第11章 模数数模转换(南通大学)(陈继红)

第第1111章章 模数数模转换模数数模转换(南南通大学通大学)()(陈继红陈继红)第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换11.1 A/D变换器及其接口11.1.1 A/D变换器的基本概念 1.量化 当以数量表示连续量的时候都会遇到量化问题。所谓量化就是以一定的量化阶距为单位，把数值上连续的模拟量转变为数值上离散量的过程。设输入为x(t)，量化阶距是q，量化后的输出为y(t)，那么量化可以表示为：y(t)=INT(x(t)/q)其中INT是取整函数，x(t)/q的小数部分被舍去。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换为了减小量化误差，通常以“4舍5入”的方法进行量化，量化可以表示为：y(t)=INT(x(t)+0.5q)/q)第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换2.输入极性与编码 当输入信号为单极性信号时，以二进制数进行量化编码。输入范围为0+5V的8位ADC，其输入、输出关系如图a所示。当输入为双极性信号时，对输入信号的编码通常有三种方式:偏移二进制码：以最高位为符号位，以1表示正，以0表示负；后面的各位表示幅值。就相当于把单极性的ADC的输入输出特性曲线向左平移了一半。输入为-2.5V+2.5V的8位ADC，其输入/输出之间的关系如图b所示。原码：以原码来表示，当输入为正时，符号位为0；当输入为负时，符号位为1。后面的各位表示其幅值。补码：以补码来表示。其符号位刚好与偏移二进制码的符号位相反，后面的各位相同。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换3.A/D变换器的主要性能参数(1)量化误差 A/D变换器将连续的模拟量转换为离散的数字量，对一定范围内的连续变化的模拟量只能量化成同一个数字量。从前面量化图中可见y(t)的量化误差是0.5q；y(t)的最低位（LSB）的变化对应于输入变化一个量化阶距q，因此又以0.5LSB表示量化误差。(2)分辨率 A/D变换器的分辨率能表示A/D变换器对输入信号的分辨能力。A/D变换器的分辨率以输出二进制数的位数表示。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(3)转换误差 转换误差说明A/D变换器实际的输出数字量与理论上的输出数字量之间的差别，通常以整个输入范围内的最大输出误差表示。一般用最低有效位的倍数来表示转换误差，例如转换误差1LSB，就说明在整个输入范围内，输出数字量与理论上的输出数字量之间的误差小于最低位的一个数字。(4)转换时间 转换时间是指A/D变换器开始一次转换到完成转换得到相应的数字量输出所需的时间。(5)量程 量程是指A/D变换器能够实现转换的输入电压范围。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换4.A/D变换器的类型 A/D变换器的类型较多，主要的有并行比较型、逐次比较型、双积分型等。并行比较型的转换速度最高，但分辨率一般在8位以内。因为n位并行比较型A/D中需要2n-1个电压比较器，当n大于8以后，需要的电压比较器太多使得芯片的面积大、成本高。双积分型的分辨率高，抗干扰能力强，但转换速度低，一般为11000ms。通常用在对速度要求不高但需很高精度的场合。逐次比较型的分辨率高，转换时间在0.1100us之间。转换速度比并行比较型要低，但远高于双积分型。随着集成电路工艺的提高，其转换速度也在提高。因此，逐次比较型的A/D适合既要求精度、又要求速度的场合。一般地，我们将转换时间大于1ms的称为低速A/D，1us1ms的称为中速A/D，小于1us的称为高速A/D。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换11.1.2 典型A/D变换器介绍 1.8位A/D变换器ADC0808/0809 CMOS工艺的8位A/D变换器；8位逐次逼近型A/D变换器；包括一个8通路模拟开关；不需要外部调零，不需要满刻度调整；数据输出接口有三态功能；转换时间：100us，功耗：15mW，工作温度范围：-40+85；ADC0808的误差为1/2 LSB，ADC0809的误差为1LSB。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换ADC0808/0809的内部逻辑框 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(1)引脚介绍IN0-IN7：模拟输入信号；ADDC、ADDB、ADDA：输入通路选择控制；ALE：上升沿将输入通路选择控制锁存；VCC和GND分别为电源（5V）和地；START：A/D启动信号，脉冲宽度应大于200ns；CLOCK：时钟脉冲，频率范围为10KHz1MHz；EOC：转换结束信号，上升沿有效；OE：数据输出允许端；D7-D0：数字量输出端（三态）。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换REF(+)、REF(-)：基准电压输入，REF(+)不应大于VCC，REF(-)不应小于GND。DOUT=255*VIN/(REF(+)-REF(-)第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(2)ADC0809的时序 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换2.高速逐次逼近型A/D变换器AD7472 12位高速逐次逼近型A/D变换器；最高采样频率可达1.5MSPS(Mega-Sample/s)；低功耗，平均功耗仅为4mW；电源：2.7V5.25V；标准的数字接口电路（具有三态）；具有跟踪/保持功能。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(1)内部结构第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(2)引脚说明 ：转换开始信号(输入)，低电平有效 CLOCK IN：主时钟(输入)，每14个时钟周期完成一次A/D转换CLOCK IN最高频率是26MHzBUSY：“忙”信号(输出)REFIN：参考电压输入端，外部的参考电压必须加到这个端上。为了获得理想的性能，外部参考电压应在2.5V1%的范围内 AVDD：模拟电路的电源输入，电压2.75.25V DVDD：数字电路的电源输入，电压2.75.25V；它为芯片内的数字电路提供电源，应使它与AVDD的电压值相同 AGND：模拟地 DGND：数字地第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换VIN：单端模拟信号输入。输入范围是0REFIN。VIN端具有高输入阻抗。VDRIVE这是输出驱动电路的电源，+2.7V+5.25V。它决定了数据输出端的高电平电压。DB11DB0：数据输出线，三态逻辑。当 和 信号同时有效时，DB11DB0输出A/D转换的结果，否则数据线为高阻。：片选信号（输入），低电平有效。与信号配合，使A/D转换的结果送到数据线DB11DB0上。：读信号（输入），低电平有效。与 信号配合，使A/D转换的结果送到数据线DB11DB0上。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(3)操作时序 下降沿使A/D转换开始，BUSY变高，经过tCONVERT后BUSY变为低，表示A/D转换完成。BUSY下降沿起，跟踪/保持放大器由保持模式变为跟踪模式，需要经过一段时间才能使跟踪/保持放大器的输出跟踪输入信号，至少应保证135ns。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换11.1.3 应用举例【例1】0809通过8255与CPU接口。PA口工作于方式0输入。PB口工作于方式0输出。8255的PC口高4位工作于方式0输入，PC7接0809的EOC。8255的PC口低4位工作于方式0输出，PC0接0809的START和ALE。8255的地址为70H73H。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 (1)下面的一段程序以查询的方式对IN0端进行100次采样，数据存入DATA开始的内存中。MOV AL，10011000B ；8255编程 OUT 73H，AL MOV AL，00H OUT 72H，AL ；START、ALE=0 MOV BX，OFFSET DATA ；DATA是数据区首地址 MOV CX，100 MOV AL，00H OUT 71H，AL ；选IN0第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 AGAIN：MOV AL，01H OUT 72H，AL ；START、ALE=1 MOV AL，00H OUT 72H，AL ；START、ALE=0 WAIT0:IN AL，72H AND AL，80H JNZ WAIT0 ；若EOC为低，则执行下条指令 WAIT1:IN AL，72H AND AL，80H JZ WAIT1 ；若EOC为高，则执行下条指令 IN AL，70H ；从PA口输入数据 MOV BX，AL ；存入内存 INC BX LOOP AGAIN第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(2)下面的一段程序是二重循环结构，内循环对IN0IN7端进行轮流采样，一组数据存入DATA开始的8个内存单元中。在外循环控制下作100次内循环，即采集100组数据。MOV AL，10011000B OUT 73H，AL MOV AL，00H OUT 72H，AL MOV BX，OFFSET DATA；DATA是数据区首地址 MOV CX，100AGAIN0：MOV DL，00AGAIN1：MOV AL，DL OUT 71H，AL ；选输入通道第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换OUT 72HOUT 72H，AL AL ；STARTSTART、ALE=1ALE=1 MOV ALMOV AL，00H00HOUT 72HOUT 72H，AL AL ；STARTSTART、ALE=0ALE=0 WAIT0:IN AL WAIT0:IN AL，72H72HAND AL,80HAND AL,80H JNZ WAIT0 JNZ WAIT0 ；判；判EOCEOC为低为低 WAIT1:IN AL WAIT1:IN AL，72H72H AND AL,80HAND AL,80H JZ WAIT1 JZ WAIT1 ；判；判EOCEOC为高为高 IN ALIN AL，70H 70H MOV BXMOV BX，AL ALINC BXINC BX INC DLINC DLCMP DLCMP DL，8 8JNZ AGAIN1JNZ AGAIN1LOOP AGAIN0LOOP AGAIN0 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换【例2】下图是一个由ADC0809、8255、8253及8259组成的数据采集系统。ADC0809的D7D0接8255的PA口，PA口工作于方式0输入。ADC0809的ADDC、ADDB、ADDA接8255的PB2-0，PB口工作于方式0输出。8253通道0工作于方式2，OUT0输出的脉冲经反相后接ADC0809的START和ALE，因此，每个脉冲启动一次A/D变换。EOC接8259的IR7，EOC上升沿引起中断。8255的地址为70H73H，8253的地址为74H77H，8259的地址为78H79H。8259的IR0IR7对应的中断向量为30H37H。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换试编写程序，对IN0以8KHz采样频率连续采样8000个数据，数据存入BUFFER起的内存中。DATA SEGMENTDATA SEGMENT BUFFER DB 8000 DUP BUFFER DB 8000 DUP（0 0）COUNTER EQU$-BUFFER COUNTER EQU$-BUFFERDATA ENDSDATA ENDSCODE SEGMENT CODE SEGMENT ASSUME DS:DATA,CS:CODE ASSUME DS:DATA,CS:CODE MAIN PROC FAR MAIN PROC FAR ；主程序；主程序 MOV AX MOV AX，DATADATA MOV DS MOV DS，AXAX MOV AL MOV AL，00010011B 00010011B ；82598259编程，编程，ICW1ICW1，边沿触发，边沿触发 OUT 78H OUT 78H，ALAL MOV AL MOV AL，30H 30H ；ICW2 ICW2，中断矢量，中断矢量 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换OUT 79H，ALMOV AL，00001001B ；ICW4OUT 79H，ALMOV AL，7FH ；中断屏蔽字OUT 79H，ALMOV AL，00110100B ；8253编程，通道0方式2OUT 77H，ALMOV AX，125 ；计数器初值OUT 74H，ALMOV AL，AHOUT 74H，ALMOV AL，10010000B ；8255编程OUT 73H，AL第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换MOV AL，00H ；选A/D的IN0OUT 71H，ALMOV CX，8000PUSH DS ；以下程序段设置中断入口地址表MOV DX，OFFSET INTERRUPT_SERVE MOV AX，SEG INTERRUPT_SERVEMOV DS，AXMOV AX，2537H ；37H是IR7的中断向量INT 21HPOP DS ；设置中断入口地址表完毕第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 LEA BX，BUFFER MOV CX,COUNTER STI WAIT：CMP CX，0 JNZ WAIT CLI MOV AH，4CH INT 21HMAIN ENDP第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 INTERRUPT_SERVE PROC FAR；中断服务程序 INTS：PUSH AX IN AL，70H ；读8255的PA口 MOV BX，AL INC BX DEC CX MOV AL，20H OUT 78H，AL ；正常EOI POP AX IRET INTERRUPT_SERVE ENDPCODE ENDS第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换【例3】AD7472与8086系统的连接如图所示。AD7472的12位数据线DB11-DB0与CPU的数据总线相连，/RD接/IORC。设译码器1在A15-A1=000000001000000时输出为0，与A0、/BHE配合，只有在CPU执行16位输入指令且地址等于80H时，AD7472才被选中。当执行16位的I/O指令时，可在一个总线周期内读取16位数据。由8255作AD7472的控制、状态接口。设8255的地址为90H93H。设系统中定时器每100us中断一次，下面的定时器中断服务程序完成一次数据采集并存放于内存中BUFFER中。主程序应对8255、8253等编程，并对采集的数据进行处理（主程序略）。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换TIMER_INT PROC FAR TIMER_INT PROC FAR PUSH AX PUSH AX MOV AL MOV AL，00H00H OUT 93H OUT 93H，AL AL ；/CONVST=0/CONVST=0，启动，启动A/DA/D MOV AL MOV AL，80H80H OUT 93H OUT 93H，AL AL ；/CONVST=1/CONVST=1 WAIT:IN AL WAIT:IN AL，93H93H AND AL,01H AND AL,01H ；保留最低位；保留最低位 JNZ WAIT JNZ WAIT ；若；若BUSYBUSY为为1 1，则等待，则等待 IN AX IN AX，80H 80H ；1616位数据读命令位数据读命令 AND AX AND AX，0FFFH 0FFFH ；保留低；保留低1212位位 MOV BUFFER MOV BUFFER，AX AX ；存入内存；存入内存 MOV AL MOV AL，20H20H OUT 20H OUT 20H，AL AL ；正常；正常EOIEOI，20H20H为为82598259的地址的地址 POP AX POP AX IRET IRETTIMER_INT ENDPTIMER_INT ENDP第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换11.2 D/A变换器及其应用1.分辨率 分辨率是D/A变换器模拟输出电压可能被分离的等级数，输入数字量的位数越多，输出电压可分离的等级越多。因此我们以输入数字量的二进制位数来表示分辨率。2.建立时间 当DAC输入由最小的数字量变为最大的数字量时，DAC的输出达到稳定所需要的时间称为DAC的输出建立时间。建立时间反映了DAC的转换速度。11.2.1 D/A变换的主要性能参数第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换11.2.2 D/A转换原理1.二进制权电阻网络 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 N=+I=+=*+=*N n位寄存器存放着待转换的二进制数N，每位ai控制开关Si。当ai=1，Si接到VREF；当ai=0，Si接到“地”。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换2.R2R T型电阻网络 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 n位寄存器存放着待转换的二进制数N，每位ai控制开关Si。当ai=1，Si接到VREF；当ai=0，Si接到“地”。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换I=+=+=*+=*N 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换11.2.3 典型D/A变换器介绍 1.8位D/A转换器DAC0832(1)概述 .8位双缓冲型D/A转换器，CMOS工艺。内部T型电阻网络形成参考电流，由输入二进制数 .控制八个电流开关，CMOS的电流开关漏电很小保证了转换器的精度。.DAC0832使用单一电源，功耗低。.从输入数据到输出电压稳定所需的时间即建立时间为1us。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 输入数据为8位并行输入，有两级数据缓冲器及使能信号、数据锁存信号等，与CPU接口方便。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 IOUT1、IOUT2：DAC输出电流，若需要电压输出，要通过运算放大器进行电流-电压转换。Rfb：供电流-电压转换电路使用的反馈电阻。VREF：基准电压输入端，允许范围-10V+10V。VCC：逻辑电路的电源，允许范围+5V+15V。其它：D0-D7，/CS，/WE1，/WE2，ILE，/XFER，AGED，DGND (2)引脚说明第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(3)DAC0832的输出电路 1）单极性电压输出：VOUT-IOUT*Rfb=-*Rfb DAC0832中Rfb15 K，R5 K VOUT =-VREF N/256第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换2）双极性电压输出第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换VOUT=-(+)=-(2VOUT1+VREF)选R2=R3=2R1 =第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(4)DAC0832的工作方式 直通方式：把/CS、/WR1、/WR2、/XFER接地，即第一级、第二级数据缓冲器都直通。单缓冲方式：把/WR2、/XFER接地或/CS、/WR1接地、ILE接高电平。双缓冲方式：由两组控制信号控制数据缓冲器的导通。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换2.12位D/A转换器AD5341 AD5341是高性能的单通道12位D/A转换器，并行数据输入，两级缓冲器结构。内含电流/电压转换，输出为电压信号，简化了应用电路。具有增益控制端，可以选择增益为1或2。单一电源，电压范围2.7V-5.5V。低功耗，5V电源时的电流为140uA。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(1)引脚说明 DB0-DB7为数据线，HBEN为高字节有效信号。当HBEN为低，写入AD5341的是低字节，当HBEN为高，写入AD5341的是高字节；/WR是写信号，/CS是片选信号；/LDAC是将输入寄存器数据装入DAC寄存器的控制信号。/CLR是异步清零端 VDD是电源输入，允许范围是2.55.5V 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 VREF是参考电压输入端。BUF是一个控制参数输入端，其作用是参考电压VREF进入DAC前是否需要使用缓冲器。当使用参考电压输入缓冲放大器，这时允许的VREF输入范围是1VVDD。当不使用参考电压输入缓冲放大器，这时允许的VREF输入范围是0.5VVDD。GAIN为增益控制端，它决定输出的电压范围是0VREF或02VREF。/PD是休眠模式控制端，低电平有效 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换(2)内部结构第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 数字数字-电压转换关系电压转换关系：VOUT =VREF N Gain/212 其中，N为输入的数字量，N=04095；Gain等于1或2。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换AD5341的数据格式：第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换典型的应用电路：返回返回第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换根据硬件图，相应I/O地址分配如下：写低字节数据到输入寄存器：8000H写高字节数据到输入寄存器：8001H输入寄存器内容装入DAC寄存器：8002H(或8003H)DAC寄存器清0：8004H(或8005H)第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换11.2.3 应用举例【例4】由DAC0832实现的8位D/A转换电路见右图，设0832的地址为5AH，基准电压VREF=-5V。试编写程序使其输出锯齿波，并画出输出波形图。第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 MOV AL，00H AGAIN：OUT 5AH，AL ；数据送D/A的数据口 INC AL JMP AGAIN第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换【例5】某8086系统中有一个由DAC0832构成的双极性电压输出的8位D/A转换电路见图，设0832的地址为5AH，基准电压VREF=+1V。系统中定时器8253的与中断控制器8259配合每100us中断一次，试编写中断服务子程序，使其输出三角波，并画出输出波形图。主程序：DATA SEGMENT ；数据段 COUNT DB 0 FLAG DB 0 DATA ENDSCODE SEGMENT ；代码段 ；主程序略第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换INTSERVE PROC FAR ；中断服务程序 PUSH AX MOV AL,COUNT OUT 5AH，AL ；数据送D/A的数据口 CMP FLAG，0 JNZ DECREASE ；FLAG!=0，转减1处理 INC COUNT ；加1 CMP COUNT，255 JNZ NEXT ；不等于255则转移 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 NEXT：MOV FLAG，1 ；置减1标志 JMP NEXTDECREASE：DEC COUNT ；FLAG!=0，减1 JNZ NEXT ；COUNT不等于0则转移 MOV FLAG，0 ；COUNT等于0则置加1标志 NEXT：MOV AL，20H OUT 20H，AL ；设8259端口地址为20H和21H POP AX IRET INTSERVE ENDPCODE ENDS 第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换输出波形图：第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换【例6】某系统中使用AD5341完成D/A变换，（电路图），VREF为2V。试编写中断服务程序，将DATA（字型数据，低12位有效）输出到D/A变换器。D/A变换的GAIN选0、BUF选1。INT_SERVE PROC FAR PUSH AX PUSH DX MOV AX，DATA MOV DX，8000H OUT DX，AL ；写DATA的低8位到AD5341的低字节 输入寄存器 MOV AL，AH第第1111章章 模数、数模转换模数、数模转换 AND AL，0FH ADD AL，80H ；BUF=1，GAIN=0 MOV DX，8001H OUT DX，AL ；写DATA高4位和BUF、GAIN 到高字节输入寄存器 MOV DX，8002H OUT DX，AL ；输入寄存器内容装入DAC寄存器 ；访问8002H端口，与AL内容无关 MOV AL，20H OUT 20H，AL ；正常EOI，20H为8259的地址 POP DX POP AX IRETINT_SERVE ENDP