《微型计算机原理与接口技术(第二版) 教学课件 ppt 作者 赵宏伟 于秀峰 黄永平第7章 模数转换及数模转换》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微型计算机原理与接口技术(第二版) 教学课件 ppt 作者 赵宏伟 于秀峰 黄永平第7章 模数转换及数模转换（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 模数转换及数模转换,7.1 概述 实时控制和测量系统中，被控制或被测量的对象，如温度、压力、时间、流量、速度、电压和电流等都是连续变化的物理量。所谓连续，包括两方面的含义：一方面从时间上来说，它是随时间连续变化的；另一方面从数值上来说，它的数值也是连续变化的。这种连续变化的物理量就是模拟量。这种模拟量的数值和极性可以由传感器等进行测量，通常以模拟电压或电流的形式输出。 当微型计算机参与控制时，微机要求的输入信号为数字量。这里，“数字”也包含着两方面的意义：一方面，从时间上来说，它是某一物理量在某一时刻的瞬时值；另一方面，从数值上来说，它的数值是按某一最小单位的倍数变化的。显然，不能把温
2、度、压力、时间、电压等这样的模拟量直接送入微机进行运算处理，必须先把它们变换成数字量，才能被微机接受。,一个完整的微机闭环实时控制系统示意图,7.2 传感器,A/D转换器是将模拟的电信号转换成数字信号。所以将物理量转换成数字量之前，必须先将物理量转换成电模拟量。传感器是把非电量的模拟量（如温度、压力、流量等）转换成电压或电流信号。 因此，传感器一般是指能够进行非电量和电量之间转换的敏感元件。传感器的精度直接影响整个系统的精度，如果传感器误差较大，则测量电路、放大电路以及A/D转换电路和微机的处理都会受到影响。 物理量的多样性使得传感器的种类繁多，下面对几种常用的传感器作以简单的介绍。,1温度传
3、感器,热电偶是一种大量使用的温度传感器，它是利用热电势效应来工作的，室温下的典型输出电压为毫伏数量级。温度测量范围与热电偶的材料有关，常用的有镍铝-镍硅热电偶和铂铑-铂热电偶。热电偶的热电势-温度曲线一般是非线性的，需要采取措施进行非线性校正。 另一种温度传感器为热敏电阻，它是一种半导体新型感温元件，具有负的电阻温度系数，当温度升高时，其电阻值减小，在使用热敏电阻作为温度传感器时，将温度的变化反映在电阻值的变化中，从而改变电压或电流值。,2湿度传感器,湿度传感器大多利用湿度变化引起其电阻值或电容量变化原理制成，即将湿度变化转换成电量变化。 热敏电阻湿度传感器利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来
4、测定湿度，而氯化锂湿度传感器利用氯化锂在吸收水分之后，其电阻值发生变化的原理来测量湿度。高分子湿度传感器利用导电性高分子对水蒸汽的物理吸附作用引起电导率变化的特性。,3气敏传感器,半导体气敏传感器是利用半导体与某种气体接触时电阻及功率函数变化这一效应来检测气体的成分或浓度的传感器。 它可用于家用液化气泄漏报警、城市煤气、煤气爆炸浓度以及CO中毒危险浓度报警等。有的敏感元件对酒精特别敏感，利用这种气敏元件可做酒后开车报警控制。,4压电式和压阻式传感器,某些电解质（如石英晶体、压电陶瓷），在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带
5、电的状态。从而可以将机械能转变成电能，因此可以把压电式传感器看作是一个静电荷发生器，也就是一个电容。利用这些介质可做成压电式传感器。 由于固体物理的发展，固体的各种效应已逐渐被人们所发现。固体受到作用力后，电阻率（或电阻）就要发生变化，这种效应称压阻式效应，利用它可做成压阻式传感器。利用压电式或压阻式传感器可测量压力、加速度、载荷等。前者可测量频率从几赫至几十千赫的动态压力，如内燃机气缸、油管、进排气管、枪炮的膛压、航空发动机燃烧室等的压力。,5光纤传感器,光纤传感器是70年代迅速发展起来的一种新型传感器。它具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、体积小、重量轻等优点，可广泛用
6、于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量的测量。 功能型光纤传感器不仅起到传导光的作用，它还是敏感元件。它利用了光纤本身的一些特点，这些特点是光纤的传输特性受被测物理量作用会发生变化，从而使光纤中波导光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制。因此，这一类光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。,6位移-数字转换器,（1）脉冲盘式角度-数字转换器 脉冲盘式角度-数字转换器是在一个圆盘的边缘上开有相等角距的缝隙，在开缝圆盘两边分别安装光源和光敏元件。当圆盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线明暗变化，经过光敏元件，
7、就产生一次电信号的变化。将这电信号整形放大，可得到一定幅度和功率的电脉冲输出信号，脉冲数就等于转过的缝隙数。上述脉冲信号可由计数器计数，计数值就能反映圆盘转过的角度。 （2）码盘式角度-数字转换器 上述脉冲盘式输出的是与角度对应的脉冲个数，要经过计数器才能进行数值编码，码盘式则是按角度直接进行编码的转换器，通常把它安装在检测轴上。编码的方式有二进制和格雷码制，按结构有接触式和光电式等。 （3）光电码盘角度-数字转换器 光电码盘是目前用得较多的一种，码盘用透明及不透明区按一定编码构成。码盘上码道的条数就是数码的位数。对应每一条码道有一个光电元件，当码盘处于不同角度时，光电转换器的输出就呈现出不同
8、的数码。它的优点是没有接触磨损因而允许转速高。,7.3 D/A转换,7.3.1 D/A转换原理 D/A转换是把数字量信号转换成模拟量信号的过程，同时，D/A转换器也是A/D转换器的基本组成部分。我们知道：一个二进制数字是由各位“0”“1”代码组合起来的，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，应将每一位代码按权大小转换成相应的模拟输出分量，然后根据叠加原理将各位代码对应的模拟输出分量相加，其总和就是与数字量成正比的模拟量，由此完成D/A转换。 D/A转换的方法较多，但常用的方法是加权电阻网和T型电阻网。,1加权电阻网D/A转换,加权电阻网D/A转换就是用一个二进制数字的每一位代码产生一
9、个与其相应权成正比的电压（或电流），然后将这些电压（或电流）叠加起来，就可得到该二进制数所对应的模拟量电压（或电流）信号。 例如，让二进制数的第0位产生一个1V（20）的电压信号，第1位产生2V（21）的电压信号，第2位产生4V（22）的电压信号，第3位产生8V（23)的电压信号，依此类推，第n位产生2nV的电压信号。 再将这些电压信号加起来，就可以得到与原二进制数成正比的电压信号。这种转换方法就称为加权电阻网络法。,2T型电阻网D/A转换,T型电阻网D/A转换的组成是： （1）输入数据控制的开关组； （2）R-2R电阻网络； （3）由运算放大器构成的电流-电压转换电路。 这种转换方法与加权电
10、阻网络法的主要区别在于电阻求和网络的形式不同，它采用分流原理来实现对相应数字位的转换。 电路中全部电阻是R和两倍的R两种，阻值通常在100欧姆到1000欧姆之间，整个电路是由相同的电路环节组成的。 每一节电路有两个电阻，一个开关，这一节电路就相当于二进制数的一个位，每一节电路的开关就由二进制数相应的代码来控制，因为电阻是按T型结构来连接的，所以称为T型电阻网。,7.3.2 D/A转换器的主要参数,1分辨率 D/A转换器的分辨率定义为：当输入数字发生单位数码变化时，即LSB位产生一次变化时，所对应输出模拟量（电压或电流）的变化量。实际上，分辨率是反映了输出模拟量的最小变化量。 2建立时间 建立时
11、间也可以叫做转换时间，是描述D/A转换速率快慢的一个重要参数，一般所指的建立时间是指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内（稳定值）所经历的时间。 3线性度 线性度是指，当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按比例关系变化的程度。,7.3.3 D/A转换器的输入输出特性,1输入缓冲能力 DAC是否带有三态输入缓冲器或锁存器来保存输入数字量，这对不能长时间在数据总线上保持数据的微机系统中使用D/A转换器是十分重要。 2输入数据的宽度 DAC有8位、10位、12位、14位、16位之分。当DAC的位数高于微机系统数据总线的宽度时，需要两次分别输入数字量。 3电流型还是电压型 即DAC的输
12、出是电流还是电压。对电流输出型，其电流在几mA到十几mA；对电压输出型，其电压一般在5V10V之间。有些高电压型可达24V30V；若需将电流输出转换成电压输出，则采用运放进行转换。 4是单极性输出还是双极性输出 对一些需要正负电压控制的设备，就要使用双极性DAC，或在输出电路中采取措施，使输出电压有极性变化。 5输入码制 DAC能接收哪些码制（如二进制码、BCD码等）的数字输入量。,7.3.4 DAC 0832转换器及应用,DAC 0832是美国数据公司的8位D/A转换器，与微处理器完全兼容，是在8位D/A转换器中使用率最高的一种芯片。 器件采用先进的CMOS工艺，因此功耗低，输出漏电流误差较
13、小。,1DAC 0832主要特性,8位分辨率， 电流型输出， 外接参考电压-10V+10V， 可采用双缓冲、单缓冲或直接输入三种工作方式， 单电源+5V+15V， 电流建立时间1s， R-2R T型解码网络， 线性误差0.2%FS（FS为满量程）， 非线性误差0.4%FS， 数字输入与TTL兼容。,2DAC 0832的内部构造,DAC 0832由4个部分组成：一个8位输入寄存器，一个8位DAC寄存器，一个8位D/A转换器和一组控制逻辑组成，如图7.3.2所示。 在D/A转换器中采用的就是T型R-2R电阻网，DAC 0832是电流型输出，改变参考电压VREF的极性，可以相应地改变输出电流的流向，
14、从而控制输出电压的极性。 8位输入寄存器受控于控制信号ILE、，当ILE=1，=0，=0时，该寄存器被选中，允许接收数据线上的信息。当上述控制信号无效时（只要有一个无效即满足条件），锁存该信息。,DAC 0832内部结构,4DAC 0832的电压输出电路,DAC 0832为电流输出型的D/A转换器，要获得电压输出，需要外加转换电路。图7.3.3为两极运算放大器组成的模拟输出电压。 如果参考电压VREF为+5V，则（mV），此时 若N=00H，V 若N=80H，V 若N=FFH，V+5V 可见，从VOUT输出为双极性模拟电压。电压范围是-5V+5V。,D/A转换器的输出电路,5DAC 0832应
15、用,DAC 0832单缓冲方式应用很广泛，可对生产现场某执行机构进行控制，也可产生各种智能信号。设定DAC 0832的地址为78H。当CPU送出00H0FFH数据，经DAC 0832转换VOUT为0+5V的模拟电压送至现场执行机构。其VOUT输出模拟电压控制程序段如下： （1）VOUT输出模拟电压0V+5V程序段 MOV AL，N ；N为00H0FFH间的任意数 OUT 78H，AL,（2）方波发生器程序段,X1：MOV AL，00H OUT 78H，AL CALL DELAY ；DELAY为延时子程序 MOV AL，0FFH OUT 78H，AL CALL DELAY JMP X1,（3）锯
16、齿波发生器程序段,Y1：MOV AL，00H OUT 78H，AL Y2：INC AL OUT 78H，AL MOV CX，n ；延时 Y3：LOOP Y3 JMP Y2,（4）三角波发生器,Z1：MOV AL，00H Z2：OUT 78H，AL CALL DELAY ；调延时子程序 INC AL JNZ Z2 DEC AL ；使AL=FFH DEC AL ；使AL=FEH，消除平顶 Z3：OUT 78H，AL CALL DELAY ；调延时子程序 DEC AL JNZ Z3 JMP Z2,6DAC 0832的典型连接,例7.3.1 利用DAC 0832输出单极性模拟量电压,将从2000H开始的50个字节单元数据依次送到DAC 0832输出，每个数据输出间隔时间为1ms，可调用D1ms延时1ms子程序。 输出程序编制如下： X1：MOV SI，2000H MOV CX，50 X2：MOV AL，SI INC SI OUT 80H，AL CALL D1ms LOOP X2 HLT,7.3.5 DAC l210
