DA和AD转换.ppt

第10章数 模和模 数转换技术 D A转换原理 D A转换器的组成和输出电路 A D转换原理及A D转换器的类型 DAC0832 ADC0809的编程结构 主要内容 10 1概述 所谓数字 模拟转换是指 将数字量转换成模拟量的过程 简称为D A转换 相反 所谓模拟 数字转换是指 将模拟量转换为数字量的过程 简称为A D转换 根据不同的分类方法 可以将D A和A D转换器划分为多种型号 主要的分类方法有三种 即按照速度分类 按照精度分类和按照传输方式分类 具体地说 从速度上分类 可以将其分为低速 中速和高速三类 从精度上分类 可以将其分为8位 12位 16位三类 从传输方式上分类 可以将其分为并行传输和串行传输两类 未来A D和D A转换器的发展方向是标准化 系列化和高度集成化 10 2数字 模拟 D A 转换器接口 10 2 1D A转换器 1 D A转换的基本原理 1 T型电阻解码网络DAC 输出电流io等于各开关支路流入输出支路的电流之和 结构特点 节点A B C D都由三条支路相交而成 而且从任一节点向三条支路看过去的等效电阻都为2R 从任一开关Si向上看过去的等效电阻都为3R 所以每条支路的电流都是 输出电流io为 io io3 io2 io1 io0 从上述结构特点可直接分析推出 T型电阻DAC的转换原理 转换关系 进一步得到输出电压Vo 推广到一般情况 当输入数字量为n位时 则有 以上两式表明 输出电流io和输出电压Vo都与输入二进制数Dn 1Dn 2 D0的大小成正比 可见实现了从数字量到模拟量的转换 当Rf 3R时 2 D A转换器的组成及原理 D A转换器的组成 3 D A转换器输出 10 2 2D A转换器性能参数 分辨率 反应了D A转换器可分辨的最小模拟量 精度 反应了模拟输出的理想值和实际值之间的偏差 线性度 又称为线性误差 它反应了D A转换器实际转换值连线和理想转换值连线之间的误差 微分线性误差 反应了D A转换器的单调性 温度灵敏度 反应了D A转换器的耐温能力 它表示在输入量不变的情况下 输出模拟量随着温度的逐渐变化而变化的范围 建立时间 反应了D A转换器有效工作的速度 10 2 3典型的D A转换器芯片 DAC0832 1 主要特性 该D A转换器的类型是电流输出型 分辨率为3 9 建立时间为1 s 满刻度误差为 1LSB 逻辑电平采用TTL电平规范 可直接连接到所有的通用微处理器上 具有三种数据输入方式 双缓冲方式 单缓冲方式和直通方式 2 DAC0832的引脚及编程结构 DAC0832引脚 2 DAC0832的引脚及编程结构 DAC0832的编程结构图 第一级锁存允许信号 第二级锁存允许信号 3 DAC0832的数据输入方式 双缓冲方式 双缓冲方式是指在进行D A转换之前可以进行两级锁存 这样就可以在输出模拟量的同时输入下一个数字量在第一个锁存器中 有利于提高转换速度 并且 在多个DAC转换器同时工作的情况下 可利用第二级锁存器即DAC寄存器来实现多个DAC转换器的同时输出 要想实现双缓冲方式 要有两级写操作 为此要提供2个端口地址 译码后分别接到CS和XFER端 单缓冲方式 单缓冲方式是指数据在进行DA转换之前 只须经过一次缓冲 执行一次写操作 就能得到一个输出的结果 其中一级锁存总是处于直通状态 可以是第一级 也可以是第二级 通常使第二级DAC寄存器直通 即把WR2和XFER固定接地 直通方式 直通方式适用于数据转换时不需要进行缓冲的场合 所谓直通是指 DAC0832中的输入寄存器和DAC寄存器都处于放行状态 输入数据不需要经过缓冲过程即可直接进行D A转换 DAC0832的直通方式 4 DAC0832的数据输出方式 单极性输出方式 当输入数据为单极性数据时 输出即为单极性输出 DAC0832单极性输出方式 双极性输出方式 当输入数据为双极性数据时 输出即为双极性输出 DAC0832双极性输出方式 DAC1210 1 主要特性 该D A转换器的类型是电流输出型 分辨率为0 024 建立时间为1 s 功耗约为20mW 逻辑电平采用TTL电平规范 可直接连接到所有的通用微处理器上 内部具有双寄存器 可完成双缓冲方式的数据输入 线性度误差小 温度灵敏度低 其工作电源为 5 15V 基准电压为 10V 2 DAC1210的引脚及编程结构 DAC1210引脚 2 DAC1210的引脚及编程结构 DAC1210的编程结构图 10 3模拟 数字 A D 转换器接口 A D转换器用于将模拟量转换成相应的数字量 当外部的模拟量要输入计算机进行处理时 必须将输入模拟量通过A D转换接口送入计算机 A D接口通常包括多路模拟开关 采样保持电路和A D转换器等 A D接口 10 3 1A D转换器 A D转换原理 采样 量化 编码 采样编码过程 A D转换的四个步骤 A D转换的全过程通常分四步进行 采样 保持 量化 编码 保持 将采样得到的模拟量值保持下来 使之等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值 通常采用等时间间隔采样 为使采样保持得到的输出信号在经过信号处理后可还原成原来的模拟输入信号 要满足下列条件 采样定理 fS 2fimax其中 fS为采样频率fimax为输入信号Vi的最高次谐波分量的频率 采样保持电路基本原理图 量化 用基本的量化电平q的个数来表示采样保持的模拟电压值 编码 把已经量化的模拟量值 一定为q的整数倍 用数码表示 2 量化和编码 S t Vi t VSH Vq 4q 3q 2q q 0 0 0 0 q 3q 2q q q 3q 4q 2q 3q 001011010001001011100010011 量化 编码 只舍不入法 二进制编码 a 采样脉冲 b 输入电压 c 采样保持电压 d 量化过程 采样 保持 量化 编码全过程示意图 A D转换器原理 通常所说的A D转换器 是指将采样保持后得到的模拟电压值Vi转换为数字量的电路 转换过程包括量化和编码 但实际上这两步并无明显分界 常见的有 并行转换式ADC逐次逼近式ADC计数式ADC 常见的有 单积分式ADC双积分式ADCV F转换式ADC 1 根据A D转换原理和特点的不同 ADC可分成两类 直接ADC Vi直接转换成数码 间接ADC Vi 中间变量 数码 基本特点 二分搜索反馈比较逐次逼近 原理框图 2 逐次逼近式ADC原理 一般说来 n位ADC转换一个数需要n 1个时钟脉冲 若把将转换结果送入输出缓冲锁存器这个节拍也算在内 则需要n 2个时钟脉冲 工作过程示意 以三位ADC为例 多路模拟开关 在一个实际应用系统中 常常要使用一个A D转换器实现对多个模拟信号的转换 通常采用多路开关扩展输入通道 模拟多路开关 5G4051模拟开关结构 5G4051译码电路真值表 10 3 2A D转换器的性能参数及类型 A D转换器的性能参数 分辨率 表示转换器对微小输入量变化的敏感程度 绝对精度 是指与数字输出量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值 相对精度 对于A D转换器 相对精度指的是满刻度值校准以后 任意数字输出所对应的实际模拟输入值 中间值 与理论值 中间值 之差 转换时间 完成一次A D转换所需的时间 温度系数和增益系数 反应了D A转换器的耐温能力 它表示在输入量不变的情况下 输出模拟量随着温度的逐渐变化而变化的范围 对电源电压变化的抑制比 A D转换器对电源电压变化的抑制比 A D转换器的类型 按照工作原理分类 计数式 逐次逼近式 双积分式和并行式等 按照输出方式分类 并行式 串行式和串并行式等 按照转换方法分类 直接转换型和间接转换型 所谓直接转换型是指 模拟量可直接转换成数字量 而间接转换型则是指 模拟量先转换成中间量 然后中间量再转换成数字量 按照转换时间分类 低速 转换时间 1s 中速 1s 转换时间 1ms 高速 1ms 转换时间 1 s 和超高速 转换时间 1 s 等 按照分辨率分类 若分辨率为二进制表示 则分为4位 6位 8位 10位 12位 14位和16位等 若分辨率为BCD码表示 则分为3位半 4位半 5位半等 10 3 3典型的A D转换器芯片 ADC0809 1 主要特性 ADC0809是8位逐次逼近式A D转换器 属于高速A D转换器 其转换时间约为100 s 工作电压为 5V 功耗约为15mW 具有8路模拟开关 可完成8路模拟量输入 可转换的模拟输入电压为0 5V 逻辑电平采用TTL电平规范 具有控制转换开始和停止的功能 不需要对满刻度和零点进行校准 2 外部引脚及编程结构 ADC0809引脚图 2 外部引脚及编程结构 ADC0809的编程结构 数字输出 ADC0809的工作过程 ADC0809的工作过程如下 把通道地址送到ADDA ADDC上 选择模拟输入通道 在通道地址信号有效期间 ALE上的上升沿该地址锁存到内部地址锁存器 START引脚上的下降沿启动A D变换 变换开始后 EOC引脚呈现低电平 EOC重新变为高电平时表示转换结束 OE信号打开输出锁存器的三态门送出结果 模拟输入端INi单路输入模拟信号可固定连接到任何一个输入端地址线根据输入线编号固定连接 高电平或低电平 多路输入模拟信号按顺序分别连接到输入端要转换哪一路输入 就将其编号送到地址线上 动态选择 单路输入时 ADDCADDBADDA IN4 ADC0809 输入 多路输入时 ADDCADDBADDA IN0IN1IN2IN3IN4 ADC0809 输入0输入1输入2输入3输入4 CPU指定通道号 5V 地址线ADDA ADDC多路输入时 地址线不能接死 而是要通过一个接口芯片与数据总线连接 接口芯片可以选用 锁存器74LS273 74LS373等 要占用一个I O地址 可编程并行接口8255 要占用四个I O地址 CPU用一条OUT指令把通道地址通过接口芯片送给ADC0809 ADDCADDBADDA IN0IN1IN2IN3IN4 ADC0809 输入 DB 74LS273 Q2Q1Q0 CP 来自I O译码 D0 D7 ADDCADDBADDA IN0IN1IN2IN3IN4 ADC0809 DB 8255 PB2PB1PB0 CS 来自I O译码 D0 D7 A1A0 A1A0 数据输出线D0 D7内部已接有三态门 故可直接连到DB上也可另外通过一个输入接口与DB相连上述两种方法均需占用一个I O地址 D0 D7 ADC0809 DB OE 来自I O译码 D0 D7 ADC0809 DB OE 来自I O译码 直接连DB 通过输入接口连DB 74LS244 5V DI DO E1 E2 地址锁存ALE和启动转换START两种连接方法 独立连接 用两个信号分别进行控制 需占用两个I O端口或两个I O线 用8255时 统一连接 用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存 下降沿实现启动转换 只需占用一个I O端口或一个I O线 用8255时 ADC0809 ALESTART 独立连接 来自I O译码1 来自I O译码2 ADC0809 ALESTART 统一连接 来自I O译码 转换结束EOC软件延时等待 比如延时1ms 不用EOC信号CPU效率最低软件查询EOC状态EOC通过一个三态门连到数据总线的D0 其他也可以 三态门要占用一个I O端口地址CPU效率低把EOC作为中断申请信号 接到8259的IR端在中断服务程序中读入转换结果 效率高 D0 IN0 A15 A0IORIOW D7 D0 D7 D0EOCOESTARTALEADDCADDBADDA 译码器 ADC0809 一个连接实例 ADC0809程序 以上图为例 用延时等待的方法 MOVDX start portOUTDX AL 启动转换CALLDELAY 1MS 延时1msMOVDX oe portINAL DX 读入结果 用查询EOC状态的方法 MOVDX start portOUTDX AL 启动转换LL MOVDX eoc portINAL DX 读入EOC状态ANDAL 01H 测试第0位 EOC状态位 JZLL 为转换完 则循环检测MOVDX oe portINAL DX 读入结果 AD574A 1 主要特性 单片型12位逐次逼近式A D转换器 转换时间为25 s 工作温度为0 70 功耗390Mw 输入电压可为单极性 0 10V 0 20V 或双极性 5V 5V 10V 10V 可由外部控制进行12位转换或8位