单片机ADC,DAC,专用ADC,DAC介绍

1、单片机ADC ，DAC；专用ADC/DAC介绍 张威威2014年11月28日1 单片机ADC,DAC1.1 概述 1.2 数模转换器(DAC) 1.3 模数转换器(ADC)传感器(温度、压力、流量等模拟量）A/D计算机（数字量）显示器D/A执行部件（模拟量控制）打印机1.1 概述能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。 ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口.ADC和DAC的应用： D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常用的线性D/A转换器，其输出模

2、拟电压uO和输入数字量Dn之间成正比关系。UREF为参考电压。一、D/A转换器的基本工作原理1.2 数模转换器 D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。 uo或或io 输输出出 D/A d0 d1 dn1 输输入入 Dn (LSB) (MSB) uODnUREF 将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。 1-n0iREFiiREF00REF11REF2n2nREF1n1nREFnoU2d U2dU2dU2dU2d UDu1.2 数模转换器 1-n0i

3、ii00112n2n1n1nn2d2d2d2d2dD即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应的各分模拟电压之和。 D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。 1.2 数模转换器数码缓冲寄存器n位数控模拟开关解码网络n位数字量输入模拟量输出求和电路参考电压n 位D/A转换器方框图 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；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。二、D/A转换器的分类1 权电阻网络D/A转换器 Sn-1 Sn

4、-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 0I0d2R2UR2UI1diii1nREFi1nREFii时，时，时，时，i1nREFii1nREFii2R2UdR2UdI 虚短 1-n0iii1-nREFi -1-nREF1-n0ii1-n0ii0122n1n2dR2UR2UdI IIIIII虚断运算放大器总的输入电流为 运算放大器输出电压为 1n0iii1nREFFFO2dR2URIRu令 RF=R/2 ，则nnRE

5、F1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。特点： 电路简单，器件少。但精度由电阻的精度定，此电路中阻值差别大，对集成不利。因而uO的变化范围是 REFnnU2120 当Dn=Dn-1D0=0时，uO=0；当Dn=Dn-1D0=111时， 。REFnnOU212u 2 倒T型电阻网络D/A转换器 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2I 2I 2I 2I 2I n1-n2-n21 2R 2R 2R 2R 2R 2R R

6、R R R n1-n2-n212I 2I 2I 2I 2I I + I 参考电压UREF供出的总电流为：RUIREF 0I0d2R2U2II1diiinREFinii时，时，时，时，inREFiinii2R2Ud2IdI 分流：流入求和点的各支路电流为： 1n0iiinREF1n0iiin00112n2n1n1nnn01n122n11n012-n1-n2dR2U2d2I2d2d2d2d2I2Id2Id2Id2IdIIIII)(流入求和点的电流为：虚断，运算放大器的输出电压为： 1n0iiinREFFFO2dR2URIRu令 RF=R ，则nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输

7、出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。倒T型电阻网络D/A转换器的特点： 优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。3 权电流型D/A转换器10022niiinFDIRv特点：特点： 电路结构较复杂电路结构较复杂转换时间短转换时间短开关的导通电阻开关的导通电阻 影响不大影响不大转换电压精度高转换电压精度高D D0 0D Dn-2n-2_ _+ +v vO OR RF FV VREF

8、REF(-)(-)D Dn-1n-1I I I/I/2 2n nI/I/2 22 2I/I/2 2I II I特点：特点： 结构简单结构简单 转换时间短转换时间短 电阻单一电阻单一 对开关内阻对开关内阻要求不高要求不高 易于集成易于集成R Rv vO OR RR RR RR RR RR RR RD D0 0D D0 0D D1 1D D1 1V VREFREFD D2 2D D2 2REFV87REFV86REFV85REFV84REFV83REFV82REFV8110022niiinREFDVv4 4 开关树型开关树型D/AD/A转换器转换器10niitCCXiiCC2DVDVDCCVvnR

9、EFniniiinREFiitREF22210100特点：特点： 输出的精度仅与电容的比例有关，输出的精度仅与电容的比例有关，与电容的绝对值无关。与电容的绝对值无关。 输出的稳定度不受开关内阻和参输出的稳定度不受开关内阻和参 考电源的影响。考电源的影响。 稳态下，电容网络不消耗功稳态下，电容网络不消耗功 率。率。 容易集成（容易集成（cmoscmos可制作电容）可制作电容） 转换时间长转换时间长 集成度不高集成度不高D D0 0D Dn-1n-1V VREFREFv vO OD D1 1S S0 0S S1 1S Sn-1n-12 20 0C CX XC C0 0C C0 0C Cn-1n-1

10、C C1 12 20 0C CX X2 21 1C CX X2 2n-1n-1C CX XS SD D5 5 权电容型权电容型D/AD/A转换器转换器分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。 121UUnm 分辨率 分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。 1. 分辨率 三、D/A转换器的主要技术指标D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输入数字量的位数n表示D/A转换器的分辨率；可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率。2. 转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想

11、值之差，即最大静态转换误差。3. 转换速度 从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差0.5LSB范围内所需要的时间，称为建立时间tset。目前单片集成D/A转换器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到0.1微秒以内。 4. 温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。四、8位集成DAC0832 DAC0832是使用非常普遍的位D/A转换器，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。属于该系列的芯片还有DAC0

12、830、DAC0831，它们可以相互代换。DAC0832主要特性：分辨率位；电流建立时间S；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；输出电流线性度可在满量程下调节；逻辑电平输入与TTL电平兼容；单一电源供电（5V15V）；低功耗，20m。 DAC0832DAC0832内部结构及引脚内部结构及引脚DAC0832的三种工作方式 （b）单缓冲方式：适合在不要求多片D/A同时输出时。此时只需一次写操作，就开始转换，提高了D/A的数据吞吐量。（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。（c）直通方式：输出

13、随输入的变化随时转换。C8051单片机内部DAC C8051内部有一个10位电流模式数/模转换器（IDAC)。IDAC的最大输出电流可以有三种不同的设置：0.5mA,1mA和2mA。用IDA0EN位来使能或禁止IDAC。当IDA0EN被设置为0时，IDAC引脚(P0.1)作为GPIO引脚使用；当IDA0EN被置为1时，IDAC引脚的数字输出驱动器被自动禁止，该引脚被连到IDAC的输出。当IDAC被使能时，内部的带隙偏置发生器为其提供基准电流。IDA0输出更新 IDA0具有灵活的输出更新机制，允许无缝满度变化，支持无抖动波形更新。IDAO有三种更新模式：写IDA0H、定时器溢出或外部引脚边沿。I

14、DAC输出字格式 IDAC输出数据字的高8位被映射到IDA0H的位7-0，而IDAC输出数据字的低两位被映射到IDA0L的位7和位6.IDA0CN:IDA0控制寄存器IDA0H:IDA0数据字高字节寄存器 位7-0：10为IDA0数据字的高8位IDA0L:IDA0数据字低字节寄存器 位7-6： 10为IDA0数据字的低2位 位5-0： 未使用D/A转换器应用举例 可编程增益控制放大器可编程增益控制放大器如图所示。它由D/A转换器AD7520、运算放大器A和四线-十线译码器组成。DAC接到运算放大器的输出端和反相输入端。运算放大器的输出电压作为AD7520的参考电压，D/A转换器的输出电流IO被

15、送回到运算放大器的反相输入端。 2022-6-27东北大学信息学院29数字式可编程增益控制电路a1=1：IO=21Iia2=1：IO=22Iia3=1：IO=23Iia4=1：IO=24Ii a5=1：IO=25Iia6=1：IO=26Ii a7=1：IO=27Iia8=1：IO=28Ii a9=1：IO=29Iia10=1：IO=210Ii 其中：Ii=Vi/R VO2022-6-27东北大学信息学院3001891092110(2222 )2OfVIaaaaR )2222(1010992211aaaaRVO所以：所以： RVaaaaRViO)2222(1010992211fiiIRVI因为：

16、因为：放大器的电压放大倍数为：放大器的电压放大倍数为： 101099221122221aaaaVVAiOV因为四线因为四线十线译码器的十个输出端只能有一个为十线译码器的十个输出端只能有一个为1 1，所以上式可写作：所以上式可写作： 12nVA 其中n=0、1、2、9，为输入的二十进制数字量。例如，输入的BCD码为0000时，0号输出线，a1=1，AV=-21=-2；输入为1001时，9号输出线a10=1，AV= 210=-1024。因此，通过改变输入BCD码的值就可以改变放大倍数，从而达到了增益数字控制的目的。 A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完

17、成。 1.3 模数转换器一、A/D转换器的基本工作原理采样保持量化编码VIDO模拟量输入数字量输出 取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。1.取样和保持 1.3 模数转换器取样过程 采样脉冲 输入模拟信号 采样输出信号 maxf2fs 模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。1.3 模数转换器在采样脉冲S(t)到来的时间内，VT导通，UI(t)向电容C充电，

18、假定充电时间常数远小于，则有：UO(t)US(t)UI(t)。采样采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。保持 场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。取样保持电路及输出波形 输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。1.3 模数转换器2.量化和编码 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平Uq 。用二进制数码来表

19、示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化单位，位数越多，量化等级越细，就越小。取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差，即=Uo-Uq。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。1.3 模数转换器1)只舍不入法 当Uo的尾数时，舍尾取整。这种方法总为正值，max 。 2)有舍有入法 当Uo的尾数/2时，舍尾取整；当Uo的尾数/2时，舍尾入整。这种方法可正可负，但是| max|= /2。可见，它的误差要小。 二、A/D转换器的分类直接ADC：将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式。间接ADC：先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变

20、量（如时间宽度、频率等），然后再将中间变量转换成与之成正比的数字信号。 直接直接ADCADCADC ADC 间接间接ADCADC并联比较型并联比较型 * * 反馈比较型反馈比较型 计数型计数型 逐次逼进型逐次逼进型 * *双积分型（即双积分型（即V-TV-T变换型）变换型）* * V-FV-F变换型变换型 1 并联比较型A/D转换器优点：转换速度非常高，缺点：随着分辨率的提高，比较器、触发器和有关器件按几何级数增加。使得并联比较型ADC的制作成本较高、功耗大。适用场合：高速、低分辨率的场合。2 逐次渐进型A/D转换器优点：电路简单，速度较快；是目前集成ADC用的最多的电路缺点：对瞬时值采样比较

21、，有干扰时误差大，因此，抗干扰能力不理想3 双积分型A/D转换器优点：抗干扰力强，稳定性好缺点：转换速度低适用场合：低速、高分辨率的场合。三、A/D转换器的主要技术指标1. 分辨率 分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的1/2n）。 FSRn212. 转换时间 转换时间是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。双积分型A/D转换器的

22、转换速度最慢，需几百毫秒左右；逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，需几十微秒；并联比较型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。 3. 转换误差 它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。四、8位集成ADC0809 1.ADC0809特性参数 分辨率： 8位精度： 8位转换时间： 100s增益温度系数： 20ppm/输入电平： TTL功耗： 15mW ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位八通道逐次逼近型A/D转换器。2.ADC0809工作原理输入3位地址信号，在ALE脉冲的上升沿将地址锁存，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；

23、发出A/D转换启动信号START，在START的上升沿将SAR清0，转换结束标志EOC变为低电平，在START的下降沿开始转换；转换过程在时钟脉冲CLK的控制下进行；转换结束后，EOC跳为高电平，在OE端输入高电平，从而得到转换结果输出。3.ADC0809引脚功能IN0IN7：8路模拟电压输入。ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信号。 ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。 D7D0（2-12-8）：8位二进制数码输出。 OE：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端。CLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加

24、500kHz的时钟信号。 START：A/D转换启动信号，为一正脉冲。在START的上升沿将逐次比较寄存器SAR清0，在其下降沿开始A/D转换过程。 EOC：转换结束标志输出信号。在START信号上升沿之后 EOC信号变为低电平；当转换结束后，EOC变为高电平。此信号可作为向CPU发出的中断请求信号。 当ADRJ=0时，如果取10位结果，则按下面公式计算：10-bit A/D Conversion Result:(ADC RES7:0,ADC RESL1:0)=1023XinccVV当ADRJ=0时，如果取8位结果，则按下面公式计算：10-bit A/D Conversion Result:(

25、ADC RES7:0,ADC RESL1:0)=255XinccVV当ADRJ=0时，如果取10位结果，则按下面公式计算：10-bit A/D Conversion Result:(ADC RES7:0,ADC RESL1:0)=1023XinccVV 式中，Vin为模拟输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压A/D转换器应用举例A/D转换在数字式仪表、数字控制系统和计算机控制系统中必不可少的一个部件。计算机数据采集系统在计算机控制系统中是非常重要的。现以计算机控制的数据采集系统为例说明如何在计算机控制下对模拟信号进行采集和处理。下图为一典型的八路计算机数据采集系统（DAS）。系统由传感器、多路开关、采样-保持电路、可编程增益控制放大器、A/D转换器和微处理器构成。整个系统通过数据总线、地址总线和控制总线进行通信。所谓总线就是系统中各部件公用的一组导线，各部件通过它来传送或接收数据。如图数据采集系统中，与数据总线相连的有三个部件：ADC、微处理器和随机存取存储器RAM。 控制总线用来传送各部件所需要的控制信号。例如片选信号（CS）、读出使能信号（RD）、系统时钟信号、触发信号等。传感器的作用是把被测物理量转换成与其成正比的模拟电压，然后经ADC