模数和数模转换精选文档.ppt

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1、模数和数模转换模数和数模转换本讲稿第一页，共四十七页 学 习 目 的通过对本章的学习，通过对本章的学习，您应该能够达到下您应该能够达到下列要求：列要求：n掌握掌握模模/数和数数和数/模转换通道的基本组成、模模转换通道的基本组成、模/数与数数与数/模转换器的主要技术指标。模转换器的主要技术指标。n掌握掌握A/D转换芯转换芯AD0809及及D/A转换芯片转换芯片DAC0832分别与分别与CPU的连接及应用编程的连接及应用编程本讲稿第二页，共四十七页10.1 概述概述 n模拟量连续变化的物理量n数字量数字量时间和数值上都离散的量时间和数值上都离散的量模拟模拟/数字转换器数字转换器ADCDAC数字数字

2、/模拟转换器模拟转换器本讲稿第三页，共四十七页含有含有A/DA/D与与D/AD/A转换的监控系统转换的监控系统 10.1 概述概述 本讲稿第四页，共四十七页10.2 数数/模（模（D/A）转换器）转换器n必须要将计算机输出的数字量转换成模拟的电流必须要将计算机输出的数字量转换成模拟的电流或电压，这个任务主要由数或电压，这个任务主要由数/模转换器来完成模转换器来完成 n数数/模转换芯片一般内部设有输入锁存器，能将计模转换芯片一般内部设有输入锁存器，能将计算机输入给它的数字量锁存下来算机输入给它的数字量锁存下来 n需要有一级功率放大电路，将需要有一级功率放大电路，将D/AD/A输出的电流或输出的电

3、流或电压放大到足以驱动执行机构电压放大到足以驱动执行机构 本讲稿第五页，共四十七页10.2 数数/模（模（D/A）转换器）转换器特点特点 ：开环放大倍数非常高开环放大倍数非常高 输入阻抗非常大输入阻抗非常大 输出阻抗很小输出阻抗很小1.1.运算放大器的工作特点和原理运算放大器的工作特点和原理10.2.1 数数/模转换原理模转换原理本讲稿第六页，共四十七页运算放大器的原理(a)运算放大器的输入和输出(b)带反馈电阻的运算放大器(c)输入端有4个支路的运算放大器由此可求得带有反馈电阻的运算放大器的放大倍数为 10.2.1 数数/模转换原理模转换原理本讲稿第七页，共四十七页2.2.由并联电阻和运算放

4、大器构成的由并联电阻和运算放大器构成的D/AD/A转换器转换器(a)最简单的D/A转换器 (b)阶梯波电压 10.2.1 数数/模转换原理模转换原理本讲稿第八页，共四十七页10.2.1 数数/模转换原理模转换原理采用T型电阻网络的D/A转换器 3.T3.T型权电阻网络型权电阻网络本讲稿第九页，共四十七页10.2.2 数数/模转换器的指标模转换器的指标模模/数转换器的主要技术指标数转换器的主要技术指标n分辨率（分辨率（Resolution）n精度（精度（precision）n量程（满刻度范围量程（满刻度范围Full Scale Range）n转换时间（转换时间（Conversion Time）n

5、线性度误差（线性度误差（Linearity Error）本讲稿第十页，共四十七页1 1）分辨率（）分辨率（ResolutionResolution）分辨率是指转换器所能分辨的被测量的最小分辨率是指转换器所能分辨的被测量的最小值。它反映了值。它反映了DACDAC对微小输入量变化的敏感性。对微小输入量变化的敏感性。通常用输出二进制代码的位数来表示。例如分通常用输出二进制代码的位数来表示。例如分辨率是辨率是8 8位、位、1010位、位、1212位等。也可用最小输出位等。也可用最小输出电压与最大输出电压之比的百分数来表示。对电压与最大输出电压之比的百分数来表示。对于一个于一个n n位位DACDAC，其

6、分辨率为：其分辨率为：(1/2(1/2n n)量程量程。位数越多，分辨率越高。位数越多，分辨率越高。10.2.2 数数/模转换器的指标模转换器的指标本讲稿第十一页，共四十七页 精度是指转换的结果相对于实际的偏差，精度是指转换的结果相对于实际的偏差，精度有两种表示方法。精度有两种表示方法。（1 1）绝对精度：用最低位（）绝对精度：用最低位（LSBLSB）的倍数来表）的倍数来表示，如示，如（1/21/2）LSBLSB或或1LSB1LSB等。等。（2 2）相对精度：用绝对精度除以满量程值的）相对精度：用绝对精度除以满量程值的百分数来表示，例如百分数来表示，例如0.05%0.05%等。等。注意：分辨率

7、与精度是两个不同的概念注意：分辨率与精度是两个不同的概念2 2）精度（）精度（precisionprecision）10.2.2 数数/模转换器的指标模转换器的指标本讲稿第十二页，共四十七页3 3）量程（满刻度范围）量程（满刻度范围Full Scale RangeFull Scale Range）量程是指允许输入模拟电压的变化范围。例如，量程是指允许输入模拟电压的变化范围。例如，某转换器具有某转换器具有0 010V10V的单极性输入模拟电压的范的单极性输入模拟电压的范围，或围，或-5V-5V+5V+5V的双极性范围，那么，它们的量的双极性范围，那么，它们的量程都为程都为10V10V。10.2.

8、2 数数/模转换器的指标模转换器的指标本讲稿第十三页，共四十七页 从启动转换开始直至转换出稳定的二进代码所需的时从启动转换开始直至转换出稳定的二进代码所需的时间称为转换时间。转换时间与转换器工作原理及其位数间称为转换时间。转换时间与转换器工作原理及其位数有关。同种工作原理的转换器，通常位数越多，其转换有关。同种工作原理的转换器，通常位数越多，其转换时间则越长。时间则越长。5 5）线性度误差（）线性度误差（Linearity ErrorLinearity Error）理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。线性度误差是转换器实际

9、与数字量输出成线性关系。线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的误差，的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的误差，通常用多少通常用多少LSBLSB表示。表示。4 4）转换时间（）转换时间（Conversion TimeConversion Time）10.2.2 数数/模转换器的指标模转换器的指标本讲稿第十四页，共四十七页10.2.3 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用nDAC0832是8位双缓冲D/A转换器，片内带有数据锁存器，可与微处理器直接接口。DAC0832DAC0832的特性参数的特性参数：n分辨率为8位；n可采用双缓冲、单缓冲或直通三种工作方式

10、；n电流稳定时间为1s；n只需在满量程下调整其线性度；n所有引脚逻辑电平与TTL兼容；n5V15V单一电源供电，功耗为200mw。本讲稿第十五页，共四十七页DAC0832的功能示意图 10.2.3 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用1、DAC0832的内部结构的内部结构1 2本讲稿第十六页，共四十七页10.2.3 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用2 2、DAC0832DAC0832的引脚功能的引脚功能本讲稿第十七页，共四十七页 3 3、DAC0832DAC0832的工作方式的工作方式 v双缓冲方式 双缓冲工作方式对输入寄存器和DAC寄存器分别进行控制。10.2.3

11、 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用100 11000110本讲稿第十八页，共四十七页 3 3、DAC0832DAC0832的工作方式的工作方式 v双缓冲方式 双缓冲工作方式对输入寄存器和DAC寄存器分别进行控制。10.2.3 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用本讲稿第十九页，共四十七页v单缓冲方式 在这种工作方式下，使两个寄存器中的任一个处于直通状态。10.2.3 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用本讲稿第二十页，共四十七页v直通方式 这种工作方式是将 、以及 引脚都直接接地，ILE接高电平，芯片就处于直通状态。输入数据就直接送入D/A转换器进行电流

12、转换。10.2.3 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用1001001本讲稿第二十一页，共四十七页10.2.3 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用例1、DAC0832的外部链接线路如图所示。要使0832实现一次D/A转换，试编程实现。MOV BX,4000HMOV AL,BXMOV DX,PORTAOUT DX,AL本讲稿第二十二页，共四十七页10.2.3 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用例2、产生一个锯齿电压。MOV DX，PORTA ；PORTA为D/A端口号MOV AL，0FFH ；初值为0FFHROTATE：INC ALOUT DX，AL ；往

13、D/A输出数据JMP ROTATE 如何产生三角波？如何产生三角波？本讲稿第二十三页，共四十七页10.2.3 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用 MOV DX MOV DX，200H 200H ；端口地址端口地址ABCD:MOV ALABCD:MOV AL，00H 00H OUT DX OUT DX，AL AL ；向；向DAC0832DAC0832输出全输出全0 0 CALL DELAY CALL DELAY ；调用延时子程序；调用延时子程序DELAY DELAY MOV AL MOV AL，0FFH 0FFH OUT DX OUT DX，AL AL ；向；向DAC0832DAC

14、0832输出全输出全1 1 CALL DELAY CALL DELAY JMP ABCD JMP ABCD例例3 3、假设假设DAC0832DAC0832片选的地址是片选的地址是200H200H，要求在，要求在VOUTVOUT输出方波，编程如下：输出方波，编程如下：本讲稿第二十四页，共四十七页10.2.3 DAC 0832的工作方式和应用的工作方式和应用MOV AL,96HOUT PORT,ALCALL DELAYMOV AL,0E1HOUT PORT,ALCALL DELAYMOV AL,32HOUT PORT,ALCALL DELAY例例4 4、08320832转换输出波形如图，设满量程为

15、转换输出波形如图，设满量程为5 5V V。试编试编程实现。程实现。3V4.5V1VV V0 0=(V=(VREFREF/2/28 8)D)DD=1/0.02=32HV=VV=VREFREF/2/28 8=5/256=0.02V=5/256=0.02VD=3/0.02=96HD=4.5/0.02=0E1H本讲稿第二十五页，共四十七页10.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器A/D转换器的主要性能指标：转换器的主要性能指标：1.分辨率分辨率转换器对微小输入量变化的敏感程度转换器对微小输入量变化的敏感程度 以以8位位ADC为例，当输入电压满刻度为为例，当输入电压满刻度为5V时，对输入模拟电压的时

16、，对输入模拟电压的分辨能力为：分辨能力为：5V/25619.5mV 2.转换时间转换时间完成一次完成一次A/D转换所需要的时间。转换所需要的时间。如：如：25us，则转换率为则转换率为1/25us40KHZ 3.转换精度转换精度任一数值量所对应的模拟量输入实际值任一数值量所对应的模拟量输入实际值与理论值之间的差，通常用数字量的最低有效位与理论值之间的差，通常用数字量的最低有效位（LSB）来表示，为来表示，为 1/2LSB。由于模拟量是连续的，而数字量是离散的。所以，在某个范围内的由于模拟量是连续的，而数字量是离散的。所以，在某个范围内的模拟量对应于某个数字量。模拟量对应于某个数字量。本讲稿第二

17、十六页，共四十七页10.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器模模/数转换通道的组成数转换通道的组成一般模一般模/数转换通道由数转换通道由传感器传感器、信号处理信号处理、多路转换开关多路转换开关、采样保持器采样保持器以及以及A/DA/D转换器转换器组成组成。本讲稿第二十七页，共四十七页 能够把能够把非电物理量转换成电量非电物理量转换成电量（电流或电压）的器件，（电流或电压）的器件，由电容、电阻、电感或敏感材料组成，在外加激励电流由电容、电阻、电感或敏感材料组成，在外加激励电流或电压的驱动下，不同类型的传感器会随不同非电物理或电压的驱动下，不同类型的传感器会随不同非电物理量的变化，引起传感器的

18、组成材料发生改变，使得输出量的变化，引起传感器的组成材料发生改变，使得输出连续变化的电流或电压与非电物理量的变化成正比。连续变化的电流或电压与非电物理量的变化成正比。一、传感器（一、传感器（TransducerTransducer）10.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器 由于传感器组成材料发生改变引起输出电流或电压由于传感器组成材料发生改变引起输出电流或电压的变化十分微弱，容易受外界干扰，因此，各种变送的变化十分微弱，容易受外界干扰，因此，各种变送器器将传感器与放大电路制作在一起将传感器与放大电路制作在一起，输出统一标准的电流，输出统一标准的电流或电压，以便传输或直接送或电压，以便传输

19、或直接送A/DA/D转换器进行转换器进行A/DA/D转换。转换。本讲稿第二十八页，共四十七页10.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器信号放大处理电路信号放大处理电路，接在，接在A/DA/D转换器与传感器之转换器与传感器之间，用于解决以下存在问题：间，用于解决以下存在问题：nA/DA/D转换器与传感器二者电压不匹配。转换器与传感器二者电压不匹配。n如果是电流型输出传感器，要进行如果是电流型输出传感器，要进行变换变换与放大处理，将电流信号对应变换成电压信号。与放大处理，将电流信号对应变换成电压信号。二、信号放大处理二、信号放大处理本讲稿第二十九页，共四十七页10.3 模模/数（数（A/D）转

20、换器）转换器n一个数据采集系统（一个数据采集系统（A/DA/D转换）往往要采集多路模拟转换）往往要采集多路模拟信号。信号。n通常只用一片通常只用一片A/DA/D转换芯片，轮流选择输入信号进行转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制。控制。n许多许多A/DA/D转换芯片内部具备多路转换开关，一片转换芯片内部具备多路转换开关，一片A/DA/D转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号，如果转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号，如果A/DA/D转换芯片不具有多路转换功能，则在转换芯片不具有多路转换功能，则在A/DA/D转

21、换之转换之前外加模拟多路转换开关。前外加模拟多路转换开关。三、多路转换开关（三、多路转换开关（MultiplexerMultiplexer）本讲稿第三十页，共四十七页10.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器 CD4051BCD4051B的基本结构的基本结构CD4051BCD4051B采用了采用了CMOSCMOS工工艺，艺，1616脚脚DIPDIP封装封装八选一八选一模拟多路开关模拟多路开关 常用的模拟多路开关介绍常用的模拟多路开关介绍本讲稿第三十一页，共四十七页10.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器n在在A/DA/D转换器进行采样期间，保持被转换输入信号不变的转换器进行采样期间，

22、保持被转换输入信号不变的电路称为采样保持电路。电路称为采样保持电路。四、采样保持器（四、采样保持器（Sample HolderSample Holder）n在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号，在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号，在在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。经过对经过对V Vi i的采样，的采样，V V0 0的小平台电压值保持到下一次的采样开始，的小平台电压值保持到下一次的采样开始，该稳定的该稳定的“小平台小平台”电压供电

23、压供A/DA/D转换器进行转换器进行A/DA/D转换。转换。本讲稿第三十二页，共四十七页采样采样/保持示意图保持示意图10.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器本讲稿第三十三页，共四十七页10.3 模模/数（数（A/D）转换器）转换器五、五、A/DA/D转换器（转换器（Analog to DigitAnalog to Digit）A/DA/D转换器是模转换器是模/数转换通道的核心环数转换通道的核心环节，其功能是将模拟输入电信号转换成节，其功能是将模拟输入电信号转换成数字量（二进制数或数字量（二进制数或BCDBCD码等），以便由码等），以便由计算机读取、分析处理，并依据它发出计算机读取、分析

24、处理，并依据它发出对生产过程的控制信号。对生产过程的控制信号。本讲稿第三十四页，共四十七页10.3.2 模模/数转换的方法和原理数转换的方法和原理方法：方法：n计数法计数法n双积分法双积分法n逐次逼近法逐次逼近法 n用软件和用软件和D/AD/A转换器来实现转换器来实现A/DA/D转换转换本讲稿第三十五页，共四十七页10.3.2 模模/数转换的方法和原理数转换的方法和原理逐次逼近式逐次逼近式A/D转换转换本讲稿第三十六页，共四十七页不同的芯片具有不同的连接方式，其中最主不同的芯片具有不同的连接方式，其中最主要的是要的是输入、输出以及控制信号输入、输出以及控制信号的连接方式。的连接方式。从输入端来

25、看，有单端输入的，也有差动从输入端来看，有单端输入的，也有差动输入的。差动输入有利于克服共模干扰。输入的。差动输入有利于克服共模干扰。输入输入信号的极性有信号的极性有单极性单极性和和双极性双极性输入，这由极性输入，这由极性控制端的接法决定。控制端的接法决定。10.3.3 模模/数转换器数转换器输入模拟电压的连接输入模拟电压的连接本讲稿第三十七页，共四十七页数据输出线和系统总线的连接数据输出线和系统总线的连接 （1 1）在）在ADCADC芯片内部，数据输出寄存器具有芯片内部，数据输出寄存器具有可控的输可控的输出三态门出三态门，这类芯片输出线允许和计算机系统的数据总，这类芯片输出线允许和计算机系统

26、的数据总线直接相连，并在转换结束后可以利用输入输出线直接相连，并在转换结束后可以利用输入输出读信号读信号选选通三态门，将转换成的数据送到计算机系统的数据总线上。通三态门，将转换成的数据送到计算机系统的数据总线上。（2 2）在）在ADCADC芯片内部没有可控的输出三态门，输出芯片内部没有可控的输出三态门，输出寄存器直接与芯片数据输出引脚相连，这种芯片的数寄存器直接与芯片数据输出引脚相连，这种芯片的数据输出引脚必须据输出引脚必须通过外加的三态门通过外加的三态门才能连到计算机系才能连到计算机系统的数据总线。统的数据总线。10.3.3 模模/数转换器数转换器本讲稿第三十八页，共四十七页10.3.3 模

27、模/数转换器数转换器 ADC芯芯片片的的启启动动转转换换信信号号有有电电平平和和脉脉冲冲两两种种形形式式。设设计计时时应应分分别别对对待待，对对要要求求用用电电平平启启动动转转换换的的芯芯片片，如如果果在在转转换换过过程程中中撤撤去去电电平平信信号号，则则将将停停止止转转换换而而得得到到错错误误的结果。的结果。启动信号的供给：启动信号的供给：本讲稿第三十九页，共四十七页10.3.3 模模/数转换器数转换器在在ADC转换完成后，会发出转换结束信号，以转换完成后，会发出转换结束信号，以示主机可以从模示主机可以从模/数转换器读取转换后的数据。数转换器读取转换后的数据。程序查询方式程序查询方式 中断方

28、式中断方式 CPUCPU等待方式等待方式固定的延迟程序方式固定的延迟程序方式 转换结束信号以及转换数据的读取：转换结束信号以及转换数据的读取：本讲稿第四十页，共四十七页10.3.4 模模/数转换器数转换器0809n ADC0809ADC0809芯片是芯片是CMOSCMOS型单片双列直插式模型单片双列直插式模数转换器件，采用数转换器件，采用逐次逼近式逐次逼近式转换方式，可对转换方式，可对8 8路模拟电压分时进行转换。路模拟电压分时进行转换。n输出具有输出具有TTLTTL三态锁存缓冲器，可直接连到微处三态锁存缓冲器，可直接连到微处理器的数据总线上。理器的数据总线上。本讲稿第四十一页，共四十七页10

29、.3.4 模模/数转换器数转换器0809n主要计数指标：主要计数指标：1）分辨率为8位。2）最大不可调误差上1LSB。3）单电源5V。4）可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容。5）当用5V电源供电时，模拟输入电压范围为 05V。本讲稿第四十二页，共四十七页10.3.4 模模/数转换器数转换器0809内部结构内部结构IN7:IN0AddrCAddrBAddrAALEEOCStartClockD7:D0IN0IN7可输入8路模拟电压；通道号由地址信号A、B、C译码后选定；转换结果送入三态输出锁存器，当输出允许信号OE有效时才输出到数据总线上。片内有地址锁存和译码器；本讲稿第四十三页，共四十七页10

30、.3.4 模模/数转换器数转换器0809引脚信号引脚信号本讲稿第四十四页，共四十七页10.3.4 模模/数转换器数转换器0809转换时序图转换时序图 首先给首先给ADC通道地通道地址址A、B和和C，它们在它们在ALE的上升沿被锁存；的上升沿被锁存；然后在然后在ST（start conversion）的下降沿的下降沿开始转换、且开始转换、且EOC变变低；低；EOC变高时表示转换变高时表示转换结束，这时令结束，这时令OE有效，有效，即可读到转换结果。即可读到转换结果。本讲稿第四十五页，共四十七页10.3.4 模模/数转换器数转换器0809对IN3：MOVDX，203H；200H207H对应通道IN

31、0IN7OUTDX，AL；AL值任意AA：HLTJMPAAINTPROCPROC:MOVDX，203HINAL，DX；读取转换结果:例：例：通道地址由地址总线输入，中断方式读入数据。通道地址由地址总线输入，中断方式读入数据。本讲稿第四十六页，共四十七页10.3.4 模模/数转换器数转换器0809对IN3：MOVAL，011B；D2D1D0=通道号MOVDX，200H；200H203均可OUTDX，AL（1）（1）101MOVDX，202HWAIT：INAL，DX；AL的D0=EOCTESTAL，01HJZWAITMOVDX，201HINAL，DX；读取转换结果例：通道地址由数据总线输入，查询方式读入数据。例：通道地址由数据总线输入，查询方式读入数据。本讲稿第四十七页，共四十七页