第十章-數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換課件

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(jì)算機(jī)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)換期間保持不變第一節(jié)D/A接口芯片DAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量一、D/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＝13D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（1）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電壓電子開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（2）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗＝2R運(yùn)算放大器虛地D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（3）Va＝VREFVb＝VREF/2Vc＝VREF/4Vd＝VREF/8I0＝Vd/2R＝VREF/（8×2R）I1＝Vd/2R＝VREF/（4×2R）I2＝Vd/2R＝VREF/（2×2R）I3＝Vd/2R＝VREF/（1×2R）D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（4）Iout1＝I0＋I(xiàn)1＋I(xiàn)2＋I(xiàn)3

＝VREF/2R×（1/8＋1/4＋1/2＋1）Rfb＝RVout＝－Iout1×Rfb

＝－VREF×[（20＋21＋22＋23）/24]Vout＝－（D/2n）×VREF二、DAC0832芯片DAC0832是典型的8位電流輸出型通用DAC芯片DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入寄存器DGNDDI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER1.DAC0832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、WR1DAC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LE1＝LE2＝1輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接進(jìn)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(jìn)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Iout12.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)字信號地單極性電壓輸出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF單極性電壓輸出：例子設(shè)VREF＝－5VD＝FFH＝255時，最大輸出電壓：Vmax＝（255/256）×5V＝4.98VD＝00H時，最小輸出電壓：Vmin＝（0/256）×5V＝0VD＝01H時，一個最低有效位（LSB）電壓：VLSB＝（1/256）×5V＝0.02VVout＝－（D/2n）×VREF雙極性電壓輸出：電路R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1＋I(xiàn)2＝0雙極性電壓輸出：公式取R2＝R3＝2R1得Vout2＝－（2Vout1＋VREF）因Vout1＝－（D/28）×VREF故

Vout2＝[（D－27）/27）]×VREF雙極性電壓輸出：例子設(shè)VREF＝5VD＝FFH＝255時，最大輸出電壓：Vmax＝[（255－128）/128]×5V＝4.96VD＝00H時，最小輸出電壓：Vmin＝[（0－128）/128]×5V＝－5VD＝81H＝129時，一個最低有效位電壓：VLSB＝[（129－128/128]×5V＝0.04VVout＝[（D－27）/27）]×VREF3.輸出精度的調(diào)整RfbIout2Iout1Vout+_AGND調(diào)零電位器調(diào)滿刻度電位器電源5VADI10K1M1KVREF三、DAC芯片與主機(jī)的連接DAC芯片相當(dāng)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(jī)數(shù)據(jù)總線寬度，所以分成兩種情況：1.主機(jī)位數(shù)等于或大于DAC芯片位數(shù)2.主機(jī)位數(shù)小于DAC芯片位數(shù)1.主機(jī)位數(shù)大于或等于DAC芯片的連接moval,bufmovdx,portdoutdx,al譯碼ABD0～D7CSDACVout+_ALS273

IOWDAC0832單緩沖方式

WR1

CS

IOW5V+5VRfbIout2Iout1

WR2XFERDGNDAGNDD0～D7DI0～D17VccILEVREFVout+_A譯碼AB2.主機(jī)位數(shù)小于DAC芯片的連接數(shù)字?jǐn)?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movdx,port1moval,bloutdx,almovdx,port2moval,bhoutdx,al四、DAC芯片的應(yīng)用

movdx,portd moval,0repeat: outdx,al incal jmprepeat輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時間間隔02LSB1LSB255LSB254LSB鋸齒波周期第二節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，各有特點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同的場合4種常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)計(jì)數(shù)器式逐次逼近式雙積分式并行式1.計(jì)數(shù)器式以最低位為增減量單位的逐步計(jì)數(shù)法時鐘復(fù)位數(shù)字輸出比較器模擬輸入計(jì)數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束2.逐次逼近式從最高位開始的逐位試探法時鐘復(fù)位數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束比較器模擬輸入寄存器D/A轉(zhuǎn)換器3.雙積分式兩個積分階段實(shí)質(zhì)是電壓/時間變換IREFIinVinVREF積分器比較器V/IV/I時鐘啟動計(jì)數(shù)計(jì)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.并行式速度快成本高直接比較法編碼電路VinVREF數(shù)字輸出比較器RRRRRRR/2R/2二、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(kuò)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D0D1D2D3D4D5D6D7EOC1.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～I(xiàn)N7：8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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換2.ADC0809的轉(zhuǎn)換時序D0～D7OEEOCSTART/ALEADDA/B/CDATA100s2s+8T(最大)200ns(最小)轉(zhuǎn)換啟動信號轉(zhuǎn)換結(jié)束信號3.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(dāng)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4.ADC0809的轉(zhuǎn)換公式輸入模擬電壓輸出數(shù)字量基準(zhǔn)電壓正極基準(zhǔn)電壓負(fù)極單極性轉(zhuǎn)換示例基準(zhǔn)電壓VREF(+)＝5V，VREF(－)＝0V輸入模擬電壓Vin＝1.5V N＝（1.5－0）÷（5－0）×256

＝76.8≈77＝4DH雙極性轉(zhuǎn)換示例基準(zhǔn)電壓VREF(+)＝＋5V，VREF(－)＝－5V輸入模擬電壓Vin＝－1.5V N＝（－1.5＋5）÷（5＋5）×256

＝89.6≈90＝5AH三、ADC芯片與主機(jī)的連接ADC芯片相當(dāng)于“輸入設(shè)備”，需要接口電路提供數(shù)據(jù)緩沖器主機(jī)需要控制轉(zhuǎn)換的啟動主機(jī)還需要及時獲知轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，并進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入等處理1.數(shù)據(jù)輸出線的連接與主機(jī)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2.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2.A/D轉(zhuǎn)換的啟動（2）主機(jī)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3.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(jì)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④

DMA方式——把結(jié)束信號作為DMA請求信號四、ADC芯片的應(yīng)用編程啟動、轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷處理編程啟動、轉(zhuǎn)換結(jié)束查詢處理中斷方式D0～D7220hIRQ2A0～A9譯碼VccD0～D7EOCADDAADDBADDCALE模擬輸入（0～5V）500KHzCLOCKVREF(+)+5VIN0OESTARTGNDVREF(-)

IOR

IOW主程序

;數(shù)據(jù)段

adtempdb0 ;給定一個臨時變量

;代碼段

…… ;設(shè)置中斷向量等工作

sti ;開中斷

movdx,220h

outdx,al ;啟動A/D轉(zhuǎn)換

…… ;其他工作中斷服務(wù)程序

adint proc sti ;開中斷

pushax ;保護(hù)寄存器

pushdx pushds movax,data ;設(shè)置數(shù)據(jù)段DS movds,ax

movdx,220h

inal,dx ;讀A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量

movadtemp,al ;送入緩沖區(qū)中斷服務(wù)程序

moval,20h ;發(fā)送EOI命