微機(jī)原理與接口技術(shù)_10 AD和DA轉(zhuǎn)換

1、第110章 A/D和D/A轉(zhuǎn)換 本章主要內(nèi)容 10.1 模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器 10.2 數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器10.1 模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器10.1.1 工作原理 A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)將模擬量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量，常用的轉(zhuǎn)換方法有計數(shù)法、逐次逼近法、雙積分法。計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換速度慢、價格低，適用于慢速系統(tǒng)；雙積分式A/D轉(zhuǎn)換分辨率高、抗干擾性好，但轉(zhuǎn)換速度較慢，適用于中速系統(tǒng)；逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換精度高、轉(zhuǎn)換速度快、易受干擾。微機(jī)系統(tǒng)中大多數(shù)采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換方法。 在開始轉(zhuǎn)換前，先將逐次變換寄存器各位清零，然后設(shè)其最高位為1（對8位來講，即為10000000B），就像天平稱重時先放上一個最重的砝

2、碼一樣，逐次變換寄存器中的數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓VC，并與模擬輸入電壓VX進(jìn)行比較，若VXVC，則寄存器中最高位的1保留，否則就將最高位清零。就像砝碼比物體輕就要保留此砝碼，否則去掉此砝碼。然后再將次高位置1，進(jìn)行相同的過程直到寄存器的所有位都被確定。轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，寄存器中的二進(jìn)制碼就是ADC的輸出。 10.1.2 主要性能指標(biāo) 1分辨率 分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小模擬輸入量，或指轉(zhuǎn)換器滿量程模擬輸入量被分離的級數(shù)。 2量化誤差 量化誤差是指在A/D轉(zhuǎn)換中由于整量化所產(chǎn)生的固有誤差，這個誤差是量化過程中不可避免的。 3轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是指在輸出端產(chǎn)生給定的數(shù)字

3、量，實際輸入的模擬值與理論輸入的模擬值之間的偏差。 4轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換率 轉(zhuǎn)換時間指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間，即從啟動信號開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束、得到穩(wěn)定數(shù)字量的時間。轉(zhuǎn)換率是指轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)。10.1.3 典型芯片ADC0809 ADC0809是一種8路模擬輸入8路數(shù)字輸出的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。目前在8位單片機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的使用。 芯片內(nèi)主要包括：8路模擬開關(guān)、3位地址鎖存和譯碼、D/A變換器與逐次變換寄存器、三態(tài)輸出鎖存緩沖器。 2引腳功能 各引腳功能如下。 IN7IN0：模擬量輸入通道。 ADD-A、ADD-B、ADD-C：地址線。 ALE：地址鎖存允許信號。 START：轉(zhuǎn)換啟動信號。

4、 D0D7：數(shù)據(jù)輸出線。 OE：輸出允許信號。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。 CLOCK：時鐘信號。 VREF（REF）：參考電源。 3工作過程 CPU送地址ADDCADDA，ALE，外設(shè)送模擬IN0IN7，會選通INi接到Vin，接著 START、CLK啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，送出EOC信號，CPU中斷/查詢獲取EOC后，送出OE打開三態(tài)門，CPU從三態(tài)門輸出口上讀取D0D7，重復(fù)下一通道。 對輸入Vin，理想轉(zhuǎn)換碼為inREFREFREFVVN256VV（ ）（ ）（ ） 4特性參數(shù) （1）分辨率為8位。 （2）最大不可調(diào)誤差是1LSB。 （3）單電源5V。 （4）可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL

5、電平兼容。 （5）當(dāng)用5V電源供電時，模擬輸入電壓范圍為05V。 （6）溫度范圍4085。 （7）功耗為15mW。 （8）轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率，其時鐘頻率范圍為10kHz1280kHz，若CLK500kHz，轉(zhuǎn)換速度為128s。 5ADC0809與微處理器的連接 1）直接連接 由于ADC0809具有三態(tài)輸出緩沖器，所以它能同微處理器直接連接，如圖10.5所示，ADDC、ADDB、ADDA同數(shù)據(jù)總線的D2、D1、D0相連，地址為84H87H，圖中EOC信號未用，采用軟件延時來等待轉(zhuǎn)換結(jié)束。 2）通過并口相連 DAC0832通過8255與CPU連接。8255地址8083H（），ADC080

6、9地址8487H（），要求將IN0的模擬量輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 6ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理 不同的處理方式對應(yīng)的程序設(shè)計方法不同，有以下四種處理方法。 （1）查詢方式：把結(jié)束信號作為狀態(tài)信號。 （2）中斷方式：把結(jié)束信號作為中斷請求信號。 （3）延時方式：不使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 （4）DMA方式：把結(jié)束信號作為DMA請求信號。 10.1.4 典型芯片AD5741內(nèi)部結(jié)構(gòu)AD574是一種逐次逼近式12位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高、速度快，是目前應(yīng)用最為廣泛的A/D轉(zhuǎn)換器。它是由模擬芯片和數(shù)字芯片二者混合組成的，功能如下。（1）模擬芯片：高性能的AD656型，集成快速的12位D/A轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電

7、源。（2）數(shù)字芯片：低功耗的逐次比較寄存器、轉(zhuǎn)換控制電路、時鐘、比較器和總線接口等。 2引腳功能 各引腳功能如下。 REFOUT：內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出端（10V）。 REFIN：基準(zhǔn)電壓輸入端，該信號輸入端與REFOUT配合，用于滿刻度校準(zhǔn)。 BIP：偏置電壓輸入，用于調(diào)零。 DB11DB0：12位二進(jìn)制數(shù)的輸出端。 STS：“忙”信號輸出端，高電平有效。當(dāng)其有效時，表示正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 3特性參數(shù) （1）分辨率：12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，也可以用作8位A/D轉(zhuǎn)換。 （2）轉(zhuǎn)換時間：25s，若轉(zhuǎn)換成12位二進(jìn)制數(shù)，可以一次讀出，也可分成兩次讀出，即先讀出高8位后讀出低4位。 （3）工作溫度：070

8、。 （4）功耗：390mW。 （5）輸入電壓：可為單極性（0V10V，0V20V）或雙極性（5V5V，10V10V）。 4.工作過程依據(jù)模擬電壓的范圍和輸入極性，選擇合適的連接方式，然后啟動8位或12位A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，STS為高電平。在ADC轉(zhuǎn)換完成后，會發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，STS從高電平轉(zhuǎn)為低電平，以示主機(jī)可以從模/數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。該結(jié)束信號可以用來向CPU發(fā)出中斷申請，CPU響應(yīng)中斷后，在中斷服務(wù)子程序中讀取8位或12位數(shù)據(jù)；也可用查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的方法來讀取數(shù)據(jù)；在采集速度要求并不高的情況下，也可以通過延時等待的方法來讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)啟動ADC轉(zhuǎn)換后，延時等待時間大于ADC的

9、轉(zhuǎn)換時間后便可以讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 5AD574的模擬輸入電路 它有兩個模擬輸入電壓引腳10VIN和20VIN，即分別有10V和20V的動態(tài)范圍，而且可以是單極性電壓或雙極性電壓，通過改變AD574其他引腳的接法來實現(xiàn)。 10.2 數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器10.2.1 工作原理 D/A轉(zhuǎn)換器的作用是把二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。UR為參考電壓，Vo為對應(yīng)數(shù)字量an an-1a2a1的模擬電壓，IUR/R，對于n位數(shù)字量，有 nnROfifiii 1i 10UURIa2Ra 2a1Rii10.2.2 主要技術(shù)指標(biāo) 1分辨率 分辨率指DAC所能分辨的最小電壓增量。 2轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是用最大的靜態(tài)轉(zhuǎn)

10、換誤差的形式表示，這個轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)包括非線性誤差、比例系數(shù)誤差以及漂移誤差等綜合誤差。 3轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間是指在數(shù)字輸入端輸入滿量程代碼的變化以后，DAC的模擬輸出穩(wěn)定到最終值1/2LSB時所需要的時間。 4線性度 通常用非線性誤差的大小表示DAC的線性度。 5轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是指每秒鐘可以轉(zhuǎn)換的次數(shù)，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換時間。 6輸出電平 不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大。一般為510V，有的高壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平則高達(dá)2430V。 7偏移誤差 偏移誤差是指輸入數(shù)字量為0時，輸出模擬量對0的偏移值。 8溫度靈敏度 指輸入不變的情況下，輸出模擬信號隨溫度的變化。 10.2.3

11、典型芯片DAC0832 1內(nèi)部結(jié)構(gòu) DAC0832是一個8位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部由8位數(shù)據(jù)鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。 2引腳功能 AGND：模擬量地線 VREF：參考電壓 D10D17：數(shù)字量輸入信號線 ILE：輸入鎖存允許信號。 CS：片選輸入，低電平有效。 WR1：寫信號1，低電平有效。 XFER：傳送控制信號，低電平有效。 WR2：寫信號2，低電平有效。 Iout1：DAC電流輸出1，當(dāng)DAC寄存器中為全1時，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中為全0時，輸出電流為0。 Iout2：DAC電流輸出2，Iout2與Iout1之差為一常數(shù)，即Iout1Iou

12、t2常數(shù)。 Rfb：運算放大器的反饋電阻。 DAC0832的輸出是與數(shù)字量成比例的電流。 3工作過程 D/A轉(zhuǎn)換可分為以下兩個階段。 （1）CPU送D0D7，ILE1， 0，ILE1，使輸入數(shù)據(jù)D0D7鎖存到輸入寄存器。 （2）CPU送 0，數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，供DAC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，輸出模擬量Iout1、Iout2。 CS1WRXFER2WR 4特性參數(shù) （1）分辨率為8位。 （2）可采用雙緩沖、單緩沖或直通三種工作方式。 （3）電流穩(wěn)定時間為1s。 （4）只需在滿量程下調(diào)整其線性度。 （5）所有引腳邏輯電平與TTL兼容。 （6）515V單一電源供電，功耗為200mW。 5工作方式 DAC0832轉(zhuǎn)換器可以有三種工作方法，即直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。 1）直通方式 兩個8位數(shù)據(jù)寄存器都處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，即LE1和IE2都為1。輸入數(shù)據(jù)直接送到內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換。 2）單緩沖方式 這時兩個8位數(shù)據(jù)寄存器中有一個處于直通方式（數(shù)據(jù)接收狀態(tài)），而另一個則受微機(jī)送來的控制信號控制。 3）雙緩沖方式 這時兩個8位數(shù)據(jù)寄存器都不處于直通方式，微機(jī)必須送兩次寫信號才能完成一次D/A轉(zhuǎn)換。當(dāng)要求多個模擬量同時輸出時，可采用雙重緩沖方式。 6輸出方式 1）單極性輸出（電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出） 如果參考電壓為5V，則當(dāng)數(shù)字量N從00H至FFH變化時，對應(yīng)的模擬電壓Vou