第十讲AD和DA.ppt

第8章：A/D和D/A接口,本章基本要求： 基本概念 D/A转换器及其与51接口* A/D转换器及其与51接口*,概 述,在微机过程控制和数据采集等系统中，经常要对 过程参数进行测量和控制 。,连续变化的物理量,如：温度、压力、流量 速度、位移 等等,物理过程,微 机,传感器,A/D,D/A,执行机构,物理过程,v / i,Data,Data,过程控制示意图,模拟量,模拟量与数字量,模拟量连续变化的物理量,数字量时间和数值上都离散的量,模拟输入输出系统,传感器 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）,放大器 把传感器输出的信号放大到ADC所需 的量程范围,低通滤波器 用于降低噪声、滤去高频干扰， 以增加信噪比,多路开关 把多个现场信号分时地接通到A/D转换器,采样保持器 周期性地采样连续信号， 并在A/D转换期间保持不变,第8章：A/D和D/A接口, D/A转换器：可将数字量转换成为模拟量的电子器件。 A/D转换器：可将模拟量转换成为数字量的电子器件。,8.1 D/A转换器,模拟量,数字量,8.1.1 D/A转换器的原理,数字量 按权相加 模拟量,8.1 D/A转换器,实现这种转换的电路主要有两种解码网络：二进制权电阻网络、T型电阻网络。 1、二进制权电阻网络 因为数字量是用二进代码按位组合起来的，每一位代码都有一定的“权”。因此，D/A转换就是要将每一位代码按其“权”的数值转换成为模拟量，然后相加，所得的总和就是与数字量成正比的模拟量。如下图，简化的4位权电阻译码网络D/A转换器电路。,8.1 D/A转换器,说明：图中的开关S0S3受输入的数据控制。当某位为1时，该位开关接至Vref。否则接地。 电路特点：精度高、参考电压稳定；但是网络电阻规格差距大，制造难。,工作原理:,IO1,di为1 Si与运放的反相输入端连接 uo = -IO1 RF,di为0 Si与地连接,2、D/A转换原理（T形解码网络）,倒梯形电阻网络,R,R,R,R,IR = UR /R,IO1,=d3·I3+ d2·I2+ d1·I1+ d0·I0,若为n位二进制数，则,若RF=R，则,即输出电压的大小正比于输入二进制数的大小，实现了数字量和模拟量的转换,二、 DA转换器的性能参数,是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述, 与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n, 则D/A转换器的分辨率为 2-n。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。,（1）分辨率,如十位DAC分辨率：,（2）偏移误差,它是指输入数字量为0时，输出模拟量对0的偏移值,（3）线性度,指D/A转换器的实际转移特性与理想直线之间的最大误差或最大偏移,（4）精度,输出模拟电压的实际值与理想值之差。即最大静态转换误差。参考电压波动是影响因素之一。,（5）转换速度,即每秒钟可以转换的次数，其倒数为转换时间。,8.1.3 DAC0832芯片,DAC0832是典型的8位电流输出型通用DAC芯片,0832的技术指标, 分辨率8位； 电流稳定时间1s； 可双缓冲，单缓冲 或直接数字输入； 只需在满量程下调整 其线性度； 单一电源供电 (+5V+15V)； 低功耗，20mW；,DAC0832的内部结构,1. DAC0832的数字接口,8位数字输入端 DI0DI7（DI0为最低位） 输入寄存器（第1级锁存）的控制端 ILE、CS*、WR1* DAC寄存器（第2级锁存）的控制端 XFER*、WR2*,DAC0832工作方式-直通锁存器,两级缓冲寄存器都是直通锁存器 LE1，直通（输出等于输入） LE0，锁存（输出保持不变）,DAC0832的工作方式：直通方式,LE1LE21 输入的数字数据直接进入D/A转换器,DAC0832的工作方式：单缓冲方式,LE11，或者LE21 两个寄存器之一始终处于直通状态 另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）,DAC0832的工作方式：双缓冲方式,两个寄存器都处于受控（缓冲）状态 能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据,2. DAC0832的模拟输出,Iout1、Iout2电流输出端 Rfb反馈电阻引出端（电阻在芯片内） VREF参考电压输入端 10V10V AGND模拟信号地 VCC电源电压输入端 5V15V DGND数字信号地,单极性电压输出,VoutIout1×Rfb （D/28）×VREF,单极性电压输出：例子,例1:设 VREF5V DFFH255时，最大输出电压： Vmax（255/256）×5V4.98V D00H时，最小输出电压： Vmin（0/256）×5V0V D01H时，一个最低有效位（LSB）电压： VLSB（1/256）×5V0.02V,Vout（D/2n）×VREF,双极性电压输出：电路,双极性电压输出：公式,取 R2R32R1 得 Vout2（2Vout1VREF） 因 Vout1（D/28）×VREF 故 Vout2（D27）/27）×VREF,双极性电压输出：例子,例2:设 VREF5V DFFH255时，最大输出电压： Vmax（255128）/128×5V4.96V D00H时，最小输出电压： Vmin（0128）/128×5V5V D81H129时，一个最低有效位电压： VLSB（129128/128×5V0.04V,Vout（D27）/27）×VREF,8位D/A转换器 接口方法,1、单缓冲型接口方法,(a),接口电路图(a)的是把DAC寄存器接成常通状态；即ILE接高电平， 和 接地， 与P2.7口连接， 与单片机的 端连接。,(b),接口电路图(b)是把输入寄存器接成常通状态；即ILE接高电平， 、 地， 与P2.7口连接， 与单片机的 端连接。,主要应用在多路D/A转换器同步系统中。,2、双缓冲型接口方法,D/A转换器的输出方式,1、单极性输出,输出于数字量DATA相对应 模拟量： MOV DPTR，#7FFFH MOV A，#DATA MOVX DPTR,A,单极性输出D/A关系,数字量与模拟量的转换关系,2、双极性输出,VO2= (R2/R3)VO1+(R2/R1) VREF) 代入R1、R2、R3的值，可得： VO2= (2VO1VREF) 设VREF =5V 当 VO1=0V时，VO2= 5V； 当 VO1= 2.5V时，VO2=0V； 当 VO1= 5V时， VO2=5V。,在图8-8中，运算放大器U3的作用是把运算放大器U2的单向输出电压转变成双向输出。其原理是将U3的输入端2通过电阻R1与参考电压VREF相连，因此运算放大器U3的输出电压：,双极性输出D/A关系 ,数字量与模拟量的转换关系,(1) 反向锯齿波程序清单 MSW：MOV DPTR，#0BFFFH ；指向D/A输入寄存器 DA0：MOV R7，#80H ；置输出初值 DA1：MOV A，R7 ；数字量送A MOVX DPTR，A ；送D/A转换 DJNZ R7，DA1 ；修改数字量 AJMP DA0 ；重复下一个波形,2、软件设计,(a),(2) 正向锯齿波程序清单 PSW： MOV DPTR，#0BFFFH ；指向D/A输入寄存器 DAP0：MOV R7，#80H ；置输出初值 DAP1：MOV A，R7 ；数字量送A MOVX DPTR，A ；送D/A转换 INC R7 ；修改数字量 CJNE R7，#255，DAP1 ；数字量255，转DAP1 AJMP DAP0 ；重复下一个波形,8.3 A/D转换器,模拟量,数字量,8.3.1 A/D转换的基本原理,存在多种A/D转换技术，各有特点，分别应用于不同的场合 4种常用的转换技术 计数器式 逐次逼近式 双积分式 并行式,1. 计数器式,以最低位为增减量 单位的逐步计数法,2. 逐次逼近式,从最高位开始 的逐位试探法,3. 双积分式,两个积分阶段 实质是电压/时间变换,4. 并行式,速度快成本高 直接比较法,8.3 A/D转换器,8.3.3 A/D的性能指标 1、转换时间：完成一次AD转换所使用的时间。 2、转换精度：是由模拟误差和数字误差组成，前者由模拟电路部分产生，后者由数字电路产生。 3、量化间隔是A/D转换器的主要技术指标之一。量化间隔可由下式求得：,满量程输入电压,满量程电压,8.3 A/D转换器,4、量化误差：量化误差一般用绝对量化误差表示；可由下式求得：,量化间隔,8.3.4 ADC0809,具有A/D转换的基本功能 CMOS工艺制作 8位逐次逼近式ADC 转换时间为100 s 包含扩展部件 多路开关 三态锁存缓冲器,8.3 A/D转换器,ADC0809的内部结构图,1. ADC0809的模拟输入,提供一个8通道的多路开关和寻址逻辑 IN0IN7：8个模拟电压输入端 ADDA、ADDB、ADDC：3个地址输入线 ALE：地址锁存允许信号 ALE的上升沿用于锁存3个地址输入的状态，然后由译码器从8个模拟输入中选择一个模拟输入端进行A/D转换,2. ADC0809的转换时序,3. ADC0809的数字输出,ADC0809内部锁存转换后的数字量 具有三态数字量输出端D0D7 配合输出允许信号OE 当输出允许信号OE为高电平有效时，将三态锁存缓冲器的数字量从D0D7输出,4. ADC0809的转换公式,单极性转换示例,基准电压VREF(+)5V，VREF()0V 输入模拟电压Vin1.5V N （1.50）÷（50）×256 76.8774DH,双极性转换示例,基准电压VREF(+)5V，VREF()5V 输入模拟电压Vin1.5V N （1.55）÷（55）×256 89.6905AH,ADC芯片与主机的连接,ADC芯片相当于“输入设备”，需要接口电路提供数据缓冲器 主机需要控制转换的启动 主机还需要及时获知转换是否结束，并进行数据输入等处理,1. 数据输出线的连接,与主机的连接可分成两种方式 直接相连：用于输出带有三态锁存器的ADC芯片 通过三态锁存器相连：适用于不带三态锁存器的ADC芯片，也适用带有三态锁存缓冲器的芯片 ADC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,2. A/D转换的启动（1）,启动信号一般有两种形式 脉冲信号启动转换 电平信号启动转换,转换启动,转换结束,2. A/D转换的启动（2）,主机产生启动信号有两种方法 编程启动 软件上，执行一个输出指令 硬件上，利用输出指令产生ADC启动脉冲，或产生一个启动有效电平 定时启动 启动信号来自定时器输出,3. 转换结束信号的处理,不同的处理方式对应程序设计方法不同 查询方式把结束信号作为状态信号 中断方式把结束信号作为中断请求信号 延时方式不使用转换结束信号,8.4 51对A/D转换器的接口,1、51单片机对ADC0809的操作： ADC0809和51单片机直接相连，注意如下几个操作步骤： 给出输入通道的选通地址，启动0809的转换； 可采用延时、查询EOC、EOC中断等方式确定转换是否结束。 0809结果的读取。,作业： 1.用DAC0832产生频率为1KHZ的方波 2.用ADC0809采集外接可变电阻的电压，并用数码管显示出可变电阻的模拟电压。,