微机原理与接口技术——第11章(ADDA)

1、1 第十一章ADDA 模拟/数字与数字/模拟转换技术 2 计算机控制系统组成 3 模数、数模变换 计算机控制系统面对的是现实世界的各种对象。 连续物理量：电压、电流、电阻、电功率（电 类）。压力、流量、温度、物（液）位，角度、 位移量、速度、转矩，成分、颜色、气味、物质 结构（非电类 ）。模拟量。 不连续的物理量：通、断，满、空，亮、灭，有、 无，转、停 两种状态。一个周期出现的次 数。开关量，脉冲量。 非电类物理量转换成电类物理量，电类物理量转 换成数字量。 模数变换：连续信号采样序列数字信号。 数模变换：数字信号跟踪保持器连续信号。 4 两次近似 过程： 连续时间量变成间断的时间序列， 连

2、续变化量变成间断变化量（整数，有限 个数） 连续变成不连续，无限变成有限。 过程： 时间序列变成连续时间量； 但有限的数值变化，不再是连续的变化量。 5 A/D、D/A 的应用 6 A/D转换 传感器：一次仪表，信号检测；二次仪表， 非电量转换成电量信号。 放大器：将电量信号转换成标准电量信号 （模拟信号）。 A/D变换器：将模拟信号转换成数字信号。 （采样， 转换，保持） I/O接口：并行或串行接口，将数字量输入 CPU。 7 D/A转换 I/O接口：并行或串行接口，将数字量从CPU输出。 D/A变换器：数字量转换成模拟量，并具有保持功能。 在一下次CPU输出前保持不变 。当CPU输出新数字

3、 量后，立即变为新值，并保持新值不变。通常D/A变 换器具有0阶保持器特性。 变换：将D/A变换器输出的标准电信号转换成相应的 物理量。(电信号，气信号，液压信号等)，以及进行 功率放大。 执行机构：对生产过程控制的实施者。 8 运算电路（加法） If=Ia+Ib+Ic Vo=- Rf(Va/Ra+ Vb/Rb+Vc/Rc) Ka=Rf/Ra Kb=Rf/Rb Kc=Rf/Rc Vo=- (KaVa+KbVb +KcVc) 9 加权电流法原理 令Va=Vb=Vc=Vref, Ra = R， Rb=2R，Rc=4R， (=) 得: Vo=-(VrefRf/R)(1+1/2+1/4+) 10 加权

4、电流法原理 当bi = 1，接电源，当bi = 0，接地。 这种方法输出模拟量的精度，完全由电阻的精 度确定，图中的电阻称权电阻。所有权电阻组 成权电阻网络。 加权电流法要求权电阻网络中的电阻值要精确 成比例。要求采用精密电阻。 电阻种类多，阻值变化范围大。一般不容易做 到很高精度，较少采用。 11 梯形网络法 改变权电阻网络的结构， 减少电阻的种类 从权电阻网络任一节点 看，其阻抗均为R:R，因 此，从左到右，每一个 节点的电位均是它前一 节点的1/2。这种方法的 变换精度可以很高，因 为所用电阻只有两种阻 值(R和2R)。 DAC和ADC中最常用。 12 梯形网络法 13 D/A转换器的性

5、能指标转换器的性能指标 分辨率：常用DAC的位数表示 。分辨率通常用二进 制位数表示，如分辨率为8位的DAC能给出满量程电 压的1/256的分辨能力。 精度：实际输出值与理想输出值之间存在的偏差 。 失调误差：指输入数字量全部是0时，模拟量的实际输 出值与理想输出值之间的偏差 增益误差：指输入数字量全部是1时，模拟量的实际输 出值与理想输出值之间的偏差 可通过外电路调整补偿可通过外电路调整补偿 14 D/A转换器的性能指标（转换器的性能指标（2） 线性误差：指D/A转换器的实际转换特性曲线 与理想转换特性曲线之间的最大偏差 线性误差 = （|实际值 理想值|）/分辨率。 建立时间：指从D/A变

6、换器输入端数字量发 生变化，到模拟量输出端达到稳定值所需 要的时间。反映了D/A变换器的速度。 温度系数：温度系数是指在规定的温度范 围内，温度每变化1时，失调、增益、线 性度等参数的变化量 15 DAC0832特性特性 1）电流输出型D/A变换器； 2）数字量输入具有双重缓冲功能，且可有双缓 冲、单缓冲或直通三种工作方式； 3）微处理器直接接口； 4）输入数据的逻辑电平满足TTL电平规范； 5）分辩率为8位，满量程误差为1LSB，转换时 间(建立时间)1S，参考电压10V。单电源 +5V +15V工作，功耗20mW。 16 DAC0832结构及引脚信号结构及引脚信号 17 DAC0832结构

7、及引脚信号结构及引脚信号 ILE：输入锁存允许信号，输 入，高电平有效，与CS联合， 允许WR1 WR1：8位输入寄存器写选通 信号，输入，低电平有效。 WR2：DAC寄存器写选通信 号,与XFER联合,将数据从输 入寄存器写入DAC寄存器。 XFER：数据传送信号 ，为 WR2的使能信号 18 其它引脚信号引脚信号 DI7 DI0：数据输入（数据总线）。 IOUT1、IOUT2：电流输出端，IOUT1+IOUT2=常数。 并且IOUT1端输出电流与DAC寄存器中数据成正 比，当数据为全0， IOUT1=0；当数据为全1， IOUT1电流达最大。 RFB：反馈信号输入端。 片内有电阻，与外接

8、运算放大器电压输出直联，不需外加电阻。 VREF：基准电源输入端。 外部提供的精密稳压 电源。为内部R-2R梯型网络提供电源。 VREF范 围在-10V+10V可选。 19 DAC0832电源与地线 VCC：电源，+5V +15V，+15V性能更好。 引脚3为模拟地端AGND ，引脚10为数字地 DGND。 引脚3上的电位应与输出电流（IOUT1、IOUT2） 相同，它会影响输出线性性。 20 DAC0832结构结构 DA转换器：R-2R梯形电阻网络组成。 其中开关由DAC寄存器输出组成。 DAC寄存器为0，相应开关处于“0”位置。 21 DAC0832结构结构 双缓冲结构：输入寄存器、DAC

9、寄存器。 都为8位并行输入，并行输出寄存器。 输入寄存器输出与DAC寄存器相联，数据 输入受内部LE2控制。 输入寄存器输入与系统数据总线相联，数 据输入受内部LE1控制。 通过外部控制信号不同组合，有不同的工 作方式。双缓冲、单缓冲、（直通）。 22 DAC0832结构及引脚信号结构及引脚信号 23 DAC0832与CPU连接 DAC0832没有地址线，只有片选信号CS，只要 CS为低即选中。 DI7DI0接数据总线 DAC0832写控制逻辑相对复杂，有两个写信号， 其中WR2与XREF控制写DAC寄存器。 WR1、ILE和CS控制写输入寄存器。 CS为片选，接译码器，ILE有两种接法： 1

10、 接电源（+5V），这时， 2 接地址线A0，当CS为低，且ILE（A0）=1。可 与DAC1230（12位DA兼容）。 24 25 DAC0832的工作方式的工作方式 1. 双缓冲工作方式 双缓冲工作方式是指两个寄存器分别受到 控制，当ILE、CS和WR1信号均有效时，8 位数字量写入输入寄存器，而未写入DAC 寄存器。当XFER和WR2信号均有效时， 才将输入寄存器的数据写入DAC寄存器， 并开始A/D转换。 双缓冲工作方式主要用于需要多路同步输出多路同步输出 的情况。 26 27 DAC0832的工作方式的工作方式 2单缓冲工作方式 单缓冲工作方式是指将一个寄存器的有关控制信号预 先设置

11、成永远有效，使之直通，而只用一个寄存器完 成D/A转换控制；或将两个寄存器的控制信号连在一 起，两个寄存器作为一个来使用。当CPU写输入寄 存器时，直接写入DAC寄存器。 控制信号的连接有许多不同的选择，如ILE仍可接A0， 与DAC1230兼容。或接高电平。 CS与XREF同接片选，或XREF接地， WR1与WR2并联，接WR， WR1与WR2 之一接WR ， 另一接地。或者XREF、WR1、WR2三者并联接WR。 等等，只要符合逻辑都可以。 28 DAC0832单缓冲方式连接 29 DAC0832的工作方式的工作方式 3 单极性和双极性电压输出 DAC0832是电流输出型D/A转换器。内部

12、阻抗 较大，无法直接驱动负载，必须外加变换电路。 要得到模拟电压输出，需外加I/V转换电路。 常用运算放大器实现单极性电压输出电路 。 并且为反相输出(a)。此时要得到正输出电压， VREF要采用负电源。 采用两级运算放大器，可实现双极性电压输出 (b)。 此时，VREF要采用正电源。 30 DAC0832的工作方式的工作方式 31 单极性电压输出 假定反馈电阻Rfb=R, 当输入DI=0，IOUT1=0，VOUT=0， 当DI=80H，输入电阻=2R，VOUT=VREF/2 当DI=0FFH，输入电阻网络=R，VOUT VREF 32 单极性输出电路输出电压为 VOUT= ( D/256 )

13、*VREF 因为IOUT1接运算放大器的反相输入端，所 以式中有一个负号。如果基准电压VREF = - 5V，当输入0255时，图(a)的输出电压为 0 4.98v VOUT = -IOUT*RFB = -(VREF / R)*(D/28)*RFB = - VREF*(D/256) VREF可正，可负。若要得到正输出电压， VREF为负电压。 33 双极性输出电路的输出电压 选择R2=R3=2R1，可以得到 VOUT2 = -（2VOUT1+VREF） = -2*(D/256)*VREF + VREF =（D-128）/128VREF 在上面的电路中，如果基准电压VREF = 5V， 当D=0

14、时，图(b)的输出电压为 -2.5V，当 D=128时，输出电压为0V，当D=255时， 输出电压为2.48V。 34 A/D变换原理 （计数器式） A/D变换器的工 作原理与D/A变 换器非常相似。 由计数器、D/A 转换器和比较器 组成计数式A/D 变换器。 35 计数式 A/D变换 36 计数器式A/D变换原理 比较器同相输入接未知模拟输入，反相端接D/A输出 （电压输出）。 计数器的输出作为数模（D/A）变换器的输入。 计数器由零开始计数，DAC输出一个逐步升起的电 压， 根据图中连接，比较器对两个电压进行比较。当 DAC电压超过输入模拟电压时，比较器输出变低， 停止计数器计数。此时，

15、DAC的输出电压值就是模 拟量的近似值，而计数器的值，为模拟输入电压的数 字值，偏差在最小数字位代表的电压当量以下。理论 上，平均误差为1/2LSB。 37 逐次逼近式 A/D变换 计数器式用最低位加 1计数，由于电压不 同，每次转换时间不 一样,平均转换时间 为2n-1次计数时间。 转换速度慢。 逐次逼近式 A/D变换 同样由寄存器、D/A 转换器和比较器组成。 逐次逼近式从最高位 比较开始。 38 逐次逼近式 A/D变换 转换前，寄存器各位清除为0。转换开始，寄存器的 最高位置1，使DA变换器权电阻网络最高位接DAC 放大器的输入端，DAC输出值与被测的模拟值进行 比较，如果DA输出“低于

16、”未知电压（比较器输出 为高），则1被保留；反之，则1被清除。 然后将下一位置1，重复上述过程，根据比较器输出， 决定保留还是舍弃该位，逐位进行比较，直至最 低位。 此时，寄存器中的数值就是A/D转换的结果。 对n位ADC来讲，逐次逼近式只要n次比较，就可完 成转换 。 转换速度较快，是最常见的A/D变换器原理。 39 ADC0809芯片芯片 CMOS工艺的8位逐 次逼近式ADC 转换时间为100s 内部一个A/D变换器 8个模拟输入通道， 可对8路信号进行模 数变换。 三态输出锁存 40 ADC0809芯片芯片 41 ADC0809芯片引脚信号芯片引脚信号 IN7IN0：模拟量输入通道。接外

17、部模拟电压信号。 D7D0：A/D变换结果，数字量输出，三态。接系统数 据总线。 ADDA、ADDB、ADDC：模拟通道选择。接系统地址 总线。 ADC0809的引脚信号比较特别，无片选信号， 只有通道选择，要组合片选信号。 START：启动转换。 EOC：工作状态标志，输出。低 电平，正在转换；高电平，转换结束。可作为中断请 求信号。 OE：输出允许，高电平有效。有效时A/D结果出现在数 字量输出引脚端。接系统IOR。 42 ADC0809芯片引脚信号芯片引脚信号 ALE： 地址锁存信号，输入，高电平有效。接系统IOW。 一般可与START连接，送入地址信号同时，启 动转换过程。 注意：许多

18、芯片的IOR、IOW为低电平有效，这里为高 电平有效 CLK： 转换时钟，10kHz1280kHz，典型值 640kHz。 VREF+，VREF-：参考电压。 要求VREF+ 不高于VCC （+0.3V）；VREF-不低于地电位。一般情况，接地， 此时它成为模拟地。要求采用稳定电压源。 43 ADC0809的转换时序 44 ADC0809 单通道应用单通道应用 只有一个模拟 量输入， 采用中断方式 45 ADC0809多通道应用 多个模拟量输 入，最低三位 地址选择模拟 量通道。 采用查询方式 确定是否转换 完成。 或者采用软件 延时，读转换 结果。 46 并行式A/D变换 逐次逼近式 A/D

19、变换比计数式提高了速度，但仍要 逐位比较，在有些应用中，速度还不够高。 并行转换式A/D变换采用直接比较法。将参考电压 VREF，经电阻分压器直接给出2N - 1个量化电平。采 用2N - 1个比较器，每个比较器的一端接某一级量化 电平。另一端接要转换的输入电压VIN。 由于输入电压同时送到各个比较器，2N - 1个比较器 同时工作（并行工作），比较器的输出由编码器编 成N位数字码。 不管多少位的A/D变换，仅需一步就得到结果，速度 快。 47 并行式A/D变换 三位 并行 A/D 变换 器组 成原 理 48 并行式A/D变换 并行式ADC的速度最快。由于比较器参照的各 级量化电平是时刻存在的

20、，转换时间只是比较 器和编码器的延迟，因此转换速度极快 。 N位转换器需要2N1个电阻和2N - 1个比较器。 每增加1位，元器件的数目就要增加一倍 。 电路复杂性和成本随分辨率的提高而迅速增 加 。 并行式A/D变换一般位数不高。48位。 49 模拟器件公司模拟器件公司AD9002 8位并行A/D变换器。 编码速度125MSPS。 50 51 其它A/D、D/A变换器概念 双积分式 A/D变换。 电压-频率变换型A/D变换器。 脉宽调整型D/A输出。 频率-电压变换型D/A变换器 52 双积分式 A/D变换 双积分式ADC 省掉了DAC需要 的高精度电阻网 络，故能以相对 低的成本实现高 分

21、辨率。 两次积分过程 使它的转换时间 较长。 53 双积分式 A/D变换 双积分式转换过程分为两个积分阶段： 固定积分时间对输入模拟电压VIN进行积分阶段（采样）； 斜率固定对反极性标准电压VREF进行积分的阶段（变换）。 工作过程 每次转换开始时，控制逻辑使开关接向IIN端。IIN是电压/电流 变换器的输出电流，它正比于VIN。此电流使积分电容器的两 极右正左负地被充电，积分电路的输出电压VC逐渐升高。此 正斜率持续一个固定时间后，控制逻辑使开关接向基准电流输 出端，计数器重新开始对时钟计数。IREF是VREF电压/电流变换 后的输出，它的大小是固定的。由于VREF极性与VIN的极性相 反，故IREF是积分电容的放电电流。当VC电压越过零点时，比 较器的输出状态改变，使计数器停止计数。这个二进制计数值 与模拟输入电压的幅值成正比，就是A/D转换的结果（数字 量）。 54 双积分式 A/D变换 电路简单，价格低，精度高。 抗干扰能力强。 速度相对较慢（