第十六章DA、AD轉(zhuǎn)換技術

控制理論基礎(II)交通大學精品課程系列2007課程負責人：付莊顧問：王顯正教授第十六章D/A、A/D轉(zhuǎn)換技術16.1模擬量的輸入輸出通道16.2D/A轉(zhuǎn)換器的作用和主要技術指標16.3典型的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC083216.4D/A轉(zhuǎn)換器與單片機連接應注意的幾點16.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術指標16.6采樣定理16.7逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器16.8典型芯片ADC080916.1模擬量的輸入輸出通道16.2D/A轉(zhuǎn)換器的作用和主要技術指標D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將二進制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應的模擬量。主要技術指標分辨率絕對精度相對精度建立時間轉(zhuǎn)換結果的輸出形式分辨率：它表示對微小輸入量變化的敏感程度，一般用數(shù)字量的位數(shù)來表示。位數(shù)越高，分辨率越高；如8位的D/A，若輸出滿刻度值為10V，則一個最低有效二進制數(shù)對應的模擬信號為39.2mv,占滿度值的0.392％。如10位的D/A，則若輸出滿刻度值為10V，則一個最低有效二進制數(shù)對應的模擬信號為9.78mv,占滿度值的0.0978％。絕對精度：對應于滿度數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際輸出值與理論輸出值之差。相對精度：滿度已校準的情況下，對于任一數(shù)字量的模擬量輸出與理論值之差。（非線性度）建立時間：數(shù)字變化量為滿刻度時，輸出模擬達到終值所需的時間。輸出是電流型的D/A建立時間短，輸出是電壓型的D/A建立時間長；轉(zhuǎn)換結果的輸出形式（電壓或電流、單極性或雙極性）：輸入信號的形式（并行或串行）。16.3典型的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832單電源：+5V~+15VVref:-10V~+10V低功耗：20mW；分辨率：8位線性誤差：0.2%(FS);NL誤差：0.4%(FS)建立時間：1μs溫度系數(shù)：200ppm/℃輸出方式:電流VRef×DRfb×256Iout1＝Iout1＋Iout2＝常數(shù)ILE：輸入數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效；CS輸入寄存器選擇信號，低電平有效；WR1輸入寄存器的“寫”選通信號，低電平有效；LE1為高電平鎖存器的輸出隨輸入變化，LE1負跳變將數(shù)據(jù)存到鎖存器中，LE1為低電平，輸出保持不變；(1)DAC0832邏輯結構框圖兩級緩沖結構輸入輸出XFER：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移控制信號，低電平有效；WR2：DAC寄存器的“寫”選通信號，XFER和WR2決定了LE2的電平，LE2為高電平鎖存器的輸出隨輸入變化，LE2負跳變將數(shù)據(jù)存到鎖存器中，LE2為低電平，輸出保持不變；VREF:基準電源輸入端；Rfb:反饋信號輸入端；IOUT1IOUT2：電流輸出端，IOUT1和IOUT2的和為常數(shù)，在單極性輸出時，IOUT2通常接地；VCC工作電源；DGND：數(shù)字信號地、AGND為模擬信號地；ID0~ID7：數(shù)據(jù)輸入端(2)DAC0832的工作方式直通工作方式：輸入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式。此時提供給DAC的數(shù)據(jù)，必須來自鎖存端口(LE1=LE2=0)。單緩沖工作方式：控制輸入寄存器和DAC寄存器同時跟隨或鎖存數(shù)據(jù)，或只控制這兩個寄存器之一，而另一個接成直通方式。此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量非同步輸出的情形。雙緩沖工作方式：分別控制輸入寄存器和DAC寄存器，此方式適用于多路D/A同時輸出的情形：使各路數(shù)據(jù)分別鎖存于各輸入寄存器，然后同時（相同控制信號）打開各DAC寄存器、實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換。單緩沖方式：用于一路輸出或幾路非同步輸出輸入寄存器與DAC寄存器地址為：7FFFH，WR1/WR2與單片機的寫信號連接，CPU對DAC0832執(zhí)行一次“寫”操作，把一個數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器進行D/A轉(zhuǎn)換。單緩沖工作方式的典型應用：信號發(fā)生器鋸齒波MOVDPTR,#7FFFH;MOVA,#00H;LOOP:MOVX@DPTR,A;INCA;AJMPLOOP三角波：MOVDPTR,#7FFFH;MOVA,#00H;UP:MOVX@DPTR,A;INCA;CJNEA,#0FFH,UP;DOWN:DECA;MOVX@DPTR,ACJNEA,＃0H,DOWN;SJMPUP;雙緩沖工作方式：用于多個DAC0832同步輸出第1片的輸入寄存器的地址為DFFFH,第2片的輸入寄存器的地址為BFFFH,兩片的DAC寄存器的地址都為7FFFH。兩片DAC0832同步輸出的相應控制軟件為：1、將待轉(zhuǎn)換的第一個數(shù)據(jù)NNH送入第1片的DAC0832的輸入寄存器；MOVDPTR,#0DFFFH;MOVA,#0NNH;MOVX@DPTR,A;2、將待轉(zhuǎn)換的第二個數(shù)據(jù)MMH送入第2片的DAC0832的輸入寄存器；MOVDPTR,#0BFFFH;MOVA,#MMH;MOVX@DPTR,A;3、將分別鎖在兩個輸入寄存器中的數(shù)據(jù)NN和MM同時送入各自的DAC寄存器進行轉(zhuǎn)換；MOVDPTR,#7FFFH;MOV@DPTR,A;A的內(nèi)容無關緊要(3)8位D/A轉(zhuǎn)換器與CPU的典型連接數(shù)據(jù)線控制線地址線16.4D/A轉(zhuǎn)換器與單片機連接應注意的幾點：當D/A與單片機的P0口連接時，由于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)僅在“輸出”指令的瞬間出現(xiàn)在P0口上，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是需要一定時間，因此為保證轉(zhuǎn)換精度，需將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鎖存直到下一次“輸出”不同數(shù)據(jù)為止。對于高8位以上的D/A與單片機的連接，必須解決分時輸出所造成的毛刺現(xiàn)象。方法一：采用內(nèi)部帶有雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器的D/A；方法二：利用74LS373等鎖存器作為數(shù)據(jù)緩沖器將D/A與單片機連接；輸出電壓為雙極性，可利用運算放大器實現(xiàn)，如下圖所示：A點單極性輸出電壓為0～－5V；B點雙極性輸出電壓為＋5V～－5V16.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術指標分辨率：通常用數(shù)字輸出最低位（LSB）所對應的模擬輸入的電平值表示。精度：絕對精度和相對精度轉(zhuǎn)換時間：由啟動轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結束信號開始有效的時間間隔電源靈敏度量程：所能轉(zhuǎn)換模擬電壓的范圍，雙極性和單極性輸出邏輯電平工作溫度范圍轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換頻率（T=1/f)

A/D轉(zhuǎn)換時間（T）——A/D轉(zhuǎn)換器完成一次模擬量變換為數(shù)字量所需的時間。如圖所示，t為時間，V(t)為模擬量，T為采樣間隔，TA為轉(zhuǎn)換時間模擬量離散化原理圖量化誤差與分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率—轉(zhuǎn)換器對輸入電壓微小變化響應能力的度量，習慣上輸出用二進制位數(shù)或者BCD碼位數(shù)表示。輸出用二進制表示：如AD574A的分辨率為12位，即輸出數(shù)據(jù)可以用212個二進制數(shù)進行量化，其分辨率為1LSB，用百分數(shù)表示為：1/212×100%=(1/4096)×100%≈0.0244%當VFS=5V，可分辨的最小電壓是1.22mV;當VFS=10V，可分辨的最小電壓是2.44mV;輸出用BCD碼表示：輸出為BCD碼的A/D轉(zhuǎn)換器一般用位數(shù)表示分辨率，例如MC14433雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為3(1/2)位。滿度字位為1999，用百分數(shù)表示分辨率為：(1/1999)×100%=0.05%量化誤差與分辨率是統(tǒng)一的。量化誤差是由于用有限數(shù)字對模擬數(shù)值進行離散取值（量化）而引起的誤差。因此，量化誤差理論上為一個單位的分辨率，即±1/2LSB。提高分辨率可減少量化誤差。轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度反映了一個實際上A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上與一個理想A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的差值，可表示成絕對誤差或相對誤差。必須指出，A/D轉(zhuǎn)換器的精度所對應的誤差指標是不包括量化誤差的。(1)應用背景模擬量（模擬信號）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）計算機（數(shù)字信號）時間、數(shù)值連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量等AnalogtoDigit(2).轉(zhuǎn)換過程

采樣

量化

編碼使模擬信號在時間上離散化用一個基本的計量單位（量化電平）使模擬量變?yōu)橐粋€整數(shù)的數(shù)字量把已經(jīng)量化的模擬量用二進制數(shù)碼、BCD碼或其他數(shù)碼表示(3).轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換電路有逐次逼近式、雙積分式、并行式、跟蹤比較式、串并式、電荷平衡式等。常用的有：并行式A/D——速度快，價格高逐次逼近式A/D—精度、速度和價格適中（）雙積分式A/D——精度高、價格低，但速度慢

16.6采樣定理當信號頻譜為有限寬度，而最高截止頻率為fm時，只要在一定時間內(nèi)對它進行足夠的采樣，就可以保持信號的真實頻譜，條件是采樣周期T≦1/(2fm),即f≧2fm。f稱為奈圭斯特采樣頻率，是理論上限制的最低頻率。16.7逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換原理比較器時序與控制邏輯電路時鐘啟動DONEOE輸出緩沖器N位數(shù)字量輸出D/A轉(zhuǎn)換器N位寄存器模擬量輸入VNVX注：Dn-i

表示N位寄存器第n-i位Vx送入比較器，Dn-I為1,其余位為0,比較Vx,VN；若VX≥VN，Dn-I=1；VX＜VN，Dn-I=0然后將Dn-2置1，與上次的結果一起經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與VX比較。重復上述過程，直至判別出D0位，轉(zhuǎn)換結束，N位寄存器的內(nèi)容就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)。16.8典型芯片ADC0809主要技術指標和特性分辨率：8位轉(zhuǎn)換時間：64個時鐘周期單一電源：+5V模擬輸入電壓范圍：單極性0~+5V，雙極性±5V或±10V具有可控三態(tài)輸出鎖存器啟動轉(zhuǎn)換控制為脈沖式（正脈沖），上升沿使寄存器清0，下降沿使A/D開始轉(zhuǎn)換。②ADC0809的引腳IN0~IN7：模擬信號輸入端；D0~D7：8位數(shù)字輸出端，為三態(tài)可控輸出，可直接與計算機相連。A、B、C：模擬通道選擇端，3位二進制可有8種組合，對應8路模擬輸入；CLK：時鐘信號輸入端，頻率范圍為50~800KHZALE：地址信號鎖存端，高電平有效；START：啟動A/D轉(zhuǎn)換信號,正脈沖有效；EOC：轉(zhuǎn)換結束信號，轉(zhuǎn)換開始EOC為低電平，轉(zhuǎn)換結束，EOC為高電平；OE：輸出允許控制端，高電平有效；VCC：工作電源；VREF(+),VREF(—)：基準參考電壓芯片封裝類型(1)雙列直插（DUAL-IN-LINEPACKAGE)(2)表貼封裝(CHIPCARRIER)ADC0809的內(nèi)部結構模擬輸入部分控制邏輯地址譯碼輸入選通基準電壓輸入端通道地址表ADC0809結構VCCGNDOEVREF(-)VREF(+)SCCLKEOCD0D7ABCALEIN0IN78路模擬量開關地址鎖存與譯碼8位A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存器83ADC0809與80C51單片機接口輸入模擬量：0-5VEOC用做外部中斷請求源用中斷方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結果P2.0，RD，WR來控制地址鎖存、啟動和轉(zhuǎn)換結果的輸出A、B、C由P0.0—P0.2提供舉例應用：如圖所示，巡回檢測一遍8路模擬量輸入，將讀數(shù)依次存放在片外數(shù)據(jù)存儲器A0H~A7H單元，程序如下：初始化程序清單：

MOVR0，#0A0H；數(shù)據(jù)暫存區(qū)首址MOVR2，#08H；8路計數(shù)初值SETBIT1；置脈沖觸發(fā)方式SETBEA；CPU中斷SETBEX1；允許INT1申請中斷MOVDPTR,#0FEF8H；指向ADC0809首地址MOV@DPTR,A;啟動A/D轉(zhuǎn)換HERE：SJMPHERE；等中斷中斷服務程序：MOVX