第10章 微機(jī)原理數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)器

第10章模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換

10.1概述

模擬量——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量——時(shí)間和數(shù)值上都離散的量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器傳感器(溫度、壓力、流量等模擬量）A/D計(jì)算機(jī)（數(shù)字量）顯示器D/A執(zhí)行部件（模擬量控制）打印機(jī)能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱(chēng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱(chēng)為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱(chēng)之為兩者之間的接口.D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)譯碼器（解碼器）。一般常用的線(xiàn)性D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓uO和輸入數(shù)字量Dn之間成正比關(guān)系。UREF為參考電壓。一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。uO＝DnUREF將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)值大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，則所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器即：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓uO，等于代碼為1的各位所對(duì)應(yīng)的各分模擬電壓之和。D/A轉(zhuǎn)換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)、參考電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)和求和電路等組成。10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)碼緩沖寄存器n位數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)n位數(shù)字量輸入模擬量輸出求和電路參考電壓n位D/A轉(zhuǎn)換器方框圖數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲(chǔ)在數(shù)碼緩沖寄存器中；寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)數(shù)位上的電子開(kāi)關(guān)，將在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路；求和電路將各位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。1.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC原理圖10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器二、D/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式權(quán)電阻雙向模擬開(kāi)關(guān)數(shù)字量輸入模擬量輸出權(quán)電阻的排列順序和權(quán)值的排列順序相反。運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器，作為求和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的緩沖，并將電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的原理分析開(kāi)關(guān)Si的位置受數(shù)據(jù)鎖存器輸出的數(shù)碼di控制：當(dāng)di=1時(shí)，Si將對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻接到參考電壓UREF上；當(dāng)di=0時(shí)，Si將對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻接地。10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器運(yùn)算放大器總的輸入電流為即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。因而uO的變化范圍是10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)①優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電阻元件數(shù)較少；②缺點(diǎn)：阻值相差較大，制造工藝復(fù)雜。10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器2.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入模擬量輸出電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中，電阻只有R和2R兩種，并構(gòu)成倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)di=1時(shí)，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)Si接到求和點(diǎn)；當(dāng)di=0時(shí)，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)Si接地。但由于虛短，求和點(diǎn)和地相連，所以不論開(kāi)關(guān)如何轉(zhuǎn)向，電阻2R總是與地相連。這樣，倒T型網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)向上看和向右看的等效電阻都是2R，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的等效輸入電阻為R。求和點(diǎn)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電壓UREF供出的總電流為：運(yùn)算放大器的輸出電壓為：即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：

①優(yōu)點(diǎn)：電阻種類(lèi)少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點(diǎn)不存在時(shí)間差，提高了轉(zhuǎn)換速度。②應(yīng)用：它是目前集成D/A轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換速度較高且使用較多的一種，如8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，就是采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器分辨率用于表示D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小量變化的敏感程度。分辨率分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。而分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)，n越大，分辨率越高。10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器1.分辨率三、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)①D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)－－可用輸入數(shù)字量的位數(shù)n表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率；②可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來(lái)表示分辨率。05/75001010011100101110111vo/VD00010.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器2.轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。3.轉(zhuǎn)換速度從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開(kāi)始，到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)定值相差±0.5LSB范圍內(nèi)所需要的時(shí)間，稱(chēng)為建立時(shí)間tset。目前單片集成D/A轉(zhuǎn)換器（不包括運(yùn)算放大器）的建立時(shí)間最短達(dá)到0.1微秒以?xún)?nèi)。4.溫度系數(shù)在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿(mǎn)刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器1.DAC0832結(jié)構(gòu)框圖四、8位集成DAC08328位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFB它由一個(gè)8位輸入寄存器、一個(gè)8位DAC寄存器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成，D/A轉(zhuǎn)換器采用了倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)。LE＝1，跟隨＝0，鎖存10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器2.DAC0832引腳功能DI7～DI0：8位輸入數(shù)據(jù)信號(hào)。IOUT1：DAC輸出電流1。當(dāng)DAC鎖存器中為全1時(shí)，IOUT1最大（滿(mǎn)量程輸出）；為全0時(shí)，IOUT1為0。IOUT2：DAC輸出電流2。它作為運(yùn)算放大器的另一個(gè)差分輸入信號(hào)（一般接地）。滿(mǎn)足IOUT1+IOUT2＝滿(mǎn)量程輸出電流。Rfb：反饋電阻（內(nèi)已含一個(gè)反饋電阻）接線(xiàn)端。DAC0832中無(wú)運(yùn)放，且為電流輸出，使用時(shí)須外接運(yùn)放。芯片中已設(shè)置了Rfb，只要將此引腳接到運(yùn)放的輸出端即可。若運(yùn)放增益不夠，還須外加反饋電阻。ILE：輸入鎖存允許信號(hào)，高電平有效。CS：片選信號(hào)，低電平有效。WR1：輸入數(shù)據(jù)選通信號(hào)，低電平有效。（上升沿鎖存）XFER：數(shù)據(jù)傳送選通信號(hào)，低電平有效。WR2：數(shù)據(jù)傳送選通信號(hào)，低電平有效。（上升沿鎖存）10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器任何導(dǎo)線(xiàn)都可以被理解成電阻，因此，盡管連在一起的“地”，其各個(gè)位置上的電壓也并非一致的，對(duì)于數(shù)字電路，由于噪聲容限較高，通常是不需要考慮“地”的形式的，但對(duì)于模擬電路而言，這個(gè)不同地方的“地”對(duì)測(cè)量的精度是構(gòu)成影響的，因此，通常是把數(shù)字電路部分的地和模擬部分的地分開(kāi)布線(xiàn)，只在板中的一點(diǎn)把它們連接起來(lái)。DGND：數(shù)字地，是控制電路中各種數(shù)字電路的零電位。AGND：模擬地，是放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。UREF：參考電壓輸入。一般此端外接一個(gè)精確、穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源。UREF可在-10V至+10V范圍內(nèi)選擇。UCC：電源輸入端（一般取+5V～+15V）。3.DAC0832特性參數(shù)10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器分辨率：8位建立時(shí)間：1μs增益溫度系數(shù)：20ppm/℃（ppm----百萬(wàn)分之一，10-6）輸入電平：TTL功耗：20mW4.DAC0832工作方式當(dāng)ILE、CS和WR1同時(shí)有效時(shí)，輸入數(shù)據(jù)DI7～DI0進(jìn)入輸入寄存器；并在WR1的上升沿實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。當(dāng)WR2和XFER同時(shí)有效時(shí)，輸入寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入DAC寄存器；并在WR2的上升沿實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。八位D/A轉(zhuǎn)換電路隨時(shí)將DAC寄存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（IOUT1+IOUT2）輸出。DAC0832的使用有雙緩沖器型、單緩沖器型和直通型三種工作方式。DAC0832的三種工作方式10.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器（b）單緩沖方式：適合在不要求多片D/A同時(shí)輸出時(shí)。此時(shí)只需一次寫(xiě)操作，就開(kāi)始轉(zhuǎn)換，提高了D/A的數(shù)據(jù)吞吐量。（a）雙緩沖方式：采用二次緩沖方式，可在輸出的同時(shí)，采集下一個(gè)數(shù)據(jù)，提高了轉(zhuǎn)換速度；也可在多個(gè)轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)多通道D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出。（c）直通方式：輸出隨輸入的變化隨時(shí)轉(zhuǎn)換。DAC0832與CPU插槽接口DAC0832與PC機(jī)的連接如圖所示，由于DAC0832的數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)可以直接與CPU數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，所以在圖中，DAC0832沒(méi)經(jīng)緩沖器而直接與數(shù)據(jù)總線(xiàn)中D7～D0相連，圖中XFER*和WR2*接地，即DAC0832內(nèi)部第2級(jí)緩沖器接成直通式，只控制第1級(jí)緩沖器的數(shù)據(jù)輸入，當(dāng)CS*與WR1*同時(shí)有效時(shí)，DI7～DI0的數(shù)據(jù)被送入其內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換

DAC0832與CPU插槽相連接的電路

MOVDX，200H；端口地址ABCD:MOVAL，00HOUTDX，AL；向DAC0832輸出全0CALLDELAY；調(diào)用延時(shí)子程序DELAYMOVAL，0FFHOUTDX，AL；向DAC0832輸出全1CALLDELAYJMPABCDDALLY:MOVCX,0500HA1:LOOPA1

RET例【10-1】假設(shè)在圖中DAC0832片選的地址是200H，要求在VOUT輸出方波.例【10-2】

8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的輸出電壓范圍為0~5V，端口地址為4321H，試編程實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生0~5V鋸齒波的程序MOVDX,4321H;端口地址送DXA1:MOVAL,00H;準(zhǔn)備起始輸出數(shù)據(jù)

LOOP:OUTDX,ALCALLDALLYINCALCMPAL,FFHJNCA1JMPLOOP

A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過(guò)程通過(guò)取樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟完成。10.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理采樣保持量化編碼VIDO模擬量輸入數(shù)字量輸出取樣（也稱(chēng)采樣）是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。1.取樣和保持10.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器取樣過(guò)程采樣脈沖輸入模擬信號(hào)采樣輸出信號(hào)模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。10.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器①在采樣脈沖S(t)到來(lái)的時(shí)間τ內(nèi)，VT導(dǎo)通，UI(t)向電容C充電，假定充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于τ，則有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采樣②采樣結(jié)束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)為止。－－保持場(chǎng)效應(yīng)管VT為采樣門(mén)，電容C為保持電容，運(yùn)算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。取樣保持電路及輸出波形輸入的模擬電壓經(jīng)過(guò)取樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍是一個(gè)可以連續(xù)取值的模擬量，但n位數(shù)字量只能表示2n個(gè)數(shù)值。因此，用數(shù)字量來(lái)表示連續(xù)變化的模擬量時(shí)就有一個(gè)類(lèi)似于四舍五入的近似問(wèn)題。10.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器2.量化和編碼量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。A/D轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法和間接轉(zhuǎn)換法兩大類(lèi)。直接法是通過(guò)一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。直接A/D轉(zhuǎn)換器有計(jì)數(shù)型、逐次比較型、并行比較型等。間接法是將取樣后的模擬信號(hào)先轉(zhuǎn)換成中間變量時(shí)間t或頻率f,然后再將t或f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。間接A/D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。10.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器二、A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式分辨率=1.分辨率分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)的分辨能力。從理論上講，一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個(gè)不同量級(jí)，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為（滿(mǎn)量程輸入的1/2n）。10.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)例如，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為12位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號(hào)為10V，則其分辨率為

2.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)開(kāi)始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型，不同類(lèi)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。①雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒左右；②逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，需幾十微秒；③并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒時(shí)間。10.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器10.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器3.轉(zhuǎn)換誤差

它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如，