項(xiàng)目14 集成AD及DA轉(zhuǎn)換器認(rèn)知及應(yīng)用電路的制作

項(xiàng)目十五:集成AD及DA轉(zhuǎn)換器認(rèn)知及應(yīng)用電路的制作15．1集成AD轉(zhuǎn)換器認(rèn)知及測(cè)試

15．2簡(jiǎn)易型數(shù)字電壓表的制作

15．3DA轉(zhuǎn)換器認(rèn)知及測(cè)試

15．4運(yùn)用DAC0832制作波形發(fā)生電路項(xiàng)目目標(biāo)：測(cè)試8位AD轉(zhuǎn)換器ADC0809、8位DA轉(zhuǎn)換器DAC0832的特性，利用ADC0809和DAC0832制作簡(jiǎn)易型數(shù)字電壓表及波形發(fā)生器；項(xiàng)目要求：簡(jiǎn)易型數(shù)字電壓表測(cè)量范圍0~5V，四位數(shù)碼管顯示，測(cè)量精度約為0.02V；波形發(fā)生器可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波及鋸齒波；

項(xiàng)目提示：在該項(xiàng)目中，我們將測(cè)試常用8位AD\DA轉(zhuǎn)換器ADC0809和DAC08832，相應(yīng)電路參照項(xiàng)目電路。項(xiàng)目任務(wù)15．1集成AD轉(zhuǎn)換器認(rèn)知及測(cè)試先認(rèn)識(shí)一下各種集成AD、DA轉(zhuǎn)換器實(shí)物，如圖15.1所示。

圖15.1集成AD轉(zhuǎn)換器實(shí)物圖

上述AD轉(zhuǎn)換器實(shí)物用于工業(yè)控制系統(tǒng)、多媒體的音視頻信息的數(shù)字化等場(chǎng)合，其中8位AD轉(zhuǎn)換器ADC0809是控制系統(tǒng)中常用的AD轉(zhuǎn)換器。在測(cè)試ADC0809之前，讓我們先來(lái)學(xué)習(xí)一下集成AD轉(zhuǎn)換器的相關(guān)知識(shí)。

AD轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號(hào)，即將模擬量轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字量。一個(gè)完整的AD轉(zhuǎn)換過程，必須包括采樣、保持、量化、編碼四部分。

1.采樣所謂采樣就是采集模擬信號(hào)的樣本。

圖15.2模擬信號(hào)采樣一、AD轉(zhuǎn)換的基本知識(shí)

為了使采樣得到的離散的模擬量與n位二進(jìn)制碼的個(gè)數(shù)字量一一對(duì)應(yīng)，還必須將采樣后離散的模擬量歸并到個(gè)離散電平中的某一個(gè)電平上，這樣的2n一個(gè)過程稱之為量化。量化后的值再按數(shù)制要求進(jìn)行編碼，以作為轉(zhuǎn)換完成后輸出的數(shù)字代碼。量化和編碼是所有AD轉(zhuǎn)換器不可缺少的核心部分之一。

2.量化與編碼

1．分辯率：指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。

2．轉(zhuǎn)換速率：是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。

3．量化誤差：由于AD的有限分辯率而引起的誤差。

4．偏移誤差：輸入信號(hào)為零時(shí)輸出信號(hào)不為零的值。

5．滿刻度誤差：滿度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差。

6．線性度：實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。二、AD轉(zhuǎn)換的技術(shù)指標(biāo)

1．主要特性

（1）8路8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。（2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs（4）單個(gè)＋5V電源供電（5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。（6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度（7）低功耗，約15mW。三、ADC0809的特性

2．外部特性（引腳功能）及工作原理

IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。D0～D7：8位數(shù)字量輸出端。A0、A1、A2：3位地址輸入線。

ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入高電平有效。START：A／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端。

EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。

OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入高電平有效。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640kHz。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。3.ADC0809的工作原理

先看一下ADC0809的特性測(cè)試電路，如圖15.4所示。圖15.4ADC0809的特性測(cè)試電路四、ADC0809特性測(cè)試

1.按圖1測(cè)試電路將器件裝在面包板上，并正確連線。

2.接通+5V電源，按下開關(guān)S2。

3.通過開關(guān)S3~S5的通斷控制改變地址輸入，通過顯示電路LED的亮滅，觀察8路模擬量的輸出結(jié)果，并將結(jié)果記錄在表15.2中。模擬輸入通道模擬輸入量/V地址A2

A1

A0輸出量D7D6D5D4D3D2D1D0十進(jìn)制IN04.5000IN14.0001IN23.5010IN33.0011IN42.5100IN52.0101IN61.5110IN71.0111表15.2ADC0809特性測(cè)試表測(cè)試步驟：

目前生產(chǎn)AD/DA的主要廠家有ADI、TI、BB、PHILIP、MOTOROLA等，接下來(lái)介紹一下AD公司和美國(guó)德州儀器生產(chǎn)的幾種典型AD轉(zhuǎn)換器型號(hào)及特性，如表15.3所示。廠家型號(hào)特性特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合AD公司AD7705+3V電源供電，帶信號(hào)調(diào)理、1mW功耗、雙通道16位AD轉(zhuǎn)換器適用于低頻測(cè)量?jī)x器、微處理器（MCU）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）系統(tǒng)，手持式儀器，分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD公司AD7714+3V電源供電，低功耗、五通道24位AD轉(zhuǎn)換器用于低頻測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合的模擬前端、高靈敏度微控制器或DSP系統(tǒng)AD公司ADuC82424位高精度智能AD轉(zhuǎn)換器適用于工業(yè)、儀器儀表和智能傳感器接口中要求選擇高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合德州儀器公司TITLC548/5498位CMOSA/D轉(zhuǎn)換器用微處理器或外圍設(shè)備串行接口的輸入/輸出時(shí)鐘和芯片選擇輸入作數(shù)據(jù)控制德州儀器公司TITLV55808位低功耗高速A/D轉(zhuǎn)換器適用于超聲波檢測(cè)多媒體等高速數(shù)據(jù)采集五、其它常用集成AD轉(zhuǎn)換器型號(hào)及特性

15．2簡(jiǎn)易型數(shù)字電壓表的制作

先看一下該電壓表的電氣原理圖，如圖15.5所示。

圖15.5簡(jiǎn)易型數(shù)字電壓表電氣原理圖一、簡(jiǎn)易型數(shù)字電壓表的的結(jié)構(gòu)組成

1.控制部分

2.顯示部分

3.轉(zhuǎn)換部分二、簡(jiǎn)易型數(shù)字電壓表的顯示及測(cè)量原理

在圖15.5所示電路中，ADC0809具有8路8位模擬量輸入，但由于A0、A1、A2端口均接低電平“0”，故ADC0809選擇IN0模擬量輸入信號(hào)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其輸出最大數(shù)為255；另外ADC0809外部基準(zhǔn)電壓UREF(-)和UREF(+)端分別接地和“+5V”電源，故我們所測(cè)電壓范圍為0~5V，即0V對(duì)應(yīng)為數(shù)字0（二進(jìn)制00000000），5V就對(duì)應(yīng)255（十進(jìn)制11111111），外部所測(cè)電壓經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后數(shù)字量輸出范圍為0~255，再要把它變化為數(shù)字量顯示出來(lái)就得有一個(gè)算法問題。假設(shè)所轉(zhuǎn)化過來(lái)的單元值為X，則實(shí)際值為X/51，即測(cè)量精度約為0.1V。

一、安裝

1．安裝前應(yīng)認(rèn)真理解電路原理，并對(duì)所裝元器件預(yù)先進(jìn)行檢查，確保元器件處于良好狀態(tài)；

2.參照項(xiàng)目器件清單將電阻、電容、發(fā)光二極管、單片機(jī)AT89C51、ADC0809等元件參考原理圖15.5在萬(wàn)能板上焊好。實(shí)施步驟：

1.檢查萬(wàn)能板上元器件安裝、焊接及連線應(yīng)準(zhǔn)確無(wú)誤；

2.復(fù)審無(wú)誤后通電，啟動(dòng)單片機(jī)程序后依次作如下測(cè)試：（1）觀察此時(shí)數(shù)碼管的輸出并記錄；（2）將晶體管穩(wěn)壓電源的第二路輸出調(diào)至0.1V，重復(fù)①；（3）將晶體管穩(wěn)壓電源的第二路輸出依次0.2V、0.5V、0.8V、1V、1.2V、1.5V、1.8V、2V、2.2V、2.5V、2.8V、3V、3.2V、3.5V、3.8V、4V、4.2V、4.5V、4.8V、5V、6V，并將數(shù)碼管的顯示值與晶體管穩(wěn)壓電源的輸出作比較，并將數(shù)值記錄于表15.5中。二、調(diào)試穩(wěn)壓電源輸出值00.10.20.50.81.01.2電壓表顯示值穩(wěn)壓電源輸出值1.51.82.02.22.52.83.0電壓表顯示值穩(wěn)壓電源輸出值3.23.53.84.04.24.54.8電壓表顯示值穩(wěn)壓電源輸出值5.06.0電壓表顯示值在測(cè)試中，分析分析轉(zhuǎn)換輸出誤差的原因。

剛才制作的是8位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度一般，為1/256，也沒有充分發(fā)揮四位數(shù)碼管的顯示效能。思考一下，如何進(jìn)一步提高該電壓表的測(cè)量精度，使通過查詢相關(guān)資料并參照?qǐng)D15.5搭建硬件電路？（提示：可選用12位AD轉(zhuǎn)換器。）表15.515．3DA轉(zhuǎn)換器認(rèn)知及測(cè)試

先看一下常見集成DA轉(zhuǎn)換器實(shí)物，如圖15.6所示。圖15.6常用集成DA轉(zhuǎn)換器實(shí)物圖

上述實(shí)物是適用于音視頻、工業(yè)控制等需要數(shù)模轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，其中DAC0832是早一代常用8位DA轉(zhuǎn)換器，我們將通過測(cè)試，了解DA轉(zhuǎn)換器的功能及特性。在測(cè)試之前，讓我們先來(lái)學(xué)習(xí)一下集成DA轉(zhuǎn)換器的相關(guān)知識(shí)。

DA轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的線性電路器件，已做成集成芯片。由于實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的原理和電路結(jié)構(gòu)及工藝技術(shù)有所不同，因而出現(xiàn)各種各樣的DA轉(zhuǎn)換器。目前，國(guó)外市場(chǎng)已有上百種產(chǎn)品出售，他們?cè)谵D(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價(jià)值上都各具特色。其轉(zhuǎn)換輸出電壓為：其中RF=15kΩ。

一、DA轉(zhuǎn)換的基本知識(shí)（1）分辨率是指d/a轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，位數(shù)多分辨率也就越高。（2）轉(zhuǎn)換時(shí)間

是將一個(gè)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定模擬信號(hào)所需的時(shí)間，也可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)換時(shí)間。（3）精度指DA轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差，一般采用數(shù)字量的最低有效位作為衡量單位。（4）線性度當(dāng)數(shù)字量變化時(shí)，d/a轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量按比例關(guān)系變化的程度。二、DA轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：

1.DAC0832主要特性（1）分辨率為8位（2）只需在滿量程下調(diào)整其線性度（3）可與所有的單片機(jī)或微處理器直接接口，需要時(shí)亦可不與微處理器連用而單獨(dú)使用（4）電流穩(wěn)定時(shí)間1us（6）低功耗，200mW（7）邏輯電平輸入與TTL兼容三、DAC0832的特性（5）可雙緩沖、單緩沖或直通數(shù)據(jù)輸入（8）單電源供電（+5~+15V）2．外部特性（引腳功能）及工作原理

D0～D7：數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入線。

ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)，高電平有效；

CS為輸入寄存器選擇信號(hào)，低電平有效；

WR1輸入寄存器的“寫”選通信號(hào)，低電平有效。

Iout1和Iout2：電流輸出線。Iout1和Iout2的和為常數(shù)，Iout1寄存器的內(nèi)容線變化。圖15.7DAC0832引腳分布

圖15.7中LE1、LE2是寄存命令。當(dāng)LE1=1時(shí)，輸入寄存器的輸出隨輸入變化；當(dāng)LE1=0時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存在寄存器中，不再隨數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)變化而變化。

圖中的Rfb是片內(nèi)電阻，為外部運(yùn)算放大器提供反饋電阻，用以提供適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷?，VREF端是外部電路提供的+10V到—10V的參考電源。Iout1與Iout2是兩個(gè)電流輸出端。

欲將數(shù)字量D0—D7轉(zhuǎn)換為模擬量，只要使WR2=0、XFER=0、DAC寄存器為不鎖存狀態(tài)，即ILF=1，CS和WR1端接負(fù)脈沖信號(hào)即可完成一次轉(zhuǎn)換；或者WRI=0、CS=0、ILE=1、輸入寄存器為不鎖存狀態(tài)、而WR2和XFER端接負(fù)脈沖信號(hào)，可達(dá)同樣目的。

3.DAC0832工作原理

先看一下DAC0832的特性測(cè)試電路，如圖15.8所示。

圖15.8DAC0832的特性測(cè)試電路五、DAC0832特性測(cè)試

1.按圖15.8測(cè)試電路將器件裝在面包板上，并正確連線。

2.接通+5V電源，按下開關(guān)S2，使ALE接高電平，允許轉(zhuǎn)換器鎖存；按下開關(guān)S1過1秒左右放開，在啟動(dòng)端START先加入一個(gè)正脈沖，在其下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。

3.通過開關(guān)S3~S5的通斷控制改變地址輸入，通過顯示電路LED的亮滅，觀察8路模擬量的輸出結(jié)果，并將結(jié)果記錄在表中。項(xiàng)目測(cè)試步驟：廠家型號(hào)特性應(yīng)用場(chǎng)合AD公司AD753310位

600ns電流輸出CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換器信號(hào)數(shù)字化衰減器及對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制器。AD公司AD9732BRS10位

200MSPS

單電源數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD公司AD7537JN12位

雙路1.5us電流輸出CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD公司AD768AR16位

高速電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器德州儀器公司TITLC5620具有緩沖基準(zhǔn)輸入，4路8位D/A轉(zhuǎn)換器，+5V電源供電可編程電源、可數(shù)字控制的放大器和衰減器、移動(dòng)通信、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備等場(chǎng)合表15.5常見