微機(jī)原理及接口技術(shù)第十三章

有關(guān)D/A、A/D的基本概念

DAC及其接口

ADC及其接口

A/D、D/A應(yīng)用舉例本章內(nèi)容

了解微機(jī)控制系統(tǒng)的一般組成了解D/A、A/D的基本原理了解DAC、ADC的主要性能指標(biāo)掌握DAC、ADC與CPU的接口及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目的

13.1D/A與A/D接口概述一、一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

數(shù)/模（D/A）和模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換技術(shù)主要用于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和自動(dòng)測量系統(tǒng)中。在工業(yè)控制和參數(shù)測量時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到如溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的物理量（通稱模擬量）。用計(jì)算機(jī)處理這些模擬量必須先將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。對(duì)于大多數(shù)的被控對(duì)象，計(jì)算機(jī)加工處理后輸出的數(shù)字形式控制信號(hào)還應(yīng)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬量。才能推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。一個(gè)包含A/D和D/A轉(zhuǎn)換的計(jì)算機(jī)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)

如下圖所示生

產(chǎn)

過

程傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器I/O接口計(jì)算機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器I/O接口圖13.1典型的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)二、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的主要性能參數(shù)分辨率（Resolution）

它表明A/D對(duì)模擬信號(hào)的分辨能力，由它確定能被A/D辨別的最小模擬量變化。2.量化誤差（Quantizingerror）

在A/D轉(zhuǎn)換中由于整量化產(chǎn)生的固有誤差。量化誤差在±1/2LSB（最低有效位）之間。

一個(gè)8位的A/D轉(zhuǎn)換器，它把輸入電壓信號(hào)分成28=256層，若它的量程為0~5V，那么，量化單位q為：q==≈0.0195V=19.5mV例如3.轉(zhuǎn)換時(shí)間（Conversiontime）

轉(zhuǎn)換時(shí)間是A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。一般轉(zhuǎn)換速度越快越好，常見有高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間<1us）、中速（轉(zhuǎn)換時(shí)間<1ms）和低速（轉(zhuǎn)換時(shí)間<1s）等。4.絕對(duì)精度

對(duì)于A/D，指的是對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定量，A/D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。5.相對(duì)精度

對(duì)于A/D，指的是滿度值校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字輸出所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入值（中間值）與理論值（中間值）之差。例如，對(duì)于一個(gè)8位0~+5V的A/D轉(zhuǎn)換器，如果其相對(duì)誤差為1LSB，則其絕對(duì)誤差為19.5mV，相對(duì)誤差為0.39%。三、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)的主要性能參數(shù)分辨率（Resolution）

分辨率表明DAC對(duì)模擬量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所對(duì)應(yīng)的模擬量，它確定了能由D/A產(chǎn)生的最小模擬量的變化。通常用二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示DAC的分辨率，如分辨率為8位的D/A能給出滿量程電壓的1/28的分辨能力，顯然DAC的位數(shù)越多，則分辨率越高。2.線性誤差（Linearityerror）

D/A的實(shí)際轉(zhuǎn)換值偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大偏差與滿量程之間的百分比稱為線性誤差。3.建立時(shí)間（Settingtime）

這是D/A的一個(gè)重要性能參數(shù)，定義為：在數(shù)字輸入端發(fā)生滿量程碼的變化以后，D/A的模擬輸出穩(wěn)定到最終值±1/2LSB時(shí)所需要的時(shí)間。4.溫度靈敏度它是指數(shù)字輸入不變的情況下，模擬輸出信號(hào)隨溫度的變化。一般D/A轉(zhuǎn)換器的溫度靈敏度為±50PPM/℃。PPM為百萬分之一。

5.輸出電平

不同型號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電平相差較大，一般為5V~10V，有的高壓輸出型的輸出電平高達(dá)24V~30V。

13.2DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換器一、DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖

圖13.2給出了DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖13.3給出了DAC0832的引腳圖。

DAC0832是一種相當(dāng)普遍且成本較低的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。該器件是一個(gè)8位轉(zhuǎn)換器，它將一個(gè)8位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成模擬電壓。ILECSWR1XFERWR2D0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7GD0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7GD/AD0D1D2D3D4D5D6D7VREFIOUT2IOUT1RFB鎖存器1鎖存器2轉(zhuǎn)換器圖13.2DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖13.3DAC0832引腳圖7203121181CSVREFWR1RFBD0D1D2D3

D4D5

D6D7XFERILEVCCDGNDAGND218965416151413191017IOUT2

IOUT1

DAC0832WR2各引腳的功能如下：

D0~D7：

8位數(shù)據(jù)輸入端。CS：片選信號(hào)輸入端。WR1、WR2：兩個(gè)寫入命令輸入端，低電平有效。XFER：傳送控制信號(hào)，低電平有效。IOUT1和IOUT2：互補(bǔ)的電流輸出端。RFB：反饋電阻，被制作在芯片內(nèi)，與外接的運(yùn)

算放大器配合構(gòu)成電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。VREF：轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。VCC：工作電源輸入端。AGND：模擬地，模擬電路接地點(diǎn)。DGND：數(shù)字地，數(shù)字電路接地點(diǎn)。RFB：反饋電阻，被制作在芯片內(nèi)，與外接的運(yùn)

算放大器配合構(gòu)成電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。VREF：轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。VCC：工作電源輸入端。AGND：模擬地，模擬電路接地點(diǎn)。DGND：數(shù)字地，數(shù)字電路接地點(diǎn)。(1)直通方式二、DAC0832的工作方式DAC0832可工作在三種不同的工作模式:

當(dāng)ILE接高電平，CS，WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時(shí)，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達(dá)D0~D7輸入端，就立即加到D/A轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。(2)單緩沖方式

單緩沖方式是將一個(gè)鎖存器處于緩沖方式，另一個(gè)鎖存器處于直通方式，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過一級(jí)緩沖送入D/A轉(zhuǎn)換器。(3)雙緩沖方式

即數(shù)據(jù)通過兩個(gè)寄存器鎖存后再送入D/A轉(zhuǎn)換電路，執(zhí)行兩次寫操作才能完成一次D/A轉(zhuǎn)換。三、DAC0832與CPU的連接

由于DAC0832內(nèi)部含有數(shù)據(jù)鎖存器，在與CPU相連時(shí),使其可直接掛在數(shù)據(jù)總線上。DAC0832采用單緩沖方式

與CPU的連接如圖13.4所示。I1I2I3I4I5I6I7I8I9I10O1O2O3O4O5O6O7O8GAL16V8WRA0A1A2A3A4A5A6A7M/IO+5V10K20HCSWR1WR2DGNDD0~D7D0~D7ILEXFERVREFIOUT1IOUT2AGND_+RFBLM741+5VU0DAC0832圖13.4DAC0832與CPU的單緩沖方式連接電路

下面舉例說明如何編寫D/A轉(zhuǎn)換程序。例

編寫圖13.4中DAC0832輸出三角波的匯編程序，要求三角波的最低電壓為0V，最高電壓為2.5V。分析：三角波電壓范圍0~2.5V，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量 00H~7FH。三角波的下降部分，從7FH 減1，直到數(shù)字量降為00H；上升部分則 從00H加1，直到7FH。相應(yīng)的程序如下：

MOVAL，7FH ;設(shè)2.5V初值DOWN：OUT20H，AL;輸出模擬信號(hào)到端口20H，三角波下降 ;段

DECAL ;輸出值減1

CMPAL，00H;輸出值到達(dá)0V？ JNZDOWN

;輸出值未達(dá)到0V，則跳到DOWN

UP：OUT20H，AL ;輸出模擬量到端口20H，三角波上升段

INCAL ;輸出值加1

CMPAL，7FH ;判別輸出值是否到達(dá)2.5V JNZUP

;輸出值未達(dá)到2.5V則跳到UP JMPDOWN;輸出值達(dá)到2.5V則跳到DOWN循環(huán)。

本例中DAC0832輸出的三角波如圖13.5所示。若8086的時(shí)鐘頻率為5MHz，則可計(jì)算出該三角波的周期大約為1.53ms，即頻率約為654Hz。如果要進(jìn)一步降低三角波的頻率（增大其周期），可在每次D/A轉(zhuǎn)換之后加入適當(dāng)?shù)难訒r(shí)。圖13.5DAC0832輸出的三角波形圖

13.3ADC0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換器一、ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖

ADC0809是一種普遍使用且成本較低的CMOS材料A/D轉(zhuǎn)換器。它具有8個(gè)模擬量輸入通道，可將模擬量轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制數(shù)字量。

圖13.6給出了ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖13.7給出了ADC0809的引腳圖。圖13.6ADC0809轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EOCOED0D7REF(+)REF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比較器通道選擇開關(guān)逐位逼近寄存器(SAR)開關(guān)樹型D/A8位鎖存和三態(tài)門定時(shí)和控制通道地址鎖存及譯碼模擬輸入數(shù)字輸出START圖13.7ADC0809的引腳圖

10

CLOCK

D0D1D2D3D4D5D6D7ADDAADDBADDCEOCOEALESTART

REF(+)REF(-)VccGNDIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7171481518192021252423792261216111326272812345ADC0809

CLOCK二、ADC0809與CPU的連接ADC0809與CPU的連接，主要是正確處理數(shù)據(jù)輸出線（D0~D7），啟動(dòng)信號(hào)START和轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC與系統(tǒng)總線的連接問題。

圖13.8給出了ADC0809與CPU的典型連接圖。

圖13.8ADC0809與CPU的連接圖300H~307HOEALESTARTIN0IN7ADDCADDBADDACLKEOCD7D0REF（-）GND500KHZREF+Vcc（）+5VA2A18路模擬輸入IORIOWADC0809≥1308H~30FHD7D0A012…………≥1I/O譯碼A9

A3≥1下面舉例說明如何編寫A/D轉(zhuǎn)換程序。例

編寫圖13.8中的A/D轉(zhuǎn)換程序，具體要求如下：①

順序采樣IN0~IN78個(gè)輸入通道的模擬信號(hào);②

結(jié)果依次保存在ADDBUF開始的八個(gè)內(nèi)存

單元中;

③

上述采樣每隔100ms循環(huán)一次。設(shè)DELAY

是一延時(shí)100ms子程序。

分析：（1）模擬輸入通道IN0~IN7由A0~A2決定其端口

地址，分別為300H~307H，與IOW相配合，

可啟動(dòng)ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

（2）查詢端口和讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器的地址分

別為：308H和300H。

相應(yīng)的采集程序如下：

AD：MOVCX，0008H ;通道計(jì)數(shù)單元CX賦初值

MOVDI，OFFSETADDBUF;尋址數(shù)據(jù)區(qū)，結(jié)果保存 ;在ADDBUF存儲(chǔ)區(qū)START：MOVDX，300H ;取IN0啟動(dòng)地址LOOP1：OUTDX，AL ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，AL可為 ;任意值

PUSHDX ;保存通道地址

MOVDX，308H ;取查詢EOC狀態(tài)的端口 ;地址WAIT：

INAL，DX ;讀EOC狀態(tài)

TESTAL，80H ;測試A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束

JZWAIT ;未結(jié)束，則跳到WAIT ;處

MOVDX，300H ;取讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器的 ;端口地址INAL，DX ;讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果MOV[DI]，AL ;保存轉(zhuǎn)換結(jié)果INCDI ;指向下一保存單元POPDX ;恢復(fù)通道地址INCDX ;指向下一個(gè)模擬通道LOOPLOOP1 ;未完，轉(zhuǎn)入下一通道采樣CALLDELAY ;延時(shí)100msJMPAD ;進(jìn)行下一次循環(huán)采樣，跳至 ;AD處。

13.4D/A與A/D應(yīng)用舉例給出一個(gè)使用ADC0809和DAC0832來捕獲和重放語音信號(hào)的實(shí)例。本例要求ADC0809采樣大約1秒鐘語音信號(hào)并保存到相應(yīng)存儲(chǔ)單元，D/A將此語音信號(hào)經(jīng)揚(yáng)聲器重放10次，然后循環(huán)進(jìn)行上述采樣和重放，直到系統(tǒng)關(guān)閉。

圖13.9給出了相應(yīng)得電路。1819202123456791011121317272F7H2F6H2F5H2F0HI1I2I3I4

I5I6I7I8

I9I10I11I12I13O1O2O3O4AENIOWIORA9A8A7A6A5A4A3A2A1A0U3GAL20V8111224252316762292F6H2627281234510U2VCCREF(+)IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7CLK+5VEOCADDAADDBADDCOEALESTART…D0D7放大器麥克風(fēng)500KHZD72F5HD0D1D22F0HGNDREF(-)13+5VD7D0…74112981918211…103120+12V揚(yáng)聲器-12V+5V2F7HU117DAC0832ADC0809CSXFERDGNDAGNDRFBIOUT2VREFWR2WR1ILEIOUT1D7D0-+圖13.9A/D和D/A與CPU連接圖

分析（1）DAC0832的I/O端口地址由GAL20V8譯碼產(chǎn)生的地址是2F7H；ADC0809的EOC狀態(tài)查詢地址為2F6H；讀ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)果端口地址為2F5H；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換端口地址為2F0H。（2）該程序讀大約1秒鐘語音信號(hào)，然后重放10次，重復(fù)此進(jìn)程直到系統(tǒng)被關(guān)閉。語音信號(hào)被采樣存儲(chǔ)在VOICE存儲(chǔ)區(qū)中，采樣率為每秒鐘采樣2048次。設(shè)DELAY是延時(shí)1/2048秒的子程序，且數(shù)據(jù)段中已申請(qǐng)2048個(gè)單元給VOICE。

相應(yīng)的程序如下：START： CALLREAD ;調(diào)用A/D采樣語音子程序

MOVCX，0AH ;置為10次LOOP1： CALLWRITE ;調(diào)用D/A放音子程序

LOOPLOOP1 ;重復(fù)放音10次

JMPSTART ;進(jìn)入下一次循環(huán)READPROCNEAR ;A/D語音采樣子程序

MOVDI，OFFSETVOICE;尋址數(shù)據(jù)區(qū)

MOVCX，0800H ;裝入計(jì)數(shù)器CX=2048READA： MOVAL，00H ;選擇IN0通道，D2=0， ;D1=0，D0=0MOVDX，2F0H ;DX指向A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)端口 ;地址

OUTDX，AL ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換并選中IN0通道

MOVDX，2F6H;尋址EOC狀態(tài)端口地址READB： INAL，DX ;取EOC狀態(tài)

TESTAL，80H ;測試是否轉(zhuǎn)換結(jié)束

JZREADB