模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換

1、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換第1頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四 學(xué) 習(xí) 目 的通過(guò)對(duì)本章的學(xué)習(xí)，您應(yīng)該能夠達(dá)到下列要求：掌握模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換通道的基本組成、模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)。掌握A/D轉(zhuǎn)換芯AD0809及D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832分別與CPU的連接及應(yīng)用編程第2頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.1 概述 模擬量連續(xù)變化的物理量數(shù)字量時(shí)間和數(shù)值上都離散的量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器第3頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四含有A/D與D/A轉(zhuǎn)換的監(jiān)控系統(tǒng) 10.1 概述 第4頁(yè)，共47頁(yè)，2022年

2、，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.2 數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器必須要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬的電流或電壓，這個(gè)任務(wù)主要由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來(lái)完成 數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片一般內(nèi)部設(shè)有輸入鎖存器，能將計(jì)算機(jī)輸入給它的數(shù)字量鎖存下來(lái) 需要有一級(jí)功率放大電路，將D/A輸出的電流或電壓放大到足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 第5頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.2 數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器特點(diǎn) ：開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)非常高 輸入阻抗非常大 輸出阻抗很小1. 運(yùn)算放大器的工作特點(diǎn)和原理 10.2.1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理第6頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四運(yùn)算放大器的原理 (a) 運(yùn)算放大器

3、的輸入和輸出(b) 帶反饋電阻的運(yùn)算放大器(c) 輸入端有4個(gè)支路的運(yùn)算放大器由此可求得帶有反饋電阻的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為 10.2.1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理第7頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四2. 由并聯(lián)電阻和運(yùn)算放大器構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器 (a)最簡(jiǎn)單的D/A轉(zhuǎn)換器 (b) 階梯波電壓 10.2.1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理第8頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.2.1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器 3. T型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)第9頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨

4、率（Resolution）精度（precision） 量程（滿刻度范圍Full Scale Range） 轉(zhuǎn)換時(shí)間（Conversion Time） 線性度誤差（Linearity Error） 第10頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四1）分辨率（Resolution） 分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測(cè)量的最小值。它反映了DAC對(duì)微小輸入量變化的敏感性。通常用輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)來(lái)表示。例如分辨率是8位、10位、12位等。也可用最小輸出電壓與最大輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。對(duì)于一個(gè)n位DAC，其分辨率為：(1/2n)量程。位數(shù)越多，分辨率越高。10.2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的指

5、標(biāo)第11頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四 精度是指轉(zhuǎn)換的結(jié)果相對(duì)于實(shí)際的偏差，精度有兩種表示方法。（1）絕對(duì)精度：用最低位（LSB）的倍數(shù)來(lái)表示，如（1/2）LSB或1LSB等。（2）相對(duì)精度：用絕對(duì)精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，例如0.05%等。 注意：分辨率與精度是兩個(gè)不同的概念2）精度（precision）10.2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)第12頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四3）量程（滿刻度范圍Full Scale Range） 量程是指允許輸入模擬電壓的變化范圍。例如，某轉(zhuǎn)換器具有010V的單極性輸入模擬電壓的范圍，或-5V+5V的雙極

6、性范圍，那么，它們的量程都為10V。 10.2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)第13頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四 從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)始直至轉(zhuǎn)換出穩(wěn)定的二進(jìn)代碼所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換器工作原理及其位數(shù)有關(guān)。同種工作原理的轉(zhuǎn)換器，通常位數(shù)越多，其轉(zhuǎn)換時(shí)間則越長(zhǎng)。 5）線性度誤差（Linearity Error） 理想的轉(zhuǎn)換器特性應(yīng)該是線性的，即模擬量輸入與數(shù)字量輸出成線性關(guān)系。線性度誤差是轉(zhuǎn)換器實(shí)際的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換關(guān)系與理想直線不同而出現(xiàn)的誤差，通常用多少LSB表示。 4）轉(zhuǎn)換時(shí)間（Conversion Time）10.2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)第14頁(yè)，共47頁(yè)，20

7、22年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用DAC0832是8位雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)帶有數(shù)據(jù)鎖存器，可與微處理器直接接口。DAC0832的特性參數(shù)：分辨率為8位；可采用雙緩沖、單緩沖或直通三種工作方式；電流穩(wěn)定時(shí)間為1s；只需在滿量程下調(diào)整其線性度；所有引腳邏輯電平與TTL兼容；5V15V單一電源供電，功耗為200mw。第15頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四DAC0832的功能示意圖 10.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用1、DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1 2第16頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四1

8、0.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用2、DAC0832的引腳功能第17頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四 3、DAC0832的工作方式 雙緩沖方式 雙緩沖工作方式對(duì)輸入寄存器和DAC寄存器分別進(jìn)行控制。10.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用10011000110第18頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四 3、DAC0832的工作方式 雙緩沖方式 雙緩沖工作方式對(duì)輸入寄存器和DAC寄存器分別進(jìn)行控制。10.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用第19頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四單緩沖方式 在這種工作方式下，使

9、兩個(gè)寄存器中的任一個(gè)處于直通狀態(tài)。 10.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用第20頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四直通方式 這種工作方式是將 、 、 以及 引腳都直接接地，ILE接高電平，芯片就處于直通狀態(tài)。輸入數(shù)據(jù)就直接送入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換。10.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用1001001第21頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用例1、DAC0832的外部鏈接線路如圖所示。要使0832實(shí)現(xiàn)一次D/A轉(zhuǎn)換，試編程實(shí)現(xiàn)。MOV BX,4000HMOV AL,BXMOV DX, PO

10、RTAOUT DX,AL第22頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用例2、產(chǎn)生一個(gè)鋸齒電壓。MOV DX，PORTA ；PORTA為D/A端口號(hào)MOV AL，0FFH ；初值為0FFHROTATE：INC ALOUT DX，AL ；往D/A輸出數(shù)據(jù)JMP ROTATE 如何產(chǎn)生三角波？第23頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用 MOV DX，200H ； 端口地址ABCD:MOV AL，00H OUT DX，AL ；向DAC0832輸出全0 CALL DELAY ；

11、調(diào)用延時(shí)子程序DELAY MOV AL，0FFH OUT DX，AL ；向DAC0832輸出全1 CALL DELAY JMP ABCD例3、假設(shè)DAC0832片選的地址是200H，要求在VOUT輸出方波，編程如下：第24頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.2.3 DAC 0832的工作方式和應(yīng)用MOV AL,96HOUT PORT,ALCALL DELAYMOV AL,0E1HOUT PORT,ALCALL DELAYMOV AL,32HOUT PORT,ALCALL DELAY例4、0832轉(zhuǎn)換輸出波形如圖，設(shè)滿量程為5V。試編程實(shí)現(xiàn)。3V4.5V1VV0=(VR

12、EF/28)DD=1/0.02=32HV=VREF/28=5/256=0.02VD=3/0.02=96HD=4.5/0.02=0E1H第25頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)：分辨率轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量變化的敏感程度 以8位ADC為例，當(dāng)輸入電壓滿刻度為5V時(shí)，對(duì)輸入模擬電壓的分辨能力為： 5V/25619.5mV 2. 轉(zhuǎn)換時(shí)間完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。如：25us，則轉(zhuǎn)換率為1/25us40KHZ 3. 轉(zhuǎn)換精度任一數(shù)值量所對(duì)應(yīng)的模擬量輸入實(shí)際值與理論值之間的差，通常用數(shù)字量的最低有效位（LSB）來(lái)表示，為

13、 1/2LSB。 由于模擬量是連續(xù)的，而數(shù)字量是離散的。所以，在某個(gè)范圍內(nèi)的模擬量對(duì)應(yīng)于某個(gè)數(shù)字量。第26頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的組成一般模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道由傳感器、信號(hào)處理、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、采樣保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器組成 。第27頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四 能夠把非電物理量轉(zhuǎn)換成電量（電流或電壓）的器件，由電容、電阻、電感或敏感材料組成，在外加激勵(lì)電流或電壓的驅(qū)動(dòng)下，不同類型的傳感器會(huì)隨不同非電物理量的變化，引起傳感器的組成材料發(fā)生改變，使得輸出連續(xù)變化的電流或電壓與非電物理量的變化成正比

14、。一、傳感器（Transducer）10.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器 由于傳感器組成材料發(fā)生改變引起輸出電流或電壓的變化十分微弱，容易受外界干擾，因此，各種變送器將傳感器與放大電路制作在一起，輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓，以便傳輸或直接送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。第28頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器信號(hào)放大處理電路，接在A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器之間，用于解決以下存在問(wèn)題： A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器二者電壓不匹配。如果是電流型輸出傳感器，要進(jìn)行變換與放大處理，將電流信號(hào)對(duì)應(yīng)變換成電壓信號(hào)。二、信號(hào)放大處理第29頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，

15、6點(diǎn)47分，星期四10.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（A/D轉(zhuǎn)換）往往要采集多路模擬信號(hào)。 通常只用一片A/D轉(zhuǎn)換芯片，輪流選擇輸入信號(hào)進(jìn)行采集，既節(jié)省了硬件開(kāi)銷，又不影響對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制。 許多A/D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部具備多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，一片A/D轉(zhuǎn)換芯片可以輪流采集多路模擬輸入信號(hào)，如果A/D轉(zhuǎn)換芯片不具有多路轉(zhuǎn)換功能，則在A/D轉(zhuǎn)換之前外加模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。 三、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（Multiplexer）第30頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器 CD4051B的基本結(jié)構(gòu)CD4051B采用了CMOS工藝，16腳DIP封裝八選一模擬多

16、路開(kāi)關(guān) 常用的模擬多路開(kāi)關(guān)介紹第31頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器在A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣期間，保持被轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)不變的電路稱為采樣保持電路。四、采樣保持器（Sample Holder）在采樣狀態(tài)下，電路的輸出跟蹤輸入模擬信號(hào)，在保持狀態(tài)下，電路的輸出保持著前一次采樣結(jié)束時(shí)刻的瞬時(shí)輸入模擬信號(hào)，直到進(jìn)入下一次采樣狀態(tài)為止。經(jīng)過(guò)對(duì)Vi的采樣，V0的小平臺(tái)電壓值保持到下一次的采樣開(kāi)始，該穩(wěn)定的“小平臺(tái)”電壓供A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 第32頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四采樣/保持示意圖10.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)

17、換器第33頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器五、A/D轉(zhuǎn)換器（Analog to Digit） A/D轉(zhuǎn)換器是模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的核心環(huán)節(jié)，其功能是將模擬輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（二進(jìn)制數(shù)或BCD碼等），以便由計(jì)算機(jī)讀取、分析處理，并依據(jù)它發(fā)出對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制信號(hào)。 第34頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理 方法：計(jì)數(shù)法雙積分法逐次逼近法 用軟件和D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換第35頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)

18、換第36頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四不同的芯片具有不同的連接方式，其中最主要的是輸入、輸出以及控制信號(hào)的連接方式。 從輸入端來(lái)看，有單端輸入的，也有差動(dòng)輸入的。差動(dòng)輸入有利于克服共模干擾。輸入信號(hào)的極性有單極性和雙極性輸入，這由極性控制端的接法決定。10.3.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入模擬電壓的連接第37頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四數(shù)據(jù)輸出線和系統(tǒng)總線的連接 （1）在ADC芯片內(nèi)部，數(shù)據(jù)輸出寄存器具有可控的輸出三態(tài)門(mén)，這類芯片輸出線允許和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接相連，并在轉(zhuǎn)換結(jié)束后可以利用輸入輸出讀信號(hào)選通三態(tài)門(mén)，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的

19、數(shù)據(jù)總線上。 （2）在ADC芯片內(nèi)部沒(méi)有可控的輸出三態(tài)門(mén)，輸出寄存器直接與芯片數(shù)據(jù)輸出引腳相連，這種芯片的數(shù)據(jù)輸出引腳必須通過(guò)外加的三態(tài)門(mén)才能連到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線。10.3.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器第38頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC芯片的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)有電平和脈沖兩種形式。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分別對(duì)待，對(duì)要求用電平啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的芯片，如果在轉(zhuǎn)換過(guò)程中撤去電平信號(hào)，則將停止轉(zhuǎn)換而得到錯(cuò)誤的結(jié)果。啟動(dòng)信號(hào)的供給： 第39頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在ADC轉(zhuǎn)換完成后，會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，以示主機(jī)可以從模/

20、數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。 程序查詢方式 中斷方式 CPU等待方式固定的延遲程序方式 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀?。旱?0頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3.4 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器0809 ADC0809芯片是CMOS型單片雙列直插式模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，采用逐次逼近式轉(zhuǎn)換方式，可對(duì)8路模擬電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到微處理器的數(shù)據(jù)總線上。第41頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3.4 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器0809主要計(jì)數(shù)指標(biāo)：1）分辨率為8位。 2）最大不可調(diào)誤差上1LSB。 3）單電源5V。 4）可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL電平兼容。 5）當(dāng)用5V電源供電時(shí)，模擬輸入電壓范圍為 05V。第42頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)47分，星期四10.3.4 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)IN7:IN0AddrCAddrBAddrAALEEOCStartClockD7:D0 IN0IN7可輸入8路模擬電壓；通道號(hào)由地址信號(hào)A、B、C譯碼后選定； 轉(zhuǎn)換結(jié)果送入三態(tài)輸出鎖存器，當(dāng)