第十九章AD轉(zhuǎn)換技術

第十九章

D/A和A/D轉(zhuǎn)換技術

在計算機應用系統(tǒng)中，常需要模擬量輸出，去控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構,構成控制系統(tǒng)。將計算機中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，稱為D/A轉(zhuǎn)換；通常計算機也需要對一些模擬信號（如電流、電流、溫度、壓力等）進行檢測，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，稱為A/D轉(zhuǎn)換。1.D/A轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換接口

1)D/A轉(zhuǎn)換器的原理

D/A轉(zhuǎn)換器有兩種方式T形電阻網(wǎng)絡權電阻網(wǎng)絡４位R-2RT型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器

從每個節(jié)點G向右看，對地的等效電阻均為R，則每個節(jié)點對地電壓均為Vi=1/2Vi+1

流入該支路的電流為Ii=2)D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標

DAC(DigitalAnalogConverter)性能指標是選用DAC芯片型號的依據(jù)，也是衡量芯片質(zhì)量的重要參數(shù)。①

分辨率

分辨率是指D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出模擬增量,取決于輸入數(shù)字量的二進制為數(shù)。一個n位的DAC所能分辨的最小電壓增量定義為滿量程值的2-n倍。例如：滿量程為10V的8位DAC分辨率為10V×2-8=39mv；一個同樣量程的16位DAC的分辨率高達10V×2-16=153uV②轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度和分辨率是兩個不同的概念。轉(zhuǎn)換精度是指滿量程時DAC的實際模擬輸出值和理論值的接近程度。

對T型電阻網(wǎng)絡的DAC,其轉(zhuǎn)換精度和參考電壓VREF、電阻值和電子開關的誤差有關。例如：滿量程時理論輸出值為10V,實際輸出值是在9.99V--10.01V之間，其轉(zhuǎn)換精度為10mv。通常，DAC的轉(zhuǎn)換精度為分辨率之半，即為LSB/2。LSB是分辨率，是指最低一位數(shù)字量變化引起的變化量。③相對誤差

絕對誤差與滿量程值之比用%表示，例如：轉(zhuǎn)換精度為±10mv,若滿量程輸出值為10V,則相對誤差10mv/10V=0.1%。④偏移量誤差

偏移量誤差是指輸入數(shù)字量為零時，輸出模擬量對零的偏移值。這種誤差通常可以通過DAC的外接VREF和電位計加以調(diào)整。⑤線性度

線性度是指DAC的實際轉(zhuǎn)換特性曲線和理想直線之間的最大偏差。通常，線性度不應超出1/2LSB。3)DAC0832①內(nèi)部結(jié)構②DAC0832與51單片機連接應用舉例

DAC0832的性能指標如下：轉(zhuǎn)換時間：1s分辨率：8位線性誤差：0.2%FSR數(shù)字輸入與TTL兼容低功耗：20mw單電源：+5～+15V

DAC0832是帶雙緩沖數(shù)據(jù)鎖存和電流輸出的D/A芯片，可以和單片機直接連接而不用另加接口電路。⑴直通方式DAC0832內(nèi)部有兩個起數(shù)據(jù)緩沖器作用的寄存器，分別受IE1和IE2控制。如果它們皆為高電平，那么DI0～DI7上信號便可直通地到達“8位DAC寄存器”，進行D/A轉(zhuǎn)換。因此，ILE接+5V以及使CS、XFER、WR1和WR2接地，DAC0832就可在直通方式下工作。直通方式下工作的DAC0832常用于不帶微機的控制系統(tǒng)。⑵單緩沖單極性電壓輸出方式單緩沖方式是指DAC0832內(nèi)部的兩個數(shù)據(jù)緩沖器有一個處于直通方式，另一個受MCS-51的控制。DAC0832單緩沖單極性電壓輸出方式

單極性電壓輸出電路中，當VREF端接+5V（或-5V）時，輸出電壓范圍是0～-5V(或0～+5V)。如果VREF端接+10V（或-10V）時，輸出電壓范圍是0～-10V（0～+10V）。MOVR0,#0FEHMOVX@R0,A

8031執(zhí)行如下兩條指令就可在和上產(chǎn)生低電平信號。使DAC0832接受8031送來的數(shù)字量。

[例1]DAC0832用作波形發(fā)生器。試根據(jù)下圖接線，分別寫出產(chǎn)生鋸齒波、三角波和方波的程序。①鋸齒波程序ORG1000HSTART:MOVR0,#0FEHMOVX@R0,AINCASJMPSTARTEND②三角波程序三角波由線性下降段和線性上升段組成，相應程序為：ORG1000HSTART:CLRAMOVR0,#0FEHDOWN:MOVX@R0,A；線性下降段INCAJNZDOWN；若未完，則轉(zhuǎn)DOWNMOVA,#0FEHUP:MOVX@R0,A；線性上升段DECAJNZUP；若未完，則UPSJMPDOWN；若已完，則循環(huán)END③方波程序ORG1100HSTART:MOVR0,#0FEHLOOP:MOVA,#33HMOVX@R0,A；置上限電平ACALLDELAY；形成方波頂寬MOVA,#0FEHMOVX@R0,A；置下限電平ACALLDELAY；形成方波底寬SJMPLOOP；循環(huán)DELAY:MOVR7,#02DELAY1:MOVR6,#0FFH；延時程序DELAY2:DJNZR6,DELAY2.DJNZR7,DELAY1RETEND

⑶雙緩沖方式設8031內(nèi)部RAM中有兩個長度為20的數(shù)據(jù)塊,其始地址分別為DA1和DA2,按圖示電路,編程實現(xiàn)它們分別從兩片0832輸出。ORG1100HDA1DATA20HDA2DATA40HDTOUT:MOVR1,#DA1MOVR2,#20SETBRS0MOVR1,#DA2CLRRS0NEXT:CLRP2.5MOVA,@R1MOVP0,AINCR1SETBRS0SETBP2.5CLRP2.6MOVA,@R1MOVP0,AINCR1CLRRS0SETBP2.6CLRP2.7MOVP0,ASETBP2.7DJNZR2,NEXTSJMPDTOUTEND⑷DAC0832雙極性電壓輸出參考電路VOUT=-5+2Va-5V~+5V⑸V/I輸出轉(zhuǎn)換電路

一般D/A轉(zhuǎn)換電路都是以電壓方式輸出，而在工業(yè)控制應用中，或常規(guī)工業(yè)儀表中是以電流方式輸出的。其原因是：一方面電流輸出有利于長距離傳輸，減少傳輸中的信號衰減和干擾；另一方面許多儀表是以電流形勢配接的，有些常規(guī)儀表的電流配接標準為0～10mA；有些儀表標準為4～20mA，因此，D/A的輸出常常要配接V/I轉(zhuǎn)換器。

2A/D轉(zhuǎn)換與A/D轉(zhuǎn)換接口1)A/D轉(zhuǎn)換器的原理逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器V/F轉(zhuǎn)換器①逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

整個A/D轉(zhuǎn)換是在逐次比較過程中形成，形成的數(shù)字量存放在N位寄存器中，先形成最高位，然后是次高位，一位位地最后形成最低位。

“控制電路”工作后便使“N位寄存器”中最高位置“1”而其余位清零，“N位D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡”根據(jù)“N位寄存器”中內(nèi)容產(chǎn)生Vs電壓，其值為滿量程的一半，并送入比較器進行比較。若Vx≥Vs，則比較器輸出邏輯“1”，通過“控制電路”使“N位寄存器”中最高位的“1”保留，次高位再置1，繼續(xù)比較；若Vx<Vs,最高位清0，保留次高位保留1，重復上述比較過程后，當Vx=Vs時，這樣，A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量就形成了，“N位寄存器”中得到和模擬電壓V相對應的數(shù)字量?！翱刂齐娐贰痹贏/D轉(zhuǎn)換完成后還自動使DONE變?yōu)楦唠娖?。CPU查詢DONE引腳上狀態(tài)（或作為中斷請求）就可從A/D轉(zhuǎn)換器提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。②雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理

電路先對未知的輸入電壓進行固定時間的積分，然后轉(zhuǎn)換為標準電壓進行反向積分，直至積分輸出返回到初始值，則對標準電壓進行積分的時間T正比于輸入模擬電壓，輸入電壓越大，則反向積分時間越長。用高頻率標準時鐘脈沖來測量這個時間，反向積分過程中對脈沖的計數(shù)值就是對應于輸入模擬電壓的數(shù)字量。特點：能消除干擾和電源噪聲，精度高，速度慢，主要用于數(shù)字式測量儀表中。③V/F轉(zhuǎn)換原理

使用V/F轉(zhuǎn)換器用作模/數(shù)轉(zhuǎn)換具有良好的精度、線性度和積分輸入特性，能提供其他類型轉(zhuǎn)換器無法達到的性能。采用V/F轉(zhuǎn)換器與計算機接口的優(yōu)點：接口簡單，占用計算機接口少；頻率信號輸入靈活；抗干擾性能好；便于遠距離傳輸?shù)取Ｒ虼嗽谝恍┓强焖龠^程的前向通道中，愈來愈趨向使用V/F轉(zhuǎn)換來代替通常的A/D轉(zhuǎn)換。

2)A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標

①絕對精度：指對應于一個給定的數(shù)字量的實際模擬量輸入與理論模擬量輸入之差。

實際上對應于同一個數(shù)字量其模擬量輸入不是固定值，而是一個范圍。例如一個A/D轉(zhuǎn)換電路，理論上5V應對應數(shù)字量80H；而實際上4.997V到4.999V都將產(chǎn)生數(shù)字量80H，則絕對誤差將是（4.997+4.999）/2-5=-2mV。

②相對精度：絕對誤差與滿量程之比，一般用“%”來表示。

③分辨率：轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測量的最小值。實際上分辨率就等于1LSB=1/2n×滿刻度值，其中n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，分辨率通常用位數(shù)表示，如8位、10位、12位等。例如對于一個10位轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/1024，顯然，位數(shù)越多，分辨率就越高。④量程：指轉(zhuǎn)換器的滿刻度范圍，亦即最大和最小模擬值之差⑤轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換率：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間。3)ADC0809

ADC0809

是一種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和微機直接接口。ADC0809的姐妹芯片是DC0808，可以相互代換。①內(nèi)部結(jié)構ADC0809由八路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關、逐次逼近式寄存器SAR、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。⑴八路模擬開關及地址鎖存與譯碼器

八路模擬開關用于輸入IN0～IN7上八路模擬電壓。地址鎖存和譯碼器在ALE信號控制下可以鎖存ADDA、ADDB和ADDC上地址信號，經(jīng)譯碼后選擇IN0～IN7上哪一路模擬電壓送入比較器。⑵256電阻階梯和樹狀開關⑶逐次逼近寄存器SAR在A/D轉(zhuǎn)換過程中存放暫態(tài)數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換完成后存的放對應輸入電壓V數(shù)字量，并可送到“三態(tài)輸出鎖存器”⑷三態(tài)輸出鎖存器和控制電路三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字量。CPU使OE引腳變?yōu)楦唠娖骄涂梢詮摹叭龖B(tài)輸出鎖存器”取走A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。START為“啟動脈沖”輸入線，該線上正脈沖由CPU送來，寬度應大于100ns，上升沿清零SAR，下降沿啟動ADC工作。

EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線上高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入“三態(tài)輸出所存器”?？捎米鲋袛噍斎?也可供查詢。OE為“輸出允許”線，高電平時能使2-1～2-8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。CLOCK為時鐘輸入線，用于為ADC0809提供逐次比較所需時鐘脈沖序列，輸入范圍10～1280KHz，通常應用值：500～640KHz，當時鐘=640KHz時，轉(zhuǎn)換時間100μs。通常由ALE分頻后提供。Vref(+)和Vref(-)為參考電壓輸入線，用于給電阻階梯網(wǎng)絡供給標準電壓。Vref(+)常和Vcc相連，Vref(-)常接地。MCS-51和ADC接口必須弄清和處理好三個問題：①要給START線送一個100ns寬的啟動脈沖；②獲取EOC線上的狀態(tài)信息，因為它是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束標志；③要給“三態(tài)輸出鎖存器”分配一個端口地址，也就是給OE線上送一個地址譯碼器輸出信號。ADC0809與8051單片機接口應用舉例ORG3000HINIT1:SETBIT1；置為下降沿觸發(fā)SETBEA；單片機開中斷SETBEX1；開中斷MOVDPTR,#0FEFFH；建立地址指針MOVA,#00H；0809的A、B、C接數(shù)據(jù)線時，選IN0通道輸入MOVX@DPTR,A；啟動0809SJMP$；等中斷

ORG0013HINT1:LJMPPINT1ORG0100HPINT1:MOVDPTR,#0FEFFHMOVXA,@DPTR；讀A/D結(jié)果MOV30H,A；結(jié)果送30H單元MOVA,#00H；重新啟動0809對INT0的轉(zhuǎn)換MOVX@DPTR,ARETI；中斷返回MOVDPTR#0FEF3H；0809的A、B、C接低八位地址線時，選IN3通道輸入MOVX@DPTR,A；啟動0809MOVR2,#20H；延時查詢DLY:DJNZR2,DLY；60us延時HE:JNBP3.3,HE；查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束否MOVXA,@DPTR；結(jié)果送R6MOVR6,A；停HD:SJMPHD若采用查詢方式，則對8031單片機的P3.3口線進行查詢雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器5G144335G14433是廉價型3位半BCD碼A/D轉(zhuǎn)換器，抗干擾性能強，精度稍高，但轉(zhuǎn)換速度較慢（為200ms左右）。轉(zhuǎn)換精度：讀數(shù)的1/2000（11位二進制數(shù)）。電壓量程：1.999V和1.999mV兩檔。轉(zhuǎn)換速度：8～10次/s（相應時鐘頻率50～150kHZ）?；鶞孰妷海寒斄砍虨?.999V時VR=2V，當量程為1.999mV時VR=200mV（片內(nèi)精密電源輸出2V）。工作電壓：4.5～8V時鐘振蕩器的外接電阻Rc，外接失調(diào)補償電容C0和外接積分阻容元件R1、C1。模擬電路部分有基準電壓、模擬電壓輸入部分。模擬電壓輸入量程為1.999mV或1.999V，基準電壓相應為200mV或2V。5G14433的應用舉例

初始化程序：INIT1:SETBIT1；選擇為邊沿觸發(fā)方式MOVIE,#10000100B；CPU開中斷，外部中斷允許…外部中斷服務程序：PINT1:MOVA,P1；JNBACC.4,PINT1；等待DS選通信號JBACC.0,PE；查是否過，欠量程，是則轉(zhuǎn)PEJBACC.2,PL1；查結(jié)果是正或負，1為正，0為負SETB77H；負數(shù)，符號位置1，77H為符號位位地址AJMPPL2PL1