模数和数模转换.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,第,10,章 数模,/,模数变换,10.1,概述,将模拟量转换成数字量,是模数转换，或称,A,D,（,Analogue,Digital,）转换。,将数字量转换成模拟量,是数模转换，或称,D,A,（,Digital,Analogue,）转换。,完成,A,D,转换的器件，叫,A,D,转换器,(ADC),，,完成,D,A,转换的器件，叫,D,A,转换器,(DAC),。,1,10.2,数,/,模（,D/A,）转换器,10.2.1,原理,运算放大器的特点,开环放大倍数非常高,输入阻抗大,输出阻抗小,基本电路,2,基本电路,图,(b),电路,图,(c),电路,可以使用叠加原理,3,图,(c),电路,可以使用叠加原理,输出电压,4,2.,由电阻和运算放大器构成的,D/A,如下图。,D3D0,对应,4,位二进制数据的,4,位，,=1,，对应开关闭合。输出电压,VO,与数字量的关系,5,可以实现,D/A,转换。,但有个问题：电阻种类多，当二进制位数增加时，这个问题更明显。,阻值范围太大，种类多，对集成电路的制造不利。,能否通过改变电路结构来解决该问题？,T,型电阻网络就是一种方法,6,3,。,T,性网络,电路如下图，,Di=1,Ki,通过电阻网络接,V,REF,，否则接,0,运算放大器的输入电流受,D3D0,代码控制，输出电压,7,10.2.2 D/A,转换器的指标,指标如下几项,1.,分辨率,能够辨别的最小电压增量。如果满量程电压为,V,FS,，,D/A,的位数为,n,例如：满量程,10V,，,8,位的,DA,，分辨率,=10/255=39.2mV,有时就用位数来表示分辨率。例如,8,位的,DA,有时就说是,8,位分辨率,8,2.,转换精度,分为绝对精度和相对精度。,（,1,）绝对精度,输出电压与理想值的近似程度。,用数字量最低有效位,LSB,的一半表示。,例如,8,位：,1/512,（,2,）相对精度,绝对转换精度与满量程电压的乘积。,9,3.,转换速率和建立时间,（,1,）转换速率：,模拟输出电压的变化速率。单位,V/,S,（,2,）建立时间,从输入数字量开始到,DA,转换完成的时间。,10,4.,线性误差,偏离理想转换特性直线的最大值,.,一般为,1LSB,，或,1/2 LSB(LSB/2).,11,10.2.3 DAC 0832,是,8,位并行接口,DA,转换器。,1.,功能结构,12,1.,引脚和逻辑结构,20,个引脚、双列直插式,8,位,输入,寄存器,8,位,DAC,寄存器,8,位,D/A,转换器,V,REF,I,OUT2,R,FB,A,GND,V,CC,D,GND,DI7DI0,CS,WR1,WR2,XFER,ILE,LE,LE,I,OUT1,&,&,&,R,FB,13,V,cc,芯片电源电压,+5V,+15V,V,REF,参考电压,-10V,+10V,R,FB,反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端,A,GND,模拟信号地,D,GND,数字信号地,8,位,DAC,寄存器,8,位,D/A,转换器,V,REF,I,OUT2,R,FB,A,GND,V,CC,D,GND,DI7DI0,LE,I,OUT1,LE,CS,WR1,WR2,XFER,ILE,&,&,&,8,位,输入,寄存器,R,FB,14,DI,7,DI,0,数字量输入信号,其中,:DI,0,为最低位，,DI,7,为最高位,8,位,DAC,寄存器,8,位,D/A,转换器,V,REF,I,OUT2,R,FB,A,GND,V,CC,D,GND,DI7DI0,LE,I,OUT1,LE,CS,WR1,WR2,XFER,ILE,&,&,&,8,位,输入,寄存器,R,FB,15,8,位,DAC,寄存器,8,位,D/A,转换器,V,REF,I,OUT2,R,FB,A,GND,V,CC,D,GND,DI,7,DI,0,LE,I,OUT1,LE,CS,WR1,WR2,XFER,ILE,&,&,&,8,位,输入,寄存器,R,FB,0,0,1,1,ILE,输入锁存允许信号,高电平有效,CS,片选信号,低电平有效,WR1,写信号,1,，低电平有效,LE1,当,ILE、CS、WR1,同时有效时,LE=0,，,输入寄存器的输出随输入而变化,LE=1,，,将输入数据锁存到输入寄存器,16,LE2,XFER,转移控制信号，,低电平有效,WR2,写信号,2,，低电平有效,当,XFER、WR2,同时有效时,LE2=0,DAC,寄存器输出随输入而变化；,LE=1,，,将输入数据锁存到,DAC,寄存器，,数据进入,D/A,转换器，开始,D/A,转换,17,对于任意一个数字信号,N,，对应的 输出 电流,I,OUT1,0=N=255,当数字量,N=255,时，对应的 输出 电流,I,OUT1,I,OUT1,+I,OUT2,=,常数,18,2.DAC0832,与微机系统的连接,1),单缓冲工作方式,一个寄存器工作于直通状态，,另一个工作于受控锁存器状态,2),双缓冲工作方式,两个寄存器均工作于受控锁存器状态，,19,1),单缓冲工作方式,:,一个,寄存器工作于,直通,状态，,一个,工作于,受控,锁存器状态,在不要求多相,D/A,同时输出时，,可以采用单缓冲方式，,此时只需一次写操作，就开始转换，,可以提高,D/A,的数据吞吐量。,20,+,-,Vo,port,数 据 线,地址,译码,PC,总线,IOW,A0,A9,D0,D7,+5V,CS,DAC0832,DI,0,DI,7,I,OUT1,I,OUT2,R,FB,XFER,WR2,WR1,ILE,单缓冲工作方式,:,输入寄存器,工作于,受控,状态,DAC,寄存器,工作于,直通,状态,21,PC,总线,I/O,写时序,A,15,A,0,CLK,IOW,T,4,T,1,T,2,T,3,Tw,D,7,D,0,port,转换一个数据,的程序段：,MOV AL,data ;,取数字量,MOV DX,port,OUT DX,AL,D/A,转换,I,OUT2,DI,7,DI,0,LE,I,OUT1,LE,CS,WR1,ILE,&,WR2,XFER,&,输入,寄存,R,FB,-,+,Vo,IOW,A,9,A,0,D,7,D,0,+5V,PC,总线,port,地址,译码,DAC,寄存,22,port,数 据 线,地址,译码,PC,总线,IOW,A,0,A,9,D,0,D,7,+5V,XFER,DAC0832,DI,0,DI,7,+,-,Vo,I,OUT1,I,OUT2,R,FB,CS,WR1,WR2,ILE,单缓冲工作方式,:,输入寄存器,工作于,直通,状态,DAC,寄存器,工作于,受控,状态,23,PC,总线,I/O,写时序,A,15,A,0,CLK,IOW,T,4,T,1,T,2,T,3,Tw,D,7,D,0,port,转换一个数据,的程序段：,MOV AL,data ;,取数字量,MOV DX,port,OUT DX,AL,I,OUT2,DI,7,DI,0,LE,CS,WR1,ILE,&,输入,寄存,V,o,D,7,D,0,+5V,PC,总线,port,WR2,IOW,A,9,A,0,XFER,D/A,转换,LE,I,OUT1,R,FB,-,+,DAC,寄存,地址,译码,&,24,2),双缓冲工作方式,:,两个寄存器均工作于受控锁存器状态,DAC0832,PC,总线,数 据 线,WR1,IOW,DI,0,DI,7,D,0,D,7,+5V,ILE,+,-,V,o,I,OUT1,I,OUT2,R,FB,WR2,CS,地,址,译,码,A,0,A,9,XFER,V,REF,-,5V,port1,port2,D,GND,A,GND,25,转换一个数据的程序段,：,MOV AL,data ;,取数字量,MOV DX,，,port1,OUT DX,AL,;,打开第一级锁存,MOV DX,port2,OUT DX,AL,;,打开第二级锁存,I,OUT2,DI,7,DI,0,LE,CS,WR1,ILE,&,输入,寄存,V,o,D,7,D,0,+5V,PC,总线,port2,WR2,IOW,A,9,A,0,XFER,D/A,转换,LE,I,OUT1,R,FB,-,+,DAC,寄存,地址,译码,&,port1,26,当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。,思考,：相应的程序如何编写？,地,址,译,码,port1,XFER,WR2,CS,WR1,ILE,+,D/A,转换,DI,7,DI,0,V,o1,port2,XFER,WR2,CS,WR1,ILE,+,D/A,转换,DI,7,DI,0,V,o2,port3,DAC0832,DAC0832,D,7,D,0,A,9,A,0,IOW,PC,总线,+5v,+5v,27,code,SEGMENT,ASSUME CS:code,DS:code,datav1 DB 11h,12h,13h,14h,15h,16h,17h,18h,19h,1Ah,datav2 DB 21h,22h,23h,24h,25h,26h,27h,28h,29h,2Ah,start:MOV AX,code,MOV DS,AX,LEA SI,data_v1,LEA BX,data_v2,MOV CX,10,next:MOV AL,SI,;,取,V1,的数据,OUT port1,AL,;,打开,第一片,0832,第一级,锁存,MOV AL,BX,;,取,V2,的数据,OUT port2,AL,;,打开,第二片,0832,第一级,锁存,OUT port3,AL,;,打开,两片,0832,的,第二级,锁存,INC SI,INC BX,LOOP next,MOV AH,4CH,INT 21H,code,ENDS,END,start,编程：利用上图，将,datav1,和,datav2,处的两组数据，,一一对应转换成模拟量同时输出。,28,应用,输出锯齿波,t,Vo,4V,0V,+,-,Vo,port,数 据 线,地址,译码,PC,总线,IOW,A0,A9,D0,D7,+5V,CS,DAC0832,DI,0,DI,7,I,OUT1,I,OUT2,R,FB,XFER,WR2,WR1,ILE,V,REF,5V,对应的数字,0CDH,29,code,SEGMENT,ASSUME CS:code,start:MOV CX,8000H,;,波形个数,MOV AL,0,;,锯齿谷值,next:MOV DX,port,;,打开第一级锁存,OUT DX,AL,CALL delay,;,控制锯齿波的周期,INC AL,;,修改输出值,CMP AL,0CE,H,;,比较是否到锯齿峰值,JNZ next,;,未到跳转,MOV AL,0,;,重置锯齿谷值,LOOP next,;,输出个数未到跳转,MOV AH,4CH,;,返回,DOS,INT 21H,；,子程,delay,Delay:,RET,code ENDS,END start,Vo,4V,0V,0CDH,30,4V,0V,Vo,t,实际输出的波形图,t,Vo,4V,0V,不是,31,10.3,模,/,数转换器,将模拟量转换成数字量转换成数字量。,10.3.1,主要参数,分辨率,分辨最小信号的能力。,与,DA,转换器相似，如果满量程模拟电压为,例如，满量程,5V,的,8,位,AD,变换器，它的分辨率,32,A/D,分辨率通常又可以用能转换成的数字量位数表示。,如：,8,位,A/D,转换器的,分辨率,为,8,位,。,10,位,A/D,转换器的,分辨率,为,10,位,。,33,2.,转换精度,实际转换值与接近理想值的精确程度。,通常用数字量的最低位来表示。,如果最低有效位对应的模拟量为,，它就是数字量的最小有效位当量。,如果模拟量在,/2,范围内能够产生唯一对应的数字量，则,AD,转换器的精度为,0LSB,如果在,3 3/4,范围内都能产生相同的数字量，则转换精度为,1/4LSB,在,-+,间，则,1/2LSB,34,3.,转换率,转换时间：,指完成一次,A/D,转换所需的时间，,从启动信号开始到转换结束，得到稳定数字量的时间。,转换率：,完成一次转换所需要时间的倒数。,或者说每秒钟能够完成转换的次数。,例如：完成一次转换,200nS,转换速率：,5MHZ,。,35,10.3.2 AD,转换方法和原理,转换方法有,计数式,原理是：计数值经过,DA,变换后与输入模拟信号比较，如果小于模拟输入信号，比较器输出,1,，继续加计数，,。,优点：抗干扰，缺点：速度慢,36,2.,双积分式,优点：精度高，抗干扰能力强，缺点：慢,对输入电压积分,对基准电压积分,37,3.,逐次逼近式,AD,转换,使用较多的一种。,从最高位开始，逐位上,1,并进行判断。,n,位需要,n,个脉冲。,优点：快。缺点：抗干扰能力不如前两种,38,4.,用软件和,DA,转换器来实现,AD,转换,软件将数据送锁存器，由,DA,转换成模拟信号与输入信号比较，与主次逼近法相似。,39,逐次逼近过程,40,实现上述逐次逼近的程序,START,：,XOR AX,，,AX,；累加器清零,MOV BL,，,80H,；初值为,80H,MOV CX,，,08H,；计数初值为,8,AGAIN,：,ADD AL,，,BL,；计算试探值,MOV BH,，,AL,；保留试探值,OUT PORTA,，,AL,；,PORTA,是锁存器的端口地址,INAL,，,PORTS,；,PORTS,是输入端口的地址，读取状态值,AND AL,，,01,；只取状态位，而对其他位屏蔽,JZ END1,；如,D0,为,0,，说明试探值太小，保存此位并；转移,END1,：,MOV AL,，,BL,NOT AL,；求反,AND AL,，,BH,；使这次的试探位为,0,MOV BH,，,AL,；保存试探值,END1,：,ROR BL,，,1,；右移，得到下一个试探值,MOV AL,，,BH,LOOP AGAIN,；继续进行试探和测试,；后续程序段,41,10.3.3 AD,转换器和系统连接时要考虑的问题,0.,典型信号,模拟量,输入信号,模拟量输入信号,A/D,转换启动信号,转换完成,(,结束）信号,A/D,转换器,A/D,转换启动信号,转换完成信号,数字量输出信号,数字量输出信号,42,1.,输入模拟电压的连接,可以单端输入，也可以差分（双端）输入。,注意,A/D,转换器允许输入的模拟值范围,不要超出范围,；,为充分发挥,A/D,转换器的分辨率，输入量应与,AD,转换器的满量程信号相匹配。,例如，某一,AD,转换器，满量程输入电压为,5V,，现需要转换的模拟电压为,01.25V,这时就应该对该模拟信号进行放大（放大倍数,5/1.25=4,），然后再进行,AD,转换。,43,2.,数据输出线和系统总线的连接,凡是输入端口，都必须通过三态门接到系统的数据总线上。,AD,转换器的数据输出接口,输出不带可控三态缓冲器的,ADC,输出带可控三态缓冲器的,ADC,输出位数超过微机数据总线的,ADC,（,1,）,AD,芯片内部具有可由外部控制的三态门，这时,AD,的输出数据线可以直接接到系统数据总线上,44,（,1,）内部有三态门，三态门能够受外部信号控制,地址译码信号与,IOR,信号一起产生,ADC,的三态门输出控制信号。,数据线,带,可控三态,ADC,模拟量,输 入,PC,总,线,IOR,地,址,译,码,地址线,0,0,1,其数字量输出可直接与微机的数据总线相连。,45,（,2,）输出不带可控三态缓冲器的,ADC,PC,总,线,IOR,不带,可控三态,ADC,模拟量,输 入,数据线,地址线,0,0,地,址,译,码,三,态,门,1,数字量输出不能直接与总线相连。,需加三态门才能与数据总线相连。,包括无三态门，或外部不可控三态门的情况,需要通过一个三态门才能接到系统数据总线；,46,（,3,）当,AD,芯片的数据位数超过处理器的字长时,例如,12,位,AD,，只有,8,位的数据宽度,PC,总,线,数据线,8,位,12,位,ADC,模拟量,输 入,12,位,ADC,的转换结果不能一次进入,CPU,，需按字节分多次读取。,47,总线,12,位,A/D,转,换,器,数据线,D7D0,模拟量,输 入,IOR,低,8,位,三态,0,0,地,址,译,码,地址线,0,0,高,4,位,三态,低,8,位,高,4,位,D3D0,port_L,port_H,1,1,MOV DX,port_L,IN Al,DX,MOV,buffer,AL,MOV DX,port_H,IN AL,DX,MOV,buffer+1,AL,48,3,启动信号,DA,转换器不需要启动信号，只要将数字信号写入,DA,转换器，就可以完成转换,AD,转换器一般需要启动信号。,启动信号有两种：启动脉冲信号，电平启动信号。,49,(1),脉冲启动,对脉冲启动的,ADC,，,如,ADC0804,、,ADC0809,、,ADC1210,可用,CPU,执行输出指令时发出的片选信号和写信号组合得到,OUT DX,AL,PC,总,线,IOW,地,址,译,码,地址线,0,0,1,模拟量,输 入,A/D,转换器,A/D,转换,启动信号,50,（,2,）电平启动信号,对电平启动的,ADC,，如,AD570,、,AD571,、,AD572,，,该信号必须保持到,A/D,转换结束，中途不能撤除，否则会停止转换，得到错误结果。,CPU,可通过并行接口对,ADC,芯片发电平形式的启动信号。,PC,总,线,IOW,地,址,译,码,地址线,0,0,1,模拟量,输 入,A/D,转换器,OUT DX,AL,A/D,转换,启动信号,数据线,锁,存,器,51,可以通过程序查询方式,可以使用中断方式,可以使用,CPU,等待方式,利用,CPU,的,READY,信号，在转换期间，使,READY,信号有效（低电平），,CPU,处于等待，只到转换结束，才使,READY,变为无效（高电平）,固定延时,CPU,发出,AD,启动信号后，执行一个固定延时程序，该延时时间刚好能够使,AD,完成转换，然后读取,AD,转换数据,4.,转换结束信号以及转换数据的读取,52,(1),程序查询方式,转换完成,EOC,信号通过并行端口，送入,CPU,。,在,CPU,启动,A/D,转换之后，,CPU,不断查询,A/D,的转换结束信号，一旦该信号有效，,CPU,读取,A/D,的转换结果。,PC,总,线,IOR,地,址,译,码,地址线,0,0,1,模拟量,输 入,A/D,转换器,IN AL,DX,A/D,转换,完成信号,数据线,三,态,门,数字量,输出信号,53,程序查询流程图,启动,A/D,转换,读取,A/D,转换结果,Y,N,N,Y,查询,A/D,转换结束,信号是否有效？,转换下一数据,?,54,（,2,）中断方式,用,A/D,转换结束信号向微机系统发中断申请，,CPU,采用中断方式读取,A/D,转换结果。,A/D,转换器,模拟量,输入信号,数字量,输出信号,A/D,转换,启动信号,转换完成信号,IRQ4,PC,总线,55,主程序,中断子程,发中断结束命令,EOI,启动,A/D,转换,读取,A/D,转换结果,保护现场,恢复现场,IRET,开始,主程其它工作处理,(,可用双重循环延时代替,),设置中断向量,设置,8259A,，,允许中断,启动,A/D,转换,STI,开中断,设置,8259A,，,禁止中断,CLI,关中断,开始,返回,DOS,56,（,3,）等待方式,用,A/D,转换结束信号向微机系统发,READY,信号，当,CPU,用,IN,读指令读取结果时，在未转换完成前，,READY,信号为,低电平,，,将延长,CPU,的读,I/O,端口周期,；待,READY,有效,即,A/D,转换完成之后，再读取转换结果。,A/D,转换器,模拟量,输入信号,数字量,输出信号,A/D,转换,启动信号,转换完成信号,READY,CPU,57,（,4,）延时方式,通过查阅手册了解,A/D,转换一个数据所需时间，在,CPU,启动,A/D,转换之后，,执行一个固定延时程序，延时应大于等于,A/D,的转换时间，,然后,CPU,再读取,A/D,的转换结果。,启动,A/D,转换,读取,A/D,转换结果,延时,等待,A/D,转换结束,Y,N,转换下一数据,?,程序延时方式下，,硬件连线上未利用转换完成信号,58,两组电源分别供电,模拟电路、数字电路分别接到自己电源的地,然后在一个点上将两个地连在一起。,这个连接点,可以选择,DA,（或,AD,）芯片处,也可以选择在两个电源处。,5,模拟电路和数字电路的接地问题,59,10.3.4 ADC0809,集成,AD,转换器,它是,8,位并行接口,AD,转换器，采用逐次逼近转换方法；,具有,8,路模拟量输入端，内部有一个,8,选,1,电路选择其中的一路进行转换,转换时间：,100S,具有三态输出功能，当,OE,有效时，将数据送出,工作电源：单一,+5V,模拟输入电压范围：,05V,具有启动控制输入端,60,1,功能结构,61,2.,对外连接信号,IN7,IN0,：模拟输入,D7,D0,：数据输出,EOC,：转换结束输出，转换结束变为高电平，上跳沿表示转换结束,A2,A0,：通道选择信号，用,ALE,信号将其锁存在,AD,内,+VREF,和,VREF,：基准电源输入,CLK,：时钟，最高时钟频率,640kHz,ALE,：地址锁存控制信号,START,：启动控制信号，常将该信号与,ALE,信号相连，在选择一个通道后，直接启动。,OE,：三态门输出控制信号,62,3.,与系统的连接,转换结束信号,EOC,连接到,8259,的,IR4,，通过中断方式进行，在中段服务程序中读取转换结果。,CPU,向,0809,写入通道号，直接启动,AD,程序自己编写，前面已经给出了中断方式的流程图,63,