数字量与模拟量的c.ppt

第七章 数字量与模拟量的转换技术,7.1 数模转换原理 7.2 方便实用的数模转换器件 7.3 实例：简易函数发生器 7.4 模数转换原理 7.5 模数转换器接口电路 7.6 实例：典型的模数转换电路 7.7 动量矩定理演示仪电路设计,7.1 数模转换原理,主要转换方式,（1）梯形电阻网络型 （2）数字电位器,梯形电阻网络,图7.1 D/A转换器内部结构示意图,倒梯形电阻网络,R,R,R,R,IR = UR /R,IO1,=d3I3+ d2I2+ d1I1+ d0I0,若为n位二进制数，则,若RF=R，则,即输出电压的大小正比于输入二进制数的大小，实现了数字量和模拟量的转换,7.2 方便实用的数模转换器件,主要分类,（1）按分辨率分：8、12、14、16位 （2）按通道数分：单、多通道（最多32） （3）按接口形式分：并行、串行SPI/I2C （4）按是否内置基准电源：有内置、外接、或2者均可 （5）按输出极性分：单极性、双极性,D/A0832转换器,1、单极性输出,输出于数字量DATA相对应 模拟量： MOV DPTR，#7FFFH MOV A，#DATA MOVX DPTR,A,（1） DAC0832 （2）AD7801 并行接口，单电源2.7V 5.5V，可工作于睡眠模式 参考电压可外接，也可使用内部自带的（非精密电源） 输出极性与参考电压相同 （3）AD7303 2 通道，性能同AD7801，SPI输入接口，使用更为方便 （4）AD7304/7305（SPI) 4通道 4通道， AD7305（并行接口）,1、8位D/A转换器,图7.3 8位电压输出型并行接口D/A转换器AD7801结构简图,图7.4 AD7303与MPU的接口,（1）DAC8512（ADI公司） SPI接口，单电源5V，可工作于睡眠模式， 有满摆输出的缓冲放大器 基准电压内置2.5V （2）MAX5532/5533/5534/5535 （Maxim公司） SPI接口 ，单电源1.8V5.5V，2通道 基准电压 MAX5533/5535内置 MAX5532/5534外接,2、12位D/A转换器,12位D/A转换器的电源必须经良好滤波及退耦,图7.5 数模转换器DAC8512的电源滤波,12位D/A转换器 4096=2的12次方，内置2.5V基准电压,图7.6 电压输出型D/A转换器的双极型输出,2、双极性输出,双极性输出D/A关系 ,数字量与模拟量的转换关系,（1）并行/串行接口，双电源5V （2）参考电压内置基准电压3V，也可外接 （3）高速、高精度,3、14位D/A转换器AD7840,-3V+2.9996V,（1）SPI接口，双电源5V （2）参考电压外接 （3）适合做低频函数发生器 （4）多片AD7849共同使用时，可以使用串行级联方式，以简化接口电路。 其内部结构也很具代表性： D/A转换器分两级，前级为分十六级的数字电位器，以及十六个缓冲放大器，后级使用梯形电阻网络D/A转换器，总分辨率达到16位。,4、16位D/A转换器AD7849,AD7849单极性输出,5V,注意Rofs接法,AD7849双极性输出,5V,注意Rofs接法,与单片机的连接,16位D/A转换器AD7849与单片机连接图 LDAC引脚为DA转换引脚,5. 16位的MAX5204-MAX5207的接口、退耦、双极性输出电路,对接地的安排：1.对AGND,使用尽可能粗的接地线，远离高频干扰源，不能接近感性负载；2. AGND和DGND分开布线，并尽可能在该集成块附近用一点相接； 3.对双层板， AGND和DGND独立成块，在该集成块附近相接后再接于公共AGND； 4.避免使AGND和DGND与公共AGND的连接部分成为其他集成电路的接地回路。,图7.9 MAX5204-MAX5207的接口、退耦、双极性输出,6.多通道D/A转换器的两种工作方式,独立的D/A通道组合： 速度快，适用于高速的D/A输出，部分产品支持多通道同步输出。 采样保持输出：只有一个D/A转换器件，速度相对较慢，适用于低频应用。,采样保持输出方式的16通道D/A转换器,图7.11 使用采样保持方式的多通道D/A转换器,7.3实例：简易函数发生器,1、函数发生器的基本结构,2、波形发生器,1）器件选用 AD转换器12b以上 （AD7849A-14b） 微处理器高速（P89LPC938）、片上系统、ARM,2）波形的产生 V0=Vref*N/16384( 14b) 方波 三角波 正弦波,（1）方波：按周期的一半时间定时中断，输出全0或全1,（2）三角波：按周期的1/1024定时中断，输出全0或全1 增程时每次增加214(16384)/29(512)=32 ，16384/1024=16 减程时每次减去32,频率较高时，可增加步长到256，但会引起波形畸变，可在输出端加电容进行平滑处理 频率低于4HZ时，可减小步长，以此来增加平滑度,V0=Vref*N/256 (4) 三角波程序清单 SSW： MOV DPTR，#80BFFFH DAS0：MOV R7，#80H DAS1：MOV A，R7 MOVX DPTR，A INC R7 CJNE R7，#255，DAS1 DAS2: DEC R7 MOV A，R7 MOVX DPTR，A CJNE R7，#80H，DAS2 AJMP DAS0,+5V,函数发生器的波形发生器电路,图7.13 函数发生器的波形发生器电路,图7.15 信号合成电路,（3）正弦波：（2048点） 与三角波类似，每次增加或减小的值通过查表获取（2B）,由于对称性，正弦表存储1/4周期，应为512个数据点(2048/4)，1024B,表中数据由下式计算得出，存放在ROM中(2的14次方=16384对应14位D/A),(5) 正弦波电压输出 正弦波电压输出为双极性电压，最简单的办法是将一个周期内电压变化的幅值(-5V+5V)按8位D/A分辨率分为256个数值列成表格，然后依次将这些数字量送入D/A转换输出。只要循环不断地送数，在输出端 就能获得正弦波输出。 SIN： MOV R7，#00H DAS0： MOV A，R7 ； MOV DPTR，#TABH；设指针 MOVC A，A+DPTR ；取数据 MOV DPTR，#8000H ； MOVX DPTR，A ；送D/A转换 INC R7 ；修改偏移量 AJMP DAS0 ； TAB： DB 80H，83H，86H，89H，8DH，90H DB 93H，96H，99H，9CH，9FH，0A2H DB 0A5H，0A8H，0ABH，0AEH DB 6FH，72H，76H，79H，7CH，80H,3、信号合成和输出,工作于级联方式,end,7.4 模数转换原理,（1）双积分式：抗干扰能力强 （2）逐次逼近式：速度快 （3） -式,主要类型,7.5 模数转换器接口电路,（1）双积分式ICL7135 （2）逐次逼近式AD1674 （3） -式,7.6 实例：典型的模式转换电路,7.7 实例：动量矩定理演示仪电路设计,7.4 模数转换原理,1 . 双积分式模数转换器 信号积分（定时）、参考电压积分（定时计数）二个阶段。 计数脉冲个数与电压成正比 对分辨率较高的A/D，常加入一个自动校零阶段,主要类型,双积分A/D转换器原理,图7.16 双积分A/D转换器原理,2. 逐次逼近式模数转换器,组成：寄存器控制逻辑、D/A转换器和比较器组成。,逐次逼近：从MSB开始逐位置1，其余清零，输出到D/A转换器，若D/A输出大于外部模拟输入，则该位清零，否则保留。以此类推，直到LSB。,图7.18 AD1674的内部结构,7.5 模数转换器接口电路,（1）双积分式ICL7135 （2）逐次逼近式AD1674（主要） （3） -式（略）,1、双积分式模数转换器的接口,主要用于3位半到4位半的数字电压表。 注：3位半仪表又名3又2分之1仪表，其显示最大值为1999，分辨率为0.001； 3又4分之3仪表：其显示最大值为3999，分辨率为0.001； 4位半仪表显示最大值为19999，分辨率为0.0001。 ICL7135 4位半 双积分式 （1）双电源：5V （2）单极性基准电压+1V，能对双极性输入电压进行转换 （3）单基准电压 （4） BCD码输出 （5）自动量程控制信号输出,ICL7135 电路连接与参数选择 （1）基准电源 外接精密基准电压，或直接从5V电压分压得到， VREF为满量程电压值的1/2，不宜超过1.5V （2）时钟信号输入 利用单片机系统时钟分频或定时得到,或外接RC振荡器 单极性：最高1MHZ 双极性：最高125KHZ （3）积分电阻和积分电容根据满量程电压值计算得到,积分电容按0.47u F， 推荐选择聚丙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯电容,应用：共阳极LED组成的4位半电压表,图7.23 使用共阳极LED组成的4位半数字电压表,2、逐次逼近式模数转换器的接口,经典产品：AD1674（8/12位） （1）并行接口，三电源：5V, 12V或15V （2）片内集成高精度基准电压源（10.00V） （3）带输出三态缓冲器 （4）片内集成时钟电路和采样保持器 （5）采样速率100k （6）单极性和双极性两种工作方式,1）逐次逼近式是动态数据采集的主流产品,单极性输入时增益和失调调整,图7.24 AD1674单极性单极型工作时的增益调整,R1和R2选用 多圈电位器,单极性输入,双极性输入,R/C=0, A0=0启动12位转换，A0=1启动8位 R/C=1, A0=0输出高8位（12/8接地），A0=1输出低4位 A0=并行输出12位（12/8接+5V),图7.25 AD1674双极性工作时的增益调整和失调调整,双极性输入时增益和失调调整,图7.26 用AD1674设计的动态数字应变仪(部分),2）开关电容型逐次逼近模数转换器的接口,典型产品AD7663（16位） （1）SPI/并行接口，三组5V电源 （2）外接基准电压源2.5V 由于参考输入端的输入阻抗动态变化，故要求参考电压源有较低的输出阻抗，并且在REF和REFGND间做好退偶 使用精密基准电压源 （3）6档不同的输入电压范围 被测信号最好经缓冲放大器接入AD7663,转换速度、分辨率、器件功耗、制作成本都有优势,1）三组+5V 电源,简化电路，用AVDD给DVDD供电,2）信号源输入电路,从机串行方式读时序（转换结束后读）,3）读转换结果时序BUSY下降:模数转换结束，数据可读取。在从机模式下，收到SCLK的上升沿，AD7663将送出一位数据。在SCLK的下降沿时，主控机应该将数据取走。数据输出顺序由最高有效位MSB到最低有效位LSB,主控串行方式读时序（转换结束后读）在主控方式下，在发出SCLK的上升沿前，AD7663将送出一位数据，MPU必须在SCLK的下降沿前取走数据,图7.28 主控串行方式读时序（转换结束后读）,图7.31并行接口时读数据时序,并行接口时,3. 模数转换器参考电压源,（1）典型低噪声精密基准电压源,ADR43X系列工作电压范围很宽，初始精度优于1%0， 输出驱动能力大，可达+30mA/-20mA，输入电压VIN不得低于规定的最低限值。 ADR44X系列仅需低压差500mV，输出电流为10mA,图7.34ADRX 的直接连接,（2）使用好低噪声且稳定性好的运放构成的缓冲器,AD7694参考电压15V,不能高于VDD(2.7V5.5V) AD7694功耗极低,可使用参考电源供电,图7.33 使用参考电源供电的应用电路,7.6 实例：典型的模数转换电路实例,1. 12位A/D转换器 AD1674接口实例,AD1674片内具有采样保持器 由于与8位微处理器接口，12/8引脚(第2脚)必须接地 使AD1674工作在8位数据接口方式，状态输出连接到89C52的INT0，使软件可以用中断方式接收数据， 转换结束时，STATUS输出为低，可启动89C52的外部中断,图7.40 AD1674与89C52的接口,7.7 实例：动量矩定理演示仪设计,动量矩定理指当物体定轴转动时，物体对转动 轴动量矩的变化等于外力偶矩与作用时间的乘积， 当外力偶矩为零时，转动物体的动量矩不变。 对物体系统，动量矩定理依然成立。,系统机械部分模拟直升机的工作原理 （主桨叶和尾桨两个旋转部分）,7.7 实例：动量矩定理演示仪设计,演示仪使用两台独立电机带动模拟主桨叶和尾桨。 电机采用变频调速的交流电机，控制方式采用通过变频器所带的RS-485接口。 升力値显示、风阻力偶矩测试、主轴转速显示功能； 使用力传感器测试升力値，扭矩传感器测试风阻力； 角度传感器-使用光电计数式位置检测传感器,设计要求及功能,7.7 实例：动量矩定理演示仪设计,（1）隔离的RS485驱动双端隔离 （2）键盘、显示接口动态显示 （3）传感器信号放大与AD转换电路设计 （4）位置检测电路设计,该系统设计主要分4个方面,（1）隔离的RS485驱动双端隔离,P2.1,隔离目的防止因变频器噪声使系统工作异常,隔离电源（DC-DC）隔离变换器,图7.40 RS-485用的隔离电源,RS485驱动双端隔离,P2.1,图7.41隔离的RS485,U3A,U3B,U3用于信号整形,74HC14为施密特触发器,U3C,U4A,U4B,U4C,U4使用隔离电源,U5,U10,（2）键盘、显示接口,1.2英寸LED，数