第8章 DA与AD转换器接口

微机原理期末考试安排在1月8号。具体时间和地点另行通知。第7章8250，8237不考控制命令字。但8255和8254的控制命令字和初始化编程一定要掌握。重要通知1完成四次实验后，请同学们将四次实验的报告写成一个电子档，并交至课程平台的课程作业处。文件名的格式为“姓名+学号”。实验报告提交的截至日期是12月25日。第三次研究型教学的内容及具体要求已发布在教学平台。12月12日（周五）前完成相关的研究型论文和PPT。周五上课时间讨论，讲PPT.研究报告提交至课程平台，提交截至时间是12月25日。重要通知2第1节控制系统中的模拟接口第2节数/模转换器芯片(DAC)及其接口技术第3节模/数转换器芯片(ADC)及其接口技术第4节A/D及D/A器件的选择第8章A/D及D/A转换接口38.1控制系统中的模拟接口微机的重要应用领域之一是信号自动监测和自动控制系统。一个闭环控制系统可表示为：被控对象传感器A/D转换D/A转换功放计算机4工业生产过程多路切换开关采样保持器A/D转换器传感器1信号调理1传感器n信号调理n放大驱动D/A转换器锁存器I/O接口微型计算机......12微机与控制系统的接口51、传感器:它是把非电信号转换成电信号的器件。2、多路切换开关:多路开关的作用是实现多路复用，以降低系统的成本。3、整形放大:从模拟开关送来的信号往往很微弱，需要经过整形放大环节。4、采样保持:在转换期间保持采样信号不变，可保证转换的精度。5、A/D转换器:按分辨率可分为4位、6、8位、10位、12位、14位、16位等。按工作原理可分为逐次逼近型和积分型等。6、D/A转换器:经D/A转换后的模拟信号通常需要进行低通滤波和功放等处理。按输出可分为电流型和电压型。68.2数/模转换器芯片(DAC)及其接口技术8.2.1D/A的性能参数和术语1）分辨率(resolution)：表明DAC对模拟值的分辨能力，它是最低有效位(LSB)所对应的模拟值。如分辨率为8位的D/A能给出满量程电压的1/256的分辨能力。2）精度(accuracy)：表明D/A转换的精确程度。它可分为绝对精度和相对精度。3）线性误差和微分线性误差4）数据转换器的温度系数5）建立时间(SettlingTime)6）电源敏感度(PowerSupplySensitivity)7）输出电压一致性(顺从性)(OutputVoltageCompliance)71）电压输出型2）电流输出型3）乘算型：D/A转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型D/A转换器。4）一位D/A转换器8.2.2D/A转换器的分类8实际例子：音响所用DAC的分辨率是DAC以及音响性能的一个重要指标。D/A转换器的种类很多，功能、特性各异。DAC0832与微机接口方便，转换控制容易，是典型的D/A转换器芯片。DAC0832是内部带有数据输入寄存器和(R—2R)T型电阻网络的8位D/A转换器。8.2.3典型D/A转换器工作原理1）DAC0832具有以下主要特性(1)电流输出型D/A转换器(2)数字量输入具有双重缓冲功能，且可双缓冲、单缓冲或直通方式数字输入(3)与所有微处理器可直接接口9(4)输入数据的逻辑电平满足TTL电平规范(5)分辨率为8位(6)满量程误差为±1LSB(7)转换时间(建立时间)1μs(8)增益温度系数为20×10-6/℃(9)参考电压±10V(10)单电源+5V～+15V(11)功耗20mW102）DAC0832内部结构和外部引脚8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RFBAGNDVCCDGND1314151645671912181781211932010LE1LE2RFB11引脚功能：•ILE：输入锁存允许信号，输入，高电平有效。•CS：片选信号，输入，低电平有效，•WR1：写信号1•WR2：写信号2•XFER：数据传送控制信号，输入，低电平有效。•DI7～DI0：8位数字量输入端，DI0为最低位，DI7为最高位。•IOUT1：DAC电流输出1•IOUT2：DAC电流输出2•RFB：片内反馈电阻引脚•VREF：参考电源或叫基准电源输人端，范围为+10V～-10V，要求电压准确，稳定性好。12•VCC：芯片供电电压端，范围为+5V～+15V，最佳值为+15V。•AGND：模拟地，即芯片模拟电路接地点，所有的模拟地要连在一起。•DGND：数字地，即芯片数字电路接地点，所有的数字电路地连在一起。3）0832的工作方式•直通：输入寄存器和DAC寄存器不锁存。•单缓冲：输入寄存器和DAC寄存器，一个为直通，另一个为受控的锁存。•双缓冲：输入寄存器和DAC寄存器都为受控的锁存。134）D/A转换器应用举例(1)单缓冲方式0832VccILEVREFRFBIout1Iout2AGNDDI7～0CSWR1WR2XFER-+•°+5V译码器CPUD7-0A7~0IO/MWRVOUT14(2)双缓冲方式接口与应用对于多路D/A转换接口，要求同步进行D/A转换输出时，必须采用双缓冲器同步方式其工作原理是：数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的，即CPU的数据总线分时地向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中，然后CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各D/A转换器输入锁存器中的数据打入DAC寄存器，实现同步转换输出。15双缓冲方式举例：3个模拟量同时输出DAC0832(1)CSILEWR1WR2XFER-+OA11129CS1ILEXFERWR18217191VOUT1DAC0832(2)CSILEWR1WR2XFER-+OA11129CS218217191VOUT2DAC0832(3)CSILEWR1WR2XFER-+OA11129CS218217191VOUT3D7～D016•硬件接线图CSILEWR1WR2XFER-+OAVOUTIOUT1IOUT2RFBVREFPA7～0DAC0832DI7～0PC0PC1PC2PC3PC4825580X86CPUDGND（3）用0832作波形发生器（生成锯齿波）17；设8255A的端口地址分别为3F0H，3F1H，3F2H，3F3HMOVDX，3F3H；8255A控制口地址MOVAL，80H；设置8255方式字，PA、PB、OUTDX，AL；PC均为方式0输出MOVDX，3F2H；8255A的C口地址MOVAL，10H；置DAC0832为直通工作方式OUTDX，AL•通过编程，改变输入数字量，获得输出电压波形。初始化程序：18；生成锯齿波循环：MOVDX，3F0H；8255A口地址MOVAL，00H；输出数据初值LOP：OUTDX，AL；锯齿波输出INCAL；修改数据NOPNOPJMPLOP；锯齿波循环198.3模/数转换器芯片(ADC)及其接口技术8.3.1AD转换器分类及特点20AD转换器的基本原理:(1)积分型•积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。•优点：用简单电路就能获得高分辨率•缺点：由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率很低。•初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。(2)逐次比较型•逐次比较型A/D由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。•电路规模属于中等。•优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（12位）时价格便宜，但高精度（12位）时价格很高。21(3)并行比较型/串并行比较型•并行比较型A/D采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频A/D转换器等速度特别高的领域。•串并行比较型A/D结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型A/D转换器配合D/A转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Halfflash(半快速)型。(4)Σ-Δ(Sigma-delta)调制型•Σ-Δ型A/D由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。•原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。•电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。•主要用于音频和测量。22(5)电容阵列逐次比较型•电容阵列逐次比较型A/D在内置D/A转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。•一般的电阻阵列D/A转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片A/D转换器。•最近的逐次比较型A/D转换器大多为电容阵列式的。(6)压频变换型•压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。•原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。•从理论上讲这种A/D的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。•优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成A/D转换。231）分辨率(Resolution)：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。2）转换速率(ConversionRate)：完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需的时间的倒数。积分型A/D的转换时间是毫秒级属低速A/D，逐次比较型A/D是微秒级属中速A/D，全并行/串并行型A/D可达到纳秒级。8.3.2AD转换器的主要技术指标243）量化误差(QuantizingError)：由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率A/D的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率A/D（理想A/D）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。5）满刻度误差(FullScaleError)：满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。6）线性度(Linearity)：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其它指标还有：绝对精度，相对精度，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真和积分非线性。254）偏移误差(OffsetError)：输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。实际例子：ADC广泛应用于电子测量等领域。上述指标，尤其是分辨率、转换速率、线性度等是衡量电子测量仪器性能的重要指标。8.3.3A/D转换器ADC0809工作原理1）ADC0809主要性能(1)分辨率为8位(2)精度为７位(3)转换时间为100µs(4)工作温度范围为-40～+85℃(5)功耗为15mW(6)输入电压范围为0～5V(7)采用了由电阻阶梯和开关组成的开关树型D/A，确保无漏码。(8)零偏差和满量程误差均小于1/2LSB，故不需校准。(9)单一电源供电：+5V。(10)8个模拟输入通道，有通道地址锁存。(11)数据有三态输出能力，易于与微机相连，也可独立使用。262）ADC0809内部结构及引脚功能8位模拟开关地址锁存与译码逐次逼近寄存器(SAR)树状开关电阻网络定时和控制3态输出锁存缓冲器IN7～IN0ADDAADDBADDCALECLOCKSTARTREF(+)REF(-)OEVCCGNDD7～D0EOC数字输出模拟输入ADC0809原理框图2712345678910111215141516171819202122232425262728ADC0809IN3IN4IN5IN6IN7IN2IN1IN0ADDAALEADDBADDCD7(2-1MSB)D6(2-2)D5(2-3)D4(2-4)D3(2-5)