AD和DA接口技术.ppt

9.1 模拟量输入通道模拟量输入通道对各元器件的要求对各元器件的要求1传感器的选择传感器的选择 传感器可以分为两大类：一类为模拟量输出；另一类为开关量。在选择传感器时，要注意考虑下列几点：（1）工作范围 器件本身的工作范围不能小于所测量的变化范围。（2）环境条件 环境条件指工作环境的温度、湿度、气压、有害气体浓度及连续 工作时间等；选用器件的适应范围应高于实际环境条件。（3）灵敏度与精度 灵敏度和精度是两个不同的概念，灵敏度指的是输出量的变化与 引起此变化的输入量变化之比；而精度则是传感器在工作范围内 最大误差与其工作范围之比。（4）可靠性 传感器一般安放在工业现场，而现场的环境又可能比较差，因此 在一些场合对可靠性的要求会很高。可靠性也是一个与寿命相联 系的物理量。2对采样对采样/保持器的要求保持器的要求（1）不带采样）不带采样/保持器的单通道保持器的单通道A/D转换转换 对于直流或者低频信号，通常可以不带采样/保持器。这时模拟输入 压的最大变化率与A/D转换器的转换率有如下关系：式中：TCONV A/D转换时间；VFS 转换器的满刻度值；n 转换器的分辨率。例如对AD574：VFS10V，n12，TCONV25s 则输入电压最大变化率为：（2）带有采样保持器的单通道）带有采样保持器的单通道A/D转换转换 在模拟信号变化率较大的输入通道，需要采用采样保持器，这时模拟输入信号的最大变化率取决于采样保持器的孔径时间。其输入的模拟信号最大变化率为：式中：n 分辨率；VFS 转换器的满刻度值；Tap 孔径时间，保持命令发出到输入控制开关K完全断开 所需时间。分辨率n是指A/D转换结果的分辨能力。若用百分数来表示AD574的分辨率则为：（3）采样）采样/保持器保持器在A/D进行转换期间，保持输入信号不变的电路为采样/保持电路。3采样定理及采样周期的选择采样定理及采样周期的选择 通常采样周期由模拟信号带宽、数据通道路数和每个周期的采样数决定。奈奎斯特（Nyquist）采样定理：在理想的数据采集系统中，为了使采样输出信号能无失真地复现原输入信号，必须使采样频率（fs）至少为输入信号最高有效频率（fmax）的两倍，即fs 2 fmax，否则会出现频率混迭误差。满足奈奎斯特定理的采样最低值为2倍.实际使用时，为了保证数据采集精度，在前向通道中的采样值一般按下述方法取值：（1）增加每个周期的采样数，通常 fs(510)fmax。（2）在A/D转换前设置低通滤波器，消除信号中无用的高频分量。（3）对于多通道数据采集系统，由于是分时控制采样，则最小采样频率应为：fs=(710)fmaxN其中N为通道数。最大采样周期：Ts1/fs。表9-1 四种多路开关特性的比较开关种类最大开关速度(每秒采样次数)导通电阻（）截止电阻（）击穿电压（V）双极晶体管舌簧继电器结型场效应管MOS场效应管103250106106 25 0.151000510001010101010101010 601000 60 604多路模拟转换开关多路模拟转换开关图9-3 AD7501、AD7503原理框图及管脚图表9-2AD7501 真值表A2 A1 A0EN输输入通道入通道0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 111111110S1S2S3S4S5S6S7S8无传感器放大整形光电隔离微 机频率量输出开关量输出图9-5 频率及开关量的信号输入形式9.2 A/D转换接口技术转换接口技术9.2.1 A/D转换硬件设计要考虑的问题转换硬件设计要考虑的问题在前向通道选用A/D转换芯片时，要注意考虑下面几个问题:1分辨率与量化误差分辨率与量化误差 A/D转换器的分辨率是指转换器所能感受到的模拟输入量的最小变 化值。通常定义为满刻度电压值与2N之比值。量化误差是由于A/D转换器的分辨率有限所引起的误差，其大小通常规定为1/2LSB。2精度精度 A/D的转换精度是反映实际A/D转换器在量化值上与一个理想A/D转 换器的差值，可表示成绝对误差和相对误差。绝对误差的大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数（）来表示。3转换时间和转换速率转换时间和转换速率 A/D转换器完成一次转换所需的时间叫转换时间。而转换速率是转换时间的倒数。A/D转换器按转换速度可分为三类：低速、中速和高速。4接口时注意的问题接口时注意的问题 （1）模拟量输入信号的连接 对A/D转换器的输入极性的不同可通过改变外接线路来改变量程。微机系统的多通道输入可采用两种方法：a.采用单路模拟输入的A/D芯片，在模拟量输入端加接多路开关；b.采用带有多路开关的A/D转换器。（2）输出数字量引脚的连接 a.有无锁存器的区别；b.根据位数的不同，A/D转换器与单片机数据总线的连接方法不同。（3）A/D转换器的启动方式 电平触发和脉冲触发 （4）判断A/D转换结束及读取数据 程序查询方式 中断方式 软件延时方式 等待方式 （5）参考电源的连接 若模拟量信号为单极性时，VREF()端接模拟地，VREF()端接参考电源正端；当模拟量信号为双极性时，则VREF()接参考电源的正端，VREF()接参考电源负端。9.2.2 MCS-51单片机与单片机与8位位A/D转换器接口转换器接口 ALE=START=WR+P2.7OE=RD+P2.72编程举例A/D转换器的程序设计主要分为下面几步：1)选通模拟量输入通道；2)发启动转换信号；3)用查询、中断或软件延时等方式等待转换结束；4)读取转换结果；5)将转换结果存入RAM，进行数据处理或执行其他程序。（1）查询方式编程举例 下面是采用查询方式分别对8路模拟信号轮流采样一次，并依次把采样结果转储到数据存储区的采样转换程序。MAIN：MOV R1，#data ；置数据区首址 MOV DPTR，#7FF8H ；P2.70，且指向通道0 MOV R7，08H ；置通道数LOOP：MOVX DPTR，A ；启动A/D转换 MOV R2，20H ；延时查询DELY：DJNZ R2，DELY ；（延时60s）结束？DELY1：JB P3.3，DELY1 ；判P3.31？MOVX A，DPTR ；读取转换结果 MOV R1，A ；转储 INC DPTR ；指向下一个通道 INC R1 ；修改数据区指针 DJNZ R7，LOOP ；8个通道采样未完则循环（2）中断方式编程举例 下面以采集一路为例，编写转换程序：INTIC：SETB ITl ；置外部中断1为边沿触发方式 SETB EA SETB EX1 ；允许外部中断1 MOV DPTR，#7FF8H MOVX DPTR，A ；启动0809对IN0通道进行转换 外部中断1的中断服务程序如下：UNITl：MOV DPTR,#7FF8H MOV A,DPTR MOV 50H,A RETI9.2.3 MCS-51单片机与单片机与12位位A/D转换器接口转换器接口 0 1 1 0 0 01 0 0 11 0 1 接5V 1 0 1 接地 01 0 0 接地 1不起作用不起作用（未选中）启动12位转换启动8位转换12位并行输出有效高8位并行输出有效低4位数据有效，中间4位为“0”，高4位为三态CE CE A A0 0工作状工作状态态表表9-3 AD574A真值表真值表若R/=0，启动A/D转换：若R/=1，数据输出：A0=0，启动12位AD转换方式。A0=1，启动8位A/D转换方式。1，对应12位并行输出。0，对应8位输出：A00时，高8位数据有效。A11时，低4位数据有效，中间4位为0，高4位为三态2AD574A与8051单片机接口 CPU可采用中断、查询、软件延时等方式读取AD574A的转换结果。若采用查询方式，则将转换结束状态线STS接到8051的某一I/O口线，图9-12中与P1.0线相连。工作过程如下：（1）当单片机执行对外部数据存储器的写指令，并使CE1，CS=0，R/C 0,A00时，进行12位A/D转换启动。（2）主机通过P1.0不断查询STS状态，当STS由高电平变为低电平时，表示转 换结束。（3）转换结束后，8031通过两次读外部数据存储器操作，读取12位的转换结 果数据。当CE1，CS=0，R/C1，A00时，读取高八位；CE1，CS=0，R/C1，A01时，读取低四位。利用该接口电路完成一次AD转换的工作程序如下：MAIN：MOV DPTR，00H ；端口地址送入DPTR MOVX DPTR，A ；启动AD574A SETB P1.0 ；置P1.0为输入方式LOOP：JB P1.0，LOOP ；检测P1.0口，等待A/D转换结束 INC DPTR MOVX A，DPTR ；读高八位数据 MOV R2，A ；高八位存入R2中 INC DPTR INC DPTR ；使，A0均为1 MOVX A，DPTR ；读取低四位 MOV R3，A ；低四位存入R3中 9.2.4 数据采集系统举例数据采集系统举例 下面应用系统是对8路模拟信号进行巡回检测，每个通道连续采样6次，采样周期为5秒。模拟输入信号是经过传感器之后的输出值。A/D转换器选用AD574A，采样/保持器选用LF398，多路转换开关选用CD4051，与单片机组成的接口电路如图9-14所示。上图中被测参量经多路转换开关CD4051选通后，送到采样/保持器的输八端。IN0IN7中的哪一路被选中，是由多路开关的选择控制端A、B、C以及允许锁存端INH控制的。采样/保持器的工作状态由AD574A的STS状态控制。当A/D转换正在进行（或未进行）时，转换结束标志STS输出为高电平，经反相后，变为低电平，送到采样/保持器的逻辑控制瑞（Logic），使采样/保持器处于保持状态，此时即可开始A/D转换。转换后的数字量由单片机的数据总线分两次读入CPU。当AD574A转换结束后，STS由高电平变为低电平，反相后呈高电平，因而使采样/保持器变为采样状态。这种硬件连线方法不必通过单片机单独送采样/保持控制信号，所以能加快系统响应速度。2 2程序设计程序设计 该系统采用定时采样方式，每隔5秒钟中断一次，在中断过程中完成数据的采集。程序设计中主程序主要任务是进行初始化，完成定时器的设置和送中断控制字等。另一部分为中断服务程序，对每个通道分别采样6次，并进行数字滤波。由于采样周期为5秒，用一个定时器不够，因此采用两个定时器串联的方法，即将T0设为定时方式，将T1设为计数方式。设单片机的时钟频率选为6MHz，T0为 定 时 方 式 1，定 时 间 间 隔 为 100ms，根 据 公 式，T=(216-X)12/fOSC可计算出T0应装入的时间常数为X3CB0H。设T1选定时方式2，计数值为50。由于8031的各定时器之间不能直接串联，为了能对T0定时中断次数进行计数，这里采用将P1.7引脚通过一个反相器接别T1引脚，当定时时间到，则将P1.7反相后，加到T1引脚作计数脉冲。这样需定时两次才能构成个完整的计数脉冲。因此，T1的计数值为25，应将计数初值230(E6H)同时装入TH1和TL1。定时器的中断服务程序为数据采集程序，其任务是对8个模拟参量进行巡回检测。主程序及定时器1中断服务程序如下：ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP INT0 ORG 001BH AJMP INT1 ORG 0100HMAIN:MOV TMOD,#61H ；设定时器工作方式 SETB P1.7 MOV TH1,#0E6H ；置定时器1的初值 MOV TL1,#0E6H SETB TR1 ；启动T1 MOV TH0,#3CH ；置定时器0的初值 MOV TL0,#0B0H SETB TR0 ；启动T0 SETB ET0 ；允许定时器0定时满时申请中断 SETB ET1 ；允许定时器1定时满时申请中断 SETB EA ；开中断LOOP:AJMP LOOP ；模拟主程序 ORG 0140H ；定时器0中断服务程序INT0:CPL P1.7 MOV TH0,#3CH ；重装定时器0的初值 MOV TL0,#0B0H RETI ORG 0150H ；定时器1中断服务程序INT1:CLR TR0 ；关定时器0 MOV R0,#DATA ；存放数据RAM的首地址送R0 MOV COUNT,#06H ；设每个通道采样次数ROUT0:MOV ADDR,#00H ；送各通道初值 MOV BUFF,R0 ；数据地址送缓冲单元ROUT1:MOV A,ADDR ；取通道号 MOV DPTR,#CHSEL ；设通道号选择地址 MOVX DPTR,A ；送通道号 INC ADDR ；通道号加1 NOP ；延时，使采样/保持器稳定 NOPROUT2:MOV DPTR,#ADSEL ；送A/D转换器地址 MOVX DPTR,A ；启动A/D，按12位转换 ACALL DELY30 ；延时40s MOVX A,DPTR ；读入高八位 MOVX R0,A ；存放高八位 INC DPTR ；使A01 INC R0 ；求低4位存放地址 MOVX A,DPTR ；读低4位 MOVX R0,A ；存放低4位 MOV A,R0 ；求存放下一个通道数据地址 ADD A,#0BH MOV R0,A MOV A,ADDR CJNE A,#08,ROUT1 ；判8个通道是否各采样一次 DJNZ COUNT,BRANCH ；判是否采样6次 MOV TH0,#3CH ；重装定时器0的初值 MOV TL0,#0B0H SETB TR0 ；启动T0 RETIBRANCH:MOV R0,BUFF INC R0 INC R0 AJMP ROUT0DELY40:；延时40s子程序（略）DATA EQU 00H ；外部RAM地址 COUNT EQU 20H ；内部RAM地址 ADDR EQU 21H ；内部RAM地址 BUFF EQU 22H ；内部RAM地址 CHSEL EQU 8000H ；通道选择地址 ADSEL EQU 8400H ；A/D转换器地址9.3D/A转换器接口技术转换器接口技术一、一、D/A转换原理转换原理 n位数字量与模拟量的关系式：VO=VREF/2n D(VREF-参考电压)二、集成二、集成D/A转换器转换器 DAC 0832：8位双缓冲器结构的D/A转换器。8位位DACDAC寄存器寄存器输入输入寄存器寄存器-+IOUT2IOUT1RVERVOD07AGNDPA0PA1三、三、DAC 0832与单片机连接与单片机连接直通方式：输入寄存器和DAC寄存器共用一个地址，同时选通输出。双缓冲器方式：输入寄存器和DAC寄存器分配有各自的地址，可分别选通用同 时输出多路模拟信号。例：D/A转换程序，用DAC 0832输出05V锯齿波，电路为直通方式。100msDACS：MOV DPTR，#7FFFH ；0832 I/O地址 MOV A，#0 ；开始输出0VDACL：MOVX DPTR，A ；输出模拟量 INC A ；升压 ACALL DELAY；延时100ms/256 AJMP DACL；连续输出DELAY：；延时子程序设VREF=-5V，DAC0832地址为7FFFH，脉冲周期要求为100ms。二、D/A转换器与单片机的接口1内部结构内部结构1 1两路两路08320832异步输出系统异步输出系统 上图是个两路异步输出的D/A转换接口电路。XFER和WR2同时接到DGND，WR1与DAC8031的 WR连 在 一 起，这 样 8位 DAC寄 存 器 始 终 处 于 导 通 状 态。DAC0831(1)和DAC0831(2)的片选信号分别由P2.5和2.6控制，当数据从数据线上由选通后输入8位输入寄存器，便直接通过寄存器，并由DAC进行D/A转换。图中DAC0832(1)的口地址为DFFFH；DAC0832(2)的口地址为BFFFH。图中接法将电流输出转换成了电压输出，且a点输出为单极性，b点输出为双极性。单极性输出时：当数字量输入在00HFFH变化时，模拟电压输出为0-xV或0+xV。双极性输出对于00HFFH的输入，电压输出为土xV。输出电压x的大小与参考电压有关。对单极性模拟量输出为：VOUTVREF(数字量/256)对双极性模拟量输出为：VOUTVREF(数字量-128)/128 本电路参考电压选为+5V，则对输入的数字量在00HFFH变化时：a点输出电压为-5V0V；b点输出电压为-5+5V 两路异步输出系统可以作为各种波形发生器。（1 1）单路锯齿波及三角波电压输出（对应）单路锯齿波及三角波电压输出（对应0832(1)0832(1)）1)反相锯齿波程序清单 MOV DPTR,#0DFFFH ；选通路DA1：MOV R6,#80H ；置初值DA2：MOV A,R6 MOVX DPTR,A ；D/A转换 DJNZ R6,DA2 ；R6-1不为零转DA2AJMP DA12)正相锯齿波程序清单 MOV DPTR,#0DFFFHDA1：MOV R6,#80HDA2：MOV A,R6 MOVX DPTR,A INC R6 CJNE R6,#0FFH,DA2 AJMP DA1 3)双相锯齿波程序清单 MOV DPTR,#0DFFFH MOV R6,#00HDA1：MOV A,R6 MOVX DPTR,A INC R6 AJMP DA1 4)三角波程序清单 MOV DPTR,#0DFFFHDA1：MOV R6,#80HDA2：MOV A,R6 MOVX DPTR,AINC R6 CJNE R6,#0FFH,DA2DA3：DEC R6 MOV A,R6 MOVX DPTR,A CJNE R6,#80H,DA3 AJMP DA1（2 2）双路异步输出）双路异步输出下列程序清单可以实现双路异步输出，且DAC0832(1)的输出VOUT1为三角波，DAC0832(2)的输出VOUT2为锯齿波。DA1：MOV R6,#80H MOV R5,#80H DA6：ACALL DA2 ACALL DA3 ACALL DA3 CJNE R5,#0FEH,DA6 ；R5FEH转回DA6DA5：ACALL DA2 ACALL DA4 ACALL DA4CJNE R5,#80H,DA5 ；R580H转回DA5 AJMP DA1 ；R580H转回DA1 子程序1：DA2：MOV DPTR,#0DFFFH ；选D/A第一通路 MOV A,R6 MOVX DPTR,A ；启动D/A转换 INC R6 ；数字加1 RET ；返回子程序2：DA3：MOV DPTR,#0BFFFH ；选D/A第二通路 MOV A,R5 MOVX DPTR,A ；启动D/A转换 INC R5 ；数字加1 RET ；返回子程序3：DA4：MOV DPTR,#0BFFFH ；选D/A第二通路 MOV A,R5 MOVX DPTR,A ；启动转换 DEC R5 ；数字加1 RET ；返回2 2两路两路08320832同步输出系统同步输出系统对两路D/A转换接口要求进行同步D/A转换输出时，必须采用双缓冲器同步方式接法。其接口电路如图9-22所示。数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的。P2.5、P2.6分别用来控制两路D/A转换器的输入锁存，这样CPU的数据总线可以分时地向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中。P2.7同时连到两路D/A转换器的 端以控制同步转换输出。与所有的 和 两端都相连，故在执行MOVX输出指令时，各片的 、同时有效。双路D/A同步转换输出程序段如下：MOV DPTR,#0DFFFH ；指向0832(1)MOV A,#data1MOVX DPTR,A ；#data1送0832(1)中锁存MOV DPTR,#0BFFFH ；指向0832(2)MOV A,#data2MOVX DPTR,A ；#data2送0832(2)锁存MOV DPTR,#7FFFH ；给0832(1)、0832(2)提供、信号MOVX DPTR,A ；同时完成D/A转换输出 9.3.3 MCS-51单片机与单片机与AD7520接口接口1 1AD7520AD7520的结构与应用特性的结构与应用特性 AD7520片内不带有输入锁存器、无参考电压及电压输出电路，因此它与单片机接口时，须注意下面两点：（1）不能直接和单片机的数据总线相连，因此，常采用通过具有输出锁存功能的I/O口 或扩展I/O口与之相连，或数据总线通过数据锁存器与之相连。（2）须外加参考电压和电压输出电路。D10D1 数据褕入端 VR 参考电压输入端 V+主电源输入端 RFB 反馈输入端 IOUT1、IOUT2 电流输入端 GND 数字地AD7520的主要技术参数为：分辨率 10位 电流稳定时间 500ns 线性度 8，9，10位 主电源 5V15V 参考电压 10V10V 2 2AD7520AD7520与与 MCS-51MCS-51单片机的接口电路单片机的接口电路 803l输出数据分两次操作，先将高两位数据送到74LS74(1)后，接着再将低八位送到74LS377的同时，也把74LS74(1)的内容送到74LS74(2)上，以实现10位数据同时送达AD7520的数据输入端口，避免由于不能同时送达AD7520的10位数据而使D/A转换的输出电压产生几微秒的“毛刺”信号。上图中AD7520转换器的写入程序段如下：MOV DPTR,#7FFFHMOV A,#dataH2MOVX DPTR,A ；高2位数送入74LS74(1)MOV DPTR，#0BFFFHMOV A,#dataL8MOVX DPTR,A ；将10位数据同时送入AD5720转换输入 端9.3.4 12位位D/A转换的典型应用举例转换的典型应用举例（1 1）波形发生器）波形发生器 工作原理：电压比较器A2的输出被钳位在6.8V，并经10k可变电阻分压后作为7520的参考电压。积分器A1依据参考电压VR的极性进行反相积分，当V01输出在a点建立的电压大于A2的判别电压0V时，比较器输出发生变化，从而使VR的极性发生改变，于是积分器A1转换积分方向。（2 2）程控界限检测器）程控界限检测器 电路原理：被测信号VTi由反馈端RFB引入，然后使AD7520转换器的数字输入从全0状态顺序增大，每个量化级的模拟电压为VR/1024，显然，当一个未知量VTi(VRVTi0)从反馈端RFB引入时，运算放大器作为零位比较放大器。随着数字量D的增长，总有 这时输出V0的状态从10。因此，运算放大器的输出状态由1变为0时，其数字输入Di所对应的模拟量(DVR)/1024就是被测电压。（3 3）程控稳压源）程控稳压源 图中D/A转换器的参考电压VR被稳压管钳位在-6.3V，使相加放大器取得正电压输出。相加放大器和晶体管T1组成稳压电源的比较放大器；晶体管T2和T3为电源的调整部分，输入数字量D相电阻Rf组成电源的取样部分。（4 4）程控恒流源）程控恒流源防止运放A2的输入电压超过共模电压的范围 防止结型场效应管由于运放A1的失调而引起的正偏