第11章ADDA转换器.ppt

第十一章 A/D、D/A转换器,11.1 概述 随着微机的发展，其应用越来越广泛。目前微机不仅应用于生产管理、办公室自动化、数据处理、通信、网络等方面，已愈来愈多地进行实时控制和实时数据处理，即用于控制和检测生产过程中的各种参数，已达到控制整个生产过程的目的。生产过程中的各种参数大部分是连续变化的模拟量，需要转换成离散的数字量（通过A/D转换）才能输入到计算机进行处理；而计算机处理后的数据为数字量，需经过D/A转换变成模拟量输出，从而实现对被控对象的控制。A/D、D/A转换器是计算机与外界联系的重要接口。,计算机控制系统方框图如下：,11.2 数/模（D/A）转换器（P391）定义：数字模拟转换。把数字信号转换为模拟信号输出的器件称为数/模转换器（简称D/A转换器）。11.2.1 D/A转换器的原理 按转换原理，可将D/A转换器分为：1权电阻网络D/A转换器 组成：权电阻解码网络、基准源VR、模拟开关、运放。,ai=0，开关打向左边，电阻接地；ai=1，开关打向右边，电阻接VR，经过运算可得：特点：V0与VR极性相反，RF可调整输出电压V0的范围，制造工艺简单。2T型权电阻网络D/A转换器,组成：T型权电阻解码网络、基准源VR、模拟开关、运放。从各节点向右看和向下看的等效电阻都是2R，经向右和向下的电流一样，经计算可得：特点：同权电阻网络D/A转换器。3.开关树型D/A转换器组成：分压器、树状排列的模拟开关、运放。见下页图特点：运放接成跟随器，既保证输出电压极性，又可减小负载对转换特性的影响。,4.集成化D/A转换器分类：双极型和CMOS型电阻网络：离子注入或扩散电阻条、薄膜电阻离子注入或扩散电阻条：价廉物美，但精度不高；薄膜电阻：高精度。特点：双极型：转换速度快，适合于高速转换的场合。CMOS型：优点是制造容易、造价低；缺点是转换速度较慢。,11.2.2 D/A转换器的性能指标（P393）1.分辨率 单位数字量（最低位LSB）所对应模拟量增量。即相邻两个二进制码对应的输出电压之差。它确定了D/A产生的最小模拟量变化，也可用最低位LSB表示。如，n位D/A转换器的分辨率为1/2n。2.精度 转换器的实际输出与理论值之差。可分为绝对精度和相对精度。绝对精度（绝对误差）指的是在数字输入端加有给定的代码时，在输出端实际测得的模拟输出值（电压或电流）与应有的理想输出值之差。一般小于1/2 LSB。它是由D/A的增益误差、零点误差、线性误差和噪声等综合引起的。,相对精度指的是满量程值校准以后，任一数字输入的模拟输出与它的理论值之差。精度的表示方法：以满量程VFS的百分数或最低有效位（LSB）的分数形式表示。如：精度为0.1，则最大误差为VFS 0.1，若VFS=10V，则误差为10mV。n位DAC（D/A转换器芯片）的精度为，则最大误差为。3.线性误差 D/A的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线）与理想的转换特性（始终点连线）之间是有偏差的，这个偏差就是D/A的线性误差。即两个相邻的数字码所对应的模拟输出值（之差）与一个LSB所对应的模拟值之差。表示方法：以LSB的分数形式表示。如：,4.D/A转换器的温度系数 D/A转换器受温度变化的影响。是指在规定的温度范围内，温度变化1时，各误差参数的变化量。分温度系数和增益温度系数。5.转换时间TS（建立时间）D/A转换器输入的数字量发生变化后，其输出模拟量达到稳定相应值所需要的时间。超高速：TS 100ns 高速：TS：100ns 10s 中速：TS：10s 100s 低速：TS 100s 6.电源抑制比 满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比。馈送误差 非输入信号通过器件内部电路耦合到D/A输出端造成的输出误差。,11.2.3 D/A芯片及其与CPU接口（P394）由于使用的情况不同，DAC的位数、精度及价格要求不同。美国AD公司、Motorola公司、半导体公司NS、无线电公司RCA等均生产D/A转换器。D/A转换器的位数由8位、10位、12位、16位等。D/A转换器能否与CPU的外部数据总线连接，取决于D/A芯片内部是否有输入锁存器。1.不带数据输入锁存器的D/A与CPU的连接 需要在CPU与D/A之间的数据通道上加锁存器（如：74LS373、74LS273），以保证数据传输的正确性。这类D/A有：AD7520、AD7521、DAC0808等。,2.带数据输入锁存器的D/A与CPU的连接 由于D/A芯片内部已设计了输入锁存器，所以可将D/A的数据总线与CPU的外部数据总线直接相连。这类D/A有：AD7524、DAC0832等。3.D/A的输入与输出的关系 D/A的输入与输出呈比例关系。如：8位（输出为0 5V），比例系数为：12位（输出为-5V 5V），比例系数为：,11.2.4 典型的8位D/A芯片DAC08321.性能指标 8位DAC，CMOS器件，数据线与TTL兼容；电流输出，单极性；单电源+5V+15V；转换速度：1s，参考电压：-10V+10V；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入三种方式工作；二级数据锁存（第一级为输入锁存）；低功耗200mW。20脚双列直插式封装（DIP封装）。,2.内部结构及引脚,引脚：D7 D0：8位数据输入端；ILE：允许输入数据锁存信号，高电平有效；CS：片选，低电平有效，它和ILE信号一起来决定WR1是否起作用；WR1：输入寄存器的写选通信号，必须和CS、ILE同时有效；XFER：传送控制信号，用来控制WR2；WR2：DAC寄存器的写选通信号，必须和XFER同时有效；IOUT1：D/A转换器输出电流端之一。DAC锁存的数据位为“1”的位电流均流出此端（为1的各位全电流的输出端）；当DAC锁存器各位全1时，此输出电流最大，全0时输出为0；IOUT2：D/A转换器输出电流端之二。与IOUT1是互补关系；,RFB：内备的反馈电阻引出端，另一端在片内与相接，芯片内部已提供一个反馈电阻，约15K；VREF：基准电压源输入端，此端可以接正电压，也可接负电压，供电阻网络用；范围为-10V+10V；VCC：芯片供电电源引入端，范围，最佳工作状态为+15V；AGND：模拟信号地，即模拟电路接地端；DGND：数字量地。注：有两级锁存。LE1-输入锁存器控制端 LE2-DAC锁存器控制端 LE1、LE2=1时，相应的锁存器的输出随输入变化。LE1、LE2=0时，相应的锁存器的输出不随输入变化。,5.DAC0832与CPU的接口（1）单缓冲方式,（2）双缓冲方式,6.DAC的应用（1）实现D/A转换程序：单缓冲方式下：MOV AL，欲转换的数值 MOV DX，D/A的口地址 OUT DX，AL,（2）可实现函数发生器输出方波（设D/A的口地址为300H）MOV DX，300H S0：MOV CX，0FFH MOV AL，00H S1：OUT DX，AL LOOP S1 MOV CX，0FFH MOV AL，0FFH S2：OUT DX，AL LOOP S2 JMP S0 HLT注：频率由CX控制,输出梯形波（设D/A的口地址为300H）MOV DX，300H MOV CX，0FFH MOV AL，00H T1：OUT DX，AL LOOP T1 MOV CX，0FFH T2：INC AL OUT DX，AL LOOP T2 MOV AL，0FFH MOV CX，0FFH T3：OUT DX，AL LOOP T3 MOV CX，0FFH T2：DEC AL OUT DX，AL LOOP T4 JMP T1 HLT,输出三角波（设D/A的口地址为300H）MOV DX，300H R0：MOV CX，0FFH MOV AL，00H R1：OUT DX，AL INC AL LOOP T1 MOV CX，0FFH R2：DEC AL OUT DX，AL LOOP T2 JMP R0 HLT,输出锯齿波（设D/A的口地址为300H）MOV DX，300H MOV AL，00H ST0：MOV CX，0FFH ST1：INC AL OUT DX，AL LOOP ST1 JMP ST0 HLT,11.3 模/数（A/D）转换器（P401）定义：模拟数字转换。把模拟信号转换为数字信号输出的器件称为模/数转换器（简称A/D转换器）。11.3.1 采样与量化（P386）我们经常遇到的物理参数，如电流、电压、温度、压力、速度电量或非电量都是模拟量。模拟量的大小是连续分布的，且经常也是时间上的连续函数。因此要将模拟量转换成数字信号需经采样 量化 编码三个基本过程（数字化过程）。1.采样 在连续变化的模拟量上按一定的规律（周期地）取出其中的某一些瞬时值来代表这个连续的模拟量，这个过程就是采样。采样的理论基础是采样定理。采样是通过采样保持电路实现的。采样值在时间上是离散的值，但在幅度上仍然是连续模拟量。2.采样定理：对信号采样时，采样频率必须大于或等于信号最高频率的两倍。采样时必须遵守采样定理，以保证一个数据采样两次以上。,3.量化 采样点上采得的信号值反映到数字量所表示的状态上的过程叫量化。在幅值上用离散值来表示。方法是用一个量化因子Q去度量；u0、u1、，便得到整量化的数字量。,u0=2.0Q 2Q 010u1=4.0Q 4Q 100u2=5.2Q 5Q 101u3=5.8Q 5Q 101,4.量化误差 所有落后于某一量化层（对应一个量化输出）的样本都取一个量化值，必然存在误差，称为量化误差。通常，A/D采用均匀量化，即每一量化层的输出都取该量化层的中值。5.编码 将整量化后的数字量进行编码，以便微机读入和识别；编码仅是对数字量的一种处理方法。例如：Q=0.5V/格，设用三位（二进编码）u0=2.4Q 2Q（010）Q,6.A/D转换 将采样保持电路锁存的模拟信号转换成数字信号的器件。,11.3.2 A/D转换器的原理（P401）按转换方式可分为：直接转换、间接转换。按输出方式分可分为：并行、串行、串并行。按转换速度可分为：低速、中速、高速。按转换精度和分辨率可分为：3位、4位、8位、10位、12位、14位、16位等等。按转换原理：可将A/D转换器分为：1.计数式A/D转换器 用计数器的数字输出D经D/A转换后的模拟输出电压V0与输入模拟电压Vi比较。启动时，D=0，V0=0，则Vi V0，比较器输出1，控制计数器+1，D=1，V0 0，再进行比较，若Vi V0，则循环上述过程，直至Vi=V0，比较器输出0，关闭计数器，则此时的计数器输出D即为A/D转换的结果。,2.逐次逼近式A/D转换器,其中：VF-比较器的标准电压（D/A转换器的输出）Vi-D/A转换器的基准电压,原理：D/A转换器的输出,从二进制数据的最高位起，依次逐位置1，与待转换的模拟量比较,若前者小于后者，该位置1并保留下来，若前者大于后者，该位清0;然后再照此比较下一位,直至比完最低位。最后得到的结果即A/D转换的值。特点：转换时间固定，速度快（1-100s）,分辨率可达18位，抗干扰能力差。被转换的模拟量若频率很高（变化较快）则要加S/H电路。被转换的模拟量若幅度过小（信号微弱）则需要加信号调理电路。3.双积分式A/D转换器原理：电路对未知输入电压先进行固定时间T的积分(充电),然后对已知标准电压进行反向斜率固定的积分(放电)，直至放电为0，放电所用时间T正比于输入电压。计数放电所用时间的数字量即为输入模拟电压经A/D转换后的数字值。,特点：电路简单，转换速度较慢（因为A/D转换的过程要两次积分）（100 s-20ms）,转换精度高，抗干扰能力强（信号波动对精度影响不大），性价比高。适用于转换变化较缓慢的模拟量（频率较低）输入端一般不需要在加S/H电路。常用于数字多用表。,4.并行A/D转换器原理：将输入的模拟电压与一系列标准电压同时比较，将比较相等的结果经过编码后输出二进制数（一个n位并行A/D转换器需要2n-1个比较器）。特点：速度快，精度不高，线路复杂，价格昂贵。5.串-并比较型A/D转换器 保持并行A/D转换器的转换速度，但结构大大简化，从而实现高速、高精度A/D转换器。,11.3.3 A/D转换器的性能指标1.分辩率：分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。转换器的分辨率定义为满刻度电压与2n之比值，其中n为ADC的位数。例如：具有12位分辨率的ADC能分辨出满刻度的1/212或满刻度的00245。一个10V满刻度的12位ADC能够分辨输入电压变化的最小值为24mV。2.转换速率：是指完成一次从模拟到数字转换所需的时间的倒数。即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间）称为转换时间。转换时间是转换速率的倒数。3.量化误差：由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率A/D的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率A/D（理想A/D）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。4.线性度：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括量化误差、偏移误差（输入信号为零时输出信号不为零的值）和满刻度误差（满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差）三种误差。,11.3.4 典型A/D转换器介绍及与CPU接口（P404）A/D转换器的常用性能 A/D转换器按照输出代码的有效位数分为4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位和BCD码输出的3位、4位、5位等多种;按照转换速度可以分为：超高速（转换时间1ns）高速（转换时间1ns 1us）中速（转换时间1us 1ms）低速（转换时间1ms）为适应系统集成的需要，有些A/D转换器还将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二/十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内，超越了单纯的A/D转换功能。,2.常用A/D转换器芯片,典型A/D转换器ADC0809（1）性能8位逐次逼近式A/D转换器8 通道多路开关输入切换电路最大不可调误差小于1LSB转换速度：典型值100s单一+5V供电,VREF=+5V模拟输入范围为05V。具有锁存三态输出，,CMOS低功耗器件（15mw），输出与TTL兼容。不必进行零点和满度调整。转换速度取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围：101280KHz（典型值为640KHz）当CLK=500KHZ时，转换速度为128s。转换结果读取方式：延时读数、查询EOC=1、EOC申请中断。,（2）引脚定义：IN0IN7：8通道模拟量输入端 D0D7：8位数字量输出端ADDC、ADDB、ADDA：接地址锁存器的低三位地址ALE：地址锁存允许控制信号START：清0内寄存器,启动转换OE：允许读A/D结果,高有效CLK：时钟输入端，应1280KHzEOC：转换结束时为高，转换期间为低Vcc：+5VVref+：参考电压，+5VVref-：0V,引脚详细介绍：VCC：主电源输入端。VREF（+）、VREF（-）：基准电源输入端，使用中VREF（-）一般接地，VREF（+）最大可接+5.12V，要求不高时，VREF（+）接VCC电源。GND：模拟地数字地共用的接地端。CLK：时钟输入引脚，时钟频率范围10 1280KHz，典型值640KHz，此时转换时间约为100 s。IN0IN7：8路模拟量单极性电压的输入引脚。ADD A、ADD B、ADD C：8选1模拟开关的三位通道地址输入端。用来选择对应的输入通道。例如CBA=011，则选中引脚IN3的输入电压。C、B、A通常与系统地址总线的A2、A1、A0连接。但也有与系统数据总线相连的。ALE：为通道地址锁存允许选通控制端，输入上升沿有效；它有效时，C、B、A的通道地址值才能进入通道地址锁存器，ALE下降为低电平（无效）时，锁存器锁存进入的通道地址。,START：启动A/D转换控制引脚，由高电平下跳为低电平时有效；即对该引脚输入正脉冲下跳沿后，ADC开始逐次比较；也可将START与ALE连接在一起使用，安排一个CPU写端口地址；正脉冲上升沿通道地址（码）被写入通道地址锁存器，下降沿启动A/D转换，参见时序图。EOC：ADC转换状态输出信号引脚；未启动转换时，EOC为高电平，启动转换后，正在逐次逼近比较期间EOC为低电平，低电平持续时间为A/D转换时间，约100 s（与时钟频率有关），一旦转换完毕，EOC端上跳为高电平，此信号可供CPU查询或向CPU发中断。D7 D0：8位数字量输出引脚，D7为（MSB），D0为（LSB），它是三态输出数据锁存器的输出引脚，未被选通时，8个引脚对片内均为高阻断开；因此可与系统数据总线直接相连。OE：数字量输出允许控制端，输入正脉冲有效；它有效时，数据输出三态门被打开，转换好的数字量各位被送到D7 D0引脚上；它无效时，D7 D0浮空（高阻隔离）；显然OE端必须设置一个CPU读数据的端口地址，未访问时，必须为低电平。,（3）ADC0809的内部结构：,（4）ADC0809的时序：,（5）ADC0809与CPU的连接：,（6）ADC0809的软件编程:查询方式：设：ADC0809的8个通道口地址为300H 307H，EOC经地址译码器输出（口地址为308H）控制接到数据总线D7上。接线如下：,中断方式：设：ADC0809的8个通道口地址为300H 307H，EOC接到CPU的中断请求引脚INTR上。接线如下：,程序如下：MOV CX，08H；设置8个通道 MOV DX，300H；通道口地址初值（IN0通道地址）MOV DI，OFFSET BUF；内存缓存区首地址BUFLP0：OUT DX，AL；主要产生START、WR，AL为任意值 STI；开中断 HLT；等待中断 CLI MOV DI，AL INC DI INC DX LOOP LP0 HLT中断服务子程序：LP2：IN AL，DX STI IRET,（7）ADC0809的通道选择线ADDC、ADDB、ADDA的接法：可以接到CPU的地址总线的A2、A1、A0上。此时，ADC0809的口地址为8个，低3位为000 111对应输入通道IN0 IN7。可以接到CPU的数据总线的D2、D1、D0上。此时，ADC0809的口地址为1个，但启动ADC0809时，写入的数据（AL）的低3位000 111对应输入通道IN0 IN7。4.AD574简介（P410）AD574A是美国模拟数字公司（AD公司）推出的单片高速、低廉、应用较广12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，为了直接与多数8位、12位或16位总线的微处理器相配接，它含有多路方式的三态缓冲器。,其主要功能特性如下：分辨率：12位非线性误差：小于1/2LBS或1LBS转换速率：25us模拟电压输入范围：010V和020V，05V和010V两档四种电源电压：15V和5V数据输出格式：12位/8位。5.5G14433简介 5G14433是国产的3位半A/D转换器，是应用较广的典型的双积分A/D转换器。具有抗干扰性能好，转换精度高（相当于11位二进制数），自动校零，自动极性输出，自动量程控制信号输出，动态字位扫描BCD码输出，单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。其转换速度慢，约110次/秒。在不要求高速转换的场合，如温度控制系统中，被广泛采用。5G14433的国外原型产品是美国Moto1olr公司的MC14433，两者完全相同，可以互换使用。,11.3.5 A/D转换器的选择原则 选择A/D芯片应从分辨率、转换时间、输入或输出范围、极性、价格、通道结构（采样保持器、锁存器是否有等）、功耗等方面。（选择D/A芯片也可从以上几个方面考虑，此外，还应考虑数据格式、数字电平、输出极性等）。1如何确定A/D转换器的位数 A/D转换器位数的确定与整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度有关，但又不能唯一确定系统的精度。估算时，A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。际选取的A/D转换器的位数应与其它环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，选得太高既没有意义，而且价格还要高得多。2如何确定A/D转换器的转换速率 积分型A/D转换器转换精度高，但转换速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，只能构成低速A/D转换器，一般运用于对温度、压力、流量等缓变参量的检测和控制。,逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几S到100S左右，属于中速A/D转换器，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数字转换系统等。高速A/D转换器（并行、串并行）适用于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等。3如何决定是否要加采样保持器 原则上直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器，其它情况都要加采样保持器。4工作电压和基准电压 如果选择使用单+5V工作电压的芯片，与计算机系统可共用一个电源就比较方便。基准电压源是提供给A/D转换器在转换时所需要的参考电压，这是为保证转换精度的基本条件。在要求较高精度时，基准电压要单独用高精度稳压电源供给。5正确选用A/D转换器有关量程的引脚 A/D转换器的模拟量输入有时需要是双极性的，有时是单极性的。输入信号最小值有从零开始，也有从非零开始的。有的A/D转换器提供了不同量程的引脚，只有正确使用，才能保证转换精度。变换量程的双模拟输入引脚和双极性偏置引脚的正确使用。双参考电压引脚的正确使用。A/D转换内部比较器反相输入端要正确使用。,11.3.6 A/D转换器和微处理器的接口需要注意的问题输入模拟电压的连接 A/D转换器的输入模拟电压可以是单极性的、差动的、注意各种极性之间的转换。2.A/D芯片和CPU间的时序配合问题（1）延时等待法 用WR和片选信号CS结合起来所产生的START信号去启动A/D转换。然后执行延时循环程序，待一固定时间（这个时间应安排得比转换时间稍长些，以保证结果的正确性）。延时结束后，对用于启动转换的同一地址执行一条输入指令，用RD和CS结合所产生的允许输出信号OE，读出转换结果数据。当转换结束时，A/D产生转换结束信号（如EOC）。在这种接口方式中，这个信号是无用的。如果要求连续采集数据，可省掉与门1，用与门2产生的信号，一方面读取上次转换的结果数据，同时启动本次转换。当然，这样做的第一个数据是无效的。这种方法的优点是使接口简单，缺点是等待时间较长，且在等待期间微处理器不能去做别的工作。适用于转换时间比较短的A/D。,（2）中断响应法 微处理器按A/D所占用的口地址执行一条输出指令。启动A/D转换以后，在等待转换完成期间，微处理器可以继续执行其它任务。当转换完成时，A/D产生的状态信号EOC向微处理器申请中断。微处理器响应中断，在中断服务程序中对A/D占用的口地址执行一条输入指令以获得转换的结果数据。中断响应法的特点是A/D转换完成后微处理器能立即得到通知，且不须花费等待时间，接口硬件简单，一般来讲程序会稍复杂些。使用中断方法，可提高CPU的利用率。每当ADC转换结束时，由EOC信号向CPU发出中断请求，CPU响应中断在中断服务子程序中读取转换结果。（3）查询法 CPU按A/D所占用的口地址执行一条输出指令。启动A/D转换以后，CPU一直在查询等待转换结束信号EOC，转换结束时CPU对A/D占用的口地址执行一条输入指令以获得转换的结果数据。,查询法的特点是A/D转换完成后微处理器能立即立即获得转换数据，接口硬件简单，但A/D转换期间，CPU一直在查询 A/D转换是否结束，占用了CPU 的时间，CPU的利用率低。（4）CPU等待方式 将A/D转换器的转换结束信号EOC通过处理接到CPU的READY上，转换之前，READY无效，转换期间，READY仍无效，转换结束，READY有效，读取转换结果。3.A/D芯片启动信号的供给 有两种形式：电平信号（要求整个转换期间启动信号有效）和边沿信号（启动时和读数据时产生信号边沿）。4.A/D芯片数据线与CPU数据总线的连接 内部有三态输出门且外部可控的A/D芯片，其数据线可直接与CPU数据总线连接，当A/D芯片内部无三态输出门（或有三态输出门但外部不可控）时，则A/D芯片数据线需通过外部接口或附加三态输出门与CPU数据总线连接。,作业：D/A转换器的性能指标包括哪几项？试编写利用DAC0832输出方波的程序。DAC0832，输出电压范围为0+5V，试计算当输入量分别为35H、7FH、81H、0F3H时，模拟电压输出值各为多少？选择A/D、D/A转换器的原则？A/D、D/A转换器的分类？画出8086CPU采用中断方式外扩 ADC0809的电路图。并编制相应的程序。P415 7,