第8章-微機(jī)原理及單片機(jī) AD和DA轉(zhuǎn)換器

第8章A/D和D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832學(xué)習(xí)目標(biāo)了解DAC0832的結(jié)構(gòu)和工作原理。理解D/A轉(zhuǎn)換器的編程及其應(yīng)用。了解ADC0809轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理。理解A/D轉(zhuǎn)換器的編程及其應(yīng)用。學(xué)習(xí)內(nèi)容第一部分：數(shù)字量與模擬量第二部分：模擬量輸入輸出通道第三部分：數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換

數(shù)字量（Digit）和模擬量（Analog） 為了使用計(jì)算機(jī)對(duì)模擬量進(jìn)行采集、加工和輸出，需要把模擬量轉(zhuǎn)換成便于數(shù)字計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和加工的數(shù)字量（A/D轉(zhuǎn)換，ADC），或者把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量(D/A轉(zhuǎn)換，DAC)。模擬量輸入輸出通道1．傳感器（變送器）把外部的物理量（例如：聲音、溫度、壓力、流量等）轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號(hào)。2．

A/D轉(zhuǎn)換器將電壓表示的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送計(jì)算機(jī)處理，它是輸入通道的核心環(huán)節(jié)。3．信號(hào)處理

傳感器輸出的信號(hào)比較微弱，需要經(jīng)過放大獲得ADC所要求的輸入電平范圍。安裝在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器及其傳輸線路容易受到干擾信號(hào)的影響，需要加接濾波電路，濾去干擾信號(hào)。4．多路開關(guān)需要監(jiān)測(cè)或控制的模擬量往往多于一個(gè)?？梢允褂枚嗦纺M開關(guān)，輪流接通其中的一路，使多個(gè)模擬信號(hào)共用一個(gè)ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。5．采樣/保持器

A/D轉(zhuǎn)換期間保持輸入信號(hào)不變的電路稱為采樣/保持電路。轉(zhuǎn)換開始之前，采樣/保持電路采集輸入信號(hào)(采樣)。轉(zhuǎn)換進(jìn)行過程中，它向A/D轉(zhuǎn)換器保持固定的輸出(保持)。6．D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器將成數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換第一部分：D/A轉(zhuǎn)換原理第二部分：D/A轉(zhuǎn)換的主要性能指標(biāo)第三部分：D/A轉(zhuǎn)換芯片—DAC0832第四部分：DAC0832的應(yīng)用D/A轉(zhuǎn)換原理

數(shù)字量是由一位一位的二進(jìn)制數(shù)位構(gòu)成的，每個(gè)數(shù)位都代表一定的權(quán)。

把一個(gè)數(shù)字量變成模擬量，必須把每一位上的代碼按照權(quán)來轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬量，再把各模擬量相加，這樣，得到的總的模擬量便對(duì)應(yīng)于給定的數(shù)據(jù)。

通常用T型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量向模擬電流的轉(zhuǎn)換；再利用運(yùn)算放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。權(quán)電阻D/AD/A轉(zhuǎn)換的主要性能指標(biāo)（1）分辨率分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個(gè)不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個(gè)不同等級(jí)的輸出模擬電壓。（2）精度

精度是指某一數(shù)字量的理論輸出值和經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換的實(shí)際輸出值之差。（3）線性誤差指數(shù)字量變化時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量按比例關(guān)系變化的程度。（4）轉(zhuǎn)換時(shí)間指數(shù)字量從輸入到完成轉(zhuǎn)換、輸出達(dá)到最終值并穩(wěn)定為止所需的時(shí)間。D/A轉(zhuǎn)換芯片—DAC0832DAC0832主要特性：分辨率8位；電流建立時(shí)間1μS；數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式；輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)節(jié)；邏輯電平輸入與TTL電平兼容；單一電源供電（＋5V～＋15V）；低功耗，20mW。DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A寄存器DI7~DI0ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RFBAGND(模擬地)8位輸入寄存器用于存放CPU送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由LE1加以控制。8位輸入寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由LE2控制。8位D/A寄存器由8位T型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)組成，電子開關(guān)受8位DAC寄存器的輸出控制，T型電阻網(wǎng)絡(luò)能輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流。T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換就是要將數(shù)字量D轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量V，即：V=R×D，其中R為比例系數(shù)。數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）電路形式是多種多樣的，多數(shù)采用T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)。在T型解碼網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電源VREF。二進(jìn)制數(shù)的每一位di（i=0,1,2）對(duì)應(yīng)一個(gè)電阻2R，并由該二進(jìn)制值di控制一個(gè)雙向電子開關(guān)Ki。從A點(diǎn)看：I0=VA/(2R);I1=2I0B點(diǎn)左邊的網(wǎng)絡(luò)電路可簡化一個(gè)2R的等效電阻，與A點(diǎn)同樣原理可得：I1=VB/(2R);I2=2I1最后將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)電路等效為一個(gè)阻值為R的電阻，則由H點(diǎn)：I=VREF/RI7=I/21、I6=I/22、I5=I/23、I4=I/24、I3=I/25、I2=I/26、I1=I/27、I0=I/28當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為11111111時(shí)，總電流：Io1=I/28*(27+26+25+24+23+22+21+20)輸出電壓：

Vo=-Io1*Rfb=-((VREF/R)/28)*(27+26+25+24+23+22+21+20)*Rfb推廣到一般情況，對(duì)于n位二進(jìn)制數(shù)D，其輸出電壓為：V=(VREF*Rfb)

/(R*2n)*DDAC0832的引腳信號(hào)2019181716151413121112345678910

VCC

ILE

WR2

XFER

DI4

DI5

DI6

DI7IOUT1IOUT2

CS

WR1

AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGNDD0～D7：8位數(shù)據(jù)輸入線ILE:數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效；CS:片選信號(hào)輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR1:為輸入寄存器的寫選通信號(hào)。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效。WR2：為DAC寄存器寫選通輸入線。Iout1:電流輸出線。當(dāng)輸入全為1時(shí)Iout1最大。Iout2:電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。DAC0832的工作方式直通方式當(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)DI7～DI0輸入端，就立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。單緩沖方式只要把兩個(gè)寄存器中的任何一個(gè)接成直通方式，而用另一個(gè)鎖存器數(shù)據(jù)，DAC就可處于單緩沖工作方式。+-Voport數(shù)據(jù)線地址譯碼PC總線IOWA0~A9D0~D7+5VCSDAC0832DI0~DI7IOUT1IOUT2RFBXFER

WR2WR1ILE單緩沖工作方式:

輸入寄存器工作于受控狀態(tài)DAC寄存器工作于直通狀態(tài)D/A轉(zhuǎn)換IOUT2DI7~DI0LEIOUT1LECSWR1ILE&WR2XFER&輸入寄存RFB-+VoIOWA9~A0D7~D0+5VPC總線port地址譯碼DAC寄存轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data;取數(shù)字量MOVDX,portOUTDX,ALport數(shù)據(jù)線地址譯碼PC總線IOWA0~A9D0~D7+5VXFERDAC0832DI0~DI7+-VoIOUT1IOUT2RFBCS

WR1WR2ILE單緩沖工作方式:

輸入寄存器工作于直通狀態(tài)DAC寄存器工作于受控狀態(tài)IOUT2DI7~DI0LECSWR1ILE&輸入寄存VoD7~D0+5VPC總線portWR2IOWA9~A0XFERD/A轉(zhuǎn)換LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址譯碼&轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data;取數(shù)字量MOVDX,portOUTDX,AL雙緩沖方式把DAC0832的輸入鎖存器和DAC寄存器都接成受控鎖存方式。這種方式適用于多路D/A同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。DAC0832PC總線數(shù)據(jù)線WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2CS地址譯碼A0~A9XFERVREF-5Vport1port2DGNDAGNDIOUT2DI7~DI0LECSWR1ILE&輸入寄存VoD7~D0+5VPC總線port2WR2IOWA9~A0XFERD/A轉(zhuǎn)換LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址譯碼&port1轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data;取數(shù)字量MOVDX，port1OUTDX,AL;打開第一級(jí)鎖存MOVDX,port2OUTDX,AL;打開第二級(jí)鎖存當(dāng)要求多個(gè)模擬量同時(shí)輸出時(shí)，可采用雙重緩沖方式。思考：相應(yīng)的程序如何編寫？地址譯碼port1XFERWR2CSWR1ILE+D/A轉(zhuǎn)換DI7~DI0Vo1port2XFERWR2CSWR1ILE+D/A轉(zhuǎn)換DI7~DI0Vo2port3DAC0832DAC0832D7~D0A9~A0IOWPC總線+5v+5v例1

連線如圖，計(jì)算當(dāng)數(shù)字量為0CDH時(shí)的輸出Vo。數(shù)據(jù)線WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2DGNDCS地址譯碼A0~A9XFERVREF-5Vport1port2轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,0CDHMOVDX，port1OUTDX,ALMOVDX,port2OUTDX,ALDAC0832的應(yīng)用輸出鋸齒波的程序段

MOV

AL,0J1：CALL

OUTPUT ；輸出當(dāng)前值

INC

AL ；產(chǎn)生下一個(gè)輸出值

JMP

J1輸出三角波的程序段S0： MOV

AL，0 ；AL中置初值0，

S1: CALL

OUTPUT ；輸出三角波的上升段

INC

AL

JNC S1

S2： CALL

OUTPUT ；輸出三角波的下降段

DEC

AL ；產(chǎn)生下降段下一個(gè)值

JNZ S2 ；

JMP

S1 ；下降段結(jié)束，

；輸出下一個(gè)三角波

OUTPUT

PROC

NEAR

MOV

DX,PORT0 ；DAC0832端口地址

OUT

DX,AL

INC

DX

OUT

DX,AL

PUSH

AX

MOV

AX,N ；延時(shí)的時(shí)間常數(shù)

WT: DEC

AX

JNZ

WT ；延時(shí)

POP

AX

RET

OUTPUT

ENDP子程序“OUTPUT”

A/D轉(zhuǎn)換第一部分：

模擬信號(hào)的采樣、量化和編碼第二部分：A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)第三部分：A/D轉(zhuǎn)換原理第四部分：A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用信號(hào)變換中的采樣、量化和編碼

由于輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過程為：

取樣、保持、量化和編碼。

模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)采樣保持量化編碼1.采樣和保持采樣：模擬信號(hào)的大小隨著時(shí)間不斷地變化，A/D轉(zhuǎn)換實(shí)際上是按一定的周期對(duì)各瞬時(shí)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采樣保持：對(duì)于變化較快的輸入模擬信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換前可采用采樣保持器，使得在轉(zhuǎn)換期間保持固定的模擬信號(hào)值。采樣定理：采樣頻率要高于或至少等于輸入信號(hào)最高頻率的2倍。實(shí)際應(yīng)用中，采樣頻率可以達(dá)到信號(hào)最高頻率的4～8倍。量化：量化是把采樣值取整為最小單位Δ的整數(shù)倍。編碼：把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。2.量化和編碼A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1、分辨率ADC的分辨率是指使輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。常用二進(jìn)制的位數(shù)表示。例如12位ADC的分辨率就是12位，或者說分辨率為滿刻度FS的1/212。一個(gè)10V滿刻度的12位ADC能分辨輸入電壓變化最小值是10V×1/212=2.4mV。2、量化誤差量化誤差是ADC的有限位數(shù)對(duì)模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。實(shí)際上，要準(zhǔn)確表示模擬量，ADC的位數(shù)需很大甚至無窮大。一個(gè)分辨率有限的ADC的階梯狀轉(zhuǎn)換特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉(zhuǎn)換特性曲線（直線）之間的最大偏差即是量化誤差。3、偏移誤差偏移誤差是指輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零的值，所以有時(shí)又稱為零值誤差。假定ADC沒有非線性誤差，則其轉(zhuǎn)換特性曲線各階梯中點(diǎn)的連線必定是直線，這條直線與橫軸相交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值就是偏移誤差。4、絕對(duì)精度在一個(gè)轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬量輸入與理論模擬輸入之差的最大值，稱為絕對(duì)精度。5、轉(zhuǎn)換速率ADC的轉(zhuǎn)換速率是能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。而完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間（包括穩(wěn)定時(shí)間），則是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換原理這種方式的轉(zhuǎn)換中有兩個(gè)積分時(shí)間：T0：用模擬輸入電壓對(duì)電容積分（充電）的時(shí)間這個(gè)時(shí)間是固定的；T1：以電容充電后的電壓為初值，對(duì)參考電源VRef反向積分，也就是積分電容被放電至零所需的時(shí)間。1.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器8位D/A轉(zhuǎn)換器逐次逼近寄存器緩沖寄存器控制電路D7~D0CLK啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束比較器：Vi＞V0輸出為“1”Vi≤V0輸出為“0”Vi輸出模擬電壓V0+-逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809逐次逼近型8位A/D轉(zhuǎn)換芯片；片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可以同時(shí)連接8路模擬量；單極性，量程為0～5V；典型的轉(zhuǎn)換速度100μs；片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與CPU總線連接；有較高的性能價(jià)格比，適用于對(duì)精度和采樣速度要求

不高的場(chǎng)合或一般的工業(yè)控制領(lǐng)域。ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)8路模擬開關(guān)地址鎖存譯碼電子開關(guān)逐次逼近寄存器控制與時(shí)序解碼網(wǎng)絡(luò)STARTCLK三態(tài)門VCCGNDVREF(+)VREF(-)OEEOCIN0IN7ADDCADDBADDAALE··ADC0809引腳與內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809引腳功能如下：IN0~IN7：模擬量輸入，用于輸入被轉(zhuǎn)換的模擬量。ALE：通道鎖存信號(hào)，高電平有效。在高電平時(shí)將通道選擇ABC鎖存。A、B、C：通道選擇，用于選擇模擬通道。被選模擬通道與ABC的關(guān)系如下表所示。D0~D7：數(shù)字量輸出，是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。START：啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，正脈沖啟動(dòng)ADC0809開始轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，高電平時(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，通知CPU可以讀數(shù)據(jù)。OE：輸出允許信號(hào)，由CPU送來，高電平時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在D0~D7數(shù)據(jù)線上。CLK：工作時(shí)鐘輸入端。其頻率為640kHz。Vcc：工作電源，+5V。GND：地線。VR+、VR-：參考電壓輸入端。通常情況下VR+與Vcc相連，VR-與GND相連。

A/D轉(zhuǎn)換器接口基本原理與方法（1）

ALE信號(hào)鎖存地址信號(hào)ADDA~ADDC。（2）START脈沖啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換（3）轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC變?yōu)楦唠娖剑嚎梢宰鳛闋顟B(tài)信號(hào)由CPU查詢；可以作為中斷請(qǐng)求信號(hào)通知CPU。（4）CPU在查詢式I/O程序或中斷服務(wù)程序中：執(zhí)行輸入指令（讀ADC0809數(shù)據(jù)端口）；該指令經(jīng)地址譯碼電路產(chǎn)生OE信號(hào)，0809內(nèi)三態(tài)緩沖器被打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)入CPU。對(duì)0809的8路模擬量輸入通道輪流采樣，每個(gè)通道采樣24次