微机接口技术第4章

微机接口技术陈安明微机接口技术第四章数/模、模/数转换接口微机接口技术陈安明第4章数/模、模/数转换接口4.0数/模和模/数转换概述4.1数/模（D/A）转换4.2模/数（A/D）转换4.3数/模、模/数通道设计微机接口技术陈安明1)数/模(D/A)转换和模/数(A/D)转换的目的与发展微型计算机处理的是数字量，而实际上外界输入系统的信息大多是模拟量，如：温度、压力、流量、浓度、速度、水位、距离等等，这些都是非电的物理量，它们必须经过适当的转换才能为微机处理。将模拟量转换为数字量称为A/D转换，又称为量化过程。许多执行部件需要由模拟信号来驱动。由微机加工处理后的数字量转换为模拟量，称为D/A转换。A/D转换和D/A转换互为逆过程。4.0数/模和模/数转换概述微机接口技术陈安明◆数/模转换器（DAC）和模/数转换器（ADC）在微机实时测量/控制系统中模拟量I/O通道接口的应用。微机系统采样保持信号调理模拟量数字量控制对象传感器模拟量数字量功放D/AA/D运放执行部件微机接口技术陈安明2)数/模(D/A)转换和模/数(A/D)转换的类型①数字→电压、电压→数字；②电压→频率(脉宽)、频率(脉宽)→电压；③轴角→数字、数字→轴角；微机接口技术陈安明4.1.1D/A转换器原理◆D/A转换器是把数字量转换为对应成比例的电流或电压信号的接口。◆D/A转换器是将数字量每一位的代码按照位权转换为对应的模拟量值，再把它们相加，求和得到的便是与数字量对应的模拟量值。◆D/A转换电路把数字量输入作为电子开关的控制电平，使所有电子开关和电阻网络一起工作，在以基准电压为参照下得到输出用二进制加权合成的模拟电流，再利用外接运算放大器完成模拟电流到模拟电压的转换。4.1数/模（D/A）转换微机接口技术陈安明1)权电阻网络D/A转换器的原理R-+RfVOreff0123OVRRDD2D4D881Vf0123ORIIIIVR8VIref0R4VIref1R2VIref2RVIref3微机接口技术陈安明1)权电阻网络D/A转换器的原理VAVBVCVDRRRR-+RfVOreff0123OVRRDD2D4D881Vf0123ORIIIIVR8VIref0R4VIref1R2VIref2RVIref3微机接口技术陈安明1)权电阻网络D/A转换器的原理VrefR2R4R8RD3D2D1D0I3I2I1I0-+RfVOreff0123OVRRDD2D4D881Vf0123ORIIIIVR8VIref0R4VIref1R2VIref2RVIref3微机接口技术陈安明Vref-+RfVOD32RD22RD12RD02R2RRRRRVIrefRR4V4IrefRR2V2IrefRR2V2IrefRR4V4IrefRR8V8IrefRR16V16IrefRR8V8IrefRR16V16IrefRreff0123OVRRDD2D4D8161Vf0R1R2R3RORD16ID8ID4ID2IVABCD2)T型电阻网络D/A转换器原理输出模拟量Vo与n位输入数字量之间关系的一般表达式为：VO=-VREFRF∕(2nR)(Dn-12n-1+Dn-22n-2+∙∙∙+D121+D020)(Di=1或0)微机接口技术陈安明4.1.2D/A转换器性能参数◆分辨率：(Resolution)分辨率是指最小输出电压（输入数字量为1所引起的输出电压）和最大输出电压之比，表示DAC所能输出最小模拟信号的分辩能力。对于一个n位的DAC，分辨率为1/(2n-1)。◆转换精度：(ConversionAccuracy)DAC的转换精度与D/A转换芯片的结构（主要是分辨率）、外部电路配置和电源误差等有关，绝对精度：输出模拟电压的实际值与理想值之差。相对精度：绝对转换精度相对于满量程输出的百分比，或模拟分辨率量值的二分之一，1/2LSB。微机接口技术陈安明◆转换速率(ConversionTempi)模拟输出电压的最大变化速度，单位为V/ms。◆建立时间(SettlingTime)当数字输入发生满量程的变化，DAC的模拟输出电压稳定达到规定值时所需要的时间，规定值一般指最终值±1/2LSB。◆线性误差(LinearityError)理想情况下DAC的转换特性是线性的，实际输出不是理想线性。实际转换特性偏离理想转换特性的最大值称为线性误差。◆影响DAC的环境因素主要是温度和电源电压的变化。微机接口技术陈安明4.1.3DAC0832数/模转换芯片DAC0832是采用R-2RT型电阻网络的8位D/A转换器。数字输入端具有双重缓冲功能，可以双缓冲、单缓冲或直接输入，特别适用于要求几个模拟量同时输出的场合，与微处理器接口很方便。DAC0832主要性能参数：①分辨率8位；②转换时间1μs；③参考电压±10V；④单电源+5V~+15V；⑤功耗20mW。微机接口技术陈安明1)DAC0832的结构及管脚特性ILECSWR1WR2XFERDI7~DI0VREFIOUT1IOUT2RFBAGNDVCCDGND&&&8位输入寄存器LE18位DAC寄存器LE28位D/A转换器•ILE：允许输入锁存；•CS：片选信号。与ILE结合可控制WR1是否起作用；•WR1：写信号1。在ILE和CS有效时将数字锁存于输入寄存器中；•WR2：写信号2。在XFER有效时将输入寄存器中的数据送入DAC•XFER：传送控制信号，可控制WR2是否起作用；•DI0~DI7：8位数字输入；•IOUT1：电流输出1。是逻辑电平为1的各位输出电流之和；•IOUT2：电流输出2。是逻辑电平为0的各位输出电流之和；•RFB：反馈电阻，已被制作在芯片内；•VREF：基准电压输入；•DGND：数字地，芯片数字电路接地点。VCC：电源电压；•AGND：模拟地，芯片模拟电路接地点。微机接口技术陈安明2)DAC0832的工作方式◆单缓冲方式：控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收数据，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。（使用的最多）◆双缓冲方式：先使输入寄存器接收数据，再控制输入寄存器的输出数据到DAC寄存器，即分两次锁存输入数据。◆直通方式：转换数据不经过两级锁存器锁存。（很少使用）微机接口技术陈安明3)DAC0832单缓冲方式连接例译码器DAC0832地址总线ILEVccM/IOCSWR1D7~D0+5VWRVout▽-+RFBIOUT1IOUT2AGNDDGNDWR2XFER微机接口技术陈安明4)DAC0832三路单极性模拟量同时输出微机接口技术陈安明DAC0832本身有数据锁存器，只需外加地址译码给出片选信号即可。单片DAC0832时，则可只用一级缓冲。可将CS和XFER接在地址译码的同一个输出端上，把WR1和WR2接同一个控制信号。OUT81H，AL；5)DAC0832与CPU的接口微机接口技术陈安明4.1.4AD7522数/模转换芯片AD7522是CMOS数/模转换芯片。数字输入端具有双重锁存，不仅可以锁存10位并行数码，还可以接纳串行信息。具有一对互补的电流输出。输出增益可通过反馈电阻改变。·分辨率——10位；·建立时间——500ns；·增益温度系数——10×10-6/℃；·输入——TTL或CMOS电平；·功耗——20mW；微机接口技术陈安明1)AD7522的引脚及功能部件框图微机接口技术陈安明2)AD7522单极性工作输出接线图微机接口技术陈安明3)AD7522与CPU的接口3个口地址安排为98H，99H和9AH，分别用于选通10位数字的低字节、高字节和打入D/A寄存器。微机接口技术陈安明4)例设待转换的10位数据预先已由其它程序放入定义保留的从DATA开始的两个单元中。微处理器执行下列程序段就能实现把10位数字数据送入AD7522并进行转换，给出模拟输出。MOVBX，OFFESETDATA；MOVAL，［BX］；OUT98H，AL；数据的低8位送低8位锁存器INCBXMOVAL，［BX］；OUT99H，AL；数据的高2位送高2位锁存器OUT9AH，AL；10位数据(锁存在输入缓冲器中的)送入DAC寄存器并开始转换微机接口技术陈安明4.2.1从物理信号到电信号的转换4.2模/数（A/D）转换A/D转换器的作用是将模拟的电信号转换成数字信号。在将外界的物理量转换成数字量之前，必须先将物理量转换成电模拟量，这种转换是靠传感器完成的。传感器一般是指能够进行非电量和电量之间转换的敏感元件，下面列举几种典型的传感器:（1）温度传感器：（2）湿度传感器：（3）气敏传感器：（4）压电式和压阻式传感器：（5）光纤传感器：微机接口技术陈安明A/D转换将采样的模拟电压转换成与之对应的二进制数码整个过程通常分四步进行：采样→保持→量化→编码4.2.2采样、量化与编码1)A/D的采样和保持A/D的采样是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散变化的模拟量，或者说，采样是在一个等时间间隔（称为采样周期）的某一点上测量输入模拟量的信号大小，使A/D转换能在采样周期内用一个不变的值代替在该时间间隔内连续变化着的输入模拟值。A/D的保持是将采样得到的模拟量值保持一段稳定期间，使得A/D转换能可靠进行。微机接口技术陈安明2)量化A/D的量化是将采样/保持得到的模拟电压值转化成一个基本量化单位的整数倍的过程。这一过程实质上是把时间上离散而数字上连续的模拟量，以一定的准确度变为时间上和数字上都是离散的、量化的等效数字值。量化就是把采样/保持的模拟量值取整数（会出现量化误差）的过程。3)编码A/D的编码就是把已经量化的模拟数值（一定是量化单位的整数倍）用n位二进制编码形式表示。微机接口技术陈安明4.2.3A/D转换器的工作原理A/D转换可分成两大类：直接转换法和间接转换法。直接转换法常用的有计数法、逐次逼近法等。间接转换法有双积分法、电压频率转换法等。最通用A/D转换方法：——计数式ADC——逐次逼近式ADC微机接口技术陈安明1)计数式ADC原理图CLK（计数脉冲）CDn-1~D0n位D/A转换器ViVo比较器+-转换结束n位计数器开始转换CLR微机接口技术陈安明2)逐次逼近式ADC原理图n位D/A转换器n位逐次逼近寄存器控制电路比较器ViVo+-Dn-1~D0缓冲器启动转换CLK转换结束微机接口技术陈安明A/D转换过程示意图微机接口技术陈安明4.2.4A/D转换器性能参数分辨率：ADC的分辨率是能够分辨的最小量化信号的能力，即输出的数字量变化1所需输入模拟电压的变化量，通常用二进制位数来表示。对于n位的ADC，分辨率为2n位。量化误差：量化误差是在A/D转换中由于取整量化所产生的固有误差。对于舍入（四舍五入）量化法，量化误差在1/2LSB之间。转换时间和转换率：完成一次A/D转换所需要的时间，为ADC的转换时间。转换时间的倒数，即转换率。转换精度：转换精度反映了ADC的实际输出接近理想输出的精确程度，通常用数字量的最低有效位当量（数字量最低有效位对应的模拟量Δ）表示。微机接口技术陈安明4.2.5ADC0809及其接口电路ADC0809是有8个模拟量输入通道采用逐次逼近法的8位A/D转换器。1)ADC0809主要性能参数①分辨率为8位，；②8个模拟量输入通道；③转换时间100μs；④模拟输入电压范围：单极性为0~5V，双极性为±5V；⑤功耗15mW。⑥单一电源+5V；微机接口技术陈安明2)ADC0809的内部结构IN0IN1┇IN7ADDAADDBADDCALE┇VCCGNDVREF（+）VREF（-）OESTARTCLOCKEOCD7~D0VIN8路模拟开关8位输出锁存缓冲地址锁存译码控制与时序逐次逼近寄存器树状开关256R电阻网络比较器微机接口技术陈安明3)ADC0809的引脚功能◆IN0~IN7：8路模拟通道输入线。◆ADDA，ADDB，ADDC：IN0~IN7模拟通道地址选择线。◆ALE：地址锁存允许信号。将