第13章 模拟输入输出技术

第13章模拟输入输出技术,13.1模拟输入输出技术13.2数模（D/A）转换器13.3模数（A/D）转换器,13.1模拟输入输出系统,A:Analog(模拟量)D:Digital(数字量),图13.1典型微型计算机测控系统,13.2数模（D/A）转换器,输入：D(n位数字量),说明：,输出：VO(模拟量),VREF：参考电压,VO=KDVREF,其中，K为常数,图13.2D/A转换器示意,13.2.1D/A转换的原理,D/A转换器的基本组成：电阻（或电容）网络（核心）模拟切换开关基准电压运算放大器,一、T型电阻网络DAC,图13.3T型电阻网络DAC,通式：,叠加原理：,假设RF=3R：,Vo=-IRF,推广到n位：,T形电阻网络DAC的优缺点：优点：电阻的取值只有R和2R两种，易于集成，转换精度高。缺点：当输入数字信号发生变化，使开关变换接通方向时，流过开关的电流方向发生改变，容易产生毛刺和影响工作速度。改进：倒T形电阻网络DAC,二、倒T型电阻网络DAC,图13.4倒T型电阻网络DAC,通式：,叠加原理：,假设RF=3R：,Vo=-IRF,推广到n位：,倒T形电阻网络DAC的优缺点：优点：保证电流始终能以一个方向流过开关，提高转换精度。缺点：由于模拟开关的导通电阻和各支路电阻串联，电阻值将附加在各支路的电阻上，从而降低转换精度。改进：电流激励型DAC,13.2.2DAC的主要性能指标,一、分辨率：最小输出电压VLSB和满量程输出电压VFSR之比。,最小输出电压：VLSB当输入数字量D=0001时的输出满量程输出电压：VFSR当输入数字量D=1111时的输出分辨率：,说明：DAC位数越多，分辨率越高,2.转换精度,DAC的转换误差是指实际模拟输出值与理想值之间的误差程度。该指标是一项综合性的静态性能指标。,转换误差,绝对误差：用VLSB的倍数表示,相对误差：绝对误差与满量程输出的比值,3.建立时间,DAC的建立时间是指从数字量输入到完成转换且输出达到终值误差的1/2LSB所需时间。该指标是一项动态性能指标。,图13.5DAC的建立时间,13.2.3典型DAC芯片DAC0832,DAC0832是采用CMOS工艺制成的R-2R倒T型电阻网络8位D/A转换器，20脚DIP封装，内部带有两级8位锁存。该器件不仅可用于一般数字系统和模拟系统之间的接口电路，而且可以直接与8位微型计算机接口，是目前使用较为广泛的一种集成DAC器件。,一、DAC0832引脚功能,图13.6DAC0832引脚功能框图,二、DAC0832工作方式,（1）直通方式,两个锁存器均处于直通状态，输入的数据直接送至D/A转换器进行转换并输出。,（2）单缓冲方式,两个锁存器中一个处于直通状态，而只控制另一个锁存器的锁存,（3）双缓冲方式,两级锁存器都受控。该缓冲方式常用于要求多个模拟量同时输出的场合，以提高转换的速度。,三、DAC0832的模拟输出方式,图13.7DAC0832单极性电压输出示意图,（1）单极性输出,输出电压为0-VREF,图13.8DAC0832双极性电压输出示意图,（2）双极性输出,输出电压为-VREF+VREF,13.2.4D/A转换接口技术,分类：有输入锁存器D/A与PC机的连接不带输入锁存器D/A与PC机的连接,一、有输入锁存器D/A与PC机的连接,图13.9PC机与DAC0832连接示意图,例13.1设DAC0832工作在单缓冲方式下，单极性输出，端口地址为350H，VREF=-5V，现利用该转换器进行D/A转换，产生一个如图13.10所示三角波。,图13.10D/A产生三角波,（1）确定上、下限所对应的数字量。上限：Dup=3/(5/28)=153.6=99H下限：Ddowm=1/(5/28)=51.2=33H（2）编写程序。采用从下限值开始逐次加1，直到上限值，然后在将上限值逐次减1，直到下限值，如此重复，D/A转换器输出的就是一个三角波。程序如下：TRIANGPROCFARMOVDX，350HMOVCX，066HMOVAL，33HZ1：OUTDX，AL；形成上升斜坡INCAL；AL加1LOOPZ1；循环102次,MOVCX，066HZ2：DECALOUTDX，AL；输出下降斜坡LOOPZ2JMPZ1RETTRIANGENDP,二、不带输入锁存器D/A与PC机的连接,图13.11PC机与DAC0808连接示意图,例13.2如图13.11所示，假设译码器输出地址为0030H，8位数字量放在数据段的1000H中，将其转换成模拟量的程序片断如下：,MOVBX，1000HMOVDX，0030HMOVAL，BXOUTDX，AL；锁存到74LS273中，并转换,13.3模数（A/D）转换器,13.3.1A/D转换的步骤,图13.12采样过程示意图,一、采样和保持,采样：以一定的周期读取输入电压信号。,保持：使读取的信号在周期内不变。,二、量化和编码,图13.13量化过程示意图,量化：把取样电平归化到最接近的离散电平上。,编码：用二进制码表示离散电平。,13.3.2ADC的主要技术指标,2.转换精度：绝对精度：实际值与理论值之间的最大差值相对精度：绝对精度与满量程输出比值3.转换时间：ADC完成一次转换所需的时间。,1.分辨率：输出数字量最低位变化时所对应的输入模拟量的变化量，即ADC所能分辨的输入模拟量的最小值。因此，当ADC的位数为n，最大输入电压为Vmax时，分辨率为：,13.3.3ADC工作原理,一、并行高速ADC,并行ADC的优缺点：优点：转换速度高(100MHz以上)缺点：器件量过大，精度不高。,二、双积分式ADC,图13.15双积分式ADC原理图,缺点：转换速度较低；优点：抗干扰能力较强，转换精度较高。,三、逐次比较式ADC,图13.16逐次比较式ADC原理图,表13.28位逐次比较式ADC的转换过程,13.3.4典型ADC芯片ADC0809,ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位逐次比较式ADC。其内部包括8路模拟开关，并由地址锁存及译码器选择其中一路进行A/D转换，三态输出锁存缓冲器在OE（输出允许）信号的控制下完成数据输出。,图13.17ADC0809引脚功能框图,13.3.5A/D转换接口技术,图13.18PC机