從高到低，將輸入寄存器的數(shù)據(jù)存入DAC寄存器，同時(shí)開始D/A轉(zhuǎn)換。 雙緩沖方式能做到對某

12、個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)，輸入下一個(gè)數(shù)據(jù)，適用于要求多個(gè)模擬量同時(shí)輸出的場合。輸入信號D7D0，8條輸入數(shù)據(jù)線（DI7DI0）模擬信號IOUT1：DAC電流輸出1 IOUT1 = （VREF/15k）* N/256IOUT2：DAC電流輸出2 IOUT2 = （VREF/15k）*（256-N）/256Rfb：反饋電阻，其值為15k，溫度特性與電阻網(wǎng)絡(luò)相同，為DAC提供輸出電壓，用作運(yùn)放反饋電阻。VREF：參考電壓輸入，外部精密電壓源接到內(nèi)部R2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，范圍：-10+10V。AGND，模擬地（三）應(yīng)用舉例DAC0832做IBM-PC的DAC接口卡，硬件連接如下A0RfbIOUT1IO

13、UT2D7D6D5D4D3D2D1D0WRCSILEVREFWR2XFER74LS04AEN+5V+5V-+12V-12VVOUT(05V)-+MC1403+12VR2W1R1R374LS133A9A8A7A6A5A4A3A2A1D7D6D5D4D3D2D1D0IOW說明DAC0832采用單緩沖結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)相連，WR2與XFER接成有效狀態(tài)。使用10根地址線譯碼，AEN為DMAC的地址允許信號，低電平為I/O端口操作，端口地址A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A00101100000160H地址DAC采用單向輸出， 輸出電壓為05V（VREF = -5V）,VO = -（N

14、 / 256） VREF = 19.5 N（mv）其中N為數(shù)字量，步長為19.5mv?；鶞?zhǔn)電壓VREF 選擇VREF的原則應(yīng)使其精度高于DAC0832的分辨率，即高于0.4%。MC1403是高穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源，輸入4.5V15V,輸出為2.5V1%。溫度穩(wěn)定性為25ppm，其輸出接負(fù)向放大器，調(diào)節(jié)電位計(jì)使VREF= -5V。一般模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道由傳感器、信號處理、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器組成9.3 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（ADC）及其應(yīng)用 A/D轉(zhuǎn)換器（Analog to Digit） A/D轉(zhuǎn)換器是模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的核心環(huán)節(jié)，其功能是將模擬輸入電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（二進(jìn)制數(shù)或BCD碼等），以

15、便由計(jì)算機(jī)讀取、分析處理，并依據(jù)它發(fā)出對生產(chǎn)過程的控制信號 一. 常用ADC計(jì)數(shù)器式ADC：準(zhǔn)ADC、串行輸出（單積分式）。積分式ADC（雙斜式，積分比較式） 精度高，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格低，速度慢。逐次逼近式ADC 精度高，速度較快，電路復(fù)雜，價(jià)高。并行ADC 速度最快，電路復(fù)雜，位數(shù)難做多。比較器數(shù)量M與位數(shù)N之間關(guān)系為M = 2 N-1以最低位為增減量單位的逐步計(jì)數(shù)法時(shí)鐘復(fù)位數(shù)字輸出比較器模擬輸入計(jì)數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束1. 計(jì)數(shù)器式從最高位開始的逐位試探法時(shí)鐘復(fù)位數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束比較器模擬輸入寄存器D/A轉(zhuǎn)換器2. 逐次逼近式兩個(gè)積分階段實(shí)質(zhì)是電壓/時(shí)間變換IREFIinVinVREF

16、積分器比較器V/IV/I時(shí)鐘啟動(dòng)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器數(shù)字輸出T2T1Vc固定斜率時(shí)間可變固定時(shí)間斜率可變轉(zhuǎn)換結(jié)束3. 雙積分式速度快成本高直接比較法編碼電路VinVREF數(shù)字輸出比較器RRRRRRR/2R/24. 并行式ADC的的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率（Resolution）精度（precision） 量程（滿刻度范圍Full Scale Range） 轉(zhuǎn)換時(shí)間（Conversion Time） 線性度誤差（Linearity Error） 分辨率（Resolution） 分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測量的最小值。通常用輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)來表示。例如稱八位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率稱為8位，它把模擬電壓的變化范

17、圍分成28-1級（255級）。位數(shù)越多，分辨率越高精度（precision）精度是指轉(zhuǎn)換的結(jié)果相對于實(shí)際的偏差，精度有兩種表示方法（1）絕對精度：用最低位（LSB）的倍數(shù)來表示，如（1/2）LSB或1LSB等（2）相對精度：用絕對精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)來表示，例如0.05%等 注意：分辨率與精度是兩個(gè)不同的概念量程（滿刻度范圍Full Scale Range）量程是指允許輸入模擬電壓的變化范圍。實(shí)際上A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的最大輸出值總是比滿刻度值小1/2n，n為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，這是因?yàn)槟M量的0值是2n個(gè)轉(zhuǎn)換狀態(tài)中的一個(gè)，在0值以上，則有2n-1個(gè)梯級 按通常習(xí)慣，轉(zhuǎn)換器的模擬量范圍總是用滿刻

18、度表示。例如12位的A/D轉(zhuǎn)換器，其滿刻度值為10V，而實(shí)際的最大輸出值為轉(zhuǎn)換時(shí)間（Conversion Time） 從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開始直至轉(zhuǎn)換出穩(wěn)定的二進(jìn)代碼所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換器工作原理及其位數(shù)有關(guān)。同種工作原理的轉(zhuǎn)換器，通常位數(shù)越多，其轉(zhuǎn)換時(shí)間則越長 線性度誤差（Linearity Error） 理想的轉(zhuǎn)換器特性應(yīng)該是線性的，即模擬量輸入與數(shù)字量輸出成線性關(guān)系。線性度誤差是轉(zhuǎn)換器實(shí)際的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換關(guān)系與理想直線不同而出現(xiàn)的誤差，通常用多少LSB表示 用軟件和DAC實(shí)現(xiàn)ADC（一）硬件電路 鎖存器-+地址譯碼器160H162HA15A0IOWD7D0DACIORD0VoVx比

19、較器ADC PROC XOR AX, AX ；清累加器 MOV BL, 80H ；最高位置1 MOV CX, 08H ；做8次AGAIN： ;AL為當(dāng)前碼值 OR AL, BL ;計(jì)算試探值 MOV BH, AL;保留試探值 MOV DX, 160H OUT DX, AL ；輸出到DAC MOV DX, 162H IN AL, DX ;讀入比較值 TEST AL, 01H ;只看最低位 JNZ NEXT ;試探值小，保留此位 MOV AL, BL ;試探值大于測量值，該位置0 NOT AL AND AL, BH MOV BH, ALNEXT： ROR BL, 1 ;右移一位 MOV AL, B

20、H ;BH存放結(jié)果 LOOP AGAIN RETADC ENDP由逐次逼近方法實(shí)現(xiàn)ADC子程序如下，轉(zhuǎn)換結(jié)果在（AL）中。典型ADC及其應(yīng)用ADC0804（一）ADC08041234567891020191817161514131211ADC0804引腳圖CSRDWRCLKININTRVIN（+）VIN（-）VREF/2DGNDVccCLKRDB0DB2DB3DB4DB5DB7AGNDDB1DB6ADC0804是CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間100s，輸入電壓范圍為05V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為 5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)

21、，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。 1.引腳圖2. ADC0804引腳說明VIN+、VIN-：ADC0804的兩模擬信號輸入端，用以接收單極性、雙極性和差模輸入信號。D7D0：A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能與微機(jī)總線相接。 AGND：模擬信號地。DGND:數(shù)字信號地。CLKIN:外電路提供時(shí)鐘脈沖輸入端。CLKR:內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器外接電阻端，與CLKIN端配合可由芯片自身產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，其頻率為1.1/RC。 片內(nèi)時(shí)鐘電路R10KC150PfCLK=11.1RC=600KHzCLKINCLKRCS：片選信號輸入端，低電平有效，一旦CS有效，表明A/D轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動(dòng)工作。WR：寫信號輸入，接收微機(jī)系統(tǒng)或其它數(shù)字系統(tǒng)控制芯片的啟動(dòng)輸入端，低電平有效， 當(dāng)CS、WR同時(shí)為低電平時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。RD:讀信號輸入，低電平有效，當(dāng)CS、RD同時(shí)為低電平時(shí)，可讀取轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)。INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，低電平有