第十六章DA、AD转换技术

控制理论基础(II)交通大学精品课程系列2007课程负责人：付庄顾问：王显正教授第十六章D/A、A/D转换技术16.1模拟量的输入输出通道16.2D/A转换器的作用和主要技术指标16.3典型的D/A转换芯片DAC083216.4D/A转换器与单片机连接应注意的几点16.5A/D转换器的主要技术指标16.6采样定理16.7逐次逼近式A/D转换器16.8典型芯片ADC080916.1模拟量的输入输出通道16.2D/A转换器的作用和主要技术指标D/A转换器的作用是将二进制的数字量转换为相应的模拟量。主要技术指标分辨率绝对精度相对精度建立时间转换结果的输出形式分辨率：它表示对微小输入量变化的敏感程度，一般用数字量的位数来表示。位数越高，分辨率越高；如8位的D/A，若输出满刻度值为10V，则一个最低有效二进制数对应的模拟信号为39.2mv,占满度值的0.392％。如10位的D/A，则若输出满刻度值为10V，则一个最低有效二进制数对应的模拟信号为9.78mv,占满度值的0.0978％。绝对精度：对应于满度数字量，D/A转换器实际输出值与理论输出值之差。相对精度：满度已校准的情况下，对于任一数字量的模拟量输出与理论值之差。（非线性度）建立时间：数字变化量为满刻度时，输出模拟达到终值所需的时间。输出是电流型的D/A建立时间短，输出是电压型的D/A建立时间长；转换结果的输出形式（电压或电流、单极性或双极性）：输入信号的形式（并行或串行）。16.3典型的D/A转换芯片DAC0832单电源：+5V~+15VVref:-10V~+10V低功耗：20mW；分辨率：8位线性误差：0.2%(FS);NL误差：0.4%(FS)建立时间：1μs温度系数：200ppm/℃输出方式:电流VRef×DRfb×256Iout1＝Iout1＋Iout2＝常数ILE：输入数据允许锁存信号，高电平有效；CS输入寄存器选择信号，低电平有效；WR1输入寄存器的“写”选通信号，低电平有效；LE1为高电平锁存器的输出随输入变化，LE1负跳变将数据存到锁存器中，LE1为低电平，输出保持不变；(1)DAC0832逻辑结构框图两级缓冲结构输入输出XFER：数据转移控制信号，低电平有效；WR2：DAC寄存器的“写”选通信号，XFER和WR2决定了LE2的电平，LE2为高电平锁存器的输出随输入变化，LE2负跳变将数据存到锁存器中，LE2为低电平，输出保持不变；VREF:基准电源输入端；Rfb:反馈信号输入端；IOUT1IOUT2：电流输出端，IOUT1和IOUT2的和为常数，在单极性输出时，IOUT2通常接地；VCC工作电源；DGND：数字信号地、AGND为模拟信号地；ID0~ID7：数据输入端(2)DAC0832的工作方式直通工作方式：输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式。此时提供给DAC的数据，必须来自锁存端口(LE1=LE2=0)。单缓冲工作方式：控制输入寄存器和DAC寄存器同时跟随或锁存数据，或只控制这两个寄存器之一，而另一个接成直通方式。此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形。双缓冲工作方式：分别控制输入寄存器和DAC寄存器，此方式适用于多路D/A同时输出的情形：使各路数据分别锁存于各输入寄存器，然后同时（相同控制信号）打开各DAC寄存器、实现同步转换。单缓冲方式：用于一路输出或几路非同步输出输入寄存器与DAC寄存器地址为：7FFFH，WR1/WR2与单片机的写信号连接，CPU对DAC0832执行一次“写”操作，把一个数据直接写入DAC寄存器进行D/A转换。单缓冲工作方式的典型应用：信号发生器锯齿波MOVDPTR,#7FFFH;MOVA,#00H;LOOP:MOVX@DPTR,A;INCA;AJMPLOOP三角波：MOVDPTR,#7FFFH;MOVA,#00H;UP:MOVX@DPTR,A;INCA;CJNEA,#0FFH,UP;DOWN:DECA;MOVX@DPTR,ACJNEA,＃0H,DOWN;SJMPUP;双缓冲工作方式：用于多个DAC0832同步输出第1片的输入寄存器的地址为DFFFH,第2片的输入寄存器的地址为BFFFH,两片的DAC寄存器的地址都为7FFFH。两片DAC0832同步输出的相应控制软件为：1、将待转换的第一个数据NNH送入第1片的DAC0832的输入寄存器；MOVDPTR,#0DFFFH;MOVA,#0NNH;MOVX@DPTR,A;2、将待转换的第二个数据MMH送入第2片的DAC0832的输入寄存器；MOVDPTR,#0BFFFH;MOVA,#MMH;MOVX@DPTR,A;3、将分别锁在两个输入寄存器中的数据NN和MM同时送入各自的DAC寄存器进行转换；MOVDPTR,#7FFFH;MOV@DPTR,A;A的内容无关紧要(3)8位D/A转换器与CPU的典型连接数据线控制线地址线16.4D/A转换器与单片机连接应注意的几点：当D/A与单片机的P0口连接时，由于转换数据仅在“输出”指令的瞬间出现在P0口上，而数据转换是需要一定时间，因此为保证转换精度，需将转换数据锁存直到下一次“输出”不同数据为止。对于高8位以上的D/A与单片机的连接，必须解决分时输出所造成的毛刺现象。方法一：采用内部带有双缓冲数据寄存器的D/A；方法二：利用74LS373等锁存器作为数据缓冲器将D/A与单片机连接；输出电压为双极性，可利用运算放大器实现，如下图所示：A点单极性输出电压为0～－5V；B点双极性输出电压为＋5V～－5V16.5A/D转换器的主要技术指标分辨率：通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电平值表示。精度：绝对精度和相对精度转换时间：由启动转换命令到转换结束信号开始有效的时间间隔电源灵敏度量程：所能转换模拟电压的范围，双极性和单极性输出逻辑电平工作温度范围转换时间和转换频率（T=1/f)

A/D转换时间（T）——A/D转换器完成一次模拟量变换为数字量所需的时间。如图所示，t为时间，V(t)为模拟量，T为采样间隔，TA为转换时间模拟量离散化原理图量化误差与分辨率A/D转换器的分辨率—转换器对输入电压微小变化响应能力的度量，习惯上输出用二进制位数或者BCD码位数表示。输出用二进制表示：如AD574A的分辨率为12位，即输出数据可以用212个二进制数进行量化，其分辨率为1LSB，用百分数表示为：1/212×100%=(1/4096)×100%≈0.0244%当VFS=5V，可分辨的最小电压是1.22mV;当VFS=10V，可分辨的最小电压是2.44mV;输出用BCD码表示：输出为BCD码的A/D转换器一般用位数表示分辨率，例如MC14433双积分式A/D转换器分辨率为3(1/2)位。满度字位为1999，用百分数表示分辨率为：(1/1999)×100%=0.05%量化误差与分辨率是统一的。量化误差是由于用有限数字对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位的分辨率，即±1/2LSB。提高分辨率可减少量化误差。转换精度转换精度反映了一个实际上A/D转换器在量化值上与一个理想A/D转换器进行模/数转换的差值，可表示成绝对误差或相对误差。必须指出，A/D转换器的精度所对应的误差指标是不包括量化误差的。(1)应用背景模拟量（模拟信号）模/数转换器（A/D）计算机（数字信号）时间、数值连续变化的物理量，如温度、压力、流量等AnalogtoDigit(2).转换过程

采样

量化

编码使模拟信号在时间上离散化用一个基本的计量单位（量化电平）使模拟量变为一个整数的数字量把已经量化的模拟量用二进制数码、BCD码或其他数码表示(3).转换电路及转换器

转换电路有逐次逼近式、双积分式、并行式、跟踪比较式、串并式、电荷平衡式等。常用的有：并行式A/D——速度快，价格高逐次逼近式A/D—精度、速度和价格适中（）双积分式A/D——精度高、价格低，但速度慢

16.6采样定理当信号频谱为有限宽度，而最高截止频率为fm时，只要在一定时间内对它进行足够的采样，就可以保持信号的真实频谱，条件是采样周期T≦1/(2fm),即f≧2fm。f称为奈圭斯特采样频率，是理论上限制的最低频率。16.7逐次逼近式A/D转换器转换原理比较器时序与控制逻辑电路时钟启动DONEOE输出缓冲器N位数字量输出D/A转换器N位寄存器模拟量输入VNVX注：Dn-i

表示N位寄存器第n-i位Vx送入比较器，Dn-I为1,其余位为0,比较Vx,VN；若VX≥VN，Dn-I=1；VX＜VN，Dn-I=0然后将Dn-2置1，与上次的结果一起经A/D转换后与VX比较。重复上述过程，直至判别出D0位，转换结束，N位寄存器的内容就是转换后的数字量数据。16.8典型芯片ADC0809主要技术指标和特性分辨率：8位转换时间：64个时钟周期单一电源：+5V模拟输入电压范围：单极性0~+5V，双极性±5V或±10V具有可控三态输出锁存器启动转换控制为脉冲式（正脉冲），上升沿使寄存器清0，下降沿使A/D开始转换。②ADC0809的引脚IN0~IN7：模拟信号输入端；D0~D7：8位数字输出端，为三态可控输出，可直接与计算机相连。A、B、C：模拟通道选择端，3位二进制可有8种组合，对应8路模拟输入；CLK：时钟信号输入端，频率范围为50~800KHZALE：地址信号锁存端，高电平有效；START：启动A/D转换信号,正脉冲有效；EOC：转换结束信号，转换开始EOC为低电平，转换结束，EOC为高电平；OE：输出允许控制端，高电平有效；VCC：工作电源；VREF(+),VREF(—)：基准参考电压芯片封装类型(1)双列直插（DUAL-IN-LINEPACKAGE)(2)表贴封装(CHIPCARRIER)ADC0809的内部结构模拟输入部分控制逻辑地址译码输入选通基准电压输入端通道地址表ADC0809结构VCCGNDOEVREF(-)VREF(+)SCCLKEOCD0D7ABCALEIN0IN78路模拟量开关地址锁存与译码8位A/D转换器三态输出锁存器83ADC0809与80C51单片机接口输入模拟量：0-5VEOC用做外部中断请求源用中断方式读取A/D转换结果P2.0，RD，WR来控制地址锁存、启动和转换结果的输出A、B、C由P0.0—P0.2提供举例应用：如图所示，巡回检测一遍8路模拟量输入，将读数依次存放在片外数据存储器A0H~A7H单元，程序如下：初始化程序清单：

MOVR0，#0A0H；数据暂存区首址MOVR2，#08H；8路计数初值SETBIT1；置脉冲触发方式SETBEA；CPU中断SETBEX1；允许INT1申请中断MOVDPTR,#0FEF8H；指向ADC0809首地址MOV@DPTR,A;启动A/D转换HERE：SJMPHERE；等中断中断服务程序：MOVX