数字量和模拟量的相互转换.ppt

数字量和模拟量的相互转换 ad转换 a d转换器原理 a d转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量 模拟量可以是电压 电流等电信号 也可以是压力 温度 湿度 位移 声音等非电信号 但在a d转换前 输入到a d转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号 a d转换后 输出的数字信号可以有8位 10位 12位和16位等 a d转换器主要方法 1 积分型 如tlc7135 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 其优点是用简单电路就能获得高分辨率 但缺点是由于转换精度依赖于积分时间 因此转换速率极低 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 2 逐次比较型 如tlc0831 adc0809 逐次比较型ad由一个比较器和da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da转换器输出进行比较 经n次比较而输出数字值 其电路规模属于中等 其优点是速度较高 功耗低 在低分辩率 12位 时价格很高 a d转换器主要方法 3 并行比较型 串并行比较型 如tlc5510 并行比较型ad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ad转换器等速度特别高的领域 串并行比较型ad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ad转换器配合da转换器组成 用两次比较实行转换 所以称为halfflash 半快速 型 还有分成三步或多步实现ad转换的叫做分级 multistep subrangling 型ad 而从转换时序角度又可称为流水线 pipelined 型ad 现代的分级型ad中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能 这类ad速度比逐次比较型高 电路规模比并行型小 a d转换器主要方法 4 sigma font delta 调制型 如ad7705 型ad由积分器 比较器 1位da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 主要用于音频和测量 5 电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型ad在内置da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da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ad转换器 最近的逐次比较型ad转换器大多为电容阵列式的 a d转换器主要方法 6 压频变换型 如ad650 压频变换型 voltage frequencyconverter 是通过间接转换方式实现模数转换的 其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率 然后用计数器将频率转换成数字量 从理论上讲这种ad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 其优点是分辩率高 功耗低 价格低 但是需要外部计数电路共同完成ad转换 ad转换器的主要技术指标 1 分辩率 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 分辩率又称精度 通常以数字信号的位数来表示 1lsb定义为vref 2n 定义中的vref是指参考电压 而n则是模拟 数字转换器的分辨率 例如 14位模拟 数字转换器的1lsb是vref 16384 2 转换速率 conversionrate 是指完成一次从模拟转换到数字的ad转换所需的时间的倒数 积分型ad的转换时间是毫秒级属低速ad 逐次比较型ad是微秒级属中速ad 全并行 串并行型ad可达到纳秒级 采样时间则是另外一个概念 是指两次转换的间隔 为了保证转换的正确完成 采样速率 samplerate 必须小于或等于转换速率 因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的 常用单位是ksps和msps 表示每秒采样千 百万次 kilo millionsamplespersecond ad转换器的主要技术指标 3 量化误差 quantizingerror 由于ad的有限分辩率而引起的误差 即有限分辩率ad的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率ad 理想ad 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 offseterror 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 ad转换器的主要技术指标 5 满刻度误差 fullscaleerror 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差 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 其他指标还有 绝对精度 absoluteaccuracy 相对精度 relativeaccuracy 微分非线性 单调性和无错码 总谐波失真 totalharmonicdistotortion缩写thd 和积分非线性 逐次逼近法的工作原理 逐次逼近式a d是比较常见的一种a d转换电路 转换的时间为微秒级 采用逐次逼近法的a d转换器是由一个比较器 d a转换器 缓冲寄存器及控制逻辑电路组成 如下图所示 逐次逼近法的工作原理 逐次逼近法转换过程是 初始化时将逐次逼近寄存器各位清零 转换开始时 先将逐次逼近寄存器最高位置1 送入d a转换器 经d a转换后生成的模拟量送入比较器 称为 o 与送入比较器的待转换的模拟量 i进行比较 若 o i 该位1被保留 否则被清除 然后再置逐次逼近寄存器次高位为1 将寄存器中新的数字量送d a转换器 输出的 o再与 i比较 若 o i 该位1被保留 否则被清除 重复此过程 直至逼近寄存器最低位 转换结束后 将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器 得到数字量的输出 逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的 a d转换器0809 adc0809转换器的结构 adc0809是cmos集成电路的逐次逼近型a d转换器 其精度为8位 双列直插式28引脚封装 由模拟多路转换器 a d转换器 三态输出锁存及地址锁存译码器等组成 见下图 adc0809的引脚功能 in0 in7 8个输入通道的模拟量输入端d0 d7 8位数字量输出端start start为启动控制输入端 ale ale为地址锁存控制信号端 这两个信号端可以连接在一起 当通过程序输入一个正脉冲时 便立即开始模 数转换 eoc oe eoc为转换结束脉冲输出端 oe为输出允许控制端 这两个信号端可连接在一起 表示模 数转换结束 eoc端的电平由低变高 打开三态输出锁存器将转换结果的数字量输出到d0 d7端 clock 时钟输入端vref vref vcc gnda b c 8路模拟开关的三位地址输入端 地址与输入通道的对应关系如下 a b c 通道 0 0 0 0 0 1 1 1 1 in1 in0 in7 mcs 51与adc0809的硬件连接adc0809为多通道a d转换芯片 适用于多通道的数据采集 下图为adc0809与cpu在中断方式下的接口电路 图中adc0809作为一个外部扩展并行i o口 采用线选地址方式 设adc0809的口地址为feffh 采用中断控制方式 由外部中断1的服务程序读取转换结果并启动下一次转换 其程序如下 0809的初始化程序int1 setbit1setbeasetbex1movdptr 0feffhmova 00hmovxa dptr 启动0809对int1的转换 其中断服务程序如下 pint1 movdptr 0feffhmovxa dptr 读a d转换结果送50h单元mov50h amova 00hmovx dptr a 启动0809对int1的转换reti da转换 将模拟信号转换成数字信号的过程称为模数转换 analogtodigital 或称a d转换 能够完成这种转换的电路称为模数转换器 analogdigitalconverter 简称adc 将数字信号转换为模拟信号的过程称为数模转换 digitaltoanalog 或称d a转换 能够完成这种转换的电路称为数模转换器 digitalanalogconverter 简称dac 模拟信号和数字信号之间的转换过程 如下图所示 da转换的基本原理 对于有权码 先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量 然后将这些模拟量相加 即可得到与数字量成正比的总模拟量 从而实现了数字 模拟转换 dac的基本原理 权电阻网络dac weightedresistancedac 1 电路图 上图是一个四位权电阻网络dac 主要包括四部分 参考电压源uref 模拟开关s0 s3 电阻译码网络 求和运算放大器 2 工作原理设输入一个四位二进制代码d d3d2d1d0 s3 s0为受控制的双向开关 根据图可得 流入求和运算放大器输入端的电流为 设反馈电阻rf r 2 求出电路输出电压为 所以 电路的输出电压u0与输入的四位二进制代码成正比 依此类推 n位权电阻网络dac的求和运算放大器输入端电流 输出电压表达式分别为 若输入一个四位二进制代码d d3d2d1d0 1010 转换成十进制为10 根据上述转换方法 电路的输出电压为 由此可知 当dn 0时 u0 0 当dn 11 11时 输入n位二进制代码的取值范围为 d a转换器性能指标 1 分辨率 当输入数字发生单位数码变化时 即lsb位产生一次变化时 所对应的输出模拟量 电压或电流 的变化量 2 量程和实际满量程 标称满量程 nfs 是指相应于数字量指标值2n的模拟输出量 但实际数字量最大为2n 1 要比标称值小一个lsb 因此实际满量程 afs 要比标称满量程 nfs 小一个lsb的增量 3 精度 d a转换器的转换精度与d a转换芯片的结构和接口配置的电路有关 一般 d a转换器的转换精度即为分辨率的大小 4 建立时间 输入数字量变化后模拟输出量稳定到相应数值范围内所需的时间 ts 5 尖峰 输入码发生变化时刻产生的瞬间误差 分辨率的定义 最小输出电压与最大输出电压所对应的数字量之比 如10位d a转换器 分辨率 1 210 1 1 1023 0 001反映了d a转换的灵敏度 dac0832的主要参数 分辨率为8位 转换时间为1 s 满量程误差为 1lsb 参考电压为 10 10 v 供电电源为 5 15 v 逻辑电平输入与ttl兼容 d a转换器dac0832 1 dac0832的管脚定义dac0832的逻辑结构及管脚号如图所示 它由8位输入锁存器 8位dac寄存器 8位d a转换电路及转换控制电路组成 为20脚双列直插式封装结构 dac0832各管脚的功能描述如下 di0 di7 8位数据输入端 ile 数据允许锁存信号 cs 输入寄存器选择信号 wr1 输入寄存器写选通信号 输入寄存器的锁存信号由ile cs wr的逻辑组合产生 le1为高电平时 输入寄存器状态随输入数据线变化 le1的负跳变将输入数据锁存 xfer 数据传送信号 wr2 dac寄存器的写选通信号 dac寄存器的锁存信号le2由xfer和wr2的逻辑组合而成 le2为高电平时 dac寄存器的输出随寄存器的输入而变化 le2的负跳变时 输入寄存器的内容打入dac寄存器并开始d a转换 vref 基准电源输入端 rfb 反馈信号输入端 iout1 电流输出端1 其值随dac的内容线性变化 iout2 电流输出端2 iout1 iout2 常数 vcc 电源输入端 agnd 模拟地 dgnd 数字地 dac0832和mcs 51单片机的接口方法 1 单缓冲器方式接口图9 46是单缓冲方式接口电路 将ile接 5v 寄存器选择信号cs及数据传送信号xfer都与p2 7相连 两级寄存器的写信号都由8031的wr端控制 当地址线选择好0832后 只要输出wr控制信号 0832就能一步完成数字量的输入锁存和d a转换输出 由于0832具有数字量的输入锁存功能 故数字量可以直接从p0口送入 执行下面几个指令就能完成一次d a转换 movdptr 7fffh 指向0832mova data 数字量装入累加器movx dptr a 数字量从p0口送0832 完成一次d a输入与转换 2 缓冲器同步方式接口对于多路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接法 0832具有这种接法时 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 使各个d a转换器输入寄存器中的数据同时打入dac寄存器 实现同步转换输出 图9 47是一个二路同步输出的d a转换器及接口电路 p2 5和p2 6分别选择两路d a转换器的输入寄存器 控制输入锁存 p2 7连到两路d a转换器的xfer端控制同步转换输出 在执行movx输出指令时 8031自动输出wr控制信号 双缓冲同步方式接口电路 执行下面指令可完成两路d a的同步转换输出 movdptr 0dfffh 指向0832 1 mova data1 data送0832 1 中锁存movx dptr amovdptr 0bfffh 指向0832 2 mova data2 data送0832 2 中锁存movx dptr amov dptr 7fffh 给0832 1 0832 2 提movx dptr a 供wr信号 同时完成d a转换输出 3 d a转换的典型接口电路两路异步输出的波形发生器接口电路见图9 48 wr1与8031的 wr相连 图中参考电压为 5v 未画出 8031的其它电路及引脚也被省略 按照图中连线 0832 1 的地址为dfffh 0832 2 的地址为bfffh 输出的双极性电压为5v 双极性d a转换输出可获得反向锯齿波 正向锯齿波和双向锯齿波信号输出 如图9 49所示 反向锯齿波程序清单 使用0832 1 movdptr 0dfffhda1 movr6 80hda2 mova r6movx dptr adjnzr6 da2ajmpda1正向锯齿波程序清单 da1 movdptr 0dfffhmovr6 80hda2 mova r6movx dptr aincr6cjner6 0ffh da2ajmpda1 双向锯齿波程序清单 movdptr 0dfffhmovr6 00hda1 mova r6movx dptr aincr6ajmpda1 单路三角波电压输出 执行下列程序 在0832 1 的双极性端输出0 5v变化的三角波 movdptr 0dfffhda1 movr6 80hda2 mova r6movx dptr aincr6cjner6 0ffh da2da3 decr6mova r6movx dptr acjner6 80h da3ajmpda1 0832的典型应用 编程产生一个1khz的锯齿波 编程产生一个1khz的三角波 编程产生一个1khz的正弦波 0832的典型应用 本次实验要求编程分别产生1000hz的锯齿波 三角波和正弦波 所产生波形的频率 即周期 与程序中送0832转换的指令机器周期有关 如 a1 movx dptr a2inca1cjnea 0ffh a12该程序中的机器周期为五个 晶振频率为6mhz时 那执行上述指令就要10us 那要产生1000hz的