第10章計數(shù)器定時器與模擬量轉(zhuǎn)換(模擬量轉(zhuǎn)換)2013

1、 模模/數(shù)和數(shù)數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換 模模/數(shù)（數(shù)（A/D）和數(shù)）和數(shù)/模（模（D/A）轉(zhuǎn)換技術(shù)主要用于）轉(zhuǎn)換技術(shù)主要用于計算機(jī)計算機(jī)控制控制和和測量儀表測量儀表。數(shù)字量和模擬量數(shù)字量和模擬量 數(shù)字量數(shù)字量 : 01011010 、11000011，隨時間，隨時間斷斷續(xù)變化量。續(xù)變化量。 模擬量模擬量 : 12.5V、10A、37.5、1000m3/s、9.6m/s，隨時間隨時間連連續(xù)變化的量。續(xù)變化的量。 F概述概述物物理理量量 溫溫度度速速度度流流量量壓壓力力物理量物理量F 概述概述測量系統(tǒng)：測量系統(tǒng)：傳感器、運(yùn)算放大器、傳感器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和計算機(jī)構(gòu)成轉(zhuǎn)換器和計算機(jī)構(gòu)成。ADC

2、或或A/D：將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)：計算機(jī)、計算機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大器和執(zhí)行部件則構(gòu)成轉(zhuǎn)換器、功率放大器和執(zhí)行部件則構(gòu)成。DAC或或D/A：將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件DA即即Digital to AnalogF數(shù)數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器1. 數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理模轉(zhuǎn)換原理數(shù)字量數(shù)字量 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模擬電流模擬電流 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器 模擬電壓模擬電壓運(yùn)算放大器的原理和特點(diǎn)：運(yùn)算放大器的原理和特點(diǎn)：三個特點(diǎn)：三個特點(diǎn)： 開環(huán)放大倍數(shù)非常高，運(yùn)算放大器所需要的開環(huán)放大倍數(shù)非常高，運(yùn)算放大器所需要的 輸入阻

3、抗非常大，輸入阻抗非常大， 輸出阻抗很小，所以，輸出阻抗很小，所以，2R R R R X0 X1 X2 X3VREFI0 2R I1 2R I2 2R I3 2RD0 D1 D2 D3RIOUTVOUT_+S0 S1 S2 S3圖圖10-11 T10-11 T型電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的型電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的D/AD/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖 由由T型電阻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器構(gòu)成的型電阻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器, n個獨(dú)立支個獨(dú)立支路的輸入方案路的輸入方案4個開關(guān)的全部短開個開關(guān)的全部短開到到 全部閉合全部閉合0000到到1111,即即0000到到1111大小不同的電壓。大小不同的電壓。2. D/

4、A2. D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo) 分辨率分辨率=1/（2n-1） n為位數(shù)為位數(shù) 轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度：絕對絕對轉(zhuǎn)換精度：每個輸出電壓接近理想值的程度轉(zhuǎn)換精度：每個輸出電壓接近理想值的程度相對相對轉(zhuǎn)換精度：絕對轉(zhuǎn)換精度相對于滿量程輸出的百分比來轉(zhuǎn)換精度：絕對轉(zhuǎn)換精度相對于滿量程輸出的百分比來表示，有時也用最低位的幾分之幾表示，更實(shí)用！表示，有時也用最低位的幾分之幾表示，更實(shí)用！ 轉(zhuǎn)換速率：模擬輸出電壓的最大變化速度轉(zhuǎn)換速率：模擬輸出電壓的最大變化速度 建立時間：模擬輸出電壓達(dá)到某個規(guī)定值所需時間建立時間：模擬輸出電壓達(dá)到某個規(guī)定值所需時間 線型線型誤差：一般把偏離理想轉(zhuǎn)換特

5、性的最大值誤差：一般把偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大值F數(shù)數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器3. DAC3. DAC分類：分類：按數(shù)字量輸入方式分：按數(shù)字量輸入方式分：并并行輸入行輸入DAC、串串行輸入行輸入DAC按模擬量輸出方式分：按模擬量輸出方式分：電壓電壓型輸出型輸出DAC、電流電流型輸出型輸出DAC按分辨率：按分辨率： 8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1414位、位、1616位、位、1818位、位、2020位位按建立時間：按建立時間： 低速、中速、高速和超高速型低速、中速、高速和超高速型（100s 100s 、 1100s1100s、 50ns 100s50ns 100s、 50 nsVi

6、3. 3. 模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理 轉(zhuǎn)換原理：轉(zhuǎn)換原理：由計數(shù)器對固定頻率信號由計數(shù)器對固定頻率信號CLK進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)輸出值送進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)輸出值送DAC，DAC的輸出模擬量的輸出模擬量Vo與輸入模擬量與輸入模擬量Vi在比較器在比較器中進(jìn)行比較，隨著計數(shù)的進(jìn)行，中進(jìn)行比較，隨著計數(shù)的進(jìn)行，Vo不斷增加，當(dāng)不斷增加，當(dāng)VoVi，計數(shù)器停止計數(shù)，此時的計數(shù)值即是模擬量計數(shù)器停止計數(shù)，此時的計數(shù)值即是模擬量Vi對應(yīng)的數(shù)對應(yīng)的數(shù)字量。字量。轉(zhuǎn)換速度慢！轉(zhuǎn)換速度慢！計計數(shù)數(shù)式式A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 F5 5 模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 (A/D)(A/D)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3. 3. 模模/

7、/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理 轉(zhuǎn)換原理：轉(zhuǎn)換原理：電路對輸入的未知模擬量進(jìn)行固定時間的積分，然后轉(zhuǎn)電路對輸入的未知模擬量進(jìn)行固定時間的積分，然后轉(zhuǎn)換為對標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分，用標(biāo)準(zhǔn)的高頻時鐘脈沖換為對標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分，用標(biāo)準(zhǔn)的高頻時鐘脈沖測定反向積分所用時間，就可以得到輸入模擬電壓所對測定反向積分所用時間，就可以得到輸入模擬電壓所對應(yīng)的數(shù)字量，即實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換。應(yīng)的數(shù)字量，即實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換。速度慢、精度高、干擾?。∷俣嚷?、精度高、干擾??！雙雙積積分分式式A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 3. 3. 模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理 逐逐次次逼逼近近型型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 3. 3. 模模/ /數(shù)

8、轉(zhuǎn)換的方法和原理數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和原理 逐逐次次逼逼近近型型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 轉(zhuǎn)換原理：轉(zhuǎn)換原理：數(shù)字量由逐次逼近寄存器數(shù)字量由逐次逼近寄存器SAR產(chǎn)生。產(chǎn)生。SAR使用對分使用對分搜索法產(chǎn)生數(shù)字量，以搜索法產(chǎn)生數(shù)字量，以8位數(shù)字量為例位數(shù)字量為例，SAR首先產(chǎn)首先產(chǎn)生生8位數(shù)字量的一半，即位數(shù)字量的一半，即10000000B,試探模擬量的大試探模擬量的大小，若小，若VoVi，清除最高位，若，清除最高位，若VoVi，保留最高位。，保留最高位。在最高位確定后，在最高位確定后，SAR又以對分搜索法確定次高位，又以對分搜索法確定次高位，即以低即以低7位的一半位的一半y1000000B(y為已確定位為已確定

9、位) 試探模擬試探模擬量的大小。量的大小。重復(fù)這一過程，直到最低位重復(fù)這一過程，直到最低位bit0被確定被確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換速度很快！轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換速度很快！4. 4. 模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題 (1) 輸入模擬電壓的連接：單端輸入正向或負(fù)向信號、差動輸入輸入模擬電壓的連接：單端輸入正向或負(fù)向信號、差動輸入(2) 數(shù)據(jù)輸出線和系統(tǒng)總線連接：數(shù)據(jù)輸出線和系統(tǒng)總線連接： 芯片輸出端直接和系統(tǒng)總線連接，輸出端具有可控的三態(tài)門芯片輸出端直接和系統(tǒng)總線連接，輸出端具有可控的三態(tài)門 芯片輸出端通過芯片輸出端通過I/O通道或附加的三態(tài)門和系統(tǒng)總線連接通道或附加

10、的三態(tài)門和系統(tǒng)總線連接 8位以上轉(zhuǎn)換：位以上轉(zhuǎn)換：按位對應(yīng)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接按位對應(yīng)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接用讀寫控制邏輯將數(shù)據(jù)按字節(jié)分時讀出、用讀寫控制邏輯將數(shù)據(jù)按字節(jié)分時讀出、4. 4. 模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題 (3) 啟動信號的供給啟動信號的供給 電平啟動信號：轉(zhuǎn)換期間保持有效電平，電平啟動信號：轉(zhuǎn)換期間保持有效電平，CPU通過并行接口通過并行接口或或D觸發(fā)器保持轉(zhuǎn)換期間的有效電平觸發(fā)器保持轉(zhuǎn)換期間的有效電平 脈沖啟動信號：脈沖啟動信號：OUT指令發(fā)出的片選信號和寫信號產(chǎn)生指令發(fā)出的片選信號和寫信號產(chǎn)生4. 4. 模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的

11、問題數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題 (4) 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取轉(zhuǎn)換結(jié)束信號以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取將將A/D芯片看作一個輸入設(shè)備，芯片看作一個輸入設(shè)備， CPU可采用下列可采用下列 四種方法，讀取四種方法，讀取A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果：的轉(zhuǎn)換結(jié)果： 程序查詢方式程序查詢方式 中斷方式中斷方式 CPU等待方式等待方式 程序延時方式（同步方式）程序延時方式（同步方式）4. 4. 模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)連接要考慮的問題 (5) 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取轉(zhuǎn)換結(jié)束信號以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取如轉(zhuǎn)換時間比較長或同時有幾件事情需要處理的，用中斷方式，如轉(zhuǎn)換時間比較長或同時有幾件

12、事情需要處理的，用中斷方式，否則，用其他三種方式！否則，用其他三種方式！ADC 08098位位ADC，逐次逼近型，逐次逼近型，8路模擬量輸入路模擬量輸入F模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有內(nèi)部有“8選選1”MUX。當(dāng)當(dāng)ALE信號有效時，信號有效時，ADD_C、ADD_B、ADD_A選擇選擇IN0IN7。例如例如ADD_C、ADD_B、ADD_A分別為分別為011時，選擇時，選擇IN3通道。通道。數(shù)字輸出數(shù)字輸出：有三態(tài)緩沖器，當(dāng)：有三態(tài)緩沖器，當(dāng)Enable有效時，從有效時，從D7D0引腳輸出引腳輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字。啟動信號啟動信號：START。負(fù)脈沖啟動。負(fù)脈沖啟動。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號轉(zhuǎn)

13、換結(jié)束信號：EOC，高電平有效，可通知，高電平有效，可通知CPU讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。ADC 0809ADC 0809A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬量輸入信號模擬量輸入信號數(shù)字量輸出信號數(shù)字量輸出信號A/D轉(zhuǎn)換啟動信號轉(zhuǎn)換啟動信號轉(zhuǎn)換完成信號轉(zhuǎn)換完成信號STARTEOCADC 0809qA/D芯片，每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，芯片，每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，均受啟動信號控制，在啟動信號有效之后，均受啟動信號控制，在啟動信號有效之后，才開始一次才開始一次A/D轉(zhuǎn)換，得到一個數(shù)字量。轉(zhuǎn)換，得到一個數(shù)字量。q 對一個連續(xù)的模擬信號進(jìn)行對一個連續(xù)的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換時，在一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，在一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，發(fā)轉(zhuǎn)換完成信號發(fā)轉(zhuǎn)換完成信號應(yīng)應(yīng)再發(fā)啟動信號再發(fā)啟動信號，開始下一個數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。，開始下一個數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。ADC 0809110模擬信號轉(zhuǎn)換速度快，為保證轉(zhuǎn)換精度，在模擬信號轉(zhuǎn)換速度快，為保證轉(zhuǎn)換精度，在A/D轉(zhuǎn)換之前加上采樣保持電路，使得在轉(zhuǎn)換之前加上采樣保持電路，使得在A/D轉(zhuǎn)換期轉(zhuǎn)換期間輸入模擬信號保持不變。間輸入模擬信號保持不變。采樣保持電路兩種工作狀態(tài)：采樣和保持采樣保持電路兩種工作狀態(tài)：