第九章模 數(shù) 數(shù) 模轉(zhuǎn)換及應(yīng)用 9 1概述 9 2數(shù) 模 D A 轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) 9 3模 數(shù) A D 轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) 9 1概述 在自動(dòng)控制和測量系統(tǒng)中 被控制和被測量的對(duì)象往往是一些連續(xù)變化的物理量 如 溫度 壓力 流量 速度 電流 電壓等 這些隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量 稱為模擬量 Analog 計(jì)算機(jī)參與測量和控制時(shí) 模擬量不能直接送入計(jì)算機(jī) 必須先把它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 Digital 能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 簡稱ADC 同樣 計(jì)算機(jī)輸出的是數(shù)字量 不能直接用于使用模擬量的控制執(zhí)行部件 必須將這些數(shù)字且轉(zhuǎn)換成模擬量 能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件稱為數(shù)字 模擬轉(zhuǎn)換器 簡稱DAC 因此 我們常把ADC和DAC器件以及相關(guān)電路成為模擬接口電路 模擬量 連續(xù)變化的物理量 數(shù)字量 時(shí)間和數(shù)值上都離散的量 9 1概述 含有A D與D A轉(zhuǎn)換的監(jiān)控系統(tǒng) 圖9 1典型的計(jì)算機(jī)檢測 控制系統(tǒng)框圖 模 數(shù)與數(shù) 模轉(zhuǎn)換通道的組成 一般模 數(shù)轉(zhuǎn)換通道由傳感器 信號(hào)處理 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 采樣保持器以及A D轉(zhuǎn)換器組成 傳感器 能夠把非電物理量轉(zhuǎn)換成電量 電流或電壓 的器件 一般傳感器由電容 電阻 電感或敏感材料組成 在外加激勵(lì)電流或電壓的驅(qū)動(dòng)下 不同類型的傳感器會(huì)隨不同非電物理量的變化 引起傳感器的組成材料發(fā)生改變 使得輸出連續(xù)變化的電流或電壓與非電物理量的變化成正比 一 傳感器 Transducer 由于傳感器組成材料發(fā)生改變引起輸出電流或電壓的變化十分微弱 容易受外界干擾 因此 在市場上能買到的各種變送器 已將傳感器與放大電路制作在一起 輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的0 10mA或4 20mA電流 或0 5V電壓 以便傳輸或直接送A D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A D轉(zhuǎn)換 其中 4 20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出的傳感器較為普遍 常說的流量變送器 壓力變送器等一般輸出4 20mA標(biāo)準(zhǔn)電流 內(nèi)部處于恒流輸出結(jié)構(gòu) 顯然電流型傳感器比電壓型傳感器抗干擾能力強(qiáng) 易于遠(yuǎn)距離傳輸 因此 電流型傳感器被廣泛用于生產(chǎn)過程的檢測系統(tǒng)中 二 信號(hào)放大處理 信號(hào)放大處理電路 接在A D轉(zhuǎn)換器與傳感器之間 用于解決以下存在問題 A D轉(zhuǎn)換器與傳感器二者電壓不匹配 如果是電流型輸出傳感器 要進(jìn)行 變換與放大處理 將電流信號(hào)對(duì)應(yīng)變換成電壓信號(hào) 傳感器工作在現(xiàn)場 可能存在復(fù)雜的強(qiáng)電磁波的干擾 通常采用RC低通濾波器 濾除疊加在傳感器輸出信號(hào)上的高頻干擾信號(hào) 也可采用有源濾波技術(shù) 使得濾波特性更好 三 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) Multiplexer 一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) A D轉(zhuǎn)換 往往要采集多路模擬信號(hào) 通常只用一片A D轉(zhuǎn)換芯片 輪流選擇輸入信號(hào)進(jìn)行采集 既節(jié)省了硬件開銷 又不影響對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測與控制 許多A D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部具備多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 一片A D轉(zhuǎn)換芯片可以輪流采集多路模擬輸入信號(hào) 如果A D轉(zhuǎn)換芯片不具有多路轉(zhuǎn)換功能 則在A D轉(zhuǎn)換之前外加模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 常用的模擬多路開關(guān)介紹 CD4051B的基本結(jié)構(gòu)CD4051B采用了CMOS工藝 16腳DIP封裝 八選一模擬多路開關(guān) 當(dāng)使能端INH為0狀態(tài)時(shí) CD4051B才能選擇導(dǎo)通 由選擇輸入端A2A1A0三位二進(jìn)制編碼來控制 CH0 CH7 八個(gè)輸入通道的通斷 該芯片能實(shí)現(xiàn)雙向傳輸 即可以實(shí)現(xiàn)多傳一或一傳多兩個(gè)方向的傳送 四 采樣保持器 SampleHolder 在A D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣期間 保持被轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)不變的電路稱為采樣保持電路 A D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間 不同A D轉(zhuǎn)換芯片 其轉(zhuǎn)換時(shí)間各異 對(duì)于連續(xù)變化較快的模擬信號(hào)如果不采取采樣保持措施 將會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差 慢速變化的模擬信號(hào) 在A D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中 完全可以不必采用采樣保持電路 而且并不會(huì)影響A D轉(zhuǎn)換的精度 采樣 保持器的基本原理 采樣保持器是指在邏輯電平的控制下處于 采樣 或 保持 兩種工作狀態(tài)的電路 采樣 保持示意圖如圖10 5所示 在采樣狀態(tài)下 電路的輸出跟蹤輸入模擬信號(hào) 在保持狀態(tài)下 電路的輸出保持著前一次采樣結(jié)束時(shí)刻的瞬時(shí)輸入模擬信號(hào) 直到進(jìn)入下一次采樣狀態(tài)為止 從圖10 5中可以看出 經(jīng)過對(duì)Vi的采樣 V0的小平臺(tái)電壓值保持到下一次的采樣開始 該穩(wěn)定的 小平臺(tái) 電壓供A D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A D轉(zhuǎn)換 采樣 保持示意圖 五 A D轉(zhuǎn)換器 AnalogtoDigit A D轉(zhuǎn)換器是模 數(shù)轉(zhuǎn)換通道的核心環(huán)節(jié) 其功能是將模擬輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 二進(jìn)制數(shù)或BCD碼等 以便由計(jì)算機(jī)讀取 分析處理 并依據(jù)它發(fā)出對(duì)生產(chǎn)過程的控制信號(hào) 六 驅(qū)動(dòng)器 計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)或直接輸出的開關(guān)量信號(hào) 其驅(qū)動(dòng)功率往往不能滿足執(zhí)行部件的要求 所以 在驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件之前 一般都要進(jìn)行功率放大 信號(hào)隔離和匹配 以及動(dòng)作時(shí)間協(xié)調(diào)等 鑒于計(jì)算機(jī)過程控制現(xiàn)場 有不少執(zhí)行部件是工作于開關(guān)狀態(tài)的 如步進(jìn)電機(jī) 啟 停交流電機(jī) 交流觸發(fā)器 電控閥門 繼電器等 使用時(shí)應(yīng)注意 不同的執(zhí)行部件 所需的驅(qū)動(dòng)電流和電壓均不相同 所以驅(qū)動(dòng)器型號(hào)也不同 9 2數(shù) 模 D A 轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) D A轉(zhuǎn)換器的主要部件是電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò) 通常是由輸入的二進(jìn)制數(shù)的各位控制一些開關(guān) 通過電阻網(wǎng)絡(luò) 在運(yùn)算放大器的輸入端產(chǎn)生與二進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)成比例的電流 經(jīng)過運(yùn)算放大器相加和轉(zhuǎn)換而成為與二進(jìn)制數(shù)成比例的模擬電壓 9 2 1D A的工作原理及指標(biāo) 最簡單的D A轉(zhuǎn)換器電路如下圖所示 VREF是一個(gè)足夠精度的參考電壓 運(yùn)算放大器輸入端的各支路對(duì)應(yīng)待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的第0位 第1位 第n 1位 支路中的開關(guān)由對(duì)應(yīng)的數(shù)位來控制 如果該數(shù)位為 1 則對(duì)應(yīng)的開關(guān)閉合 如果該數(shù)位為 0 則對(duì)應(yīng)的開關(guān)打開 各輸入支路中的電阻分別為R 2R 4R 這些電阻稱為權(quán)電阻 1 基本工作原理 4個(gè)開關(guān)從全部斷開到全部閉合 運(yùn)算放大器可以得到16種不同的電流輸入 這就是說 通過電阻網(wǎng)絡(luò) 可以把0000 1111轉(zhuǎn)換成大小不同的電流 從而可以在運(yùn)算放大器的輸出端得到大小不同的電壓 如果由數(shù)字0000每次增1 一直變化到1111就可以得到一個(gè)階梯波電壓 如圖所示 圖9 2D A轉(zhuǎn)換的基本原理 在實(shí)際應(yīng)用中 常選用電流輸出型來實(shí)現(xiàn)電壓輸出 即通過外接的運(yùn)算放大器把D A轉(zhuǎn)換器的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓 圖9 3 a 是反相電壓輸出 輸出電壓VOUT iR 圖9 3 b 是同相電壓輸出 輸出電壓VOUT iR 1 R2 R1 圖9 3電流型D A連接成電壓輸出方式 在實(shí)際應(yīng)用中 有時(shí)僅要求輸出是單方向的 即單極性輸出 其電壓通常為0 5V或0 10V 有時(shí)則要求輸出是雙方向的 即雙極性輸出 如電壓為 5V 10V 單極性和雙極性輸出電路分別為圖9 4 a 和9 4 b 所示 雙極性輸出電壓與VREF及A1輸出V1的關(guān)系是 VOUT 2V1 VREF 雙極性輸出要正負(fù)輸出 可把變化的動(dòng)態(tài)范圍相應(yīng)增加一倍 但同時(shí)雙極性輸出也會(huì)較單極性輸出靈敏度會(huì)降低一倍 圖所示為微機(jī)系統(tǒng)中的D A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) 對(duì)于一個(gè)8位D A轉(zhuǎn)換器來說 假設(shè)輸出為單極性模擬量電壓 滿量程值為5V 在理論上其數(shù)字量與模擬量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示 輸出電壓的計(jì)算公式為 VOUT 式中 N是D A轉(zhuǎn)換器的位數(shù) D是數(shù)字量換算到十進(jìn)制的數(shù)值 滿量程電壓值 2N是1LSB所對(duì)應(yīng)的模擬量電壓 即分辨率 圖D A轉(zhuǎn)換輸出的模擬量曲線 由于數(shù)字量不是連續(xù)的 其轉(zhuǎn)換后的模擬量自然就不是連續(xù)的 同時(shí)由于計(jì)算機(jī)每次輸出數(shù)據(jù)和D A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間 因此實(shí)際上D A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量隨時(shí)間的變化曲線不是連續(xù)的 而呈階梯狀如圖所示 圖中時(shí)間坐標(biāo)的最小分度 T是相鄰的兩次輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔 模擬量坐標(biāo)的最小分度是1LSB 但如果D A轉(zhuǎn)換器的分辨率較高 T很短 那么這條曲線的臺(tái)階就很密 基本上就是連續(xù)的 1 分辨率 分辨率是當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化 即1LSB 時(shí) 所對(duì)應(yīng)的輸出模擬量的變化量 即等于模擬量輸出的滿量程值的1 2N N為數(shù)字量位數(shù) 分辨率也可以用相對(duì)值 1 2N 百分率表示 在實(shí)際應(yīng)用中 又常用數(shù)字量的位數(shù)來表示分辨率 2 轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是指一個(gè)實(shí)際的D A轉(zhuǎn)換器與理想的D A轉(zhuǎn)換器相比較的轉(zhuǎn)換誤差 精度反映D A轉(zhuǎn)換的總誤差 其主要誤差有失調(diào)誤差 增益誤差 非線性誤差和微分非線性誤差 2 主要技術(shù)指標(biāo) 精度反映D A轉(zhuǎn)換的精確程度 可分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度 絕對(duì)精度 AbsoluteAccuracy 是指對(duì)應(yīng)于給定的數(shù)字量 D A輸出端實(shí)際測得的模擬輸出值 電流或電壓 與理論值之差 絕對(duì)精度由D A轉(zhuǎn)換的增益誤差 線性誤差和噪聲等綜合因素決定 相對(duì)精度 RelativeAccuracy 是指在零點(diǎn)和滿量程值校準(zhǔn)后 各種數(shù)字輸入的模擬量輸出與理論值之差 可把各種輸入的誤差畫成曲線 對(duì)線性D A而言 相對(duì)精度就是非線性度 精度特性通常是以滿量程電壓VFS的百分?jǐn)?shù)或以最低有效位 LSB 的分?jǐn)?shù)形式給出 也可用二進(jìn)制位數(shù)表示 分辨率和轉(zhuǎn)換精度是兩個(gè)不同的概念 分辨率取決于D A轉(zhuǎn)換器位數(shù) 而精度取決于構(gòu)成D A轉(zhuǎn)換器各個(gè)部件的精度與穩(wěn)定性 分辨率高的D A轉(zhuǎn)換器并不一定具有高的精度 3 建立時(shí)間 SettingTime 建立時(shí)間也稱穩(wěn)定時(shí)間 是指在D A的數(shù)字輸入端加上滿量程的變化 如從全 0 變?yōu)槿?1 以后 其模擬輸出穩(wěn)定到最終值 1 2LSB時(shí)所需的時(shí)間 當(dāng)輸出的模擬量為電流時(shí) 建立時(shí)間較短 最短的僅為幾個(gè)納秒 當(dāng)輸出的模擬量為電壓時(shí) 建立時(shí)間較長 主要是輸出運(yùn)算放大器所需的時(shí)間 圖9 5中的ts即建立時(shí)間 圖9 5D A的建立時(shí)間 4 輸出電壓 OutputVoltage 不同型號(hào)的D A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓相差較大 一般電壓型的D A轉(zhuǎn)換器輸出為0 5V或0 10V 電流型的D A轉(zhuǎn)換器 輸出電流為幾毫安至幾安 5 線性誤差 LinearutyError 相鄰兩個(gè)數(shù)字量之間的差應(yīng)是1LSB 即理想的轉(zhuǎn)換特性應(yīng)是線性的 在滿量程范圍內(nèi) 偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大值稱為線性誤差 6 溫度系數(shù) TemperatureCoefficient 在規(guī)定的范圍內(nèi) 相應(yīng)于溫度每變化1 增益 線性度 零點(diǎn)及偏移 對(duì)雙極性D A 等參數(shù)的變化量 溫度系數(shù)直接影響轉(zhuǎn)換精度 9 2 2常用的D A轉(zhuǎn)換芯片 D A轉(zhuǎn)換器的類型很多 從輸入電路來說 一般的D A轉(zhuǎn)換器都帶有輸入寄存器 與微機(jī)能直接連接 有的具有兩極鎖存器 使工作方式更加靈活 輸入數(shù)據(jù)一般為并行數(shù)據(jù) 也有串行數(shù)據(jù) 并行輸入的數(shù)據(jù)有8位 10位 12位等 從輸出信號(hào)來說 D A轉(zhuǎn)換器的直接輸出是電流量 若片內(nèi)有輸出放大器 則能輸出電壓量 并能實(shí)現(xiàn)單極性或雙極性電壓輸出 D A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快 一般其電流建立時(shí)間為1 s 有些D A轉(zhuǎn)換器具有其它功能 如能輸出多路模擬量 輸出工業(yè)控制用的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào) 典型的D A轉(zhuǎn)換器如8位通用型DAC0832 12位的DAC1208 電壓輸出型的AD558和多路輸出型AD7528 DAC0832是8位分辨率的D A轉(zhuǎn)換集成芯片 它具有與微機(jī)連接簡單 轉(zhuǎn)換控制方便 價(jià)格低廉等特點(diǎn) 微機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用 1 結(jié)構(gòu)和引腳 DAC0832的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示 它由8位輸入鎖存器 8位DAC寄存器 8位DAC轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成 封裝為20腳雙列直插式 各引腳功能如下 DAC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位D A芯片 共有20個(gè)引腳 如圖所示 其主要引腳定義分別如下 D7 D0 8位數(shù)字量輸入信號(hào) 其中D0為最低位 D7為最高位 ILE 輸入寄存器的允許信號(hào) 高電平有效 ILE信號(hào)和CS WRl共同控制選通輸入寄存器 當(dāng)CS WRl均為低電平 而ILE為高電平時(shí) 輸入數(shù)據(jù)立即被送至8位輸入寄存器的輸出端 見圖DAC0832邏輯結(jié)構(gòu)框圖 當(dāng)上述三個(gè)控制信號(hào)中任一個(gè)無效時(shí) 輸入寄存器將數(shù)據(jù)鎖存 輸出端呈保持狀態(tài) 圖9 6DAC0832引腳圖 CS 片選信號(hào) 輸入 低電平有效 WR1 輸入寄存器寫信號(hào) 輸入 低電平有效 由ILE CS WR1的邏輯組合產(chǎn)生輸入寄存器控制信號(hào)LE1 當(dāng)LE1為低電平時(shí) 輸入寄存器內(nèi)容隨數(shù)據(jù)線變化 LE1的正跳變將輸入數(shù)據(jù)鎖存 XFER 數(shù)據(jù)傳送信號(hào) 輸入 低電平有效 WR2 DAC寄存器的寫信號(hào) 輸入 低電平有效 由XFER WR2組成DAC寄存器的控制信號(hào)LE2 LE2的正跳變將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器 IOUTl 電流輸出1 當(dāng)DAC寄存器中全為 1 時(shí) 輸出電流最大 當(dāng)DAC寄存器中全為 0 時(shí) 輸出電流最小 IOUT2 電流輸出2 它與IOUTl的關(guān)系是 IOUTI IOUT2 常數(shù)Rfb 內(nèi)部反饋電阻引腳 該電阻在芯片內(nèi) Rfb端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端 這樣 相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端 VREF 參考電壓輸入端 可接正電壓 也可接負(fù)電壓 范圍為 10V 10V Vcc 芯片電源 5V 15V 典型值為 15V AGND 模擬地 芯片模擬信號(hào)接地點(diǎn) DGND 數(shù)字地 芯片數(shù)字信號(hào)接地點(diǎn) 0832是電流型 若需要電壓信號(hào) 可用運(yùn)算放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) 2 工作方式 DAC0832內(nèi)部有兩個(gè)寄存器 能實(shí)現(xiàn)三種工作方式 雙緩沖 緩沖和直通方式 雙緩沖工作方式是指兩個(gè)寄存器分別受到控制 當(dāng)ILE CS和WR1信號(hào)均有效時(shí) 8位數(shù)字量被寫入輸入寄存器 此時(shí)并不進(jìn)行D A轉(zhuǎn)換 當(dāng)WR2和XFER信號(hào)均有效時(shí) 原來存在輸入寄存器中的數(shù)據(jù)被寫入DAC寄存器 并進(jìn)入D A轉(zhuǎn)換器后進(jìn)行D A轉(zhuǎn)換 在一次轉(zhuǎn)換完成后到下一次轉(zhuǎn)換開始之前 由于寄存器的鎖存作用 8位D A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)保持恒定 因此D A轉(zhuǎn)換的輸出也保持恒定 在雙緩沖工作方式下 利用輸入寄存器暫存數(shù)據(jù) 給使用帶來方便 可以實(shí)現(xiàn)多路數(shù)字量的同步轉(zhuǎn)換輸出 單緩沖工作方式是指只有一個(gè)寄存器受到控制 這時(shí)將另一個(gè)寄存器的有關(guān)控制信號(hào)預(yù)先設(shè)置成有效 使之開通 或者將兩個(gè)寄存器的控制信號(hào)連在一起 兩個(gè)寄存器作為一個(gè)來使用 直通工作方式是指兩個(gè)寄存器的有關(guān)控制信號(hào)都預(yù)先置為有效 兩個(gè)寄存器都開通 只要數(shù)字量送到數(shù)據(jù)輸入端 就立即進(jìn)入D A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換 這種方式應(yīng)用較少 3 電壓輸出電路的連接 DAC0832以電流形式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果 得到電壓形式需外加I V轉(zhuǎn)換的電路 常采用運(yùn)算放大器 下圖是DAC0832的電壓輸出電路 圖DAC0832的電壓輸出電路 a 單極性輸出 b 雙極性輸出 對(duì)于單極性輸出電路 輸出電壓的格式為 VOUT 式中D為輸入數(shù)字量的十進(jìn)制值 因?yàn)檗D(zhuǎn)換結(jié)果IOUT1接運(yùn)算放大器的反相端 所以式中有一個(gè)負(fù)號(hào) 若VREF 5V D 0 255 00H FFH 時(shí) VOUT 0 4 98 V 通過調(diào)整運(yùn)算放大器的調(diào)零電位器 可以對(duì)D A芯片進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償 通過調(diào)節(jié)外接于反饋回路的電位器RP1 可以調(diào)整滿量程 對(duì)于雙極性輸出電路 輸出電壓的表達(dá)式為 V 若VREF 5V 當(dāng)D 0時(shí) VOUT1 0 VOUT 5V 當(dāng)D 128 80H 時(shí) VOUT1 2 5V VOUT 0 當(dāng)D 255 FFH 時(shí) VOUT1 4 98V VOUT 4 96V 這一轉(zhuǎn)換關(guān)系由下表示出 4 主要性能指標(biāo) 電流輸出型D A轉(zhuǎn)換器 電流建立時(shí)間1 s 分辨率 Resolution 8位 線性誤差0 2 FSR FullScaleRange 即該芯片的線性誤差為滿量程的0 2 非線性誤差0 4 FSR 具有雙緩沖 單緩沖和直接輸入三種工作方式 數(shù)字輸入與TTL兼容 增益溫度系數(shù)0 002 FSR 低功耗20mW 單電源 5 15V 參考電壓 10V 10V 9 2 3DAC0832的應(yīng)用舉例 例1 轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù) MOVDX P ADMOVAL BX OUTDX AL例2 D A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)踞齒波 MOVDX PORTAMOVAL 0FFHROTATE INCALOUTDX ALJMPROTATE 例3 D A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生周期性踞齒波 用延時(shí)程序控制周期 MOVDX PORTAMOVAL 0FFHDON INCALOUTDX ALCALLDELAYJMPDONDELAYPROCNEARMOVCX DATAX LOOPXRETDELAYENDP DECAL 產(chǎn)生周期性三角波 MOVDX PORTMOVAL 0FFHDON1 INCALOUTDX ALCMPAL 0FFHJNZDON1DON2 DECALOUTDX ALCMPAL 0JNZDON2JMPDON1 例4 用8255A控制DAC0832進(jìn)行 D A轉(zhuǎn)換 控制8253產(chǎn)生方波 1 試根據(jù)圖所示的連線 給出8255A和8253的端口地址 并為8253選擇合適的工作方式 確定計(jì)數(shù)初值 2 編程要求 設(shè)8255工作在方式0 需轉(zhuǎn)換的數(shù)字量在BL中存放 試編寫程序段 使得DAC0832產(chǎn)生模擬量輸出 8253產(chǎn)生所要求的方波 解 首先從圖中譯碼電路可知 8255A的地址為0218H 021BH8253的地址為0238H 023BH 根據(jù)題意 8253的計(jì)數(shù)器應(yīng)工作于方式3 計(jì)數(shù)初值為n 0 03 200 1000 6000 2 完成題目要求的程序段如下 MOVDX 021BH 8255A控制字端口MOVAL 10000000BOUTDX ALMOVDX 0218H 8255A的A端口MOVAL BI OUTDX ALMOVAL 00001011B PC5置l 0832進(jìn)行D A轉(zhuǎn)換MOVDX 021BHOUTDX ALMOVAL 00001010B PC5清0OUTDX ALMOVDX 023BH 8253控制字端口 MOVAL 10110110B 計(jì)數(shù)器2 方式3 二進(jìn)制計(jì)數(shù)OUTDX ALMOVAX 6000MOVDX 023AHOUTDX AL 送計(jì)數(shù)初值低8位MOVAL AHOUTDX AL 送計(jì)數(shù)初值高8位MOVDX 0219H 8255A的B端口MOVAL 00010000B PB4置1 GATE2有效OUTDX AL 或者 8253的計(jì)數(shù)器2可以用BCD碼格式計(jì)數(shù) 則8253程序片段為 MOVDX 023BHMOVAL 10110111BOUTDX ALMOVDX 023AHMOVAL 00HOUTDX ALMOVAL 60HOUTDX ALMOVDX 0219HMOVAl 00010000BOUTDX AL 轉(zhuǎn)換的功能是把模擬量電壓轉(zhuǎn)換為N位數(shù)字量電壓 下圖所示為A D轉(zhuǎn)換器的工作情況 其中圖 b 是相對(duì)應(yīng)的輸入和輸出 對(duì)于這一轉(zhuǎn)換過程 作以下幾點(diǎn)說明 輸入A D轉(zhuǎn)換器的模擬量電壓是連續(xù)的 由于A D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間 A D轉(zhuǎn)換只能間斷性地進(jìn)行 因此輸出的數(shù)字量電壓是不連續(xù)的 稱為離散量 在下圖 b 中 A D轉(zhuǎn)換所得的結(jié)果是一個(gè)個(gè)孤立的點(diǎn) 每個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)代表某個(gè)數(shù)字量 其值與采樣時(shí)刻的模擬量相對(duì)應(yīng) 如果在相鄰兩次采樣時(shí)刻之間 A D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量保持前一時(shí)刻的值 那么A D轉(zhuǎn)換的輸出就是一條階梯形的曲線 9 3模 數(shù) A D 轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) 9 3 1ADC的工作原理及指標(biāo) 1 A D轉(zhuǎn)換的基本知識(shí) 圖A D轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換情況 a A D轉(zhuǎn)換器 b 輸入和輸出 相鄰兩次采樣的間隔時(shí)間稱為采樣周期 為了使輸出量能充分反映輸入量的變化情況 采樣周期要根據(jù)輸入量變化的快慢來決定 而一次A D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間顯然必須小于采樣周期 假設(shè)輸入的模擬量為0 4 99V時(shí) 輸出的數(shù)字量為001 111 二進(jìn)制數(shù) 那么輸出與輸入的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示 將模擬量表示為相應(yīng)的數(shù)字量 稱為量化 數(shù)字量的最低位即最小有效位1LSB LSB LeastSignificantBit 與此相對(duì)應(yīng)的模擬電壓稱為一個(gè)量化單位 如果模擬電壓小于此值 不能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量 LSB表示A D轉(zhuǎn)換器的分辨能力 對(duì)于上述轉(zhuǎn)換關(guān)系來說 1LSB 0 71V 2 A D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo) 1 分辨率 習(xí)慣上以輸出的二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示分辨率 如一個(gè)輸出為8位二進(jìn)制數(shù)的A D轉(zhuǎn)換器 稱其分辨率為8位 也可以用對(duì)應(yīng)于1LSB的輸入模擬電壓來表示分辨率 分辨率還可以用百分?jǐn)?shù)來表示 例如8位A D轉(zhuǎn)換器的分辨率百分?jǐn)?shù)為 1 256 100 0 39 2 量化誤差 A D轉(zhuǎn)換是用數(shù)字量對(duì)模擬量進(jìn)行量化 由于存在最小量化單位 在轉(zhuǎn)換中就會(huì)出現(xiàn)誤差 仍以上述0 4 99V轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)000 111的A D轉(zhuǎn)換器為例 模擬量1 42V對(duì)應(yīng)于數(shù)字量010 而 1 42V 1 2LSB 1 42V 1 2LSB 也都對(duì)應(yīng)于010 這樣就帶來了轉(zhuǎn)換誤差 這一誤差稱為量化誤差 理想A D轉(zhuǎn)換器的量化誤差為 1 2LSB 如下圖所示 圖理想的A D轉(zhuǎn)換曲線 3 轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是指一個(gè)實(shí)際的A D轉(zhuǎn)換器與理想的A D轉(zhuǎn)換器相比的轉(zhuǎn)換誤差 絕對(duì)精度一般以1LSB為單位給出 相對(duì)精度則是絕對(duì)精度與滿量程的比值 不同廠家生產(chǎn)的A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度指標(biāo)的表達(dá)方式可能不同 有的給出綜合誤差指標(biāo) 有的給出分項(xiàng)誤差指標(biāo) 通常誤差指標(biāo)有失調(diào)誤差 零點(diǎn)誤差 增益誤差 滿量程誤差 非線性誤差和微分非線性誤差 例如 滿量程為10V 10位A D芯片 若其絕對(duì)精度為 1 2LSB 則其最小有效位的量化單位 9 7mV 其絕對(duì)精度為 2 4 88mV 其相對(duì)精度為 4 88mV 10V 0 048 4 轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次A D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間 即由發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令信號(hào)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)開始有效的時(shí)間間隔 轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率 例如AD570的轉(zhuǎn)換時(shí)間為25 s其轉(zhuǎn)換速率為40KHz 5 電源靈敏度 電源靈敏度是指A D轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時(shí) 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差 一般用電源變化1 時(shí)相當(dāng)?shù)哪M量變化的百分?jǐn)?shù)表示 6 量程 量程是指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍 分單極性 雙極性兩種類型 例如 單極性量程為0 5V 0 10V 0 20V 雙極性 量程為 5 5V 10 10V 6 輸出邏輯電平 多數(shù)A D轉(zhuǎn)換器的輸出邏輯電平與TTL電平兼容 在考慮數(shù)字輸出與微處理器的數(shù)據(jù)總線接口時(shí) 應(yīng)注意是否要三態(tài)邏輯輸出 是否要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存等 7 工作溫度范圍 由于溫度會(huì)對(duì)比較器 運(yùn)算放大器 電阻網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生影響 故只在一定的溫度范圍內(nèi)才能保證額定精度指標(biāo) 一般A D轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍為 0 70 軍用品的工作溫度范圍為 55 125 9 3 2常用的ADC0809芯片 A D轉(zhuǎn)換器的種類很多 按轉(zhuǎn)換原理分類 有逐次逼近式 雙積分式 并行式等 雙積分轉(zhuǎn)換精度高 轉(zhuǎn)換時(shí)間長 大約需要幾百毫秒 并行式轉(zhuǎn)換速度最高 能達(dá)到2G次 即轉(zhuǎn)換時(shí)間僅50ns 但價(jià)格昂貴 產(chǎn)品的分辨率不高 逐次逼近式兼顧了轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度 是應(yīng)用廣泛的A D轉(zhuǎn)換器 逐次逼近式的種類很多 分辨率從8位到16位 轉(zhuǎn)換時(shí)間從100 s到幾微秒 精度有不同等級(jí) 有的轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還常有多路模擬開關(guān) 常用的幾種A D轉(zhuǎn)換器 8位通用型ADC0808 0809 12位的AD574A和雙積分型5G14433 ADC0808 0809是8通道 8位逐次逼近式A D轉(zhuǎn)換器 美國NS公司產(chǎn)品 其性能指標(biāo)一般 價(jià)格低廉 便于與微機(jī)連接 因而應(yīng)用十分廣泛 1 結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換原理 下圖所示為ADC0808 0809的結(jié)構(gòu)框圖 ADC0808 0809由三部分組成 8路模擬量選通開關(guān) 8位A D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器 ADC0808 0809的結(jié)構(gòu)框圖 ADC0808 0809允許8路模擬信號(hào)輸入 由8路模擬開關(guān)選通其中一路信號(hào) 模擬開關(guān)受通道地址鎖存和譯碼電路的控制 當(dāng)?shù)刂锋i存信號(hào)ALE有效時(shí) 3位地址CBA進(jìn)入地址鎖存器 經(jīng)譯碼后使8路模擬開關(guān)選通某一路信號(hào) 8位A D轉(zhuǎn)換器為逐次逼近式 由256R電阻分壓器 樹狀模擬開關(guān) 這兩部分組成一個(gè)D A變換器 電壓比較器 逐次逼近寄存器 邏輯控制和定時(shí)電路組成 其基本工作原理是采用對(duì)分搜索方法逐次比較 找出最逼近于輸入模擬量的數(shù)字量 電阻分壓器需外接正負(fù)基準(zhǔn)電源VREF 和VREF CLOCK端外接時(shí)鐘信號(hào) A D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)由START信號(hào)控制 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)控制電路將數(shù)字量送入三態(tài)輸出鎖存器鎖存 并產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC 三態(tài)門輸出鎖存器用來保存A D轉(zhuǎn)換結(jié)果 當(dāng)輸出允許信號(hào)OE有效時(shí) 打開三態(tài)門 輸出A D轉(zhuǎn)換結(jié)果 因輸出有三態(tài)門 便于與微機(jī)總線連接 2 引腳功能 圖為ADC0808 0809的引腳圖 各引腳功能說明如下 IN0 IN7 8路模擬輸入端 ALE 地址鎖存器允許信號(hào)輸入端 當(dāng)它為高電平時(shí) 地址信號(hào)進(jìn)入地址鎖存器中 CLOCK 外部時(shí)鐘輸入端 時(shí)鐘頻率典型值為640kHz 允許范圍為10 1280kHz 時(shí)鐘頻率降低時(shí) A D轉(zhuǎn)換速度也降低 START A D轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端 有效信號(hào)為一正脈沖 在脈沖上升沿 A D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器均被清零 在其下降沿開始A D轉(zhuǎn)換 圖ADC0808 0809的引腳圖 EOC A D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) 在START信號(hào)上升沿之后0到 2 s 8個(gè)時(shí)鐘周期 時(shí)間內(nèi) EOC變?yōu)榈碗娖?當(dāng)A D轉(zhuǎn)換結(jié)束后 EOC立即輸出一正階躍信號(hào) 可用來作為A D轉(zhuǎn)換結(jié)束的查詢信號(hào)或中斷請求信號(hào) OE 輸出允許信號(hào) 當(dāng)OE輸入高電平信號(hào)時(shí) 三態(tài)輸出鎖存器將A D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出 D0 D7 數(shù)字量輸出端 D0為最低有效位 LSB D7為最高有效位 MSB REF REF 正負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端 基準(zhǔn)電壓的中心值為 VREF VREF 2 應(yīng)接近于VCC 2 其偏差值不應(yīng)超過 0 1V 正負(fù)基準(zhǔn)電壓的典型值分別為 5V和0V VCC GND 電源電壓輸入端 ADC0808 0809的工作時(shí)序 3 工作時(shí)序 ADC0808 0809的工作時(shí)序如下圖所示 從圖中可以看出各信號(hào)的時(shí)序關(guān)系 進(jìn)一步理解上面所講的轉(zhuǎn)換過程中的信號(hào)功能 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間為66 73個(gè)時(shí)鐘周期 4 ADC0808 0809的主要性能指標(biāo) 分辨率為8位 總的非調(diào)整誤差 0808為 1 2LSB 0809為 1LSB 轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 s 時(shí)鐘頻率為640KHz 具有鎖存控制功能的8路模擬開關(guān) 能對(duì)8路模擬電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 輸出電平與TTL電平兼容 單電源 5V供電 基準(zhǔn)電壓由外部提供 典型值為 5V 此時(shí)允許模擬量輸入范圍為0 5V 功耗為10mW ADC0808 0809的數(shù)字量輸出值D 換算到十進(jìn)制 與模擬量輸入值VIN之間的關(guān)系如下 通常VREF 0V 所以 當(dāng)VREF 5V 相應(yīng)于VIN 0 4 98V D 0 255 00H FFH 這里由于數(shù)字量的滿量程值是255 而不是256 因此相應(yīng)地輸入電壓的滿量程值也比5V少1LSB 與ADC0808 0809同屬ADC0800系列的還有ADC0816 0817 其通道數(shù)增至16 封裝為40引腳 其它性能與ADC0808 0809基本相同 ADC0800 0805系列為單通道8位轉(zhuǎn)換器 除了通道數(shù)以外 其它性能與ADC0808 0809相似 5 ADC芯片與CPU接口 通常使用的ADC一般都具有下列引腳 數(shù)據(jù)輸出 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換結(jié)束 時(shí)鐘和參考電平等 ADC與主機(jī)的連接就是處理這些引腳的連接問題 數(shù)據(jù)輸出線的連接 模擬信號(hào)經(jīng)A D轉(zhuǎn)換 向主機(jī)送出數(shù)字量 所以 ADC芯片就相當(dāng)于給主機(jī)提供數(shù)據(jù)的輸入設(shè)備 能夠向主機(jī)提供數(shù)據(jù)的外設(shè)很多 它們的數(shù)據(jù)線都要連接到主機(jī)的數(shù)據(jù)總線上 為了防止總線沖突 任何時(shí)刻只能有一個(gè)設(shè)備發(fā)送信息 因此 這些能夠發(fā)送數(shù)據(jù)的外設(shè)的數(shù)據(jù)輸出端必須通過三態(tài)緩沖器連接到數(shù)據(jù)總線上 由于有些外設(shè)的數(shù)據(jù)不斷變化 如A D轉(zhuǎn)換的結(jié)果 隨模擬信號(hào)變化而變化 所以 為了能夠穩(wěn)定輸出 還必須在三態(tài)緩沖器之前加上鎖存器 保持?jǐn)?shù)據(jù)不變 為此 大多數(shù)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備都設(shè)置了鎖存器和三態(tài)緩沖器 簡稱三態(tài)鎖存緩沖器或三態(tài)鎖存器 A D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào) 當(dāng)一個(gè)ADC在開始轉(zhuǎn)換時(shí) 必須加一個(gè)啟動(dòng)信號(hào) 芯片不同 要求的啟動(dòng)信號(hào)也不同 一般分脈沖啟動(dòng)信號(hào)和電平控制信號(hào) 脈沖信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的ADC 只要在啟動(dòng)引腳加一個(gè)脈沖即可 如ADC0809 AD574 通常都是采用外設(shè)輸出信號(hào)和地址譯碼器的端口地址信號(hào)經(jīng)邏輯電路進(jìn)行控制 電平信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換是在啟動(dòng)引腳上加一個(gè)所要求的電平 電平加上之后 A D轉(zhuǎn)換開始 而且在轉(zhuǎn)換過程中 必須保持這一電平 否則 將停止轉(zhuǎn)換 在這種啟動(dòng)方式中 CPU送出的控制信號(hào)必須通過寄存器保持一段時(shí)間 軟