第11章数模与模数转换及应用新

1、第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 本章主要内容本章主要内容数数/模转换及应用模转换及应用 21物理信号到电信号的转换物理信号到电信号的转换 1模模/数转换及应用数转换及应用3第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.1 11.1 物理信号到电信号的转换物理信号到电信号的转换 11.1.1 11.1.1 概述概述v 在实际工业控制和参数测量时，经常遇到的在实际工业控制和参数测量时，经常遇到的是一些是一些连续变化的物理量连续变化的物理量，例如：温度、压，

2、例如：温度、压力、速度、水位、流量等，这些参数都是非力、速度、水位、流量等，这些参数都是非电的、连续变化的电的、连续变化的物理信号物理信号； v 微型计算机中处理的都是微型计算机中处理的都是数字量数字量，无法识别，无法识别和处理工业上的物理信号；和处理工业上的物理信号；第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.1 11.1 物理信号到电信号的转换物理信号到电信号的转换 v一般先利用一般先利用传感器传感器（例如光电元件、压敏元件等）把物（例如光电元件、压敏元件等）把物理信号转换成连续的模拟电压（或模拟电流），这种代理信号转换成连续的模拟电压（或模拟电流），这种

3、代表某种物理量的表某种物理量的模拟电压（或模拟电流）模拟电压（或模拟电流）称为称为模拟量模拟量；v然后再把然后再把模拟量模拟量转换成转换成数字量数字量送到计算机进行处理，这送到计算机进行处理，这个过程称为个过程称为模模/ /数（数（A/DA/D）转换）转换，实现这个过程的器件称，实现这个过程的器件称为模为模/ /数转换器（数转换器（A/DA/D转换器或转换器或ADCADC）。）。第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.1 11.1 物理信号到电信号的转换物理信号到电信号的转换 v 反过来，微型计算机输出结果是数字量，不能反过来，微型计算机输出结果是数字量，

4、不能直接控制执行部件，需要将数字量转换成模拟直接控制执行部件，需要将数字量转换成模拟电压或模拟电流，这个过程称为电压或模拟电流，这个过程称为数数/ /模（模（D/AD/A）转换转换，实现这个过程的器件称为数，实现这个过程的器件称为数/ /模转换器模转换器（D/AD/A转换器或转换器或DACDAC）。）。 v D/AD/A转换是转换是A/DA/D转换的逆过程，这两个互逆的转转换的逆过程，这两个互逆的转换过程通常会出现在一个控制系统中。换过程通常会出现在一个控制系统中。第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.1.2 11.1.2 几种常见的传感器几种常见的传感

5、器v 传感器是一种物理装置，能够探测、感受外界的信号、传感器是一种物理装置，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的物理信号转换成电信号。并将探知的物理信号转换成电信号。 v 光敏传感器光敏传感器利用光敏元件将光信号转换为利用光敏元件将光信号转换为电信号；电信号；敏感波长在可见光波长附近，敏感波长在可见光波长附近，包括红外线和紫外线波长；包括红外线和紫外线波长； 种类繁多：光电管、光敏三极种类繁多：光电管、光敏三极管、红外线传感器、紫外线传管、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器和太感器、光纤式

6、光电传感器和太阳能电池等。阳能电池等。 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.1.2 11.1.2 几种常见的传感器几种常见的传感器v 温度传感器温度传感器温度传感器能感受温度并转换成可用输出信号；温度传感器能感受温度并转换成可用输出信号；按测量方式可分为接触式和非接触式；按测量方式可分为接触式和非接触式；按传感器材料及电子元件特性可分为热电偶和热电阻。按传感器材料及电子元件特性可分为热电偶和热电阻。 热电偶热电偶热电阻热电阻第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.1.2 11.1.2 几种常见的传感器几种常见的传感

7、器v 湿度传感器湿度传感器湿度传感器能感受气体中水蒸气含量，通过湿度的变湿度传感器能感受气体中水蒸气含量，通过湿度的变化，引起电阻值或电容值发生变化。化，引起电阻值或电容值发生变化。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式和电容式两大类。湿敏元件主要有电阻式和电容式两大类。湿敏电阻湿敏电阻 湿敏电容湿敏电容 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.1.2 11.1.2 几种常见的传感器几种常见的传感器v 数字传感器数字传感器温度传感器、湿度传感器等都是将物理信号转换成连温度传感器、湿度传感器等都是将物理信号转换成连续

8、变化的电信号，这些信号往往要通过放大、滤波、续变化的电信号，这些信号往往要通过放大、滤波、模数转换等操作才能被微型计算机识别和处理。模数转换等操作才能被微型计算机识别和处理。 数字传感器直接将探测到的物理信号转换成数字量或数字传感器直接将探测到的物理信号转换成数字量或电脉冲。电脉冲。 角度角度- -数字传感器数字传感器角度角度- -数字传感器把角位移转换成电信号，按照工作原理可分数字传感器把角位移转换成电信号，按照工作原理可分为脉冲盘式和码盘式两类。为脉冲盘式和码盘式两类。温度温度- -数字传感器数字传感器DS18B20DS18B20第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数

9、转换及应用 11.2 11.2 数数/ /模转换及应用模转换及应用11.2.1 11.2.1 数数/ /模转换器的基本原理模转换器的基本原理v 数数/ /模（模（D/AD/A）转换器）转换器是一种把是一种把数字量数字量转换为转换为模拟量模拟量的线性电子器件，它将输入的二进制的线性电子器件，它将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出，用于驱动外部执行机构。输出，用于驱动外部执行机构。第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.2.211.2.2数数/ /模转换器的性能参数模转换器的性能参数v 分辨率分辨率分辨

10、率是分辨率是D/AD/A转换器模拟输出电压可能被分转换器模拟输出电压可能被分离的等级数，输入数字量的位数越多，输离的等级数，输入数字量的位数越多，输出电压可分离的等级越多。出电压可分离的等级越多。理论上以理论上以可分辨的最小输出电压与最大输可分辨的最小输出电压与最大输出电压之比出电压之比表示表示D/AD/A转换器的分辨率；转换器的分辨率；通常以通常以输入数字量的二进制位数输入数字量的二进制位数表示分辨表示分辨率。率。对于一个对于一个N N位的位的D/AD/A转换器，它的分辨率为转换器，它的分辨率为1/(21/(2N N1)1)。例如：例如：8 8位位D/AD/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为

11、1/2551/255。 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 转换精度转换精度v 转换精度是某一数字量的转换精度是某一数字量的理论输出值和经理论输出值和经D/AD/A转换器转换的实际输出值之差转换器转换的实际输出值之差。v 常用满量程的百分比常用满量程的百分比来度量，例如来度量，例如0.05% FSR0.05% FSR（Full Scale RangeFull Scale Range）。）。v 要注意转换精度和分辨率是两个不同的概念要注意转换精度和分辨率是两个不同的概念：转换精度指转换后所得的实际值相对于理想值的接转换精度指转换后所得的实际值相对于理想值的接近

12、程度，取决于构成转换器的各个部件的精度和稳近程度，取决于构成转换器的各个部件的精度和稳定性。定性。分辨率指能够对转换结果发生影响的最小输入量，分辨率指能够对转换结果发生影响的最小输入量，取决于转换器的位数。取决于转换器的位数。第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 建立时间建立时间v 当当DACDAC输入由最小的数字量变为最大的数字输入由最小的数字量变为最大的数字量时，量时，DACDAC的输出达到稳定所需要的时间称的输出达到稳定所需要的时间称为为DACDAC的输出建立时间。的输出建立时间。v 建立时间反映了建立时间反映了DACDAC的转换速度。的转换速度。v 不

13、同型号的不同型号的DACDAC，其建立时间不相同，一般，其建立时间不相同，一般从几个毫微秒到几个微秒。从几个毫微秒到几个微秒。第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 1 1、DAC0832DAC0832的内部结构及引脚的内部结构及引脚 v DAC0832DAC0832是是CMOSCMOS工艺制成的工艺制成的8 8位双缓冲型位双缓冲型D/AD/A转换转换器，其逻辑电平与器，其逻辑电平与TTLTTL电平相兼容。电平相兼容。v DAC0832DAC0832使用单一电源，功耗低。使用单一电源，功耗低。v 建立时间为建立时间为1us1us。v 输入数据为输入数据为8 8位

14、并行输入，有两级数据缓冲器及位并行输入，有两级数据缓冲器及使能信号、数据锁存信号等，与使能信号、数据锁存信号等，与CPUCPU接口方便。接口方便。 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 1 1、DAC0832DAC0832的内部结构及引脚的内部结构及引脚 （1 1） DAC0832DAC0832的内部结构：的内部结构： 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 v直通方式直通方式 把把 、 、 、 接地，即第一级、接地，即第一级、第二级数据缓冲器都直通。第二级数据缓冲器都直通。 数据一旦加在数据线（数据一旦加在数据线（DIDI7

15、7-DI-DI0 0）上，）上，DACDAC的的输出就立即响应。输出就立即响应。 这种方式可用于一些不采用微机的控制系统这种方式可用于一些不采用微机的控制系统中。中。 1WR2WRCSXFER3 3、DAC0832DAC0832的工作方式的工作方式第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 v单缓冲方式单缓冲方式 两级数据缓冲器之一处于直通状态，输入数据两级数据缓冲器之一处于直通状态，输入数据只经过一级缓冲送入只经过一级缓冲送入D/AD/A转换电路。转换电路。 只需执行一次写操作，即可完成只需执行一次写操作，即可完成D/AD/A转换，可转换，可以提高以提高DACDA

16、C的数据吞吐量。的数据吞吐量。 有两种方法：有两种方法： 第一级缓冲器直通第一级缓冲器直通: : 、 接地、接地、ILEILE接高电平；接高电平； 第二级缓冲器直通：第二级缓冲器直通： 、 接地。接地。1WR2WRCSXFER3 3、DAC0832DAC0832的工作方式的工作方式第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 v双缓冲方式双缓冲方式 适用于系统中有多片适用于系统中有多片DAC0832DAC0832，特别是要求同时输出，特别是要求同时输出多个模拟量的场合。多个模拟量的场合。 使用时，多片使用时，多片08320832的的 和和 并联在一起。并联在一起。 先

17、分别将每一路的数据写入各个芯片的第一级数据先分别将每一路的数据写入各个芯片的第一级数据缓冲器，然后同时将数据锁存到每一片缓冲器，然后同时将数据锁存到每一片08320832的第二的第二级数据缓冲器。级数据缓冲器。2WRXFER3 3、DAC0832DAC0832的工作方式的工作方式第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.3 11.3 模模/ /数转换及应用数转换及应用 11.3.1 11.3.1 模模/ /数转换器的基本原理数转换器的基本原理 模模/ /数数(A/D)(A/D)转换器转换器是一种把是一种把模拟量模拟量转转换为换为数字量数字量的线性电子器件，它

18、将输入的的线性电子器件，它将输入的模拟电压或模拟电流转换成二进制数字量模拟电压或模拟电流转换成二进制数字量，便于微机进行处理。，便于微机进行处理。第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.3.2 11.3.2 模模/ /数转换器的性能参数数转换器的性能参数v 量程量程指指A/DA/D转换器能够实现转换的输入电压范围。转换器能够实现转换的输入电压范围。v 分辨率分辨率指指A/DA/D转换器对输入模拟信号的分辨能力，以转换器对输入模拟信号的分辨能力，以A/DA/D转换转换器输出的器输出的二进制数的位数二进制数的位数有关。有关。理论上，理论上，n n位输出的位输出

19、的A/DA/D转换器能区分转换器能区分2 2n n个不同等级的个不同等级的输入模拟电压，能区分的输入电压的最小值（即输入模拟电压，能区分的输入电压的最小值（即量化量化阶距阶距）为满量程输入电压的）为满量程输入电压的1/21/2n n。当满量程输入电压当满量程输入电压一定时，输出的位数越多，能区分的输入电压的最小一定时，输出的位数越多，能区分的输入电压的最小值越小，即分辨率越高。值越小，即分辨率越高。例如：某例如：某A/DA/D转换器的分辨率为转换器的分辨率为8 8位，满量程输入电压位，满量程输入电压VFS=5VVFS=5V，则分辨率是，则分辨率是5/5/（2 28 81 1）0.01960.0

20、196（V V）。）。分辨率通常也可以用输出的二进制位数表示，例如：分辨率通常也可以用输出的二进制位数表示，例如：ADC0808ADC0808的分辨率为的分辨率为8 8位。位。 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 11.3.2 11.3.2 模模/ /数转换器的性能参数数转换器的性能参数v 转换时间转换时间是指是指A/DA/D转换器开始一次转换到完成转换得到相应转换器开始一次转换到完成转换得到相应的数字量输出所需的时间。的数字量输出所需的时间。 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 1 1、ADC0808/0809ADC08

21、08/0809的内部结构及引脚的内部结构及引脚 v ADC0808/0809ADC0808/0809是是CMOSCMOS工艺制作的工艺制作的8 8位逐次逼近式位逐次逼近式A/DA/D转换器；转换器；v 包含有一个包含有一个8 8通道的多路模拟开关和寻址逻辑，通道的多路模拟开关和寻址逻辑，可接入可接入8 8个模拟输入电压并对其进行分时转换；个模拟输入电压并对其进行分时转换；v 其数字输出部分，分辨率为其数字输出部分，分辨率为8 8位。位。v 具有三态锁存和缓冲能力，可直接与微处理器具有三态锁存和缓冲能力，可直接与微处理器的总线相连。的总线相连。v 转换时间为转换时间为200s200s，工作温度范

22、围为，工作温度范围为40 40 +85+85，功耗为，功耗为15mw15mw，输入模拟电压范围为，输入模拟电压范围为0 05V5V，采用，采用5V5V电源供电。电源供电。第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 1 1、ADC0808/0809ADC0808/0809的内部结构及引脚的内部结构及引脚 （1 1） ADC0808/0809ADC0808/0809的内部结构：的内部结构： 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 (2)(2)引脚说明引脚说明IN0IN78路模拟路模拟电压输入电压输入 第第1111章章 数数/ /模与模模与

23、模/ /数转换及应用数转换及应用 (2)(2)引脚说明引脚说明ADD3个引脚分别为：个引脚分别为：ADDA/ADDB/ADDC8路模拟电压输入路模拟电压输入的选择的选择译码后选择译码后选择8路模路模拟电压输入中的一路拟电压输入中的一路进行转换进行转换第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 (2)(2)引脚说明引脚说明ADDCADDBADDA模拟输入通道模拟输入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 (2)(2)引脚说明引脚说明ALE

24、地址锁存允许信号地址锁存允许信号控制通道选择开关控制通道选择开关的打开与闭合的打开与闭合 ALE=1时接通某时接通某一路的模拟信号一路的模拟信号 ALE=0时，锁存时，锁存该路的模拟信号该路的模拟信号 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 (2)(2)引脚说明引脚说明D0D78位数字量输出位数字量输出 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 (2)(2)引脚说明引脚说明START转换启动信号转换启动信号宽度大于宽度大于200ns上升沿清除逐次逼上升沿清除逐次逼近寄存器近寄存器SAR下降沿启动下降沿启动ADC转换转换 第第1111

25、章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 (2)(2)引脚说明引脚说明CLOCK时钟脉冲输入时钟脉冲输入频率范围为频率范围为10KHz1MHz典型值为典型值为640KHZ第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 (2)(2)引脚说明引脚说明EOC转换结束信号转换结束信号输出输出上升沿有效闭合上升沿有效闭合第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 (2)(2)引脚说明引脚说明OECPU允许输出信号允许输出信号打开三态输出锁存打开三态输出锁存器的门，把转换结果器的门，把转换结果送到数据总线上送到数据总线上 第第1111章

26、章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 (2)(2)引脚说明引脚说明VREF(+) 参考电压输入参考电压输入T形电阻网络用形电阻网络用通常接通常接Vcc VREF(-) 参考电压输入参考电压输入T形电阻网络用形电阻网络用通常接地通常接地 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 2 2、ADC0808/0809ADC0808/0809的工作过程和时序的工作过程和时序分析分析 v 工作过程：工作过程： 由由ADDADDA A、ADDADDB B、ADDADDC C三位决定选择哪一路模拟信号；三位决定选择哪一路模拟信号； ALEALE=1=1，该路模

27、拟信号经选择开关到达比较器的输入端。，该路模拟信号经选择开关到达比较器的输入端。 转换启动信号转换启动信号STARTSTART紧随紧随ALEALE之后（或与之后（或与ALEALE同时）出现，同时）出现，STARTSTART的上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动的上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/DA/D转换；转换； STARTSTART的上升沿之后的的上升沿之后的2s2s加加8 8个时钟周期内（不定），个时钟周期内（不定），EOCEOC信号将变为低电平，表示正在转换，信号将变为低电平，表示正在转换，EOCEOC再变高电平再变高电平时说明转换结束；时说明转换结束； 此时转换结果已经保存

28、到此时转换结果已经保存到8 8位三态输出锁存器；位三态输出锁存器； CPUCPU获取转换结束信号获取转换结束信号EOCEOC后，设置后，设置OEOE为高电平，打开三为高电平，打开三态输出锁存器，转换结果出现在数据总线上，态输出锁存器，转换结果出现在数据总线上，CPUCPU即可读即可读取。取。 第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 2 2、ADC0808/0809ADC0808/0809的工作过程和时的工作过程和时序分析序分析 v 时序图：时序图：第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 2 2、ADC0808/0809ADC0808/0809的工作过程和时的工作过程和时序分析序分析 v CPUCPU可以采用多种方式获取可以采用多种方式获取EOCEOC，然后读取，然后读取数据数据延时等待方式延时等待方式查询方式查询方式中断方式中断方式DMADMA方式方式第第1111章章 数数/ /模与模模与模/ /数转换及应用数转换及应用 （1 1）延时等待方式）延时等待方式v 这种方式下，不使用转换结束信号这种方