AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其課件

1、AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其1 本章主要教學(xué)內(nèi)容本章主要教學(xué)內(nèi)容D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及其特點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的工作原理及其特點(diǎn)A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理轉(zhuǎn)換器的工作原理 第第1010章章 模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其210.1 典型典型D/A轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片 控制系統(tǒng)中傳感器所檢測的信號(hào)如溫度、壓力、流量、速度、濕度等物理量都是隨著時(shí)間連續(xù)變化的模擬量，為了能用計(jì)算機(jī)對(duì)模擬量進(jìn)行采集、加工和輸出，就需要把模擬量轉(zhuǎn)換成便于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和加工

2、的數(shù)字量（稱為A/D轉(zhuǎn)換）；同樣經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量必須轉(zhuǎn)換成模擬量（稱為D/A轉(zhuǎn)換）才能控制外部設(shè)備。 我們把能實(shí)現(xiàn)A/D與D/A轉(zhuǎn)換的相關(guān)器件集中做在一塊接口電路板上，稱為模擬量輸入/輸出通道。它主要由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理部件、多路開關(guān)、采樣/保持器、D/A轉(zhuǎn)換器等部件組成。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其3 10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理和主要參數(shù) D/A轉(zhuǎn)換器是用電阻解碼網(wǎng)絡(luò)將N位數(shù)字量逐位轉(zhuǎn)換成模擬量并求和實(shí)現(xiàn)將N位數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。1. D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理 D/A轉(zhuǎn)換器的模

3、擬量輸出與參考量以及二進(jìn)制數(shù)成比例關(guān)系，可用下面的式子表示： 其中X為模擬量輸出，K為比例常數(shù)，VREF為參考量（電壓或電流），B為待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)，通常B的位數(shù)為8位、12位等。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)BVKXREFAD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其4第第10章章（1）二進(jìn)制加權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器：其結(jié)構(gòu)如圖10-1所示。該電路由權(quán)電阻、位切換開關(guān)、反饋電阻和運(yùn)算放大器等組成。模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)R2R4RRfR21NREFV0d2nd3nd1ndk1k2k3knk1k2k3kn-+圖10-1 二進(jìn)制加權(quán)電

4、阻D/A轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其5第第10章章（2）梯形電阻D/A轉(zhuǎn)換器：如圖10-2所示，該電阻網(wǎng)絡(luò)中僅有R和2R兩種電阻，切換開關(guān)的工作原理與二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換工作原理相同。模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)R2RRfREFV0d2nd1d1ndK1K2Kn-1Kn-+2R2R2R2RR圖10-2 梯形電阻D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其62. D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)（1）精度：指D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出與理論滿刻度輸出之間的差異。（2）分辨率：指當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出模

5、擬量的變化量。（3）建立時(shí)間：指當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值所需要的時(shí)間。（4）溫度系數(shù)：環(huán)境溫度的變化會(huì)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生影響，分別用失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)和微分非線性溫度系數(shù)來表示。（5）非線性誤 第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其7 10.1.2 DAC0832及其應(yīng)用 DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，其明顯特點(diǎn)是與微機(jī)連接簡單、轉(zhuǎn)換控制方便、價(jià)格低廉，在微機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器的輸出一般都要接運(yùn)算放大器，微小信號(hào)經(jīng)放大后才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的

6、部件。 AC0832的主要技術(shù)指標(biāo)有：分辨率為8位；轉(zhuǎn)換速度約為1s；非線性誤差為 0.20%FSR；溫度系數(shù)為210-6/；工作方式為雙緩沖、單緩沖和直通方式；邏輯輸入與TTL電平兼容；功耗為20mW；單電源供電。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其81. DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖10-3所示，它由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位DAC轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，DAC轉(zhuǎn)換器采用梯型電阻網(wǎng)絡(luò)。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及

7、基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其9第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)8位輸入鎖存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器2LE1LE2WR70 DIDI765416151413ILE1912181781211931020VCCDGNDAGNDREFV2OUTI1OUTIfbRfbR1WRCSXFER 圖10-3 DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其10第第10章章2. DAC0832的引腳功能 DAC0832為20腳雙列直插式封裝，如圖所示。 模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)1234567891020191817

8、161514131211DAC0832CS1WRAGND3DI2DI1DI0DIREFVfbRDGND1OUTI2OUTI7DI6DI5DI4DIXFER2WRILEVCC AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其11第第10章章3. DAC0832的工作方式 DAC0832內(nèi)部有兩個(gè)寄存器，能實(shí)現(xiàn)3種工作方式：（1）直通方式（2）單緩沖方式（3）雙緩沖方式4. DAC0832的輸出 DAC0832是電流形式輸出，當(dāng)需要電壓形式輸出時(shí)，必須外接運(yùn)算放大器。如圖10-5所示。模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其12

9、第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)DAC08328R70 DIDIOUTV-+DAC08328R70 DIDIOUTVR2R1-+ （a）反相輸出 （b）同相輸出圖10-5 DAC0832的輸出AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其13 5. DAC0832芯片與微機(jī)接口電路的設(shè)計(jì) 選擇和使用D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：（1）合理選擇DAC芯片。（2）設(shè)計(jì)和連接接口（3）配置參考電源 DAC芯片作為一個(gè)輸出設(shè)備接口電路，與主機(jī)的連接比較簡單，主要是處理好數(shù)據(jù)總線的連接。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概

10、念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其1410.2 典型典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器工作原理和主要參數(shù)1. A/D轉(zhuǎn)換器的分類及工作原理 按照輸入模擬量的極性分類，A/D轉(zhuǎn)換器可以分為單極型和雙極型兩種；按照輸出數(shù)字量分類，可以有并行方式、串行方式及串/并行方式；按照A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理分類，可以分為積分型、逐次逼近型和并行轉(zhuǎn)換型。 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器如圖10-9所示。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其15第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)緩沖寄存器控制

11、電路逐次逼近寄存器8位 D/A轉(zhuǎn)換器比較器CLK啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束ViV0D7 D6D5D4D3D2D1D0 圖10-9逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其16 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是： 轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換時(shí)間在1100s以內(nèi)，分辨率可達(dá)18位，特別適用于高精度和高頻信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換時(shí)間固定，不隨輸入信號(hào)的大小而變化；抗干擾能力不如雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，需要采取適當(dāng)?shù)臑V波措施。 這類典型芯片主要有ADC0809、ADCl210、AD574等。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)

12、換器的工作原理及其172. A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)（1）分辨率：反映A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小變化的響應(yīng)能力。（2）精度：采用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差兩種方法來表示。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間：指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。（4）溫度系數(shù)：是表示A/D轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度。（5）量程：指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。（6）邏輯電平及方式：多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)與TTL電平兼容，以并行方式輸出。（7）工作溫度范圍：一般為070。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其18第第10章章10.2.2

13、ADC0809轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可以同時(shí)連接8路模擬量，單極性，量程為05V，片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可以直接與微機(jī)總線相連接。該芯片有較高的性能價(jià)格比，適用于對(duì)精度和采樣速度要求不高的場合或一般的工業(yè)控制領(lǐng)域。由于其價(jià)格低廉，便于與微機(jī)連接，因而應(yīng)用十分廣泛。模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其191. ADC0809的結(jié)構(gòu)及工作原理 ADC0809采用單一的十5V電源供電，外接工作時(shí)鐘為500kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為128ms，工作時(shí)鐘為640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為10

14、0ms。 ADC0809的邏輯結(jié)構(gòu)如圖10-10所示，其內(nèi)部由256R電阻分壓器、 樹狀模擬開關(guān)、電壓比較器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。其基本工作原理是采用對(duì)分搜索方法逐次比較，找出最逼近于輸入模擬量的數(shù)字量。 第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其20第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)邏輯控制和定時(shí)電路逐次逼近寄存器SAR256R電阻分壓器電壓比較器樹狀模擬開、關(guān)陣譯碼器ABC地址鎖存有效ALE8路模擬量選通開關(guān)START三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器GND轉(zhuǎn)換結(jié)束EOCIN0IN1I

15、N2IN3IN4IN5IN6IN7D0D1D2D3D4D5D6D7VREF（+）8路模擬信號(hào)輸入A8位A/D轉(zhuǎn)換器通道地址鎖存與譯碼3位地址碼輸入VREF（-）VCC輸出有效控制OE(LSB)8位數(shù)據(jù)輸出(MSB)啟動(dòng)CLOCK時(shí)鐘圖 10-10 ADC0809的邏輯結(jié)構(gòu)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其21第第10章章2. ADC0809主要技術(shù)指標(biāo)分辨率為8位；非調(diào)整誤差為1 LSB；增益溫度系數(shù)為0.02；低功耗電量，為20mW；單電源+5 V供電；轉(zhuǎn)換速度1s，轉(zhuǎn)換時(shí)間100s（時(shí)鐘頻率640 Hz）；具有鎖存控制功能的8路模擬開關(guān)，能對(duì)8路模擬電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；輸

16、出電平與TTL電平兼容。模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其223. ADC0809的引腳功能ADC0809引腳如圖所示。 第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)1OECLOCKIN22345678910IN7REF(+)192021222324IN1111213141516171825262728ADC0808/0809STARTD1IN0ADDCALED7IN3D4D0IN4IN5IN6EOCD3VCCGNDD2REF(-)D5D6ADDBADDAAD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及

17、其23第第10章章4. ADC0809與微機(jī)接口 A/D轉(zhuǎn)換芯片一般都具有數(shù)據(jù)輸出、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)束、時(shí)鐘和參考電平等引腳。ADC芯片與主機(jī)的連接就是處理這些引腳的連接問題。 根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)字輸出端是否帶有三態(tài)鎖存緩沖器，與主機(jī)的連接可以分為兩種方式： 第一種是直接相連，主要用于輸出帶有三態(tài)鎖存緩沖器的ADC芯片，如ADC0809、AD574等； 第二種是用三態(tài)鎖存器，如74LS373/374，或通用并行接口芯片，如Intel 8255，適用于不帶三態(tài)鎖存緩沖器的ADC芯片。模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其24

18、10.3 模擬接口應(yīng)用實(shí)例模擬接口應(yīng)用實(shí)例 設(shè)計(jì)并分析一個(gè)在PC機(jī)ISA擴(kuò)展槽上采用中斷方式進(jìn)行8路數(shù)據(jù)采集和單通道模擬量輸出的接口電路系統(tǒng)。 該系統(tǒng)要求采用ADC0809及DAC0832構(gòu)建一個(gè)通用的8位A/D輸入、D/A輸出的采集卡，利用PC微機(jī)系統(tǒng)的IRQ2信號(hào)作為ADC的外部中斷信號(hào)，使ADC的8個(gè)通道循環(huán)采集，每個(gè)通道采樣100次，采集的數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存，并在屏幕上顯示結(jié)果。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其25主要設(shè)計(jì)工作如下：（1）根據(jù)要求畫出實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能的電路原理圖，如圖10-14所示。（2）設(shè)計(jì)

19、中斷控制位控制ADC0809的EOC中斷申請(qǐng)，CPU寫入中斷口9FH的數(shù)據(jù)為0時(shí)，不允許EOC申請(qǐng)中斷，寫數(shù)據(jù)80H時(shí)允許EOC申請(qǐng)中斷。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其26（3）相關(guān)的控制端口地址設(shè)計(jì)為：ADC0809讀數(shù)據(jù)端口地址1FH；ADC0809啟動(dòng)轉(zhuǎn)換端口地址3FH；通道地址由數(shù)據(jù)總線的低3位D2D0編碼產(chǎn)生，口地址也為3FH；DAC0832使能地址5FH；中斷申請(qǐng)端口地址9FH；地址譯碼功能由74LS138譯碼器和相關(guān)門電路完成。（4）由于D/A變換程序比較簡單，只需向5FH端口寫一個(gè)數(shù)據(jù)就可以了，所以下面程序是為進(jìn)行A/D變換的數(shù)據(jù)采集程序。程序中對(duì)8個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，每個(gè)通道采集數(shù)據(jù)100個(gè)，數(shù)據(jù)放在BUFF開始的存儲(chǔ)區(qū)。第第10章章模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出接口技術(shù)輸出接口技術(shù)AD轉(zhuǎn)換器的基本概念及基本結(jié)構(gòu)DA轉(zhuǎn)換器的工作原理及其27第第