AD转换器的基本概念及基本结构DA转换器的工作原理及其

本章主要教学内容D/A、A/D转换器的根本概念及根本结构D/A转换器的工作原理及其特点A/D转换器的工作原理110.1典型D/A转换器芯片控制系统中传感器所检测的信号如温度、压力、流量、速度、湿度等物理量都是随着时间连续变化的模拟量，为了能用计算机对模拟量进行采集、加工和输出，就需要把模拟量转换成便于计算机存储和加工的数字量〔称为A/D转换〕；同样经过计算机处理后的数字量必须转换成模拟量〔称为D/A转换〕才能控制外部设备。我们把能实现A/D与D/A转换的相关器件集中做在一块接口电路板上，称为模拟量输入/输出通道。它主要由传感器、A/D转换器、信号处理部件、多路开关、采样/保持器、D/A转换器等部件组成。第10章210.1.1D/A转换器的工作原理和主要参数D/A转换器是用电阻解码网络将N位数字量逐位转换成模拟量并求和实现将N位数字量转化为模拟量。1.D/A转换器的工作原理D/A转换器的模拟量输出与参考量以及二进制数成比例关系，可用下面的式子表示：其中X为模拟量输出，K为比例常数，VREF为参考量〔电压或电流〕，B为待转换的二进制数，通常B的位数为8位、12位等。第10章3第10章〔1〕二进制加权电阻D/A转换器：其结构如图10-1所示。该电路由权电阻、位切换开关、反响电阻和运算放大器等组成。图10-1二进制加权电阻D/A转换器4第10章〔2〕梯形电阻D/A转换器：如图10-2所示，该电阻网络中仅有R和2R两种电阻，切换开关的工作原理与二进制加权电阻网络D/A转换工作原理相同。图10-2梯形电阻D/A转换器的结构52.D/A转换器的主要参数〔1〕精度：指D/A转换器的实际输出与理论满刻度输出之间的差异。〔2〕分辨率：指当输入数字量发生单位数码变化时所对应的输出模拟量的变化量。〔3〕建立时间：指当D/A转换器的输入数据发生变化后，输出模拟量到达稳定数值所需要的时间。〔4〕温度系数：环境温度的变化会对D/A转换精度产生影响，分别用失调温度系数、增益温度系数和微分非线性温度系数来表示。〔5〕非线性误第10章6第10章71.DAC0832的内部结构DAC0832的内部结构框图如图10-3所示，它由8位输入锁存器、8位DAC存放器、8位DAC转换器及转换控制电路构成，DAC转换器采用梯型电阻网络。第10章8第10章图10-3DAC0832的内部结构9第10章2.DAC0832的引脚功能DAC0832为20脚双列直插式封装，如下图。10第10章3.DAC0832的工作方式DAC0832内部有两个存放器，能实现3种工作方式：〔1〕直通方式〔2〕单缓冲方式〔3〕双缓冲方式4.DAC0832的输出DAC0832是电流形式输出，当需要电压形式输出时，必须外接运算放大器。如图10-5所示。11第10章〔a〕反相输出〔b〕同相输出图10-5DAC0832的输出125.DAC0832芯片与微机接口电路的设计选择和使用D/A转换器时要注意以下几点：〔1〕合理选择DAC芯片。〔2〕设计和连接接口〔3〕配置参考电源DAC芯片作为一个输出设备接口电路，与主机的连接比较简单，主要是处理好数据总线的连接。第10章1310.2典型A/D转换器芯片10.2.1A/D转换器工作原理和主要参数1.A/D转换器的分类及工作原理按照输入模拟量的极性分类，A/D转换器可以分为单极型和双极型两种；按照输出数字量分类，可以有并行方式、串行方式及串/并行方式；按照A/D转换器的转换原理分类，可以分为积分型、逐次逼近型和并行转换型。逐次逼近型A/D转换器如图10-9所示。第10章14第10章图10-9逐次逼近型A/D转换器15逐次逼近型A/D转换器的主要特点是：转换速度较快，转换时间在1～100μs以内，分辨率可达18位，特别适用于高精度和高频信号的A/D转换；转换时间固定，不随输入信号的大小而变化；抗干扰能力不如双积分型A/D转换器，需要采取适当的滤波措施。这类典型芯片主要有ADC0809、ADCl210、AD574等。第10章162.A/D转换器的主要性能参数〔1〕分辨率：反映A/D转换器对输入微小变化的响应能力。〔2〕精度：采用绝对误差和相对误差两种方法来表示。〔3〕转换时间：指完成一次A/D转换所需要的时间。〔4〕温度系数：是表示A/D转换器受环境温度影响的程度。〔5〕量程：指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。〔6〕逻辑电平及方式：多数A/D转换器输出的数字信号与TTL电平兼容，以并行方式输出。〔7〕工作温度范围：一般为0～70℃。第10章17第10章10.2.2ADC0809转换器及其应用逐次逼近式A/D转换器ADC0809片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量，单极性，量程为0～5V，片内有三态输出缓冲器，可以直接与微机总线相连接。该芯片有较高的性能价格比，适用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域。由于其价格低廉，便于与微机连接，因而应用十分广泛。181.ADC0809的结构及工作原理ADC0809采用单一的十5V电源供电，外接工作时钟为500kHz时，转换时间大约为128ms，工作时钟为640kHz时，转换时间大约为100ms。ADC0809的逻辑结构如图10-10所示，其内部由256R电阻分压器、树状模拟开关、电压比较器、逐次逼近存放器、逻辑控制和定时电路组成。其根本工作原理是采用对分搜索方法逐次比较，找出最逼近于输入模拟量的数字量。第10章19第10章图10-10ADC0809的逻辑结构20第10章213.ADC0809的引脚功能ADC0809引脚如下图。第10章22第10章4.ADC0809与微机接口A/D转换芯片一般都具有数据输出、启动转换、转换结束、时钟和参考电平等引脚。ADC芯片与主机的连接就是处理这些引脚的连接问题。根据A/D转换芯片的数字输出端是否带有三态锁存缓冲器，与主机的连接可以分为两种方式：第一种是直接相连，主要用于输出带有三态锁存缓冲器的ADC芯片，如ADC0809、AD574等；第二种是用三态锁存器，如74LS373/374，或通用并行接口芯片，如Intel8255，适用于不带三态锁存缓冲器的ADC芯片。2310.3模拟接口应用实例设计并分析一个在PC机ISA扩展槽上采用中断方式进行8路数据采集和单通道模拟量输出的接口电路系统。该系统要求采用ADC0809及DAC0832构建一个通用的8位A/D输入、D/A输出的采集卡，利用PC微机系统的IRQ2信号作为ADC的外部中断信号，使ADC的8个通道循环采集，每个通道采样100次，采集的数据存放在内存，并在屏幕上显示结果。第10章24主要设计工作如下：〔1〕根据要求画出实现该系统功能的电路原理图，如图10-14所示。〔2〕设计中断控制位控制ADC0809的EOC中断申请，CPU写入中断口9FH的数据为0时，不允许EOC申请中断，写数据80H时允许EOC申请中断。第10章25〔3〕相关的控制端口地址设计为：ADC0809读数据端口地址1FH；ADC0809启动转换端口地址3FH；通道地址由数据总线的低3位D2～D0编码产生，口地址也为3FH；DAC0832使能地址5FH；中断申请端口地址9FH；地址译码功能由74LS138译码器和相关门电路完成。〔4〕由于D/A变换程序比较简单，只需向5FH端口写一个数据就可以了，所以下面程序是为进行A/D变换的数据采集程序。程序中对8个通道采集数据，每个通道采集数据100个，数据放在BUFF开始的存储区。第10章26第10章图10-148位数据采集电路27第10章DAC0832是8位D/A转换器，直接输出电流量，假设片内有输出放大器，那么能输出电压量，并能实现单极性或双极性电压输出。D/A转换器的转换速度较快，一般其电流建立时间为1μs。ADC0809是逐次逼近型8位A/D转换芯片，片内有8路模拟开关，可以同时连接8路模拟量，单极性，量程为0～5V，典型的转换速度为100μs，片内有三态输出缓冲器，可直接与CPU总线连接。本章小结28实际应用中，A/D、D/A转换器的选择要考虑转换精度和分辨率满足系统的需求；转换速率要根据被测