第五讲 ADDA工作原理及应用演示幻灯片

1,第五讲A/D和D/A工作原理,主要内容,概述,数字量：CPU处理和磁盘存储的文件信息等。模拟量：语音信号，送往VGA显示器的视频信号，以及工业生产过程中温度、流量等物理量。它们随着时间连续变化。为了使用计算机对模拟量进行采集、加工和输出，需要把模拟量转换成便于数字计算机存储和加工的数字量（A/D转换，ADC），或者把数字量转换成模拟量(D/A转换，DAC)。D/A与A/D转换是计算机用于多媒体、工业控制等领域的一项重要技术。,模拟量输入输出通道示意图,A/D工作原理,A/D是将模拟量转换成数字量的器件。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是声、光、压力、湿度、温度等随时间连续变化的非电的物理量。非电的模拟量可通过合适的传感器（如光电传感器、压力传感器、温度传感器）转换成电信号。,模拟量到数字量转换过程图,采样过程图,离散系统或采样数据系统把连续变化的量变成离散量后再进行处理的计算机控制系统。离散系统的采样形式有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。周期采样以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定的时间间隔T转变为在瞬时0，T，2T，的一连串脉冲序列信号y*(t),采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取f（48）fmax。,量化,量化是把采样值取整为最小单位的整数倍。量化的最小单位称为量化单位，它等于输入信号的最大值/数字量的最大值，对应于数字量1。输入信号的最大值一般等于所使用的“参考电压(VREF)”,编码,量化得到的数值通常用二进制表示。对有正负极性（双极性）的模拟量一般采用偏移码表示。例如，8位二进制偏移码10000000代表数值0，00000000代表负电压满量程，11111111代表正电压满量程（数值为负时符号位为0，为正时符号位为1）。,AD芯片分类,并行输出AD转换,串行输出AD转换,直接AD转：并行比较型、反馈比较型,间接AD转换：双积分式,V-F式,并行比较型ADC的转换原理,逐次逼近式ADC的转换原理,逐次逼近式的A/D转换器的特点,转换速度较快，转换时间在1100s以内，分辨率可达18位，适用于高精度、高频信号的A/D转换；转换时间固定，不随输入信号的大小而变化；抗干扰能力较双积分型弱。采样时，干扰信号会造成较大的误差，需要采取适当的滤波措施。,双积分式A/D转换原理,VFC式A/D转换原理,-型模数转换器,（设输入模拟量Vin=1/4VREF）,-型模数转换器以串行数据流方式输出结果；转换精度为1LSB；转换完成后，比较器输出0/1相间的数字流；输入模拟量Vin发生变化，输出数字流随之变化。模拟量输入端接有多路开关时，通道切换后要等待足够长的时间，才能读取转换结果。-型模数转换器抗干扰能力强，转换精度高，常用于高分辨率（常见为16、18、24位）的中、低频信号测量。,A/D转换器的主要技术指标,分辨率,分辨率反映A/D转换器对输入微小变化的响应能力，用数字量最低位（LSB）所对应的模拟输入电平值()表示。分辨率直接与转换器的位数有关，也可以用数字量的位数来表示分辨率。注意：分辨率与精度是两个不同的概念。分辨率高的转换器，精度不一定高。,精度,绝对误差绝对误差等于实际转换结果与理论转换结果之差。可以用数字量的最小有效位（LSB）的分数值表示。例如:1LSB，1/2LSB，1/4LSB等相对误差相对误差是指数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。例：10位A/D芯片，输入满量程10V，绝对精度1/2LSB（9.77mV）绝对精度为：1/2（4.88mV）相对精度为：4.88mV/10V0.048。,转换时间,完成一次A/D转换所需要的时间。（发出转换命令信号到转换结束的时间）转换时间的倒数称为转换速率。例：AD574的转换时间25s，转换速率为40KHz（=1/25s）,量程,被转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。单极性常见量程为05V，010V，020V；双极性量程常为5V5V，10V+10V。,典型A/D转换芯片：AD0809,逐次逼近型8位A/D转换芯片；片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量；单极性，量程为05V；典型的转换速度100s；片内有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线连接；有较高的性能价格比，适用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域。,AD0809内部结构图,基准电压输入VREF(+)和VREF()它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值对转换精度要求不高时，可以把VREF(+)接到Vcc（+5V）电源上，VREF()接GND（地）为了避免数字脉冲信号对基准电源的干扰，可以设置独立的VREF(+)和VREF()，加在两个引脚的电压必须满足以下条件：VREF(+)+VREF()=Vcc，偏差值0.1VVccVREF(+)VREF()0,ADC0809管脚分布图,REF(-),ADDB,D4,D0,D2,D7,D6,D5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,25,24,23,22,21,26,27,28,IN2,IN1,IN0,GND,D1,ALE,EOC,START,CLOCK,D3,IN3,IN4,IN5,IN6,IN7,OE,ADDA,ADDC,REF(+),UCC,ADC0809的工作过程,（1）ALE信号锁存地址信号ADDAADDC。对应的模拟信号进入0809（2）START脉冲启动A/D转换（3）转换完成后，转换结束信号EOC变为高电平：可以作为状态信号由CPU查询；可以作为中断请求信号通知CPU。（4）CPU在查询式I/O程序或中断服务程序中：执行输入指令（读ADC0809数据端口）；该指令经地址译码电路产生OE信号，0809内三态缓冲器被打开，转换结果通过数据总线进入CPU。,ADC0809与系统有三种常见的连接方法：（1）占用三个I/O端口：端口1用来向0809输出模拟通道号并锁存；端口2用于启动转换；端口3读取转换后的数据结果。（2）占用二个I/O端口：端口1输出模拟通道号并锁存，同时启动转换；端口2读取转换后的数据结果。（3）通过并行接口芯片（例如8255A）连接。,例题一,用单片机控制ADC0804进行模数转换，当拧动实验板上A/D旁边的电位器Re2时，在数码管的前三位以十进制方式动态显示出A/D转换后的数字量（8位A/D转换后数值在0255变化）,D/A工作原理,将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加,数模转换的基本思想,T型电阻网络D/A转换器电路,参考电压,存放四位二进制数,最低位(LSB),最高位(MSB),模拟开关,转换原理,对应二进制数为0001时，,等效电路如右下图,对应二进制数为0001时，等效电路如下,同理：对应二进制数为0010时，有,同理：对应二进制数为1000时，有,同理：对应二进制数为0100时，有,T型网络开路时的输出电压UA，即等效电源电压UE。,等效电阻为R,等效电路如右图,若输入的是n位二进制数，则,D/A转换器的主要性能指标,指输入数字量的最低有效位（LSB）发生变化时，所对应的输出模拟量（电压或电流）的变化量。它反映了输出模拟量的最小变化值。对于5V的满量程，采用位的DAC时，分辨率为5V/25619.5mV；当采用12位的DAC时，分辨率则为5V/40961.22mV。显然，位数越多分辨率就越高。,实际转换特性曲线与理想直线特性之间的最大偏差。常以相对于满量程的百分数表示。如是指实际输出值与理论值之差在满刻度的以内。,绝对精度（简称精度）是指在整个刻度范围内，任一输入数码所对应的模拟量实际输出值与理论值之间的最大误差。绝对精度是由DAC的增益误差（当输入数码为全1时，实际输出值与理想输出值之差）、零点误差（数码输入为全时，DAC的非零输出值）、非线性误差和噪声等引起的。绝对精度（即最大误差）应小于1个LSB。,相对精度与绝对精度表示同一含义，用最大误差相对于满刻度的百分比表示。,指输入的数字量发生满刻度变化时，输出模拟信号达到满刻度值的1/2LSB所需的时间。是描述D/A转换速率的一个动态指标。电流输出型DAC的建立时间短。电压输出型DAC的建立时间主要决定于运算放大器的响应时间。根据建立时间的长短，可以将DAC分成超高速（1S)、高速（101S）、中速（10010S）、低速（100S）几档。,典型D/A转换芯片:DAC0832,DAC0832是使用非常普遍的位D/A转换器，可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。,分辨率位；电流建立时间S；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；输出电流线性度可在满量程下调节；逻辑电平输入与TTL电平兼容；单一电源供电（5V15V）；低功耗，20m。,DAC0832内部结构及引脚,DAC0832管脚分布图,CS,WR1,WR2,AGND,D4,D5,D6,D7,D0,D1,D2,D3,UCC,UREF,Rfb,DGND,ILE,XFER,Iout1,Iout2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,DAC0832与80C51单片机的接口,单缓冲工作方式,此方式适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求同步的系统。,双极性模拟输出电压,双极性输出时的分辨率比单极性输出时降低1/2，这是由于对双极性输出而言，最高位作为符号位，只有7位数值位。,双缓冲工作方式多路D/A转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器同步方式。,直通工作方式当DAC0832芯片的片选信号、写信号、及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号ILE引脚接5V时，DA