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1、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 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转换原理 数/模转换器的核心器件是“解码网络”常用的解码网络有权
2、电阻解码网络、T型解码网络等，T型解码网络的原理如图10-1所示。,图中Vref为参考电压，S7、S6SO为8个电子开关，受计算机输出的二进制数据控制其导通/关断。解码网络相邻两节点之间的电阻都为R，但节点7与运算放大器之间，节点0与地之间的电阻为2R，各支路电阻为2R。不论电子开关导通/关断，从任一节点向左、向右看（不包含支路电阻）的等效电阻都是2R。 用叠加原理分析输入到运算放大器的总电流：依次假设S7S0中只有一个电子开关接通Vref，其他电子开关接地，可求出总电流为： 总电流=D7I2-1+D6I2-2+D0I2-8 =I2-8(D727+D626 +D020) =N2-8(Verf/
3、3R) 由于Verf和3R均为固定值总电流只与输入的二进制数N有关， 所以通过解码网络可得到一个与输入数字量成比例关系的电流。,集成化的D/A转换芯片按输入二进制的位数常见的有8、12、16、 20位D/A转换器。 二、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： （1）分辨率： 指D/A转换器能分辨的最小电压增量，或1个二进制增量所代表的模拟量大小。 分辨率的表示式为： 分辨率=Vref/2位数 或 分辨率=（V+ref+V-ref)/2位数 若Vref=5V，8位的D/A转换器分辨率为5/25
4、6=20mV。,（2）转换时间： 指数字量输入到模拟量输出达到稳定所需的时间。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程度。,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
5、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）输出极性： DC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。 三、DAC典型连接 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： （1）当DAC位数
6、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。,（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。 1.8位DAC连接 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
7、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： TRG： MOV DX，200H MOV AL，0H TN1： OUT DX，AL INC AL,JNZ TN1 MOV AL，0FFH TN2： OUT DX，AL DEC AL JNZ TN1 输出锯齿波程序段如下： TRG： MOV DX，200H MOV AL，0H TN： OUT DX，AL INC AL JMP TN ,利用图所示的DAC0832单缓冲方式连接图，也可输出正弦波， 由于DAC0832是一个单极性输出DA
8、C芯片，因此在正弦波输出中应 将0V平移到128数值上，其C语言控制程序如下： #include #include Main() unsigned char V0=128,VOUT; int i; Next: i=0; while(I=360)角度最大为360度 VOUT=V0+128*sin(3.14159*I/180); 计算每10度的正弦值 outportb(0x200,VOUT); 输出,i=i+10; 角度+10 while(!kbhit() 等待键盘 goto next 键盘无键按下，重复输出正弦波 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
9、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,WR1,WR2,BYTE1 /BYTE2,XFER,CS,Vcc,AGND,Rfb,101,102,22k,-12V,+12V,W1,10k,10k,Vout,W2,22k,-12V,Vref,DGND,+5V,+1
10、2V,2DW7C,470,200,W3,1K,100,4.7uF,图10-5 DAC121与CPU连接,在图10-5所示的DAC1210连接电路中，电位器W2用于调零、W1用于DAC满刻度修正。设译码器YO端口地址为200H,用该电路产生连续锯齿波输出程序如下： MOV DX, 340 MOV AL,DATAH OUT DX,AL ;输出高8位数据 INC DX ; MOV AL,DATAL ;低4位数据输出 OUT DX,AL MOV DX,342H ; OUT DX,AL ;输出12位数据,四、D/A转换器应用 1、函数DAC可以产生任意波形、幅度和频率的信号，如三角波、方波、函数波等。在
11、图10-6所示的DAC电路中， 设CS=200H,产生Y=2COS（200t)SIN(100t）的函数信号程序。,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
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：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
13、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，其主要参数有：,（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（
14、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1s)等。 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
15、：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。 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。,（4）DMA传送数据：当ADC采样速 率很高（fs
16、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),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：,include #include Void interrupt far adc-proc()； Main() void
17、 (interrupt far*mode)()； disable()；关中断 mode=getvect(0x0a)； 取IRQ2中断向量 setvect(0x0a,adc-proc)；设置中断向量 Enable(); 开中断 outportb(0x220,00); 启动ADC转器，选择IN0通道 while(！Kbhit() 等待键盘 setvect(0x0a,mode); 有键按下时，恢复IRQ2中断向量 ,voed interrupt far adc-proc()中断服务程序 unsigned char result; Disable(); 关中断 Result=inportb(0x220
18、); 取ADC转换结果 Printf(“DIGIAL=%d/n”,result); 显示转换数据 Outportb(0x220,00); 启动下一次ADC转换，选择IN0通道 Outprotb(0x20,0x20); 向8259送EOI信号 Enable(); 开中断 (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
19、10-13所示。,设图10-14所示电路中译码器对A9A1进行译码，Y0=210H、,Y1=212H213H，因此ADC574A的CS=211H213H分另用于高位和 低位数据的读取，采用查询方式的数据采集程序如下： #include #include Main() unsigned int DATA256; 采集数据存放数组 unsigned char status,datah,datal,id; id=1; while(!kbhit() 等待键盘，按任意键结束 outportb(0x212,0x00); 启动12位转换，CS、A0、 R/C=0，CE=1 do status=inportb
20、(0x210); 读取状态,status=status 0x80; D7(STS)=1? while(status!=0); STS不等于0，等待A/D转换完， 再读状态 datah=inportb(0x212); A/D转换完成，读取高8位 datal=inportb(0x213); 读取低8位数据 DATAid=16*datah+datal; 合成高8位数据与低4位数据 id+; 数组下标+1 A/D转换采集程序一般采用中断方式编写（MS-DOS)环境或 Windows95/98环境）或线程方式编写（Windows95/98环境），用软 件查询方式可能会导致数据丢失，因此使用较少。,四、数
21、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。,3.ADC与DAC转换器 接口板的A/D转换采用ADC574
22、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、硬件接口和计算机上运行的虚拟器软件三部分构成，如图10
23、-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，转换结果分两次输出，以左对齐方式存放在首址
24、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。 图中I/O端口地址译码有三个端口地址： Y
25、0=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）。 例如：转换启动端口设置为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312H，包含A0=0，读 高字节；一个是311H，包含A0=1，读低字节。,（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 ；转换启动（CS，及R/C均
26、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，继续 MOV AX，4C00
27、H ；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开始的内存保存
28、，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
29、道1）。 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
30、 辑和输出锁存器。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/
31、D转换器AD9048，高速RAM， 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8K DATA CONVERION PROC MOV DX，RESET-ADDRESS ；对RESET-ADDR
32、ESS端口 作一 次写作操 OUT DX，AL ；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，DX AND 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
33、 READING ；未读完，继续 RET ；已读完，返回 DATA COVERSION 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）。,常用的采
34、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,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所示。, 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,