1、微型计算机接口技术及应用,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。,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量的转换。,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
2、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：,（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。,（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
3、程度。,2 、D/A转换器的连接特性,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，否则必须添加锁存器。,（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
4、种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DAC芯片。,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：,（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
5、宽度相同，具有数据缓冲能力时，可直接与CPU连接。,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,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P260,2.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。,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
6、到模拟地。 采用单缓冲方式连接如图10-3所示。 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：,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。,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,DI11,DI10,DI9,DI8,DI7,DI6,DI5,DI4,DI3,DI2,DI1,DI0,译码器,Y0,IOW,AEN,AB,Y1,Y2,系统总线,W
7、R1,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,图10-6 DAC0832电路,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。,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
8、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。,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。,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。,通过输出波形可求出：V
9、in=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转换器输出使输出电压V0为0，启动信号结束后开始A/D转换。,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：,（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/25
10、6=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（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1MHz），一般数据传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),ST
11、ART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=220227H，采用中断方式的采集程序如下：,(2)12位ADC连接与编程 ADC574A是具有三态输出锁存器的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。,设图
12、10-14所示电路中译码器对A9A1进行译码，Y0=210H、,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。,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
13、。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。,4.地址译码器 接口板的地址译码器采用3片74LS136异或门芯片和一片74LS138译码器芯片构成，接口板采用跳线K对I/O地址进行设置和改变。5.工作原理及程序控制 该接口板的主要操作有通道选择命令、启动ADC转换命令、查询ADC转换是否结束、读取ADC转换数据等A/D转换器方面的命令，以及发送DAC转换数据、启动DAC转换器等。,五、虚拟仪器技术1.虚拟仪器基本结构 虚拟仪器由仪器物理硬件、硬件
14、接口和计算机上运行的虚拟器软件三部分构成，如图10-15所示。,2.虚拟仪器主要技术 传统仪器由信号采集和控制、信号分析和处理、结果表达和输出三部分组成，虚拟仪器也不例外，它需要能实现信号采集和控制的插卡、接口等硬件支持，同时还需要能实现各种信号分析、处理，以满足多种测试功能的分析的支持。3.虚拟仪器软件 虚拟仪器的软件主要由硬件驱动程序、控制软件和图形化用户接口等三部分组成。4.虚拟仪器应用 目前，虚拟仪器的应用越来越广，在基于计算机的测试、测量、数据采集、监控、控制等方面占有重要的地位。,10.4 A/D转换器接口电路设计-查询方式一、12位A/D转换器接口设计1、要求 进行12位转换，转
15、换结果分两次输出，以左对齐方式存放在首址为400H的内存区。共采集64个数据。ADC与CPU之间采用查询方式交换数据，采用AD574A作为A/D转换器。2、分析 AD574A是具有三态输出锁存器的A/D转换器，它可以作12位转换，也可作8位转换。3、设计,（1）硬件连接,AD574内部有三态输出锁存器，故数据输出线可直接与系统数据线相连，将AD574A的12条输出数据线的高8位接到系统总线的D0D7，而把低4位接到数据总线的高4位，低4位补0，以实现左对齐。转换结束状态信号STS，通过三态门74LS125接到数据线D7上。要求分两次传送，故将12/8接数字地。CE接VCC,允许工作。,例如：转
16、换启动端口设置为312H，其中包含A0=0，以实现12位转换。读数据端口设置了两个，一个是12H，包含A0=0，读高字节；一个是311H，包含A0=1，读低字节。,图中I/O端口地址译码有三个端口地址： Y0=310，为状态口；Y1=311H，为数据口（低4位）； Y2=312上，为转换启动控制口/数据口（高8位）。,（2）软件编程 根据题目的要求和信号的时序关系，其数据采集的程序段如下： MOV CX，40H ；采集次数 MOV SI，400H ；存放数据内存首址START：MOV DX，312H ；12位转换（A0=0） MOV AL，0H ；写入的数据可以取任意值 OUT DX，AL ；
17、转换启动（CS，及R/C均置0， CE置1） MOV DX，310H ；读状态，Y0=0，打开三态门 L： IN AL，DX AND AL，80H ；检查D7=STS=0？ JNZ L ；不为0，转换已结束，则等待 MOV DX，311H ；为0，转换已结束，先读低4位 （A0=1）,IN AL， DX AND AL， 0F0H ；屏蔽低4位 MOV SI ，AL ；送内存 INC SI ；内存地址加1 MOV DX， 312H ；再读高8位（A0=0） IN AL， DX MOV SI，AL ；送内存 INC SI ；内存地址+1 DEC CX ；采集次数减1 JNZ START ；未完，继
18、续 MOV AX，4C00H ；已完，程序退出 INT 21H,10.5 A/D转换器接口电路设计- 中断方式一、单板机系统的中断方式数据采集系统设计1、要求2、电路分析与设计 1、硬件 ADC0804, DAC0832, 8259中断控制器; （P276,图10.15） 2、程序设计(P277),D0,D7,D8,D11,D0-D7,D0-D3,D0,D3,D4,D11,D0-D7,D7-D4,10.6 A/D转换器接口电路设计- DMA 方式一、采用DMA方式的A/D转换器接口电路分析与设计1、要求 要求8位A/D转换器，共采集4K个字节数据，采集的数据用DMA方式，送到从30400H开始
19、的内存保存，以待处理，内存地址以+1方式修改。使用DMAC8237A-5的通道1，单一传送方式。2、电路分析与设计 根据上述要求，采用如图10.22所示的电路可以实现DMA方式的数据采集任务。,二、初始化编程1、分析 在PC机系列微机中，由于BIOS已对8237A-5进行了初始化，故用户程序并不需要对所有16个寄存器逐一编程，根据题意只涉及以下几个操作及对应的寄存器。 选定传送通道及工作方式，使用工作方式及对应的寄存器。 设置DMA屏蔽字，使用屏蔽寄存器，端口=0BH。,设定传输的总字节数，使用字节数寄存器，端口=03H（通道1）。 设定传送的存储器地址，使用地址寄存器，端口=02H（通道1）
20、。 写清除先/后触发器，使用地址寄存器，端口=0CH。 2、编程,10.7 超高速数据采集系统一、超高速视频闪烁A/D转换器 近年来VISI技术的突破性成就使得采用全并行直接转换方式的闪烁型ADC能达到较高分辨率，一般为410位，其采样速率高达1800MSA/s。如模拟器件公司生产的AD9048，采样速率可达35MSA/s，分辨率为8位。1、AD9048闪烁A/D转换器原理 一种典型的闪烁A/D转换器的原理框图如图10.23所示。,在闪烁ADC中，模拟输入信号被同时加在2N-1个可锁存的比较器上，这里N为ADC的分辨率位数。 AD9048内部主要由3个功能块构成：比较器阵列、解码逻辑和输出锁存
21、器。在比较器阵列内，模拟输入信号将与255个参电压进行比较，当模拟输入信号电压比参考电压高，比较器的输出为高（1），反之输出为低（0）。输入到解码逻辑中并被换成二进制码，,二、一个30MHz采样频率的数据采集系统的设计1、在板存储器方式 虽然8237A-5DMAC能够为存储器和I/O之间提供高达1.5MB/s的数据传输率，但对采用AD9048可达35MSA/s的数据采集系统还是不能满足实时传送的要求。 为此，一般采用在板存储器（on-board RAM）方式传送数据。,2.硬件设计 图10.26为一个30MHz超高速数据采集系统的接口电路原理图，其中包括了闪烁A/D转换器AD9048，高速RA
22、M，地址计数器和相应的控制逻辑。（1）数据采集和在板存储操作（2）数据读取操作3.软件编程 设在板RAM的容量为8KB，要求将采集的数据存入内存从32000H开始的连续空间内，其程序段如下： ；写端口定义 RESET-ADDRESS EQU？ ；地址计数器清零端口 START EQU？ ；启动转换端口,；读端口定义STATE EQU？ ；状态端口RD-DATA EQU？ ；读数据端口SAMPLE SIZE EQU IFFFH ；采样次数为8KDATA CONVERION PROCMOV DX，RESET-ADDRESS ；对RESET-ADDRESS端口 作一 次写作操 OUT DX，AL ；
23、使地址计数器清零MOV DX，STATE ；对START端口进行一次写作， 启动AD转换OUT DX，AL MOV DX，STATE ；读状态口检测转换是否完毕,RE-TEST：IN AL，DXAND AL，01 ；D0=1？JZ RE-TEST ；未转换完毕，继续转换 MOV ES，3000H ；内存区首址的段地址MOV DI，2000H ；偏移地址CLD ；清DF（内存地址自动加1）MVO CX，SAMPLE SIZE ；采样次数MVO DX，RD-DATA ；读数据端口READING：IN AL，DX ；读数据LOOP READING ；未读完，继续RET ；已读完，返回DATA COV
24、ERSION ENDP,10.8 PC系统的A/D、D/A通道一、模拟通道的电路组成1、多通道模拟开关 为了从多个模拟量中选取其中一个进行输入，通常采用拟多路开关来实现信号的分时切换。为了提高系统的精度和速度，对它的要求主要有3点：当初换开关接通时，希望它的导通静态电阻无穷小；当切换开关断开时，希望它的开路静态电阻无穷大，即开关的地漏电流越小越好（0.51an）；,切换速度越快越好（延迟时间一般为100ns0.8us），用户可根据需要进行选择。 如AD公司的AD7501（81），AD7506（161）。,2、采样/保持器 从原理上讲，一个开关和一个电容器就可构成采样/保持电路，如图10.27所
25、示。,常用的采样/保持器，如廉价的LF398，通用型AD582、AD583，高速型THS-0060以及超高速型THS-0010等。二、模拟通道的结构形式1、A/D通道的结构形成（1）单通道, 不带采样/保持器的单通道。用于直流或低频模拟信号的 A/D转换。 带采样/保持器的单通道。用于高速模拟信号的A/D转换。（2）多通道每个通道都带有采样/保持器和A/D转换器的并行多通道。,各通道带采样/保持器，但共享A/D的多通道。,共享采样/保持器和A/D转换器的多通道。,2.D/A通道的结构形式每个通道都带有锁存器及D/A转换器的并行多通道，它一般用于高速系统，如图10.31所示。,共享D/A转换器的多通道。由于共享D/A转换器串行工作，速度较慢，且输出端是采用保持器，靠保持电容维持模拟信息，需要用软件刷新，如图10.32所示。,三、A/D、D/A通道设计1.要求2.分析,
