數(shù)模(DA)轉(zhuǎn)換課件

第11章模數(shù)(A/D)

和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換中國科學技術大學何克東第11章中國科學技術大學何克東111.1概述模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時間和數(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11.1概述模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時間和數(shù)值2在實際工程中大量遇到的是連續(xù)變化的物理量。所謂連續(xù)，包括兩方面的含義：一方面從時間上來說，它是隨時間連續(xù)變化的；另一方面從數(shù)值上來說，它的數(shù)值也是連續(xù)變化的。這種連續(xù)變化的物理量通常稱為模擬量。例如溫度、壓力、流量、位移、轉(zhuǎn)速以及連續(xù)變化的電壓、電流等等。因為微型計算機只能處理數(shù)字量的信息，模擬接口的作用就是實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter)，簡稱ADC或A/D轉(zhuǎn)換器。計算機的計算結(jié)果是數(shù)字量，不能用它去直接控制執(zhí)行部件，需要先把它轉(zhuǎn)換為模擬量，才能用于控制。這種能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DigitaltoAnalogConverter)，簡稱DAC或D/A轉(zhuǎn)換器。在實際工程中大量遇到的是連續(xù)變化的物理量。所謂連續(xù)，包括兩方3一、模擬輸入輸出系統(tǒng)數(shù)字信號模擬信號現(xiàn)場信號1現(xiàn)場信號2現(xiàn)場信號n放大器放大器放大器多路開關低通濾波傳感器低通濾波傳感器低通濾波傳感器A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器數(shù)字信號受控對象控制信號模擬信號D/A轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動電路…I/0接口放大器把傳感器輸出的信號放大到ADC所需的量程范圍多路開關把多個現(xiàn)場信號分時地接通到A/D轉(zhuǎn)換器低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比采樣保持器周期性地采樣連續(xù)信號，并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變傳感器將各種現(xiàn)場的物理量測量出來并轉(zhuǎn)換成電信號（模擬電壓或電流）I/0接口多路開關一、模擬輸入輸出系統(tǒng)數(shù)字信號模擬信號現(xiàn)場信號1現(xiàn)場信號2411.2D/A轉(zhuǎn)換器DAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器數(shù)字量模擬量11.2D/A轉(zhuǎn)換器DAC數(shù)字量模擬量5一、D/A轉(zhuǎn)換的基本原理

D／A轉(zhuǎn)換器的功能是把計算機輸出的二進制數(shù)字量電信號轉(zhuǎn)換成與其數(shù)值成正比的模擬量電信號。D/A轉(zhuǎn)換器可以視為微機的一種輸出設備，實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器與微機接口技術的關鍵是數(shù)據(jù)鎖存問題，當CPU向D/A轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上只能持續(xù)較短的時間。因此，必須要用數(shù)據(jù)鎖存器將數(shù)據(jù)鎖存，才能為D/A轉(zhuǎn)換器提供一個穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。一、D/A轉(zhuǎn)換的基本原理D／A轉(zhuǎn)換器的功能是把計算機輸6數(shù)字量→按權相加→模擬量1101B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＝13數(shù)字量→按權相加→模擬量1101B＝1×23＋17權電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖RfVo+_S3D14RS2D22RIOS4D48RS1D3RVR電阻網(wǎng)絡基準電壓電子開關I1I2I3I4

IfΣ運算放大器虛地權電阻網(wǎng)絡DAC流入相加點Σ的總電流為：IO=d1I1+d2I2+d3I3+d4I4

=d1(VR/R)+d2(VR/2R)+d3(VR/3R)+d4(VR/4R)=(2VR/R)(d12-1+d22-2+d32-3+d42-4)如果Rf=R/2,輸入數(shù)字量d1d2d3d4=1000,VR=+5V,則輸出電壓：VO=-IO×Rf=-2VR/R×（1×（1/2）+0×(1/4)+0×(1/8)+0×(1/16))×(R/2)=-(1/2)VR=-2.5V權電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖RfVo+_S3D14RS2D8T型電阻解碼網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREFT型電阻解碼網(wǎng)絡DACT型電阻解碼網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖Iout2Iout1Rf9二、DAC的主要性能指標輸入數(shù)字量

包括輸入數(shù)字量的碼制、數(shù)據(jù)格式和它們的邏輯電平等。有二進制碼、BCD碼、補碼、偏移二進制碼等。邏輯電平一般為TTL電平。輸出模擬量

不同型號的D／A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大。一般為5V～10V，有的高壓輸出型的輸出電平，則高達24V～30V。還有些電流輸出型的D／A轉(zhuǎn)換器，低的為幾個mA到幾十個mA，高的可達3A。二、DAC的主要性能指標輸入數(shù)字量10分辨率這是D／A轉(zhuǎn)換器中最重要的指標，它表示D/A轉(zhuǎn)換器對模擬量的分辨能力。理論定義為最小輸出電壓(對應的輸入數(shù)字量僅最低位為“1”)與最大輸出電壓(對應的數(shù)字輸入量為全“1”)之比。對于前述4位D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1/15。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對應最小數(shù)字輸入的模擬信號電壓數(shù)值越小，也就越靈敏。通常，使用數(shù)字輸入量的位數(shù)來給出分辨率。

例如，單片集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7522的分辨率為10位，單片集成D/A轉(zhuǎn)換器ADll47的分辨率為16位等。

分辨率11建立時間

對于一個理想的D/A轉(zhuǎn)換器,其數(shù)字輸入信號從一個二進制數(shù)變到另一個二進制數(shù)時,其輸出模擬信號電壓,應立即從原來的輸出電壓跳變到與新的數(shù)字信號相對應的新的輸出電壓。但是在實際的D/A轉(zhuǎn)換器中,電路中的電容、電感和開關電路會引起電路時間延遲。所謂建立時間，系指數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的輸入代碼有滿度值的變化時,其輸出模擬信號電壓(或模擬信號電流)達到滿刻度值±1/2LSB精度時所需要的時間。不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器，其建立時間不同,一般從幾個納秒到幾個微秒。輸出形式是電流的,其D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間是很短的；輸出形式是電壓的,D/A轉(zhuǎn)換器的主要建立時間是其輸出運算放大器所需的響應時間。建立時間12轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度以最大的靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差的形式給出。這個轉(zhuǎn)換誤差應該是包含非線性誤差、比例系數(shù)誤差以及漂移誤差等綜合誤差。但是有的產(chǎn)品說明書中,只是分別給出各項誤差,而未給出綜合誤差。應該注意,轉(zhuǎn)換精度和分辨率是2個不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得的實際值對于理想值的接近程度，而分辨率是指能夠?qū)D(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量,對于分辨率很高的D／A轉(zhuǎn)換器并不一定具有很高的精度。線性誤差通常用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度。而非線性誤差為理想的輸入/輸出特性曲線與實際轉(zhuǎn)換曲線的偏差，一般取偏差的最大值表示。通常，使用最小數(shù)字輸入量的分數(shù)來給出最大偏差的數(shù)值，如±1/2LSB。轉(zhuǎn)換精度13DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入寄存器DGNDDI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER三、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832是典型的8位電流輸出型通用DAC芯片DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)LE2LE1RfbAGNDDAC08141.DAC0832的數(shù)字接口8位數(shù)字輸入端DI0～DI7（DI0為最低位）輸入寄存器（第1級鎖存）的控制端ILE、CS、WR1DAC寄存器（第2級鎖存）的控制端XFER、WR21.DAC0832的數(shù)字接口8位數(shù)字輸入端15直通鎖存器的工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器LE＝1，直通（輸出等于輸入）LE＝0，鎖存（輸出保持不變）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1直通鎖存器的工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器LE2LE116DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1輸入的數(shù)字數(shù)據(jù)直接進入D/A轉(zhuǎn)換器LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1LE2L17DAC0832的工作方式：單緩沖方式LE1＝1，或者LE2＝1兩個寄存器之一始終處于直通狀態(tài)另一個寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：單緩沖方式LE1＝1，或者LE2＝18DAC0832的工作方式：雙緩沖方式兩個寄存器都處于受控（緩沖）狀態(tài)能夠?qū)σ粋€數(shù)據(jù)進行D/A轉(zhuǎn)換的同時；輸入另一個數(shù)據(jù)LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：雙緩沖方式兩個寄存器都處于受控（緩192.DAC0832的模擬輸出Iout1、Iout2——電流輸出端Rfb——反饋電阻引出端（電阻在芯片內(nèi)）VREF——參考電壓輸入端＋10V～－10VAGND——模擬信號地VCC——電源電壓輸入端＋5V～＋15VDGND——數(shù)字信號地2.DAC0832的模擬輸出Iout1、Iout2——電流20單極性電壓輸出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF單極性電壓輸出Vout＝－Iout1×RfbRfbIout221單極性電壓輸出：例子設VREF＝－5VD＝FFH＝255時，最大輸出電壓：Vmax＝（255/256）×5V＝4.98VD＝00H時，最小輸出電壓：Vmin＝（0/256）×5V＝0VD＝01H時，一個最低有效位（LSB）電壓：VLSB＝（1/256）×5V＝0.02VVout＝－（D/2n）×VREF單極性電壓輸出：例子設VREF＝－5VVout＝－（D/2223.輸出精度的調(diào)整RfbIout2Iout1Vout+_AGND調(diào)零電位器調(diào)滿刻度電位器電源5VADI10K1M1KVREF3.輸出精度的調(diào)整RfbIout2Iout1Vout+_A234.地線的連接DGNDAGND模擬電路數(shù)字電路ADCDAC模擬電路數(shù)字電路模擬地數(shù)字地公共接地點4.地線的連接DGNDAGND模擬電路數(shù)字電路ADCDAC2411.2.3DAC芯片與主機的連接DAC芯片相當于一個“輸出設備”，至少需要一級鎖存器作為接口電路考慮到有些DAC芯片的數(shù)據(jù)位數(shù)大于主機數(shù)據(jù)總線寬度，所以分成兩種情況：1.主機位數(shù)等于或大于DAC芯片位數(shù)2.主機位數(shù)小于DAC芯片位數(shù)11.2.3DAC芯片與主機的連接DAC芯片相當于一個“251.主機位數(shù)大于或等于DAC芯片的連接moval,bufmovdx,portdoutdx,al譯碼ABD0～D7CLKDACVout+_ALS273

IOW1.主機位數(shù)大于或等于DAC芯片的連接moval,buf26DAC0832單緩沖方式

WR1

CS

IOW5V+5VRfbIout2Iout1

WR2XFERDGNDAGNDD0～D7DI0～D17VccILEVREFVout+_A譯碼ABDAC0832單緩沖方式WR1CSIOW5V+5VR272.主機位數(shù)小于DAC芯片的連接數(shù)字數(shù)據(jù)需要多次輸出接口電路也需要多個（級）鎖存器保存多次輸出的數(shù)據(jù)并需要同時將完整的數(shù)字量提供給DAC轉(zhuǎn)換器CPUDAC8位12位2.主機位數(shù)小于DAC芯片的連接數(shù)字數(shù)據(jù)需要多次輸出CPU28兩級鎖存電路模擬輸出12位DAC第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖存控制第1級高4位鎖存控制D0～D74位鎖存器4位鎖存器8位鎖存器8位鎖存器由同一個信號控制關鍵的一級鎖存無需輸出數(shù)據(jù)兩級鎖存電路模擬輸出第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖存控制29簡化的兩級鎖存電路模擬輸出12位DAC第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖存控制D0～D74位鎖存器8位鎖存器8位鎖存器由同一個信號控制關鍵的一級鎖存需要輸出高4位數(shù)據(jù)movdx,port1moval,bloutdx,almovdx,port2moval,bhoutdx,al簡化的兩級鎖存電路模擬輸出第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖30輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時間間隔02LSB1LSB255LSB254LSB鋸齒波周期

movdx,portd moval,0repeat:outdx,al incalcalldelay jmprepeatDAC芯片的應用輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時間間隔02LSB1LSB2553111.3A/D轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC11.3A/D轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器32模／數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過傳感器、放大器、濾波器、多路開關、采樣保持電路、A／D轉(zhuǎn)換器等器件，才能把要處理的物理量轉(zhuǎn)換成提供給計算機處理的數(shù)字量。

一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理模／數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過傳感器、放大器、濾波器、多路開關、采樣保33存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術，各有特點，分別應用于不同的場合4種常用的轉(zhuǎn)換技術計數(shù)器式逐次逼近式雙積分式并行式存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術，各有特點，分別應用于不同的場合341.計數(shù)器式以最低位為增減量單位的逐步計數(shù)法時鐘復位數(shù)字輸出比較器模擬輸入計數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束1.計數(shù)器式以最低位為增減量時鐘數(shù)字輸出比較器模擬輸入計352.逐次逼近式從最高位開始的逐位試探法時鐘復位數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束比較器模擬輸入寄存器D/A轉(zhuǎn)換器2.逐次逼近式從最高位開始時鐘數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束比較器模擬36二、典型的ADC0809芯片具有A/D轉(zhuǎn)換的基本功能CMOS工藝制作8位逐次逼近式ADC轉(zhuǎn)換時間為100s包含擴展部件多路開關三態(tài)鎖存緩沖器二、典型的ADC0809芯片具有A/D轉(zhuǎn)換的基本功能37ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809地址鎖存和譯碼OE通道選擇開關ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位三態(tài)鎖存緩沖器DACVcc比較器CLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定時和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOCADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809地址鎖存OEADDA381.ADC0809的模擬輸入提供一個8通道的多路開關和尋址邏輯IN0～IN7：8個模擬電壓輸入端ADDA、ADDB、ADDC：3個地址輸入線ALE：地址鎖存允許信號ALE的上升沿用于鎖存3個地址輸入的狀態(tài)，然后由譯碼器從8個模擬輸入中選擇一個模擬輸入端進行A/D轉(zhuǎn)換1.ADC0809的模擬輸入提供一個8通道的多路開關和尋址392.ADC0809的轉(zhuǎn)換時序D0～D7OEEOCALEADDA/B/CDATA100s2s+8T(最大)200ns(最小)轉(zhuǎn)換啟動信號轉(zhuǎn)換結(jié)束信號START2.ADC0809的轉(zhuǎn)換時序D0～D7OEEOCALEAD403.ADC0809的數(shù)字輸出ADC0809內(nèi)部鎖存轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量具有三態(tài)數(shù)字量輸出端D0～D7配合輸出允許信號OE當輸出允許信號OE為高電平有效時，將三態(tài)鎖存緩沖器的數(shù)字量從D0～D7輸出3.ADC0809的數(shù)字輸出ADC0809內(nèi)部鎖存轉(zhuǎn)換后的41單極性轉(zhuǎn)換示例基準電壓VREF(+)＝5V，VREF(－)＝0V輸入模擬電壓Vin＝1.5V N＝（1.5－0）÷（5－0）×256 ＝76.8≈77＝4DH單極性轉(zhuǎn)換示例基準電壓VREF(+)＝5V，VREF(－)＝4211.3.3ADC芯片與主機的連接ADC芯片相當于“輸入設備”，需要接口電路提供數(shù)據(jù)緩沖器主機需要控制轉(zhuǎn)換的啟動主機還需要及時獲知轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，并進行數(shù)據(jù)輸入等處理11.3.3ADC芯片與主機的連接ADC芯片相當于“輸入431.數(shù)據(jù)輸出線的連接與主機的連接可分成兩種方式直接相連：用于輸出帶有三態(tài)鎖存器的ADC芯片通過三態(tài)鎖存器相連：適用于不帶三態(tài)鎖存器的ADC芯片，也適用帶有三態(tài)鎖存緩沖器的芯片ADC芯片的數(shù)字輸出位數(shù)大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線位數(shù)，需把數(shù)據(jù)分多次讀取1.數(shù)據(jù)輸出線的連接與主機的連接可分成兩種方式442.A/D轉(zhuǎn)換的啟動（1）啟動信號一般有兩種形式脈沖信號啟動轉(zhuǎn)換電平信號啟動轉(zhuǎn)換2.A/D轉(zhuǎn)換的啟動（1）啟動信號一般有兩種形式452.A/D轉(zhuǎn)換的啟動（2）主機產(chǎn)生啟動信號有兩種方法編程啟動軟件上，執(zhí)行一個輸出指令硬件上，利用輸出指令產(chǎn)生ADC啟動脈沖，或產(chǎn)生一個啟動有效電平定時啟動啟動信號來自定時器輸出2.A/D轉(zhuǎn)換的啟動（2）主機產(chǎn)生啟動信號有兩種方法463.轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理不同的處理方式對應程序設計方法不同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3.轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理不同的處理方式對應程序設計方法不同47假設系統(tǒng)分配給8255A的端口地址為320H一323H。又設,已完成對8255A的初始化編程，并使ES和DS有相同的段基地址。若要求ADC0809將8路模擬量轉(zhuǎn)換成8個數(shù)字量后，存放到內(nèi)存中段基地址為ES，偏移量從DATA—BUF開始的存儲單元中，則用ADC0809完成一次8路模擬量的采集子程序AD_SUB如下：假設系統(tǒng)分配給8255A的端口地址為320H一323H48AD_SUBPROCMOVCX,8；CX作數(shù)據(jù)計數(shù)器CLD；清方向標志MOVBL,00H；模擬通道號存在BL中LEADI，DATA_BUF；緩沖區(qū)偏移地址NEXT_IN：MOVDX，322H；C口地址MOVAL，BLOUTDX，ALMOVDX，323HMOVAL，00000111B;IPC3置1OUTDX，AL；送出開始啟動信號NOP;延時NOPNOPMOVAL，00000110B；PC3復位OUTDX，AL；送出結(jié)束啟動信號AD_SUBPROC49MOVDX，322H;DX指向C口NO_CONV：INAL;DX讀入C口內(nèi)容TESTAL，80H;查PC'7，即EOC信號JNZNO_CONV;PC7=1，還未開始轉(zhuǎn)換，等待NO_EOC：INAL，DX;PC7=1，，已啟動轉(zhuǎn)換TESTAL，80H；再查PC7JZNO_EOC；IPC7＝0，轉(zhuǎn)換未結(jié)束，等待MOVDX，320H；PC7=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束，DX指向A口INAL，DX；讀人數(shù)據(jù)STOSDATA_BUF；存入ES段的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)INCBL；指向下個通道LOOPNEXT_IN；尚未完成8路轉(zhuǎn)換則循環(huán)RET；已完成，返回AD_SUBENDPMOVDX，322H;DX指向50第11章模數(shù)(A/D)

和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換中國科學技術大學何克東第11章中國科學技術大學何克東5111.1概述模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時間和數(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11.1概述模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時間和數(shù)值52在實際工程中大量遇到的是連續(xù)變化的物理量。所謂連續(xù)，包括兩方面的含義：一方面從時間上來說，它是隨時間連續(xù)變化的；另一方面從數(shù)值上來說，它的數(shù)值也是連續(xù)變化的。這種連續(xù)變化的物理量通常稱為模擬量。例如溫度、壓力、流量、位移、轉(zhuǎn)速以及連續(xù)變化的電壓、電流等等。因為微型計算機只能處理數(shù)字量的信息，模擬接口的作用就是實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter)，簡稱ADC或A/D轉(zhuǎn)換器。計算機的計算結(jié)果是數(shù)字量，不能用它去直接控制執(zhí)行部件，需要先把它轉(zhuǎn)換為模擬量，才能用于控制。這種能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DigitaltoAnalogConverter)，簡稱DAC或D/A轉(zhuǎn)換器。在實際工程中大量遇到的是連續(xù)變化的物理量。所謂連續(xù)，包括兩方53一、模擬輸入輸出系統(tǒng)數(shù)字信號模擬信號現(xiàn)場信號1現(xiàn)場信號2現(xiàn)場信號n放大器放大器放大器多路開關低通濾波傳感器低通濾波傳感器低通濾波傳感器A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器數(shù)字信號受控對象控制信號模擬信號D/A轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動電路…I/0接口放大器把傳感器輸出的信號放大到ADC所需的量程范圍多路開關把多個現(xiàn)場信號分時地接通到A/D轉(zhuǎn)換器低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比采樣保持器周期性地采樣連續(xù)信號，并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變傳感器將各種現(xiàn)場的物理量測量出來并轉(zhuǎn)換成電信號（模擬電壓或電流）I/0接口多路開關一、模擬輸入輸出系統(tǒng)數(shù)字信號模擬信號現(xiàn)場信號1現(xiàn)場信號25411.2D/A轉(zhuǎn)換器DAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器數(shù)字量模擬量11.2D/A轉(zhuǎn)換器DAC數(shù)字量模擬量55一、D/A轉(zhuǎn)換的基本原理

D／A轉(zhuǎn)換器的功能是把計算機輸出的二進制數(shù)字量電信號轉(zhuǎn)換成與其數(shù)值成正比的模擬量電信號。D/A轉(zhuǎn)換器可以視為微機的一種輸出設備，實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器與微機接口技術的關鍵是數(shù)據(jù)鎖存問題，當CPU向D/A轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上只能持續(xù)較短的時間。因此，必須要用數(shù)據(jù)鎖存器將數(shù)據(jù)鎖存，才能為D/A轉(zhuǎn)換器提供一個穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。一、D/A轉(zhuǎn)換的基本原理D／A轉(zhuǎn)換器的功能是把計算機輸56數(shù)字量→按權相加→模擬量1101B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＝13數(shù)字量→按權相加→模擬量1101B＝1×23＋157權電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖RfVo+_S3D14RS2D22RIOS4D48RS1D3RVR電阻網(wǎng)絡基準電壓電子開關I1I2I3I4

IfΣ運算放大器虛地權電阻網(wǎng)絡DAC流入相加點Σ的總電流為：IO=d1I1+d2I2+d3I3+d4I4

=d1(VR/R)+d2(VR/2R)+d3(VR/3R)+d4(VR/4R)=(2VR/R)(d12-1+d22-2+d32-3+d42-4)如果Rf=R/2,輸入數(shù)字量d1d2d3d4=1000,VR=+5V,則輸出電壓：VO=-IO×Rf=-2VR/R×（1×（1/2）+0×(1/4)+0×(1/8)+0×(1/16))×(R/2)=-(1/2)VR=-2.5V權電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖RfVo+_S3D14RS2D58T型電阻解碼網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREFT型電阻解碼網(wǎng)絡DACT型電阻解碼網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖Iout2Iout1Rf59二、DAC的主要性能指標輸入數(shù)字量

包括輸入數(shù)字量的碼制、數(shù)據(jù)格式和它們的邏輯電平等。有二進制碼、BCD碼、補碼、偏移二進制碼等。邏輯電平一般為TTL電平。輸出模擬量

不同型號的D／A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大。一般為5V～10V，有的高壓輸出型的輸出電平，則高達24V～30V。還有些電流輸出型的D／A轉(zhuǎn)換器，低的為幾個mA到幾十個mA，高的可達3A。二、DAC的主要性能指標輸入數(shù)字量60分辨率這是D／A轉(zhuǎn)換器中最重要的指標，它表示D/A轉(zhuǎn)換器對模擬量的分辨能力。理論定義為最小輸出電壓(對應的輸入數(shù)字量僅最低位為“1”)與最大輸出電壓(對應的數(shù)字輸入量為全“1”)之比。對于前述4位D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1/15。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對應最小數(shù)字輸入的模擬信號電壓數(shù)值越小，也就越靈敏。通常，使用數(shù)字輸入量的位數(shù)來給出分辨率。

例如，單片集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7522的分辨率為10位，單片集成D/A轉(zhuǎn)換器ADll47的分辨率為16位等。

分辨率61建立時間

對于一個理想的D/A轉(zhuǎn)換器,其數(shù)字輸入信號從一個二進制數(shù)變到另一個二進制數(shù)時,其輸出模擬信號電壓,應立即從原來的輸出電壓跳變到與新的數(shù)字信號相對應的新的輸出電壓。但是在實際的D/A轉(zhuǎn)換器中,電路中的電容、電感和開關電路會引起電路時間延遲。所謂建立時間，系指數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的輸入代碼有滿度值的變化時,其輸出模擬信號電壓(或模擬信號電流)達到滿刻度值±1/2LSB精度時所需要的時間。不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器，其建立時間不同,一般從幾個納秒到幾個微秒。輸出形式是電流的,其D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間是很短的；輸出形式是電壓的,D/A轉(zhuǎn)換器的主要建立時間是其輸出運算放大器所需的響應時間。建立時間62轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度以最大的靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差的形式給出。這個轉(zhuǎn)換誤差應該是包含非線性誤差、比例系數(shù)誤差以及漂移誤差等綜合誤差。但是有的產(chǎn)品說明書中,只是分別給出各項誤差,而未給出綜合誤差。應該注意,轉(zhuǎn)換精度和分辨率是2個不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得的實際值對于理想值的接近程度，而分辨率是指能夠?qū)D(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量,對于分辨率很高的D／A轉(zhuǎn)換器并不一定具有很高的精度。線性誤差通常用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度。而非線性誤差為理想的輸入/輸出特性曲線與實際轉(zhuǎn)換曲線的偏差，一般取偏差的最大值表示。通常，使用最小數(shù)字輸入量的分數(shù)來給出最大偏差的數(shù)值，如±1/2LSB。轉(zhuǎn)換精度63DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入寄存器DGNDDI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER三、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832是典型的8位電流輸出型通用DAC芯片DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)LE2LE1RfbAGNDDAC08641.DAC0832的數(shù)字接口8位數(shù)字輸入端DI0～DI7（DI0為最低位）輸入寄存器（第1級鎖存）的控制端ILE、CS、WR1DAC寄存器（第2級鎖存）的控制端XFER、WR21.DAC0832的數(shù)字接口8位數(shù)字輸入端65直通鎖存器的工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器LE＝1，直通（輸出等于輸入）LE＝0，鎖存（輸出保持不變）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1直通鎖存器的工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器LE2LE166DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1輸入的數(shù)字數(shù)據(jù)直接進入D/A轉(zhuǎn)換器LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1LE2L67DAC0832的工作方式：單緩沖方式LE1＝1，或者LE2＝1兩個寄存器之一始終處于直通狀態(tài)另一個寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：單緩沖方式LE1＝1，或者LE2＝68DAC0832的工作方式：雙緩沖方式兩個寄存器都處于受控（緩沖）狀態(tài)能夠?qū)σ粋€數(shù)據(jù)進行D/A轉(zhuǎn)換的同時；輸入另一個數(shù)據(jù)LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉(zhuǎn)換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：雙緩沖方式兩個寄存器都處于受控（緩692.DAC0832的模擬輸出Iout1、Iout2——電流輸出端Rfb——反饋電阻引出端（電阻在芯片內(nèi)）VREF——參考電壓輸入端＋10V～－10VAGND——模擬信號地VCC——電源電壓輸入端＋5V～＋15VDGND——數(shù)字信號地2.DAC0832的模擬輸出Iout1、Iout2——電流70單極性電壓輸出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF單極性電壓輸出Vout＝－Iout1×RfbRfbIout271單極性電壓輸出：例子設VREF＝－5VD＝FFH＝255時，最大輸出電壓：Vmax＝（255/256）×5V＝4.98VD＝00H時，最小輸出電壓：Vmin＝（0/256）×5V＝0VD＝01H時，一個最低有效位（LSB）電壓：VLSB＝（1/256）×5V＝0.02VVout＝－（D/2n）×VREF單極性電壓輸出：例子設VREF＝－5VVout＝－（D/2723.輸出精度的調(diào)整RfbIout2Iout1Vout+_AGND調(diào)零電位器調(diào)滿刻度電位器電源5VADI10K1M1KVREF3.輸出精度的調(diào)整RfbIout2Iout1Vout+_A734.地線的連接DGNDAGND模擬電路數(shù)字電路ADCDAC模擬電路數(shù)字電路模擬地數(shù)字地公共接地點4.地線的連接DGNDAGND模擬電路數(shù)字電路ADCDAC7411.2.3DAC芯片與主機的連接DAC芯片相當于一個“輸出設備”，至少需要一級鎖存器作為接口電路考慮到有些DAC芯片的數(shù)據(jù)位數(shù)大于主機數(shù)據(jù)總線寬度，所以分成兩種情況：1.主機位數(shù)等于或大于DAC芯片位數(shù)2.主機位數(shù)小于DAC芯片位數(shù)11.2.3DAC芯片與主機的連接DAC芯片相當于一個“751.主機位數(shù)大于或等于DAC芯片的連接moval,bufmovdx,portdoutdx,al譯碼ABD0～D7CLKDACVout+_ALS273

IOW1.主機位數(shù)大于或等于DAC芯片的連接moval,buf76DAC0832單緩沖方式

WR1

CS

IOW5V+5VRfbIout2Iout1

WR2XFERDGNDAGNDD0～D7DI0～D17VccILEVREFVout+_A譯碼ABDAC0832單緩沖方式WR1CSIOW5V+5VR772.主機位數(shù)小于DAC芯片的連接數(shù)字數(shù)據(jù)需要多次輸出接口電路也需要多個（級）鎖存器保存多次輸出的數(shù)據(jù)并需要同時將完整的數(shù)字量提供給DAC轉(zhuǎn)換器CPUDAC8位12位2.主機位數(shù)小于DAC芯片的連接數(shù)字數(shù)據(jù)需要多次輸出CPU78兩級鎖存電路模擬輸出12位DAC第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖存控制第1級高4位鎖存控制D0～D74位鎖存器4位鎖存器8位鎖存器8位鎖存器由同一個信號控制關鍵的一級鎖存無需輸出數(shù)據(jù)兩級鎖存電路模擬輸出第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖存控制79簡化的兩級鎖存電路模擬輸出12位DAC第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖存控制D0～D74位鎖存器8位鎖存器8位鎖存器由同一個信號控制關鍵的一級鎖存需要輸出高4位數(shù)據(jù)movdx,port1moval,bloutdx,almovdx,port2moval,bhoutdx,al簡化的兩級鎖存電路模擬輸出第2級12位鎖存控制第1級低8位鎖80輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時間間隔02LSB1LSB255LSB254LSB鋸齒波周期

movdx,portd moval,0repeat:outdx,al incalcalldelay jmprepeatDAC芯片的應用輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時間間隔02LSB1LSB2558111.3A/D轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC11.3A/D轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器82模／數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過傳感器、放大器、濾波器、多路開關、采樣保持電路、A／D轉(zhuǎn)換器等器件，才能把要處理的物理量轉(zhuǎn)換成提供給計算機處理的數(shù)字量。

一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理模／數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過傳感器、放大器、濾波器、多路開關、采樣保83存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術，各有特點，分別應用于不同的場合4種常用的轉(zhuǎn)換技術計數(shù)器式逐次逼近式雙積分式并行式存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術，各有特點，分別應用于不同的場合841.計數(shù)器式以最低位為增減量單位的逐步計數(shù)法時鐘復位數(shù)字輸出比較器模擬輸入計數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束1.計數(shù)器式以最低位為增減量時鐘數(shù)字輸出比較器模擬輸入計852.逐次逼近式從最高位開始的逐位試探法時鐘復位數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束比較器模擬輸入寄存器D/A轉(zhuǎn)換器2.逐次逼近式從最高位開始時鐘數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束比較器模擬86二、典型的ADC0809芯片具有A/D轉(zhuǎn)換的基本功能CMOS工藝制作8位逐次逼近式ADC轉(zhuǎn)換時間為100s包含擴展部件多路開關三態(tài)鎖存緩沖器二、典型的ADC0809芯片具有A/D轉(zhuǎn)換的基本功能87ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809地址鎖存和譯碼OE通道選擇開關ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位三態(tài)鎖存緩沖器DACVcc比較器CLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定時和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOCADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809地址鎖存OEADDA881.ADC0809的模擬輸入提供一個8通道的多路開關和尋址邏輯IN0～IN7：8個模擬電壓輸入端ADDA、ADDB、ADDC：3個地址輸入線ALE：地址鎖存允許信號ALE的上升沿用于鎖存3個地址輸入的狀態(tài)，然后由譯碼器從8個模擬輸入中選擇一個模擬輸入端進行A/D轉(zhuǎn)換1.ADC0809的模擬輸入提供一個8通道的多路開關和尋址892.ADC0809的轉(zhuǎn)換時序D0～D7OEEOCALEADDA/B/CDATA100s2s+8T(最大)200ns(最小)轉(zhuǎn)換啟動信號轉(zhuǎn)換結(jié)束信號START2.ADC0809的轉(zhuǎn)換時序D0～D7OEEOCALEAD903.ADC0809的數(shù)字輸出ADC0809內(nèi)部鎖存轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量具有三態(tài)數(shù)字量輸出端D0～D7配合輸出允許信號OE當輸出允許信號OE為高電平有效時，將三態(tài)鎖存緩沖器的數(shù)字量從D0～D7輸出3.ADC0809的數(shù)字輸出ADC0809內(nèi)部鎖存轉(zhuǎn)換后的91單極性轉(zhuǎn)換示例基準電壓VREF(+)＝5V，VREF(－)＝0V輸入模擬電壓Vin＝1.5V N＝（1.5－0）÷（5－0）×256 ＝76.8≈77＝4DH單極性轉(zhuǎn)換示例基準電壓VREF(+)＝5V，VREF(－)＝9211.3.