第9AD转换.ppt

第9章 数/模与模/数转换,9.1 数/模（D/A）转换 9.2 模/数（A/D）转换 9.3 典型A/D转换器芯片 9.4 数据采集系统,数字量（Digit）和模拟量（Analog）,数字量：从键盘读入的字符代码，送往磁盘存储的文 件信息等。 模拟量：语音信号，送往VGA显示器的视频信号，以 及工业生产过程中温度、流量等物理量。它们随 着时间连续变化。 为了使用计算机对模拟量进行采集、加工和输出，需 要把模拟量转换成便于数字计算机存储和加工的 数字量（A/D转换，ADC），或者把数字量转换 成模拟量(D/A转换，DAC)。 D/A与A/D转换是计算机用于多媒体、工业控制等领 域的一项重要技术。,图9-1,模拟量输入输出通道,1 传感器（变送器）,把外部的物理量（例如：声音、温度、压力、流量 等）转换成电流或电压信号。,2 A/D转换器（Analog Digit Converter, ADC）,将电压表示的模拟量转换成数字量，送计算机处理。 它是输入通道的核心环节。 AD转换器输入模拟信号通常有以下几种电压范围： 单极性05V、010V、020V; 双极性±2.5V、±5V、±10V等。,3 信号处理,传感器输出的信号比较微弱，需要经过放大，获得ADC 所要求的输入电平范围。 安装在现场的传感器及其传输线路容易受到干扰信号的 影响，需要加接滤波电路，滤去干扰信号。,4 多路开关（Multiplexer）,需要监测或控制的模拟量往往多于一个。可以使用多路 模拟开关，轮流接通其中的一路，使多个模拟信号共用 一个ADC进行A/D转换。,5 采样/保持器（Sample Holder）,如果在一次转换期间，输入的模拟量有较大的变化， 那么转换得到的结果会产生误差，甚至发生错误。 A/D转换期间保持输入信号不变的电路称为采样/保持 电路。 转换开始之前，采样/保持电路采集输入信号（采样） 转换进行过程中，它向A/D转换器保持固定的输出 （保持）。,6 D/A转换器（Digit Analog Converter, DAC）:,D/A转换器将成数字量转换成模拟量输出。,9.1 数/模（D/A）转换,9.1.1 数/模转换原理 9.1.2 D/A转换芯片DAC0832,图9-2,1. 权电阻D/A,2. R-2R T型电阻网络D/A转换器,D/A转换器进行一次数字量到模拟量的转换需要的时间， 称为D/A转换时间，一般在500ns(纳秒, 1ns=10-9s)左右。 为了保存由计算机送来的数字信号，通常还需要配置一 个“数据寄存器”，向D/A 转换器提供稳定的数字信号。,9.1.2 D/A转换芯片DAC0832,1 DAC0832的引脚信号,DI0DI7：8位数字量输入。 ILE：数据锁存允许信号，高电平有效； CS#：输入寄存器选择信号，低电平有效； WR1#：输入寄存器的“写”选通信号，低电平有效。 输入寄存器的锁存信号LE1#=(CS#+WR1#)#·ILE。 LE1#=1，输入锁存器状态随数据输入状态变化； LE1#=0 时，锁存输入数据。,XFER#：数据转移控制信号，低电平有效； WR2#：DAC寄存器的“写”选通信号。 DAC寄存器的锁存信号LE2#=WR2#+XREF#。 LE2# =1时，DAC寄存器的输出跟随输入变化； LE2# =0时，锁存输入寄存器状态。 VREF：基准电压输入。（10V10V）,DAC0832的引脚信号,Rfb：反馈信号输入，芯片内已连接有反馈电阻。 IOUT1和IOUT2：电流输出引脚。IOUT1与IOUT2 的和为常数，IOUT1随DAC寄存器的内容线性变化。 Vcc是工作电源；DGND是数字地，AGND为模拟 信号地。,DAC0832的引脚信号,为了保证转换精度，模拟信号部分应使用高精度基 准电源VREF和独立的地线。 为了避免数字信号对模拟信号的干扰，提高输出的 稳定性，减少误差，应把数字地和模拟地分开： 模拟地：模拟信号及基准电源的参考地； 数字地：工作电源地，数据、地址、控制等数字 信号逻辑地。 D/A转换器的输出一般都要接运算放大器，微小信 号经放大后才能驱动执行机构的部件。,DAC0832的引脚信号,图9-5,DAC0832的连接,2. DAC0832的应用,直通输入：把CS#, WR1# , WR2#, XREF#都接地，由 微机的并口（例如8255）向0832输出。 单缓冲：地址选通PORT0连接CS#。I/O写信号IOW#同 时连接到WR1#、WR2#和XREF#。执行一次输出指令可 以将数据写入。 双缓冲方式： 在输出一个模拟信号的同时，可送入下一个数据，实现 多个DAC同时输出新的模拟量。 DAC0832占用两个端口地址，地址线A0=0时选中第一级，A0=1时选中第二级。 输出一个数据需要执行两条输出指令： 第一条指令将数据写入0832的输入寄存器； 第二条指令将数据从输入寄存器送入DAC寄存器,图9-5,2. DAC0832的应用,MOV AL , NUM ；被转换的数据送AL MOV DX, PORT0 ；输入寄存器偶地址送DX OUT DX, AL ；数据送到输入寄存器 INC DX ；A0=1 OUT DX, AL ；数据送入DAC寄存器,双缓冲方式输出程序,输出锯齿波的程序段,MOV AL, 0 J1： CALL OUTPUT ；输出当前值 INC AL ；产生下一个输出值 JMP J1,输出三角波的程序段,S0： MOV AL， 0 ; AL中置初值0， S1: CALL OUTPUT ；输出三角波的上升段 INC AL JNZ S1 DEC AL S1： CALL OUTPUT ；输出三角波的下降段 DEC AL ；产生下降段下一个值 JNZ S2 ； JMP S1 ；下降段结束， ; 输出下一个三角波,OUTPUT PROC NEAR MOV DX, PORT0 ；DAC0832端口地址 OUT DX, AL INC DX OUT DX, AL ; PUSH AX MOV AX, N ；延时的时间常数 WT: DEC AX JNZ WT ；延时 POP AX RET OUTPUT ENDP,子程序“OUTPUT”,9.2 A/D 转换,9.2.1 信号变换中的采样、量化和编码 9.2.2 A/D 转换原理 9.2.3 A/D转换器的主要技术指标,9.2.1 信号变换中的采样、量化和编码,1. 采样,采样：模拟信号的大小随着时间不断地变化，A/D转换实际上是按一定的周期对各瞬时值进行转换。 采样保持：对于变化较快的输入模拟信号，A/D转换前可采用采样保持器，使得在转换期间保持固定的模拟信号值。 采样定理：采样频率要高于或至少等于输入信号最高频率的2倍。实际应用中，采样频率可以达到信号最高频率的48倍。,2. 量化,量化是把采样值取整为最小单位的整数倍。 量化的最小单位称为量化单位，它等于输入 信号的最大值/数字量的最大值，对应于数字量1。 输入信号的最大值一般等于所使用的“参考电压(VREF )”,图9-7,3. 编码,量化得到的数值通常用二进制表示。 对有正负极性（双极性）的模拟量一般采用偏移码表示。 例如，8位二进制偏移码10000000代表数值0， 00000000代表负电压满量程， 11111111代表正电压满量程 （数值为负时符号位为0，为正时符号位为1） 。,9.2.2 A/D 转换原理,这种方式的转换中有两个积分时间： T0：用模拟输入电压对电容积分（充电）的时间 这个时间是固定的； T1：以电容充电后的电压为初值，对参考电源 VRef反向积分，也就是积分电容被放电至 零所需的时间（或T2）。,1. 双积分型A/D转换器,图9-8,双积分型A/D转换器,Vi/VRef = T1/T0。 由于VRef 、T0固定，通过测量放电时间T1，可求出输入模拟电压Vi的大小。 双积分型A/D转换测量输入电压Vi在T0时间内的平均值，所以对常态干扰（串模干扰）有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号，抑制效果更好。 双积分型的A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，精度高，但是转换速度比较慢，通常为ms级，一般用于低频信号的测量。,双积分型A/D转换器,图9-9,2. 逐次逼近型的A/D转换器,逐次逼近式的A/D转换器的特点,（1） 转换速度较快，转换时间在1100s以内， 分辨率可达18位，适用于高精度、高频信号 的A/D转换； （2） 转换时间固定，不随输入信号的大小而变化； （3） 抗干扰能力较双积分型弱。采样时，干扰信号会造成较大的误差，需要采取适当的滤波措施。,图9-10,3. 跟踪计数式模数转换器,图9-11,4. -型模数转换器,（设输入模拟量Vin=1/4VREF）,-型模数转换器以串行数据流方式输出结果； 转换精度为1LSB； 转换完成后，比较器输出0/1相间的数字流； 输入模拟量Vin发生变化，输出数字流随之变化。 模拟量输入端接有多路开关时，通道切换后要等 待足够长的时间，才能读取转换结果。 -型模数转换器抗干扰能力强，转换精度高，常用于高分辨率（常见为16、18、24位）的中、低频信号测量。 AD7714是一个-型模数转换器芯片，转换精度24位。,-型模数转换器,1. 分辨率 分辨率反映A/D转换器对输入微小变化的响应能力，用数字量最低位（LSB）所对应的模拟输入电平值()表示。 分辨率直接与转换器的位数有关，也可以用数字量的位数来表示分辨率。 注意：分辨率与精度是两个不同的概念。 分辨率高的转换器，精度不一定高。,9.2.3 A/D转换器的主要技术指标,2. 精度 (有绝对精度和相对精度两种) （1）绝对误差 绝对误差等于实际转换结果与理论转换结果之差。 也可以用数字量的最小有效位（LSB）的分数值表示。 例如: ±1LSB，±1/2 LSB，±1/4 LSB等 （2）相对误差 相对误差是指数字量所对应的模拟输入量的实际值与 理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。 例：10位A/D芯片，输入满量程10V， 绝对精度 ±1/2LSB （9.77mV） 绝对精度为：1/2（4.88mV） 相对精度为：4.88mV/10V0.048。,3. 转换时间 完成一次A/D转换所需要的时间。 （发出转换命令信号到转换结束的时间） 转换时间的倒数称为转换速率。 例：AD574的转换时间25s， 转换速率为40KHz（=1/25 s ） 4. 量程 量程：被转换的模拟输入电压范围， 分单极性、双极性两种类型。 单极性常见量程为 05V，010V，020V； 双极性量程常为5V5V，10V+10V。,5. 逻辑电平与输出方式 多数A/D转换器输出的数字信号与TTL电平兼容，以并行方式输出。 -A/D转换芯片以串行方式输出数据，这对单片机类CPU连接是很方便的。 6. 工作温度范围 温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等部件的工作产生影响。 A/D转换器的工作温度范围一般为070。 军用品为55125。,9.3 典型A/D转换器芯片,逐次逼近型8位A/D转换芯片； 片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量； 单极性，量程为05V； 典型的转换速度 100s； 片内有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线连接； 有较高的性能价格比，适用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域。,9.3.1 ADC0809,图9-12,1. 模拟输入部分 模拟输入部分由8选1多路开关，地址锁存与译码逻辑组成。 从IN0IN7引脚输入8路单端模拟信号； 由三位地址输入ADDA，ADDB，ADDC译码选择8路中的一路，ALE为高电平时，三个地址信号被锁存。 2A/D变换器部分 由逐次逼近寄存器SAR（8位）、比较器、电阻网络等控制逻辑组成。,3. 基准电压输入VREF(+)和VREF() 它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值 对转换精度要求不高时，可以把VREF(+)接到Vcc（+5V）电源上，VREF()接GND（地） 为了避免数字脉冲信号对基准电源的干扰，可以设置独立的VREF(+)和VREF()，加在两个引脚的电压必须满足以下条件： VREF(+)+VREF() =Vcc，偏差值±0.1V VccVREF(+)VREF() 0,图9-13,4 ADC0809的时序,（1）ALE信号锁存地址信号ADDAADDC。对应的模拟信号进入0809 （2） START脉冲启动A/D转换 （3） 转换完成后，转换结束信号EOC变为高电平： 可以作为状态信号由CPU查询； 可以作为中断请求信号通知CPU。 （4） CPU在查询式I/O程序或中断服务程序中： 执行输入指令（读ADC0809数据端口）； 该指令经地址译码电路产生OE信号， 0809内三态缓冲器被打开， 转换结果通过数据总线进入CPU。,ADC0809的工作过程,ADC0809与系统有三种常见的连接方法： （1） 占用三个I/O端口： 端口1用来向0809输出模拟通道号并锁存； 端口2用于启动转换； 端口3读取转换后的数据结果。 （2） 占用二个I/O端口： 端口1输出模拟通道号并锁存，同时启动转换； 端口2读取转换后的数据结果。 （3） 通过并行接口芯片（例如8255A）连接。,5. ADC0809芯片应用举例,图9-14,ADC0809芯片应用举例,START: MOV AL, 98H ; 8255A方式字：方式0，A口输入，B口输出 MOV DX, 03FFFH ; 8255A控制端口地址 OUT DX, AL ; 送8255A方式字 MOV AL, 0BH ; 通道号3、ALE信号 MOV DL, 0FDH ; 8255A的B口地址 OUT DX, AL ; 送通道号3及ALE信号 MOV AL, 1BH ; 增加启动信号START OUT DX, AL ; 启动A/D转换,ADC0809转换程序,MOV AL, 0BH ; OUT DX, AL ; 撤销START信号 MOV DL, 0FEH ; 8255A的C口地址 TST: IN AL, DX ; 读C口状态 AND AL, 10H ; 查询EOC状态 JZ TST ; 如未转换完，再测试 MOV DL, 0FCH ; 8255 PA端口地址 IN AL, DX ; 从A端口读入转换结果 ,ADC0809转换程序（续）,1. AD转换器AD574的主要特性： 美国AD公司的产品 12 位逐次逼近式A/D转换器，8位/12位A/D转换 12位数据可以一次输出，也可以分二次输出 三态缓冲输出； 带有基准源和时钟； 转换时间：25s（12位）； 分辨率：12位； 精度：±1LSB。,9.3.2 AD574A,AD574共有28根引脚，DIP封装 （1） 12位数字量输出：DB11DB0 （2） 模拟量输入：10VIN及20VIN，双极性±5V或 ±10V输入，单极性010V或0+20V输入,AD574的引脚信号,CS# 片选信号，低电平有效。 CE 芯片允许信号，高电平有效。 R/C# 读出和转换控制信号，=1为读，=0为转换。 12/8#数据输出格式选择控制线， 1时 12位同时输出； 0时 高8位、低四位分两次输出，左对齐格式 A0 字节方式下的高/低字节选择控制线。 STS状态输出信号线 转换过程中，STS为高电平 转换完成后，该脚为低电平。 BIP输入信号极性选择， 接地时输入单极性信号； 接+10V时输入双极性模拟信号（输出偏移码）,（3） AD574的控制信号：,图9-15,AD574的引脚信号,图9-16,3. AD574的输入连接,图9-17,4. AD574A的输出接口（字节方式）,以8位总线接口为例，直接读取（固定延时）方式实现一次转换的程序如下： OUT 80H, AL ； 启动12位转换 CALL DELAY ； 延时，等待转换结束 IN AL, 80H ； 读入高8位 MOV AH, AL IN AL, 81H ； 读入低位字节，转换值在AX的高12位中 MOV CL, 4 SHR AX, CL ； 把转换值移入AX低12位,9.4 数据采集系统,某公司电镀线微机集散控制系统： 一个以工控PC（PCBus industrial computer）为核心的数据采集系统。 系统功能： 检测电镀工艺参数（温度、电流、安培小时累计） 电镀槽温度控制，加料控制。 行车控制,图9-18,电镀线微机集散控制系统,工业控制数据采集系统以往用单片机，单板机配以各种AD，DA芯片自行设计模拟量输入输出通道。 优点：成本低，结构紧凑。 缺点：软硬件开发周期长，难度大。 工控PC特点： 使用标准化的机箱，整机抗震、防尘能力强； 有抗干扰能力极强的电源和主板，能24小时连续工作。 软件开发以高级语言为主，设计周期短，软件的调试、移植较汇编语言方便。 配有有各种商品化的I/O、A/D、D/A接口卡，结构紧凑，性能稳定，用户可迅速组装成一套完整数据采集系统，系统升级方便。,9.4.1 工控PC简介,多功能ISA总线接口卡： 16路开关量I/O 16路A/D（12位） 1路D/A A/D转换使用AD574，配以16路模拟开关及量程切换 占用16个端口地址，基地址由开关设定,9.4.2 PCL818多功能接口卡,1. 定时中断方式采样及数字滤波 对8个点的温度数据定时巡回采集 在1CH定时中断服务程序中(每55ms进入一次)对8路温度模拟量进行查询式输入，一路A/D转换时间小于40s，8路采样所耗费的时间小于0.5ms。,9.4.3 数据采集软件设计,采用移动算术平均方法进行“数字滤波”。构造一个“先进先出（FIFO）” 队列，每采样一次，把15个数据顺序向前移动一个位置，新的数据放入这个队列的尾部。 将本次的采样值与前15次采样值相加，求出的平均值作为本次的采样值。 本例中，对于8个点的数据采集，构造了二维数组ti816，每一路温度存入数组的一行tii，滤波后,2. 非线性标度变换 实际的传感器存在着“非线性”，可以把温度K和转换值AD之间的关系近似看作由3个点表示的二条“折线”。 测量每个传感器的三点6个坐标值，N路A/D有N×6个参数，将这些数据存放在TEMP.TXT文件中。 根据每个传感器的6个坐标值(k1，k2，k3，ad1，ad2，ad3)计算相应的物理量。 测量值AD和它所对应的温度K之间的转换公式为： AD AD2时： K=K2+(K3-K2) (AD-AD2) /(AD3-AD2) AD AD2时： K=K1+(K2-K1) (AD-AD1) /(AD2-AD1),/* 符号名、全局变量和函数声明 */ # include “dos.h” # define N 8 /* 采样点数 */ # define BASE 0x300 /* AD818卡基地址 */ # define INTERRUPT 0x1c /* 定时中断类型号 */ static unsigned tN,sumN=0,sampleN16=0 ,sp=0; Void interrupt far (* oldhandler)( ); /* 定义oldhandler为指向中断服务程序的指针*/,3. 温度数据采集程序,main( ) int i, j ; void far handler( ); /* 函数handler( )声明 */ oldhander = getvect ( INTERRUPT ); /* 读出原1CH中断向量 */ setvect (INTERRUPT , handler ); /* 把新的1CH中断向量写入向量表 */ ,主函数（1）- 设定中断向量 */,unsigned int AD818( int scan ) /* 函数AD818从AD818卡采集一次数据，scan为通道号 */ int lbit, hbit, it=0, result ; outportb (BASE+2, scan) ; /* 向AD818输出通道号 */ outportb (BASE +1, 0) ; /* AD输入量程控制 */ outportb (BASE +9, 0) ; /* 不使用中断或DMA */ outportb (BASE +0, 0) ; /* 启动AD转换 */,数据采集函数- AD818() (1),do it = it+1; result = inportb(BASE +8) /* 采集数据超时，818卡有故障 */ ,数据采集函数- AD818() (2),void interrupt far handler( ) /* 55ms定时中断服务程序，采集每个点的数据*/ int isp，s ; for ( isp=0 ; isp=N1; isp+) s = AD818( isp ) ; /* 采集一个点的数据 */ sumisp = sumisp - sampleispsp + s ; /* 求16个采样值的和 */ sampleispsp = s; /* 将本次采样值替换最早的采样值 */ tisp = nonlinear(sumisp / 16) ; /* 求平均并非线性补偿后得到现场温度 */ if ( +sp = 16) sp = 0; /* 移动FIFO队列未指针 */ oldhandler( ); /* 进入原1CH中断服务程序，此后返回断点 */,定时中断服务（数据采集）函数,习题9,1. A/D和D/A转换在微机应用中分别起什么作用？ 2. 怎样将D/A转换器连接到微型计算机？ 3. 修改图9-5，将DAC0832的两级锁存合为一级使用，画出连接图，并编写输出三角波和锯齿波的程序。 4. 一个8位D/A转换器的满量程（对应于数字量255）为10V。分别确定模拟量2.0V和8.0V所对应的数字量。 5. 简述逐次逼近式A/D转换器的工作原理，并将它和-A/D转换器进行比较。,6. 若ADC输入模拟电压信号的最高频率为100KHZ，采样频率的下限是多少？完成一次A/D转换时间的上限是多少？ 7. 在使用A/D和D/A转换器的系统中，地线连接时应注意什么？ 8. 怎样用一个A/D芯片测量多路信息? 9.一台工控PC有两块818卡，基地址分别为base1,base2,试编制采样24路（一块卡16路，一块卡8路）模拟量的C语言程序。,