第六章4AD及DA變換器接口

6.9A/D及D/A變換器接口

6.9.1數(shù)字到模擬(D/A)變換器

將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（DigitaltoAnalog），實現(xiàn)的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡寫成DAC（Digital－AnalogConverter）

目前常用的D/A轉(zhuǎn)換器有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容型D/A轉(zhuǎn)換器以及開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器等幾種類型。1.D/A變換器的基本原理及技術(shù)指標(biāo)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。

圖6.58典型D/A變換器芯片的組成框圖其中：2n-1、2n－2．．．21、20稱為最高位（MostSignificantBit，簡稱MSB）到最低位（LeastSignificantBit，簡稱LSB）的權(quán)。一個多位二進制數(shù)可表示為

D/A變換器的主要技術(shù)指標(biāo)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,用于表示D/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化敏感程度的。定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能分成的等級數(shù)，從00…00到11…11全部2n個不同的狀態(tài)，給出2n個不同的輸出電壓，位數(shù)越多，等級越多，意味著分辨率越高。在實際應(yīng)用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。另外也用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比表示分辨率。(2)精度

它表示由于D/A變換器的引入,使其輸出和輸入之間產(chǎn)生的誤差。D/A變換器的誤差主要由下面幾部分組成:①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。由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降都不能為零，故而它們的存在肯定會引起輸出產(chǎn)生誤差電壓,每個開關(guān)的導(dǎo)通電阻不一定相等，電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻阻值得偏差，也會產(chǎn)生非線性誤差。②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。③電源波動誤差：由于標(biāo)準(zhǔn)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,則可寫為:ε2總=ε2非線性+ε2電源波動+ε2溫度漂移+ε2運放標(biāo)準(zhǔn)差為ε總=ε2非線性+ε2電源波動+ε2溫度漂移+ε2運放

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ε2電源波動+ε2溫度漂移+ε2運放=又假設(shè),后三者是相等的,則經(jīng)計算可得ε電源波動=ε溫度漂移=ε運放=0.05%(3)變換時間

當(dāng)數(shù)據(jù)變化為滿刻度時，從數(shù)碼輸入到輸出達(dá)到終值的±1/2LSB時所需要的時間為變換時間。

目前在不包含運算放大器的D/A轉(zhuǎn)換器中，tset最小為0.1μs以內(nèi)；在包含運算放大器的集成D/A轉(zhuǎn)換器中，tset最小為1.5μs以內(nèi)。在外加運算放大器的D/A轉(zhuǎn)換器中，由于運算放大器的轉(zhuǎn)換速度會影響D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，故應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率高的運算放大器，以縮短運算放大器的建立時間。(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)引線及其功能圖6.59DAC0832的引線圖圖6.59DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AC0832為20條引線的芯片,各引線定義如下:D0~D7——8條輸入數(shù)據(jù)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;VREF——參考電壓輸入端,其電源電壓可在-10V~+10V范圍中選取;IOUT1、IOUT2——D/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)(2)工作時序D/A芯片DAC0832的工作時序如圖所示。

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。DAC0832的工作時序(3)DAC0832的幾種典型輸出連接方式①單極輸出電路。單極性輸出電路如圖6.60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6.60(a)為反相輸出電路,其輸出電壓為:圖6.60(b)是同相輸出電路,其電壓輸出為:圖6.60單極性輸出電路(a)反相輸出;(b)同相輸出②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(dá)式為設(shè)U1為0~-5V,則選取UREF為+5V。那么UOUT=0~10V-5V=-5V~5V

圖6.61雙極性輸出電路圖6.62DAC0832與PC總線的連接圖④DAC0832與8088微處理器的連接設(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:MOVDX，278H;端口地址送DXMOVAL，00H;準(zhǔn)備起始輸出數(shù)據(jù)LOOP:OUTDX，ALDECALJMPLOOP;循環(huán)形成周期鋸齒波

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

將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（AnalogtoDigital），實現(xiàn)的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡寫為ADC（Analog－DigitalConverter）。A/D轉(zhuǎn)換器的類型可分成直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。在直接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓信號直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號；而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬信號首先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量（如時間、頻率等），然后再將這個中間量轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量。2.A/D變換器的主要技術(shù)指標(biāo)(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:

①量化間隔和量化誤差。能使A/D變換器最低有效位（LSB）改變的模擬電壓，也就是最低有效位所代表的模擬電壓就稱為量化間隔，通常用下式表示：

量化誤差可以用絕對誤差表示：量化誤差用相對誤差表示：②非線性誤差:A/D在整個變換量程范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸入量的實際值與理論值之差。例如AD574的非線性誤差為±1LSB③電源波動誤差：AD變換器對電源變化的靈敏度常用相對誤差來表示，但更多的是用絕對誤差，即用最低有效位的變化來表示。例如,手冊中給出AD574的電源靈敏度為:+13.5V≤VCC≤+16.5V±2LSB-16.5V≤VDD≤-13.5V±(1/2)LSB+4.5V≤VLOGIC≤+13.5V±2LSB

④溫度漂移誤差：由于溫度變化而使AD變換器發(fā)生變化而產(chǎn)生的誤差。⑤零點漂移誤差：由于輸入端零點漂移引起的誤差。⑥參考電源誤差。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ε總=ε21+ε22+ε23+ε24+ε25

其中ε1~ε5為各因素引起的誤差。ε總為A/D變換器的總誤差。(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35μs,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0~5V或0~10V。3.A/D變換器芯片及應(yīng)用2)8位A/D變換器芯片ADC0809

圖6.69ADC0809引線圖

D0(2-8)~D7(2-1)——輸出數(shù)據(jù)線;IN0~IN7——8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ADDA~ADDC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;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;VCC——5V電源輸入;GND——地。圖6.66ADC0809工作時序圖ADC0809工作時序圖6.75ADC0809與系統(tǒng)總線的接口連接2、ADC0809的應(yīng)用

首先對進行初始化，8255工作在方式0，A口輸入，B口輸出，C口低4位輸出、高4位輸入，并且使PC0=0，PC1=0

采集程序根據(jù)ADC0809的工作時序編寫:1、送出路地址，選擇要變換的模擬信號2、送出路地址鎖存和啟動變換信號3、變換結(jié)束后使OE有效高電平，使變換好的數(shù)據(jù)輸出4、讀取變換好的數(shù)據(jù)并存放在指定地址

PRMADPROCNEARPUSHBX PUSHDX PUSHDS PUSHAX PUSHSI MOVDX,SEGADATA MOVDS,DX MOVSI,OFFSETADATA MOVBL,00H MOVBH,08HGOON:MOVDX,8001H MOVAL,BL OUTDX,AL;送路地址