A-D与D-A转换器接口

1、A-D与D-A转换器接口 第第10章章 A/D与与D/A转换器接口转换器接口 伴随半导体技术、数字信号处理技术及通信技术的 飞速发展，A/D、D/A转换器近年也呈现高速发展的趋 势。人类数字化的浪潮推动了A/D、D/A转换器不断变 革，现在，在通信产品、消费类产品、工业医疗仪器 乃至军工产品中无一不显现A/D、D/A转换器的身影， 可以说，A/D、D/A转换器已经成为人类实现数字化的 先锋。 A-D与D-A转换器接口 10.1 D/A转换器接口技术转换器接口技术 D/A转换器工作时，只要转换器工作时，只要CPU把数据送到它们的输入把数据送到它们的输入 端，就开始转换，而不需要专门的控制信号触发

2、转换端，就开始转换，而不需要专门的控制信号触发转换 开始。同时，开始。同时，D/A转换器也不提供转换结束之类的状转换器也不提供转换结束之类的状 态信号，所以态信号，所以CPU向向DAC传送数据时，也不必查询传送数据时，也不必查询 DAC的状态是否准备好，只要两次传送数据之间间隔的状态是否准备好，只要两次传送数据之间间隔 不小于不小于DAC的转换时间，都能得出正确的结果。的转换时间，都能得出正确的结果。 A-D与D-A转换器接口 10.1.1 D/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 10.1.2 D/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理 D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、

3、转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、 解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量 以串行或并行方式输入并存储于数码寄存器中，寄存以串行或并行方式输入并存储于数码寄存器中，寄存 器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关将在电器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关将在电 阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路。求阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路。求 和电路将各位权值相加便得到与数字量对应的模拟量。和电路将各位权值相加便得到与数字量对应的模拟量。 以以4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络/A转换器为例来说明其原理，转换器为例来说明其原理

4、， 其原理如图其原理如图10-1所示，其中所示，其中MSB表示最高有效位表示最高有效位 (Most Significant Bit)。 A-D与D-A转换器接口 A-D与D-A转换器接口 10.1.3 8位位D/A转换器接口设计转换器接口设计 8位位D/A转换器转换器DAC0832 1. （1）内部结构及引脚功能）内部结构及引脚功能 A-D与D-A转换器接口 （2）DAC0832输出方式输出方式 DAC0832是电流型输出的，有电流输出是电流型输出的，有电流输出1(IOUT1)和电流输出和电流输出 (IOUT2)，IOUT1+IOUT2=常数。由于大部分器件是电压型的，常数。由于大部分器件是电

5、压型的， 因此需将电流信号转换为电压信号，对于因此需将电流信号转换为电压信号，对于DAC0832而言，在其而言，在其 输出端接一运算放大器即可。根据不同的应用，输出端接一运算放大器即可。根据不同的应用，DAC0832可以可以 接成单极性输出，也可以接成双极性输出方式。单极性工作输接成单极性输出，也可以接成双极性输出方式。单极性工作输 出接线如图出接线如图10-3所示。所示。 A-D与D-A转换器接口 双极性工作输出接线如图双极性工作输出接线如图10-4所示。所示。 A-D与D-A转换器接口 2. DAC0832与与CPU的连接的连接 （1）单缓冲工作方式）单缓冲工作方式 按单缓冲工作方式，它与

6、按单缓冲工作方式，它与CPU的连接电路如图的连接电路如图10-5所示。所示。 A-D与D-A转换器接口 （2）双缓冲工作方式：）双缓冲工作方式： A-D与D-A转换器接口 10.1.4 12位位D/A转换器接口设计转换器接口设计 1. 12位位D/A转换器转换器DAC1210 A-D与D-A转换器接口 2. DAC1210与微机与微机CPU的接口设计的接口设计 由于数据宽度不一致，所以必须把由于数据宽度不一致，所以必须把12位的数据分两次送入位的数据分两次送入 DAC1210的第一级锁存器，然后送入第二级的第一级锁存器，然后送入第二级12位位DAC寄存器。寄存器。 也就是必须采用双缓冲方式。也

7、就是必须采用双缓冲方式。 A-D与D-A转换器接口 10.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 A/D转换器是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间联系的转换器是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间联系的 桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便 计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。在工业控制和计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。在工业控制和 数据采集及其它领域中，数据采集及其它领域中，A/D转换器是不可缺少的重要组成部分。转换器是不可缺少的重要组成部分。 随着集成电路的飞速发展，随着集成电路的飞速发展，A

8、/D转换器的新设计思想和制造技转换器的新设计思想和制造技 术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制需要而设计的结构不术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制需要而设计的结构不 同、性能各异的同、性能各异的A/D转换器应运而生。转换器应运而生。 根据根据A/D转换器的原理可将转换器的原理可将A/D转换器分成两大类。一类是直转换器分成两大类。一类是直 接型接型A/D转换器，将输入的电压信号直接转换成数字代码，不经转换器，将输入的电压信号直接转换成数字代码，不经 过中间任何变量；另一类是间接型过中间任何变量；另一类是间接型A/D转换器，将输入的电压转转换器，将输入的电压转 变成某种中间变量（时间、频率、

9、脉冲宽度等），然后再将这个变成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再将这个 中间量变成数字代码输出。尽管中间量变成数字代码输出。尽管A/D转换器的种类很多，但目前转换器的种类很多，但目前 广泛应用的主要有三种类型：逐次逼近式广泛应用的主要有三种类型：逐次逼近式A/D转换器、双积分式转换器、双积分式 A/D转换器、转换器、V/F变换式变换式A/D转换器。另外，近些年有一种新型的转换器。另外，近些年有一种新型的 -型型A/D转换器异军突起，在仪器中得到了广泛的应用。转换器异军突起，在仪器中得到了广泛的应用。 A-D与D-A转换器接口 10.2.1 A/D转换的工作过程转换的工作过程 1.采

10、样保持采样保持 采样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。采样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。 采样过程如图采样过程如图10-9所示。所示。 A-D与D-A转换器接口 图图10-10 采样保持电路采样保持电路 A-D与D-A转换器接口 2. 量化与编码量化与编码 将采样保持电路的输出电压，按某种近似方将采样保持电路的输出电压，按某种近似方 式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过 程称为数值量化，简称量化。量化过程常采用程称为数值量化，简称量化。量化过程常采用 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍两种近似量化方式：只舍不

11、入量化方式和四舍 五入的量化方式。五入的量化方式。 10.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 三位并行比较型三位并行比较型A/D转换器原理电路如图转换器原理电路如图10-11 所示。所示。 A-D与D-A转换器接口 A-D与D-A转换器接口 10.2.3 双积分式双积分式A/D转换器转换器 1.电路组成电路组成 图图10-12是双积分式是双积分式A/D转换器的原理电路，由积分器、转换器的原理电路，由积分器、 过零比较器、时钟脉冲控制门和定时过零比较器、时钟脉冲控制门和定时/计数器等几部分计数器等几部分 组成。组成。 A-D与D-A转换器接口 A-D与D-A转换器接口 2.工作原理工

12、作原理 双积分式双积分式A/D转换器的基本原理是：先对输入模拟电转换器的基本原理是：先对输入模拟电 压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相 积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的 长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压 的数字量。的数字量。 A-D与D-A转换器接口 A-D与D-A转换器接口 3逐次逼近型逐次逼近型A/D转换原理转换原理 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换原理如转换原理如10-14所示。所示。 A-D与D-A转换器接口 1

13、0.2.4 A/D转换器接口的主要性能指标转换器接口的主要性能指标 分辨率（分辨率（Resolution） 转换时间转换时间 3. 量化和量化误差量化和量化误差 4. 精度精度 5. 满刻度误差（满刻度误差（Full Scale Error） 6. 线性度（线性度（Linearity） A-D与D-A转换器接口 10.2.5 8位位A/D转换器接口设计转换器接口设计 8位位A/D转换器转换器ADC0809 （1）主要性能指标）主要性能指标 ADC0809是是CMOS数据采集器件，它不仅包括一个数据采集器件，它不仅包括一个 8位的逐次逼近型的位的逐次逼近型的A/D部分，而且还提供一个部分，而且还

14、提供一个8通道通道 的模拟多路开关和联合寻址逻辑。的模拟多路开关和联合寻址逻辑。 （2）内部结构及引脚功能）内部结构及引脚功能 ADC0809的原理框图如图的原理框图如图10-15所示。所示。 A-D与D-A转换器接口 A-D与D-A转换器接口 2. ADC0809与与8086CPU接口接口 （1）查询法）查询法 ADC0809与与CPU采用查询法的接口电路，如图采用查询法的接口电路，如图10-16所示。所示。 A-D与D-A转换器接口 （2）中断法）中断法 ADC0809与与8086CPU采用中断响应的接口电路如图采用中断响应的接口电路如图10-17所示。所示。 A-D与D-A转换器接口 1

15、0.2.6 12位位A/D转换器接口设计转换器接口设计 1. 12位位A/D转换器转换器AD1674 AD1674是美国是美国AD公司的产品，是目前应用较广的公司的产品，是目前应用较广的12位快位快 速逐次逼近式速逐次逼近式ADC芯片。芯片。 （1）主要技术指标）主要技术指标 分辨率分辨率12位。位。 快速逐次逼近式，转换时间为快速逐次逼近式，转换时间为10s。 内部集成时钟、基准电压电路以及采样保持放大器。内部集成时钟、基准电压电路以及采样保持放大器。 有与有与8位位/16位微处理器兼容的接口，三态输出锁存。位微处理器兼容的接口，三态输出锁存。 单级性和双级性输入，模拟输入电压范围单级性和双

16、级性输入，模拟输入电压范围010、 020V、5V和和10V。 （2）引脚功能）引脚功能 AD1674有有28个引脚，采用双列直插式封装，其芯片引脚个引脚，采用双列直插式封装，其芯片引脚 如图如图10-18所示。所示。 A-D与D-A转换器接口 A-D与D-A转换器接口 （3）内部结构）内部结构 AD1674内部结构图如图内部结构图如图10-19所示，所示，AD1674是采用是采用Bimos工工 艺，主要由宽频带采样保持放大器艺，主要由宽频带采样保持放大器SHA、10V基准电源、时钟基准电源、时钟 电路、逐次逼近寄存器电路、逐次逼近寄存器SAR、高分辨率比较器、高分辨率比较器COMP、D/A转

17、转 换器换器DAC、控制部件以及三态输出缓冲器等组成。、控制部件以及三态输出缓冲器等组成。 A-D与D-A转换器接口 （6）模拟输入方式）模拟输入方式 AD1674有单极性和双极性两种模拟输入方式：有单极性和双极性两种模拟输入方式： 单极性输入的接线和校准：单极性输入的接线如图单极性输入的接线和校准：单极性输入的接线如图10-20(a)所所 示。示。AD1674在单极性方式下，有两种额定的模拟输入范围：在单极性方式下，有两种额定的模拟输入范围： 0+10V的输入接在的输入接在10VIN和和AGND间，间，0+20V输入接在输入接在20VIN 和和AGND间。间。R1和和R2 为调整电阻。为调整电阻。 双极性输入的接线和校准：双极性输入的接线如图双极性输入的接线和校准：双