1第6章模擬量接口教學(xué)重點(diǎn):

D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理

DAC0832及其與主機(jī)的連接

ADC0809及其與主機(jī)的連接2目錄6.1模擬量與數(shù)字量6.2D/A轉(zhuǎn)換器6.2.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo)6.2.2DAC0832芯片6.2.3DAC芯片與主機(jī)的連接6.2.4DAC芯片的應(yīng)用6.3A/D轉(zhuǎn)換器6.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理6.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)6.3.3ADC0809芯片6.3.4ADC芯片與主機(jī)的連接6.3.5ADC芯片的應(yīng)用36.1模擬量與數(shù)字量模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時(shí)間和數(shù)值上都離散的量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器4模擬量I/O接口的作用實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境——連續(xù)變化的模擬例如：電壓、電流、壓力、溫度、位移、流量計(jì)算機(jī)內(nèi)部——離散的數(shù)字量二進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)制數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制模擬量D/A傳感器執(zhí)行元件A/D數(shù)字量數(shù)字量模擬量模擬量輸入(數(shù)據(jù)采集)模擬量輸出(過程控制)計(jì)算機(jī)56.1模擬輸入輸出系統(tǒng)數(shù)字信號模擬信號現(xiàn)場信號1現(xiàn)場信號2現(xiàn)場信號n微型計(jì)算機(jī)放大器放大器放大器多路開關(guān)低通濾波傳感器低通濾波傳感器低通濾波傳感器A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器數(shù)字信號受控對象控制信號模擬信號D/A轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動(dòng)電路…傳感器將各種現(xiàn)場的物理量測量出來并轉(zhuǎn)換成電信號（模擬電壓或電流）

放大器把傳感器輸出的信號放大到ADC所需的量程范圍低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比多路開關(guān)把多個(gè)現(xiàn)場信號分時(shí)地接通到A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器周期性地采樣連續(xù)信號，并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變66.2D/A轉(zhuǎn)換器DAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量7D/A變換器的基本工作原理組成：模擬開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器兩種電阻網(wǎng)絡(luò)：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖：6.2.1D/A變換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo)8D/A變換原理運(yùn)放的放大倍數(shù)足夠大時(shí)，輸出電壓Vo與輸入電壓Vin的關(guān)系為：式中：Rf為反饋電阻

R

為輸入電阻9若輸入端有n個(gè)支路,則輸出電壓Vo與輸入電壓Vi的關(guān)系為：式中：Ri為第i支路的輸入電阻D/A變換原理10令每個(gè)支路的輸入電阻為2iRf,并令Vin為一基準(zhǔn)電壓Vref，則有：如果每個(gè)支路由一個(gè)開關(guān)Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si斷開，則上式變換為：若Si=1，該項(xiàng)對VO有貢獻(xiàn)若Si=0，該項(xiàng)對VO無貢獻(xiàn)D/A變換原理11與上式相對應(yīng)的電路如下(圖中n=8)：

圖中的電阻網(wǎng)絡(luò)就稱為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A變換原理12如果用8位二進(jìn)制代碼來控制圖中的S0～S7(Di=1時(shí)Si閉合；Di=0時(shí)Si斷開)，那么根據(jù)二進(jìn)制代碼的不同，輸出電壓VO也不同，這就構(gòu)成了8位的D/A轉(zhuǎn)換器?？梢钥闯觯?dāng)代碼在0～FFH之間變化時(shí)，VO相應(yīng)地在0～-(255/256)Vref之間變化。為控制電阻網(wǎng)絡(luò)各支路電阻值的精度，實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器采用R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，它只用兩種阻值的電阻(R和2R)。D/A變換原理13R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)14D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率（Resolution）DAC所能分辨的最小電壓增量，反映DAC對微小輸入量變化的敏感性。分辨率的高低通常用二進(jìn)制輸入量的位數(shù)來表示，例如分辨率是8位、10位、12位等；對一個(gè)分辨率為n位的DAC，能夠分辨滿刻度的的2-n輸入信號15D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換精度（誤差，Error）絕對精度對應(yīng)于給定的滿刻度數(shù)字量，D/A實(shí)際輸出與理論值之間的誤差。一般應(yīng)低于1/2LSB。相對精度在滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)對應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與理論值之差。對于線性DAC，相對精度就是非線性度。偏差用最小量化階來度量，如±1/2LSB偏差用相對滿刻度的百分比來度量，如0.05%FSR

LSB:LeastSignificantBit

FSR:FullScaleRange16D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定時(shí)間DAC加上滿刻度的變化時(shí)（全0變?yōu)槿?），其輸出達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間DAC的輸入數(shù)字量有滿刻度值的變化時(shí)，其輸出模擬信號電壓達(dá)到滿刻度值1/2LSB（最低有效位）時(shí)所需要的時(shí)間。17D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)線性誤差相鄰兩個(gè)數(shù)字輸入量之間的差應(yīng)是1LSB，即理想的轉(zhuǎn)換特性應(yīng)是線性的。在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想的轉(zhuǎn)換特性的最大值稱為線性誤差。18D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)輸出電平

不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器件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則高達(dá)24V～30V。溫度系數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)，相應(yīng)于每變化1C，增益、線性度、零點(diǎn)及偏移等參數(shù)的變化量。196.2.2DAC0832芯片

單電源：+5V~+15VVref：-10V~+10V

低功耗：20mW

分辨率：8位線性誤差：0.2%(FSR)非線性誤差：0.4%(FSR)建立時(shí)間：1s溫度系數(shù)：0.002%FSR/℃輸出方式：電流Iout1＋I(xiàn)out2＝常數(shù)20DAC0832邏輯結(jié)構(gòu)框圖211.DAC0832的數(shù)字接口8位數(shù)字輸入端DI0～DI7（DI0為最低位）輸入寄存器（第1級鎖存）的控制端ILE、CS*、WR1*DAC寄存器（第2級鎖存）的控制端XFER*、WR2*22直通鎖存器的工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器LE*＝1，直通（輸出等于輸入）LE*＝0，鎖存（輸出保持不變）23DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout124DAC0832的工作方式：單緩沖方式LE1＝1，或者LE2＝1兩個(gè)寄存器之一始終處于直通狀態(tài)另一個(gè)寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout125DAC0832的工作方式：雙緩沖方式兩個(gè)寄存器都處于受控（緩沖）狀態(tài)能夠?qū)σ粋€(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)；輸入另一個(gè)數(shù)據(jù)LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1262.DAC0832的模擬輸出Iout1、Iout2——電流輸出端Rfb——反饋電阻引出端（電阻在芯片內(nèi)）VREF——參考電壓輸入端＋10V～－10VAGND——模擬信號地VCC——電源電壓輸入端＋5V～＋15VDGND——數(shù)字信號地27單極性電壓輸出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREF28單極性電壓輸出：例子設(shè)VREF＝－5VD＝FFH＝255時(shí)，最大輸出電壓：Vmax＝（255/256）×5V＝4.98VD＝00H時(shí)，最小輸出電壓：Vmin＝（0/256）×5V＝0VD＝01H時(shí)，一個(gè)最低有效位（LSB）電壓：VLSB＝（1/256）×5V＝0.02VVout＝－（D/2n）×VREF293.地線的連接DGNDAGND模擬電路數(shù)字電路ADCDAC模擬電路數(shù)字電路模擬地?cái)?shù)字地公共接地點(diǎn)306.2.3DAC芯片與主機(jī)的連接DAC芯片相當(dāng)于一個(gè)“輸出設(shè)備”，至少需要一級鎖存器作為接口電路考慮到有些DAC芯片的數(shù)據(jù)位數(shù)大于主機(jī)數(shù)據(jù)總線寬度，所以分成兩種情況：1.主機(jī)位數(shù)等于或大于DAC芯片位數(shù)2.主機(jī)位數(shù)小于DAC芯片位數(shù)311.主機(jī)位數(shù)大于或等于DAC芯片的連接32DAC0832：單緩沖方式moval,bufmovdx,portdoutdx,al332.主機(jī)位數(shù)小于DAC芯片的連接數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)需要多次輸出接口電路也需要多個(gè)（級）鎖存器保存多次輸出的數(shù)據(jù)并需要同時(shí)將完整的數(shù)字量提供給DAC轉(zhuǎn)換器CPUDAC8位12位34兩級鎖存電路模擬輸出12位DAC第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖存控制第1級高4位鎖存控制D0～D74位鎖存器4位鎖存器8位鎖存器8位鎖存器由同一個(gè)信號控制關(guān)鍵的一級鎖存無需輸出數(shù)據(jù)35簡化的兩級鎖存電路模擬輸出12位DAC第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖存控制D0～D74位鎖存器8位鎖存器8位鎖存器由同一個(gè)信號控制關(guān)鍵的一級鎖存需要輸出高4位數(shù)據(jù)movdx,port1moval,bloutdx,almovdx,port2moval,bhoutdx,al36函數(shù)發(fā)生器只要往D/A轉(zhuǎn)換器寫入按規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，即可在輸出端獲得正弦波、三角波、鋸齒波、方波、階梯波、梯形波等函數(shù)波形。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制用不同的數(shù)值產(chǎn)生不同的電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速其他需要用電壓/電流來進(jìn)行控制的場合。6.2.4DAC芯片的應(yīng)用37輸出正向鋸齒波38DAC0832：單緩沖方式39 MOVDX,PORTD MOVAL,00HREPEAT:OUTDX,AL INCAL JMPREPEAT程序片段：作業(yè)4-1；4-2；4-9；（第2版）5-1；5-2；5-12；5-14；（地址做錯(cuò)）5-17；（第2版）41Review（1）

模擬輸入輸出系統(tǒng)數(shù)字信號模擬信號現(xiàn)場信號1現(xiàn)場信號2現(xiàn)場信號n微型計(jì)算機(jī)放大器放大器放大器多路開關(guān)低通濾波傳感器低通濾波傳感器低通濾波傳感器A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器數(shù)字信號受控對象控制信號模擬信號D/A轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動(dòng)電路…鎖存器42D/A變換器的基本工作原理組成：模擬開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器兩種電阻網(wǎng)絡(luò)：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖：Review（2）43Review（3）分辨率（Resolution）DAC所能分辨的最小電壓增量，反映DAC對微小輸入量變化的敏感性。分辨率的高低通常用二進(jìn)制輸入量的位數(shù)來表示，例如分辨率是8位、10位、12位等；對一個(gè)分辨率為n位的DAC，能夠分辨滿刻度的的2-n輸入信號若有一片10位DAC芯片，其最大輸入電壓為5V，它能分辨出的最小輸出電壓是多少？5×（1/210）=4.9mv44Review（4）轉(zhuǎn)換精度（誤差，Error）絕對精度對應(yīng)于給定的滿刻度數(shù)字量，D/A實(shí)際輸出與理論值之間的誤差。一般應(yīng)低于1/2LSB。相對精度在滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)對應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與理論值之差。偏差用最小量化階來度量，如±1/2LSB偏差用相對滿刻度的百分比來度量，如0.05%FSR

LSB:LeastSignificantBit

FSR:FullScaleRange45穩(wěn)定時(shí)間DAC加上滿刻度的變化時(shí)（全0變?yōu)槿?），其輸出達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間DAC的輸入數(shù)字量有滿刻度值的變化時(shí)，其輸出模擬信號電壓達(dá)到滿刻度值1/2LSB（最低有效位）時(shí)所需要的時(shí)間。Review（5）46Review（6）：

DAC0832邏輯結(jié)構(gòu)框圖47Review（7）：利用DAC0832的單緩沖方式輸出正向鋸齒波 MOVDX,PORTD MOVAL,00HREPEAT:OUTDX,AL INCAL JMPREPEAT486.3A/D轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC496.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，各有特點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同的場合4種常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)雙積分式逐次逼近式計(jì)數(shù)器式并行式501.雙積分式兩個(gè)積分階段實(shí)質(zhì)是電壓/時(shí)間變換抗干擾能力強(qiáng)、精度高；轉(zhuǎn)換速度慢；一般為毫秒量級。VIN/VREF＝T2/T1512.逐次逼近式從最高位開始的逐位試探法轉(zhuǎn)換速度慢、一般為亞毫秒量級；轉(zhuǎn)換時(shí)間固定；抗干擾能力較差。526.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：通常用數(shù)字輸出最低位（LSB）所對應(yīng)的模擬輸入的電平值表示。（如4位A/D的分辨率為1/24）精度：絕對誤差：對應(yīng)于一個(gè)數(shù)字量的實(shí)際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差。相對誤差：滿刻度校準(zhǔn)后，在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示。53例：滿量程為10V，10位A/D芯片，若其絕對精度為1/2LSB，則其最小有效位的量化單位=?mv，其絕對精度為?mV，其相對精度為?%=9.77mv絕對精度為1/2=4.88mV相對精度為4.88mV/10V=0.048%546.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)間：由啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號開始有效的時(shí)間間隔電源靈敏度：A/D轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差量程：所能轉(zhuǎn)換模擬電壓的范圍，雙極性和單極性輸出邏輯電平：與TTL電平兼容工作溫度范圍：一般在0－70oC556.3.3ADC0809芯片具有A/D轉(zhuǎn)換的基本功能CMOS工藝制作8位逐次逼近式ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s包含擴(kuò)展部件多路開關(guān)三態(tài)鎖存緩沖器56ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖571.ADC0809的模擬輸入提供一個(gè)8通道的多路開關(guān)和尋址邏輯IN0～I(xiàn)N7：8個(gè)模擬電壓輸入端ADDA、ADDB、ADDC：3個(gè)地址輸入線ALE：地址鎖存允許信號ALE的上升沿用于鎖存3個(gè)地址輸入的狀態(tài)，然后由譯碼器從8個(gè)模擬輸入中選擇一個(gè)模擬輸入端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換582.ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)序D0～D7OEEOCSTART/ALEADDA/B/CDATA轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號轉(zhuǎn)換結(jié)束信號593.ADC0809的數(shù)字輸出ADC0809內(nèi)部鎖存轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量具有三態(tài)數(shù)字量輸出端D0～D7配合輸出允許信號OE當(dāng)輸出允許信號OE為高電平有效時(shí)，將三態(tài)鎖存緩沖器的數(shù)字量從D0～D7輸出604.ADC0809的轉(zhuǎn)換公式輸入模擬電壓輸出數(shù)字量基準(zhǔn)電壓正極基準(zhǔn)電壓負(fù)極61單極性轉(zhuǎn)換示例基準(zhǔn)電壓VREF(+)＝5V，VREF(－)＝0V輸入模擬電壓Vin＝1.5V N＝（1.5－0）÷（5－0）×256

＝76.8≈77＝4DH626.3.4ADC芯片與主機(jī)的連接ADC芯片相當(dāng)于“輸入設(shè)備”，需要接口電路提供數(shù)據(jù)緩沖器；主機(jī)需要控制轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)；主機(jī)還需要及時(shí)獲知轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，并進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入等處理。631.數(shù)據(jù)輸出線的連接與主機(jī)的連接可分成兩種方式直接相連：用于輸出帶有三態(tài)鎖存緩沖器的ADC芯片通過三態(tài)鎖存器相連：適用于不帶三態(tài)鎖存緩沖器的ADC芯片，也適用帶有三態(tài)鎖存緩沖器的芯片ADC芯片的數(shù)字輸出位數(shù)大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線位數(shù)，需把數(shù)據(jù)分多次讀取642.A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)（1）啟動(dòng)信號一般有兩種形式脈沖信號啟動(dòng)轉(zhuǎn)換電平信號啟動(dòng)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換啟動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)束652.A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)（2）主機(jī)產(chǎn)生啟動(dòng)信號有兩種方法編程啟動(dòng)軟件上，執(zhí)行一個(gè)輸出指令硬件上，利用輸出指令產(chǎn)生ADC啟動(dòng)脈沖，或產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)有效電平定時(shí)啟動(dòng)啟動(dòng)信號來自定時(shí)器輸出663.轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理不同的處理方式對應(yīng)程序設(shè)計(jì)方法不同①查詢方式——把結(jié)束信號作為狀態(tài)信號②中斷方式——把結(jié)束信號作為中斷請求信號③延時(shí)方式——不使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號④DMA方式——把結(jié)束信號作為DMA請求信號674.8位A/D與CPU的接口舉例686.3.5ADC芯片的應(yīng)用例1

編程啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷處理例2

編程啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換結(jié)束查詢處理中斷方式D0～D7220HIRQ2A0～A9譯碼VccD0～D7EOCADDAADDBADDCALE模擬輸入（0～5V）500KHzCLKVREF(+)+5VIN0OESTARTGNDVREF(-)IORIOW主程序 ;數(shù)據(jù)段

adtempdb0 ;給定一個(gè)臨時(shí)變量

;代碼段

…… ;設(shè)置中斷向量等工作

sti ;開中斷

movdx,220houtdx,al ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

…… ;其他工作例1中斷服務(wù)程序 adint proc sti ;開中斷

pushax ;保護(hù)寄存器

pushdx pushds movax,data ;設(shè)置數(shù)據(jù)段DS movds,ax

movdx,220h

inal,dx ;讀A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量

movadtemp,al ;送入緩沖區(qū)例1中斷服務(wù)程序 moval,20h ;發(fā)送EOI命令

out20h,al（見P307）

popds ;恢復(fù)寄存器

popdx popax iret ;中斷返回adint endp例1查詢方式啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 ;數(shù)據(jù)段counter equ8buf dbcounterdup(0