第十一讲-AD和DA

第8章 A D和D A接口 本章基本要求 基本概念 D A转换器及其与51接口 A D转换器及其与51接口 概述 在微机过程控制和数据采集等系统中 经常要对过程参数进行测量和控制 连续变化的物理量 如 温度 压力 流量速度 位移等等 物理过程 微机 传感器 A D D A 执行机构 物理过程 v i Data Data 过程控制示意图 模拟量 模拟量与数字量 模拟量 连续变化的物理量 数字量 时间和数值上都离散的量 模拟输入输出系统 传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号 模拟电压或电流 放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围 低通滤波器用于降低噪声 滤去高频干扰 以增加信噪比 多路开关把多个现场信号分时地接通到A D转换器 采样保持器周期性地采样连续信号 并在A D转换期间保持不变 第8章 A D和D A接口 D A转换器 可将数字量转换成为模拟量的电子器件 A D转换器 可将模拟量转换成为数字量的电子器件 8 1D A转换器 模拟量 数字量 8 1 1D A转换器的原理 数字量 按权相加 模拟量 8 1D A转换器 实现这种转换的电路主要有两种解码网络 二进制权电阻网络 T型电阻网络 1 二进制权电阻网络因为数字量是用二进代码按位组合起来的 每一位代码都有一定的 权 因此 D A转换就是要将每一位代码按其 权 的数值转换成为模拟量 然后相加 所得的总和就是与数字量成正比的模拟量 如下图 简化的4位权电阻译码网络D A转换器电路 8 1D A转换器 说明 图中的开关S0 S3受输入的数据控制 当某位为1时 该位开关接至Vref 否则接地 电路特点 精度高 参考电压稳定 但是网络电阻规格差距大 制造难 工作原理 IO1 di为1Si与运放的反相输入端连接uo IO1RF di为0Si与地连接 2 D A转换原理 T形解码网络 倒梯形电阻网络 R R R R IR UR R IO1 d3 I3 d2 I2 d1 I1 d0 I0 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 二 DA转换器的性能参数 是D A转换器对输入量变化敏感程度的描述 与输入数字量的位数有关 如果数字量的位数为n 则D A转换器的分辨率为2 n 有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率 1 分辨率 如十位DAC分辨率 2 偏移误差 它是指输入数字量为0时 输出模拟量对0的偏移值 3 线性度 指D A转换器的实际转移特性与理想直线之间的最大误差或最大偏移 4 精度 输出模拟电压的实际值与理想值之差 即最大静态转换误差 参考电压波动是影响因素之一 5 转换速度 即每秒钟可以转换的次数 其倒数为转换时间 8 1 3DAC0832芯片 DAC0832是典型的8位电流输出型通用DAC芯片 0832的技术指标 分辨率8位 电流稳定时间1 s 可双缓冲 单缓冲或直接数字输入 只需在满量程下调整其线性度 单一电源供电 5V 15V 低功耗 20mW DAC0832的内部结构 1 DAC0832的数字接口 8位数字输入端DI0 DI7 DI0为最低位 输入寄存器 第1级锁存 的控制端ILE CS WR1 DAC寄存器 第2级锁存 的控制端XFER WR2 DAC0832工作方式 直通锁存器 两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE 1 直通 输出等于输入 LE 0 锁存 输出保持不变 DAC0832的工作方式 直通方式 LE1 LE2 1输入的数字数据直接进入D A转换器 DAC0832的工作方式 单缓冲方式 LE1 1 或者LE2 1两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态 缓冲状态 DAC0832的工作方式 双缓冲方式 两个寄存器都处于受控 缓冲 状态能够对一个数据进行D A转换的同时 输入另一个数据 2 DAC0832的模拟输出 Iout1 Iout2 电流输出端Rfb 反馈电阻引出端 电阻在芯片内 VREF 参考电压输入端 10V 10VAGND 模拟信号地VCC 电源电压输入端 5V 15VDGND 数字信号地 单极性电压输出 Vout Iout1 Rfb D 28 VREF 单极性电压输出 例子 例1 设VREF 5VD FFH 255时 最大输出电压 Vmax 255 256 5V 4 98VD 00H时 最小输出电压 Vmin 0 256 5V 0VD 01H时 一个最低有效位 LSB 电压 VLSB 1 256 5V 0 02V Vout D 2n VREF 双极性电压输出 电路 双极性电压输出 公式 取R2 R3 2R1得Vout2 2Vout1 VREF 因Vout1 D 28 VREF故Vout2 D 27 27 VREF 双极性电压输出 例子 例2 设VREF 5VD FFH 255时 最大输出电压 Vmax 255 128 128 5V 4 96VD 00H时 最小输出电压 Vmin 0 128 128 5V 5VD 81H 129时 一个最低有效位电压 VLSB 129 128 128 5V 0 04V Vout D 27 27 VREF 8位D A转换器接口方法 1 单缓冲型接口方法 a 接口电路图 a 的是把DAC寄存器接成常通状态 即ILE接高电平 和接地 与P2 7口连接 与单片机的端连接 b 接口电路图 b 是把输入寄存器接成常通状态 即ILE接高电平 地 与P2 7口连接 与单片机的端连接 主要应用在多路D A转换器同步系统中 2 双缓冲型接口方法 D A转换器的输出方式 1 单极性输出 输出于数字量DATA相对应模拟量 MOVDPTR 7FFFH MOVA DATAMOVX DPTR A 单极性输出D A关系 数字量与模拟量的转换关系 2 双极性输出 VO2 R2 R3 VO1 R2 R1 VREF 代入R1 R2 R3的值 可得 VO2 2VO1 VREF 设VREF 5V当VO1 0V时 VO2 5V 当VO1 2 5V时 VO2 0V 当VO1 5V时 VO2 5V 在图8 8中 运算放大器U3的作用是把运算放大器U2的单向输出电压转变成双向输出 其原理是将U3的输入端2通过电阻R1与参考电压VREF相连 因此运算放大器U3的输出电压 双极性输出D A关系 数字量与模拟量的转换关系 1 反向锯齿波程序清单 MSW MOVDPTR 0BFFFH 指向D A输入寄存器DA0 MOVR7 80H 置输出初值 DA1 MOVA R7 数字量送A MOVX DPTR A 送D A转换 DJNZR7 DA1 修改数字量AJMPDA0 重复下一个波形 2 软件设计 a 2 正向锯齿波程序清单 PSW MOVDPTR 0BFFFH 指向D A输入寄存器 DAP0 MOVR7 80H 置输出初值 DAP1 MOVA R7 数字量送A MOVX DPTR A 送D A转换 INCR7 修改数字量 CJNER7 255 DAP1 数字量 255 转DAP1 AJMPDAP0 重复下一个波形 8 3A D转换器 模拟量 数字量 8 3 1A D转换的基本原理 存在多种A D转换技术 各有特点 分别应用于不同的场合4种常用的转换技术计数器式逐次逼近式双积分式并行式 1 计数器式 以最低位为增减量单位的逐步计数法 2 逐次逼近式 从最高位开始的逐位试探法 3 双积分式 两个积分阶段实质是电压 时间变换 4 并行式 速度快成本高直接比较法 8 3A D转换器 8 3 3A D的性能指标1 转换时间 完成一次AD转换所使用的时间 2 转换精度 是由模拟误差和数字误差组成 前者由模拟电路部分产生 后者由数字电路产生 3 量化间隔是A D转换器的主要技术指标之一 量化间隔可由下式求得 满量程输入电压 满量程电压 8 3A D转换器 4 量化误差 量化误差一般用绝对量化误差表示 可由下式求得 量化间隔 8 3 4ADC0809 具有A D转换的基本功能CMOS工艺制作8位逐次逼近式ADC转换时间为100 s包含扩展部件多路开关三态锁存缓冲器 8 3A D转换器 ADC0809的内部结构图 1 ADC0809的模拟输入 提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑IN0 IN7 8个模拟电压输入端ADDA ADDB ADDC 3个地址输入线ALE 地址锁存允许信号ALE的上升沿用于锁存3个地址输入的状态 然后由译码器从8个模拟输入中选择一个模拟输入端进行A D转换 2 ADC0809的转换时序 3 ADC0809的数字输出 ADC0809内部锁存转换后的数字量具有三态数字量输出端D0 D7配合输出允许信号OE当输出允许信号OE为高电平有效时 将三态锁存缓冲器的数字量从D0 D7输出 4 ADC0809的转换公式 单极性转换示例 基准电压VREF 5V VREF 0V输入模拟电压Vin 1 5VN 1 5 0 5 0 256 76 8 77 4DH 双极性转换示例 基准电压VREF 5V VREF 5V输入模拟电压Vin 1 5VN 1 5 5 5 5 256 89 6 90 5AH ADC芯片与主机的连接 ADC芯片相当于 输入设备 需要接口电路提供数据缓冲器主机需要控制转换的启动主机还需要及时获知转换是否结束 并进行数据输入等处理 1 数据输出线的连接 与主机的连接可分成两种方式直接相连 用于输出带有三态锁存器的ADC芯片通过三态锁存器相连 适用于不带三态锁存器的ADC芯片 也适用带有三态锁存缓冲器的芯片ADC芯片的数字输出位数大于系统数据总线位数 需把数据分多次读取 2 A D转换的启动 1 启动信号一般有两种形式脉冲信号启动转换电平信号启动转换 转换启动 转换结束 2 A D转换的启动 2 主机产生启动信号有两种方法编程启动软件上 执行一个输出指令硬件上 利用输出指令产生ADC启动脉冲 或产生一个启动有效电平定时启动启动信号来自定时器输出 3 转换结束信号的处理 不同的处理方式对应程序设计方法不同 查询方式 把结束信号作为状态信号 中断