1、 第十章第十章 數數/模、模模、模/數轉換接口數轉換接口一、問題的提出： 當計算機用于數據采集和過程控制的時候，采集對象往往是連續變化的物理量（如溫度、壓力、聲波等），但計算機處理的是離散的數字量，因此需要對連接變化的物理量（模擬量）進行采樣、保持，再把模擬量轉換為數字量交給計算機處理、保存等。計算機輸出的數字量有時需要轉換為模擬量去控制某些執行元件（如聲卡播放音樂等）。A/D轉換器完成模擬量數定量的轉換，D/A轉換器完成數字量模擬量的轉換。 二、模擬接口 定義：A/D D/A轉換器可視作一外部設備 功能： 將微機系統的離散的數字信號和設備中連續變 化的模擬量兩者建立適配關系，使CPU能進行

2、控 制與鑒測 10.1 10.1 數數/ /模（模（D/AD/A）轉換）轉換 D/A轉換器完成數字量 模擬量的轉換，這在計算機和虛擬信號發生器中應用非常普遍。DATAAnalogyD/AAlanogyDATAA/DCPUI/OCPUI/OA/DA/D轉換轉換 A/D轉換器完成模擬量數字量的轉換 一、D/A轉換器的主要性能參數（1）分辨率： 該參數是描述D/A轉換對輸入變量變化的敏感 程度。具體指D/A轉換器能分辨的最小電壓值。 分辨率的表示有兩種： 最小輸出電壓與最大輸出電壓之比 用輸入端待進行轉換的二進制數的位數來表示， 位數越多，分辨率越高。 分辨率的表示式為： 分辨率=Vref/2位數

3、或 分辨率=（V+ref+V-ref)/2位數 若Vref=5V，8位的D/A轉換器分辨率為5/256=20mV。（3）轉換精度：指D/A轉換器實際輸出與理論值之間的誤差，一般采用數字量的最低有效位作為衡量單位。 如：1/2LSB表示，當D/A分辨率為20mV，則精度為 10mV.（2）轉換時間：指數字量輸入到模擬量輸出達到穩定所需的時間。一般電流型D/A轉換器在幾秒到幾百微秒之內；而電壓型D/A轉換器轉換較慢，取決于運算放大器的響應時間。（4）線性度：當數字量變化時，D/A轉換器輸出的模擬量按比例變化的程度。 線性誤差 模擬量輸出值與理想輸出值之間偏離的最大值。 二.DAC的輸入輸出特性：

4、DAC（數字模擬變換集成電路）是系統或設備中的一個功能器件，當將它接入系統時，不同的應用場合對其輸入輸出有不同的要求， DAC的輸入輸出特性一般考慮以下幾方面：（1）輸入緩沖能力：DAC的輸入緩沖能力是非常重要的，具有緩沖能力（數據寄存器）的DAC芯片可直接與CPU或系統總線相連，否則必須添加鎖存器。 （2）輸入碼制：DAC輸入有二進制和BCD碼兩種，對于單極性DAC可接收二進制和BCD碼；雙極性DAC接收偏移二進制或補碼。 （3）輸出類型：DAC輸出有電流型和電壓型兩種，用戶可根據需要選擇，也可進行電流電壓轉換。（4）輸出極性：DAC有單極性和雙極性兩種，如果要求輸出有正負變化，則必須使用雙

5、極性DAC芯片。 三、D/A轉換器與CPU的接口 1、接口的功能（ CPU給DAC送數據無須條件查詢） DAC芯片與CPU或系統總線連接時，可從數據總線寬度是否與DAC位數據匹配、DAC是否具有數據寄存器兩個方面來考慮，所以接口的功能主要考慮以下兩點： （1）進行數據緩沖與鎖存 （2）需進行兩次數字量輸入時，可在受控條件下同時進行轉換 2、接口形式 （1）直通 （2）通過外加三態門，數據鎖存器與CPU相連 （3）通過可編程的I/O接口芯片與CPU相連 四、D/A轉換器接口的設計 1.DAC0832與CPU的接口 （1）.DAC0832的性能參數 DAC0832是一片典型的8位DAC芯片 分辨率

6、：8位 電流型：內部有2級緩沖器 轉換時間：1mS 功耗：20mW （2）DAC0832引腳和內部結構如圖10-2所示。 2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGND圖10-2 DAC0832引腳及內部結構結 DAC0832的內部結構： 輸入R與DAC寄存器構成雙緩沖8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A寄存器DI7DI10ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RFBAGND(模擬地 )8位輸入寄存器8位DAC

7、寄存器8位D/A寄存器ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IO1RFBAGND(模擬地 ) （3）工作過程： LE= 1 數據傳送 0 數據瑣存 第一級緩沖第一級緩沖：ILE=1 ： CS WR=0 LE1=1 數據 輸入R 隨之 ；CS .， WR=1 LE1=0 數據被瑣存于輸入R中 第二級緩沖第二級緩沖：WR2 XFER=0 LE2=1 輸入R中數據 DAC寄存器中 D/A轉換轉換 ： WR 、XFER 的上 升 沿將DAC中的數據瑣存，并 開始進行D/A轉換DBCS1WR1 DIILEWR2XFERCS2WR1 WR2 XFIRILECS3WR1ILEWR2 X

8、EFRDIDI （4）可使用多片0832同時進行D/A轉換，以便同時產生多個摸擬信號送出083208320832DAC0832有三種工作方式： 雙緩沖方式 單緩沖方式 直通方式采用單緩沖方式連接如圖10-3所示。 注：在DAC實際連接中，要注意區分“模擬地”和“數字地”的 連接，為了避免信號串擾，數字量部分只能連接到數字 地，而模所量部分只能連接到模擬地。 （5） DAC的工作方式D7D0IOWA9A0AEN系統總線DI07WR1ILECSDAC0832譯碼器WR2XFERDGNDVerfRfbI01I02AGND+-AR+5VVout 圖10-3 DAC0832單緩沖方式連接+5V200H

9、（6 6）應用舉例）應用舉例 利用DAC可實現任意波形（如鋸齒波、三角波、正弦波等）的輸出，如輸出鋸齒波、三角波的程序段如下： JNZ TN1 MOV AL，0FFHTN2：OUT DX，AL DEC AL TRG：MOV DX，200H MOV AL，0HTN1：OUT DX，AL INC ALJNZ TN2JMP TN1產生0AL全“1”輸出輸出鋸齒波程序段如下：TRG： MOV DX，200H MOV AL，0HTN： OUT DX，AL INC AL JMP TN 在圖10-6所示的DAC電路中，CPU與DAC0832相連，用于產生Y=2COS（200t)SIN(100t）的函數信號（

10、CS=200H）電路圖如下：圖圖10-610-62.12位DAC連接 由于微機的I/O指令一次只能輸出8位數據，因此對于數據寬度大于8位DAC只能分兩次輸入數據，為此一般大于8位數據寬度的DAC內部均設計有兩級數據緩沖，如12位DAC1210內部就有兩級數據緩沖，內部結構如圖10-4所示。8位輸入鎖存器4位輸入鎖存器12位DAC存儲器12位相乘型D/A轉換器LELELELSBMSBDI11 15DI10 16DI9 17DI8 18DI7 19DI6 20DI5 4DI4 5DI3 6DI2 7DI1 8DI0 9BYTE1 23/BYTE2CS 1 WR1 2WR1 21WR2 2210 V

11、ref14 Iout213 Iout111 Rfb24 Vcc3 AGND24 DGND圖10-4 DAC1210內部結構D7D6D5D4D3D2D1D0DI11DI10DI9DI8DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0譯碼器Y0IOWAENABY1Y2系統總線WR1WR2BYTE1/BYTE2XFERCSVccAGND-+A1-+A2Rfb+-A310110222k-12V+12VW110k10kVoutW222k-12VVrefDGND+5V+12V2DW7C470200W31K1004.7uF圖10-5 DAC1210與CPU連接在圖10-5所示的DAC1210連接電路中，電位

12、器W2用于調零、W1用于DAC滿刻度修正。設譯碼器YO端口地址為200H,用該電路產生連續鋸齒波輸出程序如下： MOV AX，0H TN: MOV BX，AX MOV CL，4 SHL AX，CL SHL AX，CL MOV AL,AH ;高8位數據 OUT DX,AL ; 輸出低4位 INZ TN CMP AX,OFFFH JNZ TN MOV AX.0 JMP TN MOV DX, 200H OUT DX,AL ;輸出高8位數據 MOV AX,BX AND AL,OFH ;屏蔽高4位 INC DX ;低4位端口地址201HADC0832RFBD7D0IOUT1IOUT2D7D0D7D0XF

13、ERCSAGNDVccDGNDWR1WR2ILFVREF20020FHCSA0IOW+5V+12V10K-12V200PAOUT+12V10K1K1MLF351圖10-6 DAC0832電路10.2 A/D10.2 A/D轉換接口轉換接口 在數據采集和過程控制中，被采集對象往往是連續變化的物理量（如溫度、壓力。聲波等），由于計算機只能處理離散的數字量，需要對連續變化的物理轉換為數字量,這一操作過程就是A/D轉換。AlanogyDATAA/DCPUI/O一、A/D轉換器的分類 1 按分辨率分： 有4 、6 、8 、 10 、 14、 16位 二進制 31/2位、 51/2位 BCD碼 2 按轉換

14、速度分； 超高 度 轉換時間330NS 次超高速 轉換時間3333 高 速 轉換時間33330 低 速 轉換時間330 3 按轉換原理分： 直接A/D轉換器 將模擬信號直接轉換成數字信號 間接A/D轉換器 先模擬量轉換成中間量，然后再 轉換成數字量。 如電壓/時間轉換型、電壓/頻率轉換型、電壓/脈寬等 二、A/D轉換原理 A/D轉換的原理很多,常見的有雙積分式、逐次逼近式、計數式等，輸出碼制有二進制、BCD碼等，輸出數據寬度有8位、12位、16位、20位等（二進制和 BCD碼）。常用的是逐次逼近式A/D。 逐次逼近式A/D轉換器 逐次逼近式A/D轉換器原理如圖10-10所示，當轉換器接收到啟動

15、信號后，逐次逼近寄存器清0，通過內部D/A轉換器輸出使輸出電壓V0為0，啟動信號結束后開始A/D轉換。8位D/A轉換器逐次逼近寄存器緩沖寄存器控制電路D7D0CLK轉換結束比較器：ViV0輸出為“1” ViV0輸出為“0”Vi輸出模擬電壓V0+-圖10-10 逐次逼近式A/D轉換器三、A/D轉換器特性 A/D轉換器的功能是把模擬量轉換為數字量，其主要參數有：（1）分辨率：指A/D轉換器可轉換成數字量的最小電壓 ，是反映A/D轉換器對最小模擬輸入值的敏感度 所以分辨率一般表示式為： 分辨率=Vref/2位數（單極性） 或 分辨率=（V+ref-V-ref)/2位數（雙極性） 分辨率通常是用A/D

16、的位數來表示，比如 8位、10位、12位等 所以， A/D轉換器的輸出數字量越多。其分辨率越高。 如、： 8 8為為ADCADC滿量程為滿量程為5V,5V,則分辨率為則分辨率為 5000mV/256=20mV5000mV/256=20mV， 也就是說當模擬電也就是說當模擬電 壓小于壓小于20mV20mV，ADCADC就不能轉換了，就不能轉換了， （2）轉換時間：指從輸入啟動轉換信號到轉換結束，得到穩定的數字量輸出的時間。一般轉換速度越快越好（特別是動態信號采集）。常見有： 超高速（轉換時間1ns）、高速（轉換時間1s）、 中 速（轉換時間1ms） 低速（轉換時間100ns.CLK為時鐘信號，最

17、大為640KHz. 圖10-12所示電路的CS=220227H，IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7Q0Q1Q2Q31ACLKOEStartALEA0A1A2IRQ2EOC+5V+5V8MHzIORIOW220H227H圖10-12 ADC0809典型連接8位數據五、采用中斷方式的A/D、D/A轉換器接口的設計 ADC0809： ADC0809是8位A/D轉換器為ADC08XX系列依次 逼近A/D，可直接與CPU相連。 ADC0809精度為1LSB，+5V供電時模擬量輸入 電壓范圍為05V，時鐘為640KH，轉換速度為 100nS ADC0809有8位路模擬通道，為28PIN雙列直

18、插 式器件。當時鐘信號為640hz，START（正脈沖）信號有效后，經100微秒以后，轉換結束， EOC置“0”，數據送輸出寄存器，同時，EOC置“1”，向CPU發中斷請求，以使CPU以中斷方式讀取ADC轉換所得數據。(2)12位ADC連接與編程 ADC574A是具有三態輸出鎖存器的12位逐次比較ADC芯片，轉換速度快（25us）,是目前國內使用最廣泛的ADC芯片之一。ADC574A可并行輸出12位數據，也可以分兩次輸出（先高8位后低4位）數據；既可進行8位轉換，也可進行12位A/D轉換。 ADC574的引腳定義和控制信號工作時序如圖10-13所示。 282726252423222120191

19、2345678910STSDB11DB10DB9DB8DB7DB6DB5DB4DB3+5V12/8CSA0R/CCE+15VREFOUTAGNDREFIN1112131418171615DB2DB1DB0DGND-15VBIP10VIN20VINADC574ACSCER/CA0STSDB7DB0圖10-13 AD574A引腳定義和工作時序D7D0譯碼器PC總線AENA9A0IOWIORADC574ADB11DB4DB3DB0STSCSA0R/CCE12/8VccVee10Vin20VinREFinREFoutBIPOFFDCACVin+15V-15V圖10-14 AD574通過并行接口芯片與系

20、統總線相連D3D0 設圖10-14所示電路中譯碼器對A9A1進行譯碼， Y0=210H，Y1=212H213H， 因此，ADC574A的CS=211H213H分另用于高位和 低位數據的讀取，采用查詢方式的數據采集程序 如下：、 MOV CX，40H ；采集次數 MOV SI, 400H ;存放數據內存首址START: MOV DX,312H ; 12位轉換（A0=0) MOV AL,0H ; 寫入的數據可以取任意值 OUT DX,AL ;轉換啟動（cs及R/C均置0 Ce置1） DX,310H ；讀狀態，Y0=0，打開三態門 L: IN AL,DX AND AL,80H ;檢查D7=STS=0

21、? JNZ L ;不為0，則等待 MOV DX,312H ; 為0，讀高位（A0=1) IN AL,DX MOV SI,AL ; 送內存 INC SI ；內存地址加1 MOV DX,311H ；讀低4位（A0=1) IN AL,DX AND AL,0F0H ; 屏蔽低4位 MOV SI,AL ；送內存 INC SI ；內存地址加1 DEC CX ；數據個數減1 JNZ START ；未完，繼續 HLT ；已完，暫停#include#includeMain() unsigned int DATA256; 采集數據存放數組 unsigned char status,datah,datal,id; id=1; while(!kbhit() 等待鍵盤，按任意鍵結束 outportb(0 x212,0 x00); 啟動12位轉換，CS、A0、 R/C=0，CE=1do status=inportb(0 x210); 讀取狀態 status=status 0 x80; D7(STS)=1? while(status!=0); STS不等于0，等待A/D轉換完， 再讀狀態 datah=inportb(0