第10章计数器定时器与模拟量转换(模拟量转换)2013

1、 模模/数和数数和数/模转换模转换 模模/数（数（A/D）和数）和数/模（模（D/A）转换技术主要用于）转换技术主要用于计算机计算机控制控制和和测量仪表测量仪表。数字量和模拟量数字量和模拟量 数字量数字量 : 01011010 、11000011，随时间，随时间断断续变化量。续变化量。 模拟量模拟量 : 12.5V、10A、37.5、1000m3/s、9.6m/s，随时间随时间连连续变化的量。续变化的量。 F概述概述物物理理量量 温温度度速速度度流流量量压压力力物理量物理量F 概述概述测量系统：测量系统：传感器、运算放大器、传感器、运算放大器、A/D转换器和计算机构成转换器和计算机构成。ADC

2、或或A/D：将模拟量转换为数字量的器件将模拟量转换为数字量的器件程序控制系统：程序控制系统：计算机、计算机、D/A转换器、功率放大器和执行部件则构成转换器、功率放大器和执行部件则构成。DAC或或D/A：将数字量转换为模拟量的器件将数字量转换为模拟量的器件DA即即Digital to AnalogF数数/ /模转换器模转换器1. 数数/模转换原理模转换原理数字量数字量 D/A转换器转换器 模拟电流模拟电流 运算放大器运算放大器 模拟电压模拟电压运算放大器的原理和特点：运算放大器的原理和特点：三个特点：三个特点： 开环放大倍数非常高，运算放大器所需要的开环放大倍数非常高，运算放大器所需要的 输入阻

3、抗非常大，输入阻抗非常大， 输出阻抗很小，所以，输出阻抗很小，所以，2R R R R X0 X1 X2 X3VREFI0 2R I1 2R I2 2R I3 2RD0 D1 D2 D3RIOUTVOUT_+S0 S1 S2 S3图图10-11 T10-11 T型电阻网络结构的型电阻网络结构的D/AD/A转换器结构图转换器结构图 由由T型电阻网络与运算放大器构成的型电阻网络与运算放大器构成的D/A转换器转换器, n个独立支个独立支路的输入方案路的输入方案4个开关的全部短开个开关的全部短开到到 全部闭合全部闭合0000到到1111,即即0000到到1111大小不同的电压。大小不同的电压。2. D/

4、A2. D/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 分辨率分辨率=1/（2n-1） n为位数为位数 转换精度：转换精度：绝对绝对转换精度：每个输出电压接近理想值的程度转换精度：每个输出电压接近理想值的程度相对相对转换精度：绝对转换精度相对于满量程输出的百分比来转换精度：绝对转换精度相对于满量程输出的百分比来表示，有时也用最低位的几分之几表示，更实用！表示，有时也用最低位的几分之几表示，更实用！ 转换速率：模拟输出电压的最大变化速度转换速率：模拟输出电压的最大变化速度 建立时间：模拟输出电压达到某个规定值所需时间建立时间：模拟输出电压达到某个规定值所需时间 线型线型误差：一般把偏离理想转换特

5、性的最大值误差：一般把偏离理想转换特性的最大值F数数/ /模转换器模转换器3. DAC3. DAC分类：分类：按数字量输入方式分：按数字量输入方式分：并并行输入行输入DAC、串串行输入行输入DAC按模拟量输出方式分：按模拟量输出方式分：电压电压型输出型输出DAC、电流电流型输出型输出DAC按分辨率：按分辨率： 8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1414位、位、1616位、位、1818位、位、2020位位按建立时间：按建立时间： 低速、中速、高速和超高速型低速、中速、高速和超高速型（100s 100s 、 1100s1100s、 50ns 100s50ns 100s、 50 nsVi

6、3. 3. 模模/ /数转换的方法和原理数转换的方法和原理 转换原理：转换原理：由计数器对固定频率信号由计数器对固定频率信号CLK进行计数，计数输出值送进行计数，计数输出值送DAC，DAC的输出模拟量的输出模拟量Vo与输入模拟量与输入模拟量Vi在比较器在比较器中进行比较，随着计数的进行，中进行比较，随着计数的进行，Vo不断增加，当不断增加，当VoVi，计数器停止计数，此时的计数值即是模拟量计数器停止计数，此时的计数值即是模拟量Vi对应的数对应的数字量。字量。转换速度慢！转换速度慢！计计数数式式A/D转转换换 F5 5 模模/ /数转换数转换 (A/D)(A/D)转换器转换器3. 3. 模模/

7、/数转换的方法和原理数转换的方法和原理 转换原理：转换原理：电路对输入的未知模拟量进行固定时间的积分，然后转电路对输入的未知模拟量进行固定时间的积分，然后转换为对标准电压进行反向积分，用标准的高频时钟脉冲换为对标准电压进行反向积分，用标准的高频时钟脉冲测定反向积分所用时间，就可以得到输入模拟电压所对测定反向积分所用时间，就可以得到输入模拟电压所对应的数字量，即实现了转换。应的数字量，即实现了转换。速度慢、精度高、干扰小！速度慢、精度高、干扰小！双双积积分分式式A/D转转换换 3. 3. 模模/ /数转换的方法和原理数转换的方法和原理 逐逐次次逼逼近近型型A/D转转换换 3. 3. 模模/ /数

8、转换的方法和原理数转换的方法和原理 逐逐次次逼逼近近型型A/D转转换换 转换原理：转换原理：数字量由逐次逼近寄存器数字量由逐次逼近寄存器SAR产生。产生。SAR使用对分使用对分搜索法产生数字量，以搜索法产生数字量，以8位数字量为例位数字量为例，SAR首先产首先产生生8位数字量的一半，即位数字量的一半，即10000000B,试探模拟量的大试探模拟量的大小，若小，若VoVi，清除最高位，若，清除最高位，若VoVi，保留最高位。，保留最高位。在最高位确定后，在最高位确定后，SAR又以对分搜索法确定次高位，又以对分搜索法确定次高位，即以低即以低7位的一半位的一半y1000000B(y为已确定位为已确定

9、位) 试探模拟试探模拟量的大小。量的大小。重复这一过程，直到最低位重复这一过程，直到最低位bit0被确定被确定，转换结束。转换速度很快！转换结束。转换速度很快！4. 4. 模模/ /数转换器和系统连接要考虑的问题数转换器和系统连接要考虑的问题 (1) 输入模拟电压的连接：单端输入正向或负向信号、差动输入输入模拟电压的连接：单端输入正向或负向信号、差动输入(2) 数据输出线和系统总线连接：数据输出线和系统总线连接： 芯片输出端直接和系统总线连接，输出端具有可控的三态门芯片输出端直接和系统总线连接，输出端具有可控的三态门 芯片输出端通过芯片输出端通过I/O通道或附加的三态门和系统总线连接通道或附加

10、的三态门和系统总线连接 8位以上转换：位以上转换：按位对应数据总线进行连接按位对应数据总线进行连接用读写控制逻辑将数据按字节分时读出、用读写控制逻辑将数据按字节分时读出、4. 4. 模模/ /数转换器和系统连接要考虑的问题数转换器和系统连接要考虑的问题 (3) 启动信号的供给启动信号的供给 电平启动信号：转换期间保持有效电平，电平启动信号：转换期间保持有效电平，CPU通过并行接口通过并行接口或或D触发器保持转换期间的有效电平触发器保持转换期间的有效电平 脉冲启动信号：脉冲启动信号：OUT指令发出的片选信号和写信号产生指令发出的片选信号和写信号产生4. 4. 模模/ /数转换器和系统连接要考虑的

11、问题数转换器和系统连接要考虑的问题 (4) 转换结束信号以及转换数据的读取转换结束信号以及转换数据的读取将将A/D芯片看作一个输入设备，芯片看作一个输入设备， CPU可采用下列可采用下列 四种方法，读取四种方法，读取A/D的转换结果：的转换结果： 程序查询方式程序查询方式 中断方式中断方式 CPU等待方式等待方式 程序延时方式（同步方式）程序延时方式（同步方式）4. 4. 模模/ /数转换器和系统连接要考虑的问题数转换器和系统连接要考虑的问题 (5) 转换结束信号以及转换数据的读取转换结束信号以及转换数据的读取如转换时间比较长或同时有几件事情需要处理的，用中断方式，如转换时间比较长或同时有几件

12、事情需要处理的，用中断方式，否则，用其他三种方式！否则，用其他三种方式！ADC 08098位位ADC，逐次逼近型，逐次逼近型，8路模拟量输入路模拟量输入F模模/ /数转换器数转换器内部有内部有“8选选1”MUX。当当ALE信号有效时，信号有效时，ADD_C、ADD_B、ADD_A选择选择IN0IN7。例如例如ADD_C、ADD_B、ADD_A分别为分别为011时，选择时，选择IN3通道。通道。数字输出数字输出：有三态缓冲器，当：有三态缓冲器，当Enable有效时，从有效时，从D7D0引脚输出引脚输出转换后的数字。转换后的数字。启动信号启动信号：START。负脉冲启动。负脉冲启动。转换结束信号转

13、换结束信号：EOC，高电平有效，可通知，高电平有效，可通知CPU读取转换数据。读取转换数据。ADC 0809ADC 0809A/D转换器转换器模拟量输入信号模拟量输入信号数字量输出信号数字量输出信号A/D转换启动信号转换启动信号转换完成信号转换完成信号STARTEOCADC 0809qA/D芯片，每进行一次数据转换，芯片，每进行一次数据转换，均受启动信号控制，在启动信号有效之后，均受启动信号控制，在启动信号有效之后，才开始一次才开始一次A/D转换，得到一个数字量。转换，得到一个数字量。q 对一个连续的模拟信号进行对一个连续的模拟信号进行A/D转换时，转换时，在一个数据转换完成之后，在一个数据转换完成之后，发转换完成信号发转换完成信号应应再发启动信号再发启动信号，开始下一个数据的转换。，开始下一个数据的转换。ADC 0809110模拟信号转换速度快，为保证转换精度，在模拟信号转换速度快，为保证转换精度，在A/D转换之前加上采样保持电路，使得在转换之前加上采样保持电路，使得在A/D转换期转换期间输入模拟信号保持不变。间输入模拟信号保持不变。采样保持电路两种工作状态：采样和保持采样保持电路两种工作状态：