第10章 模擬接口

1、模擬量與數(shù)字量n模擬量模擬量連續(xù)變化的物理量連續(xù)變化的物理量n數(shù)字量數(shù)字量時間和數(shù)值上都離散的量時間和數(shù)值上都離散的量模擬模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字?jǐn)?shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器模擬轉(zhuǎn)換器8.1 從物理信號到電信號的轉(zhuǎn)換從物理信號到電信號的轉(zhuǎn)換 數(shù)字信號數(shù)字信號模擬信號模擬信號現(xiàn)場信號現(xiàn)場信號1現(xiàn)場信號現(xiàn)場信號2現(xiàn)場信號現(xiàn)場信號n微型微型計算機(jī)計算機(jī)放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路開開關(guān)關(guān)低通濾波低通濾波傳感器傳感器低通濾波低通濾波傳感器傳感器低通濾波低通濾波傳感器傳感器A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采樣保持器采樣保持器數(shù)字信號數(shù)字信號受控對象受控對象控制信號控制信號模擬信號模擬信號D/A轉(zhuǎn)

2、換器轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動電路放大驅(qū)動電路傳感器傳感器將各種現(xiàn)場的物理量測量出來將各種現(xiàn)場的物理量測量出來并轉(zhuǎn)換成電信號（模擬電壓或電流）并轉(zhuǎn)換成電信號（模擬電壓或電流） 放大器放大器把傳感器輸出的信號放大到把傳感器輸出的信號放大到ADC所需所需的量程范圍的量程范圍低通濾波器低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾，用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比以增加信噪比多路開關(guān)多路開關(guān)把多個現(xiàn)場信號分時地接通到把多個現(xiàn)場信號分時地接通到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采樣保持器采樣保持器周期性地采樣連續(xù)信號，周期性地采樣連續(xù)信號，并在并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變轉(zhuǎn)換期間保持不變8.2 D/A轉(zhuǎn)換器DAC數(shù)字?jǐn)?shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器

3、模擬轉(zhuǎn)換器模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量8.2.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理數(shù)字量數(shù)字量 模擬量模擬量1101B 13一、解碼原理一、解碼原理D/AD/A轉(zhuǎn)換的基本原理涉及到代數(shù)基本定律，即任意一個非負(fù)整數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理涉及到代數(shù)基本定律，即任意一個非負(fù)整數(shù)A A，總可以用一個，總可以用一個t t進(jìn)制數(shù)表示為：進(jìn)制數(shù)表示為： A= antn+an-1tn-1+a1t1+a0t0 因此可用線性元件組成的網(wǎng)因此可用線性元件組成的網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)解碼絡(luò)來實現(xiàn)解碼 RippoVRtRRV1 1基本公式基本公式為所有電阻均接地時的并聯(lián)等效電阻，稱為為所有電阻均接地時的并聯(lián)等效電阻，稱為t t進(jìn)制加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的特征電阻。顯然

4、，進(jìn)制加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的特征電阻。顯然，這是一個等比級數(shù)和的倒數(shù)，即：這是一個等比級數(shù)和的倒數(shù)，即： piippRRtRtRR11n2pRt1Rt1tR1R1R其中：其中：一、解碼原理（續(xù)）一、解碼原理（續(xù)）RippoVRtRRVR)(11Rnt1t1p當(dāng)當(dāng)nn時有時有 Rt1tRp式中式中2 2推導(dǎo)過程推導(dǎo)過程 在電子系統(tǒng)中，一般在電子系統(tǒng)中，一般t t2 2，即二進(jìn)制加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，如圖所，即二進(jìn)制加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。在示。在nn時該網(wǎng)絡(luò)的特征電阻為：時該網(wǎng)絡(luò)的特征電阻為：R21R212Rp于是，當(dāng)有一個電阻于是，當(dāng)有一個電阻2 2i iR R接接V VR R時，時，V VO O可表示為可表示為Ripp

5、OVR2RRV2 2推導(dǎo)過程（續(xù)）推導(dǎo)過程（續(xù)） R1iRipOV21VR2RV顯然，當(dāng)有一個以上電阻分別在顯然，當(dāng)有一個以上電阻分別在i i、j j、k k、s s、p p等位上接等位上接V VR R時，時，V VO O的值的值可用疊加定理求得可用疊加定理求得R1p1j1iRppjpipOV212121VR2RR2RR2RV如果用如果用a ai i (i (i0 0，1 1，2 2，n-1)n-1)為為“0”0”表示表示i i位電阻接地。位電阻接地。a ai i為為“l(fā)”l”表表示示i i位電阻接位電阻接V VR R，則有，則有 1n0i1iiRO2aVV這就實現(xiàn)了由代數(shù)基本定律到這就實現(xiàn)了

6、由代數(shù)基本定律到D/AD/A轉(zhuǎn)換的基本原理及過程轉(zhuǎn)換的基本原理及過程 將上式代入可得：將上式代入可得： 二、二、D/A轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu) 1 1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 解碼網(wǎng)絡(luò)解碼網(wǎng)絡(luò)由電阻網(wǎng)、受數(shù)字控制的模擬開關(guān)、基準(zhǔn)源由電阻網(wǎng)、受數(shù)字控制的模擬開關(guān)、基準(zhǔn)源V VR R三部分構(gòu)成。三部分構(gòu)成。解碼網(wǎng)的特點解碼網(wǎng)的特點每位一個電阻，稱為位電阻，每位一個電阻，稱為位電阻，n n位需位需n n個電阻；取值上（電阻），個電阻；取值上（電阻），按二進(jìn)制整數(shù)代碼權(quán)的規(guī)律取值：按二進(jìn)制整數(shù)代碼權(quán)的規(guī)律取值：2 20 0.R.R、2 21 1.R .R 、 、2 2n-1

7、n-1.R .R ，例，例如如n=8n=8，R=15KR=15K，則位電阻依次為：，則位電阻依次為： 2 20 0.15K .15K 、2 21 1.15K .15K 、 2 27 7.15K .15K ；模擬開關(guān)模擬開關(guān)每位一個開關(guān)，分別由各自數(shù)字量控制其切換，每位一個開關(guān)，分別由各自數(shù)字量控制其切換，“1”1”接，接，“0”0”接地，是電壓型開關(guān)，各路切換的電流不同，接地，是電壓型開關(guān)，各路切換的電流不同，I IOIOI最大（電阻為最大（電阻為R R）， I IONON最?。娮铻樽钚。娮铻? 2n-1n-1.R .R ）；）； 基準(zhǔn)源基準(zhǔn)源V VR R2.2.運算放大器的工作特點和原理

8、運算放大器的工作特點和原理運算放大器的特點運算放大器的特點開環(huán)放大倍數(shù)非常高，因此運算放大器所需要的輸入電壓開環(huán)放大倍數(shù)非常高，因此運算放大器所需要的輸入電壓非常小。非常小。輸入阻抗非常大，這樣輸入電流也極小。輸入阻抗非常大，這樣輸入電流也極小。輸出阻抗很小，所以，它的驅(qū)動能力非常大輸出阻抗很小，所以，它的驅(qū)動能力非常大+-ViVo虛地的概念虛地的概念同相端同相端反相反相端端v在輸入端，由于輸入電壓在輸入端，由于輸入電壓V Vi i十十分小，既輸入點的電位和地的電分小，既輸入點的電位和地的電位差不多，所以，可以認(rèn)為輸入位差不多，所以，可以認(rèn)為輸入端和地之間近似短路；端和地之間近似短路；v另一方

9、面，輸入電流也非常小，另一方面，輸入電流也非常小，這說明又不是真的和地短路。這說明又不是真的和地短路。v把這種輸入電壓近似為把這種輸入電壓近似為0 0、輸、輸入電流也近似為入電流也近似為0 0的特殊情況稱的特殊情況稱為為虛地虛地。R1運算放大器的原理運算放大器的原理Ii+-ViRiGROVO+-V1ROVOR2R3R4V2V3V4I1I2I3I4在圖A中，由于G點為虛地，所以輸入電流 Ii= Ui/ Ri，又由于輸入阻抗極大，可以認(rèn)為輸入電流Ii全部流過Ro，則 UO=- Ro. Ii = - Ro . Ui/ Ri可得運算放大器的放大倍數(shù)為： UO / Ui = - Ro / Ri圖B所示，

10、對于輸入端具有4個支路的運算放大器，輸出電壓為 UO =- （ I1 + I2 + I3 + I4） Ro圖A圖B3.3.由由T T型電阻網(wǎng)絡(luò)和運算放大器構(gòu)成的型電阻網(wǎng)絡(luò)和運算放大器構(gòu)成的D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器+-VREFVOR2R4R8RD3D2D1D0V VREF REF 是一個有足夠精度的標(biāo)準(zhǔn)電源是一個有足夠精度的標(biāo)準(zhǔn)電源4 4個支路的斷開和閉合，表示個支路的斷開和閉合，表示4 4位位00000000 11111111的變化，就可在的變化，就可在輸出端得到一個階梯波電壓。輸出端得到一個階梯波電壓。4. 4. D/AD/A的性能參數(shù)和術(shù)語的性能參數(shù)和術(shù)語 分辨率（分辨率（Resoluti

11、onResolution）單位數(shù)字量所對應(yīng)模擬量增量。單位數(shù)字量所對應(yīng)模擬量增量。分辨率分辨率=1/=1/（2 2n n-1)-1)，其中，其中n n為二為二進(jìn)制數(shù)位的數(shù)目。進(jìn)制數(shù)位的數(shù)目。精度（精度（AccuracyAccuracy）分分絕對精度絕對精度（Absolute AccuracyAbsolute Accuracy）和）和相對精度相對精度（Relative Relative AccuracyAccuracy）絕對精度（絕對誤差）指的是在數(shù)字輸入端加有給定的代碼時絕對精度（絕對誤差）指的是在數(shù)字輸入端加有給定的代碼時，在輸出端實際測得的模擬輸出值（電壓或電流）與應(yīng)有的理想，在輸出端實際

12、測得的模擬輸出值（電壓或電流）與應(yīng)有的理想輸出值之差。它是由輸出值之差。它是由D/AD/A的增益誤差、零點誤差、線性誤差和噪聲的增益誤差、零點誤差、線性誤差和噪聲等綜合引起的。等綜合引起的。絕對精度和標(biāo)準(zhǔn)電源的精度、權(quán)電阻的精度有關(guān)絕對精度和標(biāo)準(zhǔn)電源的精度、權(quán)電阻的精度有關(guān)相對精度相對精度指的是滿量程值校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字輸入的模擬輸出指的是滿量程值校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字輸入的模擬輸出與它的理論值之差。與它的理論值之差。線性誤差和微分線性誤差線性誤差和微分線性誤差分分線性誤差線性誤差和和微分線性誤差，微分線性誤差，由于種種原因，由于種種原因，D/AD/A的的實際轉(zhuǎn)換特性（各數(shù)字輸入值所對應(yīng)的各模擬輸

13、出值之實際轉(zhuǎn)換特性（各數(shù)字輸入值所對應(yīng)的各模擬輸出值之間的連線）與理想的轉(zhuǎn)換特性（始終點連線）之間是有間的連線）與理想的轉(zhuǎn)換特性（始終點連線）之間是有偏差的，這個偏差就是偏差的，這個偏差就是D/AD/A的線性誤差。的線性誤差。一個理想的一個理想的D/AD/A，其任意兩個相鄰的數(shù)字碼所對應(yīng)的，其任意兩個相鄰的數(shù)字碼所對應(yīng)的模擬輸出值之差應(yīng)恰好是一個模擬輸出值之差應(yīng)恰好是一個LSBLSB所對應(yīng)的模擬值。如所對應(yīng)的模擬值。如果大于或小于果大于或小于1 1個個LSBLSB就是出現(xiàn)了微分線性誤差，其差值就是出現(xiàn)了微分線性誤差，其差值就是微分線性誤差值。就是微分線性誤差值。4. 4. D/AD/A的性能參

14、數(shù)和術(shù)語（續(xù)）的性能參數(shù)和術(shù)語（續(xù)） 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的溫度系數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的溫度系數(shù)分分溫度系數(shù)溫度系數(shù)和和增益溫度系數(shù)增益溫度系數(shù)建立時間（建立時間（Settling TimeSettling Time）這是這是D/AD/A的一個重要性能參數(shù)，通常定義為：在數(shù)字輸?shù)囊粋€重要性能參數(shù)，通常定義為：在數(shù)字輸入端發(fā)生滿量程碼的變化以后，入端發(fā)生滿量程碼的變化以后，D/AD/A的模擬輸出穩(wěn)定到的模擬輸出穩(wěn)定到最終值最終值 1/2LSB1/2LSB時，所需要的時間。時，所需要的時間。電源敏感度（電源敏感度（Power Supply SenstivityPower Supply Senstivity）輸出電壓

15、一致性（順從性）（輸出電壓一致性（順從性）（Output Voltage Output Voltage ComplianceCompliance）4. 4. D/AD/A的性能參數(shù)和術(shù)語（續(xù)）的性能參數(shù)和術(shù)語（續(xù)） 5. 5. T T型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) 在集成電路，采用在集成電路，采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)來代替單一的型電阻網(wǎng)絡(luò)來代替單一的權(quán)電阻支路，整個網(wǎng)絡(luò)只需要權(quán)電阻支路，整個網(wǎng)絡(luò)只需要R和和2R兩種電阻，兩種電阻，各個電阻的特性可以做得很相近，誤差問題也各個電阻的特性可以做得很相近，誤差問題也可以得到解決可以得到解決D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（1）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S

16、1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓電子開關(guān)電子開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（2）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗阻抗2R運算放大器運算放大器虛地虛地D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（3）VaVREFVbVREF/2VcVREF/4VdVREF/8I0Vd/2RVREF/（82R）I1Vd/2RVREF/（42R）I2Vd/2RVREF/（22R）I3Vd/2RVREF/（12R）D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（4）Iout1I0I1I

17、2I3VREF/2R（1/81/41/21）RfbRVoutIout1RfbVREF（20212223）/24Vout（D/2n）VREF8.2.2 D/A芯片及其與芯片及其與CPU接口接口 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換芯片可以分為兩類，一類芯片內(nèi)部沒有芯片可以分為兩類，一類芯片內(nèi)部沒有數(shù)據(jù)輸入寄存器，如數(shù)據(jù)輸入寄存器，如AD7520AD7520，AD7521AD7521，DAC0808DAC0808等，這些芯片不能直接和總線相連。另一類芯等，這些芯片不能直接和總線相連。另一類芯片內(nèi)部有數(shù)據(jù)輸入寄存器，如片內(nèi)部有數(shù)據(jù)輸入寄存器，如DAC0832DAC0832、AD7524AD7524等，下面以等，下面以DA

18、C0832DAC0832為例著重介紹。為例著重介紹。DAC0832芯片nDAC0832是典型是典型的的8位電流輸出型位電流輸出型通用通用DAC芯片芯片LE2LE1 RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入輸入寄寄存存器器 DGNDDI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Iout2Iout1DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入輸入寄寄存存器器DGNDDI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER1. DAC0832的數(shù)字接口n8位數(shù)據(jù)輸入端位數(shù)據(jù)輸入端nDI0DI7（DI0為最低

19、位）為最低位）n輸入寄存器（第輸入寄存器（第1級鎖存）的控制端級鎖存）的控制端nILE 數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效 nCS 輸入寄存器選擇信號，低電平有效，輸入寄存器選擇信號，低電平有效，它和它和ILE信號一起來決定信號一起來決定WR1是否起作用是否起作用 nWR1 輸入寄存器的寫選通信號，輸入寄存器的寫選通信號， WR1必必須和須和CS 、ILE同時有效同時有效 nDAC寄存器（第寄存器（第2級鎖存）的控制端級鎖存）的控制端nXFER 傳送控制信號，用來控制傳送控制信號，用來控制 WR2nWR2 DAC寄存器的寫選通信號，寄存器的寫選通信號， WR2必須和必須和

20、 XFER同時有效同時有效 直通鎖存器的工作方式兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器nLE1，直通（輸出等于輸入），直通（輸出等于輸入）nLE0，鎖存（輸出保持不變），鎖存（輸出保持不變）LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式nLE1LE21n輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接進(jìn)入輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：單緩沖方式nLE11，或者，或者LE21n兩

21、個寄存器之一始終處于直通狀態(tài)兩個寄存器之一始終處于直通狀態(tài)n另一個寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）另一個寄存器處于受控狀態(tài)（緩沖狀態(tài)）LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：雙緩沖方式n兩個寄存器都處于受控（緩沖）狀態(tài)兩個寄存器都處于受控（緩沖）狀態(tài)n能夠?qū)σ粋€數(shù)據(jù)進(jìn)行能夠?qū)σ粋€數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的同時；輸入轉(zhuǎn)換的同時；輸入另一個數(shù)據(jù)另一個數(shù)據(jù)LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器DAC寄寄存存器器Iout12. DAC0832的模擬輸出nIout1、Iout2模擬電流

22、輸出端模擬電流輸出端 D/A轉(zhuǎn)換器輸出電流端之一。轉(zhuǎn)換器輸出電流端之一。DAC鎖存的數(shù)鎖存的數(shù)據(jù)位為據(jù)位為“1”的位電流均流出此端；當(dāng)?shù)奈浑娏骶鞒龃硕?；?dāng)DAC鎖存器各位全鎖存器各位全1時，輸出電流最大，全時，輸出電流最大，全0時輸時輸出為出為0； Iout1和和Iout2是一個互補(bǔ)的關(guān)系，既是一個互補(bǔ)的關(guān)系，既Iout1+Iout2=常數(shù)常數(shù)nRFB內(nèi)備的反饋電阻引出端，另一端在內(nèi)備的反饋電阻引出端，另一端在片內(nèi)與相接，芯片內(nèi)部已提供一個反饋電阻，片內(nèi)與相接，芯片內(nèi)部已提供一個反饋電阻，約約15k15k ； nVREF參考電壓輸入端，參考電壓輸入端，此端可以接正電壓，此端可以接正電壓，也可

23、接負(fù)電壓，供解碼網(wǎng)用；范圍為：也可接負(fù)電壓，供解碼網(wǎng)用；范圍為：n10V10VnAGND模擬信號地，模擬信號地，即模擬電路接地端即模擬電路接地端 nVCC電源電壓輸入端，電源電壓輸入端，范圍范圍5V15V ，最，最佳工作狀態(tài)為佳工作狀態(tài)為 15V nDGND數(shù)字信號地數(shù)字信號地單極性電壓輸出VoutIout1Rfb（D/28）VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF譯碼器CSD7D0單極性電壓輸出：例子設(shè)設(shè) VREF5VnDFFH255時，最大輸出電壓：時，最大輸出電壓：Vmax（255/256）5V4.98VnD00H時，最小輸出電壓：時，最小輸出電壓：Vmin（

24、0/256）5V0VnD01H時，一個最低有效位（時，一個最低有效位（LSB）電壓：）電壓：VLSB（1/256）5V0.02VVout（D/2n）VREF雙極性電壓輸出：電路R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1I20雙極性電壓輸出：公式取取 R2R32R1得得 Vout2（2Vout1VREF）因因 Vout1（D/28）VREF故故 Vout2（D27）/27）VREF雙極性電壓輸出：例子設(shè)設(shè) VREF5VnDFFH255時，最大輸出電壓：時，最大輸出電壓：Vmax（255128）/1285V4.9

25、6VnD00H時，最小輸出電壓：時，最小輸出電壓：Vmin（0128）/1285V5VnD81H129時，一個最低有效位電壓：時，一個最低有效位電壓：VLSB（129128/1285V0.04VVout（D27）/27）VREF3. 輸出精度的調(diào)整RfbIout2Iout1Vout+_AGND調(diào)零調(diào)零電位器電位器調(diào)滿刻度調(diào)滿刻度電位器電位器電源電源 5VADI10K1M1KVREF4. 地線的連接DGNDAGND模擬電路模擬電路數(shù)字電路數(shù)字電路ADCDAC模擬電路模擬電路數(shù)字電路數(shù)字電路8.2.3 DAC芯片與主機(jī)的連接nDAC芯片相當(dāng)于一個芯片相當(dāng)于一個“輸出設(shè)備輸出設(shè)備”，至，至少需要一級

26、鎖存器作為接口電路少需要一級鎖存器作為接口電路n考慮到有些考慮到有些DAC芯片的數(shù)據(jù)位數(shù)大于主芯片的數(shù)據(jù)位數(shù)大于主機(jī)數(shù)據(jù)總線寬度，所以分成兩種情況：機(jī)數(shù)據(jù)總線寬度，所以分成兩種情況：1. 主機(jī)位數(shù)等于或大于主機(jī)位數(shù)等于或大于DAC芯片位數(shù)芯片位數(shù)2. 主機(jī)位數(shù)小于主機(jī)位數(shù)小于DAC芯片位數(shù)芯片位數(shù)1. 主機(jī)位數(shù)大于或等于DAC芯片的連接mov al,bufmov dx,portdout dx,al譯碼譯碼ABD0D7CLKDACVout+_ALS273 IOWDAC0832單緩沖方式 WR1 CS IOW 5V+5VRfbIout2Iout1 WR2XFERDGND AGNDD0D7DI0D1

27、7VccILEVREFVout+_A譯碼譯碼AB2. 主機(jī)位數(shù)小于DAC芯片的連接n數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)需要多次輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)需要多次輸出n接口電路也需要多個（級）鎖存器保存接口電路也需要多個（級）鎖存器保存多次輸出的數(shù)據(jù)多次輸出的數(shù)據(jù)n并需要同時將完整的數(shù)字量提供給并需要同時將完整的數(shù)字量提供給DAC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器8位位12位位兩級鎖存電路模擬輸出模擬輸出12位位DAC第第2級級12位鎖存控制位鎖存控制第第1級低級低8位鎖存控制位鎖存控制第第1級高級高4位鎖存控制位鎖存控制D0D74位位鎖存器鎖存器4位位鎖存器鎖存器8位位鎖存器鎖存器8位位鎖存器鎖存器由同一個信號控制由同一個信號控制關(guān)鍵的一級鎖存關(guān)鍵的一級

28、鎖存無需輸出數(shù)據(jù)無需輸出數(shù)據(jù)簡化的兩級鎖存電路模擬輸出模擬輸出12位位DAC第第2級級12位鎖存控制位鎖存控制第第1級低級低8位鎖存控制位鎖存控制D0D74位位鎖存器鎖存器8位位鎖存器鎖存器8位位鎖存器鎖存器由同一個信號控制由同一個信號控制關(guān)鍵的一級鎖存關(guān)鍵的一級鎖存需要輸出高需要輸出高4位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)mov dx,port1mov al,blout dx,almov dx,port2mov al,bhout dx,al8.2.4 DAC芯片的應(yīng)用mov dx,portdmov al,0repeat: out dx,alinc aljmp repeat輸出正向鋸齒波2次數(shù)據(jù)輸出的時間間隔次數(shù)據(jù)輸

29、出的時間間隔02LSB1LSB255LSB254LSB鋸齒波周期鋸齒波周期1D/A轉(zhuǎn)換器在微機(jī)應(yīng)用中起何作用?2D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率和精度?3DAC0832有何特點?4D/A轉(zhuǎn)換器和微處理器接口中的關(guān)鍵問題是什么?如何解決?5試設(shè)計一個CPU和兩片DAC0832的接口電路，并編制程序使之能在示波器上顯示出正六邊形的6個頂點。6編寫用DAC0832轉(zhuǎn)換器芯片產(chǎn)生三角波的程序，其變化范圍在010v之間變化。若要在-5+5v之間變化要采用什么措施實現(xiàn)。 習(xí)題與思考：習(xí)題與思考：8.3 8.3 模模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC）及其接口技術(shù)）及其接口技術(shù) 本講重點：本講重點：采樣和量化A/D的工作

30、原理A/D的性能參數(shù)和術(shù)語ADC0808/9芯片原理及引腳介紹一、 采樣和量化 作用：我們經(jīng)常遇到的物理參數(shù)，如電流、電壓、溫度、壓力、速度電量或非電量都是模擬量。模擬量的大小是連續(xù)分布的，且經(jīng)常也是時間上的連續(xù)函數(shù)。因此要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需經(jīng)采樣采樣量化量化編碼編碼三個基本過程（數(shù)字化過程）（數(shù)字化過程）。 1.1.采樣采樣 按采樣定理對模擬信號進(jìn)行等時間間隔采樣，將得到的一系列按采樣定理對模擬信號進(jìn)行等時間間隔采樣，將得到的一系列時域上的樣值去代替時域上的樣值去代替u=f(t)u=f(t)，即用，即用u0u0、u1u1、unun代替代替u=f(t)u=f(t)。這。這些樣值在時間上是

31、離散的值，但在幅度上仍然是連續(xù)模擬量。些樣值在時間上是離散的值，但在幅度上仍然是連續(xù)模擬量。1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0 1T 2T 3T 4T 5T 6TU=f(t)tU0U1U2U3U4U5U6U7格QV5 . 02.2.量化量化 在幅值上再用離散值來表示。方法是用一個在幅值上再用離散值來表示。方法是用一個量化因子量化因子Q去度量；去度量；u0、u1、，便得到整量，便得到整量化的數(shù)字量。化的數(shù)字量。u0=2.4Q2Q 010u1=4.0Q4Q 100u2=5.2Q5Q 101u3=5.8Q5Q 101將整量化后的數(shù)字量進(jìn)行編碼，以便微將整量化后的數(shù)字量進(jìn)行編碼，以便微機(jī)讀入和識別；機(jī)讀入

32、和識別；編碼僅是對數(shù)字量的一種處理方法。編碼僅是對數(shù)字量的一種處理方法。例如：例如：Q=0.5V/格，設(shè)用三位（二進(jìn)編碼）格，設(shè)用三位（二進(jìn)編碼）u0=2.4Q 2Q (010) 整量化編碼VVu15 . 0)202120(01203 3編碼編碼二、二、A/D的工作原理的工作原理 1. 1. 分類分類按被轉(zhuǎn)換的模擬量類型可分為時間按被轉(zhuǎn)換的模擬量類型可分為時間/ /數(shù)字、電壓數(shù)字、電壓/ /數(shù)字、機(jī)械變量數(shù)字、機(jī)械變量/ /數(shù)字等。應(yīng)用最多的是電壓數(shù)字等。應(yīng)用最多的是電壓/ /數(shù)數(shù)字轉(zhuǎn)換器。電壓字轉(zhuǎn)換器。電壓/ /數(shù)字轉(zhuǎn)換器又可分為多種類型：數(shù)字轉(zhuǎn)換器又可分為多種類型：按轉(zhuǎn)換方式可分為：直接轉(zhuǎn)

33、換、間接轉(zhuǎn)換。按按轉(zhuǎn)換方式可分為：直接轉(zhuǎn)換、間接轉(zhuǎn)換。按輸出方式分可分為：并行、串行、串并行。輸出方式分可分為：并行、串行、串并行。按轉(zhuǎn)換原理可分為：計數(shù)式、比較式。按轉(zhuǎn)換原理可分為：計數(shù)式、比較式。按轉(zhuǎn)換速度可分為：低速、中速、高速。按轉(zhuǎn)按轉(zhuǎn)換速度可分為：低速、中速、高速。按轉(zhuǎn)換精度和分辨率可分為：換精度和分辨率可分為：3 3位、位、4 4位、位、8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1414位、位、1616位等等。位等等。思路思路類似于用天平稱物體重量，設(shè)有一待測物為類似于用天平稱物體重量，設(shè)有一待測物為4.42g4.42g；滿度測量量程為；滿度測量量程為RNFS=5.12g，砝碼

34、種類有四種：，砝碼種類有四種：1/2 1/2 RNFS(2.56g)、1/4 1/4 RNFS(1.28g)、1/8 1/8 RNFS(0.64g)、1/16 1/16 RNFS(0.32g) 。測量方法：先大砝碼，后小砝碼，依次比較（累計比較），要的記測量方法：先大砝碼，后小砝碼，依次比較（累計比較），要的記“1”1”，不要的記，不要的記“0”0”。實測物重實測物重G G為：為：誤差：誤差：誤差誤差 最小砝碼（最小分辨砝碼）最小砝碼（最小分辨砝碼）以上過程：以上過程：通過通過4 4次比較后，得出結(jié)果；次比較后，得出結(jié)果；誤差誤差 最小砝碼值；最小砝碼值； 留四次為去三次為留二次為留一次為gg

35、ggggggggggRRRRGNFSNFSNFSNFS42. 416. 432. 084. 3:42. 444. 464. 084. 3:42. 484. 328. 156. 2:42. 456. 2:1611810411211ggggGG32. 026. 042. 416. 4實際測2.工作原理工作原理8.3 A/D轉(zhuǎn)換器模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量模擬模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC8.3.1 A/D轉(zhuǎn)換涉及的參數(shù)轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 反映了反映了A/D轉(zhuǎn)換器的實際輸轉(zhuǎn)換器的實際輸出接近理想輸出的精確程度。通常用數(shù)字出接近理想輸出的精確程度。通常用數(shù)字量的最低有效位（量的最低有效位（LSB）來表示

36、。）來表示。轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換率 完成一次完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的轉(zhuǎn)換所需要的時間的倒數(shù)。時間的倒數(shù)。分辨率分辨率 表明了能夠分辨最小的量化表明了能夠分辨最小的量化信號的能力，通常用位數(shù)來表示。信號的能力，通常用位數(shù)來表示。 8.3.2 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理n存在多種存在多種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，各有特點，轉(zhuǎn)換技術(shù)，各有特點，分別應(yīng)用于不同的場合分別應(yīng)用于不同的場合n4種常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)種常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)計數(shù)器式計數(shù)器式逐次逼近式逐次逼近式雙積分式雙積分式并行式并行式8位D/A轉(zhuǎn)換器-+ViVo8位計數(shù)器CLR轉(zhuǎn)換結(jié)束開始轉(zhuǎn)換比較器CLKCSD7D6D5D0D1D2D3D4模擬輸入電壓D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓1

37、. 計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換2. 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)電壓控制邏輯計數(shù)器時鐘模擬輸入積分器比較器ABT2T1t斜率固定固定積分時間積分輸出首先對未知模擬量進(jìn)行固定時間的積分，首先對未知模擬量進(jìn)行固定時間的積分，然后轉(zhuǎn)為對標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分。通然后轉(zhuǎn)為對標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分。通過測定反向積分花費的時間，即可取得過測定反向積分花費的時間，即可取得輸入模擬量輸入模擬量3. 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換8位D/A轉(zhuǎn)換器比較器ViVo逐次逼近寄存器控制電路緩沖寄存器D7 D2 D3 D4 D3 D2D0D1啟動信號CLK轉(zhuǎn)換結(jié)束從最高位開始從最高位開始的逐位試探法的逐位試探法逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖 工作過程

38、工作過程 次數(shù)計數(shù)器 寄存器 Vi與 Vf的關(guān)系 去 / 留碼11000 0000 1000 0000 Vf1=5.12V Vi留 20100 0000 1100 0000 Vf2= Vf1 +2.56V=7.68V Vi去 40001 0000 1100 0000 Vf4= Vf2 +0.64V=8.32V Vi去50000 1000 1100 1000 Vf5= Vf2 +0.32V=8.00VVi留60000 0100 1100 1100 Vf6= Vf5 +0.16V=8.16VVi留70000 0010 1100 1110 Vf7= Vf6 +0.08V=8.24VVi留80000

39、0001 1100 1111 Vf8= Vf7 +0.04V=8.28VVi留設(shè)VR=10.24V， Vi =8.305V (n=8)4. 并行式速度快成本高速度快成本高直接比較法直接比較法編編碼碼電電路路VinVREF數(shù)字輸出數(shù)字輸出比較器比較器RRRRRRRR/28.3.3 ADC0809芯片n具有具有A/D轉(zhuǎn)換的基本功能轉(zhuǎn)換的基本功能vCMOS工藝制作工藝制作v8位逐次逼近式位逐次逼近式ADCv轉(zhuǎn)換時間為轉(zhuǎn)換時間為100 sn包含擴(kuò)展部件包含擴(kuò)展部件多路開關(guān)多路開關(guān)三態(tài)鎖存緩沖器三態(tài)鎖存緩沖器ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809地址鎖存地址鎖存和譯碼和譯碼OE通道通道選擇選擇開關(guān)開關(guān)

40、ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位位三態(tài)三態(tài)鎖存鎖存緩沖器緩沖器DACVcc比較器比較器CLOCKSTARTGND VREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器SAR定時和控制定時和控制D0D1D2D3D4D5D6D7EOCADC0808/9芯片的引腳圖芯片的引腳圖 nVCC 主電源輸入端主電源輸入端nREF（+）、）、REF（-） 基準(zhǔn)電源輸入端基準(zhǔn)電源輸入端使用中使用中REF（-）一般接地）一般接地REF（+）最大可接）最大可接+5.12V要求不高時，要求不高時，REF（+）接）接VCC的的+5V電源電源nGND 模擬地數(shù)字地共用

41、的接地端模擬地數(shù)字地共用的接地端nCLK 時鐘輸入引腳，時鐘輸入引腳， 時鐘頻率范圍時鐘頻率范圍10KHZ1280KHZ，典，典型值型值640KHZ，此時轉(zhuǎn)換時間約為，此時轉(zhuǎn)換時間約為100 S。引腳介紹引腳介紹 引腳介紹引腳介紹 nIN0IN7：8路模擬量單極性電壓的輸入路模擬量單極性電壓的輸入引腳引腳n ADD A、ADD B、ADD C 8選選1模擬開關(guān)模擬開關(guān)的三位通道地址輸入端的三位通道地址輸入端用來選擇對應(yīng)的輸入通道，其對應(yīng)關(guān)系如用來選擇對應(yīng)的輸入通道，其對應(yīng)關(guān)系如圖圖8-21所示。比如所示。比如CBA=011，則選中，則選中IN3引腳的輸入電壓。引腳的輸入電壓。C、B、A通常與系

42、統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的通常與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的D2、D1、D0連接。但也有與系統(tǒng)地址總線相連的，連接。但也有與系統(tǒng)地址總線相連的，此種用法需小心處理端口地址的組織此種用法需小心處理端口地址的組織nSTART 啟動啟動A/D轉(zhuǎn)換控制引腳，轉(zhuǎn)換控制引腳，由高電平下跳為低電平時有效；即對該引由高電平下跳為低電平時有效；即對該引腳輸入正脈沖下跳沿后，腳輸入正脈沖下跳沿后，ADC開始逐次比開始逐次比較；較；也可將也可將START與與ALE連接在一起使用，連接在一起使用，安排一個安排一個CPU寫端口地址；寫端口地址；正脈沖上升沿通道地址（碼）被寫入通道正脈沖上升沿通道地址（碼）被寫入通道地址鎖存器，下降沿啟動地址鎖存器

43、，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，參見轉(zhuǎn)換，參見時序圖時序圖nEOC ADC轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出信號引腳轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出信號引腳未啟動轉(zhuǎn)換時，未啟動轉(zhuǎn)換時，EOC為高電平為高電平啟動轉(zhuǎn)換后，正在逐次逼近比較期間啟動轉(zhuǎn)換后，正在逐次逼近比較期間EOC為低電平，低電平持續(xù)時間為為低電平，低電平持續(xù)時間為A/D轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換時間，約間，約100 S （與時鐘頻率有關(guān)）（與時鐘頻率有關(guān)）一旦轉(zhuǎn)換完畢，一旦轉(zhuǎn)換完畢，EOC端上跳為高電平，此端上跳為高電平，此信號可供信號可供CPU查詢或向查詢或向CPU發(fā)中斷發(fā)中斷 ADC0809的轉(zhuǎn)換時序D0D7OEEOCSTART/ALEADDA/B/CDATA100 s2 s+8T(最大最大

44、)200ns(最小最小)轉(zhuǎn)換啟動信號轉(zhuǎn)換啟動信號轉(zhuǎn)換結(jié)束信號轉(zhuǎn)換結(jié)束信號n2- 1 2-7 8位數(shù)字量輸出引腳位數(shù)字量輸出引腳 2- 1為為d1（MSB），）， 2-7為為d8（LSB）它是三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器的輸出引腳，未被選通時，它是三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器的輸出引腳，未被選通時，8個引腳對片內(nèi)均為高阻斷開；因此可與系統(tǒng)數(shù)據(jù)個引腳對片內(nèi)均為高阻斷開；因此可與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線總線D0D7直接相連直接相連nOE 數(shù)字量輸出允許控制端數(shù)字量輸出允許控制端, ,輸入正脈沖有效輸入正脈沖有效它有效時，數(shù)據(jù)輸出三態(tài)門被打開，轉(zhuǎn)換好的數(shù)字它有效時，數(shù)據(jù)輸出三態(tài)門被打開，轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量各位被送到引腳上量各位被送到引腳

45、上它無效時，浮空（高阻隔離）它無效時，浮空（高阻隔離）顯然顯然OE端必須設(shè)置一個端必須設(shè)置一個CPU讀數(shù)據(jù)的端口地址，讀數(shù)據(jù)的端口地址，未訪問時，必須為低電平未訪問時，必須為低電平4. ADC0809的轉(zhuǎn)換公式輸入模擬電壓輸入模擬電壓輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓正正極極基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓負(fù)負(fù)極極單極性轉(zhuǎn)換示例n基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓VREF(+)5V，VREF()0Vn輸入模擬電壓輸入模擬電壓Vin1.5VN （1.50）（50）25676.8774DH雙極性轉(zhuǎn)換示例n基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓VREF(+)5V，VREF()5Vn輸入模擬電壓輸入模擬電壓Vin1.5VN （1.55）（55）25689

46、.6905AH8.3.4 ADC芯片與主機(jī)的連接nADC芯片相當(dāng)于芯片相當(dāng)于“輸入設(shè)備輸入設(shè)備”，需要接，需要接口電路提供數(shù)據(jù)緩沖器口電路提供數(shù)據(jù)緩沖器n主機(jī)需要控制轉(zhuǎn)換的啟動主機(jī)需要控制轉(zhuǎn)換的啟動n主機(jī)還需要及時獲知轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，并主機(jī)還需要及時獲知轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，并進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入等處理進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入等處理1. 數(shù)據(jù)輸出線的連接n與主機(jī)的連接可分成兩種方式與主機(jī)的連接可分成兩種方式q直接相連直接相連：用于輸出帶有三態(tài)鎖存器的：用于輸出帶有三態(tài)鎖存器的ADC芯片芯片q通過三態(tài)鎖存器相連通過三態(tài)鎖存器相連：適用于不帶三態(tài)鎖：適用于不帶三態(tài)鎖存器的存器的ADC芯片，也適用帶有三態(tài)鎖存緩芯片，也適用帶有三

47、態(tài)鎖存緩沖器的芯片沖器的芯片nADC芯片的數(shù)字輸出位數(shù)大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)芯片的數(shù)字輸出位數(shù)大于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線位數(shù)，需把數(shù)據(jù)分多次讀取總線位數(shù)，需把數(shù)據(jù)分多次讀取2. A/D轉(zhuǎn)換的啟動（1）n啟動信號一般有兩種形式啟動信號一般有兩種形式q脈沖信號啟動轉(zhuǎn)換脈沖信號啟動轉(zhuǎn)換q電平信號啟動轉(zhuǎn)換電平信號啟動轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換啟動轉(zhuǎn)換啟動轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)束2. A/D轉(zhuǎn)換的啟動（2）n主機(jī)產(chǎn)生啟動信號有兩種方法主機(jī)產(chǎn)生啟動信號有兩種方法q編程啟動編程啟動軟件上，執(zhí)行一個輸出指令軟件上，執(zhí)行一個輸出指令硬件上，利用輸出指令產(chǎn)生硬件上，利用輸出指令產(chǎn)生ADC啟動脈啟動脈沖，或產(chǎn)生一個啟動有效電平?jīng)_，或產(chǎn)生一個啟動有效電平q定時啟

48、動定時啟動啟動信號來自定時器輸出啟動信號來自定時器輸出3. 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理v不同的處理方式對應(yīng)程序設(shè)計方法不同不同的處理方式對應(yīng)程序設(shè)計方法不同 查詢方式查詢方式把結(jié)束信號作為狀態(tài)信號把結(jié)束信號作為狀態(tài)信號 中斷方式中斷方式把結(jié)束信號作為中斷請求信號把結(jié)束信號作為中斷請求信號 延時方式延時方式不使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號不使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 DMA方式方式把結(jié)束信號作為把結(jié)束信號作為DMA請求信號請求信號8.3.4 ADC芯片的應(yīng)用n例例1 編程啟動、轉(zhuǎn)編程啟動、轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷處理換結(jié)束中斷處理n例例2 編程啟動、轉(zhuǎn)編程啟動、轉(zhuǎn)換結(jié)束查詢處理換結(jié)束查詢處理中斷方式D0D7220hIRQ2A0A9譯碼譯碼VccD0D7EOCADDAADDBADDCALE模擬輸入模擬輸入（05V）500KHzCLOCKVREF(+)+5VIN0OESTARTGNDVREF(-) IOR IOW主程序;數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段