微機原理第八章

第8章模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換8.1概述數(shù)字信號模擬信號現(xiàn)場信號1現(xiàn)場信號2現(xiàn)場信號n微型計算機放大器放大器放大器多路開關(guān)低通濾波傳感器低通濾波傳感器低通濾波傳感器A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器數(shù)字信號受控對象控制信號模擬信號D/A轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動電路…傳感器將各種現(xiàn)場的物理量測量出來并轉(zhuǎn)換成電信號（模擬電壓或電流）

放大器把傳感器輸出的信號放大到ADC所需的量程范圍低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比多路開關(guān)把多個現(xiàn)場信號分時地接通到A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器周期性地采樣連續(xù)信號，并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變模擬量與數(shù)字量模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時間和數(shù)值上都離散的量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器8.2D/A轉(zhuǎn)換器DAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量8.2.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理數(shù)字量→按權(quán)相加

→模擬量1101B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＝13T型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和運放構(gòu)成的DACD3D2D1D0R2R4R8R_+VoVREF…RoDi＝1，開關(guān)閉合；Di＝0，開關(guān)斷開T型電阻網(wǎng)絡(luò)和運放構(gòu)成的DAC－＋T型電阻網(wǎng)絡(luò)和運放構(gòu)成的DAC

(1)分辨率分辨率表示D/A變換器的1個LSB(最低有效位)輸入使輸出變化的程度。分辨率＝1/(2n-1)

(2)轉(zhuǎn)換精度

分為絕對轉(zhuǎn)換精度和相對轉(zhuǎn)換精度。絕對轉(zhuǎn)換精度:指每個輸出電壓接近理想值的程度。與標準電源的精度、權(quán)電阻的精度有關(guān)。相對轉(zhuǎn)換精度：一般用絕對轉(zhuǎn)換精度相對于滿量程輸出的百分數(shù)來表示。有時也用LSB的幾分之幾來表示。D/A變換器的主要技術(shù)指標有:8.2.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器件和有關(guān)電路兩類:不帶數(shù)據(jù)輸入寄存器的D/A轉(zhuǎn)換器帶數(shù)據(jù)輸入寄存器的D/A轉(zhuǎn)換器1.不帶數(shù)據(jù)輸入寄存器的D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)緩沖器思考：超過8位的D/A轉(zhuǎn)換器如何連接？（后面介紹）2.帶數(shù)據(jù)輸入寄存器的D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832是典型的8位電流輸出型通用DAC芯片DAC0832有兩級鎖存器：輸入寄存器和DAC寄存器技術(shù)指標

電流建立時間1us

單電源+5~+15

VREF輸入端電壓:10V

分辨率8位

功耗200mW

最大電源電壓

17VDAC0832的數(shù)字接口8位數(shù)字輸入端DI0～DI7（DI0為最低位）輸入寄存器（第1級鎖存）的控制端ILE、CS*、WR1*DAC寄存器（第2級鎖存）的控制端XFER*、WR2*直通鎖存器的工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器LE＝1，直通（輸出等于輸入）LE＝0，鎖存（輸出保持不變）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式直通方式適用于連續(xù)反饋控制線路.單緩沖方式適用于一路模擬量輸出,或多路模擬量非同步輸出.雙緩沖方式適用于多個DAC0832同時輸出.DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1輸入的數(shù)字數(shù)據(jù)直接進入D/A轉(zhuǎn)換器LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：單緩沖方式LE1＝1，或者LE2＝1兩個寄存器之一始終處于直通狀態(tài)另一個寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：雙緩沖方式兩個寄存器都處于受控（緩沖）狀態(tài)能夠?qū)σ粋€數(shù)據(jù)進行D/A轉(zhuǎn)換的同時；輸入另一個數(shù)據(jù)LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1

DAC0832的模擬輸出Iout1、Iout2——電流輸出端Rfb——反饋電阻引出端（電阻在芯片內(nèi)）VREF——參考電壓輸入端＋10V～－10VAGND——模擬信號地VCC——電源電壓輸入端＋5V～＋15VDGND——數(shù)字信號地DAC0832是電流輸出型,若需要電壓信號,可用運算放大器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號:RfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREFVout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREF地線的連接DGNDAGND模擬電路數(shù)字電路ADCDAC模擬電路數(shù)字電路模擬地數(shù)字地公共接地點8.2.3DAC芯片與主機的連接DAC芯片相當于一個“輸出設(shè)備”，至少需要一級鎖存器作為接口電路考慮到有些DAC芯片的數(shù)據(jù)位數(shù)大于主機數(shù)據(jù)總線寬度，所以分成兩種情況：1.主機位數(shù)等于或大于DAC芯片位數(shù)2.主機位數(shù)小于DAC芯片位數(shù)1.主機位數(shù)大于或等于DAC芯片的連接moval,bufmov

dx,portdoutdx,al譯碼ABD0～D7CLKDACVout+_ALS273IOWDAC0832單緩沖方式WR1CSIOW5V+5VRfbIout2Iout1WR2XFERDGNDAGNDD0～D7DI0～D17VccILEVREFVout+_A譯碼AB2.主機位數(shù)小于DAC芯片的連接數(shù)字數(shù)據(jù)需要多次輸出接口電路也需要多個（級）鎖存器保存多次輸出的數(shù)據(jù)并需要同時將完整的數(shù)字量提供給DAC轉(zhuǎn)換器CPUDAC8位12位兩級鎖存電路模擬輸出12位DAC第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖存控制第1級高4位鎖存控制D0～D74位鎖存器4位鎖存器8位鎖存器8位鎖存器由同一個信號控制關(guān)鍵的一級鎖存無需輸出數(shù)據(jù)簡化的兩級鎖存電路模擬輸出12位DAC第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖存控制D0～D74位鎖存器8位鎖存器8位鎖存器由同一個信號控制關(guān)鍵的一級鎖存需要輸出高4位數(shù)據(jù)movdx,port1moval,bloutdx,almovdx,port2moval,bhoutdx,al8.2.4DAC芯片的應(yīng)用例1：用前面電路輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時間間隔tms02LSB1LSB255LSB254LSB鋸齒波周期 MOVDX，PORTA MOVAL，0FFHDON：INCAL OUTDX，AL

CALLDELAY JMPDONDELAYPROCNEAR MOVCX，DATAX：LOOPX RETDELAYENDP？DECAL用延時程序控制周期例2：用前面電路產(chǎn)生周期性三角波：MOVDX，PORTMOVAL，0FFHDON1：INCALOUTDX，ALCMPAL，0FFHJNZDON1DON2：DECALOUTDX，ALCMPAL，0JNZDON2

JMPDON1例3：8255的端口地址:300H~303HD/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用函數(shù)發(fā)生器只要往D/A轉(zhuǎn)換器寫入按規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，即可在輸出端獲得正弦波、三角波、鋸齒波、方波、階梯波、梯形波等函數(shù)波形。直流電機的轉(zhuǎn)速控制用不同的數(shù)值產(chǎn)生不同的電壓，控制電機的轉(zhuǎn)速其他需要用電壓/電流來進行控制的場合8.3A/D轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC用途將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于計算機進行處理。常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或數(shù)字化聲音。A/D轉(zhuǎn)換的四個步驟采樣→保持→量化→編碼采樣/保持：由采樣保持電路（S/H）完成量化/編碼：由ADC電路完成（ADC：AD變換器）1)采樣和保持采樣將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)為時間上斷續(xù)變化的（離散的）模擬量?；颍喊岩粋€時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一個脈沖串，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。保持將采樣得到的模擬量值保持下來，使之等于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值。目的：A/D轉(zhuǎn)換期間保持采樣值恒定不變。對于慢速變化的信號，可省略采樣保持電路采樣周期的確定采樣通常采用等時間間隔采樣。采樣頻率fs不能低于2fimax（fimax為輸入信號Vin的最高次諧波分量的頻率）；fs的上限受計算機的速度、存儲容量、器件速度的限制。實際中一般取fs為fimax的4-5倍。2)量化和編碼量化就是用基本的量化電平的個數(shù)來表示采樣到模擬電壓值。即把時間上離散而數(shù)值上連續(xù)的模擬量以一定的準確度變換為時間上、數(shù)值上都離散的具有標準量化級的等效數(shù)字值。（量化電平的大小取決于A/D變換器的字長）只有當電壓值正好等于量化電平的整數(shù)倍時，量化后才是準確值，否則量化后的結(jié)果都只能是輸入模似量的近似值。這種由于量化而產(chǎn)生的誤差叫做量化誤差。量化誤差是由于量化電平的有限性造成的，所以它是原理性誤差，只能減小，而無法消除。為減小量化誤差，根本的辦法是減小量化電平（即增加字長）。編碼是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值(它一定是量化電平的整數(shù)倍)用二進制碼、BCD碼或其它碼來表示。8.3.1模/數(shù)轉(zhuǎn)換涉及的參數(shù)轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度反映了A/D轉(zhuǎn)換器的實際輸出接近理想輸出的精確程度，通常用數(shù)字量的最低有效位（LSB）來表示。轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換時間為完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間。轉(zhuǎn)換率為轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)。3.分辨率表明能夠分辨最小的量化信號的能力，通常用位數(shù)來表示。例如，12位的ADC的分辨率為212＝2048。8.3.2A/D轉(zhuǎn)換的方法和原理ADC的分類及其優(yōu)缺點計數(shù)式ADC：最簡單，但轉(zhuǎn)換速度最慢。逐次逼近式ADC：轉(zhuǎn)換速度和精度都比較高，且比較簡單，價格低，所以在微型機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用。雙積分式ADC：轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強，但轉(zhuǎn)換速度慢，一般應(yīng)用在精度高而速度不高的場合，如測量儀表。1.計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換以最低位為增減量單位的逐步計數(shù)法2.逐次逼近式從最高位開始的逐位試探法3.雙積分式兩個積分階段實質(zhì)是電壓/時間變換IREFIinVinVREF積分器比較器V/IV/I時鐘啟動計數(shù)計數(shù)器數(shù)字輸出T2T1Vc固定斜率時間可變固定時間斜率可變轉(zhuǎn)換結(jié)束4.用軟件和D/A轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換鎖存器D/A轉(zhuǎn)換器＋－輸入接口D0D7~D0Vx譯碼器WR*ABRD*比較器Vc軟件可以用計數(shù)式或逐次逼近式實現(xiàn)實現(xiàn)逐次逼近過程的程序段START:XORAX,AX MOVBL,80H MOVCX,08HAGAIN:ADDAL,BL MOVBH,AL OUTPORTA,AL INAL,PORTS ANDAL,01H JZ END1 MOVAL,BL NOTAL ANDAL,BH MOVBH,ALEND1:RORBL,1 MOVAL,BH LOOPAGAIN …8.3.3A/D轉(zhuǎn)換芯片1.ADC0804芯片帶有可控三態(tài)門CS*和WR*有效，啟動轉(zhuǎn)換CS*和RD*有效，讀取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，INTR*＝0；CPU讀取數(shù)據(jù)后，INTR*＝1查詢方式或中斷方式

VccDB7~DB0CLKR

INTR*CLRINRD*VIN(+)

WR*VIN(-)AGNDDGNDCS*模擬輸入ADC0804+5V2.ADC0809芯片具有A/D轉(zhuǎn)換的基本功能CMOS工藝制作8位逐次逼近式ADC轉(zhuǎn)換時間為100s包含擴展部件多路開關(guān)三態(tài)鎖存緩沖器ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809地址鎖存和譯碼OE通道選擇開關(guān)ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位三態(tài)鎖存緩沖器DACVcc比較器CLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定時和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOCADC0809的轉(zhuǎn)換時序

ADC0809的模擬輸入提供一個8通道的多路開關(guān)和尋址邏輯IN0～IN7：8個模擬電壓輸入端ADDA、ADDB、ADDC：3個地址輸入線ALE：地址鎖存允許信號ALE的上升沿用于鎖存3個地址輸入的狀態(tài)，然后由譯碼器從8個模擬輸入中選擇一個模擬輸入端進行A/D轉(zhuǎn)換

ADC0809的數(shù)字輸出ADC0809內(nèi)部鎖存轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量具有三態(tài)數(shù)字量輸出端D0～D7配合輸出允許信號OE當輸出允許信號OE為高電平有效時，將三態(tài)鎖存緩沖器的數(shù)字量從D0～D7輸出ADC0809的工作過程根據(jù)時序圖，ADC0809的工作過程如下：①把通道地址送到ADDA～ADDC上，選擇一個模擬輸入端；②在通道地址信號有效期間，ALE上的上升沿使該地址鎖存到內(nèi)部地址鎖存器；③START引腳上的下降沿啟動A/D變換；

④變換開始后，EOC引腳呈現(xiàn)低電平，EOC重新變?yōu)楦唠娖綍r表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；⑤OE信號打開輸出鎖存器的三態(tài)門送出結(jié)果。進一步應(yīng)考慮的問題多個模擬通道時，程序怎樣編寫？ADC位數(shù)大于8位應(yīng)怎樣處理？用8255時程序應(yīng)怎樣編寫？3.AD570芯片分辨率:8位內(nèi)部有輸出三態(tài)門,不可控

AD570不能直接與CPU數(shù)據(jù)總線相連.

ACDC

AINDB7~DB0DR*B/C*模擬輸入B/C*:啟動信號，低電平有效；DR*：轉(zhuǎn)換結(jié)束，低電平有效；AC:模擬地；DR：數(shù)字地。啟動轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束8.3.4ADC芯片與主機的連接ADC芯片相當于“輸入設(shè)備”，需要接口電路提供數(shù)據(jù)緩沖器主機需要控制轉(zhuǎn)換的啟動主機還需要及時獲知轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，并進行數(shù)據(jù)輸入等處理1.輸入模擬電壓的連接單端輸入，如ADC0809差動輸入，如ADC0804ADC0809與系統(tǒng)的連接模擬輸入端INi單路輸入模擬信號可連接到任何一個輸入端；地址線可根據(jù)輸入固定連接；也可以由CPU給一個固定地址。單路輸入時ADDCADDBADDAIN4ADC0809輸入多路輸入時ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入0輸入1輸入2輸入3輸入4CPU指定通道號+5V多路輸入模擬信號按順序分別連接到輸入端；要轉(zhuǎn)換哪一路輸入，就將其編號送到地址線上(動態(tài)選擇)。2.數(shù)據(jù)輸出線的連接與主機的連接可分成兩種方式直接相連：用于輸出帶有三態(tài)鎖存器的ADC芯片通過三態(tài)鎖存器相連：適用于不帶三態(tài)鎖存器的ADC芯片，也適用帶有三態(tài)鎖存緩沖器的芯片ADC芯片的數(shù)字輸出位數(shù)大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線位數(shù)，需把數(shù)據(jù)分多次讀取數(shù)據(jù)輸出線D0-D7內(nèi)部已接有三態(tài)門，故可直接連到DB上也可另外通過一個外部三態(tài)門與DB相連上述兩種方法均需占用一個I/O地址D0-D7ADC0809DBOE來自I/O譯碼D0-D7ADC0809DBOE來自I/O譯碼直接與DB相連通過三態(tài)門與DB相連74LS244+5VDIDOE1#E2#3.A/D轉(zhuǎn)換的啟動（1）啟動信號一般有兩種形式脈沖信號啟動轉(zhuǎn)換電平信號啟動轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換啟動轉(zhuǎn)換結(jié)束3.A/D轉(zhuǎn)換的啟動（2）主機產(chǎn)生啟動信號有兩種方法編程啟動軟件上，執(zhí)行一個輸出指令硬件上，利用輸出指令產(chǎn)生ADC啟動脈沖，或產(chǎn)生一個啟動有效電平定時啟動啟動信號來自定時器輸出兩種連接方法：分別連接：用兩個信號分別進行控制——需占用兩個I/O端口或兩個I/O線(用8255時)；統(tǒng)一連接：用一個脈沖信號的上升沿進行地址鎖存，下降沿實現(xiàn)啟動轉(zhuǎn)換——只需占用一個I/O端口或一個I/O線(用8255時)ADC0809ALESTART獨立連接來自I/O譯碼1來自I/O譯碼2ADC0809ALESTART統(tǒng)一連接來自I/O譯碼地址鎖存信號ALE和啟動轉(zhuǎn)換信號START4.轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理不同的處理方式對應(yīng)程序設(shè)計方法不同①

查詢方式——把結(jié)束信號作為狀態(tài)信號②

中斷方式——把結(jié)束信號作為中斷請求信號③

延時方式——不使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC軟件查詢EOC狀態(tài)EOC通過一個三態(tài)門連到數(shù)據(jù)總線的D0(或D1、D2三態(tài)門要占用一個I/O端口地址CPU效率低把EOC作為中斷申請信號，向CPU申請中斷在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果效率高軟件延時等待(比如延時1ms)——不用EOC信號CPU效率最低，只能按最大轉(zhuǎn)換時間延時簡單，容易實現(xiàn)5.ADC0809的地址線ADDA-ADDC多路輸入時，地址線不能固定連接到＋5V或地線，而是要通過一個接口芯片與數(shù)據(jù)總線連接。接口芯片可以選用：鎖存器74LS273，74LS373等（要占用一個I/O地址）可編程并行接口8255（要占用四個I/O地址）CPU用一條OUT指令把通道地址通過接口芯片送給ADC0809ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809輸入DB74LS273Q2Q1Q0CP來自I/O譯碼D0-D7ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS#來自I/O譯碼D0-D7A1A0A1A0用鎖存器作為ADC0809的接口用8255作為ADC0809的接口D0IN0A15-A0IOR#IOW#D7-D0D7-D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA譯碼器ADC0809一個連接實例（用查詢方式）模擬信號輸入進行一次A/D轉(zhuǎn)換的程序(以上圖為例)用延時等待的方法

……

MOV DX,start_port OUT DX,AL ;啟動轉(zhuǎn)換

CALL DELAY_1MS;延時1ms

MOV DX,oe_port IN AL,DX ;讀入結(jié)果

……進行一次A/D轉(zhuǎn)換的程序(以上圖為例)用查詢EOC狀態(tài)的方法

MOV DX,start_port OUT DX,AL ;啟動轉(zhuǎn)換LL:MOV DX,eoc_port

IN AL,DX ;讀入EOC狀態(tài)

AND AL,01H ;測試第0位(EOC狀態(tài)位) JZ LL ;未轉(zhuǎn)換完，則循環(huán)檢測

MOV DX,oe_port IN AL,DX ;讀入結(jié)果

……

例題1:設(shè)EOC接8259的IR7:試編寫連續(xù)轉(zhuǎn)換8個通道的模擬量的程序，并將轉(zhuǎn)換值存在DAT開始的單元中。主程序：

CLIMOVBL，0；0通道號送BLMOVSI，0；設(shè)存放轉(zhuǎn)換值地址指針MOVAL，BL；通道號送ALOUTADC0809，AL；從0通道開始，啟動A/D轉(zhuǎn)換；NOPNOPSTI…..IR7中斷服務(wù)程序:INT-AD：

…INAL,ADC0809;讀A/D轉(zhuǎn)換值

MOVDAT[SI],AL;存入DAT中

INCBLINCSICMPBL,8JZEXITMOVAL,BL;若未完成8個通道的轉(zhuǎn)換,;則啟動下個A/D轉(zhuǎn)換,否則返回

OUTAD0809,AL;啟動下個A/D通道

STIEXIT:IRET設(shè)IR7的類型號為0FH.設(shè)置中斷向量:

0FH4=3CH

0FH4+2=3EHCLIPUSHDSXORAX,AXMOVDS,AXMOVAX,OFFSETINT-ADMOVWORDPTR[003CH],AXMOVAX,SEGINT-ADMOVWORDPTR[003EH],AXPOPDSSTI例題2.設(shè)EOC接8255的PA0:試編寫連續(xù)轉(zhuǎn)換

8個通道的模擬量的程序，并將轉(zhuǎn)換值存在DAT開始的單元中。

MOVAL,10010000B;8255A口方式0，輸入

OUT8255-COTR,ALMOVBL，0；0通道號送BLMOV