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1、第10章A/D及D/A转换接口n n主要内容1控制系统中的模拟接口2数/模转换器芯片(DAC)及其接口技术3模/数转换器芯片(ADC)及其接口技术4A/D及D/A器件的选择1微机的重要应用领域之一是信号自动监测和自动控制系统。一个闭环控制系统可表示为：被控对象传感器A/D转换D/A转换功放计算机10.1 10.1 控制系统中的模拟接口控制系统中的模拟接口 2微机与控制系统的接口31、传感器它是把非电信号转换成电信号的器件。2、多路切换开关多路开关的作用是实现多路复用，以降低系统的成本。3、整形放大从模拟开关送来的信号往往很微弱，需要经过整形放大环节。4、采样保持在转换期间保持采样信号不变，可保
2、证转换的精度。45、A/D转换器按分辨率可分为4位、6、8位、10位、12位、14位、16位等。按工作原理可分为逐次逼近型和积分型等。6、D/A转换器经D/A转换后的模拟信号通常需要进行低通滤波和功放等处理。按输出可分为电流型和电压型。510.2 10.2 数数/模转换器芯片模转换器芯片(DAC)DAC)及其接口技术及其接口技术 1 D/A的性能参数和术语的性能参数和术语2 D/A转换器的分类转换器的分类3 典型典型D/A转换器工作原理转换器工作原理4 4 D/AD/A转换器应用举例转换器应用举例 6 D/AD/A的性能参数和术语的性能参数和术语 1分辨率(resolution)这个参数表明D
3、AC对模拟值的分辨能力，它是最低有效位(LSB)所对应的模拟值。如分辨率为8位的D/A能给出满量程电压的1/256的分辨能力。2精度(accuracy)顾名思义D/A的精度表明D/A转换的精确程度。它可分为绝对精度和相对精度。73.线性误差和微分线性误差4.数据转换器的温度系数5.建立时间(SettlingTime)6.电源敏感度(PowerSupplySensitivity)7.输出电压一致性(顺从性)(OutputVoltageCompliance)8D/AD/A转换器的分类转换器的分类 1.电压输出型2.电流输出型3.乘算型D/A转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信
4、号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型D/A转换器。4.一位D/A转换器9典型典型D/AD/A转换器工作原理转换器工作原理 D/A转换器的种类很多，功能、特性各异，典型的D/A转换器芯片DAC0832。DAC0832是 NS(NationalSemiconductorCorporation)公司生产的内部带有数据输入寄存器和(R2R)T型电阻网络的8位D/A转换器，DAC0832与微机接口方便，转换控制容易，具有一定的代表性。10DAC0832DAC0832具有以下主要特性具有以下主要特性 (1)电流输出型D/A转换器(2)数字量输入具有双重缓冲功能，且可双
5、缓冲、单缓冲或直通方式数字输入(3)与所有微处理器可直接接口(4)输入数据的逻辑电平满足TTL电平规范(5)分辨率为8位(6)满量程误差为1LSB11DAC0832DAC0832具有以下主要特性具有以下主要特性 (7)转换时间(建立时间)1s(8)增益温度系数为2010-6/(9)参考电压10V(10)单电源+5V+15V(11)功耗20mW12DAC0832DAC0832内部结构和外部引脚内部结构和外部引脚 13引脚功能引脚功能 1 1 ILE：输入锁存允许信号，输入，高电平有效。CS：片选信号，输入，低电平有效，WR1：写信号1WR2：写信号2XFER：数据传送控制信号，输入，低电平有效。
6、DI7DI0：8位数字量输入端，DI0为最低位，DI7为最高位。IOUT1：DAC电流输出1IOUT2：DAC电流输出214引脚功能引脚功能 2 2 RFB：片内反馈电阻引脚VREF：参考电源或叫基准电源输入端，范围为+10V-10V，要求电压准确，稳定性好。VCC：芯片供电电压端，范围为+5V+15V，最佳值为+15V。AGND：模拟地，即芯片模拟电路接地点，所有的模拟地要连在一起。DGND：数字地，即芯片数字电路接地点，所有的数字电路地连在一起。15 0832 Vcc ILE Vref Rfb Iout1 Iout2 AGND DGNDDI70-+VOUT+5V0832单缓冲方式接口如图：
7、数据总线D7D0CSWR1XFERWR2WR译码器地址总线M/IO1.单缓冲方式接口16图中输入寄存器锁存，DAC寄存器直通。由该电路产生锯齿波。设输入寄存器的地址7FFFH，编制程序如下：DAS:MOV DX,7FFFH ;输入寄存器地址 MOV AL,00H ;转换初值 WW:OUT DX，AL;D/A转换 INC AL ;转换值增量 NOP ;延时 NOP JMP WW17 2.双缓冲方式接口与应用 对于多路D/A转换接口，要求同步进行D/A转换输出时，必须采用双缓冲器同步方式 其工作原理是：数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的，即CPU的数据总线分时地向各路D/A转换器输入要
8、转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中，然后CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各D/A转换器输入锁存器中的数据打入DAC寄存器，实现同步转换输出。183 3个模个模拟拟量同量同时输时输出的接出的接线图线图 19D/AD/A转换器应用举例转换器应用举例 D/A转换器的用途十分广泛，例如：D/A转换器作为波形发生器，即利用D/A转换器产生各种波形，如方波、三角波、锯齿波等。基本原理是：利用D/A转换器输出模拟量与输入数字量成正比关系这一特点，将D/A转换器作为微机的输出接口，CPU通过程序向D/A转换器输出随时间呈不同变化规律的数字量，则D/A转换器就可输出各种各样的模拟量(电流或电压)。
9、利用示波器可以从D/A转换器输出端观察到各种波形20用用08320832作波形作波形发发生器的硬件生器的硬件连连接接图图 2182558255A A的初始化的初始化 设 8255A的 端 口 地 址 分 别 为 3F0H，3F1H，3F2H，3F3HMOV DX，3F3H ；8255A控制口地址MOV AL，80H ；设置8255方式字，PA、PB、OUT DX，AL ；PC均为方式0输出MOV DX，3F2H ；8255A的C口地址MOV AL，10H ；置DAC0832为直通工作方式OUT DX，AL22生成锯齿波循环生成锯齿波循环 LOP:MOV DX，3F0H ；8255A口地址 MO
10、V AL，00H ；输出数据初值 OUT DX，AL ；锯齿波输出 INC AL ；修改数据 NOP NOP JMP LOP ；锯齿波循环 2310.3 10.3 模模/数转换器芯片数转换器芯片(ADC)ADC)及其接口技术及其接口技术 1 AD转换器的分类及特点2 AD转换器的主要技术指标3 典型A/D转换器工作原理4 A/D转换器与微机接口需注意的问题241 AD1 AD转换器分类及特点转换器分类及特点 25ADAD转换器的基本原理转换器的基本原理1 1 (1)积分型积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。优点是用简单电路
11、就能获得高分辨率缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率很低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。26ADAD转换器的基本原理转换器的基本原理2 2 (2)逐次比较型逐次比较型A/D由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。电路规模属于中等。优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（12位）时价格很高。27ADAD转换器的基本原理转换器的基本原理3 3 (3)并行比较型/串并行比较型并行比较型A/D采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由
12、于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频A/D转换器等速度特别高的领域。串并行比较型A/D结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型A/D转换器配合D/A转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Halfflash(半快速)型。28ADAD转换器的基本原理转换器的基本原理4 4 (4)-(Sigma-delta)调制型-型A/D由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主
13、要用于音频和测量。29ADAD转换器的基本原理转换器的基本原理5 5 (5)电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型A/D在内置D/A转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列D/A转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片A/D转换器。最近的逐次比较型A/D转换器大多为电容阵列式的。30ADAD转换器的基本原理转换器的基本原理6 6 (6)压频变换型压频变换型（Voltage-FrequencyConverter）是通过间接转换方式实现模数转换的。原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器
14、将频率转换成数字量。从理论上讲这种A/D的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成A/D转换。312 AD2 AD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1 1 1.分辨率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。2.转换速率(Conversion Rate)完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需的时间的倒数。积分型A/D的转换时间是毫秒级属低速A/D，逐次比较型A/D是微秒级属中速A/D，全并
15、行/串并行型A/D可达到纳秒级。32ADAD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2 2 3.量化误差(Quantizing Error)由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率A/D的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率A/D（理想A/D）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。4.偏移误差(Offset Error)输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。33ADAD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标3 3 5.满刻度误差(Full Scale Error)满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之
16、差6.线性度(Linearity)实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其它指标还有：绝对精度，相对精度，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真和积分非线性。343 3 典型典型A/DA/D转换器工作原理转换器工作原理 目前市场上A/D转换器的种类很多，功能、特性各异。为了方便学习与实验，采用A/D转换器芯片ADC0809为例。ADC0809是CMOS数据采集器件，由于它不仅包括一个8位的逐次逼近型的A/D部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑。35ADC0809主要性能主要性能1 (1)分辨率为8位(2)精度为位(3)转换时间为100s(4)工作温度范
17、围为-40+85，(5)功耗为15mW(6)输入电压范围为5V36ADC0809主要性能主要性能2 (7)采用了由电阻阶梯和开关组成的开关 树型D/A，能确保无漏码。(8)零偏差和满量程误差均小于1/2LSB，故不需校准。(9)单一5V电源供电。(10)8个模拟输入通道，有通道地址锁存。(11)数据有三态输出能力，易于与微机相连，也可独立使用。37 ADC0809ADC0809引脚功能引脚功能图图 38ADC0809ADC0809原理框原理框图图 39ADC0809芯片引脚功能说明芯片引脚功能说明 40模拟输入模拟输入 0809有8个模拟输入通道，每个通道输入电压范围为05V。8个模拟通道由3
18、个地址输入ADDA，ADDB，ADDC来选择模拟通道，地址输入通过ALE信号予以锁存。地址输入可直接取自地址总线或数据总线41 ADC0809ADC0809时时序序图图 ALEADDA,B,CINO.E.D7D0START表较器内部输入tWStWEtStPtEOCtC数据tWS:最小启动脉冲宽度 100ns(典型)200ns(最大)tS:地址设置时间 100ns(典型)200ns(最大)tC：转换时间100ustEOC：转换结束时间 2us+8时钟周期EOC42 ADC0809ADC0809与与80868086CPUCPU的接口的接口 43ADC0809ADC0809与与CPUCPU采用查询法
19、的接口采用查询法的接口 假设仅对模拟通道IN0进行A/D转换。译码器输出的地址分别为：100H、110H、120H采用查询方式的程序如下(对0通道采样一个点)：MOV DX，100HOUT DX，AL；选通IN0，启动A/D转换NOP ；延时2S加8个时钟周期(不定)NOP ；根据CPU速度决定NOP的个数44ADC0809ADC0809与与CPUCPU采用查询法的接口采用查询法的接口 MOV DX，110HWT：IN AL，DX ；输入EOC标志 TEST AL，01H JZ WT ；未结束，返回等待 MOV DX，120H IN AL，DX ；结束，把结果送入AL中45 ADC0809AD
20、C0809与与80868086CPUCPU中断响中断响应应的接口的接口 464 4 A/DA/D转换器与微机接口转换器与微机接口需注意的问题需注意的问题 1.ADC的数字输出特性ADC与处理机之间除了明显的电器兼容特性外，其数字输出最好具有三态能力，从而使接口简化。2.ADC与CPU间的时间配合问题。A/D转换器从接到启动命令到完成转换给出转换结果数据需要一定的转时间，一般来说快的需要零点几个微秒，慢的要几十或几百微秒。通常最快的ADC转换时间都比机器的指令周期长。有固定延时等待法、中断响应法、保持等待法等。4710.4 10.4 A/DA/D及及D/AD/A器件的选择器件的选择 随着电子技术
21、的飞速发展，ADC0809及DAC0832除了教学实验与一些简单的应用外，已被更多、更好的器件所取代。在进行电路设计时，如何选择你所需要的器件:要综合的考虑诸项因素，系统技术指标、成本、功耗、安装等最主要的依据还是速度和精度。(见P363-366表)48世界主要厂家的世界主要厂家的A/DA/D和和D/AD/A器件简介器件简介 美国模拟技术公司(ADI)http:/德州仪器公司(TI)，http:/美国国家半导体公司(NS)http:/飞利浦公司(PHILIPS)，http:/马克西姆公司(MAXIM)http:/www.maxim-摩托罗拉公司(MOTOROLA)http:/49 END END50