第9AD转换.ppt
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1、第9章 数/模与模/数转换,9.1 数/模(D/A)转换 9.2 模/数(A/D)转换 9.3 典型A/D转换器芯片 9.4 数据采集系统,数字量(Digit)和模拟量(Analog),数字量:从键盘读入的字符代码,送往磁盘存储的文 件信息等。 模拟量:语音信号,送往VGA显示器的视频信号,以 及工业生产过程中温度、流量等物理量。它们随 着时间连续变化。 为了使用计算机对模拟量进行采集、加工和输出,需 要把模拟量转换成便于数字计算机存储和加工的 数字量(A/D转换,ADC),或者把数字量转换 成模拟量(D/A转换,DAC)。 D/A与A/D转换是计算机用于多媒体、工业控制等领 域的一项重要技术
2、。,图9-1,模拟量输入输出通道,1 传感器(变送器),把外部的物理量(例如:声音、温度、压力、流量 等)转换成电流或电压信号。,2 A/D转换器(Analog Digit Converter, ADC),将电压表示的模拟量转换成数字量,送计算机处理。 它是输入通道的核心环节。 AD转换器输入模拟信号通常有以下几种电压范围: 单极性05V、010V、020V; 双极性2.5V、5V、10V等。,3 信号处理,传感器输出的信号比较微弱,需要经过放大,获得ADC 所要求的输入电平范围。 安装在现场的传感器及其传输线路容易受到干扰信号的 影响,需要加接滤波电路,滤去干扰信号。,4 多路开关(Mult
3、iplexer),需要监测或控制的模拟量往往多于一个。可以使用多路 模拟开关,轮流接通其中的一路,使多个模拟信号共用 一个ADC进行A/D转换。,5 采样/保持器(Sample Holder),如果在一次转换期间,输入的模拟量有较大的变化, 那么转换得到的结果会产生误差,甚至发生错误。 A/D转换期间保持输入信号不变的电路称为采样/保持 电路。 转换开始之前,采样/保持电路采集输入信号(采样) 转换进行过程中,它向A/D转换器保持固定的输出 (保持)。,6 D/A转换器(Digit Analog Converter, DAC):,D/A转换器将成数字量转换成模拟量输出。,9.1 数/模(D/A
4、)转换,9.1.1 数/模转换原理 9.1.2 D/A转换芯片DAC0832,图9-2,1. 权电阻D/A,2. R-2R T型电阻网络D/A转换器,D/A转换器进行一次数字量到模拟量的转换需要的时间, 称为D/A转换时间,一般在500ns(纳秒, 1ns=10-9s)左右。 为了保存由计算机送来的数字信号,通常还需要配置一 个“数据寄存器”,向D/A 转换器提供稳定的数字信号。,9.1.2 D/A转换芯片DAC0832,1 DAC0832的引脚信号,DI0DI7:8位数字量输入。 ILE:数据锁存允许信号,高电平有效; CS#:输入寄存器选择信号,低电平有效; WR1#:输入寄存器的“写”选
5、通信号,低电平有效。 输入寄存器的锁存信号LE1#=(CS#+WR1#)#ILE。 LE1#=1,输入锁存器状态随数据输入状态变化; LE1#=0 时,锁存输入数据。,XFER#:数据转移控制信号,低电平有效; WR2#:DAC寄存器的“写”选通信号。 DAC寄存器的锁存信号LE2#=WR2#+XREF#。 LE2# =1时,DAC寄存器的输出跟随输入变化; LE2# =0时,锁存输入寄存器状态。 VREF:基准电压输入。(10V10V),DAC0832的引脚信号,Rfb:反馈信号输入,芯片内已连接有反馈电阻。 IOUT1和IOUT2:电流输出引脚。IOUT1与IOUT2 的和为常数,IOUT
6、1随DAC寄存器的内容线性变化。 Vcc是工作电源;DGND是数字地,AGND为模拟 信号地。,DAC0832的引脚信号,为了保证转换精度,模拟信号部分应使用高精度基 准电源VREF和独立的地线。 为了避免数字信号对模拟信号的干扰,提高输出的 稳定性,减少误差,应把数字地和模拟地分开: 模拟地:模拟信号及基准电源的参考地; 数字地:工作电源地,数据、地址、控制等数字 信号逻辑地。 D/A转换器的输出一般都要接运算放大器,微小信 号经放大后才能驱动执行机构的部件。,DAC0832的引脚信号,图9-5,DAC0832的连接,2. DAC0832的应用,直通输入:把CS#, WR1# , WR2#,
7、 XREF#都接地,由 微机的并口(例如8255)向0832输出。 单缓冲:地址选通PORT0连接CS#。I/O写信号IOW#同 时连接到WR1#、WR2#和XREF#。执行一次输出指令可 以将数据写入。 双缓冲方式: 在输出一个模拟信号的同时,可送入下一个数据,实现 多个DAC同时输出新的模拟量。 DAC0832占用两个端口地址,地址线A0=0时选中第一级,A0=1时选中第二级。 输出一个数据需要执行两条输出指令: 第一条指令将数据写入0832的输入寄存器; 第二条指令将数据从输入寄存器送入DAC寄存器,图9-5,2. DAC0832的应用,MOV AL , NUM ;被转换的数据送AL M
8、OV DX, PORT0 ;输入寄存器偶地址送DX OUT DX, AL ;数据送到输入寄存器 INC DX ;A0=1 OUT DX, AL ;数据送入DAC寄存器,双缓冲方式输出程序,输出锯齿波的程序段,MOV AL, 0 J1: CALL OUTPUT ;输出当前值 INC AL ;产生下一个输出值 JMP J1,输出三角波的程序段,S0: MOV AL, 0 ; AL中置初值0, S1: CALL OUTPUT ;输出三角波的上升段 INC AL JNZ S1 DEC AL S1: CALL OUTPUT ;输出三角波的下降段 DEC AL ;产生下降段下一个值 JNZ S2 ; JM
9、P S1 ;下降段结束, ; 输出下一个三角波,OUTPUT PROC NEAR MOV DX, PORT0 ;DAC0832端口地址 OUT DX, AL INC DX OUT DX, AL ; PUSH AX MOV AX, N ;延时的时间常数 WT: DEC AX JNZ WT ;延时 POP AX RET OUTPUT ENDP,子程序“OUTPUT”,9.2 A/D 转换,9.2.1 信号变换中的采样、量化和编码 9.2.2 A/D 转换原理 9.2.3 A/D转换器的主要技术指标,9.2.1 信号变换中的采样、量化和编码,1. 采样,采样:模拟信号的大小随着时间不断地变化,A/D
10、转换实际上是按一定的周期对各瞬时值进行转换。 采样保持:对于变化较快的输入模拟信号,A/D转换前可采用采样保持器,使得在转换期间保持固定的模拟信号值。 采样定理:采样频率要高于或至少等于输入信号最高频率的2倍。实际应用中,采样频率可以达到信号最高频率的48倍。,2. 量化,量化是把采样值取整为最小单位的整数倍。 量化的最小单位称为量化单位,它等于输入 信号的最大值/数字量的最大值,对应于数字量1。 输入信号的最大值一般等于所使用的“参考电压(VREF )”,图9-7,3. 编码,量化得到的数值通常用二进制表示。 对有正负极性(双极性)的模拟量一般采用偏移码表示。 例如,8位二进制偏移码1000
11、0000代表数值0, 00000000代表负电压满量程, 11111111代表正电压满量程 (数值为负时符号位为0,为正时符号位为1) 。,9.2.2 A/D 转换原理,这种方式的转换中有两个积分时间: T0:用模拟输入电压对电容积分(充电)的时间 这个时间是固定的; T1:以电容充电后的电压为初值,对参考电源 VRef反向积分,也就是积分电容被放电至 零所需的时间(或T2)。,1. 双积分型A/D转换器,图9-8,双积分型A/D转换器,Vi/VRef = T1/T0。 由于VRef 、T0固定,通过测量放电时间T1,可求出输入模拟电压Vi的大小。 双积分型A/D转换测量输入电压Vi在T0时间
12、内的平均值,所以对常态干扰(串模干扰)有很强的抑制作用,尤其对正负波形对称的干扰信号,抑制效果更好。 双积分型的A/D转换器电路简单,抗干扰能力强,精度高,但是转换速度比较慢,通常为ms级,一般用于低频信号的测量。,双积分型A/D转换器,图9-9,2. 逐次逼近型的A/D转换器,逐次逼近式的A/D转换器的特点,(1) 转换速度较快,转换时间在1100s以内, 分辨率可达18位,适用于高精度、高频信号 的A/D转换; (2) 转换时间固定,不随输入信号的大小而变化; (3) 抗干扰能力较双积分型弱。采样时,干扰信号会造成较大的误差,需要采取适当的滤波措施。,图9-10,3. 跟踪计数式模数转换器
13、,图9-11,4. -型模数转换器,(设输入模拟量Vin=1/4VREF),-型模数转换器以串行数据流方式输出结果; 转换精度为1LSB; 转换完成后,比较器输出0/1相间的数字流; 输入模拟量Vin发生变化,输出数字流随之变化。 模拟量输入端接有多路开关时,通道切换后要等 待足够长的时间,才能读取转换结果。 -型模数转换器抗干扰能力强,转换精度高,常用于高分辨率(常见为16、18、24位)的中、低频信号测量。 AD7714是一个-型模数转换器芯片,转换精度24位。,-型模数转换器,1. 分辨率 分辨率反映A/D转换器对输入微小变化的响应能力,用数字量最低位(LSB)所对应的模拟输入电平值()
14、表示。 分辨率直接与转换器的位数有关,也可以用数字量的位数来表示分辨率。 注意:分辨率与精度是两个不同的概念。 分辨率高的转换器,精度不一定高。,9.2.3 A/D转换器的主要技术指标,2. 精度 (有绝对精度和相对精度两种) (1)绝对误差 绝对误差等于实际转换结果与理论转换结果之差。 也可以用数字量的最小有效位(LSB)的分数值表示。 例如: 1LSB,1/2 LSB,1/4 LSB等 (2)相对误差 相对误差是指数字量所对应的模拟输入量的实际值与 理论值之差,用模拟电压满量程的百分比表示。 例:10位A/D芯片,输入满量程10V, 绝对精度 1/2LSB (9.77mV) 绝对精度为:1
15、/2(4.88mV) 相对精度为:4.88mV/10V0.048。,3. 转换时间 完成一次A/D转换所需要的时间。 (发出转换命令信号到转换结束的时间) 转换时间的倒数称为转换速率。 例:AD574的转换时间25s, 转换速率为40KHz(=1/25 s ) 4. 量程 量程:被转换的模拟输入电压范围, 分单极性、双极性两种类型。 单极性常见量程为 05V,010V,020V; 双极性量程常为5V5V,10V+10V。,5. 逻辑电平与输出方式 多数A/D转换器输出的数字信号与TTL电平兼容,以并行方式输出。 -A/D转换芯片以串行方式输出数据,这对单片机类CPU连接是很方便的。 6. 工作
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