北方工業(yè)大學(xué)微機原理第7講 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換接口

1、第7講 模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口模擬量I/O接口的作用實際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境連續(xù)變化的模擬量 例如：電壓、電流、壓力、溫度、位移、流量 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)計算機23閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用案例水泥廠增濕塔出口溫度控制系統(tǒng)4模擬量I/O通道：模擬接口電路的任務(wù)模擬電路的任務(wù)工業(yè)生產(chǎn)過程傳感器放大濾波多路轉(zhuǎn)換&采樣保持A/D轉(zhuǎn)換放大驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換輸出接口微型計算機執(zhí)行機構(gòu)輸入接口物理量變換信號處理信號變換I/O接口輸入通道輸出通道變送器5模擬量的輸入通道傳感器（Transducer）非電量電壓、電流 變送器（Tran

2、sformer）轉(zhuǎn)換成標準的電信號信號處理（Signal Processing）放大、整形、濾波多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multiplexer）多選一采樣保持電路（Sample Holder，S/H）保證變換時信號恒定不變A/D變換器（A/D Converter）模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量6模擬量的輸出通道D/A變換器（D/A Converter）數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量低通濾波平滑輸出波形放大驅(qū)動提供足夠的驅(qū)動電壓，電流7.1 模/數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換器用途將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于計算機進行處理。常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。類型計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器7模/數(shù)轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)指

3、標精度 量化間隔(分辨率) = Vmax/電平數(shù)(即滿量程值) 例：某8位ADC的滿量程電壓為5V，則其分辨率為：5V/255=19.6mV 量化誤差: 用數(shù)字（離散）量表示連續(xù)量時，由于數(shù)字量字長有限而無法精確地表示連續(xù)量所造成的誤差。(字長越長，精度越高)絕對量化誤差 = 量化間隔/2 = (滿量程電壓/(2n-1)/2相對量化誤差 = 1/2 * 1/量化電平數(shù)目 * 100%例：滿量程電壓=10V，A/D變換器位數(shù)=10位，則 絕對量化誤差 10/211 = 4.88mV 相對量化誤差 1/211 *100% = 0.049%8模/數(shù)轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)指標轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換一次需要的時間。精度越

4、高（字長越長），轉(zhuǎn)換速度越慢。量程允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。如05V、010V等。9AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換公式VREF（+）：限定模擬電壓的最大值VREF（-）： 限定模擬電壓的最小值VREF（+）- VREF（-）：量程模擬電壓Vin和數(shù)字量N之間的關(guān)系為：基準電壓負極基準電壓正極輸出數(shù)字量輸入模擬電壓10舉例：AD轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC08098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11ADC0809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（通道選擇）ALE：通道地址鎖存START：啟動轉(zhuǎn)換E

5、OC：轉(zhuǎn)換結(jié)束，可用于查詢或作為中斷申請OE：輸出允許（打開輸出三態(tài)門）CLK：時鐘輸入（10KHz1.2MHz）VREF(+)、VREF(-)：基準參考電壓12START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7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個模擬輸入通道8選1ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)13 ADC0809工作時序 14轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出允許 ADC0809工作過程根據(jù)時序圖，ADC0809的工作過程如下：把通道地址送到ADDAADDC上，選擇模擬輸入在通道地址信號有效期間

6、，ALE上的上升沿該地址鎖存到內(nèi)部地址鎖存器START引腳上的下降沿啟動A/D變換變換開始后，EOC引腳呈現(xiàn)低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時EOC重新變?yōu)楦唠娖絆E信號打開輸出鎖存器的三態(tài)門送出結(jié)果15 ADC0809與CPU的連接 模擬輸入端INi單路輸入模擬信號連接到任何一個輸入端地址線根據(jù)輸入線編號固定連接(高電平或低電平)（如圖1）多路輸入模擬信號按順序分別連接到輸入端要轉(zhuǎn)換哪一路輸入，就將改變C、B、A地址(000-111)圖1 單路輸入ADDCADDBADDAIN4ADC0809輸入圖2 多路輸入ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入0輸入1輸入2輸入3輸入4C

7、PU指定通道號+5V16 ADC0809與CPU的連接 地址線ADDA-ADDC多路輸入時，通過接口芯片與數(shù)據(jù)總線連接，可選用：鎖存器74LS273，74LS373等（要占用一個I/O地址）可編程并行接口8255（要占用四個I/O地址）CPU用一條OUT指令把通道地址通過接口芯片送給0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入DB74LS273Q2Q1Q0CP來自I/O譯碼D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#來自I/O譯碼D0-D7A1A0A1A017數(shù)據(jù)輸出線D0-D7內(nèi)部已接有

8、三態(tài)門，故可直接連到DB上也可另外通過一個輸入接口與DB相連上述兩種方法均需占用一個I/O地址D0-D7ADC0809DBOE來自I/O譯碼D0-D7ADC0809DBOE來自I/O譯碼直接連DB通過輸入接口連DB74LS244+5VDIDOE1#E2# ADC0809與CPU的連接 18 ADC0809與系統(tǒng)的連接 地址鎖存ALE和啟動轉(zhuǎn)換START兩種連接方法：獨立連接：用兩個信號分別進行控制需占用兩個I/O端口或兩個I/O線；統(tǒng)一連接：用一個脈沖信號的上升沿進行地址鎖存，下降沿實現(xiàn)啟動轉(zhuǎn)換只需占用一個I/O端口或一個I/O線。 ADC0809ALESTART獨立連接來自I/O譯碼1來自I

9、/O譯碼2ADC0809ALESTART統(tǒng)一連接來自I/O譯碼19 ADC0809與系統(tǒng)的連接 轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC軟件延時等待(比如延時1ms)不用EOC信號CPU效率最低軟件查詢EOC狀態(tài)EOC通過一個三態(tài)門連到數(shù)據(jù)總線的D0(其他也可以)三態(tài)門要占用一個I/O端口地址CPU效率低把EOC作為中斷申請信號，接到8259的IR端在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，效率高20D0IN0A15-A0IOR#IOW#D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯碼器ADC0809例：ADC0809的查詢方式連接2122查詢方式采集程序流程 初始化 送通道地址送ALE信號送START信

10、號讀EOC狀態(tài)送讀允許OE信號EOC=1？讀轉(zhuǎn)換結(jié)果采集結(jié)束否？NY結(jié) 束Y送下一路通道地址NADC0809編程實例用延時等待的方法MOV DX, start_portOUT DX, AL;啟動轉(zhuǎn)換CALL DELAY_1MS;延時1msMOV DX, oe_portIN AL, DX;讀入結(jié)果用查詢EOC狀態(tài)的方法MOVDX, start_portOUTDX, AL;啟動轉(zhuǎn)換LL: MOVDX, eoc_portINAL, DX;讀入EOC狀態(tài)ANDAL, 01H;測試第0位(EOC狀態(tài)位)JZLL;未轉(zhuǎn)換完，則循環(huán)檢測MOVDX, oe_portINAL, DX;讀入結(jié)果237.2 數(shù)/模

11、（DA）變換器用途將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬信號，以便于計算機控制外部執(zhí)行電路。DA變換器的基本原理D/A變換器的基本工作原理組成：模擬開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、運算放大器24DA轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標分辨率（Resolution）輸入的二進制數(shù)每1個最低有效位(LSB)使輸出變化的程度。一般用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示: 如8位、10位例：一個滿量程為5V的10位DAC，1 LSB的變化將使輸出變化 5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV轉(zhuǎn)換精度（誤差）實際輸出值與理論值之間的最大偏差。一般用最小量化階來度量，如1/2 LSB，也可用滿量程的百分比來度量，如0.05% FSR

12、LSB-Least Significant Bit, FSR-Full Scale Range25DA轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標轉(zhuǎn)換時間從開始轉(zhuǎn)換到與滿量程值相差1/2 LSB所對應(yīng)的模擬量所需要的時間tV1/2 LSBtCVFULL26REF(-)REF(-)REF(OUTV2nVVV+-=+NDA轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換公式VREF（+）：限定模擬電壓的最大值VREF（-）： 限定模擬電壓的最小值VREF（+）- VREF（-）：量程模擬電壓Vout和數(shù)字量N之間的關(guān)系為：27典型DA轉(zhuǎn)換器DAC0832特性：8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)1路差動輸出28DAC0832的外部引腳D7D0：輸入數(shù)據(jù)線

13、ILE：輸入鎖存允許CS：片選信號WR1：寫輸入鎖存器上述三個信號用于把數(shù)據(jù)寫入到輸入鎖存器WR2：寫DAC寄存器XFER：允許輸入鎖存器的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器上述二個信號用于啟動轉(zhuǎn)換VREF：參考電壓，-10V+10V，一般為+5V或+10VIOUT1、IOUT2：D/A轉(zhuǎn)換差動電流輸出，接運放的輸入Rfb：內(nèi)部反饋電阻引腳，接運放輸出AGND、DGND：模擬地和數(shù)字地 29DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)30DAC0832的工作時序D/A轉(zhuǎn)換可分為兩個階段：CS=0、WR1=0、ILE=1，使輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器；WR2=0、XFER=0，數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器，并開始轉(zhuǎn)換。寫輸入寄存器寫D

14、AC寄存器31DAC0832的工作方式單緩沖方式使輸入鎖存器或DAC寄存器二者之一處于直通。CPU只需一次寫入即開始轉(zhuǎn)換?？刂票容^簡單。雙緩沖方式轉(zhuǎn)換要有兩個步驟：將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器 CS=0、WR1=0、ILE=1將輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器 WR2=0、XFER=0 優(yōu)點：數(shù)據(jù)接收與D/A轉(zhuǎn)換可異步進行； 可實現(xiàn)多個DAC同步轉(zhuǎn)換輸出分時寫入、同步轉(zhuǎn)換直通方式使內(nèi)部的兩個寄存器都處于直通狀態(tài)，模擬輸出始終跟隨輸入變化。不能直接與數(shù)據(jù)總線連接，需外加并行接口(如74LS373、8255等)。32D7D0IOWA9A0AEN系統(tǒng)總線DI07WR1ILECSDAC0832譯碼器WR2XFERDGNDVerfRfbIout1Iout2AGND+-AR+5VVout +5V200HDAC0832單緩沖方式連接實例Vout與Vref相反33哪一級緩沖/直通？DAC寄存器直通輸入鎖存器程控DAC0832編程實例采用單緩沖方式連接如圖，利用DAC可實現(xiàn)任意波形（如鋸齒