AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其课件

1、AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其1 本章主要教学内容本章主要教学内容D/A、A/D转换器的基本概念及基本结构转换器的基本概念及基本结构D/A转换器的工作原理及其特点转换器的工作原理及其特点A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 第第1010章章 模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其210.1 典型典型D/A转换器芯片转换器芯片 控制系统中传感器所检测的信号如温度、压力、流量、速度、湿度等物理量都是随着时间连续变化的模拟量，为了能用计算机对模拟量进行采集、加工和输出，就需要把模拟量转换成便于计算机存储和加工

2、的数字量（称为A/D转换）；同样经过计算机处理后的数字量必须转换成模拟量（称为D/A转换）才能控制外部设备。 我们把能实现A/D与D/A转换的相关器件集中做在一块接口电路板上，称为模拟量输入/输出通道。它主要由传感器、A/D转换器、信号处理部件、多路开关、采样/保持器、D/A转换器等部件组成。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其3 10.1.1 D/A转换器的工作原理和主要参数 D/A转换器是用电阻解码网络将N位数字量逐位转换成模拟量并求和实现将N位数字量转化为模拟量。1. D/A转换器的工作原理 D/A转换器的模

3、拟量输出与参考量以及二进制数成比例关系，可用下面的式子表示： 其中X为模拟量输出，K为比例常数，VREF为参考量（电压或电流），B为待转换的二进制数，通常B的位数为8位、12位等。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术BVKXREFAD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其4第第10章章（1）二进制加权电阻D/A转换器：其结构如图10-1所示。该电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器等组成。模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术R2R4RRfR21NREFV0d2nd3nd1ndk1k2k3knk1k2k3kn-+图10-1 二进制加权电

4、阻D/A转换器AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其5第第10章章（2）梯形电阻D/A转换器：如图10-2所示，该电阻网络中仅有R和2R两种电阻，切换开关的工作原理与二进制加权电阻网络D/A转换工作原理相同。模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术R2RRfREFV0d2nd1d1ndK1K2Kn-1Kn-+2R2R2R2RR图10-2 梯形电阻D/A转换器的结构AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其62. D/A转换器的主要参数（1）精度：指D/A转换器的实际输出与理论满刻度输出之间的差异。（2）分辨率：指当输入数字量发生单位数码变化时所对应的输出模

5、拟量的变化量。（3）建立时间：指当D/A转换器的输入数据发生变化后，输出模拟量达到稳定数值所需要的时间。（4）温度系数：环境温度的变化会对D/A转换精度产生影响，分别用失调温度系数、增益温度系数和微分非线性温度系数来表示。（5）非线性误 第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其7 10.1.2 DAC0832及其应用 DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，其明显特点是与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉，在微机系统中得到了广泛的应用。D/A转换器的输出一般都要接运算放大器，微小信号经放大后才能驱动执行机构的

6、部件。 AC0832的主要技术指标有：分辨率为8位；转换速度约为1s；非线性误差为 0.20%FSR；温度系数为210-6/；工作方式为双缓冲、单缓冲和直通方式；逻辑输入与TTL电平兼容；功耗为20mW；单电源供电。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其81. DAC0832的内部结构 DAC0832的内部结构框图如图10-3所示，它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DAC转换器及转换控制电路构成，DAC转换器采用梯型电阻网络。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及

7、基本结构DA转换器的工作原理及其9第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术8位输入锁存器8位DAC寄存器8位D/A转换器2LE1LE2WR70 DIDI765416151413ILE1912181781211931020VCCDGNDAGNDREFV2OUTI1OUTIfbRfbR1WRCSXFER 图10-3 DAC0832的内部结构AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其10第第10章章2. DAC0832的引脚功能 DAC0832为20脚双列直插式封装，如图所示。 模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术1234567891020191817

8、161514131211DAC0832CS1WRAGND3DI2DI1DI0DIREFVfbRDGND1OUTI2OUTI7DI6DI5DI4DIXFER2WRILEVCC AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其11第第10章章3. DAC0832的工作方式 DAC0832内部有两个寄存器，能实现3种工作方式：（1）直通方式（2）单缓冲方式（3）双缓冲方式4. DAC0832的输出 DAC0832是电流形式输出，当需要电压形式输出时，必须外接运算放大器。如图10-5所示。模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其12

9、第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术DAC08328R70 DIDIOUTV-+DAC08328R70 DIDIOUTVR2R1-+ （a）反相输出 （b）同相输出图10-5 DAC0832的输出AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其13 5. DAC0832芯片与微机接口电路的设计 选择和使用D/A转换器时要注意以下几点：（1）合理选择DAC芯片。（2）设计和连接接口（3）配置参考电源 DAC芯片作为一个输出设备接口电路，与主机的连接比较简单，主要是处理好数据总线的连接。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概

10、念及基本结构DA转换器的工作原理及其1410.2 典型典型A/D转换器芯片转换器芯片10.2.1 A/D转换器工作原理和主要参数1. A/D转换器的分类及工作原理 按照输入模拟量的极性分类，A/D转换器可以分为单极型和双极型两种；按照输出数字量分类，可以有并行方式、串行方式及串/并行方式；按照A/D转换器的转换原理分类，可以分为积分型、逐次逼近型和并行转换型。 逐次逼近型A/D转换器如图10-9所示。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其15第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术缓冲寄存器控制

11、电路逐次逼近寄存器8位 D/A转换器比较器CLK启动信号转换结束ViV0D7 D6D5D4D3D2D1D0 图10-9逐次逼近型A/D转换器AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其16 逐次逼近型A/D转换器的主要特点是： 转换速度较快，转换时间在1100s以内，分辨率可达18位，特别适用于高精度和高频信号的A/D转换；转换时间固定，不随输入信号的大小而变化；抗干扰能力不如双积分型A/D转换器，需要采取适当的滤波措施。 这类典型芯片主要有ADC0809、ADCl210、AD574等。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转

12、换器的工作原理及其172. A/D转换器的主要性能参数（1）分辨率：反映A/D转换器对输入微小变化的响应能力。（2）精度：采用绝对误差和相对误差两种方法来表示。（3）转换时间：指完成一次A/D转换所需要的时间。（4）温度系数：是表示A/D转换器受环境温度影响的程度。（5）量程：指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。（6）逻辑电平及方式：多数A/D转换器输出的数字信号与TTL电平兼容，以并行方式输出。（7）工作温度范围：一般为070。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其18第第10章章10.2.2

13、ADC0809转换器及其应用 逐次逼近式A/D转换器ADC0809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，片内有三态输出缓冲器，可以直接与微机总线相连接。该芯片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。由于其价格低廉，便于与微机连接，因而应用十分广泛。模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其191. ADC0809的结构及工作原理 ADC0809采用单一的十5V电源供电，外接工作时钟为500kHz时，转换时间大约为128ms，工作时钟为640kHz时，转换时间大约为10

14、0ms。 ADC0809的逻辑结构如图10-10所示，其内部由256R电阻分压器、 树状模拟开关、电压比较器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。其基本工作原理是采用对分搜索方法逐次比较，找出最逼近于输入模拟量的数字量。 第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其20第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术逻辑控制和定时电路逐次逼近寄存器SAR256R电阻分压器电压比较器树状模拟开、关阵译码器ABC地址锁存有效ALE8路模拟量选通开关START三态输出数据锁存器GND转换结束EOCIN0IN1I

15、N2IN3IN4IN5IN6IN7D0D1D2D3D4D5D6D7VREF（+）8路模拟信号输入A8位A/D转换器通道地址锁存与译码3位地址码输入VREF（-）VCC输出有效控制OE(LSB)8位数据输出(MSB)启动CLOCK时钟图 10-10 ADC0809的逻辑结构AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其21第第10章章2. ADC0809主要技术指标分辨率为8位；非调整误差为1 LSB；增益温度系数为0.02；低功耗电量，为20mW；单电源+5 V供电；转换速度1s，转换时间100s（时钟频率640 Hz）；具有锁存控制功能的8路模拟开关，能对8路模拟电压信号进行转换；输

16、出电平与TTL电平兼容。模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其223. ADC0809的引脚功能ADC0809引脚如图所示。 第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术1OECLOCKIN22345678910IN7REF(+)192021222324IN1111213141516171825262728ADC0808/0809STARTD1IN0ADDCALED7IN3D4D0IN4IN5IN6EOCD3VCCGNDD2REF(-)D5D6ADDBADDAAD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及

17、其23第第10章章4. ADC0809与微机接口 A/D转换芯片一般都具有数据输出、启动转换、转换结束、时钟和参考电平等引脚。ADC芯片与主机的连接就是处理这些引脚的连接问题。 根据A/D转换芯片的数字输出端是否带有三态锁存缓冲器，与主机的连接可以分为两种方式： 第一种是直接相连，主要用于输出带有三态锁存缓冲器的ADC芯片，如ADC0809、AD574等； 第二种是用三态锁存器，如74LS373/374，或通用并行接口芯片，如Intel 8255，适用于不带三态锁存缓冲器的ADC芯片。模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其24

18、10.3 模拟接口应用实例模拟接口应用实例 设计并分析一个在PC机ISA扩展槽上采用中断方式进行8路数据采集和单通道模拟量输出的接口电路系统。 该系统要求采用ADC0809及DAC0832构建一个通用的8位A/D输入、D/A输出的采集卡，利用PC微机系统的IRQ2信号作为ADC的外部中断信号，使ADC的8个通道循环采集，每个通道采样100次，采集的数据存放在内存，并在屏幕上显示结果。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其25主要设计工作如下：（1）根据要求画出实现该系统功能的电路原理图，如图10-14所示。（2）设计

19、中断控制位控制ADC0809的EOC中断申请，CPU写入中断口9FH的数据为0时，不允许EOC申请中断，写数据80H时允许EOC申请中断。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其26（3）相关的控制端口地址设计为：ADC0809读数据端口地址1FH；ADC0809启动转换端口地址3FH；通道地址由数据总线的低3位D2D0编码产生，口地址也为3FH；DAC0832使能地址5FH；中断申请端口地址9FH；地址译码功能由74LS138译码器和相关门电路完成。（4）由于D/A变换程序比较简单，只需向5FH端口写一个数据就可以了，所以下面程序是为进行A/D变换的数据采集程序。程序中对8个通道采集数据，每个通道采集数据100个，数据放在BUFF开始的存储区。第第10章章模拟量输入模拟量输入/ /输出接口技术输出接口技术AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其27第第