第7章 数摸和模数转换-3.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,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,*,1.,概述,2.,数,/,模（,D/A,）转换器,3.,模,/,数（,A/D,）转换器,7.4,模拟量,I/O,接口,在生产控制过程中，计算机既要实现对生产设备的,检测,，又要实现对生产设备的,控制,。,检测,：需将,模拟量,转换成,数字量，,简称,A/D,转换,。实现,A/D,转换的电路称为,A/D,转换器,，简称,ADC,。,控制,：需将,数字量,转换成,模拟量。,简称,D/A,转换,。实现D/A,转换的电路称为,D/A,转换器,，简称,DAC,。,7.4.1,概述,微型计算机控制系统结构框图,1,）、模拟量输入通道,7.4.1,概述,2,）、模拟量输出通道,1.,模拟量输入通道,（,1,）传感器,传感器是把工业生产中非电物理量转换成电量（电流、电压）的器件。如热电耦等。,工业控制中，传感器输出的电信号在输入到,A/D,转换器之前必须添加适当的外围转换电路，如各种变送器，将传感器输出的微弱电信号或电阻值等转换成,0,10mA,或,4,20mA,电流信号或,0,5V,电压信号,。,7.4.1,概述,1.,模拟量输入通道,（,1,）传感器,（,2,）信号处理环节,主要包括信号放大电路和滤波电路等。用于信号的放大和滤去干扰信号。,7.4.1,概述,1.,模拟量输入通道,（,1,）传感器,（,2,）信号处理环节,（,3,）多路转换开关,采用多路模拟开关，使多个模拟量共用一个,A/D,转换器进行,A/D,转换。,7.4.1,概述,1.,模拟量输入通道,（,1,）传感器,（,2,）信号处理环节,（,3,）多路转换开关,（,4,）采样保持器,采样保持电路是在,A/D,转换期间采样输入量并保持一段时间的电路。为了保证转换精度，可用采样保持器在,A/D,转换期间，保持采样输入信号大小不变。,7.4.1,概述,1.,模拟量输入通道,（,1,）传感器,（,2,）信号处理环节,（,3,）多路转换开关,（,4,）采样保持器,（,5,）,A/D,转换器,A/D,转换器是模拟量输入通道的核心环节，其作用是将模拟输入量转换成数字量。双极性为,0,2.5,伏、,0,5,伏、,0,10,伏；单极性为,0,5,伏、,0,10,伏、,0,20,伏等。,7.4.1,概述,1.,模拟量输入通道,（,1,）传感器,（,2,）信号处理环节,（,3,）多路转换开关,（,4,）采样保持器,（,5,）,A/D,转换器,2,模拟量输出通道,主要由锁存器、,D/A,转换器、放大驱动电路组成。锁存器是用来保持数字量稳定的。功率放大器是作为模拟量输出的驱动电路。,7.4.1,概述,1.,D/A,转换器的工作原理,D/A,转换把数字量的每一位代码,按权大小,转换成模拟分量，然后根据,叠加原理,将各代码对应的模拟输出分量相加。,D/A,转换器的主要部件是,电阻开关网络,，网络形式有,权电阻网络,和,倒,T,型电阻网络,等。,1,）权电阻网络,D/A,转换法,电阻值为,2,i,R,合上时,S,i,=1,，断开时,S,i,=0,例如：输入为,10000110B,（,8,位,A/D,转换）则输出为：,V,o,=-,（,134/256,）,V,ref,特点：,D/A,转换器的转换精度与,基准电压,V,ref,的精度、权电阻和电子开关,S,i,的精度及位数有关,。,缺点：,精密电阻难制造,1.,D/A,转换器的工作原理,2).,倒,T,型电阻网络,D/A,转换法,输出模拟电压,Vo,与输入的关系为：,特点：,1.,电阻网络只用两种阻值组成；,2.,各位开关的状态由数据锁存器的对应位决定。,2.D/A,转换器的主要技术指标,1.,分辨率（,Resolution,）,分辨率是指,D/A,转换器能分辨的,最小输出模拟量,，取决于输入数字量的,二进制位数,，通常用数字量的位数来表示。,一个,n,位的,DAC,所能分辨的最小电压增量定义为满量程值的,2,-n,倍。,如：满量程为,10V,的,8,位,DAC,芯片的分辨率为,10V2,-8,39mV,；一个同样量程的,16,位,DAC,的分辨率最高达,10V2,-16153V,。,1.,分辨率（,Resolution,）,2.,转换精度（,Conversion Accuracy,）,转换精度是指满量程时,DAC,的实际模拟输出值和理论值的接近程度。该误差是由于,D/A,增益误差、零点误差和噪声等引起的。,通常，,DAC,的转换精度为分辨率的一半，即为,LSB/2,。,LSB,是分辨率，是指最低,1,位数字量变化引起输出电压幅度的变化量。,2.D/A,转换器的主要技术指标,1.,分辨率（,Resolution,）,2.,转换精度（,Conversion Accuracy,）,3.,偏移量误差（,Offset Error,）,偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。这种误差通常可以通过,DAC,外接,V,ref,和电位计加以调整。,2.D/A,转换器的主要技术指标,1.,分辨率（,Resolution,）,2.,转换精度（,Conversion Accuracy,）,3.,偏移量误差（,Offset Error,）,4.,线性度（,Linearity,）,线性度是指,DAC,实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏差。通常，线性度不应超出,LSB/2,。,2.D/A,转换器的主要技术指标,1.,分辨率（,Resolution,）,2.,转换精度（,Conversion Accuracy,）,3.,偏移量误差（,Offset Error,）,4.,线性度（,Linearity,）,除了上述指标外，,转换速度（,Conversion Rate,）,和,温度灵敏度（,Temperature Sensitivity,）,等也是,DAC,的重要技术参数。,2.D/A,转换器的主要技术指标,DI,7,DI,0,：,D/A,转换器数字量输入信号。其中，,DI,0,为最低位，,DI,7,为最高位。,CS,：片选输入信号。,WR,1,：,D/A,转换器的数据写入信号,1,。,ILE,：输入寄存器的允许信号。,XFER,：从输入寄存器向,DAC,寄存器传送,D/A,转换数据的控制信号。,WR,2,：,DAC,寄存器的选通信号。,（,1,）,DAC0832,的引脚,DAC0832,3.,典型,D/A,转换器芯片,DAC0832,Vcc,：芯片电源，其值可在,5,15V,之间。,AGND,：模拟信号地。,DGND,：数字信号地。,R,fb,：内部反馈电阻引脚，用来外接,D/A,转换器输出增益调整电位器。,V,ref,：,D/A,转换器的基准电压，其范围可在,10,10V,之间选定。,I,OUT1,：输出电流,1,，当输入数字为全“,1”,时，其值最大。,I,OUT2,：输出电流,2,，与,I,OUT1,之和为常数。,（,1,）,DAC0832,的引脚,（,2,）,DAC0832,的工作方式,DAC0832,有,直通、单缓冲和双缓冲,三种工作方式。,直通工作方式,条件：,CS,、,WR,1,、,WR,2,、,XFER,均接地，,ILE,接高电平。,特点：,八位数字量一旦到达,DI7,DI0,输入端，就立即进行,D/A,转换而输出。,（,2,）,DAC0832,的工作方式,DAC0832,有,直通、单缓冲和双缓冲,三种工作方式。,直通工作方式,单缓冲工作方式,条件：,两个寄存器中任一个处于直通状态，另一个工作于受控锁存状态。一般是使,DAC,寄存器处于直通状态，即把,WR,2,和,XFER,都接数字地。,特点：,数据只要一写入,DAC,芯片，就立即进行数模转换，可减少一条输出指令。,（,2,）,DAC0832,的工作方式,DAC0832,有,直通、单缓冲和双缓冲,三种工作方式。,直通工作方式,单缓冲工作方式,双缓冲工作方式,条件：,CPU,要对,DAC,芯片进行两步写操作；,ILE,接高电平，,WR,1,、,WR,2,均接,CPU,的,IOW,，,CS,、,XFER,接地址译码信号。,优点：,数据接收和转换启动异步进行，提高转换速率。,电流建立时间：,1s,；,分辨率：,8,位；,线性误差：,0.2%FSR,；,非线性误差：,0.4%FSR,；,工作方式：双缓冲、单缓冲、直接输入；,数字输入：与,TTL,兼容；,增益温度系数：,0.002%FSR/,；,低功耗：,20mW,；,单电源：,+5,15V,；,参考电压10V,10V,。,（,3,）,DAC0832,的主要技术性能,4.D/A,转换器与,CPU,的接口,D/A,转换器与微处理器的连接包括三部分，即,数据线、控制线和地址线,。,1,8,位,D/A,转换器与,CPU,的接口,对于,8,位,D/A,转换器，简单的连接方法是通过,8,位数据锁存器（例如，,8D,锁存器,74LS273,）与,8,位微处理器的总线相连。,（,1,）直通方式,（,2,）单缓冲方式,三角波程序,START,：,MOV AL,，,0,DOWN,：,OUT 0FEH,，,AL INC AL,JNZ DOWN MOV AL,，,0FEH,UP,：,OUT 0FEH,，,AL INC AL,JNZ UP,JMP DOWN HLT,锯齿波程序,START,：,MOV AL,，,0,LP,：,OUT 0FEH,，,AL,INC AL,JMP LP,HLT,方波程序,START:MOVAL,33H,OUT0FEH,AL CALL DELAY MOV AL,0FEH,OUT 0FEH,AL CALL DELAY JMP START,DELAY:,HLT,例,DAC0832,用作波特率发生器。试根据图接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序。,4.D/A,转换器与微处理器的接口,A/D,转换器把输入模拟电压或电流变成与它成正比数字量的转换电路，即把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息，以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。,7.4.2,模,/,数（,A/D,）转换器,计数器式,A/D,转换器：,结构简单，转换速度慢,很少采用；,分类,并行,A/D,转换器：,转换速度最快，结构复杂，造价较高。,双积分式,A/D,转换器：,抗干扰能力强，转换精度高，速度不够理想，常用于数字式测量仪表中,；,逐次逼近式,A/D,转换器：,结构不太复杂，转换速度较高；,11.3.1 A/D,转换器工作原理,1.,双积分式的,A/D,转换器,双积分式也称二重积分式，其原理框图见下图。其实质是测量和比较两个积分的时间，一个是模拟输入电压积分时间，此时间往往是固定的另一个是充电后的电压为初值，对参考电压,Vref,反相积分，积分电容被放电至零所需的时间,T,1,（或,T,2,等）。,1.A/D,转换器工作原理,逐次逼近式（也称逐位比较式）,A/D,转换器转换实质是，逐次把设定的,SAR,寄存器中的数字量经,D/A,转换后得到电压,VC,与待转换模拟电压,VX,进行比较。比较时，先从,SAR,的最高位开始，逐次确定各位的数值应是“,1”,还是“,0”,。其原理如下图所示：,工作过程,1,、先将,SAR,寄存器各位清零。,2,、设定,SAR,寄存器的最高位为“,1”,，其余位为“,0”,，此试探值经,D/A,转换成电压,V,C,，然后将,VC,与模拟输入电压,V,X,比较。若小则保留，若大则该位清零。,3,、再对,SAR,寄存器的次高位置“,1”,，依上述方法进行,D/A,转换和比较。如此重复上述过程，直至确定,SAR,寄存器的最低位为止。,该图为四位,A/D,转换器的逐次逼近过程,转换结果能否准确逼近模拟信号，主要取决于,SAR,和,D/A,位数。位数越多，越能准确逼近模拟量，但转换所需的时间也越长。,逐次逼近式的,A/D,转换器的主要特点是：,（,1,）转换速度较快，在,1,100s,以内，分辨率可以达,18,位，特别适合于工业控制系统。,（,2,）转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。,（,3,）抗干扰能力相对积分型的差。,1.A/D,转换器工作原理,1.,分辨率（,Resolution,）,分辨率反映,A/D,转换器对输入微小变化相应的能力，通常用数字量输出最低位（,LSB,）所对应的模拟输入的电平值表示。例如，,8,位,A/D,转换器能对输入满量程,1/2,8,的增量作出反应。,n,位,A/D,能反应,1/2,n,满量程的输入电平。,2.A/D,转换器主要技术性能,1.,分辨率（,Resolution,）,2.,精度（,Accuracy,）,精度有绝对精度（,Absolute Accuracy,）和相对精度（,Relative Accuracy,）两种表示方法。,2.A/D,转换器主要技术性能,1.,分辨率（,Resolution,）,2.,精度（,Accuracy,）,3.,转换时间（,Conversion Time,）,转换时间是完成一次,A/D,转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。例如,AD570,的转换时间为,25s,，其转换速率为,40KHz,。,2.A/D,转换器主要技术性能,1.,分辨率（,Resolution,）,2.,精度（,Accuracy,）,3.,转换时间（,Conversion Time,）,4.,电源灵敏度（,Power Supply Sensitivity,）,电源灵敏度是,A/D,转换芯片的供电电源的电压发生变化时，产生的转换误差。一般用与电源电压变化,1,时相当的模拟量变化的百分数来表示。,2.A/D,转换器主要技术性能,1.,分辨率（,Resolution,）,2.,精度（,Accuracy,）,3.,转换时间（,Conversion Time,）,4.,电源灵敏度（,Power Supply Sensitivity,）,5.,量程,量程是指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。,例如，单极性：量程为,0,5V,，,0,10V,，,0,20V,双极性：量程为,5,5V,，,10,10V,2.A/D,转换器主要技术性能,1.,分辨率（,Resolution,）,2.,精度（,Accuracy,）,3.,转换时间（,Conversion Time,）,4.,电源灵敏度（,Power Supply Sensitivity,）,5.,量程,6.,输出逻辑电平,多数,A/D,转换器的输出逻辑电平与,TTL,电平兼容。在考虑数字量输出与微处理器的数据总线接口时，应注意是否要三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等问题。,2.A/D,转换器主要技术性能,1.,分辨率（,Resolution,）,2.,精度（,Accuracy,）,3.,转换时间（,Conversion Time,）,4.,电源灵敏度（,Power Supply Sensitivity,）,5.,量程,6.,输出逻辑电平,7.,工作温度范围,由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。一般,A/D,转换器的工作温度范围为,0,70,，军用品的工作温度范围为,55,125,。,2.A/D,转换器主要技术性能,ADC0809,是逐次逼近型,8,位,A/D,转换芯片。片内有,8,路模拟开关，可输入八个模拟量。单极性，量程为,0,5,伏。典型的转换速度为,100s,。片内带有三态输出缓冲器，可直接与,CPU,总线接口。,3.,典型,A/D,转换器芯片,ADC0809,模,拟,输,入,部,分,变换器部分,三,态,输,出,缓,冲,器,基准电压输入端,3.,典型,A/D,转换器芯片,ADC0809,（,2,）,ADC0809,的时序,ADC0809,靠脉冲启动，为,START,是脉冲信号,当模拟量送至某一通道后，由三位地址信号译码选择：,地址信号由地址锁存允许,ALE,（,Address Latch Enable,）锁存，,ALE,高电平有效。,输出转换结束信号,EOC,由低电平变为高电平表示转换完成。,输出允许信号,OE,（,Output Enable,）为高电平时，打开输出三态缓冲器的门，把转换结果送到数据总线上。,CPU,与,ADC,接口时必须弄清并处理好三个问题：,要给,START,线送一个,100S,宽的启动正脉冲；,获取,EOC,引脚上的状态信息，它是,A/D,转换的结束标志；,给“三态输出锁存器”分配一个端口地址。,3.,典型,A/D,转换器芯片,ADC0809,A/D,转换器芯片,与,CPU,接口,8,位,A/D,转换芯片与,CPU,接口举例,在本例中，假定以查询方式读取,A/D,转换后的结果，则,8255A,可设定,A,口为输入，,B,口为输出，均为方式,0,，,PC4,为输入，其,A/D,转换的流程图如图,11.20,所示。,8,位,A/D,转换芯片与,CPU,接口举例,ORG1000H,START:MOV AL,98H,;,方式,0,，,A,口输入；方式,0,，,B,口输出,MOV DX,0FFFFH;8255A,控制字端口地址OUT DX,AL ;,送,8255A,方式字,MOV AL,0BH;,送,IN3,输入端和锁存信号,MOV DL,0FDH;8255A,的,B,口地址,OUTDX,AL ;,送,IN3,通道地址,MOV AL,1BH;STARTPB4=1,OUT DX,AL ;,启动,A/D,转换,8,位,A/D,转换芯片与,CPU,接口举例,MOV AL,0BH,OUT DX,AL ;STARTPB4=0,MOV DL,0FEH ;8255A,的,C,口地址,TEST:IN AL,DX ;,读,C,口状态,AND AL,10H ;,检测,EOC,状态,JZ TEST ;,如未转换完再测试；转换完则继续,MOV DL,0FCH ;8255A,的,A,口地址,IN AL,DX ;,读转化结果,INT 3 ;,暂停,8,位,A/D,转换芯片与,CPU,接口举例,