第10章微机原理数模转换和模数转器课件.ppt

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1、第10章微机原理数模转换和模数转器第1页，此课件共33页哦10.1 10.1 概述概述 n模拟量连续变化的物理量n数字量时间和数值上都离散的量模拟/数字转换器ADCDAC数字/模拟转换器第2页，此课件共33页哦传感器(温度、压力、流量等模拟量）A/D计算机（数字量）显示器D/A执行部件（模拟量控制）打印机能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口.第3页，此课件共33页哦 D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常用的

2、线性D/A转换器，其输出模拟电压uO和输入数字量Dn之间成正比关系。UREF为参考电压。一、D/A转换器的基本工作原理10.2 数模转换器 D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。uo或或io 输输出出 D/A d0 d1 dn1 输输入入 Dn (LSB)(MSB)uODnUREF第4页，此课件共33页哦 将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。10.2 数模转换器即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应的各分模拟电压之和。第5页，

3、此课件共33页哦 D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。10.2 数模转换器数码缓冲寄存器n位数控模拟开关解码网络n位数字量输入模拟量输出求和电路参考电压n 位D/A转换器方框图 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。第6页，此课件共33页哦 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A(MSB)(LSB)

4、dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF(R/2)u0 UREF +I 1.权电阻网络D/A转换器 权电阻网络DAC原理图 10.2 数模转换器二、D/A转换器的主要电路形式权电阻双向模拟开关数字量输入 模拟量输出 权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器第7页，此课件共33页哦 集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。10.2 数模转换器 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A(MSB)(LSB)dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF(R/2)u0 UREF +

5、I 权电阻网络DAC的原理分析 开关Si的位置受数据锁存器输出的数码di控制：当di=1时，Si将对应的权电阻接到参考电压UREF上；当di=0时，Si将对应的权电阻接地。第8页，此课件共33页哦10.2 数模转换器 1-n0iii1-nREFi-1-nREF1-n0ii1-n0ii0122n1n2dR2UR2UdI IIIIII运算放大器总的输入电流为 nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。第9页，此课件共33页哦因而uO的变化范围是 REFnnU2120 10.2 数模转换器权电阻网络D/A转换器的

6、特点优点：结构简单，电阻元件数较少；缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。第10页，此课件共33页哦10.2 数模转换器 A(MSB)(LSB)dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF(R)u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R +2.倒T型电阻网络D/A转换器 数字量输入 模拟量输出 电阻解码网络中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻2R总是与地相连。这样，倒T型网络的各节点向上看和向右看的等

7、效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R。求和点倒T型电阻网络D/A转换器原理图 第11页，此课件共33页哦10.2 数模转换器 A(MSB)(LSB)dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF(R)u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2I 2I 2I 2I 2I n1-n2-n21 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R n1-n2-n212I 2I 2I 2I 2I I +I 参考电压UREF供出的总电流为：RUIREF 运算放大器的输出电压为：nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量

8、到模拟量的转换。第12页，此课件共33页哦倒T型电阻网络D/A转换器的特点：优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。10.2 数模转换器第13页，此课件共33页哦分辨率用于表示D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。121UUnm 分辨率 分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。10.2 数模转换器1.分辨率 三、D/A转换器的主要技术指标D/A转换器模拟

9、输出电压可能被分离的等级数可用输入数字量的位数n表示D/A转换器的分辨率；可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率。05/75001010011100101110111vo/VD000第14页，此课件共33页哦10.2 数模转换器2.转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。3.转换速度 从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差0.5LSB范围内所需要的时间，称为建立时间tset。目前单片集成D/A转换器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到0.1微秒以内。4.温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化

10、产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。第15页，此课件共33页哦10.2 数模转换器1.DAC0832结构框图 四、8位集成DAC08328位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&RFB 它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了倒T型R-2R电阻网络。LE1，跟随 0，锁存第16页，此课件共33页哦10.2 数模转换器2.DAC0832引脚功能 DI7DI0：8位输入数据信号。IO

11、UT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大（满量程输出）；为全0时，IOUT1为0。IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足 IOUT1+IOUT2 满量程输出电流。Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了Rfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。CS：片选信号，低电平有效。WR1：输入数据选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）XFER：数据传送选通信号，低电平有效。WR2：数据传送

12、选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）第17页，此课件共33页哦10.2 数模转换器 任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地”的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的“地”对测量的精度是构成影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线，只在板中的一点把它们连接起来。DGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。AGND：模拟地，是放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。UREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。UREF可在-10V至+10V

13、范围内选择。UCC：电源输入端（一般取+5V+15V）。第18页，此课件共33页哦3.DAC0832特性参数 10.2 数模转换器分辨率：8位建立时间：1s增益温度系数：20ppm/（ppm-百万分之一，10-6）输入电平：TTL功耗：20mW4.DAC0832工作方式 当ILE、CS和WR1同时有效时，输入数据DI7DI0进入输入寄存器；并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR2和XFER同时有效时，输入寄存器的数据进入DAC寄存器；并在WR2的上升沿实现数据锁存。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。DAC0832 的使用有双缓冲器型、单缓冲

14、器型和直通型三种工作方式。第19页，此课件共33页哦DAC0832的三种工作方式 10.2 数模转换器（b）单缓冲方式：适合在不要求多片D/A同时输出时。此时只需一次写操作，就开始转换，提高了D/A的数据吞吐量。（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。（c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。第20页，此课件共33页哦 DAC0832与与CPU插槽接口插槽接口 DAC0832DAC0832与与PCPC机的连接如图所示，由于机的连接如图所示，由于DAC0832DAC0832的的数据输入线可以直

15、接与数据输入线可以直接与CPUCPU数据线连接，所以在图中，数据线连接，所以在图中，DAC0832DAC0832没经缓冲器而直接与数据总线中没经缓冲器而直接与数据总线中D D7 7D D0 0相连，相连，图中图中XFERXFER*和和WR2WR2*接地，即接地，即DAC0832DAC0832内部第内部第2 2级缓冲级缓冲器接成直通式，只控制第器接成直通式，只控制第1 1级缓冲器的数据输入，级缓冲器的数据输入，当当CSCS*与与WR1WR1*同时有效时，同时有效时，DIDI7 7DIDI0 0的数据被送入其的数据被送入其内部的内部的D/AD/A转换电路进行转换转换电路进行转换 第21页，此课件共

16、33页哦DAC 0832与CPU插槽相连接的电路 第22页，此课件共33页哦 MOV DX MOV DX，200H 200H ；端口地址端口地址ABCD:MOV ALABCD:MOV AL，00H 00H OUT DX OUT DX，AL AL ；向；向DAC0832DAC0832输出全输出全0 0 CALL DELAY CALL DELAY ；调用延时子程序；调用延时子程序DELAYDELAY MOV AL MOV AL，0FFH 0FFH OUT DX OUT DX，AL AL ；向；向DAC0832DAC0832输出全输出全1 1 CALL DELAY CALL DELAY JMP AB

17、CD JMP ABCDDALLY:MOV CX,0500H DALLY:MOV CX,0500H A1:LOOP A1 A1:LOOP A1 RETRET0Y例【10-1】假设在图中DAC0832片选的地址是200H，要求在VOUT输出方波.第23页，此课件共33页哦例【10-2】8 位D/A 转换器DAC0832 的输出电压范围为05V，端口地址为4321H，试编程实现产生05V 锯齿波的程序 MOV DX,4321H ;端口地址送DX A1:MOV AL,00H ;准备起始输出数据 LOOP:OUT DX,AL CALL DALLY INC AL CMP AL,FFH JNC A1 JMP

18、 LOOP 第24页，此课件共33页哦 A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。10.3 模数转换器一、A/D转换器的基本工作原理采样保持量化编码VIDO模拟量输入数字量输出第25页，此课件共33页哦 取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。1.取样和保持 10.3 模数转换器取样过程 采样脉冲 输入模拟信号 采样输出信号 maxf2fs 第26页，此课件共33页哦 模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样

19、脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。10.3 模数转换器在采样脉冲S(t)到来的时间内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假定充电时间常数远小于，则有：UO(t)US(t)UI(t)。采样采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。保持 场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。取样保持电路及输出波形第27页，此课件共33页哦 输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数值。因此，用数字量

20、来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。10.3 模数转换器2.量化和编码 量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。第28页，此课件共33页哦 A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f,然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。10.3 模数转

21、换器二、A/D转换器的主要电路形式第29页，此课件共33页哦mVVV44.2096410101221分辨率=1.分辨率 分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的1/2n）。FSRn2110.3 模数转换器三、A/D转换器的主要技术指标例如，A/D转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V，则其分辨率为 第30页，此课件共33页哦2.转换时间 转换时间是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换速

22、度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，需几十微秒；并行比较型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。10.3 模数转换器第31页，此课件共33页哦10.3 模数转换器3.转换误差 它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如，转换误差 。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。LSB21第32页，此课件共33页哦10.3 模数转换器四、8位集成ADC0809 1.ADC0809特性参数 分辨率：8位精度：8位转换时间：100s增益温度系数：20ppm/输入电平：TTL功耗：15mW ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位八通道逐次逼近型A/D转换器。第33页，此课件共33页哦