第9讲 模数与数模转换---陈裕国.ppt

模/数与数/模转换,1数/模与模/数转换概念2模/数（A/D）转换器(1）A/D转换器芯片ADC0809(2）A/D转换器芯片TLC15433数/模（D/A）转换器,D/A与A/D转换：微型计算机处理的是数字量，而实际上外界事物大多是模拟量，如：温度、压力、浓度等等，这些都是非电的物理量，它们必须经过传感器转换为模拟的电信号，然后经过A/D转换器将模拟的电信号转换成数字信号，才能为微机所处理，这一转换过程称为A/D转换；计算机处理的数字量也必须经过D/A转换器将数字信号转换成模拟的电信号，才能为外界所接收。D/A转换器：将数字信号转换成模拟的电信号。A/D转换器：将模拟的电信号转换成数字信号。传感器：一般是指能够进行非电量和电量之间转换的敏感元件。,1数/模与模/数转换概念,接下页,1)模拟量I/O通道的组成,模拟接口电路的任务,模拟电路的任务,00101101,10101100,工业生产过程,传感器,放大滤波,多路转换初始化及主程序如下：,接下页,;以下为中断服务程序：,接下页,;以下为查询服务程序：,返回,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,1)SPI协议简介SPI(SerialPeripheralinterface)协议就是串行外围设备接口。是一种高速全双工同步通信总线，在芯片的管脚上只占用四根线.SPI的通信原理很简单，以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或多个从设备。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,1)SPI协议简介SPI串行通讯协议的数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。一般来说ADC中的SPI指的是模块中的从SPI及其接口，主SPI可以使用MCU或者单片机实现。,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,2）A/D转换器芯片TLC1543TLC1543为20脚DIP装的CMOS10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器。A0A10-为11个模拟输入端，REF+和REF-为基准电压正负端CS-片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/OCLOCK、DATAOUT,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,2）A/D转换器芯片TLC1543ADDRESS-输入端，输入一个4位的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入。DATAOUT-A/D换结束三态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。I/OCLOCK-数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,2）A/D转换器芯片TLC1543EOC（19脚）-片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,3）TLC1543的工作方式,接下页,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,3）TLC1543的应用,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,3）TLC1543的应用,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,3）TLC1543的应用,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,3）TLC1543的应用,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,接下页,3）TLC1543的应用,2模/数转换器,(2）A/D转换器芯片TLC1543,返回,3）TLC1543的应用,D/A转换器的功能是将一组输入的二进制数转换为在时间上是连续的模拟量输出，输出模拟量形式有电流型和电压型两种。对于电流型输出D/A转换器可外接运算放大器，将输出电流转换成电压并提高带负载能力。,3数/模转换器,接下页,1）数模(D/A)转换器的基本原理1权电阻网络D/A转换器的基本工作原理,3数/模转换器,接下页,假定使Rf=R，各支路上的输入电阻R1，R2Rn分别等于21R，22R2nR，则可得出输出电压Vo和输入数值D的关系式为式:,3数/模转换器,任意一支在开关闭合时,在输出端上引起的输出电压VO与输入电压Vref之间有如下关系：,式中Rf为运算放大器的反馈电阻，Ri为输入电阻。,因此，第i支路引起的输出电压为,输入端有n个支路，按叠加定理，输出电压为各个分输出电压之和：,接下页,3数/模转换器,二进制数D等于0时,Vo输出为0;D=10000000B时,D7=1，其余为0，仅K7闭合，Vo输出为Vref/2，D=11111111B时，全部开关闭合，Vo输出为(255/256)Vref。输出幅度为(255/256)Vref。,D/A转换器的转换精度与基准电压Vref和权电阻的精度以及数字量的位数n有关。显然，位数越多，转换精度就越高，但同时所需的权电阻的种类就越多。在集成电路和制造高阻值的精密电阻比较困难.,接下页,3数/模转换器,由叠加定理：Io=Ion=(8*D3+4*D2+2*D1+1*D0)*Vref/(16R)四位D/A：Io=D*Vref/(16R),Vref,2R,R,R,R,2R,2R,2R,2R,io,D3:onIo3=Vref/(2R)=8Vref/(16R),D2:on分压比：R/(R+R)=1/2Io2=Vref/(2R)*（1/2）=4Vref/(16R),Io0=1Vref/(16R),Io1=2Vref/(16R),数据位高，输出大,D3D2D1D0,2T形网络D/A原理,它只由两种阻值R和2R组成，用集成工艺生产较为容易，精度也容易保证，因此得到比较广泛的应用。,接下页,R-2R梯形电阻网络,接下页,3数/模转换器,2）D/A转换器的主要技术指标,（1）分辨率（Resolution）单位数字量所对应模拟量增量。输入的二进制数每1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。一般用输入数字量的位数来表示:如8位、10位。例：一个满量程为5V的10位DAC，1LSB的变化将使输出变化5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV（2）精度（Accuracy）实际输出值与理论值之间的最大偏差。一般用最小量化阶来度量，如1/2LSB（LeastSignificantBit）也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSR（FullScaleRange）分绝对精度（AbsoluteAccuracy）和相对精度（RelativeAccuracy）绝对精度（绝对误差）指的是在数字输入端加有给定的代码时，在输出端实际测得的模拟输出值（电压或电流）与应有的理想输出值之差。它是由D/A的增益误差、零点误差、线性误差和噪声等综合引起的。相对精度指的是满量程值校准以后，任一数字输入的模拟输出与它的理论值之差。,接下页,3数/模转换器,2）D/A转换器的主要技术指标,（3）线性误差由于种种原因，D/A的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线）与理想的转换特性（始终点连线）之间是有偏差的，这个偏差就是D/A的线性误差。（4）转换时间转换时间是指当输人数字量满刻度变化(如全0到全1)时，从数字量输入到输出模拟量达到与终值相差1/2LSB(最低有效位)相当的模拟量值所需的时间，它表示D/A转换器的转换速率。（5）动态范围动态范围是指最大和最小输出值范围。一般决定于参考电压Vref的高低。参考电压高，动态范围就大。整个D/A转换电路的动态范围除与Vref有关外，还与输出电路的运算放大器的级数及连接方法有关。适当地选择输出电路，可在一定程度上增加转换电路的动态范围。,接下页,3）DAC0832D/A转换器性能、结构DAC0832芯片是一种具有两个输入数据锁存器的8位DAC，能直接与MCS-51单片机接口。主要性能如下：分辨率8位、单一电源供电（+5V+15V）；具有单缓冲、双缓冲和直通输入三种工作方式；逻辑输入电平与TTL电平兼容。,DAC0832片内结构,片内结构：8位输入寄存器由8个D锁存器组成，作为输入数据的缓冲器，它的8位输入线可直接与P0口相连。由LE1来控制其输入及锁存。当LE1=1时，锁存器的输出Qi随输入DIi变化；当LE1=0时，输入数据被锁存。,接下页,3数/模转换器,由三根引脚对LE1进行控制：当ILE=1、CS=WR=0时LE1=1，输出随输入变化。当WR1=1时，LE1=0，输入数据被锁存。数据能否进行D/A转换，还有赖于LE2是否满足开通条件。,8位D/A转换器它是采用T型网络的D/A转换器，输出是与数字量成比例的电流，Rfb是连接外部运算放大器的反馈电阻端，连接运算放大器的输出端，将IOUT1和IOUT2输出电流变为电压。,8位DAC寄存器也由8个D锁存器组成。它的控制端为LE2。当LE2=1时，输出数据跟随输入；在LE2=0时，将第一级输出的数据锁存到DAC寄存器中。LE2的状态由两根引脚对其进行控制。当WR2和XFER均为0时，LE2=1。,接下页,3）DAC0832D/A转换器性能、结构DAC0832共20条引脚双列直插式封装结构，功能如下：/CS片选端，低电平有效；ILE数据允许锁存信号，高电平有效；/WR1写信号1端，低电平有效。当/XFER和/WR2同时有效，才能使数据通过第二级锁存器进行D/A转换。DI7DI08位数据输入线。可连接数据总线P0口；IOUT1模拟电流输出端1。当DAC寄存器全为1时输出电流最大；全为0时输出电流为0。IOUT2模拟电流输出端2。IOUT2为一常数与IOUT1之差，即OUT1+IOUT2=常数。连接运算放大器输入端。Rfb反馈电阻连接端。用于连接运算放大器的输出（反馈电阻固化在片内）。,接下页,3数/模转换器,4）DAC0832的三种工作方式用户可以有三种工作方式可供选择。直通方式这时两级8位数据锁存器都处于输出跟随输入的情况、条件是LE1和LE2同时为1，为此要求；ILE=1，而CS、WR1、WR2和XFER均为0。由DI7DI0输入的数据直接进行D/A转换。用于单缓冲器寄存器工作方式两个锁存器之一始终处于直通状态，另一个锁存器处于受CPU控制状态。条件是LE2=1（直通）CPU控制LE1=CSWRILE。这时DAC0832相当8031的一个外部RAM单元，CPU用一条MOVX指令就可以完成D/A转换。,用于双缓冲寄存器的工作方式这种方式是两个锁存器都处于受控方式，CPU通过5条引脚分别控制LE1和LE2。关系为LE1=ILECSWR1；LE2=WR2XFERCPU要输出转换8位数据必须通过两步操作才能完成。多用于2路D/A转换接口场合，每一路模拟输出都需一片DAC0832，并要求同步进行D/A转换输出。,接下页,5）DAC0832和8031的接口方法由于DAC0832内部带有数据锁存器，因此，可直接与P0口连接。DAC0832工作在单缓冲方式硬件接口若系统中只需要一路D/A转换时，采用单缓冲。硬件使LE2=1，则将WR2和XFER接地，将ILE接+5V。这时：LE1=CSWR1，用单片机WR控制WR1、P2.7连接CS。CPU用输出指令MOVXDPTR，A可进行单缓冲D/A转换,完成D/A转换指令：MOVDPTR，#7FFFH；指向0832地址，使P2.7=CS=0MOVA，#data；待转换的数字量装入A中MOVXDPTR，A；启动D/A转换，WR=WR1=0，数字量从P0口送至DI7DI0,接下页,DAC0832双缓冲同步方式硬件接口要求两路同步D/A转换输出时，应采用双缓冲同步方式连接。数字量的输入锁存和D/A转换输出分两步完成。两片DAC0832共同占用8031外部RAM的3个地址：两个0832输入寄存器各占去一个RAM地址，CPU分时操作，先后用两条输出指令将待转换的数字量分别写入并锁存到各自的输入寄存器中；而两个DAC寄存器则占用同一个RAM单元