第10章計數(shù)器定時器與模擬量轉(zhuǎn)換(模擬量轉(zhuǎn)換)2013

模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換

模/數(shù)（A/D）和數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換技術(shù)主要用于計算機(jī)控制和測量儀表。數(shù)字量和模擬量數(shù)字量:01011010、11000011，隨時間斷續(xù)變化量。模擬量:12.5V、10A、37.5℃、1000m3/s、9.6m/s，隨時間連續(xù)變化的量。

概述物理量溫度速度流量壓力物理量

概述測量系統(tǒng)：傳感器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和計算機(jī)構(gòu)成。ADC或A/D：將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件程序控制系統(tǒng)：計算機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大器和執(zhí)行部件則構(gòu)成。DAC或D/A：將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件DA即DigitaltoAnalog數(shù)/模轉(zhuǎn)換器1.數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理數(shù)字量D/A轉(zhuǎn)換器模擬電流運(yùn)算放大器模擬電壓運(yùn)算放大器的原理和特點(diǎn)：三個特點(diǎn)：開環(huán)放大倍數(shù)非常高，運(yùn)算放大器所需要的輸入電壓非常小輸入阻抗非常大，輸入電流極小輸出阻抗很小，所以，驅(qū)動能力很大2RRRRX0X1X2X3VREFI02RI12RI22RI32RD0D1D2D3RIOUTVOUT_+S0S1S2S3圖10-11T型電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

由T型電阻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器,n個獨(dú)立支路的輸入方案4個開關(guān)的全部短開到全部閉合對應(yīng)著0000到1111,即0000到1111對應(yīng)著大小不同的電壓。2.D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)分辨率=1/（2n-1）n為位數(shù)轉(zhuǎn)換精度：絕對轉(zhuǎn)換精度：每個輸出電壓接近理想值的程度相對轉(zhuǎn)換精度：絕對轉(zhuǎn)換精度相對于滿量程輸出的百分比來表示，有時也用最低位的幾分之幾表示，更實(shí)用?、坜D(zhuǎn)換速率：模擬輸出電壓的最大變化速度④

建立時間：模擬輸出電壓達(dá)到某個規(guī)定值所需時間

⑤線型誤差：一般把偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大值數(shù)/模轉(zhuǎn)換器3.DAC分類：按數(shù)字量輸入方式分：并行輸入DAC、串行輸入DAC按模擬量輸出方式分：電壓型輸出DAC、電流型輸出DAC按分辨率：8位、10位、12位、14位、16位、18位、20位按建立時間：低速、中速、高速和超高速型

（>100μs、1~100μs、50ns~100μs、<50ns）按轉(zhuǎn)換精度：高精度、超高精度按內(nèi)部是否有數(shù)據(jù)輸入寄存器分：不帶數(shù)據(jù)輸入寄存器：結(jié)構(gòu)簡單、價格低不和總線直接相連接，帶數(shù)據(jù)輸入寄存器：和總線直接相連接，如DAC0832等DAC08328位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDD7~D0CSWR1WR2XFERILELE1LE2IOUT1&&&RFB數(shù)/模轉(zhuǎn)換器帶數(shù)據(jù)輸入寄存器的D/A芯片DAC0832的使用

DAC0832是一8位的芯片，內(nèi)部有一個T型電阻網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，通過運(yùn)算放大器得到模擬電壓，有兩級鎖存。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC08328位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDD7~D0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFBD7~D0:8位數(shù)字量輸入信號端其中:D0為最低位，D7為最高位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832ILE

輸入鎖存允許信號,高電平有效CS

片選信號,低電平有效WR1

寫信號1，低電平有效8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDD7~D0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFB當(dāng)ILE、CS、WR1同時有效時,LE1=1，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化WR1變高,LE1=0，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器10011DAC0832ILE

輸入鎖存允許信號,高電平有效CS

片選信號,低電平有效WR1

寫信號1，低電平有效8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDD7~D0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFB當(dāng)ILE、CS、WR1同時有效時,LE1=1，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化WR1變高,LE1=0，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器10100DAC0832VREF8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器IOUT2RFBAGNDVCCDGNDD7~D0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFBXFER傳送控制信號，低電平有效WR2

寫信號2，低電平有效當(dāng)XFER、WR2同時有效時,LE2=1DAC寄存器輸出隨輸入而變化；

WR2變高,LE2=0，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，數(shù)據(jù)進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，開始D/A轉(zhuǎn)換001DAC0832VREF8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器IOUT2RFBAGNDVCCDGNDD7~D0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFBXFER傳送控制信號，低電平有效WR2

寫信號2，低電平有效當(dāng)XFER、WR2同時有效時,LE2=1DAC寄存器輸出隨輸入而變化；

WR2變高,LE2=0，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，數(shù)據(jù)進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，開始D/A轉(zhuǎn)換010DAC08328位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDD7~D0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFBIOUT1

模擬電流輸出端1

當(dāng)輸入數(shù)字為全”1”時,

輸出電流最大，全”0”時,輸出電流為0IOUT2

模擬電流輸出端2IOUT1+IOUT2=常數(shù)DAC08328位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFBVcc

芯片電源電壓,+5V～+15VVREF

參考電壓,外部標(biāo)準(zhǔn)電壓通過它與T型網(wǎng)絡(luò)連接-10V～+10V

RFB

反饋電阻引出端,此端可接運(yùn)算放大器輸出端AGND

模擬信號地，接模擬電路接地端DGND

數(shù)字信號地DAC0832AGND：模擬量地，即模擬電路接地端DGND：數(shù)字量地模擬電路芯片：ADC及DAC內(nèi)部主要的一些電路、運(yùn)算放大器等各個芯片都連接模擬地數(shù)字電路芯片：CPU、鎖存器、譯碼器等各個芯片都連接數(shù)字地P329圖8.11DAC0832DAC0832是8位DAC，內(nèi)部有兩級緩沖。當(dāng)LE1有效時，數(shù)據(jù)進(jìn)入第一級（數(shù)據(jù)輸入寄存器），當(dāng)LE2有效時，數(shù)據(jù)輸入寄存器的值進(jìn)入第二級（DAC寄存器）。由于DAC寄存器的輸出直接送D/A轉(zhuǎn)換器，使LE2有效的命令又稱轉(zhuǎn)換命令。DAC0832DAC0832進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，可以使用幾種方法對數(shù)據(jù)鎖存：1)單緩沖工作方式一個寄存器工作于直通狀態(tài)，另一個工作于受控鎖存器狀態(tài)使輸入寄存器工作在鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在不鎖存狀態(tài)使輸入寄存器工作在不鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFBDAC0832port數(shù)據(jù)線地址譯碼PC總線IOWA0~A9D0~D7+5VXFERDAC0832D0~D7+-VoIOUT1IOUT2RFBCS

WR1WR2ILE單緩沖工作方式

:

輸入寄存器工作于直通狀態(tài)DAC寄存器工作于鎖存狀態(tài)DAC08322)雙緩沖工作方式兩個寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFB。思考：相應(yīng)的程序如何編寫？地址譯碼port1XFERWR2CSWR1ILE+D/A轉(zhuǎn)換DI7~DI0Vo1port2XFERWR2CSWR1ILE+D/A轉(zhuǎn)換DI7~DI0Vo2port3DAC0832DAC0832D7~D0A9~A0IOWPC總線+5v+5v當(dāng)要求多個模擬量同時輸出時，可采用雙重緩沖方式DAC0832tVo4V0VD/A應(yīng)用:輸出鋸齒波1.分類按工作原理分計數(shù)式ADC：結(jié)構(gòu)簡單，原理清楚雙積分式ADC：精度高，轉(zhuǎn)換速度慢逐次逼近式ADC：精度較高，轉(zhuǎn)換速度較快并行式ADC：轉(zhuǎn)換速度快，價格高模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

按數(shù)字量輸出方式分

并行ADC、串行ADC

按性能特點(diǎn)分①按分辨率分4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位、、、②按轉(zhuǎn)換速度分低速、中速、高速、超高速（轉(zhuǎn)換時間分別為≥1s、≤1ms、≤1us、≤1ns）③按轉(zhuǎn)換精度分低精度、中精度、高精度、超高精度

按輸出是否帶三態(tài)緩沖分帶可控三態(tài)緩沖ADC如：

ADC0809不帶可控三態(tài)緩沖ADC如：

AD570、ADC12102.主要性能指標(biāo)

轉(zhuǎn)換精度：實(shí)際輸出接近理想輸出的精確程度，

用數(shù)字量的最低有效位來表示轉(zhuǎn)換率：轉(zhuǎn)換速度，完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間倒數(shù)來表示分辨率：能分辨最小的量化信號的能力，用位數(shù)表示量程：允許轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍溫度參數(shù)：正常使用的溫度范圍3.模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理

計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換

1V013.模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理

計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換

2V023.模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理

計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換

nV0nV0n>Vi3.模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理

轉(zhuǎn)換原理：由計數(shù)器對固定頻率信號CLK進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)輸出值送DAC，DAC的輸出模擬量Vo與輸入模擬量Vi在比較器中進(jìn)行比較，隨著計數(shù)的進(jìn)行，Vo不斷增加，當(dāng)Vo>Vi，計數(shù)器停止計數(shù)，此時的計數(shù)值即是模擬量Vi對應(yīng)的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換速度慢！計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換

5模/數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)轉(zhuǎn)換器3.模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理

轉(zhuǎn)換原理：電路對輸入的未知模擬量進(jìn)行固定時間的積分，然后轉(zhuǎn)換為對標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分，用標(biāo)準(zhǔn)的高頻時鐘脈沖測定反向積分所用時間，就可以得到輸入模擬電壓所對應(yīng)的數(shù)字量，即實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換。速度慢、精度高、干擾??！雙積分式A/D轉(zhuǎn)換

3.模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換3.模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換原理：數(shù)字量由逐次逼近寄存器SAR產(chǎn)生。SAR使用對分搜索法產(chǎn)生數(shù)字量，以8位數(shù)字量為例，SAR首先產(chǎn)生8位數(shù)字量的一半，即10000000B,試探模擬量的大小，若Vo>Vi，清除最高位，若Vo<Vi，保留最高位。在最高位確定后，SAR又以對分搜索法確定次高位，即以低7位的一半y1000000B(y為已確定位)試探模擬量的大小。重復(fù)這一過程，直到最低位bit0被確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換速度很快！4.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題

(1)輸入模擬電壓的連接：單端輸入正向或負(fù)向信號、差動輸入(2)數(shù)據(jù)輸出線和系統(tǒng)總線連接：芯片輸出端直接和系統(tǒng)總線連接，輸出端具有可控的三態(tài)門芯片輸出端通過I/O通道或附加的三態(tài)門和系統(tǒng)總線連接8位以上轉(zhuǎn)換：按位對應(yīng)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接用讀寫控制邏輯將數(shù)據(jù)按字節(jié)分時讀出、4.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題

(3)啟動信號的供給電平啟動信號：轉(zhuǎn)換期間保持有效電平，CPU通過并行接口或D觸發(fā)器保持轉(zhuǎn)換期間的有效電平脈沖啟動信號：OUT指令發(fā)出的片選信號和寫信號產(chǎn)生4.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題

(4)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取將A/D芯片看作一個輸入設(shè)備，

CPU可采用下列四種方法，讀取A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果：程序查詢方式中斷方式

CPU等待方式程序延時方式（同步方式）4.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題

(5)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取如轉(zhuǎn)換時間比較長或同時有幾件事情需要處理的，用中斷