第9章-DA和AD转换总结

8-1第八章D/A和A/D转换基本内容：D/A转换和A/D转换的基础知识，D/A转换芯片0832和A/D转换芯片0809的应用。基本要求：了解D/A转换的基础知识；掌握0832和0809的结构及使用重点内容：D/A转换和A/D转换的工作原理难点内容：0832和0809的工作方式。在自动化领域中，常常通过微型计算机对客观事物的变化信息进行采集、处理、分析和实时控制。客观事物变化的信息有温度、速度、压力、流量、电流、电压等一些连续变化的物理量。而计算机只能处理离散的数字量，那么这些模拟信号如何变化才能被计算机接收并可进行处理的数字量呢？计算机输出的是数字量，但大多数被控设备不能直接接收数字信号，所以还需将计算机输出的数字信号转化成为模拟信号，去控制或驱动被控设备，那么这些数字信号又是如何变化成模拟信号的呢？对一个控制系统要从以下三方面考虑问题。图1一个包含A/D和D/A转换环节的控制系统1.传感器温度、速度、流量、压力等非电信号，称为物理量。要把这些物理量转换成电量，才能进行模拟量对数字量的转换，这种把物理量转换成电量的器件称为传感器。目前有温度、压力、位移、速度、流量等多种传感器。2.A/D转换器(AnalogtoDigitalConverter,ADC)把连续变化的电信号转换为数字信号的器件称为模数转换器，即A/D转换器。3.D/A转换器(DigitaltoAnalogConverter,DAC)把经过计算机分析处理的数字信号转换成模拟信号，去控制执行机构的器件，称为数模转换器，即D/A转换器。可见，D/A转换是A/D转换的逆过程。这两个互逆的转换过程以及传感器构成一个闭合控制系统，如图1所示。8-2第一节数模转换一、D/A转换器的工作原理D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的电路。数字量输入的位数有8位、12位和16位等，输出的模拟量有电流和电压两种。D/A转换器工作原理D/A转换器用于将数字量转换成模拟量。它的输入量是数字量D，输出量为模拟量V0，要求输出量与输入量成正比，即V0=D×VR,其中VR为基准电压。数字量是由一位一位的数字构成，每个数位都代表一定的权。例如10000001，最高位的权是27，所以此位上的代码1表示数值1×128。因此，数字量D可以用每位的权乘以其代码值，然后各位相加。具体公式如下：D=dn-1·2n-1+dn-2·2n-2+:+d0·20其中dn-1,dn-2,:,d0为各位的代码值；2n-1,2n-2,:,20为各位的权。由以上两个式子可推导出V0=dn-1·2n-1·VR+dn-2·2n-2·VR+:+d1·21·VR+d0·20·VR将输入的每一位转换为与其权对应的模拟量，各位对应的模拟量相加得到D/A转换器的输出。模拟量输出与数字量输入成正比。1、运算放大器的工作特点和原理（稍提一下即可）特点：1、开环放大倍数非常高2、输入阻抗非常大3、输出阻抗很小运算放大器的原理：(a)运算放大器的输入和输出(b)带反馈电阻的运算放大器(c)输入端有4个支路的运算放大器由此可求得带有反馈电阻的运算放大器的放大倍数为8-32、由T型电阻网络和运算放大器构成的D/A转换器(a)最简单的D/A转换器(b)阶梯波电压3、T型权电阻网络采用T型电阻网络的D/A转换器二、D/A转换器的输出电流输出和电压输出D/A转换的结果若是与输入二进制码成比例的电流，称为电流DAC；若是与输入二进制码成比例的电压，称为电压DAC。常用的D/A转换芯片大多属于电流DAC，然而在实际应用中，多数情况需要电压输出，这就需要把电流输出转换为电压输出，采取的措施是用电流DAC电路外加运算放大8-4器。三、D/A转换器的性能参数(1)分辨率阶梯波的每一级增量对应输入数据的最低数位1，在D/A转换时，将最低位增1所引起的增量和最大输入量的比称为分辨率，即分辨率＝1/(2n-1)其中，n为二进制数位的数目。分辨率也常用百分比表示，所以，4位的D/A转换器的分辨率也等于1/15＝6.67％。显然，位数越多，分辨率越好。（2）转换精度转换精度表明了模拟输出实际值与理想值之间的偏差。精度可分为绝对精度和相对精度。绝对精度是指在输入端加入给定数字量时，在输出端实测的模拟量与理论值之间的偏差。相对精度是指当满量程值校准后，输入的任何数字量所对应的模拟输出值与理论值的误差。D/A转换器的转换精度与D/A转换器的本身芯片的结构和与外接电路的配置有关。外接运算放大器，外接参考电源，都可影响D/A转换器的精度。通常，相对转换精度比绝对转换精度更有实用性。除了分辨率和转换精度外，D/A转换时涉及的参数还有转换速率、建立时间、线性误差等。四、典型D/A转换器DAC0832DAC0832是8位数/模转换芯片，数据的输入方式有双缓冲、单缓冲和直接输入，适用于要求几个模拟量同时输出的情况。1.不带数据输入寄存器的D/A芯片的使用8-5超过8位的D/A转换器的连接：2.带有数据输入寄存器的D/A芯片的使用特点：将D/A芯片可直接和数据总线相连。DAC0832的结构框图和引脚如图2所示。（书上235页图7.8和7.9）8-6图2DAC0832的结构框图和引脚DAC0832具有双缓冲功能，即输入数据可分别经过两个寄存器保存。第一个寄存器称为8位输入寄存器，数据输入端可直接连接到数据总线上，第二个寄存器为8位DAC寄存器。引脚说明如下。D0~D7：8位数据输入端。ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。此信号用来控制8位输入寄存器的数据是否能被锁存的控制信号之一。CS：片选信号，低电平有效。此信号与ILE信号一起用于控制WR1信号能否起作用。WR1：写信号1，低电平有效。在ILE和CS有效的情况下，此信号用于控制将输入数据锁存于输入寄存器中。ILE、CS、WR1是8位输入寄存器工作时的三个控制信号。WR2：写信号2，低电平有效。在XFER有效的情况下，此信号用于控制将输入寄存器中的数字传送到8位DAC寄存器中。XFER：传送控制信号，低电平有效。此信号和WR2控制信号是决定8位DAC寄存器是否工作的控制信号。8位D/A转换器接收被8位DAC寄存器锁存的数据，并把该数据转换成相对应的模拟量，输出信号端如下：IOUT1：DAC电流输出1，它是逻辑电平为1的各位输出电流之和。IOUT2：DAC电流输出2，它是逻辑电平为0的各位输出电流之和。为保证转换电压的范围、保证电流输出信号转换成电压输出信号、保证DAC0832的正常工作，应具有以下几个引线端：Rfb：反馈电阻引脚，该电阻被制作在芯片内，用作运算放大器的反馈电阻。VREF：基准电压输入引脚。一般在－10V~＋10V范围内，由外电路提供。VCC：逻辑电源。一般在＋5V~＋15V范围内。最佳为＋15V。AGND：模拟地。芯片模拟电路接地点。DGND：数字地。芯片数字电路接地点。DAC0832的工作过程是：(1)CPU执行输出指令，输出8位数据给DAC0832；(2)在CPU执行输出指令的同时，使ILE、WR1、CS三个控制信号端都有效，8位8-7数据锁存在8位输入寄存器中；(3)当WR2、XFER二个控制信号端都有效时，8位数据再次被锁存到8位DAC寄存器，这时8位D/A转换器开始工作，8位数据转换为相对应的模拟电流，从IOUT1和IOUT2输出。针对使用两个寄存器的方法，形成了DAC0832的三种工作方式，分别为双缓冲方式、单缓冲方式和直通方式。(1)双缓冲方式：数据通过二个寄存器锁存后送入D/A转换电路，执行两次写操作才能完成一次D/A转换。这种方式特别适用于要求同时输出多个模拟量的场合。(2)单缓冲方式：两个寄存器中的一个处于直通状态，输入数据只经过一级缓冲送入D/A转换器电路。在这种方式下，只需执行一次写操作，即可完成D/A转换，可以提高DAC的数据吞吐量。(3)直通方式：两个寄存器都处于直通状态，即ILE、CS、WR1、WR2和XFER都处于有效电平状态，数据直接送入D/A转换器电路进行D/A转换。这种方式可用于一些不采用微机的控制系统中。五、DAC0832的外部连接地线的连接方法8-8单缓冲工作方式：①只有一路D/A转换；例：设0fR，VER10，要求VV50，n=8a．计算：由公式)80(10000000)22(105)22(82111110HdddddddRRRVVnnnnffbRb．编程：MOVAL，80H；立即数OUT80H，AL；80H：地址，送入R1锁存OUT81H，AL；传送，与AL中数无关硬件接口图如下：+D7D0+5V(80H)Y0IOW(81H)Y1ERV0VRI02I01RfbDI7DI0ILECSWR1WR2XFER.........图8-4②多路转换，但不要求同步输出。其方法类似一路D/A转换，每一路按一路D/A转换的形式，按要求依次编程输出即可。其硬件连接和编程与一路D/A转换类似。双缓冲工作方式：两路同步输出：（见图8－14）编程：MOVAL，DATA1；第一片0832的数据1OUTPort1，AL；Port1：地址，送入第一片0832的R1锁存MOVAL，DATA2；第二片0832的数据2OUTPort2，AL；Port2：地址，送入第二片0832的R1锁存OUTPort3，AL；不实际输出数据，只是同开两片第二级缓冲的控制端8-9CSXFERWR1,2DI0~DI7DAC-0832(1)ILEVCCCSXFERWR1,2DI0~DI7DAC-0832(2)ILEVCCport1port3port2D0~D7WR+5V+5V+5V图8-14六、DAC0832的接口设计及编程例1、实现一次D/A转换。MOVBX，1000H；假设数据放在1000H中MOVAL，〔BX〕；数据送AL中MOVDX，PORTA；PORTA为D/A端口号OUTDX,AL例2、产生一个锯齿电压。MOVDX，PORTA；PORTA为D/A端口号MOVAL，0FFH；初值为0FFHROTATE：INCALOUTDX，AL；往D/A输出数据JMPROTATE例3、用0832产生三角波要求三角波电压范围从1V到3V变化，0832口地址为98F0H。解：方法：算出最低和最高电压对应数字量Dl和Dm，然后从低电压数字量开始送8-10D/A，以后数字量加1最高值，再回到最低值，循环进行即可。由：可知：Dl=(Vl/Vref)*256=(1/5)*256=51=33HDm=(3/5)*256=153=99HMinDEQU33HMaxDEQU99HMOVDX，98F0H；0832端口地址LP1:MOVAL，MinD-1；取最小值-1LP2:INCAL；数字量增1OUTDX,AL；送0832输出CALLDELAY；调延时程序TESTAL，MaxD；测试是否到最大值JNZLP2；未达最大继续加1输出JMPLP1；到最大回到最小输出第二节模数转换一、模/数转换的方法和原理由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：采样、保持、量化和编码。（举例补充说明）方法：计数法、双积分法、逐次逼近法1.计数式A/D转换特点：简单、便宜，但是速度比较慢。（原理性）DVrefV25608-112.双积分式A/D转换(a)电路工作原理(b)双积分原理特点：转换精度高，抗干扰能力强（特别是抗工频干扰能力强，是其它A/D转换器所不及的），适合于速度不很高的场合。3.逐次逼近式A/D转换特点：转换速度快、精度高。常用8-124.用软件和D/A转换器来实现A/D转换程序如下：START：XORAX，AX；累加器清零MOVBL，80H；初值为80HMOVCX，08H；计数初值为8AGAIN：ADDAL，BL；计算试探值MOVBH，AL；保留试探值OUTPORTA，AL；PORTA是锁存器地址INAL，PORTS；PORTS是输入端口的地址ANDAL，01；取状态位JZEND1；如状态位为0，则保存此位MOVAL，BLNOTAL；求反ANDAL，BH；使试探位为0MOVBH，