1、 第十章第十章 數(shù)數(shù)/模、模模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口數(shù)轉(zhuǎn)換接口一、問題的提出： 當(dāng)計算機用于數(shù)據(jù)采集和過程控制的時候，采集對象往往是連續(xù)變化的物理量（如溫度、壓力、聲波等），但計算機處理的是離散的數(shù)字量，因此需要對連接變化的物理量（模擬量）進(jìn)行采樣、保持，再把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量交給計算機處理、保存等。計算機輸出的數(shù)字量有時需要轉(zhuǎn)換為模擬量去控制某些執(zhí)行元件（如聲卡播放音樂等）。A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量數(shù)定量的轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字量模擬量的轉(zhuǎn)換。 二、模擬接口 定義：A/D D/A轉(zhuǎn)換器可視作一外部設(shè)備 功能： 將微機系統(tǒng)的離散的數(shù)字信號和設(shè)備中連續(xù)變 化的模擬量兩者建立適配關(guān)系，使CPU能進(jìn)行

2、控 制與鑒測 10.1 10.1 數(shù)數(shù)/ /模（模（D/AD/A）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換 D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字量 模擬量的轉(zhuǎn)換，這在計算機和虛擬信號發(fā)生器中應(yīng)用非常普遍。DATAAnalogyD/AAlanogyDATAA/DCPUI/OCPUI/OA/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 一、D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)（1）分辨率： 該參數(shù)是描述D/A轉(zhuǎn)換對輸入變量變化的敏感 程度。具體指D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小電壓值。 分辨率的表示有兩種： 最小輸出電壓與最大輸出電壓之比 用輸入端待進(jìn)行轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來表示， 位數(shù)越多，分辨率越高。 分辨率的表示式為： 分辨率=Vref/2位數(shù)

3、或 分辨率=（V+ref+V-ref)/2位數(shù) 若Vref=5V，8位的D/A轉(zhuǎn)換器分辨率為5/256=20mV。（3）轉(zhuǎn)換精度：指D/A轉(zhuǎn)換器實際輸出與理論值之間的誤差，一般采用數(shù)字量的最低有效位作為衡量單位。 如：1/2LSB表示，當(dāng)D/A分辨率為20mV，則精度為 10mV.（2）轉(zhuǎn)換時間：指數(shù)字量輸入到模擬量輸出達(dá)到穩(wěn)定所需的時間。一般電流型D/A轉(zhuǎn)換器在幾秒到幾百微秒之內(nèi)；而電壓型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換較慢，取決于運算放大器的響應(yīng)時間。（4）線性度：當(dāng)數(shù)字量變化時，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量按比例變化的程度。 線性誤差 模擬量輸出值與理想輸出值之間偏離的最大值。 二.DAC的輸入輸出特性：

4、DAC（數(shù)字模擬變換集成電路）是系統(tǒng)或設(shè)備中的一個功能器件，當(dāng)將它接入系統(tǒng)時，不同的應(yīng)用場合對其輸入輸出有不同的要求， DAC的輸入輸出特性一般考慮以下幾方面：（1）輸入緩沖能力：DAC的輸入緩沖能力是非常重要的，具有緩沖能力（數(shù)據(jù)寄存器）的DAC芯片可直接與CPU或系統(tǒng)總線相連，否則必須添加鎖存器。 （2）輸入碼制：DAC輸入有二進(jìn)制和BCD碼兩種，對于單極性DAC可接收二進(jìn)制和BCD碼；雙極性DAC接收偏移二進(jìn)制或補碼。 （3）輸出類型：DAC輸出有電流型和電壓型兩種，用戶可根據(jù)需要選擇，也可進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換。（4）輸出極性：DAC有單極性和雙極性兩種，如果要求輸出有正負(fù)變化，則必須使用雙

5、極性DAC芯片。 三、D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的接口 1、接口的功能（ CPU給DAC送數(shù)據(jù)無須條件查詢） DAC芯片與CPU或系統(tǒng)總線連接時，可從數(shù)據(jù)總線寬度是否與DAC位數(shù)據(jù)匹配、DAC是否具有數(shù)據(jù)寄存器兩個方面來考慮，所以接口的功能主要考慮以下兩點： （1）進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖與鎖存 （2）需進(jìn)行兩次數(shù)字量輸入時，可在受控條件下同時進(jìn)行轉(zhuǎn)換 2、接口形式 （1）直通 （2）通過外加三態(tài)門，數(shù)據(jù)鎖存器與CPU相連 （3）通過可編程的I/O接口芯片與CPU相連 四、D/A轉(zhuǎn)換器接口的設(shè)計 1.DAC0832與CPU的接口 （1）.DAC0832的性能參數(shù) DAC0832是一片典型的8位DAC芯片 分辨率

6、：8位 電流型：內(nèi)部有2級緩沖器 轉(zhuǎn)換時間：1mS 功耗：20mW （2）DAC0832引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10-2所示。 2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGND圖10-2 DAC0832引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié) DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 輸入R與DAC寄存器構(gòu)成雙緩沖8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A寄存器DI7DI10ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RFBAGND(模擬地 )8位輸入寄存器8位DAC

7、寄存器8位D/A寄存器ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IO1RFBAGND(模擬地 ) （3）工作過程： LE= 1 數(shù)據(jù)傳送 0 數(shù)據(jù)瑣存 第一級緩沖第一級緩沖：ILE=1 ： CS WR=0 LE1=1 數(shù)據(jù) 輸入R 隨之 ；CS .， WR=1 LE1=0 數(shù)據(jù)被瑣存于輸入R中 第二級緩沖第二級緩沖：WR2 XFER=0 LE2=1 輸入R中數(shù)據(jù) DAC寄存器中 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 ： WR 、XFER 的上 升 沿將DAC中的數(shù)據(jù)瑣存，并 開始進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換DBCS1WR1 DIILEWR2XFERCS2WR1 WR2 XFIRILECS3WR1ILEWR2 X

8、EFRDIDI （4）可使用多片0832同時進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，以便同時產(chǎn)生多個摸擬信號送出083208320832DAC0832有三種工作方式： 雙緩沖方式 單緩沖方式 直通方式采用單緩沖方式連接如圖10-3所示。 注：在DAC實際連接中，要注意區(qū)分“模擬地”和“數(shù)字地”的 連接，為了避免信號串?dāng)_，數(shù)字量部分只能連接到數(shù)字 地，而模所量部分只能連接到模擬地。 （5） DAC的工作方式D7D0IOWA9A0AEN系統(tǒng)總線DI07WR1ILECSDAC0832譯碼器WR2XFERDGNDVerfRfbI01I02AGND+-AR+5VVout 圖10-3 DAC0832單緩沖方式連接+5V200H

9、（6 6）應(yīng)用舉例）應(yīng)用舉例 利用DAC可實現(xiàn)任意波形（如鋸齒波、三角波、正弦波等）的輸出，如輸出鋸齒波、三角波的程序段如下： JNZ TN1 MOV AL，0FFHTN2：OUT DX，AL DEC AL TRG：MOV DX，200H MOV AL，0HTN1：OUT DX，AL INC ALJNZ TN2JMP TN1產(chǎn)生0AL全“1”輸出輸出鋸齒波程序段如下：TRG： MOV DX，200H MOV AL，0HTN： OUT DX，AL INC AL JMP TN 在圖10-6所示的DAC電路中，CPU與DAC0832相連，用于產(chǎn)生Y=2COS（200t)SIN(100t）的函數(shù)信號（

10、CS=200H）電路圖如下：圖圖10-610-62.12位DAC連接 由于微機的I/O指令一次只能輸出8位數(shù)據(jù)，因此對于數(shù)據(jù)寬度大于8位DAC只能分兩次輸入數(shù)據(jù)，為此一般大于8位數(shù)據(jù)寬度的DAC內(nèi)部均設(shè)計有兩級數(shù)據(jù)緩沖，如12位DAC1210內(nèi)部就有兩級數(shù)據(jù)緩沖，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10-4所示。8位輸入鎖存器4位輸入鎖存器12位DAC存儲器12位相乘型D/A轉(zhuǎn)換器LELELELSBMSBDI11 15DI10 16DI9 17DI8 18DI7 19DI6 20DI5 4DI4 5DI3 6DI2 7DI1 8DI0 9BYTE1 23/BYTE2CS 1 WR1 2WR1 21WR2 2210 V

11、ref14 Iout213 Iout111 Rfb24 Vcc3 AGND24 DGND圖10-4 DAC1210內(nèi)部結(jié)構(gòu)D7D6D5D4D3D2D1D0DI11DI10DI9DI8DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0譯碼器Y0IOWAENABY1Y2系統(tǒng)總線WR1WR2BYTE1/BYTE2XFERCSVccAGND-+A1-+A2Rfb+-A310110222k-12V+12VW110k10kVoutW222k-12VVrefDGND+5V+12V2DW7C470200W31K1004.7uF圖10-5 DAC1210與CPU連接在圖10-5所示的DAC1210連接電路中，電位

12、器W2用于調(diào)零、W1用于DAC滿刻度修正。設(shè)譯碼器YO端口地址為200H,用該電路產(chǎn)生連續(xù)鋸齒波輸出程序如下： MOV AX，0H TN: MOV BX，AX MOV CL，4 SHL AX，CL SHL AX，CL MOV AL,AH ;高8位數(shù)據(jù) OUT DX,AL ; 輸出低4位 INZ TN CMP AX,OFFFH JNZ TN MOV AX.0 JMP TN MOV DX, 200H OUT DX,AL ;輸出高8位數(shù)據(jù) MOV AX,BX AND AL,OFH ;屏蔽高4位 INC DX ;低4位端口地址201HADC0832RFBD7D0IOUT1IOUT2D7D0D7D0XF

13、ERCSAGNDVccDGNDWR1WR2ILFVREF20020FHCSA0IOW+5V+12V10K-12V200PAOUT+12V10K1K1MLF351圖10-6 DAC0832電路10.2 A/D10.2 A/D轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換接口 在數(shù)據(jù)采集和過程控制中，被采集對象往往是連續(xù)變化的物理量（如溫度、壓力。聲波等），由于計算機只能處理離散的數(shù)字量，需要對連續(xù)變化的物理轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,這一操作過程就是A/D轉(zhuǎn)換。AlanogyDATAA/DCPUI/O一、A/D轉(zhuǎn)換器的分類 1 按分辨率分： 有4 、6 、8 、 10 、 14、 16位 二進(jìn)制 31/2位、 51/2位 BCD碼 2 按轉(zhuǎn)換

14、速度分； 超高 度 轉(zhuǎn)換時間330NS 次超高速 轉(zhuǎn)換時間3333 高 速 轉(zhuǎn)換時間33330 低 速 轉(zhuǎn)換時間330 3 按轉(zhuǎn)換原理分： 直接A/D轉(zhuǎn)換器 將模擬信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 間接A/D轉(zhuǎn)換器 先模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 如電壓/時間轉(zhuǎn)換型、電壓/頻率轉(zhuǎn)換型、電壓/脈寬等 二、A/D轉(zhuǎn)換原理 A/D轉(zhuǎn)換的原理很多,常見的有雙積分式、逐次逼近式、計數(shù)式等，輸出碼制有二進(jìn)制、BCD碼等，輸出數(shù)據(jù)寬度有8位、12位、16位、20位等（二進(jìn)制和 BCD碼）。常用的是逐次逼近式A/D。 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理如圖10-10所示，當(dāng)轉(zhuǎn)換器接收到啟動

15、信號后，逐次逼近寄存器清0，通過內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器輸出使輸出電壓V0為0，啟動信號結(jié)束后開始A/D轉(zhuǎn)換。8位D/A轉(zhuǎn)換器逐次逼近寄存器緩沖寄存器控制電路D7D0CLK轉(zhuǎn)換結(jié)束比較器：ViV0輸出為“1” ViV0輸出為“0”Vi輸出模擬電壓V0+-圖10-10 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器三、A/D轉(zhuǎn)換器特性 A/D轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，其主要參數(shù)有：（1）分辨率：指A/D轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的最小電壓 ，是反映A/D轉(zhuǎn)換器對最小模擬輸入值的敏感度 所以分辨率一般表示式為： 分辨率=Vref/2位數(shù)（單極性） 或 分辨率=（V+ref-V-ref)/2位數(shù)（雙極性） 分辨率通常是用A/D

16、的位數(shù)來表示，比如 8位、10位、12位等 所以， A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量越多。其分辨率越高。 如、： 8 8為為ADCADC滿量程為滿量程為5V,5V,則分辨率為則分辨率為 5000mV/256=20mV5000mV/256=20mV， 也就是說當(dāng)模擬電也就是說當(dāng)模擬電 壓小于壓小于20mV20mV，ADCADC就不能轉(zhuǎn)換了，就不能轉(zhuǎn)換了， （2）轉(zhuǎn)換時間：指從輸入啟動轉(zhuǎn)換信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束，得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出的時間。一般轉(zhuǎn)換速度越快越好（特別是動態(tài)信號采集）。常見有： 超高速（轉(zhuǎn)換時間1ns）、高速（轉(zhuǎn)換時間1s）、 中 速（轉(zhuǎn)換時間1ms） 低速（轉(zhuǎn)換時間100ns.CLK為時鐘信號，最

17、大為640KHz. 圖10-12所示電路的CS=220227H，IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7Q0Q1Q2Q31ACLKOEStartALEA0A1A2IRQ2EOC+5V+5V8MHzIORIOW220H227H圖10-12 ADC0809典型連接8位數(shù)據(jù)五、采用中斷方式的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器接口的設(shè)計 ADC0809： ADC0809是8位A/D轉(zhuǎn)換器為ADC08XX系列依次 逼近A/D，可直接與CPU相連。 ADC0809精度為1LSB，+5V供電時模擬量輸入 電壓范圍為05V，時鐘為640KH，轉(zhuǎn)換速度為 100nS ADC0809有8位路模擬通道，為28PIN雙列直

18、插 式器件。當(dāng)時鐘信號為640hz，START（正脈沖）信號有效后，經(jīng)100微秒以后，轉(zhuǎn)換結(jié)束， EOC置“0”，數(shù)據(jù)送輸出寄存器，同時，EOC置“1”，向CPU發(fā)中斷請求，以使CPU以中斷方式讀取ADC轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)。(2)12位ADC連接與編程 ADC574A是具有三態(tài)輸出鎖存器的12位逐次比較ADC芯片，轉(zhuǎn)換速度快（25us）,是目前國內(nèi)使用最廣泛的ADC芯片之一。ADC574A可并行輸出12位數(shù)據(jù)，也可以分兩次輸出（先高8位后低4位）數(shù)據(jù)；既可進(jìn)行8位轉(zhuǎn)換，也可進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換。 ADC574的引腳定義和控制信號工作時序如圖10-13所示。 282726252423222120191

19、2345678910STSDB11DB10DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3+5V12/8CSA0R/CCE+15VREFOUTAGNDREFIN1112131418171615DB2DB1DB0DGND-15VBIP10VIN20VINADC574ACSCER/CA0STSDB7DB0圖10-13 AD574A引腳定義和工作時序D7D0譯碼器PC總線AENA9A0IOWIORADC574ADB11DB4DB3DB0STSCSA0R/CCE12/8VccVee10Vin20VinREFinREFoutBIPOFFDCACVin+15V-15V圖10-14 AD574通過并行接口芯片與系

20、統(tǒng)總線相連D3D0 設(shè)圖10-14所示電路中譯碼器對A9A1進(jìn)行譯碼， Y0=210H，Y1=212H213H， 因此，ADC574A的CS=211H213H分另用于高位和 低位數(shù)據(jù)的讀取，采用查詢方式的數(shù)據(jù)采集程序 如下：、 MOV CX，40H ；采集次數(shù) MOV SI, 400H ;存放數(shù)據(jù)內(nèi)存首址START: MOV DX,312H ; 12位轉(zhuǎn)換（A0=0) MOV AL,0H ; 寫入的數(shù)據(jù)可以取任意值 OUT DX,AL ;轉(zhuǎn)換啟動（cs及R/C均置0 Ce置1） DX,310H ；讀狀態(tài)，Y0=0，打開三態(tài)門 L: IN AL,DX AND AL,80H ;檢查D7=STS=0

21、? JNZ L ;不為0，則等待 MOV DX,312H ; 為0，讀高位（A0=1) IN AL,DX MOV SI,AL ; 送內(nèi)存 INC SI ；內(nèi)存地址加1 MOV DX,311H ；讀低4位（A0=1) IN AL,DX AND AL,0F0H ; 屏蔽低4位 MOV SI,AL ；送內(nèi)存 INC SI ；內(nèi)存地址加1 DEC CX ；數(shù)據(jù)個數(shù)減1 JNZ START ；未完，繼續(xù) HLT ；已完，暫停#include#includeMain() unsigned int DATA256; 采集數(shù)據(jù)存放數(shù)組 unsigned char status,datah,datal,id; id=1; while(!kbhit() 等待鍵盤，按任意鍵結(jié)束 outportb(0 x212,0 x00); 啟動12位轉(zhuǎn)換，CS、A0、 R/C=0，CE=1do status=inportb(0 x210); 讀取狀態(tài) status=status 0 x80; D7(STS)=1? while(status!=0); STS不等于0，等待A/D轉(zhuǎn)換完， 再讀狀態(tài) datah=inportb(0