微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用(第三版)電子教案第10章

1、第第10章章A/D及及D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.1D/A轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理10.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)10.3DAC 0832 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.4A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)10.5A/D轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理10.6ADC 0809 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.7AD 570 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器習(xí)題習(xí)題A/D(模模/數(shù)數(shù))及及D/A(數(shù)數(shù)/模模)轉(zhuǎn)換技術(shù)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換技術(shù)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及數(shù)字測量儀表中?？刂葡到y(tǒng)及數(shù)字測量儀表中。將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為模將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器(

2、簡稱簡稱A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器)，而將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量，而將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)的器件稱為數(shù)信號(hào)的器件稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器(簡稱簡稱D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器)。10.1 D/A轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理D/A轉(zhuǎn)換器從工作原理上可分為并行轉(zhuǎn)換器從工作原理上可分為并行D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器及串行及串行D/A轉(zhuǎn)換器兩種。并行轉(zhuǎn)換器兩種。并行D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度快，但電路復(fù)雜。隨著微電子技術(shù)的發(fā)換速度快，但電路復(fù)雜。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，并行展，并行D/A轉(zhuǎn)換器集成電路目前已大量生產(chǎn)，轉(zhuǎn)換器集成電路目前已大量生產(chǎn)，廣為采用。廣為采用。并行并行D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與輸入數(shù)碼的位數(shù)相同，轉(zhuǎn)換

3、器的位數(shù)與輸入數(shù)碼的位數(shù)相同，對(duì)應(yīng)輸入數(shù)碼的每一位都設(shè)有信號(hào)輸入端，用對(duì)應(yīng)輸入數(shù)碼的每一位都設(shè)有信號(hào)輸入端，用以控制相應(yīng)的模擬切換開關(guān)，把基準(zhǔn)電壓以控制相應(yīng)的模擬切換開關(guān)，把基準(zhǔn)電壓Un接接到電阻網(wǎng)絡(luò)上。并行到電阻網(wǎng)絡(luò)上。并行D/A轉(zhuǎn)換器的原理如圖轉(zhuǎn)換器的原理如圖10.1所示。所示。圖圖10.1電阻網(wǎng)絡(luò)將基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流或電壓，在電阻網(wǎng)絡(luò)將基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流或電壓，在運(yùn)算放大器的輸入端進(jìn)行總加。放大器的輸出則反運(yùn)算放大器的輸入端進(jìn)行總加。放大器的輸出則反映了輸入數(shù)碼的大小。如輸入數(shù)碼映了輸入數(shù)碼的大小。如輸入數(shù)碼xp=a12-1+a22-2+ai2-i+an2-n，則：，則：Uo

4、=UNxp=UN(a12-1+a22-2+an2-n)=UNai2-i(10-1)其中，其中，ai是是1還是還是0，取決于輸入數(shù)碼第，取決于輸入數(shù)碼第i位是邏輯位是邏輯1還還是邏輯是邏輯0。如果。如果ai=1，基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓UN通過模擬切換開通過模擬切換開關(guān)加到電阻網(wǎng)絡(luò)上；如果關(guān)加到電阻網(wǎng)絡(luò)上；如果a1=0，模擬切換開關(guān)斷開，模擬切換開關(guān)斷開，基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓UN不能加到電阻網(wǎng)絡(luò)上。不能加到電阻網(wǎng)絡(luò)上。并行并行D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度很快，只要輸入端加入數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度很快，只要輸入端加入數(shù)碼信號(hào)，輸出端立即有相應(yīng)的模擬電壓輸出。碼信號(hào)，輸出端立即有相應(yīng)的模擬電壓輸出。ui=1在并行在并行

5、D/A轉(zhuǎn)換器中，最常用的電阻網(wǎng)絡(luò)是轉(zhuǎn)換器中，最常用的電阻網(wǎng)絡(luò)是“T”形網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)。絡(luò)。12位位T形網(wǎng)絡(luò)形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理如圖轉(zhuǎn)換器原理如圖10.2所示。它所示。它由由12個(gè)串聯(lián)分路開關(guān)、個(gè)串聯(lián)分路開關(guān)、27個(gè)精密電阻和一個(gè)運(yùn)算放個(gè)精密電阻和一個(gè)運(yùn)算放大器組成。電阻網(wǎng)絡(luò)只用大器組成。電阻網(wǎng)絡(luò)只用R及及2R兩種規(guī)格的電阻。兩種規(guī)格的電阻。電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出接至運(yùn)算放大器，若反饋電阻電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出接至運(yùn)算放大器，若反饋電阻Rf的的值為值為3R，則總的輸出電壓，則總的輸出電壓UO為：為：UO=-U0Rf/Ri=-2/3UNxp3R/2R=-Unxp (10-2)式中式中Ri運(yùn)算放大器的輸入運(yùn)算電阻，運(yùn)算

6、放大器的輸入運(yùn)算電阻，Ri=2R。圖圖10.2因此，當(dāng)輸入二進(jìn)制碼因此，當(dāng)輸入二進(jìn)制碼xp為全為全1，運(yùn)算放大器輸出為，運(yùn)算放大器輸出為-(1-1/212)UN；當(dāng)輸入二進(jìn)制碼；當(dāng)輸入二進(jìn)制碼xp為全為全0，則運(yùn)算放大，則運(yùn)算放大器輸出為器輸出為0。所以，。所以，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出在轉(zhuǎn)換器的輸出在0(1-1/212)UN之間變動(dòng)。之間變動(dòng)。10.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器的主要特性指標(biāo)包括以下幾方面：轉(zhuǎn)換器的主要特性指標(biāo)包括以下幾方面：(1) 分辨率：分辨率： 指最小輸出電壓指最小輸出電壓(對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量只有最低有效位為只有最低有效位為“1

7、”)與最大輸出電壓與最大輸出電壓(對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量所有有效位全為的輸入數(shù)字量所有有效位全為“1”)之比。如之比。如N位位D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1/(2N-1)。在實(shí)際使。在實(shí)際使用中，表示分辨率大小的方法也用輸入數(shù)字量用中，表示分辨率大小的方法也用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示。的位數(shù)來表示。(2) 線性度：線性度： 用非線性誤差的大小表示用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換的線性度。并轉(zhuǎn)換的線性度。并且把理想的輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分且把理想的輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)定義為非線性誤差。數(shù)定義為非線性誤差。(3) 轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度： D/A轉(zhuǎn)換器

8、的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與D/A轉(zhuǎn)換器的集成芯轉(zhuǎn)換器的集成芯片的結(jié)構(gòu)和接口電路配置有關(guān)。如果不考慮其他片的結(jié)構(gòu)和接口電路配置有關(guān)。如果不考慮其他D/A轉(zhuǎn)換誤轉(zhuǎn)換誤差時(shí)，差時(shí)，D/A的轉(zhuǎn)換精度就是分辨率的大小，因此要獲得高精的轉(zhuǎn)換精度就是分辨率的大小，因此要獲得高精度的度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，首先要保證選擇有足夠分辨率的轉(zhuǎn)換結(jié)果，首先要保證選擇有足夠分辨率的D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。同時(shí)換器。同時(shí)D/A轉(zhuǎn)換精度還與外接電路的配置有關(guān)，當(dāng)外部轉(zhuǎn)換精度還與外接電路的配置有關(guān)，當(dāng)外部電路器件或電源誤差較大時(shí)，會(huì)造成較大的電路器件或電源誤差較大時(shí)，會(huì)造成較大的D/A轉(zhuǎn)換誤差，轉(zhuǎn)換誤差，當(dāng)這些誤差超過一定程度時(shí)，當(dāng)

9、這些誤差超過一定程度時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換就產(chǎn)生錯(cuò)誤。轉(zhuǎn)換就產(chǎn)生錯(cuò)誤。在在D/A轉(zhuǎn)換過程中，影響轉(zhuǎn)換精度的主要因素有失調(diào)誤差、增轉(zhuǎn)換過程中，影響轉(zhuǎn)換精度的主要因素有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。(4) 建立時(shí)間：建立時(shí)間： 建立時(shí)間是建立時(shí)間是D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個(gè)轉(zhuǎn)換速率快慢的一個(gè)重要參數(shù)，也是重要參數(shù)，也是D/A轉(zhuǎn)換器中的輸入代碼有滿度值轉(zhuǎn)換器中的輸入代碼有滿度值的變化時(shí)，其輸出模擬信號(hào)電壓的變化時(shí)，其輸出模擬信號(hào)電壓(或模擬信號(hào)電流或模擬信號(hào)電流)達(dá)到滿刻度值達(dá)到滿刻度值/2LSB(或與滿刻度值差百分之多或與滿刻度值差百分之多少少)時(shí)所需要

10、的時(shí)間。不同型號(hào)的時(shí)所需要的時(shí)間。不同型號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器，其建轉(zhuǎn)換器，其建立時(shí)間也不同，一般從幾個(gè)毫微秒到幾個(gè)微秒。若立時(shí)間也不同，一般從幾個(gè)毫微秒到幾個(gè)微秒。若輸出形式是電流的，其輸出形式是電流的，其D/A轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間是很轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間是很短的；若輸出形式是電壓的，其短的；若輸出形式是電壓的，其D/A轉(zhuǎn)換器的主要轉(zhuǎn)換器的主要建立時(shí)間是輸出運(yùn)算放大器所需要的響應(yīng)時(shí)間。建立時(shí)間是輸出運(yùn)算放大器所需要的響應(yīng)時(shí)間。由于一般線性差分運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較低，由于一般線性差分運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較低，D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部都帶有輸出運(yùn)算放大器或者外接轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部都帶有輸出運(yùn)算放大器或者外接輸出

11、放大器的電路輸出放大器的電路(如圖如圖10.3所示所示)，因此其建立時(shí)，因此其建立時(shí)間比較長。間比較長。圖圖10.3(5) 溫度系數(shù)：溫度系數(shù)： 在滿刻度輸出的條件下，溫度每升高在滿刻度輸出的條件下，溫度每升高1，輸出變化的百分?jǐn)?shù)定義為溫度系數(shù)。，輸出變化的百分?jǐn)?shù)定義為溫度系數(shù)。(6) 電源抑制比：電源抑制比： 對(duì)于高質(zhì)量的對(duì)于高質(zhì)量的D/A轉(zhuǎn)換器，要求開轉(zhuǎn)換器，要求開關(guān)電路及運(yùn)算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時(shí)，關(guān)電路及運(yùn)算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時(shí)，對(duì)輸出電壓影響極小。通常把滿量程電壓變化的百對(duì)輸出電壓影響極小。通常把滿量程電壓變化的百分?jǐn)?shù)與電源電壓變化的百分?jǐn)?shù)之比稱為電源抑制比。分?jǐn)?shù)與

12、電源電壓變化的百分?jǐn)?shù)之比稱為電源抑制比。(7) 工作溫度范圍：工作溫度范圍： 一般情況下，影響一般情況下，影響D/A轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度的主要環(huán)境和工作條件因素是溫度和電源電壓變化。的主要環(huán)境和工作條件因素是溫度和電源電壓變化。由于工作溫度會(huì)對(duì)運(yùn)算放大器加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生由于工作溫度會(huì)對(duì)運(yùn)算放大器加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生影響，所以只有在一定的工作范圍內(nèi)才能保證額定影響，所以只有在一定的工作范圍內(nèi)才能保證額定精度指標(biāo)。較好的精度指標(biāo)。較好的D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍在轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍在-4085之間，較差的之間，較差的D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度范轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍在圍在070之間。多數(shù)器件其靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)

13、均之間。多數(shù)器件其靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)均在在25的工作溫度下測得的，工作溫度對(duì)各項(xiàng)精度的工作溫度下測得的，工作溫度對(duì)各項(xiàng)精度指標(biāo)的影響用溫度系數(shù)來描述，如失調(diào)溫度系數(shù)、指標(biāo)的影響用溫度系數(shù)來描述，如失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)、微分線性誤差溫度系數(shù)等。增益溫度系數(shù)、微分線性誤差溫度系數(shù)等。(8) 失調(diào)誤差失調(diào)誤差(或稱零點(diǎn)誤差或稱零點(diǎn)誤差)： 失調(diào)誤差定義為數(shù)字輸失調(diào)誤差定義為數(shù)字輸入全為入全為0碼時(shí)，其模擬輸出值與理想輸出值之偏差值。碼時(shí)，其模擬輸出值與理想輸出值之偏差值。對(duì)于單極性對(duì)于單極性D/A轉(zhuǎn)換，模擬輸出的理想值為零伏點(diǎn)。轉(zhuǎn)換，模擬輸出的理想值為零伏點(diǎn)。對(duì)于雙極性對(duì)于雙極性D/A轉(zhuǎn)換，理想值為

14、負(fù)域滿量程。偏差轉(zhuǎn)換，理想值為負(fù)域滿量程。偏差值的大小一般用值的大小一般用LSB的份數(shù)或用偏差值相對(duì)滿量程的份數(shù)或用偏差值相對(duì)滿量程的百分?jǐn)?shù)來表示。的百分?jǐn)?shù)來表示。(9) 增益誤差增益誤差(或稱標(biāo)度誤差或稱標(biāo)度誤差)： D/A轉(zhuǎn)換器的輸入與輸轉(zhuǎn)換器的輸入與輸出傳遞特性曲線的斜率稱為出傳遞特性曲線的斜率稱為D/A轉(zhuǎn)換增益或標(biāo)度系轉(zhuǎn)換增益或標(biāo)度系數(shù)，實(shí)際轉(zhuǎn)換的增益與理想增益之間的偏差稱為增數(shù)，實(shí)際轉(zhuǎn)換的增益與理想增益之間的偏差稱為增益誤差。增益誤差在消除失調(diào)誤差后用滿碼益誤差。增益誤差在消除失調(diào)誤差后用滿碼(全全1)輸入時(shí)其輸出值與理想輸出值輸入時(shí)其輸出值與理想輸出值(滿量程滿量程)之間的偏差之間

15、的偏差表示，一般也用表示，一般也用LSB的份數(shù)或用偏差值相對(duì)滿量程的份數(shù)或用偏差值相對(duì)滿量程的百分?jǐn)?shù)來表示。的百分?jǐn)?shù)來表示。(10) 非線性誤差：非線性誤差： D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差定義為實(shí)轉(zhuǎn)換器的非線性誤差定義為實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，并以該偏差相對(duì)于滿量程的百分?jǐn)?shù)度量。在轉(zhuǎn)換器并以該偏差相對(duì)于滿量程的百分?jǐn)?shù)度量。在轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)中，一般要求非線性誤差不大于電路設(shè)計(jì)中，一般要求非線性誤差不大于1/2LSB。10.3 DAC 0832 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.3.1 DAC 0832的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)DAC 0832是美國數(shù)據(jù)公司的

16、是美國數(shù)據(jù)公司的8位雙緩沖位雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)帶有數(shù)據(jù)鎖存器，可與通常的微處理器直接片內(nèi)帶有數(shù)據(jù)鎖存器，可與通常的微處理器直接接口。電路有極好的溫度跟隨性。使用接口。電路有極好的溫度跟隨性。使用CMOS電電流開關(guān)和控制邏輯來獲得低功耗和低輸出泄漏電流開關(guān)和控制邏輯來獲得低功耗和低輸出泄漏電流誤差。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：流誤差。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：電流建立時(shí)間電流建立時(shí)間1s單電源單電源+5+15VVREF輸入端電壓輸入端電壓25V分辨率分辨率8位位功率耗能功率耗能200mW最大電源電壓最大電源電壓VDD17VDAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)如圖的邏輯結(jié)構(gòu)如圖10.4所示，引腳信號(hào)如圖所示，

17、引腳信號(hào)如圖10.5所所示。示。圖圖10.4圖圖10.5DAC0832由由8位輸入鎖存器，位輸入鎖存器，8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A轉(zhuǎn)換電路組成。轉(zhuǎn)換電路組成。當(dāng)當(dāng)ILE為高電平，為高電平，CS為低電平，為低電平，WR1為負(fù)脈沖時(shí)，為負(fù)脈沖時(shí)，在在LE1產(chǎn)生正脈沖；產(chǎn)生正脈沖；LE1為高電平時(shí)，輸入寄存器為高電平時(shí)，輸入寄存器的狀態(tài)隨數(shù)據(jù)輸入線狀態(tài)變化，的狀態(tài)隨數(shù)據(jù)輸入線狀態(tài)變化，LE1的負(fù)跳變將輸?shù)呢?fù)跳變將輸入數(shù)據(jù)線上的信息存入輸入寄存器。圖入數(shù)據(jù)線上的信息存入輸入寄存器。圖10.60832的的電壓輸出電路電壓輸出電路當(dāng)當(dāng)XFER為低電平，為低電平，WR2輸入負(fù)脈沖時(shí)，則在輸入負(fù)脈沖

18、時(shí)，則在LE2產(chǎn)產(chǎn)生正脈沖；生正脈沖；LE2為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，DAC寄存器的輸入與寄存器的輸入與輸出寄存器的狀態(tài)一致，輸出寄存器的狀態(tài)一致，LE2的負(fù)跳變，輸入寄存的負(fù)跳變，輸入寄存器內(nèi)容存入器內(nèi)容存入DAC寄存器。寄存器。DAC 0832的輸出是電流型的。在微機(jī)系統(tǒng)中，通常的輸出是電流型的。在微機(jī)系統(tǒng)中，通常需要電壓信號(hào)，電流信號(hào)和電壓信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換可需要電壓信號(hào)，電流信號(hào)和電壓信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換可由運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，原理如圖由運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，原理如圖10.6所示。所示。圖圖10.610.3.2 DAC 0832工作方式工作方式根據(jù)對(duì)根據(jù)對(duì)DAC 0832的輸入鎖存器和的輸入鎖存器和DAC寄

19、存器的不同的控寄存器的不同的控制方法，制方法，DAC 0832有如下有如下3種工作方式：種工作方式：(1) 單緩沖方式：單緩沖方式： 此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量非同步輸出的情形。方法是控制輸入寄存器路模擬量非同步輸出的情形。方法是控制輸入寄存器和和DAC寄存器同時(shí)接收數(shù)據(jù)，或者只用輸入寄存器而寄存器同時(shí)接收數(shù)據(jù)，或者只用輸入寄存器而把把DAC寄存器接成直通方式。寄存器接成直通方式。(2) 雙緩沖方式：雙緩沖方式： 此方式適用于多個(gè)此方式適用于多個(gè)DAC 0832同時(shí)輸出同時(shí)輸出的情形。方法是先分別使這些的情形。方法是先分別使這些DAC 0832

20、的輸入寄存器的輸入寄存器接收數(shù)據(jù)，再控制這些接收數(shù)據(jù)，再控制這些DAC 0832同時(shí)傳送數(shù)據(jù)到同時(shí)傳送數(shù)據(jù)到DAC寄存器以實(shí)現(xiàn)多個(gè)寄存器以實(shí)現(xiàn)多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出。轉(zhuǎn)換同步輸出。(3) 直通方式：直通方式： 此方式適用于連續(xù)反饋控制線路中。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路中。方法是：數(shù)據(jù)不通過緩沖存儲(chǔ)器，即方法是：數(shù)據(jù)不通過緩沖存儲(chǔ)器，即WR1，WR2，XFER，CS均接地，均接地，ILE接高電平。此時(shí)必須通過接高電平。此時(shí)必須通過I/O接口與接口與CPU連接，以匹配連接，以匹配CPU與與D/A的轉(zhuǎn)換。的轉(zhuǎn)換。DAC 0832的外部連接線路如圖的外部連接線路如圖10.7所示，由于所示，由于083

21、2內(nèi)部已有數(shù)據(jù)鎖存器，所以在控制信號(hào)作用下，可內(nèi)部已有數(shù)據(jù)鎖存器，所以在控制信號(hào)作用下，可以對(duì)總線上的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行鎖存。在以對(duì)總線上的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行鎖存。在CPU執(zhí)行輸出執(zhí)行輸出指令時(shí)，指令時(shí)，WR1 和和 CS 信號(hào)處于有效電平。信號(hào)處于有效電平。圖圖10.7要使要使DAC 0832實(shí)現(xiàn)一次實(shí)現(xiàn)一次D/A轉(zhuǎn)換，可采用以下程序，轉(zhuǎn)換，可采用以下程序，程序中假設(shè)要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放在程序中假設(shè)要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放在4000H單元中。單元中。MOVBX，4000HMOVAL，BX；數(shù)據(jù)送；數(shù)據(jù)送AL中中MOVDX，PORTA；PORTA為為D/A轉(zhuǎn)換器端口號(hào)轉(zhuǎn)換器端口號(hào)OUTDX，AT在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要用到

22、一個(gè)線性增長的電壓在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要用到一個(gè)線性增長的電壓去控制某一個(gè)檢測過程或者作為掃描電壓去控制一去控制某一個(gè)檢測過程或者作為掃描電壓去控制一個(gè)電子束的移動(dòng)。為了說明個(gè)電子束的移動(dòng)。為了說明D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，我轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，我們來看一下怎樣利用們來看一下怎樣利用D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)鋸齒電壓。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)鋸齒電壓。對(duì)于圖對(duì)于圖10.6的電路，為產(chǎn)生一個(gè)鋸齒電壓，可采用以下程序：的電路，為產(chǎn)生一個(gè)鋸齒電壓，可采用以下程序：ROTATE：MOVDX，PORTA；PORTA為為D/A轉(zhuǎn)換器端口號(hào)轉(zhuǎn)換器端口號(hào)MOVAL，0FFH；初值為；初值為0FFHINCALOUTDX，AL ；往；往D/

23、A轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)JMPROTATE實(shí)際上，上面程序在執(zhí)行時(shí)得到的輸出電壓會(huì)有實(shí)際上，上面程序在執(zhí)行時(shí)得到的輸出電壓會(huì)有256個(gè)小臺(tái)個(gè)小臺(tái)階，不過，宏觀看，仍為連續(xù)上升的鋸齒波。對(duì)于鋸齒波階，不過，宏觀看，仍為連續(xù)上升的鋸齒波。對(duì)于鋸齒波的周期，可以利用延遲進(jìn)行調(diào)整。延遲的時(shí)間如果比較短，的周期，可以利用延遲進(jìn)行調(diào)整。延遲的時(shí)間如果比較短，那么，就可以用幾條那么，就可以用幾條NOP指令來實(shí)現(xiàn)，如果比較長，則可指令來實(shí)現(xiàn)，如果比較長，則可用延遲子程序。用延遲子程序。比如，下面的程序段就是利用延遲子程序來控制鋸齒波周期比如，下面的程序段就是利用延遲子程序來控制鋸齒波周期的。的。ROTA

24、TE：MOVDX，PORTA；PORTA為為D/A轉(zhuǎn)換器端口轉(zhuǎn)換器端口號(hào)號(hào)MOVAL，0FFH；初值為；初值為0FFHROTATE：INCALOUTDX, AL；往；往D/A轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)CALLDELAY ；調(diào)用延遲子程序；調(diào)用延遲子程序JMPDX，ROTATEPMOV DX,DATA ；往；往CX中送延遲常數(shù)中送延遲常數(shù)DELAY: LOOP DELAYRET10.4 A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件，模擬量轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件，模擬量可以是電壓、電流等信號(hào)，也可以是聲、光、壓可以是電壓、電流等信號(hào)，也可以是聲、

25、光、壓力、溫度、濕度等隨時(shí)間連續(xù)變化的非電的物理力、溫度、濕度等隨時(shí)間連續(xù)變化的非電的物理量。非電量的模擬量可通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅髁?。非電量的模擬量可通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅?如光電如光電傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)有以下幾方面。轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)有以下幾方面。 1. 分辨率分辨率分辨率表示轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量變化的敏感程度，分辨率表示轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示。例如，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示。例如，對(duì)對(duì)8位位A/D轉(zhuǎn)換器，其數(shù)字輸出量的變化范圍為轉(zhuǎn)換器，其數(shù)字輸出量的變

26、化范圍為0255，當(dāng)輸入電壓滿刻度為，當(dāng)輸入電壓滿刻度為5V時(shí)，轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸入模擬電壓的分辨能力為模擬電壓的分辨能力為5V/25519.6mV。目前常用。目前常用的的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)有轉(zhuǎn)換集成芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位、位、10位、位、12位和位和14位等。位等。2. 精度精度A/D轉(zhuǎn)換器的精度是指與數(shù)字輸出量所對(duì)應(yīng)的模擬輸轉(zhuǎn)換器的精度是指與數(shù)字輸出量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之間的差值。入量的實(shí)際值與理論值之間的差值。A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路中與每個(gè)數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬輸入量并非是單一的數(shù)中與每個(gè)數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬輸入量并非是單一的數(shù)值，而是一個(gè)范圍值，而是一個(gè)范圍，

27、如圖，如圖10.8(a)所示。所示。圖圖10.8圖中圖中的大小，在理論上取決于電路的分辨率。例如，的大小，在理論上取決于電路的分辨率。例如，對(duì)滿刻度輸入電壓為對(duì)滿刻度輸入電壓為5V的的12位位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，為為1.22mV。定義。定義為數(shù)字量的最小有效位為數(shù)字量的最小有效位LSB。但在。但在外界環(huán)境的影響下，與每一數(shù)字輸出量對(duì)應(yīng)的輸入外界環(huán)境的影響下，與每一數(shù)字輸出量對(duì)應(yīng)的輸入量實(shí)際范圍往往偏離理論值量實(shí)際范圍往往偏離理論值。精度通常用最小有效位精度通常用最小有效位LSB的分?jǐn)?shù)值來表示。在圖的分?jǐn)?shù)值來表示。在圖10.(a)中，設(shè)中，設(shè)的中點(diǎn)為的中點(diǎn)為A，如果輸入模擬量在，如果輸入模擬量

28、在A/2的范圍內(nèi)，產(chǎn)生唯一的數(shù)字量的范圍內(nèi)，產(chǎn)生唯一的數(shù)字量D，則這時(shí)稱，則這時(shí)稱轉(zhuǎn)換器的精度為轉(zhuǎn)換器的精度為0LSB。若模擬量變化范圍的上。若模擬量變化范圍的上限值和下限值各增減限值和下限值各增減/4，轉(zhuǎn)換器輸出仍為同一數(shù)，轉(zhuǎn)換器輸出仍為同一數(shù)碼碼D，則稱其精度為，則稱其精度為1/4LSB，如圖，如圖10.8(b)所示。所示。如果模擬量的實(shí)際變化范圍如圖如果模擬量的實(shí)際變化范圍如圖10.8(c)所示，這時(shí)所示，這時(shí)稱其精度為稱其精度為1/2LSB。目前常用的目前常用的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片的精度為轉(zhuǎn)換集成芯片的精度為1/42LSB。3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間完成一次完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，稱

29、為轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，稱為A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間。目前，常用的的轉(zhuǎn)換時(shí)間。目前，常用的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換集成芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為幾個(gè)換時(shí)間約為幾個(gè)s200s。在選用。在選用A/D轉(zhuǎn)換集成芯轉(zhuǎn)換集成芯片時(shí)，應(yīng)綜合考慮分辨率、精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、使用片時(shí)，應(yīng)綜合考慮分辨率、精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、使用環(huán)境溫度以及經(jīng)濟(jì)性等諸因素。環(huán)境溫度以及經(jīng)濟(jì)性等諸因素。12位位A/D轉(zhuǎn)換器適轉(zhuǎn)換器適用于高分辨率系統(tǒng)；陶瓷封裝用于高分辨率系統(tǒng)；陶瓷封裝A/D轉(zhuǎn)換芯片適用于轉(zhuǎn)換芯片適用于-25+85或或-55+125，塑料封裝芯片適且于，塑料封裝芯片適且于070。4. 溫度系數(shù)和增益系數(shù)溫度系數(shù)和增益系數(shù)這兩項(xiàng)指

30、標(biāo)都是表示這兩項(xiàng)指標(biāo)都是表示A/D轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度。一般用每攝氏度溫度變化所產(chǎn)生的相對(duì)誤差作度。一般用每攝氏度溫度變化所產(chǎn)生的相對(duì)誤差作為指標(biāo)，以為指標(biāo)，以ppm/為單位表示。為單位表示。5. 對(duì)電源電壓變化的抑制比對(duì)電源電壓變化的抑制比A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電源電壓變化的抑制比轉(zhuǎn)換器對(duì)電源電壓變化的抑制比(PSRR)用改變用改變電源電壓使數(shù)據(jù)發(fā)生電源電壓使數(shù)據(jù)發(fā)生1LSB變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的電源變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的電源電壓變化范圍來表示。電壓變化范圍來表示。10.5 A/D轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理ADC是把模擬量是把模擬量(通常是模擬電壓通常是模擬電壓)信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)轉(zhuǎn)換為

31、n位二進(jìn)制數(shù)字量信號(hào)的電路。這種轉(zhuǎn)換通常分位二進(jìn)制數(shù)字量信號(hào)的電路。這種轉(zhuǎn)換通常分4步進(jìn)行：步進(jìn)行：采樣采樣保持保持量化量化編碼編碼前兩步在采樣保持電路中完成，后兩步在前兩步在采樣保持電路中完成，后兩步在A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。10.5.1 采樣采樣所謂采樣，是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)所謂采樣，是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上斷續(xù)變化的換為時(shí)間上斷續(xù)變化的(離散的離散的)模擬量?；蛘吣M量?；蛘哒f，采樣是把一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)說，采樣是把一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一個(gè)串脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬換為一個(gè)串脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量，

32、時(shí)間上通常采用等時(shí)間間隔采樣。采樣過量，時(shí)間上通常采用等時(shí)間間隔采樣。采樣過程的示意圖如圖程的示意圖如圖10.9所示。所示。圖圖10.9采樣器相當(dāng)于一個(gè)受控的理想開關(guān)，采樣器相當(dāng)于一個(gè)受控的理想開關(guān)，s(t)=1時(shí)，開關(guān)時(shí)，開關(guān)閉合，閉合，fs(t)=f(t)；s(t)=0時(shí)開關(guān)斷開，時(shí)開關(guān)斷開，fs(t)=0。如用。如用數(shù)字邏輯式表示，即為：數(shù)字邏輯式表示，即為：fs(t)=f(t)s(t)，s(t)=1或或0，也可用波形圖表示，如圖也可用波形圖表示，如圖10.10(a)，(b)，(c)所示。所示。從波形圖可見，在從波形圖可見，在s(t)=1期間，輸出跟蹤輸入變化，期間，輸出跟蹤輸入變化，相

33、當(dāng)于輸出把輸入的相當(dāng)于輸出把輸入的“樣品樣品”采下來了。所以也可采下來了。所以也可把采樣電路叫做跟蹤電路。把采樣電路叫做跟蹤電路。圖圖10.1010.5.2 保持保持所謂保持，就是將采樣得到的模擬量值保持下來，所謂保持，就是將采樣得到的模擬量值保持下來，即是說，即是說，s(t)=0期間，使輸出不是等于期間，使輸出不是等于0，而是等，而是等于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值，如圖于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值，如圖10.10(d)所示。可見，保持發(fā)生在所示?？梢?，保持發(fā)生在s(t)=0期間。最期間。最基本的采樣基本的采樣保持電路如圖保持電路如圖10.11所示。它由所示。它由MOS管采樣開

34、關(guān)管采樣開關(guān)T、保持電容、保持電容Cb和運(yùn)放做成的跟隨器三和運(yùn)放做成的跟隨器三部分組成。部分組成。s(t)=1時(shí)，時(shí)，T導(dǎo)通，導(dǎo)通，vi向向Cb充電，充電，vC和和v0跟蹤跟蹤vi變化，即對(duì)變化，即對(duì)vi采樣。采樣。 s(t)=0時(shí)，時(shí)，T截止，截止，v0將將保持前一瞬間采樣的數(shù)值不變。只要保持前一瞬間采樣的數(shù)值不變。只要Cb的漏電電的漏電電阻、跟隨器的輸入電阻和阻、跟隨器的輸入電阻和MOS管管T的截止電阻都的截止電阻都足夠大，大到可忽略足夠大，大到可忽略Cb的放電電流的程度，的放電電流的程度，v0就就能保持到下次采樣脈沖到來之前而基本不變。實(shí)能保持到下次采樣脈沖到來之前而基本不變。實(shí)際中進(jìn)行

35、際中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，就是這種保轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，就是這種保持下來的采樣電壓，也就是每次采樣結(jié)束時(shí)的輸持下來的采樣電壓，也就是每次采樣結(jié)束時(shí)的輸入電壓。入電壓。圖圖10.11所謂量化，就是用基本的量化電平所謂量化，就是用基本的量化電平q的個(gè)數(shù)來表示采的個(gè)數(shù)來表示采樣樣保持電路得到的模擬電壓值。這一過程實(shí)質(zhì)上保持電路得到的模擬電壓值。這一過程實(shí)質(zhì)上是把時(shí)間上離散而數(shù)字上連續(xù)的模擬量以一定的準(zhǔn)是把時(shí)間上離散而數(shù)字上連續(xù)的模擬量以一定的準(zhǔn)確度變?yōu)闀r(shí)間上、數(shù)字上都離散的、量級(jí)化的等效確度變?yōu)闀r(shí)間上、數(shù)字上都離散的、量級(jí)化的等效數(shù)字值。量級(jí)化的方法通常有兩種：只舍不入法和數(shù)字值。量級(jí)化

36、的方法通常有兩種：只舍不入法和有舍有入法有舍有入法(四舍五入法四舍五入法)。這兩種量化法的示意圖。這兩種量化法的示意圖如圖如圖10.12(a)和圖和圖10.12(b)所示。圖所示。圖10.12(c)給出了給出了一個(gè)用只舍不入法量化的實(shí)例。從圖中可看出，量一個(gè)用只舍不入法量化的實(shí)例。從圖中可看出，量化過程也就是把采樣保持下來的模擬值舍入成整數(shù)化過程也就是把采樣保持下來的模擬值舍入成整數(shù)的過程。的過程。顯然，對(duì)于連續(xù)變化的模擬量，只有當(dāng)數(shù)值正好等顯然，對(duì)于連續(xù)變化的模擬量，只有當(dāng)數(shù)值正好等于量化電平的整數(shù)倍時(shí)，量化后才是準(zhǔn)確值，如圖于量化電平的整數(shù)倍時(shí)，量化后才是準(zhǔn)確值，如圖10.5.3 量化和編

37、碼量化和編碼 10.12(c)中中T1，T2，T4，T6，T8，T11，T12時(shí)刻所示。不時(shí)刻所示。不然，量化的結(jié)果都只能是輸入模擬量的近似值。這種由然，量化的結(jié)果都只能是輸入模擬量的近似值。這種由于量化而產(chǎn)生的誤差，稱之為量化誤差，它直接影響了于量化而產(chǎn)生的誤差，稱之為量化誤差，它直接影響了轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。量化誤差是由于量化電平的有限性轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。量化誤差是由于量化電平的有限性造成的，所以它是原理性誤差，只能減小，而無法消除。造成的，所以它是原理性誤差，只能減小，而無法消除。為減小量化誤差，根本的辦法是取小的量化電平。另外，為減小量化誤差，根本的辦法是取小的量化電平。另外，在量化電平

38、一定的情況下，一般采用四舍五入法帶來的在量化電平一定的情況下，一般采用四舍五入法帶來的量化誤差只是只舍不入法引起的量化誤差的一半。量化誤差只是只舍不入法引起的量化誤差的一半。編碼就是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值編碼就是把已經(jīng)量化的模擬數(shù)值(它一定是量化電平的整數(shù)它一定是量化電平的整數(shù)倍倍)用二進(jìn)制數(shù)碼、用二進(jìn)制數(shù)碼、BCD碼或其他碼來表示，比如用二進(jìn)碼或其他碼來表示，比如用二進(jìn)制來對(duì)圖制來對(duì)圖10.12(c)的量化結(jié)果進(jìn)行編碼，則可得到圖中所的量化結(jié)果進(jìn)行編碼，則可得到圖中所示的編碼輸出。示的編碼輸出。至此，即完成了至此，即完成了A/D轉(zhuǎn)換的全過程，將各采樣點(diǎn)的模擬電壓轉(zhuǎn)換的全過程，將各采樣點(diǎn)的模擬電

39、壓轉(zhuǎn)換成了與之一一對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼。轉(zhuǎn)換成了與之一一對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼。圖圖10.12實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法很多，常用的有逐次逼近法、雙轉(zhuǎn)換的方法很多，常用的有逐次逼近法、雙積分法及電壓頻率轉(zhuǎn)換法等。積分法及電壓頻率轉(zhuǎn)換法等。1. 逐次逼近法逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器逐次逼近法逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換是一個(gè)具有反饋回路的閉路系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換是一個(gè)具有反饋回路的閉路系統(tǒng)。A/D轉(zhuǎn)換器可劃分成轉(zhuǎn)換器可劃分成3大部分：比較環(huán)節(jié)、控制環(huán)大部分：比較環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)、比較標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、比較標(biāo)準(zhǔn)(D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器)。圖圖10.13就是逐次逼近法就是逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路。其轉(zhuǎn)換器的原理電路。其主要原理為：將一

40、個(gè)待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)主要原理為：將一個(gè)待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)VIN與與一個(gè)一個(gè)“推測推測”信號(hào)信號(hào)V1相比較，根據(jù)推測信號(hào)是大于相比較，根據(jù)推測信號(hào)是大于還是小于輸入信號(hào)來決定減小還是增大該推測信號(hào)，還是小于輸入信號(hào)來決定減小還是增大該推測信號(hào)，以便向模擬輸入信號(hào)逼近。推測信號(hào)由以便向模擬輸入信號(hào)逼近。推測信號(hào)由D/A變換器變換器的輸出獲得，當(dāng)推測信號(hào)與模擬輸入信號(hào)的輸出獲得，當(dāng)推測信號(hào)與模擬輸入信號(hào)“相等相等”時(shí)，向時(shí)，向D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字即為對(duì)應(yīng)的模擬輸入轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字即為對(duì)應(yīng)的模擬輸入的數(shù)字。的數(shù)字。圖圖10.13其其“推測推測”的算法是這樣的，它使二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中的二的算法是這樣的

41、，它使二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中的二進(jìn)制數(shù)的每一位從最高位起依次置進(jìn)制數(shù)的每一位從最高位起依次置1。每接一位時(shí)，都。每接一位時(shí)，都要進(jìn)行測試。若模擬輸入信號(hào)要進(jìn)行測試。若模擬輸入信號(hào)VIN小于推測信號(hào)小于推測信號(hào)V1，則，則比較器的輸出為零，并使該位置零；否則比較器的輸比較器的輸出為零，并使該位置零；否則比較器的輸出為出為1，并使該位保持，并使該位保持1。無論哪種情況，均應(yīng)繼續(xù)比。無論哪種情況，均應(yīng)繼續(xù)比較下一位，直到最末位為止。此時(shí)在較下一位，直到最末位為止。此時(shí)在D/A變換器的數(shù)字變換器的數(shù)字輸入即為對(duì)應(yīng)于模擬輸入信號(hào)的數(shù)字量，將此數(shù)字輸輸入即為對(duì)應(yīng)于模擬輸入信號(hào)的數(shù)字量，將此數(shù)字輸出，即完成其出，即

42、完成其A/D轉(zhuǎn)換過程。轉(zhuǎn)換過程。2. 雙積分法雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器雙積分法雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如圖制邏輯等部件組成。如圖10.14(a)所示。雙積分法所示。雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器是將未知電壓轉(zhuǎn)換器是將未知電壓VX轉(zhuǎn)換成時(shí)間值來間接測量的，轉(zhuǎn)換成時(shí)間值來間接測量的，所以雙積分法所以雙積分法A/D轉(zhuǎn)換器也叫做轉(zhuǎn)換器也叫做T-V型型A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。圖圖10.14在進(jìn)行一次在進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，開關(guān)先把轉(zhuǎn)換時(shí)，開關(guān)先把VX采樣輸入到積采樣輸入到積分器，積分器從零開始進(jìn)行固定時(shí)間分器，積分器從零開始進(jìn)行固定時(shí)

43、間T的正向積分，的正向積分，時(shí)間時(shí)間T到后，開關(guān)將與到后，開關(guān)將與VX極性相反的基準(zhǔn)電壓極性相反的基準(zhǔn)電壓VREF輸入到積分器進(jìn)行反相積分，到輸出為零伏時(shí)停止輸入到積分器進(jìn)行反相積分，到輸出為零伏時(shí)停止反相積分。反相積分。圖圖10.14(b)所示的積分器輸出波形可以看出：反相積所示的積分器輸出波形可以看出：反相積分時(shí)積分器的斜率是固定的，分時(shí)積分器的斜率是固定的，VX越大、積分器的越大、積分器的輸出電壓越大、反相積分時(shí)間越長。計(jì)數(shù)器在反相輸出電壓越大、反相積分時(shí)間越長。計(jì)數(shù)器在反相積分時(shí)間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值就是與輸入電壓積分時(shí)間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值就是與輸入電壓VX在時(shí)間在時(shí)間T內(nèi)的平均值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。內(nèi)的

44、平均值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。由于這種由于這種A/D要經(jīng)歷正、反兩次積分，故轉(zhuǎn)換速度較要經(jīng)歷正、反兩次積分，故轉(zhuǎn)換速度較慢。慢。3. 電壓頻率轉(zhuǎn)換法電壓頻率轉(zhuǎn)換法A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(1) VFC模模/數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理：數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理： VFC(電壓頻率轉(zhuǎn)換電壓頻率轉(zhuǎn)換器器)構(gòu)成模構(gòu)成模/數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，由計(jì)數(shù)器、控制門及一個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，由計(jì)數(shù)器、控制門及一個(gè)具有恒定時(shí)間的時(shí)鐘門控制信號(hào)組成。圖具有恒定時(shí)間的時(shí)鐘門控制信號(hào)組成。圖10.15示示出出VFC型型A/D轉(zhuǎn)換裝置的流程圖和波形。當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換裝置的流程圖和波形。當(dāng)電壓Vi加至加至VFC的輸入端后，便產(chǎn)生頻率的輸入端后，便產(chǎn)生頻率f與與Vi成正比的成正比

45、的脈沖。該脈沖通過由時(shí)鐘控制的門，在單位時(shí)間脈沖。該脈沖通過由時(shí)鐘控制的門，在單位時(shí)間T內(nèi)由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器在每次計(jì)數(shù)開始時(shí)，原來內(nèi)由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器在每次計(jì)數(shù)開始時(shí)，原來的計(jì)數(shù)值被清零。這樣，每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值被清零。這樣，每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就正比于輸入電壓的計(jì)數(shù)值就正比于輸入電壓Vi，從而完成，從而完成A/D變換。變換。圖圖10.15當(dāng)當(dāng)VFC的滿度頻率已知時(shí)，的滿度頻率已知時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換周期為：轉(zhuǎn)換周期為：T=N/F(10-3)式中式中NA/D轉(zhuǎn)換器最大輸出計(jì)數(shù)值；轉(zhuǎn)換器最大輸出計(jì)數(shù)值；FVFC的滿度頻率。的滿度頻率。VFC與微型機(jī)結(jié)合起來，可方便的構(gòu)成多位高

46、精度與微型機(jī)結(jié)合起來，可方便的構(gòu)成多位高精度的的A/D轉(zhuǎn)換器，且具有如下特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換器，且具有如下特點(diǎn)： VFC價(jià)格不高。用它構(gòu)成的價(jià)格不高。用它構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換器，在零點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，在零點(diǎn)漂移及非線性誤差等方面，性能均優(yōu)于逐次逼近式漂移及非線性誤差等方面，性能均優(yōu)于逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 VFC輸出頻率為輸出頻率為f的脈沖信號(hào)，只需要兩根傳輸線的脈沖信號(hào)，只需要兩根傳輸線就可進(jìn)行傳送。用這種方式對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的信號(hào)進(jìn)行就可進(jìn)行傳送。用這種方式對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的信號(hào)進(jìn)行采樣和遠(yuǎn)距離傳輸都很方便，且傳輸過程中的抗干采樣和遠(yuǎn)距離傳輸都很方便，且傳輸過程中的抗干擾能力強(qiáng)。擾能力強(qiáng)。 VFC的輸入量為模似信

47、號(hào)的輸入量為模似信號(hào)Vi輸出的是脈沖信號(hào)，只需輸出的是脈沖信號(hào)，只需采用光耦合器傳輸脈沖信號(hào)，便可實(shí)現(xiàn)模似輸入信號(hào)采用光耦合器傳輸脈沖信號(hào)，便可實(shí)現(xiàn)模似輸入信號(hào)Vi和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的隔離。和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的隔離。 由于由于VFC的工作過程具有積分特性，因此在構(gòu)成的工作過程具有積分特性，因此在構(gòu)成A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，對(duì)噪聲具有良好的濾波作用。所以，采用轉(zhuǎn)換器時(shí)，對(duì)噪聲具有良好的濾波作用。所以，采用VFC進(jìn)行進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，其輸入信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)可簡化。轉(zhuǎn)換時(shí)，其輸入信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)可簡化。采用采用VFC構(gòu)成構(gòu)成A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢。為了轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用如

48、下措施：克服這一缺點(diǎn)，可采用如下措施：(a) 采用高頻采用高頻VFC。若采用若采用5MHz的的VFC構(gòu)成構(gòu)成10位位A/D轉(zhuǎn)換器，則最大轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器，則最大轉(zhuǎn)換 時(shí)間只需時(shí)間只需200s，這就進(jìn)入了中速，這就進(jìn)入了中速A/D轉(zhuǎn)換的行列。轉(zhuǎn)換的行列。(b) 在多微機(jī)系統(tǒng)中，利用單片機(jī)與在多微機(jī)系統(tǒng)中，利用單片機(jī)與VFC構(gòu)成構(gòu)成A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。由于系統(tǒng)是多機(jī)同時(shí)工作，即在同一時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)可由于系統(tǒng)是多機(jī)同時(shí)工作，即在同一時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多功能的控制運(yùn)算，這就解決了實(shí)時(shí)控制中在速實(shí)現(xiàn)多功能的控制運(yùn)算，這就解決了實(shí)時(shí)控制中在速度上的矛盾。度上的矛盾。(2) 電壓頻率變換器電壓頻率變換器(VFC)

49、的傳輸特性：的傳輸特性： VFC是輸出是輸出信號(hào)頻率正比于輸入電壓數(shù)值的線性變換器，其傳信號(hào)頻率正比于輸入電壓數(shù)值的線性變換器，其傳輸特性輸特性(如圖如圖10.16所示）可由下式表示：所示）可由下式表示： f=KVi(10-4)式中式中 f變換器輸出信號(hào)頻率；變換器輸出信號(hào)頻率；Vi變換器輸入電壓；變換器輸入電壓；K變換器的增益。變換器的增益。VFC具有如下主要指標(biāo)：具有如下主要指標(biāo)：圖圖10.16 頻率范圍：是指在額定輸入電壓范圍內(nèi)的輸出脈沖頻頻率范圍：是指在額定輸入電壓范圍內(nèi)的輸出脈沖頻率范圍，通常分率范圍，通常分010kHz，0100kHz，01MHz三三種。近年來，國外已生產(chǎn)出輸出頻率

50、為種。近年來，國外已生產(chǎn)出輸出頻率為05MHz的的VFC模塊模塊(如美國如美國TP公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的4707)。 模擬輸入電壓范圍：變換器額定輸入電壓的范圍，一模擬輸入電壓范圍：變換器額定輸入電壓的范圍，一般為般為010V，該輸入值通常還允許超出量程，該輸入值通常還允許超出量程10%100%。 輸入阻抗：輸入端對(duì)地的等效電阻，該值一般在輸入阻抗：輸入端對(duì)地的等效電阻，該值一般在10100k之間。之間。 非線性誤差：一般用相對(duì)滿量程的百分?jǐn)?shù)表示，通常非線性誤差：一般用相對(duì)滿量程的百分?jǐn)?shù)表示，通常在在0.0.001%之間。之間。 滿程穩(wěn)定性：包括滿程溫度系數(shù)、時(shí)間漂移、電源電滿程穩(wěn)定性：包括滿程

51、溫度系數(shù)、時(shí)間漂移、電源電壓靈敏度部分。其中溫度系數(shù)是主要的，一般幾壓靈敏度部分。其中溫度系數(shù)是主要的，一般幾十幾百十幾百ppm(即百萬分之幾即百萬分之幾)/的數(shù)量級(jí)。的數(shù)量級(jí)。 工作電壓：一般是工作電壓：一般是15V，其可變化范圍為，其可變化范圍為12V。 電源電流：該指標(biāo)實(shí)際上表示了器件的功耗。正電源電流：該指標(biāo)實(shí)際上表示了器件的功耗。正負(fù)電源電流一般為幾負(fù)電源電流一般為幾mA到到2030mA。 工作溫度：通常要求工作溫度：通常要求VFC模塊在模塊在0+70范圍范圍內(nèi)能正常工作。內(nèi)能正常工作。10.6 ADC 0809 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 10.6.1 ADC 0809的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)ADC

52、0809是是National半導(dǎo)體公司生產(chǎn)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)CMOS材料的材料的A/D轉(zhuǎn)換器。它是具有轉(zhuǎn)換器。它是具有8個(gè)通道的模擬量輸入線，個(gè)通道的模擬量輸入線，可在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行可在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換，得到8位二進(jìn)制數(shù)字量。其引腳如圖位二進(jìn)制數(shù)字量。其引腳如圖10.17所示。其主要所示。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：技術(shù)指標(biāo)如下：電源電壓電源電壓6.5V分辨率分辨率8位位時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率640kHz轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間100s未經(jīng)調(diào)整誤差未經(jīng)調(diào)整誤差1/2LSB和和1LSB模擬量輸入電壓范圍模擬量輸入電壓范圍05V功耗功耗15mW圖圖10.17圖圖10.18為為ADC 0

53、809內(nèi)部原理框圖，片內(nèi)有內(nèi)部原理框圖，片內(nèi)有8路模擬路模擬開關(guān)、模擬開關(guān)的地址鎖存與譯碼電路、比較器、開關(guān)、模擬開關(guān)的地址鎖存與譯碼電路、比較器、256R電阻電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器器SAR、三態(tài)輸出鎖存緩沖存儲(chǔ)器、控制與時(shí)序電、三態(tài)輸出鎖存緩沖存儲(chǔ)器、控制與時(shí)序電路等。路等。ADC 0809通過引腳通過引腳IN0，IN1，IN7可輸入可輸入8路單路單邊模擬輸入電壓。邊模擬輸入電壓。ALE將將3位地址線位地址線ADDA，ADDB，ADDC進(jìn)行鎖存，然后由譯碼器選通進(jìn)行鎖存，然后由譯碼器選通8路路中的一路進(jìn)行中的一路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。對(duì)于

54、片內(nèi)的對(duì)于片內(nèi)的256R電阻電阻T型網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)樹，為了簡型網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)樹，為了簡化問題，以化問題，以2位位A/D變換器為例加以說明。此時(shí)只變換器為例加以說明。此時(shí)只需需224R的電阻網(wǎng)絡(luò)。圖的電阻網(wǎng)絡(luò)。圖10.19示出了示出了4R電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的開關(guān)樹。及相應(yīng)的開關(guān)樹。圖中圖中VST輸出的大小，除了與輸出的大小，除了與VREF輸入電壓的大小有輸入電壓的大小有關(guān)外，還與開關(guān)樹內(nèi)各個(gè)開關(guān)的合、斷狀態(tài)有關(guān)。關(guān)外，還與開關(guān)樹內(nèi)各個(gè)開關(guān)的合、斷狀態(tài)有關(guān)。開關(guān)的合斷又取決于一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字開關(guān)的合斷又取決于一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字D1D0。D1控制控制右邊兩個(gè)開關(guān)右邊兩個(gè)開關(guān)S10和和S11：當(dāng)：當(dāng)D1

55、=1時(shí)，上面的開關(guān)時(shí)，上面的開關(guān)S10閉合而下面的開關(guān)閉合而下面的開關(guān)S11斷開；當(dāng)斷開；當(dāng)D1=0時(shí)，則反之。時(shí)，則反之。D0控制左邊控制左邊4個(gè)開關(guān)個(gè)開關(guān)S00S03；當(dāng)；當(dāng)D0=1時(shí)，時(shí)，S00和和S02閉合而閉合而S01和和S03斷開；當(dāng)斷開；當(dāng)D0=0時(shí)，則反之。由此可時(shí)，則反之。由此可見，這部分電路相當(dāng)于一個(gè)見，這部分電路相當(dāng)于一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。圖圖10.18圖圖10.19可見，可見，VST電壓的大小取決于輸入的數(shù)字量電壓的大小取決于輸入的數(shù)字量D1D0。8位的情況與此類似。位的情況與此類似。SAR(逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器)和比較器的工作原理如下：在和比較器的工作原理

56、如下：在變換前，變換前，SAR為全零。變換開始，先使最高位為為全零。變換開始，先使最高位為1，其余位仍為其余位仍為0，此，此“數(shù)字?jǐn)?shù)字”控制開關(guān)樹中開關(guān)的合、控制開關(guān)樹中開關(guān)的合、斷，開關(guān)樹的輸出斷，開關(guān)樹的輸出VST和模擬量輸入和模擬量輸入VIN一起輸入比一起輸入比較器進(jìn)行比較。如果較器進(jìn)行比較。如果VSTVIN，則比較器輸出為，則比較器輸出為0，SAR的最高位置的最高位置0；如果；如果VSTVIN，則比較器輸出，則比較器輸出為為1，SAR的最高位保持的最高位保持1。此后的。此后的SAR的下一個(gè)最的下一個(gè)最高位置高位置1，其余較低位仍為，其余較低位仍為0，而上一次比較過的最，而上一次比較過的

57、最高位保持原來值。再將高位保持原來值。再將VST和和VIN比較，重復(fù)上述過比較，重復(fù)上述過程，直至最低位比較完為止。程，直至最低位比較完為止。比較完畢后，比較完畢后，SAR的數(shù)字送入三態(tài)輸出鎖存器。三的數(shù)字送入三態(tài)輸出鎖存器。三態(tài)輸出鎖存器輸出的態(tài)輸出鎖存器輸出的2-8，2-7，2-1中中2-1對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于數(shù)字量最高位的數(shù)字量最高位的D7，2-8對(duì)應(yīng)于最低位對(duì)應(yīng)于最低位D0。OE端為端為輸出允許信號(hào)，當(dāng)輸出允許信號(hào)，當(dāng)OE端出現(xiàn)高電平時(shí)，將三態(tài)輸端出現(xiàn)高電平時(shí)，將三態(tài)輸出鎖存器中的數(shù)字量放在數(shù)據(jù)總線上，以供出鎖存器中的數(shù)字量放在數(shù)據(jù)總線上，以供CPU讀讀入。入。START和和EOC分別為啟動(dòng)信

58、號(hào)和變換結(jié)束信號(hào)，分別為啟動(dòng)信號(hào)和變換結(jié)束信號(hào)，EOC用來申請(qǐng)中斷。用來申請(qǐng)中斷。10.6.2 ADC 0809與系統(tǒng)總線的連接與系統(tǒng)總線的連接由于由于ADC 0809芯片輸出端具有可控的芯片輸出端具有可控的3態(tài)輸出門，態(tài)輸出門，因此與系統(tǒng)總線連接非常簡單，即直接和系統(tǒng)因此與系統(tǒng)總線連接非常簡單，即直接和系統(tǒng)總線相連，由讀信號(hào)控制總線相連，由讀信號(hào)控制3態(tài)門，在轉(zhuǎn)換結(jié)束態(tài)門，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，后，CPU通過執(zhí)行一條輸入指令，而產(chǎn)生讀信通過執(zhí)行一條輸入指令，而產(chǎn)生讀信號(hào)，將數(shù)據(jù)從號(hào)，將數(shù)據(jù)從A/D轉(zhuǎn)換器取出。轉(zhuǎn)換器取出。ADC 0809與系統(tǒng)總線連接如圖與系統(tǒng)總線連接如圖10.20所示。所示。圖圖1

59、0.20在圖中用微機(jī)系統(tǒng)的地址線通過譯碼器輸出端作為在圖中用微機(jī)系統(tǒng)的地址線通過譯碼器輸出端作為ADC 0809的片選信號(hào)。以的片選信號(hào)。以M/IO，WR和地址譯碼輸出信號(hào)和地址譯碼輸出信號(hào)的組合作為啟動(dòng)信號(hào)的組合作為啟動(dòng)信號(hào)START和地址鎖存信號(hào)和地址鎖存信號(hào)ALE。以。以M/IO，RD和地址信號(hào)的組合信號(hào)作為輸出允許信號(hào)和地址信號(hào)的組合信號(hào)作為輸出允許信號(hào)OUTPUTENABLE。通道地址線。通道地址線ADDA，ADDB，ADDC分別接到數(shù)據(jù)總線的低分別接到數(shù)據(jù)總線的低3位上。當(dāng)計(jì)算機(jī)向位上。當(dāng)計(jì)算機(jī)向ADC 0809芯片執(zhí)行一條輸出指令時(shí)，芯片執(zhí)行一條輸出指令時(shí)，M/IO WR 和地址

60、信號(hào)和地址信號(hào)同時(shí)有效，地址鎖存信號(hào)同時(shí)有效，地址鎖存信號(hào)ALE將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的模擬通道地址鎖入模擬通道地址鎖入ADC 0809的地址鎖存器中，的地址鎖存器中，START信號(hào)啟動(dòng)芯片開始信號(hào)啟動(dòng)芯片開始A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)計(jì)算機(jī)按上述芯片地址轉(zhuǎn)換。當(dāng)計(jì)算機(jī)按上述芯片地址執(zhí)行一條輸入指令時(shí)，執(zhí)行一條輸入指令時(shí)，M/IO，RD和地址信號(hào)同時(shí)有效，和地址信號(hào)同時(shí)有效，這時(shí)輸出允許這時(shí)輸出允許OUTPUT ENABLE有效，有效，ADC 0809的的輸出三態(tài)門被打開，已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)就出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總輸出三態(tài)門被打開，已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)就出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上。線上。ADC 0809的時(shí)鐘頻率為的時(shí)