第十数模和模数转换.ppt
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1、第十章 数/模和模/数转换,10.1 概述 10.2 数/模(D/A)转换 10.3 模数(A/D)转换 10.4 采样保持电路(略),10.1 概述,一、问题的提出 当计算机用于数据采集和过程控制的时候,采集对象往往是连续变化的物理量(如温度、压力、声波等),但计算机处理的是离散的数字量,因此需要对连接变化的物理量(模拟量)进行采样、保持,再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件(如声卡播放音乐等)。A/D转换器完成模拟量数定量的转换,D/A转换器完成数字量模拟量的转换。,二、模拟接口 定义:A/D D/A转换器可视作一外部设备
2、功能: 将微机系统的离散的数字信号和设备中连续变化的模拟量两者建立适配关系,使CPU能进行 控制与监测。,三、模拟输入输出系统,传感器 将各种现场的物理量测量出来 并转换成电信号(模拟电压或电流),放大器 把传感器输出的信号放大到ADC所需 的量程范围,低通滤波器 用于降低噪声、滤去高频干扰, 以增加信噪比,多路开关 把多个现场信号分时地接通到A/D转换器,采样保持器 周期性地采样连续信号, 并在A/D转换期间保持不变,一、D/A变换器的基本构成,模拟开关 电阻网络 运算放大器,权电阻网络 R-2R梯形电阻网络,Vref,Rf,模拟开关 电阻网络,VO,数字量,10.2 数/模(D/A)转换,
3、二、基本变换原理,运放的放大倍数足够大时,输出电压VO与输入电压Vin的关系为:,Vin,Rf,VO,R,若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为:,Vin,Rf,VO,R1,Rn,令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref,则有,如果每个支路由一个开关Si控制,Si=1表示Si合上,Si=0表示Si断开,则上式变换为,若Si=1,该项对VO有贡献; 若Si=0,该项对VO无贡献,对应的电路,权电阻网络,2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R,Vref,Rf,VO,S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8,这里,上式中的n=
4、8,如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时Si闭合;Di=0时Si断开),则不同的二进制代码就对应不同输出电压VO; 当代码在0FFH之间变化时,VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化; 为控制电阻网络各支路电阻值的精度,实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络,它只用两种阻值的电阻(R和2R)。,R-2R梯形电阻网络,13,T型电阻网络中,节点D的右边为两个2R的电阻并联,它们的等效电阻为R,几点C右边也是两个2R的电阻并联,结果等效电阻也是R ,以此类推,最后,在A点等效于一个数值为R的电阻连在参考电压VREF上。这样各点的电压分别为: Va= VREF, Vb
5、= VREF /2, Vc= VREF /4, Vd= VREF /8 当开关接通Iout1时,各点的电流为: I0 = Vd/2R ,I1 = Vc/2R ,I2 = Vb/2R, I3 = Va/2R 根据线性电路的叠加原理,输出电流Iout1就是: Iout1 = I0 + I1 + I2 + I3 = (VREF /2R)*(1/8+1/4+1/2+1),然后通过运算放大器的反相输出,得到电压输出Vout=- Iout1 Rfb。令Rfb =R,则: Vout = VREF * (20+21+22+23)/24 将上述电路推广到n位转换器,则有: Vout=(20*D0+21*D1+2
6、2*D2+2n-1*Dn-1)/2n* VREF 其中D0Dn-1 表示相应的二进制位。,14,三、主要技术指标,1、分辨率(Resolution) 输入的二进制数每1个最低有效位 (LSB)使输出变化的程度。 分辨率的表示有两种: 最小输出电压与最大输出电压之比 用输入端待进行转换的二进制数的位数来表示, 位数越多,分辨率越高。 分辨率的表示式为: 分辨率=Vref/2位数或 分辨率=(V+ref+V-ref)/2位数 若Vref=5V,8位的D/A转换器分辨率为5/256=20mV。,分辨率举例,一个满量程为5V的10位D/A变换器,1 LSB的变化将使输出变化 5/210 = 5/102
7、4 = 0.00488V = 4.88mV (LSB-Least Significant Bit),2、转换精度(误差),实际输出值与理论值之间的最大偏差 可用最小量化阶来度量: =1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量: 如0.05% FSR (FSR-Full Scale Range),3、转换时间,从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB所对应的模拟量所需要的时间,t,V,1/2 LSB,tC,VFULL,4、线性度 当数字量变化时,D/A转换器输出的模拟量按比例变化的程度。 线性误差 模拟量输出值与理想输出值之间偏离的最大值。,DAC(数字模拟变换集成电路)是系统或设备中的一个功能
8、 器件,当将它接入系统时,不同的应用场合对其输入输出有不 同的要求, DAC的输入输出特性一般考虑以下几方面: (1)输入缓冲能力:DAC的输入缓冲能力是非常重要的,具有 缓冲能力(数据寄存器)的DAC芯片可直接与CPU或系统总线相 连,否则必须添加锁存器。,二、DAC的输入输出特性:,(2)输入码制:DAC输入有二进制和BCD码两种,对于单极性DAC可接收二进制和BCD码;双极性DAC接收偏移二进制或补码。 (3)输出类型:DAC输出有电流型和电压型两种,用户可根据需要选择,也可进行电流电压转换。 (4)输出极性:DAC有单极性和双极性两种,如果要求输出有正负变化,则必须使用双极性DAC芯片
9、。,1、接口的功能( CPU给DAC送数据无须条件查询) DAC芯片与CPU或系统总线连接时,可从数据总线宽度是 否与DAC位数据匹配、DAC是否具有数据寄存器两个方面来考虑,所以接口的功能主要考虑以下两点: (1)进行数据缓冲与锁存 (2)需进行两次数字量输入时,可在受控条件下同时进行转换 2、接口形式 (1)直通 (2)通过外加三态门,数据锁存器与CPU相连 (3)通过可编程的I/O接口芯片与CPU相连,三、D/A转换器与CPU的接口,1.DAC0832与CPU的接口 (1)DAC0832的性能参数 DAC0832是一片典型的8位DAC芯片 分辨率:8位 电流型:内部有2级缓冲器 转换时间
10、:1mS 功耗:20mW,四、D/A转换器接口的设计,(2)DAC0832引脚和内部结构如图所示。,DAC0832的内部结构,LE2,LE1,Rfb,AGND,DAC0832,Vcc,ILE,VREF,输入 寄 存 器,DGND,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout2,Iout1,2.DAC0832的数字接口,8位数字输入端 DI0DI7(DI0为最低位) 输入寄存器(第1级锁存)的控制端 ILE、CS*、WR1* DAC寄存器(第2级锁存)的控制端 XFER*、WR2*,直通锁存器的工作方式,两级缓冲寄存器都是直通锁存器 LE1,直通(输出等于输入) LE0,锁存(
11、输出保持不变),LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,DAC0832的工作方式:直通方式,LE1LE21 输入的数字数据直接进入D/A转换器,LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,DAC0832的工作方式:单缓冲方式,LE11,或者LE21 两个寄存器之一始终处于直通状态 另一个寄存器处于受控状态(缓冲状态),LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,DAC0832的
12、工作方式:双缓冲方式,两个寄存器都处于受控(缓冲)状态 能够对一个数据进行D/A转换的同时;输入另一个数据 优点:数据接收与D/A转换可异步进行; 可实现多个DAC同步转换输出分时写入、同步转换,LE2,LE1,DAC0832,输入 寄 存 器,DI0DI7,D/A 转 换 器,DAC 寄 存 器,Iout1,3. DAC0832的模拟输出,Iout1、Iout2电流输出端 Rfb反馈电阻引出端(电阻在芯片内) VREF参考电压输入端 10V10V AGND模拟信号地 VCC电源电压输入端 5V15V DGND数字信号地,单极性电压输出,VoutIout1Rfb (D/28)VREF,Rfb,
13、Iout2,Iout1,Vout,+,_,AGND,A,DI,VREF,单极性电压输出:例子,设 VREF5V DFFH255时,最大输出电压: Vmax(255/256)5V4.98V D00H时,最小输出电压: Vmin(0/256)5V0V D01H时,一个最低有效位(LSB)电压: VLSB(1/256)5V0.02V,Vout(D/2n)VREF,双极性电压输出:电路,R1(R),R3(2R),R2(2R),Rfb,Iout2,Iout1,AGND,DI,VREF,Vout1,+,_,A1,Vout2,+,_,A2,双极性电压输出:公式,取 R2R32R1 得 Vout2(2Vout
14、1VREF) 因 Vout1(D/28)VREF 故 Vout2(D27)/27)VREF,双极性电压输出:例子,设 VREF5V DFFH255时,最大输出电压: Vmax(255128)/1285V4.96V D00H时,最小输出电压: Vmin(0128)/1285V5V D81H129时,一个最低有效位电压: VLSB(129128/1285V0.04V,Vout(D27)/27)VREF,4. 输出精度的调整,Rfb,Iout2,Iout1,Vout,+,_,AGND,调零 电位器,调满刻度 电位器,电源,5V,A,DI,10K,1M,1K,VREF,5. 地线的连接,DGND,AG
15、ND,模拟电路,数字电路,ADC,DAC,模拟电路,数字电路,6.应用举例 利用DAC可实现任意波形(如锯齿波、三角波、正弦波等)的输出,如输出锯齿波、三角波的程序段如下:,JNZ TN1 MOV AL,0FFH TN2:OUT DX,AL DEC AL,TRG:MOV DX,200H MOV AL,0H TN1:OUT DX,AL INC AL,JNZ TN2 JMP TN1,产生,0,AL全“1”输出,输出锯齿波程序段如下: TRG: MOV DX,200H MOV AL,0H TN: OUT DX,AL INC AL JMP TN ,7. 12位DAC连接 由于微机的I/O指令一次只能输
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