第10章AD接口ppt课件

1、第第1010章章 A/DA/D及及D/AD/A转换器转换器教学重点 DAC 0832及其与主机的连接 ADC 0809及其与主机的连接模拟量与数字量n模拟量模拟量连续变化的物理量连续变化的物理量n数字量数字量时间和数值上都离散的量时间和数值上都离散的量模仿模仿/数字转换器数字转换器ADCDAC数字数字/模拟转换器模拟转换器模拟输入输出系统数字信号数字信号模拟信号模拟信号现场信号现场信号1现场信号现场信号2现场信号现场信号n微型微型计算机计算机放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路开开关关低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器A/D转换器转换器

2、采样保持器采样保持器数字信号数字信号受控对象受控对象控制信号控制信号模拟信号模拟信号D/A转换器转换器放大驱动电路放大驱动电路传感器传感器将各种现场的物理量测量出来将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号模拟电压或电流）并转换成电信号模拟电压或电流） 放大器放大器把传感器输出的信号放大到把传感器输出的信号放大到ADC所需所需的量程范围的量程范围低通滤波器低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比以增加信噪比多路开关多路开关把多个现场信号分时地接通到把多个现场信号分时地接通到A/D转换器转换器采样保持器采样保持器周期性地采样连续信号，周期性地采样连续信号，并在

3、并在A/D转换期间保持不变转换期间保持不变10.410.6 A/D转换器 P271模拟量模拟量数字量数字量模仿模仿/数字转换器数字转换器ADC一、A/D转换工作原理 P274ADC是把模拟量是把模拟量(通常是模拟电压通常是模拟电压)信号转换信号转换为为n位二进制数字量信号的电路。位二进制数字量信号的电路。这种转换通常分这种转换通常分4步进行：步进行：采样采样坚持坚持量化量化编码编码前两步在采样保持电路中完成，后两步在前两步在采样保持电路中完成，后两步在A/D转换过程中同时实现。转换过程中同时实现。1、采样坚持采样保持电路最基本的采样最基本的采样保持电路，它由保持电路，它由MOS管采样开关管采样

4、开关T、保持电容保持电容Cb和运放做成的跟随器三部分组成。和运放做成的跟随器三部分组成。2、量化和编码n量化，就是用基本的量化电平量化，就是用基本的量化电平q的个数来表示采的个数来表示采样样保持电路得到的模拟电压值。保持电路得到的模拟电压值。n由于量化而产生的误差，称之为量化误差，它直接由于量化而产生的误差，称之为量化误差，它直接影响了转换器的转换精度。影响了转换器的转换精度。n它是原理性误差，只能减小，而无法消除。它是原理性误差，只能减小，而无法消除。n为减小量化误差，根本的办法是取小的量化电平。为减小量化误差，根本的办法是取小的量化电平。n编码就是把已经量化的模拟数值编码就是把已经量化的模

5、拟数值(它一定是量化电它一定是量化电平的整数倍平的整数倍)用二进制数码、用二进制数码、BCD码或其他码来表码或其他码来表示示A/D转换的基本原理n存在多种存在多种A/D转换技术，各有特点，转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合分别应用于不同的场合n3种常用的转换技术种常用的转换技术n逐次逼近式逐次逼近式n双积分式双积分式n电压频率转换法电压频率转换法V/F1. 逐次逼近式逐次逼近式ADC原理：首先将逐次逼近寄存器内容的最高位置原理：首先将逐次逼近寄存器内容的最高位置一，如果一，如果D/A转换器输出的电压大于被测电转换器输出的电压大于被测电压则清除该最高位，否则则保留该位。然后压则清除该最高位

6、，否则则保留该位。然后再将次高位置一，进行试探，高于被测电压再将次高位置一，进行试探，高于被测电压则清除该位，否则保留该位。从高到低依次则清除该位，否则保留该位。从高到低依次进行设置，则进行设置，则N次测试后即可得到被测电压次测试后即可得到被测电压的数字值。的数字值。 实际相当于搜索算法中的折半查找法实际相当于搜索算法中的折半查找法1. 逐次逼近式从最高位开始从最高位开始的逐位试探法的逐位试探法时钟时钟复位复位数字输出数字输出转换结束转换结束比较器比较器模拟输入模拟输入寄存器寄存器D/A转换器转换器2. 双积分式双积分式A/D转换转换 原理：电路对未知模拟量进行固定时间的积原理：电路对未知模拟

7、量进行固定时间的积分，然后对标准电压进行反向积分，电压返分，然后对标准电压进行反向积分，电压返回起始值时，通过比较两次积分所花费的时回起始值时，通过比较两次积分所花费的时间，可得到被测电压值。间，可得到被测电压值。 特点：需要高精度时钟脉冲，精度高，抗干特点：需要高精度时钟脉冲，精度高，抗干扰，但转换速度慢扰，但转换速度慢2. 双积分式两个积分阶段两个积分阶段实质是电压实质是电压/时间变换时间变换IREFIinVinVREF积分器积分器比较器比较器V/IV/I时钟时钟启动计数启动计数计数器计数器数字输出数字输出T2T1Vc固定斜率固定斜率时间可变时间可变固定时间固定时间斜率可变斜率可变转换结束

8、转换结束3. 电压频率转换法 V/F(1) 工作原理：由工作原理：由VFC模模/数转换器、计数器、数转换器、计数器、控制门组成。控制门组成。 VFC产生频率产生频率f与与Vi成正比的脉成正比的脉冲。冲。 f=K*Vi。（2） VFC特点 VFC价格不高。在零点漂移及非线性误差等方面，性能均优价格不高。在零点漂移及非线性误差等方面，性能均优于逐次逼近式于逐次逼近式A/D转换器。转换器。 VFC输出频率为输出频率为f的脉冲信号，只需要两根传输线就可进行的脉冲信号，只需要两根传输线就可进行传送。用这种方式对生产现场的信号进行采样和远距离传输传送。用这种方式对生产现场的信号进行采样和远距离传输都很方便

9、，且传输过程中的抗干扰能力强。都很方便，且传输过程中的抗干扰能力强。 VFC的输入量为模似信号的输入量为模似信号Vi，输出的是脉冲信号，只需采用，输出的是脉冲信号，只需采用光耦合器传输脉冲信号，便可实现模似输入信号光耦合器传输脉冲信号，便可实现模似输入信号Vi和计算机和计算机系统之间的隔离。系统之间的隔离。 由于由于VFC的工作过程具有积分特性，对噪声具有良好的滤波的工作过程具有积分特性，对噪声具有良好的滤波作用。作用。采用采用VFC构成构成A/D转换器的缺点是转换速度较慢。转换器的缺点是转换速度较慢。小节：A/D转换的基本原理n存在多种存在多种A/D转换技术，各有特点，分别应转换技术，各有特

10、点，分别应用于不同的场合用于不同的场合n3种常用的转换技术种常用的转换技术n逐次逼近式：中速逐次逼近式：中速n双积分式：慢速、价低高分辨、抗干扰双积分式：慢速、价低高分辨、抗干扰n电压频率转换法电压频率转换法V/F：慢速、便于光隔、价：慢速、便于光隔、价低低二、ADC主要性能指标 P2711. 分辨率分辨率分辨率表示转换器对微小输入量变化的敏感程分辨率表示转换器对微小输入量变化的敏感程度，通常用转换器输出数字量的位数来表示。度，通常用转换器输出数字量的位数来表示。例如，对例如，对8位位A/D转换器，其数字输出量的变转换器，其数字输出量的变化范围为化范围为0255，当输入电压满刻度为，当输入电压

11、满刻度为5V时，转换电路对输入模拟电压的分辨能力为时，转换电路对输入模拟电压的分辨能力为5V/25519.6mV。目前常用的目前常用的A/D转换集成芯片的转换位数有转换集成芯片的转换位数有8位、位、10位、位、12位和位和14位等。位等。2. 精度精度A/D转换器的精度是指与数字输出量所对应的转换器的精度是指与数字输出量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值模拟输入量的实际值与理论值之间的差值A/D转换电路中与每个数字量对应的模拟输入转换电路中与每个数字量对应的模拟输入量并非是单一的数值，而是一个范围量并非是单一的数值，而是一个范围。的大小，在理论上取决于电路的分辨率的大小，在理论上取决

12、于电路的分辨率n但在外界环境的影响下，与每一数字输出量但在外界环境的影响下，与每一数字输出量对应的输入量实际范围往往偏离理论值对应的输入量实际范围往往偏离理论值。n精度通常用最小有效位精度通常用最小有效位LSB的分数值来表示的分数值来表示n目前常用的目前常用的A/D转换集成芯片的精度为转换集成芯片的精度为1/42LSB。3. 转换时间完成一次完成一次A/D转换所需要的时间，称为转换所需要的时间，称为A/D转转换电路的转换时间。换电路的转换时间。在选用在选用A/D转换集成芯片时，应综合考虑分辨转换集成芯片时，应综合考虑分辨率、精度、转换时间、使用环境温度以及经济率、精度、转换时间、使用环境温度以

13、及经济性等诸因素。性等诸因素。P273表表12位位A/D转换器适用于高分辨率系统；陶瓷封转换器适用于高分辨率系统；陶瓷封装装A/D转换芯片适用于转换芯片适用于-25+85或或-55+125，塑料封装芯片适且于，塑料封装芯片适且于070。4. 温度系数和增益系数温度系数和增益系数这两项指标都是表示这两项指标都是表示A/D转换器受环境温度影转换器受环境温度影响的程度。一般用每摄氏度温度变化所产生响的程度。一般用每摄氏度温度变化所产生的相对误差作为指标，以的相对误差作为指标，以ppm/为单位表为单位表示。示。5. 对电源电压变化的抑制比对电源电压变化的抑制比A/D转换器对电源电压变化的抑制比转换器对

14、电源电压变化的抑制比(PSRR)用改变电源电压使数据发生用改变电源电压使数据发生1LSB变化时所变化时所对应的电源电压变化范围来表示。对应的电源电压变化范围来表示。三、ADC0809芯片 P279 ADC 0809是是National半导体公司生产半导体公司生产CMOS材料的材料的A/D转换器转换器逐次比较式）。具有逐次比较式）。具有8个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意通道进行意通道进行A/D转换，得到转换，得到8位二进制数字量。其主要技术指标如下：位二进制数字量。其主要技术指标如下：电源电压电源电压6.5V分辨率分辨率8位位时钟频率时钟频率64

15、0kHz转换时间转换时间100s未经调整误差未经调整误差1/2LSB和和1LSB模拟量输入电压范围模拟量输入电压范围05V功耗功耗15mWADC0809的内部结构图ADC0809地址锁存地址锁存和译码和译码OE通道通道选择选择开关开关ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位位三态三态锁存锁存缓冲器缓冲器DACVcc比较器比较器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器SAR定时和控制定时和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOC1. ADC0809的模拟输入n提供一个提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑通道的多

16、路开关和寻址逻辑nIN0IN7：8个模拟电压输入端个模拟电压输入端nADDA、ADDB、ADDC：3个地址输入个地址输入线线nALE：地址锁存允许信号：地址锁存允许信号(上升沿有效上升沿有效)nALE的上升沿用于锁存的上升沿用于锁存3个地址输入的状个地址输入的状态，然后由译码器从态，然后由译码器从8个模拟输入中选择个模拟输入中选择一个模拟输入端进行一个模拟输入端进行A/D转换转换2. ADC0809的数字输出ADC0809内部锁存转换后的数字量内部锁存转换后的数字量具有三态数字量输出端具有三态数字量输出端D0D7配合输出允许信号配合输出允许信号OE 当输出允许信号当输出允许信号OE为高电平有效

17、时，将为高电平有效时，将三态锁存缓冲器的数字量从三态锁存缓冲器的数字量从D0D7输输出出4. ADC0809的转换公式 （补充）8)(REF)(REF)(REFin2VVVVN输入模拟电压输入模拟电压输出数字量输出数字量基准电压正极基准电压正极基准电压负极基准电压负极 也就是说，转换结果反映的是输入电压在两个比较电压值之间的比例关系。 例如 V-REF=0V V+REF=5V 则Dout=（Vin-5）*255问：输入电压5.2V，输出多少？单极性转换示例n基准电压基准电压VREF(+)5V，VREF()0Vn输入模拟电压输入模拟电压Vin1.5VnN （1.50）（50）256n76.877

18、4DHn 也就是说，转换结果反映的是输入电压也就是说，转换结果反映的是输入电压在两个比较电压值之间的比例关系。在两个比较电压值之间的比例关系。n问：输入电压问：输入电压5.2V，输出多少？，输出多少？8)(REF)(REF)(REFin2VVVVN双极性转换示例n基准电压基准电压VREF(+)5V，VREF()5Vn输入模拟电压输入模拟电压Vin1.5VnN （1.55）（55）256n89.6905AH8)(REF)(REF)(REFin2VVVVN1. 数据输出线的连接n与主机的连接可分成两种方式与主机的连接可分成两种方式n直接相连：用于输出带有三态锁存器的直接相连：用于输出带有三态锁存器

19、的ADC芯片芯片n通过三态锁存器相连：适用于不带三态通过三态锁存器相连：适用于不带三态锁存器的锁存器的ADC芯片，也适用带有三态锁芯片，也适用带有三态锁存缓冲器的芯片存缓冲器的芯片nADC芯片的数字输出位数大于系统数据芯片的数字输出位数大于系统数据总线位数，需把数据分多次读取总线位数，需把数据分多次读取2. A/D转换的启动n主机产生启动信号有两种方法主机产生启动信号有两种方法n编程启动编程启动n软件上，执行一个输出指令软件上，执行一个输出指令n硬件上，利用输出指令产生硬件上，利用输出指令产生ADC启动脉启动脉冲，或产生一个启动有效电平冲，或产生一个启动有效电平n定时启动定时启动n启动信号来自

20、定时器输出启动信号来自定时器输出3. 转换结束信号的处理v不同的处理方式对应程序设计方法不同不同的处理方式对应程序设计方法不同v 查询方式查询方式把结束信号作为状态信号把结束信号作为状态信号v 中断方式中断方式把结束信号作为中断请求把结束信号作为中断请求信号信号v 延时方式延时方式不使用转换结束信号不使用转换结束信号v DMA方式方式把结束信号作为把结束信号作为DMA请请求信号求信号例1、延时方式ADC 0809与系统总线的连接n微机的地址线通过译码器输出端作为微机的地址线通过译码器输出端作为ADC 0809的片选的片选信号。以信号。以M/IO，WR和地址译码输出信号的组合作为启和地址译码输出信号的组合作为启动信号动信号START和地址锁存信号和地址锁存信号ALE。n以