《計(jì)算機(jī)接口技術(shù)》課件第7章 模 數(shù)(A D)與數(shù) 模(D A)轉(zhuǎn)換

第7章模/數(shù)(A/D)與數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換 7.1模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換

7.2數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換7.3實(shí)驗(yàn)習(xí)題77.1模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換7.1.1模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理與主要技術(shù)指標(biāo)

1.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，實(shí)際應(yīng)用中是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量。模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法有計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換，并行A/D轉(zhuǎn)換和串/并行A/D轉(zhuǎn)換等。

計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換由計(jì)數(shù)器、比較器和一個(gè)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器組成，線路比較簡(jiǎn)單，價(jià)格也便宜，但轉(zhuǎn)換速度比較慢，現(xiàn)在已不常使用。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換主要由積分器、零比較器、計(jì)數(shù)器以及時(shí)鐘發(fā)生器組成。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換既具有一定的轉(zhuǎn)換速度，又具有一定的精度，是目前廣泛應(yīng)用的8～16位ADC的主流產(chǎn)品。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的原理如圖7-1所示。圖7-1逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換2.?模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1)分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬輸入電壓值，常用可轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示(例如，8位、10位、12位、16位等)。分辨率＝

其中，n是可轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量的位數(shù)。所以位數(shù)越高，分辨率也越高。例如，當(dāng)輸入滿量程電壓為5V時(shí)，對(duì)于8位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換的分辨率為5V/255＝0.0195V。2)轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間反映了A/D轉(zhuǎn)換的速度。轉(zhuǎn)換時(shí)間是啟動(dòng)ADC開(kāi)始轉(zhuǎn)換到完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。目前常用的A/D轉(zhuǎn)換集成電路芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)。不同的ADC有不同的轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間是編程時(shí)必須考慮的因素。

3)量程量程是指能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的輸入電壓的最大范圍。4)絕對(duì)精度絕對(duì)精度是指ADC輸出端產(chǎn)生一個(gè)給定的數(shù)字量時(shí)，ADC輸入端的實(shí)際模擬量輸入值與理論值之差，把這個(gè)差值的最大值定義為絕對(duì)精度。ADC輸出端的一個(gè)確定的數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入量是一個(gè)范圍，而不是一個(gè)固定值。

5)相對(duì)精度類似于絕對(duì)精度，相對(duì)精度是指ADC輸出端產(chǎn)生一個(gè)給定的數(shù)字量時(shí)，ADC輸入端實(shí)際模擬量輸入值與理論值之差的最大值與滿量程值之比，一般用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。7.1.2模/數(shù)接口芯片ADC0809ADC0809是CMOS逐次逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器，它具有8通路模擬信號(hào)輸入端，模擬輸入電壓范圍為0～＋5V，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，輸出端具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，＋5V電源供電，功耗為15mW。1.?ADC0809的引腳

ADC0809的引腳如圖7-2所示，各引腳功能如下。

IN0～I(xiàn)N7：8通路模擬信號(hào)輸入端，同一時(shí)刻只可有一路模擬信號(hào)輸入。

ADDA、ADDB、ADDC：地址信號(hào)線，輸入，用于選擇控制8通路輸入模擬量中的某一路工作。ADDA、ADDB、ADDC與IN0～I(xiàn)N7的關(guān)系見(jiàn)表7-1。表7-1ADDA～ADDC與IN0～I(xiàn)N7的關(guān)系A(chǔ)DDCADDBADDA模擬信號(hào)輸入通路選擇000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7圖7-2ADC0809引腳圖ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效，配合ADDA、ADDB、ADDC工作。

D7～D0：8位數(shù)字量輸出端。

START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端，START的上升沿使逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng)ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換工作。

CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端，CLK的頻率范圍為10～1280kHz。

EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電平有效，可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)。OE：數(shù)字量輸出允許信號(hào)。

VREF(+)～VREF(－)：基準(zhǔn)參考電壓正負(fù)輸入端，用來(lái)提供A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部D/A使用的標(biāo)準(zhǔn)電平，與微機(jī)接口時(shí)常對(duì)應(yīng)使用＋5V、0V或使用0V、－5V。

VCC：電源電壓，＋5V。

GND：地線。2.?ADC0809的結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-3所示，其功能與工作過(guò)程如下：輸入到地址鎖存與譯碼模塊的ADDA、ADDB、ADDC三位地址信號(hào)用于決定IN0～I(xiàn)N7中哪一路模擬信號(hào)可以輸入，然后使地址鎖存與譯碼模塊的ALE＝1，從而使IN0～I(xiàn)N7中被選中的一路模擬信號(hào)經(jīng)通道選擇開(kāi)關(guān)送達(dá)比較器的輸入端。

向定時(shí)和控制模塊發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)START，START的上升沿使逐次逼近寄存器SAR清零，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。這時(shí)定時(shí)和控制模塊的EOC輸出信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，表示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC變?yōu)楦唠娖?，表示A/D轉(zhuǎn)換完成。圖7-3ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換好的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)已送入8位三態(tài)鎖存緩沖器模塊。如果使8位三態(tài)鎖存緩沖器模塊的OE信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，則8位三態(tài)鎖存緩沖器的三態(tài)門被打開(kāi)，轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)字量數(shù)據(jù)被輸出到數(shù)據(jù)線上。如上所述，EOC信號(hào)變?yōu)楦唠娖奖硎続/D轉(zhuǎn)換完成，EOC可作為中斷申請(qǐng)信號(hào)，通知CPU取走數(shù)據(jù)。在查詢傳送方式中，EOC可以作為CPU查詢外設(shè)(ADC)的狀態(tài)信號(hào)。

ADC0809的工作時(shí)序如圖7-4所示，ADC0809在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前，先通過(guò)ADDA、ADDB、ADDC選擇模擬輸入通路。圖7-4ADC0809的工作時(shí)序7.1.3ADC0809與系統(tǒng)的接口及應(yīng)用

1.?ADC0809與CPU的連接

ADC0809與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的連接主要考慮三方面，即與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線的連接。由于ADC0809的輸出D7～D0具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，因此ADC0809與計(jì)算機(jī)連接時(shí)可以直接和CPU的數(shù)據(jù)總線相連。地址總線的A0、A1、A2可以對(duì)應(yīng)連接ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC三位地址信號(hào)輸入線，用以控制8路模擬輸入中哪一路被選中輸入。

系統(tǒng)的控制總線要進(jìn)行與ADC0809的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)START、輸出允許信號(hào)OE、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC以及ALE等信號(hào)線的連接。啟動(dòng)信號(hào)START要求是一個(gè)正脈沖信號(hào)，通?？捎蒀PU控制發(fā)出，輸出允許信號(hào)OE也需要CPU提供一個(gè)正脈沖信號(hào)。在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，ADC0809會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC，通知CPU可以讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。CPU可以采取中斷方式或查詢方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。ADC0809與CPU的連接如圖7-5所示，CPU控制總線的I/O寫信號(hào)與片選信號(hào)經(jīng)或非門后，連接到ADC0809的START與ALE引腳，這樣CPU在執(zhí)行OUT指令時(shí)就能對(duì)ADC0809執(zhí)行寫操作，產(chǎn)生START與ALE所需的正脈沖。圖7-5ADC0809與CPU的連接

例7.1

如圖7-5所示，設(shè)系統(tǒng)譯碼后使片選信號(hào)有效的端口地址為220H～227H，參考電壓VREF為＋5V，ADC0809的工作時(shí)鐘為500kHz。如果使模擬電壓信號(hào)分別從模擬輸入通路2和通路4輸入，分別進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量分別存入BL、CL寄存器，請(qǐng)編寫實(shí)現(xiàn)這些功能的程序。

解參照表7-1可知IN0～I(xiàn)N7對(duì)應(yīng)的端口地址分別為220H～227H。程序如下：MOV DX, 222H ；模擬輸入通路2的端口地址OUT DX, AL ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換CALL DELAY ；調(diào)用延時(shí)子程序，延時(shí)約150μs，等待A/D轉(zhuǎn)換完成IN AL, DX ；將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀入ALMOV BL, AL ；結(jié)果存入BLMOV DX, 224H ；模擬輸入通路4的端口地址OUT DX, AL ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換CAL DELAY ；調(diào)用延時(shí)子程序，延時(shí)約150μs，等待A/D轉(zhuǎn)換完成IN AL, DX ；將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀入ALMOV CL, AL ；結(jié)果存入CL

例7.2A/D轉(zhuǎn)換電路如圖7-5所示，請(qǐng)編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖7-5中的8路模擬輸入電壓量的輪詢輸入，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果存入DI指向的存儲(chǔ)緩沖區(qū)BUF。解程序如下：

LEA DI, BUF

；DI指向A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的存儲(chǔ)緩沖區(qū)

MOV CL, 8MOV DX, 220H ；模擬輸入通路0的端口地址LOP：OUT DX, AL ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

CALLDELAY

；調(diào)用延時(shí)子程序，延時(shí)約150μs，等待A/D轉(zhuǎn)換完成INAL, DX ；將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀入ALMOV[DI],AL ；結(jié)果存入DI指向的緩沖區(qū)

INCDI ；DI指向緩沖區(qū)下一個(gè)單元

INC DX

；DX為下一個(gè)模擬輸入通路的端口地址

DEC CLJNZ LOP

例7.1和例7.2實(shí)現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換并沒(méi)有對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC進(jìn)行處理，而是采用軟件延時(shí)的方法處理A/D轉(zhuǎn)換。例7.3

設(shè)在8086/8088系統(tǒng)中ADC0809與系統(tǒng)的連接如圖7-6所示，請(qǐng)利用A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，采用中斷方式把從IN7輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后存入BUFFER存儲(chǔ)單元。設(shè)經(jīng)譯碼器選中ADC0809工作的端口地址為220H～227H。

解

CPU經(jīng)譯碼器選中ADC0809工作的端口地址為220H～227H，從圖7-6可知，當(dāng)CPU對(duì)端口地址為220H～227H進(jìn)行寫操作時(shí)，可以啟動(dòng)ADC0809工作；當(dāng)CPU對(duì)端口地址為220H～227H進(jìn)行讀操作時(shí)，可以讀取ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)果。ADDA～ADDC對(duì)應(yīng)連接至地址總線的A0～A2，只有當(dāng)CPU訪問(wèn)220H～227H端口，并且對(duì)ADC0809進(jìn)行讀/寫操作時(shí)，ADDA～ADDC上的地址信號(hào)才有意義，IN7的有效地址為227H。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC連接系統(tǒng)的中斷請(qǐng)求線IRQ2，圖7-6ADC0809以中斷方式與CPU的連接

當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC有效時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)IRQ2向CPU提出中斷請(qǐng)求。在8086/8088系統(tǒng)中，IRQ2的中斷類型號(hào)是0AH(請(qǐng)參閱第3章的表3-2)，可以據(jù)此設(shè)置中斷矢量。程序中采用把中斷服務(wù)程序的入口地址直接存入中斷矢量表的方法設(shè)置中斷矢量，并且由于IRQ2是為用戶保留的中斷，因此在程序結(jié)束處沒(méi)有再采取措施恢復(fù)原系統(tǒng)的中斷矢量。DATASEGMENTBUFFERDB？ ；定義存放結(jié)果的緩沖區(qū)DATAENDSCODESEGMENTASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: MOV AX, DATA MOV DS, AX CLI ；關(guān)中斷

MOV AX, 0 MOV ES, AXMOV DI,4*0AH

；DI獲得IRQ2(0AH號(hào))的中斷矢量在內(nèi)存中；的地址

MOV AX, OFFSETADCINT

；中斷服務(wù)程序的入口地址的地址偏移量

MOV ES:[DI],AX

；在中斷矢量表中設(shè)置中斷服務(wù)程序入口地址；的偏移量

MOV AX,SEGADCINT

；中斷服務(wù)程序入口地址的段地址 INC DI INC DI MOV ES:[DI],AX

；在中斷矢量表中設(shè)置中斷服務(wù)程序入口地址；的段地址

MOV SI, OFFSETBUFFER

；設(shè)置存放結(jié)果的存儲(chǔ)單元地址MOVDX, 227H ；選擇模擬通道IN7 OUT DX, AL ；發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)

STI ；開(kāi)中斷

HLT ；等待中斷

MOV AH, 4CH INT 21H ；程序結(jié)束ADCINT:CLI ；中斷服務(wù)程序入口，關(guān)中斷

MOV DX, 227H ；選擇模擬通道IN7 IN AL, DX ；輸入轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOV [SI], AL ；轉(zhuǎn)換結(jié)果存入存儲(chǔ)單元

MOV AL, 20H OUT 20H, AL ；發(fā)中斷結(jié)束命令

STI ；開(kāi)中斷

IRET ；中斷返回CODE ENDS END START2.?ADC0809經(jīng)8255A與系統(tǒng)的連接

ADC0809芯片通過(guò)Intel8255A與PC總線連接的方法如圖7-7所示。圖7-7ADC0809通過(guò)8255A與系統(tǒng)的連接Intel8255A的端口A作為8位數(shù)據(jù)的輸入口，8255A的D7～D0連接系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，ADC0809轉(zhuǎn)換后生成的數(shù)字量經(jīng)D7～D0送往8255的PA7～PA0。待轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)從ADC0809的IN7～I(xiàn)N0輸入。8255A的端口地址374H～377H由地址總線譯碼后產(chǎn)生。8255A的PC4～PC6輸出，與ADDA、ADDB和ADDC相連，用來(lái)選擇ADC0809模擬輸入通路。

例7.4

如圖7-7所示的電路構(gòu)成8路模擬量輸入采集系統(tǒng)，設(shè)有8路模擬量輸入信號(hào)，信號(hào)電壓規(guī)定在0～5V的范圍內(nèi)，分別從IN0～I(xiàn)N7輸入。要求從0通路開(kāi)始，順序把8個(gè)通路輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，存入BUF開(kāi)始的存儲(chǔ)單元中。要求以查詢傳送方式工作。解程序如下：；8255A工作于方式0，端口A和端口C的低4位輸入，端口C的高4位輸出

DATASEGMENTBUFDB8DUP(0)DATAENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART:MOV AX, DATA MOV DS, AXMOVAL, 10010001B

；8255A的端口A輸入，PC7～PC4輸出，；PC3～PC0輸入

MOV DX, 377H ；8255A控制字寄存器地址

OUT DX, AL MOV DI, OFFSETBUF

；設(shè)置存儲(chǔ)單元首地址MOV CX, 8 ；模擬通路個(gè)數(shù)

MOV AL, 0H

；設(shè)定開(kāi)始轉(zhuǎn)換的模擬通路IN0的地址

LP0:PUSHAL ；保護(hù)轉(zhuǎn)換的模擬通路地址ORAL, 80H ；選擇模擬通道，且發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)；(PC7＝1) MOV DX,376H ；端口C地址

OUT DX, AL AND AL, 7FH OUT DX, AL ；啟動(dòng)脈沖的下降沿(PC7＝0)LP1：INAL,DX ；從端口C讀取數(shù)據(jù)

ANDAL, 00000l00B

；檢查PC2，確定EOC電平是否變低

JZLP1 ；EOC未變低，循環(huán)等待

LP2：IN AL, DX ；變低，再讀端口C AND AL, 00000100B

；根據(jù)PC2檢查EOC電平是否變高

JNZ LP2 ；EOC未變高，循環(huán)等待

MOV DX, 374H ；端口A地址

INAL, DX ；EOC變高，轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀入數(shù)據(jù)MOV[DI], AL ；存入BUF存儲(chǔ)單元POPAL ；恢復(fù)當(dāng)前轉(zhuǎn)換的模擬通路地址ADDAL, 00010000B ；下一個(gè)模擬通路地址INCDI ；修改存儲(chǔ)單元地址指針LOOPLP0 ；CX－1≠0，則轉(zhuǎn)換下一個(gè)模擬通路MOVAH, 4CHINT21HCODEENDS END START

程序中通過(guò)使PC7先后為1和0產(chǎn)生START啟動(dòng)信號(hào)所需的正脈沖，正脈沖的寬度可參考時(shí)序圖要求予以考慮。EOC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，是一個(gè)負(fù)的方波，由高電平變?yōu)榈碗娖奖硎続/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始，整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持低電平，所以第一次根據(jù)EOC判斷A/D轉(zhuǎn)換是否開(kāi)始；EOC由低電平再變到高電平，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，所以第二次再根據(jù)EOC判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。先后要進(jìn)行兩次判斷，同時(shí)還要考慮電路中EOC與PC2之間連有非門對(duì)電平的影響。7.1.416位模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC1143簡(jiǎn)介

1.?ADC1143功能結(jié)構(gòu)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換芯片有8位、10位、12位、16位等，一般來(lái)說(shuō)，位數(shù)越多，精度越高。ADC1143是32腳DIP封裝的逐次逼近式16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-8所示。圖7-8ADC1143內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC1143的各引腳功能簡(jiǎn)述如下。Vx1、Vx2、Vx3：都是模擬電壓輸入端，但模擬電壓輸入范圍隨不同的連接而不同。Va＋、Va－：分別為正負(fù)模擬電壓輸入端。Vd：數(shù)字電路電壓輸入端。D15～D0：16位并行數(shù)字量輸出端。：二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出端，內(nèi)部有數(shù)據(jù)鎖存功能，但不是三態(tài)輸出。SO：串行輸出端，每位寬度為一個(gè)時(shí)鐘周期。RO：＋10V基準(zhǔn)電壓輸出端。

RI：基準(zhǔn)電壓輸入端，如果使用片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源，則可用一個(gè)100Ω的精密電位器把RI和RO相連，以便于增益校準(zhǔn)。

OS：偏移校正輸入端，用于0輸出校正。

TR：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端，啟動(dòng)脈沖寬度應(yīng)不小于1μs。ST：A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端，可用于判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，中斷方式中可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)。

CO：內(nèi)部時(shí)鐘輸出引線。

AG：模擬地。

DG：數(shù)字地。2.?ADC1143在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用圖7-9是ADCl143在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的使用方法。該電路中使用8255A作為ADC1143與CPU之間的接口。圖7-9ADCl143與CPU的連接

由于ADC1143是單路A/D轉(zhuǎn)換器，因此處理多路模擬信號(hào)輸入時(shí)需要使用外接模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，圖中使用了集成電路芯片MC14051。MC14051是CMOS8通道模擬多路轉(zhuǎn)換器。圖中使用了高速采樣保持放大器AD346。采樣保持器的作用是對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行保持，輔助A/D轉(zhuǎn)換器工作，以減小誤差。

ADC1143的輸出具有數(shù)據(jù)鎖存功能，但是沒(méi)有三態(tài)控制功能，所以要使用兩片三態(tài)緩沖器74LS244。7.2數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換7.2.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換的工作原理數(shù)字量是由數(shù)字代碼按位組合起來(lái)表示的，每一個(gè)數(shù)位都有其不同的權(quán)值。把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的基本思想是：先把每一位數(shù)字代碼根據(jù)其權(quán)值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬分量，然后將各模擬分量相加，得到的總和就是與數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。例如：

1011B＝1×23＋0×22＋1×21＋1×20＝11

這就是D/A轉(zhuǎn)換的基本思想(式中二進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)值分別為23、22、21、20)。

D/A轉(zhuǎn)換器主要由邏輯電路、電子開(kāi)關(guān)、產(chǎn)生權(quán)電流或權(quán)電壓的電阻網(wǎng)絡(luò)、基準(zhǔn)電壓以及電壓或電流放大器等部分組成，如圖7-10所示。圖7-10D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成D/A轉(zhuǎn)換器具體實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的部分主要包括：電子開(kāi)關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)和基準(zhǔn)電壓三部分。根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的不同，D/A轉(zhuǎn)換器可分為權(quán)電阻解碼D/A,R-2R電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A等。其中，R-2R電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是一種被廣泛使用的D/A轉(zhuǎn)換器，這種D/A轉(zhuǎn)換器反映了一般D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。圖7-11R-2R電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換原理

以4位R-2R電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換為例，其基本原理如圖7-11所示。圖7-11中4位二進(jìn)制數(shù)D3、D2、D1、D0，每一位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位電子開(kāi)關(guān)，當(dāng)該位二進(jìn)制數(shù)為“1”時(shí)，與該位對(duì)應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)經(jīng)電阻連接到參考電壓VREF端；當(dāng)該位二進(jìn)制數(shù)為“0”時(shí)，電子開(kāi)關(guān)接地。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假設(shè)VREF＝16V，根據(jù)電路原理分析可知：當(dāng)D3＝1,D2＝D1＝D0＝0時(shí)，Vout＝VREF/2＝8V；當(dāng)D3＝0,D2＝2，D1＝D0＝0時(shí)，Vout＝VREF/4＝4V；當(dāng)D3＝D2＝0，D1＝1，D0＝0時(shí)，Vout＝VREF/8＝2V；當(dāng)D3＝D2＝D1＝0，D0＝1時(shí)，Vout＝VREF/16＝1V。根據(jù)線性網(wǎng)絡(luò)的疊加原理，該R-2R網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓為：

經(jīng)分析可知：當(dāng)D3＝D2＝D1＝D0＝1時(shí)，可得到最高的輸出電壓15V；當(dāng)D3＝D2＝D1＝D0＝0時(shí)，可得到最低的輸出電壓0V。對(duì)于n位的D/A轉(zhuǎn)換器，有一個(gè)n位的電子開(kāi)關(guān)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓滿足下式：7.2.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)反映了D/A轉(zhuǎn)換器的性能，主要包括以下四種。

1.分辨率分辨率是指D/A轉(zhuǎn)換器可輸出的模擬量的最小變化量，也就是最小輸出電壓(輸入的數(shù)字量只有D0=1)與最大輸出電壓(輸入的數(shù)字量所有位都等于1)之比。8位D/A的分辨率為=(用百分?jǐn)?shù)表示約為0.392％)

設(shè)D/A滿量程輸出電壓為5V。8位D/A所能分辨的最小電壓為

5×0.392％＝19.6mV2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指模擬輸出信號(hào)的實(shí)際值與理論計(jì)算值的偏差，通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。它反映了D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的準(zhǔn)確程度。

3.建立時(shí)間建立時(shí)間是指從輸入待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量開(kāi)始，到輸出的模擬信號(hào)幅度穩(wěn)定在額定值上下1/2LSB時(shí)所需的時(shí)間。4.輸出電平范圍輸出電平范圍是指當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器可輸出的最低電壓與可輸出的最高電壓的電壓差值。常用的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出范圍是0～＋5V，0～＋10V，－2.5～＋2.5V，－5～＋5V，－10～＋10V等。7.2.3數(shù)/模接口芯片DAC0832

數(shù)/模接口芯片種類很多，有通用型、高速型、高精度型等，轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位、12位、16位等，輸出模擬信號(hào)有電流輸出型和電壓輸出型，在應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。DAC0832是采用CMOS工藝制造的8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率為8位，建立時(shí)間為1μs，功耗為20mW，數(shù)字輸入電平為TTL電平。1.?DAC0832的結(jié)構(gòu)

DAC0832的結(jié)構(gòu)如圖7-12所示。它由一個(gè)8位的輸入寄存器、一個(gè)8位的DAC寄存器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器以及控制電路組成。D/A轉(zhuǎn)換器中使用的是R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)。DAC0832中的輸入寄存器和DAC寄存器可以分別控制，從而可以根據(jù)需要接成兩級(jí)輸入鎖存的雙緩沖方式，一級(jí)輸入鎖存的單緩沖方式，或接成完全直通的無(wú)緩沖方式。圖7-12DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.?DAC0832的引腳功能

DAC0832是有20個(gè)引腳的雙列直插式芯片，其引腳排列如圖7-13所示。20個(gè)引腳中包括與CPU系統(tǒng)連接的信號(hào)線，與外設(shè)連接的信號(hào)線以及其它引線。圖7-13DAC0832的引腳1)與CPU系統(tǒng)相連的信號(hào)線D7～D0：8位數(shù)據(jù)輸入線，用于數(shù)字量輸入。ILE：輸入鎖存允許信號(hào)，高電平有效。：片選信號(hào)，低電平有效，與ILE結(jié)合決定是否有效。：寫命令l，當(dāng)為低電平，且ILE和有效時(shí)，把輸入數(shù)據(jù)鎖存入輸入寄存器；、ILE和三個(gè)控制信號(hào)構(gòu)成第一級(jí)輸入鎖存命令。

：寫命令2，低電平有效，該信號(hào)與配合，當(dāng)也有效時(shí)，可使輸入寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器中。：傳送控制信號(hào)，低電平有效，與配合，構(gòu)成第二級(jí)寄存器(DAC寄存器)的輸入鎖存命令。2)與外設(shè)相連的信號(hào)線

IOUT1：DAC電流輸出1，它是輸入數(shù)字量中邏輯電平為“1”的所有位輸出電流的總和。當(dāng)所有位邏輯電平全為“1”時(shí)，IOUT1為最大值；當(dāng)所有位邏輯電平全為“0”時(shí)，IOUT1為“0”。

IOUT2：DAC電流輸出2，它是輸入數(shù)字量中邏輯電平為“0”的所有位輸出電流的總和。

RFB：反饋電阻，為外部運(yùn)算放大器提供一個(gè)反饋電壓。RFB也可由外部提供。3)其它引線

VREF：參考電壓輸入端，要求外部提供精密基準(zhǔn)電壓，VREF一般在－10～＋10V之間。

VCC：芯片工作電源電壓，一般為＋5～＋15V。

AGND：模擬地。

DGND：數(shù)字地。模擬地要連接模擬電路的公共地，數(shù)字地要連接數(shù)字電路的公共地，最后把它們匯接為一點(diǎn)接到總電源的地線上。為避免模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)互相干擾，兩種不同的地線不可交叉混接。7.2.4DAC0832與系統(tǒng)的接口及應(yīng)用

1.?DAC0832與CPU的接口

DAC0832與CPU接口時(shí)要進(jìn)行數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線的連接。對(duì)于8位數(shù)據(jù)總線的CPU(如Intel8088),DAC0832的數(shù)據(jù)線D7～D0可直接連至CPU的數(shù)據(jù)總線。在圖7-14的電路中，VCC、VREF和ILE都連接到＋5V電源，從而使參考電壓VREF為＋5V，使ILE保持有效的高電平。圖7-14DAC0832與CPU的連接

例7.5

利用圖7-14所示的DAC電路產(chǎn)生10個(gè)對(duì)稱方波，波形可通過(guò)示波器查看。假設(shè)使有效的譯碼地址為2A0H。解程序如下：

MOV CX, 10 ；循環(huán)次數(shù)

MOV DX, 2A0H ；使有效的地址LOP：MOVAL, 0；產(chǎn)生0電平的數(shù)字量

OUT DX, AL ；讓DAC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換

CALL DELAY ；延時(shí)子程序

MOV AL, 0FFH ；產(chǎn)生高電平的數(shù)字量

OUT DX, AL ；讓DAC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換

CALL DELAY ；延時(shí)子程序

LOOP LOP ；循環(huán)

MOV AL, 0 ；產(chǎn)生0電平的數(shù)字量

OUT DX, AL ；讓DAC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，恢復(fù)0電平2.?DAC0832經(jīng)8255A與CPU的接口經(jīng)8255A與CPU連接時(shí)，DAC0832將不直接與CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線應(yīng)完成的功能將由8255A來(lái)實(shí)現(xiàn)。DAC0832經(jīng)8255A與CPU的連接見(jiàn)圖7-15。圖7-15DAC0832經(jīng)8255A與CPU的連接

例7.6

如圖7-15所示電路，設(shè)8255A的端口地址為218H～21BH。利用該電路可以使D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生多種波形，可以通過(guò)示波器來(lái)查看。請(qǐng)根據(jù)該電路編寫一個(gè)產(chǎn)生鋸齒波的程序。

解產(chǎn)生鋸齒波的方法是把從0開(kāi)始逐漸遞增的數(shù)據(jù)送到D/A轉(zhuǎn)換器，逐個(gè)轉(zhuǎn)換，直到數(shù)據(jù)增至0FFH。數(shù)據(jù)再?gòu)?開(kāi)始，重復(fù)上述過(guò)程，就可得到周期性的鋸齒波電壓。用這個(gè)方法得到的鋸齒波，從0到最大值，中間要分為256個(gè)小臺(tái)階，但從宏觀上看，就是一個(gè)線性增長(zhǎng)的電壓波形。當(dāng)數(shù)據(jù)為0時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換電路輸出最低電壓；當(dāng)數(shù)據(jù)為0FFH時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換電路輸出最高電壓。實(shí)現(xiàn)鋸齒波的程序如下：

；8255A初始化

MOV DX，21BH

；8255A的控制字寄存器的端口地址

MOV AL，80H

；8255A的方式字,端口A方式0，輸出,端口B

；方式0，輸出

OUT DX，AL

；端口B發(fā)控制信號(hào)，設(shè)置DAC0832工作于完全直通的無(wú)緩沖方式

MOV DX，219H ；8255A的端口B地址MOVAL，00010000B

；置DAC0832為直通工作方式

OUT DX，AL

；實(shí)現(xiàn)鋸齒波的循環(huán)

MOV DX，218H ；8255A的端口A地址

MOV AL,0H ；輸出數(shù)據(jù)從0開(kāi)始LOP：OUTDX，AL ；由DAC轉(zhuǎn)換成模擬電壓

CALL DELAY ；延時(shí)子程序

INC AL

；輸出數(shù)據(jù)加1，可使模擬電壓上升

JMP LOP

；AL將從0H～0FFH，0H～0FFH，…，循環(huán)變化

該程序?qū)崿F(xiàn)的波形如圖7-16所示。程序中控制延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間，可以改變上升電壓曲線的斜率。無(wú)論要產(chǎn)生什么波形都要通過(guò)改變輸入的數(shù)字量的值以及延時(shí)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖7-16生成的鋸齒波波形

例7.7

如圖7-15所示電路，仍設(shè)8255A的端口地址為218H～21BH。設(shè)提供給DAC0832的基準(zhǔn)電壓為5V。要求產(chǎn)生最小值為1V，最大值為2.5V的鋸齒波波形，請(qǐng)編寫程序。

解如例7.6所示，當(dāng)數(shù)據(jù)為0時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換電路輸出最低電壓；當(dāng)數(shù)據(jù)為0FFH時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換電路輸出最高電壓。數(shù)據(jù)從0到最大值，中間要分為256個(gè)小臺(tái)階?；鶞?zhǔn)電壓為5V，要生成的輸出波形電壓在1～2.5V之間,因此實(shí)際選用的數(shù)據(jù)值n可用下式計(jì)算：n＝×256因此對(duì)于1V電壓，有n＝×256＝51對(duì)于2.5V電壓，有:n＝×256＝128編寫程序如下：

MOVDX, 21BH

；8255A的控制字寄存器的端口地址

MOVAL,80H

；8255A的方式字,端口A方式0，輸出,端口B

；方式0，輸出

OUTDX, AL

；端口B發(fā)控制信號(hào)，設(shè)置DAC0832工作于完全直通的無(wú)緩沖方式MOV DX, 219H ；8255A的端口B地址

MOV AL, 00010000B

；置DAC0832為直通工作方式

OUT DX, AL

；實(shí)現(xiàn)鋸齒波的循環(huán)

MOV DX, 218H

；8255A的端口A地址LOP:MOVAL, 51

；輸出數(shù)據(jù)從51開(kāi)始LOP1：OUTDX, AL ；由DAC轉(zhuǎn)換成模擬電壓

CALL DELAY ；延時(shí)子程序

INC AL ；輸出數(shù)據(jù)加1，可使模擬電壓上升

CMP AL, 129 ；是否超過(guò)128 JGE LOPJMP LOP1 ；AL將在51～128之間循環(huán)變化7.3實(shí)

驗(yàn)7.3.1

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)本章實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境請(qǐng)參閱附錄A。

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饽?數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理，掌握ADC0809的使用方法。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)實(shí)驗(yàn)電路原理圖如圖7-17所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)左下角電位器RW1輸出0～＋5V直流電壓送入ADC0809通道0(IN0)，利用DEBUG的輸出命令啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，用輸入命令讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，驗(yàn)證輸入電壓與轉(zhuǎn)換后數(shù)字的關(guān)系。

圖7-17ADC0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路啟動(dòng)IN0開(kāi)始轉(zhuǎn)換： MOVDX,0298HOUT?DX,AL

讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果：IN?AL,DX(2)編程采集IN0輸入的電壓，在屏幕上顯示出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(用十六進(jìn)制數(shù))。

(3)編程實(shí)現(xiàn)低頻交流信號(hào)波形顯示，將JP3的1、2短接，使IN2處于雙極性工作方式，并給IN1輸入一個(gè)低頻交流信號(hào)。(幅度為±5V)，編程采集這個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)并在屏幕上顯示波形。3.編程提示

(1)ADC0809的