第07章 模数与数模转换.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,7,章 模数与数模转换,7.1,模数转换芯片,ADC0809,7.2,数模转换芯片,DAC0832,A/D,与,D/A,接口,能够把模拟量转换为数字量的器件称为,模数转换器,（,ADC,）。,能够把数字量转换为模拟量的器件称为,数模转换器,（,DAC,）。,D/A,与,A/D,转换是计算机用于工业控制等领域的一项重要技术，其在控制系统中的作用如下图所示。它主要由以下几个部件组成：,7.1,模数转换芯片,ADC0809,ADC0809,电路连接图,针对右图实现编程控制,学习导引,硬件结构决定着程序设计,，在程序设计时应该考虑的问题,ADC0809,的功能是什么？,如何编程控制,ADC0809,？,ADC0809,实现模数转换的基本原理是什么？,ADC0809,的引脚功能是什么？,ADC0809,的内部结构？,ADC0809,的控制步骤？,在掌握,ADC0809,编程控制的基本知识后，接下来呢,如何确定,ADC0809,的端口地址？,如何对,ADC0809,进行读写操作？,以 应用 简介,ADC0809,功能,基本转换原理？,8,位计数式,A/D,转换原理,逐次逼近式,A/D,转换原理（,0809,采用）,ADC,主要有以下性能指标：,(1),分辨率,分辨率表明了,A/D,转换器能够,分辨最小的模拟信号的能力，,即,V/2,n,(n,为转换的数据宽度,),.,分辨率仅表明了,A/D,转换器在理论上可以达到的精度。,(2),转换精度,转换精度是,A/D,转换器实际输出值和理想输出值的误差,可用绝对精度或相对精度来表示。,绝对精度：绝对精度等于实际转换结果与理论转换结果之差，通常以数字量的最小有效位（,LSB,）,的分数值来表示。例如，,1LSB,，,1/2LSB,，,1/4LSB,等。,相对精度：相对精度是绝对精度与模拟电压满量程的百分比,.,(3),转换时间,转换时间是指模拟信号输入启动转换到转换结束，输出达到最终值并稳定所经历的时间,.,A/D,转换芯片,ADC0809,主要技术指标如下：,*,分辨率：,8,位；,*,转换方法：逐次逼近法；,*,转换时间：,100,s,；,*,输入模拟电压范围：,8,路模拟电压均为,0,5V,；,*,电源电压：,5V,。,图,ADC0809,引脚图,ADC0809,的引脚,和,CPU,三总线相连的引脚,D7,D0,：,8,位数字量输出引脚。,ADDA,、,ADDB,、,ADDC,：通道地址选择信号，其中，,ADDA,为低位，,ADDC,为高位。,ADDC,、,ADDB,、,ADDA,的,111,000,对应,IN7,IN0,。,START,：,A/D,转换启动信号。当,START,引脚出现一个宽度不小于,100us,的高电平时，使逐次逼近寄存器清,0,，并启动,0809,开始转换。,ALE,：地址锁存允许信号，当引脚出现一个宽度不小于,100us,的高电平时，锁存,ADDA,、,ADDB,、,ADDC,通道地址选择信号。,OE,：允许输出信号，当,OE,1,时，打开,0809,内部的输出 锁存器，把,ADC,的转换结果送往数据总线,D0D7,。,EOC,：转换结束指示。该引脚在转换开始及转换中间均为低电平。转换结束后，,EOC,呈现高电平，该引脚可用于向,CPU,提出中断请求。,其他引脚,IN0,IN7,：,8,路模拟输入，具体由,ADDA,、,ADDB,、,ADDC,三位地址编码选择其中的一路。,VREF(+),、,VREF,（）,：,二个参考电压输入引脚，通常参考电压从,V,REF(+),端引入，而,V,REF,（）,与模拟地,AGND,相连。当,V,REF(+),接,5V,时，输入电压范围为,0V,5V,。,CLK,：,时钟输入信号，要求频率为,10kHz,1.2MHz,。,典型值为,640kHz,）。,GND,：,ADC,的数字接地端。,ADC0809,内部结构,图,ADC0809,的时序图,ADC0809,的一次转换分为以下,4,个阶段：,1,，,在,ALE,信号的作用下，地址引脚,ADDC,ADDA,上的信号被锁存,。随后，由地址引脚选择的模拟信号被多路开关接通，进入,ADC0809,；,2,，,在启动脉冲,START,的作用下，,A/D,转换开始,。,3,，转换完成,后，,ADC0809,转换结束信号,EOC,由低电平变为高电平，,该信号可以作为状态信号由,CPU,查询，也可以作为中断请求信号通知,CPU,一次,A/D,转换已经完成。,4,，,CPU,在查询式,I/O,程序或中断服务程序中,执行读,ADC0809,数据端口的指令,，该指令经地址译码电路产生高电平，,OE,有效信号,，打开输出三态缓冲器，,转换结果通过系统 数据总线进入,CPU,。,图,ADC0809,的时序图,构思：,ADC0809,电路连接,ADC0809,采取三总线方式与,CPU,相连,ADC0809,的,数据线,连接？,ADC0809,三,根地址线,的连接？,ADC0809,的,控制线,和,状态线呢,？,必须使,START,引脚输入高电平才可以启动转换；必须使,ALE,引脚输入高电平才可以锁存地址信号，选中被转换的,INn,引脚。（注：这两个引脚可以被,CPU,同时控制）,若想将转换数据传送到数据总线，从而进入到,CPU,，必须使,OE,引脚输入,1,（当然由,CPU,控制输入），该信号如何控制？,EOC,引脚,如何使用？程序控制方式与,EOC,引脚有什么关联？,ADC0809,有片选信号么？如何确定,0809,的端口地址？,ADC0809,的其他引脚：,CLK,REF+,REF-,电路连接雏形,设计：,ADC0809,硬件电路连接,IN0_ADREQU300H;,11,XXXXX,000,B,DSEGSEGMENT,RLTDB?,DSEGENDS,CSEGSEGMENT,ASSUMEDS:DSEG,CS:CSEG,START:MOVAX,DSEG,MOVDS,AX,MOVDX,IN0_ADR,MOVAL,X,;,写入什么数值无所谓,OUTDX,AL,;,关键是发出写操作，该操作会使,START,与,ALE,信号有效，锁定对,IN0,引脚输入并转换,CALLDELAY,MOVDX,IN0_ADR,INAL,DX ;,MOVRLT,AL,MOVAX,4C00H,INT21H,CSEGENDS,上例的控制程序,|,实现,如何编程控制，启动两路转换,与,CPU,的又一连接方案,ADC0809,的接口设计需考虑的问题如下：,ADDA,、,ADDB,、,ADDC,三端可直接连接到,CPU,地址总线,A0,、,A1,、,A2,端，但此种方法占用的,I/O,口地址多。每一个模拟输入端对应一个口地址，,8,个模拟输入端占用,8,个口 地址，对于微机系统外设资源的占用太多，因而一般,ADDA,、,ADDB,、,ADDC,分别接在数据总线的,D,0,、,D,1,、,D,2,端，通过数据线输出一个控制字作为模拟通道选择的控制信号。,ALE,信号为启动,ADC0809,选择开关的控制信号，该控制信号可以和启动转换信号,START,同时有效。,针对上一 连接方案 的 硬件连线图,如果引入了中断，程序如何？,（,4,）,采样保持电路,采样,/,保持电路包括采样和保持两种状态。采样状态下电路输出跟随输入的模拟电压，保持状态下电路输出保持采样结束瞬间的模拟信号状态。,基本的采样,/,保持电路如图所示（下图），由状态控制开关、运算放大器,A1,、,A2,和保持电容,C,组成。,实验要求,将,ADC,单元中提供的,0V5V,信号源作为,ADC0809,的模拟输入量，并将通过转换所得到的,8,位数字量显示在计算机屏幕上，显示形式为：,“AD0809,：,IN0 XX”,实验连线,AD0809EQU 0A800H;AD0809,的端口地址为,0A800,DATA SEGMENT,DTABLE DB “ADC0809:IN0$”,;,在屏幕中显示,AD0809:IN0 xx,DATA ENDS,CODE SEGMENT,ASSUME CS:CODE,DS:DATA,MOV AX,DATA,MOV DS,AX,START:MOV DX,AD0809,OUT DX,AL ;,启动,AD0809,转换过程,CALL DELAY,MOV DX,AD0809,IN AL,，,DX;,从,AD0809,读入转换的数据,CALL SHOW,CALL DELAY,MOV DL,0DH,MOV AH,02H,INT 21H;,输出回车字符，让光标回到行首,MOV AH,06H,MOV DL,0FFH,INT 21H,JNE STOP;,判断是否有键盘输入，如果有则退出,JMP START,STOP:MOV AX,4C00H,INT 21H,DELAY PROC,PUSH CX,PUSH AX,MOV CX,4000H,OUTER:MOV AX,0600H,INNER:DEC AX,JNZ INNER,LOOP OUTER,POP AX,POP CX,RET,DELAYENDP,SHOW PROC,。,;,将字符串,DTABLE,的内容，以及转换过的数据（数据在,AL,中存放）显示出来,RET,SHOW ENDP,若要理解,D/A,转换，必须理解,运算放大器,的应用,7.2,数模转换芯片,DAC0832,r,i,大,:,几十,k,几百,k,1.,运放的特点：,K,CMRR,很大,r,o,小：几十,几百,A,o,很,大,:10,4,10,7,2.,运放符号：,u,u,+,u,o,u,u,+,u,o,A,o,国际符号,国内符号,集成运算放大器,理想运算放大器特点,:,(1),输入阻抗,r,i,非常大,(2),输出阻抗,r,o,很小,(3),开环放大倍数,A,0,非常高,3.,理想的集成运放重要特点：,（,1,）虚短,在线性工作区，由于,u,o,为有限值，对于理想运放,A,Od,，因而净输入电压,u,u,0,。即,u,u,0,此等式说明，运放的两个输入端虽然没有短路，却具有与短路相同的特征，这种情况称为两个输入端“虚短路”，简称“虚短”。,（,2,）虚断,因为理想运放的输入电阻为无穷大，所以流入理想运放两个输入端的输入电流,i,i,0,。,此等式说明理想集成运放的两个输入端虽然没有断路，却具有与断路相同的特征，这种情况称为两个输入端“虚断路”，简称“虚断”。,运算放大器三种基本的电路形式：,(1),反相,比例运算放大器,_,+,+,R,F,R,1,R,P,u,i,u,o,i,1,i,F,i,b,-,i,b,+,虚地点,i,1,=,i,F,+,i,b,-,=,i,F,i,b,-,=0,i,b,+,=0,u,+,=0,u,=,u,+,=0,平衡电阻,(,使输入端对地的静态电阻相等,):R,P,=R,1,/R,F,F,电压放大倍数,:,i,F,_,+,+,R,F,R,1,R,P,u,i,u,o,i,1,i,2,i,b,-,i,b,+,例题,1.,R,1,=10k,R,F,=20k,u,i,=-1V,。,求,:,u,o,，,R,P,应为多大？,A,u,=-,（,R,F,/R,1,）,=-20/10=-2,u,o,=A,u,u,i,=(-2)(-1)=2V,R,P,=R,1,/R,F,=10/20=6.7 k,(2),同相,比例运算放大器,u,-,=u,+,=,u,i,i,b,+,=0,i,b,-,=0,_,+,+,R,F,R,f,R,P,u,i,u,o,i,F,i,f,A,u,=1+,R,F,R,f,i,F,=,i,f,R,P,=,R,f,/R,F,F,f,F,f,),_,+,+,R,F,R,f,R,P,u,i,u,o,i,F,i,f,例题,2.,R,f,=10k,R,F,=20k,u,i,=-1V,。,求,:,u,o,，,R,P,应为多大？,u,o,=A,u,u,i,=(3)(-1)=-3V,R,P,=,R,f,/R,F,=10/20=6.7 k,A,u,=1+=1+20/10=3,R,F,R,f,(3),差动放大器,_,+,+,R,2,R,1,R,1,u,i2,u,o,R,2,u,i1,i,b,+,=0,i,b,-,=0,u,i2,R,2,R,1,+,R,2,u,+,=,u,-,=,u,+,u,-,=,u,o,R,1,+u,i1,R,2,R,1,+,R,2,u,o,R,1,+u,i1,R,2,R,1,+,R,2,u,i2,R,2,R,1,+,R,2,=,_,+,+,R,F,R,f,R,P,u,i,u,o,A,u,=1+,R,F,R,f,当,R,F,=0,时,A,u,=1,u,o,=,u,i,(4),电压跟随器,此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,(5),反相求和运算：,_,+,+,R,F,R,1,R,2,u,i2,u,o,R,P,u,i1,i,1,i,2,i,F,虚地,u,o,=-(,u,i1,R,1,R,F,+,u,i2,R,2,R,F,),若,R,1,=,R,2,=,R,u,o,=-,(u,i1,R,R,F,+,u,i2,),取,R,P,=R,1,/R,2,/R,F,u,o,_,+,+,R,F,R,1,R,P,u,i,i,b,+,=0,i,b,-,=0,i,1,+,i,2,=,i,F,u,i1,R,1,=,u,i2,R,2,+,-,u,o,R,F,(6),同相求和运算：,A,u,=,R,F,R,f,1+,u,o,=,A,u,u,+,=()(+),R,F,R,f,1+,R,2,R,1,+,R,2,u,i1,R,1,R,1,+,R,2,u,i2,取,R,1,/R,2,=R,F,/,R,f,当,R,1,=R,2,时,u,o,=()(,u,i1,+,u,i2,),R,F,R,f,1+,1,2,R,f,R,F,+,+,u,i1,u,o,R,1,R,2,u,i2,-,u,+,_,+,+,R,F,R,f,R,P,u,i,u,o,3.,理想的集成运放重要特点：,（,1,）虚短,在线性工作区，由于,u,o,为有限值，对于理想运放,A,Od,，因而净输入电压,u,u,0,。即,u,u,0,此等式说明，运放的两个输入端虽然没有短路，却具有与短路相同的特征，这种情况称为两个输入端“虚短路”，简称“虚短”。,（,2,）虚断,因为理想运放的输入电阻为无穷大，所以流入理想运放两个输入端的输入电流,i,i,0,。,此等式说明理想集成运放的两个输入端虽然没有断路，却具有与断路相同的特征，这种情况称为两个输入端“虚断路”，简称“虚断”。,D/A,转换器的工作原理,D/A,转换器的作用是把二进制数字量转换成相应的模拟量。实现数,/,模（,D/A,）,转换的方法比较多，这里介绍其中的两种。,1,权电阻,DAC,下图是权电阻,D/A,转换的典型电路。电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器组成。权电阻,DAC,虽然简单、直观，但当输入的二进制位数比较多时，各个权电阻的阻值相差太大，也难以保证制造精度。,2,T,型电阻网络,DAC,实际应用的,D/A,转换器，普遍采用,T,型电阻网络，其结构如下图所示。,T,型电阻网络整个系统的电阻仅由,R,和,2R,两种电阻组成，实现简单，应用广泛。,二、倒,T,型电阻网络,D/A,转换器,1.,原理：,电阻网络特点：,模拟开关,S,i,不论接何位置，都相当于接地。,任意节点向左看的等效电阻皆为,R,。,公式推导,倒,T,型,3,D/A,转换器的性能参数,（,1,）,分辨率,这个参数反映了,D/A,转换器对模拟量的分辨能力，是最小输出电压（对应的输入数字量只有,D0,位为,1,）与最大输出电压（对应的输入数字量所有位全为,1,）之比。,（,2,）,转换精度,转换精度表明了模拟输出实际值与理想值之间的偏差。精度可分为绝对精度和相对精度。它通常用,零点几,LSB,（,最低有效位）表示，或用满刻度的,百分之几表示。,D/A,转换器的转换精度与,D/A,转换器本身的芯片结构和外接电路的配置有关，外接运算放大器、参考电源等都可影响,D/A,转换器的精度。,（,3,）,建立时间,建立时间是指从数字输入端发生变化开始，到输出模拟值稳定在额定值的,1/2LSB,时所需的时间。它是表明,D/A,转换速度的一个重要参数。,4,D/A,转换器,0832,0832,特点：,（,1,）分辨率为,8,位；,（,2,）转换精度,0.2%FSR,（,3,）,电流稳定时间,1s,；（,4,）,可单、双缓冲数据输入或直接数据输入；（,5,）单一电源供电（,5,15V,）；（,6,）,低功耗（,20mW,）。,4,D/A,转换器,0832,与,CPU,相连引脚,DI,7,DI,0,:8,位数字量输入数据线，,DI,7,为最高位。,CS,：,片选信号，低电平有效。,ILE,：,数据寄存器允许，高电平有效。,WR1,：,输入寄存器写选通信号,低电平有效,.,WR2,：,DAC,寄存器写选通信号，低电平有效,.WR2,与,XFER,同时有效 时将输入寄存器的数据装入,DAC,寄存。,XFER,：,数据传送信号，低电平有效。,其他引脚,Iout1,：,输出电流,1,，与数字量的大小成正比。,Iout2,：,输出电流,2,，（,Iout1,+,Iout2=,常数）,。,R,fb,：,反馈电阻输入引脚，反馈电阻在芯片内部，可与运算放大器的输出直接相连。,V,REF,：基准电源输入引脚。,Vcc,：电源输入引脚，电压范围为,5V,15V,。,AGND,：模拟地。,DGND,：数字地。,DAC0832,的内部结构,DAC0832,由,8,位输入寄存器,、,8,位,DAC,寄存器,和,8,位,D/A,变换器,构成。由于有两个寄存器，可以进行两次缓冲操作。转换输出的结果为与输入数字量大小成正比的模拟电流信号。,4,DAC0832,的工作方式,DAC0832,在不同信号组合的控制之下可实现,直通,、,单缓冲,和,双缓冲,三种工作方式。,（,1,）直通方式,：当,ILE,1,CS,0,，,WR1,0,，,WR2,0,，,XFER,0,时，有,LE1,1,和,LE2,1,，,输入寄存器和,DAC,寄存器的输出均随输入的变化而变化，对,CPU,送来的数据不进行缓冲，而是直接送到,DAC,转换器进行转换。,（,2,）单缓冲方式,：当,WR2,0,，,XFER,0,，,ILE,1,时，,DAC,寄存器为直通。,CS,、,WR1,有效之后，输入寄存器也处于直通状态，但当,WR1,由低电平变为高电平时，会有,LE1,0,，,此时输入数据被锁存到输入寄存器中，输入寄存器的输出不再随外部数据的变化而变化。这样就进行了一级缓冲。另一方面，也可以使输入寄存器为直通，而,DAC,寄存器为选通，也可以实现一级缓冲。这时的设置为：,CS,0,，,WR1,0,ILE,1,.,片选信号及写操作负脉冲从,WR2,和,XFER,输入。,（,3,）双缓冲方式,：使,ILE,1,，用,CS,、,WR1,控制输入寄存器，,WR2,、,XFER,控 制,DAC,寄存器，则进行两级缓。由于可以分别用两组信号对,DAC,的两级寄存器进行锁存控制，这种方式特别,适合于多路字量需要同步转换的场合,。当其中一路数字量锁存于,DAC,寄存器供,D/A,转换器时行转换时，另一路数字量可以提前写到输入寄存器中 暂存。,图,DAC0832,的连接使用,A/D,转换接口,A/D,转换器是将模拟量转换为数字量的器件，它是模拟量与计算机之间的接口部件。,5,，,DAC0832,是电流,DAC,。使用了单缓冲方式的接口电路,实验,设计实验电路图并编写程序：实现,D/A,转换，要求产生锯齿波，并用示波器观察电压波形。,DA0832 EQU 0A800H,CODE SEGMENT,ASSUME CS:CODE,START:,CALL BREAK,MOV AL,00H,A1:MOV DX,DA0832,OUT DX,AL,CALL DALLY,INC AL,CMP AL,7FH,JNC START,JMP A1,CODE ENDS,END START,DALLY:PUSH CX,PUSH AX,MOV CX,0010H,A3:MOV AX,1000H,A4:DEC AX,JNZ A4,LOOP A3,POP AX,POP CX,RET,BREAK PROC NEAR,MOV AH,06H,MOV DL,0FFH,INT 21H,JE RETURN,MOV AX,4C00H,INT 21H,RETURN:RET,BREAK ENDP,