1、1. 模擬量與數(shù)字量 模擬量連續(xù)變化的物理量n數(shù)字量數(shù)字量時間和數(shù)值上都離散的量時間和數(shù)值上都離散的量模擬模擬/數(shù)字轉換器數(shù)字轉換器ADCDAC數(shù)字數(shù)字/模擬轉換器模擬轉換器11.1 11.1 概述概述 微型計算機在實時控制和實時數(shù)據(jù)微型計算機在實時控制和實時數(shù)據(jù)處理過程中處理過程中, , 常常要測試和處理連續(xù)變化常常要測試和處理連續(xù)變化的模擬量的模擬量, ,如電壓、溫度、壓力、流量等。如電壓、溫度、壓力、流量等。 計算機只能處理數(shù)字量計算機只能處理數(shù)字量, , 因此因此, , 必必須在被控對象和須在被控對象和CPUCPU之間設置轉換器以實之間設置轉換器以實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的相互轉換。現(xiàn)模

2、擬量與數(shù)字量之間的相互轉換。D/ A D/ A 和和A/ D A/ D 接口就是分別實現(xiàn)數(shù)字接口就是分別實現(xiàn)數(shù)字/ / 模擬、模擬、模擬模擬/ / 數(shù)字轉換的連接電路。數(shù)字轉換的連接電路。2.2.計算機模擬輸入輸出系統(tǒng)計算機模擬輸入輸出系統(tǒng)數(shù)字信號數(shù)字信號模擬信號模擬信號現(xiàn)場信號現(xiàn)場信號1現(xiàn)場信號現(xiàn)場信號2現(xiàn)場信號現(xiàn)場信號n微型微型計算機計算機放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路開開關關低通濾波低通濾波傳感器傳感器低通濾波低通濾波傳感器傳感器低通濾波低通濾波傳感器傳感器A/D轉換器轉換器采樣保持器采樣保持器數(shù)字信號數(shù)字信號受控對象受控對象控制信號控制信號模擬信號模擬信號D/A轉換器轉換

3、器放大驅動電路放大驅動電路11.2 D/A轉換器DAC數(shù)字數(shù)字/模擬轉換器模擬轉換器模擬量數(shù)字量數(shù)字量11.2.1 D/A11.2.1 D/A轉換的基本原理轉換的基本原理1.1.基本概念基本概念 數(shù)字量：大小由二進制數(shù)表示的量。數(shù)字量：大小由二進制數(shù)表示的量。 D/A D/A 轉換器：將數(shù)字量轉換為模擬量的轉換器：將數(shù)字量轉換為模擬量的 電路稱為電路稱為D/AD/A轉換器轉換器。 數(shù)字量數(shù)字量 模擬量模擬量101B 5D設設K = 1 , n = 3 , , 則輸出則輸出vO = D2 + D1 + D0 輸入數(shù)字量與輸出電壓之間的關系可用轉輸入數(shù)字量與輸出電壓之間的關系可用轉換特性來表示。換

4、特性來表示。 221202 從圖中可見從圖中可見, , 每一個二進制代碼的數(shù)每一個二進制代碼的數(shù)字信號字信號, , 通過位數(shù)的計算通過位數(shù)的計算, , 都可對應一個都可對應一個相應的十進制數(shù)值。相應的十進制數(shù)值。 式中式中K=1,=1,意味著每個數(shù)字量代表意味著每個數(shù)字量代表1v,1v,每一個二進制代碼的數(shù)字信號都對應一個每一個二進制代碼的數(shù)字信號都對應一個模擬電壓值。模擬電壓值。 轉換精度轉換精度應該指出應該指出, , 相鄰兩個數(shù)字信號轉換出相鄰兩個數(shù)字信號轉換出來的數(shù)值是不連續(xù)的來的數(shù)值是不連續(xù)的, , 它們中間的差它們中間的差值由系數(shù)值由系數(shù)K K來決定。輸入數(shù)字信號位數(shù)來決定。輸入數(shù)字

5、信號位數(shù)越多越多, K, K越小，輸出模擬信號越接近連越小，輸出模擬信號越接近連續(xù)模擬信號續(xù)模擬信號, , 轉換的精度也就越高。轉換的精度也就越高。2.DAC2.DAC電路電路 介紹兩種實現(xiàn)介紹兩種實現(xiàn) D/AD/A轉換電路。轉換電路。 1 1）權電阻）權電阻D/ AD/ A 構成：權電阻、位切換開關、反饋構成：權電阻、位切換開關、反饋 電阻和運算放大器電阻和運算放大器。1/2R工作過程：圖中工作過程：圖中, D3, D3D0 D0 是被轉換的是被轉換的二進制數(shù)字量二進制數(shù)字量, , 它們用來控制位切換開它們用來控制位切換開關關, , 取值取值0 0時位開關斷開時位開關斷開, , 該位無電流該

6、位無電流輸入輸入; ; 取值取值1 1 時開關合上時開關合上, , 該位有電流該位有電流輸入。權電阻的阻值按二進制的權值配輸入。權電阻的阻值按二進制的權值配置置 , , 開關接通時開關接通時, , 放大器的各路輸入放大器的各路輸入電流是電流是VR/ (8R) VR/ (8R) 、VR/ ( 4R)VR/ ( 4R)、VR/ VR/ ( 2R)( 2R)、VR/ ( R) , VR/ ( R) , 其中其中VR VR 為基準電為基準電壓。經(jīng)運算放大器反相求和壓。經(jīng)運算放大器反相求和, , 輸出的模輸出的模擬量與輸入的二進制數(shù)據(jù)擬量與輸入的二進制數(shù)據(jù)d3 , d2 , d3 , d2 , d1 ,

7、 d0 d1 , d0 成比例。成比例。 運放輸入端有運放輸入端有4 4 個支路個支路, , 從從4 4 個開個開關全部斷開到全部閉合關全部斷開到全部閉合, , 運算放大器可運算放大器可以得到以得到16 16 種不同的電流輸入。種不同的電流輸入。 這就是說這就是說, , 通過電阻網(wǎng)絡通過電阻網(wǎng)絡, , 可以把可以把000000001111 1111 轉換成大小不同的電流轉換成大小不同的電流, , 從從而可以在運算放大器輸出端得到大小不而可以在運算放大器輸出端得到大小不同的電壓。同的電壓。 如果由數(shù)字如果由數(shù)字0000 0000 每次增每次增1 ,1 ,一直變一直變化到化到1111 , 1111

8、 , 那么那么, , 就可以得到一個階梯就可以得到一個階梯波電壓波電壓, , 如圖所示。如圖所示。RO=1/2R2 2）T T 型權電阻網(wǎng)絡型權電阻網(wǎng)絡 構成：如圖所示，整個網(wǎng)絡只需要構成：如圖所示，整個網(wǎng)絡只需要 R R和和2R 2R 兩種電阻。兩種電阻。工作過程工作過程: :開關開關K0K0K3K3受二進制數(shù)對應位受二進制數(shù)對應位 D0D0D3D3控制，取控制，取0 0 時開關與地時開關與地 相連相連, , 該位無電流輸入該位無電流輸入; ; 取取1 1 時開關與參考電壓時開關與參考電壓VR VR 接通接通, , 該位有電流輸入。該位有電流輸入。支路電阻：從圖中可以看到支路電阻：從圖中可以

9、看到, , 不管開關不管開關 倒向哪一邊倒向哪一邊, , 都可以認為是接都可以認為是接 “ “地地”。節(jié)點。節(jié)點A A、B B、C C、D D等效電等效電阻阻 為為R,R, 這樣就很容易算出各點的這樣就很容易算出各點的 電位。電位。VDVREFVCVREF/2VBVREF/4VAVREF/8I0VA/2RVREF/（82R）I1VB/2RVREF/（42R）I2VC/2RVREF/（22R）I3VD/2RVREF/（12R）總電流總電流I II I0 0D D0 0+I+I1 1D D1 1+I+I2 2D D2 2+I+I3 3D D3 3V VREFREF/2R/2R（1/8D1/8D0

10、01/4D1/4D1 11/2D1/2D2 2D D3 3）R RO OR RV Vo oI IR RO OV VREFREF （D D0 02 20 0D D1 12 21 1D D2 22 22 2D D3 32 23 3）/2/24 4 =-VREF=-VREFD/ 2D/ 24 4輸出電壓輸出電壓Vo（D/2n）VREF3. D/A 3. D/A 轉換器的主要性能指標轉換器的主要性能指標 1) 1) 分辨率分辨率:D/ A :D/ A 轉換器數(shù)字量變化一轉換器數(shù)字量變化一 個個LSB LSB 所對應的模擬量的變化量。所對應的模擬量的變化量。 即分辨率即分辨率= V= VREFREF /

11、 ( V) / ( V) 式中式中n n 為為D/ A D/ A 轉換器的位數(shù)。位數(shù)轉換器的位數(shù)。位數(shù) 多分辨率也就高。多分辨率也就高。 例如例如, , 一個一個D/ A D/ A 轉換器能夠轉換轉換器能夠轉換8 8 位二位二 進制數(shù)進制數(shù), , 若轉換后的電壓滿量程是若轉換后的電壓滿量程是5V, 5V, 則它能分辨的最小電壓為則它能分辨的最小電壓為 5V/ 256 = 19.53mV5V/ 256 = 19.53mV。 分辨率取決于分辨率取決于D/ A D/ A 轉換器的位數(shù)。轉換器的位數(shù)。2n2n2n2n2) ) 轉換時間：數(shù)字量輸入到輸出達到最轉換時間：數(shù)字量輸入到輸出達到最 終值并穩(wěn)定

12、為止所需的時間。終值并穩(wěn)定為止所需的時間。 電流型電流型D/AD/A轉換較快，轉換較快，(ns) (ns) 電壓型電壓型D/AD/A轉換較慢，取決于轉換較慢，取決于 運算放大器的響應時間。運算放大器的響應時間。3) 3) 精度：指精度：指D/A D/A 轉換器實際輸出電壓與轉換器實際輸出電壓與 理論值之間的誤差。一般采用理論值之間的誤差。一般采用 數(shù)字量的最低有效位作為衡量數(shù)字量的最低有效位作為衡量 單位單位, , 例如例如( 1/ 2) LSB( 1/ 2) LSB。11.2.2 DAC083211.2.2 DAC0832芯片芯片 DAC0832DAC0832是典型的是典型的8 8位電流輸出

13、型位電流輸出型通用通用DACDAC芯片芯片1. DAC08321. DAC0832的內(nèi)部結構的內(nèi)部結構LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入輸入寄寄存存器器DGNDDI0DI7D/A轉轉換換器器DAC寄寄存存器器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER 一個一個T T 型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡, , 用來實現(xiàn)用來實現(xiàn)D/A D/A 轉換轉換, , 它需要外接運算放大器它需要外接運算放大器, ,才能才能 得到模擬電壓輸出。得到模擬電壓輸出。 兩級鎖存器兩級鎖存器, , 輸入和輸入和DAC DAC 寄存器。寄存器。 2. DAC0832 2. DAC0832 的的 引腳定

14、義引腳定義CS CS 片選信號片選信號, , 它和允許輸入鎖存信號它和允許輸入鎖存信號 ILE ILE 合起來決定合起來決定WR1 WR1 是否起作用。是否起作用。ILE ILE 允許鎖存信號允許鎖存信號, ,高電平有效高電平有效; ;WR1 WR1 輸入寄存器的輸入寄存器的“ “ 寫寫”選通信號選通信號, , 低低電平電平 有效。它作為第一級鎖存信號將輸入有效。它作為第一級鎖存信號將輸入 數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器中數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器中,WR1,WR1必須和必須和 CSCS、ILE ILE 同時有效。同時有效。WR2 DAC WR2 DAC 寄存器的寄存器的“寫寫”選通信號。它將選通信號。它將鎖

15、鎖 存在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送到存在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送到8 8位位DAC DAC 寄存器中進行鎖存寄存器中進行鎖存, ,此時此時, ,傳送控制信傳送控制信 號號XFERXFER必須有效。必須有效。 XFER XFER 傳送控制信號傳送控制信號, , 用來控制用來控制WR2 WR2 。DIDI7 7DIDI0 0 數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端,DI,DI7 7 為最高位。為最高位。IIOUT1OUT1 、I IOUT2 OUT2 模擬電流輸出端。模擬電流輸出端。 I IOUT1OUT1 隨隨DACDAC寄存器的內(nèi)容線性變寄存器的內(nèi)容線性變 化。當化。當DAC DAC 寄存器中全為寄存器中全為1 1 時時

16、, , 輸出電流最大輸出電流最大, , 當當DACDAC寄存器中寄存器中全全 為為0 0 時時, ,輸出電流為輸出電流為0 0。RFB RFB 反饋電阻引出端反饋電阻引出端,DAC0832 ,DAC0832 內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)部已經(jīng) 有反饋電阻有反饋電阻, , 所以所以, RFB , RFB 端可以直接端可以直接 接到外部運算放大器的輸出端接到外部運算放大器的輸出端, , 這樣這樣, , 相當于將一個反饋電阻接在運算放大相當于將一個反饋電阻接在運算放大 器的輸入端和輸出端之間。器的輸入端和輸出端之間。VREF VREF 參考電壓輸入端參考電壓輸入端, - 10 , - 10 + 10V+ 10V。V

17、VCCCC 芯片供電電壓芯片供電電壓, + 5, + 5 + 15V, + 15V, 最最佳佳 工作狀態(tài)是工作狀態(tài)是+ 15V+ 15V。AGND AGND 模擬量地模擬量地, , 即模擬電路接地端。即模擬電路接地端。DGND DGND 數(shù)字量地。數(shù)字量地。3. 3. 工作方式工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器 LELE1 1，直通（輸出等于輸入），直通（輸出等于輸入） LELE0 0，鎖存（輸出保持不變），鎖存（輸出保持不變）LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉轉換換器器DAC寄寄存存器器Iout1直通方式直通方式 LE1LE1LE

18、2LE21 1 輸入的數(shù)字數(shù)據(jù)直接進入輸入的數(shù)字數(shù)據(jù)直接進入D/AD/A轉換器轉換器 本課程要求掌握本課程要求掌握LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉轉換換器器DAC寄寄存存器器Iout1單緩沖方式單緩沖方式 LE1LE11 1，或者，或者LE2LE21 1 兩個寄存器之一始終處于直通狀態(tài)兩個寄存器之一始終處于直通狀態(tài) 另一個寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）另一個寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉轉換換器器DAC寄寄存存器器Iout1雙緩沖方式雙緩沖方式 兩個寄存器都處于受控（緩沖）狀態(tài)兩個寄存器都處于受

19、控（緩沖）狀態(tài) 能夠對一個數(shù)據(jù)進行能夠對一個數(shù)據(jù)進行D/AD/A轉換的同時輸入另轉換的同時輸入另一個數(shù)據(jù)；適用于多片一個數(shù)據(jù)；適用于多片DAC0832DAC0832系統(tǒng)系統(tǒng)LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉轉換換器器DAC寄寄存存器器Iout14.4.輸出方式輸出方式 DAC 0832 DAC 0832 為電流輸出型為電流輸出型D/A D/A 轉換芯轉換芯片片, , 使用時使用時, Rfb , IOUT1 , IOUT2 , Rfb , IOUT1 , IOUT2 等等3 3 個引腳外接運算放大器個引腳外接運算放大器, , 以便將轉換以便將轉換后的電流變換成電壓

20、輸出。若外接一個后的電流變換成電壓輸出。若外接一個運算放大器為單極性輸出運算放大器為單極性輸出; ; 若使用了兩若使用了兩個運算放大器為雙極性輸出。個運算放大器為雙極性輸出。單極性電壓輸出單極性電壓輸出VoutVoutIout1Iout1RfbRfb（D/2D/28 8）V VREFREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF單極性電壓輸出：例子單極性電壓輸出：例子設設 V VREFREF5V5V D DFFHFFH255255時，最大輸出電壓：時，最大輸出電壓：VmaxVmax（255/256255/256）5V5V4.98V4.98V D D00H00H時，最小輸出電

21、壓：時，最小輸出電壓：VminVmin（0/2560/256）5V5V0V0V D D01H01H時，最低有效位（時，最低有效位（LSBLSB）電壓：）電壓： V VLSBLSB（1/2561/256）5V5V19.53mV19.53mVVout（D/2n）VREF輸出精度的調(diào)整輸出精度的調(diào)整RfbIout2Iout1Vout+_AGND調(diào)零調(diào)零電位器電位器調(diào)滿刻度調(diào)滿刻度電位器電位器電源電源+5VADI10K1M1KVREF雙極性輸出雙極性輸出地線的連接DGNDAGND模擬電路模擬電路數(shù)字電路數(shù)字電路ADCDAC模擬電路模擬電路數(shù)字電路數(shù)字電路5. DAC08325. DAC0832芯片與主

22、機的連接芯片與主機的連接例：通過例：通過DA0832DA0832輸出正向鋸齒波輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時間間隔次數(shù)據(jù)輸出的時間間隔02LSB1LSB255LSB254LSB鋸齒波周期鋸齒波周期至示波器+-+8255A8086或8088DI0-7ILECSWR1WR2XFERPA0-7PB4PB1PB08255地址為地址為218H21BH程序程序舉例舉例MOVMOV DX DX，21BH21BHMOV ALMOV AL，80H80HOUT OUT DX DX，ALALMOV DXMOV DX，219H219HMOV ALMOV AL，10H10HOUT OUT DX DX，ALALMOVMO

23、V DX DX，218H218HMOV ALMOV AL，0H0HL1L1： OUT DXOUT DX，ALAL CALL DELAY ; CALL DELAY ; 調(diào)延時子程序調(diào)延時子程序INC INC AL ALJMPJMP L1 L1改變延時時間的長短, 即改變了正鋸齒的斜率, 也就是改變了鋸齒波的周期。例：例： 三角波是如何產(chǎn)生的三角波是如何產(chǎn)生的? ? 硬件電路仍如下圖所示。硬件電路仍如下圖所示。要實現(xiàn)三角波輸出要實現(xiàn)三角波輸出, , 將從將從0 0 開始逐漸遞增開始逐漸遞增的數(shù)據(jù)送到的數(shù)據(jù)送到D/A D/A 轉換器轉換器, , 直到直到FFH,FFH,再從再從FFH FFH 依次遞

24、減到依次遞減到0,0,重復上述過程重復上述過程, ,可得到可得到周期性的三角波電壓波形周期性的三角波電壓波形, ,如下圖所示。如下圖所示。程序如下程序如下: :LOOP: MOV AL, 00H LOOP: MOV AL, 00H LOOP1 :OUT 80H, ALLOOP1 :OUT 80H, AL；80H80H為為08320832地址地址 INC ALINC AL CALL DELAY ; CALL DELAY ; 延時子程序延時子程序 CMP AL, 0FFHCMP AL, 0FFH JNZ LOOP1 ; JNZ LOOP1 ; 遞增遞增LOOP2 :OUT 80H, ALLOOP2

25、 :OUT 80H, AL DEC AL DEC AL CALL DELAY CALL DELAY CMP AL, 00H CMP AL, 00H JNZ LOOP2 ; JNZ LOOP2 ; 遞減遞減 JMP LOOP ; JMP LOOP ; 重復重復11.3 A/D11.3 A/D轉換器轉換器模擬量數(shù)字量數(shù)字量模擬模擬/數(shù)字轉換器數(shù)字轉換器ADC 11.3.1 11.3.1 模數(shù)轉換器的基本原理模數(shù)轉換器的基本原理ADC ADC 是把模擬量是把模擬量( ( 通常是模擬電壓通常是模擬電壓) ) 信號信號轉換為轉換為n n 位二進制數(shù)字量信號的電路位二進制數(shù)字量信號的電路。A/DA/D轉換

26、一般可以分為兩個步驟轉換一般可以分為兩個步驟: : 取樣取樣 量化。量化。1. 1. 取樣取樣 由于模擬信號在時間上是連續(xù)的由于模擬信號在時間上是連續(xù)的, , 而數(shù)字信號在時間上和量值上都是離散而數(shù)字信號在時間上和量值上都是離散的的, , 所以進行模數(shù)轉換時所以進行模數(shù)轉換時, , 先要按數(shù)字先要按數(shù)字信號的節(jié)拍對模擬電壓取樣信號的節(jié)拍對模擬電壓取樣, , 使它變成使它變成時間上離散的信號。時間上離散的信號?？梢娍梢? , 取樣就是對模擬信號周期性地抽取樣取樣就是對模擬信號周期性地抽取樣值值, , 使模擬信號變成時間上離散的脈沖串使模擬信號變成時間上離散的脈沖串, , 但其取樣值仍取決于取樣時

27、間內(nèi)輸入模擬信但其取樣值仍取決于取樣時間內(nèi)輸入模擬信號的大小。號的大小。 2. 2. 量化：把取樣電壓化為最小單位電壓量化：把取樣電壓化為最小單位電壓 整數(shù)倍的過程為量化。整數(shù)倍的過程為量化。設一臺設一臺8 8 位計算機位計算機, , 一個數(shù)據(jù)字只有一個數(shù)據(jù)字只有256 256 種代碼種代碼, , 即即00000000 ,00000001 , 00000000 ,00000001 , , 11111111 , 11111111。采。采樣后的數(shù)值樣后的數(shù)值, , 必須轉換為這必須轉換為這256 256 種代碼種代碼, , 計算機計算機才能接受并處理。每一組代碼都對應一個固定的才能接受并處理。每一

28、組代碼都對應一個固定的模擬電平模擬電平, , 因為一個采樣值往往不恰好是某一代因為一個采樣值往往不恰好是某一代碼的電平值。為此碼的電平值。為此, , 選擇電平最接近的代碼來替選擇電平最接近的代碼來替代這個采樣值代這個采樣值, ,這個過程稱為量化這個過程稱為量化( ( 即把模擬量即把模擬量用相應的數(shù)字量來表示用相應的數(shù)字量來表示) )。模。模/ / 數(shù)轉換過程是量數(shù)轉換過程是量化過程化過程量化單位：量化過程中所取的最小數(shù)量化單位：量化過程中所取的最小數(shù) 量單位。量單位。量化誤差：由于取樣電壓不一定能被量化誤差：由于取樣電壓不一定能被 量化單位整除量化單位整除, , 所以量化所以量化 前后不可避免

29、地存在誤差。前后不可避免地存在誤差。 量化誤特點：量化誤特點：無法消除。無法消除。 ADC ADC 的位數(shù)越多的位數(shù)越多, , 量化量化 誤差越小。誤差越小。 例如例如, , 把把0 04V 4V 的模擬電壓轉換成的模擬電壓轉換成 三位二進制數(shù)表示的數(shù)字信號三位二進制數(shù)表示的數(shù)字信號, , 量化單位量化單位 = 4V/8 =0.5V = 4V/8 =0.5V。 模擬電壓在模擬電壓在0 00.5V 0.5V 之間取之間取000; 000; 在在0.50.51V 1V 之間取之間取001; 001; 在在1 11.5V 1.5V 之間取之間取010010。 完成量化編碼工作的電路是完成量化編碼工作

30、的電路是ADCADC。 ADC ADC 種類很多種類很多, , 按工作原理的不同按工作原理的不同, , 可分為間接可分為間接ADC ADC 和直接和直接ADCADC。間接。間接ADC ADC 是是先將輸入模擬電壓轉換成時間或頻率先將輸入模擬電壓轉換成時間或頻率, , 然然后再將這些中間量轉換成數(shù)字量后再將這些中間量轉換成數(shù)字量, , 如中間如中間量是時間的雙積分型量是時間的雙積分型ADC ADC 較為常用較為常用; ; 直接直接ADC ADC 則直接將輸入模擬電壓轉換成數(shù)字量則直接將輸入模擬電壓轉換成數(shù)字量, , 常用的有并聯(lián)比較型常用的有并聯(lián)比較型ADC ADC 和逐次逼近型和逐次逼近型AD

31、CADC。 11.3.1 A/D11.3.1 A/D轉換電路基本原理轉換電路基本原理 常用的常用的A/DA/D轉換技術轉換技術 計數(shù)器式計數(shù)器式 逐次逼近式逐次逼近式 雙積分式雙積分式 1 .1 .計數(shù)式計數(shù)式A/D A/D 轉換轉換 構成：計數(shù)器、比較器、構成：計數(shù)器、比較器、D/AD/A轉換器轉換器 比較器輸出為比較器輸出為C C。 當當C = 1C = 1時時, , 計數(shù)器從計數(shù)器從0 0 開始計數(shù)；開始計數(shù)； C = 0 C = 0 時時, , 則停止計數(shù)。則停止計數(shù)。工作過程工作過程: : 啟動信號啟動信號S S 由高電平變?yōu)榈碗娖接筛唠娖阶優(yōu)榈碗娖? , 使使 計數(shù)器清計數(shù)器清0

32、, 0 , 當啟動信號恢復高電平當啟動信號恢復高電平 時時, , 計數(shù)器準備計數(shù)。計數(shù)器準備計數(shù)。開始時開始時D/ A D/ A 轉換器的輸出電壓轉換器的輸出電壓V Vo o 為為 0 ,0 ,運算放大器在同相端的輸入電壓運算放大器在同相端的輸入電壓 作用下作用下, , 輸出高電平輸出高電平, , 從而使計數(shù)信從而使計數(shù)信 號號C C 為為1 1。 計數(shù)器開始計數(shù)計數(shù)器開始計數(shù),D/ A ,D/ A 轉換器輸轉換器輸 出電壓出電壓V Vo o 不斷上升。在不斷上升。在V Vo o 小于小于V Vi i 時時, , 運算放大器的輸出總是保持高電平。當運算放大器的輸出總是保持高電平。當 V Vo

33、o V Vi i時時, , 比較器的輸出變?yōu)榈碗姳容^器的輸出變?yōu)榈碗?平平, , 即即C C 為為0 0。 計算器停止計數(shù)計算器停止計數(shù), , 這時候的數(shù)字輸出量這時候的數(shù)字輸出量 D7 D7 D0 D0 就是與模擬輸入電壓對應的數(shù)就是與模擬輸入電壓對應的數(shù) 字量。計數(shù)信號字量。計數(shù)信號C C 的負向跳變也是的負向跳變也是A/ D A/ D 轉換的結束信號轉換的結束信號, , 它用來通知其他電路它用來通知其他電路, , 當前已經(jīng)完成一次當前已經(jīng)完成一次A/ D A/ D 轉換。轉換。缺點：計數(shù)式缺點：計數(shù)式A/D A/D 轉換的缺點是速度轉換的缺點是速度比較慢比較慢, ,特別是模擬電壓比較大時

34、特別是模擬電壓比較大時, ,轉轉換速度更慢。設想對于一個換速度更慢。設想對于一個8 8 位的位的A/ A/ D D 轉換器來說轉換器來說, ,計數(shù)器從計數(shù)器從0 0 開始進行計開始進行計數(shù)數(shù), ,如果輸入模擬量為最大值如果輸入模擬量為最大值, ,那么那么, ,要要計到計到255 255 時時, ,才完成轉換才完成轉換, ,這樣這樣, ,相當于相當于需要需要255 255 個計數(shù)脈沖周期。很容易算個計數(shù)脈沖周期。很容易算出出, ,對于對于12 12 位的位的A/ D A/ D 轉換器來說轉換器來說, ,最最長的轉換時間達長的轉換時間達4095 4095 個脈沖周期。個脈沖周期。2 . 2 . 雙

35、積分式雙積分式A/D A/D 轉換轉換 雙積分式雙積分式A/ D A/ D 轉換的電路原理如圖所示。轉換的電路原理如圖所示。 包括積分器、比較器、計數(shù)器和標準電源。包括積分器、比較器、計數(shù)器和標準電源。工作過程：工作過程：對輸入模擬量進行固定時間的積分。對輸入模擬量進行固定時間的積分。然后轉換為對標準電壓進行反向積分。然后轉換為對標準電壓進行反向積分。記錄反向積分時間記錄反向積分時間。 對標準電壓進行反向積分的時間對標準電壓進行反向積分的時間T T 正正比于輸入模擬電壓。因此比于輸入模擬電壓。因此, , 只要用標準的只要用標準的高頻時鐘脈沖測定反向積分花費的時間高頻時鐘脈沖測定反向積分花費的時

36、間, , 就可以得到輸入模擬電壓所對應的數(shù)字量就可以得到輸入模擬電壓所對應的數(shù)字量, , 即實現(xiàn)了即實現(xiàn)了A/ D A/ D 轉換。轉換。特點：精度高、干擾小特點：精度高、干擾小, , 但是速度慢。但是速度慢。3 . 3 . 逐次逼近式逐次逼近式A/D A/D 轉換轉換 逐次逼近式逐次逼近式A/ D A/ D 轉換是用得最多的一種轉換是用得最多的一種A/ D A/ D 轉換方法轉換方法, A/ D , A/ D 轉換集成電路芯片通常轉換集成電路芯片通常都采用這種方式工作。如圖所示。都采用這種方式工作。如圖所示。工作過程：工作過程：逐次逼近寄存器進行計數(shù)。逐次逼近寄存器進行計數(shù)。 啟動信號由高電

37、平變?yōu)榈碗娖綍r啟動信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r, , 逐次逼近寄存器清逐次逼近寄存器清0 , 0 , 這時這時, D/ A , D/ A 轉換轉換器輸出電壓器輸出電壓V Vo o 也為也為0 , 0 , 啟動信號變?yōu)楦唠娖綍r啟動信號變?yōu)楦唠娖綍r, , 轉換開始轉換開始, , 同時同時, , 逐次逼近寄存器工作時與普通計數(shù)逐次逼近寄存器工作時與普通計數(shù)器不同器不同, , 它不是從低位往高位逐一進行計它不是從低位往高位逐一進行計數(shù)和進位數(shù)和進位, , 而是從最高位開始而是從最高位開始, , 通過設置通過設置試探值來進行計數(shù)。試探值來進行計數(shù)。逐次比較過程逐次比較過程 在第一個時鐘脈沖時在第一個時鐘脈沖

38、時, , 控制電路使逐次控制電路使逐次 逼近寄存器的輸出為逼近寄存器的輸出為10000000 ,D/ A10000000 ,D/ A轉轉 換器的輸出電壓換器的輸出電壓V Vo o 就成為滿量程值的就成為滿量程值的 128/256128/256。這時。這時, , 如果如果V Vo o 大于大于V Vi ,i ,比比較較 器的輸出為低電平器的輸出為低電平, , 控制電路據(jù)此清除控制電路據(jù)此清除 逐次逼近寄存器中的最高位逐次逼近寄存器中的最高位; ; 如果如果V Vo o 小于或等于小于或等于V Vi , i , 則比較器輸出則比較器輸出 高電平高電平, , 控制電路使最高位的控制電路使最高位的1

39、1 保留下保留下 來。此時逐次逼近寄存器的內(nèi)容為來。此時逐次逼近寄存器的內(nèi)容為 10000000 ,10000000 ,下一個時鐘脈沖使下一個時鐘脈沖使D6D6為為1 1。 于是于是, ,逐次逼近寄存器的值為逐次逼近寄存器的值為11000000 , 11000000 , D/A D/A 轉換器的輸出電壓轉換器的輸出電壓V Vo o到達滿量程值的到達滿量程值的192/256192/256。此后。此后, , 如果如果V Vo o 大于大于V Vi , i , 則比較則比較器輸出為低電平器輸出為低電平, , 從而使次高位從而使次高位D6D6復位復位; ; 如果如果V Vo o 小于小于V Vi ,

40、i , 則比較器輸出為高電平則比較器輸出為高電平, , 從而保留次高位從而保留次高位D6 D6 為為1 1。再下一個時鐘脈。再下一個時鐘脈沖對沖對D5 D5 位置位置1 , 1 , 然后根據(jù)對然后根據(jù)對V Vo o 和和V Vi i 的比的比較較, , 決定保留還是清除決定保留還是清除D5 D5 位上的位上的1 1 重重復上述過程復上述過程, ,直到直到D0 =1,D0 =1,再與輸入電壓比較。再與輸入電壓比較。結果輸出結果輸出 經(jīng)過經(jīng)過N N 次比較以后次比較以后, , 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器中得到的值就是轉換后的數(shù)據(jù)。轉換結束中得到的值就是轉換后的數(shù)據(jù)。轉換結束以后以后, , 控制電

41、路送出一個低電平作為結束控制電路送出一個低電平作為結束信號信號, , 這個信號的下降沿將逐次逼近寄存這個信號的下降沿將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器, , 從而得到從而得到數(shù)字量輸出。數(shù)字量輸出。 特點：特點： 對半比較對半比較法，逐次逼近寄存器法，逐次逼近寄存器 首先將最高位置首先將最高位置1 ,1 ,取最大允許取最大允許 電壓的電壓的1/2 1/2 與輸入電壓比較；與輸入電壓比較； 此后此后, ,次高位置次高位置1,1,相當于在相當于在1/2 1/2 范圍中再作對半搜索。范圍中再作對半搜索。 速度快，速度快，用用8 8個時鐘脈沖就可以個時鐘脈沖就可以 完成

42、完成8 8位轉換。位轉換。11.3.2 ADC080911.3.2 ADC0809芯片芯片 具有具有A/DA/D轉換的基本功能轉換的基本功能vCMOSCMOS工藝制作工藝制作v8 8位逐次逼近式位逐次逼近式ADCADCv轉換時間為轉換時間為100 100 s s 包含擴展部件包含擴展部件多路開關多路開關三態(tài)鎖存緩沖器三態(tài)鎖存緩沖器1.1.構成：構成：ADC0809 ADC0809 的邏輯結構如圖的邏輯結構如圖, , 其內(nèi)部分為三個部分。其內(nèi)部分為三個部分。 1 1） 模擬輸入部分模擬輸入部分 8 8 選選1 1多路模擬開關、地址鎖存與多路模擬開關、地址鎖存與 譯碼邏輯電路。譯碼邏輯電路。 IN

43、0IN0IN7 IN7 引腳：輸入引腳：輸入8 8 路單端模路單端模 擬信號擬信號, , 由三位地址由三位地址 ADDA,ADDB,ADDC ADDA,ADDB,ADDC 選擇選擇8 8 路中的一路輸入。路中的一路輸入。 ALE ALE ：高電平鎖存三個地址。：高電平鎖存三個地址。2 2）A/ D A/ D 變換器部分變換器部分 由逐次逼近寄存器由逐次逼近寄存器SAR( 8 SAR( 8 位位) )、比、比 較器、電阻網(wǎng)絡等控制邏輯組成。較器、電阻網(wǎng)絡等控制邏輯組成。 基準電壓基準電壓VREF( + )VREF( + )和和VREF( - )VREF( - )決決 定了輸入模擬電壓的最大值和最

44、小值定了輸入模擬電壓的最大值和最小值3 3）輸出鎖存緩沖器）輸出鎖存緩沖器 OEOE：輸出允許，高電平有效：輸出允許，高電平有效2. ADC0809 2. ADC0809 的時序的時序 ADC0809 ADC0809 的一次轉換分為以下幾個階段的一次轉換分為以下幾個階段: : 1 ) 1 ) 模擬信號選擇模擬信號選擇 在在ALE ALE 信號的作用下信號的作用下, , 地址引腳地址引腳 ADDAADDAADDCADDC上的信號被鎖存。隨后上的信號被鎖存。隨后, , 由地址引腳選擇的模擬信號被多路開由地址引腳選擇的模擬信號被多路開 關接通關接通, , 進入進入ADC0809 ;ADC0809 ;

45、 2 ) 2 ) 啟動啟動A/DA/D轉換器轉換器 在啟動脈沖在啟動脈沖STARTSTART的作用下的作用下, A/ D , A/ D 轉換開始。轉換開始。3 ) 3 ) A/D A/D 轉換結束轉換結束 信號信號EOCEOC由低電平變?yōu)楦唠娖接傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖? , 該該 信號可以作為狀態(tài)信號由信號可以作為狀態(tài)信號由CPU CPU 查詢查詢, , 也可以作為中斷請求信號通知也可以作為中斷請求信號通知CPU, CPU, 一次一次A/D A/D 轉換已經(jīng)完成。轉換已經(jīng)完成。4 ) 4 ) 數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出 CPU CPU 執(zhí)行讀執(zhí)行讀ADC0809 ADC0809 數(shù)據(jù)端口的數(shù)據(jù)端口的 指令指令

46、, , 該指令經(jīng)地址譯碼電路產(chǎn)生該指令經(jīng)地址譯碼電路產(chǎn)生 OE OE 有效信號有效信號, , 打開輸出三態(tài)緩沖打開輸出三態(tài)緩沖 器器, , 轉換結果經(jīng)數(shù)據(jù)總線進入轉換結果經(jīng)數(shù)據(jù)總線進入CPUCPU。12345678910111213142827262524232221201918171615IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OUTPUTCLKVCCVREF(+)GRDD1IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0VREF(-)D2ADC0809的內(nèi)部結構圖ADC0809地址鎖存地址鎖存和譯碼和譯碼OE通道通道選擇選擇開關開關ADDAADDBADDC1N

47、0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位位三態(tài)三態(tài)鎖存鎖存緩沖器緩沖器DACVcc比較器比較器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器SAR定時和控制定時和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC2828個管腳的功能個管腳的功能 ：（1 1）IN0-IN7 8IN0-IN7 8個模擬量輸入個模擬量輸入（2 2）START START 啟動啟動A/DA/D轉換器信號（高電平有效）轉換器信號（高電平有效）（3 3）EOC EOC 轉換結束信號（轉換過程中為低電平，轉換完轉換結束信號（轉換過程中為低電平，轉換完了為高電平）了為高電平）（4

48、4）OE OE 輸出允許信號（高電平有效）輸出允許信號（高電平有效）（5 5）CLK CLK 實時時鐘實時時鐘（6 6）ALEALE：地址鎖存允許，高電平有效，允許：地址鎖存允許，高電平有效，允許CBACBA所示通道所示通道被選中。被選中。（7 7）ADDC. ADDB. ADDA:ADDC. ADDB. ADDA:通道號端子，接地址線通道號端子，接地址線A2.A1.A0A2.A1.A0（8 8）D7-D0 D7-D0 數(shù)字量輸出端數(shù)字量輸出端（9 9）VREFVREF（+ +）=+5V VREF=+5V VREF（- -）=0V =0V （1010）VCCVCC：電源電壓：電源電壓+5V+5

49、V（1111）GRDGRD：地：地11.3.3 ADC11.3.3 ADC芯片的應用芯片的應用1 1、接口的任務：、接口的任務：1 1）發(fā)啟動信號）發(fā)啟動信號2 2）讀轉換結束信號）讀轉換結束信號3 3）讀取轉換數(shù)據(jù)）讀取轉換數(shù)據(jù)2 2、接口形式：、接口形式：1 1）用）用I/OI/O接口芯片。接口芯片。 2 2）與）與CPUCPU直接相連直接相連例：通過例：通過8255A 8255A 與與8086 8086 系統(tǒng)的接口。系統(tǒng)的接口。 ADC0809 ADC0809 的輸出數(shù)據(jù)通過的輸出數(shù)據(jù)通過8255A 8255A 的的 PA PA 口輸入給口輸入給CPU , CPU , 而地址輸入信號而地

50、址輸入信號 ADDAADDA、ADDB ADDB 和和ADDC ADDC 以及地址鎖存信以及地址鎖存信 號號ALE ALE 由由8255A 8255A 的的PBPB口的口的PB3PB3PB0 PB0 提供。提供。A/ D A/ D 轉換的狀態(tài)信息轉換的狀態(tài)信息EOC EOC 則則 由由PC4 PC4 輸入。輸入。CLK CLK 必須外加時鐘必須外加時鐘 (1MHz (1MHz 以下以下) )。以查詢方式讀取。以查詢方式讀取A/ D A/ D 轉換后的結果轉換后的結果, A , A 口為輸入口為輸入, B , B 口為口為 輸出輸出, , 均為方式均為方式0 , PC4 0 , PC4 為輸入。

51、為輸入。 D0D7A/ D A/ D 轉換程序如下轉換程序如下: :START : MOV AL, 98H ; 8255A START : MOV AL, 98H ; 8255A 方式字方式字: : 方式方式0,A0,A口輸入口輸入, , B B 口輸出口輸出 MOV DX,0323H ; 8255A MOV DX,0323H ; 8255A 控制控制 端口地址端口地址 OUT DX, AL ; OUT DX, AL ; 送送8255A 8255A 方式字方式字 MOV AL,0BH ; MOV AL,0BH ; 選選IN3 IN3 輸入端和地址輸入端和地址 輸入信號輸入信號 MOV DX,3

52、21H ; 8255A MOV DX,321H ; 8255A 的的B B 口地址口地址 OUT DX, AL ; OUT DX, AL ; 送送IN3 IN3 通道地址通道地址, , 同時使同時使ALE = 1ALE = 1 MOV AL, 1BH ; PB4 =1, MOV AL, 1BH ; PB4 =1,亦亦START=1 START=1 OUT DX, AL ; OUT DX, AL ; 啟動啟動A/ D A/ D 轉換轉換 MOV AL, 0BH ;MOV AL, 0BH ; OUT DX, AL ; PB4=0, OUT DX, AL ; PB4=0,亦亦START=0 STAR

53、T=0 MOV DX,322H ; 8255A MOV DX,322H ; 8255A 的的C C 口地址口地址TST : IN AL, DX ; TST : IN AL, DX ; 讀讀C C 口狀態(tài)口狀態(tài) AND AL, 10H ; AND AL, 10H ; 查詢查詢EOC EOC 狀態(tài)狀態(tài) JZ TST ; JZ TST ; 如未轉換完如未轉換完, , 再測試再測試, , 轉換完則繼續(xù)轉換完則繼續(xù) MOV DX,320H ; 8255 PA MOV DX,320H ; 8255 PA 端口地址端口地址 IN AL, DX ; IN AL, DX ; 從從A A 端口輸入轉換結果端口輸入

54、轉換結果例例: ADC0809 : ADC0809 通過8255A 8255A 同8086CPU 8086CPU 的接口如圖所示。 Y0 Y0 的地址范圍為80H80H83H, 83H, Y1 Y1 的地址范圍為84H84H87H, 87H, 8255A 8255A 設定為方式0 0 工作, , 從輸入通道IN5 IN5 輸入1 1 個模擬量, , 試 編寫經(jīng)ADC0809 ADC0809 轉換后的數(shù)字量讀 入8086CPU 8086CPU 的AL AL 的控制程序? ? 工作過程工作過程(1 ) (1 ) 通過通過8255A 8255A 的的PB PB 口選中所需輸入口選中所需輸入 通道通道

55、IN5,IN5,啟動啟動ADC0809 ADC0809 轉換轉換, ,啟動啟動 信號正脈沖送信號正脈沖送ADC0809 ADC0809 的的START START 和和ALE ALE 引腳引腳; ;(2 )(2 )查詢查詢8255A 8255A 的的PC7PC7以確定以確定ADC0809 ADC0809 是否轉換結束是否轉換結束; ;(3) (3) 若若A/D A/D 轉換結束轉換結束(PC7(PC7為高電平為高電平), ), 需打開需打開ADC0809 ADC0809 的輸出緩沖器的輸出緩沖器( (使使 OE OE 有效有效) , ) , 然后讀入然后讀入A/ D A/ D 轉換后轉換后 的

56、數(shù)字量。的數(shù)字量。 MOV AL, 88H MOV AL, 88H OUT 83H, AL OUT 83H, AL MOV AL, 05H MOV AL, 05H OUT 81H, AL OUT 81H, AL ADD AL, 10H ADD AL, 10H OUT 81H, AL; OUT 81H, AL; 產(chǎn)生產(chǎn)生ALEALE上升沿上升沿 SUB AL, 10HSUB AL, 10H OUT 81H, AL OUT 81H, AL；產(chǎn)生產(chǎn)生STARTSTART下降升沿下降升沿LOP : IN AL, 82HLOP : IN AL, 82H TEST AL, 80H TEST AL, 80H

57、；檢測檢測EOCEOC信號信號 JZ LOPJZ LOP IN AL, 84H IN AL, 84H HLT HLT例例 AD0809AD0809的的IN0IN0輸入一個輸入一個0 05V5V的電壓。的電壓。 若電壓為若電壓為0 01.25V1.25V， 則第一個燈亮；則第一個燈亮； 電壓為電壓為1.251.252.5V2.5V，則第二個燈亮；，則第二個燈亮； 電壓為電壓為2.52.53.75V3.75V，則第三個燈亮；，則第三個燈亮； 電壓為電壓為3.753.755V5V， 則第四個燈亮。則第四個燈亮。A2A1A0IORIOWA974LS138Y4Y38255PB0PB1PB2PB3PA02

58、20-227OEALEEOCCBASTART+5VIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7500KHz+5VD0D7D7D08255初始化初始化啟動啟動0809選擇通道選擇通道0EOC=1？讀數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)1.25V？2.5V3.75VPB0 亮亮PB1亮亮PB2亮亮PB3亮亮N NNNMOVMOV DX DX，21BH21BHMOVMOV AL AL，90H90HOUTOUT DX DX，ALAL ；初始化；初始化82558255MOV DXMOV DX，220H220HOUT DXOUT DX，ALAL ；啟動；啟動ADAD轉換，無所謂轉換，無所謂 ；送什么數(shù)，只是使；送什么數(shù)，只是使

59、IOWIOW和和Y4Y4均為均為0 0LOOP1LOOP1：MOVMOV DX DX，218H218HL1L1：IN ALIN AL，DXDX；讀入；讀入EOCEOC狀態(tài)狀態(tài)ANDAND AL AL，01H01HJZ L1JZ L1；ADAD轉換是否結束轉換是否結束MOVMOV DX DX，220H220HININ AL AL，DXDX ；讀入轉換后的電壓值；讀入轉換后的電壓值MOVMOV AH AH，ALAL；送；送AHAH暫存暫存CMPCMP AL AL，40H40H；將此值與；將此值與1.25V1.25V對對；應的；應的40H40H比較比較JGEJGE BIG1 BIG1；若大，則轉移至；若大，則轉移至BIG1 BIG1 MOVMOV DX DX，219H219HMOVMOV AL AL，0FEH0FEHOUTOUT DX DX，ALAL；否則，；否則，PB0PB0對應燈亮對應燈亮JMPJMP LOOP1 LOOP1；無條件轉移至；無條件轉移至LOOP1LOOP1BIG1BIG1：CMP ALCMP AL，80H80H ；將此值與；將此值與2.5V2.5V對對