第11章ADDA转换器.ppt
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1、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
2、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:
3、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
4、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
5、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、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
7、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+10
8、V;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
9、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C
10、PU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 T
11、1: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
12、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
13、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
14、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、
15、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
16、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
17、)(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
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