第五講信號轉換接口

1、0單片機原理及應用單片機原理及應用機械類專業(yè)必修課機械類專業(yè)必修課20112011年年1212月月主講人：張登攀主講人：張登攀 專專 業(yè)業(yè): 機械制造及其自動化機械制造及其自動化10 0、課程準備、課程準備1 1、微型計算機基礎、微型計算機基礎3 3、中斷、定時與串行通信、中斷、定時與串行通信2 2、微機系統(tǒng)結構及編程、微機系統(tǒng)結構及編程4 4、人機交互接口、人機交互接口5 5、信號轉換接口、信號轉換接口2 單片機應用的重要領域是測控。在其應單片機應用的重要領域是測控。在其應用過程中，除數字量外還會遇到另一類物理用過程中，除數字量外還會遇到另一類物理量，量，即模擬量即模擬量。例如：溫度、速度、

2、電壓、。例如：溫度、速度、電壓、電流、壓力等，它們都是連續(xù)變化的物理量。電流、壓力等，它們都是連續(xù)變化的物理量。由于由于計算機（單片機）只能處理數字量計算機（單片機）只能處理數字量，因，因此計算機（單片機）控制系統(tǒng)中凡遇到有模此計算機（單片機）控制系統(tǒng)中凡遇到有模擬量的地方，就要進行模擬量向數字量、數擬量的地方，就要進行模擬量向數字量、數字量向模擬量的轉換，也就出現(xiàn)了單片機數字量向模擬量的轉換，也就出現(xiàn)了單片機數/模和模模和模/數轉換的接口問題。數轉換的接口問題。35.1 A/D轉換接口轉換接口 1 1、A/DA/D轉換原理轉換原理 在單片機控制系統(tǒng)中，被控制的對象在單片機控制系統(tǒng)中，被控制的

3、對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等）信號，而單片機處理系統(tǒng)能移、圖像等）信號，而單片機處理系統(tǒng)能夠處理的是數字信號。因此，必須先將模夠處理的是數字信號。因此，必須先將模擬信號轉換成數字信號，再輸入到單片機擬信號轉換成數字信號，再輸入到單片機處理系統(tǒng)處理系統(tǒng).4 將模擬信號轉換成數字信號的電路，將模擬信號轉換成數字信號的電路，稱為模數轉換器（簡稱稱為模數轉換器（簡稱A/D轉換器）。轉換器）。其工作原理框圖如圖所示：其工作原理框圖如圖所示：A/DA/D轉換器轉換器輸入模擬量數字量輸出52 2、A/DA/D轉換過程轉換過程 A/D轉換過程一般是由采

4、樣、保持、轉換過程一般是由采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成的量化和編碼四個步驟完成的。即首先對。即首先對輸入的模擬電壓信號進行采樣，采樣結輸入的模擬電壓信號進行采樣，采樣結束后進入保持時間，在這段時間內將取束后進入保持時間，在這段時間內將取樣的電壓量化為數字量，然后按一定的樣的電壓量化為數字量，然后按一定的編碼形式輸出，這樣重復即可將一段模編碼形式輸出，這樣重復即可將一段模擬信號轉換為數字信號輸出。擬信號轉換為數字信號輸出。采樣保持電路編碼電路量化電路6（1 1）采樣和保持電路）采樣和保持電路采樣：把時間上連續(xù)變化的信號變換為采樣：把時間上連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。時間離散的信號。

5、采樣是通過采樣器完成的，采樣器（電采樣是通過采樣器完成的，采樣器（電子模擬開關）在采樣脈沖子模擬開關）在采樣脈沖S(t)的作用下，的作用下，將隨時間連續(xù)變化的模擬信號將隨時間連續(xù)變化的模擬信號F(t)轉變?yōu)檗D變?yōu)闀r間上離散的模擬信號。時間上離散的模擬信號。78采樣定理：采樣定理：當采樣頻率不小于輸入模擬信號頻譜當采樣頻率不小于輸入模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍時，采樣信號可以不失真地恢中最高頻率的兩倍時，采樣信號可以不失真地恢復為原模擬信號，即：復為原模擬信號，即：max2iSff 式中式中f fS S采樣頻率，采樣頻率，f f為輸入信號為輸入信號vIvI的最高頻的最高頻率分量的頻率。率分量的頻

6、率。避免混疊失真應滿足：避免混疊失真應滿足：1、信號要限帶，即對于、信號要限帶，即對于|f|fimax，有，有X(f)=0，然后抽樣；，然后抽樣；2、滿足抽樣、滿足抽樣條件。條件。9 因為每次把取樣電壓轉換為相應的數因為每次把取樣電壓轉換為相應的數字量都需要一定的時間，所以在每次取樣字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間。以后，必須把取樣電壓保持一段時間。完完成這個轉換過程的電路就是保持電路。成這個轉換過程的電路就是保持電路。10（2 2）量化和編碼）量化和編碼量化：量化：數字信號不僅在時間上是離散的，而且數值上的數字信號不僅在時間上是離散的，而且數值上的變化也不

7、是連續(xù)的。這就是說，任何一個數字量的大小，變化也不是連續(xù)的。這就是說，任何一個數字量的大小，都是以某個最小數量單位的整倍數來表示的。因此，在都是以某個最小數量單位的整倍數來表示的。因此，在用數字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數用數字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數量單位的整倍數，這個轉化過程就叫做量化。量單位的整倍數，這個轉化過程就叫做量化。量化單位量化單位：所規(guī)定的最小數量單位叫做量化單位，用：所規(guī)定的最小數量單位叫做量化單位，用表示。顯然，數字信號最低有效位中的表示。顯然，數字信號最低有效位中的1表示的數量大表示的數量大小，就等于小，就等于。編碼：編碼：把量化的數值用二

8、進制代碼表示，稱為編碼。把量化的數值用二進制代碼表示，稱為編碼。這個二進制代碼就是這個二進制代碼就是A/D轉換的輸出信號。轉換的輸出信號。 11量化誤差量化誤差: 既然模擬電壓是連續(xù)的，那么它就不一定能既然模擬電壓是連續(xù)的，那么它就不一定能被被整除，因而不可避免的會引入誤差，把這種誤差稱整除，因而不可避免的會引入誤差，把這種誤差稱為量化誤差。在把模擬信號劃分為不同的量化等級時，為量化誤差。在把模擬信號劃分為不同的量化等級時，用不同的劃分方法可以得到不同的量化誤差。用不同的劃分方法可以得到不同的量化誤差。 假定需要把假定需要把0+1V的模擬電壓信號轉換成的模擬電壓信號轉換成3位二進位二進制代碼，

9、這時便可以取制代碼，這時便可以取=（1/8）V，并規(guī)定凡數值在，并規(guī)定凡數值在0（1/8）V之間的模擬電壓都當作之間的模擬電壓都當作0看待，用二進看待，用二進制的制的000表示；凡數值在（表示；凡數值在（1/8）V（2/8）V之間的模之間的模擬電壓都當作擬電壓都當作1看待，用二進制的看待，用二進制的001表示，表示，等等等，如表所示。不難看出，最大的量化誤差可達等，如表所示。不難看出，最大的量化誤差可達，即，即（1/8）V。 1200000101001110010111011100000101001110010111011101/82/83/84/85/86/87/81V01234567 =(

10、7/8)V6/85/84/83/82/81/801V13/1511/159/157/155/153/151=(14/15)V12/1510/158/156/154/152/150模擬電平二進制代碼 代表的模擬電平模擬電平二進制代碼 代表的模擬電平（ a）（ b）為了減少量化誤差為了減少量化誤差，取量化單位，取量化單位=（2/152/15）V V，并將，并將000000代碼所對代碼所對應的模擬電壓規(guī)定為應的模擬電壓規(guī)定為0 0（1/151/15）V V，即，即0 0/2/2。這時，最大量化。這時，最大量化誤差將減少為為誤差將減少為為/2=/2=（1/151/15）V V

11、。這個道理不難理解，因為現(xiàn)在把。這個道理不難理解，因為現(xiàn)在把每個二進制代碼所代表的模擬電壓值規(guī)定為它所對應的模擬電壓范每個二進制代碼所代表的模擬電壓值規(guī)定為它所對應的模擬電壓范圍的中點，所以最大的量化誤差自然就縮小為圍的中點，所以最大的量化誤差自然就縮小為/2/2了。了。 。133 3、A/DA/D常用的芯片常用的芯片 (1) ADC0801ADC0805、ADC0808/0809、ADC0816/0817型型8位位MOS型型A/D轉換器；轉換器；(2) TLC1549單通道串行輸出單通道串行輸出A/D。TI公司生產的一種開公司生產的一種開關電容結構的逐次比較型關電容結構的逐次比較型10位位A

12、/D轉換器。有轉換器。有DIP和和FK 2種封裝形式。種封裝形式。(3)TLC2543多通道串行輸出多通道串行輸出A/D。也是。也是TI公司生產的眾公司生產的眾多串行多串行A/D轉換器中的一種，轉換器中的一種，CMOS12位開關電容逐次位開關電容逐次逼近逼近A/D轉換器，具有輸入通道多、精度高、速度高等轉換器，具有輸入通道多、精度高、速度高等特點。特點。(4) ADC570、ADC1210。除以上芯片還有許多不同精度的除以上芯片還有許多不同精度的A/D轉換芯片。在使用轉換芯片。在使用過程中，要按要求選擇適當精度的芯片，芯片的精度與過程中，要按要求選擇適當精度的芯片，芯片的精度與在轉換時所使用的

13、時間是成正比的。在轉換時所使用的時間是成正比的。145.2 A/D轉換器的技術指標轉換器的技術指標 1 1、轉換精度、轉換精度 A/D轉換器的轉換精度分為絕對精度和相對精度。轉換器的轉換精度分為絕對精度和相對精度。 （1）絕對精度：指在轉換器中，任一數碼與所）絕對精度：指在轉換器中，任一數碼與所對應的實際模擬電壓與其理想的電壓值之差，這對應的實際模擬電壓與其理想的電壓值之差，這個差值不是一個常數，我們把這個差值的最大值個差值不是一個常數，我們把這個差值的最大值定義為絕對誤差。定義為絕對誤差。 （2）相對精度：它與絕對精度相似，所不同的）相對精度：它與絕對精度相似，所不同的是把這個最大精度表示為

14、滿刻度模擬電壓的百分是把這個最大精度表示為滿刻度模擬電壓的百分數，或者用二進制分數來表示相對應的數字量。數，或者用二進制分數來表示相對應的數字量。A/D轉換器的主要技術指標有：轉換精度，分辨率，轉換時間和轉換速率，量化誤差。15 2 2、分辨率、分辨率 說明說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。轉換器對輸入信號的分辨能力。 A/D轉換器的分辨率以輸出二進制（或十進制）轉換器的分辨率以輸出二進制（或十進制）數的位數表示，即滿刻度電壓與數的位數表示，即滿刻度電壓與2n 之比值，其之比值，其中中n為為ADC的位數。從理論上講，的位數。從理論上講，n位輸出的位輸出的A/D轉換器能區(qū)分轉換器能區(qū)分2n個

15、不同等級的輸入模擬電壓，能個不同等級的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。在。在最大輸入電壓一定時，輸出位數愈多，量化單位最大輸入電壓一定時，輸出位數愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。例如愈小，分辨率愈高。例如A/D轉換器輸出為轉換器輸出為8位位二進制數，輸入信號最大值為二進制數，輸入信號最大值為5V，那么這個轉，那么這個轉換器應能區(qū)分輸入信號的最小電壓為換器應能區(qū)分輸入信號的最小電壓為19.53mV。 16 3 3、轉換時間和轉換速度、轉換時間和轉換速度 完成一次完成一次A/D轉換所需要的時間。轉換時轉換所需要的時間。轉換時間與轉換速度

16、互為倒數，即每秒轉換的次間與轉換速度互為倒數，即每秒轉換的次數。數。 不同類型的不同類型的A/D轉換器轉換速度相差比較大：轉換器轉換速度相差比較大：1、并行比較、并行比較A/D轉換器轉換速度最高，轉換器轉換速度最高，8位二進位二進制輸出的單片集成制輸出的單片集成A/D轉換器轉換時間為轉換器轉換時間為50ns；2、逐次比較型、逐次比較型A/D轉換器在轉換器在1050us之間，也有之間，也有幾百幾百ns的。的。3、間接、間接A/D轉換器速度最慢，如雙積分型在幾轉換器速度最慢，如雙積分型在幾十毫秒到幾百毫秒之間。十毫秒到幾百毫秒之間。17 4 4、轉換誤差、轉換誤差 表示表示A/D轉換器實際輸出的數

17、字量和理論轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位的倍數來表示。例如給出相對誤差效位的倍數來表示。例如給出相對誤差LSB/2，這就表明實際輸出的數字量和，這就表明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小于最低位的半個字。于最低位的半個字。18 5 5、量化誤差、量化誤差 由于由于AD的有限分辨率而引起的誤差，即的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率有限分辨率AD的階梯狀轉移特性曲線與無的階梯狀轉移特性曲線與無限分辨率限分辨率AD（理想（理想AD）的轉移特性曲線）的轉移特性曲線（直線

18、）之間的最大偏差。通常是（直線）之間的最大偏差。通常是1個或個或半個最小數字量的模擬變化量，表示為半個最小數字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。 195.3 A/D轉換器的分類轉換器的分類A/DA/D轉換器轉換器是能夠將模擬量轉換為數字量的器件。它有是能夠將模擬量轉換為數字量的器件。它有許多種分類方式：總的可分為直接型和間接型。直接型許多種分類方式：總的可分為直接型和間接型。直接型A/DA/D轉換器為在轉換過程中模擬電壓不經過任何中間變轉換器為在轉換過程中模擬電壓不經過任何中間變量直接轉換為數字代碼，而間接型量直接轉換為數字代碼，而間接型A/DA/D轉換器為在轉換轉換器為在轉換過程

19、中要把模擬電壓先轉換成某種中間變量（時間、頻過程中要把模擬電壓先轉換成某種中間變量（時間、頻率、脈沖寬度等），然后再轉換成數字代碼輸出。率、脈沖寬度等），然后再轉換成數字代碼輸出。A/DA/D轉換器按工作原理可分為：轉換器按工作原理可分為：計數式計數式ADCADC、雙積分式、雙積分式ADCADC、逐次逼、逐次逼近式近式ADCADC、并行式、并行式ADCADC；按模擬量輸入方式分按模擬量輸入方式分：單極性：單極性ADCADC、雙極性、雙極性ADCADC；按數字量輸出方式分按數字量輸出方式分并行并行ADCADC、串行、串行ADCADC；按性能特點可分為按性能特點可分為：按轉換精度分低精度、中精度、

20、高精度、超高精度；按轉換精度分低精度、中精度、高精度、超高精度；按輸出是否帶按輸出是否帶三態(tài)緩沖分三態(tài)緩沖分：帶可控三態(tài)緩沖：帶可控三態(tài)緩沖ADCADC、不帶可控三態(tài)緩沖、不帶可控三態(tài)緩沖ADCADC；按分辨按分辨率分率分4 4位、位、6 6位、位、8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1414位、位、1616位等；位等；按轉換速度分按轉換速度分低速、中速、高速、超高速。低速、中速、高速、超高速。 205.4 A/D轉換器的選擇原則轉換器的選擇原則 在設計單片機控制系統(tǒng)，數據的采集以及單片機在設計單片機控制系統(tǒng)，數據的采集以及單片機輸出去控制被控對象時會用到輸出去控制被控對象時會用到A

21、DCADC電路，可從以下幾方電路，可從以下幾方面考慮：面考慮： (1)A/D (1)A/D轉換器位數的確定轉換器位數的確定 A/DA/D轉換器位數的確定轉換器位數的確定是關系著整個測量控制系統(tǒng)所要是關系著整個測量控制系統(tǒng)所要測量控制的范圍和精度，但又不能對系統(tǒng)的精度唯一確測量控制的范圍和精度，但又不能對系統(tǒng)的精度唯一確定。由于系統(tǒng)的精度與很多因素有關，包括傳感器變換定。由于系統(tǒng)的精度與很多因素有關，包括傳感器變換精度、信號處理的精度和精度、信號處理的精度和A/DA/D轉換器本身等，甚至還包轉換器本身等，甚至還包括軟件控制的算法。括軟件控制的算法。在使用時在使用時A/DA/D轉換器的位數至少要轉

22、換器的位數至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。比總精度要求的最低分辨率高一位。常見的常見的A/DA/D、D/AD/A器器件有件有8 8位，位，1010位，位，1212位，位，1414位，位，1616位等。實際位等。實際選用的選用的A/DA/D轉換器的位數應與系統(tǒng)處理的能力以及所需達到的精度轉換器的位數應與系統(tǒng)處理的能力以及所需達到的精度相適應相適應。 21 (2)A/D (2)A/D轉換器轉換速度的確定轉換器轉換速度的確定 A/DA/D轉換器的轉換器的轉換速度指完成一次轉換速度指完成一次A/DA/D轉換所需轉換所需要的時間要的時間，其，其倒數即每秒鐘能完成的轉換次數，倒數即每秒鐘能完成的轉換

23、次數，稱轉換速度稱轉換速度。 在使用時不同的在使用時不同的A/DA/D轉換器，其轉換時間并不一轉換器，其轉換時間并不一定相同。要根據所設計系統(tǒng)對采集數據要求的時定相同。要根據所設計系統(tǒng)對采集數據要求的時間而定，一般選擇所需轉換時間短的，這樣可以間而定，一般選擇所需轉換時間短的，這樣可以提高整個系統(tǒng)的實時控制能力。保證轉換器的轉提高整個系統(tǒng)的實時控制能力。保證轉換器的轉換速率要高于系統(tǒng)要求的采樣頻率。換速率要高于系統(tǒng)要求的采樣頻率。22 (3)A/D (3)A/D轉換器的工作電壓和基準電壓的選擇轉換器的工作電壓和基準電壓的選擇 選擇合適的工作電壓可以有效簡化整個系選擇合適的工作電壓可以有效簡化整

24、個系統(tǒng)的電壓供給，基準電壓是指提供給統(tǒng)的電壓供給，基準電壓是指提供給A/DA/D轉換器在轉換時所需要的參考電壓，這是轉換器在轉換時所需要的參考電壓，這是保證轉換精度的基本條件，它也影響保證轉換精度的基本條件，它也影響A/DA/D轉換器所測量的范圍。在精度要求較高時，轉換器所測量的范圍。在精度要求較高時，基準電壓的供給可以采用獨立的穩(wěn)壓電源?；鶞孰妷旱墓┙o可以采用獨立的穩(wěn)壓電源。 23 設計舉例設計舉例 某信號采集系統(tǒng)要求用一片某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉換集成轉換集成芯片在芯片在1s（秒）內對（秒）內對16個熱電偶的輸出電個熱電偶的輸出電壓分時進行壓分時進行A/D轉換。已知熱電偶輸出電轉換

25、。已知熱電偶輸出電壓范圍為壓范圍為00.025V（對應于（對應于0450溫度溫度范圍），需要分辨的溫度為范圍），需要分辨的溫度為0.1，試問應，試問應選擇多少位的選擇多少位的A/D轉換器，其轉換時間是轉換器，其轉換時間是多少？多少？ 24 解：解：對于對于0450溫度范圍，信號電壓范溫度范圍，信號電壓范圍為圍為00.025V，分辨的溫度為，分辨的溫度為0.1，這，這相當于相當于 的分辨率。的分辨率。12位位A/D轉換器轉換器的分辨率為的分辨率為 ，所以必須選用，所以必須選用14 位的位的A/D轉換器。轉換器。 450014501 . 0409612112 系統(tǒng)的取樣速率為每秒系統(tǒng)的取樣速率為每

26、秒1616次，取樣時間為次，取樣時間為62.5ms62.5ms。對于這樣慢的取樣，任何一個對于這樣慢的取樣，任何一個A/DA/D轉換器都可以滿轉換器都可以滿足要求?？蛇x用帶有取樣保持（足要求?？蛇x用帶有取樣保持（S/HS/H）的逐次比）的逐次比較型較型A/DA/D轉換器或不帶轉換器或不帶S/HS/H的雙積分式的雙積分式A/DA/D轉換器。轉換器。 255.5 D/A轉換接口轉換接口 1 1、D/AD/A轉換原理轉換原理 數字量是用代碼按數位組合起來表示的，對于有權碼，每數字量是用代碼按數位組合起來表示的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權。位代碼都有一定的權。為了將數字量轉換成模擬量，必須為了將

27、數字量轉換成模擬量，必須將每將每1 1位的代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后位的代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的總模擬量，將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)了數字從而實現(xiàn)了數字模擬轉換。模擬轉換。D/AD/A轉換器由數碼寄存器、轉換器由數碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼網絡、求和電路及基準電壓幾部模擬電子開關電路、解碼網絡、求和電路及基準電壓幾部分組成。數字量以串行或并行方式輸入、存儲于數碼寄存分組成。數字量以串行或并行方式輸入、存儲于數碼寄存器中，數字寄存器輸出的各位數碼，分別控制對應位的模器中，數字寄存器輸出

28、的各位數碼，分別控制對應位的模擬電子開關，使數碼為的位在位權網絡上產生與其權值擬電子開關，使數碼為的位在位權網絡上產生與其權值成正比的電流值，再由求和電路將各種權值相加，即得到成正比的電流值，再由求和電路將各種權值相加，即得到數字量對應的模擬量。數字量對應的模擬量。2601234567001010011100101110111D/A轉換器DDD01n-1.vo輸入輸出vo/VD000輸入為輸入為3 3位二進制數時位二進制數時D/AD/A轉換器的轉換特性曲線。轉換器的轉換特性曲線。 27 2 2、D/AD/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標（1）分辨率（）分辨率（Resolution）：

29、指：指D/A轉換器能轉換器能分辨的最小輸出模擬增量，即相鄰兩個二進分辨的最小輸出模擬增量，即相鄰兩個二進制碼對應的輸出電壓之差稱為制碼對應的輸出電壓之差稱為D/A轉換器的分轉換器的分辨率。可用最低位（辨率。可用最低位（LSB）表示。如，）表示。如，n位位D/A轉換器的分辨率為轉換器的分辨率為1/2n。（2）精度（）精度（Accuracy）：精度是指：精度是指D/A轉換轉換器的實際輸出與理論值之間的誤差，它是以器的實際輸出與理論值之間的誤差，它是以滿量程滿量程VFS的百分數或最低有效位（的百分數或最低有效位（LSB）的）的分數形式表示。與分數形式表示。與A/D相似也分為絕對精度與相似也分為絕對精

30、度與相對精度。相對精度。28（3）線性誤差：）線性誤差：D/A的實際轉換特性（各數的實際轉換特性（各數字輸入值所對應的各模擬輸出值之間的連線）字輸入值所對應的各模擬輸出值之間的連線）與理想的轉換特性（始、終點連線）之間是與理想的轉換特性（始、終點連線）之間是有偏差的，這個偏差就是有偏差的，這個偏差就是D/A的線性誤差。即的線性誤差。即兩個相鄰的數字碼所對應的模擬輸出值（之兩個相鄰的數字碼所對應的模擬輸出值（之差）與一個差）與一個LSB所對應的模擬值之差。常以所對應的模擬值之差。常以LSB的分數形式表示。的分數形式表示。（4）轉換時間）轉換時間TS（建立時間）（建立時間）：從：從D/A轉換轉換器

31、輸入的數字量發(fā)生變化開始，到其輸出模器輸入的數字量發(fā)生變化開始，到其輸出模擬量達到相應的穩(wěn)定值所需要的時間稱為轉擬量達到相應的穩(wěn)定值所需要的時間稱為轉換時間。換時間。29（5）偏移量誤差：）偏移量誤差：偏移量誤差是指輸偏移量誤差是指輸入數字量為零時，輸出模擬量對零的偏入數字量為零時，輸出模擬量對零的偏移值。移值。 （6）轉換誤差：）轉換誤差：轉換誤差通常用輸出轉換誤差通常用輸出電壓滿刻度電壓滿刻度FSR（Full Scale Range）的）的百分數表示，也可以用最低有效位的倍百分數表示，也可以用最低有效位的倍數表示。數表示。30(7) 接口形式：接口形式：D/A轉換器與單片機接口方便轉換器與

32、單片機接口方便與否，主要決定于轉換器本身是否帶數據鎖與否，主要決定于轉換器本身是否帶數據鎖存器。存器?？偟膩碚f有兩類總的來說有兩類D/A轉換器轉換器，一類是不一類是不帶鎖存器的帶鎖存器的，另一類是帶鎖存器的另一類是帶鎖存器的。對于不。對于不帶鎖存器的帶鎖存器的D/A轉換器，為了保存來自單片機轉換器，為了保存來自單片機的轉換數據，接口時要另加鎖存器，因此這的轉換數據，接口時要另加鎖存器，因此這類轉換器必須在接口線上；而帶鎖存器的類轉換器必須在接口線上；而帶鎖存器的D/A轉換器，可以把它看作是一個輸出口，因此轉換器，可以把它看作是一個輸出口，因此可直接在數據總線上，而不需另加鎖存器?？芍苯釉跀祿?/p>

33、線上，而不需另加鎖存器。31 3 3、D/AD/A轉換器的分類轉換器的分類數模轉換器的類型很多，目前在集成化的數模數模轉換器的類型很多，目前在集成化的數模轉換器中經常使用的一種是轉換器中經常使用的一種是T型網絡型網絡D/A轉換器轉換器。按輸出形式分類按輸出形式分類：電壓輸出型和電流輸出型。：電壓輸出型和電流輸出型。按是否含有鎖存器分類按是否含有鎖存器分類：內部無鎖存器和內部有：內部無鎖存器和內部有鎖存器。鎖存器。按能否作乘法運算分類按能否作乘法運算分類：乘算型和非乘：乘算型和非乘算型。算型。按輸入數字量方式分類按輸入數字量方式分類：并行總線：并行總線D/A轉轉換器和串行總線換器和串行總線D/A

34、轉換器。按轉換時間分類：轉換器。按轉換時間分類：超高速超高速D/A（TS100ns）、高速）、高速D/A（TS為為100ns 10s）、中速）、中速D/A（TS為為10s100s）、）、低速低速D/A（TS100s）等。）等。32常用常用D/A轉換技術：轉換技術： 二進制權電阻網絡二進制權電阻網絡 D/A 轉換器，由四部分組轉換器，由四部分組成：（成：（1）權電阻網絡；（）權電阻網絡；（2）模擬開關；（）模擬開關；（3）參考電壓；（參考電壓；（4）權電阻網絡輸出端的電流）權電阻網絡輸出端的電流-電電壓變換器。壓變換器。二進制二進制T型權電阻網絡型權電阻網絡 D/A 轉換器，采用最常轉換器，采用

35、最常見的見的R-2R T型電阻網絡。分為電流相加型（如型電阻網絡。分為電流相加型（如圖圖7-6所示）和電壓相加型（如圖所示）和電壓相加型（如圖7-7所示）。它所示）。它與權電阻網絡的與權電阻網絡的顯著區(qū)別在于：無論顯著區(qū)別在于：無論DACDAC有多少有多少位，整個網絡只需要位，整個網絡只需要R R和和2R2R兩種阻值。兩種阻值。33電壓激勵型電壓激勵型DAC DAC 電流相加型電流相加型4 4位位R-2R R-2R T T形電阻網絡形電阻網絡DAC DAC 電壓相加型電壓相加型4 4位位R-2R R-2R T T形電阻網絡形電阻網絡DAC DAC 34型電阻網絡型電阻網絡D/AD/A轉換器轉換

36、計算轉換器轉換計算 3536倒倒T T型網絡型網絡DAC DAC 37 S0-S3為模擬開關，為模擬開關，R-2R電阻解碼網電阻解碼網絡呈倒絡呈倒T形，運算放大器形，運算放大器A構成求和電路。構成求和電路。Si由輸入數碼由輸入數碼di控制，當控制，當di=1時，時，Si接運接運放反相輸入端（放反相輸入端（“虛地虛地”），），Ii流入求流入求和電路；當和電路；當di=0時，時，Si將電阻將電阻2R接地。接地。 無論模擬開關無論模擬開關Si處于何種位置，與處于何種位置，與Si相連的相連的2R電阻均等效接電阻均等效接“地地”（地或虛（地或虛地）。這樣流經地）。這樣流經2R電阻的電流與開關位電阻的電流

37、與開關位置無關為確定值。置無關為確定值。38倒倒T T型網絡型網絡DACDAC等效電路等效電路總電流為：總電流為：341322314022222DRVddddRViREFREF39輸出電壓為：輸出電壓為： 342DVRRRivREFffo 將輸入數字量擴展到將輸入數字量擴展到n n位，可得到位，可得到n n位數字位數字量量Dn倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器輸出模擬量與轉換器輸出模擬量與輸入數字量之間的一般關系式如下：輸入數字量之間的一般關系式如下： nnREFfoDVRRv240 要使要使D/AD/A轉換器具有較高的精度，對電路轉換器具有較高的精度，對電路中的參數有以下要求：中的參數有

38、以下要求： 1 1、基準電壓穩(wěn)定性好；、基準電壓穩(wěn)定性好；2 2、倒、倒T T型電阻網絡中型電阻網絡中R R和和2R2R電阻的精度要高；電阻的精度要高；3 3、每個模擬開關的開關電壓降要相等。為實現(xiàn)、每個模擬開關的開關電壓降要相等。為實現(xiàn)電流從高位到低位按電流從高位到低位按2 2的整倍數遞減，模擬開關的整倍數遞減，模擬開關的導通電阻也相應地按的導通電阻也相應地按2 2的正倍數遞減。的正倍數遞減。 常用的常用的CMOSCMOS開關倒開關倒T T型電阻網絡型電阻網絡D/AD/A轉換器轉換器的集成電路有的集成電路有AD7520(10AD7520(10位）、位）、DAC1210(12DAC1210(1

39、2位）位）和和AK7546AK7546（1616位高精度）。位高精度）。 412R2R2R2R2RRRR2RP0P1P2P3KRKRKRKRS0S1S2S3IrefIrefIrefIrefD3(MSB)D0(LSB)D1D2vccVoRf電流激勵型電流激勵型DAC DAC 42 3 3、D/AD/A轉換器的選擇轉換器的選擇在選用在選用D/A轉換器時主要考慮芯片的性能、轉換器時主要考慮芯片的性能、結構及應用特性。在性能上必須滿足結構及應用特性。在性能上必須滿足D/A轉換器的技術要求；在結構和應用特性上轉換器的技術要求；在結構和應用特性上應滿足接口方便、外圍電路簡單、價格低應滿足接口方便、外圍電路

40、簡單、價格低廉等要求。廉等要求。43D/A轉換器的種類繁多，在目前常用的轉換器的種類繁多，在目前常用的D/A芯片中，從數碼位數上看，有芯片中，從數碼位數上看，有8位、位、10 位、位、12 位、位、16 位等；從數字的輸入特性看，一位等；從數字的輸入特性看，一般的般的D/A轉換器只能接收自然二進制數字代轉換器只能接收自然二進制數字代碼，也需要注意輸入數據的格式，一般有碼，也需要注意輸入數據的格式，一般有并行碼和串行碼兩種；從輸出特性上，并行碼和串行碼兩種；從輸出特性上，D/A轉換器有電流輸出型器件和電壓輸出型器轉換器有電流輸出型器件和電壓輸出型器件，要根據控制系統(tǒng)是接收電壓信號還是件，要根據控

41、制系統(tǒng)是接收電壓信號還是檢測電流信號來選擇檢測電流信號來選擇D/A轉換器；轉換器； 44從內部結構上從內部結構上，又可分為含數據輸入寄存，又可分為含數據輸入寄存器和不含數據輸入寄存器兩類。對內部不器和不含數據輸入寄存器兩類。對內部不含數據輸入寄存器的芯片，亦即不具備數含數據輸入寄存器的芯片，亦即不具備數據的鎖存能力，是不能直接與系統(tǒng)總線連據的鎖存能力，是不能直接與系統(tǒng)總線連接的。因為對接的。因為對D/A 轉換器來講，當有數字轉換器來講，當有數字量輸入時，其輸出端隨之有模擬電流或電量輸入時，其輸出端隨之有模擬電流或電壓信號建立；而當輸入端數字量消失時，壓信號建立；而當輸入端數字量消失時，輸出模擬

42、量也隨之消失。輸出模擬量也隨之消失。 455.6 微機信號轉換設計實例微機信號轉換設計實例 常用的逐次比較式常用的逐次比較式A/D轉換器比較多，轉換器比較多，有有8位、位、10位、位、12位、位、16位等，由于常用的位等，由于常用的為為8位單片機，所以在系統(tǒng)對精度要求不高位單片機，所以在系統(tǒng)對精度要求不高時，通常選用時，通常選用8位位A/D轉換器。轉換器。 最常用最常用8位位A/D轉換器是由美國芯片制轉換器是由美國芯片制造商造商National Semiconductor（國家半導體公（國家半導體公司）生產的司）生產的ADC系列芯片，其中系列芯片，其中ADC0804為為單路單路8位逐次比較式位

43、逐次比較式A/D轉換器，轉換器，ADC0809為為8路路8位逐次比較式位逐次比較式A/D轉換器。轉換器。 46 1 1、A/DA/D轉換設計實例轉換設計實例 （1 1）ADC08ADC080909的的內部內部邏輯邏輯結構結構47 ADC0809 ADC0809引腳功能引腳功能 ADC0809芯片為芯片為28引腳雙列直插式封引腳雙列直插式封裝，引腳排列如下：裝，引腳排列如下： 4849IN7IN0:模擬量輸入通道。模擬量輸入通道。ADDA、ADDB、ADDC：A為低為低位地址，位地址，C為高為高位地址，用于對位地址，用于對模擬通道進行選模擬通道進行選擇。擇。ADC0809對輸入模擬量的要求主要有

44、：信號單極性，電對輸入模擬量的要求主要有：信號單極性，電壓范圍壓范圍05 V，若信號過小還需進行放大。另外，在，若信號過小還需進行放大。另外，在A/D轉換過程中，模擬量輸入的值不應變化太快，因此，對轉換過程中，模擬量輸入的值不應變化太快，因此，對變化速度快的模擬量，在輸入前應增加采樣保持電路。變化速度快的模擬量，在輸入前應增加采樣保持電路。 ADDCADDCADDBADDBADDAADDA選擇的通道選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN750ALE：地址鎖存信號。：地址鎖存信號。在對應在對應ALE上跳沿，上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START：轉換啟動信號。：轉換啟動信號。START上跳沿時，所有內部上跳沿時，所有內部寄存器清寄存器清0；START下跳沿時，開始進行下跳沿時，開