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当前位置:首页 > 电子/通信 > 综合/其它 > 微机原理和接口课件 第十章 AD及DA转换接口
第十章数/模、模/数转换接口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。10.1数/模(D/A)转换D/A转换器完成数字量→模拟量的转换,这在计算机和虚拟信号发生器中应用非常普遍。一、D/A转换原理数/模转换器的核心器件是“解码网络”常用的解码网络有权电阻解码网络、T型解码网络等,T型解码网络的原理如图10-1所示。求和元件RRRR2R2R2R2R2R节点7节点6节点5节点0S7S6S5S6图10-1T型解码网络原理图图中Vref为参考电压,S7、S6……SO为8个电子开关,受计算机输出的二进制数据控制其导通/关断。解码网络相邻两节点之间的电阻都为R,但节点7与运算放大器之间,节点0与地之间的电阻为2R,各支路电阻为2R。不论电子开关导通/关断,从任一节点向左、向右看(不包含支路电阻)的等效电阻都是2R。用叠加原理分析输入到运算放大器的总电流:依次假设S7~S0中只有一个电子开关接通Vref,其他电子开关接地,可求出总电流为:总电流=D7×I×2-1+D6×I×2-2+……D0×I×2-8=I×2-8(D7×27+D6×26+……D0×20)=N×2-8(Verf/3R)由于Verf和3R均为固定值总电流只与输入的二进制数N有关,所以通过解码网络可得到一个与输入数字量成比例关系的电流。集成化的D/A转换芯片按输入二进制的位数常见的有8、12、16、20位D/A转换器。二、D/A转换器特性及连接D/A转换器一般是根据自己的需要选择相应数据位宽度和速度的D/A转换芯片,在选择D/A转换器芯片时一般考虑如下指标:(1)分辨率:指D/A转换器能分辨的最小电压增量,或1个二进制增量所代表的模拟量大小。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。(2)转换时间:指数字量输入到模拟量输出达到稳定所需的时间。一般电流型D/A转换器在几秒到几百微秒之内;而电压型D/A转换器转换较慢,取决于运算放大器的响应时间。(3)精度:指D/A转换器实际输出与理论值之间的误差,一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位(如1/2LSB)。如D/A分辨率为20mV,则精度为±10mV.(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。DAC(数字模拟变换集成电路)是系统或设备中的一个功能器件,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,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。(2)输入码制:DAC输入有二进制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:DC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。三、DAC典型连接DAC芯片与CPU或系统总路线连接时,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虑,一般有下面几种情况:(1)当DAC位数与数据总线宽度相同,具有数据缓冲能力时,可直接与CPU连接。(2)当DAC位数与数据总线宽度相同,DAC没有数据寄存器时,必须外加锁存器或I/O接口芯片(如8255A等)才能与CPU连接。当DAC位数大于数据总线宽度,DAC无论有无数据寄存器时,都必须外加锁存器或I/O接口芯片才能与CPU相连接。1.8位DAC连接DAC0832是一片典型的8位DAC芯片,其引脚和内部结构如图10-2所示。2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGND8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A寄存器DI7~DI10ILELE1LE2CSWR1WR2XFERVREFIOUT2IOUT1RFBAGND(模拟地)图10-2DAC0832引脚及内部结构D7~D0IOWA9~A0AEN系统总线DI0~7WR1ILECSDAC0832译码器WR2XFERDGNDVerfRfbI01I02AGND+-AR+5VVout图10-3DAC0832单缓冲方式连接+5V200HDAC0832有三种工作方式:(1)双缓冲方式(2)单缓冲方式(3)直通方式注:在DAC实际连接中,要注意区分“模拟地”和“数字地”的连接,为了避免信号串扰,数字量部分只能连接到数字地,而模所量部分只能连接到模拟地。采用单缓冲方式连接如图10-3所示。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:TRG:MOVDX,200HMOVAL,0HTN1:OUTDX,ALINCALJNZTN1MOVAL,0FFHTN2:OUTDX,ALDECALJNZTN1…………输出锯齿波程序段如下:TRG:MOVDX,200HMOVAL,0HTN:OUTDX,ALINCALJMPTN…………利用图所示的DAC0832单缓冲方式连接图,也可输出正弦波,由于DAC0832是一个单极性输出DAC芯片,因此在正弦波输出中应将0V平移到128数值上,其C语言控制程序如下:#includestdio.h#includemath.hMain(){unsignedcharV0=128,VOUT;inti;Next:i=0;while(I=360){∥角度最大为360度VOUT=V0+128*sin(3.14159*I/180);∥计算每10度的正弦值outportb(0x200,VOUT);∥输出i=i+10;∥角度+10}while(!kbhit()){∥等待键盘gotonext∥键盘无键按下,重复输出正弦波}}2.12位DAC连接由于微机的I/O指令一次只能输出8位数据,因此对于数据宽度大于8位DAC只能分两次输入数据,为此一般大于8位数据宽度的DAC内部均设计有两级数据缓冲,如12位DAC1210内部就有两级数据缓冲,内部结构如图10-4所示。8位输入锁存器4位输入锁存器12位DAC存储器12位相乘型D/A转换器LELELELSBMSBDI1115DI1016DI917DI818DI719DI620DI54DI45DI36DI27DI18DI09BYTE123/BYTE2CS1WR12WR121WR22210Vref14Iout213Iout111Rfb24Vcc3AGND24DGND图10-4DAC1210内部结构D7D6D5D4D3D2D1D0DI11DI10DI9DI8DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0译码器Y0IOWAENABY1Y2系统总线WR1WR2BYTE1/BYTE2XFERCSVccAGND-+A1-+A2Rfb+-A310110222k-12V+12VW110k10kVoutW222k-12VVrefDGND+5V+12V2DW7C470200W31K1004.7uF图10-5DAC121与CPU连接在图10-5所示的DAC1210连接电路中,电位器W2用于调零、W1用于DAC满刻度修正。设译码器YO端口地址为200H,用该电路产生连续锯齿波输出程序如下:MOVDX,340MOVAL,DATAHOUTDX,AL;输出高8位数据INCDX;MOVAL,DATAL;低4位数据输出OUTDX,ALMOVDX,342H;OUTDX,AL;输出12位数据四、D/A转换器应用1、函数DAC可以产生任意波形、幅度和频率的信号,如三角波、方波、函数波等。在图10-6所示的DAC电路中,设CS=200H,产生Y=2*COS(200t)*SIN(100t)的函数信号程序。ADC0832RFBD7~D0IOUT1IOUT2D7~D0D7~D0XFERCSAGNDVccDGNDWR1WR2ILFVREF200~20FHCSA0IOW+5V+12V10K-12V200PAOUT+12V10K1K1MLF351图10-6DAC0832电路2.A/D转换器用DAC来构成ADC的应用情况较少,图10-7所示为DAC构成ADC的一种应用方法。LM710+-4.7K-12VRfbI01I02AGNDDI7~DI0VccVrefDGNDDAC0832++5V8255APC0PA7~PA7CS200H~207HDB7~DB0图5-7DAC构成ADC原理图+12V+5V4.7K10.2A/D转换接口在数据采集和过程控制中,被采集对象往往是连续变化的物理量(如温度、压力。声波等),由于计算机只能处理离散的数字量,需要对连续变化的物理转换为数字量,这一操作过程就是A/D转换。一、A/D转换原理A/D转换的原理很多,常见的有双积分式、逐次逼近式、计数式等,输出码制有二进制、BCD码等,输出数据宽度有8位、12位、16位、20位等(二进制)和位、位于(BCD码)。作过程就是A/D转换。1.双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器是将输入电压变换成与平均值成正比的时间间隔,然后利用计数器测量时间间隔,如图10-8所示。213±Vin+VR-VR+-+-控制逻辑计数器/锁存器译码器/显示器时钟发生器K4K1K2K3COMPoutC积分器比较器R图10-8双积分型A/D转换器框图双积分型A/D转换器完成一次模一数转换需要三个阶段:积分(采样:K1导通)、反积分(比较:K3导通)和结束阶段(K4导通)。双积器对正极性电压输出波形如图10-9所示。t1t2t3t4t1t2t3t4T1T2T3V2V10-V1+V2图10-9双积分型A/D转换器输出波形通过输出波形可求出:Vin=VR/Nm×NX,式中:VR参考电压,Nm参考电压计数值,NX输入电压计数值。可见,双积分型A/D转换器输出与时间常数RC无关,消除了斜坡电压的各种误差,由于经过两次积分可消除干扰对转换结果的影响。2.逐次逼近式A/D转换器逐次逼近式A/D转换器原理如图10-10所示,当转换器接收到启动信号后,逐次逼近寄存器清0,通过内部D/A转换器输出使输出电压V0为0,启动信号结束后开始A/D转换。8位D/A转换器逐次逼近寄存器缓冲寄存器控制电路D7~D0CLK启动信号转换结束比较器:Vi>V0输出为“1”Vi≤V0输出为“0”Vi输出模拟电压V0+-图10-10逐次逼近式A/D转换器二、A/D转换器特性A/D转换器的功能是把模拟量转换为数字量,其主要参数有:(1)分辨率:指A/D转换器可转换成数字量的最小电压(量化阶梯),如8为ADC满量程为5V,则分辨率为5000mV/256=20mV,也就是说当模拟电压小于20mV,ADC就不能转换了,所以分辨率一般表示式为:分辨率=Vref/2位数(单极性)或分辨率=(V+ref-V-ref)/2位数(双极性)(2)转换时间:指从输入启动转换信号到转换结束,得到稳定的数字量输出的时间。一般转换速度越好(特别是动态信号采集),常见有超高速(转换时间1ns)、高速(转换时间1µs)、中速(转换时间1ms)和低速(转换时间1s)等。如果采集对象是动态连续信号,要求f采≥2f信,也就是说必须在信号的一个周期内采集2个以上的数据,才能保证信号形态被还原(避免出殃“假频”),这就是“最小采样”原理。若f信=20kHz,则f采≥40kHz,其转换时间要求≤25µs.(3)量化精度:指A/D转换器实际输出与理论值之间的误差,一般采用数字量的最
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