第6講數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、主講人：施保華主講人：施保華avr單片機c語言程序設(shè)計三峽大學電子設(shè)計及創(chuàng)新實驗室（三峽大學電子設(shè)計及創(chuàng)新實驗室（32學時）學時）2d/a轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter）是一種能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件；是一種能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件；a/d轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter）則相反，它能把模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。則相反，它能把模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。在微機控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到在微機控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到a/d和和d/a轉(zhuǎn)換器。它們的功能及在實時控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器。它們的功能及在實時控制系統(tǒng)中的地位

2、，如圖地位，如圖2-1所示。所示。3當?shù)毓δ軉纹⑿陀嬎銠Ca/d多路開關(guān)傳感器傳感器d/a被控實體變送器變送器圖圖2-1 單片機和被控實體間的接口示意單片機和被控實體間的接口示意4為了說明為了說明t型電阻網(wǎng)絡(luò)的工作原理，現(xiàn)以四位型電阻網(wǎng)絡(luò)的工作原理，現(xiàn)以四位d/a轉(zhuǎn)換器為例加以討論，如圖轉(zhuǎn)換器為例加以討論，如圖2-2所示。所示。圖圖2-2 t型電阻網(wǎng)絡(luò)型型電阻網(wǎng)絡(luò)型d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10101010vrefri3i3i2i2i1i1i0i0i0rrrr2r2r2r2rb3b2b1b0四位dac寄存器.rfirfiout1iout2vout.aoa+-s3s2s1s051.典型的d/a轉(zhuǎn)換器芯片

3、dac0832 dac0832內(nèi)部由三部分電路組成，如圖2-3所示。 圖圖2-3 dac0832原理框圖原理框圖d7d6d0d1d2d3d4d58位輸入寄存器8位dac寄存器8位d/a轉(zhuǎn)換電路rfvrefiout2iout1rfilecswr1wr2xferdac0832agndvccdgndle1le2m1m3m263. dac0832的技術(shù)指標 dac0832的主要技術(shù)指標：（1）分辨率8位（2）電流建立時間 1s（3）線性度（在整個溫度范圍內(nèi)）8、9或10位（4）增益溫度系數(shù) 00002 fs/（5）低功耗20mw（6）單一電源 +5 +15v7因dac0832是電流輸出型d/a轉(zhuǎn)換芯片

4、，為了取得電壓輸出，需在電流輸出端接運算放大器，rf為運算放大器的反饋電阻端。運算放大器的接法如圖2-5所示。圖圖2-5 運算放大器接法運算放大器接法-+oa.voutrfiout1iout282.3.1 逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器的工作原理 逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器是一種采用對分搜索原理來實現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換的方法，邏輯框圖如圖2-17所示。圖圖2-17 逐次逼近式逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器邏輯框圖轉(zhuǎn)換器邏輯框圖-+oa模擬輸入vx數(shù)字輸出啟動ckdone控制邏輯n位寄存器n位d/a轉(zhuǎn)換器vc比較器9atmega16有一個10位的逐次逼近型adc。adc與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口a 的8

5、 路單端輸入電壓進行采樣 10 位 精度 0.5 lsb 的非線性度 2 lsb 的絕對精度 65 - 260 s 的轉(zhuǎn)換時間 最高分辨率時采樣率高達15 ksps 8 路復用的單端輸入通道 7 路差分輸入通道 2 路可選增益為10 x 與200 x 的差分輸入通道 可選的左對齊adc 讀數(shù) 0 - vcc 的 adc 輸入電壓范圍 可選的2.56v adc 參考電壓 連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式 通過自動觸發(fā)中斷源啟動adc 轉(zhuǎn)換10adc 通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個個10 位的數(shù)字量。最小值代表位的數(shù)字量。最小值代表gnd，最大值代表，

6、最大值代表aref引腳上的電壓再減去引腳上的電壓再減去1 lsb。通過寫。通過寫admux寄存器的寄存器的refsn位可以把位可以把avcc 或內(nèi)部或內(nèi)部2.56v 的參的參考電壓連接到考電壓連接到aref 引腳。引腳。adc轉(zhuǎn)換結(jié)果為轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位，存放于位，存放于adc數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器adch及及adcl中。默認情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對齊，但可中。默認情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對齊，但可通過設(shè)置通過設(shè)置admux 寄存器的寄存器的adlar 變?yōu)樽髮R。變?yōu)樽髮R。如果要求轉(zhuǎn)換結(jié)果左對齊，且最高只需如果要求轉(zhuǎn)換結(jié)果左對齊，且最高只需8 位的轉(zhuǎn)換精位的轉(zhuǎn)換精度，那么只要讀取度，那么只要讀取adch

7、 就足夠了。就足夠了。11啟動一次轉(zhuǎn)換向 adc 啟動轉(zhuǎn)換位adsc 位寫1” 可以啟動單次轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中此位保持為高，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后被硬件清零。如果在轉(zhuǎn)換過程中選擇了另一個通道，那么adc 會在改變通道前完成這一次轉(zhuǎn)換。在默認條件下，逐次逼近電路需要一個從50 khz到200 khz的輸入時鐘以獲得最大精度。正常轉(zhuǎn)換需要13 個adc 時鐘周期。為了初始化模擬電路，adc 使能(adcsra 寄存器的aden 置位) 后的第一次轉(zhuǎn)換需要25 個adc 時鐘周期。12adc的參考電壓源(vref)反映了adc的轉(zhuǎn)換范圍。若單端通道電平超過了vref，其結(jié)果將接近0 x3ff。vref

8、可以是avcc、內(nèi)部2.56v 基準或外接于aref 引腳的電壓。轉(zhuǎn)換結(jié)束后(adif 為高)，轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入adc 結(jié)果寄存器(adcl, adch)。單次轉(zhuǎn)換的結(jié)果如下：式中，vin 為被選中引腳的輸入電壓，vref 為參考電壓13adc 多工選擇寄存器 admuxbit 7:6 refs1:0: 參考電壓選擇如table 83 所示，通過這幾位可以選擇參考電壓。如果在轉(zhuǎn)換過程中改變了它們的設(shè)置，只有等到當前轉(zhuǎn)換結(jié)束(adcsra 寄存器的adif 置位) 之后改變才會起作用。如果在aref 引腳上施加了外部參考電壓，內(nèi)部參考電壓就不能被選用了。1415bit 5 adlar: adc 轉(zhuǎn)

9、換結(jié)果 左對齊adlar影響adc轉(zhuǎn)換結(jié)果在adc數(shù)據(jù)寄存器中的存放形式。adlar置位時轉(zhuǎn)換結(jié)果為左對齊，否則為右對齊。adlar 的改變將立即影響adc 數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，不論是否有轉(zhuǎn)換正在進行。關(guān)于這一位的完整描述請見 p207“adc 數(shù)據(jù)寄存器 adcl 及 adch” 。bits 4:0 mux4:0: 模擬通道與增益選擇位通過這幾位的設(shè)置，可以對連接到adc 的模擬輸入進行選擇。也可對差分通道增益進行選擇。細節(jié)見table 84。如果在轉(zhuǎn)換過程中改變這幾位的值，那么只有到轉(zhuǎn)換結(jié)束(adcsra 寄存器的adif 置位) 后新的設(shè)置才有效。16adc 控制和狀態(tài)寄存器a adcsr

10、a bit 7 aden: adc 使能aden置位即啟動adc，否則adc功能關(guān)閉。在轉(zhuǎn)換過程中關(guān)閉adc將立即中止正在進行的轉(zhuǎn)換。 bit 6 adsc: adc 開始轉(zhuǎn)換在單次轉(zhuǎn)換模式下，adsc 置位將啟動一次adc 轉(zhuǎn)換。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，adsc 置位將啟動首次轉(zhuǎn)換。第一次轉(zhuǎn)換( 在adc 啟動之后置位adsc，或者在使能adc 的同時置位adsc) 需要25 個adc 時鐘周期，而不是正常情況下的13 個。第一次轉(zhuǎn)換執(zhí)行adc初始化的工作。在轉(zhuǎn)換進行過程中讀取adsc 的返回值為1”，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束。adsc 清零不產(chǎn)生任何動作。17 bit 5 adate: adc 自動觸發(fā)使能

11、adate置位將啟動adc自動觸發(fā)功能。觸發(fā)信號的上跳沿啟動adc轉(zhuǎn)換。觸發(fā)信號源通過sfior 寄存器的adc 觸發(fā)信號源選擇位adts 設(shè)置。 bit 4 adif: adc 中斷標志在adc 轉(zhuǎn)換結(jié)束，且數(shù)據(jù)寄存器被更新后， adif 置位。如果adie 及sreg 中的全局中斷使能位i 也置位，adc 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)程序即得以執(zhí)行，同時adif 硬件清零。此外，還可以通過向此標志寫1 來清adif。要注意的是，如果對adcsra 進行讀修改寫操作，那么待處理的中斷會被禁止。這也適用于sbi 及cbi 指令。 bit 3 adie: adc 中斷使能若adie 及sreg 的位i 置位， adc 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷即被使能。 bits 2:0 adps2:0: adc 預分頻器選擇位由這幾位來確定xtal 與adc 輸入時鐘之間的分頻因子。18特殊功能io 寄存器 sfiorbit 7:5 adts2:0: adc 自動觸發(fā)源若adcsra 寄存器的adate 置位，ad