匯編語(yǔ)言與接口技術(shù)h8-2AD

8．4．模數(shù)轉(zhuǎn)換原理

A/D轉(zhuǎn)換器是把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成n位二進(jìn)制數(shù)的器件。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程分為四個(gè)步驟：采樣、保持、量化和編碼。

對(duì)每個(gè)采樣值輸出一個(gè)n位數(shù)，量化過程是個(gè)近似過程，只能從這2n個(gè)數(shù)字中選取一個(gè)作為采樣的近似值。

采樣、保持量化和編碼電路示意圖

1．采樣(取樣、抽樣)

在連續(xù)變化的模擬量上按一定的規(guī)律(周期地)取出其中某一些瞬時(shí)值(樣點(diǎn))來(lái)代表這個(gè)連續(xù)的模擬量。這個(gè)過程就是采樣(Sample)。因此，采樣是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上斷續(xù)變化的、離散的模擬量。換句話說(shuō)，采樣是把一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一串時(shí)間間隔相等、幅度取決于輸入模擬量的脈沖。采樣是通過采樣器(電子模擬開關(guān))實(shí)現(xiàn)的。

2．保持

保持是在非采樣期間使采樣得到的模擬量值保持不變。采樣控制脈沖輸入模擬波形采樣

保持圖8.37采樣保持波形圖

3．采樣定理理論和實(shí)踐證明，為了準(zhǔn)確無(wú)誤地用采樣信號(hào)來(lái)表示實(shí)際模擬信號(hào)VI，采樣頻率fs必須不小于信號(hào)VI的最高次諧波分量的頻率fimax的兩倍，即

fs≥2fimax這就是采樣定理（香農(nóng)定理）。這里的"最高頻率"指的是包括干擾信號(hào)在內(nèi)的輸入信號(hào)經(jīng)頻譜分析后得到的最高頻率分量。"恢復(fù)"指的是樣品序列fs(t)通過截止頻率為fimax的理想低通濾波器后，能得到原始信號(hào)f(t)。在應(yīng)用中，一般取采樣頻率fs為最高頻率fimax的4~8倍。現(xiàn)在的問題是實(shí)際工作中如何知道輸入信號(hào)f(t)的頻譜，特別是它的最高頻率fimax。采樣頻率越高，對(duì)原始信號(hào)的恢復(fù)越好，但會(huì)增加數(shù)據(jù)量，對(duì)計(jì)算機(jī)完成采樣處理的速度、存儲(chǔ)容量等提出較高的要求。

4．量化量化過程是模/數(shù)轉(zhuǎn)換的核心。所謂量化，就是以一定的量化單位，把數(shù)值上連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的模擬信號(hào)后，通過量化裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值上離散的階躍量的過程?；蛘哒f(shuō)，量化的過程就是A/D轉(zhuǎn)換電路把離散信號(hào)的幅值數(shù)字化的過程。例如，用天平稱量重物就是量化過程。從原理上講，量化相當(dāng)于只取近似整數(shù)商的除法運(yùn)算。量化單位用q表示，量化就是用基本的量化單位q的個(gè)數(shù)來(lái)表示采樣一保持電路得到的模擬電壓值。圖8.38量化特性和誤差特性

例如，分析圖8.2(b)三位ADC的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖，由零至滿刻度(FSR)的模擬輸入范圍被劃分成1/8、2/8、…、7/8共為23個(gè)值，這些數(shù)值稱為量化階梯。而相鄰各量化階梯值之間中點(diǎn)值(1/16、2/16、…、15/16)稱為比較電平，采樣后的模擬信號(hào)瞬時(shí)值同比較電平相比較，并賦給相應(yīng)的量化階梯值的過程稱為量化。例如，若瞬時(shí)值為7/32FSR，因3/16＜7/32＜4/16，故賦值為2/8FSR。各量化階梯間的差值通常用△V=?nFSR表示。比較電平選擇在量化階梯之間的中點(diǎn)處，可獲得最小的量化誤差±?LSB。

5．編碼編碼就是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值(它一定是量化電平的整數(shù)倍)用二進(jìn)制數(shù)碼、BCD碼或其它碼來(lái)表示，比如在圖8.2(b)中7/32FSR量化后為2/8FSR，對(duì)量化結(jié)果用3位二進(jìn)制進(jìn)行編碼為‘010’。采樣和保持是由S/H電路來(lái)完成，量化和編碼是由ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檗D(zhuǎn)換期間S/H器工作于保持方式，所以，ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換的采樣值實(shí)際是每次采樣結(jié)束時(shí)的瞬時(shí)值。至此，完成了A/D轉(zhuǎn)換的全過程，將各采樣點(diǎn)的模擬電壓轉(zhuǎn)換成了與之一一對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼。

8．4．1A/D轉(zhuǎn)換器基本工作原理

A/D轉(zhuǎn)換器基本的工作原理比較典型的有并行轉(zhuǎn)換、逐次逼近和積分工作原理。

1．并行A/D轉(zhuǎn)換器速度最快、成本最高、原理最簡(jiǎn)單。采用直接比較法，2n

個(gè)電阻、2n－1個(gè)比較器、一個(gè)編碼器。其轉(zhuǎn)換速度只受比較器、編碼器延遲時(shí)間的限制。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的成本隨分辨率的提高而迅速增加，所以并行A/D轉(zhuǎn)換器分辨率通常不高于5位。圖8.39并行A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖

2．逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近式ADC的基本特點(diǎn)是：二分搜索，反饋比較，逐次逼近。逐次逼近式ADC由電壓比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器（SAR）、控制邏輯和輸出緩沖器等部分組成。轉(zhuǎn)換前寄存器各位清0，采用從最高位開始的逐位試探法——“低于”，該位1保留，“高于：，該位清0。圖8.40逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖

特點(diǎn)：是中速（1ms～1μs）、8～16位A/D轉(zhuǎn)換器的主流產(chǎn)品。

3．雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器基本原理：對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓進(jìn)行兩次積分，變換成與輸入電壓平均值成正比的時(shí)間間隔，利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔。由于它是取輸入電壓的平均值進(jìn)行變換，因此這種轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，在數(shù)字測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。實(shí)質(zhì)是電壓—時(shí)間變換。不需DAC而省掉了高精度電阻網(wǎng)絡(luò)，故能以相對(duì)低的成本實(shí)現(xiàn)高分辨率，但二次積分過程使它的轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。典型的8位芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間是10ms。

4．VF轉(zhuǎn)換式ADCV/F轉(zhuǎn)換式ADC是將電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)的一種變換電路，通常簡(jiǎn)稱為V/F變換器。經(jīng)常采用的有恢復(fù)型、反饋型和恒流源恢復(fù)型等幾種。恒流源恢復(fù)型電路由積分器、比較器、比較電壓VC、控制電路和計(jì)數(shù)器組成。

V/F變換器的轉(zhuǎn)換速度較低，但它在轉(zhuǎn)換線性度、精度、抗干擾能力和積分輸入特性等方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

5．A/D的性能參數(shù)和術(shù)語(yǔ)

（1）分辨率分辨率表示A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬輸入電壓微小變化的分辨能力，即由它能確定A/D可以辨別的變化的最小模擬量。它是數(shù)字輸出的最低位(LSB)所對(duì)應(yīng)的模擬輸入電平值。由于分辨率與轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n有直接關(guān)系，所以也常用二進(jìn)制位數(shù)來(lái)表示分辨率。（2）量化誤差(QuantizingError)

量化誤差是在A/D轉(zhuǎn)換中由于整量化所產(chǎn)生的固有誤差。對(duì)于舍入(四舍五入)量化法，量化誤差在±?LSB之間。這個(gè)量化誤差的絕對(duì)值是轉(zhuǎn)換器的分辨率和滿量程范圍的函數(shù)。

（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間(ConversionTime)A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。即從輸入轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束所經(jīng)歷的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。例如轉(zhuǎn)換時(shí)間是100ns，轉(zhuǎn)換率為10MHz。（4）絕對(duì)精度絕對(duì)精度(或絕對(duì)誤差)是指對(duì)應(yīng)于某個(gè)數(shù)字量的實(shí)際模擬輸入值與理論模擬輸入值之差。實(shí)際模擬輸入值是指一個(gè)范圍，因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)的模擬值具有相同的數(shù)字輸出。通常規(guī)定，對(duì)應(yīng)于某一數(shù)字量的模擬輸入量范圍的中間值為實(shí)際輸入值。

（5）相對(duì)精度較普遍采用的定義是指滿度值校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字輸出所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入值與理論值(中間值)之差。對(duì)于線性A/D，相對(duì)精度就是非線性度。

ADC芯片按速度分檔可分為四類：轉(zhuǎn)換時(shí)間大于lms的為低速，1ms～1μs的為中速，小于1μs的為高速，小于1ns為超高速。8．5模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及接口技術(shù)

8．5．1ADC0808／0809CMOS數(shù)據(jù)采集器件

1．主要特性

·分辨率為8位。

·轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs。

·工作溫度范圍為－40～＋85℃。

·功耗為15mW。

·8個(gè)模擬輸入通道，通道地址鎖存并譯碼?！げ捎昧擞呻娮桦A梯和開關(guān)組成的開關(guān)樹型D/A，能確保無(wú)漏碼。

·總的不可調(diào)誤差在±?LSB和±1LSB的范圍。

·不需作零或者滿刻度校準(zhǔn)。

·單一5V電源供電。模擬輸入電壓范圍為0～5V。

·與TTL兼容三態(tài)數(shù)據(jù)輸出，易于與微處理器相連。

·時(shí)鐘頻率為10KHz～1280KHz。

2．結(jié)構(gòu)和引腳

ADC0808／0809由模擬輸入、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字輸出三部分構(gòu)成。3．工作時(shí)序

4．ADC0809與8086MPU接口（1）采用查詢法

ADC0809與MPU采用查詢法的接口電路：

通道地址ADDA，ADDB，ADDC分別接到地址總線的A0、A1、A2上。

從接口電路知：通道選擇與啟動(dòng)轉(zhuǎn)換端口為50H～57H，狀態(tài)端口40H，輸出允許OE端口48H。

假設(shè)僅對(duì)模擬通道IN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用查詢方式的程序如下(對(duì)0通道采樣一個(gè)點(diǎn))：

OUT50H，AL；選通IN0，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

CALLDELAY；延時(shí)8T+2μs。W：INAL，40H；輸入EOC標(biāo)志

TESTAL，01H；未結(jié)束，返回等待

JZWINAL，48H；結(jié)束，把結(jié)果送入AL中

若對(duì)IN0～I(xiàn)N78個(gè)通道的模擬量各采樣100個(gè)點(diǎn)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的采用查詢方式的程序如下：

·MODELSMALL

·DATAWPDB800DUP（？）

·CODE

·STARTUPMOVBX，OFFSETWP；設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指針

MOVCL，100；設(shè)置計(jì)數(shù)初值

N：MOVDX，0050HP：OUTDX，AL；選通一個(gè)通道，啟動(dòng)A/D；

AL中內(nèi)容無(wú)意義。

CALLDELAY；延時(shí)8T+2μs。W：INAL，40H；輸入EOC標(biāo)志

TESTAL，01H；測(cè)試狀態(tài)

JZW；未結(jié)束，返回等待

INAL，48H；結(jié)束，讀數(shù)據(jù)

MOV[BX]，AL；存數(shù)

INCBX；修改存儲(chǔ)地址指針

INCDX；修改A/D通道地址

CMPDX，0058H；判斷八個(gè)通道是否轉(zhuǎn)換完

JNZP；未完，返回啟動(dòng)新通道

DECCL；100個(gè)點(diǎn)是否采樣完了，未完返回再啟動(dòng)IN0通道

JNZN；100個(gè)點(diǎn)完了，結(jié)束。

·EXITEND

（2）采用中斷響應(yīng)法

ADC0809與8086MPU采用中斷響應(yīng)法的接口電路：（通道的地址ADDA，ADDB，ADDC分別接到數(shù)據(jù)總線的D0，D1，D2上）。

假設(shè)ADC0809端口地址為98H，僅對(duì)模擬通道IN3進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用中斷響應(yīng)法的程序?yàn)椋?/p>

CLIMOVAL，03H；選通IN3，并啟動(dòng)

OUT98H，ALA/D轉(zhuǎn)換

NOPNOPSTI而在中斷服務(wù)程序中用一條指令

INAL，98H；讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量

若對(duì)IN0～I(xiàn)N78個(gè)通道的模擬量各采樣100個(gè)點(diǎn)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量采用中斷方式的程序如下：

·MODELSMALL

·DATABUFDB800DUP（？）

ADDRDWBUFNUMDB0COUNTDB100

·CODE

·STARTUPMOVAL，13H；8259A初始化，ICW1OUT20H，ALMOVAL，70H；ICW2（IR2中斷類型號(hào)72H）

OUT21H，ALMOVAL，01H；ICW4OUT21H，ALPUSHDSMOVAX，0，；中斷向量表段基址

MOVDS，AXMOVBX，OFFSETXY；中斷服務(wù)程序偏移地址

MOVSI，SEGXY；中斷服務(wù)程序段地址

MOV[01C8H]，BX；72H×4=01C8HMOV[01CAH]，SIPOPDSMOVBL，00HMOVAL，BL；設(shè)置通道初值IN0OUT98H，AL；啟動(dòng)A/DMOVDI，0FFFFH；有限延時(shí)，等待中斷

PP：MOVSI，0FFFFHLL：DECSIJNZLLDECDIJNZPP·EXIT

XYPROCFARUSESAX，BX；中斷服務(wù)程序

STIINAL，98H；讀數(shù)據(jù)

MOVBX，ADDR；取緩沖區(qū)地址

MOV[BX]，AL；存數(shù)據(jù)

INCBX；修改地址

MOVADDR，BXINCNUM；修改通道

CMPNUM，08H；八個(gè)通道是否轉(zhuǎn)換完

JNZSTART；未完。啟動(dòng)下一個(gè)通道

DECCOUNT；100個(gè)點(diǎn)是否轉(zhuǎn)換完

JZDONE；轉(zhuǎn)換完結(jié)束

MOVNUM，0；未轉(zhuǎn)換完，重新啟動(dòng)通道0START：MOVAL，NUMOUT98H，ALDONE：CLI；關(guān)中斷

MOVAL，20HOUT20H，AL；向8259A發(fā)一般中斷結(jié)束命令

IRET；中斷返回

XYENDPEND

8．4．2AD1674AD1674是美國(guó)AD公司的產(chǎn)品，是目前應(yīng)用較廣的12位快速逐次逼進(jìn)式ADC芯片一．主要技術(shù)指標(biāo)

·分辨率12位

·快速逐次逼進(jìn)式，轉(zhuǎn)換時(shí)間10μs。

·內(nèi)部集成時(shí)鐘、基準(zhǔn)電壓電路以及采樣保持放大器。

·有與8位/16位微處理器兼容的接口，三態(tài)輸出鎖存。

·單級(jí)性和雙級(jí)性輸入，模擬輸入電壓范圍0V～10V、0V～20V、±5和±10V，

AD1674管腳及結(jié)構(gòu)圖：引腳功能：28個(gè)引腳

·輸出數(shù)據(jù)格式選擇12/-8

。用于選擇輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，當(dāng)接高電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)為12位長(zhǎng)度；當(dāng)接低電平時(shí)，是將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)變?yōu)閮蓚€(gè)8位長(zhǎng)度輸出。

·字節(jié)尋址/短轉(zhuǎn)換周期A0

。用于選擇輸出格式，如果啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)A0為低，則啟動(dòng)12位輸出格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。如果啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)A0為高，則啟動(dòng)8位輸出格式的短轉(zhuǎn)換周期。在8位輸出格式讀數(shù)據(jù)周期，即R/=1且12/=0時(shí)，A0=0讀DB11～DB4的數(shù)據(jù)；A0=1讀DB3～DB0的數(shù)據(jù)。

·讀或轉(zhuǎn)換選擇R/-C

。在全控工作方式下，當(dāng)R/為高時(shí)，可將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)讀出；當(dāng)為低時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在單一工作方式下，R/下降沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

·芯片選擇信號(hào)-CS。低電平有效。和CE信號(hào)一起控制轉(zhuǎn)換與讀操作。

·芯片使能信號(hào)CE。高有效，用來(lái)控制轉(zhuǎn)換與讀操作，只有當(dāng)它為高時(shí)，并且=0時(shí)，R/信號(hào)的控制才起作用。

·轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端STS。在轉(zhuǎn)換進(jìn)行過程中呈現(xiàn)高電平，轉(zhuǎn)換一結(jié)束立即返回到低電平?？捎貌樵兎绞綑z測(cè)此端電平變化，來(lái)判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，也可利用它的負(fù)跳變沿來(lái)觸發(fā)一個(gè)觸發(fā)器產(chǎn)生INT信號(hào)，在中斷服務(wù)程序中讀取轉(zhuǎn)換后的有效數(shù)據(jù)。

·數(shù)據(jù)線DB11～DB0。分為A段DB11～DB8，B段DB7～DB4，C段DB3～DB0。在12位數(shù)據(jù)格式中，提供12位轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)。8位數(shù)據(jù)格式如下：

·參考電壓輸入REFIN。正常使用時(shí)，通過50Ω電阻和REFOUT相連。

·參考電壓輸出REFOUT。輸出＋10V參考電壓?！