微機原理及其應(yīng)用第八章AD與DA轉(zhuǎn)換器課件

1、微機原理及其應(yīng)用普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 作者 丁新民2007年5月第八章A/D和D/A轉(zhuǎn)換器 學(xué)習(xí)目標 1、識記多路模擬開關(guān)、采樣、量化和編碼、采樣保持等基本概念。 2、識記ADC0809、AD574轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理。 3、識記DAC0832、AD567轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理。 4、理解A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的編程及其應(yīng)用。 第八章A/D和D/A轉(zhuǎn)換器 8.1 A/D轉(zhuǎn)換器8.2 實現(xiàn)A/D技術(shù)的幾種方法8.3 D/A轉(zhuǎn)換器一、A/D轉(zhuǎn)換器1. 概述2. 模擬信號的采樣、量化和編碼3. 主要性能指標4. A/D轉(zhuǎn)換原理5. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用第一節(jié)概述1. 概述 一個以計算機

2、為核心的過程控制系統(tǒng)中，其模擬信號的輸入和控制系統(tǒng)，如圖8-1-1所示。其中，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器分別是模擬量輸入和模擬量輸出的核心部件，并由此構(gòu)成一個閉環(huán)的實時控制系統(tǒng)。1. 概述 傳感器 實際應(yīng)用中，外界輸入的各種物理信號，都要經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成模擬電流或電壓信號，才能被進一步處理。傳感器種類很多，有溫度、壓力、位移、流量、液面、生理、輻射、光學(xué)、色譜、霍而等。 放大器 傳感器送出的信號往往很微弱，并混有干擾信號，須去除干擾，將微弱信號放大。選用的放大器應(yīng)具有高精度、高開環(huán)增益或高共模抑制比。 1. 概述 多路模擬開關(guān)MUX 處于某種應(yīng)用的需求，多個被控對象的信號源共用一個取樣保持器、一個A

3、/D轉(zhuǎn)換器，這就需要用多路模擬開關(guān)MUX來切換。 取樣保持器（S/H） 由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，因此對高速的模擬信號取樣時，會發(fā)生A/D轉(zhuǎn)換還沒有結(jié)束取樣信號就已變化的現(xiàn)象。 1. 概述 A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器 對取樣后的信號進行量化，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號稱A/D轉(zhuǎn)換。反之，將數(shù)字信號變成模擬量輸出，即為D/A轉(zhuǎn)換。 微處理機 控制系統(tǒng)中微處理機作為信息采集、加工處理的核心。它可以是單片機也可以是微機或微處理器。 第二節(jié)模擬信號的采樣、量化和編碼2. 模擬信號的采樣、量化和編碼 （1）取樣和保持 圖8-1-1的計算控制過程中，每隔一定的時間進行一次控制循環(huán)。每次的循環(huán)過程，需要輸

4、入模擬量信息，即對模擬信號取樣。取樣的信號送往A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到計算機中，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到控制信息，最后經(jīng)D/A變換輸送給被控對象。計算機不斷重復(fù)上述的循環(huán)。計算機每隔一定的時間間隔T逐點取樣模擬信號的瞬時值。這個取樣的時間間隔T稱為取樣周期。 2. 模擬信號的采樣、量化和編碼 （1）取樣和保持 如圖8-1-2所示，被取樣的信號是一個連續(xù)的時間函數(shù)，設(shè)為f（t）；周期性地取f（t）的瞬時值得到的離散信號f（nT）。這個把時間連續(xù)信號變成一系列不連續(xù)的脈沖過程，稱為取樣過程或離散化過程。 2. 模擬信號的采樣、量化和編碼 （2）取樣定理 取樣周期T是指第n次取樣時間t（n）和第n+1次取樣

5、時間t（n+1）的時間間隔，即T= t（n+1）- t（n），取樣頻率是：f = 1/T。 根據(jù)香農(nóng)定理，設(shè)隨時間變化的模擬信號的最高頻率為fmax，只要使取樣頻率f2fmax，得到的取樣信號就不會發(fā)生重疊現(xiàn)象。 2. 模擬信號的采樣、量化和編碼 （3）量化 取樣后的信號仍是數(shù)字上連續(xù)的、時間上是離散的模擬量，若用數(shù)字上和時間上都是離散的量化數(shù)字量來表示。就是用基本的量化電平q的個數(shù)來表示取樣的模擬信號。 （4）編碼 編碼就是對量化后的模擬信號（它一定是量化單位的整數(shù)倍）用二進制的不同數(shù)字量編碼來表示。如使用BCD碼、補碼、偏移二進制碼（移碼）等。 第三節(jié)主要性能指標3. 主要性能指標 （1）

6、精度 精度是指A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出電壓與理論輸出電壓之間的誤差。精度有絕對精度和相對精度之分。通常，精度用最小有效位的分數(shù)值來表示。絕對精度指理想條件，一般用A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字位數(shù)表示，如1/2LSB。若滿量程為10V，那么10位A/D轉(zhuǎn)換的絕對精度為1/2LSB=1/2（10103）/1010=4.88mV。相對精度，通常用百分數(shù)表示，如10位的A/D轉(zhuǎn)換器，其相對精度是1/10100.1%。 3. 主要性能指標 （2）分辨率 分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的最小模擬電壓值，即A/D轉(zhuǎn)換最低有效位所具有的數(shù)值。如8位的A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為1/28=1/256。若滿量程值為5V，對8位

7、A/D轉(zhuǎn)換器來說，分辨率為5V/28=20mV，如模擬輸入低于此值，轉(zhuǎn)換器是不能識別的。實際應(yīng)用中，常用位數(shù)來表示分辨率，如8位、10位或12位A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率也為8位、10位或12位。 3. 主要性能指標 （3）轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間，即啟動轉(zhuǎn)換命令時刻到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號（或輸出數(shù)據(jù)就緒信號）時刻的時間間隔。轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。 例如，15位的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，初始建立時間20s、每位的轉(zhuǎn)換時間為2s，芯片總的轉(zhuǎn)換時間是50s，轉(zhuǎn)換率為20KHz。轉(zhuǎn)換時間也被用來作為A/D的執(zhí)行速度。 3. 主要性能指標 （4）電源變化靈敏度 電源變化靈敏度是A/

8、D芯片的電源電壓發(fā)生變化時，相對模擬輸入量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。一般要求電源電壓3%的變化所造成的轉(zhuǎn)換誤差，不應(yīng)超過1/2LSB。（5）溫度系數(shù) 溫度系數(shù)用來表示A/D轉(zhuǎn)換受環(huán)境的影響，用每攝氏度溫度變化所產(chǎn)生的相對誤差來表示，單位為ppm/0C。 第四節(jié)A/D轉(zhuǎn)換原理4. A/D轉(zhuǎn)換原理 （1）計數(shù)器（或伺服）式 計數(shù)器式是A/D轉(zhuǎn)換最簡單、最廉價的方法。它由一個計數(shù)器來控制轉(zhuǎn)換，計數(shù)器從零開始計數(shù)時，D/A轉(zhuǎn)換器就輸出一個逐步上升的梯形電壓。這時，輸入的模擬電壓和D/A轉(zhuǎn)換生成的電壓都被送到比較器進行比較，當(dāng)兩者一致或基本一致（在允許的量化誤差范圍內(nèi)）時，比較器輸出一個指示信號，立即停止計數(shù)器計

9、數(shù)。此時D/A轉(zhuǎn)換器的輸出值是取樣信號的模擬近似值，其相應(yīng)的數(shù)字值由計數(shù)器給出。 4. A/D轉(zhuǎn)換原理 （2）逐次逼近式 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器由一個比較器、D/A轉(zhuǎn)換器和一些控制邏輯構(gòu)成，如圖8-1-3所示。其思想是，將模擬輸入信號與 “推測”信號進行比較，調(diào)節(jié)“推測”信號的增減，逐步使“推測”信號向輸入信號逼近。當(dāng)“推測”信號“等于”輸入信號時，即得到A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號。 4. A/D轉(zhuǎn)換原理 （3）雙積分（或雙斜）式 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的特點是轉(zhuǎn)換精度高、抗工頻干擾能力強，但轉(zhuǎn)換速度較慢。它由比較器、積分器和控制邏輯等電路構(gòu)成，如圖8-1-4（a）所示。雙積分式對輸入的模擬電壓Vx和

10、參考電壓作兩次積分，轉(zhuǎn)換成與輸入電壓Vx成比例的時間值來間接測量。由此有稱為T-V（時間-電壓）型A/D轉(zhuǎn)換器。 將模擬輸入電壓Vx取樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間的正向積分。時間到后，電子開關(guān)自動切換將Vx極性相反的參4. A/D轉(zhuǎn)換原理 （3）雙積分（或雙斜）式考輸入到積分器進行反相積分，到輸出為止。從圖8-1-4（b）可看出，反相積分時的斜率是固定的，Vx越大、積分器的輸出電壓也越大、反相積分回到起始值的時間也越長。 4. A/D轉(zhuǎn)換原理 三種常用的A/D轉(zhuǎn)換方式，其各自的特點如表8-1-1所示。 第五節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用5. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （1）ADC 0809轉(zhuǎn)換器

11、簡介 ADC 0809采用逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換方式，是一個8位八通道的A/D轉(zhuǎn)換器。它的引腳定義如圖8-1-5所示，共計28個引腳 。5. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （2）0809與8031單片機的連接 直接連接法 要給0809一個外部RAM單元地址?？梢杂玫刂纷g碼信號來選通控制，產(chǎn)生START信號和OE信號，前者用來啟動A/D轉(zhuǎn)換，后者用來把轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入0831。如圖8-1-6所示，WR和RD為0831控制信號。 5. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （2）0809與8031單片機的連接 接口連接法 將0809通過并行接口芯片（如8055等）與8031相連接。 5. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （2）0809與803

12、1單片機的連接 例如，圖8-1-7所示0809與8031采用中斷方式的數(shù)據(jù)采集。 5. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （2）0809與8031單片機的連接 工作過程如下： 主程序完成初始化后，用MOVX R0, A指令啟動A/D，其中R0為0809地址，寄存器A則保留所選模擬通道地址。然后等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。0809發(fā)出EOC信號送到8031外中斷INT1。中斷服務(wù)程序執(zhí)行MOVX A，R0指令，把轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入8031 。RD信號經(jīng)或非門產(chǎn)生有效的OE信號，打開0809的輸出三態(tài)門，把轉(zhuǎn)換結(jié)果從P0口讀入8031。 5. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （2）0809與8031單片機的連接 設(shè)數(shù)據(jù)區(qū)的首地址為30H

13、，0809的地址為0F0H，地址線ADDAADDC接到P0.0P0.2，若模擬地址為00H07H變化。八路模擬輸入經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，分別存入存儲器，程序如下： ORG 0013H ；外中斷入口地址AJMP BINT1 ；轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序 主程序：MOV R0，#30H ；數(shù)據(jù)區(qū)首地址MOV P4，#8 ；8路模擬信號MOVR2，#0 ；模擬通道IN05. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （2）0809與8031單片機的連接 SETB EA ；中斷開放SETB EX1 ；允許外中斷SETB IT1 ；外中斷邊沿觸發(fā)MOVR1，#0F0H ；送0809地址MOV A，R2MOVX R0，A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換SJ

14、MP $ ；等待中斷 中斷服務(wù)子程序： BINT1： MOV R0，#0F0H ；0809地址MOVX A，R0 ；輸入轉(zhuǎn)換結(jié)果MOV R0，A ；存入內(nèi)存5. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （2）0809與8031單片機的連接 INC R0 ；數(shù)據(jù)區(qū)指針加“1”INC R2 ；修改模擬通道地址MOV A，R2 ；下一個模擬通道MOV R0，A ；啟動轉(zhuǎn)換DJNZ R4，LOOP ；8路未采集完，循環(huán)CLR EX1 ；關(guān)中斷LOOP RETI ；中斷返回5. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （3）A/D轉(zhuǎn)換器使用時應(yīng)注意的問題 使用A/D轉(zhuǎn)換器時，應(yīng)注意兩個問題。 A/D正常轉(zhuǎn)換 模擬輸入電壓的范圍和極性。 取樣保

15、持電路的輸出連接。 參考電壓VREF的設(shè)定。 若要求時鐘輸入，時鐘頻率如何選取。 啟動轉(zhuǎn)換有脈沖和電平兩種控制方式。 取樣頻率與取樣保持電路時序配合。5. A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （3）A/D轉(zhuǎn)換器使用時應(yīng)注意的問題 A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的連接 轉(zhuǎn)換器有無數(shù)據(jù)緩沖器、三態(tài)輸出能力。 8位以上A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)總線的連接。 分時讀取8位以上的數(shù)據(jù)、判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束。 讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的方式，如采用查詢方式還是中斷方式。 二、實現(xiàn)A/D技術(shù)的幾種方法1. 采用現(xiàn)有A/D器件開發(fā)2. 選用模擬接口插件卡第一節(jié)采用現(xiàn)有A/D器件開發(fā)1. 采用現(xiàn)有A/D器件開發(fā) （1）A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 根據(jù)整個控制系統(tǒng)的控制范圍

16、和精度選擇分辨率。 根據(jù)對被控對象的取樣要求選擇轉(zhuǎn)換速度。 根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換速度和模擬信號的速度選擇取樣保持器 。1. 采用現(xiàn)有A/D器件開發(fā) （1）A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 表8-2-1展示了常用的部分A/D轉(zhuǎn)換器性能、價格和特點，供選擇參考。 1. 采用現(xiàn)有A/D器件開發(fā) （2）A/D轉(zhuǎn)換器的引腳處理 A/D器件的不同電壓 工作電壓是確保A/D正常工作的電壓源。 基準電壓是為確保轉(zhuǎn)換精度的基本條件，而設(shè)立的與工作電壓源分開的高精度電源。 參考電壓與基準電壓相似，主要是為轉(zhuǎn)換量程提供對稱參考電壓，以提高對模擬量的測量精度。如某些A/D器件提供VREF（+）和VREF（-）兩個參考電壓，通常將VREF

17、（+）接A/D器件的工作電壓，VREF（-）接地。 1. 采用現(xiàn)有A/D器件開發(fā) （2）A/D轉(zhuǎn)換器的引腳處理 模擬輸入量程 A/D器件提供的不同模擬輸入量程，對應(yīng)不同幅度模擬信號的輸入。如AD574等提供的10Vin和20Vin兩個模擬輸入端。 輸入極性偏置 有的A/D器件的輸入端還提供輸入極性偏置，使得輸入端的量程由此得到改變。該偏置端若接地，則為單極性；若接參考電壓，則為雙極性。 1. 采用現(xiàn)有A/D器件開發(fā) （3）A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 A/D器件的電源 A/D器件對電壓特別敏感，若發(fā)生瞬間斷電、電壓波動等情況。 A/D器件的電氣特性 A/D轉(zhuǎn)換工作速度與被控對象的變化不協(xié)調(diào)，如外接的工作

18、頻率的選取。 與相連部件的電氣特性不匹配，如A/D器件的負載。1. 采用現(xiàn)有A/D器件開發(fā) （3）A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 A/D器件的電氣特性（續(xù)） 電源布線呈單獨構(gòu)成回路、信號線可采用屏蔽隔離線。 電路布線盡可能減少長線、平行線。 現(xiàn)場環(huán)境對A/D器件的影響。 選擇保護措施 器件的電壓輸入端，加0.010.047F退耦電容。 器件的VDD電源正端串接100200電阻。第二節(jié)選用模擬接口插件卡2. 選用模擬接口插件卡 用于語音信號采集及其數(shù)字化的模擬接口插件卡，如圖8-2-1所示。圖中僅包括AD574A和控制電路。12位的A/D轉(zhuǎn)換器帶有與微機接口兼容的邏輯電路，參考電壓源和時鐘電路。 2. 選用

19、模擬接口插件卡 （1）以125s的時間間隔連續(xù)地取樣轉(zhuǎn)換 （2）I/O控制采用查詢方式 下面是讀取512次轉(zhuǎn)換結(jié)果存入1KB的BUF內(nèi)存緩沖區(qū)的程序段。 BEGIN：MOV AX，BUF_SEG ；DS：BX指向BUF緩存MOV DS，AXMOV BX，OFFSET BUFMOV CX，0 ；字計數(shù)器清為零OUT START，AL ；啟動ADC連續(xù)轉(zhuǎn)換2. 選用模擬接口插件卡 LOOP：IN AL，RS ；讀STS狀態(tài)輸出TEST AL，01H ；只測試D0位JNZ LOOP ；為“1” 仍在轉(zhuǎn)換，等待IN AL，R8 ；否則，先讀高8位MOV AH，ALIN AL，R4 ；再讀低4位AND

20、AL，0F0H ；AX高12位為轉(zhuǎn)換結(jié)果MOV BX，AX ；存入緩沖區(qū)一個字INC BX ；存入地址指針加2INC BXINC CX ；計數(shù)值加“1”CMP CX，512JNZ LOOP ；沒滿512個取樣值，繼續(xù) 三、D/A轉(zhuǎn)換器1. D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理2. D/A的性能和指標3. D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用第一節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理1. D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理 D/A轉(zhuǎn)換器的任務(wù)就是將二進制數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成為正比例的電流或電壓信號。如圖8-3-1所示為四路輸入加法器的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。 圖中，D0D3是數(shù)字位，R、2R、4R和8R是二進制加權(quán)電阻。 1. D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理 運算放

21、大器的輸出電流Io等于每個支路上電流（I1、I2、I3、I4）的總和，即：Io=D0I1+D1I2+D2I3+D3I4 = D0 VR /R+D1 VR /2R +D2 VR /4R +D3 VR /8R = 2VR/R（D0 2-1+D12-2 +D22-3 +D32-4） 運算放大器的輸出電壓為：Vout= -Io Rf 例如，圖8-3-1電路的參數(shù)為：VR=5V、Rf=10k、R=100k，若輸入的數(shù)字量D0D1D2D3=1000，其對應(yīng)輸出的電壓Vout= -0.5V。若D0D1D2D3=1100，那么輸出電壓Vout= -0.75V。 第二節(jié)D/A的性能和指標2. D/A的性能和指標

22、 （1）精度 精度是指D/A轉(zhuǎn)換器實際輸出電壓與理論輸出電壓之間的誤差。 （2）分辨率 分辨率是指輸入的二進制字的位數(shù)。 （3）建立時間 建立時間是指從數(shù)字量輸入到建立穩(wěn)定的輸出信號的這段時間，故可稱為穩(wěn)定時間，用ts表示。 2. D/A的性能和指標 （4）線性誤差 線性誤差是用理想輸入輸出特性的偏差與滿量程輸出之比的百分數(shù)來表示 。 表8-3-1展示了常見的部分D/A器件主要性能指標供參考。 第三節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用3. D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （1）DAC0832 DAC0832是個電流型輸出的8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，帶參考電壓和兩個數(shù)據(jù)緩存器，分別是輸入寄存器和ADC寄存器，建立時間為1s，如圖8-3-2所示 。3. D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 （2）內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖8-3-3所示，DAC