《第 12 章d-a和a-d接口讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第 12 章d-a和a-d接口讲义（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 12 章 数模(D/A)转换与模数 (A/D)转换接口,本章讲述： 12.1 D/A转换器接口 12.2 A/D转换器接口,12.1 D/A转换器接口,D/A(Digit to Analog)和A/D(Analog to Digit)转换是计算机与外部世界联系的重要接口。在一个实际的系统中，有两种基本的量模拟量和数字量。外界的模拟量要输入给计算机，首先要经过A/D转换，才能由计算机进行运算、加工处理等。若计算机的控制对象是模拟量，也必须先把计算机输出的数字量经过D/A转换，才能控制模拟量。 D/A和A/D转换的具体电路已经在数字电路课程中讲述。本章主要介绍如何把D/A和A/D转换的芯片与C
2、PU进行接口以及用CPU控制这些转换的软件编程如何实现。,12.1.1 CPU与8位D/A芯片的接口,D/A转换通常是由输入的二进制数的各位控制一些开关，通过电阻网路，在运算放大器的输入端产生与二进制数各位的权成比例的电流，经过运算放大器相加和转换而成为与二进制数成比例的模拟电压。 若CPU的输出数据要通过D/A转换变为模拟量输出，当然要把CPU数据总线的输出连到D/A的数字输入上。但是，由于CPU要进行各种信息的加工处理，它的数据总线上的数据是不断地改变的，它输出给D/A的数据只在输出指令的几个微秒中出现在数据总线上。所以，必须要有一个锁存器，把CPU输出给D/A转换的数据锁存起来，直至输送
3、新的数据为止。一个最简单的D/A芯片与CPU的接口电路如图12-1所示。,其中，以锁存器74100作为CPU与D/A转换之间的接口。CPU把74100作为一个输出端口，用地址27H来识别，则CPU输给D/A的数据要用一条I/O写(即输出)指令来实现。 图12-1的电路可应用于许多场合，例如： (1) 驱动一个侍服电机； (2) 控制一个电压频率转换器(用于锁相环路)； (3) 控制一个可编程的电源； (4) 驱动一个模拟电表。,12.1.2 8位CPU与12位（高于8位的）D/A转换器的接口,1. 一种12位D/A转换芯片 这里介绍一种12位D/A转换片子DAC1210。 DAC1210是美国
4、国家半导体公司生产的12位D/A转换器芯片，是智能化仪表中常用的一种高性能的D/A转换器。DAC1210的逻辑结构框图如图12-2所示。,由图12-2所示DAC1210的逻辑结构是一个12位的D/A转换器。它有两个输入寄存器，一个是8位的，一个是4位。若它与8位CPU接口，DAC1210的输入线DI11DI4以及DI3DI0都连至CPU的数据总线DB7DB0。12位数据需分两次输送，若CPU输出的地址及控制信号，使LE1有效，则8位数据输入至8位输入寄存器：若CPU使LE2有效，则12位数据中的另4位输入至DAC1210的4位输入寄存器。再使LE3有效，把12位输入寄存器的内容同时输入给12位
5、DAC寄存器，进行D/A转换。,若DAC1210与16位CPU相连，则DI11DI0连至CPU的数据总线DB11DB0。CPU的输出地址与控制信号使LE1与LE2同时有效。则CPU输出的12位数据同时输入至8位输入寄存器与4位输入寄存器。然后，使LE3有效，把12位输入寄存器的内容同时输送给12位DAC寄存器，进行D/A转换。,DAC1210共有24个引脚，各引脚定义如下： DI11DI0：12位数字量输入信号，其中DI0为最低位，DI11为最高位。 CS# ：片选输入信号，低电平有效。 WR1# ：数据写入信号1，低电平有效。当此信号有效时，与B1/2配合起控制作用。 B1/B2#：字节控制
6、信号。此引脚为高电平时，12位数字同时送入输入寄存器；为低电平时，只将12位数字量的低4位送到4位输入寄存器。, XFER# ：传送控制信号，低电平有效，与2配合使用。 WR2#：数据写入信号2，低电平有效。此信号有效时，信号才起作用。 IOUT1：电流输出1。 IOUT2：电流输出2。 RFB：内部反馈电阻引脚。, VREF：参考电压，-10V+10V。 VCC：芯片电源，+5V+15V。 AGND：模拟地。 DGND：数字地。,2. DAC的输出连接方式 有的D/A转换片子的输出是电压，有的片子输出的是电流。在实际应用中，执行部件往往要求电压驱动，所以，电流输出的要经过电流-电压变换器。输
7、出电压又可能只要求单极性，而有的要求有正有负(双极性)。 (1) 单极性输出 一个电流输出的D/A片子转换为单极性电压输出的电路如图12-3所示。,输出与RFB端间接的电阻R2以及接于参考电源的R1是为了调整增益，电容C则起防止振荡的作用。 (2) 双极性输出 其输出电路如图12-4所示。,3. 8位CPU与12位D/A接口方法 许多应用场合要求D/A有更高的灵敏度和精度，8位就不能满足要求了，常常要求10位、12位或14位D/A转换器。 那么，如何把一个多于8位的D/A转换器接口到8位的微型机呢? 可以把12位分成两段，第一次微型机先输出低8位到锁存器，第二次再把另四位送到另一个锁存器上，如
8、图12-5所示。,而要输出的12位是存储在两个相邻的单元内： 地址 数据位 A D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A+1 D11 D10 D9 D8 A+2 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A+3 D11 D10 D9 D8 为无用的位。,但是，若用图12-5的电路输出，则输出电压上会出现毛刺。这是由于，若原来的数据为0000 1111 0000，下一个输出的值为0001 0000 1011，但在输出过程中是先输出低8位，如下所示： 数据先由0000 1111 0000变为0000 0000 1011，则输出电压要下降；然后再输出高四位，变为0001 0000 1
9、011，输出电压再升高，就出现了毛刺。为了解决这个问题，可以采用双缓冲器结构，如图 12-6所示。,CPU输出时，先输出低8位给缓冲器1(此时缓冲器2不通，故输出不变)，然后输出高两位。等这两者都输出后，再输出一个打开缓冲器2的选通脉冲，把10位同时输给D/A转换，这样就避免了毛刺。 程序如下： ORG 2000H START： MOV BX，DATA MOV CL，64H,DAC： MOV AL，BX OUT 54H，AL INC BX MOV AL，BX OUT 55H，AL OUT 56H，AL INC BX DEC CL JNZ DAC JMP START ORG 3000H DATA
10、： DW W1，W2，W100； 定义100个字(每个字10位) END START,12.2 A/D转换器接口 12.2.1 概述,在一个实际的系统中，要用微型计算机来监视和控制过程中发生的各种参数，就首先要用传感器把各种物理参数(如压力、温度等)测量出来，并且转换为电信号，再经过A/D转换，传送给微型计算机；微型计算机对各种信号计算、加工处理后输出，经过D/A转换再去控制各种参数，其过程如图12-14所示。,其中： (1) 传感器把各种现场的物理量测量出来，并且转换为电信号。 (2) 量程放大器把传感器的信号(通常为mVV级)放大到A/D转换所需要的量程范围。 (3) 低通滤波器降低干扰，
11、增加信扰比。 (4) 多路开关通常要监视和控制的现场信号是很多的，而且它们的变化是缓慢的，所以没有必要一种现场信号就有一个A/D转换器和占用一条与微型计算机联系的通路，而可以利用多路开关，把多个现场信号，用一条通路来监视和控制。,(5) 采样/保持电路因为现场信号总是在变化的，而A/D转换总是需要一定时间的，所以，需要把要转换的信号采样后保持一段时间，以备转换。另外，现场信号的变化是缓慢的，没有必要始终监视，而可以用巡回检测的办法，所以，也要求有采样/保持电路。 当用巡回检测的办法来监视现场信号时，就存在一个问题： 应该经过多长时间去采样一次被测信号，使采样的结果能够反映被测信号，即采样频率应
12、该多高。采样定理告诉我们：采样频率至少应该大于被测信号频谱中的最高频率的两倍。 本章主要讨论A/D转换。,12.2.2 用软件实现A/D转换,利用D/A转换器，CPU可用软件实现A/D转换。 1. 计数器式A/D转换 计数器式A/D转换可以用硬件实现，如图12-15所示。也可以利用一个D/A转换电路，用软件实现，如图12-16所示。 软件实现实际上是用一种类似于线性搜索的办法，每次让一个锁存器加1，再把它经D/A转换后为VC，与输入模拟电压VX相比较，把比较的结果用一个输入端口输入，若仍是VXVC，则循环；当VX=VC时就停止循环，此时锁存器中的数据即为转换所得的结果。,其程序如下： ORG
13、2000H START： MOV CL，0；用CL作比较用的寄存 器，初值为零 DALOOP： MOV AL，CL OUT 27H，AL IN AL，15H；输入比较器的状态， 若VXVC，则D5=0 AND 20H；屏蔽除D5外的其他位 JNZ DONE；D50，则转换完成 INC CL JMP DALOOP DONE： MOV AL，CL OUT 02H，AL；转换完成数据输出显 示 HALT,但是用上述软件来实现转换，比硬件更慢。255步的比较需要7ms(若CPU为8080A)。显然转换的位数越多，时间就更长。 所以，用软件实现计数器式的A/D转换是不实用的；但是当转换速度要求不高时硬件
14、实现的芯片仍然是有用的，它的成本较低。,2. 逐次逼近式A/D转换 用软件实现逐次逼近式A/D转换，实际上是把输入模拟电压VX作为一个关键字，用对分搜索的办法来逼近它。 例如，在8位的情况下，要转换一个相当于数113的模拟电压，搜索过程可用表12-5来描述。,用软件实现逐次逼近式A/D转换的流程图如图12-17所示。 如果仍然使用图12-16所示的接口电路，则寄存器AL用于I/O数据传送和位操作，寄存器DH存放每次试探的数据，寄存器DL存放累加的结果，寄存器CL作为循环次数计数器。 程序如下： ORG 2000H START： SUB AL，AL；清AL MOV DX，8000H；置DH=80
15、H， DL=00H MOV CL，8；置循环次数 AGAIN： OR AL，DH；建立新试探值 MOV DL，AL；存入DL中,IN AL，15H；输入比较结果的状态 ；若VXVC，则D5=0 AND AL，20H；屏蔽除D5外的所有位 JZ OK；小于VX，转至OK MOV AL，DH NOT AL AND AL，DL；使新的试探值置0 MOV DL，AL；和DL OK： RR DH；移至下一位试探 MOV AL，DL DEC CL JNZ AGAIN；未完，进入下一循环 DONE： HALT 对于8位的转换，若CPU为8080，时钟周期为500ns，则转换时间为240s。若要求更快转换，则可用硬件实现的逐次逼近式转换器。,12.2.3 A/D转换芯片介绍,1. 8通道8位A/D转换器ADC 0809 ADC 0809是CMOS的8位单片A/D转换器。片内有8路模拟开关，可控制选择8个模拟量中的一个。A/D转换采用逐次逼近原理。输出的数字信号有TTL三态缓冲器控制，故可直接连至数据总线。 (1) 主要功能 分辨率为8位； 总的不可调误差在12LSB1LSB范围内；, 转换时间为100s； 具有锁存控制的8路多路开关； 输出有三态缓冲器控制； 单一5V电源供电，此时模拟电压输入范围为05V； 输出与TTL兼容； 工作温度范围为-4085。,(2) ADC 0809功能方框图 AD
