1、1主要內(nèi)容：D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理8位D/A轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210接口設(shè)計DAC1210與微機CPU的接口設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)第九章 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器2主要內(nèi)容：A/D轉(zhuǎn)換的工作過程并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器接口的主要性能指標(biāo)8位A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計12位A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計第九章 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器3伴隨半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器近年也呈現(xiàn)高速發(fā)展的趨勢。數(shù)字計算機本身只能識別和處理數(shù)字量，但在實際應(yīng)用中我們所要處理的量往往是非數(shù)字量即模

2、擬量，并且往往還是非電量的模擬物理量，如溫度、聲音、圖形圖像和水位等，它們必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能為計算機所處理。另一方面，在計算機實時控制以及對圖像、語音等處理完成后，又必須將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。這就是A/D和D/A轉(zhuǎn)換。所以，微機在面向自動監(jiān)控系統(tǒng)與各種被控、被測對象發(fā)生關(guān)系時，就需設(shè)置模擬接口。從硬件角度看，模擬接口就是處理器與A/D和D/A轉(zhuǎn)換器之間的連接電器。第九章 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器4D/A轉(zhuǎn)換器工作時，只要CPU把數(shù)據(jù)送到它們的輸入端，就開始轉(zhuǎn)換，而不需要專門的控制信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換開始。同時，D/A轉(zhuǎn)換器也不提供轉(zhuǎn)換結(jié)束之類的狀態(tài)信號，所以CPU向DAC傳送數(shù)據(jù)時，也不必查詢DAC的狀態(tài)

3、是否準(zhǔn)備好，只要兩次傳送數(shù)據(jù)之間間隔不小于DAC的轉(zhuǎn)換時間，都能得出正確的結(jié)果?？梢姡珻PU對DAC的數(shù)傳送是一種無條件傳送。但是，如果D/A轉(zhuǎn)換器不帶三態(tài)輸入鎖存緩沖器時，CPU就不能把數(shù)據(jù)直接通過數(shù)據(jù)總線送到D/A轉(zhuǎn)換器，而需要在CPU的數(shù)據(jù)總線與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入線之間加三態(tài)鎖存緩沖器。D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)5或者雖然D/A轉(zhuǎn)換器帶有三態(tài)鎖存緩沖器，但D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率大于數(shù)據(jù)總線的寬度時，CPU也不能把數(shù)據(jù)一次直接送到D/A轉(zhuǎn)換器，而需要加三態(tài)鎖存緩沖器，先后分兩次把數(shù)據(jù)送到兩個三態(tài)鎖存緩沖器，再同時選通兩個緩沖器，將數(shù)據(jù)送到D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以D/A轉(zhuǎn)換器接口的主要任務(wù)是要

4、解決CPU與DAC之間的數(shù)據(jù)緩沖問題。為此，接口電路要提供一些對鎖存緩沖器控制信號，很顯然，這些控制信號并非D/A轉(zhuǎn)換器本身所要求的。例如，DAC0832外部有5個控制信號，它們都是用來控制兩級鎖存器的。D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)6D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo) 衡量一個D/A轉(zhuǎn)換器的性能的主要性能參數(shù)如下。分辨率（Resolution）精度（Accuracy）線性度建立時間（Settling Time）溫度范圍輸出方式和極性D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)7二、主要技術(shù)指標(biāo)分辨率（Resolution）D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率表示當(dāng)前輸入數(shù)字量變化(為)1時，輸出模擬量變化的大小。分辨率表示方法：分辨率=滿刻度值/2

5、N可用輸入數(shù)字量的位數(shù)N表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率；也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率。8精度實際輸出值與理論值之間的最大偏差影響精度的因素： 分辯率 電源波動 溫度變化 9線性度線性度是指數(shù)字量變化時，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量按比例關(guān)系變化的程度。建立時間（Settling Time）這是D/A的一個重要性能參數(shù)，通常定義為：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時所需要的時間。10溫度范圍較好的D/A轉(zhuǎn)換器工作溫度范圍為-4085，較差的為070，按計算機控制系統(tǒng)使用環(huán)境查器件手冊選擇合適的器件類型。建立時間（Settling

6、 Time）輸出方式和極性若電流輸出方式，應(yīng)選定是010mA直流電流還是420mA直流電流輸出。若選擇電壓輸出方式，進(jìn)而選擇電壓輸出極性和工作象限。若控制對象只要求一個方向的控制信號，則可選用單極性輸出；若要求兩個方向的控制信號，則應(yīng)選擇雙極性輸出。11一、D/A變換器的工作原理組成：數(shù)碼寄存器模擬電子開關(guān)電路解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路基準(zhǔn)電壓以4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)/A轉(zhuǎn)換器為例來說明其原理，如圖9-1所示，其中MSB表示最高有效位（Most Significant Bit）。12一、D/A變換器的工作原理138位D/A轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832主要性能分辨率為8位最大誤差為1/2 LS

7、B建立時間為1s增益溫度系數(shù)為2010-6/二級數(shù)據(jù)鎖存（第一級為輸入鎖存）單極性，數(shù)據(jù)線與TTL兼容功耗20mW148位D/A轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能158位D/A轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計DAC0832輸出方式DAC0832是電流型輸出的，有電流輸出1(IOUT1)和電流輸出(IOUT2)，IOUT1+IOUT2=常數(shù)。由于大部分器件是電壓型的，因此需將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，對于DAC0832而言，在其輸出端接一運算放大器即可。根據(jù)不同的應(yīng)用，DAC0832可以接成單極性輸出，也可以接成雙極性輸出方式。單極性工作輸出接線如圖9-3所示。168位D/A轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計178位D/A轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計

8、雙極性工作輸出接線如圖9-4所示。18DAC0832與CPU的連接單緩沖工作方式，它與CPU的連接電路如圖9-5所示。19DAC0832與CPU的連接由于DAC0832內(nèi)部有8位數(shù)據(jù)輸入寄存器，可以用來鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)，因此，CPU的數(shù)據(jù)總線可以直接接到DAC0832的數(shù)據(jù)輸入引線DI0DI7上。按單緩沖工作方式，使輸入寄存器處于鎖存狀態(tài)，ILE接5V， 和 接CPU寫信號 ， 和 接地址譯碼器。按單緩沖工作方式，只要兩條指令即可啟動DAC0832開始一次轉(zhuǎn)換。其關(guān)鍵代碼如下：MOV AL，80H ；須轉(zhuǎn)換的數(shù)送ALOUT Y0，AL ；Y0指選通地址，送入輸入寄存器鎖存，并送入DAC寄存

9、器轉(zhuǎn)換20DAC0832與CPU的連接雙緩沖工作方式。圖9-6為雙緩沖工作與CPU的連接圖其關(guān)鍵代碼為：MOV AL，DATA1 ；0832的數(shù)據(jù)OUT Y0，AL ；送入0832的輸入寄存器鎖存OUT Y1，AL ；將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出2112位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210接口設(shè)計主要性能指標(biāo)分辨率為12位最大誤差為 1/2LSB建立時間為1s線性誤差為0.05% VFS二級數(shù)據(jù)鎖存（第一級為輸入鎖存）單極性，數(shù)據(jù)線與TTL兼容功耗20mW，單電源+5+15V，參考電壓VREF為-10+10V2212位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210接口設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能2312位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210接口設(shè)計D

10、AC1210輸出方式 DAC1210是電流相加型D/A轉(zhuǎn)換器，有電流輸出1(IOUT1)和電流輸出2（IOUT2）。由于大部分器件是電壓型的，因此需將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，對于DAC0832而言，在其輸出端接一運算放大器即可。根據(jù)不同的應(yīng)用，加一個運算放大器可構(gòu)成單極性電壓輸出電路，加兩個運算放大器則可構(gòu)成雙極性電壓輸出電路。24DAC1210與微機CPU的接口設(shè)計25DAC1210與微機CPU的接口設(shè)計假設(shè)0123H為待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存放在BX中，將這12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的程序段如下：MOV BX, 0123HMOV DX, 331H ；MOV AL, BHMOV DX, 330H ；MOV AL,

11、BLOUT DX, ALMOV DX, 332H ；OUT DX, AL26A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的一般工作原理A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用與系統(tǒng)的連接數(shù)據(jù)采集程序的編寫27A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是模擬信號源與計算機或其它數(shù)字系統(tǒng)之間聯(lián)系的橋梁，它的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便計算機或數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲、控制和顯示。在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集及其它領(lǐng)域中，A/D轉(zhuǎn)換器是不可缺少的重要組成部分。28A/D轉(zhuǎn)換器類型計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器 -速度慢、價格低，適用于慢速系統(tǒng)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 -分辯率高、抗干擾性好、轉(zhuǎn)換速度慢，適用于中速 系統(tǒng)逐位反饋型A/

12、D轉(zhuǎn)換器 -轉(zhuǎn)換精度高、速度快、抗干擾性差29A/D轉(zhuǎn)換的工作過程采樣保持 采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散的模擬量。采樣過程如圖9-9所示。30A/D轉(zhuǎn)換的工作過程31A/D轉(zhuǎn)換的工作過程圖9-10中t1到t2的平坦段，就是保持階段。32A/D轉(zhuǎn)換的工作過程量化與編碼 將采樣保持電路的輸出電壓，按某種近似方式轉(zhuǎn)化到與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過程稱為數(shù)值量化，簡稱量化。量化后的數(shù)值經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位，用 表示。在量化過程中，由于采樣電壓不一定能被 整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差稱之為量化誤差，用

13、表示。量化過程常采用兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。33并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器三位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理電路如圖9-11所示。 它由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器及編碼器組成。圖中的8個電阻將參考電壓UREF分成8個等級，其中7個等級的電壓分別作為7個比較器C1C7的參考電壓，其數(shù)值分別為UREF/15、3UREF/1513UREF/15。輸入電壓為up，它的大小決定各比較器的輸出狀態(tài)。 比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。優(yōu)先編碼器優(yōu)先級別最高是7，最低的是1。34并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器35雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器電路組成36雙積分式A/

14、D轉(zhuǎn)換器 圖9-12是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路，由積分器、過零比較器、時鐘脈沖控制門和定時/計數(shù)器等幾部分組成。其中積分器是轉(zhuǎn)換器的核心部分，它的輸入端所接開關(guān)1由定時信號n控制；過零比較器用來確定積分器輸出電壓過零的時刻；計數(shù)器和定時器由n+1個接成計數(shù)型的觸發(fā)器FF0FFn串聯(lián)組成；時鐘脈沖源標(biāo)準(zhǔn)周期G，作為測量時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時間。37雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器工作原理雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理是：先對輸入模擬電壓進(jìn)行固定時間的積分，然后轉(zhuǎn)為對標(biāo)準(zhǔn)電壓的反相積分，直至積分輸入返回初始值，這兩個積分時間的長短正比于二者的大小，進(jìn)而可以得出對應(yīng)模擬電壓的數(shù)字量。常用的有ICL7135、IC

15、L7109等，圖9-12中各處的工作波形如圖9-13所示，其工作過程主要包括三個階段。（1）準(zhǔn)備階段：計數(shù)器清零，積分電容放電， =0V。（2）第一次積分階段：t=0時，開關(guān)S1與A端接通，輸入電壓 加到積分器的輸入端，積分器從0開始積分；（3）第二次積分階段：當(dāng)t=t1時，S1轉(zhuǎn)接到B點，基準(zhǔn)電壓UREF加到積分器的輸入端，積分器開始反向積分。最終，計數(shù)器中所計得的數(shù)（=Qn-1Q1Q0），與在取樣時間T1內(nèi)輸入電壓的平均值 成正比。只要 UREF，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。38雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換原理逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換原理如9-14所示。39二、主要性能指標(biāo)分

16、辨率（Resolution）轉(zhuǎn)換時間量化和量化誤差精度滿刻度誤差（Full Scale Error）線性度（Linearity）40三、典型的A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809：8通道（8路）輸入8位字長 逐位逼近型轉(zhuǎn)換時間100s 內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器41主要引腳功能D7D0：輸出數(shù)據(jù)線（三態(tài)）IN0IN7：8通道（路）模擬輸入ADDA、ADDB、ADDC：通道地址ALE：通道地址鎖存START：啟動轉(zhuǎn)換EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)輸出OE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）CLK：時鐘輸入（10KHz1.2MHz）42內(nèi)部結(jié)構(gòu)IN7IN08個模擬輸入通道START EOC CLK OED7D0VREF(+) V

17、REF(-)ADDCADDBADDAALE比較器8路模擬開關(guān)逐位逼近寄存器SAR樹狀開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)三態(tài)輸出鎖存器時序與控制地址鎖存及譯碼D/A8選143ADC0809的工作過程由時序圖知ADC0809的工作過程如下：送通道地址，以選擇要轉(zhuǎn)換的模擬輸入；鎖存通道地址到內(nèi)部地址鎖存器；啟動A/D變換；判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果44ADC0809的工作流程 送通道地址通道地址鎖存啟動A/D變換轉(zhuǎn)換結(jié)束否？送OE開門信號讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果YN45判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法軟件延時等待（比如延時120us）此時不用EOC信號，CPU效率最低軟件查詢EOC狀態(tài)。把EOC作為中斷申請信號，接到8259的IN端。在中斷服務(wù)

18、程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，效率較高46ADC0809與8086CPU接口查詢法。ADC0809與CPU采用查詢法的接口電路，如圖9-16所示。47ADC0809與8086CPU接口中斷法。ADC0809與8086CPU采用中斷響應(yīng)的接口電路如圖9-17所示。4812位A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計主要技術(shù)指標(biāo)如下分辨率12位快速逐次逼近式，轉(zhuǎn)換時間為10s內(nèi)部集成時鐘、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)輸出鎖存單級性和雙級性輸入，模擬輸入電壓范圍010、020V、5V和10V引腳功能12/ 8：輸出數(shù)據(jù)格式選擇，用于選擇輸出數(shù)據(jù)長度A0：字節(jié)尋址/短轉(zhuǎn)換周期，用于選擇輸出格

19、式4912位A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計5012位A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計5112位A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計5212位A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計8位數(shù)據(jù)格式如表9-2所示5312位A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計AD1674引腳組合控制功能見表9-35412位A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計 內(nèi)部結(jié)構(gòu)5512位A/D轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計啟動轉(zhuǎn)換在 CS=1和CE=1時，才能啟動轉(zhuǎn)換讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在 CS=1和CE=1且R/ 為高時，才能讀數(shù)據(jù)，由12/ 決定是12位并行讀出，還是分兩次讀出。模擬輸入方式單極性輸入的接線和校準(zhǔn)雙極性輸入的接線和校準(zhǔn)56AD1674與8086CPU接口查詢法AD1674與CPU采用查詢法的接口電路，如圖9-21所示。57AD1674與8086CPU接口查詢法在查詢方式下AD1674的轉(zhuǎn)換程序如下，數(shù)據(jù)分兩次讀出，采集64個數(shù)據(jù)存入BUF為首址的內(nèi)存區(qū)域，其中 ， ， 為端口地址。MOV CX, 64LE