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1、C H A P T E R模拟量的输入输出模拟量的输入输出接口技术接口技术8本本 章章 内内 容容第一节第一节概述概述第二节第二节D/AD/A转换器转换器D/AD/A转换器的工作原理转换器的工作原理典型的典型的D/AD/A转换芯片转换芯片DACDAC芯片的应用芯片的应用第三节第三节A/DA/D转换器转换器A/DA/D转换器的工作原理转换器的工作原理典型典型A/DA/D转换芯片转换芯片ADCADC芯片的应用芯片的应用第一节第一节概概 述述l在一个微型计算机检测与控制系统中,往往由模在一个微型计算机检测与控制系统中,往往由模拟输入通道和模拟输出通道构成。拟输入通道和模拟输出通道构成。l模拟输入通道
2、的作用就是将生产过程中所需检测模拟输入通道的作用就是将生产过程中所需检测的连续变化的物理量转化成计算机所能接收和识的连续变化的物理量转化成计算机所能接收和识别的数字信号别的数字信号 ;l模拟输出通道的作用是为了实现对生产过程的控模拟输出通道的作用是为了实现对生产过程的控制,将计算机对输入信号进行加工、处理后的数制,将计算机对输入信号进行加工、处理后的数据输出至调节执行机构。据输出至调节执行机构。第一节第一节概概 述述l测控对象测控对象l被测对象被测对象l被控对象被控对象l模拟输入通道模拟输入通道l传感器传感器l信号处理信号处理l多路开关多路开关l采样保持采样保持lA/DA/D转换器转换器l计算
3、机计算机l模拟输出通道模拟输出通道lD/AD/A转换器转换器l功率放大器功率放大器l执行机构执行机构图8-1所示的系统中,主要由以下几部分构成:第二节第二节D/AD/A转换器转换器2.2.权电阻的权电阻的D/AD/A转换电路转换电路权电阻电路是权电阻电路是D/A转换的核心,它实际就是一种解码器。它的输入为数转换的核心,它实际就是一种解码器。它的输入为数字量字量D和模拟基准电压和模拟基准电压VREF,它的输出就是模拟量,它的输出就是模拟量VO。主要作用就是将。主要作用就是将各位二进制数按权展开相加。各位二进制数按权展开相加。图图8-3为简单的权电阻为简单的权电阻D/A转换电路示意图。转换电路示意
4、图。3.T3.T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换电路转换电路由图由图8-3可看出,当数字量的位数增多时,每个电阻阻值依次增大到前一可看出,当数字量的位数增多时,每个电阻阻值依次增大到前一个电阻的个电阻的2倍,这在集成电路生产中实现的难度较大,因此现在使用较倍,这在集成电路生产中实现的难度较大,因此现在使用较多的是多的是T型权电阻网络,型权电阻网络,图图8-4所示为一个简化了的所示为一个简化了的R-2R型型T型电阻网络型电阻网络转换原理图。转换原理图。第二节第二节D/AD/A转换器转换器lD/AD/A转换器的主要参数转换器的主要参数l分辨率分辨率l线性误差线性误差l转换精度转换精度l建立时间
5、建立时间l温度系数温度系数l电源抑制比电源抑制比l工作温度范围工作温度范围l增益误差增益误差典型的典型的D/AD/A转换芯片转换芯片lDAC0832DAC0832是是CMOSCMOS工工艺艺制制造造的的8 8位位电电流流输输出出型型双双缓缓冲冲D/AD/A转转换换器器,片片内内带带有有数数据据锁锁存存器器,可可与与通通常常的的微微处处理理器器直直接接相连。相连。l1.DAC08321.DAC0832引脚和内部结构引脚和内部结构图图8-78-7为为DAC0832DAC0832的内部结构示意图;的内部结构示意图;图图8-88-8给出了给出了DAC0832DAC0832的引脚图。的引脚图。典型的典型
6、的D/AD/A转换芯片转换芯片3.DAC08323.DAC0832的工作方式的工作方式l根据对根据对DAC0832的输入锁存器和的输入锁存器和DAC寄存器的不同控制方法,寄存器的不同控制方法,DAC0832有有如下三种工作方式:如下三种工作方式:(1)直通方式直通方式l在直通方式下,数据不锁存,此时,被转换数据一旦到达输入端口在直通方式下,数据不锁存,此时,被转换数据一旦到达输入端口D7D0,即可进入转换器且输出。即可进入转换器且输出。(2)单缓冲方式)单缓冲方式l单缓冲方式是将两个寄存器之一始终置于直通方式,另一个寄存器处于锁存单缓冲方式是将两个寄存器之一始终置于直通方式,另一个寄存器处于锁
7、存方式。方式。(3)双缓冲方式双缓冲方式l两个寄存器都处于锁存状态,在这种工作方式下,能够对一个数据进两个寄存器都处于锁存状态,在这种工作方式下,能够对一个数据进行行D/A转换的同时,输入另一个数据,提高了转换的同时,输入另一个数据,提高了D/A转换速率;转换速率;DACDAC芯片与主机的连接芯片与主机的连接DAC芯片相当于一个芯片相当于一个“输出设备输出设备”,至少需要一级锁存器作为接口电路。,至少需要一级锁存器作为接口电路。l1)主机位数等于或大于主机位数等于或大于DAC芯片位数,如芯片位数,如图图8-12所示。在执行程序时,所示。在执行程序时,可直接执行下列语句即可完成被转换数据输出。可
8、直接执行下列语句即可完成被转换数据输出。MOVAL,BUFMOVAX,PORTDOUTDX,ALl2)主机位数小于主机位数小于DAC芯片位数,如芯片位数,如图图8-13所示。这种情况下,采用两所示。这种情况下,采用两级锁存电路的系统连接,如级锁存电路的系统连接,如图图8-14所示。所示。MOVAX,PORT1MOVAL,BLOUTDX,ALMOVDX,PORT2MOVAL,BHOUTDX,AL DACDAC芯片的应用芯片的应用【例【例8-28-2】图】图8-188-18是是CPUCPU通过通过Intel 8255AIntel 8255A与与DAC 0832DAC 0832转换器的接口电路。图中
9、转换器的接口电路。图中Intel 8255AIntel 8255A的的PAPA7 7PAPA0 0与与DAC 0832DAC 0832的数据输入线的数据输入线DIDI7 7DIDI0 0相连,转换后的输相连,转换后的输出电压经运算放大器接至示波器的出电压经运算放大器接至示波器的Y Y轴。通过程序给出不同的数据,就可在示波轴。通过程序给出不同的数据,就可在示波器上观察到相应的波形。器上观察到相应的波形。(一)(一)产生三角波形产生三角波形将线性增长段和线性下降段结合起来,便可产生三角波形。程序如下:将线性增长段和线性下降段结合起来,便可产生三角波形。程序如下:MOVAL,25H;设定;设定825
10、5A的的A口为输出方式口为输出方式MOVDX,0DHOUTDX,ALMOVDX,0AHMOVAL,00H;送下限值;送下限值SJ0:OUTDX,AL;将数据输出到;将数据输出到A口口INCAL;AL加加1JNZSJ0;上限为;上限为FFH,没到上限,继续循环,没到上限,继续循环SJ1:DECAL;到上限,;到上限,AL减减1OUTDX,ALJNZSJ1;若没到下限,转;若没到下限,转SJ1继续减继续减1输出输出JMPSJ0;到下限,转;到下限,转SJ0重新从下限开始重新从下限开始执行上面的程序所产生的三角波如执行上面的程序所产生的三角波如图图8-19所示。所示。DACDAC芯片的应用芯片的应用
11、TX0:INCAL;AL加加1OUTDX,ALCMPAL,0FFH;检查到上限否;检查到上限否JNZTX0;上限为;上限为FFH,没到上限,继续循坏,没到上限,继续循坏MOVCX,0FFH;上限到,延时;上限到,延时TX1:NOPLOOPTX1TX2:DECAL;AL减减1OUTDX,ALCMPAL,00H;检查到下限否;检查到下限否JNZTX2;上限为;上限为00H,没到下限,继续循环,没到下限,继续循环MOVCX,0FFH;下限到,延时;下限到,延时TX3:NOPLOOPTX3JMPTX0;转;转TX0开始下一个周期开始下一个周期梯形波的波形图如图梯形波的波形图如图8-21所示。所示。第三
12、节第三节 A/D A/D转换器转换器一一 A/D A/D转换器工作原理转换器工作原理lA/D转换器处于模拟输入通道中,是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间转换器处于模拟输入通道中,是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间传递信息的桥梁,它主要是将连续变化的模拟量信号转换为传递信息的桥梁,它主要是将连续变化的模拟量信号转换为n位二进制数字量位二进制数字量信号,便于计算机或数字系统对其进行处理、存贮或显示。信号,便于计算机或数字系统对其进行处理、存贮或显示。lA/D转换通常分四步进行:采样转换通常分四步进行:采样保持保持量化量化编码编码1.1.采样和保持采样和保持所谓采样,是将一个时间上连续变化的
13、模拟量转换为时间上离散的模拟所谓采样,是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量。通常采用等时间间隔进行采样。采样过程如量。通常采用等时间间隔进行采样。采样过程如图图8-22所示。当模拟信所示。当模拟信号频率变化较快时,可采用保持电路,原理如号频率变化较快时,可采用保持电路,原理如图图8-24所示。所示。2.2.量化和编码量化和编码所谓量化,就是用基本的量化电平所谓量化,就是用基本的量化电平q的个数来表示采样保持电路得到的的个数来表示采样保持电路得到的模拟电压值。模拟电压值。第三节第三节 A/D A/D转换器转换器三三 A/DA/D转换器主要参数转换器主要参数1.1.分辨率分辨率2
14、.2.量化误差量化误差3.3.精度精度4.4.转换时间转换时间5.5.量程量程6.6.输出逻辑电平输出逻辑电平7.7.温度系数和增益系数温度系数和增益系数8.8.抑制比抑制比第三节第三节 A/D A/D转换器转换器四四典型典型A/DA/D转换芯片转换芯片理想的理想的A/D转换器对于转换器对于CPU应该是一个简单的输入接口,或表现为一个应该是一个简单的输入接口,或表现为一个只读只读ROM。ADC0809是是National半导体公司生产的半导体公司生产的CMOS材料的材料的A/D转转换器,是目前应用较为广泛的芯片之一。换器,是目前应用较为广泛的芯片之一。1.ADC08091.ADC0809的引脚
15、的引脚ADC0809外部引脚如外部引脚如图图8-29所示,所示,ADC0809共有共有28根引脚。根引脚。2.ADC08092.ADC0809的内部结构的内部结构ADC0809主要由模拟输入通道选择、转换器和三态输出缓冲器三部分组主要由模拟输入通道选择、转换器和三态输出缓冲器三部分组成。成。ADC0809的内部结构框图如的内部结构框图如图图8-30所示。所示。ADC0809地址译码与输地址译码与输入通道的关系见入通道的关系见表表8-1。第三节第三节 A/D A/D转换器转换器五五ADCADC芯片与系统的连接芯片与系统的连接ADCADC芯片相当于芯片相当于“输入设备输入设备”,在,在A/D A/
16、D 转换器与转换器与CPUCPU接口接口中必须考虑如下问题:中必须考虑如下问题:A/D A/D 转换器的转换时间;转换器的转换时间;A/D A/D 转换器的数字输出特性;转换器的数字输出特性;A/D A/D 转换器的分辨率和微处理器数据总线的位数;转换器的分辨率和微处理器数据总线的位数;A/D A/D 转换器的控制和状态信号。转换器的控制和状态信号。第三节第三节 A/D A/D转换器转换器ADC芯片与系统的连接1.1.A/DA/D转换器的转换时间转换器的转换时间A/DA/D与与CPUCPU间的时间配合问题间的时间配合问题A/D A/D 转换器与转换器与CPU CPU 的接口中,重点要解决的是时
17、间配合问的接口中,重点要解决的是时间配合问题。下面是几种相应的解决方法。题。下面是几种相应的解决方法。固定延时等待法固定延时等待法保持等待法保持等待法中断响应法中断响应法(图图8-348-34给出此方法的程序流程图)给出此方法的程序流程图)双重缓冲法双重缓冲法查询法查询法第三节第三节 A/D A/D转换器转换器ADCADC芯片与系统的连接芯片与系统的连接2.A/D2.A/D转换器的数字输出特性转换器的数字输出特性lA/DA/D转换器与转换器与CPU CPU 间除了明显的电器相容性以外,对间除了明显的电器相容性以外,对A/DA/D的数字输出的数字输出必须考虑的关键两点为:必须考虑的关键两点为:l
18、转换结果数据应由转换结果数据应由A/DA/D锁存;锁存;l数据输出最好具有三态能力。数据输出最好具有三态能力。l与主机的连接可分成两种方式:与主机的连接可分成两种方式:1 1)直接相连:用于输出带有三态锁存器的)直接相连:用于输出带有三态锁存器的ADCADC芯片芯片2 2)通过三态锁存器相连:适用于不带三态锁存器的)通过三态锁存器相连:适用于不带三态锁存器的ADCADC芯片,也适用芯片,也适用带有三态锁存缓冲器的芯片带有三态锁存缓冲器的芯片第三节第三节 A/D A/D转换器转换器ADCADC芯片的应用芯片的应用【例【例8-38-3】编程启动】编程启动ADCADC,当转换结束后采用中断处理方式。
19、系统连接,当转换结束后采用中断处理方式。系统连接如图如图8-408-40所示。所示。1、主程序、主程序;数据段;数据段ADTEMPDB0;给定一个临时变量;给定一个临时变量;代码段;代码段;设置中断向量等工作;设置中断向量等工作STI;开中断;开中断MOVDX,220HOUTDX,AL;启动;启动A/D转换转换;其他工作;其他工作第三节第三节 A/D A/D转换器转换器ADCADC芯片的应用芯片的应用2、中断服务程序、中断服务程序ADINTPROCSTI;开中断;开中断PUSHAX;保护寄存器;保护寄存器PUSHDXPUSHDSMOVAX,data;设置数据段;设置数据段DSMOVDS,AXM
20、OVDX,220HINAL,DX;读;读A/D转换的数字量转换的数字量MOVADTEMO,AL;送入缓冲区;送入缓冲区MOVAL,20H;发送;发送EOI命令命令OUT20H,ALPOPDS;恢复寄存器;恢复寄存器POPDXPOPAXIRET;中断返回;中断返回ADINTENDP第三节第三节 A/D A/D转换器转换器ADCADC芯片的应用芯片的应用【例【例8-48-4】编程启动】编程启动ADCADC,转换结束时,采用查询处理方式,系统连接,转换结束时,采用查询处理方式,系统连接如图如图8-418-41所示。所示。1、启动转换、启动转换;数据段;数据段counterEQU 8BUFDB cou
21、nterDUP(0);数据缓冲区;数据缓冲区;代码段;代码段MOVBX,OFFSET BUFMOVCX,counterMOVDX,220H;从;从IN0开始转换开始转换start1:OUTDX,AL;启动;启动A/D转换转换 PUSH DX权权 电电 阻阻 转转 换换图8-3 简单权电阻D/A转换电路示意图图8-4T形权电阻D/A转换原理图返回实时检测与控制系统的构成图实时检测与控制系统的构成图图图8-18-1实时检测与控制系统的构成图实时检测与控制系统的构成图返回模模 拟拟 输输 入入 通通 道道模模 拟拟 输输 出出 通通 道道DAC0832DAC0832的引脚图的引脚图图图8-8 DAC
22、08328-8 DAC0832的引脚图的引脚图返回数字接口数字接口的引脚的引脚模拟输模拟输出引脚出引脚DACDAC芯片的连接芯片的连接图8-12 主机数大于或等于DAC芯片的连接图8-13 主机位数小于DAC芯片的连接译码ABD0D7CLKDACVout+_ALS273 IOWCPUCPUDACDAC8位12位返回两级锁存电路两级锁存电路图8-14两级锁存电路12位DAC第2级12位锁存控制第1级低8位锁存控制第1级高4位锁存控制D0D74位锁存器4位锁存器8位锁存器8位锁存器模拟输出返回DACDAC芯片应用芯片应用波形图波形图图8-19三角波波形图图8-21 产生梯形波波形图返回产生梯形波的
23、流程图产生梯形波的流程图图8-20产生梯形波的程序流程图返回A/DA/D转换器的工作原理转换器的工作原理图图8-228-22采样过程示意图采样过程示意图图图8-248-24采样保持电路原理图采样保持电路原理图返回A/DA/D转换方法转换方法图8-27 双积分法A/D转换器工作原理图a)原理图b)波形图返回A/DA/D转换方法转换方法图8-28 VFC型A/D转换器的原理图波形图a)原理图b)波形图返回ADC0809ADC0809外部引脚外部引脚图图8-298-29ADC0809ADC0809外部引脚图外部引脚图返回启动转换输启动转换输入入地址锁存有地址锁存有效输入信号效输入信号转换完成输转换完
24、成输出信号出信号读允许信号读允许信号时钟信号输时钟信号输入端入端5V5V电源输入电源输入接地线接地线ADC0809ADC0809的内部结构框的内部结构框图图8-30 ADC08098-30 ADC0809的内部结构图的内部结构图返回模拟输入模拟输入通道选择通道选择部分部分转换器部分转换器部分输出部输出部分分地址译码与输入通道的关系地址译码与输入通道的关系表表8-1 8-1 地址译码与输入通道的关系地址译码与输入通道的关系返回固定延时等待法固定延时等待法图图8-318-31固定延时等待法固定延时等待法返回保持等待法保持等待法图图8-328-32保持等待法保持等待法返回中断响应法中断响应法图图8-338-33中断响应法中断响应法返回中断响应流程图中断响应流程图图图8-348-34中断响应流程图中断响应流程图返回双重缓冲法双重缓冲法图图8-358-35双重缓冲法双重缓冲法返回查查询询法法图图8-368-36查询法查询法返回情况一系统连接图情况一系统连接图图图8-378-37情况情况1 1系统连接图系统连接图返回情况二系统连接图情况二系统连接图图图8-388-38情况情况2 2系统连接图系统连接图返回