模拟接口技术概要课件

第七章Ｄ/Ａ与Ａ/Ｄ接口

第七章Ｄ/Ａ与Ａ/Ｄ接口1

单片微机经常应用于智能化测量与控制仪表，而智能化测控仪表要完成对外界参数的测量并对某些参数的变化进行控制。外界的各种非电物理量通过传感器转变为电信号，通常这些信号很小，需要经过放大电路进行放大，经过滤波电路滤除噪音。这种输入信号是连续变化的模拟量，必需经过模拟/数字（A/D）变换器将离散的模拟信号转换为离散的数字信号（数字序列）。单片机对这些数字信号进行各种计算和处理，并按照一定控制算法得到相应的控制输出。这些输出量需要经过数字/模拟（D/A）变换转换为模拟量，再经过功率放大驱动执行机构，调节被控制的物理量向所希望的方向变化。由此可见，模拟量的输入输出技术在单片机的应用技术中占有十分重要的地位。单片微机经常应用于智能化测量2模拟接口技术概要课件37․1Ｄ/Ａ转换器

1、Ｄ/Ａ转换器的工作原理D/A转换的原理图（电阻网络转换法）7․1Ｄ/Ａ转换器1、Ｄ/Ａ转换器的工作原理D/A转换的原4T型电阻网络D/A转换原理图T型电阻网络D/A转换原理图5模拟接口技术概要课件62、D/A转换器的性能指标（1）分辨率

例如，对于10位D/A转换器，其最小非零输出电压为Vref/(210-1)，最大输出电压为1×Vref，则分辨率为:（2）线性度把理想的输入/输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数，定义为非线性误差。2、D/A转换器的性能指标（2）线性度7（3）转换精度

转换精度包含非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差。

（4）建立时间建立时间定义为，当输入数据从零变化到满量程时，其输出模拟信号达到满量程刻度值的±1/2LSB时（或指定与满量程相对误差）所需要的时间。（5）温度系数温度系数反映了Ｄ/Ａ转换器的输出随温度变化的情况。其定义为在满量程刻度输出的条件下，温度每升高1度，输出变化相对于满量程的百分数。（3）转换精度8（6）电源抑制比开关电路以及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出电压的影响。通常把满量程电压变化的百分数与电压变化的百分数之比称为电源抑制比。（7）输入形式D/A转换器的数字量输入形式通常为二进制码，也有的是BCD码或特殊形式的编码。多数D/A转换器的输入采用并行输入，也有部分厂家的产品采用串行输入。（8）输出形式按照D/A转换器输出信号形式可以分为电流输出型和电压输出型。按照输出通道的数量可以分为单路输出型和多路输出型。（6）电源抑制比93、

常用Ｄ/Ａ转换电路3、常用Ｄ/Ａ转换电路104、Ｄ/Ａ转换器与单片机的接口

8位D/A转换器DAC0830/0831/0832与MCS-51单片机的接口设计DAC0830/0831/0832是8位分辨率的D/A转换集成电路，与微处理器完全兼容，且三种芯片可以相互代换。这个系列的芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的使用。4、Ｄ/Ａ转换器与单片机的接口8位D/A转换器DAC0811DAC0830系列芯片的主要特性参数如下：

l（1）8位分辨率。l

（2）电流稳定时间1μS。l

（3）可以单缓冲、双缓冲或直接数字输入。l

（4）只需要在满量程下调整其线性度。l

（5）单一电源供电（+5V～+15V）。l

（6）低功耗（200mW）。模拟接口技术概要课件12DAC0830芯片内部逻辑结构

DAC0830芯片内部逻辑结构13两级运算放大器组成的电流-电压转换电路

两级运算放大器组成的电流-电压转换电路14DAC0830/0831/0832与8031单片机的接口设计

（1）单缓冲器方式DAC0830/0831/0832与8031单片机的接口设计15（2）双缓冲器同步方式接口（2）双缓冲器同步方式接口16常用D/A转换器介绍AD558与8031单片机的硬件接口电路

常用D/A转换器介绍AD558与8031单片机的硬件接口电路17AD7520（10位D/A）系列与8031单片机的接口电路

AD7520（10位D/A）系列与8031单片机的接口电路18AD7521/DAC1220（12位D/A）与8031单片机的接口电路AD7521/DAC1220（12位D/A）与8031单片机19

DAC1208（12位D/A）与8031单片机的接口电路

DAC1208（12位D/A）与8031单片机的接口电路20AD7542是精密的CMOS型DAC，它可以与4位或8位微处理器接口。它由三个4位缓冲数据寄存器、12位D/A寄存器、地址译码逻辑电路和12位CMOS型DAC组成。使用时先把12位数据分三次送入12位DAC寄存器，在信号控制下进行转换。AD7542是精密的CMOS型DAC，它可以与4位或21AD7543是专为串行接口应用设计的高精度12位D/A转换器，是美国模拟器件公司(AnalogDevicing)的产品，属于特殊用途的D/A转换器。AD7943是AD7543的改进型产品。AD7543的内部结构和与MCS-51单片机的硬件接口及接口软件程序具有自己的特点。

AD7543是专为串行接口应用设计的高精度1225、Ｄ/Ａ转换器的应用

利用Ｄ/Ａ转换器产生锯齿波的原理

5、Ｄ/Ａ转换器的应用利用Ｄ/Ａ转换器产生锯齿波的原理237․2A/D转换器

7.2.1

Ａ/Ｄ转换器的工作原理1.V/F变换法将需要变换的模拟电压信号转换成与之成正比的频率信号，然后再利用单片机的定时/计数器通过测量频率间接得到模拟量的数字转换结果。为了便于实现这种变换，已经开发出专门的V/F变换芯片。典型的型号有LM331、VFC32等2.逐次逼近法

逐次比较A/D转换的电路较简单，制作相对容易，精度与转换速度居中，具有较高的性能价格比，因而得到广泛的应用。7․2A/D转换器7.2.1

Ａ/Ｄ转换器24逐次比较法A/D变换电路结构

逐次比较法A/D变换电路结构253.双积分变换法双积分A/D变换是一种高精度、低速度的转换器件，在各种实时性要求不高的测量仪表中有广泛的应用。

双积分A/D变换的原理

3.双积分变换法双积分A/D变换的原理26双积分A/D变换的电路结构

双积分A/D变换的电路结构274.并行A/D变换也称为闪变A/D，是转换速度最快的方法。它由大量的比较器和辅助电路所组成.

4.并行A/D变换28并行A/D变换的原理电路

并行A/D变换的原理电路295.Σ-Δ转换法Σ-Δ转换法是在最近十年里发展起来的新型转换技术。它由非常简单的模拟电路(一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路)和十分复杂的数字信号处理电路所组成。其工作原理是以很高的采样速率和很低的采样分辨率（通常为1位）将模拟信号数字化。通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等技术增加有效分辨率，然后对转换输出结果进行采样抽取以降低有效采样速率。

Σ-Δ转换原理电路5.Σ-Δ转换法Σ-Δ转换原理电路30模拟接口技术概要课件317.2.2

Ａ/Ｄ转换器的性能指标1.分辨率(Resolution)分辨率用来表示ADC对于输入模拟信号的分辨能力，也即ADC输出的数字编码能够反映多么微小的模拟信号变化。ADC转换器的分辨率定义为满量程电压与2n之比值，其中n为ADC输出的数字编码位数。例如具有10位分辨率的ADC能够分辨出满量程的1/210=1/1024，对于10V的满量程能够分辨输入模拟电压变化的最小值约为10mV。显然，ADC数字编码的位数越多，其分辨率越高。7.2.2

Ａ/Ｄ转换器的性能指标1.分辨率322.量化误差(QuantizingError)量化误差时由于ADC的有限分辨率所引起的误差。A/D转换的结果只能是有限数量的定值，而模拟信号的取值则是无限的。一个分辨率有限的ADC的阶梯状输入输出特性曲线与具有无限分辨率的ADC输入输出特性曲线（直线）之间的最大偏差，称之为量化误差。ADC的输入输出特性与量化误差

2.量化误差(QuantizingError)ADC的输333.偏移误差(OffsetError)偏移误差是指输入信号为0时，输出信号不为0的值，所以有时又称为零值误差。偏移误差通常是由于放大器或比较器输入的偏移电压或电流所引起的。有的ADC具有偏移误差调整电路，通过调整外接电位器可以使偏移误差最小。4.线性度(Linearity)有时也称为非线性度，它是指ADC实际的输入输出特性曲线与理想直线的最大偏差。线性度不包括量化误差与偏移误差，其典型值为±1/2LSB。线性度有时也用满量程的百分比表示。3.偏移误差(OffsetError)345.转换精度(Accuracy)绝对精度是指为了产生某个数字码，所对应的模拟信号值与实际值之差的最大值。它包括所有的误差，也包括量化误差。

6.转换速率(ConversionRate)ADC的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而转换速率的倒数，则是完成一次A/D转换所需要的时间。7.接口特性(Interfacing)接口特性主要涉及ADC如何与应用电路连接，包括A/D转换的启动、数字输出的形式以及输出时序，等等。

5.转换精度(Accuracy)357.2.3

常用Ａ/Ｄ转换集成电路单片集成A/D转换器在一块芯片内集成了多种高性能的模拟和逻辑器件，体积小、成本低，在精度、速度及商业性等方面获得了优异的综合特性，因此在微机数据采集和控制系统中获得了广泛的应用。A/D转换器按照输出代码的有效位数分为二进制4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位甚至高于16位，以及BCD码输出的3位、4位、5位等多种；按照转换速度可以分为超高速（转换时间≤1nS）、高速（转换时间≤1μS）、中速（转换时间≤1mS）、低速（转换时间≤1S）等几种不同转换速度的芯片。为了适应系统集成的需要，有些转换器还将多路转换开关、时钟电路、基准电源等电路集成在一个芯片内，超越了单纯的A/D转换功能。在构成应用系统时为用户提供了很多便利。7.2.3

常用Ａ/Ｄ转换集成电路单片集成367.2.4

A/Ｄ转换器与单片机的接口

1.8位转换器ADC0800系列ADC与MCS-51单片机的接口设计7.2.4

A/Ｄ转换器与单片机的接口1.8位转换器AD372.8路8位A/D转换器ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口设计ADC0808/0809的内部结构2.8路8位A/D转换器ADC0808/0809与MCS-38查询方式下ADC0808/0809与8031单片机的接口电路查询方式下ADC0808/0809与8031单片机的接口电路39中断方式下ADC0808/0809与8031单片机的接口电路

中断方式下ADC0808/0809与8031单片机的接口电路403.3位半积分型A/D转换器5G14433/MC14433与MCS-51单片机的接口设计

5G14433的内部结构框图3.3位半积分型A/D转换器5G14433/MC1443341

5G14433选通脉冲时序

5G14433选通脉冲时序42

5G14433的外部电路连接5G14433的外部电路连接435G14433与8031单片机的硬件接口电路

5G14433与8031单片机的硬件接口电路44第七章Ｄ/Ａ与Ａ/Ｄ接口

第七章Ｄ/Ａ与Ａ/Ｄ接口45

单片微机经常应用于智能化测量与控制仪表，而智能化测控仪表要完成对外界参数的测量并对某些参数的变化进行控制。外界的各种非电物理量通过传感器转变为电信号，通常这些信号很小，需要经过放大电路进行放大，经过滤波电路滤除噪音。这种输入信号是连续变化的模拟量，必需经过模拟/数字（A/D）变换器将离散的模拟信号转换为离散的数字信号（数字序列）。单片机对这些数字信号进行各种计算和处理，并按照一定控制算法得到相应的控制输出。这些输出量需要经过数字/模拟（D/A）变换转换为模拟量，再经过功率放大驱动执行机构，调节被控制的物理量向所希望的方向变化。由此可见，模拟量的输入输出技术在单片机的应用技术中占有十分重要的地位。单片微机经常应用于智能化测量46模拟接口技术概要课件477․1Ｄ/Ａ转换器

1、Ｄ/Ａ转换器的工作原理D/A转换的原理图（电阻网络转换法）7․1Ｄ/Ａ转换器1、Ｄ/Ａ转换器的工作原理D/A转换的原48T型电阻网络D/A转换原理图T型电阻网络D/A转换原理图49模拟接口技术概要课件502、D/A转换器的性能指标（1）分辨率

例如，对于10位D/A转换器，其最小非零输出电压为Vref/(210-1)，最大输出电压为1×Vref，则分辨率为:（2）线性度把理想的输入/输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数，定义为非线性误差。2、D/A转换器的性能指标（2）线性度51（3）转换精度

转换精度包含非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差。

（4）建立时间建立时间定义为，当输入数据从零变化到满量程时，其输出模拟信号达到满量程刻度值的±1/2LSB时（或指定与满量程相对误差）所需要的时间。（5）温度系数温度系数反映了Ｄ/Ａ转换器的输出随温度变化的情况。其定义为在满量程刻度输出的条件下，温度每升高1度，输出变化相对于满量程的百分数。（3）转换精度52（6）电源抑制比开关电路以及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出电压的影响。通常把满量程电压变化的百分数与电压变化的百分数之比称为电源抑制比。（7）输入形式D/A转换器的数字量输入形式通常为二进制码，也有的是BCD码或特殊形式的编码。多数D/A转换器的输入采用并行输入，也有部分厂家的产品采用串行输入。（8）输出形式按照D/A转换器输出信号形式可以分为电流输出型和电压输出型。按照输出通道的数量可以分为单路输出型和多路输出型。（6）电源抑制比533、

常用Ｄ/Ａ转换电路3、常用Ｄ/Ａ转换电路544、Ｄ/Ａ转换器与单片机的接口

8位D/A转换器DAC0830/0831/0832与MCS-51单片机的接口设计DAC0830/0831/0832是8位分辨率的D/A转换集成电路，与微处理器完全兼容，且三种芯片可以相互代换。这个系列的芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的使用。4、Ｄ/Ａ转换器与单片机的接口8位D/A转换器DAC0855DAC0830系列芯片的主要特性参数如下：

l（1）8位分辨率。l

（2）电流稳定时间1μS。l

（3）可以单缓冲、双缓冲或直接数字输入。l

（4）只需要在满量程下调整其线性度。l

（5）单一电源供电（+5V～+15V）。l

（6）低功耗（200mW）。模拟接口技术概要课件56DAC0830芯片内部逻辑结构

DAC0830芯片内部逻辑结构57两级运算放大器组成的电流-电压转换电路

两级运算放大器组成的电流-电压转换电路58DAC0830/0831/0832与8031单片机的接口设计

（1）单缓冲器方式DAC0830/0831/0832与8031单片机的接口设计59（2）双缓冲器同步方式接口（2）双缓冲器同步方式接口60常用D/A转换器介绍AD558与8031单片机的硬件接口电路

常用D/A转换器介绍AD558与8031单片机的硬件接口电路61AD7520（10位D/A）系列与8031单片机的接口电路

AD7520（10位D/A）系列与8031单片机的接口电路62AD7521/DAC1220（12位D/A）与8031单片机的接口电路AD7521/DAC1220（12位D/A）与8031单片机63

DAC1208（12位D/A）与8031单片机的接口电路

DAC1208（12位D/A）与8031单片机的接口电路64AD7542是精密的CMOS型DAC，它可以与4位或8位微处理器接口。它由三个4位缓冲数据寄存器、12位D/A寄存器、地址译码逻辑电路和12位CMOS型DAC组成。使用时先把12位数据分三次送入12位DAC寄存器，在信号控制下进行转换。AD7542是精密的CMOS型DAC，它可以与4位或65AD7543是专为串行接口应用设计的高精度12位D/A转换器，是美国模拟器件公司(AnalogDevicing)的产品，属于特殊用途的D/A转换器。AD7943是AD7543的改进型产品。AD7543的内部结构和与MCS-51单片机的硬件接口及接口软件程序具有自己的特点。

AD7543是专为串行接口应用设计的高精度1665、Ｄ/Ａ转换器的应用

利用Ｄ/Ａ转换器产生锯齿波的原理

5、Ｄ/Ａ转换器的应用利用Ｄ/Ａ转换器产生锯齿波的原理677․2A/D转换器

7.2.1

Ａ/Ｄ转换器的工作原理1.V/F变换法将需要变换的模拟电压信号转换成与之成正比的频率信号，然后再利用单片机的定时/计数器通过测量频率间接得到模拟量的数字转换结果。为了便于实现这种变换，已经开发出专门的V/F变换芯片。典型的型号有LM331、VFC32等2.逐次逼近法

逐次比较A/D转换的电路较简单，制作相对容易，精度与转换速度居中，具有较高的性能价格比，因而得到广泛的应用。7․2A/D转换器7.2.1

Ａ/Ｄ转换器68逐次比较法A/D变换电路结构

逐次比较法A/D变换电路结构693.双积分变换法双积分A/D变换是一种高精度、低速度的转换器件，在各种实时性要求不高的测量仪表中有广泛的应用。

双积分A/D变换的原理

3.双积分变换法双积分A/D变换的原理70双积分A/D变换的电路结构

双积分A/D变换的电路结构714.并行A/D变换也称为闪变A/D，是转换速度最快的方法。它由大量的比较器和辅助电路所组成.

4.并行A/D变换72并行A/D变换的原理电路

并行A/D变换的原理电路735.Σ-Δ转换法Σ-Δ转换法是在最近十年里发展起来的新型转换技术。它由非常简单的模拟电路(一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路)和十分复杂的数字信号处理电路所组成。其工作原理是以很高的采样速率和很低的采样分辨率（通常为1位）将模拟信号数字化。通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等技术增加有效分辨率，然后对转换输出结果进行采样抽取以降低有效采样速率。

Σ-Δ转换原理电路5.Σ-Δ转换法Σ-Δ转换原理电路74模拟接口技术概要课件757.2.2

Ａ/Ｄ转换器的性能指标1.分辨率(Resolution)分辨率用来表示ADC对于输入模拟信号的分辨能力，也即ADC输出的数字编码能够反映多么微小的模拟信号变化。ADC转换器的分辨率定义为满量程电压与2n之比值，其中n为ADC输出的数字编码位数。例如具有10位分辨率的ADC能够分辨出满量程的1/210=1/1024，对于10V的满量程能够分辨输入模拟电压变化的最小值约为10mV。显然，ADC数字编码的位数越多，其分辨率越高。7.2.2

Ａ/Ｄ转换器的性能指标1.分辨率762.量化误差(QuantizingError)量化误差时由于ADC的有限分辨率所引起的误差。A/D转换的结果只能是有限数量的定值，而模拟信号的取值则是无限的。一个分辨率有限的ADC的阶梯状输入输出特性曲线与具有无限分辨率的ADC输入输出特性曲线（直线）之间的最大偏差，称之为量化误差。ADC的输入输出特性与量化误差

2.量化误差(QuantizingError)ADC的输773.偏移误差(OffsetError)偏移误差是指输入信号为0时，输出信号不为0的值，所以有时又称为零值误差。偏移误差通常是由于放大器或比较器输入的偏移电压或电流所引起的。有的ADC具有偏移误差调整电路，通过调整外接电位器可以使偏移误差最小。4.线性度(Linearity)有时也称为非线性度，它是指ADC实际的输入输出特性曲线与理想直线的最大偏差。线性度不包括量化误差与偏移误差，其典型值为±1/2LSB。线性度有时也用满量程的百分比表示。3.偏移误差(OffsetError)785.转换精度(Accuracy)绝对精度是指为了产生某个数字码，所对应的模拟信号值与实际值之差的最大值。它包括所有的误差，也包括量化误差。

6.转换速率(ConversionRate)ADC的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而转换速率的倒数，则是完成一次A/