《数模(DA)转换与模数(AD)转换接口》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数模(DA)转换与模数(AD)转换接口（15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 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 CPU 进行接口以及用 CPU 控制这些转
2、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
3、存起来，直至输送新的数据为止。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
4、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
5、 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 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，
6、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/B2 配合起控制作用。 B1/B2：字节控制信号。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 WR2 配合使用。 WR2：数据写入信号 2，低电平有效。此信号有效时，XFER 信号才起作用。 IOUT1：电流输出 1。 IO
7、UT2：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。
8、 (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 D
9、6 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 1011，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
10、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: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
11、 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，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
12、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
13、。 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 2000H START： MOV CL，0；用 CL
14、 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实现的芯片仍然是有用的，它的成
15、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
16、 DX，8000H；置 DH=80H，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: SHR DH,1；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
