《微机原理与应用》第11章模数与数模转换接口

《微机原理与接口技术》辅助教学电子课件第十一章数/模与模/数转换第十一章D/A与A/D转换教学重点DAC0832及其与主机的连接ADC0809及其与主机的连接11.1数/模(D/A)转换D/A(数/模)转换把数字量转换为模拟量A/D(模/数)转换将模拟量转换成数字量模拟量与数字量模拟量——连续变化的物理量数字量——时间和数值上都离散的量模拟/数字转换器ADCDAC数字/模拟转换器数字信号模拟信号现场信号1现场信号2现场信号n微型计算机放大器放大器放大器多路开关低通滤波传感器低通滤波传感器低通滤波传感器A/D转换器采样保持器数字信号受控对象控制信号模拟信号D/A转换器放大驱动电路…模拟输入输出系统传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比多路开关把多个现场信号分时地接通到A/D转换器采样保持器周期性地采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变11.1.1D/A转换原理数字量→按权相加→模拟量1101B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＝13D/A转换器的原理图（1）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF电阻网络基准电压电子开关图示D/A转换器的原理图（2）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗＝2R运算放大器虚地D/A转换器的原理图（3）Va＝VREFVb＝VREF/2Vc＝VREF/4Vd＝VREF/8I0＝Vd/2R＝VREF/（8×2R）I1＝Vc/2R＝VREF/（4×2R）I2＝Vb/2R＝VREF/（2×2R）I3＝Va/2R＝VREF/（1×2R）D/A转换器的原理图（4）Iout1＝I0＋I1＋I2＋I3＝VREF/2R×（1/8＋1/4＋1/2＋1）Rfb＝RVout＝－Iout1×Rfb＝－VREF×[（20＋21＋22＋23）/24]Vout＝－（D/2n）×VREF11.1.2D/A转换器的主要参数分辨率：D/A转换器对数字输入量变化的敏感程度的度量。例如：8位D/A转换器，转换后的电压满程量为5V，其最小分辨电压:5V/256=20mV10位D/A转换器，对同样的转换电压，它能分辨的最小电压:5V/1024=5mV转换时间：•数字输入到完成转换，输出达到最终的稳定值所需的时间•电流型D/A转换器的转换时间在ns~μs之间，电压型的D/A转换器转换较慢转换精度指D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差。与D/A转换器参考电压的精度、权电阻的精度有关。线性度：当数字量变化时，D/A转换器输出模拟量按比例关系变化的程度。D/A转换器的输入输出特性输入缓冲能力输入数据的宽度电流型还是电压型输入的码制是单极性输出还是双极性输出11.1.3DAC0832芯片DAC0832是8位的D/A转换芯片内部有两极输入缓冲寄存器和一个T型电阻网络电流输出型芯片图示1.DAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入寄存器DGNDDI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER输入D04--713--1619121817XFERWR2WR1CSILE＆≥1≥1LE1LE2Rfb8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2IOUT1RfbAGND(模拟地)VCC(+5V或+15V）20103911128DAC0832框图DGND（数字地）数据D72.DAC0832的数字接口8位数字输入端DI0～DI7（DI0为最低位）输入寄存器（第1级锁存）的控制端ILE、CS*、WR1*DAC寄存器（第2级锁存）的控制端XFER*、WR2*LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1直通锁存器的工作方式3.DAC0832的工作方式直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器•LE＝1，直通（输出等于输入）•LE＝0，锁存（输出保持不变）DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1输入的数字数据直接进入D/A转换器LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1直通方式的连接方法与使用•ILE接+5V•CS*,WR1*,WR2*,XREF*接地(数字信号地•该方式数据输入不使用缓冲寄存器，在输入端DI7~DI0一旦出现数据就立即开始D/A转换。DAC0832的工作方式：单缓冲方式LE1＝1，或者LE2＝1两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1单缓冲方式的连接方法与使用•ILE接+5V•WR1*接CPU的IOW*•WR2*,XFER*接地(数字信号地)，使DAC寄存器处于直通状态；•CS*接I/O口地址译码器•该方式数据写入只需一次，写入后即开始D/A转换。DAC0832的工作方式：双缓冲方式两个寄存器都处于受控（缓冲）状态能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1双缓冲方式的连接方法与使用•ILE固定接+5V；•CPU的IOW信号复连到WR1*和WR2*端；•用CS*作为输入缓冲器的“片选”信号；XFER*作为DAC寄存器的“片选”信号，它们分别接到两个I/O口地址译码输出。数据写入时要分两次进行：第一次输入待转换的数字量；第二次写操作只是一次“虚拟写操作”，写的内容无关紧要，目的是启动DAC寄存器的锁存功能。双缓冲方式的优点是在D/A转换的同时，可接收下一个待转换的数据。4.DAC0832的模拟输出Iout1、Iout2:电流输出端满足：Iout1＋Iout2＝常量Rfb:反馈电阻引出端（电阻在芯片内）VREF:参考电压输入端•＋10V～－10VAGND:模拟信号地VCC:电源电压输入端•＋5V～＋15VDGND:数字信号地单极性电压输出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF单极性电压输出举例设VREF＝－5VD＝FFH＝255时，最大输出电压：Vmax＝（255/256）×5V＝4.98VD＝00H时，最小输出电压：Vmin＝（0/256）×5V＝0VD＝01H时，一个最低有效位（LSB）电压：VLSB＝（1/256）×5V＝0.02VVout＝－（D/2n）×VREF双极性电压输出：电路R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1＋I2＝011OUT232OUT2REF1RVIRVRVI双极性电压输出：公式取R2＝R3＝2R1得Vout2＝－（2Vout1＋VREF）因Vout1＝－（D/28）×VREF故Vout2＝[（D－27）/27）]×VREF双极性电压输出举例设VREF＝5VD＝FFH＝255时，最大输出电压：Vmax＝[（255－128）/128]×5V＝4.96VD＝00H时，最小输出电压：Vmin＝[（0－128）/128]×5V＝－5VD＝81H＝129时，一个最低有效位电压：VLSB＝[（129－128/128]×5V＝0.04VVout＝[（D－27）/27）]×VREF5.输出精度的调整RfbIout2Iout1Vout+_AGND调零电位器调满刻度电位器电源5VADI10K1M1KVREF6.地线的连接DGNDAGND模拟电路数字电路ADCDAC模拟电路数字电路模拟地数字地公共接地点11.1.4DAC芯片与主机的连接DAC芯片相当于一个“输出设备”，至少需要一级锁存器作为接口电路考虑到有些DAC芯片的数据位数大于主机数据总线宽度，所以分成两种情况：1.主机位数等于或大于DAC芯片位数2.主机位数小于DAC芯片位数1.主机位数大于或等于DAC芯片的连接moval,bufmovdx,portdoutdx,al译码ABD0～D7CLKDACVout+_ALS273IOWDAC0832单缓冲方式连接WR1CSIOW5V+5VRfbIout2Iout1WR2XFERDGNDAGNDD0～D7DI0～D17VccILEVREFVout+_A译码AB2.主机位数小于DAC芯片的连接数字数据需要多次输出接口电路也需要多个（级）锁存器保存多次输出的数据并需要同时将完整的数字量提供给DAC转换器CPUDAC8位12位两级锁存电路模拟输出12位DAC第2级12位锁存控制第1级低8位锁存控制第1级高4位锁存控制D0～D74位锁存器4位锁存器8位锁存器8位锁存器由同一个信号控制关键的一级锁存无需输出数据简化的两级锁存电路模拟输出12位DAC第2级12位锁存控制第1级低8位锁存控制D0～D74位锁存器8位锁存器8位锁存器由同一个信号控制关键的一级锁存需要输出高4位数据movdx,port1moval,bloutdx,almovdx,port2moval,bhoutdx,alDAC芯片的应用举例－锯齿波发生器movdx,portdmoval,0repeat:outdx,alincaljmprepeat输出正向锯齿波2次数据输出的时间间隔02LSB1LSB255LSB254LSB锯齿波周期11.2A/D转换器模拟量数字量模拟/数字转换器ADC11.2.1A/D转换的基本原理存在多种A/D转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合4种常用的转换技术•计数器式•逐次逼近式•双积分式•并行式1.计数器式以最低位为增减量单位的逐步计数法时钟复位数字输出比较器模拟输入计数器D/A转换器转换结束图示•启动信号将计数器清0，产生的8位数字量经内部的D/A转换输出0伏电压；•该电压被送到比较器与输入的模拟电压进行比较；计数式A/D转换原理图示•当比较结果小于输入的模拟电压时，比较器输出高电平，启动计数器开始计数；•计数器在CLK的驱动下加1计数，使得D/A转换后的电压不断上升；•当D/A转换的电压等于输入的模拟电压时，比较器输出为0，使计数器停止计数。此时，数据线D7~D0上的数字量就是A/D转换的结果。2.逐次逼近式从最高位开始的逐位试探法时钟复位数字输出转换结束比较器模拟输入寄存器D/A转换器图示逐次逼近式A/D转换原理当转换器收到启动信号后，逐次逼近寄存器被清“0”，通过内部D/A转换器使输出电压V0为0，转换开始:图示在第一个CLK周期•控制电路使逐次逼近寄存器的D7位为1(1000,0000)。这组数字经内部D/A转换后，输出电压V0与输入模拟电压Vi比较:•若ViV0，比较器输出为“高”，通过控制电路将D7置“1”保留•若ViV0，比较器输出为“低”，通过控制电路将D7位清0在第二CLK周期•使D6位为1(1100,0000)，经D/A转换后对应输出电压V0，并与Vi比较：•若ViV0，比较器输出为“高”，通过控制电路将D6位“1”保留；•若ViV0，比较器输出为“低”，通过控制电路将D6位清0；•重复上述过程，到D0位试探完毕，转换结束，逐次寄存器中的数值经缓冲器输出。3.双积分式两个积分阶段实质是电压/时间变换IREFIinVinVREF积分器比较器V/IV/I时钟启动计数计数器数字输出T2T1Vc固定斜率时间可变固定时间斜率可变转换结束4.并行式速度快成本高直接比较法编码电路VinVREF数字输出比较器RRRRRRR/2R/2二、主要技术指标转换精度量化误差非线性误差其它误差总误差=各误