第六章4AD及DA变换器接口

6.9A/D及D/A变换器接口

6.9.1数字到模拟(D/A)变换器

将数字信号转换成模拟信号的过程称为数/模转换（DigitaltoAnalog），实现的电路称为D/A转换器，简写成DAC（Digital－AnalogConverter）

目前常用的D/A转换器有权电阻网络D/A转换器、倒梯形电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器、权电容型D/A转换器以及开关树型D/A转换器等几种类型。1.D/A变换器的基本原理及技术指标典型的D/A变换器芯片通常由模拟开关、权电阻网络、缓冲电路等组成,其框图如图所示。

图6.58典型D/A变换器芯片的组成框图其中：2n-1、2n－2．．．21、20称为最高位（MostSignificantBit，简称MSB）到最低位（LeastSignificantBit，简称LSB）的权。一个多位二进制数可表示为

D/A变换器的主要技术指标有:

(1)分辨率

分辨率表示D/A变换器的1个LSB(最低有效位)输入使输出变化的程度,用于表示D/A转换器对输入微小量变化敏感程度的。定义为D/A转换器模拟输出电压可能分成的等级数，从00…00到11…11全部2n个不同的状态，给出2n个不同的输出电压，位数越多，等级越多，意味着分辨率越高。在实际应用中，往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。另外也用D/A转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比表示分辨率。(2)精度

它表示由于D/A变换器的引入,使其输出和输入之间产生的误差。D/A变换器的误差主要由下面几部分组成:①非线性误差:在满刻度范围内，偏离理想的转换特性的最大值。由于模拟开关的导通电阻和导通压降都不能为零，故而它们的存在肯定会引起输出产生误差电压,每个开关的导通电阻不一定相等，电阻网络的电阻阻值得偏差，也会产生非线性误差。②温度系数误差：在使用温度范围内，由于温度每变化1℃，D/A内部各种参数（如增益、线性度、零漂等）变化所引起的输出变化量。③电源波动误差：由于标准电源及D/A芯片的供电电源波动而在其输出端所产生的变化量。误差的表示方法有两种:绝对误差和相对误差。完整的D/A变换电路还应包括与D/A芯片输出相接的运算放大器。这些器件也会给D/A变换器带来误差。考虑到这些因素是相对独立的,因此D/A变换器的总精度如用均方误差来表示,则可写为:ε2总=ε2非线性+ε2电源波动+ε2温度漂移+ε2运放标准差为ε总=ε2非线性+ε2电源波动+ε2温度漂移+ε2运放

若某系统要求D/A变换电路的总误差必须小于0.1%。已知某D/A芯片的最大非线性误差为0.05%。那么可以确定,电源波动、温度漂移和运算放大器所引起的均方误差为ε2电源波动+ε2温度漂移+ε2运放=又假设,后三者是相等的,则经计算可得ε电源波动=ε温度漂移=ε运放=0.05%(3)变换时间

当数据变化为满刻度时，从数码输入到输出达到终值的±1/2LSB时所需要的时间为变换时间。

目前在不包含运算放大器的D/A转换器中，tset最小为0.1μs以内；在包含运算放大器的集成D/A转换器中，tset最小为1.5μs以内。在外加运算放大器的D/A转换器中，由于运算放大器的转换速度会影响D/A转换器的转换速率，故应选用转换速率高的运算放大器，以缩短运算放大器的建立时间。(4)动态范围

动态范围是D/A变换电路的最大和最小的电压输出范围。

2.典型的D/A变换器芯片举例(1)引线及其功能图6.59DAC0832的引线图图6.59DAC0832内部结构图AC0832为20条引线的芯片,各引线定义如下:D0~D7——8条输入数据线;ILE——输入寄存器选通命令,它与、配合使输入寄存器的输出随输入变化;——选片信号;——写输入寄存器信号;——写变换寄存器信号;——允许输入寄存器数据传送到变换寄存器;VREF——参考电压输入端,其电源电压可在-10V~+10V范围中选取;IOUT1、IOUT2——D/A变换器差动电流输出;Rfb——反馈端,接运算放大器输出;AGND——模拟信号地;DGND——数字信号地;VCC——电源电压,可用+5V(或+15V)(2)工作时序D/A芯片DAC0832的工作时序如图所示。

从DAC0832芯片的内部结构框图可以看出,D/A变换是分两个步骤进行的。DAC0832的工作时序(3)DAC0832的几种典型输出连接方式①单极输出电路。单极性输出电路如图6.60所示。D/A芯片输出电流i经输出电路转换成单极性的电压输出。图6.60(a)为反相输出电路,其输出电压为:图6.60(b)是同相输出电路,其电压输出为:图6.60单极性输出电路(a)反相输出;(b)同相输出②双极性输出电路。由电路参数计算可得到最后的输出电压表达式为设U1为0~-5V,则选取UREF为+5V。那么UOUT=0~10V-5V=-5V~5V

图6.61双极性输出电路图6.62DAC0832与PC总线的连接图④DAC0832与8088微处理器的连接设D/A的端口地址为278H,则用8088汇编语言书写的、能产生锯齿波的程序如下:用D/A产生锯齿波的程序DAOUT:MOVDX，278H;端口地址送DXMOVAL，00H;准备起始输出数据LOOP:OUTDX，ALDECALJMPLOOP;循环形成周期锯齿波

6.9.2模拟到数字(A/D)变换器1.A/D变换器的基本工作原理及结构(1)A/D变换器的基本工作原理

将模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换（AnalogtoDigital），实现的电路称为A/D转换器，简写为ADC（Analog－DigitalConverter）。A/D转换器的类型可分成直接A/D转换器和间接A/D转换器。在直接A/D转换器中，输入的模拟电压信号直接被转换成相应的数字信号；而在间接A/D转换器中，输入的模拟信号首先被转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将这个中间量转换成输出的数字量。2.A/D变换器的主要技术指标(1)精度A/D变换器的总精度由各种因素引起的误差所决定。这些误差有:

①量化间隔和量化误差。能使A/D变换器最低有效位（LSB）改变的模拟电压，也就是最低有效位所代表的模拟电压就称为量化间隔，通常用下式表示：

量化误差可以用绝对误差表示：量化误差用相对误差表示：②非线性误差:A/D在整个变换量程范围内，任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差。例如AD574的非线性误差为±1LSB③电源波动误差：AD变换器对电源变化的灵敏度常用相对误差来表示，但更多的是用绝对误差，即用最低有效位的变化来表示。例如,手册中给出AD574的电源灵敏度为:+13.5V≤VCC≤+16.5V±2LSB-16.5V≤VDD≤-13.5V±(1/2)LSB+4.5V≤VLOGIC≤+13.5V±2LSB

④温度漂移误差：由于温度变化而使AD变换器发生变化而产生的误差。⑤零点漂移误差：由于输入端零点漂移引起的误差。⑥参考电源误差。上述这些误差构成了A/D变换器的总误差。在计算A/D变换器总误差值时,应用各种误差的均方和的根来表示。例如,总误差可表示为ε总=ε21+ε22+ε23+ε24+ε25

其中ε1~ε5为各因素引起的误差。ε总为A/D变换器的总误差。(2)变换时间(或变换速率)完成一次A/D变换所需要的时间为变换时间。变换速率(频率)是变换时间的倒数。例如AD574KD变换时间为35μs,其变换速率为28.57kHz。(3)输入动态范围一般A/D变换器的模拟电压输入范围大约为0~5V或0~10V。3.A/D变换器芯片及应用2)8位A/D变换器芯片ADC0809

图6.69ADC0809引线图

D0(2-8)~D7(2-1)——输出数据线;IN0~IN7——8路模拟电压输入端;ADDA,ADDB,ADDC——路地址输入;ADDA——最低位,ADDC——最高位;START——启动信号输入端,下降沿有效;ALE——路地址锁存信号,用来锁存ADDA~ADDC的地址输入,上升沿有效;EOC——变换结束状态信号,高电平表示一次变换已结束;OE——读允许信号,高电平有效;CLK——时钟输入端;VREF(+),VREF(-)——参考电压输入端;VCC——5V电源输入;GND——地。图6.66ADC0809工作时序图ADC0809工作时序图6.75ADC0809与系统总线的接口连接2、ADC0809的应用

首先对进行初始化，8255工作在方式0，A口输入，B口输出，C口低4位输出、高4位输入，并且使PC0=0，PC1=0

采集程序根据ADC0809的工作时序编写:1、送出路地址，选择要变换的模拟信号2、送出路地址锁存和启动变换信号3、变换结束后使OE有效高电平，使变换好的数据输出4、读取变换好的数据并存放在指定地址

PRMADPROCNEARPUSHBX PUSHDX PUSHDS PUSHAX PUSHSI MOVDX,SEGADATA MOVDS,DX MOVSI,OFFSETADATA MOVBL,00H MOVBH,08HGOON:MOVDX,8001H MOVAL,BL OUTDX,AL;送路地址