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1、微型计算机接口技术及应用 西南民族大学电信学院 授 课 教 师：杜 诚 联系方式：13076035417 Email：dcheng_76,西南民族大学电气信息工程学院,第十章 数/模、模/数转换接口,当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的 数字量，因此需要对连接变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。,西南民族大学电气信息工程学院,计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐等）。 A/D转换器完成模拟量数定量的转换， D/A转换器完成数字量模拟
2、量的转换。,西南民族大学电气信息工程学院,10.1 数/模（D/A）转换的接口方法 D/A转换器完成数字量 模拟量的转换，这在计算机和虚拟信号发生器中应用非常普遍。 一、D/A转换器特性及连接 D/A转换器一般是根据自己的需要选择相应数据位宽度和速度的D/A转换芯片，在选择D/A转换器芯片时一般考虑如下指标：,西南民族大学电气信息工程学院,（1）分辨率： 指D/A转换器能转换的二进制的位数。位数多分辨率就高。,（2）转换时间： 指数字量输入到完成转换、输出达到最终值并稳定为止所需的时间。 一般电流型D/A转换器在几秒到几百微秒之内；而电压型D/A转换器转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。,西
3、南民族大学电气信息工程学院,（3）精度： 指D/A转换器实际输出与理论值之间的误差， 一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位 （如 1/2LSB）。如D/A分辨率为20mV，则精 度为 10mV. （4）线性度： 当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按 比例变 化的程度。,2 、D/A转换器的连接特性,西南民族大学电气信息工程学院,DAC（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不同的要求，一般考虑以下几方面： （1）输入缓冲能力： DAC的输入缓冲能力是非常重要的，具有缓冲能力（数据寄存器）的DAC芯片可直接与CPU或系统总线相连
4、，否则必须添加锁存器。,西南民族大学电气信息工程学院,（2）输入码制： DAC输入有二进制BCD码两种，对于单极性DAC可接收二进制和BCD码；双极性DAC接收偏移二进制或补码。,（3）输出模拟量的类型： DAC输出有电流型和电压型两种，用户可根据 需要选择，也可进行电流电压转换。 （4）输出模拟量的极性： DAC有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DAC芯片。,西南民族大学电气信息工程学院,二、D/A转换器与微处理器的接口方法,1、接口任务 D/A转换器工作时，只要CPU把数据送入它的输入端，就开始转换，是一种无条件传送。 DAC芯片与CPU或系统总路线连接时，可从
5、数据总线宽度是否与DAC位数据匹配、DAC是否具有数据寄存器两个方面来虑，一般有下面几种情况：,西南民族大学电气信息工程学院,（2）当DAC位数与数据总线宽度相同，DAC没有数据寄存器时，必须外加锁存器或I/O接口芯片（如8255A等）才能与CPU连接。 当DAC位数大于数据总线宽度，DAC无论有无数据寄存器时，都必须外加锁存器或I/O接口芯片才能与CPU相连接。,（1）当DAC位数与数据总线宽度相同， 具有数据缓冲能力时，可直接与CPU连接。,西南民族大学电气信息工程学院,2、接口电路结构形式 1、中小规模逻辑芯片构成接口电路与CPU连接 2、通用并行IO接口芯片与CPU连接 3、GAL器件
6、,10.2 D/A转换器接口电路设计,1.片内无三态输入缓冲器的8位DA转换接口设计 P260,西南民族大学电气信息工程学院,2.片内有三态输入缓冲器的8位DA转换接口设计 DAC0832是一片典型的8位DAC芯片，其引脚和内部结构如图10-2所示。,西南民族大学电气信息工程学院,西南民族大学电气信息工程学院,西南民族大学电气信息工程学院,DAC0832有三种工作方式： （1）双缓冲方式 （2）单缓冲方式 （3）直通方式 注：在DAC实际连接中，要注意区分“模拟地”和“数字地”的连接，为了避免信号串扰，数字量部分只能连接到数字地，而模所量部分只能连接到模拟地。 采用单缓冲方式连接如图10-3所
7、示。 利用DAC可实现任意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出，如输出锯齿波、三角波的程序段如下：,西南民族大学电气信息工程学院,2.12位DAC连接 由于微机的I/O指令一次只能输出8位数据，因此对于数据宽度大于8位DAC只能分两次输入数据，为此一般大于8位数据宽度的DAC内部均设计有两级数据缓冲，如12位DAC1210内部就有两级数据缓冲，内部结构如图10-4所示。,西南民族大学电气信息工程学院,西南民族大学电气信息工程学院,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,DI11,DI10,DI9,DI8,DI7,DI6,DI5,DI4,DI3,DI2,DI1,DI0,译 码 器,Y
8、0,IOW,AEN,AB,Y1,Y2,系 统 总 线,WR1,WR2,BYTE1 /BYTE2,XFER,CS,Vcc,AGND,Rfb,101,102,22k,-12V,+12V,W1,10k,10k,Vout,W2,22k,-12V,Vref,DGND,+5V,+12V,2DW7C,470,200,W3,1K,100,4.7uF,图10-5 DAC121与CPU连接,西南民族大学电气信息工程学院,图10-6 DAC0832电路,西南民族大学电气信息工程学院,2.A/D转换器 用DAC来构成ADC的应用情况较少，图10-7所示为DAC构成ADC 的一种应用方法。,西南民族大学电气信息工程学院
9、,10.2 A/D转换接口 在数据采集和过程控制中，被采集对象往往是连续变化的 物理量（如温度、压力。声波等），由于计算机只能处理离散 的数字量，需要对连续变化的物理转换为数字量,这一操作过 程就是A/D转换。 一、A/D转换原理 A/D转换的原理很多,常见的有双积分式、逐次逼近式、计数 式等，输出码制有二进制、BCD码等，输出数据宽度有8位、12位、16位、20位等（二进制）和 位、位于（BCD码）。作过程就是A/D转换。,西南民族大学电气信息工程学院,1.双积分型A/D转换器 双积分型A/D转换器是将输入电压变换成与平均值成正比的时间间隔，然后利用计数器测量时间间隔，如图10-8所示。,西
10、南民族大学电气信息工程学院,双积分型A/D转换器完成一次模一数转换需要三个阶段：积 分（采样：K1导通）、反积分（比较：K3导通）和结束阶段 （K4导通）。双积器对正极性电压输出波形如图10-9所示。,西南民族大学电气信息工程学院,通过输出波形可求出：Vin=VR/NmNX,式中： VR参考电压，Nm参考电压计数值， NX输入电压计数值。可见，双积分型A/D转换器输出与时间常数RC无关，消除了斜坡电压的各种误差，由于经过两次积分可消除干扰对转换结果的影响。 2.逐次逼近式A/D转换器 逐次逼近式A/D转换器原理如图10-10所示，当转换器接收到启动信号后，逐次逼近寄存器清0，通过内部D/A转换
11、器输出使输出电压V0为0，启动信号结束后开始A/D转换。,西南民族大学电气信息工程学院,二、A/D转换器特性 A/D转换器的功能是把模拟量转换为数字量，其主要参数：,西南民族大学电气信息工程学院,（1）分辨率：指A/D转换器可转换成数字量的最小电压（量化阶 梯），如8为ADC满量程为5V,则分辨率为5000mV/256=20mV，也就是 说当模拟电压小于20mV，ADC就不能转换了，所以分辨率一般表示 式为： 分辨率=Vref/2位数（单极性）或分辨率=（V+ref-V-ref)/2位数（双极性） （2）转换时间：指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定的 数字量输出的时间。一般转换速度越好（
12、特别是动态信号采集）， 常见有超高速（转换时间1ns）、高速（转换时间1s）、中速 （转换时间1ms）和低速（转换时间1s)等。,西南民族大学电气信息工程学院,如果采集对象是动态连续信号，要求f采2 f信，也就是说必须在信号的一个周期内采集2个以上的数据，才能保证信号形态被还原（避免出殃“假频”），这就是“最小采样”原理。若f信=20kHz，则f采 40kHz，其转换时间要求25s. （3）量化精度：指A/D转换器实际输出与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位（如1/2LSB）。 （4）线性度：当模拟量变化时，A/D转换器输出的数字量按比例变化的程度。,西南民族大学电气信息
13、工程学院,三、A/D转换电路 1.接口形式 （1）与CPU直接相连：当ADC芯片内部带有数据输出锁存器和三态门时（如AD574、ADC0809等），它们的数据输出可直接与CPU或数据总线相连。 （2）用三态门与CPU相连：对于内部不带数据输出锁存器的ADC芯片（如ADC1210、AD570等），需外接三态锁存器后才能与CPU或系统总线相连。 （3）通过I/O接口芯片与CPU相连：无论ADC内部有无数据锁存器，都可以通过I/O接口芯片（并行或串行）与CPU或系统总线相连的，这样可简化接口电路。,西南民族大学电气信息工程学院,（4）DMA传送数据：当ADC采样速 率很高（fs1MHz），一般数据传
14、 送方式不能达到数据传送要求， 导致数据丢失。 2.ADC连接实例 （1）8位ADC连接与编程 ADC0809是逐次逼近式的8位ADC 芯片，引脚和内部结构图10-11 （a)(b)所示。,(a),西南民族大学电气信息工程学院,西南民族大学电气信息工程学院,START是ADC0809的A/D转换启动信号，高电平时内部逐次逼近 寄存器清0，由10变化时开始A/D转换，信号宽度100ns.CLK为 时钟信号，最大为600KHz.ADC0809设图10-12所示电路的CS=220 227H，采用中断方式的采集程序如下：,西南民族大学电气信息工程学院,(2)12位ADC连接与编程 ADC574A是具有
15、三态输出锁存器的12位逐次比较ADC芯片，转换速度快（25us）,是目前国内使用最广泛的ADC芯片之一。 ADC574A可并行输出12位数据，也可以分两次输出（先高8位，后低4位）数据；既可进行8位转换，也可进行12位A/D转换。 ADC574的引脚定义和控制信号工作时序如图10-13所示。,西南民族大学电气信息工程学院,西南民族大学电气信息工程学院,设图10-14所示电路中译码器对A9A1进行译码，Y0=210H、,西南民族大学电气信息工程学院,四、数据采集系统设计 该数据采集接口板可对16路模拟信号进行采集， A/D变换精度为5V/212=1.2mV，接口板具有数据 保持电路，可对变化的模
16、拟信号进行实时采集。 1.多路转换开关 16路模拟信通过多路转换开关芯片AD7506进行切换，AD7506是一个161的模式电子开关，用于切 换16个被测模拟信号输入端，使16路模式信号的 采集共享一片ADC转换器。,西南民族大学电气信息工程学院,2.采样/保持器 接口板的采样/保持器采用AD582芯片，采样/保持状态的控制由差分逻辑输入端+LogicIN和-Logicin完成，模拟信号的输入通过IN+和IN-端输入。 3.ADC与DAC转换器 接口板的A/D转换采用ADC574芯片，DAC采用DAC1210芯片， 这两个芯片均是12位的ADC和DAC转换芯片，可保证A/D的信号通过D/A转换器进行完全的回放。,西南民族大学电气信息工程学院,4.地址译码器 接口板的地址译码器采用3片74LS136异或门芯
