微机原理及其应用第八章AD与DA转换器课件

1、微机原理及其应用普通高等教育“十一五”国家级规划教材 作者 丁新民2007年5月第八章A/D和D/A转换器 学习目标 1、识记多路模拟开关、采样、量化和编码、采样保持等基本概念。 2、识记ADC0809、AD574转换器的结构和工作原理。 3、识记DAC0832、AD567转换器的结构和工作原理。 4、理解A/D和D/A转换器的编程及其应用。 第八章A/D和D/A转换器 8.1 A/D转换器8.2 实现A/D技术的几种方法8.3 D/A转换器一、A/D转换器1. 概述2. 模拟信号的采样、量化和编码3. 主要性能指标4. A/D转换原理5. A/D转换器的应用第一节概述1. 概述 一个以计算机

2、为核心的过程控制系统中，其模拟信号的输入和控制系统，如图8-1-1所示。其中，A/D和D/A转换器分别是模拟量输入和模拟量输出的核心部件，并由此构成一个闭环的实时控制系统。1. 概述 传感器 实际应用中，外界输入的各种物理信号，都要经过传感器转换成模拟电流或电压信号，才能被进一步处理。传感器种类很多，有温度、压力、位移、流量、液面、生理、辐射、光学、色谱、霍而等。 放大器 传感器送出的信号往往很微弱，并混有干扰信号，须去除干扰，将微弱信号放大。选用的放大器应具有高精度、高开环增益或高共模抑制比。 1. 概述 多路模拟开关MUX 处于某种应用的需求，多个被控对象的信号源共用一个取样保持器、一个A

3、/D转换器，这就需要用多路模拟开关MUX来切换。 取样保持器（S/H） 由于A/D转换需要一定的时间，因此对高速的模拟信号取样时，会发生A/D转换还没有结束取样信号就已变化的现象。 1. 概述 A/D转换器和D/A转换器 对取样后的信号进行量化，将模拟信号转换成数字信号称A/D转换。反之，将数字信号变成模拟量输出，即为D/A转换。 微处理机 控制系统中微处理机作为信息采集、加工处理的核心。它可以是单片机也可以是微机或微处理器。 第二节模拟信号的采样、量化和编码2. 模拟信号的采样、量化和编码 （1）取样和保持 图8-1-1的计算控制过程中，每隔一定的时间进行一次控制循环。每次的循环过程，需要输

4、入模拟量信息，即对模拟信号取样。取样的信号送往A/D转换成数字信号输入到计算机中，经数据处理得到控制信息，最后经D/A变换输送给被控对象。计算机不断重复上述的循环。计算机每隔一定的时间间隔T逐点取样模拟信号的瞬时值。这个取样的时间间隔T称为取样周期。 2. 模拟信号的采样、量化和编码 （1）取样和保持 如图8-1-2所示，被取样的信号是一个连续的时间函数，设为f（t）；周期性地取f（t）的瞬时值得到的离散信号f（nT）。这个把时间连续信号变成一系列不连续的脉冲过程，称为取样过程或离散化过程。 2. 模拟信号的采样、量化和编码 （2）取样定理 取样周期T是指第n次取样时间t（n）和第n+1次取样

5、时间t（n+1）的时间间隔，即T= t（n+1）- t（n），取样频率是：f = 1/T。 根据香农定理，设随时间变化的模拟信号的最高频率为fmax，只要使取样频率f2fmax，得到的取样信号就不会发生重叠现象。 2. 模拟信号的采样、量化和编码 （3）量化 取样后的信号仍是数字上连续的、时间上是离散的模拟量，若用数字上和时间上都是离散的量化数字量来表示。就是用基本的量化电平q的个数来表示取样的模拟信号。 （4）编码 编码就是对量化后的模拟信号（它一定是量化单位的整数倍）用二进制的不同数字量编码来表示。如使用BCD码、补码、偏移二进制码（移码）等。 第三节主要性能指标3. 主要性能指标 （1）

6、精度 精度是指A/D转换器实际输出电压与理论输出电压之间的误差。精度有绝对精度和相对精度之分。通常，精度用最小有效位的分数值来表示。绝对精度指理想条件，一般用A/D转换的数字位数表示，如1/2LSB。若满量程为10V，那么10位A/D转换的绝对精度为1/2LSB=1/2（10103）/1010=4.88mV。相对精度，通常用百分数表示，如10位的A/D转换器，其相对精度是1/10100.1%。 3. 主要性能指标 （2）分辨率 分辨率是指A/D转换器可以转换成数字量的最小模拟电压值，即A/D转换最低有效位所具有的数值。如8位的A/D转换器，分辨率为1/28=1/256。若满量程值为5V，对8位

7、A/D转换器来说，分辨率为5V/28=20mV，如模拟输入低于此值，转换器是不能识别的。实际应用中，常用位数来表示分辨率，如8位、10位或12位A/D转换器，其分辨率也为8位、10位或12位。 3. 主要性能指标 （3）转换时间 转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，即启动转换命令时刻到转换结束信号（或输出数据就绪信号）时刻的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。 例如，15位的逐次逼近式A/D转换器，初始建立时间20s、每位的转换时间为2s，芯片总的转换时间是50s，转换率为20KHz。转换时间也被用来作为A/D的执行速度。 3. 主要性能指标 （4）电源变化灵敏度 电源变化灵敏度是A/

8、D芯片的电源电压发生变化时，相对模拟输入量产生的转换误差。一般要求电源电压3%的变化所造成的转换误差，不应超过1/2LSB。（5）温度系数 温度系数用来表示A/D转换受环境的影响，用每摄氏度温度变化所产生的相对误差来表示，单位为ppm/0C。 第四节A/D转换原理4. A/D转换原理 （1）计数器（或伺服）式 计数器式是A/D转换最简单、最廉价的方法。它由一个计数器来控制转换，计数器从零开始计数时，D/A转换器就输出一个逐步上升的梯形电压。这时，输入的模拟电压和D/A转换生成的电压都被送到比较器进行比较，当两者一致或基本一致（在允许的量化误差范围内）时，比较器输出一个指示信号，立即停止计数器计

9、数。此时D/A转换器的输出值是取样信号的模拟近似值，其相应的数字值由计数器给出。 4. A/D转换原理 （2）逐次逼近式 逐次逼近式A/D转换器由一个比较器、D/A转换器和一些控制逻辑构成，如图8-1-3所示。其思想是，将模拟输入信号与 “推测”信号进行比较，调节“推测”信号的增减，逐步使“推测”信号向输入信号逼近。当“推测”信号“等于”输入信号时，即得到A/D转换的输入信号。 4. A/D转换原理 （3）双积分（或双斜）式 双积分式A/D转换器的特点是转换精度高、抗工频干扰能力强，但转换速度较慢。它由比较器、积分器和控制逻辑等电路构成，如图8-1-4（a）所示。双积分式对输入的模拟电压Vx和

10、参考电压作两次积分，转换成与输入电压Vx成比例的时间值来间接测量。由此有称为T-V（时间-电压）型A/D转换器。 将模拟输入电压Vx取样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间的正向积分。时间到后，电子开关自动切换将Vx极性相反的参4. A/D转换原理 （3）双积分（或双斜）式考输入到积分器进行反相积分，到输出为止。从图8-1-4（b）可看出，反相积分时的斜率是固定的，Vx越大、积分器的输出电压也越大、反相积分回到起始值的时间也越长。 4. A/D转换原理 三种常用的A/D转换方式，其各自的特点如表8-1-1所示。 第五节A/D转换器的应用5. A/D转换器的应用 （1）ADC 0809转换器

11、简介 ADC 0809采用逐次比较型A/D转换方式，是一个8位八通道的A/D转换器。它的引脚定义如图8-1-5所示，共计28个引脚 。5. A/D转换器的应用 （2）0809与8031单片机的连接 直接连接法 要给0809一个外部RAM单元地址。可以用地址译码信号来选通控制，产生START信号和OE信号，前者用来启动A/D转换，后者用来把转换结果读入0831。如图8-1-6所示，WR和RD为0831控制信号。 5. A/D转换器的应用 （2）0809与8031单片机的连接 接口连接法 将0809通过并行接口芯片（如8055等）与8031相连接。 5. A/D转换器的应用 （2）0809与803

12、1单片机的连接 例如，图8-1-7所示0809与8031采用中断方式的数据采集。 5. A/D转换器的应用 （2）0809与8031单片机的连接 工作过程如下： 主程序完成初始化后，用MOVX R0, A指令启动A/D，其中R0为0809地址，寄存器A则保留所选模拟通道地址。然后等待A/D转换结束。0809发出EOC信号送到8031外中断INT1。中断服务程序执行MOVX A，R0指令，把转换结果读入8031 。RD信号经或非门产生有效的OE信号，打开0809的输出三态门，把转换结果从P0口读入8031。 5. A/D转换器的应用 （2）0809与8031单片机的连接 设数据区的首地址为30H

13、，0809的地址为0F0H，地址线ADDAADDC接到P0.0P0.2，若模拟地址为00H07H变化。八路模拟输入经A/D转换后，分别存入存储器，程序如下： ORG 0013H ；外中断入口地址AJMP BINT1 ；转至中断服务程序 主程序：MOV R0，#30H ；数据区首地址MOV P4，#8 ；8路模拟信号MOVR2，#0 ；模拟通道IN05. A/D转换器的应用 （2）0809与8031单片机的连接 SETB EA ；中断开放SETB EX1 ；允许外中断SETB IT1 ；外中断边沿触发MOVR1，#0F0H ；送0809地址MOV A，R2MOVX R0，A ；启动A/D转换SJ

14、MP $ ；等待中断 中断服务子程序： BINT1： MOV R0，#0F0H ；0809地址MOVX A，R0 ；输入转换结果MOV R0，A ；存入内存5. A/D转换器的应用 （2）0809与8031单片机的连接 INC R0 ；数据区指针加“1”INC R2 ；修改模拟通道地址MOV A，R2 ；下一个模拟通道MOV R0，A ；启动转换DJNZ R4，LOOP ；8路未采集完，循环CLR EX1 ；关中断LOOP RETI ；中断返回5. A/D转换器的应用 （3）A/D转换器使用时应注意的问题 使用A/D转换器时，应注意两个问题。 A/D正常转换 模拟输入电压的范围和极性。 取样保

15、持电路的输出连接。 参考电压VREF的设定。 若要求时钟输入，时钟频率如何选取。 启动转换有脉冲和电平两种控制方式。 取样频率与取样保持电路时序配合。5. A/D转换器的应用 （3）A/D转换器使用时应注意的问题 A/D转换器与CPU的连接 转换器有无数据缓冲器、三态输出能力。 8位以上A/D转换器与数据总线的连接。 分时读取8位以上的数据、判断转换结束。 读取转换数据的方式，如采用查询方式还是中断方式。 二、实现A/D技术的几种方法1. 采用现有A/D器件开发2. 选用模拟接口插件卡第一节采用现有A/D器件开发1. 采用现有A/D器件开发 （1）A/D转换器的选择 根据整个控制系统的控制范围

16、和精度选择分辨率。 根据对被控对象的取样要求选择转换速度。 根据A/D转换速度和模拟信号的速度选择取样保持器 。1. 采用现有A/D器件开发 （1）A/D转换器的选择 表8-2-1展示了常用的部分A/D转换器性能、价格和特点，供选择参考。 1. 采用现有A/D器件开发 （2）A/D转换器的引脚处理 A/D器件的不同电压 工作电压是确保A/D正常工作的电压源。 基准电压是为确保转换精度的基本条件，而设立的与工作电压源分开的高精度电源。 参考电压与基准电压相似，主要是为转换量程提供对称参考电压，以提高对模拟量的测量精度。如某些A/D器件提供VREF（+）和VREF（-）两个参考电压，通常将VREF

17、（+）接A/D器件的工作电压，VREF（-）接地。 1. 采用现有A/D器件开发 （2）A/D转换器的引脚处理 模拟输入量程 A/D器件提供的不同模拟输入量程，对应不同幅度模拟信号的输入。如AD574等提供的10Vin和20Vin两个模拟输入端。 输入极性偏置 有的A/D器件的输入端还提供输入极性偏置，使得输入端的量程由此得到改变。该偏置端若接地，则为单极性；若接参考电压，则为双极性。 1. 采用现有A/D器件开发 （3）A/D转换器的应用 A/D器件的电源 A/D器件对电压特别敏感，若发生瞬间断电、电压波动等情况。 A/D器件的电气特性 A/D转换工作速度与被控对象的变化不协调，如外接的工作

18、频率的选取。 与相连部件的电气特性不匹配，如A/D器件的负载。1. 采用现有A/D器件开发 （3）A/D转换器的应用 A/D器件的电气特性（续） 电源布线呈单独构成回路、信号线可采用屏蔽隔离线。 电路布线尽可能减少长线、平行线。 现场环境对A/D器件的影响。 选择保护措施 器件的电压输入端，加0.010.047F退耦电容。 器件的VDD电源正端串接100200电阻。第二节选用模拟接口插件卡2. 选用模拟接口插件卡 用于语音信号采集及其数字化的模拟接口插件卡，如图8-2-1所示。图中仅包括AD574A和控制电路。12位的A/D转换器带有与微机接口兼容的逻辑电路，参考电压源和时钟电路。 2. 选用

19、模拟接口插件卡 （1）以125s的时间间隔连续地取样转换 （2）I/O控制采用查询方式 下面是读取512次转换结果存入1KB的BUF内存缓冲区的程序段。 BEGIN：MOV AX，BUF_SEG ；DS：BX指向BUF缓存MOV DS，AXMOV BX，OFFSET BUFMOV CX，0 ；字计数器清为零OUT START，AL ；启动ADC连续转换2. 选用模拟接口插件卡 LOOP：IN AL，RS ；读STS状态输出TEST AL，01H ；只测试D0位JNZ LOOP ；为“1” 仍在转换，等待IN AL，R8 ；否则，先读高8位MOV AH，ALIN AL，R4 ；再读低4位AND

20、AL，0F0H ；AX高12位为转换结果MOV BX，AX ；存入缓冲区一个字INC BX ；存入地址指针加2INC BXINC CX ；计数值加“1”CMP CX，512JNZ LOOP ；没满512个取样值，继续 三、D/A转换器1. D/A转换器的工作原理2. D/A的性能和指标3. D/A转换器的应用第一节D/A转换器的工作原理1. D/A转换器的工作原理 D/A转换器的任务就是将二进制数字信息转换成为正比例的电流或电压信号。如图8-3-1所示为四路输入加法器的权电阻网络D/A转换器。 图中，D0D3是数字位，R、2R、4R和8R是二进制加权电阻。 1. D/A转换器的工作原理 运算放

21、大器的输出电流Io等于每个支路上电流（I1、I2、I3、I4）的总和，即：Io=D0I1+D1I2+D2I3+D3I4 = D0 VR /R+D1 VR /2R +D2 VR /4R +D3 VR /8R = 2VR/R（D0 2-1+D12-2 +D22-3 +D32-4） 运算放大器的输出电压为：Vout= -Io Rf 例如，图8-3-1电路的参数为：VR=5V、Rf=10k、R=100k，若输入的数字量D0D1D2D3=1000，其对应输出的电压Vout= -0.5V。若D0D1D2D3=1100，那么输出电压Vout= -0.75V。 第二节D/A的性能和指标2. D/A的性能和指标

22、 （1）精度 精度是指D/A转换器实际输出电压与理论输出电压之间的误差。 （2）分辨率 分辨率是指输入的二进制字的位数。 （3）建立时间 建立时间是指从数字量输入到建立稳定的输出信号的这段时间，故可称为稳定时间，用ts表示。 2. D/A的性能和指标 （4）线性误差 线性误差是用理想输入输出特性的偏差与满量程输出之比的百分数来表示 。 表8-3-1展示了常见的部分D/A器件主要性能指标供参考。 第三节D/A转换器的应用3. D/A转换器的应用 （1）DAC0832 DAC0832是个电流型输出的8位数模转换器件，带参考电压和两个数据缓存器，分别是输入寄存器和ADC寄存器，建立时间为1s，如图8-3-2所示 。3. D/A转换器的应用 （2）内部结构 如图8-3-3所示，DAC