第六章4AD及DA变换器接口

1、第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 6.9 A/D及及D/A变换器接口变换器接口 6.9.1 数字到模拟(D/A)变换器 1. D/A变换器的基本原理及技术指标 典型的D/A变换器芯片通常由模拟开关、权电阻网络、缓冲电路等组成,其框图如图所示。 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.58 典型D/A变换器芯片的组成框图第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 D/A变换器的主要技术指标有: (1) 分辨率 分辨率表示D/A变换器的1个LSB(最低有效位)输入使输出变化的程度。 (2) 精度 它表示由于D/A变换器的引入,使其输出和

2、输入之间产生的误差。 D/A变换器的误差主要由下面几部分组成: 非线性误差: 在满刻度范围内，偏离理想的转换特性的最大值。 温度系数误差 ：在使用温度范围内，由于温度每变化1，D/A内部各种参数（如增益、线性度、零漂等）变化所引起的输出变化量。第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 电源波动误差：由于标准电源及D/A芯片的供电电源波动而在其输出端所产生的变化量。 误差的表示方法有两种:绝对误差和相对误差。 完整的D/A变换电路还应包括与D/A芯片输出相接的运算放大器。这些器件也会给D/A变换器带来误差。考虑到这些因素是相对独立的,因此D/A变换器的总精度如用均方误差来表示,则

3、可写为: 2总=2非线性+2电源波动+2温度漂移+2运放 标准差为 总 = 2非线性+2电源波动+2温度漂移+2运放(61) (62) 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 若某系统要求D/A变换电路的总误差必须小于0.1%。已知某D/A芯片的最大非线性误差为0.05%。那么根据式(61)可以确定,电源波动、温度漂移和运算放大器所引起的均方误差为 2电源波动+2温度漂移+2运放= 又假设,后三者是相等的,则经计算可得 电源波动=温度漂移=运放= 0.05%10.250.75100000010000001000000第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 (

4、3) 变换时间 当数据变化为满刻度时，从数码输入到输出达到终值的1/2LSB时所需要的时间为变换时间。 (4) 动态范围 动态范围是D/A变换电路的最大和最小的电压输出范围。 2. 典型的D/A变换器芯片举例 (1)引线及其功能 D/A变换器DAC0832的引线及内部结构简图如图所示。第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.59 DAC0832的引线图第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.59 DAC0832内部结构图第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 AC0832为20条引线的芯片,各引线定义如下: D0D78条输入数据

5、线; ILE输入寄存器选通命令,它与 、 配合使输入寄存器的输出随输入变化; 选片信号; 写输入寄存器信号; 写变换寄存器信号; 允许输入寄存器数据传送到变换寄存器;1CSWRCS1WR2WRXFER第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 VREF参考电压输入端,其电源电压可在-10V+10V范围中选取; IOUT1、IOUT2D/A变换器差动电流输出; Rfb反馈端,接运算放大器输出; AGND模拟信号地; DGND数字信号地; VCC电源电压,可用+5V(或+15V)第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 (2)工作时序 D/A芯片DAC0832的工作时

6、序如图所示。 从DAC0832芯片的内部结构框图可以看出,D/A变换是分两个步骤进行的。第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 DAC0832的工作时序第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 (3) DAC0832的几种典型输出连接方式 单极输出电路。单极性输出电路如图6.58所示。D/A芯片输出电流i经输出电路转换成单极性的电压输出。图6.58(a)为反相输出电路,其输出电压为:OUTUiR (63) 图6.58(b)是同相输出电路,其电压输出为:21(1)OUTRUiRR (64) 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.58 单

7、极性输出电路(a)反相输出; (b)同相输出 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 双极性输出电路。 由电路参数计算可得到最后的输出电压表达式为 设U1为0-5V,则选取UREF为+5V。那么 UOUT=010V-5V=-5V5V (66) 12OUTREFUUU (65)第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.59 双极性输出电路第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 DAC0832与8088微处理器的连接。 图6.60中的双极性输出端为UOUT。当D/A变换器输入端的数据从00HFFH变化时,UOUT输出将在-5+5V之间变化。

8、如果想要单极性0+5V输出,那么只要使UREF=-5V,然后直接从运算放大器A1的输出端输出即可。在图中的输出端接一个6806800pF的电容是为了平滑D/A变换器的输出,同时也可以提高抗脉冲干扰的能力。第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.60 DAC0832与PC/XT总线的连接图第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 设D/A的端口地址为278H,则用8088汇编语言书写的、能产生锯齿波的程序如下: ;用D/A产生锯齿波的程序DAOUT: MOV DX,278H ;端口地址送DX MOV AL,00H ;准备起始输出数据LOOP: OUT DX

9、,AL DEC AL JMPLOOP ;循环形成周期锯齿波 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 在图6.60的基础上,请阅读下面的程序,判断UOUT的波形。START: MOV DX,0278HNEXT1:INC AL OUT DX,AL CMP AL,0FFH JNE NEXT1NEXT2:DEC AL OUT DX,AL CMP AL,00H JNE NEXT2 JMP NEXT1第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 6.9.2 模拟到数字(A/D)变换器 1.A/D变换器的基本工作原理及结构 (1) A/D变换器的基本工作原理 逐次反馈型A/D变

10、换器的基本工作原理及变换过程和用天平称某一物体重量的过程十分相似。 例如,某一个12位的A/D变换器,其最大输入的模拟电压为5V。那么,该A/D变换器输出的对应值就为FFFH。其最低有效位1位所代表的模拟电压值称为量化间隔(或称当量)。的定义为第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 最大输入电压A/D变换器的量化电平数目 (67) 51.224095VV (68) 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 现设输入模拟电压为4.5V,其具体变换过程如下: 位序号 比较表达式 二进制值 b11 4.5V-20481.22mV=2V 0 1 b10 2V-1024

11、1.22mV=0.75V 0 1 b9 0.75V-5121.22mV=0.125V 0 1 b8 0.125V-2561.22mV 0 0 b7 0.125V-1281.22mV 0 0 b6 0.125V-641.22mV=0.046V 0 1 b5 0.046V-321.22mV=0.0069V 0 1 b4 0.0069V-161.22mV 0 0 b3 0.0069V-81.22mV 0 0 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 b2 0.0069V-41.22mV=0.0021V 0 1 b1 0.0021V-21.22mV 0 0 b0 0.0021V-11.

12、22mV 0 1 (2)A/D变换器的结构框图 一种逐次反馈型A/D变换器的结构框图如图6.61所示。从图中可以看到,它由5大部分组成:接口控制逻辑、逐次变换寄存器、D/A变换器、比较器及三态驱动器。在有的A/D变换器芯片中,还包含有参考电源等其他附属电路。 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.61 逐次反馈A/D变换器结构框图第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 2. A/D变换器的主要技术指标 (1)精度 A/D变换器的总精度由各种因素引起的误差所决定。这些误差有: 量化误差。A/D变换器的量化误差决定于A/D变换器的转换特性。一般的A/D变

13、换器的转换特性如图6.62所示。 量化误差用绝对误差可表示为 量化误差= 1/2 量化间隔 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 用相对误差可表示为 量化误差= 也有人用 1/2 LSB来表示量化误差。 非线性误差。 电源波动误差。 例如,手册中给出AD574的电源灵敏度为: +13.5VVCC+16.5V 2LSB -16.5VVDD-13.5V ( 1/2) LSB +4.5VVLOGIC+13.5V 2LSB 0.5 量化电平数目 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 温度漂移误差。 零点漂

14、移误差。 参考电源误差。 上述这些误差构成了A/D变换器的总误差。在计算A/D变换器总误差值时,应用各种误差的均方和的根来表示。例如,总误差可表示为总 = 21+22+23+24+25 (69) 其中15为各因素引起的误差。总为A/D变换器的总误差。 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 (2) 变换时间(或变换速率) 完成一次A/D变换所需要的时间为变换时间。变换速率(频率)是变换时间的倒数。例如AD574KD变换时间为35s,其变换速率为28.57kHz。 (3)输入动态范围 一般A/D变换器的模拟电压输入范围大约为05V或010V。 第第6章章 常用的输入输出接口芯片

15、常用的输入输出接口芯片 3. A/D变换器芯片及应用 在这里介绍两块典型的A/D变换器的应用。希望能在此基础上,学会应用任何类似的A/D芯片。 1) 12位A/D变换器芯片AD574 (1)AD574的引线及功能 AD574变换器的引线如图6.63所示。第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.63 AD574的引线图第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 各引出线的定义如下:REFOUT内部参考电源电压输出(+10V)。REFIN参考电压输入。BIP偏置电压偏入。10VIN5V输入或010V输入

16、。20VIN10V输入或020V输入。DB0DB11高字节为DB8DB11,低字节为DB0DB7。STS“忙”信号输出,高电平有效。第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 12/ 变换输出字长选择端,输入为高电平时,变换字长输出为12位,低电平时按8位输出。 选片信号。 A0字节地址控制输入。 R/ 数据读输出和转换控制输入。 CE工作允许信号,高电平有效。 +15V,-15V+15V,-15V电源输入端。 AGND模拟地。 DGND数字地。8CSC第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 (2)AD574的工作时序 AD574的控制功能如表6.9所示。 表6

17、.9 AD574控制功能状态表 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 AD变换器芯片内部集成有高精度参考电压形成电路,满足12位A/D变换的要求。同时,其内部还集成有变换时钟电路,故无需外接时钟。这些都为使用者提供了很大的方便。 AD574的一次变换时间大约为1535s,随型号不同而有所区别,其变换过程的定时关系如图664所示。 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.64 AD574的工作时序第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 (3)AD574的应用 下面对以AD574芯片构成的A/D变换器电路实例进行说明。通过实例使读者能较

18、清楚了解设计A/D变换器电路的基本内容和方法。 AD574的模拟输入电路 (i) 模拟输入电路的极性选择 (ii) 输入路数的扩展 (iii) 采样保持电路 (iv) 滤波电容的连接滤波时间常数RC 10.52mskHz第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.65 AD574的模拟电压输入(a)单极性输入;(b)双极性输入 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.67 采样保持电路连接第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 AD574与CPU的连接 AD574是12位A/

19、D变换器,它可以和16位CPU相连接,也可以和8位的CPU相连接。只要适当地改变某些控制引脚的接法就可以实现上述这一点。 对应图6.68的采集变换程序如下: ;对8255初始化,此小程序放在应用程序开始的位置上 INTI55: MOV DX,0063H MOV AL,10011010B OUT DX,AL ;控制字写入8255的CR第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.68 AD574经8255与8088系统总线相连接第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 MOV AL,00000001B OUT DX,A ;位控方式,使PC0=1;以下是对输入信号

20、进行一次变换的程序 ACQUQ: MOV DX,0062H MOV AL,00H OUT DX,AL MOV AL,01H OUT DX,AL ;由PC0输出负R/ 脉冲 NOP ;启动变换开始 NOPC第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 WAIT: IN AL,DX ;取STS状态 AND AL,80H ;判断变换结束否? JNZ WAIT ;未结束等待 MOV DX,0060H IN AL,DX ;读A口,取得A/D变换低8位 MOV BL,AL MOV DX,0061H IN AL,DX AND AL,0FH;读B口,取得高4位 MOV BH,AL RET第第6章章

21、 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 2) 8位A/D变换器芯片ADC0809 ADC0809的引脚定义如图6.69所示。它共有28个引脚,其中 D0(2-8)D7(2-1)输出数据线; IN0IN78路模拟电压输入端; ADDA,ADDB,ADDC路地址输入; ADDA最低位,ADDC最高位; START启动信号输入端,下降沿有效; ALE路地址锁存信号,用来锁存ADDAADDC的地址输入,上升沿有效; EOC变换结束状态信号,高电平表示一次变换已结束;第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 OE读允许信号,高电平有效;CLK时钟输入端;VREF(+),VREF(-)参考电压输入端;VCC5V电源输入;GND地。第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.69 ADC0809引线图 第第6章章 常用的输入输出接口芯片常用的输入输出接口芯片 图6.70 ADC0809工作时序图第第6章章