第六章4AD及DA變換器接口

1、第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 6.9 A/D及及D/A變換器接口變換器接口 6.9.1 數(shù)字到模擬(D/A)變換器 1. D/A變換器的基本原理及技術(shù)指標 典型的D/A變換器芯片通常由模擬開關(guān)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、緩沖電路等組成,其框圖如圖所示。 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.58 典型D/A變換器芯片的組成框圖第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 D/A變換器的主要技術(shù)指標有: (1) 分辨率 分辨率表示D/A變換器的1個LSB(最低有效位)輸入使輸出變化的程度。 (2) 精度 它表示由于D/A變換器的引入,使其輸出和

2、輸入之間產(chǎn)生的誤差。 D/A變換器的誤差主要由下面幾部分組成: 非線性誤差: 在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想的轉(zhuǎn)換特性的最大值。 溫度系數(shù)誤差 ：在使用溫度范圍內(nèi)，由于溫度每變化1，D/A內(nèi)部各種參數(shù)（如增益、線性度、零漂等）變化所引起的輸出變化量。第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 電源波動誤差：由于標準電源及D/A芯片的供電電源波動而在其輸出端所產(chǎn)生的變化量。 誤差的表示方法有兩種:絕對誤差和相對誤差。 完整的D/A變換電路還應(yīng)包括與D/A芯片輸出相接的運算放大器。這些器件也會給D/A變換器帶來誤差?？紤]到這些因素是相對獨立的,因此D/A變換器的總精度如用均方誤差來表示,則

3、可寫為: 2總=2非線性+2電源波動+2溫度漂移+2運放 標準差為 總 = 2非線性+2電源波動+2溫度漂移+2運放(61) (62) 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 若某系統(tǒng)要求D/A變換電路的總誤差必須小于0.1%。已知某D/A芯片的最大非線性誤差為0.05%。那么根據(jù)式(61)可以確定,電源波動、溫度漂移和運算放大器所引起的均方誤差為 2電源波動+2溫度漂移+2運放= 又假設(shè),后三者是相等的,則經(jīng)計算可得 電源波動=溫度漂移=運放= 0.05%10.250.75100000010000001000000第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 (

4、3) 變換時間 當數(shù)據(jù)變化為滿刻度時，從數(shù)碼輸入到輸出達到終值的1/2LSB時所需要的時間為變換時間。 (4) 動態(tài)范圍 動態(tài)范圍是D/A變換電路的最大和最小的電壓輸出范圍。 2. 典型的D/A變換器芯片舉例 (1)引線及其功能 D/A變換器DAC0832的引線及內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示。第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.59 DAC0832的引線圖第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.59 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 AC0832為20條引線的芯片,各引線定義如下: D0D78條輸入數(shù)據(jù)

5、線; ILE輸入寄存器選通命令,它與 、 配合使輸入寄存器的輸出隨輸入變化; 選片信號; 寫輸入寄存器信號; 寫變換寄存器信號; 允許輸入寄存器數(shù)據(jù)傳送到變換寄存器;1CSWRCS1WR2WRXFER第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 VREF參考電壓輸入端,其電源電壓可在-10V+10V范圍中選取; IOUT1、IOUT2D/A變換器差動電流輸出; Rfb反饋端,接運算放大器輸出; AGND模擬信號地; DGND數(shù)字信號地; VCC電源電壓,可用+5V(或+15V)第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 (2)工作時序 D/A芯片DAC0832的工作時

6、序如圖所示。 從DAC0832芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖可以看出,D/A變換是分兩個步驟進行的。第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 DAC0832的工作時序第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 (3) DAC0832的幾種典型輸出連接方式 單極輸出電路。單極性輸出電路如圖6.58所示。D/A芯片輸出電流i經(jīng)輸出電路轉(zhuǎn)換成單極性的電壓輸出。圖6.58(a)為反相輸出電路,其輸出電壓為:OUTUiR (63) 圖6.58(b)是同相輸出電路,其電壓輸出為:21(1)OUTRUiRR (64) 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.58 單

7、極性輸出電路(a)反相輸出; (b)同相輸出 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 雙極性輸出電路。 由電路參數(shù)計算可得到最后的輸出電壓表達式為 設(shè)U1為0-5V,則選取UREF為+5V。那么 UOUT=010V-5V=-5V5V (66) 12OUTREFUUU (65)第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.59 雙極性輸出電路第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 DAC0832與8088微處理器的連接。 圖6.60中的雙極性輸出端為UOUT。當D/A變換器輸入端的數(shù)據(jù)從00HFFH變化時,UOUT輸出將在-5+5V之間變化。

8、如果想要單極性0+5V輸出,那么只要使UREF=-5V,然后直接從運算放大器A1的輸出端輸出即可。在圖中的輸出端接一個6806800pF的電容是為了平滑D/A變換器的輸出,同時也可以提高抗脈沖干擾的能力。第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.60 DAC0832與PC/XT總線的連接圖第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 設(shè)D/A的端口地址為278H,則用8088匯編語言書寫的、能產(chǎn)生鋸齒波的程序如下: ;用D/A產(chǎn)生鋸齒波的程序DAOUT: MOV DX,278H ;端口地址送DX MOV AL,00H ;準備起始輸出數(shù)據(jù)LOOP: OUT DX

9、,AL DEC AL JMPLOOP ;循環(huán)形成周期鋸齒波 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 在圖6.60的基礎(chǔ)上,請閱讀下面的程序,判斷UOUT的波形。START: MOV DX,0278HNEXT1:INC AL OUT DX,AL CMP AL,0FFH JNE NEXT1NEXT2:DEC AL OUT DX,AL CMP AL,00H JNE NEXT2 JMP NEXT1第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 6.9.2 模擬到數(shù)字(A/D)變換器 1.A/D變換器的基本工作原理及結(jié)構(gòu) (1) A/D變換器的基本工作原理 逐次反饋型A/D變

10、換器的基本工作原理及變換過程和用天平稱某一物體重量的過程十分相似。 例如,某一個12位的A/D變換器,其最大輸入的模擬電壓為5V。那么,該A/D變換器輸出的對應(yīng)值就為FFFH。其最低有效位1位所代表的模擬電壓值稱為量化間隔(或稱當量)。的定義為第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 最大輸入電壓A/D變換器的量化電平數(shù)目 (67) 51.224095VV (68) 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 現(xiàn)設(shè)輸入模擬電壓為4.5V,其具體變換過程如下: 位序號 比較表達式 二進制值 b11 4.5V-20481.22mV=2V 0 1 b10 2V-1024

11、1.22mV=0.75V 0 1 b9 0.75V-5121.22mV=0.125V 0 1 b8 0.125V-2561.22mV 0 0 b7 0.125V-1281.22mV 0 0 b6 0.125V-641.22mV=0.046V 0 1 b5 0.046V-321.22mV=0.0069V 0 1 b4 0.0069V-161.22mV 0 0 b3 0.0069V-81.22mV 0 0 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 b2 0.0069V-41.22mV=0.0021V 0 1 b1 0.0021V-21.22mV 0 0 b0 0.0021V-11.

12、22mV 0 1 (2)A/D變換器的結(jié)構(gòu)框圖 一種逐次反饋型A/D變換器的結(jié)構(gòu)框圖如圖6.61所示。從圖中可以看到,它由5大部分組成:接口控制邏輯、逐次變換寄存器、D/A變換器、比較器及三態(tài)驅(qū)動器。在有的A/D變換器芯片中,還包含有參考電源等其他附屬電路。 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.61 逐次反饋A/D變換器結(jié)構(gòu)框圖第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 2. A/D變換器的主要技術(shù)指標 (1)精度 A/D變換器的總精度由各種因素引起的誤差所決定。這些誤差有: 量化誤差。A/D變換器的量化誤差決定于A/D變換器的轉(zhuǎn)換特性。一般的A/D變

13、換器的轉(zhuǎn)換特性如圖6.62所示。 量化誤差用絕對誤差可表示為 量化誤差= 1/2 量化間隔 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 用相對誤差可表示為 量化誤差= 也有人用 1/2 LSB來表示量化誤差。 非線性誤差。 電源波動誤差。 例如,手冊中給出AD574的電源靈敏度為: +13.5VVCC+16.5V 2LSB -16.5VVDD-13.5V ( 1/2) LSB +4.5VVLOGIC+13.5V 2LSB 0.5 量化電平數(shù)目 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 溫度漂移誤差。 零點漂

14、移誤差。 參考電源誤差。 上述這些誤差構(gòu)成了A/D變換器的總誤差。在計算A/D變換器總誤差值時,應(yīng)用各種誤差的均方和的根來表示。例如,總誤差可表示為總 = 21+22+23+24+25 (69) 其中15為各因素引起的誤差。總為A/D變換器的總誤差。 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 (2) 變換時間(或變換速率) 完成一次A/D變換所需要的時間為變換時間。變換速率(頻率)是變換時間的倒數(shù)。例如AD574KD變換時間為35s,其變換速率為28.57kHz。 (3)輸入動態(tài)范圍 一般A/D變換器的模擬電壓輸入范圍大約為05V或010V。 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片

15、常用的輸入輸出接口芯片 3. A/D變換器芯片及應(yīng)用 在這里介紹兩塊典型的A/D變換器的應(yīng)用。希望能在此基礎(chǔ)上,學(xué)會應(yīng)用任何類似的A/D芯片。 1) 12位A/D變換器芯片AD574 (1)AD574的引線及功能 AD574變換器的引線如圖6.63所示。第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.63 AD574的引線圖第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 各引出線的定義如下:REFOUT內(nèi)部參考電源電壓輸出(+10V)。REFIN參考電壓輸入。BIP偏置電壓偏入。10VIN5V輸入或010V輸入

16、。20VIN10V輸入或020V輸入。DB0DB11高字節(jié)為DB8DB11,低字節(jié)為DB0DB7。STS“忙”信號輸出,高電平有效。第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 12/ 變換輸出字長選擇端,輸入為高電平時,變換字長輸出為12位,低電平時按8位輸出。 選片信號。 A0字節(jié)地址控制輸入。 R/ 數(shù)據(jù)讀輸出和轉(zhuǎn)換控制輸入。 CE工作允許信號,高電平有效。 +15V,-15V+15V,-15V電源輸入端。 AGND模擬地。 DGND數(shù)字地。8CSC第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 (2)AD574的工作時序 AD574的控制功能如表6.9所示。 表6

17、.9 AD574控制功能狀態(tài)表 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 AD變換器芯片內(nèi)部集成有高精度參考電壓形成電路,滿足12位A/D變換的要求。同時,其內(nèi)部還集成有變換時鐘電路,故無需外接時鐘。這些都為使用者提供了很大的方便。 AD574的一次變換時間大約為1535s,隨型號不同而有所區(qū)別,其變換過程的定時關(guān)系如圖664所示。 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.64 AD574的工作時序第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 (3)AD574的應(yīng)用 下面對以AD574芯片構(gòu)成的A/D變換器電路實例進行說明。通過實例使讀者能較

18、清楚了解設(shè)計A/D變換器電路的基本內(nèi)容和方法。 AD574的模擬輸入電路 (i) 模擬輸入電路的極性選擇 (ii) 輸入路數(shù)的擴展 (iii) 采樣保持電路 (iv) 濾波電容的連接濾波時間常數(shù)RC 10.52mskHz第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.65 AD574的模擬電壓輸入(a)單極性輸入;(b)雙極性輸入 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.67 采樣保持電路連接第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 AD574與CPU的連接 AD574是12位A/

19、D變換器,它可以和16位CPU相連接,也可以和8位的CPU相連接。只要適當?shù)馗淖兡承┛刂埔_的接法就可以實現(xiàn)上述這一點。 對應(yīng)圖6.68的采集變換程序如下: ;對8255初始化,此小程序放在應(yīng)用程序開始的位置上 INTI55: MOV DX,0063H MOV AL,10011010B OUT DX,AL ;控制字寫入8255的CR第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.68 AD574經(jīng)8255與8088系統(tǒng)總線相連接第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 MOV AL,00000001B OUT DX,A ;位控方式,使PC0=1;以下是對輸入信號

20、進行一次變換的程序 ACQUQ: MOV DX,0062H MOV AL,00H OUT DX,AL MOV AL,01H OUT DX,AL ;由PC0輸出負R/ 脈沖 NOP ;啟動變換開始 NOPC第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 WAIT: IN AL,DX ;取STS狀態(tài) AND AL,80H ;判斷變換結(jié)束否? JNZ WAIT ;未結(jié)束等待 MOV DX,0060H IN AL,DX ;讀A口,取得A/D變換低8位 MOV BL,AL MOV DX,0061H IN AL,DX AND AL,0FH;讀B口,取得高4位 MOV BH,AL RET第第6章章

21、 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 2) 8位A/D變換器芯片ADC0809 ADC0809的引腳定義如圖6.69所示。它共有28個引腳,其中 D0(2-8)D7(2-1)輸出數(shù)據(jù)線; IN0IN78路模擬電壓輸入端; ADDA,ADDB,ADDC路地址輸入; ADDA最低位,ADDC最高位; START啟動信號輸入端,下降沿有效; ALE路地址鎖存信號,用來鎖存ADDAADDC的地址輸入,上升沿有效; EOC變換結(jié)束狀態(tài)信號,高電平表示一次變換已結(jié)束;第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 OE讀允許信號,高電平有效;CLK時鐘輸入端;VREF(+),VREF(-)參考電壓輸入端;VCC5V電源輸入;GND地。第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.69 ADC0809引線圖 第第6章章 常用的輸入輸出接口芯片常用的輸入輸出接口芯片 圖6.70 ADC0809工作時序圖第第6章章