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模拟量接口概述 D/A转换及其接口 A/D转换及其接口 微机系统的A/D,D/A通道 11.1 模拟量接口楼述计算机的应用，特别是在自动化领域中，常常采用微型计算机进行实时控制和数据处 理。当用微型计算机构成一个数据采集系统或 过程控制系统时，所要采集的外部信号或被控 对象的参数往往是一些在时间和数值上都是连 续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速 度、位移等。但是，计算机只能接收和处理不连续的数字 量（也称离散量），因此，必须把外部这些模拟 量转换为数字量，以便计算机接收处理。计算机 的处理结果仍然是数字量，而大多数被控对象的 执行机构均不能直接接受数字量信号，所以，还 必须将计算机加工处理后输出的数字信号再转换 为模拟信号（必要时还要进行功率放大），才能 控制和驱动执行机构，达到控制的目的。I 将模拟量转换为数字量的过程称为模/数 I（A/D）转换，完成这一转换的器件称为模/数转 换器（简称ADC）；将数字量转换为模拟量的过 程称为数/模转换，完成这一转换的器件称为数/模 转换器（简称DAC）。图111是微型计算机自动测控系统的基本组成框图图11-1微机自动测控系统的基本组成 11.2 D/A转换及其接口及的基本原曼，D/A转二旨DoDnA（U 或 I）D/AA二R D（R为基准的U或I）四位权电阻D/A转换器原理图如图11-3所示:图11-3 4位权电阻数/模转换器原理图四部分：基准电压、模拟开关、电阻网络、输出运放。设输入数字量为D（用定点二进制小数编码），。二 2 1+4,2一2+/2一3+%2-4 出 二 0或 1）生=1时，K接向基准电源E,相应支路的电流T E E-I 2E 2F4=77=71=2=2l I（设/=生）R,217.R R R）%=0时，K接地，1=0/./=2一。/，I运放输出的模拟电压Vov0=-(A+/2+/3+/4)(2 1 6 /+2,4*/+2 ct2I+2,%./).R-1,R,(2 1%+2,2+2 3%+2%)=IR/D.匕戈。实现了 D/A。另外，还有采用T型电阻网络的D/A。R-2R电阻梯形网络用于D/A转换器 梯形R-2R电阻网络D/A转换器 Ki受一个8位二进制代码控制某位为1,对应开关K倒向右边；某位为0,对应开关K倒向左边。Ki不论倒向哪边，均为接地 VA-VH的电位为：VREF,1/2VREF,.1/128VREF V0=-VREF*(1/2K7+1/4K6+.+1/256K0)V0=-(0-255/256)VREF，D/A-转换捐的主要参-数1.分辨率D/A转换器能够转换的二进制数的位数。例如8位D/A,转换后电压满度为5V,则其能分辨的最小电压=5v/2限20mv2.转换时间数字量输入到转换后输出达到稳定值 所需的时间。不同型号的D/A,转换时间不同。3.精度D/A转换器实际输出与理论值的误差。常用数字量的最低有效位表示，例1如土产瓦4.线性度实际转换关系曲线上的模拟值与理想 直线的偏差。A理想输出模拟 输出实际输出偏差数字 输入5.温度系数在满度输出的条件下，温度 每升高1,输出变化的百分 数。D/A转换弱的痢久输出特性1.DAC是否有输入缓冲能力2.输入数据的宽度3.输入数字量编码4.电流型/电压型输出5.单极性输出/双极型输出二.DAC的输入输出特性：DAC(数字模拟变换集成电路)是系统或设备中的一个功能 器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不 同的要求，DAC的输入输出特性一般考虑以下几方面：(1)输入缓冲能力：DAC的输入缓冲能力是非常重要的，具有 缓冲能力(数据寄存器)的DAC芯片可直接与CPU或系统总线相 连，否则必须添加锁存器。(2)输入码制：DAC输入有二进制和BCD码两种，对于单极性 DAC可接收二进制和BCD码；双极性DAC接收偏移二进制或补 码。(3)输出类型：DAC输出有电流型和电压型两种，用 户可根据需要选择，也可进行电流一电压转换。(4)输出极性：DAC有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DAC芯片。D/A转换器与CPU的接口1、接口的功能(CPU给DAC送数据无须条件查询)DAC芯片与CPU或系统总线连接时，可从数据总线宽度是 否与DAC位数据匹配、DAC是否具有数据寄存器两个方面来考 虑，所以接口的功能主要考虑以下两点：(1)进行数据缓冲与锁存(2)需进行两次数字量输入时，可在受控条件下同时进行 转换2、接口形式(1)直通(2)通过外加三态门，数据锁存器与CPU相连(IJ(3)通过可编程的I/O接口芯片与CPU相连四，TJ/A专专换芯片及其与CPU的接口1.DAC0832 及其与CPU接口DAC0832是美国数据公司的8位双缓 冲D/A转换器。1)DAC0832的内部结构D0D1D2D3D4D5D6DILECS _2 MiWR2 _IK.-11XFER26 5 生11S1A1ADGNDDAC 寄 存 器D/A寄存器M寄存器2-AGND里Vcc图11 5 DAC0832的方框图2)DAC0832的引脚定义DI0-DI7:数字量输入。ILE:输入锁存允许。语:片选。瓯：写信号1西:写信号2xfer2:传递控制控制第一级缓 冲器的锁存控制第二级缓 冲器的锁存vREF：基准电压。AGND：模拟信号地。Vcc：工作电源。DGND：数字信号地。T )OUT1 电流输出端。10UT2：，Rf t：片内反馈电阻。工作过程:LE=1 数据传送0 第一级缓冲：ILE=1：CS WR=O LE1=1数据户输入R随之；CS WR=1 诟1=0数据被琐存于输入R中第二级缓冲：WR2 XFER=0 LE2=1输入R中数据二 DAC寄存器中D/A转换：WR、百益的上升沿将DAC中的数据琐存，并 开始进行D/A转换3)DAC0832的工作方式直通方式诉点而；、舟曲、西接地，江后接高 电平。JL 乙单缓冲方式用于一路模拟量输出或多路模拟量非同 步输出的场合。图11 8 DAC0832单缓冲方式接口原理指令OUT PORT,AL即可启动D/A。双缓冲方式用于多个0832同时输出的场合。DAC0832Vo u t lVo u t 2图11-9 PC机与两片DA0832的接口MOV BX,DATAMOV DX,280HMOV AL JBXOUT DX,ALINC BXINC DXMOV AL,BXOUT DX,ALINC DXOUT DX,AL；BX指向数据缓冲区;第1片0832输入寄存器地址为280H；数据到第1片0832的输入寄存器；DX指向第2片0832输入寄存器(281H)；数据到第2片0832的输入寄存器；同时打开两片0832的DAC寄存器,数据同时开始转换可使用多片0832同时进行D/A转换，以便同时产生多个摸 拟信号送出12位DAC连接由于微机的I/O指令一次只能输出8位数据，因此对于数据宽度 大于8位DAC只能分两次输入数据，为此一般大于8位数据宽度的 DAC内部均设计有两级数据缓冲，如12位DAC 1210内部就有两级数 据缓冲，内部结构如图2.DAC1210 与CPU 的接口1)DAC1210的内部结构图11 10 DAC1210内部结构框图2)DAC1210 与CPU 的接口图11 11 DAC1210与系统总线的连接若对应地址为220H,对应地址为222H,则地址为 220H时选择4位输入寄存器，为221H时选择8位输入寄存 器，为222H时选择12位DAC寄存器。待转换的数据已经 放在DATAH和DATAL两个存储单元中，则可用下面的程序完成一次转换。MOV DX,220H MOV AL,DATAL OUT DX,AL INC DXMOV AL,DATAHOUT DX,ALMOV DX,222H OUT DX,AL；低4位寄存器地址；低4位数据;输出低4位；高8位寄存器地址;高8位数据;输出高8位数据；DAC寄存器；启动12位数据转换五、D/A转换应用举例利用DAC0832的函数波形发生器图11-7用DAC0832作为波形发生器MOV DX,303HMOV AL,10000000BOUT DX,ALMOV DX,300H；303H为8255A控制口地址*；8255A初始化；300H为 8255AA 口地址MOV AL,OOHLI：OUT DX,ALINC ALJNZ LI；LI对应三角波的上升段MOV AL,OFFHL2：OUT DX,ALDEC ALJNZ L2；L2对应三角波的下降段JMPL1r 二二二Z如何产生方波梯形波 11.3 A/D转换及其接口 1.采样：将一个时间上连续变化的模拟量 转换成时间上断续变化（离散的）的模拟 量。2.保持：将采样到的模拟量值保持下来 3.量化：用基本的量化电平的个数来表示 采样保持的模拟电压值。4.编码：把已经量化的模拟数值用二进制 编码表示出来。件A/DA (UI)-D”实现A/D转换的办法很多，常用的有逐次逼近法，双积分法和电压频率转换法等。1.逐次逼近型A/DD7CLK 转换 结束图11 13逐次逼近式A/D转换原理图基本过程：预测最高位D7,置预测值为1000000B比较待转换模拟量Vin和预测值对应的 模拟量Vi若VjnVi，保留口7二1；VIN Vi,置D7=0；同样方法，预值口6、D5.D0o2.双积分型A/Dc图n 14双积A./D转换图n15双积分波形基本过程：对Vi进行固定时间的积分（C充电）;电子开关转换到对Vref进行反向积 分，直到积分输出为。（Vref与Vi极性相反）用标准的钟脉冲测量T21、T22,即可 得到对应的数字量。3.V/F型A/DT数据输出f=k(a)原理框图输出(b)波形门控计数器 输入1111:、A/D转换弱的主要参教1.分辨率输出对输入信号变化的灵敏度，用数字 量的位数表示。例：10位A/D转换满度为5V的电压，能 分辨的最小电压5V/25mV。2.精度转换结果相对于实际值的准确度。3.转换时间启动转换到得到稳定输出所需的时间。4.量程能转换的电压范围。5.输出逻辑电平多与TTL电平兼容。6.工作温度ADC芯片与CPU连接形式(1)直连方式(2)通过三态门与CPU相连(3)通过I/O接口芯片与CPU相连(4)DMA传送数据,A/D转换芯片次具与CPU的接口1.ADC0809及其与CPU的接口1)ADC0809的主要技术指标分辨率：8位时钟频率：640KHZ转换时间：1OO|LIS不可调误差：1LSB电源：5V模拟量输入：8路。5V2)ADC0809的内部结构EOCDoDiD3D4D5d6d7OEGNDVccd2Vrer（+）Yrerq）11-17 ADC0809结构图3)ADC0809的引脚信号表8 1符号引脚号功 能in0-in726-28,1-5为8个通道模拟量输入线ADD A ADD B ADD C25-23多路开关地址选择线。A为最低位，C为最高位，通常 分别接在地址线的低3位2-8一217,1,15,8 18-218位数字量输出结果ALE22地址锁存有效输入线。该信号上升沿把ADDA、ADDB、ADDC二选择线的状态锁存入多路开关地址寄START6香蓊钢存有效输入线。该号上升沿清除ADC的内部寄 存器而在下降沿启动内部控制逻辑，开始A/D转换工作EOC7转换完成输出线，当EOC为1时表示转换已完成CLOCK10转换定时时钟输入线。其频率不能图于640kHz，当频 率为640kHz时，转换速度约100口OUTPUTENABLE9允许输入线。在OE为“：T时，三态输出锁存器脱离三 态，把数据送往总线YU REF12,16参考电压输入线cc11接+5VGND13接地4)ADC0809的工作时序图11-19是ADC0809的工作时序图，对指定通道采集一 个数据的过程如下：START/ALE通道 地址EOCOE7 64CLK 什-_Z_/D7Do数据图11-19 ADC0809的工作时序5)ADC 0809 与CPU 的接口ADDA ADDB ADDCALESTARTOEADC 0809EOCDB7DB0设CS1 口地址为OOH07H,对应8路模入通 道，用于启动A/D转换和读取结果。设CS2 口地址为08H0FH,对应8路模入通 道，用于EOC状态信号读取。程序查询法MOV DX,01HOUT DX,AL；启动INI转换TESTO：MOV DX,09HIN AL,DX；读取EOCAND AL,01H；JZ TESTO；EOC=0,等待MOV DX,01HIN AL,DX；读取结果中断方法将EOC信号连接到CPU的INTR线 上，当转换结束，EOC变高，向CPU 提出中断请求。在中断服务程序中，CPU读取转换结果。主程序中：MOV DX,01HOUT DX,AL；启动 A/DSTI中断服务程序：MOV DX,01HIN AL,DX；读取转换结果2.AD574 A及其与CPU的接口1)AD574A的主要特性单片型12位逐次逼近型A/D。转换时间25即，工作温度070,功耗390mw。输入电压，可为单极性(0-+10V,0-+20V)或双极性(-5V+5V,-10V+10V)。少可由外部控制进行12位转换或8位转换。电12位数据可以一次输出，也可以分两次输出(先 高8位，后低4位)。0内部具有三态输出缓冲器。2)AD574A的内部结构和引脚信号图11-21 AD574A内部结构CS：片选信号CE：芯片允许信号R/C：读出或换信号。R/C=Q,启动A/D转 换，R/C=l,读出转换结果。12/8：数据输出方式控制信号12/8=1,输出12位数据；12/8=0,数据分两次输出。A0：转换位数控制信号A0=l,8位转换；A0=0,12位转换。以上信号组合完成的功能如表8-2所示。CECSR/C12/8AoAD574的功能操作0XXXX不允许转换X1XXX未接通芯片100X0启动1次12位转换（作12位转换器）100X1启动1次8位转换（作8位转换器）101高电平（+5V）X一次输出12位101低电平（数字地）0输出高位字节101低电平（数字地）1输出低位字节表14.2 AD574控制信号功能REFIN：基准电压输入REFOUT：基准电压输出BIPOFFSET：双极性偏移与零点调整接0V,单极性输入。接+10V,双极性输入。10Vin：10V范围输入端，单极性输入0+10V,双 极性输入-5 V+5 V。20Vin：20V范围输入端，单极性输入0+20V,双 极性输入-10VT10V。DB11-DB0：12位字量输出。STS：输换结束信号。转换过程中为高，转换结束 后为低。3)AD574A与CPU 的接口D7AENPC 扩展槽Do D?&译IOWTor工DB“uVCC+15VVee-0-15VDBgIOVjn-oSTS20VlM-oAD574AtREF in-1_1-0csefout-oAoBIPOFF-1J-0R/CDGCE1212/8AG1图11-22 AD574A与CPU连接原理图设状态口地址为310H,数据口的低4位口地址为311H,高8位口地址为312HO则数据采集程序如下：L：START：MOVCX,40HMOVSL 400HMOVDX,312HMOVAL,OHOUTDX,ALMOVDX,310HINAL,DXANDAL,80HJNZLMOVDX,312HINAL,DXMOVSI,ALINCSIMOVDX,311HINAL,DXANDAL,0F0HMOVSI,ALINCSIDECe xJNZSTARTHLT;采集次数;存放数据内存首址；12位转换(A0=0);写入的数理可以取任意值;转换启型(百及R/C均置0,CE置1);读状态*)=0,打开三态门；检查D7=STS=0?;不为0,则等待;为0,读高8位(Ao=O);送内存;内存地址加1;读低4位(Ao=O);屏蔽低4位;送内存；内存地址加1;数据个数减1;未完，继续;已完，暂停 11.4 微机系统的A/D,D/A通道、模拟量输入通道的一般组成信号处理过程参数a控制多路转换器图11-23模拟量输入通道一般组成信号处理：小信号放大，信号滤波，信号衰 减，电平变换，电压/电流转换等。多路转换器：机械触点式（如干簧继电器等）或电子开关（如CD4051等）。采样保持器(S/H)：对变化较快的模拟信号，转 换期间可能引起误差。要采 用 S/H。VmT采样时，K闭合，Vin对Ch充电，保持时，K断开。根据实际应用场合不同，模拟通道有不同的结构形式。2、模拟量输入通道的结构形式根据系统以A/D通道个数、转换速 度的要求以及信号源频率等情况，模拟 量输入通道形式有所不同，有单通道和 多通道以及低速与高速之分。(1)单通道不带采样/保持器的单通道，用于直流或 低频模拟信号的A/D转换。带采样/保持器的单通道，用于高速模拟 信号的A/D转换。(2)多通道每个通道都带有采样/保持器和A/D转换器的并行多通道。这种通道形式允许各通道同 时进行转换，常用于需要同时给出多个模拟量 且转换速率高的系统，如图11-24所示。A?AnA图H-24并行多通道A/D各通道带采样/保持器，但共享A/D的多 通道。这种通道形式中，每个通道的A/D转换 是经多路开关分时进行，故速度较慢，如图11-25所示。An图11-25共享A/D的多通道 共享采样/保持器和A/D转换器的多通 道。显然，这种形式的通道速度慢，但硬件开 销少，对转换速度要求不高的系统最为适合，如图H-26所示。Ai-A2多路开关S/HI/OCPUA/D图H-26共享S/H和A/D的多通道3.模拟量输出通道模拟量输出通道的任务是把微型机输出的数 字量转换成模拟量。这个任务主要是由数/模转换 器来完成的。对该通道的要求，除了可靠性高、满足一定的精度要求外，输出还必须具有保持的 功能，以保证被控制对象可靠地工作。D/A通道的结构形式与A/D通道类似，有单 通道和多通道之分。(1)单通道带输入锁存器的D/A转换单通道，输 出模拟量由锁存器保存，不需要刷新。带保持器输出的单通道，输出的模拟 量是靠电容的记忆功能维持，不能长久保持 模拟量信息不变，必须定时刷新。(2)多通道每个通道都带有锁存器及D/A转换器 的并行多通道，它一般用于高速系统，如图 11-27所示。图H-27并行多通道D/A 共享D/A转换器的多通道。由于共享D/A 转换器，故速率较慢，且输出端是采用保持器，靠保持电容维持模拟信息，需要用软件刷新，如 图11-28所示。CPUI/OD/A多路开关DX保持器n图11-28共享D/A的多通道D/A数据采集系统设计 1多路转换开关 2采样保持电路 3ADC与DAC转换器 4地址译码器 5工作原理及程序控制